CN1496067A

CN1496067A - 增加分组环网络公平性的系统和方法

Info

Publication number: CN1496067A
Application number: CNA031496326A
Authority: CN
Inventors: 1; 卡马克施·斯里德哈
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel Lucent NV
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2004-05-12
Also published as: US20040032826A1; EP1387536A2; EP1387536A3

Abstract

本发明公开了用于确保分组环网络中的公平性的方法和系统。在一个实施方式中，在每个节点上测量特定业务类别的入分组业务量速率，将其与某个阈值比较，该阈值的标识取决于目的节点相对于当前节点的位置。对每个入分组而言，如果超过了阈值，该分组在发送到网络之前，就标记为“不相容”。在从拥塞链路接收到拥塞通知信号时，丢弃网络中所有发往或者经过拥塞节点并且标记为不相容的分组，直至拥塞缓解。这种公平性机制还使得拥塞控制的实现能够最大程度地利用带宽。

Description

增加分组环网络公平性的系统和方法

技术领域

本发明一般涉及分组环网络，例如弹性分组环(“RPR”)、吉比特以太网，以及波分复用(“WDM”)分组环网络。确切地说，本发明旨在增加这些网络中的公平性，这种陈述不应视为对本发明施加任何限制。

背景技术

分组环网络，例如RPR，吉比特网络及其WDM变型，主要设计用于实现城域网(“MAN”)。图1的分组环网络100的例子由5个节点组成，分别标记为A-E，连接成一个环。每个节点通过至少一条链路在顺时针方向或逆时针方向上连接其相邻节点。具体来说，链路102a到102e包括顺时针环，而链路104a到104e包括逆时针环。通信网中缺乏公平性是环状结构独有的缺陷。这是因为在环中，从一个节点到另一节点的业务量可以只在一个方向上游动，必须通过特定中间节点才能到达其目的地。当一个或多个上游节点“极度缺乏”下游节点的同类型业务量时，就会出现公平性问题。首先承受损失的节点(下游节点)会进一步减少TCP源点处的速率，使得接入较好的节点(上游节点)的接入性能更加突出，从而使得下游节点的问题进一步恶化。

解决公平性问题的一种方案是采用“信用”机制。信用的使用确保了时隙WDM环中得到等分带宽，或者按比例分配的带宽。用一个日志记录每个节点发送的分组数，使得那些超前的节点在某个时间点开始限流，以减小差别。分配给节点的信用按照业务提供时分配的速率来生成。因为没有针对尽力而为(Best Effort)(“BE”)业务给出呼叫允许或者分配的带宽，这种机制无法应用于分组环网络中的BE业务量。此外，这种机制不能确保短期的公平性，而只能保证长期公平性，尤其是长期传送的业务量的集合。

另一种方案被称为“按目的地排队”或者“虚拟输出排队”。在每个节点上，都为每个目的地提供了一个队列。发往特定目的地的业务量进入特定队列，此时可以实现公平性算法。但是，按目的地排队随着节点数量的增加规模会成问题，因为每个节点必须为每个目的地维护一个队列。这个问题对能支持256个节点的RPR而言，尤为突出。

另一方案称为“信令”方案，允许所有节点的所有业务量都流入网络。当下游节点希望发送业务量却并没有可用带宽时，它通知上游节点限制其业务量。信令的作用是消除不公平所带来的拥塞，但是，这种方案无法防止不公平发生。

另一种方案称为“随机早期检查”(“RED”)，它和它的变型利用丢弃分组来隐式地通知拥塞。所有的RED变型都设法实现拥塞避免和到达单个节点的一个或多个流的公平性。但已知的RED变型都没有解决环网中的公平性或者多个节点的公平性。

发明内容

因此，本发明提供了一种有利的方法和系统，用于确保分组环网络中的公平性。在一个实施方式中，每个节点上，测量特定业务类别的入分组业务量速率，将其与某个阈值比较，该阈值的标识取决于目的节点相对于当前节点的位置。对每个入分组而言，如果超过了阈值，分组在发送到网络之前，就标记为“不相容”。在从拥塞链路通过反方向环接收到拥塞通知信号时，丢弃网络中所有标记为不相容的分组，直至拥塞缓解。这种公平性机制还使得拥塞控制的实现能够最大程度地利用带宽。

附图说明

通过以下详细描述，并结合附图，可以对本发明有更为完整的理解。

图1给出了一个分组环网络，确切地说，一个RPR网络，其中可以实现本发明一个实施方式的特性。

图2示出了图1 RPR网络中具体实现本发明一个实施方式的特性的一个节点；以及

图3的流程图示出了增加RPR网络，例如图1所示网络的公平性的方法的一个实施方式。

具体实施方式

在附图中，相同或类似的元件在其若干视图中都标记成相同的标号，示出的各种元件不一定是照尺寸大小画出。

参看图1，在这里给出的示例性RPR网络100中，可以很好地实现本发明的思路。如图1所示，网络100包括5个连接成环形的节点A-E(包括链路102a-102e)，其中业务量在顺时针方向上流动。应当注意到，尽管网络100包括5个节点A-E，但一般网络100中可以有更多或更少的节点。此外，这里描述的本发明的原理将应用于逆时针环，以及单个环上多个波长中的每一个。此外，这里描述的本发明的原理将应用于所有分组环网络，例如吉比特以太网及其WDM变型。

在标记分组时对节点的相对空间位置的考虑是本发明一个实施方式的主要特性，而且是这个实施方式所特有的。进入某个节点的特定业务类型(例如BE)分组的“不相容”或“NC”比特如果超过了特定阈值，其“不相容”或“NC”比特就被设置为1。每个节点允许发送的业务量包括链路上可用带宽的某些预定义部分，作为“相容”业务量。除了这部分之外的业务量是“不相容”业务量。前述预定义部分被称为“分配带宽”，分配带宽的限制称为“阈值”。除了通常的变量，例如可用带宽之外，该阈值还依赖于源节点和目的节点的标识。只要来自源节点的分组不超过目的节点的阈值，每个分组的NC比特就置为0，并且将该分组发送到网络。超过目的节点阈值的各个分组的NC比特置为1，这些分组构成了分配带宽之外的过载业务量。NC＝1的分组也被发送到网络，这些分组只会在链路拥塞时才被丢弃，链路拥塞由逆时针环上收到的拥塞通知信号指示。NC＝0的分组永远不会被丢弃，即使从逆时针环上收到了拥塞通知信号。

为了举例说明，假定网络100支持三种业务类型，包括金(“G”)、银(“S”)和尽力而为(“BE”)业务量，但是，应认识到这里描述的实施方式的原理可以应用于包括更多或更少业务量类型的网络。还假定公平性机制只应用于BE业务量。一般而言，G和S业务量只有在带宽充分可用的情况下才被允许进入网络，但是，应认识到公平性机制可以应用于所有的业务量类型，包括G和S。

需要注意到，在一个实施方式中，只检查进入业务量是否标记；转发业务量并不检查标记，因为事先假定这些业务量会在进入节点处检查。

图2是网络100的节点A的框图。应认识到，网络100的其余节点B-E，每一个都具有下面结合节点A描述的这些特性和功能，因此不再单独进行描述。如图2所示，节点A中，链路102e上来自节点E的业务量(图1)进入分组分类器202，后者按照分组类型确认每个分组的路由。分组分类器202将G业务量和S业务量分别寻路到G队列204和S队列206。BE业务量则被寻路到目的分类器208，后者将BE业务量流寻路到N-1业务量速率测量功能(其中N是网络中节点数，在该例中是5)210(B)-210(E)之一，这取决于流的目的。具体来说，发往节点B的业务量(图1)被送到功能210(B)；发往节点C的业务量(图1)被送到功能210(C)；发往节点D的业务量(图1)被送到功能210(D)；发往节点E的业务量(图1)被送到功能210(E)。在一个实施方式中，业务量速率测量功能210(B)-210(E)，每一个都可以包括一个令牌记录过滤器。在另一实施方式中，业务量速率测量功能210(B)-210(E)，每一个都可以通过定时器和计数器的组合来实现，以测量发往目的节点的总流量的进入速率，前述计数器统计预定时间间隔(由定时器指定)内的分组，进入速率等于该计数器的值。

一旦确定了发往节点B的总流量的业务量速率，处理器210(B)把它和预定阈值T_AB(由处理器210(B)确定)比较，该阈值对应于进入节点A和目的节点B。类似地，处理器210(C)-210(E)，每一个分别将发往节点C-E的总流量的业务量速率和各阈值T_AC、T_AD和T_AE(分别由处理器210(C)、210(D)和210(E)确定)进行比较。在每个处理器210(B)-210(E)中，如果各个总流量的业务量速率超过了各自的阈值T_AB、T_AC、T_AD和T_AE，那么该流量的各个分组的NC比特被置为1；否则，该流量的各个分组的NC比特保持为0。

此时，来自所有处理器214(B)-214(E)的分组被转发到BE队列216。基于指定调度器218在每个业务循环中可以为每种类型多少分组提供服务的参数，以传统方式将分组从队列204、206、216中取出，并在链路102(a)上发送给节点B。

图3的流程图示出了按照本发明的一个实施方式实现公正性。在步骤300中，在链路上检测到拥塞之后，拥塞的节点会通过逆时针环发送拥塞通知信号给网络中的所有节点。这种信号结构非常简单，指示拥塞节点和链路的标识。在步骤302中，每个上游节点根据拥塞通知信号标识哪条链路已经拥塞，并检查每个发往拥塞节点的分组。在步骤304中，丢弃发往或者经过拥塞节点的分组并且标记成不相容(NC＝1)的节点。在步骤306中，判断拥塞是否已缓解。应当认识到，这种判断的方式取决于具体实现。在一种实现中，拥塞节点将继续在逆时针环上定期发送拥塞通知信号，直至拥塞缓解。在经过预定时间而又没有接收到拥塞通知信号时，可以假定拥塞已经缓解。如果在步骤306中，判断出拥塞未缓解，则执行返回步骤302，发往或者经过拥塞节点的不相容分组继续由上游节点识别(步骤302)和丢弃(步骤304)；否则，执行继续到步骤310，从而中止丢弃不相容分组。

这样，如果结合图3描述的处理没能在特定时间段内减轻拥塞，拥塞节点将再次发送拥塞通知信号。此时，各节点将其阈值减小某个固定量。各阈值可以以特定增量形式减小，从而导致标记成NC＝1的分组数量不断增加，直至拥塞缓解。一旦拥塞缓解，各阈值可以以固定增量增加，直至返回到其初始值。

鉴于上述因素，只要没有从网络，例如网络100中的任何节点接收到拥塞指示，网络中的所有分组，不管相容(NC＝0)还是不相容(NC＝1)，都会继续前进到其目的地。如果下游节点(例如节点C)希望接纳发往网络中其它节点(例如节点E)的业务量，却没有可用带宽，下游节点C仍将接纳业务量进入网络。上面结合图2提过，包含这种进入业务量的分组将被标记成NC＝0，只要其业务量速率小于从当前节点到其目的地(例如TCE)的业务量阈值。因为没有可用带宽，来自其它节点的NC＝1的分组将被丢弃，这在前面结合图3描述过。

这里描述的实施方式的一个结果是，它还提供了一种控制由过量业务量或链路故障引起的拥塞的方法。在拥塞时，目标是缓解拥塞而不需要丢弃所有业务量，从而使得环中带宽利用率最大。因此，不需要抢先丢弃分组来防止或者避免拥塞。类似于拥塞通知信号的信号可以在链路故障时发送，这种情况下，与故障链路相邻的节点将发送链路故障通知信号给上游节点，响应于此，上游节点随后丢弃NC＝1的分组。

在网络负载较小时，所有的业务量都允许进入网络。在网络负载较重、或者拥塞时，任何节点在发现其缓冲器中有发往或经过拥塞节点的不相容(NC＝1)的业务量时，都会将其丢弃。

公平性的实现是因为在给定节点，标记发往各个其它N-1个节点的分组的阈值是不同的。因此，不同的节点可以指定不同份额的可用带宽供自己使用。注意到任何节点都不会有专有的预留带宽。最大带宽利用率得以实现是因为即使分组在超过它们的分配带宽额度时被标记，它们也只有在拥塞发生时才被丢弃，拥塞由拥塞通知信号来指示。因此，来自某个节点的业务量可以使用其它节点未用的带宽。拥塞控制得以实现是因为在接收到拥塞通知信号时，任何节点都会在发现标记有NC＝1的分组发往拥塞链路时将其丢弃。类似的机制可以用在链路发生故障时减轻拥塞或过量的业务量。

给定目的地的阈值是源节点标识、目的节点标识、每条链路上的可用带宽的函数。在具有N个节点的环中，每个节点有N-1个不同的阈值，对应于从该节点可以访问的N-1个不同目的地。

阈值计算的细节与具体实现相关，可以很简单地实现。阈值在每个节点计算，并且根据网络负载变化，例如每次加入一个金用户时，动态确定。所有节点只需要察看其带宽表，就可以知道每条链路的金用户带宽利用率。下面将给出如何确定阈值的一个例子。应当认识到，网络中，例如网络100(图1)中某个节点上进入BE业务量的可用带宽(“BW”)等于网络总带宽(“TB”)减去金带宽使用率(“GB”)。

对于与节点A相邻的顺时针方向链路上的可用带宽BW，比较实际的做法是分配给发往与网络中源节点A相距较远的节点(例如节点E)的业务量的带宽少于分配给发往与网络中源节点A相距较近的节点(例如节点B)。为便于计算，假定节点A上分配给发往节点E的入业务量的带宽是某个值“p”。再假定节点A上分配给发往节点D的入业务量的带宽是节点A上分配给发往节点E的入业务量的带宽的两倍，或“2p”。类似地，假定节点A上分配给发往节点C和B的入业务量的带宽分别是“3p”和“4p”。节点A上入BE业务量的可用带宽BW等于分配给发往各其它节点的业务量的带宽之和。这样：

BW＝p+2p+3p+4p＝10p

为便于计算，假定BW已知为10GB，则p将为1吉比特/秒(“GB”)，节点A上入BE业务量的阈值是：

T_AB＝4p＝4GB

T_AC＝3p＝3GB

T_AD＝2p＝2GB

T_AE＝p＝1GB

应当认识到，进入各其余节点(例如节点B-E)的BE业务量的阈值可以以类似方式计算。应当注意到，前述阈值计算的例子仅仅是一个例子，根据需要也可以采用许多其它方法来设置必要的阈值。

按照一个实施方式的特性，缺少公平性通过以下方法解决：允许下游节点发送一定量的业务量，不管链路负载多重，或者是否拥塞。为了缓解拥塞，每个节点只丢弃特定比例的业务量，而不是丢弃例如最远节点或最近节点的所有业务量。因为不需要给每个目的地排列，所以本发明能够很好地适应节点数量。即使是中间节点也可以丢弃从前面节点来的业务量，以尽量减小去往特定目的地的过量业务量。因此，本发明对拥塞的反应要比信令快。

这里描述的实施方式只要求最少的信令和最小的信令复杂度，因为不需要在信令消息中给出速率信息。节点之间也不需要同步来维持公平、拥塞控制以及最大的带宽利用率。因此，本发明是全面的。

基于前面的详细描述，以下这一点应该很明显：本发明很好地提供了一种有效的创新方法，用以消除RPR网络或任何其他分组环网络中的缺少公平性的缺陷。

相信根据前面的详细描述，本发明的操作和构造已经很明显。虽然给出的本发明的示例性实施方式被标明为优选，但应当理解，在不偏离后续权利要求书所提出的本发明范围的前提下，可以对其进行各种变化和改进。

Claims

1.一种增加分组环网络中的公平性的方法，前述分组环网络包括多个节点和第一环，该第一环包括多条链路，用于承载节点之间的信息，该方法包括以下步骤：

在每个节点上，

测量发往第二节点的入业务量的业务量速率；

比较测得的发往第二节点的入业务量的业务量速率和对应于第二节点的预定阈值；

如果测得的业务量速率超过了第二节点的预定阈值，将包含入业务量的分组标记为不相容；

如果测得的入业务量的业务量速率没有超过第二节点的预定阈值，将包含入业务量的分组标记为相容；以及

将所有标记的分组发送到网络中。

2.根据权利要求1的方法，还包括，在一个节点上检测到拥塞时，丢弃网络中所有发往或经过拥塞节点且标记为不相容的分组。

3.根据权利要求1的方法，还包括，在一个节点上检测到拥塞时，则在每个节点处丢弃包含发往或经过拥塞节点的入业务量的所有分组，其中用于前述拥塞节点的业务量速率超过了该节点上对应于该拥塞节点的预定阈值。

4.根据权利要求1的方法，其中网络还包括第二环，第二环包括多条链路，用于承载节点之间的信息，该方法还包括，在一个节点发生拥塞时，拥塞节点在第二环上发送拥塞通知信号。

5.根据权利要求4的方法，还包括，在节点接收到拥塞通知信号时，该节点丢弃该节点上所有发往或经过拥塞节点且标记为不相容的分组。

6.根据权利要求4的方法，还包括，在节点接收到拥塞检测信号时，则在每个节点处丢弃包含发往或经过拥塞节点的入业务量的所有分组，其中用于前述拥塞节点的业务量速率超过了该节点上对应于该拥塞节点的预定阈值。

7.一种分组环网络，包括

多个节点；

包括多条链路的第一环，用于承载节点之间的信息；

其中每个节点包括：

如果发往第二节点的业务量速率超过了对应于第二节点的预定阈值，则将包含发往第二节点的入业务量的分组标记为不相容的装置；以及

如果发往第二节点的业务量速率没有超过第二节点的预定阈值，则将包含发往第二节点的入业务量的分组标记为相容的装置；以及

其中所有标记的分组都被发送到网络，除非一个或多个节点拥塞。

8.根据权利要求7的网络还包括第二环，第二环包括多条链路，用于承载节点之间的信息，其中在一个节点发生拥塞时，拥塞节点在第二环上发送拥塞通知信号。

9.根据权利要求88的网络，在节点接收到拥塞通知信号时，该节点丢弃该节点上所有发往或经过拥塞节点且标记为不相容的分组。

10.根据权利要求8的网络，在节点上检测到拥塞时，则在每个节点处，该节点丢弃包含发往或经过拥塞节点的入业务量的所有分组，其中用于前述拥塞节点的业务量速率超过了该节点上对应于该拥塞节点的预定阈值。