CN1549508A - 一种系统流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本技术属于数据通讯服务质量技术领域，涉及一种系统流量控制方法。包括对系统初始化时的处理：根据不同的最小丢弃空闲队列门限、最大丢弃空闲队列门限、最大丢弃概率，进行离散化的概率表计算；还可根据报文类型对最大丢弃概率的值进行调整；在时刻t对达到设备的报文的处理：计算前一时刻t′到t时间间隔内报文到达的速率、该时刻t空闲队列的平均队列长度、综合平均空闲队列长度，计算出丢弃概率表(DPT表)的表项索引值，得到此时间段中报文的传输概率P(t)和当前产生的随机数P进行比较，决定是否丢弃或转发该报文。本发明可以区别报文类型进行不同的流控曲线配置，达到更加优化的流量控制效果。

Description

一种系统流量控制方法

技术领域

本技术属于数据通讯QoS(Quality of Service，服务质量)技术领域，特别涉及到Diffserv(Differentiated Service，差分服务)中的系统流量控制的实现技术。

背景技术

在当今的数据网络中，随着三网合一(语音、视频、数据)的网络演进趋势进一步深化，以及TCP/IP网络技术的事实标准确立，在原来的尽力而为数据网络上提供服务质量越来越成为运营商对IP网络设备迫切需求。IP网络设备要能区分出语音、视频、数据业务，并针对这些不同业务的特点，提供不同的转发质量就成为IP QoS的重要研究课题。同时因为网络资源是有限的，因此在网络规划和运营管理中，网络资源的管理和利用又成为QoS研究课题的重中之重。网络资源(缓存，带宽)是有限的，而数据网络业务又是随机的和突发的，所以网络不可避免的会出现拥塞。IPQoS的拥塞管理(拥塞避免和拥塞控制)就要求网络设备能够提供一种机制，在这种机制控制下，系统能有较高的吞吐率(资源利用率)，并且在系统因资源过载的情况下能区分业务类别，对不同的优先级别的报文进行不同的动作，从而保证高优先级别的业务转发不受影响。WRED(Weighted Random Early Discard：加权随机早丢弃)方法就是一种常用的拥塞管理手段。

WRED(Weighted Random Early Discard：加权随机早丢弃)根据线性的丢弃曲线丢包：在控制平面系统定时，比如每t时间间隔周期进行空闲资源(一般是缓存队列资源)的加权统计：

queue(t)＝queue(t)+(1-w)queue(t′)

其中queue(t)代表t时刻的空闲队列长度，queue(t′)代表前一时刻的空闲队列长度，W为[0，1]之间的加权因子。

根据此加权统计值判断此时间段系统的拥塞程度，并根据此拥塞程度决定此时间段T内转发的丢弃概率，也就是刷新DPT(Discard PossibilityTable：丢弃概率表)。WRED方法导出的流控曲线为如图1所示，图中，纵坐标为丢弃概率，取值范围[0、1]，其上的丢弃概率斜线的最大丢弃概率值为maxp；横坐标为空闲队列长度，其上对应该斜线的最小空闲队列门限(minq)值与最大空闲队列门限(maxq)值。

在转发平面，对达到的报文根据当前的丢弃概率决定是转发还是丢弃。

一般系统实现通过时间间隔t和加权引子w的微调来调节拥塞控制的效果，同时在Diffserv(Differentiated Service，差分服务)QoS模型中，一般不同的业务类别的流控曲线不同，也就是在相同的队列拥塞程度下，对高优先级别的报文丢弃概率小，对低优先级别的报文丢弃概率大，以此来保证不同的服务级别。

现有的设备中大多实现了基本的WRED方法，即图1中所示的0，1模型，在空闲队列长度小于下限值时，100％进行丢弃，在空闲队列大于上限值时100％进行转发。这种模型在低速设备上通过w和t以及空闲队列下限值上限值的配置，可以很好的工作。但对于高速网络设备，比如GSR(Gigabit Switch Route吉比特交换路由设备)、TSR(Trilbit Switch RouteT比特交换路由设备)，由于接口链路速率大大提高，但缓存数量有限，这种0/1模型和通过w/t调节已经不能很好的进行系统的拥塞管理，因为在较大突发持续过载时，用此模型，系统缓存将在很短时间内就被耗尽，系统就会很快达到100％丢弃点；又由于交换和转发速率提高，缓存由可很快的清空，系统又很快达到100％转发点，如此反复，转发概率往往在0和1之间剧烈抖动，从而导致队列利用率有较大的抖动，链路的累积吞吐率也比较低。

同时在Diffserv(Differentiated Service，差分服务)QoS模型中，虽然可以区分不同的业务类别，设计不同流控曲线，但并不是所有的报文类型对丢弃都敏感的，对TCP(Transport Control Protocol)这类内置流控的传输层协议，可以对丢包做出反应，进而达到反压的效果，对UDP等无连接传输层协议对丢包并不反应，因此上述模型范围对报文类型有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术对报文类型有一定的局限性，对系统流量控制不理想的不足之处，提出一种系统流量控制方法，可在高端设备中流量模型下，提高系统在过载时的吞吐率和流控效果；同时可以区别报文类型进行不同的流控曲线配置，达到更加优化的流量控制效果。

本发明提出的一种系统流量控制方法，包括对系统初始化时的处理及在某时刻对达到设备的报文的处理两部分；其中，

所述的系统初始化时的处理步骤为：根据用户配置的不同优先等级和不同报文类型的流控参数，进行离散化的丢弃概率表计算；

在某时刻对达到设备的报文的处理包括以下步骤：

计算最终的综合平均空闲队列长度；

根据所述最终的综合平均空闲队列长度和报文类型查找所述丢弃概率表，得到此时间间隔该报文的传输概率；

将所述报文的传输概率和当前产生的随机数进行比较，如果所述传输概率小于所述随机数，则丢弃该报文；否则转发此报文。

所述的不同类型报文的流控参数可包括：最小丢弃空闲队列门限、最大丢弃空闲队列门限、最大丢弃概率。

所述的系统初始化时的处理步骤还可包括：调整不同优先等级和不同类型报文的流控参数，以及丢弃概率表的离散化级数。

所述计算最终的综合平均空闲队列长度可包括以下步骤：

计算某一时间间隔内报文到达的速率；

通过加权随机早丢弃公式计算所述时刻空闲队列的平均队列长度；

所述时刻综合的平均空闲队列长度为所述空闲队列的平均队列长度、报文到达速率、调节因子之积；

所述最终的综合平均空闲队列长度可为空闲队列的平均队列长度与综合的平均空闲队列长度之差。

所述计算某一时间间隔内报文到达的速率可包括以下步骤：

用所述时间间隔内报文达到的计数除以所述时间间隔；

然后根据系统的容量将所述计算结果取值离散化为几个区间；

将所述离散化区间映射到[0，1]区间中。

所述的丢弃概率表可由报文等级、类型、最终的综合空闲队列长度构成的三维数组，所述离散化丢弃概率表计算的步骤可为：

由报文的流控参数最小丢弃空闲队列门限、最大丢弃空闲队列门限、最大丢弃概率得到相应的丢弃概率曲线；

将丢弃概率曲线的最小丢弃空闲队列门限到最大丢弃空闲队列门限按离散化级数进行划分，每一划分区间对应的丢弃概率的平均值即是空闲队列长度在此区间内时报文的丢弃概率。

本发明的特点：

(1)本发明将流的报文达到速率(Packet Arrival Rate)作为一个控制因素进行丢弃概率的计算。引入此因子，可以根据流的输入速率，在原来根据平均队列确定丢弃概率的基础上，动态的调节转发的丢弃概率，达到更好的系统流量控制效果。

(2)已有的WRED方法在平均队列深度达到一定门限时，将进行100％的丢弃。而对于线速转发的高端设备，在系统不拥塞(线速转发)时，往往只需要少量的系统缓存，而一旦超出线速转发容量，系统就会迅速的拥塞达到系统缓存的最低门限，这样系统表现出来的队列利用率有较大的抖动，链路的累积吞吐率也比较低。为此，本发明针对不同流控级别和丢弃级别的报文，对其网络拥塞时的最大丢弃概率进行优化计算，并使其＜1，可以使系统在过载时有较好的吞吐率。

(3)本发明对四种类型的报文[TCP SYN报文、TCP报文、UDP报文、other IP报文]，进行不同的流控参数(等级、类别及粒度级别)配置，可得到不同流控曲线，以达到更好的流控效果。

(4)本发明方法经实验模拟和实际运行，均表明在网络剧烈变化或在网络有较大过载的情况下，采用本方法的系统比采用已有的方法有着更高的队列利用率和系统累积吞吐量。

附图说明

图1为已有的加权随机早丢弃流控曲线图。

图2为为加权随机早丢弃流控曲线的离散化原理示意图。

图3为采用本发明方法优化后的加权随机早丢弃流控曲线图。

具体实施方式

本发明提出的一种系统流量控制方法实施例详细说明如下：

本实施例包括对系统初始化时的处理及在时刻t对达到设备的报文的处理两部分；其中，

系统初始化时的处理步骤包括：

(1)根据用户配置(或系统默认)的不同优先等级、不同类型报文(TCP SYN、other IP、UDP、TCP)的流控参数：最小丢弃空闲队列门限、最大丢弃空闲队列门限、最大丢弃概率等流控参数，进行离散化的DPT表计算；因为WRED的丢弃概率曲线为一斜线(如图1所示)，在数字系统中需要根据需要将其离散化表示，原理见图2，即将斜线的空闲队列的最小门限到最大门限划分成多个取值区间，离散化的级数可根据系统资源状况进行选择设置。以TCP SYN等级为1的报文且离散化级数为128为例，离散化计算如下进行：先将空闲队列的最小门限到最大门限区间[minq，maxq]均分为128等份，然后在每个小区间上求出此段小斜线线的平均值，结果就为当空闲队列值落在此区间内时报文的丢弃概率。

(2)在实际应用中可以根据实际需要调整系统配置的优先等级和报文类型的数值，以及丢弃概率表的离散化的粒度级数，本实施例是由报文等级class、类型type、空闲队列长度queue_depth组成的三维数组P[class][type][queue_depth]构成DPT表，其中class等级就是报文的转发等级，作为一个输入，它表示报文的丢弃优先级，优先级别越高报文越不容易丢弃，一般系统都设计为4个或6个优先级；type报文类型就是用户数据所承载的协议类型如上所述一般有TCP SYN，TCP，UDP，Other IP四种类型；最后的空闲队列长度queue_depth的值与空闲队列长度的离散化级数呈函数关系对每种CLASS，TYPE的WRED参数，比如最小丢弃空闲队列门限MINTH、最大丢弃空闲队列门限MAXTH、最大丢弃概率MAXP由用户配置，系统会根据比例关系计算出所有三维数组的值。。

(3)还可根据不同类型报文对其最大丢弃概率的值进行调整，本实施例中，对优先等级最高的EF(expedite forwarding)报文，最大丢弃概率调整为0.1至0.3；对于优先级别比较低的报文，最大丢弃概率调整为0.7至0.9。

在时刻t对达到设备的报文处理包括以下步骤：

(1)计算前一时刻t′到t时间间隔内报文到达的速率O(t)，此值可以通过报文达到计数count(t)-count(t′)除以时间间隔得到，即O(t)＝f(count(t)-count(t′)/(t-t′))；一般根据系统的容量将报文达到速率进行离散化，比如若系统可能的报文到达速率为0bps(bit per sencond位每秒)～3Gbps(1G＝10^9)，可以将此区间划分为8份，[0，375M]为区间0，依次类推，...，[2.625M，3G]为区间7。然后O(t)取此离散化区间的函数f()，本实施例中函数模型为2^(x-A)，x为区间索引，A为离散化区间个数也即离散化级数，如上例可取A＝8。

(2)计算此时刻空闲队列的平均队列长度queue(t)，此值通过公式queue(t)＝queue(t)+(1-w)queue(t′)算得；

(3)计算t时刻综合的平均空闲队列长度queue(t′)以及其取值的离散化区间。方法如下：queue(t)＝queue(t)*O(t)*M，其中M为调节因子，调节因子M的作用主要是约束报文达到速率O(t)对最终的平均队列长度计算的影响，离散化取值区间为[0，1]；

(4)计算出最终的综合平均空闲队列长度queue_depth，queue_depth＝queue(t)-queue′(t)，其中queue(t)和queue′(t)分别由步骤(2)、(3)算得，然后得到空闲队列的对应的DPT表索引值，本实施例的索引值计算方法举例说明：如果系统的空闲队列长度为128K(1k＝10^3)个缓存单元，将其离散化为128个区间，如果算得queue_depth＝4k，则丢弃概率的对应的是DPT表数组索引值为4；

(5)根据报文的等级class，报文类型type以及(4)算得的综合平均空闲队列长度离散化值queue_depth作为输入，去查找DPT表，即前面所描述的数组P[class][type][queue_depth]，从而得到此报文的传输概率P(t)，它与丢弃概率的关系是：传输概率＝1-丢弃概率；

(6)将(5)得到的报文的传输概率和当前产生的随机数P进行比较，如果p(t)＜p，则丢弃该报文；如果p(t)＞＝p，则转发此报文。

本实施例的方法得到的不同报文的优化流控曲线如图3所示。

其中：曲线4为原WRED曲线；其余从左到右(曲线1、2、3和5)依次为：TCP SYN、other IP、UDP、TCP的改进WRED流控曲线。纵坐标为丢弃概率，取值范围[0、1]，其上的对应各曲线的最大丢弃概率(maxp)的不同值；横坐标为空闲队列长度，其上的对应各曲线的最小空闲队列门限(minq)值与最大空闲队列门限(maxq)值。

Claims (9)

1、一种系统流量控制方法，其特征在于，包括对系统初始化时的处理及在某时刻对达到设备的报文的处理两部分；其中，

所述的系统初始化时的处理步骤为：根据用户配置的不同优先等级和不同报文类型的流控参数，进行离散化的丢弃概率表计算；

在某时刻对达到设备的报文的处理包括以下步骤：

计算最终的综合平均空闲队列长度；

根据所述最终的综合平均空闲队列长度和报文类型查找所述丢弃概率表，得到此时间间隔该报文的传输概率；

将所述报文的传输概率和当前产生的随机数进行比较，如果所述传输概率小于所述随机数，则丢弃该报文；否则转发此报文。

2、如权利要求1所述的系统流量控制方法，其特征在于，所述的不同类型报文的流控参数包括：最小丢弃空闲队列门限、最大丢弃空闲队列门限、最大丢弃概率。

3、如权利要求1或2所述的系统流量控制方法，其特征在于，所述的系统初始化时的处理步骤还包括：调整不同优先等级和不同类型报文的流控参数，以及丢弃概率表的离散化级数。

4、如权利要求3所述的系统流量控制方法，其特征在于，所述的调整不同类型报文的流控参数为最大丢弃概率，对其进行调整为：对优先等级最高的报文，最大丢弃概率调整为0.1至0.3；对于优先级别比较低的报文，最大丢弃概率调整为0.7至0.9。

5、如权利要求1所述的系统流量控制方法，其特征在于，所述计算最终的综合平均空闲队列长度包括以下步骤：

计算某一时间间隔内报文到达的速率；

通过加权随机早丢弃公式计算所述时刻空闲队列的平均队列长度；

所述时刻综合的平均空闲队列长度为所述空闲队列的平均队列长度、报文到达速率、调节因子之积；

所述最终的综合平均空闲队列长度为空闲队列的平均队列长度与综合的平均空闲队列长度之差。

6、如权利要求5所述的系统流量控制方法，其特征在于，所述计算某一时间间隔内报文到达的速率包括以下步骤：

用所述时间间隔内报文达到的计数除以所述时间间隔；

然后根据系统的容量将所述计算结果取值离散化为几个区间；

将所述离散化区间映射到[0，1]区间中。

7、如权利要求3所述的系统流量控制方法，其特征在于，所述的丢弃概率表是由报文等级、类型、最终的综合空闲队列长度构成的三维数组，所述离散化丢弃概率表计算的步骤为：

由报文的流控参数最小丢弃空闲队列门限、最大丢弃空闲队列门限、最大丢弃概率得到相应的丢弃概率曲线；

将丢弃概率曲线的最小丢弃空闲队列门限到最大丢弃空闲队列门限按离散化级数进行划分，每一划分区间对应的丢弃概率的平均值即是空闲队列长度在此区间内时报文的丢弃概率。

8、如权利要求1所述的系统流量控制方法，其特征在于：所述传输概率由1减去丢弃概率得到。

9、如权利要求1所述的系统流量控制方法，其特征在于，所述的不同类型报文包括：传输控制协议的连接建立同步报文、其它IP协议承载报文、用户数据包协议承载报文、传输控制协议承载报文。

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