CN1663195A - 对于数据网络中有保障的服务的令牌桶参数的计算 - Google Patents

Abstract

依照本发明实施例，一种数据控制器包括：通信量模式收集器，用于观察数据通信量模式，所述数据通信量由数据分组组成；通信量服务引擎，用于从通信量控制器接收与所述数据通信量模式有关的数据，并且用于确定所述数据通信量模式的数据流规格，所述接收的数据包括每一数据分组的大小和到达时间；和服务质量提供器，用于接收所述数据流规格。所述数据流规格是最小数据流规格，该最小数据流规格使得每一数据分组能够由所述通信量控制器在延迟上限内加以转送。依照一个实施例，依照通常所说的任意延迟TB算法确定所述数据通信量模式的最小数据流规格。

Description

对于数据网络中有保障的服务的令牌桶参数的计算

版权注意

这里包含了受版权保护的材料。版权所有者不反对专利文献或专利公开的任何人进行传真复制，因为它已经出现在美国专利与商标局内的专利文献或记录当中，但是无论如何在其它方面保留所有的版权权利。下列标记适用于如下所述的软件和数据，并且在图中附此标记：Copyright2002，Intel Corporation，版权所有。

技术领域

本发明实施例总体上涉及数据网络，并且尤其涉及在数据网络中有保障的服务。

背景技术

在数据网络中，服务质量(QoS)涉及为网络通信量(traffic)提供的所述服务。特定类型的服务质量是“有保障的服务”，其中保障了数据传输的端到端的延迟仅仅在一定的延迟范围或限值。有保障的服务在涉及任务紧要通信的服务中尤为重要，所述任务紧要通信包括通过因特网技术语音(通过IP语音或VoIP)，其中因特网连接用来传输语音数据，并且包括其中因特网或其它公共通信介质用于传输专用网络数据的虚拟专用网络(VPN)。

为了保障在数据路径上数据通信量的端到端的延迟范围，沿着所述数据路径的每个节点必须保障延迟范围，并且每个节点延迟范围的总和被限制在端到端的延迟范围。可以在网络节点中建立的一个数据通信量容量系统是令牌桶。然而，为了利用通信量容量系统，诸如在网络中的令牌桶模型，并且确保满足延迟范围，需要建立用于所述通信量容量系统的最小参数。使所述系统能保持在延迟上限之内所要求的最小参数取决于遇到的数据通信量模式(pattern)。在常规的网络通信量系统中，没有用于确定所述最小参数的高效并有效的机制，其中为了满足对特定数据通信量模式的有保障的服务需求这些参数是需要的。

附图说明

通过参照下列说明和附图将可以更透彻地理解本发明，所述附图用于举例说明本发明的实施例。在附图中：

图1是在本发明实施例之下的令牌桶操作的插图；

图2是在本发明实施例之下的通信量规格(specification)技术的插图；

图3是示例性的网络体系结构的插图，其中可以利用本发明的实施例；和

图4是举例说明在本发明实施例之下的确定最佳令牌桶大小的流程图。

详细说明

描述了一种用于在数据网络中有保障的服务的方法和设备。

在以下说明中，为了解释的目的，阐述了大量具体细节。然而可以理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其它例子中，没有详细地示出众所周知的电路、结构、技术和装置。

本发明实施例包括下面将要描述的各个过程。所述过程可以由硬件组件执行或以机器可执行指令具体化，其可用来使通用或专用的处理器或逻辑电路可用所述指令来编程以便执行所述过程。做为选择，可以由硬件和软件的组合来执行所述过程。

术语

在描述示例性环境之前，在所述环境中可以实现本发明的各个实施例，简要地定义遍及这些应用将要使用的一些术语：

如这里所用，“服务质量”或“QoS”意指为网络数据通信量提供的服务质量。

如这里所用，“有保障的服务”意指一种服务质量，保障了数据流的端到端延迟不超过一个上限。

依照本发明的实施例，在网络中发送数据通信量模式，所述网络流量由数据分组组成。依照本发明实施例，所述网络包括通信量控制系统，用于控制所述数据通信量流。依照本发明的实施例，所述网络利用在通信量控制系统中的令牌桶控制器模型。依照本发明的实施例，为所述数据通信量的延迟规定上限，并且通过利用关于通信量模式的信息来确定所述通信量控制系统的参数，以致数据分组没有任何延迟超出所述上限。在一个特定的实施例之下，所述确定参数是令牌桶的大小。依照本发明实施例，所确定的参数是确保操作遵守所述延迟上限的最小参数。

在本发明的实施例之下，通信量模式收集器收集来自网络数据流的原始通信量模式，并且向基于测量的通信量规格(MBTS)引擎传送关于所述通信量模式的信息。依照所述实施例，所述引擎把原始通信量模式数据转换为流规格，并且向QoS服务提供器提供所述流规格。所述流规格用于数据通信量控制的规格。

在本发明的实施例之下，实时地完成所述通信量模式处理。利用对数据通信量控制的实时处理使得所述处理算法效率在保持高效网络操作中极为重要。

在本发明的实施例之下，令牌桶控制器用于通信量控制目的。令牌桶数据控制器允许对数据分组的有限延迟，所述令牌桶数据控制器可以用在通信量整形器、交换机、路由器及其它网络设备中。依照实施例，把延迟的数据分组临时高速缓存在与所述令牌桶控制器相关联的队列中。对于给定通信量模式和规定的延迟上限，建立令牌桶参数以便确保数据分组没有任何延迟超出所述上限。特别是，确定令牌桶大小参数为最小，这样可以保障不违背所述延迟上限。

图1举例说明了可以用于本发明实施例的令牌桶模型。在该插图中，发送装置105通过通信路径110向接收装置115发送数据。所述发送装置105和接收装置115可以是在计算机网络中的任何装置或系统，其包括任何网络服务器、交换机、路由器、客户端系统或其它装置或系统。以数据分组的形式发送所述数据，所述数据分组具有不同的大小和不同的到达时间。在图1中示出的是大小为p₁并且到达时间为t₁的第一数据分组120，大小为p₂并且到达时间为t₂的第二数据分组125，大小为p₃并且到达时间为t₃的第三数据分组130，和大小为p₄并且到达时间为t₄的第四数据分组135。

如图1所示，所述数据分组大小和到达时间的不同导致一定时间周期只有少量活动而一定时间周期却具有数据的“突发”。经由利用调度计数器的流控制器处理所述数据分组，其被象征性地举例说明为令牌桶140。在此插图中，所述令牌桶140周期地接收来自令牌产生器145的令牌。所述令牌桶控制器使所述数据流有规律地进行。所述令牌桶控制器允许一定的数据突发，诸如在图1中所表示的按照邻近序列到达的第二数据分组125、第三数据分组130和第四数据分组135，但所述系统限制了数据通信量突发的巨大程度。由所述令牌调整数据流的级别。对于发布到网络的字节的每个特定数目，使用一个令牌并将其从令牌桶140移除。在一个特定的实施例之下，发布的数据的每个字节需要一个令牌。令牌产生速率r代表单位时间内产生的令牌数目。所述令牌桶140能够保持令牌的某个最大数目b，即，令牌桶容量。

依照在图1中示出的插图，当在所述令牌桶中存在足够用于包含于所述数据分组的字节数目的令牌时，将释放已经到达的数据分组。如果在特定时间里没有足够可用的令牌以用于释放数据分组，那么所述数据分组被保持或存储在队列150中，直到令牌产生器145产生足够用于允许传输的令牌桶140的令牌。在一个特定的实施例之下，所述令牌桶140包括参数(r，b)，其中r是所述令牌桶速率而b是所述令牌桶大小。在本发明的实施例之下，用于令牌桶的所述队列150足够大到能保持所有积累的数据分组。观察的所述通信量模式具有数据分组的某个最大大小，其被表示为m。

在本发明的实施例之下，令牌产生器145和令牌桶140包括计数器，所述计数器以恒定速率r递增并且具有最大计数b。对释放的每个数据分组递减所述计数器，例如对释放的每个字节计数减一。如果所述计数器没有足够的计数来释放数据分组，那么所述数据分组被保持在队列150中直到所述计数器达到足够的计数。然而，把数据分组保持在队列150中会产生所述数据的延迟。如果对于数据延迟规定了上限，那么存在关于令牌桶所要求的最小大小以确保有保障的服务的问题，在该服务中，对任何数据分组都不会超出所述延迟上限。

图2是举例说明在本发明的实施例之下操作基于测量的通信量规格系统200的框图。所述系统200可以存在于在网络中的任何观察点。在此插图中，采用数据分组形式的数据被从在网络中先前点转送到在所述网络中下一点，所述先前点指定为A点205，所述下一点指定为B点210。数据通信量将流过通信量模式收集器215和QoS提供器220然后流到第二点210上。所述通信量模式收集器215收集关于所述通信量模式的信息并且向基于测量的通信量规格(MBTS)引擎225提供所述信息。所述信息可以包括接收的数据分组的数目，每个数据分组的大小，和每个数据分组到达所述通信量模式收集器215的时间。

MBTS引擎225将关于数据模式的原始信息转换为数据流规格。在本发明的实施例之下，由所述MBTS引擎225确定的流规格采用数据通信量模式的最佳令牌桶参数的形式。然后，经由报告机制230使得由所述MBTS引擎225确定的结果可以为QoS服务提供器220所用。注意在此说明中，为了便于解释，总体上讨论了所述通信量模式收集器215、QoS服务提供器220、MBTS引擎225和报告机制230，就好象它们都是单个功能单元似的。然而，由这些不同元件执行的功能可以不同于所描述的那样来被组合和/或分开。例如，在多个逻辑或物理设备上或在单个逻辑或物理设备上能够实现任何功能。

图3是示例性的网络体系结构框图，其可以包括本发明的实施例。图3作为简化例子，但本发明的实施例可以在许多不同的环境中实现。在图3中，举例说明了网络300，其可以包括一个或多个服务器。在此例子中，示出的所述网络300包括第一服务器305、第二服务器310和第三服务器315。所述网络可以包括一个或多个客户端，在图3中示出了第一客户端320、第二客户端325和第三客户端330。在此插图中，所述网络设备通过交换机335、340和路由器345、350、355连接。在一个例子中，所述第一客户端320可以请求某些数据。在此例子中，所述请求的数据可以由多信源提供，所述多信源包括第一服务器305和第二服务器310。使用在本发明的实施例之下的数据通信量控制，可以在所述网络中的任一点测量网络中的数据通信量。依照本发明的实施例，交换机335可以感知与第一服务器305和第二服务器310相关联的数据通信量。特别是，可以确定任何时候的通信量的数量，包括是否有高通信量级别的突发。使用所述通信量数据信息，可以根据需要调整或平衡第一服务器305和第二服务器310上的数据负载，以便例如确保数据通信量不超过为数据延迟规定的上限。

依照本发明的实施例，当向所述网络提供数据时，第三服务器315可以受简档(profile)支配，所述简档包括关于自所述服务器的数据传输速率和数据通信量的“突发”的限制。在交换机340可以实现观察点以便确定所述通信量模式特征。在本发明的实施例之下，数据控制器可以控制所述通信量以便确保保持所要求的简档，同时确保提供有保障的服务以致没有任何数据被延迟而超过一定的上限。

在本发明的实施例之下，在数据控制器中对于数据分组的通信量流使用了令牌桶，所述令牌桶具有一个至少等于所述平均数据通信量流的速率。所述通信量流由n个数据分组组成。在所述通信量流中的每个数据分组具有特定的大小并且在特定时间到达。为了确定令牌桶的大小，对从1到n的每个数据分组执行一定的计算，所述令牌桶大小将确保在所述通信量中任何数据分组的延迟至多到规定的上限。在本发明的实施例之下，当观察到数据分组时，实时地执行所述计算。这种计算的结果是令牌桶的大小参数，所述大小参数是满足所述延迟上限需求的最小令牌桶大小。

在本发明的实施例之下，对于给定的延迟上限的令牌桶大小参数，按照如下算法进行计算，所述算法可以表示为“任意延迟TB算法(Any-Delay TB Algorithm)”，其中TB表示令牌桶。在本发明的实施例之下，可以按照如下确定所述令牌桶的大小参数：

令牌桶速率＝r，其中所述速率至少等于所述数据流的平均数据速率

D＝延迟上限

b、d和m是整型变量，其中：

b＝令牌桶大小的占位符(placeholder)

d＝中间值

m＝中间值，其对于给定的通信量模式将变为最大的包大小

由数据分组组成的数据通信量模式可以描述为：

(p₁，t₁)，(p₂，t₂)，...，(p_n，t_n)

其表明具有n个数据分组的数据流，其中所述第i个数据分组具有p_i字节的大小并且在时间t_i到达。利用此术语，所述令牌桶速率与平均数据速率的关系可以如下表示：

$r\≥\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{p}_i}{(t_n-t_1)}$

在本发明的实施例之下，对于由数据分组组成的给定通信量模式，可以按照如下确定令牌桶的大小，用伪码表示为：

b＝d＝p1-r·D

m＝p1

从k＝2到n

{

d＝max[d+p^k-r·(t_k-t_k-1)，p_k-1+p_k-r·(t_k+D-t_k-1)，p_k-r·D]

b＝max(b，d)

m＝max(p_k，m)

}

b＝max(b，m)

图4举例说明了在本发明的实施例之下的令牌桶大小参数的选择。依照本发明的实施例，观察由数据分组组成的通信量模式，过程块405。计算第一数据分组，过程块410。将第一变量b和第二变量d最初设置为第一数据分组大小减去所述令牌桶速率乘以所述延迟上限D，过程块415。将第三变量m最初设置为第一数据分组的大小，所述第三变量m最终将等于在所述通信量流中最大的分组大小，过程块420。

依照本发明的实施例，对数据分组2到n，执行一系列计算(或循环)。从第二数据分组开始，过程块425，计算每个这种数据分组，过程块430。对每个这种数据分组，将所述变量d设置为三个数目的最大值，过程块435。第一个数目等于变量d的先前值加上当前数据分组大小，再减去所述令牌桶的速率乘以当前数据分组时间与先前数据分组时间的差。第二个数目等于先前数据分组的大小，加上当前数据分组的大小，再减去所述令牌桶速率乘以这样一个数目，所述数目为当前数据分组的时间加上延迟上限D减去上一数据分组的时间。第三个数目等于当前分组大小减去令牌桶速率乘以所述延迟上限D。

将变量b设置为变量b的先前值或变量d的当前值中的最大值，过程块440。将变量m设置为当前数据分组大小或变量m的先前值的最大值，过程块445。当将m设置为当前数据分组大小或先前最大大小中的最大值时，在已经计算所有的数据分组之后，m将等于最大的数据分组大小。

如果存在要计算的附加数据分组，过程块450，那么选择下一数据分组，过程块455。在对每一数据分组执行一系列计算之后，过程块450，所述令牌桶大小参数b是变量b的先前值或变量m的当前值中的最大值，过程块460。在本发明的实施例之下，所确定的值b表示满足所述延迟上限条件的最小令牌桶大小。

在本发明的实施例之下，在用于计算所述令牌桶大小参数的算法中的循环只操作n-1次。为此，在时间上所述算法的复杂度是0(n)，这表明计算的复杂度与在所述通信量模式中数据分组的数目线性相关。在本发明的实施例之下，用于计算所述令牌桶大小参数所需要的空间只由三个整型变量d、b和m组成。因此，在空间上所述算法的复杂度是0(1)，这表明计算所需要的存储器是恒定的。计算的线性复杂度和恒定的存储器需求表明用于建立所述令牌桶大小的计算是极高效的并且轻载，从而对系统操作只有最小的影响。

按照一些实施例已经描述了本发明。然而，本领域技术人员应当认识到，本发明不局限于所描述的实施例，而在不脱离本发明宽阔的精神和范围下，可以作出修改和变化。从而所述说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (29)

1.一种数据控制器，包括：

通信量模式收集器，用于观察数据通信量模式，所述数据通信量由多个数据分组组成；

通信量服务引擎，用于从所述通信量模式收集器接收关于数据通信量模式的数据，并且用于确定所述数据通信量模式的数据流规格，所述接收的数据分组每一数据分组的大小和到达时间；和

服务质量提供器，用于接收所述数据流规格，所述数据流规格代表使得每一数据分组能够由所述数据控制器在延迟上限内加以转送的最小数据流规格。

2.如权利要求1所述的数据控制器，还包括报告机制，用于向所述服务质量提供器报告所述数据流规格。

3.如权利要求1所述的数据控制器，其中所述数据控制器包括令牌桶，所述数据流规格包括遵守所述延迟上限的最小令牌桶大小。

4.如权利要求3所述的数据控制器，其中所述令牌桶大小至少部分地基于所述数据分组的大小和到达时间。

5.如权利要求4所述的数据控制器，其中所述数据控制器在确定所述令牌桶大小上只考虑每个数据分组一次。

6.一种方法，包括：

观察数据通信量模式，所述数据通信量模式由一个数据分组流组成；

确定关于所述数据通信量模式的信息，所述信息包括每一数据分组的大小和每一数据分组的到达时间；和

根据关于所述数据通信量模式的信息确定通信量控制参数值，所确定的参数值是使网络设备能在没有任一数据分组延迟超过延迟上限的情况下传输所述数据通信量的最小参数值。

7.如权利要求6所述的方法，还包括：

把与所述网络设备相关联的数据通信量控制器的通信量控制参数设置为所确定的参数值。

8.如权利要求6所述的方法，其中所述通信量控制参数包括令牌桶大小。

9.如权利要求8所述的方法，其中当观察到数据分组时，执行确定所述令牌桶大小的计算。

10.如权利要求9所述的方法，其中确定所述令牌桶大小的计算在时间上的复杂度为O(n)，并且确定所述令牌桶大小的计算在空间上的复杂度为O(1)。

11.一种计算机可读介质，在其上存储有表示指令序列的数据，当由处理器执行所述指令序列时，使所述处理器执行如下操作，包括：

观察数据通信量模式，所述数据通信量模式由数据分组组成；

确定关于所述数据通信量模式的信息，所述信息包括每一数据分组的大小和每一数据分组的到达时间；和

根据关于所述数据通信量模式的信息确定通信量控制参数值，所确定的参数值是使网络设备能在没有任一数据分组延迟超过延迟上限的情况下传输所述数据通信量的最小参数值。

12.如权利要求11所述的介质，还包括：

把与所述网络设备相关联的数据通信量控制器的通信量控制参数设置为所确定的参数值。

13.如权利要求11所述的介质，其中所述通信量控制参数包括令牌桶大小。

14.如权利要求13所述的介质，其中实时地执行确定所述令牌桶大小的计算。

15.如权利要求14所述的介质，其中确定所述令牌桶大小的计算的复杂度在时间上是线性的而在空间上是固定的。

16.一种方法，包括：

观察通信量模式，所述通信量模式包括n个数据分组，这种数据分组的大小和到达时间是(p₁，t₁)，(p₂，t₂)，...，(p_n，t_n)；和

确定结合数据通信量控制器所利用的令牌桶的大小，所确定的大小是使所述数据通信量控制器能在延迟上限内转送每个数据分组的最小大小。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述令牌桶的速率是r并且所述延迟上限是D，并且其中所确定的令牌桶大小包括：

对于第一数据分组，其中k＝1：

按照如下设置变量d和变量b的值：

b＝d＝p₁-r·D，和

按照如下设置变量m的值：

m＝p₁，和

对于每个第二到第n-个数据分组，其中k＝2到n，执行下列计算：

d＝max[d+p_k-r·(t_k-t_k-1)，p_k-1+p_k-r·(t_k+D-t_k-1)，p_k-r·D]

b＝max(b，d)，和

m＝max(p_k，m)。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述令牌桶大小作为变量b计算：

b＝max(b，m)。

19.一种计算机可读介质，在其上存储有表示指令序列的数据，当由处理器执行所述指令序列时，使所述处理器执行操作，包括：

观察通信量模式，所述通信量模式包括n数据分组，这种数据分组的大小和到达时间是(p₁，t₁)，(p₂，t₂)，...，(p_n，t_n)；和

确定结合数据通信量控制器所利用的令牌桶的大小，所确定的大小是使所述数据通信量控制器能在延迟上限内转送每个数据分组的最小大小。

20.如权利要求19所述的介质，其中所述令牌桶的速率是r并且所述延迟上限是D，并且其中所确定的令牌桶大小包括：

对于第一数据分组，其中k＝1：

按照如下设置变量d和变量b的值：

b＝d＝p₁-r·D，和

按照如下设置变量m的值：

m＝p₁，和

对于每个第二到第n-个数据分组，其中k＝2到n，执行下列计算：

d＝max[d+p_k-r·(t_k-t_k-1)，p_k-1+p_k-r·(t_k+D-t_k-1)，p_k-r·D]

b＝max(b，d)，和

m＝max(p_k，m)。

21.如权利要求20所述的介质，其中所述令牌桶作为变量b计算：

b＝max(b，m)。

22.一种计算机网络，包括：

一个或多个服务器；

多个网络设备，包括第一网络设备；和

令牌桶数据通信量控制器，用于感知与第一网络设备相关联的数据通信量，所述通信量控制器包括：

通信量模式收集器，用于观察与第一网络设备相关联的数据通信量，所述数据由多个数据分组组成，

通信量服务引擎，用于从通信量模式收集器接收关于所述数据通信量的信息，并且用于确定所述令牌桶的大小，

服务质量提供器，用于接收所确定的令牌桶大小，所述令牌桶大小代表最小的令牌桶大小，该最小的令牌桶大小使得每一数据分组能够由所述通信量控制器在延迟上限内加以转送，和

报告机制，用于向服务质量提供器报告所述令牌桶大小。

23.如权利要求22所述的计算机网络，其中所述令牌桶大小至少部分地基于所述数据分组的大小和到达时间。

24.如权利要求23所述的计算机网络，其中所述数据通信量控制器在确定所述令牌桶大小上只考虑每个数据分组一次。

25.一种数据通信量控制器，包括：

用于观察在网络中数据分组流的装置；

用于确定关于所述数据分组的信息的装置，所述信息包括每个数据分组的大小和到达时间；和

用于确定数据流规格的装置，所述数据流规格使得每个数据分组能够在延迟限值的范围内加以传送的最小规格。

26.如权利要求25所述的数据通信量控制器，其中所确定的数据流规格包括令牌桶大小。

27.如权利要求26所述的数据通信量控制器，其中所述令牌桶大小至少部分地基于所述数据分组的大小和到达时间。

28.如权利要求27所述的数据通信量控制器，其中所述用于确定所述通信量控制规格的装置包括用于在所述确定中只考虑每个数据分组一次的装置。

29.如权利要求28所述的数据通信量控制器，其中实时地执行所述数据流规格的确定。

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