CN1674534A - 在ip网络设备端口为不同队列准确分配带宽的方法 - Google Patents

Abstract

一种在IP网络设备端口为不同队列准确配置带宽的方法，步骤如下：(a)确定每个队列的设计带宽比例和带宽配置精度，并根据该设计带宽比例选择基准带宽比例和基准权值；(b)根据基准权值和基准带宽比例计算各个队列的队列权值；(c)根据每个队列的队列权值计算每个队列的分配带宽比例，以及分配带宽比例和设计带宽比例的差值，再判断每个队列的差值是否满足该队列的带宽配置精度要求；如果有一个队列没有达到带宽配置精度，返回步骤(a)继续操作；只有所有队列的差值全部达到其带宽配置精度，执行后续操作；(d)将每个队列的队列权值配置在网络设备的端口。该方法能够为网络设备端口的不同队列准确配置带宽，保证不同等级流量的服务质量。

Description

在IP网络设备端口为不同队列准确分配带宽的方法

技术领域

本发明涉及一种在IP网络设备端口为不同队列准确分配带宽的方法，确切地说，本发明涉及一种根据IP网络设备端口的不同队列分别配置设计带宽比例和带宽配置精度，并恰当选择各个队列权值，以保证带宽配置精度的方法。属于通信网络技术领域。

背景技术

传统的IP网络采用的分组传送方式为“Best-effort”：它不区分不同流量特征，比如ftp和voip的区别；也不区分客户类型，比如大客户和普通客户。在出现资源竞争时，各种流量被网络同等对待处理，大客户和普通客户的流量的丢包概率相同，ftp和voip的业务传输时延相近似。随着业务类型的逐渐多样化，一些重要客户和重要业务的流量要求享受不同于普通流量的服务，这些服务要求体现在时延、时延抖动、丢包率等多个指标上。因此，运营商的网络面临需要提供服务质量QoS的压力，要求通过提供带宽资源来保证QoS的实现。

为了保证服务质量QoS，各种流量在网络中被划分成多个等级，并映射到不同的队列。网络设备在不同队列之间分配带宽资源，保证不同队列获得适当的带宽比例，从而保证各种业务流量的QoS的实现。

目前，国内外的大量研究工作提出了各种各样的QoS体系架构和解决方案，比如IntServ/RSVP、DiffServ等。许多厂商设备已经能够提供各种各样的QoS支持技术，比如CAR、WFQ、MDRR等等。这些技术都涉及到需要配置的大量参数，增加了应用的复杂性和QoS保证的难度。而且，这些复杂的QoS配置参数往往只能间接地保证不同队列和不同业务的带宽、时延、时延抖动和丢包率等指标；至于其实际配置的效果，仍然无法验证。因此，适当的参数配置对于保证不同业务和客户流量的QoS非常重要。不恰当的参数配置，或不恰当的带宽资源分配方案，不仅可能降低客户的满意度，甚至使结果与预期相反。目前，各种网络设备还无法根据端口流量自动配置各种Qos参数，不能实时适应端口流量比例的变化，也不能验证参数配置的正确性。因此，适当配置参数至今还是一个管理和规划上的问题。

目前，运营商的现有IP网络存在大量的多个厂商的不同设备。以中国电信的CHINANET网络为例，网络中有Cisco、Juniper、华为等多个制造厂商的不同设备。在这样的网络环境中，如果简单地依靠维护人员的手工操作，不仅效率低下，也容易出错。因此，在运营商的运维体系中，如果需要提高运维系统的处理能力，包括为运维系统提供配置建议、实现网络设备的自动配置、带宽资源的自动分配等功能，就必须为运营商提供一种能够自动计算和自动配置队列参数的技术手段和方法。随着信息社会中各种新业务的不断涌现和信息量的剧增，上述课题就成为业内人士研究和关注的热点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种在IP网络设备端口为不同队列准确配置带宽的方法，该方法是一种支持自动计算和自动配置各个队列参数和权值的技术手段，能够保证各个队列配置的带宽资源达到QoS设计要求，较好地解决了现有的运营商通信网络和网络设备中存在的上述各个问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种在IP网络设备端口为不同队列准确配置带宽的方法，该方法是在IP网络设备端口采用加权循环round robin方法为不同队列配置和调度带宽，即对所有需要进行调度的队列按照其队列序号的顺序依次对其流量进行加权调度，以每个队列都被调度一次作为一个调度周期；其技术方案是包括以下步骤：

(a)分别确定每个队列的设计带宽比例和带宽配置精度，并根据该设计带宽比例选择基准带宽比例和基准权值；

(b)根据基准权值和基准带宽比例分别计算各个队列的队列权值；

(c)根据每个队列的队列权值，计算每个队列的分配带宽比例，即该队列实际得到的带宽占链路总带宽的比例，以及分配带宽比例和设计带宽比例的差值，再判断每个队列的差值是否小于等于该队列的带宽配置精度参数；如果有一个队列的差值大于其带宽配置精度参数，返回步骤(a)继续操作；只有所有队列的差值全部小于等于其带宽配置精度参数，执行后续操作；

(d)将每个队列的队列权值配置在网络设备的端口。

所述对队列的流量进行调度是从队列中提取分组数据并发送到网络设备的端口；每个队列中被调度的分组数据流量D的字节数量的计算公式为：D＝MTU+512×(w_i-1)；式中，MTU是该端口链路的最大传输单位，w_i为自然数，是序号为i的队列权值参数；队列序号i是区间为[1，n]的自然数，n是设备端口的队列个数。

所述设计带宽比例α_i是为序号为i的队列所设计或分配的带宽B_i与网络设备端口的物理总带宽B_total之比，即所述带宽配置精度ε_i是序号为i的队列实际配置的带宽与其设计带宽之间的差值，或其实际分配的带宽比例与其设计带宽比例的差值。

所述步骤(a)中对每个队列分别配置确定的设计带宽比例和带宽配置精度取决于运营商的服务质量QoS保证策略及服务水平协议SLA；其中，设计带宽比例是由人工事先确定，或者是在网络运营过程中，根据网络流量监测结果，分别确定的不同队列的带宽分配比例要求；带宽配置精度是根据服务水平协议SLA，或者网络运维的实际需要所确定的参数，要求实际分配的带宽比例与设计带宽比例的差值必须小于该参数。

所述基准带宽比例α_b是设备端口中的各个队列设计带宽比例α_i中的最小值，即 ${\mathrm{\α}}_b=\underset{i=1,\·\·\·,n}{\min }{\mathrm{\α}}_i;$ 式中，队列序号i是区间为[1，n]的自然数，n是设备端口的队列个数；所述基准权值w_b是根据下述选择原则所确定的、用于计算其它各个队列权值的基准参数，该基准权值为自然数，其选择原则是：如果要求所有队列参数最小化时，w_b＝1；如果要求检查带宽配置精度，该基准权值w_b从1开始依次选择其后的各个自然数，直到带宽配置精度达到要求为止；在不要求检查带宽配置精度时，该基准权值为任意的自然数。

所述步骤(b)中每个队列实际配置的队列权值 w_i的计算方法是：

先计算序号为i的队列权值 $w_i=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_b-1)}{512}\frac{{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\α}}_b}-\frac{\mathrm{MTU}-512}{512};$

再对上述计算结果w_i取整，取整误差为δ_i，得到该队列序号为i的实际采用的队列权值 w_i，则 w_i＝w_i+δ_i；式中，MTU是端口链路的最大传输单位，w_b是基准权值，α_i是序号为i的队列设计带宽比例，α_b是基准带宽比例，队列序号i是区间为[1，n]的自然数，n是设备端口的队列个数。

所述对队列权值w_i进行取整的方法有多种：向上取整、或向下取整、或四舍五入取整，不同的取整方法会影响带宽分配的准确性，且不同的取整方法，取整误差δ_i有不同的取值范围：采用向上取整时，取整误差δ_i取值范围是[0，1)，采用向下取整时，取整误差δ_i的取值范围是(-1，0]，采用四舍五入取整时，取整误差δ_i的取值范围是(-0.5，0.5)。

所述步骤(c)中每个队列实际配置的带宽比例 α_i的计算公式是：

式中， w_i和w_i分别是为序号为i的队列实际配置的队列权值和计算得到的队列权值，δ_i是参数w_i的取整误差，且该三个参数满足公式 w_i＝w_i+δ_i。

所述步骤(c)中检查每个队列实际分配的带宽比例 α_i和设计带宽比例α_i的差值是否小于或等于该队列的带宽配置精度ε_i参数的计算公式是：

$|{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i-{\mathrm{\α}}_i|=\frac{|{\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\α}}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i|}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{\mathrm{MTU}}{512}-1+{\mathrm{\δ}}_i)}\≤{\mathrm{\ϵ}}_i;$

式中，MTU是该端口链路的最大传输单位， α_i和α_i分别是序号为i的队列实际配置的带宽比例和设计带宽比例，w_i是计算得到的该队列的队列权值，δ_i是该队列权值w_i的取整误差；队列序号i是区间为[1，n]的自然数，n是设备端口的队列个数。

所述步骤(d)中在网络设备的端口配置各个队列的队列权值有两种方法：

(1)网络设备各自采集本设备端口的队列流量信息和确定设计带宽比例，或直接接受事先配置的本设备端口各个队列的设计带宽比例；再根据基准带宽比例和基准权值计算各个队列权值，并把该队列权值配置到该设备端口对应的各个队列；

(2)网络服务器集中采集全网所有设备端口的队列流量信息和确定设计带宽比例，或直接接受事先配置的所有设备端口的各个队列的设计带宽比例；再根据基准带宽比例和基准权值计算各个队列权值，并把该队列权值分发到各个网络设备，由网络设备各自分别把队列权值配置到该设备端口对应的各个队列。

本发明是一种在IP网络设备端口为不同队列准确配置带宽的方法，作为一种能够自动计算和自动配置队列参数的技术手段和方法。本发明使得网络运营商能够定义带宽资源配置策略，由运维人员或运维系统根据本发明的方法计算出各队列的权值参数，并配置到网络设备，实现对各队列的带宽分配，并能够评估带宽分配误差，为用户实现有服务质量QoS保证的业务。

本发明支持两种实现方式：集中式的权值参数计算和配置方式和分布式的权值参数计算和配置方式。其中集中式的权值参数计算和配置方式，不增加网络设备的负荷，并能提高网络运维系统对设备端口不同队列流量带宽比例发生变化后的响应能力，及时调整各队列的权值参数。分布式的权值参数计算和配置方式则简化了设备端口的流量信息采集工作和集中处理的计算量，而且，各个设备端口的权值计算方法并不复杂，不会大量增加网络设备的负荷，但是全网概念比较缺乏是其缺陷。

附图说明

图1是本发明为不同队列准确分配带宽方法的总体流程图。

图2A是本发明方法在要求保证带宽配置精度时为IP网络设备端口的各个队列进行权值计算的实现过程流程图。

图2B是本发明方法在不要求带宽配置精度时为IP网络设备端口的各个队列进行权值计算的实现过程流程图。

图3A是使用中央服务器统一计算全网不同设备端口上各个队列权值的系统组成示意图。

图3B是使用设备本地计算各端口上各个队列权值的系统组成示意图。

图4是本发明的权值选择装置的模块示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

根据经验，为了实现服务质量QoS，队列调度机制是运营商在网络中应用最广的一种技术。本发明针对所采用的调度机制做如下假设：

调度机制共有n个队列，n为自然数；

各队列之间采用加权循环round robin的调度顺序，即在一个调度周期内，各队列按照其队列序号1、2、......、n的顺序进行加权调度，以每个队列都被调度一次作为一个调度周期。

在一个调度周期中，各个队列能够调度的队列长度是MTU+(w_i-1)×512，其中MTU是链路的最大传输单位，w_i是各个队列的权值参数，其中i是区间为[1，n]的自然数，n是设备端口的队列个数；在网络设备的端口上，MTU是固定值。因此，各队列获得的带宽资源取决于各个队列的权值参数w_i。

上述各个队列能够调度的队列长度MTU+(w_i-1)×512只是其调度的平均队列长度。由于经过调度后的队列的分组长度与MTU+(w_i-1)×512并不恰好是整数倍的关系，因此，在该调度周期内的队列实际调度长度会与MTU+(w_i-1)×512之间存在差值，并需要在下一调度周期内进行补偿。比如，配置w₁＝1，MTU＝1500byte，队列1的分组长度是400字节。在本调度周期内，队列1发送了4个分组，即1600bytes；在下一周期，队列1要求只能调度1400字节。

因此，本发明作为一种为不同队列准确配置带宽的方法，实质上是要为IP网络设备端口的每个队列计算权值来分配带宽资源。本发明较好地解决了如何计算队列权值和准确配置带宽资源，以便保证带宽配置精度的问题。

本发明的权值计算既可以采用集中模式，由网络服务器实现，也可以采用分布式模式，由各个网络设备自行实现；都可以保证不同队列的配置带宽精度。

参见图1，本发明方法包括步骤如下：

(a)分别确定每个队列的设计带宽比例和带宽配置精度，并根据该设计带宽比例选择基准带宽比例和基准权值；

(b)根据基准权值和基准带宽比例分别计算各个队列的队列权值；

(c)根据每个队列的队列权值，计算每个队列的分配带宽比例，即该队列实际得到的带宽占链路总带宽的比例，以及分配带宽比例和设计带宽比例的差值，再判断每个队列的差值是否小于等于该队列的带宽配置精度参数；如果有一个队列的差值大于其带宽配置精度参数，返回步骤(a)继续操作；只有所有队列的差值全部小于等于其带宽配置精度参数，执行后续操作；

(d)将每个队列的队列权值配置在网络设备的端口。

因此，根据本发明的设计以及调度算法的原理，各队列权值参数计算公式由下述方程计算得到；

其中， $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i=1,{\mathrm{\α}}_i=\frac{B_i}{B_{\mathrm{total}}},i=1,......,n.$ 经过直接计算，各队列的权值参数之间存在有下述公式的关系： $w_i=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_1-1)}{512}\frac{{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\α}}_i}-\frac{\mathrm{MTU}-512}{512},i=\mathrm{1,2},...,n;$

其中，α₁和w₁分别是队列1的带宽比例和权值参数，可以换成其它任何的队列的带宽比例和权值参数，不影响权值参数的选择和计算。

图1描述了本发明方法的全部执行流程。该流程包括4个步骤：步骤(a)，确定每个队列的设计带宽比例和带宽配置精度，并根据该设计带宽比例选择基准带宽比例和基准权值；步骤(b)，根据基准权值和基准带宽比例计算各队列的队列权值，并对计算的队列权值进行修正；步骤(c)，判断在采用该队列权值后，各队列实际分配的带宽与设计带宽的误差是否满足带宽配置精度要求；步骤(d)，执行队列权值参数的配置。

在步骤(a)中，运营商的服务水平协议SLA、网络运行现状和运营策略共同生成带宽分配策略，从而确定每个队列的设计带宽比例和带宽配置精度参数。基准带宽比例和基准权值选择是本发明的第一个关键步骤。

在步骤(b)中，计算各队列的队列权值是本发明的第二个关键步骤。在本步骤中，基准权值和基准带宽比例被用于计算各队列的队列权值。本发明要求为每一个端口确定一对基准权值和基准带宽比例。由于不同网络设备的不同端口队列的流量组成不同，本发明允许不同端口采用不同的基准权值和基准带宽比例。各队列权值的计算方法由图2A和图2B进行了详细描述。由于直接计算的队列权值参数可能不是整数，而网络设备通常需要配置整数权值，因此，本发明要求对队列权值参数进行修正-取整操作，取整误差导致了带宽分配误差。

在步骤(c)中，根据计算得到的队列权值，确定各队列分配的带宽比例，计算带宽比例误差，并判断是否满足带宽分配的误差精度。如果不满足精度，基准带宽比例保持不变，需要重新选择基准权值，并执行步骤(b)中的计算步骤和步骤(c)中的判断步骤。如果满足精度要求，进入权值分发和配置的步骤。在步骤(d)中，权值参数被分发到网络设备，网络设备负责执行队列权值参数的配置，以及按照分配的带宽调度流量。

参见图2A和图2B，其中图2A介绍存在带宽配置精度要求时各个队列权值的计算方法流程，该计算得到的权值参数能够保证各队列配置的带宽资源达到初始指定的精度要求。图2B则介绍了不存在带宽配置精度要求的各个队列权值的计算方法流程，此时，其权值参数是任意选择的，并基本按照比例分配带宽资源。图2B的流程图同时包括了权值参数最小化的情形。

首先详细说明图2A的流程。

步骤(110A)：获取队列的设计带宽比例或带宽配置精度。运营商往往从商业的角度考虑不同队列设计带宽比例和要求达到的带宽配置精度，并通过运维人员或管理系统直接配置到网络设备。该要求甚至可以包括在运营商的SLA协议中。在实际网络运营中，带宽配置精度由设计带宽比例和实际配置带宽比例的差值决定。实际配置带宽比例由各队列实际配置带宽或该队列实际发送流量的速率占总带宽的比例计算得到。因此，设计带宽比例和带宽配置精度是维护人员或系统配置的参数，但本发明并不涉及如何定义和选择设计带宽比例和带宽配置精度。

步骤(120A)：初始化各个参数，包括初始化各个队列设计带宽比例，形成设计带宽比例集合S，选择基准权值w_b和基准带宽比例α_b。其中基准权值必须是正整数。如果要求所有权值参数最小化，则基准权值取1。如果还存在其它要求，基准权值可以选择其它正整数。基准带宽比例α_b采用所有队列的设计带宽比例集合S中的最小值。

步骤(130A)：计算和判断得到的各队列的带宽配置精度是否达到要求？如果是，执行步骤(160A)：确定此时的各队列权值就是所需要的权值；否则，执行步骤(140A)：按照如下公式计算各队列权值参数：

$w_i=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_b-1)}{512}\frac{{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\α}}_b}-\frac{\mathrm{MTU}-512}{512},i=2,......,n;$

如果此时计算得到的权值不是整数，要对该权值取整。

步骤(150A)：计算各队列的带宽比例和带宽分配误差。其中带宽分配比例的计算公式是： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i=\frac{\mathrm{MTU}+512({\stackrel{\‾}{w}}_i-1)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{MTU}+512({\stackrel{\‾}{w}}_i-1\left)\right]}=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_i-1)+512{\mathrm{\δ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{MTU}+512(w_i-1\left)\right]+512\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i},$

式中 w_i＝w_i+δ_i是各队列实际分配的权值参数，δ_i是权值取整误差，满足0≤|δ_i|＜1，如果采用四舍五入取整，0≤|δ_i|＜0.5，队列序号i＝1，......，n。带宽配置误差的计算公式是： $|{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i-{\mathrm{\α}}_i|=\frac{|{\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\α}}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i|}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{\mathrm{MTU}}{512}-1+{\mathrm{\δ}}_i)};$ 式中，队列序号i＝1，......，n。

带宽配置精度是否达到要求的判断条件是下述等式是否成立：| α_i-α_i|≤ε_i，其中队列序号i＝1，......，n。如果没有满足要求，则将基准权值加1，返回步骤(130A)执行相关操作。

下面简要说明图2B的流程。

步骤(110B)和步骤(120B)完成的任务类似于步骤(110A)和步骤(120A)：虽然不存在基准权值取1的要求，但仍然需要选择基准带宽比例，基准带宽比例α_b采用所有队列设计带宽比例的最小值。

步骤(130B)完成的工作与步骤(140A)完成的任务相同，即计算各队列权值参数。

下面介绍本发明在网络设备的端口配置各个队列的队列权值的两种方法：

参见图3A所示的系统200A的示意图。在该系统中，中央服务器210A用于实现本发明的权值参数计算。系统200A包括中央服务器210A、权值计算器215A和网络设备220A₁到220A_N，这些网络设备是整个IP/MPLS网络中采用本发明方法进行队列调度策略的。中央服务器210A包括权值计算器215B，即本发明的权值选择装置。该权值计算器215A是根据带宽设计比例和带宽配置精度要求，计算所有采用加权循环调度算法的网络设备端口队列权值，并将计算得到的权值下发到各个网络设备220A₁到220A_N的各个端口队列。

参见图3B所示的系统200B的示意图，在该系统中，在采用加权循环调度算法的各个网络设备中实现本发明的权值计算装置。该系统包括各个网络设备230B₁到230B_M。这些网络设备不局限于边缘设备，包括网络中任意采用了加权循环队列调度算法的所有网络设备。每一个网络设备都采用了一个本地权值计算器235B_i，i＝1，...，M，即本发明的权值计算和选择装置。该本地权值计算和选择装置根据各端口队列带宽设计比例和带宽配置精度计算各队列权值参数值。各网络设备根据计算结果配置端口队列，执行各队列的带宽分配。

参见图4是本发明的权值计算和选择装置300的模块示意图。该权值计算和选择装置300包括：带宽分配策略参数生成模块310，用于根据带宽分配策略生成分配策略参数；权值计算模块320，用于根据带宽分配策略参数和带宽配置精度要求选择基准带宽比例和基准权值，计算网络设备各个端口队列的权值参数；以及权值分发模块330，用于下发权值参数值。在该权值计算和选择装置300上执行本发明的权值计算方法。

在权值计算和选择装置300中，带宽配置策略参数生成模块310根据上述确定的带宽分配策略生成各队列设计带宽和带宽配置精度。操作者可以通过各种输入方式把带宽分配策略输入到带宽分配策略参数生成模块310中，例如通过键盘或者通过图形界面的形式，或者通过文件的形式。

权值计算模块320则基于下面两种信息计算权值：接口状态数据库中的实际分配带宽信息；各队列的设计带宽和带宽配置精度等信息。权值计算模块320首先选择基准权值和基准带宽比例，接着计算出各接口队列权值。权值分发模块330向网络设备分发权值参数。网络设备负责在各端口队列上配置权值，并按照配置的权值参数调度流量，执行各队列带宽分配任务。

如果权值选择装置300由中央服务器实现(如图3A所示)，中央服务器必须维护网络设备各端口队列的带宽分配策略和配置精度要求等信息的数据库。该数据库存储网络设备端口队列的带宽分配策略等相关信息。

如果权值选择装置300由各个网络设备实现(如图3B所示)，每一个网络设备需要维护一个接口带宽配置策略数据库，存储各接口队列的带宽分配策略和带宽配置精度要求等信息。在图3B所示环境的权值计算和选择装置中，网络设备执行权值的本地计算，并执行本地权值配置和带宽分配，权值分发模块不需要执行具体操作。

在本发明中，设计带宽比例是运维系统、运维人员或管理人员根据各种历史流量信息确定的。在各种流量组成比例比较稳定的网络环境中，设计带宽比例不需要经常更新，各队列能够保持比较高的带宽配置精度。在各种流量组成比例不太稳定的网络环境中，设计带宽比例需要不断更新，并导致各队列的带宽配置精度较低。为了提高分配精度，一个可能的办法就是实时监测网络各种流量组成比例的变换，并及时更新各队列设计带宽和权值。

下面具体介绍本发明的几个实施例：

在第一实施例中，本发明的权值计算和选择装置实现的权值选择方法是有带宽配置精度要求的。以下是对第一实施例的详细说明。

端口各队列的带宽配置精度要求ε_i表示各队列实际配置的带宽比例与设计比例的差值必须小于该数值ε_i，式中队列序号i＝1，......，n，n表示端口的队列数。

在本发明中，网络设备端口各队列实际分配的带宽比例按照如下公式计算：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i=\frac{\mathrm{MTU}+512({\stackrel{\‾}{w}}_i-1)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{MTU}+512({\stackrel{\‾}{w}}_i-1\left)\right]}=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_i-1)+512{\mathrm{\δ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{MTU}+512(w_i-1\left)\right]+512\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i},i=1,......,n$

其中 w_i是各队列实际配置的权值，。该公式表示在一个调度周期之内，队列1，......，n发送的队列总长度占该端口在这一周期内发送的队列总长度的比例。虽然存在包长等各种因素的影响，导致各队列可能不是恰好发送长度为MTU+512( w_i-1)，i＝1，......，n的流量，但经过多个周期的循环，各队列能够保证平均发送的长度是MTU+512(α_i-1)，i＝1，......，n。经过简单的计算就可以验证。以配置α₁＝1，MTU＝1500byte，队列1的分组长度400byte为例，在调度周期1内，队列1发送了4个分组，即1600bytes；在周期2，队列1要求只能发送1400bytes，实际发送了4个分组，共1600bytes；在周期3，队列1要求只发送1300bytes，实际发送了4个分组，共1600bytes；在周期4，队列1要求只发送1200bytes，实际发送了3个分组，共1200bytes。4个周期总共发送了6000bytes的流量，平均每个周期发送1500bytes。

虽然设计带宽比例是通过人为或其它方式给定的，但它可以表示为在一个周期之内每一队列调度的队列长度占所有队列调度的队列总长度的比例，即：

${\mathrm{\α}}_i=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_i-1)}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{MTU}+512(w_j-1)]},i=1,......,n---\left(1\right)$

其中w_i是各队列的理论权值。如果各队列配置该理论权值，就能够非常准确地保证各队列的带宽分配比例。由于各队列的理论权值参数必须满足公式(1)，其中α_i，i＝1，......，n和MTU都是已知参数，因此，公式(1)反过来可以用于计算各队列的理论权值w_i，i＝1，......，n，该计算方程组如下：

其中， $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i=1,{\mathrm{\α}}_i=\frac{B_i}{B_{\mathrm{total}}},i=1,......,n.$ 求解该方程组时，各队列的理论权值之间存在如下关系： $w_i=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_1-1)}{512}\frac{{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\α}}_1}-\frac{\mathrm{MTU}-512}{512},i=1,......,n---\left(2\right)$ 公式(2)表明，如果各队列要准确分配带宽，从理论上来说，各队列的权值必须满足公式(2)。因此，本发明的第一个关键是寻找满足公式(2)的各队列理论权值。

通常来说，理论权值w_i不一定是整数，而现有的网络设备要求这些参数都采用整数。因此，有必要对理论权值w_i取整，即进行适当修正。修正后的理论权值参数是 w_i，用作实际参数配置到网络设备端口队列。权值取整误差δ_i表示该理论权值w_i和实际配置权值 w_i的差值即 w_i＝w_i+δ_i。本发明支持向上取整、向下取整以及四舍五入取整等修正方式，不同的取整方式导致不同的取整误差δ_i。采用向上取整时，取整误差δ_i的取值范围是[0，1)，采用向下取整时，取整误差δ_i的取值范围是(-1，0]，采用四舍五入取整时，取整误差δ_i的取值范围是(-0.5，0.5)，。

在为队列配置和修正权值 w_i后，取整误差δ_i会被带入各队列的流量调度中，并导致带宽分配的误差。该误差可以用如下公式表示：

$|{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i-{\mathrm{\α}}_i|=|\frac{\mathrm{MTU}+512(w_i-1)+512{\mathrm{\δ}}_i}{\underset{j-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{MTU}+512(w_j-1)]+512\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_j}-{\mathrm{\α}}_i|,i=1,......,n;$

经过简单计算，并考虑各队列的带宽分配精度要求，下面公式必须成立：

$|{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i-{\mathrm{\α}}_i|=\frac{|{\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\α}}_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_j|}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{\mathrm{MTU}}{512}-1+{\mathrm{\δ}}_j)}\≤{\mathrm{\ϵ}}_i,i=1,......,n---\left(3\right)$

公式(3)决定了为各队列实际分配的带宽与设计带宽之间是否达到带宽分配精度要求。如果达到精度要求，现有权值 w_i可以作为配置参数使用；否则，需要重新根据公式(2)重新计算各队列的权值并修正，重复公式(3)的操作。这一过程循环进行，直到找到满足要求的队列权值。

因此，本发明的第二个关键点是检查各队列的实际分配带宽与设计带宽之间是否满足精度要求。

总之，本实施例的算法过程可以总结如下：首先计算各队列的理论权值；其次判断各队列实际分配的带宽与设计带宽之间的误差是否达到精度要求。如果达到要求，结束算法；否则，重新计算权值，即循环进行前面的操作，直到找到满足要求的参数。

如果本发明用于实施有精度要求的带宽配置。首先需要确定各队列的设计带宽或带宽比例。设计带宽比例是运营商资源分配策略的一部分，可以由运营商与客户通过SLA协议确定，或者通过网络监测工具收集不同队列的历史信息，预测将来一段时间的不同流量的带宽比例。在具体实施本发明的时候，本发明的算法分别由图3A的网络服务器和图3B的网络设备中的权值计算器执行。

如果采用图3A的网络服务器的实施模式，网络服务器维护所有网络设备端口队列的带宽设计比例和带宽配置精度等带宽分配策略信息，并提供增加、删除或修改带宽分配策略信息的接口，并调用权值计算器来计算权值参数，支持维护人员或管理人员的操作。采用网络服务器的实施模式能够保证维护人员或运维系统从全网的角度制定各网络设备端口队列的带宽分配策略。

如果采用图3B的分布式的带宽分配策略，网络设备缺少全网的视角，只能维持设备自有端口队列的带宽分配策略，计算队列权值，按照配置的权值和执行流量调度。相比较而言，网络设备只需要维护较少的信息，计算量较小。

在第二实施例中，在本发明的权值计算和选择装置中针对严格优先低时延队列—LLQ队列的调度机制进行权值计算。以下是对第一实施例的详细说明。

在带LLQ队列的调度机制中，如果LLQ队列中有分组需要发送，最多等待其它队列发送完正在发送的分组，LLQ就可以发送分组。如果LLQ队列没有分组，其它队列才能够开始发送分组。在现有的网络设备中，LLQ能够占用的设备带宽可以配置上限。因此，在本实施例中，可以做如下假设：

该端口共有队列n+1个，LLQ是其中一个队列，首先获得需要的带宽资源；LLQ占用的带宽资源比例是α_i，最大可以达到α_max；

其它序号为1，......，n的队列按照设计的比例分配剩余带宽资源，各队列实际得到的带宽比例分别为α_i，并且 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\α}}_1=1;$

权值不影响LLQ占用带宽，其它队列在一次调度中发送的队列长度为D＝MTU+512×(w_i-1)。

定义 ${\mathrm{\α}}_i^{\′}=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{1-{\mathrm{\α}}_1}$ 用于描述序号为1，......，n的各个队列在LLQ占用之后的剩余带宽的比例。 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i^{\′}=1.$ 按照前面介绍的计算方法进行计算：

首先，按照本发明的方法选择基准权值w_b和基准带宽比例α_b′，其中α_b′是α_i′中的最小值，i＝1，......，n。

其次，按照如下公式计算其它队列权值：

$w_i=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_b-1)}{512}\frac{{\mathrm{\α}}_i^{\′}}{{\mathrm{\α}}_b^{\′}}-\frac{\mathrm{MTU}-512}{512}=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_b-1)}{512}\frac{{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\α}}_b}-\frac{\mathrm{MTU}-512}{512},---\left(4\right)$

其中α_b是权值参数α_i中的最小值，并且与α_b′描述同一队列。如果w_i不是整数，按照第一实施例中相同的方法对w_i取整。实际配置的队列权值采用取整后的权值参数 w_i。

最后，估算各队列分配的带宽精度：

$|{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i-{\mathrm{\α}}_j|=(1-{\mathrm{\α}}_i)|{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i^{\′}-{\mathrm{\α}}_i^{\′}|=\frac{(1-{\mathrm{\α}}_i)|{\mathrm{\δ}}_i-\frac{{\mathrm{\α}}_i}{(1-{\mathrm{\α}}_1)}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_j|}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{\mathrm{MTU}}{512}-1+{\mathrm{\δ}}_j)}=\frac{|(1-{\mathrm{\α}}_i){\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\α}}_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_j|}{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{\mathrm{MTU}}{512}-1+{\mathrm{\δ}}_j)}\≤{\mathrm{\ϵ}}_i,---\left(5\right)$

如果公式(5)对每个队列都成立，即i＝1，......，n时上述公式都成立，结束计算，此时的权值即为所求；如果公式(5)不成立，重新更新基准权值w_b，更新的原则是增加w_b的值，即加1或增加其它的自然数，并重复公式(4)和(5)的计算，直到找到需要的权值。

在第三实施例中，考虑权值参数最小化，即保证在所有满足所有条件的权值最小。以下是对第三实施例的详细说明。

最小化队列权值的目的是减小各队列流量的时延抖动。

根据分析，本实施例中只要选择基准权值参数w_b＝1，公式(4)的计算结果就是最小化的权值。

本发明已经进行了多次实施试验，试验的结果是成功的实现了发明目的，因此，本发明具有很好的应用前景。

Claims (10)

1、一种在IP网络设备端口为不同队列准确配置带宽的方法，是在IP网络设备端口采用加权循环round robin方法为不同队列配置和调度带宽，即对所有需要进行调度的队列按照其队列序号的顺序依次对其流量进行加权调度，以每个队列都被调度一次作为一个调度周期；其特征在于：包括以下步骤：

(a)分别确定每个队列的设计带宽比例和带宽配置精度，并根据该设计带宽比例选择基准带宽比例和基准权值；

(b)根据基准权值和基准带宽比例分别计算各个队列的队列权值；

(c)根据每个队列的队列权值，计算每个队列的分配带宽比例，即该队列实际得到的带宽占链路总带宽的比例，以及分配带宽比例和设计带宽比例的差值，再判断每个队列的差值是否小于等于该队列的带宽配置精度参数；如果有一个队列的差值大于其带宽配置精度参数，返回步骤(a)继续操作；只有所有队列的差值全部小于等于其带宽配置精度参数，执行后续操作；

(d)将每个队列的队列权值配置在网络设备的端口。

2、根据权利要求1所述的准确配置带宽的方法，其特征在于：所述对队列的流量进行调度是从队列中提取分组数据并发送到网络设备的端口；每个队列中被调度的分组数据流量D的字节数量的计算公式为：D＝MTU+512×(w_i-1)；式中，MTU是该端口链路的最大传输单位，w_i为自然数，是序号为i的队列权值参数；队列序号i是区间为[1，n]的自然数，n是设备端口的队列个数。

3、根据权利要求1所述的准确配置带宽的方法，其特征在于：所述设计带宽比例α_i是为序号为i的队列所设计或分配的带宽B_i与网络设备端口的物理总带宽B_total之比，即 ${\mathrm{\α}}_i=\frac{B_i}{B_{\mathrm{total}}};$ 所述带宽配置精度ε_i是序号为i的队列实际配置的带宽与其设计带宽之间的差值，或其实际分配的带宽比例与其设计带宽比例的差值。

4、根据权利要求1或3所述的准确配置带宽的方法，其特征在于：所述步骤(a)中对每个队列分别配置确定的设计带宽比例和带宽配置精度取决于运营商的服务质量QoS保证策略及服务水平协议SLA；其中，设计带宽比例是由人工事先确定，或者是在网络运营过程中，根据网络流量监测结果，分别确定的不同队列的带宽分配比例要求；带宽配置精度是根据服务水平协议SLA，或者网络运维的实际需要所确定的参数，要求实际分配的带宽比例与设计带宽比例的差值必须小于该参数。

5、根据权利要求1所述的准确配置带宽的方法，其特征在于：所述基准带宽比例α_b是设备端口中的各个队列设计带宽比例α_i中的最小值，即 ${\mathrm{\α}}_b=\underset{i=1,...,n}{\min }{\mathrm{\α}}_i;$ 式中，队列序号i是区间为[1，n]的自然数，n是设备端口的队列个数；所述基准权值w_b是根据下述选择原则所确定的、用于计算其它各个队列权值的基准参数，该基准权值为自然数，其选择原则是：如果要求所有队列参数最小化时，w_b＝1；如果要求检查带宽配置精度，该基准权值w_b从1开始依次选择其后的各个自然数，直到带宽配置精度达到要求为止；在不要求检查带宽配置精度时，该基准权值为任意的自然数。

6、根据权利要求1所述的准确配置带宽的方法，其特征在于：所述步骤(b)中每个队列实际配置的队列权值 w_i的计算方法是：

先计算序号为i的队列权值 $w_i=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_b-1)}{512}\frac{{\mathrm{\α}}_i}{{\mathrm{\α}}_b}-\frac{\mathrm{MTU}-512}{512};$

再对上述计算结果w_i取整，取整误差为δ_i，得到该队列序号为i的实际采用的队列权值 w_i，则 w_i＝w_i+δ_i；式中，MTU是端口链路的最大传输单位，w_b是基准权值，α_i是序号为i的队列设计带宽比例，α_b是基准带宽比例，队列序号i是区间为[1，n]的自然数，n是设备端口的队列个数。

7、根据权利要求6所述的准确配置带宽的方法，其特征在于：所述对队列权值w_i进行取整的方法有多种：向上取整、或向下取整、或四舍五入取整，不同的取整方法会影响带宽分配的准确性，且不同的取整方法，取整误差δ_i有不同的取值范围：采用向上取整时，取整误差δ_i的取值范围是[0，1)，采用向下取整时，取整误差δ_i的取值范围是(-1，0]，采用四舍五入取整时，取整误差δ_i的取值范围是(-0.5，0.5)。

8、根据权利要求1或2或6或7所述的准确配置带宽的方法，其特征在于：所述步骤(c)中每个队列实际配置的带宽比例 α_i的计算公式是：

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i=\frac{\mathrm{MTU}+512({\stackrel{\‾}{w}}_i-1)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{MTU}+512({\stackrel{\‾}{w}}_i-1)]}=\frac{\mathrm{MTU}+512(w_i-1)+512{\mathrm{\δ}}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[\mathrm{MTU}+512(w_i-1)]+512\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i}$

式中， w_i和w_i分别是为序号为i的队列实际配置的队列权值和计算得到的队列权值，δ_i是参数w_i的取整误差，且该三个参数满足公式 w_i＝w_i+δ_i。

9、根据权利要求1或3或6或7或8所述的准确配置带宽的方法，其特征在于：所述步骤(c)中检查每个队列实际分配的带宽比例 α_i和设计带宽比例α_i的差值是否小于或等于该队列的带宽配置精度ε_i参数的计算公式是：

$|{\stackrel{\‾}{\mathrm{\α}}}_i-{\mathrm{\α}}_i|=\frac{|{\mathrm{\δ}}_i-{\mathrm{\α}}_i\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\δ}}_i|}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{\mathrm{MTU}}{512}-1+{\mathrm{\δ}}_i)}\≤{\mathrm{\ϵ}}_i;$

式中，MTU是该端口链路的最大传输单位， α_i和α_i分别是序号为i的队列实际配置的带宽比例和设计带宽比例，w_i是计算得到的该队列的队列权值，δ_i是该队列权值w_i的取整误差；队列序号i是区间为[1，n]的自然数，n是设备端口的队列个数。

10、根据权利要求1所述的准确配置带宽的方法，其特征在于：所述步骤(d)中在网络设备的端口配置各个队列的队列权值有两种方法：

(1)网络设备各自采集本设备端口的队列流量信息和确定设计带宽比例，或直接接受事先配置的本设备端口各个队列的设计带宽比例；再根据基准带宽比例和基准权值计算各个队列权值，并把该队列权值配置到该设备端口对应的各个队列；

(2)网络服务器集中采集全网所有设备端口的队列流量信息和确定设计带宽比例，或直接接受事先配置的所有设备端口的各个队列的设计带宽比例；再根据基准带宽比例和基准权值计算各个队列权值，并把该队列权值分发到各个网络设备，由网络设备各自分别把队列权值配置到该设备端口对应的各个队列。

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