CN1879099A - 网络分组的经验性调度 - Google Patents

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Abstract

一种在网络上发送分组的方法包括以下步骤：将分组递送调度划分为离散时隙；利用不同的时隙从网络上的第一端点发送多个测试分组到网络中的预期接收方；评估网络的可靠性以在每个时隙发送多个测试分组；并且根据评估步骤在递送调度中选择一个或多个时隙。

Description

网络分组的经验性调度
技术领域
本发明通常涉及一种系统，该系统用于允许连接到网络(例如IP或以太网)的设备与其它设备合作以发送并接收数据分组而不会损害网络。
背景技术
如公知的那样，以太网和互联网协议(IP)是用于在通信网络上的不同点之间发送分组的系统。这些交换系统称为“基于竞争”的系统。即，所有发送方竞争网络资源。所有发送方可能同时发送。如果它们这样操作，则可能过多地预订了网络资源。当所述情况发生，数据可能延迟或丢失，这导致了网络损害。
如图1所示，四个分组流输入到分组交换机112，所述交换机基于包含于每个分组中的寻址信息将分组路由到一个或多个输出。分组可能在不可预知的时刻到达交换机，这导致了必须处理的输入突发。交换机典型地维护能够存储少量分组的分组队列114。该队列可能包括通过分组优先级来安排的多个队列，以便例如优先级为3的分组优先于优先级为1的分组。如果输入突发很大，则队列填满并且一些分组可能被丢弃。较高优先级队列典型地在较低优先级队列之前被清空，以便较低优先级队列更易于首先丢失数据。
IP系统遭受了例如分组丢失和抖动的损害。由于没有控制在任何给定时刻到达路由器的这种分组的数量，因此将发生上述情况。如果两个分组在相同时刻到达路由器，去往相同的端口，则一个分组必须被延迟。不能同时发送两个分组。所述分组之一被保存在队列中直到完全发送了第一分组。
图2示出了包括端点100、101、102和103的计算机网络。所述网络包括路由器104到107。如图所示，如果端点100和101与端点102和103同时通信，则路由器105和106之间可能出现瓶颈。由于在路由器之间可能同时发送了太多的分组，因此可能发生上述情况，这致使路由器丢弃溢出的分组。这即使在较低网络利用率的情况下也会发生。
已经开发了各种方法来克服以太网和IP网上的数据丢失。最初的方法是使用附加协议来替代丢失的数据。这是事后(after-the-fact)解决方案。例子是已知的传输控制协议(TCP)。TCP能够检测数据丢失并且其导致数据的重传，直到全部数据文件的完好拷贝被递送给接收设备。
由于太慢，因此许多设备可能不能使用TCP或任何重传方法。实时应用需要首次准确地递送数据。为了这些应用适当地操作，甚至光速也导致不期望的时延。添加重传时延是不可行且不期望的。
问题是确定如何提供基于连接的网络上可靠的首次递送。已经尝试了各种方法。最常建议的系统依赖于网络中的数据优先级。通过所述方法，用优先级编码来标识具有实时约束的数据，以便可以在其它数据之前发送所述数据。
优先级最初似乎是很好的解决方案。然而，这遭受到同样的困难。优先级仅提供了涉及较低优先级数据的递送优势。其对其它优先级的数据不具备优势。分析和测试显示，所述方法在一定环境下可以工作，但是这仅当优先级数据量较小时。对于如语音的简单应用，总体的百分比可能必须是8％或更少。其它应用必须占用甚至更小的总体网络资源的百分比。如图1所示，如果在较短时间间隔内发送过多的高优先级分组，则即使是高优先级分组也可能被丢弃。对于许多网络，这使得优先级难以实行。
另一个方法是复用数据。通过所述方法，与一个数据流相关联的数据突发与另一个的突发相分离。复用通常使用一些类型的时域系统(称为时域复用(TDM，Time Domain Multiplexing))来分离流。流可能以组被分离，以便一个组不会与另一个组竞争。这是一种改进，但是仍遗留了组之间竞争的可能性。消除竞争的唯一方式是单独地复用每个流。复用的中心问题是其消除了网络的原理优势，即减小了对所有流可用的平均带宽。换言之，对网络上的每个潜在发送方保证网络上的时隙，即使很少使用该时间。这导致了低效的资源使用。
异步传输模式(ATM)是复用数据网络的另一个方法以减小竞争。ATM将所有数据流分为等长的数据块。此外，ATM可以限制对任何流或应用可用的数据块的数量。结果是虚拟TDM复用系统。
TDM和ATM提供了竞争减小，但是增加了可观的复杂度、成本、部件，以及失去的带宽性能。其它方法依赖于专用硬件来调度(schedule)分组递送，这增加了硬件成本。
发明内容
本发明通过针对在网络上的两个端点之间所递送的分组提供经验性确定的递送调度，克服了许多上述缺点。具有根据已知数据速率发送分组的需要(以例如支持语音电话呼叫)的发送节点，利用不同递送时间在网络上将一系列测试分组发送给预期接收方。评估测试分组以确定哪个递送时间遭受到最小时延和/或分组丢失，并且该递送时间被用来在传输期间调度分组。其它端点使用类似的方案，以便每个端点能够评估哪个递送调度最适合以最小可能的分组丢失和时延来发送分组。不同的优先级被用来发送数据、测试分组和网络中的其它数据。系统经验性地确定了用于在网络上的两个端点之间传输数据分组的预期时间调度。可以不用专用硬件来实现递送方案。
附图说明
图1示出了创建在分组交换机处的溢出条件的突发分组问题，这导致了分组丢失；
图2示出了在两组端点在突发条件下共享公共网络资源的情况下，网络拥塞如何导致了瓶颈；
图3示出了一个方法，该方法分配不同优先级给被调度数据(实时级)、测试分组(发现级)以及其它网络业务(数据级)；
图4示出了一种帧结构，其中递送调度可以被分解为主帧、子帧、次子帧；
图5示出了具有执行本发明各种原理的步骤的流程图；
图6示出了针对测试分组从第一端点到第二端点使用递送调度的系统；
图7示出了一种系统，其中实时业务(优先级为3)的队列在一个分组交换机处几乎填满，并且所述业务仍然通过网络。
具体实施方式
根据本发明的一个变型，使用优先级方案来分配优先级给网络中的数据分组，以便为旨在实时或接近实时递送的分组递送(例如电话呼叫、视频帧或转换为IP分组的TDM数据分组)分配网络中的最高优先级。将第二最高优先级分配给用于测试目的的数据分组(即所谓的测试分组)。将第三最高优先级分配给系统中的剩余数据分组，例如Web浏览器使用的TCP数据。图3说明了所述方案。通过实现许多路由器中已经可用的分组优先级方案，可以分配这些优先级。
也可以提供在这三个级别之上和之下的其它优先级。例如，可以出于紧急的目的或针对网络级消息(例如指示路由器或其它设备执行不同功能的消息)来分配在实时级之上的优先级。
图4示出了如何将一秒(主帧)的任意递送时间段分解为每个为100毫秒持续时间的子帧，以及如何将每个子帧进一步分解为每个为10毫秒持续时间的次子帧。每个次子帧还被分为1毫秒持续时间的时隙。根据本发明的一个变型，利用例如图4所示的方案来分解用于传输带宽的每一秒的递送时间段，并且根据这种调度来为分组分配一个或多个时隙以发送测试分组并利用本发明的原理递送数据。在这种意义上，所述方案类似于传统的TDM系统。然而，不像TDM系统那样，不保证端点具有特定的一个或多个时隙。替代地，网络上的节点基于两个端点之间的测试分组的优先传输，利用经验上确定为有利的时隙来进行发送。
图5示出了可以用来执行本发明的原理的方法步骤。开始于步骤501，确定网络(例如以太网络或IP网络)上的两个端点期望进行通信。所述确定可能是摘起电话接收机和拨叫电话号码的结果，这指示两个节点需要启动VoIP连接。可选地，在发送视频数据的节点和接收节点之间需要建立单向连接。可以期望所述连接类型中的每一个在网络上施加一定量的数据分组业务。例如，VoIP连接可能需要64kps传输速率，使用80字节分组有效负载(没有包括分组报头)。视频流典型地在网络上施加更高的带宽需求。
应当指出，对于双向通信，必须建立两个分离的连接：一个用于节点A发送给节点B，另一个用于节点B发送给节点A。尽管将就单向传输描述本发明的原理，然而应当理解到，当期望双向连接时将在另一个端点上重复相同的步骤。
在步骤502，根据例如图4所示的方案，递送调度被分为时隙(该步骤可以被预先进行并且无需每次在两个端点之间建立连接时被重复)。可以从例如全球定位系统(GPS)所提供的时钟来获得递送调度。作为一个例子，可以针对主帧建立一秒的任意时间段，所述主帧可以相继被分解为子帧和次子帧，其中，每个子帧包括10个时隙，每个时隙为10毫秒的持续时间，每个次子帧包括10个时隙，每个时隙为1毫秒的持续时间。因此，一秒包括1000个1毫秒持续时间的时隙。当然可以使用其它时间段，并且本发明并不限于任何特定的时隙方案。
在步骤503，确定了两个端点之间的所需带宽。例如，对于单个VoIP连接，可能需要64kps的带宽。假设80字节或640比特的分组大小(暂时忽略分组开销)，这意味着每秒必须发送100个分组，这得出(平均)每10毫秒一个分组。返回图4所示的例子，这意味着在图底部的次子帧中至少一个时隙期间发送一个分组(每个时隙对应于1毫秒)。
在步骤504，在不同时隙期间、以支持期望带宽所需的速率来发送多个测试分组。利用“发现”级优先级(参看图3)来发送每个测试分组，所述优先级高于通常的数据分组(例如TCP分组)优先级，但是低于分配给实时数据业务(下面将讨论)的优先级。例如，简要回顾图6，假设调度已经分为1毫秒时隙。可以如所示在时隙1、3、5、7、9、11和12期间发送所述测试分组。每个测试分组优选地包括“发现”级优先级、指示何时发送分组的时间标记、发送分组后可以识别该分组的唯一序列号，以及识别使用什么时隙来发送分组的一些方式(means)。可以从序列号来推断时隙。一旦接收了测试分组，接收端点就将分组返回给发送方，这允许发送方(a)确认实际接收了多少被发送分组；(b)确定每个分组的时延。当然可以使用其它用于确定时延的方法。可以由发送方、接收方或二者的组合来进行所述评估。
在步骤506中，发送方评估测试分组，以确定对于执行连接而言哪个或哪些时隙是最有利的。例如，如果确定利用时隙#1所发送的分组遭受到低于其它时隙的平均丢弃分组率，则该时隙是优选的。类似地，相比具有更高时延的其它时隙，导致最低分组时延(来自发送方的往返)的时隙是优选的。理论是开始被施压(stressed)的分组交换机具有开始填满的队列，这导致了时延和丢弃分组的增加。因此，根据本发明的原理，其它时隙可以被用来避免在可能增加那些交换机中的队列长度的时期内发送分组。在一个变型中，可以对时隙“过度施压(overstress)”以将系统扩展1个比特。例如，如果实际仅需要80字节分组，则可以在测试阶段期间发送160字节分组以表示过载条件。过载条件可能揭示了通常80字节分组可能不会出现的瓶颈。
接收方执行关于所收集的测试分组的统计并发送回标识了与每个时隙相关联的时延和丢弃分组率的报告，而不是接收方发送回时间标记的分组。
如上面所解释的，分组报头开销已经被忽略但是典型地需要包含于评估过程中(即80字节分组增加了分组报头的大小)。可以随机确定测试分组的时隙选择(即可以针对测试分组来选择时隙随机选择)，或者它们可以基于先前使用的时隙来被确定。例如，如果发送节点已经在时隙3上进行发送，则该节点将预先知道所述时隙可能不是第二连接的期望选择。作为另一个例子，如果发送节点已经在时隙3上进行发送，则测试分组可以在离时隙3最远的时隙中被发送，从而尽可能多地扩展分组分配。
在步骤506中，在两个端点之间建立了连接，并且利用较高的“实时”优先级并利用一个或多个时隙来发送分组，其中所述时隙被确定为更有利于传输。由于使用了较高的优先级，因此连接不受穿过网络传送的测试分组的影响，所述测试分组的优先级较低。在一个变型中，可以使用IP分组报头中的IP优先字段来建立不同的优先级。
图6示出了采用本发明各种原理的系统。如图6所示，两个端点每个都依赖于GPS接收器以获得准确的时钟同步(例如为了进行时间标记和时延确定)。IP网络可能由多个路由器和/或其它网络设备组成，其中所述其它网络设备能够最终将分组(例如IP或以太网分组)从一个端点路由到另一个。假设配置网络的组织具有控制网络上所使用的优先级的能力，从而防止其它节点使用发现优先级和实时优先级。
应当认识到，可以测试单个时隙，然后另一个时隙等，直到发现用于传输的合适时隙，而不是在不同时隙期间同时发送测试分组。这将增加建立连接所需的时间。同样，如上所述，对于双向连接而言，两个端点都将执行建立连接的步骤。
还应当理解到，所有帧的相位可能彼此无关；仅需要从公共时钟获得它们。不同的端点不必具有彼此同步的帧。当然可以使用其它方法。
由于经验性方法检测丢弃条件的逼近，因此本发明也对路由器队列中的“早期丢弃”设置起作用。
在另一个变型中，可以在端点之间的连接期间监控分组时延和分组丢弃率，并且基于检测任一参数中的向下趋势(downward trend)，可以发送附加测试分组以发现移入连接的更好时隙。
图7示出了其中第一端点701与第二端点706通过多个分组交换机703到705进行通信的系统。每个分组交换机维护多个分组队列。为了说明，示出了四个不同的优先级，其中4是最高级，1是最低级。假设端点701试图通过网络来启动与端点706的连接。端点701利用优先级2发送多个“测试分组”。如可以看到的，分组交换机703被轻度地加载，并且队列跟上业务没有困难。
然而，分组交换机704被较重地加载。在所述交换机中，优先级1业务的队列是填满的，这导致了丢弃的分组和时延。类似地，端点701以优先级2发送的测试分组致使所述队列溢出，这导致了丢弃的分组和更长的时延。然而，优先级3队列(现有实时业务)还没有填满，因此通过未受影响的网络传送那些分组。根据本发明，一旦检测到丢弃了在一定时隙期间所发送的测试分组和/或测试分组遭受到高时延，端点701就选择具有最低丢弃率和/或最低时延的那些时隙，并且使用那些时隙来调度分组(然后利用优先级3发送该分组)。
假设图7中的每个端点都包括节点(即具有网络接口的计算机)，该节点包括用于执行一个或多个上述功能的计算机可执行指令。
尽管已经关于包括执行发明的当前优选模式的指定例子描述了本发明，然而本领域的技术人员应当认识到，存在上述系统和技术的许多变型和变更，所述变型和变更落入如所附权利要求所阐明的本发明的精神和范围内。这里描述的任何方法步骤可以被实现在计算机软件中，并被存储在计算机可读介质上用于在通用或专用计算机中执行，并且所述计算机可读介质包含于本发明的范围内。与权利要求中的过程步骤相关联的编号仅为了方便起见，并且不应被认为是暗示任何特定排序或序列。

Claims (20)

1.一种在网络上发送分组的方法，该方法包括以下步骤：
(1)在多个不同时隙期间，在所述网络上发送多个测试分组；
(2)基于步骤(1)，评估所述多个不同时隙中哪一个对应于有利的网络业务条件；以及
(3)利用步骤(2)中所评估的一个或多个有利时隙，在所述网络上发送数据分组。
2.根据权利要求1的方法，其中，步骤(1)包括使用比步骤(3)中发送数据分组所用的优先级更低的优先级来发送所述多个测试分组。
3.根据权利要求1的方法，其中，步骤(2)包括评估与所述测试分组相关联的分组时延。
4.根据权利要求1的方法，其中，步骤(2)包括评估与所述测试分组相关联的丢弃分组率。
5.根据权利要求1的方法，其中，步骤(1)包括以对应于期望连接带宽的数据速率来发送所述测试分组。
6.根据权利要求1的方法，其中，步骤(2)包括发送节点执行与所述多个不同时隙相关联的时延和丢弃分组率的评估。
7.根据权利要求1的方法，其中，步骤(2)包括接收节点执行与所述多个不同时隙相关联的时延和丢弃分组率的评估。
8.根据权利要求1的方法，其中，所述测试分组和所述数据分组包括分组交换网络上所发送的互联网协议分组。
9.根据权利要求8的方法，其中，所述互联网协议分组被调度用于在与时钟同步的帧的时隙内的传输。
10.根据权利要求1的方法，其中，以这样的优先级发送所述测试分组：低于步骤(3)中的数据分组的优先级，但高于包括所述网络上发送的其它数据的其它数据分组的优先级。
11.根据权利要求1的方法，其中，所述数据分组包括语音数据。
12.根据权利要求1的方法，还包括针对所述网络中两个节点之间的双向连接的每一侧重复步骤(1)到(3)。
13.根据权利要求1的方法，其中，所述网络是包括维护分组队列的分组交换机的分组交换网络。
14.根据权利要求13的方法，其中，每个分组交换机包括至少两个分组队列，较高优先级队列用于步骤(3)的发送数据分组，并且较低优先级队列用于步骤(1)的发送测试分组。
15.在包括多个分组交换机的互联网协议网络中，一种发送数据分组的方法，该方法包括以下步骤：
(1)建立包括多个时隙的时间基准帧，在所述时隙期间穿过所述互联网协议网络发送互联网协议分组；
(2)从发送节点，关于预期接收节点经验性地确定所述多个时隙中哪一个与减少的分组拥塞率相关联；以及
(3)在一个或多个时隙期间，将多个数据分组从所述发送节点发送到所述预期接收节点，其中所述时隙被经验性地确定为与步骤(2)中减少的分组拥塞率相关联。
16.根据权利要求15的方法，其中，步骤(2)包括在多个不同时隙期间从所述发送节点向所述预期接收节点发送多个测试分组。
17.根据权利要求16的方法，其中，步骤(2)包括利用比用来在步骤(3)中发送多个数据分组的分组优先级更低的分组优先级来发送所述测试分组。
18.根据权利要求17的方法，其中，步骤(2)包括以足够支持步骤(3)中的期望带宽的数据速率来发送测试分组。
19.一种计算机，该计算机具有网络接口并且利用计算机可执行指令被编程，所述指令在被执行时执行以下步骤：
(1)在多个不同时隙期间以第一优先级在网络上发送多个测试分组，其中所述计算机连接到所述网络；
(2)基于步骤(1)，评估所述多个不同时隙中哪一个对应于有利的网络业务条件；以及
(3)利用在步骤(2)中评估的一个或多个有利时隙、在所述网络上以第二优先级发送数据分组，其中该第二优先级高于所述第一优先级。
20.根据权利要求19的计算机，其中，所述计算机可执行指令还执行利用连接到所述网络的第二计算机来评估分组时延的步骤。
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