CN1925455A - 一种基于令牌桶的报文限速方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于令牌桶的报文限速的方法，包括：接收到某一报文的数据段时，触发一次填充令牌的操作，向所述令牌桶内填充一定数量的令牌；判断令牌桶内的令牌是否超过报文数据段的长度，如果令牌数大于或等于数据段长度，则允许该数据段通过，并从令牌桶中减去报文数据段长度所对应的令牌数；如果令牌数小于报文数据段的长度，则丢弃该数据段，该数据段所属的整个报文都被丢弃，对该报文后续的数据段不再进行令牌数的判断，并将该报文的前已通过的数据段对应的令牌数恢复到所述令牌桶。本发明方法由于采用了对报文分段进行报文限速时的令牌数比较，减小了系统中报文的转发延迟时间；采用双口RAM记录报文数据段的接收时刻并定期进行扫描，提高了系统中报文限速的精确性。

Description

一种基于令牌桶的报文限速方法

技术领域

本发明涉及一种数据网络领域中报文限速的方法，具体地说，涉及一种数据网络中采用令牌桶对报文速率进行限制的硬件实现方法。

背景技术

在现有的数据网络中，由于报文流量的突发性，常常会导致网络拥塞。

解决网络拥塞的一种方法是，在接收端对报文的速率进行限制，如果报文的速率低于规定的速率，则正常接收报文；如果报文的速率超过规定的速率，则将报文丢弃，或者降低报文的优先级等。

目前普遍采用的方法是利用令牌桶对报文进行限速。如图1所示，系统按规定的速率不断地向令牌桶中填充令牌，直到令牌桶装满为止。当报文到来时，将报文的长度跟令牌桶中的令牌数进行比较，如果令牌桶中有足够的令牌，则报文允许通过，同时从令牌桶中减去报文长度所对应的令牌数；如果令牌桶中的令牌不够，则将报文丢弃，或者降低报文的发送优先级。

在上述现有方法中，令牌的填充速率限制了接收报文的速率，而令牌桶的容量则对报文的突发流量提供了一定的容纳性。在这种方法中，令牌的填充是定时的，即每隔一定的时间向令牌桶中添加一定的令牌。这个时间是固定的，在大小选择上会存在矛盾。如果这个时间间隔选择较小，则系统需要频繁地填充令牌，系统负荷较重，且对于速率较慢的报文，限速效率很低；如果时间间隔选择较大，则对于速率较快的报文，有可能失去限速的作用。

华为技术有限公司的专利《采用令牌漏桶进行报文限流的方法》中国申请号：03109091.5的申请提出了一种新的令牌填充方式，以报文到来作为触发条件来填充令牌。该方法需要根据系统内部的计时器计算当前报文与上一报文到来时的时间间隔。如果两个报文之间的时间间隔大于系统内部计时器的最大范围，则统计出来的时间间隔是不准确的。换句话说，该方法对两个报文之间的时间间隔有范围上的要求，存在一定的局限性。

另外，上述两类方法均在接收到一个完整的报文之后才进行报文的限速。如果报文的速率超过了规定的速率，且长度很长，但依然要接收完整个报文才能将报文丢弃，则不利于减小系统中报文的转发延迟时间。

因此，现有技术还存在一定的缺陷，而有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于令牌桶之报文限速的方法，针对现有报文限速技术中效率低下，且不利于降低报文转发延迟等缺陷，提出一种改进的报文限速方法，将报文按固定长度进行分段，以数据段为单位对报文进行限速；同时，使用一块双口RAM(随机访问存储器：Random AccessMemory)来统计报文中连续两个数据段之间的时间差，以用于计算令牌桶的填充令牌数，减少系统中报文的转发延迟时间。

本发明的技术方案如下：

一种基于令牌桶的报文限速方法，其包括如下步骤：

A、接收到某一报文的数据段时，触发一次填充令牌的操作，向所述令牌桶内填充一定数量的令牌；

B、判断令牌桶内的令牌是否超过报文数据段的长度，如果令牌数大于或等于数据段长度，则允许该数据段通过，并从令牌桶中减去报文数据段长度所对应的令牌数；

C、如果令牌数小于报文数据段的长度，则丢弃该数据段，该数据段所属的整个报文都被丢弃，对该报文后续的数据段不再进行令牌数的判断，并将该报文的前已通过的数据段对应的令牌数恢复到所述令牌桶。

所述的方法，其中，所述方法还设置一存储器，所述步骤A还包括：

A1、判断当前数据段是否是系统中令牌桶处理的报文的第一个数据段，如果是，转步骤A5，否则，转步骤A2；

A2、从所述存储器中读出前一个数据段的接收时间，根据当前系统计时器中的时间，计算两个数据段之间的时间差；

A3、根据两个报文数据段之间的时间差和令牌的填充速率，计算当前需要填充的令牌数，执行填充令牌的操作；

A4、将当前的系统时间写进所述存储器，覆盖原来的数据段接收时间记录。

所述的方法，其中，所述数据段为固定长度的，采用系统中所支持的报文的最小长度。

所述的方法，其中，还设置一计时器，用于对系统时间进行计数，所有的报文都共享一个系统计时器。

所述的方法，其中，还包括定期对所述存储器进行扫描，对于那些与当前系统时间之差已经超过时间差最大值的存储器单元予以标识。

所述的方法，其中，所述存储器采用双口RAM，一口用于时间差的计算，一口用于时间差的扫描。

本发明所提供的一种基于令牌桶之报文限速的方法，由于采用对报文分段进行报文限速时的令牌数比较，可以在较短的时间内识别出超过规定速率的报文并予以丢弃，减小了系统中报文的转发延迟时间；另外，本发明方法采用一块双口RAM记录报文数据段的接收时间并定期进行扫描，能精确地计算报文中相邻两个数据段之间的时间差，从而提高了系统中报文限速的精确性。

附图说明

图1是现有技术的采用令牌桶进行报文速率限制的方法示意图；

图2是本发明提出的报文速率限制方法的流程图；

图3是本发明方法的时间差计算的流程图；

图4是本发明方法的时间差扫描的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，将对本发明所述方法进行详细的说明。

本发明的基于令牌桶之报文限速的方法，具体来说，每接收到报文中固定长度的数据段时，即触发一次填充令牌的操作，向令牌桶内填充一定数量的令牌。然后判断令牌桶内的令牌是否超过报文数据段的长度，如果令牌数大于或等于数据段长度，则允许该数据段通过，并从令牌桶中减去报文数据段长度所对应的令牌数；如果令牌数小于报文数据段的长度，则丢弃该数据段，同时该数据段所属的整个报文都将被丢弃，该报文后续的数据段不再进行令牌数的判断。也就是说，只有报文的所有数据段都允许通过时，该报文才能通过，这样就减少了判断整个数据段对资源的浪费，提高了处理效率和速度。

本发明所述方法的主要步骤如图2所示，包括：

(1)接收固定长度的报文数据段；

(2)判断当前数据段是否是系统中令牌桶处理的第一个数据段，如果是，转步骤(7)，否则，转步骤(3)。

(3)从RAM中读出前一个报文数据段的接收时间；

(4)根据当前系统计时器中的时间，计算两个报文数据段之间的时间差；

(5)根据两个报文数据段之间的时间差和令牌的填充速率，计算当前需要填充的令牌数，然后填充到令牌桶当中；

(6)将当前的系统时间写进RAM，覆盖原来的报文数据段接收时间；

(7)判断令牌桶中的令牌是否大于当前数据段的长度，如果令牌数大于或等于数据段的长度，则接收当前数据段，从令牌桶中减去数据段对应的令牌数，并统计报文已经通过的数据长度；如果令牌数小于数据段的长度，则丢弃当前数据段，同时将整个报文丢弃，并进行令牌的恢复，即将报文已经通过的数据长度所对应的令牌数加回到令牌桶中。换言之，被丢弃的报文不消耗令牌桶中的令牌。

当前报文数据段通过之后，需要统计当前数据段所属报文已经通过的数据段长度，同时判断当前报文数据段是否是报文的最后一个数据段。如果不是最后一个数据段，则继续进行下一个报文数据段的速率限制；如果是最后一个数据段，则结束当前报文的速率限制，进行下一个报文的速率限制。只有报文所有的数据段都通过之后，该报文才算通过。一旦接收到的报文数据段没有通过令牌桶的控制，则整个报文被丢弃，并进行令牌恢复，把之前已经通过的该报文的数据段所对应的令牌数加回到令牌桶中，然后结束当前报文的速率限制，进行下一个报文的速率限制。

在系统完成初始化之后，令牌桶处于满状态，因此第一个数据段到来时，不需要往令牌桶中添加令牌。

本发明方法中，报文中数据段的长度是固定的，建议采用系统中所支持的报文的最小长度。如果报文最后一个数据段的长度小于L，则以数据段的实际长度跟令牌桶中的令牌进行比较。

本发明方法在接收到一个报文的数据段时，需要往令牌桶中填充令牌的数量等于令牌填充速率乘以当前报文数据段与上一个报文数据段之间的时间差。由于令牌桶的容量是有限的，所以每次填充令牌的数量最大不会超过令牌桶的容量。以最小的令牌填充速率填满一个空的令牌桶所需要的时间，即为时间差的最大值。也就是说，如果两个报文数据段之间的真实时间差超过了上述的时间差最大值，则可以用时间差的最大值来计算需要填充的令牌数。

在统计两个报文数据段之间的时间差时，需要一个计时器，对系统时间进行计数。计时器的范围是有限的，一般采用上述时间差的最大值。在数据网络中，为了提供服务质量(QoS：Quality of Service)的需要，首先对报文进行分类，不同类型的报文具有不同的速率限制。一般系统中具有大量的报文类型，每种类型的报文都采用一个计时器在硬件实现上是不现实的，因此，本发明方法中，所有的报文都共享一个系统计时器。当某个报文数据段到来时，将该时刻系统计时器的数值保存在内部存储器中，当下一个报文数据段到来时，利用当前时刻系统计时器中的数值，计算两个报文数据段之间的时间差，同时将当前时刻系统计时器中的数值保存在内部存储器中，覆盖原来的数值，用于计算下一个时间差。

由于计时器是循环计数的，而两个数据段之间的时间差又是任意的，因此，必须定期对内部存储器进行扫描，对于那些与当前系统时间之差已经超过时间差最大值的存储器单元予以标识。对存储器来说，时间差的计算与时间差的扫描是两个独立的过程，本发明中存储器采用双口RAM，一口用于时间差的计算，一口用于时间差的扫描。

如图3所示是本发明中时间差计算的流程示意图。

假设以最小的令牌填充速率填满一个空令牌桶所需要的时间为T_max对应n位宽的二进制数。当两个报文数据段的时间间隔超过T_max时，所需计算的时间差ΔT即为T_max。

保存在RAM中的时间值的格式示意如下：

名称	位	说明
			溢出标志位	n+1	时间差溢出标志位，由时间差扫描得到。溢出后，ΔT＝Tmax
进位标志位	n	系统计时器的进位标志。
			报文数据段到来时刻	(n-1)：0	接收到报文数据段时系统计时器的数值。

每当接收到长度为L的报文数据段时，就触发一次时间差的计算过程。将当前系统计时器的值T₂与保存在RAM中的前一报文数据段时刻T₁进行比较，得出两个报文数据段之间的时间差ΔT。

在读出RAM中的T₁值后，如果T₁的溢出标志位为1，表示经过时间差扫描，该时间差已经超过时间差的最大值，因此ΔT＝T_max。

如果T₁尚没有溢出，则比较T₁和T₂的进位标志。如果T₁和T₂的进位标志相同，且T₂＞T₁，则表示从T₁时刻开始到当前时刻，系统计时器没有循环(计时器计到最大值之后复位到零重新计时)，则ΔT＝T₂-T₁。如果T₁和T₂的进位标志相同，且T₂≤T₁，则表示从T₁时刻开始到当前时刻，系统计已经循环了两次，则ΔT＝T_max。

如果T₁和T₂的进位标志不同，则表示从T₁时刻开始到当前时刻，系统计时器已经循环过一次。如果T₂＞T₁，则ΔT＝T_max；如果T₂≤T₁，则ΔT＝T_max+T₂-T₁。

如图4所示是本发明中时间差扫描的过程示意图。

时间差的扫描过程与时间差的计算类似，但触发时刻不同。本发明方法中，在时间差最大值T_max周期内，需要对RAM的所有单元依次进行一次扫描，判断每个单元中保存的时刻与其扫描时刻相比，时间差是否超出了最大值T_max。如果时间差超出了最大值，则将相应的溢出标志位置1，表示ΔT＝T_max。

扫描时，将当前时刻T₃与保存在RAM中的前一报文数据段时刻T₁进行比较。如果T₁的溢出标志为1，则表示在之前的时间差扫描时，该单元的时间差已经溢出，当前扫描不作任何操作，进行下一个RAM单元的扫描。

如果T₁的溢出标志为0，则表示时间差还没有溢出。比较T₁和T₃的进位标志。如果T₁和T₃的进位标志相同，且T₃＞T₁，则表示从T₁时刻开始到当前时刻，系统计时器没有循环，则时间差没有溢出，结束当前RAM单元的扫描，进行下一单元的扫描。如果T₁和T₃的进位标志相同，且T₃≤T₁，则表示从T₁时刻开始到当前时刻，系统计已经循环了两次，则时间差已经溢出，将溢出标志位置1，然后进行下一RAM单元的扫描。

如果T₁和T₃的进位标志不同，则表示从T₁时刻开始到当前时刻，系统计时器已经循环过一次。如果T₃＞T₁，则时间差已经溢出，将溢出标志位置1，然后进行下一RAM单元的扫描。如果T₃≤T₁，则时间差尚未溢出，结束当前RAM单元的扫描，进行下一单元的扫描。

对每个RAM单元来说，两次扫描的时间间隔为T_max，这样就保证了根据一位进位标志，可以在不超过2×T_max的时间内，及时判断出该RAM单元保存的时间所对应的时间差是否已经溢出。

时间差的计算跟报文数据段的到来时刻有关，时间差的扫描时间是固定的，所以有可能对存储器RAM中的同一单元同时进行时间差计算和时间差扫描，即对双口RAM的同一地址同时进行读写操作。实际上，时间差扫描也是一种时间差计算，因此，为了避免对存储器同一单元同时进行操作，如果时间差计算和时间差扫描同时发生，则只进行时间差计算，忽略时间差扫描。

本发明的基于令牌桶之报文限速的方法，由于采用了对报文分段进行报文限速时的令牌数比较，在较短的时间内识别出了超过规定速率的报文并予以丢弃，减小了系统中报文的转发延迟时间；同时本发明方法还采用一块双口RAM记录报文数据段的接收时间并定期进行扫描，能精确地计算报文中相邻两个数据段之间的时间差，从而提高了系统中报文限速的精确性，提高了计算效率和速度，运算所用资源节约。

应当理解的是，上述针对具体实施例的描述较为详细，不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1、一种基于令牌桶的报文限速方法，其包括如下步骤：

A、接收到某一报文的数据段时，触发一次填充令牌的操作，向所述令牌桶内填充一定数量的令牌；

B、判断令牌桶内的令牌是否超过报文数据段的长度，如果令牌数大于或等于数据段长度，则允许该数据段通过，并从令牌桶中减去报文数据段长度所对应的令牌数；

C、如果令牌数小于报文数据段的长度，则丢弃该数据段，该数据段所属的整个报文都被丢弃，对该报文后续的数据段不再进行令牌数的判断，并将该报文的前已通过的数据段对应的令牌数恢复到所述令牌桶。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还设置一存储器记录数据段的接收时刻，所述步骤A具体包括：

A1、判断当前数据段是否是系统中令牌桶处理的报文的第一个数据段，如果是，转步骤A5，否则，转步骤A2；

A2、从所述存储器中读出前一个数据段的接收时间，根据当前系统计时器中的时间，计算两个数据段之间的时间差；

A3、根据两个报文数据段之间的时间差和令牌的填充速率，计算当前需要填充的令牌数，执行填充令牌的操作；

A4、将当前的系统时间写进所述存储器，覆盖原来的数据段接收时间记录。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述数据段为固定长度的，采用系统中所支持的报文的最小长度。

4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还设置一计时器，用于对系统时间进行计数，所有的报文都共享一个系统计时器。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括定期对所述存储器进行扫描，对于那些与当前系统时间之差已经超过时间差最大值的存储器单元予以标识。

6、根据权利要求2至5任意权项所述的方法，其特征在于，所述存储器采用双口RAM，一口用于时间差的计算，一口用于时间差的扫描。

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