CN1980183A - 在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法，涉及一种适用于特定功能的数据处理方法。针对现有复用芯片无法区分PVC端口是否支持QoS，提出以下方法：(1)根据要发送数据的目的PVC端口号，判断所述端口是否支持QoS，是则进入步骤(2)，否则进入步骤(3)；(2)判断数据的优先级，并根据其优先级将数据存入相应优先级的发送队列，进入步骤(4)；(3)将数据存入复用芯片的发送队列；(4)同时转发支持QoS的PVC端口的发送队列中的数据和复用芯片发送队列中的数据。本发明提出的方法，能够将网络处理芯片的处理能力平均分配在所有PVC端口上，有效地解决带宽保障问题，实现简单、控制准确。

Description

在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法

技术领域

本发明涉及一种适用于特定功能的数据处理方法，特别是指在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法。

背景技术

异步传输模式(ATM，Asynchronous Transfer Mode)是一种效率高、控制灵活的信息传递模式，已被ITU-T(国际电信联盟电信标准化部门)确定为传送和交换语音、图像、数据及多媒体信息的工具。ATM系统在传输时将信息流分割成固定长度的ATM信元，在线路上传输的信息都是以ATM信元形式存在。ATM信元由53字节长度构成，前5字节是信头，包括信元地址(VCI和VPI)、纠错码、业务控制和维护信息等；后48字节是为信息字段，又称净荷(Payload)，其中包含了业务的数据，它们将被透明地传输。ATM的连接分为永久虚拟电路(PVC，PermanentVirtual Connection)和交换虚拟电路(SVC，Switched Virtual Connection)两种。PVC是在源地址与目的地址之间的永久性硬件电路连接，SVC是根据实时交换要求建立的临时交换电路连接。两者的最大区别是：PVC不论是否有数据传输，它都保持连接；而SVC在数据传输完成后就自动断开。

在ATM中的呼叫由VPI和VCI共同决定，VPI(Virtual Path Identifier，虚通道标识符)和VCI(Virtual Connection Identifier，虚通路标识符)都包含在ATM信元的信头中。在ATM中，若干虚通路(VC，Virtual Connection)组成一个虚通道(VP，Virtual Path)，并以VP作为网络管理单位。VCI用于标志一个VPI群中的唯一呼叫，在呼叫建立时分配，呼叫结束时释放。

ATM适配层的上面部分称为会聚子层。其作用是向应用程序提供一个接口。ATM适配层下面的部分称为分割和重组(SAR，segmentation and reassembly)子层。它将会聚子层交给它的数据单元加上头和尾构成信元有效载荷。接着，这些载荷被交给ATM层进行传送。在接收端，SAR子层将信元重组为报文。SAR子层基本上只涉及信元，可以进行错误检测和多路复用。

服务质量(QoS，Quality of Service)是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。定义QoS的三个参数为丢失、延迟和延迟变量(或称抖动)。丢失是指丢包率，在高可用的网络中，包丢失率应小于1％，话音网络应达到近0％的丢包率。延迟是指数据包到达目的地所用的时间，延迟包括固定延迟(顺序化及量化等)及可变延迟(网络拥塞)，话音数据包到达目的地的总时间不得超过150毫秒。延迟变量(抖动)指不同数据包间延迟时间的差别，抖动缓冲用来平均延迟时间，但抖动缓冲平滑延迟时间的能力既存在瞬时限制、又有总量限制。

QoS具有如下功能：

1.分类

分类是指具有QoS的网络能够识别哪种应用产生哪种数据包。没有分类，网络就不能确定对特殊数据包要进行的处理。所有应用都会在数据包上留下可以用来识别源应用的标识。

2.标注

在识别数据包之后，要对它进行标注，这样其他网络设备才能方便地识别这种数据。由于分类可能非常复杂，因此最好只进行一次。识别应用之后就必须对其数据包进行标记处理，以便确保网络上的交换机或路由器可以对该应用进行优先级处理。通过采纳标注数据的两种行业标准，即IEEE 802.1p或差异化服务编码点(DSCP)，就可以确保多厂商网络设备能够对该业务进行优先级处理。

3.优先级设置

一旦网络可以区分电话通话和网上浏览，优先级处理就可以确保进行Intemet上大型下载的同时不中断电话通话。为了确保准确的优先级处理，所有业务量都必须在网络骨干内进行识别。通过分析进入网络的所有业务量，可以检查安全攻击，并且在它们导致任何危害之前及时阻止。

为了提供优先级，每个端口必须有至少2个队列，每个端口有更多队列可以提供更为精细的优先级选择。当每个数据包到达交换机时，都要根据其优先级别分配到适当的队列，然后该交换机再从每个队列转发数据包。该交换机通过其排队机制确定下一步要服务的队列。有以下2种排队方式。

(1)严格优先级队列(SPQ)：这是一种最简单的排队方式，它首先为最高优先级的队列进行服务，直到该队列为空，然后为下一个次高优先级队列服务，依此类推。这种方法的优势是高优先级业务总是在低优先级业务之前处理。但是，低优先级业务有可能被高优先级业务完全阻塞。

(2)加权循环(WRR)：这种方法为所有业务队列服务，并且将优先权分配给较高优先级队列。在大多数情况下，相对低优先级，WRR将首先处理高优先级，但是当高优先级业务很多时，较低优先级的业务并没有被完全阻塞。

由于网络设备的处理能力有限，不可能在所有PVC端口上实现QoS，因此现有ATM信元的发送基本上都是基于ATM复用芯片的，ATM复用芯片有一条发送队列，由该ATM复用芯片发出的数据都基于此队列做入队出队操作。由于现有方法都是复用的PVC端口，一旦用户增多，则每个用户所获得的发送带宽必然就减少，无法保证高等级用户的带宽需求。同时，现有网络设备发送给用户的数据是以ATM信元的格式由ATM复用芯片发出，但ATM复用芯片本身不区分PVC是否支持QoS，且被发送数据在经封装后由ATM信元格式发送，已经无法标识原有的业务类型，也无法区分不同优先级的业务，因此现有的基于ATM复用芯片的发送方法，无法实现基于PVC端口的QoS服务。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的两个缺点：1、ATM复用芯片发送不区分PVC，从而无法保证不同等级的用户带宽；2、业务数据被切割成ATM信元后发送，已经无法标识原有的业务类型，从而无法区分不同优先级的业务。

本发明是这样实现的：在异步传输模式的永久虚电路中实现服务质量的方法，包括以下步骤：

(1)发送缓存区有需要发送的数据时，处理器根据数据标识确定该待发送数据的目的永久虚电路端口号，同时判断所述端口是否支持服务质量，如果支持则进入步骤(2)，如果不支持则进入步骤(3)；

(2)判断数据的优先级，并根据其优先级将数据存入永久虚电路端口的相应优先级发送队列，进入步骤(4)；

(3)将数据存入复用芯片的发送队列，进入步骤(4)；

(4)采用轮循方式发送支持服务质量的永久虚电路端口的发送队列中的数据，每轮循一个端口同时发送复用芯片发送队列中的一个数据。

其中，该方法还包括以下步骤：

在支持服务质量的永久虚电路端口绑定至少2条发送队列，并将所述发送队列分为不同的优先级。

其中，所述发送队列为链表结构。

其中，所述步骤(2)具体为：

(A)为所有支持服务质量的永久虚电路端口的所有优先级发送队列建立标识该队列是否为空的标识位；

(B)根据数据的优先级，判断所述数据对应的优先级发送队列是否为空，如果队列长度为空，则进入步骤(C)，如果队列长度不为空，则进入步骤(D)；

(C)将所述优先级发送队列对应的标识位标识为不为空，进入步骤(D)；

(D)将数据放入对应优先级发送队列的表尾。

其中，所述步骤(4)具体为：

(a)建立列表，将所有支持服务质量的永久虚电路端口的端口号存储于列表中；

(b)依照所述列表的顺序，采用轮循方式发送所述列表中每一个支持服务质量的永久虚电路端口的发送队列中的数据，每轮循一个端口的同时发送复用芯片发送队列中的一个数据，当一个永久虚电路端口的队列中所有数据发送完毕后，将发送标识为空。

其中，所述步骤(4)中的步骤(b)具体为：依照所述列表中的顺序循环，对列表中每一端口执行以下步骤：

①判断一个支持服务质量的永久虚电路端口的高优先级发送队列是否为空，如果为空，则进入步骤③，如果不为空，则进入步骤②；

②发送高优先级发送队列中的第一个数据，发送数据的同时向复用芯片发送队列发送一个信号，通知复用芯片将发送队列中的一个数据发送，发送数据后判断高优先级发送队列长度是否为0，如果队列长度为0，则将高优先级发送队列标识为空，进入步骤③，步骤结束；

③判断所述永久虚电路端口的低优先级发送队列是否为空，如果为空，则进入步骤⑤，如果不为空，则进入步骤④；

④发送低优先级发送队列中的第一个数据，发送数据的同时向复用芯片发送队列发送一个信号，通知复用芯片将发送队列中的一个数据发送，发送数据后判断低优先级发送队列长度是否为0，如果长度为0，则将低优先级发送队列标识为空，步骤结束；

⑤向复用芯片发送队列发送一个信号，通知复用芯片将发送队列中的一个数据发送，步骤结束。

本发明提出的在异步传输模式的永久虚电路中实现服务质量的方法，能够将网络处理芯片的处理能力，平均分配在所有PVC端口上，有效地解决了电信运营商在推广新兴业务的时候所遇到的带宽保障问题，具有实现简单、控制准确的优点，易于在同类产品中通用，对于INTEL的系列网络处理器都可以使用此方法。

附图说明

图1是本发明优选实施例流程图；

图2是本发明优选实施例中发送队列的链表结构图；

图3是优选实施例中将数据放入发送队列的入队操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述，本发明优选实施例如图1所示，包括以下步骤：

(1)在支持服务质量的永久虚电路上绑定2条发送队列，发送队列采用链表结构，其中一条队列用于存储具有高优先级的数据，另一条优先权队列用于存储具有低优先级的数据。所述2条发送队列如图2所示采用链表结构。2条发送队列分别有各自的队列描述，队列描述包含队列的基本信息，采用队列索引和队列描述偏移来获得队列描述。基于PCV端口的发送队列，队列索引为该PVC端口的端口号，具有高优先级的发送队列，其队列描述偏移为0；具有低优先级的发送队列，其队列描述偏移为4。建立基于ATM复用芯片的发送队列，队列索引值为0，队列描述偏移为4。

(2)根据要发送数据的目的永久虚电路端口号，读取所述永久虚电路端口的端口表，判断所述端口是否支持服务质量，如果支持进入步骤(3)；如果不支持进入步骤(4)。

(3)判断所述数据是组播还是单播，如果是组播，则将数据存入其对应端口的高优先级发送队列表尾，如果是单播则将数据存入其对应端口的低优先级发送队列表尾，并标识相应优先级发送队列不为空，具体方法为：

a)在一个存储器中，为所有支持服务质量的永久虚电路端口的所有优先级发送队列建立标识位，每一条发送队列对应存储器的一个bit位，当bit位为0时表明所述bit位对应的优先级发送队列为空，当bit位不为0则表明所述bit对应的优先级发送队列不为空；

b)根据数据的优先级，判断所述数据对应的优先级发送队列长度是否为0，如果发送队列长度为0，则进入步骤c)，如果发送队列长度不为0，则进入步骤d)；

c)将所述优先级发送队列对应的存储器bit置为1，进入步骤d)；

d)将数据放入对应优先级发送队列的表尾。

(4)将数据存入复用芯片的发送队列，进入步骤(4)。

(5)建立列表，将所有支持服务质量的永久虚电路端口存储于列表中，依照所述列表中的顺序循环，对列表中每一端口执行以下步骤：

a)判断一个支持服务质量的永久虚电路端口的高优先级发送队列是否为空，如果为空，则进入步骤c)，如果不为空，则进入步骤b)；

b)发送高优先级发送队列中的第一个数据，发送数据的同时向复用芯片发送队列发送一个信号，通知复用芯片将发送队列中的一个数据发送，发送数据后判断高优先级发送队列长度是否为0，如果队列长度为0，则将高优先级发送队列标识为空，进入步骤c)；

c)判断所述永久虚电路端口的低优先级发送队列是否为空，如果为空，则进入步骤e)，如果不为空，则进入步骤d)；

d)发送低优先级发送队列中的第一个数据，发送数据的同时向复用芯片发送队列发送一个信号，通知复用芯片将发送队列中的一个数据发送，发送数据后判断低优先级发送队列长度是否为0，如果长度为0，则将低优先级发送队列标识为空；

e)向复用芯片发送队列发送一个信号，通知复用芯片将发送队列中的一个数据发送，步骤结束。

其中，ATM复用芯片的发送队列和每个支持QoS的PVC端口的2条发送队列都是链表结构。其中，支持QoS的PVC端口的2条发送队列都是严格优先级队列。

下面利用在Intel的IXP1200网络处理器和7350复用芯片，利用上述方法进行实验，具体实施如下：

硬件部分由IXP1200网络处理器和2片7350组成。7350是ATM复用芯片，发往用户侧的数据根据VCI标识的奇偶分别由0号7350和1号7350发出。在本系统中，每片7350能够提供最多32个支持QoS的PVC，打开64个PVC端口的QoS，为每一个支持QoS的PVC端口绑定2条发送队列，并为每个7350ATM复用芯片建立一条发送队列，因此本系统的发送队列数为130。如图2所示，所述发送队列为链表结构，其中bdq_count为队列的长度，BACK_Pointer为尾指针，FRONT_Pointer为首指针。

IXP1200网络处理器包括1个处理核心(StrongArm Core)和6个微引擎(ME，MicroEngine)。StrongArm Core是上层处理机，功能强大，进行中断、内存管理、适合初始化系统和建设网络层以上的应用(例如路由算法)；MicroEngine(ME)是下层处理机，是进行报文的接受、协议头的简单处理和发送的进程。

使用本发明提出的方法，在PVC端口实现QoS的方法可以分为三大步：入队列操作、优先级队列标识、出队列操作。入队列操作由IXP1200网络处理器中的以太网桥处理ME的转发线程完成，出队列操作由IXP1200网络处理器中的以太网桥处理ME的调度线程和发送线程完成，优先级队列标识由以太网桥处理ME的转发线程和ATM发送ME的发送线程共同完成。

入队操作：

入队操作如图3所示，以太网桥处理ME负责以太网到ATM方向的桥转发，对于数据包先读取目的IP地址，然后查询转发表获得目的IP地址对应的目的PVC端口号，查询目的PVC端口表，判断所述目的PVC端口是否支持单条PVC的QoS。如果所述端口不支持QoS，则将数据包放入基于7350复用芯片的发送队列；如果所述端口支持QoS，则判断数据包是组播还是单播，如果是组播，则放入所述端口的高优先级队列，如果是单播，则放入所述端口的低优先级队列。

优先级队列标识位同步：

使用IXP1200网络处理器的scratch的内存单元标识PVC端口的2条优先级队列是否有数据，每个scratch的内存单元是32bits，可以标识16个PVC端口的优先级队列是否有数据需要发送。按本实施例的设计，需要的4个scratch内存单元支持64个具有QoS的PVC端口的功能。ATM发送ME的调度线程通过轮循位于scratch单元的PVC端口的优先级队列的标识给发送线程下达发送任务。

ATM发送ME中的调度线程采用轮循方式，查询轮循端口标号从0到31的32个支持单QoS的PVC的端口是否有数据，这里的0到31不是实际的PVC端口的端口号，而是轮循端口标号。所以必须建立轮循端口标号与实际PVC端口号的映射关系表。表1为实际PVC端口号与轮循端口标号映射关系的正向解析表的一个例子。所述的映射关系正向解析表存储在scratch中，占用连续的32个scratch地址单元，以顺序号0至31记录实际的PVC端口。

与表1正向解析表对应的是反向解析表，表2为实际PVC端口号与轮循端口标号映射关系的反向解析表的一个例子，由于本实施例只能支持64个PVC端口实现QoS，因此，在反向解析表中，不支持QoS的PVC端口映射的轮循端口标号标识为NULL。反向解析表存储在SRAM中，占用连续的32个SRAM地址单元，记录支持QoS功能的实际PVC端口号所对应的调度线程轮循端口标号，在标识队列是否为空的同步操作时也很有用。

表1

轮循端口标号	实际PVC端口号
		0	4
1	120
		2	340
·····	·····
		29	500
30	36
		31	2046

表2

实际PVC端口号	轮循端口标号
		4	0
5	NULL
		6	NULL
·····	·····
		2046	31
2047	NULL
		2048	NULL

以太网桥处理ME中的转发线程在将数据入队列的时候，首先判定数据的优先级，然后判断该PVC端口的相应优先级队列是否为空，即判断bdq_count是否为0。如果bdq_count≠0，则表明该优先级队列中有未发送的数据，将所述的数据插入优先权队列的表尾；如果bdq_count＝0，则通过PVC端口和轮循端口标号的映射关系获得该PVC端口位于scratch单元的优先级队列标识的bit位，将scratch单元对应bit位置标识为1，标明该优先级队列有数据要发送，并将所述数据放入该优先级队列的表尾。

ATM发送ME中的发送线程在出队列的时候判定该PVC端口的发送队列bdq_count-1是否为0。如果bdq_count-1＝0，则通过PVC端口与轮循端口标号的反向映射关系，获得该PVC端口位于scratch单元的优先级队列标识bit位，将scratch单元对应bit位置标识为0，标明队列为空。bdq_count-1＝0说明发送队列中只有1个数据包需要发送，ATM发送ME中的发送线程执行完毕后队列即为空。

ATM发送ME中的调度线程轮循位于scratch单元的PVC端口优先级队列标识，判断scratch单元的32个bit是否都为空，如果都为空则给对应的发送线程发送skip任务，skip任务表示发送队列中没有数据要发送，然后再给对应7350发送队列发送一个做出队操作的任务。如果scratch单元的32个bit不都为空，则对32bit数据进行移位操作：scratch单元的32个bit依次存储有16个端口的32条优先权队列，从0至31，每2个bit对应一个支持QoS的PVC端口的高优先级队列和低优先级队列。移位操作时，每次右移2位并判断其的状态，即判断一个PVC端口的两条优先级队列是否有数据；若低两位为空，首先给对应的发送线程发送skip任务，然后再发送一个给对应7350发送队列做出队操作的任务；若低两位不为空，则通过轮循端口标号和PVC端口映射关系得到PVC端口的端口号，然后判断高优先级队列是否为空：如果高优先级队列不为空，将PVC端口的端口号和高优先级队列的队列描述偏移0发送给发送线程；如果高优先级队列为空，则将PVC端口的端口号和低优先级队列的队列描述偏移4发送给发送线程，然后再发送一个给对应7350发送队列做出队操作的任务。

出队操作：

ATM发送ME绑定2片7350，负责队列调度和ATM信元发送；

ATM发送ME中的线程循环执行如下操作：

Thread0：0号7350发送队列和支持单PVCQOS的奇数VCI端口的优先级队列的出队操作，由SAR发送；

Thread1：1号7350发送队列和支持单PVCQOS的偶数VCI端口的优先级队列的出队操作，由SAR发送；

Thread2：对0号7350发送队列和支持单PVCQOS的奇数VCI端口的优先级队列做调度；

Thread3：对1号7350发送队列和支持单PVCQOS的偶数VCI端口的优先级队列做调度；

返回Thread0。

每次循环，Thread2依次调度0号7350的32个PVCQOS端口的优先级队列，同时调度32次0号7350发送队列。并把发送任务发送给Thread0；由Thread0做相应的出队操作和信元发送。

每次循环，Thread3依次调度1号7350的32个PVCQOS端口的优先级队列，同时调度32次1号7350发送队列。并把发送任务发送给Thread1；由Thread1做相应的出队操作和信元发送。

从上述优先权队列标识和出队操作可以看出，ATM发送ME处理能力的一半被专门用于支持单PVCQOS功能的优先级队列的调度和发送，这样即使复用的PVC用户增多，也不会影响到支持QoS功能的PCV端口用户的带宽。

Claims (7)

1、一种在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)发送缓存区有需要发送的数据时，处理器根据数据标识确定该待发送数据的目的永久虚电路端口号，同时判断所述端口是否支持服务质量，如果支持则进入步骤(2)，如果不支持则进入步骤(3)；

(2)判断数据的优先级，并根据其优先级将数据存入永久虚电路端口的相应优先级发送队列，进入步骤(4)；

(3)将数据存入复用芯片的发送队列，进入步骤(4)；

(4)采用轮循方式发送支持服务质量的永久虚电路端口的发送队列中的数据，每轮循一个端口同时发送复用芯片发送队列中的一个数据。

2、根据权利要求1所述的在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

在支持服务质量的永久虚电路端口绑定至少2条发送队列，并将所述发送队列分为不同的优先级。

3、根据权利要求2所述的在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法，其特征在于，所述发送队列为严格优先级队列。

4、根据权利要求1或2所述的在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法，其特征在于，所述发送队列为链表结构。

5、根据权利要求1所述的在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为：

(A)为所有支持服务质量的永久虚电路端口的所有优先级发送队列建立标识该队列是否为空的标识位；

(B)根据数据的优先级，判断所述数据对应的优先级发送队列是否为空，如果队列长度为空，则进入步骤(c)，如果队列长度不为空，则进入步骤(d)；

(C)将所述优先级发送队列对应的标识位标识为不为空，进入步骤(d)；

(D)将数据放入对应优先级发送队列的表尾。

6、根据权利要求1或5所述的在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：

(a)建立列表，将所有支持服务质量的永久虚电路端口的端口号存储于列表中；

(b)依照所述列表的顺序，采用轮循方式发送所述列表中每一个支持服务质量的永久虚电路端口的发送队列中的数据，每轮循一个端口的同时发送复用芯片发送队列中的一个数据，当一个永久虚电路端口的队列中所有数据发送完毕后，将发送标识为空。

7、根据权利要求6所述的在异步传输模式的永久虚电路端口实现服务质量的方法，其特征在于，所述步骤(B)具体为：依照所述列表中的顺序循环，对列表中每一端口执行以下步骤：

(1)判断一个支持服务质量的永久虚电路端口的高优先级发送队列是否为空，如果为空，则进入步骤③，如果不为空，则进入步骤②；

②发送高优先级发送队列中的第一个数据，发送数据的同时向复用芯片发送队列发送一个信号，通知复用芯片将发送队列中的一个数据发送，发送数据后判断高优先级发送队列长度是否为0，如果队列长度为0，则将高优先级发送队列标识为空，进入步骤③，步骤结束；

③判断所述永久虚电路端口的低优先级发送队列是否为空，如果为空，则进入步骤⑤，如果不为空，则进入步骤④；

④发送低优先级发送队列中的第一个数据，发送数据的同时向复用芯片发送队列发送一个信号，通知复用芯片将发送队列中的一个数据发送，发送数据后判断低优先级发送队列长度是否为0，如果长度为0，则将低优先级发送队列标识为空，步骤结束；

⑤向复用芯片发送队列发送一个信号，通知复用芯片将发送队列中的一个数据发送，步骤结束。

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