DE602004001605T2

DE602004001605T2 - Verbesserung vom frühen Zufallsverwerfen von Datenpaketen (RED)

Info

Publication number: DE602004001605T2
Application number: DE602004001605T
Authority: DE
Inventors: Mark Nepean Thibodeau; Bin Ottawa Du
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2024-03-13
Also published as: DE602004001605D1; DE602004021798D1; EP1626544A1; EP1626544B1; EP1458154A3; EP1458154B1; EP1458154A2; US20040179473A1; US7636307B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Überlastungssteuerung in einem Kommunikationsumschalter oder Router. Insbesondere ist die Erfindung auf das Problem der Verminderung einer Verkehrsüberlastung durch selektives Verwerfen von Paketen eines Telekommunikationsverkehrs, basierend auf dem Zustand einer Warteschlange.
Allgemeiner Stand der Technik
1 zeigt eine vereinfachte Architektur eines Kommunikationsumschalters 10 oder eines Routers. Pakete 12 eines Verkehrs kommen an den Eingangswarteschlagen an und werden durch eine Vermittlungsstruktur zu Ausgangswarteschlangen vermittelt, bevor sie aus einem Ausgangsanschluss 14 des Umschalters 14 weggehen. Wenn die Tiefe von Paketen in irgendeiner Warteschlange eine Schwelle (Dt) 16 für das Verwerfen übersteigt, können an dieser Warteschlange ankommende Pakete gemäß einer Prozedur zum Fallenlassen des Endes fallengelassen werden. Das heißt: Pakete am Ende der Warteschlange werden fallengelassen, bis die Warteschlangentiefe (auch Warteschlangenbelegung genannt) unter die Schwelle für ein Verwerfen zurückgeht. Ein Problem bei dieser Prozedur ist im Falle von TCP-Verbindungen, dass wegen der Art des Protokolls Pakete von einer einzigen TCP-Verbindung fallengelassen werden können.
Eine weitere Art von Prozedur des Verwerfens, die das oben genannte Problem bei TCP-Verbindungen vermindert, ist das zufällige frühe Verwerfen von Paketen (kurz RED). Das RED verwendet die Warteschlangentiefe (Warteschlagenbelegung), um zu ermitteln, ob jedes Pakete behalten oder verworfen werden soll, wenn es an der Warteschlange ankommt. Dies erfolgt durch Ermitteln einer Verwerfwahrscheinlichkeit, die von der durchschnittlichen Tiefe der Warteschlange (auch durchschnittliche Warteschlangentiefe oder durchschnittliche Warteschlangenbelegung genannt) abhängt, und Vergleichen der Verwerfwahrscheinlichkeit mit einer Zufallszahl. Wenn die Verwerfwahrscheinlichkeit größer als die Zufallszahl ist, wird das Paket verworfen.
2 zeigt einen Graphen einer Beispielfunktion für die Verwerfwahrscheinlichkeit über der durchschnittlichen Warteschlangentiefe. Gemäß dieser Funktion ist die Verwerfwahrscheinlichkeit null, bis eine Mindestschwelle erreicht ist, danach erhöht sich die Verwerfwahrscheinlichkeit linear, bis eine Höchstschwelle erreicht ist. Für durchschnittliche Warteschlangentiefen größer als die Höchstschwelle ist die Verwerfwahrscheinlichkeit 100%.
3 zeigt Graphen von Verwerfwahrscheinlichkeitsfunktionen für eine Variation des RED, bekannt als gewichtetes RED. In diesem Fall gibt es drei Verwerfwahrscheinlichkeitsfunktionen (grün, gelb und rot) und jede führt zu einer unterschiedlichen Verwerfwahrscheinlichkeit für die gleiche durchschnittliche Warteschlangentiefe. Die bestimmte Verwerfwahrscheinlichkeitsfunktion, die für ein Paket verwendet wird, hängt von der Priorität für das Fallenlassen (Farbe) des Pakets ab. Die Priorität für das Fallenlassen (DP) wird ermittelt, indem das Feld für den DiffServe Code Point (DSCP) im IP-Kopf des Pakets geprüft wird. Bei Paketen, die die Vereinbarungen über ihre Verbindungen übersteigen, wird die Priorität für das Fallenlassen (Farbe) durch eine IP-Überwachungsprozedur geändert. Wie bei der RED-Prozedur wird beim gewichteten RED die Ermittlung, ein Paket zu behalten oder zu verwerfen, vorgenommen, indem die Verwerfwahrscheinlichkeit des Pakets mit einer Zufallszahl verglichen wird, wobei das Paket verworfen wird, wenn die Wahrscheinlichkeit die Zahl übersteigt. Variationen dieser Prozedur beinhalten das Vorhandensein von mehr Wahrscheinlichkeitsfunktionen und das Vorhandensein von verschiedenen Wahrscheinlichkeitskurven in Übereinstimmung mit einer Diensteklasse (CoS), zu der das Paket gehört. Die CoS eines Pakets wird auch ermittelt, indem das DSCP-Feld im IP-Kopf geprüft wird.
4 zeigt ein weiteres Beispiel eines gewichteten RED mit Verwerfwahrscheinlichkeitsfunktionen, die Formen aufweisen, von denen allgemein angenommen wird, dass sie gut arbeiten. Die Figur enthält drei Graphen für drei Farben. Für jede Farbe liefert ihre Funktion die Verwerfwahrscheinlichkeit, die von 0% bis MAXp linear ansteigt, wenn die durchschnittliche Warteschlangentiefe von ihrer Mindestschwelle (MINth) zu ihrer Höchstschwelle (MAXth) anwächst. Über der MAXth beträgt die Verwerfwahrscheinlichkeit 100%. Verschiedene Anbieter und verschiedene Funktionen für die Priorität für das Fallenlassen (Farbe) haben verschiedene Werte für MAXp, MINth und MAXth, die in der Figur gezeigt sind. In der Figur ist MAXp, die weniger als 100% beträgt, für alle Farben gleich. Es sind Verwerfwahrscheinlichkeitsfunktionen mit verschiedenen Formen und Kurven möglich.
Es wird daher zusammengefasst, dass ob ein Paket, das an dem RED-System ankommt, in die Warteschlange eingereiht oder fallengelassen wird, von der laufenden Verwerfwahrscheinlichkeit und der Farbe (relative Priorität) des Pakets abhängt. Die Verwerfwahrscheinlichkeit wiederum hängt von der durchschnittlichen Warteschlangentiefe ab. Diese Beziehungen können wie folgt formalisiert werden. Neue Navg = Vorherige Navg + W × (Ncur – Vorherige Navg) (1) P(Farbe) = FFarbe (Neue Navg) (2)
N_avg ist die durchschnittliche Warteschlangentiefe und 0<W<1 ist ein sich bewegendes durchschnittliches Gewicht, das bestimmt, wie eng die durchschnittliche der tatsächlichen (laufenden) Warteschlangentiefe, N_cur verfolgt. Wenn W klein ist, hinkt die durchschnittliche hinter der tatsächlichen Warteschlangentiefe hinterher, die durchschnittliche verfolgt die tatsächliche Warteschlangentiefe eng, wenn W groß ist. P ist eine Verwerfwahrscheinlichkeit, die für jede Farbe eines Pakets (Farbe ∊ {Rot, Gelb, Grün} unterschiedlich ist, und ist eine lineare Verwerfwahrscheinlichkeitsfunktion, die Werte zurückgibt, die von der Farbe und der durchschnittlichen Warteschlangentiefe abhängen. 2-4 geben einige Beispielfunktionen an.
Wie vorher erwähnt wird die Ermittlung, ob ein Paket verworfen oder behalten werden soll, vorgenommen, indem die Verwerfwahrscheinlichkeit des Pakets mit einer Zufallszahl (RN) verglichen wird. Es gibt zwei übliche Verfahren zum Auswählen und Vergleichen einer Zufallszahl oder Zufallsvariablen mit der Verwerfwahrscheinlichkeit. Diese Verfahren sind das Verfahren mit geometischer Zufallsvariable (GRV) und das Verfahren mit einheitlicher Zufallsvariablen (URV).
5 und 6 zeigen einen Vergleich der Ergebnisse der Verfahren mit GRV und URV mit einer konstanten durchschnittlichen Warteschlangentiefe. 5 ist das Verfahren mit GRV und 6 ist das Verfahren mit URV. In den Figuren stellen die horizontalen Linien die Zeit dar stellen die kleinen vertikalen Linien das Verwerfen von Paketen dar. Entsprechend dem Verfahren mit geometrischer Zufallsvariable (GRV) wird für jedes Paket, das an der Warteschlange ankommt, eine neue Zufallszahl ausgewählt. Wenn die Verwerfwahrscheinlichkeit für das Paket die Zufallszahl übersteigt, dann wird das Paket verworfen. Wie 5 zeigt ist das sich ergebende Verwerfen über die Zeit zufällig verteilt. Das Verfahren mit URV andererseits wählt eine neue Zufallszahl nur aus, nachdem ein Paket verworfen wurde. Das Verfahren mit URV zählt daher die Anzahl von Paketen (Zählung) seit dem letzten Verwerfen und multipliziert die Zählung mit der Verwerfwahrscheinlichkeit. Wenn das sich ergebende Produkt größer als die Zufallszahl ist, dann wird das Paket verworfen, die Zählung auf Null gesetzt und wird eine neue Zufallszahl erzeugt. Ansonsten wird das Paket akzeptiert und die Zählung inkrementiert.
Algorithmus mit URV

Initialisiere Paketzählung = 0;
WENN (Paketzählung*P(Farbe))>RN, DANN
verwirf das Paket;
nimm eine neue RN;
Paketzählung = 0;
Andernfalls
akzeptiere das Paket;
inkrementiere Paketzählung (d.h. Paketzählung = Paketzählung+1)

Es wurde gezeigt, dass das Verfahren mit URV eine bessere Leistung ergibt als das Verfahren mit GRV, weil es normalerweise eine einheitlichere Verteilung der Paketverwerfung über die Zeit erreicht, wie in 6 zu sehen. Dies ist wünschenswert, weil wenn zu viele Pakete nacheinander verworfen werden und/oder Intervalle zwischen akzeptierten Paketen lang sind, eine globale Synchronisierung mit mehreren Verbindungen auftreten kann, was gleichzeitig zu einer Verringerung ihres Fensters führt.
Obwohl das Verfahren mit URV das wünschenswerte Ergebnis des einheitlichen Verteilens des Paketverwerfens über die Zeit liefert, erfordert es gegenüber dem Verfahren mit GRV eine zusätzliche Multiplikationsoperation. Diese zusätzliche Multiplikation verbraucht eine signifikante Menge an Verarbeitungszeit. Als Beispiel wird angenommen, dass ein typischer Netzwerkprozessor 56 Zyklen aufweist, um ein Paket mit 40 Byte bei einer Rate von 9,14 Gb/s (äquivalent zu OC-192) zu verarbeiten. Jede Multiplikationsoperation braucht 6 Zyklen zur Vervollständigung. Dies ergibt eine Summe von 12 Zyklen für den Multiplikationsteil der Berechnungen für das Verwerfen. Ein Problem bei diesem Ansatz ist, dass im FAlle von Paketen, die mit einer OC-192-Rate ankommen, die Prozedur des Verwerfens mit URV nur 44 Zyklen für den Rest der Verarbeitung für das Verwerfen, wie der Prüfung der Schwellen, übrig lässt. Bei diesen Raten ist jeder Zyklus wertvoll und es ist wichtig, sie zu sparen. Die vorliegende Erfindung stellt neuartige Wege bereit, das RED effizienter auszuführen, was weniger Verarbeitungsleistung und/oder Zeit erfordert, was es für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeigneter macht.
Um den RED-Algorithmus auszuführen, muss ferner die Verwerfwahrscheinlichkeit, P(Farbe), die von der durchschnittlichen Warteschlangentiefe, N_avg, abhängt, unter Verwendung der Formeln (1) und (2) berechnet werden. Es gibt mehrere Wege zur Berechnung der Formeln (1) und (2). Hier werden zwei übliche Variationen beschrieben, d.h. das "Hintergrundverfahren" und das "Ankunftsverfahren". Beim ersten Verfahren wird alle T Sekunden ein Hintergrundprozess aufgerufen. Dieser Prozess berechnet die durchschnittliche Warteschlangentiefe und die Verwerfwahrscheinlichkeit unter Verwendung der Formeln (1) bzw. (2). Die erhaltenen Werte werden dann verwendet, um das Schicksal jedes Pakets zu ermitteln, das während der nächsten T Sekunden am System ankommt. Nach dieser Zeit wird der Hintergrundprozess erneut aufgerufen, wird die laufende Warteschlangentiefe abgerufen und wird eine neue durchschnittliche Warteschlangentiefe und Verwerfwahrscheinlichkeit berechnet. Beim zweiten Verfahren andererseits werden die durchschnittliche Warteschlangentiefe und Verwerfwahrscheinlichkeit nicht periodisch berechnet, sondern jedes Mal, wenn ein Paket am System ankommt. Wieder werden die obigen Formeln (1) und (2) für die Berechnungen verwendet und wird das Paket auf dem berechneten Wert der Verwerfwahrscheinlichkeit basierend entweder akzeptiert oder verworfen. Welches Verfahren auch verwendet wird, es kann entweder die URV- oder die GRV-Prozedur, die oben beschrieben wurden, eingesetzt werden, um die Aktion des Akzeptierens/Verwerfens auszuführen.
Wenn jedoch das "Ankunftsverfahren" verwendet wird, kann es ein zusätzliches Problem beim Berechnen der durchschnittlichen Warteschlangentiefe nach Leerlaufzeiten, d.h. wenn die Warteschlange leer ist, geben. Es wird auf 7 Bezug genommen, die ein Graph der aktuellen (augenblicklichen) Warteschlangentiefe 70 verglichen mit der durchschnittlichen Warteschlangentiefe 72 ist. Entsprechend der Prozedur für die Berechnung der durchschnittlichen Warteschlangentiefe, wenn die Warteschlange leer ist, kann die berechnete durchschnittliche Warteschlangentiefe fälschlicherweise konstant bleiben, wie durch die durchgezogene Linie 74 gezeigt, wenn tatsächlich die richtige durchschnittliche Warteschlangentiefe, die durch die gepunktete Linie 76 gezeigt ist, abnimmt.
Dies wird wie folgt erläutert:
Bei bekannten Prozeduren für das RED wird, wenn die Warteschlange leer wird, eine Zeitmarke genommen. Wenn das nächste Paket ankommt, wird die Berechnung der durchschnittlichen Warteschlangentiefe vorgenommen. Wenn die Warteschlange leer ist, wird an Stelle der oben genannten Formel (1) die Formel (3) unten verwendet, um die durchschnittliche Warteschlangentiefe zu berechnen. Neue Navg = Vorherige Navg × Funktion(Leerlaufzeit, W) (3)
Die Leerlaufzeit wird gefunden, indem die laufende Zeit von der Zeitmarke für die leere Warteschlange subtrahiert wird. Wenn die Leerlaufzeit sehr klein ist, ist die in Formel (3) gegebene "Funktion" im wesentlichen gleich 1. Wenn dies auftritt, ändert sich N_avg nicht. Dann wird das Paket übertragen, die Warteschlange wird leer und eine kurze Zeit später kommt ein weiteres Paket an. Wieder ist die Leerlaufzeit sehr klein und N_avg ändert sich nicht. Dies kann unendlich fortdauern. Dieser Fehler in der Ermittlung der durchschnittlichen Warteschlangentiefe, der zu einem unnötigen Verwerfen von Paketen führen könnte, ist unerwünscht.
Die Druckschrift US 2002/159388 offenbart eine Kommunikationseinrichtung mit Paketübertragung. Sie beschreibt eine Überlastungskontrolleinheit, die dafür vorgesehen ist, Kommunikation mit hoher Geschwindigkeit einschließlich einem Prozess zum Verringern der Überlastungslast zu handhaben. Diese Druckschrift offenbart ein Verfahren zum Vereinfachen der Entscheidung für das Verwerfen, um einen RED-Algorithmus in Paketvermittlungssystemen bereitzustellen. Dieses Ergebnis wird unter Verwendung der Akkumulation eines geglätteten Warteschlangenlängenparameters erhalten.
Es ist daher offensichtlich, dass verbesserte Techniken zum Verwerfen von Paketen erwünscht sind. Die Techniken sollten weniger Verarbeitungsleistung und/oder -zeit erfordern.
Eine weitere Verbesserung bei der Genauigkeit der Berechnung der durchschnittlichen Warteschlangentiefe ist für eine bessere Leistung des Vorgangs des zufälligen frühen Verwerfens von Paketen ebenfalls erforderlich.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Problem der Verminderung einer Verkehrsüberlastung in einem Kommunikationsumschalter oder Router. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Technik, die weniger Verarbeitungsleistung und/oder -zeit erfordert.
Gemäß einem Aspekt ist die Erfindung auf eine verbesserte Technik des selektiven Verwerfens von Paketen eines Verkehrs gerichtet, die von der Füllhöhe oder Tiefe von Warteschlangen im Kommunikationsumschalter abhängt.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit, um ein gleichmäßig über die Zeit verteiltes Verwerfen, wie die URV-Prozedur, aber mit weniger Verarbeitungszyklen zu erreichen, was sie für OC-192-Anwendungen geeigneter macht.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt verwendet die Erfindung addierte Verwerfwahrscheinlichkeiten, anstatt die Anzahl von Paketen zu zählen (Zählung) und diese mit der laufenden Verwerfwahrscheinlichkeit zu multiplizieren, wie im Stand der Technik. Die sich ergebende Summe wird für den Vorgang des Verwerfens mit der Zufallszahl verglichen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung einen genaueren Weg zum Berechnen der durchschnittlichen Tiefe einer Warteschlange bereit, insbesondere wenn die Warteschlange Leerlaufperioden antrifft.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung verlangt nach einer neuartigen RED-Technik auf der Basis einer genaueren Berechnung der durchschnittlichen Warteschlangentiefe, die zu einem verbesserten Vorgang des Verwerfens von Paketen mit geringerer Verarbeitungsleistung führt, als bei den bekannten Techniken erforderlich.
Gemäß einem speziellen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kontrollieren einer Warteschlange eines Kommunikationssystems. Das Verfahren beinhaltet Schritte des Entscheidens über einen Vorgang des Annehmens/Verwerfens für ein Paket, das an der Warteschlange ankommt, auf der Basis eines Vergleichs zwischen einer Verwerfwahrscheinlichkeitssumme für das Paket und einer Zufallsvariablen, des Berechnens einer Verwerfwahrscheinlichkeit für das Paket unter Verwendung einer durchschnittlichen Tiefe der Warteschlange und des Erzeugens einer neuen Verwerfwahrscheinlichkeitssumme für ein nächstes Paket, das an der Warteschlange ankommt, indem die Verwerfwahrscheinlichkeitssumme und die berechnete Verwerfwahrscheinlichkeit addiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt liegt die Erfindung auf dem Gebiet einer Prozedur des zufälligen frühen Verwerfens von Paketen in einem Telekommunikationssystem. Die Erfindung ist auf ein Verfahren zum Berechnen einer durchschnittlichen Tiefe einer Warteschlange gerichtet, wenn ein Paket an der Warteschlange ankommt. Das Verfahren beinhaltet Schritte des Messens der laufenden Warteschlangentiefe, N_cur, des Behaltens einer vorherigen durchschnittlichen Warteschlangentiefe, vorherige N_avg, und des Überwachens, ob die Warteschlange leer ist oder nicht. Das Verfahren beinhaltet ferner einen Schritt des Aktualisierens der durchschnittlichen Warteschlangentiefe, Neue N_avg, durch die folgenden Formeln:
wenn die Warteschlange nicht leer ist, Neue Navg = vorherige Navg + W × (Ncur -vorherige Navg);wenn die Warteschlange leer ist, Neue Navg = vorherige Navg × Funktion(Leerlaufzeit, W), undwenn die Warteschlange leer ist und auch N_avg = vorherige N_avg, Neue Navg = vorherige Navg + W × (Ncur -vorherige Navg);wobei W ein laufendes Gewicht zwischen 0 und 1 ist und die Funktion eine Funktion ist, die Werte zurückgibt, die auf der Leerlaufzeit der Warteschlange und W basieren.
Gemäß einem weiteren speziellen Aspekt ist die Erfindung auf einen Mechanismus zum Kontrollieren einer Warteschlange eines Kommunikationssystems gerichtet. Der Mechanismus umfasst einen Empfänger zum Empfangen und Senden eines Pakets zu einer Warteschlange für eine Speicherung und ein Berechnungsmodul für die Verwerfwahrscheinlichkeit zum Berechnen der Verwerfwahrscheinlichkeitssumme, welches die Addition von Verwerfwahrscheinlichkeiten aller Pakete ist, die an der Warteschlange ankamen, seit ein Paket zuletzt aus der Warteschlange verworfen wurde. Der Mechanismus beinhaltet ferner einen Zufallszahlengenerator zum Erzeugen einer Zufallszahl, wenn angewiesen, und ein Verwerfmodul zum Verwerfen des gerade angekommenen Pakets aus der Warteschlange, wenn die Verwerfwahrscheinlichkeitssumme größer als die Zufallszahl ist, und um das Berechnungsmodul für die Verwerfwahrscheinlichkeit anzuweisen, die Verwerfwahrscheinlichkeitssumme auf Null zu setzen und eine weitere Zufallszahl zu erzeugen, um die vorher genannte Zufallszahl zu ersetzen.
Kurze Beschreibung von Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung eines Paketumschalters oder Routers.
2 ist ein Graph einer Beispielfunktion für die Verwerfwahrscheinlichkeit (Pb) über der durchschnittlichen Warteschlangentiefe.
3 zeigt Graphen von Beispielfunktionen für die Verwerfwahrscheinlichkeit für eine weitere Prozedur für das Verwerfen, bekannt als gewichtetes RED.
4 zeigt einen Graphen einer Funktion für die Verwerfwahrscheinlichkeit mit einer Form, von der im Allgemeinen angenommen wird, dass sie gut arbeitet.
5 und 6 zeigen die Ergebnisse der Verfahren mit GRV (geometrischer Zufallsvariable) und URV (einheitlicher Zufallsvariable) mit einer konstanten durchschnittlichen Warteschlangentiefe.
7 sind Graphen einer tatsächlichen Warteschlangentiefe und einer durch ein bekanntes Verfahren berechneten durchschnittlichen Warteschlangentiefe, die darstellen, dass Verbesserungen benötigt werden.
8 ist ein Flussdiagramm des Algorithmus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
9 ist eine schematische Darstellung des Verwerfmechanismus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden die Verwerfwahrscheinlichkeiten für jede Farbe addiert, anstatt die Anzahl von Paketen zu zählen (Zählung) und diese mit der laufenden Verwerfwahrscheinlichkeit P(Farbe) zu multiplizieren, wie im Stand der Technik. Die sich ergebende Summe (Verwerfwahrscheinlichkeitssumme oder P_sum(Farbe)) wird mit der Zufallszahl (RN) verglichen. Wenn P_sum(Farbe) größer als RN ist, dann wird das Paket verworfen und P_sum(Farbe) auf Null gesetzt, anderenfalls wird das Paket akzeptiert und die neue Verwerfwahrscheinlichkeit P(Farbe) zu P_sum(Farbe) addiert (d.h. P_sum(Farbe) = P_sum(Farbe) + P(Farbe)). Das Ergebnis ist ein Verwerfen von Paketen für jede Farbe, das ähnlich dem Verfahren mit URV aus dem Stand der Technik über die Zeit gleichmäßig verteilt ist, aber zur Implementierung 50% weniger Verarbeitungszyklen erfordert. Diese Effizienzverbesserung gestattet, dass auf Verbindungen mit OC-192-Rate ein gleichmäßig verteiltes Verwerfen von Paketen erreicht wird.
Ein neuer Verwerfalgorithmus gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist daher wie folgt:
Initialisiere = 0
WENN (P_sum(Farbe)>RN), dann
verwirf das Paket;
P_sum(colour) = 0;
nimm eine neue RN;
Andernfalls
akzeptiere das Paket;
P_sum(Farbe) = P_sum(Farbe) + P(Farbe)
8 ist ein Flussdiagramm des obigen Algorithmus.
9 ist eine schematische Darstellung eines Verwerfmechanismus gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung. Die Figur zeigt nur eine zu einer Vielfalt von Modulen gehörige Warteschlange. Es ist zu bemerken, dass in einem Umschalter oder Router eine Vielzahl von Warteschlangen gibt und sie einige oder alle Module gemeinsam benutzen können. In der Figur empfängt ein Empfänger 80 ein Paket und sendet es zur Speicherung hinüber zur Warteschlange 82, von wo ein Sender 84 ein gespeichertes Paket stromabwärts befördert. Der Empfänger prüft die Priorität für das Fallenlassen (Farbe) des Pakets, falls es mehr als ein Prioritätsniveau gibt. Ein Berechnungsmodul 86 für die Verwerfwahrscheinlichkeit überwacht die Warteschlangentiefe durchgehend. Es berechnet auch die durchschnittliche Warteschlangentiefe und ermittelt die Verwerfwahrscheinlichkeit für das gerade angekommene Paket und die Verwerfwahrscheinlichkeitssumme. Das Berechnungsmodul für die Verwerfwahrscheinlichkeit trifft ferner eine Entscheidung über das Akzeptieren/Verwerfen des Pakets in Antwort auf einen Vergleich der Verwerfwahrscheinlichkeitssumme für die Farbe des Pakets mit einer Zufallszahl, die vom Zufallszahlengenerator 88 erhalten wird. Das Verwerfmodul 90 lässt das Paket vom Ende der Warteschlange fallen, wenn es vom Berechnungsmodul für die Verwerfwahrscheinlichkeit angewiesen wird. Das Modul 86 für die Verwerfwahrscheinlichkeit beinhaltet eine Vielfalt von Elementen, wie einen Prozessor, einen Summenoperator und einen Speicher. Der Summenoperator erzeugt die Addition der neu berechneten Verwerfwahrscheinlichkeit P(Farbe) und der vorherigen P_sum(Farbe) (d.h. P_sum(Farbe) = P_sum(Farbe) + P(Farbe)), um eine neue P_sum(Farbe) zu erzeugen. Der Vorgang ist effizienter als ein Multiplikationsvorgang des Mechanismus aus dem Stand der Technik.
Die Erfindung stellt eine weitere Verbesserung des "Ankunftsverfahrens" bereit, was zu einer besseren Genauigkeit der Berechnung der durchschnittlichen Warteschlangentiefe (N_avg) einer Warteschlange führt, wenn die Warteschlange kurze Leerlaufperioden antrifft. Wie vorher unter Bezugnahme auf 7 erwähnt kann das "Ankunfts"verfahren aus dem Stand der Technik für die Durchführung solcher Berechnungen zu einer falsch berechneten durchschnittlichen Warteschlangentiefe führen, wenn einer zunehmenden Warteschlangentiefe kurze Perioden einer Warteschlangenleere folgen. Dies führt beim RED zu unnötigem Verwerfen. Die Erfindung stellt neue Wege zum Berechnen der durchschnittlichen Warteschlangentiefe bereit, wenn die Warteschlange leer ist, um eine bessere Leistung des RED sicherzustellen. Allgemein gesprochen wird erfindungsgemäß, wenn die Warteschlange leer ist und der neue Durchschnitt gleich dem vorherigen Durchschnitt ist, eine Formel für das Berechnen der durchschnittlichen Warteschlangentiefe für eine nicht leere Warteschlangentiefe verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die durchschnittliche Warteschlangentiefe N_avg, wenn die Warteschlange leer ist, unter Verwendung zweier separater Formeln berechnet. Wenn die Warteschlange leer ist, wird die obige Formel (3) verwendet, aber wenn die Warteschlange leer ist und auch "Neue N_avg = vorherige N_avg", dann wird die Formel (1) verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform verwendet die Erfindung die folgende Logik:
Gemäß einer Ausführungsform kann in Formel (1) das Gewicht W die Formel 1/2^M aufweisen, wobei M zwischen 0 und 15 liegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann, wenn die Verwerfwahrscheinlichkeitsfunktion die in 4 gezeigte ist, die Verwerfwahrscheinlichkeit P für jede Farbe wie unten ausgedrückt werden. P(Farbe) = MAXp {Neue Navg(Farbe) – MINth(Farbe)}/ MAXth(Farbe) – MINth(Farbe)} (4)
Die Erfindung stellt eine effizientere Technik des Ausführens eines gewichteten zufälligen frühen Verwerfens (RED) von Paketen bereit, wodurch ermöglicht wird, dass solche Aktionen auf Verbindungen mit OC192-Rate ausgeführt werden. Die verbesserte Technik liefert eine Verteilung des Verwerfens von Paketen, die über die Zeit gleichmäßig verteilt ist. Diese Art ist wünschenswert, weil es weniger wahrscheinlich ist, dass sie eine Verbindung beeinträchtigt, besonders im Falle von TCP-Verbindungen.
Die Erfindung stellt auch eine genauere Technik zum Berechnen der durchschnittlichen Warteschlangentiefe für Leerlaufzeitperioden bereit, wodurch ein unnötiges Verwerfen verhindert wird, das sich ansonsten ergeben könnte, wie im Falle des Verfahrens aus dem Stand der Technik.
Die Fähigkeit Verkehrsüberlastung in einem Umschalter zu vermindern ist notwendig, um für Kunden eines Netzwerks eine Dienstequalität zu gewährleisten. Es ist wünchenswert, die Überlastung durch Verwerfen von Paketen des Verkehrs in einer Weise zu vermindern, dass eine bestimmte Verbindung auf einem überlasteten Anschluss des Umschalters nicht über Gebühr beeinträchtigt wird. Die Erfindung stellt diese Fähigkeit in einer Weise bereit, die verarbeitungseffizienter ist als die Verfahren aus dem Stand der Technik (z.B. gewichtetes RED). Diese Effizienz ermöglicht, dass die Erfindung auf Verbindungen mit OC192-Rate ausgeführt wird, was mit den mit gegenwärtig verfügbaren Prozessoren ausgeführten Verfahren aus dem Stand der Technik nicht möglich ist. Daher hat die Erfindung für OC192 einen sofortigen kommerziellen Wert, weil sie eine Fähigkeit bereitstellt, die gegenwärtig nicht verfügbar ist. Ferner sollte die Erfindung auf Grund ihrer höheren Verarbeitungseffizienz weiterhin für unsere Mitbewerber als Datenratenerhöhung wertvoll sein.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Warteschlange (82) eines Kommunikationssystems, das die Schritte umfasst: a) Entscheiden einer Operation Akzeptieren/Verwerfen für ein Paket (12), das an der Warteschlange (82) ankommt, basierend auf einem Vergleich zwischen der Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten für das Paket und einer Zufallsvariablen; b) Berechnen einer Verwerfwahrscheinlichkeit für das Paket (12) unter Verwendung einer mittleren Tiefe der Warteschlange (82), und c) Erzeugen einer neuen Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten für ein nächstes Paket, das an der Warteschlange (82) ankommt, dadurch gekennzeichnet, dass die neue Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten durch Summieren der Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten und der berechneten Verwerfwahrscheinlichkeit erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner den Schritt umfasst: d) Akzeptieren eines Pakets (12), das an der Warteschlange (82) ankommt, wenn die Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten für das Paket (12) kleiner oder gleich einer Zufallsvariablen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner die Schritte umfasst: e) Verwerfen des Pakets (12), das an der Warteschlange (82) ankommt, wenn die Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten für das Paket größer als die Zufallsvariable ist; f) Setzen der Verwerfwahrscheinlichkeit auf Null, und g) Erzeugen einer weiteren Zufallsvariablen, um die vorher genannte Zufallsvariable zu ersetzen.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner die Schritte umfasst: Wiederholen der Schritte a) bis d) für jedes Paket (12), das an der Warteschlange (82) ankommt; Verwerfen eines Pakets (12), das zuletzt an der Warteschlange (82) ankommt, wenn die Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten für das jüngste Paket größer als die Zufallsvariable ist; Setzen der Verwerfwahrscheinlichkeit auf Null; Erzeugen einer weiteren Zufallsvariablen, um die vorher genannte Zufallsvariable zu ersetzen, und Wiederholen der Schritte a) bis d) für weitere Pakete, die an der Warteschlange ankommen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das ferner die Schritte umfasst: Berechnen der mittleren Tiefe der Warteschlange jedes Mal, wenn ein neues Paket (12) an der Warteschlange (82) ankommt, und Berechnen der Verwerfwahrscheinlichkeit für das neu angekommene Paket basierend auf der berechneten mittleren Tiefe der Warteschlange.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das Paket (12) eine Priorität für das Fallenlassen für eine Vielzahl von Ebenen aufweist, die in Farben ausgedrückt wird, und jede Farbe ihre Verwerfwahrscheinlichkeit und Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten besitzt, wobei das Verfahren ferner die Schritte umfasst: Prüfen der Farbe des Pakets (12), das an der Warteschlange (82) ankommt, und Akzeptieren oder Verwerfen des Pakets (12) basierend auf der Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten für die Farbe.
Verfahren nach Anspruch 6, das ferner die Schritte umfasst Berechnen einer Verwerfungswahrscheinlichkeit für die Farbe unter Verwendung einer mittleren Tiefe der Warteschlange, und Erzeugen einer neuen Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten für ein nächstes Paket mit der Farbe, das an der Warteschlange ankommt, durch Summieren der Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten und der berechneten Verwerfwahrscheinlichkeit für die Farbe.
Mechanismus zum Steuern einer Warteschlange eines Kommunikationssystems, welches umfasst: einen Empfänger (80) zum Empfangen und Senden eines Pakets (12) zu einer Warteschlange (82) zur Speicherung; ein Berechnungsmodul (86) für die Verwerfwahrscheinlichkeit zum Berechnen der Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten; einen Zufallszahlengenerator (88) zum Erzeugen einer Zufallszahl, wenn angewiesen, und ein Verwerfmodul (90) zum Verwerfen des gerade angekommenen Pakets (12) aus der Warteschlange (82), wenn die Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten größer als die Zufallszahl ist, und Anweisen des Berechnungsmoduls (86) für die Verwerfwahrscheinlichkeit, die Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten auf Null zu setzen und eine weitere Zufallszahl zu erzeugen, um die vorher genannte Zufallszahl zu ersetzen; dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten die Summierung von Verwerfwahrscheinlichkeiten aller Pakete ist, die an der Warteschlange ankamen, seit ein Paket zuletzt aus der Warteschlange verworfen wurde.
Mechanismus nach Anspruch 8, der ferner umfasst: einen Summierungsoperator zum Erzeugen einer neuen Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten durch Summierung einer neu berechneten Verwerfwahrscheinlichkeit für das gerade angekommene Paket und einer vorherigen Summe der Verwerfwahrscheinlichkeiten.
Mechanismus nach Anspruch 9, bei dem der Empfänger (80) ferner eine Einrichtung zum Prüfen der Priorität für das Fallenlassen des gerade angekommenen Pakets (12) umfasst.