TW202335471A

TW202335471A - 網路流壅塞管理裝置及其方法

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Publication number: TW202335471A
Application number: TW111111202A
Authority: TW
Inventors: 東君姜; 曉強陳
Original assignee: 新加坡商瑞昱新加坡有限公司
Priority date: 2022-02-22
Filing date: 2022-03-24
Publication date: 2023-09-01
Also published as: CN116684354A; US20230269183A1

Abstract

本發明提出一種網路流壅塞管理裝置及其方法。網路流壅塞管理方法包括：區別複數封包之一連線；監控每一不同的該連線的一緩衝器用量；及對當前監控的該連線執行一壅塞檢查程序，其中在該壅塞檢查程序中，於當前監控的該連線的該緩衝器用量超過一閾值時，觸發一壅塞處理程序。

Description

網路流壅塞管理裝置及其方法

本發明是有關於一種網路傳輸技術，特別是指一種網路流壅塞管理裝置及其方法。

在家用閘道器（residential gateway，RG）中，通常存在一個或多個局域網路（LAN）埠和單個廣域網路（WAN）埠。所有網際網路存取流量都需要經過連接到服務提供商（ISP）的邊緣路由器的WAN埠。

在典型的家用閘道器設置中，許多LAN側主機（筆記型電腦、智慧電視、智慧手機、平板電腦、IoT）可以連接到家用閘道器。家用閘道器應設計為，能對於所有活動的TCP連線，以低延遲和高吞吐量的方式轉發流量。許多連接到家用閘道器的LAN側主機會並行向家用閘道器發出傳輸請求。通常，傳輸資料量相對較小（小於1518位元組）。基於成本考量，家用閘道器中可用的封包緩衝區通常是有限的（小於1GB）。在這種情況下，家用閘道器上的WAN埠可能成為瓶頸鍊路（bottleneck link）。來自LAN側主機的許多傳輸請求和有限的封包緩衝區（在典型的家用閘道器中，封包緩衝區的大小是固定的）可能會增加流量延遲並導致家用閘道器中的有效流量吞吐量崩潰。此為RFC 8257 文件中提到的TCP INCAST問題。

為了完全填滿 TCP 傳輸管道，現有的TCP擁塞避免策略（例如TCP RENO、TCP TAHOE、TCP CUBIC要求每個TCP發送方增加其傳輸速率和擁塞窗口大小（慢啟動然後進入擁塞避免階段）直到封包被丟棄（藉由TCP超時、丟失或重複的TCP ACK來檢測）（RFC 5681文件）。在家用閘道器的WAN埠成為瓶頸鍊路的情況下，增加TCP發送速率和擁塞窗口大小不會因為封包重傳率的增加而增加端到端吞吐量。對於某些TCP連線，TCP超時可能在數百毫秒的範圍內。TCP管道中的一些傳輸中的封包可能需要在封包丟失或超時的情況下重新傳輸，從而導致高流量延遲、低有效吞吐量和帶寬利用率。

TCP流是獨立的資料流，每個TCP流將嘗試增加其傳輸速率和擁塞窗口大小以填滿發送方和接收方之間的TCP管道。家用閘道器中的有限緩衝區可能會被家用閘道器上的第一個 TCP 流設置佔用。家用閘道器需要智能緩衝區分配方案，以確保在所有活動的TCP連線之間公平分配封包緩衝區，從而為經過家用閘道器的所有活動的TCP連線提供合理的延遲和吞吐量性能。

本發明一實施例提出一種網路流壅塞管理方法，包括：接收複數封包；識別每一封包是否屬於一預定協定；區別屬於預定協定的該些封包之一連線；監控每一不同的連線的一緩衝器用量；及對當前監控的連線執行一壅塞檢查程序，其中在壅塞檢查程序中，於當前監控的連線的緩衝器用量超過一閾值時，觸發一壅塞處理程序。

本發明一實施例提出一種網路流壅塞管理裝置，包括：一接收埠、一緩衝器池、一管理電路及一輸出埠。接收埠配置為接收複數封包。緩衝器池配置為儲存封包。管理電路配置為識別每一封包是否屬於預定協定，區別屬於預定協定的該些封包之一連線，監控屬於預定協定的該些封包的每一不同的連線的一緩衝器用量，並對當前監控的連線執行一壅塞檢查程序，其中在壅塞檢查程序中，於當前監控的連線的緩衝器用量超過一閾值時，觸發一壅塞處理程序。輸出埠配置為將該些緩衝器中儲存的封包輸出。

根據本發明一些實施例之網路流壅塞管理裝置及方法，可公平地將緩衝資源分配給每個網路流，並可使傳送佇列不過長，不但可避免緩衝資源被流量大的網路流佔用之外，還可減少流量延遲和數據包重傳次數。

參照圖1，係為本發明一實施例之網路流壅塞管理裝置1之示意圖。網路流壅塞管理裝置1包括接收埠10、輸出埠20、緩衝器池30及管理電路40。緩衝器池30包括複數緩衝器（圖未示），用於緩存封包。緩衝器池30是位於暫態記憶體中。所述暫態記憶體可以是暫態電腦可讀取媒體，例如靜態隨機存取記憶體（SRAM）、動態隨機存取記憶體（DRAM）等。在此，接收埠10與輸出埠20均以一個為例，然而本發明並非以此數量為限，接收埠10可為一個或多個，輸出埠20亦可為一個或多個，視實際應用需求可進行適當調整。

管理電路40執行有網路流壅塞管理方法，用以管理緩衝器池30中的緩衝器的資源分配。參照圖2，係為本發明一實施例之網路流壅塞管理方法的流程圖。首先，在步驟S410中，從接收埠10接收複數封包。接著，進入步驟S420，以識別每一封包是否屬於預定協定。於此，所述預定協定為傳輸控制協定（TCP）。若封包屬於預定協定（例如TCP），則進入步驟S430以區別屬於預定協定的封包之連線。在步驟S440中，監控每一不同的連線的緩衝器用量及總緩充器用量。在步驟S450中，對當前監控的連線執行一壅塞檢查程序。步驟S460為壅塞檢查程序，係於當前監控的連線的緩衝器用量超過一閾值時，觸發一壅塞處理程序。壅塞處理程序用以改善擁塞情形（詳如後述）。藉此，管理電路40可對於每個連線的網路流個別確認是否佔用過多個緩衝器，藉以公平地分配緩衝資源。若封包不屬於預定協定，不執行步驟S430-S460，也就是說，該封包直接被略過(bypass)而直接進入緩衝器池30儲存，以等待輸出（如圖1所示）。

參照圖3，係為本發明一實施例之網路流壅塞管理裝置1之細部示意圖。在此，為了容易觀看，省略前述緩衝器池30。管理電路40包括轉發引擎41、壅塞管理單元42、輸出管理器43及壅塞管理表44。轉發引擎41、壅塞管理單元42及輸出管理器43可透過微處理器、可規劃邏輯元件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）、可程式化閘陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）、邏輯電路、類比電路、數位電路和/或任何基於操作指令操作信號（類比和/或數位）的處理元件來實現。壅塞管理表44可儲存於暫態記憶體或非暫態記憶體，其可內建於壅塞管理單元42或外接於壅塞管理單元42。

轉發引擎41自接收埠10接收封包，並提取封包的標頭資訊並儲存至與該封包關聯的元資料塊中。轉發引擎41並且根據封包與標頭資訊進行轉發決策，即決定是否轉發該封包。若接受轉發，則將封包連同其關聯之元資料塊送至壅塞管理單元42。壅塞管理單元42用以執行網路流壅塞管理方法。輸出管理器43則將封包放至傳送佇列，並排程將傳送佇列內的封包傳送至輸出埠20而發送出去。所述傳送佇列是由緩衝器池30內的緩衝器所組成。

參照圖4，係為本發明一實施例之網路流壅塞管理方法的細部流程圖（一）。透過轉發引擎41獲得一封包（後稱當前封包，亦即當前監控的連線的封包）與相關聯的元資料塊之後，首先確認當前封包是否屬於TCP連線（步驟S501）。若不是TCP連線，則無需進行壅塞管理，結束流程。若是TCP連線，則進入步驟S502，計算流識別符。在此，流識別符是基於來源地址（source IP）、目標地址（destination IP）、IP協定、來源埠（source port）及目的埠（destination port）。在一些實施例中，是依據來源地址、目標地址、IP協定、來源埠及目的埠計算得一雜湊（hash）值，作為流識別符，例如使用SHA256演算法計算。依據流識別符的不同，可區別對應的連線（網路流）為不相同，即來源地址、目標地址、IP協定、來源埠及目的埠中的至少其中之一不相同。接下來，進入步驟S503，確認經由步驟S502計算得對應當前封包的流識別符是否已存在於壅塞管理表44。若否，表示此當前封包是屬於新的網路流，故在壅塞管理表44增建對應此流識別符的條目（entry）。

參照圖5，係為本發明一實施例之壅塞管理表44之示意圖。流識別符可作為鍵。每一個條目記載有對應流識別符的多個參數。所述參數可包括但不限於網路流資訊、緩衝器用量、丟棄封包數、標示封包數、傳送封包數及監控期長。網路流資訊包括前述之來源地址、目標地址、IP協定、來源埠及目的埠。緩衝器用量為此網路流佔用多少緩衝器的數量。丟棄封包數為此網路流的封包被丟棄的數量。標示封包數為此網路流的封包被標記的數量（於後將再進一步說明）。傳送封包數為此網路流的封包被網路流壅塞管理裝置1發送出去的數量。監控期長為此條目自被建立起的存續期間。具體來說，每個條目對應一存續計數器，其在存續期間內遞減。當存續計數器歸零時，對應之條目將從壅塞管理表44中刪除。或者，當存續計數器歸零時，存續計數器重置為一預設值，並繼續遞減；當存續計數器經過一特定次數的歸零後，對應之條目將從壅塞管理表44中刪除。藉此，可移除長時間空閒（無流量）的條目。

復參照圖4。於步驟S504增建條目之後，進入步驟S507，於封包元資料塊增加流識別符。若於步驟S503判斷流識別符已存在於壅塞管理表44，則進入步驟S505。在步驟S505中，判斷當前封包的FIN（Finish sending data）旗標或RST（Reset）旗標是否被設置。若FIN旗標或RST旗標被設置，表示TCP連線要重設或關閉，因此不需再繼續監控此網路流，進入步驟S506。在步驟S506中，刪除壅塞管理表44對應流識別符的條目，取消監控對應連線的緩衝器用量，而後結束流程。若FIN旗標和RST旗標均沒有被設置，則進入步驟S507，於封包元資料塊增加流識別符。在步驟S507之後，從壅塞管理表44可查詢到對應流識別符的緩衝器用量（步驟S508）。

參照圖6，係為本發明一實施例之網路流壅塞管理方法的細部流程圖（二）。在步驟S508之後，依據對應於當前監控的連線的緩衝器剩餘量及壅塞指示閾值Tc，決定是否執行壅塞檢查程序。具體來說，在步驟S601中，先確認網路流壅塞管理裝置1的所有緩衝器的剩餘量是否小於壅塞指示閾值Tc。若是，表示會有發生壅塞情形的可能性，需要執行壅塞檢查程序，進入步驟S602；反之，則目前沒有發生壅塞情形，可正常傳送封包，將壅塞管理表44中對應此流識別符的傳送封包數加一後結束流程。在步驟S602中，先確認壅塞管理表44中是否具有當前封包對應的流識別符，若否，表示當前封包是屬於新的網路流，因而新增此流識別符至壅塞管理表44中，並且初始化與參數緩衝器用量、丟棄封包數、標示封包數、傳送封包數及監控期長有關的計數參數。若在步驟S602確認壅塞管理表44具有當前封包對應的流識別符，或者執行步驟S603新增該流識別符至壅塞管理表44之後，進入步驟S604。

在步驟S604中，從壅塞管理表44查詢對應流識別符的緩衝器用量，亦即當前監控的連線的緩衝器用量。若緩衝器用量大於丟棄閾值Td，則進入步驟S605，丟棄此封包，並且更新壅塞管理表44。在此，更新壅塞管理表44是將壅塞管理表44中對應此流識別符的丟棄封包數加一。

若於步驟S604中，判斷緩衝器用量不大於丟棄閾值Td，則進入步驟S606。於步驟S606中，判斷對應流識別符的緩衝器用量（即當前監控的連線的緩衝器用量）是否大於標記閾值Tm。若是，則表示緩衝器用量已到達可能造成壅塞情形的程度，而進入步驟S607。在步驟S607中，於當前封包設置ECE（ECN-Echo，顯式擁塞通知應答）旗標並更新壅塞管理表44。如此，封包的接收端將會把ECE旗標加至TCP ACK封包中，並送回傳送端。使得傳送端可基於ECE標得知壅塞情形，應限制發送速率（如減小TCP壅塞窗口大小）。在此，更新壅塞管理表44是將壅塞管理表44中對應此流識別符的標示封包數與傳送封包數加一。此外，由於ECE旗標被設置，因此當前封包的標頭校驗和需重新計算。

其中，壅塞指示閾值Tc是為了控管可使用緩衝器數量的閾值，又，丟棄閾值Td與標記閾值Tm是為了控管已消耗緩衝器數量的閾值。在一些實施例中，壅塞指示閾值Tc設定為總緩衝器數量的10%~15%；丟棄閾值Td設定為總緩衝器數量的85%~90%；標記閾值Tm設定為總緩衝器數量的75%~85%。

在一些實施例中，可依據壅塞管理表44中的流識別符數量，即連線數量動態調整標記閾值Tm。調整的方式可以是，隨著連線數量的增加，降低標記閾值Tm。如此，可更加公平地分配緩衝資源。

在一些實施例中，若監控期長超過一預定值，可自主將壅塞管理表44對應流識別符的條目刪除，取消監控對應連線的緩衝器用量，避免儲存資源佔用。具體來說，每個條目對應一存續計數器，其在存續期間內遞減。當存續計數器歸零時，對應之條目將從壅塞管理表44中刪除。或者，當存續計數器歸零時，存續計數器重置為一預設值，並繼續遞減；當存續計數器經過一特定次數的歸零後，對應之條目將從壅塞管理表44中刪除。藉此，可移除長時間空閒（無流量）的條目。

參照圖7，係為本發明一實施例之網路流壅塞管理裝置1之另一示意圖。網路流壅塞管理裝置1還可將壅塞管理表44上傳至伺服器2。伺服器2可載有人工智慧演算程式，將壅塞管理表44中的參數作為輸入資料，進而預測較佳的優化丟棄閾值Td和標記閾值Tm，返回給網路流壅塞管理裝置1設定。換言之，在前述步驟S440之後，還執行流量數據統計步驟，以將壅塞管理表44上傳至伺服器2，由伺服器2進行參數優化，為壅塞管理單元42導出最佳閾值，且該閾值可經由一管理網路路徑而被一伺服器2進行更新。

為了獲得最佳的 TCP 吞吐量和延遲性能，本發明的網路流壅塞管理裝置1具有以下性能特徵：

每個 TCP 流的出口佇列應該足夠短，從而不會對流量施加過多的延遲。

每個 TCP 流的出口佇列應該足夠長，以吸收有限制的封包連發（burst）而不會有過多的封包丟失。

每個TCP流的出口佇列應該足夠長，以使廣域網路（WAN）側的帶寬容量飽和。區域網路埠的傳輸能力可被充分利用。

系統中的封包緩衝區應該被公平地分配，使得不會有一個 TCP 流可以消耗所有（或大部分）可用緩衝區，而讓經過網路流壅塞管理裝置1的其他 TCP 流沒有緩衝區可用。

在一些實施例中，網路流壅塞管理裝置1為閘道器、網路數據機、路由器或無線網路存取點等網路設備。

在一些實施例中，網路流壅塞管理裝置1具有多個局域網路（LAN）埠和單個廣域網路（WAN）埠。所有網際網路存取流量都需要經過連接到服務提供商（ISP）的邊緣路由器的WAN埠。每個LAN埠接收一個獨立的資料流（網路流）。

綜上所述，本發明一些實施例提出的網路流壅塞管理裝置1及方法，可公平地將緩衝資源分配給每個網路流，並可使傳送佇列不過長，不但可避免緩衝資源被流量大的網路流佔用之外，還可減少流量延遲和數據包重傳次數。

1:網路流壅塞管理裝置 2:伺服器 10:接收埠 20:輸出埠 30:緩衝器池 40:管理電路 41:轉發引擎 42:壅塞管理單元 43:輸出管理器 44:壅塞管理表 S410~S460:步驟 S501~S508:步驟 S601~S607:步驟 TCP:傳輸控制協定

[圖1]係為本發明一實施例之網路流壅塞管理裝置之示意圖。 [圖2]係為本發明一實施例之網路流壅塞管理方法的流程圖。 [圖3]係為本發明一實施例之網路流壅塞管理裝置之細部示意圖。 [圖4]係為本發明一實施例之網路流壅塞管理方法的細部流程圖（一）。 [圖5]係為本發明一實施例之壅塞管理表之示意圖。 [圖6]係為本發明一實施例之網路流壅塞管理方法的細部流程圖（二）。 [圖7]係為本發明一實施例之網路流壅塞管理裝置之另一示意圖。

S410~S460:步驟

Claims

一種網路流壅塞管理方法，包括：接收複數封包；識別每一該封包是否屬於一預定協定；區別屬於該預定協定的該些封包之一連線；監控每一不同的該連線的一緩衝器用量；及對當前監控的該連線執行一壅塞檢查程序，其中在該壅塞檢查程序中，於當前監控的該連線的該緩衝器用量超過一閾值時，觸發一壅塞處理程序。
如請求項1所述之網路流壅塞管理方法，更包括：依據對應於當前監控的該連線的一緩衝器剩餘量及一壅塞指示閾值，決定是否執行該壅塞檢查程序。
如請求項1所述之網路流壅塞管理方法，其中該閾值為一標記閾值，該壅塞處理程序為於對應當前監控的該連線的該封包設置一明確壅塞通知（ECE）旗標。
如請求項3所述之網路流壅塞管理方法，其中該明確壅塞通知旗標被加入至一傳輸控制協定（TCP）確認（ACK）封包，該傳輸控制協定確認封包被傳送回一傳送端。
如請求項4所述之網路流壅塞管理方法，其中該傳送端的一擁塞視窗依據該傳輸控制協定確認封包的該明確壅塞通知旗標而縮小。
如請求項3所述之網路流壅塞管理方法，其中該標記閾值隨著該些連線的數量增加而動態地降低。
如請求項1所述之網路流壅塞管理方法，其中該閾值為一丟棄閾值，該壅塞處理程序為丟棄對應當前監控的該連線的該封包。
如請求項1所述之網路流壅塞管理方法，更包括：檢查各該封包的一FIN旗標及一RST旗標，於該FIN旗標或該RST旗標被設置時，取消監控對應該連線的該緩衝器用量。
如請求項1所述之網路流壅塞管理方法，其中不屬於該預定協定的該封包直接被略過而儲存至一緩衝器池以等待輸出。
一種網路流壅塞管理裝置，包括：一接收埠，配置為接收複數封包；一緩衝器池，配置為儲存該些封包；一管理電路，配置為識別每一該封包是否屬於一預定協定，區別屬於該預定協定的該些封包之一連線，監控屬於該預定協定的該些封包的每一不同的該連線的一緩衝器用量，並對當前監控的該連線執行一壅塞檢查程序，其中在該壅塞檢查程序中，於當前監控的該連線的該緩衝器用量超過一閾值時，觸發一壅塞處理程序；及一輸出埠，配置為將該緩衝器池中儲存的該些封包輸出。
如請求項10所述之網路流壅塞管理裝置，其中該閾值為一標記閾值，該壅塞處理程序為於對應當前監控的該連線的該封包設置一明確壅塞通知（ECE）旗標。
如請求項11所述之網路流壅塞管理裝置，其中該明確壅塞通知旗標被加入至一傳輸控制協定（TCP）確認（ACK）封包，該傳輸控制協定確認封包被傳送回一傳送端，該傳送端依據該傳輸控制協定確認封包的該明確壅塞通知旗標而縮小一擁塞視窗。
如請求項11所述之網路流壅塞管理裝置，其中該標記閾值隨著該些連線的數量增加而動態地降低。
如請求項10所述之網路流壅塞管理裝置，其中該管理電路還依據對應於當前監控的該連線的一緩衝器剩餘量及一壅塞指示閾值決定是否執行該壅塞檢查程序。
如請求項10所述之網路流壅塞管理裝置，其中該管理電路還檢查各該封包的一FIN旗標及一RST旗標，於該FIN旗標或該RST旗標被設置時，取消監控對應該連線的該緩衝器用量。
如請求項10所述之網路流壅塞管理裝置，其中不屬於該預定協定的該封包直接被略過而儲存至該緩衝器池以等待輸出。