TW536887B - A bandwidth control device and method - Google Patents

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536887 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ........ B7 發明說明（/) 發明領域： 本發明係有頻寬控難置及方法，尤指一種籍 簡化頻寬控制所需之計數運算，及雙重計數器的設計 ，以達 到簡化電路且精確控制頻寬之目的者。 ， 發明背景： 、由於網際網路的應用愈來愈豐富及多樣化，對於頻寬的 而求也日漸提冋’所以’寬頻服務的興起乃必然之趨勢。 例如，已有愈來愈多的網際網路服務供應商（MemetService P麵der，簡稱ISP)提供非對稱數位用戶線路（asymmetncai d_ SUbSCnber lme，簡稱 ADSL)與繞線數據機（cable modem)的見頻連線服務n由於這兩種寬頻服務在用 戶端皆使用乙太網路連線（Ethemet麵⑽聰），而乙太網路 在設計上即以盡可能提供最大頻寬為目#，因此，若不控制 用戶端頻I的使用，ISP業者就無法提供用戶端不同等級的 貢費方案（即依不同的頻寬收取不同的費用），而且還可能使 % ISP業者的網路设備不堪負荷。此外，就網路管理者而言， 面對呈扣數般成長的網路流量，也需設法控制頻寬，以避免 網路擁塞等相關問題。 對於ISP業者及網路管理者而言，為達頻寬控制 =ndwidthcontrol)的目的，網路交換器（netw〇rkswitch) 是常用之網路裝置。而一般網路交換器在進行頻寬控制時， 夕疋採用「漏桶」（leaky bucket)(為便於行文，以下以^㈣ bucket或bucket稱之）的作法。請參照圖一，其為leaky bucket 本紙張尺度適用中保平（CNS)A4規格_ χ 297公爱） -------------^--------^---------^ m _ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 536887 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（>) 之運作示意圖。Leaky bucket 10就像是一漏斗，裡面最多可 裝B個「代幣」（token) 11。對於等待傳輸的封包13而言， 必須有代幣11，才能通過佇列12到網路上。隨著封包13°持 縯的傳輸，代幣11也會隨之減少。當代幣u使用完後，便* 無法再繼續傳輸。因此’若能以一固定的速率，如尺個/秒， 補充bucket 10中之代幣11，就能控制每單位元時間所輸出/的 ^料量（因每位時間只能使用—定量的代幣n)，達到頻 寬控制的目的。每個代幣U所代表的資料量，則隨不同的網 路型態而異。例如，在乙太網路中，由於封包13大小不一， 便以-個位植作為-代幣n的資料量；而在非同步傳輸 模式（Asynchronous Transfer Mode ’ 簡稱 ATM)中，以大小 相同的細胞（cell)為傳輸單位，就可用此作為—個代帶^ 的資料量。此外’當bucket 1〇已滿，後續補充之代幣㈣ 會被丟棄，不會被使用。 至於在實作上，習知的作法主要有婦。第 地實作leaky bucket 10;第二種則是簡化的作法，將^ buckeUO補充代幣n的方式，由一固定的速率，改為每隔固 =時間’就重設為裝滿狀態。第—財法的優點是，能較精 確地控制頻寬，但缺點是成本太高；第二種方法雖狹能降低 成本，但卻無法提供精確的頻寬控制。 - 接^進-步說耻兩種作法。先看第—種 實作，有_變數簡重要：bueketlQ中代幣u的存二 =1〇的容量B。為了判斷封包13能否通過佇列12，必 須能掌握代幣11的存量。I ^ 里右以CNTR⑴來代表bucket 10 適用中國國家標準 --------------裝·-------訂---------線 r m {：請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁} -3 - 536887 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（> ) 在時間t的代幣11存量，並假設以尺個/秒的速率補充代幣 11，則CNTR (t)之值為CNTR (H) +R與容量B兩者中 較小者。在電路的實作上，必須以一計數器（c〇unter)來記 錄CNTR (t) ’但由前述計算CNTR (t)之值來看’計數器， 之值的更新牽涉到較大數值的加法運算，因而其相關電路的 設計會複雜，成本也相當高。 至於第二種作法，為了降低成本，則是使用電路相當簡 單之漣波計數器（ripple counter)，來記錄bucket 10中代幣 11的存量。漣波計數器雖能很容易地實作加一或減一的^ 异’但卻很難快速地達成加減較大數值的運算。因此，本作 法便以設定的運算，來取代加法的運算。若leaky匕如ι〇 原本是空的，以每秒R個的速率補充代幣n，經過B/R秒 bucketlO就會填滿。因此，實作上就是每隔B/R秒，便將漣 波計數ϋ的值重新設定為B，以此來避免第―種作法需要作 ，大數值的加減法運算。_，如猶法會導致不精確的頻 寬控制。因為在每個B/R秒的時間區段，Β個代幣丨丨不一定 每次都使用完，但只要一到下一個時間區段，又重新有β個 代幣11可用，如此每個單位時間的資料輸出量就不固定，自 然就無法達成精確的頻寬控制。 發明概述： 有鑑於上述問題，本發明之主要目的，即是希望提供一 種簡單而精確之頻寬控繼置及找’既能執行前述第一種 作法之精確_寬㈣，又能像前述第二種作法般降低電路 Μ氏張尺度_ t關雜準（CNS)A4規格⑵ 297公釐） ----------------- m * (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} ·- -丨線· n n n n · 536887 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明（+ ) 設計與製造上的成本。 為達到此目的，本發明將leaky bucket相關的計數運算 簡化，以便使用任何簡單的計數器，如漣波計數器，來實作二 此外’並藉由兩個計數器的設計，來達到leaky bucket在頻寬 控制上的精確性。 代幣以每秒R個的速度補充，換言之，即是每遺秒補 充-個代帶。此外，讓每個代幣皆代表一定的資料量，每傳 輸此-定之資料量’即減少一個代幣。若將1/R秒視為一單 位時間’此一定的資料量視為一單位資料，貝neaky滅过 的運作就變成每單位時間增加一個赠，以及每傳輸一單位 資料，即減少-個代帶。如此一來，响⑹如原本所需之 較大數值的運算’就簡化為加—與減一的運算。 基於厨述簡化的方式，本發明之頻寬控織置即以兩個 計數器（以下稱為第—計數器與第二計數器）、-計時器 (timer)及控制邏輯’再加上執行封包進时列之一動作 裝來實作leaky bucket。其運作方法為，每隔一單位時間， 汁時器即發出-訊號至控制邏輯，將第一計數器之值減一； 動作裝置每傳輸-單位元資料，控制邏輯即將第一計數器之 在本發明中’此單位資料以位元組計算，稱為單位 ，rVumtby!s)。另外，第-計數器有―預設之臨限值 res 〇Μ) ’當第一計數器到達此臨限值時，控制邏輯即不 准許動作裝置再傳輸封包。 =知道何時已傳輸了位雜㈣料，則以第二 禮_己錄已傳輸之位元組的數量。本發日_二計數器 · I------^ --------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 参紙張斤適標準(cns)A4規^^ x 297公釐） 536887 77 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 發明說明（ ，計為每傳輸—個位元組_魏加―，直至其值到達單位 兀:旦的大小時’即重★(肪et)為零，而此時因已傳輸— 早，，兀組，所以控制邏輯會將第—計數器加一。由於第 一與弟二計絲僅涉及域—缝縣，卿實作上皆 可使用簡單的計數器電路。 ^上所述’藉著本發明的頻寬控制裝置及方法，由於每 經-單位咖’就將第-計數，此代表在—單位時間 内’固疋只能傳輸一單位位元組的資料量，所以能精確地控 制頻寬，並且在電路實作上很簡單。 為使貴審查委員對於本發明之頻寬控制裝置及方法，能 有更進-步的瞭解與，舰合圖式作—詳細綱如後。 圖式之簡單說明： 圖一係為習知leaky bucket之運作示意圖。 圖二係為使用本發明之頻寬控制裝置的交換控制器之電路 連結方塊圖。 圖三係為本發明之頻寬控制裝置之電路連結方塊圖。 圖四係為本發明之頻寬控制方法中將封包輸入一佇列之相 關動作流程圖。 圖五係為在不同頻寬與不同單位位元組下，單位時間之選取 範例示意圖。 圖式之圖號說明： 10〜leaky bucket -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I----^--------^---------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 536887 五 A7 一 _B7 發明說明（t) 11〜代幣 12〜符列 13〜封包 20〜交換控制器 ， 21〜頻寬控制裝置 211〜第一計數器 212〜控制邏輯 213〜動作裝置 2131〜第二計數器 214〜計時器 22〜符列 23〜記憶體 41至51〜將封包輸入一佇列之相關步驟 詳細說明： 本節將以一較佳實施例，配合所附圖式作一詳細說明， 期使本發明之目的及特徵更明顯易懂。請參照圖二，其為使 用本發明之頻寬控制裝置的交換控制器之電路連結方塊圖。 如圖二所示，交換控制器20包含一頻寬控制裝置21、至少 一4丁列22以及一記憶體23。交換控制器20係用於一網路交 換器中’主要是執行及控制封包交換的功能；佇列22用以暫 存待傳輪之封包；記憶體23則用以儲存頻寬控制之相關變數 值，後文會再談到。 請再參照圖三，其為本發明之頻寬控制裝置21之電路連 -------------^--------^---------^ * · (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) __ 536887 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 玉、發明說明（^ ) 結方塊圖。如圖三所示，頻寬控制裝置21包括：一第一計數 器211、一控制邏輯212、一動作裝置213以及一計時器214。 第一計數器211，對應於該佇列而設置，具一預設之臨限值。 控制邏輯212,耦接至第一計數器211，對第一計數器211執 行加一及減一的運异，並依第一計數器211之值判斷封包能 否進入仔列22。動作裝置213，耦接至佇列22及控制邏輯 212 ’執行封包輸入與輸出該佇列22的動作，且每輸入一單 位位元組，即送出一遞增訊號至控制邏輯212。計時器214， 祕至控制邏輯212，每隔-單位時間即產生—遞減訊號至 控制邏輯212。 當控制邏輯212從動作裝置213接收到遞增訊號，且第 -計數n 2ΐι之值未達其臨限值時，#將第一計數器211加 一；當控制邏輯212從計時器214接收到遞減訊號，且第一 计數器211之值不為零時，即將第一計數器211減一。 另外，於動作裝置213内，對應佇列22設置一第二計數 器2131。當一封包被准許輸入佇列22時，每輸入一個位元 組，動作裝置213便將第二計數器2131之值加一；當第二計 數器2131之值到達一單位位元組的大小時，動作裝置213即 產生遞增訊號至控制邏輯212，且將第二計數器2131重設為 零。 至於記憶體23，則输至控制邏輯212，用來儲存第-計數器211之臨限值、單位位元組之大小與單位時間之大小 等頻寬控制之相關變數，可由控制邏輯212存取及設定。 由别述可以看出，第一計數器211與第二計數器2131 ------------I I ---1----訂-------I « W _ (請先閱讀背面之注咅W事項再填寫本頁)

536887 五 I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ------------------------------------ -------------------------------—______B7 、發明說明（ί ~' 由於僅是執行加減-或重設的運算，因此可用任何簡單 數器’如連波§十數器，來加以實作。 接下來，將解說如何運用前述之頻寬控制裝置21來進行 頻寬控制。本發明之頻寬控制方法主要是每經一單位時間，， 就由計時器214產生-遞減訊號至控制邏輯212，以將第一 =數器211減一，藉以來限制單位時間内，固定只能傳輪一 單位位兀組的資料量。至於實際執行頻寬控制時，封包傳輸 之相關動作’則請參關四，其為本發明之頻寬控制方法中 將封包輸入-仔列22之相關動作流程圖。如圖四所示，此流 程包括下列步驟： 41偵測到一封包抵達佇列22; 42動作裝置213詢問控制邏輯212是否准許該封包進 入； 43控制邏輯212判斷第一計數器211之值是否小於第一 冲數器211之臨限值，若是，則准許該封包進入，跳 至步驟45;若否，則不准許該封包進入，繼續以下步 驟； 44彳丁列22於啟動流量控制（flowcontr〇i)及丟棄該封 包中兩者擇一。 45動作裝置213依序將該封包之一位元組輸入彳宁列 22； 46動作裝置213將第二計數器2131之值加一； 47動作裝置213判斷第二計數器2131之值是否到達單 位位元組之大小，若否，則跳至步驟50;若是，則繼 本紙張尺度適用中國χ撕公餐7 --------------^-----------------^ r (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) w ()887 A7

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的資料量恰好就等於128 Kb。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一本發明的頻寬控僧法還能處理—辆情形。原則上， 第—计數H 211之值不能累加至超過其臨限值。不過，有一 種特殊情形是·.若-封包在第—計數器211之值未達其臨限， 值的條=下’被准許進人例22 ’如步驟43所述；但隨著 -個個單位位元組陸續輸人，就可能造成第—計數器叫已 累加到其臨限值而此封包卻未輸人完畢的特殊情形。此時， ^發明之頻寬控制方法允許持續輸人，朗此封包完全進入 仔列=2為止《至於因此而多用掉_寬，職後續單位時間 的頻寬中扣除。例如，若此封包輸入完畢後，第一計數器2ιι 之值較其臨限值多-，換言之，此封包多用了—個單位時間 的頻寬’因此，必須比正常情形多等待一單位時間，方能使 第-計數器211恢復至小於其臨限值，再重新開始輸入封包 至佇列22中。 藉由上述的處理方式，不但可避免因封包傳輸中斷造成 的資料流失與浪費頻寬的問題（不完整的封包形同廢棄），就

一段較長時間看，仍能同樣精確地控制頻寬。此亦為本發明 之頻寬控制方法的一項優點。 X 關於單位位元組大小與第一計數器211之臨限值，熟知 此領域技藝者當能輕易隨應用與其他因素而選取或調整。至 於對本發明所作之些微的改變及調整使用，仍將不失本發明 之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍。 綜上所述，本發明實施之具體性，誠已符合專利法中所 規定之發明專利要件，謹請貴審查委員惠予審視，並賜准 — II I — — — — — — — — — ·1111111 ^ ·11111111 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} -11 - 536887 A7 B7 五、發明說明（專利為禱。 -------------· I I-----訂-----I---*5^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 536887 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 • -翻寬控繼置，係減於—晴交換器之—交換於制 器中，該交換控制器包含至少一仔列，用以暫存待傳歡 封包，該頻寬控制裝置包括有： ， -第-計數器，對應於贿列，具—麟之臨限值； -控制邏輯，输至該第—計數器，對該第—計數器執行 加-及減-的運算，並依該第一計數器之值判斷封包 能否進入該狩列； -動作裝置’触至該糾及該控制賴，執行封包輸入 與輸出該件列的動作，且每輸入一單位位元組，即送 出一遞增訊號至該控制邏輯； 一計時器，耦接至該控制邏輯，每隔一單位時間即產生— 遞減訊號至該控制邏輯。 2.如申請專利範圍第丨項所述之頻寬控制裝置，其中當該控 制邏輯從該動作裝置接收到該遞增訊號且該第一計數器之 值未達該臨限值時，該第一計數器即加一；當該控制邏輯 =該計時H接收卿遞減訊號且該第—計數器之值不為零 時，該第一計數器即減一。 V 3·如申請專利範圍第1項所述之頻寬控制裝置，其中於該動 作裝置内對應該符列設置一第二計數器，當一封包被;隹許 輸入該符列時’每輸入一個位元組，便將該第二計數以 一；當該第二計數狀_達-單恤元_大^ = 動作裝置即產生該遞增訊號至該控制邏輯，且將該第二 數器重設為零。 裝------、耵------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁j 本紙張认適( CNS ) Μϋ 21^^ϊ) 536887

   4·如申請專利範圍第卜頁所 控制器更包含一化師^貞見㈣裝置，其中該交換 ^ 隱體，輕接至該控制邏輯，以儲存兮繁 =十數器之臨限值、該單位位元組之大小與該單 大小，並供該控制邏輯存取。 寺4之 專利範圍第3項所述之頻寬控制裝置，其中該第-计數裔與鹤二賴!!是漣料數器。 、μ 6·驟種頻寬控制方法’適用於—交換控制器中，包括下列步 (a)接受一封包； 圍車乂帛。十數益之值是否落在一預設之臨限值範 訂 (C)若步驟㈦之比較結果為「是」，則依序將該封包之 預定數量單位的位it資料輪人—作列中，並將 計數器之值加上一第一值； ⑷比較第二計數器之值是否超出—預設之單位位组 範圍外； 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ⑷若步驟⑷之比較結果為「否」，_回執行步驟（c); ⑴若步驟⑷之比較結果為「是」，則將第二計數器之 值回歸為-預設值’ Μ將該第一計數器之值加上 二值。 7 •如申請專利範圍第6項所述之頻寬控制方法，其中，在牛 驟（0後更包括有一步驟： 少 (g)判斷是否已輸入到該封包結尾；若「否」，則跳回執 行步驟（C);若「是」，則結束輪入該封包之動

   536887 申請專利範圍 8:申請專利範圍第6項所逑 驟（e)中，當步驟⑷之比較1汁法，其中，在步 回執行步驟（C)之前更包括二°果為否」時，則在跳 ⑻判斷是否已輸入到言d「 ^ 執行該跳回執行步驟（ 右否」，則繼繽 束輸入該封包之動作。之動作；若「是」，則結 9·如申請翻細第6項所述之頻寬 驟⑻興步驟⑷之間更包:去’其中，在步 (bl)若步驟⑻之比較結果 . 流量控制及丟棄_包^」__物於啟動 1〇_2請專利範圍第6項所述之頻寬控制方法，复 訂 •預物，對“ 線 12=^利範圍第6項所述之頻寬控制方法，其中該第一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 13. =Γ娜61峨规晴^中該第二 14. 如申請專利範圍# 6項所述之頻寬控制方法， 值係為-1。 、Τ以弟― 15. -種頻寬控制方法，係包括有下列步驟： a.提供-交換控繼，該交換控㈣中具有： 輯、-動作裝置、一計時器、一第一計數器、；= ‘紙張用中國國家標準（CNS ) A4· ( 21(^97公着「 J JUOO /

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 i器、—記憶體其至少儲存有該第-計數器之一臨限 減訊十時器可在每單位時間即產生一遞 Hi細嶋_是雖働炮進入，若該 不小於該第—計數器之臨限值，則不准 :二進入且結束輸入封包之動作；若該第—計數器 2值小於該第-計數器之_值，准許該封包進入並 繼績以下步驟； X動作裝置依序將销包之_位驗輸人 該第二計數器加一； e_該動作裝置判斷該第二計數器之值是否到達一單位位 7L組之大小’若否，職至步驟h;若是，廳續以下 步驟； f·動作裝置將_二計數H重設為零，並產生—遞增訊號 至該控制邏輯； g·該控制邏輯根據該遞增訊號而將該第一計數器加一； h.判斷是否已輸入到該封包結尾；若否，則跳回步驟d; 若是，則結束輸入該封包之動作。 16.如申請專利範圍第15項所述之頻寬控制方法，其中步驟( 更包括··當該封包不被准許進入該佇列時，該佇列於啟食 流量控制及丟棄該封包中兩者擇一。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 、言 0------ 本紙張又度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X-2奶公釐）