TWI766558B

TWI766558B - 一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統

Info

Publication number: TWI766558B
Application number: TW110102739A
Authority: TW
Inventors: 曾建超; 陳彥瑋; 簡旭彤
Original assignee: 國立陽明交通大學
Priority date: 2021-01-25
Filing date: 2021-01-25
Publication date: 2022-06-01
Also published as: TW202231030A

Abstract

本發明係提供一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統，即在本發明的一種具低階優先權資料流隔離的兩階層優先權之頻寬管理系統中，當資料流切片傳輸量低於最小保證頻寬時，封包會以一個共用的高優先權進行佇列傳輸。

Description

一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統

本發明提出一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統，特別是一種具低階優先權資料流隔離的兩階層優先權之頻寬管理系統。

現今的網路應用與各式的服務項目日漸多元，而網路營運商或服務商於網路上提供多種的網路應用服務時，例如影音串流，擴增/虛擬實境等網路的應用服務時，皆會要求資料流具有特定的傳輸品質。倘若需要確保傳輸品質，一般網路營運商通常會主動提供「最小頻寬保證」(Minimum Bandwidth Guarantee)，以及「最大頻寬限制」(Maximum Bandwidth Limiting)的基本服務要求。故而，網路營運商或服務商皆可善用網路頻寬，提供不同的網路服務品質，並依不同的網路服務品質擬定適當的價格策略。

又者，於習知技術中，網路服務的「最小頻寬保證」 (Minimum Bandwidth Guarantee)以及「最大頻寬限制」(Maximum Bandwidth Limiting)，向來是網路營運計價收費的重要依據，特別是習知技術的頻寬保證竟未有資料流切片的概念，更缺乏針對性或彈性的頻寬管理機制，故而，當習知技術無法同時兼顧提供「最小頻寬保證」，以及「最大頻寬限制」的基本服務要求時，且更無法在不同通訊協定，或是不同流量的資料流的環境中時，進行管理特定資料流的頻寬，甚至於無法提供切片/資料流優先度的機制。故而，習知技術的頻寬管理解決方案對於特定通訊協定，完全無法達到預期的效果，甚至於無法保證特定資料流或整體網路的傳輸品質。

倘若，習知技術只能執行「保證最小頻寬」(Minimum Bandwidth Guarantee)，亦或是執行「最大頻寬限制」(Maximum Bandwidth Limiting)，則無法在不同通訊協定或流量的資料流的環境中，進行管理特定資料流的頻寬。倘若「頻寬保證」未導入資料流切片的概念，則無疑已缺乏針對性或彈性的頻寬管理機制。而此處所提到的「頻寬保證」的前提是：管理層(Administration)應確保「所有資料流切片所需的最小『頻寬保證』的總體加總，須小於實體網路頻寬」。因此，所有資料流切片的最小「保證頻寬」內的封包，即使都使用同一高優先權佇列進行傳輸，也不會造成網路的擁塞，因為於實際運作上，高優先權佇列的流量會小於實體網路頻寬。

甚者，於習知技術領域中，相關網路服務業者等所使用的P4((Programming Protocol-Independent Packet Processors)交換機，其所有的「計量表(Meter)」與「佇列(Queue)」，通常可用於封包分類，以及傳輸優先權的控制。眾所周知，當利用P4交換機時，雖可達到光纖速度的資料流頻寬管理，但由於現實的實體網路環境存在著不同的通訊協定，以及流量的資料流，倘若P4交換機的頻寬管理機制設計不周，其中衝勁較強的「用戶資料報協定(User Datagram Protocol, UDP)」的資料流，則會強烈影響「傳輸控制協定(Transmission Control Protocol, TCP)」的資料流的傳輸，而其中流量較大的資料流(Elephant Flow)也會影響其他資料流的傳輸，導致頻寬管理機制無法符合預期，更無法達成最小的「保證頻寬」，亦嚴重造成超過最小「保證頻寬」時的尖峰流量服務，使得無法善用總體頻寬，更無法提供更多樣的服務品質保證。

由前述可知，既有以P4交換機之頻寬管理機制在實際運作的頻寬管理實用性上，仍有相當大需要改良與改進的空間，更有待進一步檢討，並謀求可行的解決方案，已成為本領域持續關注的一項重要課題。

為能夠解決前述所提到的網路傳輸問題，本發明之一種頻寬管理系統，亦即一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統，係利用P4交換機的「計量器(Meter)」與「佇列(Queue)」，以及資料流切片的基本理念，提出一套可針對特定的資料流切片，提供「最小頻寬保證」及「最大頻寬限制」的頻寬管理機制。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的優勢之一，即使網路環境存在著不同通訊協定，或是存在著不同流量的資料流時，本發明仍可針對特定的資料流切片，提供「最小頻寬保證」及「最大頻寬限制」的管理功能。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的特徵之一，係資料流切片可具有不同的粒度(Granularity)，例如TCP/IP協議中的五元組(Five-tuple)，目的地的網際網路協定位址(Internet Protocol Address, IP Address)，目的地的傳輸層埠號等。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的優勢之一，係本發明可依照資料流的屬性，將不同通訊協定與流量的資料流，分類歸屬於不同的切片，以避免不同性質資料流之間的交互影響。此外，本發明還可設定資料流切片的「最小保證頻寬」和「最大頻寬限制」，並依照設定，以P4交換機進行指定的頻寬管理。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的特徵之一，係系統管理者(或程式)可先設定資料流所屬的切片，以及「最小保證頻寬」和「最大頻寬限制」。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的優勢之一，當封包進入交換機，本發明會依設定，辨識封包所屬的資料流切片，並依該資料流切片指定的頻寬與量測到的流量，進行封包分類，再依分類結果，丟棄封包或選擇傳輸封包的佇列。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的優勢之一，在資料流切片傳輸量低於最小保證頻寬時，封包會以高優先權佇列傳輸，當資料流切片傳輸量高於最小保證頻寬但低於最大限制頻寬時，封包會依資料流屬性使用不同的低優先權佇列，低優先權佇列再依權重比例分享高優先權佇列封包傳輸後的剩餘頻寬。當資料流切片傳輸量高於最大頻寬限制時，封包則予以丟棄。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的特徵之一，係以P4交換機的「計量器(Meter)」與「佇列(Queue)」，以及資料流切片的頻寬管理機制，針對特定資料流切片可以提供「最小保證頻寬」和「最大頻寬限制」。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的特徵之一，係當運用本發明時，即可以依照需求，設定欲保證或限制的資料流頻寬，進而增加網路營運或是服務商的服務彈性。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的優勢之一，係可提供最小頻寬保證和最大頻寬限制，使得網路營運或服務商可善用網路頻寬，提供不同的服務品質，並依不同服務品質制定適當的價格策略。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的特徵之一，當超過最小保證頻寬，但未超過最大流量限制的封包，會使用低優先權的佇列傳輸。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的特徵之一，為了避免不同協定或流量的資料流相互干擾，不同屬性資料流封包可使用不同的低優先權佇列傳輸，而低優先權佇列會再依權重比例，分享高優先權佇列封包傳輸後的剩餘頻寬。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的特徵之一，藉由佇列權重的設定，網路營運或服務商可控制不同的低優先權佇列的傳輸流量，而當資料流切片傳輸量高於最大頻寬限制時，封包則予以丟棄。

故而，本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統提出一種具低階優先權資料流隔離的兩階層優先權之頻寬管理系統，即在本發明中，當資料流切片傳輸量低於最小保證頻寬時，而封包會以一個共用的高優先權佇列傳輸。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

以下請參照所附圖式說明與敘述，以對本發明之實施形態據以示意圖進行描述。於示意圖式中，相同之元件符號表示相同之元件，且為求清楚說明，元件之大小或厚度可能誇大顯示。

如第1圖所繪示之本發明實施例的一種頻寬管理系統，亦即一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的系統方塊圖。以下請參照第1圖，顯示有本發明之交換機系統100，而該交換機系統100的四個基本元件，分別包括切片識別確認器(Slice Identification)110，封包分類器(Packet Classification)120，執行器(Policer)130，以及排程器(Scheduler)140。

仍如第1圖所繪示，係本發明實施例的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的系統方塊圖。圖中顯現該切片辨識器(Slice Identification)110，其功能係依設定判斷封包所屬的資料流切片，傳送該封包連同切片資訊予封包分類器(Packet Classification)120。本發明可依切片(Slice)而設定資料流的切片辨識，即本發明可以依據TCP/IP協議中的五元組(Five-tuple)，目的地的網際網路協定位址(Internet Protocol Address, IP Address)，目的地的傳輸層埠號，還有傳輸層的目的地埠號，或是其他封包的表頭欄位，而進行切片辨識，而若資料流並未有指定切片，則歸類於預設的資料流切片。

仍如第1圖所繪示之本發明實施例的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的系統方塊圖。於第1圖中，係呈現有封包分類器(Packet Classification)120，而封包分類器(Packet Classification)120之功能係依資料流切片的頻寬需求，使用以P4交換機的「計量器(Meter)」進行封包分類。例如於實務界有Tofino公司可提供P4交換機，而「計量器(Meter)」則可以提供實施一種區分服務流量的調節機制(Two Rate Three Color Mark, trTCM)。

如第2圖所示之封包標籤規則示意圖，本發明係以最低保證速率(Committed Information Rate, CIR)作為「最小保證頻寬的速率」，以最高傳輸速率(Peak Information Rate, PIR) 作為「最大頻寬上限的速率」，而以儲存尺度(Committed Bucket Size, CBS)，以及峰值儲存尺度(Peak Bucket Size, PBS)作為吸收瞬間脈衝封包。

仍如第2圖所示之封包標籤規則示意圖，通常依照實體頻寬，以及資料流的特性，進行設定儲存尺度(Committed Bucket Size, CBS)，以及設定峰值儲存尺度(Peak Bucket Size, PBS)即可。因此，封包分類器(Packet Classification)120會依照資料流切片的頻寬，而進行設定。其中有以下的幾個情況：

猶如第2圖所示之封包標籤規則示意圖，如前述以時間窗(Time Window)為橫軸作圖，當資料流切片總流量小於「最小保證頻寬的速率(CIR)」時，封包會標示為高優先(如第2圖的「保證」段)。

續如第2圖所示之封包標籤規則示意圖，如前述，而當資料流切片的流量在「最小保證頻寬的速率(CIR)」，以及「最大頻寬上限的速率(PIR)」之間時，則標示為低優先(如第2圖的「最佳效能」段)。

猶當如第2圖所示之封包標籤規則示意圖，如前述，當流量超過「最大頻寬上限的速率(PIR)」時，則將封包標示為該丟棄(如第2圖的「丟棄」段)。

仍繼續回到如第1圖所繪示，本發明實施例的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的系統方塊圖。顯現有執行器(Policer)130，該執行器(Policer)130之功能係依封包分類，安排傳輸的「佇列」或予以丟棄。而執行器(Policer)130則會丟掉標示為丟棄的封包，安排高優先的封包使用高優先權佇列。而低優先權的封包則依屬性安排於不同的低優先權佇列，猶如第3圖所示之具低優先權分流之兩階層優先權佇列架構圖，包括了低優先權與高優先權，其中有高優先權的混合(Mixed)型式，以及低優先權的型式1(Type 1)，型式2(Type 2)等……直到型式為n(Type n)。

例如第3圖所示之具低優先權分流之兩階層優先權佇列架構圖，當具有指定切片的傳輸控制協定(Transmission Control Protocol, TCP)，預設切片的傳輸控制協定(Transmission Control Protocol, TCP)，用戶資料報協定(UDP)，或是預設切片的大流量資料流等時，會分別排入各自的低優先權佇列，避免指定切片的傳輸控制協定(TCP)被用戶資料報協定(UDP)，或是預設切片的傳輸控制協定(Transmission Control Protocol, TCP)干擾，或避免大流量資料流影響其他資料流的傳輸。

繼續如第1圖所繪示之本發明實施例的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的系統方塊圖。其中顯現有排程器(Scheduler)140，該排程器(Scheduler)140之功能係依執行器(Policer)130的安排，將封包排入「佇列」，並且優先傳輸高優先權「佇列」的封包，再依低優先權「佇列」的排程法，以及傳輸權重，進行傳輸低優先佇列的封包。而「佇列」傳輸權重可以採用「加權輪詢調度法(Weighted Round Robin)」，「網絡調度程序的調度算法(Deficit Weighted Round Robin)」，以及交換機可逕予支援的各式優先權演算法。

請參照第1圖，當封包經由具有本發明實施例的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的交換機時，會先經由切片辨識器(Slice Identification)110以判斷封包所屬的資料流切片，再由封包分類器(Packet Classification)120依資料流切片的頻寬設定，以及所量測的資料流切片流量，以進行封包分類。而於封包分類後，交由執行器(Policer)130，安排傳輸「佇列」或予以丟棄。此外，排程器(Scheduler)140會依照執行器(Policer)130的決定，將封包排入指定的佇列，並優先傳輸高優先權佇列的封包。而當高優先權的佇列封包傳輸完後，再依低優先權「佇列」的排程演算法與頻寬權重，傳輸低優先權的「佇列」封包。而控制程式會依上述「切片(Slice)」與頻寬的設定，以及頻寬保證與限制的運作規則，將資料流處理規則安裝至交換機的四個模組。

第4圖係網路架構示意圖，如本發明實施例的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統，本發明係可部署在網際網路的入口(Ingress)端口，另一端是出口(Egress)端口，或其他需要頻寬管理的位於路徑的交換機，換言之，網路內部的任何網路架構，只要在入口(Ingress)端口，或在某一網路節點，部署本發明實施例的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統，即能有效管理資料流頻寬。

如前述，本發明實施例的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統，具有部署相關設定，而其管理者(或程式)需先設定資料流所屬切片，以及使用頻寬。

而本發明的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統係提供一套應用程式介面(Application Programming Interface, API)，以讓管理者(或程式)透過應用程式介面(Application Programming Interface, API)，指定資料流所屬切片，以及頻寬。本發明可視需求指定資料流所屬的切片，而資料流切片可有不同的粒度，一個資料流切片可具有相同的依據TCP/IP協議中的五元組(Five-tuple)的基本資料流，也可以是由多個資料流組成的聚集資料流(Aggregated Flow)，而一個聚集資料流可由具有相同的目的地之網際網路協定位址(Internet Protocol Address, IP Address)，傳輸層目的地埠號或其他封包表頭欄位(Header Fields)的資料流組成。而未指定切片的資料流，則歸屬於預設資料流切片(Default Flow Slice)，前述預設資料流切片的頻寬，則可視需求設定。

本發明的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的指定資料流切片，其具有最小保證頻寬或最大限制頻寬，且本發明可以視需求，同時設定資料流切片的最小保證頻寬和最大限制頻寬，也可以只設定資料流切片的最小保證頻寬或最大限制頻寬。

本發明的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統可設定多個低階優先權佇列，以隔離不同屬性的資料流。例如:有指定切片的傳輸控制協定(Transmission Control Protocol, TCP)，預設切片的傳輸控制協定(Transmission Control Protocol, TCP)，用戶資料報協定(UDP)，或是預設切片的大流量資料流等，而使各有各的低階優先權佇列。

本發明的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的頻寬管理演算可以是「加權輪詢調度法(Weighted Round Robin)」，「網絡調度程序的調度算法(Deficit Weighted Round Robin)」等，而權重則可視需求設定。

本發明的一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統的交換機控制程式，該控制程式會依切片(Slice)與頻寬的設定，以及頻寬保證與限制的運作規則，將資料流處理規則安裝到交換機。

本發明一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統能解決前述習知技術所存在之問題，包括只有「保證最小頻寬」或「限制最大頻寬」，無法在不同通訊協定，或不同流量的資料流的環境中，管理特定資料流的頻寬。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100:交換機系統

110:切片識別確認器

120:封包分類器

130:執行器

140:排程器

有關本發明之前述及其它許多優點，於以下配合參考圖示之一個較佳實施例的詳細說明中，將可更清楚呈現，其中如下︰ [第1圖] 繪示本發明實施例之一種具有兩階層優先權之頻寬管理系統之系統圖。 [第2圖]繪示本發明實施例之封包標籤規則示意圖。 [第3圖]繪示本發明實施例之具低優先權分流之兩階層優先權佇列架構圖。 [第4圖]繪示本發明實施例之網路架構示意圖。

100:交換機系統

110:切片識別確認器

120:封包分類器

130:執行器

140:排程器

Claims

一種頻寬管理系統，包含：一切片識別確認器，其中該切片識別確認器具有依一設定判斷一封包所屬的一資料流切片，傳送該封包連同一切片資訊至該封包分類器的功能；一封包分類器，其中該封包分類器具有依該資料流切片的一頻寬需求，使用以一交換機進行一封包分類的功能；一執行器，其中該執行器具有依一封包分類，安排傳輸的一佇列或一予以丟棄的功能；以及一排程器，其中該排程器具有依該執行器的安排，排入一封包佇列，優先傳輸一高優先權佇列的一封包，再依一低優先權佇列的一排程法，以及一傳輸權重，進行傳輸該低優先佇列的該封包的功能。