CN101325538A - 一种边缘网关全***QoS的实现装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种边缘网关全***QoS的实现装置及方法，所述装置将QoS需求相关各个环节的功能实体有机的布置在网关协议栈数据包处理流程中，这些功能实体包括：分类模块：位于接收报文侧，通过布置协议栈的多层分类器完成对各类业务报文的分类并设置其优先级；流量监控模块：利用分类模块分类的结果进行流量监控，将各网络接口接收到的各业务报文流量控制在一定的速率之下，丢弃超出规定速率的报文；标记模块：位于发送报文侧，在协议栈的不同层次对报文进行优先级标记，以统一所有业务报文的优先级标识。本发明提高了边缘网关的QoS处理能力，可扩展性强，满足Diff－Serv模型对边缘网关的需求。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信技术，尤其涉及一种在边缘网关上实现全***QoS(Quality ofService，服务质量)的装置及方法。
背景技术
随着计算机网络的高速发展，越来越多的用户使用Internet作为数据传输的平台，开展各种应用，除了传统的WWW、E-mail、FTP应用外，一些新的业务，如远程教学、远程医疗、可视电话、电视会议、IPTV等业务发展迅速。这些新业务有一个共同的特点：即对带宽、延迟和延迟抖动等传输性能有特殊的需求。
新业务的不断涌现对网络的服务能力提出了更高的要求。以前的尽力而为(Best-Effort)策略已经不能满足需求，人们提出了Diff-Serv模型，它是一种适用于骨干网、可满足各种服务需求的QoS模型。在Diff-Serv体系中，用户通过不同的标记分组来申请不同层次的服务，网关保留有标记分组到每跳转发行为的映射。在提供QoS服务时，边缘网关与内部网关功能有所侧重，边缘网关主要负责：复杂流分类、为分组打标记、流量的接入速率监管等动作，而内部网关只需要进行简单的流分类、实施流量控制。如此设计的目的就是：使得网络内部的转发操作可以得到高效的实现。
现阶段边缘网关的QoS功能主要是在IP层挂接一个分类点，根据五元组(源\目的IP地址、协议、源\目的端口)来对报文进行分类，然后报文在离开网关时，根据分类的结果进行调度。其缺点是：分类功能弱，不能满足日益增长的各种应用需求，并且不能对各业务的速率进行监控。
发明内容
因此本发明所要解决的技术问题是提供一种边缘网关全***QoS的实现装置及方法，本发明能够提高边缘网关的QoS处理能力、增强QoS处理方法，满足Diff-Serv模型对边缘网关的需求。
本发明具体是这样实现的：
一种边缘网关全***QoS的实现装置，将QoS需求相关各个环节的功能实体有机的布置在网关协议栈数据包处理流程中，这些功能实体包括：分类模块：位于接收报文侧，通过布置协议栈的多层分类器完成对各类业务报文的分类并设置其优先级；流量监控模块：利用分类模块分类的结果进行流量监控，将各网络接口接收到的各业务报文流量控制在一定的速率之下，丢弃超出规定速率的报文；标记模块：位于发送报文侧，在协议栈的不同层次对报文进行优先级标记，以统一所有业务报文的优先级标识。
按上述方案，所述分类模块布置的多层分类器包括：物理分类器：布置在边缘网关的驱动层或物理层，根据报文进入的具体物理端口进行分类，或者由芯片根据数据包进行分类标记，然后根据该标记进行分类；二层分类器：对报文进行MAC地址分类、VLAN分类和802.1p分类，或者直接解析IP、端口甚至应用层进行分类；五元组分类器：对报文IP层五元组进行分类；应用层分类器：对边缘网关本身产生的报文提供分类；这些分类器单独使用或者组合使用。
按上述方案，所述标记模块通过重标记DSCP字段或者支持IEEE 802.1p标记对报文进行优先级标记。
按上述方案，还包括：入协议栈调度模块：在报文进入协议栈时，通过队列调度，优先级高的报文被优先调度入协议栈进行处理。
按上述方案，还包括：出接口调度模块：根据分类模块分类的结果在出接口上配置队列，对需要发送的报文进行调度。
按上述方案，报文在出接口调度模块进行入队操作，根据配置的出接口调度算法和各队列权重进行数据包发送处理。
按上述方案，还包括：物理层调度模块：当CPU将数据包传递给物理芯片后，进行物理层调度。
一种边缘网关全***QoS的实现方法，将QoS需求相关各个环节的功能实现有机的布置在网关协议栈数据包处理流程中，包括如下步骤：在接收报文侧，布置协议栈的多层分类器完成对各类业务报文的分类并设置其优先级；利用上述分类的结果进行流量监控，将各网络接口接收到的各业务报文流量控制在一定的速率之下，丢弃超出规定速率的报文；在发送报文侧，在协议栈的不同层次对报文进行优先级标记，以统一所有业务报文的优先级标识。
按上述方案，所述布置的多层分类器包括：物理分类器：布置在边缘网关的驱动层或物理层，根据报文进入的具体物理端口进行分类，或者由芯片根据数据包进行分类标记，然后根据该标记进行分类；二层分类器：对报文进行MAC地址分类、VLAN分类和802.1p分类，或者直接解析IP、端口甚至应用层进行分类；五元组分类器：对报文IP层五元组进行分类；应用层分类器：对边缘网关本身产生的报文提供分类；这些分类器单独使用或者组合使用。
按上述方案，还包括：出接口调度步骤：根据分类步骤分类的结果在出接口上配置队列，对需要发送的报文进行调度。
由于采用了上述方案，本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明对边缘网关进行了一系列的改造，使之能够满足Diff-Serv模型对边缘网关的需求，并灵活的应用于各种QoS场景。如：在网关设备上布置了多层分类器，灵活的使用这些分类器，就可以实现对边缘网关上的所有数据流进行全方位的分类；增加流量监控模块，以实现流量的接入速率监管；增加标记模块，根据分类的结果给分组打优先级标记；通过出接口队列调度各分组报文，保证特殊业务的底延迟和底延迟抖动的需求。
本发明将QoS优先级应用于整个网关***，并能够针对不同的QoS网络，灵活的进行转换，实现了边缘网关的全***QoS，大大提高了边缘网关的QoS处理能力，且可扩展性强，满足不同的应用场景。
附图说明
图1是本发明的QoS功能模块框架示意图；
图2是本发明的一个具体实施例的连接示意图；
图3是本发明的实施例中边缘网关转发报文的流程图；
图4是本发明的实施例中边缘网关处理本地报文的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施作进一步的说明：
本发明的设计构思如下：1、提出多层分类器概念，利用这些分类器完成对各类业务的分类；2、将速率监控跟QoS分类结合在一起，以实现对各类业务的流量监控；3、提供标记模块，该模块能够根据应用场景的不同，完成分组优先级标记功能。通过上述设计构思，以实现边缘网关上的全***QoS功能。
本发明主要是在网关协议栈不同层次安置不同的QoS功能模块，以达到全***QoS目标。根据协议栈的不同层次的特点，布置QoS功能点，如：在接收报文侧，分别布置了一层分类器、二层分类器和三层分类器，就可以对报文进行全方位的分类；在发送报文侧，安置标记模块，可以完成在协议栈的不同层次给报文进行优先级标记工作。报文从进入网关(或由网关本身产生)，到离开网关，所经过的所有QoS功能模块如图1所示(图1所示并不严格限制边缘网关对报文的处理顺序，不严格限制各QoS功能模块为必须)，下面详细描述各功能模块的作用：
1、分类模块
分类是数据包进行QoS处理的前提，报文进入网关或者由网关本地产生的报文，将先经过分类模块进行处理。该模块可工作在网关协议栈的各个层面：1、物理分类器，该层分类器布置在网关的驱动层或物理层，可以根据报文进入的具体物理端口等进行分类，也可由芯片根据数据包进行分类标记，然后该层分类器根据该标记分类(譬如交换芯片Marvel6097基于MAC地址或者协议端口之类给报文打上802.1p标记，再由二层分类器根据此标记进行分类，以简化软件处理)；2、二层分类器，该分类器可以对报文进行MAC(Media Access Control，媒体接入控制)地址分类、VLAN(Virtual Local Area Network虚拟局域网)分类和802.1p等分类，也可直接解析IP、端口甚至应用层进行分类；3、五元组分类器，其功能就是对报文IP层五元组进行分类；4、应用层分类器，该分类器主要给网关本身产生的报文提供分类，如VOIP(Voice over IP，基于IP的语音传输)、网管数据包、其它业务控制包(如PPPoE接入、IGMP加入离开等报文)等。通过配置，可以单独使用这些分类器，也可以组合使用。
2、流量监控
该模块可以根据接口对各类业务进行流量监控。该模块充分利用前面的分类模块分类的结果来进行流量监控，可以保证各网络接口接收到的各业务报文流量控制在一定的速率之下，丢弃超出规定速率报文。模块可以使用令牌桶等算法(这些算法为本领域技术人员熟知的常规技术，在此不予详述)，准确的控制报文速率。
3、入协议栈调度
在报文进入协议栈时，增加队列调度，优先级高的报文被优先调度入协议栈进行处理。这样就将QoS优先级的概念应用于网关的整个协议栈处理中。
4、标记模块
该模块的功能就是对报文进行优先级标记。在不同的Diff-Serv网络中，优先级的标识是不一样的，边缘网关在转发报文时，必须要统一所有报文的优先级标识。在Diff-Serv模型中，主要是通过DSCP来标识报文的优先级，内部网关再根据这个传递过来的DSCP字段安排策略进行相应的数据包处理操作。本模块除了标记DSCP字段，还可支持IEEE 802.1p标记。
5、出接口调度
在出接口上配置队列，对需要发送的报文进行调度。根据前面的分类结果进行入队操作，该模块可根据配置的出接口调度算法和各队列权重进行数据包发送处理。通过此处的调度，可保证特殊业务的传输性能。
6、物理层调度
当CPU将数据包传递给物理芯片后，对具备调度能力的芯片来说，此处的调度加强了QoS的功能，对网关来说，上一级模块(可能是分类模块或是标记模块)需要跟本模块约定共同的软件接口，以保证业务优先级的正确传递。
以下是本发明的一个具体实施例：
如图2所示，边缘网关HG下接的设备有：1、STB(Set Top Box，机顶盒)，可以看IPTV(网络电视)；2、Video Phone，可以打可视电话；3、Phone，可以打VOIP电话；4、PC，可以上网冲浪；HG的上行通过一条PVC(Permanent Virtual Circuit，永久虚电路)接入外网。HG是一个内部有着多类型接口和多接口的网关，可以假设：以太端口1接Video Phone，端口2接STB，端口3接PC机，Phone接HG的内部电话口。
在该实施例中，对于边缘网关HG来说，主要有两类报文：一类是需要HG转发的，如STB、Video Phone和PC数据，另一类则是HG本身所生成的，如VOIP数据。网关对这两类报文的处理是不一样的。
其中，ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户线)是边缘网关HG接入Internet的一种方式；PVC是永久虚电路，在用户和信息提供者之间建立ATM(Asynchronous Transfer Mode，异步转移模式)通道，用于数据的传输；另外，一个业务就是一个Session，如一条IPTV流就称为一个Session。
图3显示了边缘网关转发报文的处理流程，包括如下步骤：
步骤1、Video Phone接HG的以太端口1，STB接端口2，PC接端口3；
步骤2、网络接口接收到报文，并送到端口分类模块，该模块属于一层分类器。端口分类模块将端口1接收到的所有报文优先级设置为pri1，端口2接收到的报文优先级设置为pri2，端口3接收到的报文优先级设置为pri3；
步骤3、分类之后，报文进入流量监控模块，该模块能对先前分类的数据流速率进行监控，丢弃超出规定速率的报文；
步骤4、报文进入入协议栈调度模块，该处的调度主要是基于优先级的，保证高优先级的报文能够优先进入协议栈处理；
步骤5、报文送入协议栈处理；
步骤6、从协议栈出来之后，报文进入标记模块，对DSCP字段进行重标记；
步骤7、报文进入出接口调度模块，根据具体业务需求，可以动态配置队列调度算法以及各优先级队列的权重等；
步骤8、报文进入出接口驱动，在驱动中，可以根据具体芯片的特征，将报文送入相应的队列；
步骤9、芯片调度并发送报文。
上面就是边缘网关转发报文时，QoS框架处理流程。
图4显示了边缘网关处理本地报文的流程，跟图3相比，最大的差别在于QoS的分类是在应用层，即报文在生成的时候就完成了QoS的分类，后续的处理跟转发报文的处理流程一样，直接进入步骤6。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1、一种边缘网关全***QoS的实现装置，其特征在于，将QoS需求相关各个环节的功能实体有机的布置在网关协议栈数据包处理流程中，这些功能实体包括：
分类模块：位于接收报文侧，通过布置协议栈的多层分类器完成对各类业务报文的分类并设置其优先级；
流量监控模块：利用分类模块分类的结果进行流量监控，将各网络接口接收到的各业务报文流量控制在一定的速率之下，丢弃超出规定速率的报文；
标记模块：位于发送报文侧，在协议栈的不同层次对报文进行优先级标记，以统一所有业务报文的优先级标识。
2、如权利要求1所述的实现装置，其特征在于，所述分类模块布置的多层分类器包括：
物理分类器：布置在边缘网关的驱动层或物理层，根据报文进入的具体物理端口进行分类，或者由芯片根据数据包进行分类标记，然后根据该标记进行分类；
二层分类器：对报文进行MAC地址分类、VLAN分类和802.1p分类，或者直接解析IP、端口甚至应用层进行分类；
五元组分类器：对报文IP层五元组进行分类；
应用层分类器：对边缘网关本身产生的报文提供分类；
这些分类器单独使用或者组合使用。
3、如权利要求1所述的实现装置，其特征在于，所述标记模块通过重标记DSCP字段或者支持IEEE 802.1p标记对报文进行优先级标记。
4、如权利要求1至3中任意一项所述的实现装置，其特征在于，还包括：入协议栈调度模块：在报文进入协议栈时，通过队列调度，优先级高的报文被优先调度入协议栈进行处理。
5、如权利要求1至3中任意一项所述的实现装置，其特征在于，还包括：出接口调度模块：根据分类模块分类的结果在出接口上配置队列，对需要发送的报文进行调度。
6、如权利要求5所述的实现装置，其特征在于，报文在出接口调度模块进行入队操作，根据配置的出接口调度算法和各队列权重进行数据包发送处理。
7、如权利要求1至3中任意一项所述的实现装置，其特征在于，还包括：物理层调度模块：当CPU将数据包传递给物理芯片后，进行物理层调度。
8、一种边缘网关全***QoS的实现方法，其特征在于，将QoS需求相关各个环节的功能实现有机的布置在网关协议栈数据包处理流程中，包括如下步骤：
在接收报文侧，布置协议栈的多层分类器完成对各类业务报文的分类并设置其优先级；
利用上述分类的结果进行流量监控，将各网络接口接收到的各业务报文流量控制在一定的速率之下，丢弃超出规定速率的报文；
在发送报文侧，在协议栈的不同层次对报文进行优先级标记，以统一所有业务报文的优先级标识。
9、如权利要求8所述的实现方法，其特征在于，所述布置的多层分类器包括：
物理分类器：布置在边缘网关的驱动层或物理层，根据报文进入的具体物理端口进行分类，或者由芯片根据数据包进行分类标记，然后根据该标记进行分类；
二层分类器：对报文进行MAC地址分类、VLAN分类和802.1p分类，或者直接解析IP、端口甚至应用层进行分类；
五元组分类器：对报文IP层五元组进行分类；
应用层分类器：对边缘网关本身产生的报文提供分类；
这些分类器单独使用或者组合使用。
10、如权利要求8或9所述的实现方法，其特征在于，还包括：出接口调度步骤：根据分类步骤分类的结果在出接口上配置队列，对需要发送的报文进行调度。
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