CN101692657A

CN101692657A - 分级服务核心路由器及其数据转发方法

Info

Publication number: CN101692657A
Application number: CN200910235399A
Authority: CN
Inventors: 肖扬
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2009-10-22
Publication date: 2010-04-07

Abstract

本发明公开一种分级服务核心路由器及其数据转发方法。所述方法包括如下步骤：将输入所述核心路由器的数据流依据类别和优先级别进行划分；依据所述核心路由器的输出连接容量确定接入数据流；获取数据缓冲队列；对低优先级别的各数据流进行丢包控制；依据路由表，查找所述分级优先队列组中高优先级别数据流的转发路径；优先转发高优先级别数据流的。本发明通过对输入数据流分类、接入控制、分级优先队列丢包控制等技术手段，充分利用路由器的出口带宽，保证高优先级用户的语音业务与多媒体业务的数据流的速率、最小延迟和丢包率。

Description

分级服务核心路由器及其数据转发方法

技术领域

本发明涉及网络路由技术，尤其涉及一种分级服务核心路由器及其数据转发方法。

背景技术

传统的、主要用于数据业务的IP网为满足语音业务与多媒体业务的需要，不得不考虑对网络各节点路由器采用分级服务算法，向分级服务网络演进。为保证IP网络上的服务质量(Quality of Service，QoS)，互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)首先提出用RSVP(Resource Reservation Protocol，资源预留协议)和Intserv(综合服务)模型，在发送数据前对建立至接收端的传输路径和预留资源，通过接入控制、策略控制、分类调度控制等机制实现端到端的QoS。

由于要在传输路径上的每个路由器为每一个流进行资源预留，并且要建立和拆除路径，这就要求每个路由器都要支持RSVP，都要维护路由和资源的“软状态”信息，这样，RSVP+Intserv模型的可扩展性及鲁棒性差，在现有的网络上特别对大型广域网实现起来非常困难，其主要问题在于核心路由器难以实现基于流的和基于分组的混合流的高速分级转发。这一问题促使IETF发展Diffserv(区分业务)模型。

在区分业务网络中，路由器分为边缘路由器与核心路由器。其中，边缘路由器的定义为，部署在区分业务网络的边缘，提供IP用户终端进入区分业务网络的接入的路由器；其功能为，对连接的IP用户数据流向核心路由器进行双向转发。核心路由器定义为，部署在区分业务网络的内部，连接边缘路由器或其它核心路由器的路由器；其功能为，对连接的边缘路由器或其它核心路由器进行双向转发。而核心路由器与边缘路由器有如下区别：

其一、在上行链路中，网络的边缘路由器的输入端口连接IP用户终端，输出端口连接核心路由器。在下行链路中，网络的边缘路由器的输入端口连接核心路由器，输出端口连接IP用户终端。

其二、网络的核心路由器不直接与IP用户终端连接，在上行链路中，网络的核心路由器的输入端口连接边缘核心路由器。在下行链路中，网络的核心路由器的输入端口连接其它核心路由器，输出端口连接边缘路由器。

其三、核心路由器需要处理的数据流的容量远远大于边缘路由器，每秒钟处理的数据包可达数千万个。在如此海量数据流的转发过程中，核心路由器完成区分业务功能是非常困难的。IETF发展Diffserv(区分业务)模型，考虑将区分业务功能由网络的边缘路由器完成。

其四、网络边缘路由器将业务流分解成小数据量的聚集流(类)，由IP分组包头的DSCP(Diffserv Code Point，区分业务码)来标识。网络边缘路由器实施分类、标记、管理等功能，网络的核心路由器仅根据DSCP相关的PHB(per-hop-behavior，单个路由段行为)转发数据包，简化了网络内部核心路由器的结构，取得比综合服务Intserv大的多的可扩展性。

但是，现有的区分业务网络方案中，核心路由器仍存在下列问题，以至于不能保证IP网有优先级的语音业务与多媒体实时业务质量。

第一、现有的核心路由器方案不能对路由器入口接收数据流分类，丢包控制，按服务级别转发。当区分业务网络的边缘路由器向核心路由器同时注入有优先级的数据包时，核心路由器不能保证高优先级的数据包的低延迟和低丢包率。

第二、现有的核心路没有考虑根据输出连接容量对输入分级数据流的接入控制。在有限连接容量的情况下，大量高服务级别的数据流，例如VOIP(Voice over Internet Protocol，网络电话)的接入同样会导致核心路由器大量丢包，无法保证已接入的高服务级别的数据流的服务质量。

第三、现有的核心路由器不能发现路径下游节点路由器的拥塞情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分级服务核心路由器和基于分级服务核心路由器的数据转发方法，基于该核心路由器及其数据转发方法，能够保证高优先级用户的语音业务与多媒体业务的数据流的速率、最小延迟和丢包率。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种分级服务核心路由器，包括：分类模块、接入控制模块、缓冲模块、分级优先队列管理模块、转发路径查找模块、调度模块。其中：分类模块用于将输入所述核心路由器的数据流依据类别和优先级别进行划分；接入控制模块用于依据所述核心路由器的输出连接容量、所述数据流的类别和优先级别，确定接入分级优先队列组的数据流；缓冲模块用于依据所述数据流的类别和优先级别，为进入所述分级优先队列组的数据流分别分配缓冲器，所述每一缓冲器对应一个数据流缓冲队列，并为所述每一数据流缓冲队列分配连接容量；分级优先队列管理模块用于监视所述各缓冲器中数据流缓冲队列的长度，计算所述分级服务核心路由器稳定平衡点的参数以对所述数据流缓冲队列进行丢包控制，按照优先级别，确定目标转发对象；转发路径查找模块用于依据路由表，查找所述目标转发对象转发路径，并将对应的数据包发送至所述核心路由器的输出电路接口；调度模块用于依据所述每一数据流缓冲队列分配连接容量，发送所述输出电路接口的数据包。

根据本发明的第二方面，本发明还提供了一种基于分级服务核心路由器的数据转发方法，包括步骤：将输入所述核心路由器的数据流依据类别和优先级别进行划分；依据所述分级服务核心路由器的输出连接容量、所述数据流的类别和优先级别，确定接入分级优先队列组的数据流；依据所述数据流的类别和优先级别，为进入所述分级优先队列组的数据流分别分配缓冲器，所述每一缓冲器对应一个数据流缓冲队列，并为所述每一数据流缓冲队列分配连接容量；监视所述各缓冲器中数据流缓冲队列的长度，计算所述核心路由器稳定平衡点的参数以对所述数据流缓冲队列进行丢包控制，按照优先级别，确定目标转发对象；依据路由表，查找所述目标转发对象转发路径，并将对应的数据包发送至所述分级服务核心路由器的输出电路接口；依据所述每一数据流缓冲队列分配连接容量，发送所述输出电路接口的数据包。

相对于现有技术中，本发明通过对输入数据流分类、接入控制、分级优先队列丢包控制等技术手段，充分利用路由器的出口带宽，保证高优先级用户的语音业务与多媒体业务的数据流的速率、最小延迟和丢包率。

附图说明

图1为表示本发明实施例分级服务核心路由器的结构框图；

图2为表示本发明实施例基于分级服务核心路由器的数据转发方法的步骤流程图；

图3为IP包头的结构示意图；

图4为两级TCP流的数据包往返时间曲线图；

图5为两级TCP流的丢包率曲线图；

图6为TCP、VOIP和UDP流为在本发明分级服务核心路由器处于拥塞情况下的吞吐量比较图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

分级服务核心路由器实施例

参照图1，图1是表示本发明实施例分级服务核心路由器的结构框图，分级服务核心路由器包括：

分类模块110，用于将输入所述核心路由器的数据流依据类别和优先级别进行划分。

接入控制模块120，用于依据所述核心路由器的输出连接容量、所述数据流的类别和优先级别，确定接入分级优先队列组的数据流。

缓冲模块130，用于依据所述数据流的类别和优先级别，为进入所述分级优先队列组的数据流分别分配缓冲器，所述每一缓冲器对应一个数据流缓冲队列，并为所述每一数据流缓冲队列分配连接容量。

分级优先队列管理模块140，用于监视所述各缓冲器中数据流缓冲队列的长度，计算所述核心路由器稳定平衡点的参数以对所述数据流缓冲队列进行丢包控制，确定目标转发对象。

转发路径查找模块150，用于依据路由表，查找所述目标转发对象转发路径，并将对应的数据包发送至所述核心路由器的输出电路接口。

调度模块160，用于依据所述每一数据流缓冲队列分配连接容量，将发送所述输出电路接口的数据包。

本实施例通过对输入数据流分类、接入控制、分级优先队列丢包控制等技术手段，充分利用路由器的出口带宽，保证高优先级用户的语音业务与多媒体业务的数据流的速率、最小延迟和丢包率。

作为对上述实施例的改进，在接入控制模块中，还包括为高优先级别的数据流预留预设连接容量的子步骤。

在上述实施例中，分级优先队列管理模块中，分级服务核心路由器稳定平衡点的各参数满足如下条件：

N_i(k)λ_i(k)[1-p_i(k)]≤c_i

其中，k为离散时间，k＝t/T_s，t为时间，T_s为数据流取样周期；λ_i(k)为具有第i个优先级别的用户群的数据发送速率，N_i(k)为路由器连接的具有第i个优先级别的服务用户个数；c_i(k)为所述核心路由器分配给第i个优先级的数据流的连接容量，p_i(k)为第i个优先级的数据流的丢包率；并且第i个优先级别的数据流的连接容量c_i(k)满足C为所述核心路由器总连接容量。

在上述实施例中，第i个优先级数据流的丢包率依据如下公式确定：

p_{i} (k) = \{\begin{matrix} 0,0 \leq q_{i} (k) < q_{i . \min} \\ p_{i, \max} \frac{q_{i} (k) - q_{i, \min}}{q_{i, \max} - q_{i, \min}}, q_{i, \min} \leq q_{i} (k) < q_{i, \max} \\ 1, q_{i, \max} \leq q_{i} (k) \end{matrix}

其中，p_i，max为设定的第i个优先级数据流的最大丢包率，q_i，min为路由器第i个缓冲器的最小队列长度，q_i，max为路由器第i个缓冲器的最大队列长度，q_i(k)为监测的缓冲器中数据流缓冲队列的长度。

为了克服现有的区分业务网络的核心路由器不能发现路径下游节点路由器的拥塞情况，调度模块进一步用于定时检测发送至所述分级服务核心路由器下游各核心路由器的探测数据包的时间延迟，并对路由表动态更新以获取最小延迟路由表；所述转发路径查找模块依据所述最小延迟路由表，查找所述分级优先队列组的数据流的转发路径，并将对应的数据包发送至所述核心路由器的输出电路接口。

通过检测到路径下游节点路由器的拥塞情况，可以选取具有延迟保证的多条路径，而非最短路径的多跳路径，从而找到更加合适的路径进行转发，提高数据流的转发速率，进一步缩短延时。

基于分级服务核心路由器的数据转发方法实施例：

参照图2，图2为表示本发明实施例基于分级服务核心路由器的数据转发方法的步骤流程图，转发方法包括如下步骤：

步骤210，将输入所述核心路由器的数据流依据类别和优先级别进行划分。

在根据本发明的一个具体实施方式中，分类器将分级数据流分为受控数据流(如TCP流)和非受控数据流(如UDP流，ICMP流，IGMP流等)。造成因特网络拥塞的数据流主要为TCP流和UDP流。由于TCP流和UDP流的数据包的IP包头是不同的，因此，通过读取数据包中IP包头可以判别所读取的数据包是TCP流的数据包还是UDP流的数据包，从而对数据包进行分类。

参照图3，图3为IP包头的结构示意图，读取到达数据包的包头获取数据流类别与服务级别。IP包头一般是20字节长。在因特网数据帧中，IP包头紧跟着因特网帧包头。IP包头最长可扩展到60字节。IP包头的各字段说明如下。

(1)版本字段长度4位：标识了数据包的IP版本号。这个4位字段的设置为二进制的0100表示IP版本4(IPv4)，设置为0100表示IP版本6(IPv6)。

(2)包头长度(header length)字段长度为4位：它表示32位字长的IP包头长度。

(3)服务类型(Type of Service，Tos)字段长度为8位：用来指定特殊的数据包处理方式。服务类型字段实际上被划分为两个字段：优先权和ToS。优先权用来设置数据包的优先级。ToS允许按照吞吐量、时延、可靠性和费用方式选择传输服务。

(4)数据包总长度(Total Length)：数据包总长度字段的长度为16位。接收者用总长度减去IP包头长度，就可以确定数据包数据有效载荷的大小。IP数据包的最大长度是65535。

(5)标识(Identifier)字段长度为16位：通常与标记字段和分段偏移字段一起用于数据包的分段。如果数据包原始长度超过数据包所要经过的数据链路的最大传输单元(MTU)，那么必须将数据包分段为更小的数据包。

(6)标记字段(Flag)长度为3位，其中第1位没有使用。第2位为不分段(DF)位。当DF位被设置为1时，表示路由器不能对数据包进行分段处理。如果数据包由于不能被分段而未能被转发，那么路由器将丢弃该数据包并向源点发送错误消息。第3位表示还有更多分段(MF)位，当路由器对数据包进行分段时，除了最后一个分段的MF位设置为0外，其他所有的MF位均设置为1，以便接收者直到收到MF位为0的分段为止。

(7)分段偏移量(Fragment Offset)字段长度为13位：以8个八位组为单位，用于指明分段起始点相对于包头起始点的偏移量。如果一个分段在传输中丢失，那么必须在网络中同一点对整个数据包重新分段并重新发送。容易发生故障的数据链路会造成时延不成比例。

(8)TTL(生存时间，Time To Live)字段长度为8位，在最初创建数据包时，TTL即被设置为某个特定值。当数据包逐个沿路由器被传输时，每台路由器都会降低TTL的数值。当TTL值减为0时，路由器将会丢弃数据包并向源点发送错误信息。

(9)协议(Protocol)字段长度为8位，它给出了主机到主机层或传输层协议的“地址”或协议号，协议字段指定了数据包中信息的类型。

协议号一般包括：1-ICMP、2-IGMP、被IP协议封装的IP、4-TCP、17-UDP、45-域间路由选择协议(IDRP)、47-通用路由选择封装(GRE)、54-NBMA下一跳解析协议(NHRP)、88-Cisco Internet网关路由选择协议(IGRP)、89-开放式最路径优先(OSPF)。

(10)包头校验和(Header Checksum)是针对IP包头的纠错字段。校验和不计算被封装的数据，UDP、TCP和ICMP都有各自的校验和。

(11)源IP地址和目的IP地址(Source and Destination IPAddress)字段长度为32位，分别表示发送者数据包源点和目的地的IP地址。

(12)可选项(Options)是一个长度可变的字段，它是可选的。常用的可选项如下：松散源路由选择(Loose Source Routing)，严格源路由选择(Strict Source Routing)，记录路由(Record Routing)，时间戳(Timestamp)。

例如，在具体实施本发明时，通过读取IP包头的协议字段数值：6：TCP，17：UDP，识别接入数据流的类型，将待进入数据流缓冲器的数据流分类为受控数据流TCP流和非受控数据流UDP流。

在对数据流进行分类后，还需要对每一类数据流进行分级，分级主要根据数据流的重要性的不同，TCP流可分为1级数据流，2级数据流，...，I级数据流；UDP流可分为1级数据流，2级数据流，...，I级数据流。其中，第1级数据流具有最高优先级别。比如，VOIP流属于1级UDP数据流

步骤220：依据所述核心路由器的输出连接容量、所述数据流的类别和优先级别，确定接入分级优先队列组的数据流。

在该步骤中，超出分级服务核心路由器连接容量的大量不同类别与不同服务级别的数据流需要通过该路由器转发时，接入控制模块根据路由器连接容量，控制不同类别数据流与不同服务级别的数据流的接入，优先接入高优先级别的数据流，限制或屏蔽低服务级别的数据流的接入。

步骤230：依据所述数据流的类别和优先级别，为进入所述分级优先队列组的数据流分别分配缓冲器，所述每一缓冲器对应一个数据流缓冲队列，并为所述每一数据流缓冲队列分配连接容量。

例如，数据流缓冲队列包括：受控数据流(TCP流)的缓冲队列和非受控数据流(UDP流)缓冲队列。也就是说，数据流缓冲器用于对不同服务级别的数据流进行缓冲，可将受控数据流(TCP流)与非受控数据流(UDP流)分别按服务级别进行缓冲。其中，受控数据流(TCP流)的缓冲队列和非受控数据流(UDP流)缓冲队列中，分别包括，1级数据流缓冲器，…，I级数据流缓冲器。

步骤240：监视所述各缓冲器中数据流缓冲队列的长度，计算所述核心路由器稳定平衡点的参数以对所述数据流缓冲队列进行丢包控制，确定目标转发对象。

该步骤是本实施例的一个重要的步骤，如何根据流缓冲队列的长度，计算所述核心路由器稳定平衡点，以对低优先级别的各数据流进行丢包控制将在下面的优选实施方式中进行详细的说明。

步骤250：依据路由表，查找所述目标转发对象转发路径，并将对应的数据包发送至所述核心路由器的输出电路接口。

步骤260：依据所述每一数据流缓冲队列分配连接容量，将发送所述输出电路接口的数据包。

在本实施例中，通过对输入数据流分类、接入控制、分级优先队列丢包控制等技术手段，充分利用路由器的出口带宽，保证高优先级用户的语音业务与多媒体业务的数据流的速率、最小延迟和丢包率。

作为对上述实施例的进一步的改进，在步骤120中，进一步包括为高优先级别的数据流预留连接容量的子步骤。

作为对上述实施例的进一步的改进，分级优先队列管理步骤中，需要配置分级服务核心路由器的网络参数，控制分级服务核心路由器稳定平衡点的各参数满足如下条件：

N_i(k)λ_i(k)[1-p_i(k)]≤c_i

其中，k为离散时间，k＝t/T_s，t为时间，T_s为数据流取样周期；λ_i(k)为具有第i个优先级别的用户群的数据发送速率，N_i(k)为路由器连接的具有第i个优先级别的服务用户个数；c_i(k)为所述核心路由器分配给第i个优先级的数据流的连接容量，p_i(k)为第i个优先级的数据流的丢包率；并且，第i个优先级别的数据流的连接容量c_i(k)满足

C为所述核心路由器总连接容量。

通过控制分级服务核心路由器稳定平衡点的各参数，优先将高级别数据发送到多队列路由查表模块与调度模块处理，对于级别低的TCP流和UDP流实行丢包，这样，无应答的低服务级别的UDP流不能占用边缘路由器未分配的连接容量。

作为对上述实施例的进一步的限定，分级优先队列管理步骤中，第i个优先级数据流的丢包率依据如下步骤确定：

p_{i} (k) = \{\begin{matrix} 0,0 \leq q_{i} (k) < q_{i . \min} \\ p_{i, \max} \frac{q_{i} (k) - q_{i, \min}}{q_{i, \max} - q_{i, \min}}, q_{i, \min} \leq q_{i} (k) < q_{i, \max} \\ 1, q_{i, \max} \leq q_{i} (k) \end{matrix}

其中，p_i，max为设定的最大丢包率，q_i，min为路由器第i个缓冲器的最小队列长度，q_i，max为路由器第i个缓冲器的最大队列长度，q_i(k)为监测的缓冲器中数据流缓冲队列的长度。

作为对上述技术方案的进一步限定，在上述步骤150中，路由表为最小延迟路由表，通过定时检测发送至所述分级服务核心路由器下游各核心路由器的探测数据包的时间延迟获得。

下面结合具体实施例及实验数据对本发明进行说明。

在本实施例中，涉及两类数据流：TCP流和UDP流。其中，TCP流分第1级和第2级；UDP流分为第3级和第4级，第3级为VoIP数据流。这种一般的混合流连接能产生更切合实际的网络数据流量情况。

依据上面所述的基于分级服务核心路由器的数据转发方法，设计的分级服务核心路由器的实验参数如表1和表2所示。在表1中，4类数据流分配的连接容量之和为该核心路由器的输出连接容量10000数据包/毫秒。

4类数据流在占用了4个缓冲队列。分级服务队列管理器对两类TCP流进行控制，使其满足：

N_i(k)λ_i(k)[1-p_i(k)]≤c_i，对于i＝1，2。

分类器保证第3级为VoIP数据流的接入，TCP流和一般UDP流(即第4级，尽力而为型服务)不能占用语音VoIP数据流连接容量，分类器将整个4级数据流发送到不同的缓冲队列。尽力而为型服务是指在连接容量许可的情况下，保证核心路由器的吞吐量为最大，而不管其丢包率、延迟、数据流的接入速率和数据包往返时间等指标。尽力而为型服务不适合语音VoIP流，因为它无法保证语音数据流的丢包率、延迟、数据流的接入速率。

表1连接容量分配

分级服务数据流	连接容量
分级服务数据流	连接容量	第1级，TCP流，有服务保障	C₁＝4000数据包/毫秒
第2级，TCP流，尽力而为	C₂＝2000数据包/毫秒	第1级，TCP流，有服务保障	C₁＝4000数据包/毫秒
第2级，TCP流，尽力而为	C₂＝2000数据包/毫秒	第3级，VoIP流，有服务保障	C₃＝2000数据包/毫秒
第4级，UDP流，尽力而为	C₄≥1000数据包/毫秒	第3级，VoIP流，有服务保障	C₃＝2000数据包/毫秒

表2两级TCP用户的网络参数

网络参数	第1级，TCP流，有服务保障	第2级，TCP流，尽力而为
网络参数	第1级，TCP流，有服务保障	第2级，TCP流，尽力而为	接入用户数	N₁＝30	N₂＝60
连接容量	C₁＝4000数据包/毫秒	C₂＝2000数据包/毫秒	接入用户数	N₁＝30	N₂＝60
连接容量	C₁＝4000数据包/毫秒	C₂＝2000数据包/毫秒	最大丢包率	p_1，max＝p₁₀＝0.05	p_2，max＝p₂₀＝0.1
传输延迟	T₁∈[3，4]毫秒	T₂∈[3，4]毫秒	最大丢包率	p_1，max＝p₁₀＝0.05	p_2，max＝p₂₀＝0.1
传输延迟	T₁∈[3，4]毫秒	T₂∈[3，4]毫秒	最小队列长度	q_1，min＝60数据包	q_2，min＝60数据包
最大队列长度	q_1，max＝300数据包	q_2，max＝400数据包	最小队列长度	q_1，min＝60数据包	q_2，min＝60数据包
最大队列长度	q_1，max＝300数据包	q_2，max＝400数据包	缓冲器最大容量	B₁＝800数据包	B₂＝800数据包
平均包长	100字节	100字节	缓冲器最大容量	B₁＝800数据包	B₂＝800数据包
平均包长	100字节	100字节	数据包往返时间	r₁₀＝47毫秒	r₂₀＝120毫秒

表2中，对于两类TCP流，其传输延迟T_i，i＝1，2在3毫秒和4毫秒之间变动，它们取决于至目的地终端的转发路径上各核心路由器的延迟。

分级优先队列管理控制丢包率，使数据包往返时间r₁₀＝47毫秒和r₂₀＝120毫秒，表2中设置参数q_i，min，i＝1，2和q_i，max，i＝1，2以使队列长度的动态平衡点满足：q_i0，q_imin≤q_i0≤q_imax。

依据上述实施方式进行的网络仿真中，数据包长度为100字节，两类TCP流缓冲器最大容量为800数据包，而第3类(VoIP数据流)和第4类(UDP流)的缓冲器最大容量为200数据包。下面结合图4、图5和图6进一步说明本发明。

参照图4，图4为两级TCP流的数据包往返时间曲线图。其中，曲线a代表TCP流中第一级用户数据包往返时间，曲线b代表TCP流中第二级用户数据包往返时间。从图4中可以看出，TCP流的往返时间被控制在表2给定的范围。第一级用户由于具有更高的优先级，其数据往返时间有一个较小的值。

参照图5，图5表明图5为两级TCP流的丢包率曲线图。其中，曲线a代表第一级用户的丢包率，曲线b代表第二级用户的丢包率。丢包率为TCP流服务质量的重要指标，丢包率低意味着数据传输可靠性高。从图5看出，在网络数据流进入稳定状态(0.075毫秒)后，两级TCP流的丢包率p_1，max＝0.05和p_2，max＝0.1能够得到保障。第1级TCP流用户具有更高的优先级，其丢包率有一个较小的值。

参照图6，图6为TCP、VOIP和UDP流为在本发明核心路由器处于拥塞情况下的吞吐量比较图。图6表明，TCP，VOIP和UDP流的吞吐量可充分利用核心路由器的输出连接容量。图6中最下方曲线d表明第4类UDP流并不能保证用户获得可靠的数据传输速率，因为他们优先级最低。但是，如果它们的合计链路容量小于1000数据包/毫秒，它们仍然可以获得所需的吞吐量。图6中第2条曲线c表明第3类数据流(VoIP数据流)吞吐量恒定，可以保证VoIP数据流的快速转发。图6中最上方曲线a和第3条曲线b说明两类TCP流的吞吐量的动态范围稳定，表明核心路由器可以提供稳定的分级数据流接入与转发。

综上，本发明一种分级服务核心路由器及其数据转发方法中：采用多队列并行处理、分级接入控制以及确定最小延迟转发路径等技术手段，可在有限连接容量的情况下充分利用路由器的出口带宽，保证高优先级用户的语音业务与多媒体业务的数据流的速率、最小延迟和丢包率。

本说明书中的实施例采用递进的方式描述，实施例重点说明的是本发明的实施方式和效果。实际***的实施例和方法实施例原理相似，相关之处可以互相参照。

以上对本发明所提供的一种分级服务核心路由器及其数据转发方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种分级服务核心路由器，其特征在于，包括：

分类模块，用于将输入所述核心路由器的数据流依据类别和优先级别进行划分；

接入控制模块，用于依据所述核心路由器的输出连接容量、所述数据流的类别和优先级别，确定接入分级优先队列组的数据流；

缓冲模块，用于依据所述数据流的类别和优先级别，为进入所述分级优先队列组的数据流分别分配缓冲器，所述每一缓冲器对应一个数据流缓冲队列，并为所述每一数据流缓冲队列分配连接容量；

分级优先队列管理模块，用于监视所述各缓冲器中数据流缓冲队列的长度，计算所述核心路由器稳定平衡点的参数以对所述数据流缓冲队列进行丢包控制，按照优先级别，确定目标转发对象；

转发路径查找模块，用于依据路由表，查找所述目标转发对象转发路径，并将对应的数据包发送至所述核心路由器的输出电路接口；

调度模块，用于依据所述每一数据流缓冲队列分配连接容量，发送所述输出电路接口的数据包。

2.根据权利要求1所述的分级服务核心路由器，其特征在于，所述接入控制模块中，还包括预留连接容量的子模块。

3.根据权利要求1所述的分级服务核心路由器，其特征在于，所述分级优先队列管理模块中，所述核心路由器稳定平衡点的各参数满足如下条件：

N_i(k)λ_i(k)[1-p_i(k)]≤c_i

其中，k为离散时间，k＝t/T_s，t为时间，T_s为数据流取样周期；λ_i(k)为具有第i个优先级别的用户群的数据发送速率，N_i(k)为路由器连接的具有第i个优先级别的服务用户个数；c_i(k)为所述核心路由器分配给第i个优先级的数据流的连接容量，p_i(k)为第i个优先级的数据流的丢包率；并且

第i个优先级别的数据流的连接容量c_i(k)满足

Σ_{i = 1}^{I} c_{i} (k) \leq C

C为所述核心路由器总连接容量。

4.根据权利要求3所述的分级服务核心路由器，其特征在于，所述分级优先队列管理模块控制第i个优先级数据流的丢包率依据如下公式：

p_{i} (k) = \{\begin{matrix} 0,0 \leq q_{i} (k) < q_{i, \min} \\ p_{i, \max} \frac{q_{i} (k) - q_{i, \min}}{q_{i, \max} - q_{i, \min}}, q_{i, \min} \leq q_{i} (k) < q_{i, \max} \\ 1, q_{i, \max} \leq q_{i} (k) \end{matrix}

5.根据权利要求1所述的分级服务核心路由器，其特征在于，所述调度模块进一步用于定时检测发送至所述核心路由器下游各核心路由器的探测数据包的时间延迟并对路由表动态更新。

6.一种基于分级服务核心路由器的数据转发方法，其特征在于，包括如下步骤：

分类步骤，将输入所述核心路由器的数据流依据类别和优先级别进行划分；

接入控制步骤，依据所述核心路由器的输出连接容量、所述数据流的类别和优先级别，确定接入分级优先队列组的数据流；

数据缓冲步骤，依据所述数据流的类别和优先级别，为进入所述分级优先队列组的数据流分别分配缓冲器，所述每一缓冲器对应一个数据流缓冲队列，并为所述每一数据流缓冲队列分配连接容量；

分级优先队列组管理步骤，监视所述各缓冲器中数据流缓冲队列的长度，计算所述核心路由器稳定平衡点的参数以对所述数据流缓冲队列进行丢包控制，按照优先级别，确定目标转发对象；

转发路径查找步骤，依据路由表，查找所述目标转发对象转发路径，并将对应的数据包发送至所述核心路由器的输出电路接口；

调度步骤，依据所述每一数据流缓冲队列分配连接容量，发送所述输出电路接口的数据包。

7.根据权利要求6所述的基于分级服务核心路由器的数据转发方法，其特征在于，所述接入控制步骤中，还包括预留连接容量的子步骤。

8.根据权利要求6所述的基于分级服务核心路由器的数据转发方法，其特征在于，所述分级优先队列组管理步骤中，所述核心路由器稳定平衡点的各参数满足如下条件：

N_i(k)λ_i(k)[1-p_i(k)]≤c_i

其中，k为离散时间，k＝t/T_s，t为时间，T_s为数据流取样周期；λ_i(k)为具有第i个优先级别的用户群的数据发送速率，N_i(k)为核心路由器连接的具有第i个优先级别的服务用户个数；c_i(k)为所述核心路由器分配给第i个优先级的数据流的连接容量，p_i(k)为第i个优先级的数据流的丢包率；并且第i个优先级别的数据流的连接容量c_i(k)满足

Σ_{i = 1}^{I} c_{i} (k) \leq C

C为所述核心路由器总连接容量。

9.根据权利要求8所述的基于分级服务核心路由器的数据转发方法，其特征在于，第i个优先级数据流的丢包率依据如下步骤确定：

p_{i} (k) = \{\begin{matrix} 0,0 \leq q_{i} (k) < q_{i, \min} \\ p_{i, \max} \frac{q_{i} (k) - q_{i, \min}}{q_{i, \max} - q_{i, \min}}, q_{i, \min} \leq q_{i} (k) < q_{i, \max} \\ 1, q_{i, \max} \leq q_{i} (k) \end{matrix}

其中，p_i，max为设定的第i个优先级数据流的最大丢包率，q_i，min为路由器第i个缓冲器的最小队列长度，q_i，max为路由器第i个缓冲器的最大队列长度，q_i(k)为监测的第i个缓冲器中数据流缓冲队列的长度。

10.根据权利要求6所述的基于分级服务核心路由器的数据转发方法，其特征在于，所述转发路径查找步骤中，所述路由表为最小延迟路由表，通过定时检测发送至所述核心路由器下游各核心路由器的探测数据包的时间延迟并对路由表动态更新获取。