CN107431667A

CN107431667A - 在网络设备中调度数据包

Info

Publication number: CN107431667A
Application number: CN201680016656.XA
Authority: CN
Inventors: K·德舍佩尔; I-J·昌
Original assignee: Alcatel Lucent SAS
Current assignee: Origin Asset Group Co ltd
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2036-03-17
Also published as: US10425347B2; EP3070893A1; WO2016150813A1; US20180054394A1; CN107431667B; EP3070893B1

Abstract

用于发送具有数据包属性的数据包的网络设备，包括：‑用于在所述网络设备中对数据包进行排队的至少两个输入‑输出‑缓冲器；‑逗留时间计算器，用于计算在所述至少两个输入‑输出‑缓冲器中每个起始数据包的逗留相关时间；‑逗留相关时间适配器，用于基于分配到对应的输入‑输出‑缓冲器的适应函数，将所述逗留相关时间适配为在所述至少两个输入‑输出‑缓冲器中每个起始数据包的适配时间；‑调度器，用于根据适配时间来调度出站数据包。

Description

在网络设备中调度数据包

技术领域

本发明涉及网络设备中的数据包的调度。更具体地，本发明涉及针对优先级和/或延迟调度进行优化的调度机制。

背景技术

目前，纯优先级调度通常与速率限制器(监管或整形)结合，以确保较低优先级业务的最小吞吐量。加权轮询也被应用以确保不同业务类别的特定最小速率，但这不能保证延迟的优先次序。这两个***均不能用于由如传输控制协议TCP的终端***拥塞控制所驱动的贪婪业务而不损失低延迟优势(当前TCP创建大队列)。

另外，这些解决方案具有固定的带宽限制(在关于加权轮询的某些情况下，带宽限制与波动的当前链路容量有关)并且不根据拥塞级别来平衡类别权重(将容量平衡到每个类别中活动的流的数量)。

替代地，共享或耦合的活动队列管理AQM可以被应用在两个队列上以平衡流速率，其通过发送正确的标记/丢弃信号来引导终端***中的拥塞控制算法。可以通过丢弃或标记数据包对TCP进行拥塞控制，但是由于拥塞控制中的最小窗口(dc)tcp，每个流至少保留1或2个数据包正在传送(in flight)；如果所有数据包都被标记，则它们的窗口将不会降低到1个数据包以下，这意味着至少有一个或两个未确认的数据包总是通过tcp发送。如果比带宽时延积中更多的数据包正在传送(in flight)，则它们将在瓶颈链路的队列中结束。因此，如果有比带宽时延积更多的TCP流活动，那肯定是这种情况。如果使用纯优先级调度，则优先类别将在队列中持续具有数据包，并且较低优先级的流将会挨饿。

本发明的目的是提供一种数据包调度***，其允许没有挨饿流的公平的优先级排序和/或延迟。

发明内容

为此，本发明提供了一种用于发送具有数据包属性的数据包的网络设备，包括：

-至少两个输入-输出-缓冲器，用于对网络设备中的数据包进行排队；

-逗留时间(sojourn time)计算器，用于计算在至少两个输入-输出-缓冲器中每个起始数据包的逗留相关时间；

-逗留相关时间适配器，用于基于分配给对应的输入-输出-缓冲器的适配函数，将所述逗留相关时间适配为针对在所述至少两个输入-输出-缓冲器中每个起始数据包的适配时间；

-调度器，用于根据适配时间来调度出站数据包。

本发明的网络设备适于取决于队列中第一个数据包的逗留相关时间来调度不同队列上的数据包。每个队列就可以将不同的适配函数应用到该逗留相关时间。具有最大适配值的队列可以被调度。因此，适配函数允许实现按优先级排序，同时基于适配的逗留相关时间的调度允许公平调度。

实验室测试设置(使用真正的住宅网关RGW，阿尔卡特朗讯ISAM和阿尔卡特朗讯服务路由器)表明，使用根据现有技术的严格优先级调度器在具有8ms基本RTT的40Mbit链路(带宽时延积约为30个数据包)上只可以支持15个并行的低等待时间的流。如果更多的流正并行运行，则非优选的流将会挨饿(优先级队列始终是满的)。如果基本往返时间RTT进一步减少到例如4ms(通过禁用物理层上的某些机制)，则将只支持8个低优先级的流。使用本发明的机制，对最小基本RTT以及流的数量均没有限制。

优选地，网络设备还包括分类器，用于基于数据包属性将接收到的数据包分类到至少两个输入-输出-缓冲器之一中。因此，可以通过将数据包输入到预定的缓冲器中对数据包进行按优先级排序。

优选地，调度器适于将具有最高或最低适配时间的报头数据包作为下一个出站数据包来调度。这样的最高或最低适配时间的确定可以容易地在调度器中实现，使得调度器高效且快速地进行操作。此外，当网络设备中存在大量的输入-输出-缓冲器时，可以实现这样的最高或最低适配时间的确定。

优选地，逗留时间计算器和逗留相关时间适配器被提供为，定期重新计算在至少两个输入-输出-缓冲器中每个起始数据包的逗留时间和适配时间。通过定期重新计算逗留时间和适配时间，调度器具有允许调度器正确调度出站数据包的最新信息。

优选地，逗留时间是基于数据包驻留在网络设备中的时间。因此，优选地，分类器被提供为在对接收的数据包进行分类时将时间戳添加到接收的数据包，并且其中，逗留时间计算器被提供为从在计算时刻确定的另一时间戳中减去该时间戳。替代地，代替分类器，时间戳添加装置被提供以将时间戳添加到接收的数据包。在进入缓冲器时添加时间戳，以及从当前时间减去时间戳中的时间，是测量缓冲器中数据包逗留时间的简单方法。这种机制与数据包大小，队列长度，网络拥塞和其他影响无关。

优选地，适配函数包括：适配时间Ta＝a×Ts+b，其中，Ts是逗留时间，并且其中，a和b是预先确定的第一和第二参数，它们是针对至少两个输入-输出-缓冲器中的每一个来定义的。对于至少一个输入-输出-缓冲器中的每一个缓冲器，第一和第二参数被预先确定。因此，优先级机制可以被预定义和设计。通过计算适配时间，调度器可以基于适配时间来调度出站数据包。在这种情况下，很明显可以替代地将任何函数、复杂的算术运算或使用表格的值映射用作适配函数。诸如幂、指数函数和对数函数可能是有用的。也可以在将数据包排入队列时进行适配。例如，通过将入队时间戳(＝Te)减少b可以实现函数Ta＝Ts+b，并且调度器只可以使用最低时间戳而不减去当前时间(为出队时间＝Td，并且Ts＝Td-Te)，因为当比较两个Ts时间时(并且当由于-Te反转结果时)两个Td都可以被消去。在双队列的情况下，如果结果为负(或零)，则调度器只需要减去两个时间戳并且调度来自第一队列的数据包，否则调度来自第二队列的数据包。这是本发明的另一个实施例。此外，用乘法也有可能进行优化。如果对于第一队列来说适配函数为Ta＝(Ts+b)/a，而对于第二队列Ta＝Ts，则在将第二队列排入队列时可以将以下运算应用到应用于时间戳：Te＝a.T+b(当前时间为T)。可以从2个数据包的时间戳的差中额外减去运行快(a-1)倍的第二时钟(或者时钟结果T可以乘以(a-1))，并且再次，如果结果为负(或零)，则来自第一队列的数据包将被调度。这两个例子都将减少所需的出队操作。在所有实施例中，逗留时间被直接或间接地计算并且适配函数被直接或间接地完成，使得所有这些实施例都被考虑为本发明的一部分。

优选地，对于至少两个输入-输出-缓冲器中的至少一个，第一参数a偏离1和/或第二参数b偏离0。因此优先级的差异被内置，这允许基于经修正的逗留相关时间的优先级调度。

本发明还涉及一种用于在网络设备中调度数据包以发送数据包的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

-计算在至少两个输入-输出-缓冲器中每个起始数据包的逗留相关时间；

-基于分配给对应的输入-输出-缓冲器的适配函数，将所述逗留相关时间适配成在至少两个输入-输出-缓冲器中每个起始数据包的适配时间；

-基于适配时间来调度出站数据包。

该方法描述了如上所述的根据本发明的网络设备的使用。因此，关于网络设备的所描述的优点和效果同样适用于本发明的方法。

优选地，调度步骤包括将具有最高或最低适配时间的报头数据包选择为下一个出站数据包。

优选地，定期重复计算步骤和适配步骤中的至少一个，以保持至少适配时间是最新的。

优选地，该方法还包括在对缓冲器中的数据包进行分类时将时间戳添加到每个接收的数据包。

优选地，适配函数被计算，使得适配时间Ta＝a×Ts+b，其中Ts是逗留相关时间，并且其中，a和b是预先确定的第一和第二参数，它们是针对至少两个输入-输出-缓冲器中的每一个来定义的。

本发明还涉及一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令在被执行时致使数据处理装置执行本发明方法的步骤。

附图说明

现在通过举例的方式并参考附图来描述根据本发明实施例的装置和/或方法的一些实施例，其中：

图1图示了根据现有技术的第一优先级调度器；

图2图示了根据现有技术的第二优先级调度器；

图3图示了根据本发明的调度器的优选实施例；和

图4图示了根据本发明的调度器的另一优选实施例。

具体实施方式

图1图示了具有分类器2、第一输入-输出-缓冲器3和第二输入-输出-缓冲器4的现有技术的网络设备1，其中，分类器基于数据包属性对缓冲器3、4中的入站数据包5进行分类。在图1的示例中，缓冲器3是优先级缓冲器以使得优先级数据包被分类到缓冲器3中，而其他数据包被分类到缓冲器4中。图1中的调度器6是将缓冲器3优先于缓冲器4的严格优先级调度器。实际上，如果缓冲区3中存在数据包，则该数据包将总是作为下一个出站数据包7被调度。如上所述，如果优先级数据包速率太高并且优先级队列长时间不能被清空，则该***可能使缓冲区4和非优先级数据包挨饿。

图2图示了与图1中的网络设备1类似的现有技术的网络设备1。图2中的调度器6是加权轮询调度器，其根据预先确定的缓冲器顺序来调度数据包。例如，它可以被配置为周期性地调度来自缓冲器4的2个数据包，然后调度来自缓冲器3的1个数据包。虽然这样防止了挨饿，但是却没有提供延迟下降。

在图3中描绘了具有2个队列的***1。当数据包达到5时，它们接收时间戳8(基于从优选为单调时钟的时钟导出的当前时间，作为附加信息附加到数据包)，数据包基于数据包属性被分类为2，并且在两个FIFO队列3、4之一中被排入队列。调度器6是以针对每个队列的起始数据包完成的逗留时间测量为基础的。当可以发送下一个数据包时，从当前时间(从时钟接收的)减去第一个数据包的时间戳，并且标为Qi。这是逗留时间并且在图中由方框9图示。对于每个队列，可以定义适配函数10(例如，q1＝f(Q1)＝Q1+50ms，q2＝g(Q2)＝Q2>>3＝Q2/8)。然后，比较所得到的qi值，并且选择队列中具有最高值的数据包以用于作为下一个出站数据包7来进行调度。

适配函数10可以包括简单的适配，例如，可选地用简单的移位操作，每一个队列就将该值除以或乘以不同的数，例如：q＝Q<<3＝Q*8，这使得FIFO类的队列每一个队列都具有不同的队列等待时间，例如1到8的比率。还可以为一些队列的逗留时间添加偏移，例如：q＝Q+10ms，从而保证至少与其他队列相比较，在本示例中为10ms的各个时间偏移量小于那些队列的排队延迟。其他函数也是可能的。

在图4中，用耦合的活动队列管理AQM来扩展图3的实施例。此外，出队数据包的标记和丢弃概率被计算，作为某些排队属性的函数，所述排队属性在这种情况下如框12所图示例如也是两个队列的逗留时间。通过按队列应用不同的函数，吞吐率可以纠正，例如被纠正到TCP公平性。对于TCP来说，如果部分取决于增加的排队时间的2类别的RTT——往返时间的比率是X，则2类别的吞吐率将是1/X。如果使用TCP reno，则吞吐量r＝1.22/(p^(1/2)*RTT)，其中，p是标记或丢弃概率，RTT是往返时间。为了补偿X的RTT比率，需要1/X^2的p比率。考虑到基本RTT(没有排队时延的RTT)，可以定义针对每一个单独的实际队列逗留时间的标记/丢弃概率的正确映射。标记/删除在图中由框13所示。

替代于按数据包使用时间戳，存在替代的排队延迟测量，这是基于按字节的队列大小和吞吐量估计器。该替代或任何其他替代实施也可以被用作确定队列中的数据包的持续时间的机制。

延迟方面的优先级可以被分配到不同类型的业务，而没有使其他业务挨饿的风险。通过使用例如按字节大小排列的队列时间不可能同样做到这一点。如果在一个队列中只发送一个数据包，则字节大小(如果小于阈值)将始终保持得比较小，而逗留时间总是在不被调度的情况下增加，并且最终将达到用于调度的阈值。

与其他调度器相比，本发明的另一个优点是能够平衡拥塞程度而不需要考虑不同队列的调度速率。时延是调度速率和在它之前在队列中的数据包大小的函数。以这种方式，可以按流来对时延进行平衡，而与业务类别中的流的数量以及该业务类别的调度速率无关。与加权轮询相比，每个类别的调度速率/权重是不变的，与每个类中的拥塞程度无关，并且与优先级调度相比，第二类别的时延是两个类别中的时延之和。如果第一优先级级的类别被拥塞，则第二优先级的类别将挨饿，而在本发明中不是这种情况。

本领域技术人员将容易地认识到，可以通过编程的计算机来执行各种上述方法的步骤。这里，一些实施例还旨在涵盖程序存储设备，例如数字数据存储介质，其是机器或计算机可读的并且对机器可执行或计算机可执行的指令程序进行编码，其中，所述指令执行所述的上述方法的部分或全部步骤。例如，程序存储设备可以是数字存储器、诸如磁盘和磁带的磁存储介质、硬盘驱动器或光学可读数字数据存储介质。实施例还旨在覆盖被编程为执行上述方法的所述步骤的计算机。

说明书和附图仅仅说明了本发明的原理。因此，应当理解，本领域技术人员将能够设想各种布置，尽管在本文中未明确地描述或显示，它们也体现了本发明的原理并且包括在其精神和范围内。此外，在本文中列举的所有示例主要明显旨在仅用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理和(一个或多个)发明人为促进本领域而贡献的概念，并且将被解释为不限于这些具体叙述的示例和条件。此外，本文中所有陈述本发明的原理、方面和实施例的所有陈述及其具体示例都旨在涵盖其等同物。

可以通过使用专用硬件以及能够与适当的软件一起执行软件的硬件来提供图中所示的各种元件的功能，包括被标记为“处理器”的任何功能块。当由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个单独的处理器提供，其中一些可以被共享。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应被解释为排他地指能够执行软件的硬件，而是可以隐含地包括但不限于数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。常规和/或定制的其他硬件也可以被包括。类似地，图中所示的任何开关仅是概念性的。它们的功能可以通过程序逻辑的操作，通过专用逻辑，通过程序控制和专用逻辑的交互执行，或甚至手动执行，通过对上下文更加具体理解的特定技术是实现者可选择的。

本领域技术人员应当理解，本文的任何框图表示体现本发明原理的说明性电路的概念视图。类似地，应当理解，任何流程图、流程框图、状态转换图、伪代码等代表各种过程，这些过程可以在计算机可读介质中被实质上地表示并且因此被计算机或处理器实质上地执行，不管这样的计算机或处理器是否已明确地显示。

Claims

1.一种用于发送具有数据包属性的数据包(5)的网络设备(1)，包括：

-至少两个输入-输出-缓冲器(3、4)，所述至少两个输入-输出-缓冲器(3、4)用于对网络设备中的数据包进行排队；

-逗留时间计算器(9)，所述逗留时间计算器(9)用于基于数据包在所述网络设备中驻留的时间，计算在所述至少两个输入-输出-缓冲器中每个起始数据包的逗留相关时间；

-逗留相关的时间适配器(10)，所述逗留相关的时间适配器(10)用于基于分配到对应的输入-输出-缓冲器的适配函数，将所述逗留相关时间适配为在所述至少两个输入-输出-缓冲器中每个起始数据包的适配时间；

-调度器(6)，所述调度器(6)用于基于所述适配时间来调度出站数据包，其中，所述调度器适于将具有最高或最低适配时间的起始数据包调度为下一个出站数据包。

2.根据权利要求1所述的网络设备(1)，其中，所述网络设备还包括分类器(2)，所述分类器(2)用于基于所述数据包属性将接收的数据包分类到所述至少两个输入-输出缓冲器(3、4)之一中。

3.根据前述权利要求中任一项所述的网络设备(1)，其中，所述逗留时间计算器(9)和所述逗留相关时间适配器(10)被提供为定期至少重新计算对于在所述至少两个输入-输出-缓冲器中每个起始数据包的适配时间。

4.根据权利要求3所述的网络设备(1)，其中，所述网络设备还包括时间戳添加装置(8)，所述时间戳添加装置(8)用于在对所述接收的数据包进行分类时将时间戳添加到所述接收的数据包，并且其中，所述逗留时间计算器(9)被提供为从在计算时确定的另一个时间戳中减去所述时间戳。

5.根据前述权利要求中任一项所述的网络设备(1)，其中，所述适配函数包括公式(Ta＝a×Ts+b)，其中，Ta是适配时间，其中，Ts是逗留时间，并且其中，a和b是预先确定的第一和第二参数，所述预先确定的第一和第二参数是针对所述至少两个输入-输出-缓冲器(3、4)中的每一个来定义的。

6.根据权利要求5所述的网络设备(1)，其中，对于所述至少两个输入-输出-缓冲器(3、4)中的至少一个，所述第一参数a偏离1和/或所述第二参数b偏离0。

7.一种用于在用于发送数据包的网络设备(1)中调度数据包(5)的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

-基于数据包在所述网络设备中驻留的时间，计算在至少两个输入-输出-缓冲器中每个起始数据包的逗留相关时间；

-基于分配到对应的输入-输出-缓冲器的适配函数，将所述逗留相关时间适配成在所述至少两个输入-输出-缓冲器中每个起始数据包的适配时间；

-基于所述适配时间来调度出站数据包，其中，所述调度步骤将具有最高或最低适配时间的起始数据包调度为下一个出站数据包。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述计算步骤和所述适配步骤中的至少一个被定期重复以保持至少适配时间最新。

9.根据权利要求7-8中任一项所述的方法，其中，所述方法还包括在对所述缓冲器中的数据包进行分类时将时间戳添加到每个接收的数据包。

10.根据权利要求7-9中任一项所述的方法，其中，使用公式(Ta＝a×Ts+b)来计算所述适配函数，其中，Ta是适配时间，Ts是逗留时间，并且其中，a和b是预先确定的第一和第二参数，所述预先确定的第一和第二参数是针对所述至少两个输入-输出-缓冲器中的每一个来定义的。

11.一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令在被执行时致使数据处理装置执行根据权利要求7-10中任一项所述的方法的步骤。