CN107733689A - 基于优先级的动态加权轮询调度策略方法 - Google Patents

基于优先级的动态加权轮询调度策略方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，利用本发明网络资源利用率高，带宽资源分配公平，网络资源调度合理高效。本发明通过下述技术方案予以实现：针对不同优先级的数据流，基于优先级的动态加权轮询调度策略方法分为队列管理模块和轮询调度模块，队列管理模块将网络中的所有业务分为n个优先级子队列；骨干网节点收到业务数据包后，根据业务的QoS需求判断到达骨干网节点的业务数据包优先级，按优先级将业务数据包***对应的缓存子队列；轮询调度模块进行周期轮询；根据当前各个子队列的队列长度Q，计算各子队列的忙碌度，对忙碌度进行排序，根绝忙碌度排序结果动态调整子各队列的轮询权重值，依次轮询各子队列，发送数据包。

Description

基于优先级的动态加权轮询调度策略方法
技术领域
本发明属于通信和网络技术领域，特别涉及一种基于优先级的动态加权轮询调度策略方法。
背景技术
未来通信网络的发展趋势之一是朝着由天地一体化网络的方向演进，网络主要如图3所示，由天基卫星网络、地基骨干网络以及各通信子网、用户构成。随着科学技术的飞速发展，网络中的业务量也呈***式的增长，而且不同的业务在时延、丢包率等性能方面也有着不同程度的要求。但网络资源总是有限的，在网络总带宽固定的情况下，如果某类业务占用的带宽越多，那么其他业务能使用的带宽就越少，可能会影响其他业务的使用。基于此，专家们提出了QoS(服务质量)的概念，针对各种应用的不同需求，来对网络资源进行合理的规划和分配，从而使网络资源得到高效利用。传统的IP网络是一种无连接的网络，它并不为应用提供服务质量(QoS)保证。而是只提供“尽力而为”的服务。随着服务质量(QoS)服务的提出，新型路由设备对业务流的处理方式进行了改进，对输入的业务流进行分类，把具有不同要求的业务流映射到不同队列中，通过特定的调度策略为不同业务流提供有区别的服务和保障。调度是将收到的用户访问请求分配给内部的真实服务器，由其作出应答；所谓轮询调度就是从所有等待服务的队列中，按照特定策略、依据各队列的参数依次选择某队列的数据分组，转发到相应的输出链路上。基于业务分类的队列轮询调度策略是排队理论在实际应用中针对多队列共享资源的重要模型，也是实现QoS支持的关键之一，是对有限的资源进行合理高效的调度的必要手段，一直以来就是研究的热点。
目前，已有很多种轮询调度算法被提出，如基本的轮询调度(Round Robin，RR)策略、动态队列调度算法、加权轮询调度(Weighted Round Robin，WRR)算法等。但面对网络环境中复杂多变的影响因素，这些算法都存在一定的缺陷。RR策略每次服务某队列里的一个数据包就转向下一个队列，看似比较公平的为每个队列分配了带宽资源，但是不同业务的数据长度不一样，较长的业务分组获得更多的带宽资源，限制了队列之间的公平性，并且RR策略没有考虑到不同业务之间的需求差异，对于需要带宽和时延保障的高优先级业务不能提供良好的服务保障。
动态队列调度算法根据优先级来判断队列转发的优先顺序。在队列调度时，优先级调度算法严格按照优先级从高到低的次序，优先发送较高优先级队列中的分组，当较高优先级队列为空时，再发送较低优先级队列中的分组。这样，将关键业务的分组放入较高优先级的队列，将非关键业务分组放入较低优先级的队列，可以保证关键业务的分组被优先传送，优先级调度算法的缺点是拥塞发生时如果较高优先级队列中长时间有分组存在，那么低优先级队列中的报文就会由于得不到服务而“饿死”。
在WRR调度算法中，根据队列的权值来决定转发报文的数量。首先设置一个变量weight记录队列的权值，在进行队列调度时，首先判断weight值是否大于0以及队列是否非空，若weight大于0且队列非空，则从该队列中转发一个分组，并将weight减1，继续进行条件判断，直到weight值等于0或队列为空，转到下一个队列开始调度，当所有队列都轮询一遍后，将每个队列的weight值恢复为初始值，然后从第一个队列开始，再次遍历，不停地重复以上步骤。当网络流量增加时，每个队列的权值不能动态调整的WRR缺乏调控能力。
在拥塞的网络环境中必然会有丢包。既然丢包是必然的，就要尽量保证优先级高的队列少丢包。选择一个良好的调度算法可以保证内部真实服务器负载的均衡性，避免出现个别服务器的偏载甚至过载，同时保证调度的执行效率。一个好的队列调度算法可以大大提高网络的性能，这在带宽资源扩展速度远远落后于网络中消息增加速度的今天，重要性不言而喻。
发明内容
为克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是旨在提供一种网络资源利用率高，带宽资源分配公平，网络资源调度合理高效，基于优先级的动态加权轮询调度策略方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，其特征在于包括如下步骤：针对不同优先级的数据流，在基于QoS服务保障的基础上，保障高优先级业务QoS需求的同时，根据不同队列内业务的优先级、实时感知的队列忙碌程度、动态设置的队列轮询权重和网络特征，将队列管理和优先级的动态轮询调度策略分为队列管理模块和轮询调度模块，队列管理模块中的骨干网络节点根据QoS指标将网络中的所有业务分为n个优先级子队列，每个优先级映射节点中一个缓存子队列；骨干网节点收到业务数据包后，根据业务的QoS需求判断到达骨干网节点的业务数据包优先级，按优先级将业务数据包***对应的缓存子队列，同时更新队列信息；轮询调度模块针对骨干网节点中的n个优先级子队列，进行周期轮询；然后，根据当前各个子队列的队列长度Q，计算各子队列的忙碌度，对忙碌度进行排序，按照忙碌度排序结果，动态调整子各队列的轮询权重值；再根据调整更新后的子队列权重，依次轮询各子队列，发送数据包；结束调度周期，更新子队列长度。
本发明相比于现有技术相比于现有技术具有如下有益效果。
网络资源的利用率高。本发明在基于QoS服务保障的基础上，根据不同队列内业务的优先级，实时感知队列的忙碌程度，动态设置队列的轮询权重，在保障高优先级业务的QoS需求的同时，在信道速率不变的情况下可以传送更多的有用信息，或者对于相同的传送数据量，可以使用较低的信道速率、较小的发射功率。通过采用对虚拟信道的动态调度，提升对低优先级业务的传输质量，使信道网络资源利用率显著提高。
带宽资源分配公平。本发明将队列管理和优先级的动态轮询调度策略分为队列管理模块和轮询调度模块，队列管理模块中的骨干网络节点将网络中的所有业务根据QoS指标分为n个优先级子队列，每个优先级映射节点中一个缓存子队列，骨干网节点收到业务数据包后，根据业务的QoS需求判断到达骨干网节点的业务数据包优先级，按优先级将业务数据包***对应的缓存子队列，同时更新队列信息，达到硬件、软件资源的重用，实现带宽资源分配公平。
网络资源调度合理高效。本发明轮询调度模块针对业务数据包到达骨干网节点，进行周期轮询，轮询周期开始，设置各子队列的轮询权重为初始值，同时预留一部分资源进行动态分配；然后，根据当前各个子队列的队列长度Q，计算各子队列的忙碌度，对忙碌度进行排序，按照忙碌度排序结果，动态调整子各队列的轮询权重值；再根据调整更新后的子队列权重，依次轮询各子队列，发送数据包，网络资源调度合理高效。
本发明从传统的点对点的通信方式转变为网络化的通信，位于空间、地面甚至其他天体的通信实体构成了空间数据***网，因而特别适用于卫星星座、空间站、深空探测等多目标间互相通信和统一管理的需要。
附图说明
图1是本发明基于优先级分类的队列管理流程示意图。
图2是本发明动态加权轮询调度策略流程示意图。
图3是天地一体化网络架构示意图。
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述。
具体实施方式
根据本发明，针对不同优先级的数据流，针对不同优先级的数据流，在基于QoS服务保障的基础上，保障高优先级业务的QoS需求的同时提升低优先级业务的传输公平性，根据不同队列内业务的优先级、实时感知的队列忙碌程度、动态设置的队列轮询权重和网络特征，将基于优先级的动态加权轮询调度策略方法分为队列管理模块和轮询调度模块。队列管理模块中的骨干网络节点根据QoS指标将网络中的所有业务分为n个优先级子队列，每个优先级映射节点中一个缓存子队列；骨干网节点收到业务数据包后，根据业务的QoS需求判断到达骨干网节点的业务数据包优先级，按优先级将业务数据包***对应的缓存子队列，同时更新队列信息；轮询调度模块针对骨干网节点中的n个优先级子队列，进行周期轮询。然后，根据当前各个子队列的队列长度Q，计算各子队列的忙碌度，对忙碌度进行排序，按照忙碌度排序结果，动态调整子各队列的轮询权重值；再根据调整更新后的子队列权重，依次轮询各子队列，发送数据包；结束调度周期，更新子队列长度。轮询周期开始，轮询调度模块设置各子队列的轮询权重为初始值，同时预留一部分资源进行动态分配。
参阅图1，在队列管理中：骨干网络节点根据网络特征和业务服务类型，将网络中的所有业务根据QoS指标分为n个优先级子队列，每个优先级映射节点中一个缓存子队列。当子队列n＝3，三个子队列分别是：(a)存储最高优先级业务数据包的队列一，且队列一是对时延特别敏感，紧急程度高的队列：(b)存储次优先级业务数据包的队列二：且队列二是同时要求一定带宽，业务对带宽的需要较高，也要求时延越低越好的队列；(c)存储低优先级业务数据包的队列三：且队列三是对带宽和时延的要求都不高，传输“尽力而为”的队列。
接着，在步骤201，业务数据包到达骨干网节点，骨干网节点收到业务数据包，步骤202：队列管理模块判断该业务数据包是否对时延特别敏感，若是转到步骤203，将该业务数据包作为最高优先级，将业务数据包***队列一，对队列一的业务数据长度Q1加一,Q1＝Q1+1；若否转到步骤204,判断该业务数据包是否对带宽的需求较高，若是转到步骤205，将该业务数据包作为次优先级，数据包***队列二，队列二的业务数据长度Q2加一，Q2＝Q2+1；若否转到步骤206，将该业务数据包作为低优先级，数据包***队列三，队列三的业务数据长度Q3加一，Q3＝Q3+1。
参阅图2。轮询调度模块基于优先级分类的队列管理和实时队列状态，动态加权轮询调度，在步骤301中，轮询周期开始时，通过时隙调度器初始化，设置三个子队列的初始权重，所设置三个子队列的初始权重分别为w1＝3、w2＝2、w3＝1，设置的动态分配权重为Δw＝3；轮询调度模块按步骤302，每个队列设置长度最大阈值Qmax，各队列的实际长度为Qi，队列的忙碌度为busy(i)，然后，当前数据包***的子队列长度Q，轮询调度模块计算各队列的忙碌度busy(i)＝Qi/Qmax(i＝1,2,3)，对忙碌度busy(i)进行排序，根据对各子队列的忙碌度值进行排序判断动态调整子各队列的轮询权重值；若在步骤303中，busy(1)＞1，w1＝w1+Δw，进入步骤307，按照新权重，从队列一开始轮询发送数据包，否则转到步骤304，判断busy(2)＞1，若busy(2)＞1，w2＝w2+Δw；否则转到步骤305，若busy(3)＞1，w3＝w3+Δw；否则转到步骤306，根据权重排序，按照忙碌度busy(i)顺序，将相应队列的初始权重依次增加2,1,0；按照新权重，从队列一开始轮询发送数据包，发送完之后更新子队列的长度，当前轮询周期结束。当前轮询周期结束，轮询调度模块再根据更新后的子队列长度调整子队列权重，依次轮询各子队列，发送数据包；结束调度周期，更新子队列长度。

Claims (9)

1.一种基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，其特征在于包括如下步骤：针对不同优先级的数据流，在基于服务质量(Quality of Service，QoS)保障的基础上，保障高优先级业务QoS需求的同时，根据不同队列内业务的优先级、实时感知的队列忙碌程度、动态设置的队列轮询权重和网络特征，基于优先级的动态加权轮询调度策略方法分为队列管理模块和轮询调度模块，骨干网络节点中的队列管理模块根据QoS指标将网络中的所有业务分为n个优先级子队列，每个优先级映射节点中一个缓存子队列；骨干网节点收到业务数据包后，根据业务的QoS需求判断到达骨干网节点的业务数据包优先级，按优先级将业务数据包***对应的缓存子队列，同时更新队列信息；轮询调度模块针对骨干网节点中的n个优先级子队列，进行周期轮询；然后，根据当前各个子队列的队列长度Q，计算各子队列的忙碌度，对忙碌度进行排序，按照忙碌度排序结果，动态调整子各队列的轮询权重值；再根据调整更新后的子队列权重，依次轮询各子队列，发送数据包；结束调度周期，更新子队列长度。
2.如权利要求1所述的基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，其特征在于：轮询周期开始，轮询调度模块设置各子队列的轮询权重为初始值，同时预留一部分资源进行动态分配。
3.如权利要求1所述的基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，其特征在于：当子队列n＝3，三个子队列分别是：(a)存储最高优先级业务数据包的队列一，且队列一是对时延特别敏感，紧急程度高的队列：(b)存储次优先级业务数据包的队列二：且队列二是业务对带宽的需要较高，也要求时延越低越好的队列；(c)存储低优先级业务数据包的队列三：且队列三是对带宽和时延的要求都不高，传输“尽力而为”业务的队列。
4.如权利要求3所述的基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，其特征在于：业务数据包到达骨干网节点，骨干网节点收到业务数据包，队列管理模块判断该业务数据包是否对时延特别敏感，若是，将该业务数据包作为最高优先级，将业务数据包***队列一，对队列一的业务数据长度Q1加1，Q1＝Q1+1；若否，判断该业务数据包是否对带宽的需求较高，若是将该业务数据包作为次优先级，数据包***队列二，队列二的业务数据长度Q2加1，Q2＝Q2+1；若否，将该业务数据包作为低优先级，数据包***队列三，队列三的业务数据长度Q3加1，Q3＝Q3+1。
5.如权利要求4所述的基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，其特征在于：轮询调度模块基于优先级分类的队列管理和实时队列状态，动态加权轮询调度，在轮询周期开始时，通过时隙调度器初始化，设置三个子队列的初始权重，所设置三个子队列的初始权重分别为w1＝3、w2＝2、w3＝1，设置的动态分配权重为Δw＝3。
6.如权利要求1所述的基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，其特征在于：轮询调度模块按每个队列设置长度最大阈值Qmax，各队列的实际长度为Qi，队列的忙碌度为busy(i)。
7.如权利要求6所述的基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，其特征在于：当前数据包***的子队列长度Q，轮询调度模块计算各队列的忙碌度busy(i)＝Qi/Qmax，i＝1,2,3，对忙碌度busy(i)进行排序，根据对各子队列的忙碌度值进行排序判断动态调整子各队列的轮询权重值。
8.如权利要求7所述的基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，其特征在于：若busy(1)＞1，w1＝w1+Δw，按照新权重，从队列一开始轮询发送数据包，否则，判断busy(2)＞1，若busy(2)＞1，w2＝w2+Δw；若busy(3)＞1，w3＝w3+Δw；否则根据权重排序，按照忙碌度busy(i)顺序，将相应队列的初始权重依次增加2,1,0；按照新权重，从队列一开始轮询发送数据包，发送完之后更新子队列的长度，当前轮询周期结束。
9.如权利要求1所述的基于优先级的动态加权轮询调度策略方法，其特征在于：当前轮询周期结束，轮询调度模块再根据更新后的子队列长度调整子队列权重，依次轮询各子队列，发送数据包；结束调度周期，更新子队列长度。
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