CN109792411B

CN109792411B - 用于管理端到端连接的设备和方法

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Publication number: CN109792411B
Application number: CN201680089498.0A
Authority: CN
Inventors: J.古克; W.凯勒雷尔; V.库尔卡尼; J.里德尔; A.范贝姆滕
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2036-08-22
Also published as: US20190207856A1; CN109792411A; EP3485618A1; EP3485618B1; US10764191B2; WO2018036606A1

Abstract

提出了一种用于管理中央网络管理实体内的网络的端到端连接的设备。该网络包括多个端到端连接，其中队列被分派给该端到端连接。每个队列包括具有要被共同发送的数据分组的数据流。该设备包括：状态单元，用于提供新数据流所要分配给的队列的服务质量参数的当前状态；资源分配单元，用于基于针对队列的服务质量参数的阈值和队列的服务质量参数的当前状态，来将新数据流分配给该队列，以及路由单元，用于基于该分配来路由新数据流的数据分组。另外，提出了一种用于管理端到端连接的方法。所提出的设备和方法提供的优点是，代替将若干个网络资源用于将数据流分配给队列，仅将一个服务质量参数用于分配。这导致了用于分配数据流的更容易且更快速的方法。

Description

用于管理端到端连接的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于管理中央网络管理实体内的网络的端到端连接的设备。本发明进一步涉及一种用于管理中央网络管理实体内的网络的端到端连接的方法。

背景技术

在工业通信中，可能对于其端到端实时要求而言需要确定性/随机保证。为了提供这一点，对应的***可以使用专门的转发硬件。为了降低实时通信***的成本，可以使用集中式控制平面机制来为服务质量（QoS）保证提供现成的分组交换以太网硬件。

US 2011/0261688 A1公开了一种用于针对优化网络中的流的优先级队列级别的方法，其包括：确定用于流的路径，基于流的服务质量要求和网络中的一个或多个现有流的优先级队列级别来确定多个交换机中的每个交换机处的流的经优化的优先级队列级别。此外，流的经优化的优先级队列级别的信息被发送到每个交换机。

另外，US 2014/0146682 A1涉及使用与不同的最大延迟时段相关联的基于时间的队列来实现网络中的服务质量。其中，设备可以接收用以为分组流分配资源的请求，该资源在多个网络设备处被分配。响应于该请求，设备可以选择包括了在每个网络设备处所选择的队列的一组队列，在每个网络设备处的所选择的队列与最大延迟时段相关联。设备可以将一个或多个消息发送到网络设备，该消息指示所选择的队列组在分组调度期间要被用于对分组流的缓冲。

另一种方法是功能拆分概念，其将资源分配（例如，缓冲区大小和数据速率）和流的路由（实时流嵌入）分离为两个不同的子问题。资源分配和流路由两者都在队列级的基础上完成。这意味着使用定义了每链路队列的队列级拓扑。针对队列级图表的每个链路完成资源分配，并且在队列级图表上完成路由。也就是说，资源被分配给队列，并且流的路由在于既挑选之后是流的物理链路，又针对每个链路挑选流将被缓冲所处的队列。为了能够计算最坏情况延迟，需要在网络队列处进行特定的资源预留。结果，流嵌入依赖于基于资源的访问控制机制，即，判定在队列处是否仍有足够资源可用以便使新的流路由经过该队列的机制。由于多个资源（例如，缓冲区和数据速率）影响队列的延迟，因此以最佳方式解决资源分配问题非常具有挑战性。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于管理端到端连接的简化方法。

因此，提出了一种用于管理中央网络管理实体内的网络的端到端连接的设备。该网络包括多个端到端连接。队列被分派给端到端连接，其中每个队列包括具有要被共同发送的数据分组的数据流。该设备包括：状态单元，用于提供要向其分配新数据流的队列的服务质量参数的当前状态；资源分配单元，用于基于针对该队列的服务质量参数的阈值和该队列的服务质量参数的当前状态，将新数据流分配给该队列；以及路由单元，用于基于该分配来路由新数据流的数据分组。

相应的单元（例如，状态单元）可以以硬件和/或软件来实现。如果所述单元以硬件实现，则其可以被体现为设备，例如，体现为计算机或体现为处理器或体现为***（例如计算机***）的一部分。如果所述单元以软件实现，则其可以被体现为计算机程序产品，体现为功能、体现为例程、体现为程序代码或体现为可执行对象。

基于所提出的设备，有可能采用用于管理端到端连接的智能机制，其具有中央网络管理实体中的服务质量（QoS）保证以用于引导网络来提供QoS保证。中央网络管理实体可以是例如SDN（软件定义网络）控制器。

所提出的是设备基于这样的想法：仅使用一个服务质量参数以便将新数据流分配给队列而不是使用若干个网络资源（比如数据速率和缓冲区大小），并且计算服务质量参数。与使用两个网络资源相比，这提供了简化且不太复杂的方法，因为去除了资源分配问题的一个维度。

同时，整体路由被拆分成路由单元和对应的环路以及资源分配单元和对应的环路，这减小了路由的复杂性。这种拆分使得能够通过具有适度的计算复杂性和确定性的响应时间来实现具有端到端QoS约束（比如延迟、丢失等）的数据分组流的路由。这是可以使用两种算法时的情况，一种算法用于路由单元和对应的环路，并且一种算法用于资源分配单元和对应的环路。

此情境中的通信服务可以指代具有特定QoS要求的任何服务。这些要求可以是例如相应的通信服务的任何数据分组的延迟、丢失或抖动。路由单元处理这些通信服务和对应的通信请求。

为了保证硬实时要求，已知***使用专用转发硬件。例如，一些***使用时分多址（TDMA）方法或特殊的环结构。使用如上所述的功能拆分概念，实时保证的责任从转发平面转移到控制平面。完成转发平面行为在队列级上的数学建模。基于这点，将资源分配给各个队列以及使流路由经过网络的不同队列被识别为两个单独的子问题。

这意味着，代替在转发和控制平面之上闭合的控制环路，使用队列链路模型来将控制环路保持在控制平面内。队列链路模型可以表示要被共同发送的数据分组被布置在队列中。每个队列具有特定的QoS行为。一个或多个队列被分派给一个端到端连接。端到端连接可以包括一个或多个链路和一个或多个节点，其中该情境中的链路表示两个节点之间的连接。

当要添加新数据流时，即，新数据流应当从一个节点发送到另一个节点从而表示端到端连接时，状态单元确定要向其分配新数据流的队列的服务质量参数的当前状态。服务质量参数表示端到端服务质量参数。

然后，资源分配单元基于针对队列的服务质量参数的阈值（例如，允许服务质量参数获得的最大值）和队列的服务质量参数当前状态将新数据流分配给队列。

阈值可以是确定性阈值，即，不允许服务质量参数在任何时间超过或低于的阈值。替换地，阈值可以是随机阈值，即，不允许服务质量参数平均起来超过或低于的阈值。当使用随机阈值时，只要服务质量参数的平均值不超过或低于该阈值，服务质量参数有时可以超过该阈值或低于该阈值。

在经由资源分配单元进行分配之后，即，在将新数据流添加到一个队列之后，路由单元可以基于该分配来路由新数据流的数据分组。

因此，与其中缓冲区空间和数据速率被分派给网络中的每个队列的已知***（其允许为每个队列计算静态最坏情况延迟）相对比，所提出的设备基于端到端服务质量参数来提供数据流到队列的分配。将端到端参数分派给队列而不是实际资源（例如，缓冲区大小和数据速率）便于解决资源分配问题。实际上，优化仅涉及单个参数而不是两个参数。此外，如果这些资源在它们被分派的情况下并没有被充分利用，则预分派资源可能导致次优的网络利用。所提出的设备的方法在需要资源时对它们进行使用，直到违反阈值（例如，延迟边界）为止。这导致对网络资源的整体上更好的利用，因为在不需要时不保留资源。

根据实施例，资源分配单元被适配成基于队列的服务质量参数的当前状态和要添加的新数据流来计算队列的服务质量参数的最坏情况值。

因此，服务质量参数被计算为最差值，其也可能随着服务质量参数的一些微小变化而出现。

根据另外的实施例，队列的服务质量参数的最坏情况值是基于对应的端到端连接的每个队列的服务质量参数的当前状态。

根据该实施例，不仅考虑要向其添加新数据流的队列的服务质量参数，还考虑该端到端连接的每个队列的服务质量参数。每个队列的服务质量参数相互影响。例如，如果一个队列的延迟增加，则这也增加了其他队列的延迟。因此，最坏情况值取决于全部队列的服务质量参数。

根据另外的实施例，资源分配单元被适配成将针对队列的服务质量参数的阈值与队列的服务质量参数的最坏情况值进行比较，并且当服务质量参数的最坏情况值低于该阈值时，将新数据流分配给队列。

根据另外的实施例，资源分配单元被适配成在服务质量参数的最坏情况值高于该阈值时，拒绝新数据流。

为了保证每队列的所选择服务质量阈值（dx），访问控制机制基于每个队列的当前状态在线计算其当前的最坏情况值（tx）。如果向队列添加新的流导致高于预分派阈值的最坏情况值（tx>dx），则不能接受该流，因为它将潜在地违反被提供给已嵌入的流的端到端保证。否则（如果tx≤dx），则可以接受该流。

根据另外的实施例，多个队列被分派给端到端连接，其中每个队列具有不同的优先级，并且资源分配单元被适配成将针对服务质量参数的阈值与新数据流所要分配给的队列的服务质量参数的最坏情况值进行比较，并且被适配成将针对服务质量参数的阈值与具有比新数据流所要分配给的队列更低的优先级的每个队列的服务质量参数的最坏情况值进行比较。

在这种情况下的优先级表示数据流的优先级。例如，语音消息具有比数据流更高的优先级。高优先级队列必须检查它是否违反较低优先级队列的阈值。队列的状态取决于流经它的流，而且还取决于较高优先级队列的状态。将流添加到最高优先级队列将增加较低优先级队列的服务质量参数。因此，高优先级队列可以检查它们自己的阈值，并且如果没有被违反，则如果它对于它们的阈值也良好的话，请求更低优先级队列。如果没有违反队列的阈值，则可以接受该流。最低优先级队列必须仅检查其自己的阈值。

根据另外的实施例，状态单元被适配成更新将新数据流分配给的队列的服务质量参数的当前状态。

然后，经更新的状态可以被用于进一步的资源分配。因此，资源分配单元总是可以取决于队列的服务质量参数的当前状态来分配新数据流。

根据另外的实施例，资源分配单元被适配成基于可用的网络资源将新数据流分配给队列。网络资源特别地包括数据速率和缓冲区大小中的至少一个。

因此，除了服务质量参数之外，资源分配单元可以将可用网络资源考虑在内，即，可以考虑实际的当前资源，诸如带宽。

根据另外的实施例，资源分配单元被适配成确定网络资源是否可用于将新数据流分配给队列，并且如果不可用，则拒绝新数据流。

如果队列没有可用的网络资源或者至少在对于新数据流而言所需的量方面没有可用的网络资源，则资源分配单元可以拒绝新数据流。

根据另外的实施例，服务质量参数是延迟、误码率、比特率、吞吐量和抖动中的至少一个。

服务质量参数被用来保证针对数据流的某种性能水平。例如，可以保证所需要的比特率、延迟、抖动、分组丢弃概率和/或比特误码率。如果网络容量不足，特别是对于诸如IP语音、在线游戏和IP-TV之类的实时流式多媒体应用而言（因为这些通常需要固定的比特率并且对延迟敏感），以及在其中容量是有限资源的网络中（例如在蜂窝数据通信中），服务质量保证是重要的。

根据另外的实施例，资源分配单元被适配成基于至少两个服务质量参数将新数据流分配给队列。

可以并行或一个接一个地检查服务质量参数。例如，如果在将最坏情况延迟考虑在内时接受并且分配新数据流，则资源分配单元可以随后检查误码率或抖动并且再次决定是否分配新数据流。

根据另外的实施例，该设备包括：建模单元，用于基于资源分配单元和路由单元的输入信号向状态单元提供网络的模型，其中建模单元、状态单元和资源分配单元形成第一环路，并且其中建模单元、状态单元和路由单元形成第二环路。

整体路由被拆分成路由单元和对应的环路以及资源分配单元和对应的环路，可以减小路由的复杂性。由于可以使用两种算法，一种算法用于路由单元和对应的环路，以及一种算法用于资源分配单元和对应的环路，因此可以减小计算复杂性并且可以实现确定性的响应时间。

根据另外的实施例，状态单元、资源分配单元、路由单元和建模单元位于网络的控制平面中。

作为基础，代替在转发和控制平面之上闭合的控制环路，将控制环路保持在控制平面内。因此，可以在转发平面（即，负责在网络内转发数据分组的平面）中使用低成本商品硬件，因为转发平面不需要提供复杂的功能。

根据另外的方面，提出了一种用于管理中央网络管理实体内的网络的端到端连接的方法。该网络包括多个端到端连接，其中队列被分派给端到端连接，其中每个队列包括具有要被共同发送的数据分组的数据流。该方法包括以下步骤：提供新数据流所要分配给的队列的服务质量参数的当前状态，基于针对队列的服务质量参数的阈值和队列的服务质量参数的当前状态，将新数据流分配给队列，并且基于该分配来路由新数据流的数据分组。

参考本发明的设备所描述的实施例和特征加上必要的变更适用于本发明的方法。

根据另外的方面，本发明涉及一种计算机程序产品，其包括用于在至少一个计算机上运行时执行上述用于管理端到端连接的方法的程序代码。

计算机程序产品（诸如计算机程序装置）可以被体现为存储卡、USB棒、CD-ROM、DVD或者被体现为可以从网络中的服务器下载的文件。例如，可以通过从无线通信网络传递包括计算机程序产品的文件来提供这样的文件。

本发明的另外可能的实现方式或替代的解决方案还涵盖上文或下文关于实施例所描述的特征的（没有在本文中明确提及的）组合。本领域技术人员还可以将个别或单独的方面和特征添加到本发明的最基本形式。

附图说明

本发明的另外的实施例、特征和优点将根据结合附图所进行的随后的描述和从属权利要求而变得显而易见，在附图中：

图1示出了用于管理中央网络管理实体内的网络的端到端连接的设备的示意性框图；

图2示出了图1的设备内的示意性数据流；以及

图3示出了用于管理中央网络管理实体内的网络的端到端连接的方法的一系列方法步骤。

在附图中，相同的附图标记标明相同的或在功能上等同的元件，除非另行指示。

具体实施方式

图1示出了用于管理网络20的端到端连接的设备10。设备10可以是中央网络管理实体的部分。网络20包括多个端到端连接，其中队列23、24、25被分派给端到端连接，其中队列23、24、25中的每一个包括具有要被共同发送的数据分组的数据流。

设备10包括状态单元1、资源分配单元2、路由单元3和建模单元4。全部四个单元1、2、3和4被布置在控制平面11内，其中网络本身提供转发平面21。因此，由于控制被完全布置在控制平面11内，网络20可以不那么复杂。

建模单元4、状态单元1和资源分配单元2形成第一环路。建模单元4、状态单元1和路由单元3形成第二环路。

建模单元4提供网络的模型，即，可用的网络资源。建模单元4接收来自网络20自身、资源分配单元2和路由单元3的输入。

状态单元1提供队列的服务质量参数的当前状态。这是基于来自建模单元4的信息而完成的。

资源分配单元2基于针对队列23、24、25的服务质量参数的阈值和队列23、24、25的服务质量参数的当前状态将新数据流22分配给队列23、24、25。

路由单元3基于该分配来路由新数据流22的数据分组。

图2示出了当为具有不同优先级的端到端连接提供队列23、24、25时的优先级调度的示例。在这种情况下，队列23具有高优先级，队列24具有中优先级，并且队列25具有低优先级。

例如，将新数据流22添加到队列23。优先级调度由资源分配单元2根据如图1中解释的资源分配来完成。

现在将在把延迟作为服务质量参数的情况下参考图2来描述资源分配。

资源分配单元2基于高优先级队列的当前状态S_h和对应的最坏情况延迟t_h来针对新数据流22确定是否违反了该高优先级队列的延迟阈值d_h。如果没有违反，则资源分配单元2基于中优先级队列的当前状态S_m和对应的最坏情况延迟t_m来针对新数据流22确定是否违反了该中优先级队列的延迟阈值d_m。如果没有违反，则资源分配单元2基于低优先级队列的当前状态S_l和对应的最坏情况延迟t_l来针对新数据流22确定是否违反了该低优先级队列的延迟阈值d_l。如果也没有违反低优先级队列的延迟阈值d_l，则将新数据流分配给高优先级队列。

这一点随着向一个队列添加数据流也影响具有较低优先级的队列的服务质量参数而被完成。因此，当将新数据流22添加到高优先级队列23时，对于新数据流22将被添加到高优先级队列23的情况而言，还检查较低优先级队列24、25的服务质量参数。

图3示出了用于管理中央网络管理实体内的网络20的端到端连接的方法。该方法包括以下步骤：

在步骤301中，提供新数据流22所要分配给的队列23、24、25的服务质量参数的当前状态。

在步骤302中，基于针对队列23、24、25的服务质量参数的阈值和队列23、24、25的服务质量参数的当前状态，将新数据流22分配给队列23、24、25。

在步骤303中，基于该分配来路由新数据流22的数据分组。

尽管已经根据优选实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在全部实施例中修改都是可能的。

Claims

1.一种用于管理中央网络管理实体内的网络（20）的端到端连接的设备（10），所述网络（20）包括多个端到端连接，其中队列（23，24，25）被分派给所述端到端连接，其中队列（23，24，25）中的每个包括具有要被共同发送的数据分组的数据流，所述设备（10）包括：

状态单元（1），用于提供新数据流（22）所要分配给的队列（23，24，25）的服务质量参数的当前状态，

资源分配单元（2），用于基于针对所述队列（23，24，25）的服务质量参数的阈值和所述队列（23，24，25）的服务质量参数的当前状态，将所述新数据流（22）分配给所述队列（23，24，25），以及

路由单元（3），用于基于所述分配来路由所述新数据流（22）的数据分组，

其特征在于：

多个队列（23，24，25）被分派给端到端连接，其中每个队列（23，24，25）具有不同的优先级，以及

所述资源分配单元（2）被适配成将针对所述服务质量参数的阈值与所述新数据流（22）所要分配给的队列（23，24，25）的服务质量参数的最坏情况值进行比较，并且被适配成将针对所述服务质量参数的阈值与具有比所述新数据流（22）所要分配给的队列（23，24，25）更低优先级的每个队列（23，24，25）的服务质量参数的最坏情况值进行比较。

2.根据权利要求1所述的设备，

其中，所述资源分配单元（2）被适配成基于所述队列（23，24，25）的服务质量参数的当前状态和要被添加的新数据流（22）来计算所述队列（23，24，25）的服务质量参数的最坏情况值。

3.根据权利要求2所述的设备，

其中所述队列（23，24，25）的服务质量参数的最坏情况值是基于对应的端到端连接的每个队列（23，24，25）的服务质量参数的当前状态。

4.根据权利要求2或3所述的设备，

其中所述资源分配单元（2）被适配成将针对所述队列（23，24，25）的服务质量参数的阈值与所述队列（23，24，25）的服务质量参数的最坏情况值进行比较，并且当所述服务质量参数的最坏情况值低于所述阈值时，将所述新数据流（22）分配给所述队列（23，24，25）。

5.根据权利要求4所述的设备，

其中所述资源分配单元（2）被适配成在所述服务质量参数的最坏情况值高于所述阈值时，拒绝所述新数据流（22）。

6.根据权利要求1-3之一所述的设备，

其中所述状态单元（1）被适配成更新所述新数据流（22）被分配给的队列（23，24，25）的服务质量参数的当前状态。

7.根据权利要求1-3之一所述的设备，

其中所述资源分配单元（2）被适配成基于可用的网络资源来将所述新数据流（22）分配给所述队列（23，24，25）。

8.根据权利要求7所述的设备，

其中所述网络资源包括数据速率和缓冲区大小中的至少一个。

9.根据权利要求7所述的设备，

其中所述资源分配单元（2）被适配成确定网络资源是否可用于将所述新数据流（22）分配给所述队列（23，24，25），并且如果不可用，则拒绝所述新数据流（22）。

10.根据权利要求1-3之一所述的设备，

其中所述服务质量参数是延迟、误码率、比特率、吞吐量和抖动中的至少一个。

11.根据权利要求1-3之一所述的设备，

其中所述资源分配单元（2）被适配成基于至少两个服务质量参数将所述新数据流（22）分配给所述队列（23，24，25）。

12.根据权利要求1-3之一所述的设备，

进一步包括：建模单元（4），用于基于所述资源分配单元（2）和所述路由单元（3）的输入信号向所述状态单元（1）提供所述网络（20）的模型，其中所述建模单元（4）、所述状态单元（1）和所述资源分配单元（2）形成第一环路，并且其中所述建模单元（4）、所述状态单元（1）和所述路由单元（3）形成第二环路。

13.根据权利要求12所述的设备，

其中，所述状态单元（1）、所述资源分配单元（2）、所述路由单元（3）和所述建模单元（4）位于所述网络（20）的控制平面中。

14.一种用于管理中央网络管理实体内的网络（20）的端到端连接的方法，所述网络（20）包括多个端到端连接，其中队列（23，24，25）被分派给所述端到端连接，其中每个队列（23，24，25）包括具有要被共同发送的数据包的数据流，所述方法包括：

提供（301）新数据流（22）所要分配给的队列（23，24，25）的服务质量参数的当前状态，

基于针对所述队列（23，24，25）的服务质量参数的阈值和所述队列（23，24，25）的服务质量参数的当前状态，将所述新数据流（22）分配（302）给所述队列（23，24，25），以及

基于所述分配来路由（303）所述新数据流（22）的数据分组，

其特征在于：

通过资源分配单元（2）来将针对所述服务质量参数的阈值与所述新数据流（22）所要分配给的队列（23，24，25）的服务质量参数的最坏情况值进行比较，并且将针对所述服务质量参数的阈值和具有比所述新数据流（22）所要分配给的队列（23，24，25）更低优先级的每个队列（23，24，25）的服务质量参数的最坏情况值进行比较。