CN116170380A - 基于拥塞预测的ecn标记策略和队列管理方法及*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法及***，其方法包括：S1：以预先设定的周期Ti读取交换机上各队列的队列长度；S2：如果数据包在读取周期到达，则根据获取的各队列的前一个和当前读取周期的队列长度，计算各个队列的增长速率估计值；否则，使用上一个读取周期的增长速率估计值作为当前读取周期的增长速率估计值；S3：根据增长速率估计值，计算各个队列长度的线性预测值，并与预设的队列长度阈值进行比较，从而预测队列的拥塞状况，根据预测结果对数据包进行网络拥塞前的ECN标记。本发明提供的方法可以有效抑制队列峰值，减少突发流量导致的队列溢出。

Description

基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法及***
技术领域
本发明涉及计算机网络领域，具体涉及一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法及***。
背景技术
随着网络发展，用户需求增多，云计算、云存储等服务需求日渐增大，这些不断增长的应用程序和服务需要大量的计算和存储资源。为了高效快速的满足些的需求，各企业将大规模的计算存储节点整合起来，形成数据中心。数据中心网络内的流量规模更加庞大，同时对带宽延时等性能指标更敏感。
显式拥塞通知（Explicit Congestion Notification，ECN）是添加到因特网协议（Internet Protocol，IP）报头中的功能。它允许交换机在队列长度超过阈值后标记数据包以向源端通知拥塞，源端可在中间交换机队列溢出前降低数据速率，避免了以往基于丢包的拥塞检测的缺陷。目前ECN已广泛应用于数据中心网络中。然而，现有的基于固定阈值的ECN标记策略存在自适应性不足，ECN反馈环路延时导致的最大队列长度不可控等缺陷，在面对突发流量时仍然可能造成大量的丢包，导致网络性能下降。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法及***。
本发明技术解决方案为：一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法，包括：
步骤S1：以预先设定的周期Ti读取交换机上各队列的队列长度；
步骤S2：如果数据包在读取周期到达，则根据获取的各队列的前一个和当前读取周期的所述队列长度，计算各个队列的增长速率估计值；否则，使用上一个读取周期的增长速率估计值作为当前读取周期的增长速率估计值；
步骤S3：根据所述增长速率估计值，计算各个队列所述长度的线性预测值，并与预设的队列长度阈值进行比较，从而预测队列的拥塞状况，根据预测结果对数据包进行网络拥塞前的ECN标记。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明公开了一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法，在进行ECN标记决策时，同时参考队列长度和队列增长速率，使得本发明能够应对网络流速频繁变化的场景，从而解决现有的基于固定阈值方案的自适应性不足的问题。
2、本发明通过拥塞预测并预先反馈拥塞信息，做到抵消反馈环路延时，使得网络流在拥塞前即被控制，抑制队列峰值，从而解决最大队列长度不可控的问题。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法的流程图；
图2为本发明实施例中队列变化示意图；
图3为本发明实施例中一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理***的结构框图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法，可以有效抑制队列峰值，减少突发流量导致的队列溢出。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下通过具体实施，并结合附图，对本发明进一步详细说明。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法，包括下述步骤：
步骤S1：以预先设定的周期Ti读取交换机上各队列的队列长度；
步骤S2：如果数据包在读取周期到达，则根据获取的各队列的前一个和当前读取周期的队列长度，计算各个队列的增长速率估计值；否则，使用上一个读取周期的增长速率估计值作为当前读取周期的增长速率估计值；
步骤S3：根据增长速率估计值，计算各个队列长度的线性预测值，并与预设的队列长度阈值进行比较，从而预测队列的拥塞状况，根据预测结果对数据包进行网络拥塞前的ECN标记。
在一个实施例中，上述步骤S1：以预先设定的周期Ti读取交换机上各队列的队列长度，具体包括：
在交换机上以周期Ti对各个队列的队列长度进行读取；其中，Ti根据交换机的链路带宽和最大传输单元进行设置。
为了较准确地预测网络拥塞，同时为了增加ECN标记策略的自适应性，本发明实施例需要估计交换机队列的当前网络的注入速率。从易于部署和减少计算复杂度的目标出发，速率估计方法为周期性地读取队列长度，读取周期为Ti。读取周期不应过小以至于在间隔内队列长度无改变，导致对网络流速错误量化；读取周期设置过大导致瞬时速率估计不准确，对突发流量的敏感度降低。因此，本发明实施例中将Ti设置为1.1~1.5倍的交换机的链路最大传输单元（MTU）除以链路带宽。
在一个实施例中，上述步骤S2：如果数据包正好在读取周期到达，则根据获取的各队列的前一个和当前读取周期的队列长度，计算各个队列的增长速率估计值；否则，使用上一个读取周期的增长速率估计值作为当前读取周期的增长速率估计值，具体包括：
如果数据包在读取周期的时刻到达，将当前读取周期的各个队列的队列长度与上一个读取周期的队列长度求差，并除以Ti，得到上一个周期的各个队列的平均增长速率，作为当前周期各个队列的增长速率估计值；
如果数据包在读取周期内到达，则使用上一个读取周期的增长速率估计值作为当前读取周期的增长速率估计值。
举例来说，设置读取周期为Ti=2秒，即在第2,4,6…秒读取队列长度，如果数据包在第5秒时到达，则采用上一个周期，即第二个周期的队列平均增长速率，作为当前周期的队列增长速率估计值。如果数据包刚好在第6秒到达，则先读取当前队列长度，并与上一个读取周期的队列长度求差，并除以Ti后的值，作为当前周期的队列增长速率估计值。
在一个实施例中，上述步骤S3：根据增长速率估计值，计算各个队列长度的线性预测值，并与预设的队列长度阈值进行比较，从而预测队列的拥塞状况，根据预测结果对数据包进行网络拥塞前的ECN标记，具体包括：
步骤S31：当数据包到达交换机上的队列时，用当前队列的增长速率估计值乘以时间Ta并加上当前队列长度，得到队列长度线性预测值；其中，Ta根据端到端的延时进行设置；
当数据包到达交换机队列时，利用S2得到的队列增长速率估计值乘以Ta加上当前队列长度，得到队列长度线性预测值，后续根据队列长度线性预测值，决定是否做出ECN标记。Ta为预先设定的时长，偏大的Ta值会导致对网络流的过度控制，造成吞吐量下降，因此本发明实施例的Ta设置为服务器间端到端延时的1~5倍。
步骤S32：如果当前队列已满，则丢弃数据包；
如果当前队列未满，而且当前队列的长度线性预测值大于或等于预设队列长度阈值，则对数据包设置ECN标记位后将其放入队列，如果线性预测值小于预设队列长度阈值，则直接将数据包放入队列。
若此时当前队列已满，则直接丢弃该数据包；否则，若当前队列的长度线性预测值大于或等于所设队列长度阈值，则对该数据包予以ECN标记并入队，否则直接入队。
不用于现有方法中利用当前队列长度作为ECN标记参考，本发明利用队列的长度线性预测值，所以在时间上来看，ECN标记时间点相较可能的拥塞发生时间提前Ta时间，用以抵消ECN反馈环路的时延。当ECN反馈生效后，队列长度受控下降，使得队列峰值能够在一般情况下控制于预设的阈值以下。
本发明的基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法包括三个判断条件：
判断一：当前队列是否已满。
判断二：是否达到读取周期Ti。
判断三：队列长度线性预测值是否超过阈值。
以图2为例，展示了当多个数据包在不同时间先后注入同一个交换机队列时，本发明的基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法：
1、当数据包在图2中位置①处到达交换机，执行下述步骤：
步骤1.1：根据判断一，此时队列未满，则该数据包不会被丢弃。
步骤1.2：根据判断二，如果此时刚好处于读取周期的时刻，则获取当前队列长度，并计算当前队列增长速率估计值=（当前队列长度-上一周期的队列长度）/Ti，否则将上一个周期的队列增长速率估计值作为当前队列增长速率估计值。
步骤1.3：计算各个队列长度线性预测值=当前队列长度+当前队列增长速率估计值×Ta。
步骤1.4：根据判断三，此时队列长度线性预测值小于阈值，则直接将该数据包入队并等待发送。
此后位于图2中位置①和位置②之间的注入数据包的处理过程相同，由于此过程未进行拥塞反馈，队列会持续增长。
2、若某数据包在图2中位置②处到达交换机，即此时队列已经有一定积压，并且以当前速率来看，将在Ta时间后达到阈值。
重复上述步骤1.1~1.3。
步骤2.4：根据判断三，此时队列长度线性预测值大于等于阈值，则需将该数据包进行ECN标记后入队等待发送。此时以当前速率来看，队列将在Ta时间后到达阈值，所以当前做出的标记决策比拥塞发生时间提前Ta，即本发明采用的预先ECN标记策略。
此后，位于图2中位置②和位置③之间的数据包的处理过程相同，由于ECN拥塞反馈存在滞后性，位置②到达的数据包被标记后不会立即引发队列下降，队列会不断积压，队列长度逐渐增加，此间的数据包均会被标记。
3、当位于图2中位置③时，位置②到来的被标记的数据包反馈并使源端降低发送速率，此后队列长度下降，最大队列长度通常控制在阈值以下，即本发明采用预先ECN标记策略解决了以往方案最大队列长度不可控的问题。
此后位于图2中位置③和位置④之间的数据包的处理过程与位于位置①的数据包的处理过程相同，此后该交换机的输入速率小于输出速率，队列长度逐渐下降。
4、当处于图2中位置④时，由于此前一段时间内未进行ECN反馈，根据目前常规的源端算法，其会逐渐增加数据包发送速率，队列长度逐渐增加。
若数据包在图2中位置④和位置⑤之间到达交换机队列，其处理过程如下：
步骤4.1：处理过程与位于位置①的数据包的相同。
步骤4.2：根据第二条判断，处理过程与位于位置②的数据包的相同。由于有新的数据包在位置④注入，导致网络流速比前一个峰值更快。因此在Ti时间内队列前后变化更大，进而本发明实施例计算得到的当前队列增长速率估计值更大，因此本发明较现有方案对网络流速变化更加敏感。
其余处理步骤与上述步骤1.3~1.4相同。
5、当数据包在图2位置⑤处到达交换机，此时队列长度虽然较位置②处短，但此时流速更快且以当前速率来看，将在Ta时间后达到阈值。
重复上述步骤1.1~1.3。
步骤5.4：根据第三条判断，此时队列长度线性预测值大于等于阈值，则数据包进行ECN标记后入队等待发送。此时网络流速较位置②处快，所以做出标记决策时的队列长度较之短。即本发明基于拥塞预测的预先ECN标记决策对网络流速具有自适应性。
此后位于位置⑤和位置⑥之间的数据包的处理过程与上述步骤相同。
6、当位于图2位置⑥时，在图2位置⑤到来的被标记ECN的数据包反馈到源端并使源端降低发送速率，此后队列长度下降，使得队列最大长度控制在阈值以下，即本发明采用预先ECN标记策略在网络流速改变时仍然具有最大队列长度控制能力。
本发明公开了一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法，在进行ECN标记决策时，同时参考队列长度和队列增长速率，使得本发明能够应对网络流速频繁变化的场景，从而解决现有的基于固定阈值方案的自适应性不足的问题。此外，本发明通过拥塞预测并预先反馈拥塞信息，做到抵消反馈环路延时，使得网络流在拥塞前即被控制，抑制队列峰值，从而解决最大队列长度不可控的问题。
实施例二
如图3所示，本发明实施例提供了一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理***，包括下述模块：
获取队列长度模块41，用于以预先设定的周期Ti读取交换机上各队列的队列长度；
计算队列增长速率估计值模块42，用于如果数据包在读取周期到达，则根据获取的各队列的前一个和当前读取周期的队列长度，计算各个队列的增长速率估计值；否则，使用上一个读取周期的增长速率估计值作为当前读取周期的增长速率估计值；
预测队列拥塞状况并标记ECN模块43，用于根据增长速率估计值，计算各个队列长度的线性预测值，并与预设的队列长度阈值进行比较，从而预测队列的拥塞状况，根据预测结果对数据包进行网络拥塞前的ECN标记。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法，其特征在于，包括：
步骤S1：以预先设定的读取周期Ti读取交换机上各队列的队列长度；
步骤S2：如果数据包在读取周期到达，则根据获取的各队列的前一个和当前读取周期的所述队列长度，计算各个队列的增长速率估计值；否则，使用上一个读取周期的增长速率估计值作为当前读取周期的增长速率估计值；
步骤S3：根据所述增长速率估计值，计算各个队列长度线性预测值，并与预设的队列长度阈值进行比较，从而预测队列的拥塞状况，根据预测结果对数据包进行网络拥塞前的ECN标记。
2.根据权利要求1所述的基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法，其特征在于，所述步骤S1：以预先设定的周期Ti读取交换机上各队列的队列长度，具体包括：
在所述交换机上以周期Ti对各个队列的队列长度进行读取；其中，Ti根据所述交换机的链路带宽和最大传输单元进行设置。
3.根据权利要求1所述的基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法，其特征在于，所述步骤S2：如果数据包正好在读取周期到达，则根据获取的各队列的前一个和当前读取周期的所述队列长度，计算各个队列的增长速率估计值；否则，使用上一个读取周期的增长速率估计值作为当前读取周期的增长速率估计值，具体包括：
如果数据包在读取周期的时刻到达，将当前读取周期的各个队列的所述队列长度与上一个读取周期的队列长度求差，并除以Ti，得到上一个周期的各个队列的平均增长速率，作为当前周期各个队列的增长速率估计值；
如果数据包在读取周期内到达，则使用上一个读取周期的增长速率估计值作为当前读取周期的增长速率估计值。
4.根据权利要求1所述的基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理方法，其特征在于，所述步骤S3：根据所述增长速率估计值，计算各个队列所述长度的线性预测值，并与预设的队列长度阈值进行比较，从而预测队列的拥塞状况，根据预测结果对数据包进行网络拥塞前的ECN标记，具体包括：
步骤S31：当数据包到达所述交换机上的队列时，用当前队列的所述增长速率估计值乘以时间Ta并加上当前队列长度，得到队列长度的线性预测值；其中，Ta根据端到端的延时进行设置；
步骤S32：如果当前队列已满，则丢弃所述数据包；
如果当前队列未满，而且当前队列的长度线性预测值大于或等于预设队列长度阈值，则对所述数据包设置ECN标记位后将其放入队列，如果所述线性预测值小于预设队列长度阈值，则直接将所述数据包放入队列。
5.一种基于拥塞预测的ECN标记策略和队列管理***，其特征在于，包括下述模块：
获取队列长度模块，用于以预先设定的周期Ti读取交换机上各队列的队列长度；
计算队列增长速率估计值模块，用于如果数据包在读取周期到达，则根据获取的各队列的前一个和当前读取周期的所述队列长度，计算各个队列的增长速率估计值；否则，使用上一个读取周期的增长速率估计值作为当前读取周期的增长速率估计值；
预测队列拥塞状况并标记ECN模块，用于根据所述增长速率估计值，计算各个队列所述长度的线性预测值，并与预设的队列长度阈值进行比较，从而预测队列的拥塞状况，根据预测结果对数据包进行网络拥塞前的ECN标记。
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