CN116743660A - 一种面向广域网的拥塞控制方法及装置 - Google Patents

一种面向广域网的拥塞控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向广域网的拥塞控制方法：当交换机判定拥塞发生时，交换机获取接收缓冲区的网络包并构造拥塞通知报文；交换机直接将拥塞通知报文传递给发送方；其中，所述拥塞通知报文的目的IP地址为网络包的源IP地址，拥塞通知报文的源IP地址为网络包的目的IP地址；拥塞通知报文的目标TCP端口号为流量包的源TCP端口号，拥塞通知报文的源TCP端口号为网络包的目标TCP端口号；TCP头中拥塞窗口减小CWR和显示拥塞通知ECE同时被设置，表示该报文为拥塞通知报文；拥塞通知报文中TCP数据为拥塞状态相关信息。本发明还公开了一种面向广域网的拥塞控制装置。该方法及装置可以在广域网上传输拥塞通知报文，也可以缩短拥塞产生后的传输路径，提升拥塞控制的效果。

Description

一种面向广域网的拥塞控制方法及装置
技术领域
本发明属于计算机网络技术领域，涉及广域网上端到端的网络拥塞控制，特别涉及一种面向广域网的拥塞控制方法及装置。
背景技术
随着网络技术的飞速发展，包括影音播放、在线直播、图片、数据文件传输在内越来越多的应用依赖网络完成。很大程度上，基于互联网的端到端应用***的性能，依赖于网络传输性能。TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/网际协议)体系结构和协议是互联网世界连接一切的基石，现有网络基础设施基于TCP/IP体系结构进行设计；然而，在现有基于TCP/IP体系结构的网络基础设施中，网络拥塞现象时常发生，影响网络传输性能。网络拥塞是指网络流量对网络资源(包括链路带宽、存储空间和处理器处理能力等)的需求超过了固有的处理能力和容量，导致网络丢包、网络包乱序、重传等问题，严重地降低了端到端的应用***性能。为此，很多企业公司和学术研究机构对端到端的网络流量控制机制进行研究，以减缓拥塞现象的产生、拥塞产生后带来的影响等。如公开号为CN104852855A的中国专利公开了一种拥塞控制方法、装置及设备，属于通信技术领域。方法包括：当检测到交换设备发生拥塞时，从交换设备的接收缓存中获取第一报文；当所述第一报文的源MAC地址为网关设备的MAC地址时，获取所述第一报文的源IP地址；当所述源IP地址不是所述网关设备的IP地址时，根据所述第一报文的源IP地址，生成第一拥塞控制消息，所述第一拥塞控制消息包括所述网关设备MAC地址、所述交换设备的MAC地址和所述第一报文的源IP地址；向所述网关设备发送所述第一拥塞控制消息。
QCN(Quantized Congestion Notification，量化拥塞通知)(IEEE.802.11Qau.Congestion notification,2010.)作为数据中心标准的一部分，应用于数据中心场景，其基本原理如下：检测到拥塞发生的交换机会构造一个拥塞通知消息(CNM，Congestion Notification Message)报文，向流量包发送方发送；当发送方收到拥塞通知消息后，进行流量限速，以缓解拥塞的程度(避免因拥塞造成的丢包和队列时延，从而提高网络传输性能)。其中构造的拥塞通知消息报文使用以太网格式，拥塞通知消息报文的目的MAC(Medh Access Control，介质访问控制)为当前采样报文的源MAC，拥塞通知消息报文的源MAC为当前采样报文的目的MAC，以此使得拥塞通知消息能发送给发送方。在QCN机制中，拥塞通知消息报文使用以太网格式，并未采用IP报文格式；通过拥塞通知消息的目的MAC地址，将拥塞通知消息发送给流量发送方，所以QCN机制仅应用于局域网。在广域网络中，当网络报文在三层IP网络间交换时，原始的以太网报头不会保留。所以现有QCN协议机制不能应用于广域网络中。
DC-QCN(Data Center Quantized Congestion Notification,数据量化拥塞通知)机制综合了DCTCP和QCN机制(Zhu Y,Ming Z,Eran H,et al.Congestion Control forLarge-Scale RDMA Deployments[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2015,45(5):523-536.)，其基本原理是：发生拥塞的交换机对网络包的IP头中的ECN(ECN-Echo,Explicit Congestion Notification，显示拥塞通知)字段进行CE设置；当带有CE设置的网络包被接收方协议栈处理时，会向发送方返回一个被设置ECN(位于TCP头)的报文；当发送方TCP协议栈收到设置ECE的网络包后，进行流量限速，以缓解拥塞的程度(避免因拥塞造成的网络丢包和网络队列时延，从而提高网络传输性能)。其中并未构造拥塞通知报文，而是通过TCP头中的ECE标记，发送方可以判断网络中是否产生拥塞，是否需要执行流量限速。DC-QCN算法的主要缺陷包括：(1)依赖于数据中心商用交换机上的ECN机制；(2)与QCN不同，DC-QCN的拥塞通知路径较长，会经历历交换机的CE设置、接收方的ECE设置至发送方的ECN处理。长的拥塞通知路径限制了拥塞控制的性能效果。
因此，如何提供一种适用于广域网的拥塞控制方法是目前本领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向广域网的拥塞控制方法及装置，可以在广域网上传输拥塞通知报文，也可以缩短拥塞产生后的传输路径，提升拥塞控制的效果。
本发明提供如下技术方案：
一种面向广域网的拥塞控制方法，所述拥塞控制方法包括：当交换机判定拥塞发生时，交换机获取接收缓冲区的网络包并构造拥塞通知报文；交换机直接将拥塞通知报文传递给网络包的源头，即发送方；
其中，所述拥塞通知报文的目的IP地址为网络包的源IP地址，拥塞通知报文的源IP地址为网络包的目的IP地址；拥塞通知报文的目标TCP端口号为流量包的源TCP端口号，拥塞通知报文的源TCP端口号为网络包的目标TCP端口号；TCP头中拥塞窗口减小CWR和显示拥塞通知ECE同时被设置，表示该报文为拥塞通知报文；拥塞通知报文中TCP数据为拥塞状态相关信息。
具体的，IP地址(Intemet Protocol Address)是指互联网协议地址；CWRCongestion Window Reduced拥塞窗口减小；传输控制协议(TCP，Transmission ControlProtocol)。
针对QCN的拥塞通知仅作用于二层局域网和DC-QCN的较长拥塞通知路径2个问题，本发明提供了上述面向广域网的拥塞控制方法。
在本发明中，所述拥塞状态相关信息包括版本、保留字段、标识ID、量化值、长度和附加信息。其中，附加信息表示额外的附加信息，视具体需求而定。
在本发明中，所述交换机/交换设备对缓冲区队列上的网络包进行采样/分析，判定是否拥塞发生以及是否发送拥塞通知。即，交换机需要独立的根据自身的状态来决定是否需要发送拥塞通知。
在本发明中，所述交换机周期性的对缓冲区中队列大小进行采样，根据采样结果计算当前的拥塞状态，拥塞检测的方法为：
Qα＝Q-Qeq
Qβ＝Q-Qold
Fb＝-(Qα+w*QB) (a)
Q表示采样时刻的队列大小；Qeq表示期望的队列大小；Qα表示采样时刻队列和期望队列的大小差值；Qβ表示采样时刻队列和上一次采样队列的大小差值；Qold表示上次采样的队列大小；Fb表示拥塞状态的一个量化的值；w表示权重，控制Qβ在Fb的比重；
在本发明中，w是一个非负常量，交换设备根据Fb的值来决定是否产生拥塞通知报文；当Fb＜0时，说明拥塞发生，在拥塞通知报文中对应的字段填充这个量化值，以告知发送端网络的拥塞程度；Fb>＝0时，说明队列没有拥塞。
在本发明中，当发送方(终端)收到拥塞通知报文，发送方根据拥塞程度Fb进行流量限速，避免网络拥塞造成丢包和队列时延，所述流量限速包括主动降速过程。发送方通过进行流量限速以缓解拥塞的程度。
在本发明中，所述主动降速过程执行如下：在收到拥塞通知报文后，目标速率TR被更新为降速之前的发送速率CR，CR按照如下公式调整速率：
CR＝CR*(1-γ*|Fb|) (b)
其中γ是一个常量，其取值需要保证(γ*|Fb|)max＝1/2。
因此收到拥塞通知之后，发送方的发送速率最多降低到原来速率的一半。
在本发明中，当发送方未收到拥塞通知报文，发送方执行主动增速过程，发送方的发送速率将会增大，包括两个阶段：快速恢复阶段和主动增加阶段。
在本发明中，当发送方未收到拥塞通知报文，快速恢复阶段(Fast Recovery)如下：
每当速率降低时，字节计数器将会被重置，同时进入了快速恢复阶段，该阶段包括6个周期，每个周期结束后，TR不变，CR按照以下进行更新：
CR＝0.5*(CR+TR) (c)
主动增加阶段(Active Increase)执行如下：
在快速恢复执行完成后的6个周期后，此时将探测周期设置为60个帧探测一次，每个周期结束后，发送速率按照如下方式调整TR和CR：
TR＝TR+Rai
CR＝0.5*(CR+TR) (d)
其中Rai是一个常数。
BC即Byte Counter，用于统计发送出去的字节数的计数器，能够触发速率限制器增大发送速率；
Timer发送端的定时器，也能够触发速率限制器增加发送速率；
字节计数器进入主动增加阶段，该阶段用于以逐渐探索的方式利用的可用带宽。
在本发明中，当广域网发生拥塞时，发送方可以根据拥塞状态的一个量化的值来降低发送方发送流量的速率；当不发生拥塞时，不知道以什么样的幅度增加发送流量的速率，因此发送方执行上述主动增速过程。
本发明还提供了一种面向广域网的拥塞控制装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述的面向广域网的拥塞控制方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述面向广域网的拥塞控制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下具体有益效果：
1、本发明提供的拥塞控制方法中通过设计新型拥塞通知机制和拥塞通知报文，可以在广域网上传输拥塞通知报文，也可以缩短拥塞产生后的传输路径，提升拥塞控制的效果。
2、本发明提供的交换机的拥塞检测方法，可以针对广域网络拥塞问题，检测到是否发生网络拥塞以及网络拥塞的程度，便于更好的对拥塞现象进行调控。
3、本发明提供的发送方中的拥塞控制方法，可以缓解广域网络上因拥塞造成的丢包和队列延迟，避免网络拥塞的恶化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种广域网架构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种拥塞通知报文的格式图；
图3为本发明实施例提供的一种拥塞相关信息对应的字段图；
图4为本发明实施例中速率增大过程图；
图5为本发明实施例中一种面向广域网的拥塞控制装置的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
如图1所示，为本实施例提供的一种广域网架构示意图，包括发送方、交换设备(如交换机)和接收方。
本实施例提供的拥塞控制方法包括以下步骤：
S1、交换机对缓缓冲区队列上的网络包进行采样/分析，判定是否拥塞发生以及是否发送拥塞通知。
交换机周期性的对缓冲区中队列大小进行采样，根据采样结果计算当前的拥塞状态，拥塞检测的方法为：
Qα＝Q-Qeq
QB＝Q-Qold
Fb＝-(Qα+w*Qβ) (a)
Q表示采样时刻的队列大小；Qeq表示期望的队列大小；Qα表示采样时刻队列和期望队列的大小差值；Qβ表示采样时刻队列和上一次采样队列的大小差值；Qold表示上次采样的队列大小；Fb表示拥塞状态的一个量化的值；w表示权重，控制Qβ在Fb的比重；
当Fb＜0时，说明拥塞发生，在拥塞通知报文中对应的字段填充这个量化值，以告知发送端网络的拥塞程度。
在本实施例中，权重w是一个非负常量，交换机根据Fb的值来决定是否产生拥塞通知报文。当Fb＜0时，说明拥塞发生，在拥塞通知报文中对应的字段填充这个量化值，以告知发送端网络的拥塞程度；当Fb>＝0时，说明队列没有拥塞。
本实施例通过上述拥塞检测方法，可以针对广域网络拥塞问题，检测到是否发生网络拥塞以及网络拥塞的程度，便于更好的对拥塞现象进行调控。
S2、当交换机判定拥塞发生时(Fb＜0)，交换机获取接收缓冲区的网络包并构造拥塞通知报文；交换机直接将拥塞通知报文传递给网络包的源头，即发送方；
其中，拥塞通知报文的目的IP地址为网络包的源IP地址，拥塞通知报文的源IP地址为网络包的目的IP地址；拥塞通知报文的目标TCP端口号为流量包的源TCP端口号，拥塞通知报文的源TCP端口号为网络包的目标TCP端口号；TCP头中拥塞窗口减小CWR和显示拥塞通知ECE同时被设置，表示该报文为拥塞通知报文；拥塞通知报文中TCP数据为拥塞状态相关信息。拥塞状态相关信息包括版本、保留字段、标识ID、量化值、长度和附加信息。
具体的，当交换设备产生网络拥塞时会产生拥塞通知包(拥塞通知报文)，该拥塞通知包的目的IP地址为采样包的源IP地址，通过广域网输送给发送端。该拥塞通知报文的协议格式如图2所示。其中拥塞相关信息字段如图3所示，具体字段含义如下：
版本(version)：占4bits，默认为0；
保留字段(reserved)：占4bits，默认为0；
标识ID(ID)：占8字节，用于标识和区分不同的拥塞点；
量化值(Quantized Feedback)：占1字节，表示量化后的拥塞程度；
长度(Length)：占1字节，表示拥塞通知包负载的总长度；
附加信息(Extra Information)：占0～160字节，表示额外的附加信息，视具体需求而定。
本实施例通过构造上述拥塞通知报文，可以在广域网上传输拥塞通知报文，也可以缩短拥塞产生后的传输路径，提升拥塞控制的效果。
S3、当发送方收到拥塞通知报文，发送方根据拥塞程度进行流量限速，所述流量限速包括主动降速过程；当发送方未收到拥塞通知报文，发送方执行主动增速过程，包括两个阶段：快速恢复阶段和主动增加阶段。
主动降速过程执行如下：在收到拥塞通知报文后，目标速率TR被更新为降速之前的发送速率CR，发送速率CR按照如下公式调整速率：
CR＝CR*(1-γ*|Fb|) (b)
其中γ是一个常量，其取值需要保证(γ*|Fb|)max＝1/2。
因此收到拥塞通知之后，发送方的发送速率最多降低到原来速率的一半。
当发送方未收到拥塞通知报文，发送方执行主动增速过程，发送方/发送端的发送速率将会增大，主要包括两个阶段：快速恢复阶段和主动增加阶段。
当发送方未收到拥塞通知报文，快速恢复阶段(Fast Recovery)如下：
每当速率降低时，字节计数器BC将会被重置，同时进入了快速恢复阶段，该阶段包括6个周期，每个周期结束后，目标速率TR不变，发送速率CR按照以下进行更新：
CR＝0.5*(CR+TR) (c)
主动增加阶段(Active Increase)执行如下：
在快速恢复执行完成后的6个周期后，此时将探测周期设置为60个帧探测一次，每个周期结束后，发送速率按照如下方式调整目标速率TR和发送速率CR：
TR＝TR+Rai
CR＝0.5*(CR+TR) (d)
其中Rai是一个常数。
BC即Byte Counter，用于统计发送出去的字节数的计数器，能够触发速率限制器增大发送速率；
Timer表示发送端的定时器；
字节计数器进入主动增加阶段，该阶段用于以逐渐探索的方式利用的可用带宽。
具体地，在本实施例中，当发送方接收到拥塞通知后，表示网络上某个点出现拥塞，需要调整发送速率。具体调整过程和示例，见图4：
(1)初始时，发送速率CR＝TR＝R；
(2)t0时刻，发送方接收到拥塞通知(对拥塞通知进行解析，得知Fb的值)，立即进入主动速率降低过程，根据公式(b)执行降低速率，则发送速率CR＝0.5*CR＝0.5R；
(3)至t1时刻，发送方仍未收到拥塞通知，则进入主动增速过程中的快速恢复阶段，执行公式(c)，则发送速率CR＝0.5*(CR+TR)＝0.75R；
(4)循环执行步骤(3)6次，若期间收到新的拥塞通知，则执行步骤(2)；
(5)1个周期后，至t3时刻，发送方仍未收到拥塞通知，则进入主动增速过程中的主动增加阶段，执行公式(d)，则发送速率CR＝0.5*(CR+TR+Rai)；
(6)循环执行步骤(5)直至发送速率CR＝R，若期间收到新的拥塞通知，则执行步骤(2)。
本实施例通过上述拥塞控制方法，可以缓解广域网络上因拥塞造成的丢包和队列延迟，避免网络拥塞的恶化。
如图5所示，本发明实施例还提供了一种面向广域网的拥塞控制装置，包括一个或多个处理器，存储器中存储有可执行代码，处理器执行可执行代码时，用于实现上述实施例中的面向广域网的拥塞控制方法。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的从硬件层面而言，除处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的面向广域网的拥塞控制方法：计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash8 Card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于***实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种面向广域网的拥塞控制方法，其特征在于，所述拥塞控制方法包括：当交换机判定拥塞发生时，交换机获取接收缓冲区的网络包并构造拥塞通知报文；交换机直接将拥塞通知报文传递给网络包的源头，即发送方；
其中，所述拥塞通知报文的目的IP地址为网络包的源IP地址，拥塞通知报文的源IP地址为网络包的目的IP地址；拥塞通知报文的目标TCP端口号为流量包的源TCP端口号，拥塞通知报文的源TCP端口号为网络包的目标TCP端口号；TCP头中拥塞窗口减小CWR和显示拥塞通知ECE同时被设置，表示该报文为拥塞通知报文；拥塞通知报文中TCP数据为拥塞状态相关信息。
2.根据权利要求1所述的面向广域网的拥塞控制方法，其特征在于，所述拥塞状态相关信息包括版本、保留字段、标识ID、量化值、长度和附加信息。
3.根据权利要求1所述的面向广域网的拥塞控制方法，其特征在于，所述交换机对缓缓冲区队列上的网络包进行采样/分析，判定是否拥塞发生以及是否发送拥塞通知。
4.根据权利要求3所述的面向广域网的拥塞控制方法，其特征在于，所述交换机周期性的对缓冲区中队列大小进行采样，根据采样结果计算当前的拥塞状态，拥塞检测的方法为：
Qα＝Q-Qeq
Qβ＝Q-Qold
Fb＝-(Qα+w*Qβ) (a)
Q表示采样时刻的队列大小；Qeq表示期望的队列大小；Qα表示采样时刻队列和期望队列的大小差值；Qβ表示采样时刻队列和上一次采样队列的大小差值；Qold表示上次采样的队列大小；Fb表示拥塞状态的一个量化的值；w表示权重，控制Qβ在Fb的比重；
当Fb<0时，说明拥塞发生，在拥塞通知报文中对应的字段填充这个量化值，以告知发送端网络的拥塞程度。
5.根据权利要求4所述的面向广域网的拥塞控制方法，其特征在于，当发送方收到拥塞通知报文，发送方根据拥塞程度进行流量限速，所述流量限速包括主动降速过程。
6.根据权利要求5所述的面向广域网的拥塞控制方法，其特征在于，所述主动降速过程执行如下：在收到拥塞通知报文后，目标速率TR被更新为降速之前的发送速率CR，CR按照如下公式调整速率：
CR＝CR*(1-γ*|Fb|) (b)
其中γ是一个常量，其取值需要保证(γ*|Fb|)max＝1/2。
7.根据权利要求4所述的面向广域网的拥塞控制方法，其特征在于，当发送方未收到拥塞通知报文，发送方执行主动增速过程，包括两个阶段：快速恢复阶段和主动增加阶段。
8.根据权利要求7所述的面向广域网的拥塞控制方法，其特征在于，当发送方未收到拥塞通知报文，快速恢复阶段如下：每当速率降低时，字节计数器将会被重置，同时进入了快速恢复阶段，该阶段包括6个周期，每个周期结束后，TR不变，CR按照以下进行更新：
CR＝0.5*(CR+TR) (c)
主动增加阶段执行如下：
在快速恢复执行完成后的6个周期后，此时将探测周期设置为60个帧探测一次，每个周期结束后，发送速率按照如下方式调整TR和CR：
TR＝TR+Rai
CR＝0.5*(CR+TR) (d)
其中Rai是一个常数。
9.一种面向广域网的拥塞控制装置，其特征在于，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现权利要求1-8中任一项所述的面向广域网的拥塞控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现权利要求1-8中任一项所述的面向广域网的拥塞控制方法。
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