專利名稱：一種數(shù)據(jù)包的調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種數(shù)據(jù)包的調(diào)度方法，它尤其適用于路由器中數(shù)據(jù)包的調(diào)度。
目前一類基于GPS模型的調(diào)度算法如WFQ、WF2Q、WF2Q+等得到了廣泛的研究。GPS(Generalized Processor Sharing)模型是一種理想化的流體模型，它基于如下兩個假設(shè)其一，數(shù)據(jù)包長度無限可分；其二，所有的流可以同時接受服務(wù)。而在實際系統(tǒng)中，一個調(diào)度器服務(wù)的最小單元為一個數(shù)據(jù)包，而且一次只能為一個流服務(wù)，因此GPS模型是不可實現(xiàn)的。于是Jon C.R.Bennett和Hui Zhang(見文獻J.Bennett and H.Zhang，Hierarchical packet fair queuing algorithms，In Proceedings of theACM-SIGCOMM’96，pages 143-156，Palo Alto，CA，August 1996)提出了WF2Q+調(diào)度算法用于在實際系統(tǒng)中模擬GPS模型。其基本思想是，對流中的每個數(shù)據(jù)包維護一個開始服務(wù)時間和結(jié)束服務(wù)時間，當調(diào)度器準備發(fā)送一個數(shù)據(jù)包時，首先需要對等待調(diào)度的數(shù)據(jù)包進行資格測試，只有開始服務(wù)時間小于系統(tǒng)的虛擬時間的數(shù)據(jù)包才可以通過測試，然后在通過測試的數(shù)據(jù)包中選擇具有最小結(jié)束服務(wù)時間的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送，這種策略稱為SEFF(Smallest Eligible virtual Finish time First)選擇策略。
由于WF2Q+具有很好的公平性和時延性，而且算法復(fù)雜度比較低，因此得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。但是，WF2Q+算法在應(yīng)用上存在如下問題1)算法的復(fù)雜度隨著受調(diào)度流的數(shù)量增加而增大，特別是在高速核心路由器上，當數(shù)據(jù)流的數(shù)量很大時，算法的應(yīng)用將會給系統(tǒng)帶來巨大的負擔，2)在硬件上實現(xiàn)很困難。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，一種數(shù)據(jù)包的調(diào)度方法，將待調(diào)度的數(shù)據(jù)包分成新到流隊列和積壓流隊列兩部分，由調(diào)度器進行調(diào)度，其調(diào)度步驟為(1)初始化調(diào)度節(jié)點，設(shè)定系統(tǒng)虛擬時間的初始值；(2)當某個數(shù)據(jù)包到達調(diào)度節(jié)點時，檢查這個數(shù)據(jù)包是否為其所屬數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，如果是，根據(jù)其速率和/或長度掛到新到流隊列部分相應(yīng)的Q1隊列的尾部，并通過公式(3)，計算這個數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，該虛起始服務(wù)時間即該數(shù)據(jù)流的虛起始服務(wù)時間；如果這個數(shù)據(jù)包不是這個數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，直接將這個數(shù)據(jù)包掛在所屬數(shù)據(jù)流的尾部；(3)進行調(diào)度時，調(diào)度器會掃描所有隊列中第一個數(shù)據(jù)流的頭數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，從中找出虛起始服務(wù)時間小于系統(tǒng)虛擬時間的合法數(shù)據(jù)包，再通過公式(4)，計算這些合法數(shù)據(jù)包的虛結(jié)束服務(wù)時間，找出具有最小虛結(jié)束服務(wù)時間的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送；(4)對選定的頭數(shù)據(jù)包進行發(fā)送的過程為首先將該數(shù)據(jù)包從所屬的數(shù)據(jù)流F中取下來發(fā)送，數(shù)據(jù)流F再根據(jù)其新的頭數(shù)據(jù)包的速率和長度，掛在積壓流隊列部分相應(yīng)的Q2(Rx，Ly)隊列的尾部，通過公式(2)更新數(shù)據(jù)流F的虛起始服務(wù)時間，即數(shù)據(jù)流F新的頭數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，并通過公式(1)更新系統(tǒng)虛擬時間；V(t+τ)=max(V(t)+τ,mini∈B(t)(Sihi(t)))....(1)]]> Fik=Sik+LikRi(t).......(4)]]>(5)重復(fù)步驟(2)至(4)，直至工作完成。
為了驗證本調(diào)度方法的性能，在Network Simulator仿真環(huán)境中，實現(xiàn)了本調(diào)度方法，并檢查了如下性能指標 帶寬每個數(shù)據(jù)流得到的實際帶寬(Mbps) 帶寬抖動每個數(shù)據(jù)流在相鄰時間段內(nèi)得到的平均實際帶寬之差(Mbps) 時延每個數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)包離開與到達的時間差(ms) 時延抖動每個數(shù)據(jù)流前后兩個數(shù)據(jù)包的平均時延差(ms)其結(jié)果見具體實施方式
部分?？傊?，本調(diào)度方法簡單高效，易于硬件實現(xiàn)，并基本保證了WF2Q+算法原有的優(yōu)良性能。
圖7為使用調(diào)度方法時數(shù)據(jù)流1的時延特性；圖8為使用調(diào)度方法時數(shù)據(jù)流1的時延抖動特性；圖9為使用簡化調(diào)度方法時數(shù)據(jù)流1的帶寬特性；

圖10為使用簡化調(diào)度方法時數(shù)據(jù)流1的帶寬抖動特性；圖11為使用簡化調(diào)度方法時數(shù)據(jù)流1的時延特性；圖12為使用簡化調(diào)度方法時數(shù)據(jù)流1的時延抖動特性。
每個數(shù)據(jù)流按照其預(yù)留的速率R(如R＝Rm)和頭數(shù)據(jù)包長度L(如Ln-1＜L≤Ln)，掛在相應(yīng)的隊列Q(Rm，Ln)上。頭數(shù)據(jù)包是指數(shù)據(jù)流中當前排在最前面待調(diào)度的數(shù)據(jù)包，其長度量化為比它大的最近等級長度；大于最高等級長度的，量化為最高等級長度。隊列上的數(shù)據(jù)流依次記為F1，F(xiàn)2，...，最后一個數(shù)據(jù)流記為FTail。數(shù)據(jù)流Fi中的數(shù)據(jù)包依次記為Pi1，Pi2，...，最后一個數(shù)據(jù)包記為Pi，Tail。
數(shù)據(jù)流第一個數(shù)據(jù)包是指該數(shù)據(jù)流初次發(fā)生或停止一段時間后重新發(fā)生時最先被處理的數(shù)據(jù)包。確認一個新到的數(shù)據(jù)包為其所屬數(shù)據(jù)流第一個數(shù)據(jù)包的依據(jù)是該數(shù)據(jù)包所屬數(shù)據(jù)流當前沒有數(shù)據(jù)包正在等待調(diào)度，如果該數(shù)據(jù)包所屬數(shù)據(jù)流已有數(shù)據(jù)包正在等待調(diào)度，則稱該數(shù)據(jù)包為其所屬數(shù)據(jù)流的后續(xù)數(shù)據(jù)包。由于數(shù)據(jù)流第一個數(shù)據(jù)包和其后續(xù)數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間的計算不一致，需要對該數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包單獨處理。于是我們將隊列分成兩個部分，新到流隊列部分①和積壓流隊列部分②，如圖1所示。新到流隊列部分①負責處理數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，積壓流隊列部分②負責處理數(shù)據(jù)流的后續(xù)數(shù)據(jù)包，兩部分共需2×M×N個隊列。調(diào)度器③的作用是采用SEFF策略對這兩部分隊列進行統(tǒng)一調(diào)度。
結(jié)合圖2，本調(diào)度方法的具體調(diào)度步驟如下(1)初始化調(diào)度節(jié)點，設(shè)定系統(tǒng)虛擬時間的初始值，比如0；(2)當某個數(shù)據(jù)包到達調(diào)度節(jié)點時，檢查這個數(shù)據(jù)包是否為其所屬數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，如果是，根據(jù)其速率和長度掛到新到流隊列部分①相應(yīng)的Q1(Rm，Ln)隊列的尾部，并通過公式(3)，計算這個數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，該虛起始服務(wù)時間也是該數(shù)據(jù)流的虛起始服務(wù)時間。如果這個數(shù)據(jù)包不是這個數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，直接將這個數(shù)據(jù)包掛在所屬數(shù)據(jù)流的尾部；(3)進行調(diào)度時，調(diào)度器③會掃描所有隊列(包括M×N個新到流隊列Q1(R，L)和M×N個積壓流隊列Q2(R，L))中第一個數(shù)據(jù)流的頭數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，從中找出虛起始服務(wù)時間小于系統(tǒng)虛擬時間的合法數(shù)據(jù)包，再通過公式(4)，計算這些合法數(shù)據(jù)包的虛結(jié)束服務(wù)時間，找出具有最小虛結(jié)束服務(wù)時間的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送；(4)無論是選定新到流隊列Q1(Rm，Ln)的第一個數(shù)據(jù)流的頭數(shù)據(jù)包進行發(fā)送，還是選定積壓流隊列Q2(Rm，Ln)的第一個數(shù)據(jù)流的頭數(shù)據(jù)包進行發(fā)送，均做出這樣的處理首先將該數(shù)據(jù)包從所屬的數(shù)據(jù)流F中取下來發(fā)送，數(shù)據(jù)流F再根據(jù)其新的頭數(shù)據(jù)包的速率和長度，掛在積壓流隊列部分②相應(yīng)的Q2(Rx，Ly)隊列的尾部，通過公式(2)更新數(shù)據(jù)流F的虛起始服務(wù)時間，即數(shù)據(jù)流F新的頭數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，并通過公式(1)更新系統(tǒng)虛擬時間；(5)重復(fù)步驟(2)至(4)，直至工作完成。
本發(fā)明所指的調(diào)度節(jié)點，即應(yīng)用了本調(diào)度方法的設(shè)備，如路由器。
為了減少隊列數(shù)目，節(jié)省硬件資源，我們同時提出了簡化調(diào)度方法。如圖3所示，對于新到流隊列部分①只采用長度(或速率)進行量化，記為Q1(Ln)(或Q1(Rm))，這樣共需要M×N+N(或M×N+M)個隊列。以下將以長度量化為例。
結(jié)合圖3，簡化調(diào)度方法的具體調(diào)度步驟如下(1)初始化調(diào)度節(jié)點，設(shè)定系統(tǒng)虛擬時間的初始值，比如0；(2)當某個數(shù)據(jù)包到達調(diào)度節(jié)點時，檢查這個數(shù)據(jù)包是否為其所屬數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，如果是，根據(jù)其長度掛到新到流隊列部分①相應(yīng)的Q1(Ln)隊列的尾部，并通過公式(3)，計算這個數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，該虛起始服務(wù)時間也是該數(shù)據(jù)流的虛起始服務(wù)時間。如果這個數(shù)據(jù)包不是這個數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，直接將這個數(shù)據(jù)包掛在所屬數(shù)據(jù)流的尾部。
(3)進行調(diào)度時，調(diào)度器③會掃描所有隊列(包括N個新到流隊列Q1(L)和M×N個積壓流隊列Q2(R，L))中第一個數(shù)據(jù)流的頭數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，從中找出虛起始服務(wù)時間小于系統(tǒng)虛擬時間的合法數(shù)據(jù)包，再通過公式(4)，計算這些合法數(shù)據(jù)包的虛結(jié)束服務(wù)時間，找出具有最小虛結(jié)束服務(wù)時間的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送。
(4)無論是選定新到流隊列Q1(Ln)的第一個數(shù)據(jù)流的頭數(shù)據(jù)包進行發(fā)送，還是選定積壓流隊列Q2(Rm，Ln)的第一個數(shù)據(jù)流的頭數(shù)據(jù)包進行發(fā)送，均做出這樣的處理首先將該數(shù)據(jù)包從所屬的數(shù)據(jù)流F中取下來發(fā)送，數(shù)據(jù)流F再根據(jù)其新的頭數(shù)據(jù)包的速率和長度，掛在積壓流隊列部分②相應(yīng)的Q2(Rx，Ly)隊列的尾部，通過公式(2)更新數(shù)據(jù)流F的虛起始服務(wù)時間，即數(shù)據(jù)流F新的頭數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，并通過公式(1)更新系統(tǒng)虛擬時間；(5)重復(fù)步驟(2)至(4)，直至工作完成。
具體的仿真拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。
在這個仿真拓撲結(jié)構(gòu)中，各輸入鏈路和輸出鏈路帶寬均為10M，所有的數(shù)據(jù)流均受到調(diào)度節(jié)點的調(diào)度并從輸出鏈路輸出。在圖4的調(diào)度節(jié)點，調(diào)度方法和簡化調(diào)度方法的速率和長度均被量化成5個等級。
對數(shù)據(jù)流定義5個速率等級 0.1Mbps.
0.3Mbps.
1 Mbps.
2 Mbps.
5 Mbps.
對數(shù)據(jù)包定義5個長度等級 200 bytes.
400 bytes.
800 bytes.
1000 bytes.
1600 bytes.
對數(shù)據(jù)流定義兩種傳輸方式 CBR(Const Bit Rate)表明數(shù)據(jù)流以恒定的速率傳輸； On/Off表明數(shù)據(jù)流以某個速率間隙性地傳輸。
對數(shù)據(jù)包長度定義三種分布方式 相同長度數(shù)據(jù)流中的所有數(shù)據(jù)包長度相同； 平均分布數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)包長度在某個長度范圍內(nèi)均勻分布； 正態(tài)分布數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)包長度以某個長度為中心正態(tài)分布。
對兩種調(diào)度方法進行了大量測試，選取一個較典型的測試配置以說明測試結(jié)果。調(diào)度方法的典型仿真參數(shù)如下表所示

上述配置中每個數(shù)據(jù)流均采用On/Off模型，數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)包長度采用正態(tài)分布(均值為1000字節(jié)，方差400字節(jié))。對調(diào)度方法和簡化調(diào)度方法進行仿真實驗，得到數(shù)據(jù)流1在兩種方法中的性能指標帶寬、帶寬抖動、時延和時延抖動。如圖5～圖12所示。
根據(jù)圖5～圖12所示的仿真結(jié)果，可以看出這兩種調(diào)度方法均能較好地保證數(shù)據(jù)流1的帶寬、帶寬抖動、時延和時延抖動等性能，從而能較好地保證用戶的服務(wù)質(zhì)量。
在NS仿真實驗的基礎(chǔ)上，采用Xilinx公司的FPGA實現(xiàn)了支持簡化調(diào)度方法的調(diào)度芯片。該芯片最大支持128k個數(shù)據(jù)流，5個速率等級和5個長度等級，并可動態(tài)配置各速率和長度等級的值。經(jīng)實際運行測試，該芯片能很好地保證各數(shù)據(jù)流的預(yù)約帶寬、時延性及公平性。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)據(jù)包的調(diào)度方法，該方法將待調(diào)度的數(shù)據(jù)包分成新到流隊列和積壓流隊列兩部分，由調(diào)度器進行調(diào)度，其調(diào)度步驟為(1)初始化調(diào)度節(jié)點，設(shè)定系統(tǒng)虛擬時間的初始值；(2)當某個數(shù)據(jù)包到達調(diào)度節(jié)點時，檢查這個數(shù)據(jù)包是否為其所屬數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，如果是，根據(jù)其速率和/或長度掛到新到流隊列部分相應(yīng)的Q1隊列的尾部，并通過公式(3)，計算這個數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，該虛起始服務(wù)時間即該數(shù)據(jù)流的虛起始服務(wù)時間；如果這個數(shù)據(jù)包不是這個數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包，直接將這個數(shù)據(jù)包掛在所屬數(shù)據(jù)流的尾部；(3)進行調(diào)度時，調(diào)度器會掃描所有隊列中第一個數(shù)據(jù)流的頭數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，從中找出虛起始服務(wù)時間小于系統(tǒng)虛擬時間的合法數(shù)據(jù)包，再通過公式(4)，計算這些合法數(shù)據(jù)包的虛結(jié)束服務(wù)時間，找出具有最小虛結(jié)束服務(wù)時間的數(shù)據(jù)包進行發(fā)送；(4)對選定的頭數(shù)據(jù)包進行發(fā)送的過程為首先將該數(shù)據(jù)包從所屬的數(shù)據(jù)流F中取下來發(fā)送，數(shù)據(jù)流F再根據(jù)其新的頭數(shù)據(jù)包的速率和長度，掛在積壓流隊列部分相應(yīng)的Q2(Rx，Ly)隊列的尾部，通過公式(2)更新數(shù)據(jù)流F的虛起始服務(wù)時間，即數(shù)據(jù)流F新的頭數(shù)據(jù)包的虛起始服務(wù)時間，并通過公式(1)更新系統(tǒng)虛擬時間；V(t+τ)=max(V(t)+τ,mini∈B(t)(Sihi(t)))....(1)]]> Fik=Sik+LikRi(t)..........(4)]]>(5)重復(fù)步驟(2)至(4)，直至工作完成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)據(jù)包的調(diào)度方法，該方法量化數(shù)據(jù)流速率和數(shù)據(jù)包長度；并將待調(diào)度的數(shù)據(jù)流隊列分成兩部分，即新到流隊列部分①和積壓流隊列部分②；調(diào)度器③采用SEFF策略對這兩部分隊列進行統(tǒng)一調(diào)度。當硬件資源不夠時，可以對新到流隊列部分進行簡化。當一個數(shù)據(jù)包到達調(diào)度節(jié)點時，根據(jù)其是否為所屬數(shù)據(jù)流的第一個數(shù)據(jù)包而排在新到流隊列部分或積壓流隊列部分，調(diào)度器會從新到流隊列部分和積壓流隊列部分中選取一個數(shù)據(jù)包進行發(fā)送。該調(diào)度方法簡單、高效，可采用硬件實現(xiàn)，并基本保證了WF
文檔編號H04L25/02GK1450754SQ03118918
公開日2003年10月22日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月11日
發(fā)明者楊宗凱, 劉彥, 王玉明, 范兵 申請人:華中科技大學