專利名稱：：一種分級服務(wù)邊緣路由器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)，尤其涉及一種分級服務(wù)邊緣路由器。
背景技術(shù)：
：傳統(tǒng)的、主要用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的IP網(wǎng)為滿足語音業(yè)務(wù)與多媒體業(yè)務(wù)的需要，不得不考慮對網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點路由器采用分級服務(wù)算法，向分級服務(wù)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。為保證IP網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)質(zhì)量(QualityofService,QoS)，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(InternetEngineeringTaskForce,IETF)首先提出用RSVP(資源預(yù)留協(xié)議)和Intserv(綜合服務(wù))模型，參見參考文獻(xiàn)[l，2]，在發(fā)送數(shù)據(jù)前對建立至接收端的傳輸路徑和預(yù)留資源，通過接入控制、策略控制、分類調(diào)度控制等機(jī)制實現(xiàn)端到端的QoS。由于要在傳輸路徑上的每個路由器為每一個流進(jìn)行資源預(yù)留，并且要建立和拆除路徑，這就要求每個路由器都要支持RSVP，都要維護(hù)路由和資源的"軟狀態(tài)"信息，這樣，RSVP+Intserv模型的可擴(kuò)展性及魯棒性差，在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上特別對大型廣域網(wǎng)實現(xiàn)起來非常困難，其主要問題在于核心路由器難以實現(xiàn)基于流的和基于分組的混合流的高速分級轉(zhuǎn)發(fā)。這一問題促使IETF發(fā)展Diffserv(區(qū)分業(yè)務(wù))模型，其模型的發(fā)展情況參見參考文獻(xiàn)[3-9]。在區(qū)分業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，路由器分為邊緣路由器與核心路由器。邊緣路由器的定義邊緣路由器是部署在區(qū)分業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的邊緣，提供IP用戶終端進(jìn)入?yún)^(qū)分業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的接入的路由器。其功能為對連接的IP用戶數(shù)據(jù)流向核心路由器進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)發(fā)。核心路由器的定義核心路由器是部署在區(qū)分業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部，連接邊緣路由器或其它核心路由器的路由器。其功能為對連接的邊緣路由器或其它核心路由器進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)發(fā)。邊緣路由器與核心路由器的區(qū)別(l)在上行鏈路中，網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器的輸入端口連接IP用戶終端，輸出端口連接核心路由器。在下行鏈路中，網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器的輸入端口連接核心路由器，輸出端口連接IP用戶終端。(2)網(wǎng)絡(luò)的核心路由器不直接與IP用戶終端連接，在上行鏈路中，網(wǎng)絡(luò)的核心路由器的輸入端口連接邊緣核心路由器。在下行鏈路中，網(wǎng)絡(luò)的核心路由器的輸入端口連接其它核心路由器，輸出端口連接邊緣路由器。(3)核心路由器需要處理的數(shù)據(jù)流的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于邊緣路由器，每秒鐘處理的數(shù)據(jù)包可達(dá)數(shù)千萬個。在如此海量數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，核心路由器完成區(qū)分業(yè)務(wù)功能是非常困難的。IETF發(fā)展Diffserv(區(qū)分業(yè)務(wù))模型，考慮將區(qū)分業(yè)務(wù)功能由網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器完成。(4)網(wǎng)絡(luò)邊緣路由器將業(yè)務(wù)流分解成小數(shù)據(jù)量的聚集流(類)，由IP分組包頭的DSCP(DiffservCodePoint,區(qū)分業(yè)務(wù)碼)來標(biāo)識。網(wǎng)絡(luò)邊緣路由器實施分類、標(biāo)記、管理等功能，網(wǎng)絡(luò)的核心路由器僅根據(jù)DSCP相關(guān)的raB(per-hop-behavior)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，簡化了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部核心路由器的結(jié)構(gòu)，取得比綜合服務(wù)Intserv大的多的可擴(kuò)展性。但是，現(xiàn)有的Diffserv網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器仍存在下列問題，并不能保證IP網(wǎng)的有優(yōu)先級的語音業(yè)務(wù)與多媒體實時業(yè)務(wù)質(zhì)量。問題l:現(xiàn)有技術(shù)是對邊緣路由器入口接收數(shù)據(jù)流分類和標(biāo)記，丟包控制，按服務(wù)級別轉(zhuǎn)發(fā)，但沒有考慮丟包控制是否一定有效。當(dāng)Diffserv用戶向Diffserv邊緣路由器同時注入TCP和UDP數(shù)據(jù)包時，TCP流和UDP流的相互作用使無應(yīng)答的UDP流增加TCP流的丟包率。網(wǎng)絡(luò)仿真實驗表明如果當(dāng)TCP與UDP流共處Diffserv邊緣路由器的同一緩沖隊列時，由于擁塞時TCP流會降低發(fā)送速率而UDP流卻保持原速率發(fā)送，將導(dǎo)致UDP流壓制TCP流并占有較多帶寬，而TCP流卻無法獲得公平連接容量。問題2:現(xiàn)有的Diffserv網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器沒有考慮根據(jù)輸出連接容量對會聚分級數(shù)據(jù)流的接入控制。在有限連接容量的情況下，大量高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流(VOIP)的接入同樣會導(dǎo)致邊緣路由器大量丟包，無法保證已接入的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量。問題3:現(xiàn)有的Diffserv網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器不能發(fā)現(xiàn)路徑下游節(jié)點路由器的擁塞情況。參考文獻(xiàn)IETFworkingGroup.OnIntegratedService,http:〃www.ietf.org./html.charters/intservchartetr.htmlIETFworkingGroup.OnDifferentiateService,http:〃www.ietf.org/html.charters/diffservcharter.htmlS.Blakeetal""AnArchitectureforDifferentiatedServices",IETFRFC2475，December,1998.H.Su，M.Atiquzzaman，Comprehensiveperformancemodelofdifferentiatedservicewithtokenbucketmarker,IEEProceedings-Communications,Volume150,Issue5，2003，Page(s):347-53.9[5]XipengXiao,T.Telkamp,V.Fineberg,ChengChen;L.M.Ni,ApracticalapproachforprovidingQoSintheInternetbackbone,IEEECommunicationsMagazine,Volume40,Issue12,Dec2002Page(s):56-62.E.Hossain,V.K.Bhargava,Link-leveltrafficschedulingforprovidingpredictiveQoSinwirelessmultimedianetworks,IEEETransactionsonMultimedia,Volume6,Issue1,Feb.2004Page(s):199—217.M.C.Domingo,D.Remondo,AcooperationmodelandroutingprotocolforQoSsupportinadhocnetworksconnectedtofixedIPnetworks,Proceedingsof2005AdvancedIndustrialConferenceonTelecommunications,Telecommunications/ServiceAssurancewithPartialandIntermittentResourcesConference/E-LearningonTelecommunicationsWorkshop.AICT/SAPIR/ELETE2005.17-20July2005Page(s):390-395.P.Kemper,D.Muller,A.Thummler，Combiningresponsesurfacemethodologywithnumericalmodelsforoptimizationofclass-basedqueueingsystems,ProceedingsofInternationalConferenceonDependableSystemsandNetworks(DSN2005),2005，Page(s):550-559.HorlaitEric,RouhanaNicolas.DifferentiatedservicesandintegratedservicesuseofMPLS,FifthIEEESymposiumonComputersandCommunications(ISCC2000)July04-06,2000，Antibes，F(xiàn)rance,p.194-199.
發(fā)明內(nèi)容由于現(xiàn)有Diffserv邊緣路由器存在上述問題，本發(fā)明提出能夠解決上述問題的Diffserv邊緣路由器。本發(fā)明提出的Diffserv邊緣路由器具有并行處理和分級接入控制和調(diào)度、多節(jié)點擁塞感知的功能，可以充分利用路由器的出口帶寬，保證高優(yōu)先級用戶的語音業(yè)務(wù)與多媒體業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)流的速率、最小延遲和丟包率。圖1為根據(jù)本發(fā)明一個具體實施方式的Diffserv邊緣路由器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為Diffserv邊緣路由器對分級服務(wù)數(shù)據(jù)流的處理流程示意圖。圖3為IP包頭的結(jié)構(gòu)圖。圖4為兩類TCP流的數(shù)據(jù)包往返時間曲線圖。圖5為兩類TCP流的丟包率曲線圖，丟包率為TCP流服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，丟包率低意味著數(shù)據(jù)傳輸可靠性高。圖6為TCP、VOIP和UDP流為在本發(fā)明的Diffserv路由器處于擁塞情況下的吞吐量比較圖。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一歩說明。具體實施例方式本發(fā)明提出Diffserv邊緣路由器模型，其系統(tǒng)框架如圖l所示。如圖1所示，圖l中左側(cè)是分級用戶群，用^,，/=1,..,/表示，/為用戶服務(wù)級別，W,為/級用戶數(shù)。虛線框表示Diffserv邊緣路由器。該Diffserv邊緣路由器包括以下模塊分類器，用于輸入數(shù)據(jù)流的分類。其中，根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式，流類型分類包括TCP流，UDP流；根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式，流級別分類包括TCP流中的1級數(shù)據(jù)流，2級數(shù)據(jù)流，…，I級數(shù)據(jù)流；根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式，UDP流中的1級數(shù)據(jù)流，2級數(shù)據(jù)流，…，J級數(shù)據(jù)流；根據(jù)本發(fā)明的一個具休實施方式，V0IP流屬于1級UDP數(shù)據(jù)流；在包括TCP流和UDP流的兩類數(shù)據(jù)流中，第l級數(shù)據(jù)流為最高服務(wù)級別。接入控制模塊，用于對不同類別數(shù)據(jù)流、不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流進(jìn)行接入控制。在超出Diffserv邊緣路由器連接容量的大量不同類別與不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流需要通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)時，接入控制模塊根據(jù)路由器連接容量，控制不同類別數(shù)據(jù)流與不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的接入，優(yōu)先接入高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流，限制或屏蔽低服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的接入。多個數(shù)據(jù)流緩沖器，如圖1所示，包括1級數(shù)據(jù)流緩沖器…I級數(shù)據(jù)流緩沖器。這些數(shù)據(jù)流緩沖器用于對不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩沖，可將受控數(shù)據(jù)流(TCP流)與非受控數(shù)據(jù)流(UDP流)分別按服務(wù)級別進(jìn)行緩沖。分級服務(wù)隊列管理模塊，用于管理不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流，這些管理包括數(shù)據(jù)流隊列長度監(jiān)測，丟包率控制。分級服務(wù)隊列管理模塊根據(jù)路由器輸出連接容量和不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的丟包率、連接速率和延遲的要求進(jìn)行丟包率控制。多隊列路由查表模塊，用于查找不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)路徑表，根據(jù)最短延遲確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑，從而繞開下游擁塞節(jié)點。調(diào)度器，用于調(diào)度不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的連接速率，對高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)并提供相應(yīng)的連接速率。調(diào)度器同時檢測所有直接連接的核心路由器的延遲，將延遲信息提供給多隊列路由查表模塊。對于圖l的Diffserv邊緣路由器，用戶群的分為/個優(yōu)先級，Diffserv邊緣路由器入口連接1個服務(wù)級的用戶群^,,/=1,..,/，p,("為第Z級數(shù)據(jù)流的丟包率，c,(;t)為Diffserv邊緣路由器分配給第/級數(shù)據(jù)流的連接容量.如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一個具體實施方式提出的Diffserv邊緣路由器采用了多隊列數(shù)據(jù)緩沖結(jié)構(gòu)，可并行處理不同優(yōu)先級的多隊列數(shù)據(jù)。這樣B」解決單隊列處理的速度饅、與無法實現(xiàn)高優(yōu)先級數(shù)據(jù)流的快進(jìn)快出和延遲保障問題。根據(jù)本發(fā)明一個具體實施方式提出的Diffserv邊緣路由器在輸入端采用了分類器和接入控制模塊，這兩個模塊對輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合處理。在多個數(shù)據(jù)流緩沖器處采用了分級服務(wù)隊列管理模塊。在輸出端采用了多隊列路由查表模塊和調(diào)度器。根據(jù)本發(fā)明一個具體實施方式提出的Diffserv邊緣路由器可解決Diffserv網(wǎng)絡(luò)的有優(yōu)先級的語音業(yè)務(wù)與多媒體實時業(yè)務(wù)質(zhì)量問題，保證分級服務(wù)數(shù)據(jù)流的速率、最小延遲和丟包率，同時考慮避免輸出數(shù)據(jù)同步振蕩和下游擁塞節(jié)點的感知問題。a.分類器在圖l的Diffserv邊緣路由器中，采用多隊列結(jié)構(gòu)，分類器對接入的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類，將不同服務(wù)級別數(shù)據(jù)包送入不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流緩沖器。在根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式中，分類器將分級數(shù)據(jù)流分為受控數(shù)據(jù)流(如TCP流)和非受控數(shù)據(jù)流(如UDP流，ICMP流，IGMP流等)。造成因特網(wǎng)絡(luò)擁塞的數(shù)據(jù)流主要為TCP流和UDP流，其中TCP流為受控數(shù)據(jù)流，UDP流為非受控數(shù)據(jù)流。由于TCP流和UDP流的數(shù)據(jù)包的IP包頭是不同的，因此分類器通過讀取數(shù)據(jù)包中IP包頭可以判別所讀取的數(shù)據(jù)包是TCP流的數(shù)據(jù)包還是UDP流的數(shù)據(jù)包，從而對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類。IP包頭的結(jié)構(gòu)如圖3所示,Diffserv邊緣路由器的分類器讀取到達(dá)數(shù)據(jù)包的包頭獲取數(shù)據(jù)流類別與服務(wù)級別。IP包頭一般是20字節(jié)長。在因特網(wǎng)數(shù)據(jù)幀中，IP包頭緊跟著因特網(wǎng)幀包頭。IP包頭最長可擴(kuò)展到60字節(jié)。IP包頭(PacketHeader)的各字段說明如下。(1)版本(Version)字段長度4位標(biāo)識了數(shù)據(jù)包的IP版本號。這個4位字段的設(shè)置為二進(jìn)制的0100表示IP版本4(IPv4)，設(shè)置為0100表示IP版木6(IPv6)。(2)包頭長度(headerlength)字段長度為4位它表示32位字長的IP包頭長度。(3)服務(wù)類型(TypeofService,Tos)字段長度為8位用來指定特殊的數(shù)據(jù)包處理方式。服務(wù)類型字段實際上被劃分為兩個字段優(yōu)先權(quán)和ToS。優(yōu)先權(quán)用來設(shè)置數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級。ToS允許按照吞吐量、時延、可靠性和費用方式選擇傳輸服務(wù)。(4)數(shù)據(jù)包總長度(TotalLength):數(shù)據(jù)包總長度字段的長度為16位。接收者用總長度減去IP包頭長度，就可以確定數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)有效載荷的大小。IP數(shù)據(jù)包的最大長度是65535。(5)標(biāo)識(Identifier)字段長度為16位通常與標(biāo)記字段和分段偏移字段一起用于數(shù)據(jù)包的分段。如果數(shù)據(jù)包原始長度超過數(shù)據(jù)包所要經(jīng)過的數(shù)據(jù)鏈路的最大傳輸單元(MTU)，那么必須將數(shù)據(jù)包分段為更小的數(shù)據(jù)包。(6)標(biāo)記字段(Flag)長度為3位，其中第l位沒有使用。第2位為不分段(DF)位。當(dāng)DF位被設(shè)置為1時，表示路由器不能對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段處理。如果數(shù)據(jù)包由于不能被分段而未能被轉(zhuǎn)發(fā)，那么路由器將丟棄該數(shù)據(jù)包并向源點發(fā)送錯誤消息。第3位表示還有更多分段(MF)位，當(dāng)路由器對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分段時，除了最后一個分段的MF位設(shè)置為0夕卜，其他所有的MF位均設(shè)置為1，以便接收者直到收到MF位為0的分段為止。(7)分段偏移量(FragmentOffset)字段長度為13位以8個八位組為單位，用于指明分段起始點相對于包頭起始點的偏移量。如果一個分段在傳輸中丟失，那么必須在網(wǎng)絡(luò)中同一點對整個數(shù)據(jù)包重新分段并重新發(fā)送。容易發(fā)生故障的數(shù)據(jù)鏈路會造成時延不成比例。(8)TTL(生存時間，TimeToLive)字段長度為8位，在最初創(chuàng)建數(shù)據(jù)包時，TTL即被設(shè)置為某個特定值。當(dāng)數(shù)據(jù)包逐個沿路由器被傳輸時，每臺路由器都會降低TTL的數(shù)值。當(dāng)TTL值減為O時，路由器將會丟棄數(shù)據(jù)包并向源點發(fā)送錯誤信息。(9)協(xié)議(Protocol)字段長度為8位，它給出了主機(jī)到主機(jī)層或傳輸層協(xié)議的"地址"或協(xié)議號，協(xié)議字段指定丫數(shù)據(jù)包中信息的類型。下面給出一些眾所周知的協(xié)議號1:ICMP2:IGMP4:被IP協(xié)議封裝的IP6:TCP17:UDP45:域間路由選擇協(xié)議(IDRP)47:通用路由選擇封裝(GRE)1554:NBMA下一跳解析協(xié)議(NHRP)88:CiscoInternet網(wǎng)關(guān)路由選擇協(xié)議(IGRP)89:開放式最路徑優(yōu)先(OSPF)。(10)包頭校驗和(HeaderChecksum)是針對TP包頭的糾錯字段。校驗和不計算被封裝的數(shù)據(jù)，UDP、TCP和ICMP都有各自的校驗和。(11)源IP地址和目的IP地址(SourceandDestinationIPAddress)字段長度為32位，分別表示發(fā)送者數(shù)據(jù)包源點和目的地的IP地址。(12)可選項(Options)是一個長度可變的字段，它是可選的。常用的可選項如下松散源路由選擇(LooseSourceRouting)，嚴(yán)格源路由選擇(StrictSourceRouting)，記錄路由(RecordRouting)，卩寸間戳(Timestamp)。按照本發(fā)明一個實施方式提出的分類器通過讀取IP包頭的協(xié)議字段數(shù)值6:TCP,17:UDP，識別接入數(shù)據(jù)流的類型，將待進(jìn)入數(shù)據(jù)流緩沖器的數(shù)據(jù)流分類為受控數(shù)據(jù)流(如TCP流)和非受控數(shù)據(jù)流(如UDP流)。按照本發(fā)明一個實施方式提出的分類器通過讀取IP包頭的服務(wù)類型(TypeofService)字段數(shù)值，將待進(jìn)入數(shù)據(jù)流緩沖器的已分類數(shù)據(jù)流進(jìn)行分級。b.接入控制模塊接入控制模塊根據(jù)到達(dá)的數(shù)據(jù)流的容量，限制不同級別的數(shù)據(jù)流的接入數(shù)S。接入控制模塊為高服務(wù)級別的UDP數(shù)據(jù)流(VOIP)的接入預(yù)留一定連接容量，超出該預(yù)留連接容量的新的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流不能接入，同時限制低級別的UDP流接入。按照本發(fā)明一個實施方式，Diffserv分級隊列管理模塊檢測緩沖器中各隊列的長度變化，并提供給接入控制模塊。如果當(dāng)前新的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流欲接入的隊列接近最大值，說明給該服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的預(yù)留連接容量將耗盡，接入控制模塊將屏蔽當(dāng)前新的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流接入，即在接入控制模塊的接口處對該新的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流丟包。C.分級隊列管理模塊分級隊列管理模塊檢測緩沖器中各隊列的長度變化，進(jìn)行丟包控制。丟包控制使用本發(fā)明提出的Diffserv邊緣路由器的多隊列分級隊列控制算法。多隊列分級隊列控制算法包括下列歩驟歩驟l:檢測緩沖器中各隊列的長度變化，估計出不同服務(wù)級別數(shù)據(jù)(TCP流和UDP流)的到達(dá)速率和隊列延遲；歩驟2:優(yōu)先將高級別隊列的數(shù)據(jù)流發(fā)送到多隊列路由查表模塊；歩驟3:對于低級別隊列的TCP流和UDP流實行丟包，使得無應(yīng)答的UDP流不能占用邊緣路由器未分配的連接容量，同時保證高優(yōu)先級的UDP流的快速轉(zhuǎn)發(fā)。d.調(diào)度器調(diào)度器檢測轉(zhuǎn)發(fā)路徑上具有最小延遲的核心路由器，動態(tài)更新最小延遲路由表。調(diào)度器實現(xiàn)該功能的過程是定時檢測發(fā)送至下游各核心路由器的探測數(shù)據(jù)包的延遲，并將其延遲信息記入最小延遲路由表。調(diào)度器根據(jù)服務(wù)級別分配連接容量。調(diào)度器實現(xiàn)該功能的過程是對完成査表的數(shù)據(jù)流，按服務(wù)級別采用不同速率轉(zhuǎn)發(fā)。e.多隊列路由査表模塊多隊列路由查表模塊按最小延遲査路由表，確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑。實現(xiàn)該功能的方法是讀取數(shù)據(jù)包的IP包頭的源地址和目的地址(SourceandDestinationAddress)字段，在路由表中比較至目的地址下游路由器的延遲，選取具有最小延遲轉(zhuǎn)發(fā)路徑。本發(fā)明通過分類器和接入控制模塊，可解決有應(yīng)答的TCP流小受無應(yīng)答的UDP流的影響問題。其具體方法是接入控制模塊為高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流(比如，V0IP流)的接入預(yù)留一定連接容量，超出該預(yù)留連接容量的新的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流不能接入，同時限制低級別的UDP流接入。這樣，可避免無效低級別的UDP流占用邊緣路由器的有限連接容量。本發(fā)明通過分類器和接入控制模塊，可解決大量高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流(比如，V0IP流)的接入導(dǎo)致邊緣路由器大量丟包問題。其具體方法是Diffserv路由器根據(jù)輸出連接容量對會聚分級數(shù)據(jù)流的接入進(jìn)行控制。在有限連接容量的情況下，限定接入的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流數(shù)目。本發(fā)明的調(diào)度器可解決現(xiàn)有的Diffserv網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器不能發(fā)現(xiàn)路徑下游節(jié)點路由器的擁塞情況的問題。其具體方法是調(diào)度器檢測路徑下游節(jié)點路由器的擁塞情況，取具有延遲保證的多跳路徑，而非最短路徑的多跳路徑。本發(fā)明通過分級服務(wù)隊列管理模塊可解決無應(yīng)答的UDP流占用邊緣路由器未分配的連接容量問題。其具體方法是分級服務(wù)隊列管理模塊檢測不同服務(wù)級別數(shù)據(jù)(TCP流和UDP流)的到達(dá)速率和隊列延遲，優(yōu)先將高級別數(shù)據(jù)發(fā)送到多隊列路由查表模塊與調(diào)度模塊處理，對于級別低的TCP流和UDP流實行丟包，這樣，無應(yīng)答的低服務(wù)級別的UDP流不能占用邊緣路由器未分配的連接容量。圖2給出本發(fā)明提出的Diffserv路由器對分級服務(wù)數(shù)據(jù)流的處理流程。Diffserv路由器對分級服務(wù)數(shù)據(jù)流的處理流程為如下歩驟。步驟1:分級服務(wù)數(shù)據(jù)流輸入；分類器按服務(wù)級別對數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類，確定分級服務(wù)數(shù)據(jù)流可進(jìn)入的緩沖隊列；同時，接入控制模塊根據(jù)路由器的輸出連接容量確定允許接入的不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流數(shù)目，對超出其接入允許數(shù)目的數(shù)據(jù)流不允許進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖隊列；歩驟2:不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流在多隊列數(shù)據(jù)流緩沖器排隊；步驟3:分級服務(wù)隊列管理模塊監(jiān)視各隊列長度變化，計算系統(tǒng)穩(wěn)定的平衡點見式(1)，按服務(wù)級別對不同隊列進(jìn)行丟包處理。步驟4:調(diào)度器檢測轉(zhuǎn)發(fā)路徑上具有最小延遲的核心路由器，動態(tài)更新最小延遲路由表；調(diào)度器根據(jù)服務(wù)級別分配連接容量。步驟5:多隊列路由查表模塊對多隊列中數(shù)據(jù)包按最小延遲査路由表，確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到路由器輸出電路接口；調(diào)度器按數(shù)據(jù)流的級別采用不同速率轉(zhuǎn)發(fā)不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)分級服務(wù)數(shù)據(jù)流的輸出。在上述步驟l中，接入控制模塊為高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流(比如，VOIP)的接入預(yù)留一定連接容量，超出該預(yù)留連接容量的新的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流不能接入，同時限制低級別的UDP流接入，避免無效低級別的UDP流占用邊緣路由器的有限連接容量。在上述步驟l中，接入控制模塊根據(jù)輸出連接容量對會聚分級數(shù)據(jù)流的接入進(jìn)行控制。在有限連接容量的情況下，限定接入的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流數(shù)目。在上述步驟2中，受控數(shù)據(jù)流和非受控數(shù)據(jù)流處于不同的數(shù)據(jù)流緩沖器。在上述步驟3中，分級服務(wù)隊列管理模塊根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定的平衡點(見式(l))，配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的具體方法是對于第/個服務(wù)級別的受控數(shù)據(jù)流隊列，給定最大丟包率^,_，/=1,...,/，使Diffserv邊緣路由器與發(fā)送端參數(shù)滿足對于,、1,...,/，懇<formula>formulaseeoriginaldocumentpage19</formula>其中/t為離散時間，*=/為時間，z;為數(shù)據(jù)流取樣周期；定義為具有第r個服務(wù)級別的用戶群的預(yù)期數(shù)據(jù)發(fā)送窗口尺寸(數(shù)據(jù)包個數(shù))，"1,...,/;p,詢?yōu)槁酚善鱽G包率，l("為路由器預(yù)期隊列長度；/,("為數(shù)據(jù)包往返時間(RTT);W,詢?yōu)槁酚善鬟B接的具有第/個優(yōu)先級的服務(wù)用戶個數(shù)；c,("為Diffserv邊緣路由器分配給第z個優(yōu)先級的用戶群的連接容量。第/個優(yōu)先級的用戶群的連接容量。(W滿足|>,(W(2)C為邊緣路由器總連接容量。在上述步驟3中，分級服務(wù)隊列管理模塊監(jiān)視各隊列長度仏(yt)的變化，按服務(wù)級別對不同隊列進(jìn)行丟包處理，具體方法是給定最大丟包率p,，，使第Z個優(yōu)先級的丟包率0,0《a仏，max仏,i《,,加^("<《,,腿(3)其中仏，為路由器第y個緩沖器的最小隊列長度，&_為路由器第/個緩沖器的最小隊列長度。在上述步驟4中，按照本發(fā)明一個實施方式的調(diào)度器檢測路徑下游節(jié)點路由器的擁塞情況，取具有延遲保證的多跳路徑，而非最短路徑的多跳路徑。調(diào)度器實現(xiàn)該功能的方法是定時檢測發(fā)送至下游的各核心路由器的探測數(shù)據(jù)包的延遲，并將其延遲信息記入最小延遲路由表。本發(fā)明通過實施例說明所提出的Mffserv邊緣路由器可以確保圖1網(wǎng)絡(luò)分級服務(wù)數(shù)據(jù)流無擠塞?？紤]兩類數(shù)據(jù)流TCP流和UDP流，TCP流分兩類第l20類和第2類，UDP流分為兩類第3類(V。IP)，第4類一般UDP連接。產(chǎn)生更切合實際的交通情況。根據(jù)木發(fā)明的一個具體實施方式，采用上述方法設(shè)計的Diffserv邊緣路由器的實驗參數(shù)如表1和表2所示。在表1中，各數(shù)據(jù)流分配的連接容量之和為路由器的輸出連接容量，C,+C2+C3+C4=C=10000包/毫秒。4類數(shù)據(jù)流在圖1中占用了4個緩沖隊列。分級服務(wù)隊列管理器對兩類TCP流進(jìn)行控制，使其滿足分類器保證語音IP流(第3類)的接入，TCP流和一般UDP流(第4類，盡力而為型服務(wù))不能占用語音IP流鏈接容量，分類器將整個4類數(shù)據(jù)流發(fā)送到不同的緩沖隊列。盡力而為型服務(wù)是指在連接容量許可的情況下，保證路由器的吞吐量為最大，而不管其丟包率、延遲、數(shù)據(jù)流的接入速率和數(shù)據(jù)包往返時間等指標(biāo)。盡力而為型服務(wù)不適合語音IP流，因為它無法保證語音IP流的丟包率、延遲、數(shù)據(jù)流的接入速率。表l連接容量分配分級服務(wù)數(shù)據(jù)流連接容量第l類(TCP流，有服務(wù)保障)C,4。00數(shù)據(jù)包/毫秒第2類(TCP流，盡力而為)C,2000數(shù)據(jù)包Z毫秒<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>表2.兩類TCP用戶的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage22</column></row><table>表2中，對于兩類TCP流，其傳輸延遲7^=1,2在3毫秒和4亳秒之間變動，它們?nèi)Q于至目的地終端的轉(zhuǎn)發(fā)路徑上各核心路由器的延遲。分級服務(wù)隊列管理模塊控制隊列的丟包率，使數(shù)據(jù)包往返時間r,。=47毫秒和=120毫秒，表2中設(shè)置參數(shù)仏.，，Z二1,2和《,腿,/=1,2以使隊列長度的動態(tài)平衡點滿足仏。，《,謹(jǐn)《仏?！?？,腿。在根據(jù)本發(fā)明一個具體實施方式進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)仿真中，數(shù)據(jù)包長度為ioo字節(jié)，兩類TCP流緩沖器最大容量為800數(shù)據(jù)包，而第3類(語音IP流)和第4類(UDP流)的緩沖器最大容量為200數(shù)據(jù)包。圖4給出兩類TCP流的往返時間，可以看出兩類TCP流的往返時間被控制在表2給定的范圍。第l類用戶具有更高的優(yōu)先級，其數(shù)據(jù)往返時間有一個較小的值。圖5表明，在網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)(0.075毫秒)后，兩類TCP流的丟包率A，=0.05和/^max=0.1能夠得到保障。第l類用戶具有更高的優(yōu)先級，其丟包率有一個較小的值。圖6表明，TCP,VOIP和UDP流的吞吐量可充分利用Diffserv邊緣路由器的輸出連接容量。圖6中最下方曲線表明第4類UDP流并不能保證用戶獲得可靠的數(shù)據(jù)傳輸速率，因為他們優(yōu)先級最低。但是，如果它們的合計鏈路容量小于1000數(shù)據(jù)包/毫秒，它們?nèi)匀豢梢垣@得所需的吞吐量，見圖6。圖6中第2條曲線表明第3類數(shù)據(jù)流(語音IP流)吞吐量恒定，可以保證語音IP流的快速轉(zhuǎn)發(fā)。圖6中最上方曲線和第3條曲線說明兩類TCP流的吞吐量的動態(tài)范圍穩(wěn)定，表明Diffserv邊緣路由器可以提供穩(wěn)定的接入與轉(zhuǎn)發(fā)。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些具體實施方式僅是舉例說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的原理和實質(zhì)的情況下，可以對上述方法和系統(tǒng)的細(xì)節(jié)進(jìn)行各種省略、替換和改變。例如，合并上述方法步驟，從而按照實質(zhì)相同的方法執(zhí)行實質(zhì)相同的功能以實現(xiàn)實質(zhì)相同的結(jié)果則屬于本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求書限定。權(quán)利要求1、一種Diffserv邊緣路由器，其特征在于，該Diffserv邊緣路由器包括分類器，用于對輸入數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類，將輸入數(shù)據(jù)流分為不同類別、不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流；接入控制模塊，用于對經(jīng)分類器分類后的不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流進(jìn)行接入控制；多個數(shù)據(jù)流緩沖器，用于對經(jīng)接入控制模塊接入的不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流進(jìn)行緩沖；分級服務(wù)隊列管理模塊，用于對多個數(shù)據(jù)流緩沖器中緩沖的不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流進(jìn)行管理，并且根據(jù)所述邊緣路由器的輸出連接容量和不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的丟包率、連接速率和延遲的要求，控制不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的丟包率；多隊列路由查表模塊，用于查找不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)路徑表，根據(jù)最短延遲確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑；調(diào)度器，用于調(diào)度不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的連接速率，對高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)并提供相應(yīng)的連接速率，并且檢測所有直接連接的核心路由器的延遲，將延遲信息提供給多隊列路由查表模塊。2、根據(jù)權(quán)利要求l的路由器，其特征在于，其中所述分類器對接入的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類，將不同服務(wù)級別隊列送入的不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流緩沖器；并且分類器將數(shù)據(jù)流分為受控數(shù)據(jù)流和非受控數(shù)據(jù)流。3、根據(jù)權(quán)利要求l的路由器，其特征在于，其中接入控制模塊為高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的接入預(yù)留一定連接容量，超出該預(yù)留的連接容量的新的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流不能接入，同時限制低服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流接入。4、根據(jù)權(quán)利要求2的路由器，其特征在于，其中分類器按服務(wù)級別對數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類的具體方式是讀取IP包頭的協(xié)議字段數(shù)值，識別接入數(shù)據(jù)流的類型，將待進(jìn)入數(shù)據(jù)流緩沖器的數(shù)據(jù)流分類為受控數(shù)據(jù)流和非受控數(shù)據(jù)流；然后分類器通過讀取IP包頭的服務(wù)類型字段數(shù)值，將待進(jìn)入數(shù)據(jù)流緩沖器的已分類的數(shù)據(jù)流進(jìn)行服務(wù)分級。5、根據(jù)權(quán)利要求3的路由器，其中接入控制模塊根據(jù)輸出連接容量對分級數(shù)據(jù)流的接入進(jìn)行控制，在有限連接容量的情況下，限定接入的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的數(shù)目。6、根據(jù)權(quán)利要求3的路由器，其特征在于，其中分級隊列管理模塊檢測緩沖器中各隊列的長度變化，進(jìn)行丟包控制，丟包控制的具體過程如下步驟l:檢測緩沖器中各隊列的長度變化，估計出不同服務(wù)級別數(shù)據(jù)的到達(dá)速率和隊列延遲；步驟2:優(yōu)先將高級別隊列的數(shù)據(jù)流發(fā)送到多隊列路由查表模塊；步驟3:對于低級別隊列的TCP流和UDP流實行丟包，使得無應(yīng)答的UDP流不能占用邊緣路由器未分配的連接容量，同時保證高優(yōu)先級的UDP流的快速轉(zhuǎn)發(fā)。7、根據(jù)權(quán)利要求4的路由器，其特征在于，所述受控數(shù)據(jù)流和非受控數(shù)據(jù)流處于不同的數(shù)據(jù)流緩沖器。8、根據(jù)權(quán)利要求4的路由器，其特征在于，所述調(diào)度器檢測路徑下游核心路由器的擁塞情況，獲得具有延遲保證的多跳路徑。9、根據(jù)權(quán)利要求8的路由器，其特征在于，所述調(diào)度器檢測路徑下游核心路由器的擁塞情況，其具體方法是定時檢測發(fā)送至下游各核心路由器的探測數(shù)據(jù)包的延遲，并將其延遲信息記入最小延遲路由表。10、根據(jù)權(quán)利要求l的路由器，其特征在于Diffserv路由器對分級服務(wù)數(shù)據(jù)流的處理流程為如下歩驟步驟1:分級服務(wù)數(shù)據(jù)流輸入；分類器按服務(wù)級別對數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類，確定分級服務(wù)數(shù)據(jù)流可迸入的緩沖隊列；同時，接入控制模塊根據(jù)Diffserv路由器的輸出連接容量確定允許接入的不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流數(shù)目，對超出其接入允許數(shù)目的數(shù)據(jù)流不允許進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖隊列；步驟2:不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流在多個數(shù)據(jù)流緩沖器中排隊；步驟3:分級服務(wù)隊列管理模塊監(jiān)視各數(shù)據(jù)流緩沖器中隊列長度變化，計算系統(tǒng)穩(wěn)定的平衡點，按服務(wù)級別對不同隊列進(jìn)行丟包處理；步驟4:調(diào)度器檢測轉(zhuǎn)發(fā)路徑上具有最小延遲的核心路由器，動態(tài)更新最小延遲路由表；調(diào)度器根據(jù)服務(wù)級別分配連接容量；步驟5:多隊列路由查表模塊對多隊列中數(shù)據(jù)包按最小延遲査路由表，確定轉(zhuǎn)發(fā)路徑，將數(shù)據(jù)包發(fā)送到Diffserv路由器輸出電路接口；調(diào)度器按數(shù)據(jù)流的級別采用不同速率轉(zhuǎn)發(fā)不同服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)分級服務(wù)數(shù)據(jù)流的輸出。11、根據(jù)權(quán)利要求10的Diffserv路由器，其特征在于，在步驟1中，接入控制模塊為高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的接入預(yù)留一定連接容量，超出該預(yù)留連接容量的新的高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流不能接入，同時限制低級別的UDP流接入。12、根據(jù)權(quán)利要求10的Diffserv路由器，其特征在于，在步驟3中，分級服務(wù)隊列管理模塊根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定的平衡點的計算方法是對于第i個服務(wù)級別的受控數(shù)據(jù)流隊列，給定最大丟包率A，，/=1,...，/,使Diffserv邊緣路由器與發(fā)送端參數(shù)滿足對于"1,...，/，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中^為離散時間，*=r/7;，/為時間，r、為數(shù)據(jù)流取樣周期；定義為具有第,'個服務(wù)級別的用戶群的預(yù)期數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)包個數(shù)在上行鏈路中，網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器的輸入端口連接IP用戶終端，輸出端口連接核心路由器。在下行鏈路中，網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由器的輸入端口連接核心路由器，輸出端口連接TP用戶終端。，/=AOt)為路由器丟包率，仏(/t)為路由器預(yù)期隊列長度；i,W為數(shù)據(jù)包往返時間(RTT);W,("為路由器連接的具有第/個優(yōu)先級的服務(wù)用戶個數(shù)；c,(/t)為Diffserv邊緣路由器分配給第,'個優(yōu)先級的用戶群的連接容量，第,'個優(yōu)先級的用戶群的連接容量。(W滿足<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>c為邊緣路由器總連接容量。13、根據(jù)權(quán)利要求10的Diffserv路由器，其特征在于，在歩驟3中，分級服務(wù)隊列管理模塊監(jiān)視各隊列長度《,Ot)的變化，按服務(wù)級別對不同隊列進(jìn)行丟包處理，具體方法是給定最大丟包率^_，使第/個優(yōu)先級的丟包率<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中A，為路由器第!'個緩沖器的最小隊列長度，^^為路由器第Z個緩沖器的最小隊列長度。14、根據(jù)權(quán)利要求10的Diffserv路山器，其特征在于，在步驟4中，調(diào)度器檢測路徑下游核心路由器的擁塞情況，取具有延遲保證的多跳路徑，而非最短路徑的多跳路徑。全文摘要由于現(xiàn)有Diffserv路由器采用單隊列數(shù)據(jù)緩沖、最短路由轉(zhuǎn)發(fā)方式，在有限帶寬(鏈接容量)和多路由器中繼的情況下，不可避免存在時延超限和高服務(wù)優(yōu)先級數(shù)據(jù)流擁塞問題，兩者使其QoS(服務(wù)質(zhì)量)性能難以實現(xiàn)。為解決該問題，本發(fā)明提出多隊列并行處理和分級接入控制的Diffserv邊緣路由器。本發(fā)明所提出的Diffserv邊緣路由器在有限連接容量的情況下可保證高服務(wù)級別的數(shù)據(jù)流的延遲和低丟包率，實現(xiàn)混合數(shù)據(jù)流的分級多速率傳輸。文檔編號H04L12/56GK101552726SQ200910083970公開日2009年10月7日申請日期2009年5月14日優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日發(fā)明者揚肖申請人:北京交通大學(xué)