基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法

本发明涉及网络拥塞控制，具体涉及基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法。

背景技术：

1、近年来，互联网在各类领域中发挥着越来越重要的作用，这使得用户对网络的服务质量(quality of service，qos)提出了更高的要求。随着网络中业务量的迅速增长，节点缓存和链路带宽逐渐无法承受业务流量的汇聚与传输，导致网络频繁出现拥塞状况，进而影响网络性能。所以，在网络中建立有效的拥塞控制机制对于提高网络性能至关重要。

2、目前，在网络拥塞控制方面，国内外研究仍存在一些不足：作为有效的网络拥塞控制算法，在流量整形算法方面，现有流量整形算法令牌投放速率为固定值，且令牌分配策略固化，处理突发流量能力不足，易导致业务传输优先级降低的问题；在流量调度方面，现有流量调度算法对缓存空间的利用缺乏灵活性，在流量突发时下易出现分组调度不及时的情况，导致业务端到端传输时延和丢包率的急剧增加。因此，提出基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的网络流量整形与调度方法，对于网络拥塞控制效率的提升具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明目的：在于提供了一种基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法。首先，根据网络业务流分类，为每一个队列配备相应的令牌桶进行流量整形处理，引入令牌投放速率动态变化机制，以解决了令牌资源浪费的问题。其次，提出超额令牌共享和令牌借贷策略，以解决令牌不足导致的分组传输时延增加问题。最后，引入空闲缓存暂存其它队列溢出分组的思想，解决队列缓存空间不足导致的丢包数过多的问题，提升网络拥塞控制的综合效率。

2、为实现以上功能，本发明设计基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，包括如下步骤s1-步骤s10：

3、步骤s1：针对四类网络流量业务，包括文件传输、图像、视频和语音，分别建立相应业务队列，并进行参数初始化；

4、步骤s2：分别针对各业务队列，建立相应的令牌桶以进行网络流量整形，令牌桶包括c桶和e桶，针对业务队列i，计算业务队列i中c桶和e桶的令牌数tci和tei，判断其与承诺突发尺寸cbs、超额突发尺寸ebs的关系，并动态调整业务队列i的承诺信息速率ciri；

5、步骤s3：当有新的分组到达业务队列i时，判断该业务队列的c桶的令牌数是否成立，其中表示到达业务队列i的新的分组大小；若成立，则更新c桶的令牌数基于改进的单速率三色标记法，将新的分组标记为绿色进行转发；若不成立，则进入步骤s4；

6、步骤s4：判断c桶的令牌数是否成立，其中k表示借贷因子，若成立，则进入令牌借贷模式，更新c桶的令牌数将新的分组标记为绿色进行转发；若不成立，则进入步骤s5；

7、步骤s5：判断e桶的令牌数是否成立，若成立，则更新e桶的令牌数将新的分组标记为黄色进行转发；若不成立，则进入步骤s6；

8、步骤s6：判断e桶的令牌数是否成立，若成立，则进入令牌借贷模式，更新e桶的令牌数将新的分组标记为黄色进行转发；若不成立，则进入步骤s7；

9、步骤s7：进入超额令牌共享模式，判断业务队列j的e桶的令牌数且i≠j是否成立，若成立，则业务队列j向业务队列i中借出一定数量的超额令牌，将新的分组标记为黄色进行转发，更新业务队列i的e桶的令牌数tlend表示超额令牌数量；若不成立，将新的分组被标记为红色；

10、步骤s8：计算各业务队列长度l，当有新的分组进入业务队列时，判断业务队列中的分组是否溢出，若溢出，执行步骤s9；

11、步骤s9：寻找空闲业务队列，若存在满足条件的空闲业务队列，将溢出分组暂存至该业务队列中，否则将该分组丢弃；

12、步骤s10：若本轮所有业务队列调度完毕，则查询各业务队列中是否存在暂存分组，若存在，判断此分组的原业务队列此时是否有足够的缓存接收该分组，若是，则将分组调度回原业务队列进行转发，否则将该分组丢弃。

13、有益效果：相对于现有技术，本发明的优点包括：

14、1、引入令牌投放速率动态变化机制，以解决令牌资源浪费的问题；

15、2、提出超额令牌共享和令牌借贷策略，以解决令牌不足的问题，有效降低了网络分组传输时延；

16、3、引入空闲缓存暂存其它队列溢出分组的思想，解决队列缓存空间不足导致的丢包率过高的问题；

17、4、采用加权轮询调度和优先级队列相结合的方式进行调度，有效保障不同业务的qos传输需求；

18、5、此种基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的网络流量整形与调度方法简洁、高效，可有效提高网络拥塞控制的效率，提升系统网络性能。

技术特征：

1.基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，其特征在于，包括如下步骤s1-步骤s10：

2.根据权利要求1所述的基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，其特征在于，步骤s1中，初始化的参数包括业务队列的承诺信息速率cir、承诺突发尺寸cbs、超额突发尺寸ebs；分别将文件传输、图像、视频和语音相应的业务队列的初始承诺信息速率cir设定为：2mbps、2mbps、3mbps和3mbps，初始承诺突发尺寸cbs设定为0.2mb、0.2mb、0.8mb和0.3mb，初始超额突发尺寸ebs设定为0.3mb、0.3mb、0.75mb和0.4mb。

3.根据权利要求1所述的基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，其特征在于，为针对不同网络流量业务提供不同qos需求的区分服务，采用改进的单速率三色标记法为每个业务队列建立相应令牌桶：c桶和e桶，以进行流量整形，业务队列i中c桶和e桶的令牌数分别为tci和tei；根据分组的颜色标记确定处理优先级，处理优先级由高至低依次为绿色、黄色、红色。

4.根据权利要求1所述的基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，其特征在于，步骤s2中，采用cir速率调控器来周期性地检测各业务队列的c桶和e桶中的令牌是否已满，若已满，cir速率调控器将以一定的比例减小业务队列的承诺信息速率cir，并将减小的承诺信息速率cir平均分配给其它业务队列，具体模型如下：

5.根据权利要求1所述的基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，其特征在于，步骤s4中假设某业务队列j发生流量突发，新到达的分组new_packetj首先和c桶令牌数比较，若分组大于令牌数，则触发令牌借贷模式：

6.根据权利要求1所述的基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，其特征在于，步骤s6中将新的分组大小与e桶令牌数进行比较，若分组大于令牌数，则触发令牌借贷模式：

7.根据权利要求1所述的基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，其特征在于，步骤s7中假设某业务队列j涌入突发流量，业务队列j当前c桶的令牌数量为tcj，e桶的令牌数量为tej，新到达的分组大小为若且则进入超额令牌共享模式，即向其它业务队列的e桶借用超额令牌，若其它业务队列的e桶剩余令牌数均小于则新到达的分组new_packetj被标记为红色，该分组将进行丢包处理：

8.根据权利要求1所述的基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，其特征在于，步骤s8中，网络流量业务分为时延敏感、带宽敏感和尽力而为三种，采用加权轮询调度和优先级队列相结合的方法进行调度；其中，带宽敏感业务和尽力而为业务采用加权轮询调度算法，所得数据流与时延敏感业务采用优先级队列算法。

9.根据权利要求1所述的基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，其特征在于，步骤s9中，设定每个业务队列的最大缓存空间为bmax，当前业务队列的分组总长度为li，新到达的分组大小为当时，寻找空闲业务队列；若lj<βbmax(i≠j)，则业务队列j属于空闲队列，将分组暂存于该空闲队列进行协同调度，同时将该分组标记为暂存分组，此时业务队列j的变化为：

10.根据权利要求1所述的基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，其特征在于，步骤s10中，当一轮调度结束后，检测业务队列当中是否含有暂存分组，若有暂存分组，则判断该分组的原业务队列是否有足够的缓存空间容纳该分组，若则原业务队列缓存空间足够，此时各业务队列长度变化为：

技术总结本发明公开了基于动态变速率令牌分配和空闲缓存的流量整形调度方法，本发明首先根据网络业务流分类，为每一个队列配备相应的令牌桶进行流量整形处理，引入令牌投放速率动态变化机制，以解决了令牌资源浪费的问题。其次，提出超额令牌共享和令牌借贷策略，以解决令牌不足导致的分组传输时延增加问题。最后，引入空闲缓存暂存其它队列溢出分组的思想，解决队列缓存空间不足导致的丢包数过多的问题，提升网络拥塞控制的综合效率。本发明的方法实现了网络拥塞的有效缓解，并在时延、抖动和丢包率等方面表现出较好的性能。技术研发人员：潘成胜,崔骁松,赵晨,王张煜受保护的技术使用者：南京信息工程大学技术研发日：技术公布日：2024/7/23