专利名称：一种用于在分布的网元中均等地调整带宽的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及通信网络，并且更特别地涉及用于通信网络中对数据业务进行负载均衡的系统和方法。
背景技术：
现代通信网比以往任何时候更加多样化，并且更集中地使用带宽。非常需要高带宽的通信网络，原因是不同类型的服务需要共享同一传输媒介，并从而共享同一带宽。此外，现代通信网必须支持根据性能特征而区分的各种不同类型的服务，这些性能特征如所分配的带宽、延迟和包丢失率等。用户可以(从服务供应商那里)购买确保一定级别的性能的服务包，这种一定级别的性能通常称为服务质量(QoS)。服务包是由带宽和服务等级(CoS)决定的。为了确保足够的带宽，用户通常定制分布的信道，每个信道能够处理各自的数据流量的最大期望带宽需求。信道和从源网元(NE)到目的地网元(NE)的单一链路相关联。
现代网络面临一些共同的问题，其中的一些问题和业务拥塞有关。业务拥塞可能发生在网络的输入端、输出端或者内部节点中。具体地说，当太多的业务发往网络的输入端时，就会发生输入拥塞。当网络内没有足够的吞吐带宽以处理信息包的路由时，就会发生内部业务拥塞。当太多的业务发往同一网络输出端时，就会发生输出拥塞。
为解决这些问题，现有技术中已公开了一些负载均衡“LB”(或带宽管理)技术。这些技术为每个信道分配带宽并且动态调整各种服务的带宽，以保证CoS的要求并在各种服务之间保持均等。所公开的技术基于输入速率和可用带宽来调整业务速率。其他技术可以包括通常使用运行、管理与维护(OAM)跟踪器来测量网络拥塞，并且基于这些测量来调整用于每个信道的带宽。美国专利6,690,678、6,687,228、6,282,562、6,011，776、5,940,372和5,815,492中公开了负载均衡技术的例子。
现有技术解决方案的缺点在于与现有带宽和拥塞成正比地调整带宽，并且没有在信道调度器中考虑诸如均等性或者拥塞等其他参数。此外，这些解决方案中的一些解决方案是基于例如带宽管理服务器等中央单元的，这些带宽管理服务器定期地确定可以分配给每个信道或可以取消分配给每个信道的附加带宽。
因此，考虑到现有技术中引入的缺点，有利的是提供一种用于在拥塞网络中执行负载均衡的有效的解决方案。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于在通信网的分布的源网元(NE)之间均等地调整带宽的方法，包括步骤由每个源NE从各自的目的地NE接收公共最大拥塞值(CV)；由每个源NE计算满意度值；以及由每个源NE使用公共最大CV和各自的满意度值来调整通过公共拥塞网段(即中间NE)发送的一组数据流的带宽，从而提供在各个分布的源NE之间均等地调整的带宽而不必使用外部控制单元。
根据用于在通信网的分布的源NE之间均等地调整带宽的本方法的一个特征，接收公共最大CV的步骤包括在每个中间NE上生成网段CV；比较所有的网段CV以确定公共最大CV；以及通过其各自的目的地NE将公共最大CV转发给每个源NE。
根据用于在通信网的分布的源NE之间均等地调整带宽的本方法的另一个特征，该方法还包括步骤在每个源NE上生成带有默认CV的负载均衡(LB)包。
根据用于在通信网的分布的源NE之间均等地调整带宽的本方法的另一个特征，生成网段CV还包括在每个中间NE中计算CV；比较计算出的CV和在每个LB包中接收到的CV；以及假如计算出的CV值较大，则用计算出的CV替代在其相应LB包中接收到的CV，或者假如计算出的CV值较小，则保持接收到的CV值不变。
根据用于在通信网的分布的源NE之间均等地调整带宽的本方法的又一个特征，网段CV的计算基于使用带宽计数器和缓冲器深度而进行的NE拥塞测量。
根据用于在通信网的分布的源NE之间均等地调整带宽的本方法的又一个特征，计算满意度值的步骤包括计算基于队列占用率的值。
根据用于在通信网的分布的源NE之间均等地调整带宽的本方法的又一个特征，调整带宽的步骤包括使用现有带宽BWcurrent以及最大CV和满意度值的函数F[CV，Sat]来计算新的带宽BWnew，下文中将进行更详细的解释。
根据用于在通信网的分布的源NE之间均等地调整带宽的本方法的又一个特征，新带宽是根据公式BWnew＝BWcurrent+F[CV，Sat]计算的，下文中将进行更详细的解释。
根据本发明，提供了一种用于在分布的源NE之间均等地调整带宽的系统，该系统用于通过中间网元(NE)沿路由传送多个数据流的通信网络中，每条路由将源NE连接到目的地NE，该系统包括至少一个带宽调整模块，该带宽调整模块包括在每个源NE内，并且用于调整一组数据流的带宽；以及至少一个公共中间NE，该公共中间NE被至少两条路由共享，该中间NE为每个带宽调整模块提供最大拥塞值，以用于调整中；其中在不同的分布的源NE之间执行对带宽的均等调整而不必采用外部控制，并且不需要源NE彼此通信。
根据本发明的系统的一个特征，每个带宽调整模块包括信道模块，该信道模块用于执行与在网络中对拥塞进行均衡有关的所有任务。
根据本发明的系统的另一个特征，所述任务包括对用于带宽调整中的满意度函数和压力函数的计算。
根据本发明，提供了一种用于在分布的NE之间均等地调整带宽的方法，这些分布的NE包括第一组源NE和第二组目的地NE，每个源NE和目的地NE由通过一组中间NE的路由连接，该方法包括步骤在每个源NE上生成LB包，每个LB包包括默认的CV，通过各自路由上的中间NE将LB包发送给各自的目的地NE；在各自路由上的每个中间NE上生成网段CV；确定网段CV的公共最大CV；以及使用公共最大CV和在每个源NE上计算的满意度值在每个源NE上分配新的带宽。
根据用于在包括第一组源NE和第二组目的地NE的分布的NE之间均等地调整带宽的方法的一个特征，生成网段CV的步骤包括生成指定的网段CV，假如在中间NE上计算出的CV值比接收到的LB包中的CV大，则用该指定的网段CV替代接收到的LB包中的CV。
根据用于在包括第一组源NE和第二组目的地NE的分布的NE之间均等地调整带宽的方法的另一个特征，生成网段CV的步骤包括假如在中间NE上计算出的CV比接收到的LB包中的CV小，则保持接收到的LB包中的CV不变。
图1是用于描述本发明原理的通信网络的示例性图示；图2是源网元中的带宽调整模块的示例性框图；图3(A)、图3(B)示出了根据本发明的一个示例性实施例的负载均衡方法的(a)非限制性流程图和(b)详细的流程图。
图4是满意度函数和压力函数的非限制性的和示例性的曲线图。
图5(A)、图5(B)是LB包的示例性格式。
具体实施例方式
本发明公开了一种用于在分布的网元间均等调整带宽的负载均衡系统和方法。此外，对每个信道，该方法向各个服务(即数据流组)动态地分配带宽，同时保证所需的服务等级并且保持各种服务间的均等。与网络拥塞、现有带宽和排队占用率成正比地调整业务速率。
图1示出了用于描述本发明原理的通信网络100的示例性图示。网络100示例性地包括四个边缘网元110-1、110-2、110-3和110-4，这些边缘网元和中间网元120-1、120-2和120-3相连。NE 110和NE120通过通信链路130进行通信。在网络100中，两组具有相同CoS的数据流A和B各自通过路由A和B发送。通过中间NE 120-1和中间NE 120-3从NE 110-1(其用作源NE)到NE 110-3(其用作目的地NE)建立路由A。同样，通过中间NE 120-2和中间NE 120-3从源NE 110-2到目的地NE 110-4建立路由B。注意，NE 120-3是两条路由公用的。数据流是经过分析的数据包或者服务帧，这种分析的目的是确定包或者帧所属的处理流、应当对包或者帧进行处理的方式以及应当将包或者帧路由到的目的地。例如，处理流可以是一系列全都基于文件传输协议(FTP)信令的包。通常，数据流包括CoS优先级不同的数据，范围从例如不能容忍显著时延的语音通信等高优先级数据，到例如文件传输等低优先级数据。网络100可以是但不局限于多协议标记交换(MPLS)网络和异步传输模式(ATM)网络等。每个源NE 110-1和110-2可以包括多个带宽调整模块，其中每个模块能够处理单组数据流。
图2示出了源NE中的带宽调整模块200的示例性方框图。带宽调整模块200包括至少一个连接到单一队列250的策略器240(优选地是多个策略器240-1到240-n)、整形器260和信道模块270。每个策略器240以输入速率(InRate)和超额信息速率(EIR)作为参数。每个策略器能够处理单组数据流，并且能够计算出将实施的新EIR，即以等于新计算的EIR的速率从策略器240向队列250传送各数据流的包。新EIR是按照下列公式计算的EIRnew＝min[InRate，stress×EIRcurrent](1)其中参数stress(压力)代表队列250的占用率(以下称为“Qocc值”)，并且由压力函数来确定，下面将进行更详细的描述。EIRcurrent是策略器240-1当前正实施的EIR。策略器240的例子可以在R.Zeitak等人的名为“一种用于资源整合的策略器和方法”(A Policer and Method forResource Bundling)的转让给共同受让人的PCT申请No.PCT/112004/00781中找到，在此通过引用的方式包含其内容。
信道模块270执行网络100中和对拥塞进行均衡相关的所有任务。这些任务包括对从策略器240接收到的包进行排队和取消排队，计算满意度函数和压力函数，生成负载均衡(LB)包，向网络100传送LB包，从网络100接收LB包，以及计算BWnew。下面将更详细地描述这些任务。整形器260基于计算出的BWnew值调整信道速率。
如上所述，信道模块270计算压力函数和满意度函数，信道模块270是本发明的系统的创新单元。将满意度定义为压力值的非递增函数。在本发明的一个优选实施例中，这些函数基于队列250的Qocc值。在本实施例中，压力函数是Qocc的单调非递增函数，对于较低的Qocc值，压力函数值较高，且压力函数值随着Qocc值的增加而递减。满意度函数是Qocc的单调非递减函数，对于较低的Qocc值，满意度函数值较高，且满意度函数值随着Qocc值的增加而递增。在本发明的另一个优选实施例中，可以将压力值视为所有EIR都必须减少的因子，以防止调度器溢出。在本发明的一个实施例中，对于任意权重的均等排队调度器，该因子可以作为待发数据流的利用率与其配置EIR的比值进行计算。
图4中提供了满意度函数410和压力函数420的非限制性示例性曲线图。可以看出，压力值的范围在0～1之间，满意度(“Sat”)值的范围从预定的负值“a”到1。将该压力值作为输入提供给每个策略器240。
这种负载均衡方法的关键优点是它能够均等地对共享同一拥塞网段(瓶颈)的多个数据流路由进行均衡，而不需要这些路由的源NE相互通信。例如，在图1中，NE 120-3是一个瓶颈。均等性的基本标准是对在同一网段中持续的数据流是一视同仁的，和它们的源NE或者目的地NE无关。此外，该负载均衡方法的主要目标是保证共享同一瓶颈的数据流得到尽可能多的带宽，同时压力值尽可能均等。这一目标是通过如下方式实现的根据上文中的公式(1)调整每个数据流的带宽(即在策略器240中)，并与现有带宽、满意度值(由满意度函数提供)和网络拥塞情况成正比按地调整通过公共路由传送的多组数据流的带宽(即在整形器260)，因此所有信道(这些信道共享同一瓶颈)将具有相同的压力值。该压力值是针对每个信道独立确定的，其中具有相同压力值的信道会以均等排队的方式运行。
网段(如中间NE 120)的拥塞情况由绝对拥塞值(CV)表示。CV由路由上的每个NE确定，其中将最大测量CV值发回源NE中的信道模块270。这样，共享同一最拥塞网段(瓶颈)的多个信道接收到相同的最大CV。通过负载均衡(LB)包在网络上传送CV，通过每个信道的路由对CV进行发送。作为非限制性例子，可以考虑图1中示出的均通过NE 120-3发送数据和LB包的路由A和路由B。假设NE 120-1、NE 120-2和NE 120-3测量到的CV依次是示例性的1、2和5。因此，NE 120-3测量到的CV是最大CV，所以NE 120-3被认为是最拥塞网段。因此，可将该最大CV提供给源NE 110-1和源NE 110-2。
图3A示出了根据本发明的一个示例性实施例的负载均衡方法的基本步骤的非限制流程图，并且图3B示出了该负载均衡方法的更详细的流程图。图3A描述了每个源NE执行的基本步骤在步骤S302中，源NE从其各自路由的目的地NE接收公共最大拥塞值。应从多个路由共享的最拥塞网段(中间NE)接收该最大CV。下面将详细描述，每个中间NE计算其网段CV，但是只将最大CV发送给源NE。在步骤S304中，每个源NE计算满意度值，详述如下。在步骤S306中，每个源NE使用公共最大拥塞值和各自的满意度值调整它通过公共拥塞网段而发送的一组数据流的带宽。本发明方法的一个关键优点是执行所述在多个分布的NE之间均等地调整带宽的方法不需要使用外部控制单元，并且不需要在不同源NE之间进行通信，同时保证了共享相同瓶颈的信道具有相同的压力值。
图3b更详细地示出了本方法的步骤。在步骤S310中，压力值是使用基于Qocc的压力函数而计算的。如步骤S320所示，可将压力值可发送给每个策略器240用于对到来的包进行计算并对这些包实施新的EIR。在步骤S330中，每个源NE生成LB包并且沿它的每条路由发送LB包。LB包由信道单元270按与输入速率成正比的速率生成。也就是说，输入速率较高的信道生成的LB包远多于输入速率较低的信道生成的LB包。在发送预设数量的字节后，将每个LB包发送给网络100。图5A示出了LB包500的示例性格式，包括包括路由信息的路由头510、LB标记520、源标签530和包括CV以及与该CV相关联的NE的拥塞段540。LB标记520表明该包包含运行、管理与维护(OAM)信息。源标签530是源NE的标签(或者地址)。将从源NE发送的LB包中的CV设置成默认值，并且在此称为“默认CV”。
回到图3b，在步骤340中，接收到LB包的中间NE通过测量其容量即所用带宽和等待发送的包的数量来判断其自身的拥塞情况。在步骤S345中，通过将测量到的拥塞值转换成绝对值来确定网段CV。为了判决多个拥塞网段中的哪个网段是最拥塞的，所有NE使用相同比例将测量到的拥塞值转换成各自的网段CV。在本发明的一个实施例中，用两个计数器来测量NE的拥塞值，这两个计数器是位于同一NE中的带宽计数器和缓冲器深度。使用二维表将这些计数器的值映射到网段CV。该映射按如下方式执行带宽和缓冲器深度的测量值越高，CV值越高；带宽或者缓冲器深度的测量值越低，CV值越低。
表1提供了一个用于映射拥塞值的例子
表1在步骤S350中，一旦确定了网段CV，就检查新计算的CV是否大于接收到的LB包中指定的CV。如果新计算的CV大于接收到的LB包中指定的CV，则在步骤S360中，将新的“指定”网段CV插入收到的LB包中，该LB包携带了默认CV或者前指定的网段CV(在路由上的前一个中间NE上)。在步骤S370中，将该包被发送给根据路由信息确定的下一个NE，否则(也就是说，如果CV没有改变)就在步骤370中将接收到的(原始的)LB包转发给路由上的下一个NE。路由上的每个NE都执行步骤S340～S370。假如LB包到达了目的地NE(该LB包具有默认CV或者沿各自路由的最近“指定的”CV)，将该包直接发送给各自的源NE。例如，在路由A上，从源NE 110-1通过NE 120-2和NE 120-3将LB包发送给目的地NE 110-3。从目的地NE 110-3将LB包转发给源NE 110-1。如图5B所示，发送给源NE的LB包不包括路由头510。在步骤S380中，一旦在源NE上接收到LB包，就从到来的包中提取CV，并且使用基于Qocc的满意度函数来计算Sat值。在步骤S390中，给定网段CV(从接收到的LB包中提取)和Sat值，使用下式计算新的信道带宽BWnewBWnew＝BWcurrent+F[CV，Sat].(2)函数F[CV，Sat]输出将要向当前信道带宽增加或者从当前信道带宽中减少的信道宽度的改变量(ΔBW)。具体地说，对于每个CV值和Sat值，函数F[CV，Sat]使用例如二维表等方法计算出(Δbw)。该函数确保，当队列占用率提高(即对应于较高的Sat值)时BWnew增加，并且当网络拥塞增加(即对应于较高的CV)时BWnew减少。
例如，CV的范围可以在0～6之间，Sat函数的范围可以在0～1之间。F函数的一个示例性实施例可以是F[CV，Sat]＝(5×Sat-CV)×100(3)其结果是，对于CV＝6，无论Sat指示的队列占用率是多少，F函数总是负数，从而引起信道带宽减少。对于CV＝0，任何一个非负值Sat都会引起信道速率增加。假如CV＝2，则初始Sat＝1的拥塞信道将增加其信道带宽直到将拥塞减小为使得Sat＝0.4(0.4×5＝2)。值100用于将F函数转换为以Kbps为单位而测量的速率。
在步骤S395中，将计算出的BWnew输入整形器260，整形器260相应地调整信道速率。应当注意，信道速率不能减小到低于最小速率且不能增大到高于最大速率。最小速率和最大速率是预先配置的参数。
以下是一个用于对两个分布的站点进行均衡的非限制性例子。有两个源NE A和B，将NE A配置为EIR＝10,000Kbps且以10,000Kbps的速率进行发送，并将NE B配置为EIR＝20,000Kbps且以10,000Kbps的速率进行发送。网络带宽限制是15,000Mbps。一种加权均等共享规则将为NE A生成5Mbps带宽，为NE B生成10Mbps带宽。所公开的方法通过对NE A和NE B都要求5×SAT＝CV来实现这一点。无论CV的精确值是多少，显然这两个NE A和B应该具有同样的压力值，并且Stress×(EIR(A)+EIR(B))是大约15,000，所以相互压力大约是0.5。这实际上将NE A限制为0.5×10000＝5000Kbps，并将NE B限制为0.5×20,000＝10,000Kbps。结果的稳定性是有保证的，原因是当CV较高或当Sat较低时，F函数会减小带宽。
现在已经参考特定实施例对本发明进行了描述，其中在一个信道中使用了单一的队列。本领域的普通技术人员可以容易地想到在一个信道中连接多个队列的其他实施例。然而，在这些实施例中，可以使用其它形式的压力函数和满意度函数，这些实施例并没有偏离所公开的本发明的范围，并且特别地作为所公开的本发明的一部分而包括在内。
在此通过引用到说明书中的方式包含本说明书中所涉及的所有专利的全部内容，其效果与具体地和个别地通过引用的方式包含每个单独专利的内容相同。此外，本说明书中的任何引用或表示都不应解释为承认这些参考文献可以作为本发明的现有技术而获得。
尽管已经针对有限数目的实施例对本发明进行了描述，但应当意识到，可以对本发明进行多种变更、修改并得到本发明的其他应用。
权利要求
1.一种用于在分布的源NE之间均等地调整带宽的方法，所述方法用于通过中间网元(NE)沿路由传送多个数据流的通信网络中，每条所述路由将源NE连接到目的地NE，所述方法以任意顺序包括步骤由每个源NE从各自的目的地NE接收公共最大拥塞值(CV)；由每个源NE计算满意度值；以及由每个源NE使用所述公共最大CV和所述各自的满意度值来调整通过公共拥塞网段发送的一组所述数据流的带宽，从而提供在各个分布的源NE之间均等地调整的带宽而不必使用外部控制单元。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收公共最大CV的步骤包括在每个所述中间NE上生成网段CV；比较所有的所述网段CV以确定所述公共最大CV；以及通过所述各自的目的地NE将所述公共最大CV转发给每个源NE。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括步骤每个所述源NE生成包括默认CV的负载均衡(LB)包，并且发送每个所述LB包给各自路由上的每个所述中间NE。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述生成网段CV的步骤还包括在每个所述中间NE中计算CV；比较所述计算出的CV和在每个LB包中接收到的CV；以及假如所述计算出的CV值较大，则用所述计算出的CV替代所述接收到的CV，从而提供带有指定的网段CV的LB包。
5.根据权利要求3所述的方法，其中所述生成网段CV的步骤还包括在每个所述中间NE中计算CV；比较所述计算出的CV和在每个LB包中接收到的CV；以及假如所述计算出的CV值比所述接收到的CV值小，则保留所述接收到的CV值。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述计算是基于使用带宽计数器和缓冲器深度来测量的NE拥塞值而执行的。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述计算是基于使用带宽计数器和缓冲器深度来测量的NE拥塞值而执行的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述满意度值是压力值的函数。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述调整带宽的步骤包括使用现有带宽BWcurrent以及所述最大CV和所述满意度值的函数F[CV，Sat]来计算新的带宽BWnew。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述计算是根据公式BWnew＝BWcurrent+F[CV，Sat]进行的。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述满意度值是所述压力值的非递增函数。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述压力值基于队列的占用率。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述压力值基于待发数据流的速率和其配置超额信息速率(EIR)之间的比值。
14.一种用于在分布的源NE之间均等地调整带宽的系统，所述系统用于通过中间网元(NE)沿路由传送多个数据流的通信网络中，每条所述路由将源NE连接到目的地NE，所述系统包括a.至少一个带宽调整模块，所述带宽调整模块包括在每个所述源NE内，并且用于调整一组数据流的带宽；以及b.至少一个公共中间NE，所述公共中间NE被至少两条所述路由共享，所述中间NE为每个所述带宽调整模块提供最大拥塞值，以用于所述调整中；其中在不同的所述分布的源NE之间执行对带宽的均等调整而不必采用外部控制，并且不需要所述源NE彼此通信。
15.根据权利要求14所述的系统，其中每个所述带宽调整模块包括信道模块，所述信道模块用于执行与在网络中对拥塞进行均衡有关的所有任务。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述任务包括对用于所述均等带宽调整中的满意度函数和压力函数的计算。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述压力函数提供了压力值和满意度值，所述满意度值是作为所述压力值的非递增函数而确定的。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述压力值基于队列的占用率。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述压力值基于待发数据流的速率和数据流的配置超额信息速率(EIR)之间的比值。
20.一种用于在分布的网元(NE)之间均等地调整带宽的方法，所述分布的NE包括第一组源NE和第二组目的地NE，每个源NE和目的地NE由通过一组中间NE的路由连接，所述方法以任意顺序包括步骤在每个所述源NE上生成负载均衡(LB)包，每个所述LB包包括至少一个默认LB包拥塞值(CV)，通过各自路由上的所述中间NE将所述LB包发送给各自的目的地NE；在所述各自路由上的每个所述中间NE上生成网段CV；根据所有网段CV确定公共最大CV；以及使用所述公共最大CV和在每个所述源NE上计算的满意度值在每个所述源NE上分配新的带宽。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述生成网段CV的步骤包括生成指定的网段CV，假如在所述中间NE上计算出的CV值比接收到的LB包中的CV大，则用所述指定的网段CV替代所述接收到的LB包中的CV。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述生成网段CV的步骤包括假如在所述中间NE上计算出的CV比所述接收到的LB包中的CV小，则保留所述接收到的LB包中的CV。
全文摘要
一种用于在分布的网元(NE)之间均等地调整带宽的方法。从每个源NE沿数据流的路由向中间NE发送携带指定拥塞值(CV)的负载均衡(LB)包。假如网段CV比指定的CV大，则中间NE为每个接收到的LB包标上网段CV，并且将该LB包转发给下一个NE，直到该包到达各自的目的地NE，目的地NE将该包返回给源NE。然后，将在每个源NE上接收到的CV和相关联的信道队列的状态用于调整信道速率，从而可以减小拥塞网段的业务负载。
文档编号H04L12/56GK1848812SQ20061006690
公开日2006年10月18日 申请日期2006年3月30日 优先权日2005年3月31日
发明者鲁文·蔡塔克 申请人:阿尔卡特公司