分组和电路混合交换系统中的流量需求估计方法
【专利摘要】本发明提供一种分组和电路混合交换系统中的流量需求估计方法，包括过程：信息采样过程通过周期性地去读取虚拟输出队列的长度并记录；信息提取和估计过程对虚拟输出队列的增长值进行提取并对该队列的流速进行估计的过程；流量需求估计过程通过之前采样、提取、估计的结果，对总的流量需求进行估计，并提取出总流量需求估计值中的稳定部分用于电路分配。本发明同时考虑影响混合交换系统性能的缓存和流速，具有广泛的适用性。本发明把整个调度的结果——资源分配信息反馈回来参与流量需求估计，形成反馈系统，结果更准确。同时，本发明利用已有的分组和电路混合交换系统中的信息进行流量需求估计，不需要硬件层面提供额外的支持，因此易于实现。
【专利说明】分组和电路混合交换系统中的流量需求估计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及通信【技术领域】的方法，尤其是在交换机系统中，具体涉及一种分组和电路混合交换系统中的流量需求估计方法。
【背景技术】
[0002]在通信【技术领域】，相比于纯分组交换系统或者纯线路交换系统，分组和电路混合交换系统有着很多优势，如可以进行统计复用提高线路利用率，同时提供面向连接的服务来保证服务质量(QoS)，从而有更小的时延、更高的吞吐量、更低的线路阻塞率、更好的QoS保证，因此得到了迅速的普及。随着网络技术愈发智能化及高速化，高速混合交换系统中分组交换和电路交换的智能切换成为了技术演进的关键技术之一，而更智能的切换依赖于更高效的流量需求估计方法。
[0003]流量需求估计作为混合交换系统的重要基础直接决定系统性能的优劣，尤其是在高速的混合交换系统中。在高速混合交换系统中，由于数据的到达间隔极短,并发数据流数目巨大，进行准确的流量需求估计，其代价极高，特别是在数据中心网络中，对数以万计的数据流进行准确的流量需求估计，其网络成本、系统开销、能耗都是异常巨大的。在这种情况下，提出一种能高效地应用于高速分组和电路混合交换系统，同时能应对各种网络流量特征的流量需求估计方法十分必要，也是十分有意义的。
[0004]经对现有文献检索发现，G.Wang, D.G.Andersen 等人在《ACM SIGCOMM ComputerCommunication Review-SIGCOMM' 10 (美国计算机协会ACM数据通信专业组计算机通信回顾_数据通信专业组10)》第40卷第4期327-338页上发表了题为“c_Through:part-timeoptics in data centers”的文章,文章中提出了基于缓存占用的流量需求估计方法,通过检测当前高速混合交换系统中各虚拟输出队列(VOQ)的缓存占用情况来作为流量需求估计的因子，该方法的优点是简单、易于实施，但当流量非常稳定的时候，缓存占用会趋于零，该方法会失效。
[0005]又经文献检索发现，N.Farrington, G.Porter 等人在《ACM SIGCOMM ComputerCommunication Review-SIGCOMM' 10 (美国计算机协会ACM数据通信专业组计算机通信回顾-数据通信专业组10)》第40卷第4期339-350页上发表了题为“Helios:a hybridelectrical/optical switch architecture for modular data centers，，的文章，文章中提出了基于流速的流量需求估计方法，通过实时监测当前高速混合交换系统中各VOQ的流速情况来作为流量需求估计的因子，该方法的优点是能较准确地反应当前的流量需求，但其缺点也非常明显，流速信息并不能反应突发性流量的流量需求，因此，在流量非常不稳定的情况下，会造成缓存的占用率的增长，从而带来一定程度的丢包率和时延上升。同时，高速交换系统中流速的准确检测也会带来非常大的系统开销。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术存在的上述缺点和不足，提出一种分组和电路混合交换系统中的流量需求估计方法，使得本发明具有简单、易于实施、不增加额外系统开销、估计结果准确，并广泛适用于各种流量环境。本发明中，缓存占用和流速信息同时参与到整个流量需求估计的过程中；调度的结果一资源分配信息反馈回来参与流量需求估计的过程，即调度的过程和流量需求估计的过程形成闭合反馈系统。
[0007]本发明是通过如下技术方案实现，本发明是通过对传统混合交换系统中已有的VOQ缓存队列的长度信息和该VOQ的资源分配信息进行信息采样、信息提取和估计、流量需求估计的过程来实现的。其中，VOQ队列长度信息指的是输入输出端口对之间因为某种原因缓存在输入端口的分组数目；V0Q资源分配信息指的是系统分配给该队列用于交换的资源数目(如时隙数、波长数)，包括分组交换部分和电路交换部分；信息采样是指对该队列的信息进行周期性地获取和存储的过程；信息提取和估计包括提取VOQ队列增长值、估计VOQ流速信息两部分，其中，VOQ队列增长值的提取通过VOQ队列长度采样值得到，VOQ流速信息估计是通过已有的资源分配信息和已处理的队列增长值去估计VOQ的流速信息；流量需求估计是通过前面采样、提取、估计到的所有信息进行总的流量需求的估计操作，并处理得到流量需求的稳定部分用于电路分配。
[0008]根据本发明提供的分组和电路混合交换系统中的流量需求估计方法，包括如下过程:
[0009]信息采样过程:周期性地读取虚拟输出队列的长度并记录；
[0010]信息提取和估计过程:根据虚拟输出队列的长度，对虚拟输出队列的增长值进行提取并对该虚拟输出队列的流速进行估计，得到估计结果；
[0011]流量需求估计过程:根据信息提取和估计过程中得到的估计结果，对总的流量需求进行估计，并提取出总流量需求估计值中的稳定部分用于电路分配的过程。
[0012]优选地，具体包括如下步骤:
[0013]步骤1、周期性采样虚拟输出队列长度，其中，交换系统的控制层面通过周期性地从硬件层读取虚拟输出队列长度信息来进行采样；
[0014]步骤2、提取虚拟输出队列的增长值，其中，每当在步骤I中完成对虚拟输出队列长度的采样，通过与前一采样值做差分运算，该值为正时，是正增长，相反，为负增长，从而计算得到该虚拟输出队列增长值，控制层对该增长值进行记录存储；
[0015]步骤3、对虚拟输出队列的流速进行估计，其中，通过对交换系统的控制层面分配给该虚拟输出队列的交换资源数量(如时隙数，波长数)和步骤2中得到的虚拟输出队列增长值进行相加，相加之和再与采样间隔相除，得到对该虚拟输出队列的流速估计值；
[0016]步骤4、由流速估计值和虚拟输出队列长度估计流量需求，其中，整个流量需求分为两部分，部分A是来自于新到达的分组包，部分B来自于已缓存的分组包，新到达的分组包的流量需求体现在流速上，该部分A的需求直接使用由步骤3得到的流速估计值作为部分A的需求估计值；而已缓存的分组包的流量需求体现在队列长度上，该部分B的需求与步骤I中采样得到的虚拟输出队列长度成正比，即将乘以比例系数c的虚拟输出队列长度作为部分B的需求估计值；整体流量需求估计值由部分A和部分B的需求估计值的加权相加得到；
[0017]步骤5、计算用于分配电路的流量需求，其中，对步骤4中计算得到的整体流量需求估计值进行短期的记录，并做提取稳定分量的操作(如平均、滤波)；得到的整体流量估计值直接参与电路分配。
[0018]优选地，根据虚拟输出队列长度的采样值和该虚拟输出队列的资源分配信息得到该虚拟输出队列的流速估计值。
[0019]优选地，比例系数c取值为R/BQ，其中R为线速率(line rate)，Bq为该虚拟输出队列能达到的最大队列长度。
[0020]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0021]I)通过对缓存队列长度信息采集完成整个估计过程，不需要硬件层提供流速实时检测的支持，可以在现有的混合交换系统上升级实现，从而降低成本。
[0022]2)资源分配信息作为整个调度的结果，反馈回来参与流量需求估计，是一个反馈迭代的过程，结果更准确。
[0023]3)通过同时考虑缓存占用和流速估计值，同时捕捉突发流量和稳定流量带来的系统不稳定性因素，适用的流量环境更广，提高了系统的稳定性和适用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0025]图1为本发明实施例中混合交换系统进行流量需求估计的流程图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0027]本发明的关键在于对VOQ队列长度进行采集，并结合资源分配信息来完成对流速的估计，最后将由已缓存的分组包产生的流量需求和由新到达分组包产生的流量需求进行整合得到总的流量需求，并提取出其中的稳定部分用于电路分配。因为流量需求与资源调度结合比较紧密，所以在本实施例中将二者结合展开。结合图1，具体实现方法如下:
[0028]步骤SlOl:从硬件层读取虚拟输出队列长度信息，并记录。
[0029]混合交换系统的控制层面通过读取输入端口缓存信息得到该输入端口的各VOQ的队列长度，并记录存储在控制层的寄存器中。
[0030]步骤S102:根据队列长度信息提取队列增长值，并结合该队列的资源分配信息，估计该队列的流速。
[0031]读取上一时刻VOQ队列长度寄存器的中的值，并与当前时刻的VOQ队列长度做差分操作，得到VOQ队列增长值，与当前时刻控制层面分配给该VOQ的交换资源数量值进行相力口，并与采样间隔相除，得到该VOQ的流速估计值，并存储在寄存器中。
[0032]其中，队列增长值和资源分配值须在单位上统一。即，队列增长值描述的是采样间隔内队列长度增长的分组包数量；资源分配值描述的是在采样间隔内分配给该VOQ用于交换的资源数量，其数值转换为该资源用来完成交换的分组包数量。
[0033]步骤S103:根据流速估计值和队列长度，估计总的流量需求。[0034]整个流量需求分为两部分，部分A是来自于新到达的分组包，部分B来自于已缓存的分组包，新到达的分组包的流量需求从流速直接可以反映，因此，这部分需求在数值上等同于流速估计值。缓存的分组包的流量需求与VOQ的队列长度成正相关性，在该实施例中比例系数c取值为R/BQ，其中R为线速率(line rate),Bq为该VOQ能达到的最大队列长度，从而可以得到缓存分组包的流量需求值。最后，将部分A、B对应的需求估计值进行加权相力口，可以得到总的流量需求估计值。其中，本实施例中两部分的权重因子均取1，该值与系统有关，如果系统缓存很小、线速率很大，则缓存部分的权重因子应该尽量小，线速率部分的权重因子应该尽量大。反之，则做相反操作。
[0035]步骤S104:提取总流量需求的稳定部分，用作电路分配的依据。
[0036]该实施例中，对估计出来的流量需求值进行短期的记录，然后取其平均，得到VOQ流量需求的稳定部分，并用以作为电路分配的依据。
[0037]步骤S105:根据系统可提供的交换资源数和已估计出的流量需求，进行分组/电路调度前的调整。
[0038]由于在步骤S103中取权重因子为1，因此，总的流量需求估计值在负载比较大的时候会超过交换节点所能提供的带宽。该实施例中，依次对输入端口的流量需求和输出端口的流量需求做百分比调整，最后以调整后的流量需求值作为电路分配的依据，对混合交换系统的电路进行分配。除去电路分配后的交换资源，用于进行分组交换。
[0039]本实施例使得混合交换系统对交换资源的分配更加合理和高效，不需要额外的硬件层支持，因此系统开销小，易于实现。同时，由于同时对影响混合交换系统性能的参量进行考虑，使得该方法具有广泛的适用性，能够应对极端的流量环境。
[0040]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种分组和电路混合交换系统中的流量需求估计方法，其特征在于，包括如下过程: 信息采样过程:周期性地读取虚拟输出队列的长度并记录； 信息提取和估计过程:根据虚拟输出队列的长度，对虚拟输出队列的增长值进行提取并对该虚拟输出队列的流速进行估计，得到估计结果； 流量需求估计过程:根据信息提取和估计过程中得到的估计结果，对总的流量需求进行估计，并提取出总流量需求估计值中的稳定部分用于电路分配的过程。
2.根据权利要求1所述的分组和电路混合交换系统中的流量需求估计方法，其特征在于，具体包括如下步骤: 步骤1、周期性采样虚拟输出队列长度，其中，交换系统的控制层面通过周期性地从硬件层读取虚拟输出队列长度信息来进行采样； 步骤2、提取虚拟输出队列的增长值，其中，每当在步骤I中完成对虚拟输出队列长度的采样，通过与前一采样值做差分运算，从而计算得到该虚拟输出队列增长值，控制层对该增长值进行记录存储； 步骤3、对虚拟输出队列的流速进行估计，其中，通过对交换系统的控制层面分配给该虚拟输出队列的交换资源数量和步骤2中得到的虚拟输出队列增长值进行相加，相加之和再与采样间隔相除，得到对该虚拟输出队列的流速估计值； 步骤4、由流速估计值和虚拟输出队列长度估计流量需求，其中，整个流量需求分为两部分，部分A是来自于新到达的分组包，部分B来自于已缓存的分组包，新到达的分组包的流量需求体现在流速上，该部分A的需求直接使用由步骤3得到的流速估计值作为部分A的需求估计值；而已缓存的分组包的流量需求体现在队列长度上，该部分B的需求与步骤I中采样得到的虚拟输出队列长度成正比，即将乘以比例系数c的虚拟输出队列长度作为部分B的需求估计值；整体流量需求估计值由部分A和部分B的需求估计值的加权相加得到； 步骤5、计算用于分配电路的流量需求，其中，对步骤4中计算得到的整体流量需求估计值进行短期的记录，并做提取稳定分量的操作；得到的整体流量估计值直接参与电路分配。
3.根据权利要求2所述的分组和电路混合交换系统中的流量需求估计方法，其特征在于，根据虚拟输出队列长度的采样值和该虚拟输出队列的资源分配信息得到该虚拟输出队列的流速估计值。
4.根据权利要求2所述的分组和电路混合交换系统中的流量需求估计方法，其特征在于，比例系数c取值为R/BQ，其中R为线速率(line rate), Bq为该虚拟输出队列能达到的最大队列长度。
【文档编号】H04L12/26GK103546337SQ201310445946
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】李平青, 孙卫强, 肖石林, 胡卫生 申请人:上海交通大学