列车控制与服务网络的流量监管和入队管理方法与流程

本发明涉及列车通信网络及网络通信技术领域，具体涉及一种列车控制与服务网络的流量监管和入队管理方法。

背景技术：

我国列车网络技术和标准长期受制于国际垄断巨头、既有列车控制网络与信息服务网络物理分离、无法适应列车控制与服务业务的快速增长和多样化需求等问题，面向轨道交通列车控制与服务业务多样化、业务承载一体化和按需定制趋势及其对网络传输特性的新需求，本发明设计一种适用于列车控制与服务网络(tcsn)的流量监管和入队管理方法。

列车控制与服务网络中存在这各种与列车控制和旅客服务有关的网络业务流量，不同的业务流根据其流量特性以及传输服务需要(实时性、稳定性、关键性等)需要不同的调度策略。可以将tcsn的业务划分为关键业务和其它业务。关键控制业务用于支撑列车的正常运行，必须得到最高的优先级保证，转发时采用ef方式。

而对于其他控制类业务和旅客服务类业务，需要一定程度的服务质量保证，同时这些业务又不能对关键业务的传输产生影响，必须对该类业务进行流量监管和入队管理。经过流量监管和入队管理后，一部分(合约内的)流量进入af子队列，接受af服务；其余部分(超出合约的)流量进入be队列，接受“尽力而为”服务。

然而在流量监管过程中，如果仅使用一次令牌分配策略，会因分配不均导致大量令牌富余或欠缺，造成资源的浪费或拥挤。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的列车控制与服务网络的流量监管和入队管理方法解决了流量监管过程中，因令牌分配不均造成资源浪费或网络拥挤的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种列车控制与服务网络的流量监管和入队管理方法，其包括：

获取af子队列的平均流量到达率和当前服务等级协议允许的流量到达率；

根据af子队列的平均流量到达率和当前服务等级协议允许的流量到达率进行流量监管器的第一次令牌分配，并根据分配结果累积计算富余令牌数和欠缺令牌数：

当af子队列的平均流量到达率小于当前服务等级协议允许的流量到达率时，则累积计算富余令牌数；

当af子队列的平均流量到达率大于当前服务等级协议允许的流量到达率时，则累积计算欠缺令牌数；

计算将富余令牌分配给欠缺令牌af子队列的重分配配额：

欠缺令牌af子队列的重分配配额＝w1*基于af子队列欠缺令牌数量的富余令牌重分配配额+w2*基于时延优先级的af子队列的富余令牌重分配配额+w3*基于包丢弃优先级的af子队列的富余令牌重分配配额；

其中，w1、w2和w3均为配额权重，w1+w2+w3＝1；

根据欠缺令牌af子队列的重分配配额，对所有af子队列流量监管器的富余令牌进行重分配：

令富余令牌的af子队列流量监管器令牌桶中的令牌＝af子队列当前时刻的平均流量到达率，欠缺令牌的af子队列流量监管器令牌桶中的令牌＝当前服务等级协议允许的流量到达率+af子队列的富余令牌重分配配额；

采用时间滑动窗口三色标记器，根据平均流量到达率与承诺信息速率和峰值信息速率的比对结果将af子队列中的流量着色为三种颜色，并依据不同颜色的分组数量计算每种颜色分组的平均队列长度；

根据设置的三色分组对应的最小队列门限值、最大队列门限值，通过设定的最大入be队概率计算不同颜色分组进入be队列的概率，依概率将分组划分至af子队列或be队列。

本发明的有益效果为：本方案在确保流量监管符合服务等级协议sla规范时，af子队列通过网络环境、流量大小、时延优先级和包丢弃优先级等动态计算欠缺令牌的af子队列的分配配额，从而确保了令牌分配过程的公平性。

之后，通过时间滑动窗口三色标记器将af子队列中的分组着色成三个重要性逐渐降低的分组，并通过各色分组的平均队列长度及设置的最小、最大队列门限值和最大入be队概率之间的关系，将超出合约的流量划分至be队列，通过这种方式能够实现调度时，重要的业务流先出，避免了业务流调度时出现混乱。

富余令牌的分配同时综合考虑了各业务的流量特性(到达流量大小)、传输服务质量需求(时延优先级、包丢弃优先级)和网络的当前工作负载情况，具有自适应性；分配富余令牌时，轻网络负载情况下重点考虑欠缺令牌多少的公平性；中等负载下重点考虑时延优先级的公平性；重负载下重点考虑包丢弃优先级的公平性。

本方案适用于区分服务环境下的流量监管与入队管理，特别是工业控制与旅客服务业务一体化传输环境下的流量监管与入队管理；只对关键业务流量外的其它流量监管，符合工业控制与旅客服务业务一体化传输环境的实际情况。

附图说明

图1为列车控制与服务网络的流量监管和入队管理方法的流程图。

图2为分段式富余令牌分配配额的仿真图。

图3为连续式富余令牌分配配额的仿真图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明研究的tcsn业务流划分为关键业务流队列和其它业务流，其中，关键业务流队列包括司控台、牵引、制动、辅助电源、车门、空调等列车控制命令、状态信息、报警信息等业务流；其它业务流包括除关键业务流外的其它列车控制业务流、交互类应用流、音频流、视频流、高保真业务流、传统ip网络应用业务流和p2p流。

关键业务流不进行流量监管，直接进入后续的调度模块。其它业务流全部作af子队列，进行流量监管和入队管理。经过流量监管和入队管理后，一部分(合约内的)流量进入af子队列，接受af服务；其余部分(超出合约的)流量进入be队列，接受“尽力而为”服务。

本方案在进行流量监管和入队管理之前，系统已经将列车控制与服务网络中的业务流划分成关键业务流队列和af子队列(一般会划分成一个关键业务流队列和多个af子队列，本方案为了实现业务流对流量的合理分配，将af子队列中部分业务流划分出去，形成be队列。

在tcsn的sla中，根据每类af子业务流的流量特性和传输服务质量需求，定义了网络允许每类业务流的最大到达量，以及传输时延和包丢弃优先级。

参考图1，图1示出了列车控制与服务网络的流量监管和入队管理方法的流程图。如图1所示，该方法100包括步骤101至步骤107。

在步骤101中，获取af子队列的平均流量到达率和当前服务等级协议允许的流量到达率；根据af子队列的平均流量到达率和当前服务等级协议允许的流量到达率进行流量监管器的第一次令牌分配，并根据分配结果累积计算富余令牌数和欠缺令牌数。

在将af子队列中超出合约的流量划分至be队列完成后，需要对当前时刻的平均流量到达率进行更新。

在实施时，本方案优选af子队列当前时刻的平均流量到达率的计算公式为：

其中，anew为af子队列当前时刻的平均流量到达率；l为时间t内累积达到的流量，k为常数；exp为以自然常数e为底的指数函数；aold为af子队列上一时刻的平均流量到达率。

在步骤102中，当af子队列的平均流量到达率小于当前服务等级协议(sla)允许流量到达率时，则累积计算富余令牌数。

在步骤103中，当af子队列的平均流量到达率大于当前的服务等级协议允许的流量到达率时，则累积计算欠缺令牌数。

在进行富余令牌数和欠缺令牌数的计算时，其采用以下技术方法来实现：

富余令牌数＝富余令牌数+(富余令牌的af子队列当前按sla允许到达的流率-该af子队列的平均流量到达率anew)；欠缺令牌数＝欠缺令牌数+(欠缺令牌的af子队列的平均流量到达率anew-该af子队列当前按sla允许到达的流率)。

在步骤104中，计算将富余令牌分配给欠缺令牌af子队列的重分配配额：

欠缺令牌af子队列的重分配配额＝w1*基于af子队列欠缺令牌数量的富余令牌重分配配额+w2*基于时延优先级的af子队列的富余令牌重分配配额+w3*基于包丢弃优先级的af子队列的富余令牌重分配配额；

其中，w1、w2和w3均为配额权重，w1+w2+w3＝1。

在本发明的一个实施例中，调度配额权重的获取方法包括：

获取网络当前时刻的信道利用率；

判断当前时刻的信道利用率与上一时刻的信道利用率差异是否小于预设阈值；

若小于等于预设阈值，w1＝1-网络的信道利用率；w2＝(1-网络的信道利用率)*网络的信道利用率，w3＝网络的信道利用率*网络的信道利用率，其中网络的信道利用率为当前时刻的信道利用率；

若大于预设阈值，则根据预设网络状态对应的信道利用率范围，确定当前时刻网络的网络状态；

根据网络状态设置w1、w2和w3的权值；所述预设网络状态包括轻载状态、中载状态和重载状态。

当平均信道利用率低于20％时，系统处于轻载状态；当平均信道利用率高于20％且小于80％时，系统处于中载状态；当平均信道利用率高于80％时，系统处于重载状态。

当网络处于轻载状态时，系统的时延和丢包率均很小，这时的队列服务配额主要由基于流量到达率的服务配额决定；当网络处于中载状态时，系统的时延增加，丢包率不是很大，这时的队列服务配额主要由基于时延优先级的服务配额决定；当网络处于重载状态时，系统的时延和丢包率急剧增大，这时的队列服务配额主要由基于包丢弃优先级的服务配额决定。

本发明设计了两种权重动态调整算法：分段调整权重(大于预设阈值)和连续调整权重(差异小于等于预设阈值)。

分段调整权重为：当网络环境处于轻载状态下，设置w1＝0.8，w2＝0.15，w3＝0.05；当网络环境处于中载状态下，设置w1＝0.01，w2＝0.98，w3＝0.01；当网络环境处于重载状态下，设置w1＝0.1，w2＝0.1，w3＝0.8。

连续权重调整：权重调整主要依据af子队列流量到达特性(即队列的流量到达率)和队列的传输服务质量需求特性，假设相应的权重分别为w流量到达率和w传输服务质量需求，w流量到达率＝w1。其中队列的传输服务质量需求特性包括时延优先级和包丢弃优先级。w流量到达率随网络的信道利用率增加递减，w传输服务质量需求随网络的信道利用率增加递增，

w流量到达率＝w1＝1-网络的信道利用率；，w传输服务质量需求＝网络的信道利用率。

然后将分配到时延优先级和包丢弃优先级，采用下列算法计算w1，w2和w3：

w1＝w流量到达率；w2＝(1-网络的信道利用率)*w传输服务质量需求＝(1-网络的信道利用率)*网络的信道利用率)*；w3＝网络的信道利用率*w传输服务质量需求＝网络的信道利用率*网络的信道利用率*。

实施时，本方案优选基于欠缺令牌af子队列的富余令牌重分配配额的计算公式为：

其中，k为欠缺令牌的af子队列的总数。

实施时，本方案优选基于时延优先级的af子队列的富余令牌重分配配额的计算公式为：

其中，pi为欠缺令牌的af子队列的时延优先级，i为af子队列的编号。

下面结合具体的实例对af子队列基于时延优先级的af子队列的富余令牌重分配配额的计算进行详细地说明：

假设有7个af子队列，优先级由低到高的顺序为：1,2,3,4,5,6,7；令第一个af子队列、第二个af子队列…第七个af子队列的时延优先级为[1,3,4,2,6,5,7]，若通过计算发现，第二个af子队列、第三个af子队列和第六个af子队列富余令牌，余下的几个af子队列欠缺令牌。

则第一个af子队列、第四个af子队列、第五个af子队列和第七个af子队列的优先级分别为：p1＝1，p4＝2，p5＝6，p7＝7；设最低优先级(即编号为1的优先级)重分配到的令牌为n；则af子队列1，4，5，7重分配到的令牌分别为：p1*n，p4*n，p5*n，p6*n，且p1*n+p4*n+p5*n+p6*n＝富余令牌，则n＝富余令牌数量/(p1+p4+p5+p6)。

实施时，本方案优选计算基于包丢弃优先级的af子队列的富余令牌重分配配额的计算公式为：

其中，ti为欠缺令牌的af子队列的时延优先级，i为af子队列的编号。

基于包丢弃优先级的af子队列的富余令牌重分配额与基于时延优先级的af子队列的富余令牌重分配额的计算方式相同，只是其中一个是基于时延优先级，另一个是基于包丢弃优先级，此处就不再结合具体的详细实例对基于包丢弃优先级的af子队列的富余令牌重分配配额进行说明。

本方案在流量监管和入队管理中，sla定义了af类业务的传输服务质量要求，具体如下表所示：

在步骤105中，根据欠缺令牌的af子队列的重分配配额，对所有af子队列令牌桶中的富余令牌进行重分配：

令富余令牌af子队列流量监管器令牌桶中的令牌＝af子队列当前时刻的平均流量到达率，欠缺令牌的af子队列流量监管器令牌桶中的令牌＝当前服务等级协议允许的流量到达率+af子队列的富余令牌重分配配额。

在步骤106中，采用时间滑动窗口三色标记器，根据平均流量到达率与承诺信息速率和峰值信息速率的比对结果将af子队列中的流量着色为三种颜色，并依据不同颜色的分组数量计算每种颜色分组的平均队列长度。

在本发明的一个实施例中，采用时间滑动窗口三色标记器，根据平均流量到达率与承诺信息速率和峰值信息速率的比对结果将af子队列中的流量着色为三种颜色方法包括：

采用速率估计器计算每个af子队列的平均流量到达速率；

判断每个af子队列的平均流量到达率与承诺信息速率和峰值信息速率的关系：

若af子队列的平均流量到达率小于恒定传输速率，则将分组标记为绿色；

若af子队列的平均流量到达率介于承诺信息速率与峰值信息速率之间，按概率b0将分组标记为黄色，按概率1-b0将分组标记为绿色；

否则，依据af子队列的平均流量到达率、承诺信息速率及和按概率b1将分组标记为绿色；按概率b2将分组标记为黄色，按概率1-(b1+b2)将分组标记为红色。

上面的三种颜色分别表示每个分组在列车控制中的重要程度，其中红色等级最低、绿色最高。

本方案在依据不同颜色的分组数量计算每种颜色分组的平均队列长度时，其具体实现方法为：

获取到达每个af子队列的绿色分组个数i，黄色分组个数j，红色分组个数k，采用指数加权的低通滤波器计算三色分组的平均队列长度：

其中，w为低通滤波器的加权值。

在步骤107中，根据每种颜色分组的平均队列长度与设置的三色分组对应的最小队列门限值、最大队列门限值和最大入be队概率计算不同颜色分组进入be队列的概率，依概率将分组划分至af子队列或be队列。

在本发明的一个实施例中，每个af子队列中不同颜色的分组均设置有一组最小队列门限值、最大队列门限值和最大入be队概率，不同颜色分组采用其设置的最小队列门限值、最大队列门限值和最大入be队概率，将流量监管后的各色分组划分至af子队列或be队列中，进一步包括：

当三色分组的平均队列长度小于最小队列门限值时，则将所有颜色的分组划分至af子队列；

当分组的平均队列长度介于最小队列门限值与最大队列门限值之间时，则按入be队概率将分组划分至be队列，否则划分至af子队列；

当分组的平均队列长度大于最大队列门限值，则将所有分组划分至be队列。

下面结合具体设置的参数，对本方案的方法的效果进行仿真说明：

假定共有五个af子队列，其中队列1和队列2富余令牌，队列3、队列4和队列5欠缺令牌。队列的时延优先级分别为5、4、3、2、1，包丢弃优先级为1、2、3、4、5。

当权值选择时选用分段权值(轻载时，w1＝0.8，w2＝0.15，w3＝0.05；中载时，w1＝0.01，w2＝0.98，w3＝0.01；重载时，w1＝0.1，w2＝0.1，w3＝0.8)的条件下进行仿真，仿真情况如图2所示，通过仿真可以看出，本方案的流量监管和入队管理能够适应不同网络状态下队列的流量特性(欠缺令牌)和传输特性(时延和丢包)合理分配网络资源。

当网络的平均信道利用率随时间线性增长，权值设置为连续权值，w1＝1-网络的信道利用率；w2＝(1-网络的信道利用率)*网络的信道利用率，w3＝网络的信道利用率*网络的信道利用率；下进行仿真，仿真结果如图3所示，通过仿真可以看出，本方案的流量监管和入队管理能够在网络状态的连续变化的情况下，根据不同af子队列的服务等级，动态调整每个af欠缺令牌子队列的富余令牌分配配额，为队列动态分配网络资源，降低网络拥塞。

综上所述，本方案通过动态的对每个af子队列令牌桶中的令牌进行调整的策略具有高效、公平地动态分配流量监管令牌等优点。