一种速率管理和频宽控制的装置和方法与流程

本发明关于数据速率管理，尤指一种用于数字家庭网络及家庭自动化环境中可由终端用户感知并管理的数据速率管理。

背景技术：

流量调度程序(也称为数据封包调度程序，队列规则或队列算法)是数据封包交换通讯网络中网络设备上的仲裁程序，用于管理网络接口的发送和接收队列中数据封包的顺序。流量调度程序的逻辑决定下一个要转发的数据封包。流量调度程序与队列系统相关联，用于暂时储存数据封包，直到封包被送出。

图1为先前技术的网络设备100的示意图。网络设备100具有八个队列，每个队列储存一个优先封包，如ieee802.1q标准、ietfdifferentiatedservices或diffserv标准中所定义。在图1中，流量调度程序可根据数据封包中的信息，将进入的数据封包储存于八个优先队列120其中之一(队列0至队列7)。流量调度程序110决定哪个队列120优先被传输。储存在具有相同等级的优先队列中的数据封包将按照接收顺序或先进先出(firstinfirstout,fifo)的方式进行传输。

在当前的家庭网络环境中，由于因特网服务和内容提供商的多媒体服务以及物联网(iot)设备的家庭自动化，越来越多的网络设备和应用都已经连网。由于从家庭网络的频宽有限，因此提供频宽分配或数据速率控制变得越来越重要。传统的八个优先队列不足以应付。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种应用感知控制系统，包括数据封包分类器用以为通过多个特定应用对入站数据封包进行分类，多个应用程序队列，每一虚拟队列与多个特定应用程序中的一特定应用程序相关联并用以为储存由该数据封包分类器分类为与一特定应用程序对应的入站数据封包，多个预设优先队列，每一预设优先队列与特定优先等级相关并用以储存未被该数据封包分类器分类为与一特定应用程序对应的入站数据封包，及数据速率管理器，用以根据应用程序的流量设定，分配至少一数据封包的出站速率及频宽控制，其中该至少一数据封包储存于该应用程序队列或该预设优先队列。

一种通讯系统中的控制方法，该方法包括通过多个特定应用程序对入站数据封包进行分类，产生至少一分类入站数据封包和至少一未分类入站数据封包，将至少一分类入站数据封包储存于多个应用程序队列之一，每一队列与多个特定应用程序之一相关联，将该至少一个未分类入站数据封包储存于多个预设优先队列之一，每一预设优先队列之一与特定优先等级相关联，使用应用程序的流量设定为储存在所述这些应用程序队列和所述这些预设优先队列中的数据封包分配出站速率及/或频宽，及根据分配的出站速率及/或频宽输出储存于所述这些应用程序队列和所述这些预设优先队列中的数据封包。

附图说明

下面，将结合附图对本发明的优选实施方式进行进一步详细的说明，其中：

图1是先前技术的网络设备的示意图。

图2是本发明实施例的数据速率管理系统的示意图。

图3是家用路由器的应用示意图。

图4是家用路由器中应用感知控制系统的主要功能块示意图。

100:网络设备

110:流量调度程序

120:队列

200,300:数据速率管理系统

210,415:数据封包分类器

220a,220b,440,voq:虚拟队列

230,450:数据速率管理器

310,410:家用路由器

320a:有线连接

320b:无线连接

330:广域网络

340:因特网

400:应用感知控制系统

420a:区域网络接口

420b:无线网络接口

430:数据封包转发引擎

470:广域网络接口

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在以下的详细描述中，可以参看作为本申请一部分用来说明本申请的特定实施例的各个说明书附图。在附图中，相似的附图标记在不同图式中描述大体上类似的组件。本申请的各个特定实施例在以下进行了足够详细的描述，使得具备本领域相关知识和技术的普通技术人员能够实施本申请的技术方案。应当理解，还可以利用其它实施例或者对本申请的实施例进行结构、逻辑或者电性的改变。

本发明的目的是提供一种新的数据速率管理系统，其可以在应用的粒度上提供速率控制和调节。系统包括应用程序分类，虚拟队列和速率管理器。它可以控制和管理已识别的各个应用程序的数据速率。应用程序定义广泛，可以与动态流量，实体端口，逻辑接口或电脑主机或设备关联。速率管理器配置有速率调度算法，可确保为大型应用程序提供保证速率，公平性和服务质量。

本发明提供一种数据速率管理系统，提供家庭网络和家庭自动化环境中的应用程序的精细粒度及服务质量。应用程序可与动态流量，实体端口，逻辑接口或电脑主机或设备相关联。虚拟队列用于隔离和保护各个应用程序。全面的速率管理算法被开发以分别为应用程序提供保证频宽。数据速率管理系统包括数据封包分类器，虚拟队列和数据速率管理器。分类器可以静态或动态地标识应用程序。标识的应用程序储存在专用虚拟队列中。数据速率管理器根据应用程序的流量设定调度虚拟队列之间的数据封包传输。

图2是本发明实施例的数据速率管理系统200的示意图，数据速率管理系统200包括数据封包分类器210，虚拟队列220a，220b和数据速率管理器230。在第一阶段中，数据封包分类器210对进入的数据封包进行分类并确认其在第二阶段储存在哪个虚拟队列220a，220b中。数据封包分类器210可由终端用户的分类规则来分配数据封包。通常每个规则仅标识一个应用程序。

在第二阶段中，数据封包分类器210根据在第一阶段的分类结果将数据封包储存到队列220a，220b中。数据封包对应于特定的应用程序会被储存在虚拟队列220a中，包括n个应用程序虚拟队列220a。举例而言，n的值可为256，n可以是任何正整数。在数据封包分类器210中没有分类规则对应的封包会被储存在预设虚拟队列220b中。

在最后阶段中，数据速率管理器230负责虚拟队列220a，220b的传输速率或频宽分配算法。

数据封包分类器：

数据封包分类器210使用流量分类规则，根据每个传入数据封包中的数据模式，将流量分类到由应用程序虚拟队列识别码(identification,id)0-(n-1)标识的应用程序虚拟队列220a上。路由器可检查到达每个区域网络端口每一输入数据封包，并根据分类规则为每个数据封包(0≤id<n)分配一个应用程序虚拟队列idqueue0–queuen-1。用户可以使用osi第2层(osilayer2,l2)至第7层中的数据封包标头中的字串，数据封包有效负载中的数据模式以及输入区域网络端口的id查找分类规则。

在一个典型的实施例中，分类引擎的输入和输出如下：

输入：

用户选择的任何传入数据封包标头字串(l2目标地址，l2来源地址等)；

数据封包有效负载中的数据模式；

输入区域网络(localareanetwork,lan)端口的id；

输出：

应用程序虚拟队列id0-idn-1，用于标识应用程序虚拟队列queue0–queuen-1的队列输出。

用户根据所需的流量选择应用程序虚拟队列id0-idn-1。

若输入的数据封包没有对应到任何的分类规则，该数据封包将根据在第2层或第3层数据封包标头中的优先值存入8个预设应用程序虚拟队列220b的其中之一。

虚拟队列：

在广域网络(wideareanetwork,wan)端口为每个应用程序建立一个虚拟队列；

虚拟队列id表示关联应用程序的延迟容许级别；

虚拟队列0用于延迟容许最低的应用程序；

队列n用于延迟容许最高的应用程序。

建立预设应用程序，预设应用程序不符合任何用户配置的分类规则；

预设应用程序配置8个虚拟队列220b。预设应用程序的封包可根据dscp或802.1qpcp位元来分配虚拟队列。

数据速率管理器：

区域网络至广域网络频宽总量由网络服务提供者(internetserviceprovider,isp)根据服务等级协议(servicelevelagreement,sla)设定于广域网络端口上。

数据速率管理器230根据isp的sla和数据速率管理器的设定来调度广域网络端口的数据封包。

速率分配算法设计需要考虑以下因素：

保证速率；

公平性；

延迟容许程度；

匮乏程度；

速率限制策略；

每个应用程序皆具有流量设定，流量设定包括保证信息率(committedinformationrate,cir)和峰值信息率(peakinformationrate,pir)。

数据速率管理器的规则可被编程调整。以下算法为一种速率管理器的编程方式。

参考图2，数据速率管理器230可侦测由isp设定在wan端口上频宽总量，数据速率管理器230侦测用户所设定的每个应用程序的cir及pir。数据速率管理器230会根据第i个应用程序appi的cir为应用程序虚拟队列voq建立令牌桶(tokenbucket)，其中0≤i＜n。数据速率管理器230可根据预设保证信息率defaultcir为预设虚拟队列defaultvoq建立令牌桶。

数据速率管理器230检测所有已配置的应用程序，并根据第i个应用程序appi的cir(appi,cir)为每个应用程序发送lan到wan的信息。在针对所有配置的应用程序发送appi,cir信息之后，数据速率管理器230对预设虚拟队列220b发送cir。

预设保证信息率defaultcir

数据速率管理器230根据sp(strictpriority)或drr(deficitroundrobin)对预设虚拟队列220b调度流量并根据等式1计算剩余频宽。

若rbw>0，数据速率管理器230由以下方式分配剩余的频宽：

数据速率管理器230根据appi,rbw为每个应用程序虚拟队列220a设置令牌桶(tokenbucket)并根据defaultrbw为预设虚拟队列220b设置令牌桶。

数据速率管理器230检测所有已配置的应用程序，并根据appi,rbw为每个应用程序发送lan到wan的信息。在针对所有配置的应用程序发送appi,rbw信息之后，数据速率管理器230对预设虚拟队列220b发送封包。

预设剩余频宽defaultrbw

数据速率管理器230根据sp(strictpriority)或drr(deficitroundrobin)对预设虚拟队列220b调度流量，并且流量调度需满足等式2。

当rwb＝0时，没有剩余频宽可供调度，但已配置的应用程序的appi,cir可被保证。

家用路由器应用

以上所述的应用感知速率管理系统通常用于因特网的终端，例如住宅中的家用路由器，并在终端产生网络流量。使用本发明中的数据速率管理系统300可有效区分网络应用。如图3所示，家用路由器310包含通往因特网340的通道，其提供因特网的访问权限。家用路由器310有线连接320a区域网络和无线连接320b无线网络及/或其他物联网设备。

网络流量可为因特网340到家庭的下游流量及/或从家庭到因特网340的上游流量。家用路由器310所接收到的下游流量将直接传送到区域网络和家庭网络。家庭网络内不太可能出现流量拥塞，因此对家用路由器310进行流量控制。

数据速率管理系统300应该设置于因特网340上游路径的广域网络接口。isp通常对家用路由器310的广域网络330流量施加频宽限制。此限制通常根据家庭用户和isp之间的服务级别协议所设定。在因特网340入口处控制流量远比不适当的控制更为有效，因后者会导致数据封包丢失，从而浪费了网络资源。

图4为家用路由器中应用感知控制系统400的主要功能块示意图。数据封包分类器415类似于先前描述的数据封包分类器210，设置于家用路由器410(类似于图3的家用路由器310)的输入接口，因其可不均等地应用于所有的输入接口。

参照图4，家用路由器410包括数据封包分类器415耦接至输入端上的多个区域网络接口420a和无线网络接口420b，以及虚拟队列440(类似于图2中的虚拟队列220a和220b)耦接至数据速率管理器450(类似于图2的数据速率管理器230)，数据速率管理器450耦接至输出端上的广域网络接口470。数据封包转发引擎430耦接于家用路由器410的输入端和输出端之间。分类结果将由路由器的内部传递至输出端，输出端则由数据封包转发引擎430决定。

综上所述，上述的数据速率管理系统的主要优点是应用粒度上的质量服务保证。家庭用户可以控制应用程序所分配的因特网频宽，从而增进了用户的上网体验。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。