用信号通知拥塞的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用信号通知拥塞的方法和设备。本发明的各方面涉及诸如互联网、内联网或者网络运营商的核心网络的电信网络，以及用信号通知能够操作以转发接收的数据项的网络元件方面的拥塞。其它方面涉及处理元件对服务请求的处理，以及用信号通知能够操作以处理接收的服务请求的处理元件方面的拥塞。
【背景技术】
[0002]诸如互联网协议(IP)或以太网络的分组网络通常基于“尽力”来操作。这意味着它们(或者它们所包括的网络元件)通常在网络上快速地转发它们的数据单元或分组，但是偶尔当它们接收到比能够快速转发的更多的分组时可能经历拥塞。在这种情况下，它们通常延迟或丢弃过多的分组，这可能导致分组的发送方或接收方的不便。
[0003]已开发出技术以(例如)通过基于(例如)它们被标识为属于多种不同的业务类别中的哪一个或者基于它们的信源或预期目的地，给予一些分组以优先级(或者比其它分组更高的优先级)，来进一步区分转发行为。这些技术通常需要由诸如准入控制机制的机制来补充，所述机制可用于控制高(或更高)优先级的分组进入网络的速率，以便防止它们拥塞或垄断网络资源达到将具有较低优先级的分组完全从网络排除的程度。通过适当地使用这些机制并且适当地配置，可有效地分割网络的可用资源，使得可确保网络不会以比网络实际上能够保证以优先处理来提供这些分组的速率高的速率接受更高优先级的分组，同时还确保具有较低优先级的分组不会被完全排除。
[0004]控制拥塞的其它方案依赖于网络(或其中的网络元件)在经历拥塞时向分组(或者其它类型的数据单元)的发送方或接收方提供信号，允许它们响应于该信号而“回退”(即，降低发送数据单元的速率)，从而缓解拥塞。这些方案通常依赖于信源通过实现拥塞控制机制来对其发送数据的速率负责，但是这样做通常符合它们的利益，因为如果信源坚持通过拥塞的网络或者经由拥塞的网络元件路由器来发送业务，则超载或者拥塞可能变得(更)严重，导致(更多)业务被丢弃并且其它网络元件也变得拥塞。因此，通常符合信源的利益的是监测表征路径拥塞的反馈信号以便检测它们的数据所遵循的路径何时变得拥塞，在这种情况下它们的反应是降低其吞吐量。当没有路径变得拥塞的迹象时，它们可缓慢地增加它们的速率。
[0005]信源所监测的典型路径表征度量是数据路径的平均往返时间(RTT)、往返时间的方差(抖动)以及路径上的拥塞水平。
[0006]可隐式地(通过当其缓冲器溢出或保护自己时拥塞的路由器所丢弃的分组)或者显式地(通过诸如显式拥塞通知(参见下文)的机制)用信号通知拥塞水平。目前，最常见的选择是隐含地用信号通知。
[0007]使用传输控制协议(TCP)的信源能够检测丢失，因为分组丢失导致序列中的间隙；每当TCP信源检测到丢失时，意味着将其数据传输速率减半，但是不超过每往返时间一次，这缓解了瓶颈处的网络元件上的拥塞。
[0008]近来管理互联网和其它网络中的拥塞的方法需要网络中的诸如路由器(或交换机)的网络元件执行主动队列管理(AQM)并且利用某种标记方案来用信号通知拥塞。在这些方法中，路由器可基于其当前拥塞水平来选择转发的分组的比例，并且利用拥塞标记来标记它们，通常使用诸如ECN(RFC 2481 -向IP添加显式拥塞通知(ECN)的建议)的协议。如果路由器未拥塞，则非常少的分组(或者没有分组)将被标记。如果路由器拥塞，则许多(或者所有)分组将被标记。将变得显而易见的是，通过网络元件标记(而非丢弃)分组从而允许发送方对转发的分组上的标记做出反应(而非检测到的分组丢弃)，可从根本上避免拥塞达到必须分组丢弃的水平。
[0009]参照图1，示出普通的网络元件10(例如，路由器或交换机)的概览。分组流12从网络中的其它节点经由一个或更多个网络接口 14到达网络元件，并且经由另一网络接口16向前传输给网络中的其它节点。如果网络元件10正执行分组标记处理以指示拥塞，则在网络元件10或者其一个或更多个网络接口 16处存在分组标记装置18。
[0010]用于标记分组的现有机制通常基于检查路由器(或交换机)接口处的分组的真实队列并且如果该队列较长(即，高于预定阈值)则标记分组。这种方法的示例在David Lapsley和 Steven Low 的“Random Early Marking:An Optimizat1n Approach toInternet Congest1n Control”(第7届IEEE网络国际会议论文集，9月28日-10月I日，1999年)中给出。这些技术不难利用当前的交换机和路由器来实现，但是它们并不完全令人满意，因为它们没有开始用信号通知拥塞，直至真实队列的大小已开始增大。通常优选的是操作网络以使得真实队列的大小很少增大，因为较长队列意味着延迟增大和分组丢失。因此，如果标记机制能够在真实队列开始增大之前在即将发生拥塞时开始标记，将会更好。这就是虚拟队列标记的构思。
[0011]随机早期标记(也称为随机早期检测(RED))以概率“P”来随机地丢弃/标记分组，所述概率取决于平滑的队列“qave”。在基于RED的AQM中，利用真实队列“q”的指数加权移动平均(EWMA)来连续地估计平滑的队列q.:
[0012]Qave^ (1-Wq) qave+wq q
[0013]其中是给予真实队列的长度的权重。就如何将平滑的队列q.与标记(或丢弃)分组的概率联系起来，已提出了许多算法。例如，在称为RED的“柔和”变体的算法中，当平滑的队列大小qj氏于最小阈值“q J时，则没有分组被丢弃/标记。当qaTC介于“q和“q/’之间时，则以介于0和？1之间的概率P(与q.线性成比例)丢弃分组。当q.大于阈值1时，则继续以介于PjPPmax之间的增大的概率(仍线性地取决于qaJ进行概率丢弃/标记。
[0014]RED的一个显著的实际问题是它对参数的设置非常敏感。
[0015]由于RED使用平滑的队列，所以在平滑的队列充分增加以使得RED开始(随机地)丢弃或标记分组(从而用信号通知发送方“回退”)之前，分组的突发仍可导致真实队列中有许多分组(因此导致分组的显著延迟)。
[0016]RED广泛用在如今的互联网中，因为它允许信源更迅速地对初期拥塞做出反应并且防止队列不必要地增长。设备供应商实现了 RED的变体，例如，Cisco的专用实现方式被称作“加权随机早期检测”(WRED)。
[0017]虚拟队列标记
[0018]这种早期标记的示例已在IETF PCN工作组(http://www.1etf.0rg/html.charters/pcn-charter.html)中进行了标准化，其中PCN是指“拥塞前通知”。该工作组已基于考虑分组的到达速率如何不与线路速率相当(真实队列就是如此)，而是相反与略微减小的速率相当，对两种标记机制进行了标准化。这些在RFC 5670: “Metering andMarking Behav1ur of PCN-Nodes”(P.Eardley，2009 年 11 月)中指明。该“虚拟队列”在真实队列之前经历拥塞，因此可提供更及时的拥塞信号。在R.J.Gibbens和F.P.Kelly的“Resource pricing and the evolut1n of congest1n control” (Automatica 35，1999年)中给出了这种机制的优点的学术讨论。虚拟队列在Costas Courcoubetis和Richard Weber 的“Buffer Overflow Asymptotics for a Switch Handling Many TrafficSources”(Journal of Applied Probability 33，第 886-903 页，1996 年)中首次以不同的形式提出(并且用于ATM网络中)。这里所讨论的精确形式由Kunniyur和Srikant在“Analysis and Design of an Adaptive Virtual Queue (AVQ)Algorithm for ActiveQueue Management，，(Proc.ACM SIGC0MM’01，Computer Communicat1n Review 31 (4)，2001年10月)中提出。
[0019]将注意的是，术语“虚拟队列”也用在交换机和路由器硬件设计中以表示跟踪外出接口上的队列的进入接口上的虚拟队列，但是这与这里所讨论的虚拟队列没有关系。
[0020]虚拟队列标记(VQM)限定了将在网络接口上实现的策略，其利用表