在弹性分组环上保证各个站点公平分享带宽的方法 【技术领域】
本发明涉及一种在弹性分组环上保证各个站点公平分享带宽的方法，确切地说，涉及一种在弹性分组环(RPR，Resilient Packet Ring)中发生拥塞时，能够保证各个站点之间公平分享带宽的方法。属于数据通信中资源分配和拥塞控制的领域。
背景技术
随着企业和家庭用户对宽带业务需求的增加，现有的城域网络已经成了带宽瓶颈，阻碍了新业务的引入和发展，限制了宽带网络的潜力的发挥。现有的适合城域网的网络技术包括基于同步数字系列的同步光纤网SONET/SDH、高速以太网、弹性分组环RPR等。由于SONET基于电路交换，资源分配不够灵活，并不适合数据业务。而将以太网技术应用于环路拓扑时，又无法保证SONET地50ms的保护倒换时间。为了弥补以上两种技术的缺陷，研制开发了弹性分组环技术，弹性分组环是一种基于双环拓扑的城域网MAC层技术，其结构示意图参见图1所示。它基于包交换，能够实现灵活的资源分配，同时又能提供50ms的保护倒换时间，适合承载各种业务类型。目前这项技术的标准草案是美国电气和电子工程师学会IEEE制定的IEEE802.17。
弹性分组环RPR MAC层的核心功能是提供环网公平控制。即当网络发生拥塞时，公平控制算法能够控制环上各个节点在拥塞链路处享受公平的带宽。目前IEEE制定的标准草案中，公平控制算法是采用一种基于反向冲压限制的机制，即当拥塞发生时，将拥塞点的本地发送速率作为反馈控制速率广播给上游站点，上游站点用接收到的反馈控制速率来限制自己在环上的注入速率(上游站点在环上的注入速率的阀值称为本地限速速率)。由于每个站点收到的公平控制数据包中反馈速率均相等，这样就保证上游站点向环上注入相同的流量，从而达到站点之间的公平性。但是，这样做带来的一个主要问题是非平衡流现象。例如当RPR环上出现非平衡流(上游站点的发送流量远远大于下游站点的发送流量)而导致站点出现拥塞时，出现拥塞的站点向上游站点广播反馈控制速率，上游站点直接使用收到的反馈控制速率作为本地限速速率，这样就会导致本地的发送流量受到急剧抑制。而当拥塞消失时，上游站点的本地限速速率由于抑制作用的消除又逐渐增加至链路速率，导致下游链路过载，下游站点重新出现拥塞。随着拥塞的不断出现与消失，上游站点始终在受抑制状态和不受抑制状态之间往复循环，从而导致剧烈振荡。
目前虽然有一些文献针对非平衡流提出了改进算法，但不是算法的复杂度较高，就是在高速弹性分组环RPR环上性能不够理想。同时这些改进算法也无法与标准草案算法很好的兼容。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种在弹性分组环RPR网络中保证各个站点公平分享带宽的方法，该方法的优点是它的算法复杂度较低，在确保环路中的每个站点公平分享带宽的同时，能够达到快速收敛到稳定状态和消除非平衡流现象的作用，而且适用范围较广，具有比较好的兼容性。
本发明的目的是这样实现的：一种在弹性分组环RPR上保证各个站点公平分享带宽的方法，其特征在于：当网络上发生拥塞的站点向环路中的各个上游站点反馈拥塞速率时，每个上游站点不是直接将拥塞站点反馈回来的速率作为本地限速速率，而是线性地减少本地限速速率来缓解拥塞；当拥塞消除时，每个上游站点线性地增加本站点的本地限速速率，以增加系统吞吐量；使各个站点的本地限速速率能够快速收敛到一个稳定数值，从而避免产生非平衡流现象。
所述本地限速速率的变化范围应始终处于两个速率阀值-高阀值与低阀值-之间；且随着高阀值与低阀值的相互逼近，本地限速速率的变化范围会逐渐缩小，并最终与高、低阀值共同收敛到一个稳定数值。
该方法进一步包括下列步骤：当各个站点的本地限速速率达到稳定数值后，探测该弹性分组环上的流量是否发生变化，并根据流量变化的结果相应调整高阀值；因为高阀值的调整破坏了原有的稳定状态，所以各个站点的本地限速速率将重新收敛到一个新的稳定状态，以提高本地限速速率和适应流量变化。
该方法包括有下述操作步骤：
(1)初始化设定两个速率阀值：低阀值LowThreshold初始化数值为0，高阀值HighThreshold初始化数值为链路的速率；且应保证该网络的本地限速速率始终处于高阀值与低阀值之间，即保证下述不等式始终成立：
低阀值LowThreshold＜本地限速速率＜高阀值HighThreshold；
(2)当下游站点出现拥塞时，各个上游站点的本地限速速率按照一线性经验公式从当前值向低阀值逐次逼近，直至发生下面两种情况之一：
a、下游站点拥塞消失后，即上游站点处于非拥塞状态，进入步骤(3)；
b、本地限速速率已经非常接近高阀值或低阀值时，进入步骤(5)；
(3)当站点从拥塞状态进入非拥塞状态，即环路上还有可用带宽时，先将低阀值置为当前的本地限速速率，再将该站点的本地限速速率从当前值按照一线性经验公式逐次逼近高阀值，直至下游站点拥塞重新出现，进入步骤(4)；
(4)当站点从非拥塞状态进入拥塞状态时，先将高阀值置为当前的本地限速速率，由于此时重新出现拥塞状态，又回到步骤(2)；
(5)本地限速速率收敛到一稳定状态，此时，该站点的低阀值、高阀值，和本地限速速率会收敛到同一个数值，结束全部操作。
所述拥塞状态是指：在弹性分组环上的下游站点出现拥塞后，其上游站点均处于拥塞状态；所述非拥塞状态是指：如果弹性分组环上的下游站点都没有出现拥塞，则其上游站点处于非拥塞状态。
所述步骤(2)中从当前值向低阀值逐次逼近的一线性递减经验公式为：
递减经验公式：X＝X’-(X’-低阀值)/Z；式中X’为本地限速速率，X为新计算出来的本地限速速率；Z为递减控制因子，Z＝32。
所述步骤(3)中从当前值向高阀值逐次逼近的一线性递增经验公式为：
递增经验公式：X＝X’+(高阀值-X’)/Y；式中X’为本地限速速率，X为新计算出来的本地限速速率；Y为递增控制因子，Y＝32。
所述探测弹性分组环上的流量是否发生变化，并根据流量变化的结果相应调整高阀值的具体操作步骤是：
(6)每个站点分别判断本站点是否已经收敛到稳定状态，如果该站点已经达到稳定状态后，发现拥塞状态消失，说明该环路上其它站点流量发生变化，就开始流量探测，执行后续操作步骤；否则，继续运行上述步骤(2)～(5)；
(7)每个站点以探测因子为系数递增本地限速速率，即将本地限速速率乘以探测因子的积作为新的本地限速速率，同时保留增加前的本地限速速率数值；
(8)探测该站点是否重新出现拥塞状态，若没有出现拥塞状态，则返回执行步骤(7)，继续递增本地限速速率；若出现拥塞状态，则结束流量探测，同时将高阀值作为当前的本地限速速率的数值，而本地限速速率则恢复为增加前的数值；因为此时的高阀值已被调整，与低阀值不再相等，稳定状态被破坏，所以该站点要重新运行步骤(2)～(5)，直至收敛到一个新的稳定状态；该新的稳定状态的本地限速速率的数值将大于原稳定状态的本地限速速率的数值。
本发明是一种在高速和低速弹性分组环RPR网络中保证各个站点公平分享带宽的方法，该方法中的各个站点均采纳同样的线性经验公式，而且由于反馈控制消息在高速环路上的传播时延非常短，所以上游各站点可近似认为同时收到反馈控制消息，所以各个站点之间的本地限速速率的变化基本上是同步的，这样拥塞发生时上游各个站点受抑制的程度相同，能够确保每个站点公平共享拥塞链路处的带宽。而且，本发明的算法只包括简单的线性运算，不涉及复杂的处理过程和存储开销，整个算法所需的线性运算的总次数的上限为K×(M+N)，其中K为总的迭代次数，M为每次迭代过程中递增次数的最大值，N为每次迭代过程中递减次数的最大值，因此算法复杂度较低。
总之，本发明方法在确保弹性分组环RPR环路中的每个站点公平分享带宽的同时，能够达到快速收敛到稳定状态和消除非平衡流现象的作用，而且适用范围较广，具有比较好的兼容性，具有很好的应用前景。
【附图说明】
图1是弹性分组环RPR的网络拓扑结构示意图。
图2是本发明的公平分享带宽的算法流程图。
图3是本发明的探测流量变化的流程图。
【具体实施方式】
为了消除非平衡流问题和快速收敛，本发明采纳了不同于标准草案的拥塞控制机制：上游站点不直接使用反馈速率作为本地限速速率，而是利用一个线性经验公式来逐渐降低或升高本地限速速率。即上游站点在下游站点拥塞发生时不是直接将本地限速速率降为接收到的拥塞点的反馈速率，而是线性地减少本地限速速率来缓解拥塞；下游站点拥塞消失时也不是将本地限速速率直接升至链路速率，而是每个站点线性地增加本站点的本地限速速率，以增加系统吞吐量；同时本发明引入了两个阀值来控制本地限速速率的变化范围，使本地限速速率始终处在高低阀值之间，并控制本地限速速率逐次渐近一个最佳的公平速率，使各个站点的本地限速速率能够快速收敛到一个稳定数值，消除非平衡流振荡。而当站点达到稳定状态后，如果其中某些站点的发送速率降低后，将会导致环路上重新出现可用带宽。为了提高带宽利用率，其他未降低发送速率的站点可以占用这部分带宽，即这些站点可以抬高自己的本地限速速率来获得增加流量的机会。但由于稳定状态的高阀值与本地限速速率已经收敛到了一个固定数值，必须采取额外措施调整高阀值，然后重新收敛到一个新的稳定状态，以达到提高本地限速速率的目的。本方法还提供一种流量探测方法，以便能够获得新的更为适宜的本地限速速率值。
参见图2，介绍本发明方法的具体操作步骤：
首先定义两种站点状态。拥塞状态：如果拥塞出现在环路的下游站点，那么上游站点定义为拥塞状态。非拥塞状态：如果环路的下游站点都不出现拥塞，那么上游站点定义为非拥塞状态。
(1)初始化设定两个速率阀值：低阀值LowThreshold初始化数值为0，高阀值HighThreshold初始化数值为链路的速率(例如在10G的RPR环上，高阀值HighThreshold＝10Gbps)；且应保证该网络的本地限速速率始终处于高阀值与低阀值之间，即保证下述不等式始终成立：
低阀值LowThreshold＜本地限速速率＜高阀值HighThreshold；
(2)判断下游站点是否出现拥塞状态，若否，进入步骤(4)；若是，进入步骤(3)：各个上游站点的本地限速速率按照一线性递减经验公式：X＝X’-(X’-低阀值)/Z；(式中X’为本地限速速率，X为新计算出来的本地限速速率；Z为递减控制因子，Z＝32)从当前值向低阀值逐次逼近，直至发生下面两种情况之一：
a、如果下游站点拥塞消失后，即上游站点处于非拥塞状态，进入步骤(4)
b、如果本地限速速率已经非常接近高阀值或低阀值时，进入步骤(6)；
(4)当站点从拥塞状态进入非拥塞状态，即环路上还有可用带宽时，先将低阀值置为当前的本地限速速率，再将该站点的本地限速速率从当前值按照一线性递增经验公式：X＝X’+(高阀值-X’)/Y；(式中X’为本地限速速率，X为新计算出来的本地限速速率；Y为递增控制因子，Y＝32)逐次逼近高阀值，直至下游站点拥塞重新出现，进入步骤(5)；
(5)当站点从非拥塞状态进入拥塞状态时，先将高阀值置为当前的本地限速速率，由于此时重新出现拥塞状态，又回到步骤(3)；
(6)本地限速速率收敛到一稳定状态，此时，该站点的低阀值、高阀值，和本地限速速率会收敛到同一个数值，结束全部操作。
本发明的算法只用接收到的反馈速率作为判断拥塞状态是否出现的依据，而不是直接将它作为本地的限速速率。如果接受的反馈速率小于链路速率，则判断出现了拥塞状态，如果接受的反馈速率等于链路速率，则判断未出现拥塞状态。每一次拥塞状态转为非拥塞状态时，都会使低阀值抬高到当前的本地限速速率；而每一次非拥塞状态转为拥塞状态时，都会使高阀值减低到当前的本地限速速率。本发明算法还给出两个线性的经验公式来控制本地限速速率的递增和递减过程。在上述算法的描述中，把步骤(3)～(5)的三个操作步骤称为一次迭代，每次迭代都会导致高、低阀值发生变化，这样经过几次有限的状态转移，高阀值和低阀值之间的差距就会减少而逐渐相互逼近，最终低阀值、高阀值和本地限速速率会收敛为同一个稳定的最佳数值，该数值即为站点的公平速率。
当各个站点达到稳定状态时，如果其中某些站点降低自己的发送速率，会导致环路上重新出现可用带宽。为了提高带宽利用率，其他未降低发送速率的站点可以占用这部分带宽，即这些站点要提高自己的本地限速速率来获得增加流量的机会。但是，由于稳定状态的高阀值与本地限速速率已经收敛到了一个固定数值，必须采取额外措施调整高阀值，然后重新收敛到一个新的稳定状态，才能够实现提高本地限速速率的目的。
为了得到一个更为准确的高阀值的调整值，本发明提出了流量探测方法。即环上的每个站点都分别判断本站点是否已经收敛到稳定状态，因为站点的稳定状态是拥塞状态，所以如果站点在收敛到稳定状态后又发现拥塞状态消失，则说明环上重新出现了可用带宽，肯定有其它站点降低了自己的发送速率，此时需要进行流量探测，探测的结果将导致高阀值调高，使得调整后的高低阀值不再相等。这样本发明就会从新的高低阀值开始又一轮的迭代过程，直至收敛到一个新的稳定状态。新的稳定状态的本地限速速率的数值将大于原稳定状态的本地限速速率的数值。本发明的探测弹性分组环上的流量是否发生变化，并根据流量变化的结果相应调整高阀值的具体操作步骤参见图3所示：
(7)每个站点分别判断本站点是否已经收敛到稳定状态，即是否处于拥塞状态，如果没有达到稳定状态，继续运行上述步骤(3)～(5)的公平分享带宽的控制算法；如果达到稳定状态后，发现拥塞状态消失，则开始流量探测，执行后续操作步骤；否则不需要执行流量探测，维持原状态不变；
(8)每个站点以探测因子为系数递增本地限速速率，即将本地限速速率乘以探测因子的积作为新的本地限速速率，同时保留增加前的本地限速速率数值；
(9)探测流量是否重新出现拥塞状态，若没有出现拥塞状态，则返回执行步骤(8)，继续递增本地限速速率；若出现拥塞状态，则结束流量探测，并进入步骤(10)；
(10)将高阀值作为本地限速速率的数值，同时，本地限速速率恢复为增加前的数值。
因此，流量探测实际上是本地限速速率的一个临时性的递增过程，也就是本地限速速率不断以探测因子为系数逐渐增加，即本地限速速率＝本地限速速率×探测因子，探测因子＞1(例如探测因子＝1.001)；同时保留增加前的本地限速速率的值。本地限速速率的每一次增加都使得该站点能够多占用一些可用带宽。如果增加的结果导致环路可用带宽被占用完毕，则拥塞状态重新出现，探测结束；否则继续进行探测，直至最终拥塞状态重新出现，探测结束。探测结束后被提高的高阀值作为当时的本地限速速率数值，而本地限速速率则恢复为增加前的数值。
本发明的实现方法已经在计算机上进行了仿真模拟试验，仿真模拟的是10Gbps速率的RPR环，试验是成功的，公平分享带宽的控制方法达到了较为理想的效果，既消除了非平衡流问题，也保证了环路各站点在拥塞发生时能够快速地公平分享带宽。