上送控制器通道限流方法
2023-09-22 00:07:25 2
專利名稱：上送控制器通道限流方法
技術領域：
本發明涉及電子系統或通信設備中通道限流方法，特別涉及電子系統或通信設備中數據轉發器上送控制器通道的限流方法。
背景技術：
隨著信息科學的發展和電子技術的進步，電子產品的功能越來越全面，但相應的電子系統的也結構變得越來越複雜。系統的複雜度將嚴重影響設計成本的降低、設備維護的簡化、系統升級的性能等。因此，對於一個複雜的電子系統，往往會採取按功能分工的模塊化處理。一般的，電子系統或通信設備會分為控制層面和數據層面兩部分，控制層面的核心部件為控制器(Compute Process，簡稱「CP」)，用於執行控制命令，控制整個系統的運行；數據層面的核心部件為數據轉發器(eNgine Process，簡稱「NP」)，用於交叉轉發數據信號。
在通信網絡中，NP將處理接受到的各種不同的報文，其中包括控制報文和數據報文。如前所述，控制報文是需要CP處理並執行的。因此NP需要通過NP與CP之間的通道(TUNNEL)將控制報文上送CP，然後由CP來對控制報文進行處理。這種典型的控制層面+數據層面的結構，在許多設備上都有應用，比如寬帶接入設備(Broadband Access Service，簡稱「BAS」)，路由器，交換機等。
圖1示出了NP與CP之間的上送控制器通道原理。其中NP 102在埠接收到各種協議和數據報文，NP 102將其中的協議報文和部分需要CP處理的數據報文通過上送控制器通道103上送給CP 101，經過CP 101處理後進行相應的控制，最後NP 102根據控制信號輸出或轉發網絡報文。可見，這種結構的關鍵在於NP與CP之間通過通道進行通信。由於通道的帶寬是有限的，往往會因為從NP埠來的需要上送CP的報文量過大，導致了通道帶寬不夠，影響系統處理速度，成為網絡通信的瓶頸。如果需要處理的關鍵協議報文因通道擁塞而未能及時被CP處理，將導致網絡癱瘓的嚴重後果。
為了解決上送控制器通道瓶頸的問題，必須採用上送控制器通道限流方法，分辨不同優先級的報文，根據實際報文關鍵程度進行限流處理，對於關鍵的報文優先通過，對於一般的報文則限制其佔用過多帶寬，對於異常報文如攻擊性報文則拒絕通過。這樣可以有效地一些優先級不高的報文，使得優先級高的報文正常通過，能保證網絡通信正常進行。另外，還可以避免遭受一些攻擊性報文的惡意攻擊，這對於當今信息社會的網絡安全將是非常必要的。
目前常用的上送控制器通道限流方法是採用固定的帶寬分配機制，限定各種報文的最高帶寬佔用率。首先對於不同種類的報文，比如地址解析協議(Address Resolution Protocol，簡稱「ARP」)報文，網際網路組管理報文(InternetGroup Management Protocol，簡稱「IGMP」)報文，點對點協議(Point-to-PointProtocol，簡稱「PPP」)報文等，分別定義一組限流(Committed Access Rate，簡稱「CAR」)參數；當不同種類的報文想要通過上送控制器通道時，需要先調用其CAR參數進行限流計算，根據計算的結果確定是否允許通過，進行相應的上送CP或者丟棄處理。
CAR參數一般包括允許報文通過速率(Average_speed)、上次報文通過時間(Pre_time)、上次報文通過時的剩餘令牌數(Pre_token)和令牌漏桶的高度(Bucket_hight)，其中令牌數是報文的計量單位，報文的長度可以以令牌為單位進行計量，剩餘令牌數是指上次報文通過時未使用完的令牌數，令牌漏桶的高度是用來限制過多令牌通過的，任何時刻剩餘的可通過令牌數必須大於令牌漏桶的高度。
限流操作按以下步驟進行首先，通過報文解析確定該報文需要上送CP進行處理，查找到通道對應的該種報文的CAR參數；根據系統當前的時間(Cur_time)，計算出間隔時間(Delta_time＝Cur_time-Pre_time)；計算Delt_time時間內允許注入令牌桶的令牌數Average_speed×Delta_time，再加上上次剩餘的令牌數得到當前總共可用令牌數(Average_speed*Delta_time)+Pre_token；判斷此次通過報文的長度(takenout_speed)是否超過當前總共可用令牌數，如果(Average_speed*Delt_time)+Pre_token-takeout_speed＞＝0，則允許該報文通過，如果(Average_speed*Delt_time)+Pre_token-takeout_speed＜0，則丟棄該報文；最後刷新相應的CAR參數。
可見現有的上送控制器限流方法給每一種上送CP的報文設置了固定的CAR參數，即固定了允許的帶寬Average_speed。雖然，各種報文都得到了一定帶寬保證，但在其他報文較少而通道相對空閒時，本類報文的最大帶寬照樣不變，此時通道並沒有得到完全的利用。另外，由於網絡通信種協議較多，報文種類繁多，對於每種報文均進行限流參數配置將顯得繁瑣複雜，佔用存儲資源多且不易維護。
在實際應用中，上述方案存在以下問題帶寬分配機制僵化，帶寬利用率低，配置複雜。
造成這種情況的主要原因在於，對於每一種報文都配置一套固定的限流參數，用固定的限流參數對該種報文進行限流。
發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種上送控制器通道限流方法，使得帶寬分配機制靈活，帶寬利用率高，配置簡單。
為實現上述目的，本發明提供了一種上送控制器通道限流方法，包含以下步驟，A 按各種報文的優先程度高低分為至少兩種優先級；B 對各種所述優先級的報文進行自適應帶寬分配。
其中，所述步驟B包含以下子步驟，B1 對各種所述優先級配置限流參數；B2 根據各種所述優先級的帶寬使用情況和所述限流參數，實時調整分配給該優先級的帶寬；其中，所述限流參數包含按所述優先程度高低分配給各種所述優先級的初始帶寬。
所述步驟B2還包含以下子步驟對至少一種優先級，判斷其當前實際需求的帶寬是否超出所述分配給該優先級的帶寬，如果是，減少所述分配給該優先級的帶寬，否則增加所述分配給該優先級的帶寬。
對於所述優先程度最高的所述優先級，分配給該優先級的帶寬恆定為所述初始帶寬。
所述限流參數還包含上次傳送時間、上次剩餘令牌數、當前允許傳送速率、最低傳送速率、最高傳送速率、帶寬調整門限變量。
步驟B2還進一步包含以下子步驟，對於待傳送報文所屬的所述優先級，由當前時間減去所述上次傳送時間得到間隔時間；由所述間隔時間乘以所述當前允許傳送速率，再加上所述上次剩餘令牌數，再減去所述待傳送報文的長度所對應的令牌數，得到當前剩餘令牌數，進入步驟B23；判斷所述當前剩餘令牌數是否小於設定的剩餘令牌最低值，如果是，所述帶寬調整門限變量減少一個門限下調步長，不傳送所述待傳送報文，否則，所述帶寬調整門限變量增加一個門限上調步長，傳送所述待傳送報文，並更新所述上次傳送時間為所述當前時間，更新所述上次剩餘令牌數為所述當前剩餘令牌數；監測所述帶寬調整門限變量，當所述帶寬調整門限變量達到帶寬調整下門限時，若此時所述當前允許傳送速率尚未達到所述最低傳送速率則減少一個速率下調步長，並恢復所述帶寬調整門限變量；當所述帶寬調整門限變量達到帶寬調整上門限時，若此時所述當前允許傳送速率尚未達到所述最高傳送速率則增加一個速率上調步長，並恢復所述帶寬調整門限變量；其中所述帶寬調整下門限小於所述帶寬調整上門限，所述最低傳送速率小於所述最高傳送速率。
所述步驟A中按各種報文的優先程度高低分為高優先級、中優先級、低優先級、拒絕優先級四種所述優先級。
所述步驟B1中，對所述高優先級配置所述限流參數如下，所述初始帶寬等於通道帶寬，所述最低傳送速率等於所述通道帶寬，所述最高傳送速率等於所述通道帶寬；對所述低優先級配置所述限流參數如下，所述初始帶寬等於所述通道帶寬，所述最低傳送速率等於所述通道帶寬的八分之一，所述最高傳送速率等於所述通道帶寬；對所述中優先級配置所述限流參數如下，所述初始帶寬等於所述通道帶寬的二分之一，所述最低傳送速率等於所述通道帶寬的八分之一，所述最高傳送速率等於所述通道帶寬的二分之一；所述步驟B2中，所述高優先級的所述當前允許傳送速率恆定為所述初始帶寬，不傳送所述拒絕優先級的報文。
點對點控制報文的優先級為所述高優先級，地址解析協議報文的優先級為所述中優先級，網際網路組管理協議報文的優先級為所述低優先級，異常報文的優先級為所述拒絕優先級。
通過比較可以發現，本發明的技術方案與現有技術的區別在於，本發明將各種報文按照優先程度高低分為若干優先級，對於同一優先級的報文種類進行統一配置和處理；用自適應帶寬分配方法對各優先級報文的配置參數進行自適應地調整，靈活分配各優先級報文的帶寬；對低優先級報文實行超流量懲罰機制，確保高優先級報文的優先服務；通過對帶寬調整門限變量的累計操作，實現了對報文傳送情況的統計和帶寬調整的緩衝機制。
這種技術方案上的區別，帶來了較為明顯的有益效果，即按優先級高低分類後的級別數大大少於原先的報文種類數，簡化了參數配置和提高了處理效率；自適應帶寬分配方法使得帶寬分配機制更加靈活，大大提高了帶寬利用率；超流量懲罰機制保證了高優先級報文的暢通，大大提高了系統的可靠性；帶寬調整的緩衝機制提高了自適應限流的魯棒性。
圖1是數據轉發器與控制器之間的上送控制器通道原理示意圖；圖2是根據本發明的一個實施例的上送控制器通道限流方法流程圖。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步地詳細描述。
本發明將諸多種類的報文按照優先程度高低劃分為高、中、低、拒絕4個等級，上送通道的限流參數配置和限流處理完全按照不同優先級進行，這樣不但保證了不同優先級報文的區別對待，而且可以簡化限流參數配置和限流處理。本發明對各種優先級的限流參數進行自適應調整，使得上送控制器通道限流機制變得靈活，同時可以提高通道的帶寬利用率。為了保證高優先級的報文正常通信，本發明還對優先級相對較低的報文採取了超流量懲罰機制，對於實際流量將要超過分配的帶寬的報文給予減少分配帶寬的懲罰，以確保高優先級報文的帶寬不受影響。
在本發明的一個實施例中，為了保證整個上送控制器通道的利用率高，並且防止一些非法的攻擊，實現差別服務，可以各種報文分為高、中、低、拒絕4個優先級。比如根據實際應用的情況，將PPP報文設定為高優先級報文，ARP報文設定為中優先級報文，IGMP及其他協議報文設定為低優先級報文，異常報文設定為拒絕優先級報文。限流的原則對於高優先級報文，允許帶寬為整個通路TUNNEL的帶寬；對於中優先級報文，則根據當前的帶寬利用情況，調整其允許帶寬，比如當如果沒有其他報文通過，可以佔用整個帶寬，當有其他報文通過，可以按小幅度降低帶寬，給其他報文預留一些帶寬；對於低優先級的報文，則根據當前的帶寬利用情況，調整其允許帶寬，比如當沒有其他報文通過，可以佔用給規定的帶寬，如果有其他報文通過，可以按一定的幅度降低帶寬，給其他報文預留更多的帶寬；對於拒絕優先級報文，實現拒絕操作，將報文作丟棄處理，即直接丟棄異常報文，這樣可以有效防止惡意攻擊。
在本發明的一個實施例中，為了實現各種級別報文的自適應帶寬調整，給各優先級配置CAR參數有當前允許傳送速率(Cur_speed)、平均傳送速率(Average_speed)、上次傳送時間(Pre_time)、上次剩餘令牌數(Pre_token)、令牌漏桶高度(Bucket_high)、最低傳送速率(Min_speed)、帶寬調整門限變量(TH)。其中當前允許傳送速率即表徵了系統分配給該優先級報文的帶寬大小；最低傳送速率是該優先級必須要的傳送速率，即在帶寬自適應調整中不能將分配的帶寬調整得低於此速率，這樣可以確保該優先級報文的通信；帶寬調整門限變量是用來進行帶寬調整緩衝的，每次報文請求傳送時都將判斷得到帶寬需要調整的方向，並對帶寬調整門限變量進行相應地增減操作，當帶寬調整門限變量超過上門限或者下門限時，才對帶寬進行相應的調整，這裡帶寬調整門限起到一個必要的緩衝作用，並且還起到了對一定範圍內報文傳送情況的統計作用，提高了帶寬調整機制和限流機制的魯棒性。
表一為本發明的一個實施例中的高、中、低優先級的部分限流參數的配置，其中均以通道帶寬為參照標準(Tunnel_speed)，這裡通道帶寬是指整個上送控制器通道的帶寬。
表一
圖2示出了根據本發明的一個實施例的上送控制器通道限流方法的流程。
在步驟201中，對各種報文進行優先級分類，比如分為高、中、低、拒絕四類；接著進入步驟202，配置各種優先級的初始限流參數，比如按表一所示進行配置，對於自適應帶寬調整，需要設置各優先級的最低傳送速率和平均傳送速率，在調整時較低優先級的當前傳送速率不能超過設定的平均傳送速率，也不能低於最低傳送速率，而高優先級的當前傳送速率將恆定為平均傳送速率，這樣可以保證高優先級報文的正常通信，同時在其他優先級報文較少時較高優先級報文能夠充分利用通道帶寬；接著進入步驟203，對於待傳送報文所屬的優先級，進行限流計算，根據計算結果確定是否傳送該報文，並自適應調整限流參數。
在本發明的一個實施例中，限流計算和自適應調整分以下步驟進行先由當前時間cur_time和上次傳送時間pre_time計算間隔時間delta_time＝cur_time-pre_time；再計算若待傳送報文通過後將剩餘的令牌數，即當前剩餘令牌數new_token＝(delta_time*cur_speed)+pre_token-takeout_token，其中takeout_token為待傳送報文的長度；如果new_token＜0，說明當前允許令牌數不夠傳送該報文，即丟棄該報文，置TH＝TH-1；如果new_token＞＝0，說明當前允許令牌數足夠用與傳送該報文，則傳送報文，置TH＝TH+1，同時更新相應的限流參數，比如pre_time＝cur_time，pre_token＝new_token；判斷TH＝0是否成立，如果成立則在允許範圍內調整當前傳送速率cur_speed＝cur_speed-average_speed/8，且average_speed＜＝cur_speed＜＝min_speed，並恢復TH為初始值，比如10；判斷TH＝20是否成立，如果成立則在允許範圍內調整當前傳送速率cur_speed＝cur_speed+average_speed/8，且average_speed＜＝cur_speed＜＝min_speed，並恢復TH為初始值，比如10。
其中，帶寬調整門限變量的向上調整和向下調整的步長均為1，上門限為20，下門限為0，它起到了報文統計作用，建立一個帶寬調整的緩衝機制。而帶寬調整的步長為平均傳送速率1/8。
可見，該限流方法對於低優先級的報文建立了一種懲罰機制，即當統計得到報文流量超過分配允許帶寬時，說明該較低優先級報文將影響高優先級通信，因此給予降低分配帶寬的懲罰，以保證高優先級報文的通信。
在本發明的一個較佳實施例中，如前所述對高、中、低優先級的報文分別進行如下處理，高優先級報文不進行帶寬調整，分配給它的帶寬恆定為最高可能帶寬，即通道帶寬；中、低優先級報文的帶寬(cur_speed)設定初始值為平均傳送速率(average_speed)，然後根據報文統計結果進行懲罰，懲罰機制由帶寬調整門限變量的操作(TH)實現。
通過上述自適應調整算法和懲罰機制即可在上送控制器通道上實現健壯的多種優先級報文的自適應限流。
熟悉本領域的技術人員可以理解，上述報文優先級分類的級別數可以按區別程度需要而增減，所述帶寬調整門限變量相關的參數，如初始值、向上向下調整的步長、上下門限等，可以設為其他合理的值，帶寬調整的步長也可以設為其他合理的值，而不影響發明目的和範圍雖然通過參照本發明的某些優選實施例，已經對本發明進行了圖示和描述，但本領域的普通技術人員應該明白，可以在形式上和細節上對其作各種各樣的改變，而不偏離所附權利要求書所限定的本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種上送控制器通道限流方法，其特徵在於，包含以下步驟，A按各種報文的優先程度高低分為至少兩種優先級；B對各種所述優先級的報文進行自適應帶寬分配。
2.根據權利要求1所述的上送控制器通道限流方法，其特徵在於，所述步驟B包含以下子步驟，B1對各種所述優先級配置限流參數；B2根據各種所述優先級的帶寬使用情況和所述限流參數，實時調整分配給該優先級的帶寬；其中，所述限流參數包含按所述優先程度高低分配給各種所述優先級的初始帶寬。
3.根據權利要求2所述的上送控制器通道限流方法，其特徵在於，所述步驟B2還包含以下子步驟對至少一種優先級，判斷其當前實際需求的帶寬是否超出所述分配給該優先級的帶寬，如果是，減少所述分配給該優先級的帶寬，否則增加所述分配給該優先級的帶寬。
4.根據權利要求3所述的上送控制器通道限流方法，其特徵在於，對於所述優先程度最高的所述優先級，分配給該優先級的帶寬恆定為所述初始帶寬。
5.根據權利要求3所述的上送控制器通道限流方法，其特徵在於，所述限流參數還包含上次傳送時間、上次剩餘令牌數、當前允許傳送速率、最低傳送速率、最高傳送速率、帶寬調整門限變量。
6.根據權利要求5所述的上送控制器通道限流方法，其特徵在於，步驟B2還進一步包含以下子步驟，對於待傳送報文所屬的所述優先級，由當前時間減去所述上次傳送時間得到間隔時間；由所述間隔時間乘以所述當前允許傳送速率，再加上所述上次剩餘令牌數，再減去所述待傳送報文的長度所對應的令牌數，得到當前剩餘令牌數，進入步驟B23；判斷所述當前剩餘令牌數是否小於設定的剩餘令牌最低值，如果是，所述帶寬調整門限變量減少一個門限下調步長，不傳送所述待傳送報文，否則，所述帶寬調整門限變量增加一個門限上調步長，傳送所述待傳送報文，並更新所述上次傳送時間為所述當前時間，更新所述上次剩餘令牌數為所述當前剩餘令牌數；監測所述帶寬調整門限變量，當所述帶寬調整門限變量達到帶寬調整下門限時，若此時所述當前允許傳送速率尚未達到所述最低傳送速率則減少一個速率下調步長，並恢復所述帶寬調整門限變量；當所述帶寬調整門限變量達到帶寬調整上門限時，若此時所述當前允許傳送速率尚未達到所述最高傳送速率則增加一個速率上調步長，並恢復所述帶寬調整門限變量；其中所述帶寬調整下門限小於所述帶寬調整上門限，所述最低傳送速率小於所述最高傳送速率。
7.根據權利要求1-6中任意一條權利要求所述的上送控制器通道限流方法，其特徵在於，所述步驟A中按各種報文的優先程度高低分為高優先級、中優先級、低優先級、拒絕優先級四種所述優先級。
8.根據權利要求7所述的上送控制器通道限流方法，其特徵在於，所述步驟B1中，對所述高優先級配置所述限流參數如下，所述初始帶寬等於通道帶寬，所述最低傳送速率等於所述通道帶寬，所述最高傳送速率等於所述通道帶寬；對所述低優先級配置所述限流參數如下，所述初始帶寬等於所述通道帶寬，所述最低傳送速率等於所述通道帶寬的八分之一，所述最高傳送速率等於所述通道帶寬；對所述中優先級配置所述限流參數如下，所述初始帶寬等於所述通道帶寬的二分之一，所述最低傳送速率等於所述通道帶寬的八分之一，所述最高傳送速率等於所述通道帶寬的二分之一；所述步驟B2中，所述高優先級的所述當前允許傳送速率恆定為所述初始帶寬，不傳送所述拒絕優先級的報文。
9.根據權利要求7所述的上送控制器通道限流方法，其特徵在於，點對點控制報文的優先級為所述高優先級，地址解析協議報文的優先級為所述中優先級，網際網路組管理協議報文的優先級為所述低優先級，異常報文的優先級為所述拒絕優先級。
全文摘要
本發明涉及電子系統或通信設備中通道限流方法，公開了一種上送控制器通道限流方法，使得帶寬分配機制靈活，帶寬利用率高，配置簡單。這種上送控制器通道限流方法將各種報文按照優先程度高低分為若干優先級，對於同一優先級的報文種類進行統一配置和處理；用自適應帶寬分配方法對各優先級報文的配置參數進行自適應地調整，靈活分配各優先級報文的帶寬；對低優先級報文實行超流量懲罰機制，確保高優先級報文的優先服務；通過對帶寬調整門限變量的累計操作，實現了對報文傳送情況的統計和帶寬調整的緩衝機制。
文檔編號H04L12/56GK1738287SQ20041005619
公開日2006年2月22日 申請日期2004年8月18日 優先權日2004年8月18日
發明者鄧學來 申請人:華為技術有限公司