用于支持端到端时延保证的动态资源分配系统及分配方法

摘要

本发明公开了一种用于支持端到端时延保证的动态资源分配系统，主要解决现有区分服务网络QoS保证能力低及网络资源利用不充分的问题。其系统包括：边界路由器、资源管理器和核心路由器，该资源管理器根据边界路由器发送的业务请求信息中的时延上限要求，结合网络负载信息中的链路负载度和各段链路端口处各PHB的时延估计值，计算端到端传输路径各段链路上的时延分配值，在相关的核心路由器上，根据本地的可用资源状态，通过时延分配值和带宽要求的匹配，动态选择最佳PHB进行资源配置和分组转发。本发明能够在保证业务端到端时延要求的同时，有效地均衡网络负载，减小QoS保证颗粒度，并提高了网络资源的利用率，可用于IP网络和分组交换网络。

说明书

技术领域

本发明属于数据通信技术领域，涉及区分服务网络中的资源分配方法，适用于IP网络和分组交换网络等。

背景技术

随着因特网的普及和迅速发展，利用因特网传送多媒体信息的需求也日益增加，网络资源也呈现紧张状态。为不同服务质量QoS特征的业务提供具有QoS保证的服务以及更加合理的网络资源分配方法，必将成为影响因特网未来发展的重要因素。

因特网采用的是面向无连接的IP协议，公平地为所有分组提供“尽力而为”的转发服务。传统的IP协议，通过协议头部预留的一些特殊字段期望为分组提供QoS保证和流量控制，例如IPv4协议头中服务类型字段和IPv6协议头中的通信量类字段。

区分服务从降低QoS实现的复杂度和提高可扩展性出发，将复杂的工作都集中到了网络的边缘节点，而网络的内部节点只进行简单的无状态转发。具体而言，区分服务使用IP头部的这些特殊字段作为分组的区分服务域，在网络的边界路由器，将单个流进行分类、整型和聚集成为不同的行为聚集流，并把聚集信息存储到每个IP数据包的标记域，称为区分服务码点DSCP，在网络内部路由器上，依据IP包头中的DSCP选择相应的单跳行为PHB进行转发，从而对具有相同DSCP值的聚集流提供特定质量的调度转发服务。

区分服务最大的优点是简单有效、可扩展性强，符合IP网络的特点。因此，区分服务模型必将成为主流的IP QoS体系构架。但是，区分服务对不同类别的聚集流只能提供相对优先级的QoS保证，即所提供的QoS保证粒度大，而且QoS保证只限于一个区分服务域内，不具备端到端的QoS能力。在网络负荷较轻情况下，可提供确定性的QoS服务，当网络负荷较重时，则可能导致网络中所有流的QoS都进行降级处理。

基于以上缺点，现有技术已提出了多种在区分服务模型中引入能够提供端到端QoS保证的装置和方法。例如在RFC2638(Request For Comments，RFC)文件中，将带宽代理BB引入区分服务体系结构。此外，还提出了一些接纳控制方法，以期对网络资源进行合理分配和使用。这些方法，虽在一定程度上提高了网络通信业务的QoS保证能力，但是所提供的QoS保证颗粒度太大，无法提供端到端的时延保证，且由于未考虑网络负载均衡状况，因而不能充分利用网络资源，造成其可扩展性能降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于支持端到端时延保证的动态资源分配系统及分配方法，以充分利用网络资源，均衡网络负载，提高其可扩展性能。

为实现上述目的，本发明用于支持端到端时延保证的动态资源分配系统，包括：

边界路由器，用于为接入业务向资源管理器发送业务请求消息，并对接入业务的所有分组头部扩展信息域进行填充；

资源管理器，用于根据业务的时延上限要求，结合网络负载信息，计算接入业务在端到端传输路径的各段链路上的时延分配值，并向核心路由器，发送路由配置消息，根据路由配置结果，向边界路由器反馈资源配置结果；

核心路由器，用于根据路由配置消息，结合本地可用资源状态，动态选择单跳行为PHB进行路由配置，并将路由配置结果反馈给资源管理器；

所述的边界路由器、资源管理器和核心路由器之间的传输是通过信令信道传输的控制信令消息进行。

为实现上述目的，本发明用于支持端到端时延保证的动态资源分配方法，步骤包括如下：

(1)核心路由器根据本地监测得到的本地各链路的占用带宽，按照如下公式计算各链路负载度：

P_j＝B_j /B_j0

其中，P_j为链路j的链路负载度，B_j为链路j的占用带宽，B_j0为链路j的带宽；

(2)各核心路由器将链路负载度和各PHB的时延估计值封装到负载更新消息中，实时更新资源管理器的网络负载信息；

(3)边界路由器侦听到接入业务到达后，生成业务请求消息，发送至资源管理器，该业务请求消息包括业务的带宽、时延上限要求等QoS指标值及路由计算结果；

(4)资源管理器接收并提取业务带宽、时延上限要求及路由计算结果，结合网络负载信息和业务的时延上限要求，按照如下步骤计算端到端传输路径各段链路上的时延分配值：

4a)依据网络负载信息得到各链路的链路负载度P_j，j∈K_L，计算每段链路的归一化负载度：j∈K_L，则每段链路上的时延预分配值为：d′_j＝D*η_j，j∈K_L，

其中，K_L＝{1，2，...，L}表示传输路径上所有链路的集合，L为传输路径上的链路总数，D表示业务的时延上限要求，η_j，j∈K_L表示链路j的归一化负载度，P_k表示链路k的链路负载度，表示传输路径上所有链路的链路负载度总和，d′_j，j∈K_L表示链路j上的时延预分配值且有

4b)初始化K′_L＝K_L及n＝L，初始化K′_L中的链路负载度为P_i＝P_j且i＝j，i∈K′_L，j∈K_L，时延预分配值为d_i＝d′_j，且i＝j，i∈K′_L，j∈K_L，初始化d_α＝0，

其中，K′_L表示时延待分配链路的集合，n表示K′_L中时延待分配的链路个数，P_i表示K′_L中链路i的链路负载度，d_i表示K′_L中链路i的时延预分配值，d_α表示时延因子；

4c)在K′_L中根据公式得到当前链路负载度最大的链路k，计算d_k＝d′_k+d_α，从集合K′_L中删除链路k，将n减1，

其中，d_k表示链路k上的时延分配值，d′_k表示链路k上的时延预分配值；

4d)根据链路端口各PHB对应的时延估计值D_i，i∈{1，M}，将时延分配值d_k匹配到时延分配限区间[D_p，D_q]，使其满足D_p≤d_k≤D_q，p∈{1，M}，q∈{1，M}，

其中，D_i，i∈{1，M}表示链路端口处第i级PHB所对应的时延估计值，M表示PHB总级数，D_p，D_q分别表示第p级PHB和第q级PHB所对应的时延估计值；

4e)判断n是否为1，若非1，则转到步骤4f)；否则转到步骤4g)；

4f)计算d＝|d_k-D_p|-|d_k-D_q|，若d＜0，则α＝p且D_α＝D_p，若d≥0，则α＝q且D_α＝D_q，更新d_α＝d_k-Dα，更新时延分配值d_k＝D_α，转到步骤4c)，

其中，α表示可选的PHB时延上限等级，D_α表示第α级PHB的时延估计值；

4g)更新时延分配值d_k＝D_p，得到传输路径上各链路的时延分配值为d_k，k∈K_L，至此，传输路径上各段链路的时延分配值计算过程结束，所有链路上的时延分配值的总和，满足

(5)资源管理器将业务带宽要求、路由信息及时延分配值封装到路由配置消息中发送到相关的核心路由器进行路由配置，并等待各核心路由器的路由配置结果；

(6)核心路由器从收到的路由配置消息中提取接入业务的带宽要求和所分配的时延上限值，结合本地可用资源状态所提供的相应链路端口上的各PHB的可用带宽和时延估计值等QoS指标值，按照如下步骤动态选择PHB转发行为并进行路由配置：

6a)根据时延分配值d_k，在所有PHB集合中，进行第一次匹配，得到时延估计值不大于时延分配值的可选PHB集合K₁：

$K_1=\left\{k_1\right|D_{k_1}\le d_j,k_1\in \{1,M\}\},$

其中，表示第k₁级PHB所对应的时延估计值；

6b)根据业务的带宽要求B，在可选PHB集合K₁中，进行第二次匹配，得到可用带宽不小于业务带宽要求的可选PHB集合K₂：

$K_2=\left\{k_2\right|k_2\in K_1,B_{k_2}\ge B\},$

其中，k₂∈K₁表示第k₂级PHB的可用带宽；

6c)在可选PHB集合K₂中，取时延估计值最大的PHB作为最佳PHB结果s：

$s=\{s\in K_2,D_s=\underset{k\in K_2}{\max }{D}_k\},$

其中，D_k表示K₂中第k级PHB对应的时延估计值，D_s表示最佳PHB第s级对应的时延估计值；

6d)如果未匹配到PHB，则选择默认PHB或者返回PHB选择失败；

(7)核心路由器将路由配置结果反馈给资源管理器，若路由配置成功，则将所选PHB对应的DSCP值封装到路由配置成功消息中反馈给资源管理器，若路由配置失败，则反馈路由配置失败消息；

(8)资源管理器接收到相应核心路由器的路由配置结果后，若所有路由配置结果都为路由配置成功消息，则提取路由配置成功消息中的DSCP并将各核心路由器对应的DSCP封装到资源分配成功消息中反馈给边界路由器，若存在一个路由配置失败消息，则将资源分配失败消息反馈给边界路由器；

(9)边界路由器若收到资源分配成功消息，则对该业务分组的头部扩展信息域填充传输路径上的各核心路由器对应的DSCP，若收到资源分配失败消息，则拒绝接入此业务；

(10)核心路由器根据分组头部的扩展信息域，将与自己对应的DSCP解析到相应的PHB转发行为进行分组转发。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明由于在资源管理器上，根据接入业务的时延上限要求，结合网络负载信息所提供的传输路径各段链路上的链路负载度，计算端到端传输路径的各段链路上的时延预分配值，再结合网络负载信息所提供的各相应链路端口处各PHB的时延估计值，计算端到端传输路径的各段链路上的时延分配值，不仅为业务提供端到端的时延保证，且有效地均衡了网络负载，并且减小了区分服务的QoS保证粒度。

(2)本发明由于在核心路由器上，根据接入业务的带宽要求和时延分配值，结合本地可用资源状态所提供的相关链路上各PHB的可用带宽和时延估计值，动态选择最佳PHB进行路由配置和分组转发，不仅为接入业务提供带宽和时延保证，更能够充分利用网络带宽资源。

附图说明

图1是本发明的动态资源分配系统结构图；

图2是本发明系统中的边界路由器结构图；

图3是本发明系统中的资源管理器结构图；

图4是本发明系统中的核心路由器结构图；

图5是本发明的动态资源分配方法总流程图；

图6是本发明方法中计算各段链路时延分配值的子流程图；

图7是本发明方法中动态选择PHB转发行为的子流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明内容作详细叙述：

参照图1，本发明的用于支持端到端时延保证的动态资源分配系统结构包括：边界路由器1、资源管理器2和核心路由器3。其中，边界路由器1、资源管理器2和核心路由器3之间传输是通过信令信道传输的控制信令消息进行的，控制信令消息包括负载更新消息、业务请求消息、资源分配成功消息、资源分配失败消息、路由配置消息、路由配置成功消息和路由配置失败消息7种。

所述的边界路由器1，侦听到接入业务到达后，将接入业务的带宽和时延上限等QoS指标要求和路由计算结果封装到业务请求消息中，发送到资源管理器2，并根据资源管理器2反馈的资源分配结果，对该接入业务所有分组头部的扩展信息域进行填充处理。该模块的具体结构如图2所示，它包括业务请求信息生成模块11和分组头部控制信息填充模块12。其中，业务请求信息生成模块11，将接入业务的带宽和时延上限等QoS指标要求和路由计算结果封装成业务请求消息，并发送到资源管理器2；分组头部控制信息填充模块12，根据资源管理器2反馈的资源分配结果，对业务分组头部的扩展信息域进行控制信息填充处理，若资源分配结果为资源分配成功消息，则将该消息中携带的传输路径上各个核心路由器3所对应的DSCP填充到该业务所有分组头部的扩展信息域，否则，若为资源分配失败消息，则进行默认填充或拒绝业务接入。

所述的资源管理器2，提取边界路由器1的业务请求消息中的业务带宽和时延上限等QoS指标要求及路由计算结果，根据从各个核心路由器3得到的网络负载信息，计算端到端传输路径上各段链路上的时延分配值，并将时延分配值和带宽要求封装到路由配置消息中发送给相应的核心路由器3，根据相应核心路由器3反馈的路由配置结果，生成资源分配结果反馈给边界路由器1。该模块的具体结构图如图3所示，它包括网络负载信息库21、业务请求信息提取模块22、时延平衡分配计算模块23、路由配置信息输出模块24和资源分配结果输出模块25。其中，网络负载信息库21，接收各个核心路由器的负载更新消息，并为时延平衡分配计算模块23提供网络负载信息；业务请求信息提取模块22，从业务请求消息中提取业务的带宽和时延上限等QoS指标要求和路由计算结果，并将时延上限要求及路由计算结果传送给时延平衡分配计算模块23，将业务带宽要求和路由信息传送给路由配置信息输出模块24；时延平衡分配计算模块23，根据业务请求信息提取模块22提取的时延上限要求及路由计算结果，结合网络负载信息库21提供的网络负载信息中的链路负载度和各链路端口的时延估计值，计算端到端传输路径的各段链路上的时延分配值，并将时延分配值传送给路由配置信息输出模块24；路由配置信息输出模块24，将业务请求信息提取模块22提取的业务带宽要求和时延平衡分配计算模块23计算得到的时延分配值封装成路由配置消息，并将该消息发送到相应的核心路由器3；资源分配结果输出模块25，接收到相应核心路由器3反馈的路由配置结果，若所有的路由配置结果都为路由配置成功消息，则将各个核心路由器及其相应的DSCP封装到资源分配成功消息中，反馈给边界路由器1，若存在一个核心路由器的路由配置结果为路由配置失败消息，则反馈资源分配失败消息给边界路由器1。

所述的核心路由器3，监测本地各链路上的占用带宽和各链路端口处各PHB可用资源状态，生成负载更新消息实时发送给资源管理器2，从资源管理器2发送的路由配置消息中提取业务的时延分配值和带宽要求，结合相应链路端口处各PHB的可用资源状态，动态选择PHB进行路由配置，并将路由配置结果反馈给资源管理器2。该模块的具体结构图如图4所示，它包括本地实时测量子模块31、负载信息计算模块32、PHB可用资源信息提取模块33、PHB与DSCP映射表34、路由配置信息提取模块35、PHB动态选择及资源配置模块36和路由配置反馈模块37。其中，本地实时测量子模块31，实时监控本地所有链路上的占用带宽以及各链路端口处各PHB对应的可用带宽和时延估计值等可用资源状态，并将各链路的占用带宽和各链路端口处各PHB对应的时延估计值传送给负载信息计算模块32，将各链路端口处各PHB对应的可用带宽和时延估计值等可用资源状态传送给PHB可用资源信息提取模块33；负载信息计算模块32，根据本地实时测量子模块31的占用带宽，计算本地各链路的链路负载度，并将链路负载度和链路端口处各PHB的时延估计值封装成负载更新消息，发送给资源管理器2；PHB可用资源信息提取模块33，提取本地实时测量子模块31监测到的本地各链路端口处各PHB的可用资源状态，并供PHB动态选择及资源配置模块36进行PHB选择；PHB与DSCP映射表34，存储各等级的PHB与DSCP的对应关系，并为路由配置反馈模块37提供PHB到DSCP的映射；路由配置信息提取模块35，提取资源管理器2的路由配置消息中的业务带宽要求、路由信息及时延分配值，并传送给PHB动态选择及资源配置模块36；PHB动态选择及资源配置模块36，根据带宽要求和时延上限值，结合PHB可用资源信息提取模块33所提供的相关链路端口处各PHB的可用资源状态，动态选择PHB并进行路由配置，将PHB和配置结果传送给路由配置反馈模块37；路由配置反馈模块37，根据PHB动态选择及资源配置模块36提供的PHB和配置结果，若配置成功，则查询PHB与DSCP映射表34将所选PHB的映射为DSCP，并将DSCP封装到路由配置成功消息中反馈给资源管理器2，若PHB选择失败或配置失败，则反馈路由配置失败消息给资源管理器2。

参照图5，本发明的用于支持端到端时延保证的动态资源分配方法，包括以下步骤：

步骤1：各核心路由器根据本地监测得到的本地各链路的占用带宽，按照如下公式计算各链路的链路负载度：

P_j＝B_j/B_j0

其中，P_j为链路j的链路负载度，B_j为链路j的占用带宽，B_j0为链路j的带宽。

步骤2：各核心路由器将链路负载度和各PHB的时延估计值封装到负载更新消息中，实时更新资源管理器的网络负载信息。

步骤3：边界路由器侦听到接入业务到达后，生成业务请求消息，发送至资源管理器，该业务请求消息包括业务的带宽、时延上限要求等QoS指标值及路由计算结果。

步骤4：资源管理器接收并提取业务带宽、时延上限要求及路由计算结果，结合网络负载信息和业务的时延上限要求，计算端到端传输路径各段链路上的时延分配值。

其中，网络负载信息包括网络内各条链路的链路负载度及各个链路端口处各PHB的时延估计值。

参照图6，本步骤计算端到端传输路径各段链路上的时延分配值的具体步骤如下：

步骤4-1：依据网络负载信息得到各链路的链路负载度P_j，j∈K_L，计算每段链路的归一化负载度：j∈K_L，则每段链路上的时延预分配值为：d′_j＝D*η_j，j∈K_L，

其中，K_L＝{1，2，...，L}表示传输路径上所有链路的集合，L为传输路径上的链路总数，D表示业务的时延上限要求，η_j，j∈K_L表示链路j的归一化负载度，P_k表示链路k的链路负载度，表示传输路径上所有链路的链路负载度总和，d′_j，j∈K_L表示链路j上的时延预分配值且有

步骤4-2：初始化K′_L＝K_L及n＝L，初始化K′_L中的链路负载度为P_i＝P_j且i＝j，i∈K′_L，j∈K_L，时延预分配值为d_i＝d′_j，且i＝j，i∈K′_L，j∈K_L，初始化d_α＝0，

其中，K′_L表示时延待分配链路的集合，n表示K′_L中时延待分配的链路个数，P_i表示K′_L中链路i的链路负载度，d_i表示K′_L中链路i的时延预分配值，d_α表示时延因子；

步骤4-3：在K′_L中根据公式得到当前链路负载度最大的链路k，计算d_k＝d′_k+d_α，从集合K′_L中删除链路k，将n减1，

其中，d_k表示链路k上的时延分配值，d′_k表示链路k上的时延预分配值；

步骤4-4：根据网络负载信息得到链路端口各PHB对应的时延估计值D_i，i∈{1，M}，将时延分配值d_k匹配到时延分配限区间[D_p，D_q]，使其满足D_p≤d_k≤D_q，p∈{1，M}，q∈{1，M}，

其中，D_i，i∈{1，M}表示链路端口处第i级PHB所对应的时延估计值，M表示PHB总级数，D_p，D_q分别表示第p级PHB和第q级PHB所对应的时延估计值；

步骤4-5：判断n是否为1，若非1，则转到步骤4-6，否则转到步骤4-7；

步骤4-6：计算d＝|d_k-D_p|-|d_k-D_q|，若d＜0，则α＝p且D_α＝D_p，若d≥0，则α＝q且D_α＝D_q，更新d_α＝d_k-D_α，更新时延分配值d_k＝D_α，转到步骤4-3，

其中，α表示可选的PHB时延上限等级，D_α表示第α级PHB的时延估计值；

步骤4-7：更新时延分配值d_k＝D_p，得到传输路径上各链路的时延分配值为d_k，k∈K_L，至此，传输路径上各段链路的时延分配值计算过程结束，所有链路上的时延分配值的总和，满足

步骤5：资源管理器将业务带宽要求、路由信息及时延分配值封装到路由配置消息中发送到相关的核心路由器进行路由配置，并等待各核心路由器的路由配置结果。

步骤6：核心路由器从收到的路由配置消息中提取接入业务的带宽要求和所分配的时延上限值，结合本地可用资源状态所提供的相应链路端口上的各PHB的可用带宽和时延估计值等QoS指标值，动态选择PHB转发行为并进行路由配置。

其中，本地可用资源状态包括各个链路端口处各PHB对应的可用带宽和时延估计值。

参照图7，动态选择PHB转发行为并进行路由配置的具体步骤如下：

步骤6-1：根据时延分配值d_k，在所有PHB集合中，进行第一次匹配，得到时延估计值不大于时延分配值的可选PHB集合K₁：

$K_1=\left\{k_1\right|D_{k_1}\le d_j,k_1\in \{1,M\}\},$

其中，表示第k₁级PHB所对应的时延估计值；

步骤6-2：根据业务的带宽要求B，在可选PHB集合K₁中，进行第二次匹配，得到可用带宽不小于业务带宽要求的可选PHB集合K₂：

$K_2=\left\{k_2\right|k_2\in K_1,B_{k_2}\ge B\},$

其中，k₂∈K₁表示第k₂级PHB的可用带宽；

步骤6-3：在可选PHB集合K₂中，取时延估计值最大的PHB作为最佳PHB结果s：

$s=\{s\in K_2,D_s=\underset{k\in K_2}{\max }{D}_k\},$

其中，D_k表示K₂中第k级PHB对应的时延估计值，D_s表示最佳PHB第s级对应的时延估计值；

步骤6-4：如果未匹配到PHB，则选择默认PHB或者返回PHB选择失败。

步骤7：核心路由器将路由配置结果反馈给资源管理器，若路由配置成功，则将所选PHB对应的DSCP值封装到路由配置成功消息中反馈给资源管理器，若路由配置失败，则反馈路由配置失败消息。

步骤8：资源管理器接收到相应核心路由器的路由配置结果后，若所有路由配置结果都为路由配置成功消息，则提取路由配置成功消息中的DSCP并将各核心路由器对应的DSCP封装到资源分配成功消息中反馈给边界路由器，若存在一个路由配置失败消息，则将资源分配失败消息反馈给边界路由器。

步骤9：边界路由器若收到资源分配成功消息，则对该业务分组的头部扩展信息域填充传输路径上的各核心路由器对应的DSCP，若收到资源分配失败消息，则拒绝接入此业务。

步骤10：核心路由器根据分组头部的扩展信息域，将与自己对应的DSCP解析到相应的PHB转发行为进行分组转发。

利用上述方法完成的资源分配过程，不仅能够保证接入业务的端到端时延要求，且能够有效地均衡网络负载，减小了QoS保证的颗粒度，提高网络资源利用率，适用于分组交换网络和IP网络。

术语说明：

QoS：Quality of Service，服务质量

DSCP：DiffServ Code Point，区分服务码点

PHB：Per-hop Behavior，单跳行为。