分組和電路混合交換系統中的流量需求估計方法
【專利摘要】本發明提供一種分組和電路混合交換系統中的流量需求估計方法，包括過程：信息采樣過程通過周期性地去讀取虛擬輸出隊列的長度并記錄；信息提取和估計過程對虛擬輸出隊列的增長值進行提取并對該隊列的流速進行估計的過程；流量需求估計過程通過之前采樣、提取、估計的結果，對總的流量需求進行估計，并提取出總流量需求估計值中的穩定部分用于電路分配。本發明同時考慮影響混合交換系統性能的緩存和流速，具有廣泛的適用性。本發明把整個調度的結果——資源分配信息反饋回來參與流量需求估計，形成反饋系統，結果更準確。同時，本發明利用已有的分組和電路混合交換系統中的信息進行流量需求估計，不需要硬件層面提供額外的支持，因此易于實現。
【專利說明】分組和電路混合交換系統中的流量需求估計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及通信【技術領域】的方法，尤其是在交換機系統中，具體涉及一種分組和電路混合交換系統中的流量需求估計方法。
【背景技術】
[0002]在通信【技術領域】，相比于純分組交換系統或者純線路交換系統，分組和電路混合交換系統有著很多優勢，如可以進行統計復用提高線路利用率，同時提供面向連接的服務來保證服務質量(QoS)，從而有更小的時延、更高的吞吐量、更低的線路阻塞率、更好的QoS保證，因此得到了迅速的普及。隨著網絡技術愈發智能化及高速化，高速混合交換系統中分組交換和電路交換的智能切換成為了技術演進的關鍵技術之一，而更智能的切換依賴于更高效的流量需求估計方法。
[0003]流量需求估計作為混合交換系統的重要基礎直接決定系統性能的優劣，尤其是在高速的混合交換系統中。在高速混合交換系統中，由于數據的到達間隔極短,并發數據流數目巨大，進行準確的流量需求估計，其代價極高，特別是在數據中心網絡中，對數以萬計的數據流進行準確的流量需求估計，其網絡成本、系統開銷、能耗都是異常巨大的。在這種情況下，提出一種能高效地應用于高速分組和電路混合交換系統，同時能應對各種網絡流量特征的流量需求估計方法十分必要，也是十分有意義的。
[0004]經對現有文獻檢索發現，G.Wang, D.G.Andersen 等人在《ACM SIGCOMM ComputerCommunication Review-SIGCOMM' 10 (美國計算機協會ACM數據通信專業組計算機通信回顧_數據通信專業組10)》第40卷第4期327-338頁上發表了題為“c_Through:part-timeoptics in data centers”的文章,文章中提出了基于緩存占用的流量需求估計方法,通過檢測當前高速混合交換系統中各虛擬輸出隊列(VOQ)的緩存占用情況來作為流量需求估計的因子，該方法的優點是簡單、易于實施，但當流量非常穩定的時候，緩存占用會趨于零，該方法會失效。
[0005]又經文獻檢索發現，N.Farrington, G.Porter 等人在《ACM SIGCOMM ComputerCommunication Review-SIGCOMM' 10 (美國計算機協會ACM數據通信專業組計算機通信回顧-數據通信專業組10)》第40卷第4期339-350頁上發表了題為“Helios:a hybridelectrical/optical switch architecture for modular data centers，，的文章，文章中提出了基于流速的流量需求估計方法，通過實時監測當前高速混合交換系統中各VOQ的流速情況來作為流量需求估計的因子，該方法的優點是能較準確地反應當前的流量需求，但其缺點也非常明顯，流速信息并不能反應突發性流量的流量需求，因此，在流量非常不穩定的情況下，會造成緩存的占用率的增長，從而帶來一定程度的丟包率和時延上升。同時，高速交換系統中流速的準確檢測也會帶來非常大的系統開銷。
【發明內容】
[0006]本發明針對現有技術存在的上述缺點和不足，提出一種分組和電路混合交換系統中的流量需求估計方法，使得本發明具有簡單、易于實施、不增加額外系統開銷、估計結果準確，并廣泛適用于各種流量環境。本發明中，緩存占用和流速信息同時參與到整個流量需求估計的過程中；調度的結果一資源分配信息反饋回來參與流量需求估計的過程，即調度的過程和流量需求估計的過程形成閉合反饋系統。
[0007]本發明是通過如下技術方案實現，本發明是通過對傳統混合交換系統中已有的VOQ緩存隊列的長度信息和該VOQ的資源分配信息進行信息采樣、信息提取和估計、流量需求估計的過程來實現的。其中，VOQ隊列長度信息指的是輸入輸出端口對之間因為某種原因緩存在輸入端口的分組數目；V0Q資源分配信息指的是系統分配給該隊列用于交換的資源數目(如時隙數、波長數)，包括分組交換部分和電路交換部分；信息采樣是指對該隊列的信息進行周期性地獲取和存儲的過程；信息提取和估計包括提取VOQ隊列增長值、估計VOQ流速信息兩部分，其中，VOQ隊列增長值的提取通過VOQ隊列長度采樣值得到，VOQ流速信息估計是通過已有的資源分配信息和已處理的隊列增長值去估計VOQ的流速信息；流量需求估計是通過前面采樣、提取、估計到的所有信息進行總的流量需求的估計操作，并處理得到流量需求的穩定部分用于電路分配。
[0008]根據本發明提供的分組和電路混合交換系統中的流量需求估計方法，包括如下過程:
[0009]信息采樣過程:周期性地讀取虛擬輸出隊列的長度并記錄；
[0010]信息提取和估計過程:根據虛擬輸出隊列的長度，對虛擬輸出隊列的增長值進行提取并對該虛擬輸出隊列的流速進行估計，得到估計結果；
[0011]流量需求估計過程:根據信息提取和估計過程中得到的估計結果，對總的流量需求進行估計，并提取出總流量需求估計值中的穩定部分用于電路分配的過程。
[0012]優選地，具體包括如下步驟:
[0013]步驟1、周期性采樣虛擬輸出隊列長度，其中，交換系統的控制層面通過周期性地從硬件層讀取虛擬輸出隊列長度信息來進行采樣；
[0014]步驟2、提取虛擬輸出隊列的增長值，其中，每當在步驟I中完成對虛擬輸出隊列長度的采樣，通過與前一采樣值做差分運算，該值為正時，是正增長，相反，為負增長，從而計算得到該虛擬輸出隊列增長值，控制層對該增長值進行記錄存儲；
[0015]步驟3、對虛擬輸出隊列的流速進行估計，其中，通過對交換系統的控制層面分配給該虛擬輸出隊列的交換資源數量(如時隙數，波長數)和步驟2中得到的虛擬輸出隊列增長值進行相加，相加之和再與采樣間隔相除，得到對該虛擬輸出隊列的流速估計值；
[0016]步驟4、由流速估計值和虛擬輸出隊列長度估計流量需求，其中，整個流量需求分為兩部分，部分A是來自于新到達的分組包，部分B來自于已緩存的分組包，新到達的分組包的流量需求體現在流速上，該部分A的需求直接使用由步驟3得到的流速估計值作為部分A的需求估計值；而已緩存的分組包的流量需求體現在隊列長度上，該部分B的需求與步驟I中采樣得到的虛擬輸出隊列長度成正比，即將乘以比例系數c的虛擬輸出隊列長度作為部分B的需求估計值；整體流量需求估計值由部分A和部分B的需求估計值的加權相加得到；
[0017]步驟5、計算用于分配電路的流量需求，其中，對步驟4中計算得到的整體流量需求估計值進行短期的記錄，并做提取穩定分量的操作(如平均、濾波)；得到的整體流量估計值直接參與電路分配。
[0018]優選地，根據虛擬輸出隊列長度的采樣值和該虛擬輸出隊列的資源分配信息得到該虛擬輸出隊列的流速估計值。
[0019]優選地，比例系數c取值為R/BQ，其中R為線速率(line rate)，Bq為該虛擬輸出隊列能達到的最大隊列長度。
[0020]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0021]I)通過對緩存隊列長度信息采集完成整個估計過程，不需要硬件層提供流速實時檢測的支持，可以在現有的混合交換系統上升級實現，從而降低成本。
[0022]2)資源分配信息作為整個調度的結果，反饋回來參與流量需求估計，是一個反饋迭代的過程，結果更準確。
[0023]3)通過同時考慮緩存占用和流速估計值，同時捕捉突發流量和穩定流量帶來的系統不穩定性因素，適用的流量環境更廣，提高了系統的穩定性和適用性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯:
[0025]圖1為本發明實施例中混合交換系統進行流量需求估計的流程圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
[0027]本發明的關鍵在于對VOQ隊列長度進行采集，并結合資源分配信息來完成對流速的估計，最后將由已緩存的分組包產生的流量需求和由新到達分組包產生的流量需求進行整合得到總的流量需求，并提取出其中的穩定部分用于電路分配。因為流量需求與資源調度結合比較緊密，所以在本實施例中將二者結合展開。結合圖1，具體實現方法如下:
[0028]步驟SlOl:從硬件層讀取虛擬輸出隊列長度信息，并記錄。
[0029]混合交換系統的控制層面通過讀取輸入端口緩存信息得到該輸入端口的各VOQ的隊列長度，并記錄存儲在控制層的寄存器中。
[0030]步驟S102:根據隊列長度信息提取隊列增長值，并結合該隊列的資源分配信息，估計該隊列的流速。
[0031]讀取上一時刻VOQ隊列長度寄存器的中的值，并與當前時刻的VOQ隊列長度做差分操作，得到VOQ隊列增長值，與當前時刻控制層面分配給該VOQ的交換資源數量值進行相力口，并與采樣間隔相除，得到該VOQ的流速估計值，并存儲在寄存器中。
[0032]其中，隊列增長值和資源分配值須在單位上統一。即，隊列增長值描述的是采樣間隔內隊列長度增長的分組包數量；資源分配值描述的是在采樣間隔內分配給該VOQ用于交換的資源數量，其數值轉換為該資源用來完成交換的分組包數量。
[0033]步驟S103:根據流速估計值和隊列長度，估計總的流量需求。[0034]整個流量需求分為兩部分，部分A是來自于新到達的分組包，部分B來自于已緩存的分組包，新到達的分組包的流量需求從流速直接可以反映，因此，這部分需求在數值上等同于流速估計值。緩存的分組包的流量需求與VOQ的隊列長度成正相關性，在該實施例中比例系數c取值為R/BQ，其中R為線速率(line rate),Bq為該VOQ能達到的最大隊列長度，從而可以得到緩存分組包的流量需求值。最后，將部分A、B對應的需求估計值進行加權相力口，可以得到總的流量需求估計值。其中，本實施例中兩部分的權重因子均取1，該值與系統有關，如果系統緩存很小、線速率很大，則緩存部分的權重因子應該盡量小，線速率部分的權重因子應該盡量大。反之，則做相反操作。
[0035]步驟S104:提取總流量需求的穩定部分，用作電路分配的依據。
[0036]該實施例中，對估計出來的流量需求值進行短期的記錄，然后取其平均，得到VOQ流量需求的穩定部分，并用以作為電路分配的依據。
[0037]步驟S105:根據系統可提供的交換資源數和已估計出的流量需求，進行分組/電路調度前的調整。
[0038]由于在步驟S103中取權重因子為1，因此，總的流量需求估計值在負載比較大的時候會超過交換節點所能提供的帶寬。該實施例中，依次對輸入端口的流量需求和輸出端口的流量需求做百分比調整，最后以調整后的流量需求值作為電路分配的依據，對混合交換系統的電路進行分配。除去電路分配后的交換資源，用于進行分組交換。
[0039]本實施例使得混合交換系統對交換資源的分配更加合理和高效，不需要額外的硬件層支持，因此系統開銷小，易于實現。同時，由于同時對影響混合交換系統性能的參量進行考慮，使得該方法具有廣泛的適用性，能夠應對極端的流量環境。
[0040]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種分組和電路混合交換系統中的流量需求估計方法，其特征在于，包括如下過程: 信息采樣過程:周期性地讀取虛擬輸出隊列的長度并記錄； 信息提取和估計過程:根據虛擬輸出隊列的長度，對虛擬輸出隊列的增長值進行提取并對該虛擬輸出隊列的流速進行估計，得到估計結果； 流量需求估計過程:根據信息提取和估計過程中得到的估計結果，對總的流量需求進行估計，并提取出總流量需求估計值中的穩定部分用于電路分配的過程。
2.根據權利要求1所述的分組和電路混合交換系統中的流量需求估計方法，其特征在于，具體包括如下步驟: 步驟1、周期性采樣虛擬輸出隊列長度，其中，交換系統的控制層面通過周期性地從硬件層讀取虛擬輸出隊列長度信息來進行采樣； 步驟2、提取虛擬輸出隊列的增長值，其中，每當在步驟I中完成對虛擬輸出隊列長度的采樣，通過與前一采樣值做差分運算，從而計算得到該虛擬輸出隊列增長值，控制層對該增長值進行記錄存儲； 步驟3、對虛擬輸出隊列的流速進行估計，其中，通過對交換系統的控制層面分配給該虛擬輸出隊列的交換資源數量和步驟2中得到的虛擬輸出隊列增長值進行相加，相加之和再與采樣間隔相除，得到對該虛擬輸出隊列的流速估計值； 步驟4、由流速估計值和虛擬輸出隊列長度估計流量需求，其中，整個流量需求分為兩部分，部分A是來自于新到達的分組包，部分B來自于已緩存的分組包，新到達的分組包的流量需求體現在流速上，該部分A的需求直接使用由步驟3得到的流速估計值作為部分A的需求估計值；而已緩存的分組包的流量需求體現在隊列長度上，該部分B的需求與步驟I中采樣得到的虛擬輸出隊列長度成正比，即將乘以比例系數c的虛擬輸出隊列長度作為部分B的需求估計值；整體流量需求估計值由部分A和部分B的需求估計值的加權相加得到； 步驟5、計算用于分配電路的流量需求，其中，對步驟4中計算得到的整體流量需求估計值進行短期的記錄，并做提取穩定分量的操作；得到的整體流量估計值直接參與電路分配。
3.根據權利要求2所述的分組和電路混合交換系統中的流量需求估計方法，其特征在于，根據虛擬輸出隊列長度的采樣值和該虛擬輸出隊列的資源分配信息得到該虛擬輸出隊列的流速估計值。
4.根據權利要求2所述的分組和電路混合交換系統中的流量需求估計方法，其特征在于，比例系數c取值為R/BQ，其中R為線速率(line rate), Bq為該虛擬輸出隊列能達到的最大隊列長度。
【文檔編號】H04L12/26GK103546337SQ201310445946
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年9月25日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】李平青, 孫衛強, 肖石林, 胡衛生 申請人:上海交通大學