专利名称：基于上下文感知的自治队列管理的方法
技术领域：
本发明涉及一种基于上下文感知的自治队列管理的方法，确切地说，涉及一种用 于保证网络服务质量 QoS (Qualit y of service)的区分服务 DiffServ (Differentiated Service)网络中的自治队列管理的方法；属于互联网的技术领域。
背景技术：
队列管理是在路由节点中支持拥塞控制和提高服务质量的一种有效方法，已经 成为互联网络技术研究的热点之一。1993年，Sally Floyd等人就提出的随机早期检测 RED (Random Early Detection)算法，同时也提出了网络研究的一个新方向主动队列管理 AQM (Active Queue Management)。由于 Internet 传输的突发性禾口采用丢尾 DT (Drop Tail) 的队列管理方法存在缺陷，因此，在1998年，IETF的RFC 2309建议在路由节点中采用AQM 方法，从而在国际上掀起了研究AQM方法的热潮。AQM方法的主要思想是在路由节点中的缓 冲区没有溢出之前，根据网络的拥塞状况，以设定的概率丢弃分组。目前，现有的大部分AQM算法都只考虑TCP流，导致在处理UDP的多媒体应用时， 就会产生不可预测的拥塞，很难为其提供服务质量保证。虽然这些随机丢失分组的队列管 理方法，在减少分组丢失方面能取得一定的效果。但是，对于像MPEG4格式的压缩视频流等 业务流，因其内部各个分组之间不是简单的平等关系，随机丢失分组就会造成部分传输成 功的数据也被损坏或不可读。以视频数据为例，视频分组在网络中的丢失数量与接收端的视频恢复质量之间不 是简单的线性关系，在接收端解码时，视频压缩数据流中的帧有着很重要的影响，即使只丢 失较少的帧的网络分组，也可能造成大量成功传输的数据实际上变为没有用的多余信息， 严重影响视频流的恢复质量。在网络环境不稳定的情况下，例如MANETs环境中，传输资源 受限，又处于动态变化中，视频流的传输所需要的带宽也较大，因此，在网络中传输时，丢失 分组就不可避免。传统的随机丢失分组的队列管理方法大都是不区分各分组的重要性差别。实际情 况是为了避免拥塞而任意丢弃分组，并不能很好地解决这个问题。目前，对各个分组区分其优先级而执行相应的队列管理方法的研究开展不是非常 普遍，在处理多媒体流的队列管理算法的研究上，已经研制成功采取区分分组优先级的算 法。例如，基于速率的RIO(Rb-RIO)队列管理算法中，将视频流的I帧、P帧和B帧各分组映 射到三个不同优先级，再根据各优先级的分组到达速率来决定相应优先级分组的丢包率。 基于分组优先级的队列管理与自适应丢包方法都是将分组根据多媒体流的应用类型分别 映射到不同的AF队列，每个队列内部再按照网络优先级分为不同的逻辑子队列。发生拥塞 时，首先丢弃网络优先级高的逻辑子队列中的分组。还有的队列管理方法是提出优先级丢 弃，也就是针对MPEG4的分层编码格式，使用多等级RED (称作REDN3)，将I帧、P帧和B帧 的各个分组分别映射到WRED算法的不同的丢弃优先级中。这些区分视频流分组重要性的 队列管理方法，都是根据视频编码中帧类型的不同，直接将视频分组按照帧类型映射到不同优先级。实际使用时，仍然发现存在许多缺陷。因此，如何感知业务流中非平等关系的各个分组的信息和网络信息，如何根据各 个分组的优先级和网络上下文等信息进行队列管理，从而减少和防止影响业务流质量的重 要分组的丢弃，尽量有效地丢弃优先级较高的分组，并充分利用网络资源，提高业务流的传 输质量以及网络的QoS，就成为当前业内急需尽快解决的科研热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于上下文感知的自治队列管理的方法，本 发明方法是在传输过程中，业务源端主机根据分组在影响整体业务流质量的重要性进行预 标记，路由节点通过对业务流上下文信息和网络上下文信息的感知，自适应地调整队列管 理行为，保证在相同的网络拥塞状态下，业务流中具有高优先级、较重要或对业务QoS贡献 大的分组具有更高的成功传输的概率，从而提高业务的服务质量。为了达到上述发明目的，本发明提供了一种基于上下文感知的自治队列管理的方 法，其特征在于业务的源端主机对业务流先按照应用层语义区分各个分组的优先级，并在 网络层封装分组时进行预标记；当业务流到达区分服务DiffServ网络入口时，由入口边缘 路由节点根据设定策略将每个分组的预标记的语义优先级映射为网络优先级；再由边缘路 由节点和核心路由节点分别执行自治队列管理，即通过执行队列管理的感知、分析、决策和 执行的自治控制循环的操作过程来实现下述功能根据网络优先级将每个分组对应地放置 到不同丢弃优先级的虚队列中，然后，根据队列的丢弃优先级和网络上下文信息对这些虚 队列进行自治管理，且采用替换丢弃模式丢弃分组，保证在相同的网络拥塞状态下，业务流 中有高优先级、较重要或对业务服务质量QoS贡献大的分组有更高的传输成功的概率。所述方法包括下列操作步骤(1)业务的源端主机采用跨层的设计方法，对需要传输的业务流分组进行预标记， 以便根据预标记的结果，能够标明和区分每个分组的语义优先级；(2)当业务流到达DiffServ网络边缘时，入口边缘路由节点根据语义优先级到 网络优先级映射关系，重置预标记的结果，即通过标记器执行相应的网络优先级的标记操 作；(3)DiffServ网络的入口边缘路由节点和核心路由节点分别根据入口边缘节点对 每个分组标记的网络优先级，将各分组放置到相应丢弃优先级的虚队列中；(4)路由节点依据分组优先级和网络上下文信息，对分组队列执行包括感知、分 析、决策和执行的自治控制循环的队列管理操作。所述步骤(1)进一步包括下列操作内容(11)业务的源端主机对需要传输的业务流的数据进行业务分析，区分该业务流中 包含的各个分组的重要性和类型，再充分考虑分组类型、重要性、对业务QoS的贡献和每个 分组之间的依赖性关系，将各分组划分为多个重要性顺序递减的语义优先级；(12)在网络层封装业务流的数据时，对业务流类型和分组的语义优先级进行预标 记操作采用IP分组包头中差分服务码点DSCP(Differentiated ServicesCode Point)字 段中预留给类别选择CS (Class Selector)的逐跳行为PHB(Per HopBehavior)的标记值标 识业务类别，即采用DSCP的前三位二进制序列标识业务类别；DSCP的后三位标识每个分组
6的语义优先级，即采用DSCP的后三位二进制序列、即语义优先级索引PI (Priority Index) 标识每个分组的语义优先级。所述预标记操作中标识的DSCP字段的后三位二进制序列代码，即语义优先级索 引PI的数值序号是与语义优先级的等级序号相一致的。所述步骤(2)中，DiffServ网络的入口边缘路由节点根据映射关系对业务的源端 主机为每个分组做的预标记值进行重置；所述映射关系中的语义优先级到网络优先级的映 射是一一对应的，或者是多个相邻级别的语义优先级对应于同一个网络优先级，要求每个 语义优先级必须映射到唯一的一个网络优先级；并且，随着语义优先级的级别递增，其所映 射到的网络优先级的级别、即网络优先级索引PI的数值是非递减的；路由节点是按照网络 优先级的等级数量为业务流所在队列设置虚队列的个数。所述虚队列是根据网络优先级的个数，将网络路由节点中存储各个分组的物理队列在逻辑上划分成为相应个数的、具有不同丢弃优先级的虚拟队列；每个分组的入队列是 指根据该分组网络优先级的索引PI所表示的该分组的网络优先级，由路由节点将其相应 地归分到对应的业务类型队列中同样级别的丢弃优先级的虚队列中。所述步骤(3)中，DiffServ网络入口边缘路由节点和核心路由节点接收到分组 后，根据DSCP中对应的网络优先级值索引PI将每个分组按照该分组的网络优先级对应地 归分到同样级别的丢弃优先级的虚队列中；遇到网络拥塞时，位于丢弃优先级越高的虚队 列的头部分组，被丢弃的概率越大。所述步骤(4)进一步包括下列操作内容(41)路由节点感知并采集上下文信息，所述上下文信息包括标记有网络优先级的 业务上下文信息和标识有分组队列长度的网络上下文信息；(42)路由节点分析所采集的上下文信息分析每个分组标记的网络优先级等级 和从分组队列长度判断的网络拥塞程度，再根据分析结果做出相应决策当虚队列的平均队列长度小于虚队列长度的低门限th_min时，即认为网络处于 轻负载，则不需丢弃任何分组，并设置此时的分组丢弃概率P = O ；该分组丢弃概率P的取 值范围是W，1]；或当虚队列的平均队列长度大于虚队列长度的高门限th_max或实际队列长度超过 队列最大容量值时，认为网络处于重负载或拥塞状态，设置此时的分组丢弃概率为P = 1， 需要直接丢弃当前到达的分组；或当虚队列的平均队列长度位于虚队列长度的低门限th_min与其高门限th_max之 间时，则先根据网络状况实时调整当前到达分组的丢弃概率P，以便由该丢弃概率P来决定 是否丢弃当前到达的分组，减少和防止重要分组的丢失；(43)根据决策过程所配置的参数，路由节点对当前到达的分组执行自治队列管理 操作，也就是执行下述相应的入队列和丢包的操作内容如果当前到达的分组的丢弃概率ρ = 0，则将该分组放到相应丢弃优先级队列的 队尾，执行入队列操作；或如果当前到达的分组的丢弃概率ρ = 1，则丢弃该分组，即执行丢包操作；或如果当前到达的分组的丢弃概率数值位于区间(0，1)之间时，则根据该丢弃概率 实时判断是否要丢弃该分组若判断结果是不丢弃，则执行入队列操作；若判断结果是丢弃该分组，则采用替换丢弃模式丢弃该分组；(44)路由节点将步骤(43)执行结束后的最后队列长度反馈给自身和邻近的路由 节点，以便继续执行感知、分析、决策和执行的自治控制的队列管理的循环操作。所述步骤(42)中，当虚队列的平均队列长度位于虚队列长度的低门限th_min与 其高门限thjiiax之间时，即执行下述决策步骤的操作先设置各个网络优先级的分组的最大丢包概率，使得随着网络优先级级别的增 加，分组的最大丢包概率的数值也随之递增，即遇到网络拥塞而需要丢弃分组时，网络优先 级越高的分组被丢弃的概率越大；根据当前到达分组的最大丢包概率和感知到的队列长度，计算该分组的丢弃概 率，该分组的最大丢包率越大或队列长度越长，该分组被丢弃的概率越大。所述步骤(43)中，采用替换丢弃模式丢弃该分组，是从当前物理队列中选择一个 位于最高丢弃优先级的虚队列的队首的分组执行丢弃操作，而使当前到达的、较重要的分 组入队列；该操作的具体内容是假定当前到达的分组的丢弃优先级为X，其对应丢弃优先 级的虚队列为Qx ；在丢弃优先级大于X的各个虚队列中，路由节点选择一个具有最高丢弃 优先级且非空的队列Qy，将位于该队列Qy的队头的分组作丢弃处理，而将该当前到达的分 组放到队列Qx的队尾，即执行入队列操作；若没有找到相应的队列Qy，则丢弃该当前到达 的分组。本发明是一种基于上下文感知的自治队列管理的方法，该方法引入自治属性，用 于区分各个分组的优先级，从而使得路由节点能够主动执行基于上下文感知的自治队列管 理的方法。在本发明中，路由节点能够根据上下文(包括业务流的信息上下文和网络状况 的信息上下文)自适应地调整队列管理行为，实现一定程度的自治，改善网络服务质量。这 里的上下文感知是指通过网络中对于涉及业务流的上下文信息和业务流内部信息的感知， 使得路由节点能根据感知到的上下文信息适应性地做出最优决策，进行队列管理的自调
iF. o与现有技术相比较，本发明方法它有三个优势首先是基于上下文感知，本发明的源端主机能够根据业务上下文信息将业务流内 的数据分组根据分组类型、分组相对位置和分组大小的相关信息划分语义优先级，充分考 虑每个分组在影响整体业务流质量方面的重要性，避免产生因各个分组之间的依赖性而导 致的连续丢弃分组的多米诺现象，并减少和防止丢弃较高优先级和较重要的分组。其次是本发明采用替换丢弃模式丢弃分组在确定要丢弃分组时，首先丢弃的是 网络优先级高的分组，从而减少丢失那些对服务质量贡献较大、较重要的分组，提高业务流 的传输质量。另一个优势是在执行队列管理的过程中添加了自治属性，简化网络管理和控制的 复杂性。本发明方法采用的自治属性包括自适应和自配置，通过感知、分析、决策和执行的 自治控制循环操作的方式来实现首先感知标记有网络优先级的业务上下文信息和标识有 分组队列长度的网络上下文信息，通过分析所采集的上下文信息，获知每个分组的网络优 先级等级和从分组队列长度判断的网络拥塞程度，作为决策的依据，对本发明中的相关参 数进行自配置和自调整；最后根据决策结果执行相应的操作。这种自治控制循环的执行过 程能够根据变化的网络环境来动态调整队列管理方法，优化网络整体性能，提高服务质量。
图1为本发明基于上下文感知的自治队列管理方法的操作步骤流程图。图2为使用本发明的一种网络系统的架构示意图。图3为本发明的分组队列的虚队列逻辑结构和当前到达的分组执行进入同样级 别的丢弃优先级的虚队列逻辑结构的入队列操作与丢包操作的示意图。图4为本发明的分组在其所在队列执行的入队列和丢包操作的示意图 。图5为本发明方法在路由节点中执行的队列管理自治控制循环过程示意图。图6为本发明实施例中的视频流在网络中的流程示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和以MPEG4格式编 码的视频流在网络传输的实施例对本发明作进一步的详细描述。本发明是一种基于上下文感知的自治队列管理的方法，该方法的实施例是业务的 源端主机、即流媒体服务器对视频流先按照应用层语义区分各个视频分组的优先级，并在 网络层封装分组时进行预标记；当视频流到达区分服务DiffServ网络入口时，由入口边缘 路由节点根据设定策略将每个视频分组的预标记的语义优先级映射为网络优先级；再由边 缘路由节点和核心路由节点分别执行自治队列管理，即通过执行队列管理的感知、分析、决 策和执行的自治控制循环的操作过程来实现下述功能根据网络优先级将每个视频分组对 应地放置到不同丢弃优先级的虚队列中，然后，根据队列的丢弃优先级和网络上下文信息 对这些虚队列进行自治管理，并且采用替换丢弃模式丢弃视频分组，保证在相同的网络拥 塞状态下，视频流中有较高重要性的视频分组有更高的传输成功的概率。参见图1、图2和图6，介绍本发明方法实施例的各个具体操作步骤步骤1、业务的源端主机(即流媒体服务器)针对视频编码产生的特征信息，采用 跨层的设计方法，对需要传输的MPEG4格式视频流分组进行预标记，以便根据预标记的结 果，能够标明和区分每个视频分组的语义优先级。在MPEG4格式编码的视频流中，每个图片组GOP (Group of Pictures)内的各帧因 编码方式不同而造成其对解码端图像恢复质量的影响也不同。MPEG4将视频序列编码成三 种类型的压缩帧，分别为I帧、P帧和B帧。I帧使用帧内编码，能够独立解码。P帧和B帧 都使用帧间编码方式，其解码要依赖其它的帧。在接收端，每个成功解码的帧都要求其所依 赖的所有帧都能够成功解码。I帧是GOP内所有帧在执行解码时的参考帧，I帧分组的丢失， 将对整个GOP产生影响，因此I帧重要级别最高。P帧采用前向预测编码，GOP内越早编码 的P帧，被依赖得越多，因此，GOP内靠前的P帧比靠后的P帧重要。B帧只影响本帧内容， 不会对其它帧造成影响。但是，B帧采用预测编码，该帧数据量的大小基本反映了它与前后 预测帧的近似程度。数据量小，说明该帧和预测帧比较相似；反之，则说明该帧和预测帧之 间差别较大。因此通常近似认为数据量大的B帧比数据量小的B帧的重要性更高。所以， 每个GOP内各帧重要性程度的由大到小排序为1帧，靠前的P帧，靠后的P帧，数据量大的 B帧和数据量小的B帧。该步骤1中的预标记处理进一步包括下列操作内容
(11)流媒体服务器根据视频分组的编码特征信息，即视频分组所包含帧类型的由 大到小的重要性程度，将视频分组划分为上述五个语义优先级。(12)在网络层封装视频流的数据时，对业务流类型和分组的语义优先级进行预标 记操作采用IP分组包头中DSCP字段中预留给类别选择CS的逐跳行为PHB标记值的前三 位二进制序列标识视频业务类型；DSCP的后三位二进制序列、即语义优先级索引PI标识每 个视频分组的语义优先级。I帧分组、靠前的P帧分组、靠后的P帧分组、数据量大的B帧分 组和数据量小的B帧分组的语义优先级索引PI分别为001、010、011、100、101，其视频分组 的重要性顺序递减。这里完成的预标记操作中标识的DSCP字段的后三位二进制序列代码， 即语义优先级索引PI的数值序号是与语义优先级的等级序号相一致的(参见下表所示的 分组优先级映射表)。 步骤2、当视频流到达DiffServ网络边缘时，入口边缘路由节点根据语义优先级 到网络优先级的对应映射关系，重置预标记的结果，即通过标记器执行相应的网络优先级 的标记操作；也就是重置DSCP字段的后三位二进制序列代码。本实施例中，DiffServ网络的入口边缘路由节点对多媒体服务器为每个视频分 组做的预标记值进行重置时，所依据的映射关系是采用语义优先级到网络优先级的一一对 应的关系，每个语义优先级映射到唯一的一个网络优先级，即网络优先级的二进制序列代 码与语义优先级的二进制序列代码相同(参见下面的分组语义优先级到网络优先级映射 表)。
诚然，映射关系中的语义优先级到网络优先级的映射也可以是多个相邻级别的语 义优先级对应于同一个网络优先级，但是，必须要求每个语义优先级要映射到唯一的一个 网络优先级；并且，随着语义优先级的级别递增，其所映射到的网络优先级的级别、即网络 优先级索引PI的数值是非递减的。
路由节点按照网络优先级的等级数量为视频流所在队列设置虚队列的个数，该实 施例中是设置5个虚队列。该虚队列是根据网络优先级的个数，将网络路由节点中存储各 个分组的物理队列在逻辑上划分成为相应个数的、具有不同丢弃优先级的虚拟队列。遇到 网络拥塞时，位于丢弃优先级越高的虚队列的头部分组，被丢弃的概率越大。步骤3、DiffServ网络入口边缘路由节点和核心路由节点接收到视频分组后，根 据DSCP中对应的网络优先级值索引PI将每个视频分组按照该分组的网络优先级对应地归 入到同样级别的丢弃优先级的虚队列中(参见图3)。每个分组在队列的逻辑结构上的入队 列是指根据该分组网络优先级的索引PI所表示的该分组的网络优先级，由路由节点将其 相应地归入到对应的业务类型队列中同样级别的丢弃优先级的虚队列中。对应的，在物理 队列中的入队列操作如图4所示，即将当前到达的分组放入到视频流所在队列的队尾。例如，DSCP后三位二进制序列为OlO的分组，其网络优先级索引PI = 2，则将该视 频分组对应地归入到丢弃优先级为2的虚队列中。步骤4、路由节点依据视频分组优先级和网络上下文信息，对视频分组队列执行包 括感知、分析、决策和执行的自治控制循环的队列管理操作。参见图6，介绍该步骤4进一步包括的下列具体操作内容(41)路由节点感知并采集上下文信息，该上下文信息包括标记有网络优先级的业 务上下文信息和标识有视频分组队列长度的网络上下文信息。(42)路由节点分析所采集的上下文信息分析每个视频分组标记的网络优先级 等级和从视频分组队列长度判断的网络拥塞程度，再根据分析结果做出相应决策Α、当虚队列的平均队列长度小于虚队列长度的低门限th_min时，即认为网络处 于轻负载，则不需丢弃任何分组，并设置此时的分组丢弃概率P = O ；该分组丢弃概率P的 取值范围是W，l]。或B、当虚队列的平均队列长度大于虚队列长度的高门限th_max或实际队列长度超 过队列最大容量值时，认为网络处于重负载或拥塞状态，设置此时的分组丢弃概率为P = 1，需要直接丢弃当前到达的分组。或C、当虚队列的平均队列长度位于虚队列长度的低门限th_min与其高门限th_max 之间时，则先根据网络状况实时调整当前到达分组的丢弃概率P，以便由该丢弃概率P来决 定是否丢弃当前到达的分组，减少和防止重要分组的丢失。在实施例中，当虚队列的平均队列长度位于虚队列长度的低门限th_min与其高 门限thjiiax之间时，即执行下述决策步骤的具体操作先分别为I帧、靠前的P帧、靠后的P帧、数据量大的B帧和数据量小的B帧的五个视频分组设置各自的最大丢包率为maxp_l、maxp_2、maxp_3、maxp_4和maxp_5，其取值范 围都是W，l]，且五个数值依次增大；当遇到网络拥塞而需要丢弃分组时，网络优先级越高 的分组被丢弃的概率越大；再根据当前到达的视频分组的最大丢包概率和感知到的视频分组的队列长度，采
^qa-th min
用下述公式计算该当前到达的视频分组的丢弃概率P = —xx^^^——=——
tn — max- tn — min
式中，qa是视频分组的队列长度，maxp_x为当前到达的视频分组的网络优先级数值；该视 频分组的最大丢包率越大或视频分组的队列长度越长，该视频分组被丢弃的概率越大。(43)根据决策过程所配置的参数，路由节点对当前到达的视频分组执行自治队列 管理操作，也就是执行下述相应的入队列和丢包的操作内容如果当前到达的视频分组的丢弃概率p = 0，则将该视频分组放到相应丢弃优先 级队列的队尾，执行入队列操作；或如果当前到达的视频分组的丢弃概率p = 1，则丢弃该视频分组，即执行丢包操 作；或如果当前到达的视频分组的丢弃概率数值位于区间(0，1)之间时，则根据该丢弃 概率实时判断是否要丢弃该视频分组若判断结果是不丢弃，则执行入队列操作；若判断 结果是丢弃该视频分组，则用替换丢弃模式丢弃该视频分组。本发明在该步骤(43)中采用的替换丢弃模式丢弃分组，是从当前物理队列中选 择一个位于最高丢弃优先级的虚队列的队首的视频分组执行丢弃操作，而使当前到达的、 较重要的视频分组入队列。该操作的具体内容是假定当前到达的视频分组的丢弃优先级为3，其对应丢弃 优先级的虚队列为Q3 ；在丢弃优先级大于3的各个虚队列中，路由节点选择一个具有最高 丢弃优先级且非空的队列(例如Q4)，将位于该队列Q4的队头的视频分组作丢弃处理，而将 该当前到达的视频分组放到队列Q3的队尾，即执行入队列操作；若没有找到相应的队列， 则丢弃该当前到达的视频分组。(44)路由节点将步骤(43)执行结束后的最后队列长度反馈给自身和邻近的路由 节点，以便继续执行感知、分析、决策和执行的自治控制的队列管理的循环操作。本发明的实施例实验是成功的，实现了发明目的。
权利要求
一种基于上下文感知的自治队列管理的方法，其特征在于业务的源端主机对业务流先按照应用层语义区分各个分组的优先级，并在网络层封装分组时进行预标记；当业务流到达区分服务DiffServ网络入口时，由入口边缘路由节点根据设定策略将每个分组的预标记的语义优先级映射为网络优先级；再由边缘路由节点和核心路由节点分别执行自治队列管理，即通过执行队列管理的感知、分析、决策和执行的自治控制循环的操作过程来实现下述功能根据网络优先级将每个分组对应地放置到不同丢弃优先级的虚队列中，然后，根据队列的丢弃优先级和网络上下文信息对这些虚队列进行自治管理，且采用替换丢弃模式丢弃分组，保证在相同的网络拥塞状态下，业务流中有高优先级、较重要或对业务服务质量QoS贡献大的分组有更高的传输成功的概率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括下列操作步骤(1)业务的源端主机采用跨层的设计方法，对需要传输的业务流分组进行预标记，以便 根据预标记的结果，能够标明和区分每个分组的语义优先级；(2)当业务流到达DiffServ网络边缘时，入口边缘路由节点根据语义优先级到网络优 先级映射关系，重置预标记的结果，即通过标记器执行相应的网络优先级的标记操作；(3)DiffServ网络的入口边缘路由节点和核心路由节点分别根据入口边缘节点对每个 分组标记的网络优先级，将各分组放置到相应丢弃优先级的虚队列中；(4)路由节点依据分组优先级和网络上下文信息，对分组队列执行包括感知、分析、决 策和执行的自治控制循环的队列管理操作。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤(1)进一步包括下列操作内容(11)业务的源端主机对需要传输的业务流的数据进行业务分析，区分该业务流中包含 的各个分组的重要性和类型，再充分考虑分组类型、重要性、对业务QoS的贡献和每个分组 之间的依赖性关系，将各分组划分为多个重要性顺序递减的语义优先级；(12)在网络层封装业务流的数据时，对业务流类型和分组的语义优先级进行预标记操 作采用IP分组包头中差分服务码点DSCP字段中预留给类别选择CS的逐跳行为PHB的标 记值标识业务类别，即采用DSCP的前三位二进制序列标识业务类别；DSCP的后三位标识每 个分组的语义优先级，即采用DSCP的后三位二进制序列、即语义优先级索引PI标识每个分 组的语义优先级。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述预标记操作中标识的DSCP字段的后 三位二进制序列代码，即语义优先级索引PI的数值序号是与语义优先级的等级序号相一 致的。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤(2)中，DiffServ网络的入口 边缘路由节点根据映射关系对业务的源端主机为每个分组做的预标记值进行重置；所述映 射关系中的语义优先级到网络优先级的映射是一一对应的，或者是多个相邻级别的语义优 先级对应于同一个网络优先级，要求每个语义优先级必须映射到唯一的一个网络优先级； 并且，随着语义优先级的级别递增，其所映射到的网络优先级的级别、即网络优先级索引PI 的数值是非递减的；路由节点是按照网络优先级的等级数量为业务流所在队列设置虚队列 的个数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述虚队列是根据网络优先级的个数，将 网络路由节点中存储各个分组的物理队列在逻辑上划分成为相应个数的、具有不同丢弃优先级的虚拟队列；每个分组的入队列是指根据该分组网络优先级的索引PI所表示的该分 组的网络优先级，由路由节点将其相应地归分到对应的业务类型队列中同样级别的丢弃优 先级的虚队列中。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤(3)中，DiffServ网络入口边缘 路由节点和核心路由节点接收到分组后，根据DSCP中对应的网络优先级值索引PI将每个 分组按照该分组的网络优先级对应地归分到同样级别的丢弃优先级的虚队列中；遇到网络 拥塞时，位于丢弃优先级越高的虚队列的头部分组，被丢弃的概率越大。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述步骤(4)进一步包括下列操作内容(41)路由节点感知并采集上下文信息，所述上下文信息包括标记有网络优先级的业务 上下文信息和标识有分组队列长度的网络上下文信息；(42)路由节点分析所采集的上下文信息分析每个分组标记的网络优先级等级和从 分组队列长度判断的网络拥塞程度，再根据分析结果做出相应决策当虚队列的平均队列长度小于虚队列长度的低门限th_min时，即认为网络处于轻负 载，则不需丢弃任何分组，并设置此时的分组丢弃概率P = 0 ；该分组丢弃概率p的取值范 围是W，l]；或当虚队列的平均队列长度大于虚队列长度的高门限th_max或实际队列长度超过队列 最大容量值时，认为网络处于重负载或拥塞状态，设置此时的分组丢弃概率为P = 1，需要 直接丢弃当前到达的分组；或当虚队列的平均队列长度位于虚队列长度的低门限th_min与其高门限thjiiax之间 时，则先根据网络状况实时调整当前到达分组的丢弃概率P，以便由该丢弃概率P来决定是 否丢弃当前到达的分组，减少和防止重要分组的丢失；(43)根据决策过程所配置的参数，路由节点对当前到达的分组执行自治队列管理操 作，也就是执行下述相应的入队列和丢包的操作内容如果当前到达的分组的丢弃概率P = 0，则将该分组放到相应丢弃优先级队列的队尾， 执行入队列操作；或如果当前到达的分组的丢弃概率P = 1，则丢弃该分组，即执行丢包操作；或如果当前到达的分组的丢弃概率数值位于区间(0，1)之间时，则根据该丢弃概率实时 判断是否要丢弃该分组若判断结果是不丢弃，则执行入队列操作；若判断结果是丢弃该 分组，则采用替换丢弃模式丢弃该分组；(44)路由节点将步骤(43)执行结束后的最后队列长度反馈给自身和邻近的路由节 点，以便继续执行感知、分析、决策和执行的自治控制的队列管理的循环操作。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述步骤(42)中，当虚队列的平均队列 长度位于虚队列长度的低门限th_min与其高门限thjiiax之间时，即执行下述决策步骤的 操作先设置各个网络优先级的分组的最大丢包概率，使得随着网络优先级级别的增加，分 组的最大丢包概率的数值也随之递增，即遇到网络拥塞而需要丢弃分组时，网络优先级越 高的分组被丢弃的概率越大；根据当前到达分组的最大丢包概率和感知到的队列长度，计算该分组的丢弃概率，该 分组的最大丢包率越大或队列长度越长，该分组被丢弃的概率越大。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述步骤(43)中，采用替换丢弃模式丢 弃该分组，是从当前物理队列中选择一个位于最高丢弃优先级的虚队列的队首的分组执行 丢弃操作，而使当前到达的、较重要的分组入队列；该操作的具体内容是假定当前到达的 分组的丢弃优先级为X，其对应丢弃优先级的虚队列为Qx ；在丢弃优先级大于X的各个虚队 列中，路由节点选择一个具有最高丢弃优先级且非空的队列Qy，将位于该队列Qy的队头的 分组作丢弃处理，而将该当前到达的分组放到队列Qx的队尾，即执行入队列操作；若没有 找到相应的队列Qy，则丢弃该当前到达的分组。
全文摘要
一种基于上下文感知的自治队列管理的方法，是业务源端主机对业务流先按照应用层语义区分各分组的优先级，并在网络层封装分组时进行预标记；当业务流到达DiffServ网络入口时，由入口边缘路由节点根据设定策略将每个分组的预标记的语义优先级映射为网络优先级；再由边缘路由节点和核心路由节点分别执行包括感知、分析、决策和执行的自治控制循环的自治队列管理操作来实现下述功能根据网络优先级将每个分组对应放置到不同丢弃优先级的虚队列中，再根据队列的丢弃优先级和网络上下文信息对这些虚队列进行自治管理，采用替换丢弃模式丢弃分组，保证在相同的网络拥塞状态下，业务流中有重要性较高、对业务QoS贡献大的分组传输成功的概率更高。
文档编号H04L12/56GK101860475SQ20101014051
公开日2010年10月13日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者张海燕, 李岩, 王文东, 阙喜戎, 龚向阳 申请人:北京邮电大学