基于网络测量的拥塞控制方法及系统

1.本发明涉及网络通信技术领域，特别涉及一种基于网络测量的拥塞控制方法及系统。


背景技术：

2.随着互联网规模的不断扩大和网络技术的飞速发展，网络用户对网络传输性能和稳定性提出了更高要求。tcp/ip协议簇承载了当前互联网中绝大多数的数据传输任务，为端到端可靠通信提供了有力保障。为解决海量数据传输过程中的网络拥塞问题，tcp协议中集成了一系列的拥塞控制机制(如慢启动、快恢复等)来动态调整数据发送速率。但现有的拥塞控制机制对发送端数据传输速率的调整过于粗粒度，导致网络性能出现周期性波动，降低数据传输效率，严重影响网络服务质量(qos)和用户体验质量(qoe)。


技术实现要素：

3.为此，本发明提供一种基于网络测量的拥塞控制方法及系统，解决现有网络拥塞控制影响网络性能的情形，通过网络测量和不同优先级转发队列映射来实现不同等级流量的按序转发，有效提升网络性能。
4.按照本发明所提供的设计方案，提供一种基于网络测量的拥塞控制方法，包含：
5.在数据平面对网络数据流进行测量并记录数据流相关特征，所述数据流相关特征包括数据流已发送流量大小和排队时延；
6.依据网络数据流测量中记录的数据流相关特征获取各数据流转发等级，依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列，并通过修正转发队列边界来处理数据流映射的转发队列优先级冲突问题，以实现不同等级的数据流依据转发队列的优先级由高到低按序转发。
7.作为本发明基于网络测量的拥塞控制方法，进一步地，在数据平面对网络数据流进行测量并记录数据流相关特征，包含：依据网络数据流量大小选取网络数据流中top-k数据流，并在测量接入节点分配k个寄存器，以利用该k个寄存器记录top-k数据流相关特征。
8.作为本发明基于网络测量的拥塞控制方法，进一步地，依据网络数据流测量中记录的数据流相关特征获取各数据流转发等级，包含：预先设置每个数据流相关特征的权重，将数据流相关特征按权重加权求和来获取对应数据流的转发等级。
9.作为本发明基于网络测量的拥塞控制方法，进一步地，依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列，包含：
10.首先，提取数据流报文中数据流转发等级；
11.然后，依据优先级自下而上扫描转发队列，若扫描过程中出现当前转发队列的队列边界不大于提取的数据流转发等级，则将对应的数据流分配至当前转发队列。
12.作为本发明基于网络测量的拥塞控制方法，进一步地，通过修正转发队列边界来处理数据流映射的转发队列优先级冲突问题，包含：若依据数据流转发等级将各数据流映
射到相应优先级转发队列时始终持续存在数据流转发等级始终大于转发队列边界，则判定存在转发队列优先级冲突问题，并调整队列边界值，以使各数据流按转发队列优先级次序进行转发。
13.作为本发明基于网络测量的拥塞控制方法，进一步地，修正转发队列边界，包含：在转发队列优先级自下而上的比对过程中，当数据流等级大于转发队列的队列边界，则将转发队列的队列边界更新为该数据流等级，当数据流等级小于所有转发队列的队列边界时，则依据预设数值下调所有转发队列的队列边界。
14.作为本发明基于网络测量的拥塞控制方法，进一步地，修正转发队列边界，还包含：依据网络设备存储和计算资源来判断是否符合精细化修正条件，若符合，则观测过去时间段内各数据流等级分布，利用过去时间段内的各数据流等级分布来修正转发队列边界，其中，过去时间段内为往前推预设时间量的时间段。
15.进一步地，本发明还提供一种基于网络测量的拥塞控制系统，包含：流量测量模块和流量转发模块，其中，
16.流量测量模块，用于在数据平面对网络数据流进行测量并记录数据流相关特征，所述数据流相关特征包括数据流已发送流量大小和排队时延；
17.流量转发模块，用于依据网络数据流测量中记录的数据流相关特征获取各数据流转发等级，依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列，并通过修正转发队列边界来处理数据流映射的转发队列优先级冲突问题，以实现不同等级的数据流依据转发队列的优先级由高到低按序转发。
18.本发明的有益效果：
19.本发明依托数据平面设备对网络中各条流量进行测量，记录各条流已发送流量大小、排队时延等信息；依据数据平面遥测信息计算各条流的转发等级，并映射到不同优先级的相应转发队列上，且针对转发队列映射过程中存在优先级冲突的情况，对各转发队列等级边界进行修正，能够使不同等级流量按序转发，提升网络性能，以保障网络服务质量和用户体验质量。
附图说明：
20.图1为实施例中基于网络测量的拥塞控制流程示意；
21.图2为实施例中数据平面流量遥测过程示意；
22.图3为实施例中队列映射及边界修正过程示意。
具体实施方式：
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
24.针对传统拥塞控制机制对发送端传输速率的调整过于粗粒度，导致数据传输效率低、用户体验差的问题，本发明实施例，提供一种基于网络测量的拥塞控制方法，具体包含：
25.s101、在数据平面对网络数据流进行测量并记录数据流相关特征，所述数据流相关特征包括数据流已发送流量大小和排队时延。
26.s102、依据网络数据流测量中记录的数据流相关特征获取各数据流转发等级，依
据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列，并通过修正转发队列边界来处理数据流映射的转发队列优先级冲突问题，以实现不同等级的数据流依据转发队列的优先级由高到低按序转发。
27.参见图1所示，依托数据平面设备对网络中各条流量进行测量，记录各条流已发送流量大小、排队时延等信息。然后依据数据平面遥测信息计算各条流的转发等级，并映射到不同优先级的相应转发队列上，若转发队列映射过程中存在优先级冲突，则对各转发队列等级边界进行修正，以实现不同等级流量能够按序转发。
28.为丰富网络拥塞控制算法的先验知识，提升拥塞控制机制的效能和时效性，参见图2所示，本案实施例中，在数据平面对各条流量进行测量。网络接入节点依据报文的五元组信息或者业务类型来区分各条流量，然后将所记录的各条流已发送流量大小、前一组报文排队时延等信息压入报文头部，完成封装后交付下游节点处理。相关数据可由转发设备中的寄存器结合报文处理逻辑实现测量和记录。
29.数据平面流量测量过程：流级别的测量。top-k在应用中能够保存数据的最大或者最小的k位数。由于网络拥塞主要受大流影响，因此，本案实施例中数据平面测量可重点关注流量较大的top-k流量。测量前，接入节点为测量任务分配k个寄存器用于记录top-k流量信息。测量信息包括各条流已发送的流量大小、前一组报文排队时延等。这些信息可以在计算资源充足的控制平面实现，也可以将处理逻辑卸载到数据平面执行
30.进一步地，本案实施例中，依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列，可设计为包含如下内容：
31.首先，提取数据流报文中数据流转发等级；
32.然后，依据优先级自下而上扫描转发队列，若扫描过程中出现当前转发队列的队列边界不大于提取的数据流转发等级，则将对应的数据流分配至当前转发队列。
33.为了灵活地控制各条流量转发优先级，实现平滑的拥塞控制机制，依据所述数据平面遥测数据来计算各条流量的转发等级。一条流量的转发等级指示了该条流被分配的转发队列的优先级：等级越高，转发优先级越低。可在实际网络部署过程中，将计算各条流量的转发等级由流等级计算单元来承担，由于流等级计算单元所承担的计算任务相对简单，因此相关组件可以部署在网络控制平面中，或直接部署在数据平面转发设备上。流等级计算组件在完成流等级计算任务后，会将相应的计算结果以头部标签的形式添加到各条流的报文中。数据平面转发设备在接收到相关报文时，会对报文头部进行解析并提取流等级标签值，然后自下而上地扫描多级队列边界。若某一队列边界不大于流等级，则将数据包分配至该转发队列。最终，数据平面设备按照优先级由高到低的顺序依次转发数据报文。
34.流量转发等级的计算过程：为每个流量特征(流量大小、到达时刻、排队时延等)设定一个权重，转发等级为各特征的加权计算结果。计算过程可在控制平面完成，也可卸载到数据平面执行。
35.作为优选实施例，进一步地，通过修正转发队列边界来处理数据流映射的转发队列优先级冲突问题，可设计为包含：若依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列时始终持续存在数据流转发等级始终大于转发队列边界，则判定存在转发队列优先级冲突问题，并调整队列边界值，以使各数据流按转发队列优先级次序进行转发。
36.具体地，修正转发队列边界，可设计为包含如下内容：若网络设备存储和计算资源
符合精细化修正条件，则观测过去时间段内各数据流等级分布，利用过去时间段内的各数据流等级分布来修正转发队列边界，其中，过去时间段内为往前推预设时间量的时间段；否则，在转发队列优先级自下而上的比对过程中，当数据流等级大于转发队列的队列边界，则将转发队列的队列边界更新为该数据流等级，当数据流等级小于所有转发队列的队列边界时，则依据预设数值下调所有转发队列的队列边界。
37.队列映射过程中，若存在流等级始终大于队列边界的情况，则需要调整队列边界值，以保证流量能够以不同优先级次序进行转发，实现对流量的细粒度转发控制。参见图3所示，可以根据每条流的等级适时调整边界：在自下而上的比对过程中，若流等级大于队列边界，则将该边界值更新为该等级；若流等级小于所有队列边界，则下调所有队列边界值。在所部署的网络设备存储和计算资源条件允许的情况下，可通过观测过去一段时间内各条流的等级分布来实现精细化的边界修正。基于上述操作，边界修正组件能够对不同优先级转发队列的边界进行动态调整，以保证低等级流量优先于高等级流量转发。
38.本案实施例中，通过数据平面遥测来丰富拥塞控制过程的先验知识，以提升拥塞控制机制的效能和时效性，并通过对网络中即将出现拥塞的流量主动降速来减缓发送端的发送速率，活地控制各条流量转发优先级，实现网络流量的平滑传输；若存在流等级始终大于队列边界的情况，则通过调整队列边界值，以保证流量能够以不同优先级次序进行转发，实现对流量的细粒度转发控制，通过拥塞控制机制效能和时效性提升、流量平滑传输及细粒度转发控制来保证网络拥塞调整的可靠性，从而可以有效提升网络性能。
39.进一步地，基于上述的方法，本发明实施例还提供一种基于网络测量的拥塞控制系统，包含：流量测量模块和流量转发模块，其中，
40.流量测量模块，用于在数据平面对网络数据流进行测量并记录数据流相关特征，所述数据流相关特征包括数据流已发送流量大小和排队时延；
41.流量转发模块，用于依据网络数据流测量中记录的数据流相关特征获取各数据流转发等级，依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列，并通过修正转发队列边界来处理数据流映射的转发队列优先级冲突问题，以实现不同等级的数据流依据转发队列的优先级由高到低按序转发。
42.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
43.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
44.结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不认为超出本发明的范围。
45.本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如：只读存储器、磁盘或光盘
等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
46.最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种基于网络测量的拥塞控制方法，其特征在于，包含：在数据平面对网络数据流进行测量并记录数据流相关特征，所述数据流相关特征包括数据流已发送流量大小和排队时延；依据网络数据流测量中记录的数据流相关特征获取各数据流转发等级，依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列，并通过修正转发队列边界来处理数据流映射的转发队列优先级冲突问题，以实现不同等级的数据流依据转发队列的优先级由高到低按序转发。2.根据权利要求1所述的基于网络测量的拥塞控制方法，其特征在于，在数据平面对网络数据流进行测量并记录数据流相关特征，包含：依据网络数据流量大小选取网络数据流中top-k数据流，并在测量接入节点分配k个寄存器，以利用该k个寄存器记录top-k数据流相关特征。3.根据权利要求1所述的基于网络测量的拥塞控制方法，其特征在于，依据网络数据流测量中记录的数据流相关特征获取各数据流转发等级，包含：预先设置每个数据流相关特征的权重，将数据流相关特征按权重加权求和来获取对应数据流的转发等级。4.根据权利要求1所述的基于网络测量的拥塞控制方法，其特征在于，依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列，包含：首先，提取数据流报文中数据流转发等级；然后，依据优先级自下而上扫描转发队列，若扫描过程中出现当前转发队列的队列边界不大于提取的数据流转发等级，则将对应的数据流分配至当前转发队列。5.根据权利要求1所述的基于网络测量的拥塞控制方法，其特征在于，通过修正转发队列边界来处理数据流映射的转发队列优先级冲突问题，包含：若依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列时始终持续存在数据流转发等级始终大于转发队列边界，则判定存在转发队列优先级冲突问题，并调整队列边界值，以使各数据流按转发队列优先级次序进行转发。6.根据权利要求5所述的基于网络测量的拥塞控制方法，其特征在于，修正转发队列边界，包含：在转发队列优先级自下而上的比对过程中，当数据流等级大于转发队列的队列边界，则将转发队列的队列边界更新为该数据流等级，当数据流等级小于所有转发队列的队列边界时，则依据预设数值下调所有转发队列的队列边界。7.根据权利要求6所述的基于网络测量的拥塞控制方法，其特征在于，修正转发队列边界，还包含：依据网络设备存储和计算资源来判断是否符合精细化修正条件，若符合，则观测过去时间段内各数据流等级分布，利用过去时间段内的各数据流等级分布来修正转发队列边界，其中，过去时间段内为往前推预设时间量的时间段。8.一种基于网络测量的拥塞控制系统，其特征在于，包含：流量测量模块和流量转发模块，其中，流量测量模块，用于在数据平面对网络数据流进行测量并记录数据流相关特征，所述数据流相关特征包括数据流已发送流量大小和排队时延；流量转发模块，用于依据网络数据流测量中记录的数据流相关特征获取各数据流转发等级，依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列，并通过修正转发队列边界来处理数据流映射的转发队列优先级冲突问题，以实现不同等级的数据流依据转发队
列的优先级由高到低按序转发。9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1～7任一项所述的方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器之行时实现如权利要求1～7任一项所述的方法。

技术总结
本发明涉及网络通信技术领域，特别涉及一种基于网络测量的拥塞控制方法及系统，在数据平面对网络数据流进行测量并记录数据流相关特征，所述数据流相关特征包括数据流已发送流量大小和排队时延；依据网络数据流测量中记录的数据流相关特征获取各数据流转发等级，依据数据流转发等级将各数据流映射到相应优先级转发队列，并通过修正转发队列边界来处理数据流映射的转发队列优先级冲突问题，以实现不同等级的数据流依据转发队列的优先级由高到低按序转发。本发明能够保证流量以不同优先级次序进行转发，通过拥塞控制机制效能和时效性提升、流量平滑传输及细粒度转发控制来保证网络拥塞调整的可靠性，从而可以有效提升网络性能。能。能。


技术研发人员：袁征 李军飞 夏季强 孙鹏浩 张风雨 谢记超 王钰
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/11