Способ и система управления полосой пропускания

Изобретение относится к области связи и может быть использовано для управления распределением полосы пропускания потокам трафика, передаваемым в узле доступа системы связи. Способ управления потоками неоднородного трафика, осуществляющими доступ к сети связи (WN), в котором узел (G) доступа сети управляет агрегацией потоков ( $$f_i^{L3}$$ ) трафика в по меньшей мере действительной очереди ( $$Q_i^{L2}$$ ) передачи на заданном протокольном уровне (L2) сети, включающий в себя этапы, на которых распределяют заданную полосу пропускания ( $${\theta }_i^{Max}$$ ) очереди ( $$Q_i^{L2}$$ ) передачи, чтобы гарантировать связанное качество обслуживания ( $$Qo{S}_i^{L3}$$ ), установленное согласно соглашению об уровне обслуживания. Способ также содержит этапы, на которых: формируют виртуальную очередь ( $$Q_{iV}^{L2}$$ ) передачи в плоскости данных (UP_L2) системы для управления потоками ( $$f_i^{L3}$$ ) трафика, осуществляющими доступ к сети, включающую в себя текущую репликацию агрегированного потока трафика в действительной очереди передачи ( $$Q_i^{L2}$$ ), измерение по меньшей мере параметра, представляющего текущее качество обслуживания ( $$Qo{S}_i^{L3oL2}$$ ), полученного на виртуальной очереди передачи ( $$Q_{iV}^{L2}$$ ), в множестве заданных последовательных горизонтов наблюдения (OH_i(k)); и динамически оценивают потребности ( $${\theta }_i^{*}$$ ) полосы пропускания для виртуальной очереди ( $$Q_{iV}^{L2}$$ ) передачи, удовлетворяющей качеству обслуживания, в виде функции значения, предполагаемого вышеупомянутым параметром в каждом горизонте наблюдения (OH_i(k)); следовательно, согласно оцененной потребности ( $${\theta }_i^{*}$$ ) полосы пропускания изменяют полосу пропускания , распределенную действительной очереди ( $$Q_i^{L2}$$ ) передачи для последующего горизонта наблюдения (OH_i(k+1)), или ограничивают поток ( $$f_i^{L2}$$ ) трафика к очереди ( $$Q_i^{L2}$$ ).Технический результат - обеспечение более эффективного распределения полосы пропускания в точке доступа, оперирующей агрегацией потоков неоднородного трафика. 5 н. и 22 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области связи и более конкретно - к способу и системе для управления распределением полосы пропускания потокам трафика, передаваемым в узле доступа системы связи.

Более конкретно, изобретение направлено на способ управления потоками неоднородного трафика, осуществляющими доступ к сети связи, в соответствии с преамбулой пункта 1 формулы, и систему для управления потоками трафика, осуществляющими доступ к сети связи, в соответствии с преамбулой пункта 19 формулы.

В сети связи аспектами обмена информацией между узлами управляют согласно заданной парадигме на основе стека протоколов с выполнением «поуровневого» обмена данными.

Комплект протоколов, реализующих стек протоколов согласно общепризнанной парадигме (например, модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI или комплект протоколов TCP/IP, используемым в сети Интернет), представляет группу связанных друг с другом стандартов, которые определяют эталонную архитектуру системы связи, и состоит из различных функциональных уровней (или слоев). Например, известная эталонная модель ISO/OSI разделяет различные функциональности процесса обмена информацией на семь отдельных уровней, физический уровень (L1) и уровень (L2) канала данных в отношении формирования сетевого соединения, сетевой уровень (L3), транспортный уровень (L4) и сеансовый уровень (L5) в отношении логической передачи данных между сетевыми устройствами, уровень представления данных (L6) в отношении способа, с помощью которого передаваемые данные взаимодействуют с сетевыми приложениями, и прикладной уровень (L7) в отношении приложений, доступных всем пользователям сети.

Множество параметров, коррелированных с сетевым трафиком (обычно коэффициент (процент) потери пакетов данных, задержка передачи, доступная ширина полосы пропускания), определяет качество обслуживания (QoS), предлагаемое в управлении трафиком в сети связи. Это зависит от рабочей характеристики, достигаемой на каждом уровне стека протоколов, и характеризуется параметрами на основе функций, реализованных на различных уровнях стека протоколов и с интерфейсами между его уровнями. Например, в отношении модели OSI, качество обслуживания исходит от конфигурации физического уровня и канального уровня, которые предлагают конкретные транспортные услуги по отношению к более высоким сетевым уровням. Контракт на обслуживание, который предусматривает соблюдение заданных параметров качества обслуживания, обычно указывается в виде соглашения об уровне обслуживания (SLA).

В оперативной области системы связи, потоками трафика, формируемыми верхними сетевыми уровнями, управляют на сетевом уровне и канальном уровне в узлах сети посредством модулей обработки, реализованных специализированными электронными устройствами, или посредством электронных устройств обработки и хранения, запрограммированных согласно одному или более модулям кода, которые соответственно образуют плоскость управления (используемую для управления информацией сигнализации) и плоскость пользователя или данных (используемую для транспортирования данных пользователя). Плоскость данных оперирует непосредственно потоком трафика под управлением и контролем плоскости управления, чтобы пересылать потоки трафика на физический интерфейс, приспособленный переносить (транспортировать) информацию по каналу передачи. Даже если сетевой уровень осуществляет эффективные механизмы для поддержания заданного качества обслуживания (например, согласно протоколам IP IntServ (интегрированных услуг), IP DiffServ (дифференцированных услуг), MPLS (многопротокольной коммутации дейтаграмм по меткам)), для нижних уровней является необходимым обеспечить соединение с физическим каналом с поддержанием конкретных ограничений рабочей характеристики качества обслуживания. Если это не происходит, создание сложных механизмов для поддержания качества обслуживания на верхних уровнях может быть недостаточным и, следовательно, абсолютно бесполезным.

Следовательно, требования к качеству обслуживания должны «проецироваться» вертикально по стеку протоколов и должны удовлетворяться всеми уровнями стека протоколов.

Это означает, что протоколы на канальном уровне (второй уровень стека протоколов, далее в документе сокращенно называемый L2), должны осуществлять подходящие механизмы агрегации (объединения) логически различных потоков трафика от верхних уровней, чтобы соблюдать соглашение об уровне обслуживания, заданное на верхнем сетевом уровне (третий уровень стека протоколов, или сокращенно L3). В некоторых случаях, в особенности в средах радиосвязи (также называемых беспроводными), следует дополнительно отметить, что уровень L2 действует совместно с физическим уровнем (L1) благодаря применению конкретных решений межуровневого типа (известных как «кросс-уровневые» решения).

Взаимодействие между уровнями в этом контексте уточняет так называемое «отображение качества обслуживания» или более часто «отображение QoS». Понятие отображения исходит от технологического «скачка» (резкого изменения), встречающегося в узле доступа сети, в котором выполняются операции агрегации потока данных. Точка доступа (узел) сети, в последующем обобщенно идентифицируемая «логическое шлюзовое устройство», может действительно соединить между собой две различные части сети (или части той же сети), в которой соответствующие различные схемы агрегации пакетов данных применяются к потокам трафика. Кроме того, что касается шлюза, даже может быть модификация формата инкапсуляции данных, обусловленная конкретными используемыми протоколами, например, если часть сети основывается на протоколе IP, тогда как другая часть основывается на протоколе асинхронной передачи (ATM).

Во всех этих случаях должны быть приняты подходящие механизмы для вычисления точной ширины полосы пропускания, необходимой для потоков трафика, передаваемых на уровень L2, чтобы обеспечить качество обслуживания, заданное на уровне L3.

Задача отображения QoS конкретно заставляет заниматься технологическим аспектом распределения полосы пропускания рассматриваемым потокам трафика, или предпочтительнее - регулировкой полосы пропускания, назначенной одиночным потокам трафика, в условиях неоднородного трафика. Задача в частности касается регулировки полосы пропускания в случае, в котором агрегируют различные классы обслуживания. Такая агрегация ведет к формированию неоднородных каналов с точки зрения источников трафика и требований QoS.

Поскольку каждый поток трафика вынуждают соблюдать конкретное гарантированное QoS, в сети должно предсказываться когерентное распределение полосы пропускания и до, и после операций агрегации потоков трафика. В целом, распределение полос пропускания потокам трафика до входа в шлюзовое устройство сети регулируется согласно заданным способам, специфическим для технологии связи вне сети, которые не являются объектом настоящего изобретения. Изобретение касается аспекта, коррелированного с распределением полосы пропускания потокам трафика, агрегированным в шлюзовом устройстве, для распространения в конкретной сети.

Регулировка полосы пропускания в однородных условиях является задачей, которая широко рассмотрена в научной и патентной литературе.

Напротив, аспект регулировки полосы пропускания в условиях неоднородного трафика является в настоящий момент вопросом, который еще открыт для обсуждения, и который не получил необходимого внимания.

В патентной литературе можно найти различные документы, посвященные задаче адаптивного управления для полосы пропускания, с целью удовлетворения требованиям QoS к передаче пакетов данных. Однако применение решений из уровня техники для решения задачи регулировки полосы пропускания в условиях неоднородного трафика в качестве объекта настоящего изобретения, ведет к субоптимальному использованию доступных ресурсов полосы пропускания для сети.

Среди документов из уровня техники, касающихся задач отображения QoS, следует в частности упомянуть патентную заявку EP 1 113 628, которая относится к механизму для управления качеством обслуживания по протоколам IP для беспроводной сети. Более конкретно, этот документ предлагает многоуровневую архитектуру для управления качеством обслуживания на всем стеке протоколов связи для сети. Описание, однако, непосредственно не занимается задачей оценки и распределения полосы пропускания и не входит в явные подробности того, каким образом можно оптимизировать управление для полосы пропускания, которое должны выполнять различные уровни управления для качества обслуживания в стеке протоколов.

Действительно, следует также отметить, что если часть сети основана на системе беспроводной связи, в формировании относительного формата инкапсуляции данных, применяются специфические механизмы ухудшения характеристик канала. Все эти элементы делают проблему определения полосы пропускания в шлюзе очень трудной задачей.

Изобретатели Mario Marchese и Maurizio Mongelli занимались аспектами отображения QoS, с конкретным обращением к созданию интерфейсов между сетевыми уровнями и канальными уровнями протокола связи и определению алгоритмов распределения полосы пропускания канальному уровню, соблюдающих ограничения QoS.

Статьи "Vertical QoS Mapping over Wireless Interfaces" в трудах Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) Wireless Communications, том 16, № 2, 1 апреля 2009 г., страницы 37-43, "Neural Bandwidth Allocation Function (NBAF) Control Scheme at WiMAX MAC Layer Interface", International Journal of Communication Systems, том 20, № 9, 12 декабря 2006 г., страницы 1059-1079 и "Optimal Bandwidth Provision at WiMAX MAC Service Access Point on Uplink Direction", IEEE International Conference on Communications, 24 июня 2007, страницы 80-85, описывают закон управления, который совершает действия над очередями канального уровня, непосредственно назначая им скорость передачи, например, чтобы соблюдать качество обслуживания по соглашению.

Общим назначением настоящего изобретения является оптимизация распределения ресурсов полосы пропускания в сети связи, и конкретно - в точке доступа сети, оперирующей агрегацией потоков неоднородного трафика, поддерживающей качество обслуживания по соглашению, в соответствии с установленным соглашением об уровне обслуживания для услуг, предоставляемых сетью.

Более конкретно, одной задачей изобретения является предложение лучшей координации между протоколами на различных уровнях стека протоколов, на котором базируется система связи, чтобы обеспечить более эффективное распределение полосы пропускания в точке доступа сети, оперирующей агрегацией потоков неоднородного трафика, и обеспечить заданное качество обслуживания по отношению к установленному соглашению об уровне обслуживания, предлагаемого сетью.

Задача настоящего изобретения также состоит в вычислении наиболее надежным образом возможной точной потребности полосы пропускания, требуемой агрегированным потоком трафика, в точке доступа к сети связи с тем, чтобы соответствовать заданному качеству обслуживания при минимальной возможной величине полосы пропускания.

Согласно настоящему изобретению, такие задачи решаются способом управления потоками трафика с характеристиками, заявленными в пункте 1 формулы.

Конкретные варианты осуществления составляют предмет зависимых пунктов формулы изобретения, содержимое которых следует считать неотъемлемой или составной частью настоящего описания.

Другим объектом изобретения является система для управления потоками трафика с характеристиками, заявленными в пункте 19 формулы.

Изобретение также относится к компьютерной программе или группе компьютерных программ для выполнения вышеупомянутого способа управления потоками трафика, а также к точке доступа системы связи и системе связи, содержащей систему для управления потоками трафика, как заявлено в формуле изобретения.

Кратко, настоящее изобретение основывается на принципе изменения структуры плоскости управления и плоскости данных на уровнях стека протоколов, участвующих в агрегации потоков неоднородного трафика, и по этой причине оно определяет дополнительно объекты, действующие в области стека протоколов устройства для осуществления доступа к сети связи (шлюза), роль которого состоит в управлении вычислением точной потребности полосы пропускания для потока трафика, входящего в устройство.

В частности, эти объекты представлены компонентами или модулями обработки в администраторе ресурсов (RM) соответственной плоскости управления на уровнях L3 и L2 шлюзового устройства. Администратор ресурсов уровня L2 (далее в документе сокращенно L2RM) действует, чтобы обеспечить качество обслуживания, установленное на уровне L3 и отображенное на уровень L2, вычисляя в режиме реального времени точную потребность полосы пропускания для потоков, передаваемых на уровне L2, и в результате изменяя соответствующее распределение ресурсов полосы пропускания.

Для выполнения этого, в отличие от уровня техники, администратор ресурсов уровня L2 применяет процесс динамического оценивания полосы пропускания на основании периодических измерений текущего качества обслуживания, применяемых к виртуальной очереди передачи (или очереди трафика), которая является копией действительной очереди передачи (или очереди трафика), одновременно управляемой плоскостью данных того же уровня. Полоса пропускания, обеспечиваемая для пересылки действительного трафика, первоначально завышена по величине и периодически адаптируется в зависимости от результата динамической оценки, полученной во время предыдущего вычисления, на основе измерений, выполняемых на виртуальной очереди передачи.

Преимущественно, скорость передачи для очередей на канальном уровне поддерживается в пределах порога безопасности по отношению к скорости передачи для виртуальных очередей с тем, чтобы избежать возможных погрешностей самого алгоритма управления.

Неограничительные примеры возможных математических форм, используемых для выполнения процесса оценки, приведены в нижеследующем настоящем описании. Администратор ресурсов уровня L2 использует результат процесса оценки, и вследствие этого изменяет распределение ресурсов полосы пропускания шлюзовому устройству. В этом контексте администратор ресурсов уровня L2 пользуется техническими описаниями примитивов связи, используемых для передачи результата процесса изменения полосы пропускания на администраторы ресурсов верхних уровней.

В случае, в котором администратор ресурсов уровня L2 определяет, что недостаточно ресурсов полосы пропускания являются доступными для поддержки необходимого качества обслуживания, он информирует администратор ресурсов верхнего уровня L3. Модальность, в которой администратор ресурсов уровня L3 реагирует на такое сообщение, находится, однако, вне области настоящего изобретения.

Объекты администратора ресурсов уровня L2 и администратора ресурсов уровня L3 можно инсталлировать в соответственных плоскостях управления, подобных, например, плоскости управления для IP на уровне 3 или плоскости управления по стандарту DVB цифрового телевидения без воздействия, по сути, на известную исходную структуру таких плоскостей. Эти объекты могут создаваться посредством модулей обработки, которые приспособлены исполнять компьютерные программы, возможно в форме обновлений программы, посредством чего они приспособлены загружаться на плоскости управления шлюза с тем, чтобы не вмешиваться в исходную архитектуру.

Изобретение преимущественно имеет применение в различных осуществлениях, относительно различных типов точек доступа сетей связи, в которых происходит агрегация сетевого трафика, в любой форме, включая шлюзовые устройства, маршрутизаторы или подобное, которые приспособлены для выполнения преобразований протоколов связи между узлами локальных и/или глобальных сетей, имеющих различную архитектуру, в которых различные потоки трафика, входящие в сеть, агрегируют вместе и пересылают на узлы сети, и это не зависит от исполнения устройства.

Возможные примеры содержат точки доступа беспроводных наземных сетей (например: Tetra, WiFi, WiMAX) или спутниковых сетей связи, которые рассматривают технологический скачок между третьим и вторым уровнем стека протоколов. Дополнительным примером на уровне L2, который не относится к беспроводным технологиям, является инкапсуляция IP трафика по кабельным сетям технологий Ethernet, действующих согласно модели 802.1p (то есть Ethernet с поддержкой качества обслуживания). Изобретение представляет особый интерес для отображения качества обслуживания в беспроводных средах, где полоса пропускания является дефицитным ресурсом, по сравнению с кабельными системами, в которых оптимизация полосы пропускания не является критической проблемой и может обеспечиваться посредством подходящего завышения величины для доступных ресурсов (полосы пропускания и буферов сетевых узлов).

В другом варианте осуществления изобретения, в котором имеется агрегация потоков неоднородного трафика без изменения формата инкапсулирования данных и без использования контрмер (помех) для ухудшения характеристик канала, примеры устройств для осуществления доступа к сети связи представлены устройствами граничных маршрутизаторов, например, действующими в технологических сценариях агрегации трафика IntServ поверх DiffServ, IntServ поверх MPLS или DiffServ поверх MPLS. В этом контексте, не только шлюзы (именуемые также граничными маршрутизаторами) действуют на основании операций отображения качества обслуживания между уровнем L3 и уровнем L2, но также заключают в себе операции отображения, обращающиеся только к различным сетевым технологиям и протоколам, действующим на уровне L3.

Дополнительные характеристики и преимущества изобретения будут показаны подробно в следующем подробном описании, приведенном в качестве примера, а не с целями ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематичное представление архитектуры для осуществления доступа к сети связи, содержащей шлюзовое устройство, организованное между частью наземной сети и частью беспроводной сети;

Фиг. 2 - схематичное представление объектов уровня L3 для структуры протокола для шлюза согласно изобретению;

Фиг. 3 - схематичное представление объектов уровня L2 для структуры протокола для шлюза согласно изобретению;

Фиг. 4 - схематичное представление объектов, действующих одновременно для операций отображения QoS между уровнем L3 и уровнем L2 стека протоколов, согласно изобретению;

Фиг. 5 - схематичное представление структуры для администратора ресурсов уровня L3;

Фиг. 6 - блок-схема способа вычисления потребности полосы пропускания для потоков трафика на протокольном уровне L2 согласно изобретению;

Фиг. 7 - блок-схема способа верификации стабилизации вычисления потребности полосы пропускания, верификации приближающейся перегрузки (затора) или освобождения полосы пропускания на протокольном уровне L2 согласно изобретению;

Фиг. 8 - схематичный показ сигналов связи между объектами на протокольном уровне L2 согласно изобретению; и

Фиг. 9 - показ связных сигналов между объектами протокольных уровней L2 и L3 согласно изобретению.

Изобретение относится к способу и системе, которые приспособлены для выполнения регулирования полосы пропускания для агрегированного потока трафика в шлюзовом устройстве, в котором применяются операции отображения качества обслуживания (отображение QoS). Более конкретно, изобретение касается случаев, в которых два или большее число потоков трафика, заданных на сетевом уровне (например, L3) стека протоколов, объединяются вместе в одиночный поток трафика на том же уровне (L3) или на более низком канальном уровне (L2), для которого точная полоса пропускания, которую нужно сделать доступной для агрегированного потока, не является известной.

Изобретение, во-первых, относится к операциям отображения предварительно установленного качества обслуживания между первым, более высоким уровнем и вторым, более низким уровнем стека протоколов, или предпочтительнее - между различными протоколами, действующими на одинаковом сетевом уровне стека. Во-вторых, изобретение определяет физические и/или логические объекты, или предпочтительнее - физические аппаратные устройства и/или программные модули обработки, которые могут использоваться на уровне L3 и на уровне L2, соответственно, в устройстве для осуществления доступа к сети, таком как шлюзовое устройство, для координации действий, необходимых для оптимизации регулировки полосы пропускания, назначенной объединенному потоку трафика.

Настоящее изобретение теперь будет описано со ссылкой на текущий предпочтительный вариант осуществления, который рассматривает отображение качества обслуживания от уровня L3 на уровень L2 заданного стека протоколов.

На Фиг. 1 схематично представлено предрасположение сетевого устройства G, действующего в качестве шлюза между первой и второй сетью связи, например между частью наземной сети TN и частью беспроводной сети WN.

Примерами представляющих интерес беспроводных сетей являются спутниковые сети связи, сети связи стандарта WiFi, сети связи стандарта WiMAX или беспроводные сенсорные сети.

Трафик, формируемый пользователями сетей, переносится через часть наземной сети TN в направлении шлюза G. Отсюда, трафик маршрутизуется за пределы части наземной сети TN в направлении беспроводной сети WN. В шлюзовом устройстве нижние уровни стека протоколов передачи, применяемого самим устройством, указаны подробно.

Задача изобретения состоит в том, чтобы поддерживать конкретный уровень качества обслуживания (QoS) по всей цепочке связи. Это означает, что установленное качество обслуживания в первый момент должно обеспечиваться и в наземной сети TN, и в беспроводной сети WN, как если бы не было изменения в технологии в шлюзе G между этими двумя сетями. Изменение в технологии происходит вследствие различных протоколов, используемых для предложения услуги связи, в наземной сети TN, и в беспроводной сети WN.

Качество обслуживания гарантируется в терминах количественных показателей посредством указания допустимого порога потери пакетов данных, допустимой задержки (среднего значения) передачи пакета данных или допустимого «джиттера» (дисперсии задержки) в передаче пакета данных. Различные контракты (условия) трафика могут задаваться между поставщиком (услуг) наземной сети связи, поставщиком (услуг) сети беспроводной связи и одним или более конечными пользователями. Качество обслуживания для контракта трафика устанавливается соглашением об уровне обслуживания (соглашение об уровне обслуживания, SLA), в котором объявляются вышеупомянутые термины показателя оценки качества обслуживания. У каждого класса трафика имеется свое собственное соглашение об уровне обслуживания. Это означает, что объявляется контракт трафика для каждого конкретного класса трафика.

В области настоящего изобретения считается, что контракт трафика безусловно удовлетворяется в части наземной сети TN посредством подходящего распределения ресурсов полосы пропускания в устройствах маршрутизации в сети (следовательно, на уровне L3 стека протоколов). Следовательно, показатели, которые задают заданное SLA, обращаются к рабочей характеристике в терминах качества обслуживания на уровне L3 (например, потеря IP пакетов), поскольку конечные пользователи не должны быть способными замечать технологический скачок между уровнями L3 и L2 в шлюзе.

Обычно, уровень L3 является сетевым уровнем на основе технологии IP (протоколы IPv4 или IPv6). Примерами протоколов уровня L2 являются стандарты WiMAX, DVB, ATM или другие специализированные инкапсуляции для специфического беспроводного канала, такие как Stanag 5066 или WHDLC для IP поверх радиосвязи.

Шлюзовое устройство G, или подобная точка доступа к сети действует в качестве интерфейса между двумя уровнями L3 и L2, и отвечает за отображение трафика от уровня L3 на уровень L2. Такая операция отображения по существу состоит в инкапсуляции пакетов, передаваемых на уровне L3, в кадре данных на уровне L2 и в выборе конкретной очереди передачи на уровне L2 для кадра данных, соответствующего пакетам, которые задаются на уровне L3.

Ниже уровня L2 находится физический канал передачи (в этом примере, беспроводной канал), который имеет свои собственные возможности передачи, идентифицированные на уровне L1: частотный спектр, способы кодирования, частоту ошибок в битах (BER), характеристики замирания и так далее. Характеристики уровня L1, однако, выходят за рамки объема охраны настоящего изобретения, и не будут дополнительно обсуждаться подробно в остальной части описания, поскольку они не являются необходимыми для его понимания. Единственные вещи, которые должны быть известны способу и системе объекта изобретения относительно характеристик физического канала, относятся к формату кодов исправления ошибок, например, заголовок прямого исправления ошибок (FEC), применяемый к уровню L2, и будет обсуждаться в остальной части описания со ссылкой на Фиг. 4.

На Фиг. 2 представлена подробно, в схематичной форме, конфигурация уровня L3 со ссылкой на плоскость данных UP_L3 и на соответственную плоскость управления CP_L3.

На уровне плоскости данных установлено множество очередей Q₁ ^L3,...,Q_N ^L3, приспособленных для разделения различных классов трафика и обеспечения различных уровней качества обслуживания согласно соглашению об уровне обслуживания, относящемуся к каждому классу трафика.

Каждая одиночная очередь Q_i ^L3(i=1,...N) состоит из соответственного буфера B_i ^L3, в котором пакеты данных, заданные на уровне L3, сохраняются прежде, чем быть переданными, и сервера S_i ^L3 буфера. Скорость обслуживания задает скорость передачи выходящих пакетов, переносимых в направлении к уровню L2, и является синонимом для «способности обслуживания» и «распределения полосы пропускания».

Очереди на уровне L3 получают с помощью аппаратных средств или программного обеспечения в шлюзовом устройстве G. Например, в типичных устройствах маршрутизации очереди, в которых качество обслуживания гарантируется подходящим распределением полосы пропускания, являются выходными очередями, созданными с помощью программного обеспечения до передачи в направлении к выходным каналам. В так называемых архитектурах «открытого маршрутизатора», на основе операционных систем с открытым исходным кодом (обычно, на основе операционной системы Linux) очереди на уровне L3 создаются посредством программных модулей, включенных в операционную систему.

Конкретный способ используется на уровне плоскости управления CP_L3 для классификации трафика и распределения ресурсов полосы пропускания на уровне L3, например способ DiffServ. Более конкретно, на уровне плоскости управления администратор ресурсов (L3RM) является ответственным за распределение ресурсов на уровне L3 шлюза и осведомлен о соглашении относительно уровня обслуживания, доступного сетью. Он может также применять протоколы сигнализации, подобные протоколу резервирования ресурсов (RSVP), чтобы управлять всей цепочкой связи наземной части сети. DiffServ, IntServ, MPLS являются возможными примерами способов проектирования трафика и качества обслуживания, используемых администратором ресурсов на уровне L3.

Снова со ссылкой на плоскость данных UP_L3, потоки различных классов трафика идентифицируются $$f_i^{L3}$$ и $$Qo{S}_i^{L3}$$ указывает соответствующий уровень качества обслуживания для i-ой очереди. Здесь, поток состоит из последовательности пакетов, развитие во времени которых следует стохастическому процессу, статистические характеристики которого (среднее значение, дисперсия) могут использоваться администратором ресурсов L3RM для управления распределением ресурсов полосы пропускания на уровне L3.

Следует отметить, что формирование пакетов и на уровне L3, и на уровне L2, является статистическим процессом, и как таковой будет рассматриваться в остальной части описания. Эта характеристика лежит в основе потенциала и рабочей характеристики способа по объекту изобретения.

На Фиг. 3 представлена подробно, в схематичной форме, конфигурация уровня L2 для шлюза со ссылкой на плоскость данных UP_L2 и на соответственную плоскость управления CP_L2.

В целом, структура может быть сравнимой с таковой по Фиг. 2 в отношении уровня L3 протокола, и по аналогии одинаковые ссылочные позиции были назначены компонентам.

На уровне плоскости данных установлено множество очередей Q_i ^L2,...,Q_N ^L2 уровня L2, причем каждая одиночная очередь Q_i ^L2(i=1,...,N) состоит из соответственного буфера B_i ^L2 и сервера S_i ^L2 буфера.

Администратор ресурсов L2RM осведомлен о полной емкости канала, доступной на физическом канале (беспроводной канал в настоящем примере), и является ответственным за распределение полосы пропускания на уровне L2.

Процесс распределения ресурсов полосы пропускания на уровне L2 согласно изобретению содержит следующие операции:

i) отображение конкретного потока трафика, присутствующего на уровне L3, по отношению к конкретной очереди передачи, обеспеченной на уровне L2;

ii) выделение полосы пропускания каждой очереди уровня L2;

iii) оценивание точной потребности полосы пропускания для каждой очереди уровня L2, достаточной для удовлетворения соглашения относительно уровня обслуживания.

Более конкретно, в остальной части описания будет пояснено, каким образом реализуются операции в точке iii) и каким образом результаты таких операций влияют на операции i) и ii), независимо от конкретных способов, используемых для реализации таких операций в первичных экземплярах, в которых исполняется шлюзовое устройство.

Обычно, очереди на уровне L2 создаются с помощью аппаратных средств и доступны в количестве, которое меньше относительно очередей на уровне L3. Следовательно, является необходимым выполнять некоторые операции агрегации классов трафика от уровня L3 к уровню L2, и подробности операций отображения QoS, применяемых между уровнем L3 и уровнем L2, описываются со ссылкой на Фиг. 4.

Без выхода за рамки обобщения формы, на Фиг. 4 показано, что происходит для обобщенной очереди Q_i на уровне L2.

Подмножество потоков трафика, поступающих от уровня L3, индексами которого являются $$i_1\mathrm{,...,}{i}_{n_i}$$ , перемещаются вдоль соответствующей i-ой очереди. Потоки на уровне L3 обозначаются $$f_{i_1}^{L3}$$ ,…, $$f_{i_{n_i}}^{L3}$$ и соответствующие уровни качества обслуживания, обозначаются $$Qo{S}_{i_1}^{L3}$$ ,…, $$Qo{S}_{i_{n_i}}^{L3}$$

Очередь на уровне L2 переносит, например, два типа трафика, соответственно речевой трафик, переносимый по протоколу передачи речи поверх IP (VoIP), который требует потерю пакетов не более 1%, и трафик видео (на IP), который требует потерю пакетов не более 0,1%. Потоки $$f_{i_1}^{L3}$$ ,…, $$f_{i_{n_i}}^{L3}$$ агрегируют вместе в одиночный поток $$f_i^{L2}$$ , входящий в i-ую очередь, в модуле EF инкапсуляции и формирования кадра. Пакеты на уровне L3 для потоков инкапсулируют в одиночный кадр передачи к уровню L2 (например, IP поверх ATM), возможно применяя некоторые необязательные процессы инкапсуляции, как например в случае формата инкапсуляции CS (подуровень конвергенции) в технологии WiMAX.

Другой представляющий интерес процесс, который выполняется в операции отображения от уровня L3 к уровню L2, касается информации, добавляемой с тем, чтобы противопоставить замирание физического канала и ограничить частоту появления ошибочных битов (BER) на уровне L2, например, кодов прямого исправления ошибок, обычно содержащихся в служебной области уровня. Вышеупомянутые коды защиты могут быть с переменным размером в зависимости от мгновенного значения отношения сигнал/помеха, поступающего от уровня L1 через связной примитив, обычно доступный в интерфейсе L2-L1, идентифицированного на фигуре посредством модуля SIR (отношение сигнал-помеха).

Вследствие операций агрегации и инкапсуляции на уровне L2, соответствующие статистические характеристики стохастических процессов на уровне L3 относительно потоков $$f_{i_1}^{L3}$$ ,…, $$f_{i_{n_i}}^{L3}$$ являются смешанными вместе, так что оценка статистических свойств стохастических процессов, которые входят в i-ую очередь, и соответственного качества обслуживания на уровне L2 является очень трудной задачей.

Такая задача решается благодаря обеспечению копии плоскости данных на уровне L2, в контексте изобретения, идентифицированной как виртуальная копия, в сравнении с действительной плоскостью данных.

Действительная плоскость данных, UP_L2, содержит действительные очереди Q₁ ^L2,...,Q_N ^L2, которые соответствуют очередям, фактически созданным в шлюзовом устройстве. Соответственная скорость обслуживания i-ой очереди, или лучше - соответственная полоса пропускания, распределенная i-ой очереди, обозначена символом $${\theta }_i^{Max}$$ . Для каждой очереди скорость обслуживания или распределенная полоса пропускания $${\theta }_i^{Max}$$ , устанавливается администратором ресурсов уровня L2 (L2RM) в начале периода обслуживания шлюзового устройства G на основе планирования, которое зависит от доступного прогноза трафика на приемлемо продленный период времени. Например, путем применения принципа предупредительного завышения величины, параметр $${\theta }_i^{Max}$$ для i-ой очереди может быть установлен в виде функции прогноза наихудшего условия трафика, входящего в i-ую очередь. Другими словами, это означает рассмотрение всех возможных источников, активных одновременно, и установление в результате $${\theta }_i^{Max}$$ , необходимого для одновременного удовлетворения всем требованиям к услугам. Например, для десяти всех активных источников VoIP, с соответственной входной скоростью передачи, равной 100 кбит/с, и заголовка на уровне L2 с служебными данными в 20% в наихудшем условии замирания физического канала, принцип завышения величины будет означать установку $${\theta }_i^{Max}$$ =1,2 Мбит/с. Другие варианты, конечно, являются возможными согласно применению статистических диаграмм более сложного прогноза трафика, и в общем могут использоваться различные модели, чтобы устанавливать параметр $${\theta }_i^{Max}$$ для каждой очереди Q_i в начале цикла жизни шлюзового устройства.

Ниже в документе будет пояснено, каким образом изменять $${\theta }_i^{Max}$$ во времени, чтобы минимизировать нагрузку распределения ресурсов полосы пропускания и поддерживать требуемое качество обслуживания, используя статистические характеристики источников потоков трафика и дублирование плоскости данных.

Виртуальная плоскость данных UP_L2 ^V содержит множество виртуальных очередей Q_1V ^L2,...,Q_NV ^L2, каждая из которых является программной репликой, или аппаратной эмуляцией соответствующей действительной очереди Q₁ ^L2,...,Q_N ^L2. Это означает, что каждый пакет от уровня L3 и инкапсулированный на уровне L2, посылается и в действительную i-ую очередь, и в виртуальную i-ую очередь, которая является копией первой.

Единственное отличие состоит в указании параметра скорости обслуживания, или предпочтительнее - полосы пропускания, распределенной для виртуальной очереди $${\theta }_i^{*}$$ вместо $${\theta }_i^{Max}$$ . $${\theta }_i^{*}$$ устанавливается как минимальная полоса пропускания, необходимая для удовлетворения уровням $$Qo{S}_{i_1}^{L3}$$ ,…, $$Qo{S}_{i_{n_i}}^{L3}$$ качества обслуживания в i-ой очереди. Оно представляет точную потребность полосы пропускания, необходимую, чтобы удовлетворять соглашению об уровне обслуживания по отношению к потокам, передаваемым по i-ой очереди, после выполнения операций отображения QoS.

Ниже в документе, будет подробно пояснен способ, посредством которого вычисляется параметр $${\theta }_i^{*}$$ . Следует отметить, что, в целом, процесс репликации пакетов к одиночным виртуальным очередям (вместе с вычислением, применяемым к ним с тем, чтобы получить $${\theta }_i^{*}$$ ) может потребовать применения специализированного микропроцессора в случае, в котором имеются вычислительные ограничения в структуре собственных аппаратных средств шлюзового устройства.

Подробно, на Фиг. 5 показана структура администратора ресурсов на уровне L2 (L2RM) относительно вычисления скорости обслуживания (или распределенной полосы пропускания) для виртуальных очередей. Она содержит множество модулей DM принятия решения, каждый из которых ассоциирован с соответствующей виртуальной очередью передачи Q_iV ^L2. Конкретно, i-ый модуль (DM_i) принятия решения (DM) назначается i-ой очереди для вычисления параметра $${\theta }_i^{*}$$ . Каждый модуль DM_i, на основании вычисленного значения $${\theta }_i^{*}$$ организован с возможностью передачи сообщения «приближающаяся перегрузка» или «освобождение полосы частот» на основной обрабатывающий модуль MAIN в администраторе ресурсов уровня (L2RM).

На Фиг. 6 показан алгоритм, используемый каждым принимающим решение модулем DM_i для вычисления параметра $${\theta }_i^{*}$$ .

Последовательность из k=1,2... горизонтов наблюдения OH_i(k) устанавливается для каждого модуля DM_i принятия решения, в течение которого осуществляется отслеживание виртуальной i-ой очереди в последовательных по времени экземплярах в соответствии с предварительно установленной периодичностью. Для каждого горизонта наблюдения OH_i(k) формируется информационный вектор I_i(k), содержащий в качестве элементов объекты, необходимые для выполнения вычисления оценки полосы пропускания, как будет указано в остальной части описания, которые изменяются от одного случая к другому, в виде функции математической формулы оценки, эффективно используемой. Информационный вектор I_i(k) запускает вычисление скорости обслуживания i-ой очереди в момент времени k+1, формируя тем самым параметр $${\theta }_i^{*}$$ (k+1), как указано в остальной части описания.

Вычисление $${\theta }_i^{*}$$ в момент k+1 ( $${\theta }_i^{*}$$ (k+1)) зависит от уровней качества обслуживания, достигнутых на виртуальной i-ой очереди в горизонте наблюдения OH_i(k), и обозначенных $$Qo{S}_{i_1}^{L3oL2}(k)$$ ,…, $$Qo{S}_{i_{n_i}}^{L3oL2}(k)$$ и от соответствующего вектора ошибок между этими количественными значениями и указывающими качество обслуживания, требуемое по соглашению об уровне обслуживания $$Qo{S}_{i_1}^{L3}$$ ,…, $$Qo{S}_{i_{n_i}}^{L3}$$ , каждый элемент которого обозначен: (e_j(·,k))= ( $$Qo{S}_{i_1}^{L3}$$ - $$Qo{S}_{i_1}^{L3oL2}(k)$$ )², в котором j обозначает j-ый поток на уровне L3, передаваемый по i-ой очереди на уровне L2, то есть для которого j= $$i_1$$ ,…, $$i_{n_i}$$ .

Общим выражением для вычисления параметра $${\theta }_i^{*}$$ (k+1) является, как изложено ниже:

Операция [·] состоит в выборе наивысшего значения потребности полосы пропускания из различных классов трафика на уровне L3.

В рассматриваемом случае, информационный вектор Ii(k) состоит в количественном значении

(e_j(·,k)=( $$Qo{S}_{i_1}^{L3}$$ - $$Qo{S}_{i_1}^{L3oL2}(k)$$ )².

Алгоритм, представленный на Фиг. 6 и, описанный выше, повторяется i-ым модулем принятия решения (DM_i) в течение каждого горизонта наблюдения OH_i(k), k=1,2...

Обычно, временные размерности горизонта наблюдения OH_i(·) находятся в интервале [1, 360] с, и зависят от конкретных приложений, подлежащих отслеживанию в i-ой очереди.

Различные формы алгоритма управления F(·) могут применяться в контексте настоящего изобретения, и ниже в документе будут приведены некоторые предложения в качестве примера, а не с целями ограничения.

Если представляющим интерес качеством обслуживания является вероятность потери пакета, PLP, или средняя задержка, AD, для пакетов на уровне L3, то является возможным использовать модель анализа бесконечно малых возмущений, чтобы вывести формулировку алгоритма управления F(·) градиентного типа, как изложено ниже:

где η_k является величиной шага градиента.

Более конкретно, для случая, в котором качество обслуживания установлено на основании вероятности потери пакета, получены следующие формулы:

где:

- $${\stackrel{⌢}{l}}_j(\cdot ,k)$$ является уровнем потерь, измеренным для j-ого класса трафика в горизонте наблюдения OH_i(k);

- $${\stackrel{⌢}{l}}_j^{*}(\cdot ,k)$$ является объективным уровнем потерь, определенным соглашением по уровню обслуживания, заданному на основании вероятности потери пакета с обращением к j-ому класса трафика, обозначенному PLPj^*: $${\stackrel{⌢}{l}}_j^{*}(\cdot ,k)$$ = $${\displaystyle \underset{O{H}_i(k)}{\int }PL{P}_j^{*}\cdot a_j(t)}dt$$ , где a_j(t) является входной скоростью передачи, измеренной по отношению к j-ому классу трафика в горизонте наблюдения OH_i(k)

- T_k - величина горизонта наблюдения OH_i(k)

и суммирование рассматривает вклад j-ого потока в «размерность» периодов $$N_{T_k}$$ занятости (bp) i-ого буфера.

Период занятости (bp) является промежутком времени, в который буфер не является пустым. Продолжительностью периода занятости, для случая PLP, является разность, вычисленная между последней потерей j-ого класса обслуживания в течение периода занятости буфера, и моментом, в который начинается время занятости. Оператор «почти равенство» ( $$\cong$$ ), указанный в вышеупомянутом уравнении, мотивирован фактом, что равенство подтверждается результатами анализа бесконечно малых возмущений только в случае, в котором имеется одиночный класс трафика. Недавние результаты в литературе подтверждают, что применение одинакового уравнения в случае множественных классов трафика является обоснованным, и в любом случае - эффективным в выполнении операций распределения полосы пропускания.

Формулировку на основе градиента, которая может сравниваться с предшествующим, можно получить по отношению к рабочей характеристике с точки зрения средней задержки (AD), и ее можно найти в научной литературе.

Кроме того, конечно, для алгоритма F(·) управления являются возможными более традиционные подходы. Например, могут быть применены законы регулирования пропорционально-интегрально-дифференциального типа (PID). Законом PID является, например:

где e_j(·) является пропорциональным компонентом PID, ^de_j(·) является производным компонентом, и ⁱe_j(·) является интегральным компонентом, и ω_p, ω_d и ω_i являются связанными параметрами регулирования, используемыми для оптимизации поведения во времени для закона PID в зависимости от конкретного интересующего применения.

Фактически, имеется значительное количество литературы в научной области относительно применения закона пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования и относительной оптимизации параметров, даже в случае распределения полосы пропускания. Поэтому не будет обращения к более подробной информации относительно этого конкретного определенного закона регулирования в остальной части данного описания.

Однако интересно указать на факт, что выбор закона PID регулирования является фактически обязательным для сложных показателей, подобных, например, «джиттеру», для которого не является возможной градиентная формулировка.

Следует также отметить, что применение алгоритма управления на основании анализа бесконечно малых возмущений обеспечивает лучшую рабочую характеристику по отношению к закону PID регулирования, поскольку алгоритм анализа бесконечно малых возмущений является инструментальным средством, способным получать точную минимизацию ошибки e_j(·,k), например, посредством последовательности на основании вышеупомянутого градиента, тогда как закон PID является просто эвристическим алгоритмом, применяемым с тем, чтобы минимизировать ошибку e_j(·,k).

Для обоих случаев известно, что если процессы, связанные с интенсивностью входящего в буфер потока, являются эргодическими, ограничения $$Qo{S}_{i_1}^{L3}$$ ,…, $$Qo{S}_{i_{n_i}}^{L3}$$ задаются (по меньшей мере до сходимости), и другие критические состояния не встречаются (например, поведение уменьшения величины η_k шага градиента в случае анализа бесконечно малых возмущений), вышеупомянутый алгоритм регулирования сходится в точном значении $${\theta }_i^{*}$$ . Это означает, что необходимые соглашения об уровне обслуживания удовлетворяются при минимальной величине распределенной полосы пропускания, соответствующей $${\theta }_i^{*}$$ .

Ради полноты, заявители указывают другие алгоритмы регулирования, которые не зависят непосредственно от ошибки e_j(·,k) могут быть применены, такие как, например следующие:

где F_EqB(·) является типичным способом эквивалентной полосы пропускания (эквивалентная полоса пропускания, EqB), который может быть применен в этом контексте в случае PLP, m_i(k) и σ_i(k) является соответственно средним значением и стандартным отклонением для обработки интенсивности входящего потока i-ой очереди в горизонте наблюдения OH_i(k), и PLP*_EqB является самым строгим требованием PLP между классами трафика для уровня L3, передаваемого поверх i-ой очереди.

Алгоритмы EqB, подобные показанным выше, сходятся в точном значении полосы пропускания, необходимой для поддержки требуемого качества обслуживания.

Другие подходы еще являются возможными в выборе алгоритма управления F(·). Например, нейронные или нечеткие способы, которые являются подходящими для поддержки способа самообучения, могут использоваться для оценивания $${\theta }_i^{*}$$ . В этой перспективе полезно указать, что целью изобретения является определение надежной схемы управления для ресурса полосы пропускания на основании измерений, выполняемых на уровне L2 стека протоколов. Основная логика этого выбора состоит в том, что аналитические инструменты для выражения в замкнутой форме, которые показательны для рабочей характеристики в терминах качества обслуживания L3-на-L2, на текущий момент не являются доступными. Управление должно, следовательно, являться адаптивным (или основываться на самообучении) по отношению к изменениям трафика.

С этой точки зрения все вышеупомянутые алгоритмы регулирования допускают хорошую поддержку само-адаптируемости. Более в целом, любой алгоритм на основе измерений и нацеленный на обеспечение точной оценки параметра $${\theta }_i^{*}$$ , является полезным в этом контексте и может применяться в рамках настоящего изобретения.

Однако стоит принимать во внимание вычислительную рабочую нагрузку, требуемую выбранным алгоритмом управления F(·). Вычислительные рабочие нагрузки для вышеупомянутых алгоритмов управления являются в частности малыми, особенно в случае подходов согласно анализу бесконечно малых возмущений и PID. В случае подхода EqB вычислительная рабочая нагрузка зависит от конкретного алгоритма, выбранного для оценки среднего значения и стандартного отклонения, используемых F_EqB(·), которые для сохранения описания кратким, не указываются далее.

В варианте осуществления изобретения измерения качества обслуживания L3-поверх-L2, используемые для вычисления величин ошибок в вышеупомянутом способе, могут быть представительными для действительных уровней качества обслуживания L3-поверх-L2, полученных согласно потокам трафика по всей цепочке до места назначения, или на подчасти сетевого маршрута к своему месту назначения. Эти уровни получены посредством механизма измерений и передаются на объект для вычисления алгоритма, представленного на Фиг. 6 через подходящую схему указания, которая обеспечивает периодическую верификацию от внешней сети.

Фиг. 7 относится к алгоритму, используемому каждым модулем DM_i принятия решения, чтобы вычислять точку стабилизации в вычислении параметра $${\theta }_i^{*}$$ и обновлять администратор ресурсов уровня L2 в случае, в котором имеется приближающаяся перегрузка i-ой очереди или возможность освобождения полосы пропускания в случае, в котором имеется малая нагрузка от трафика. Алгоритм повторяется в конце каждого горизонта наблюдения. Следует помнить, что фактическое распределение полосы пропускания для i-ой очереди обозначается параметром $${\theta }_i^{Max}$$ , тогда как $${\theta }_i^{*}$$ представляет только текущую оценку точной потребности полосы пропускания, необходимой, чтобы удовлетворять соглашениям об уровне обслуживания потоков трафика на уровне L3, которые пересылаются к i-ой очереди.

Касаясь теперь стабилизация вычисления $${\theta }_i^{*}$$ , значение устойчивого состояния $${\theta }_i^{*}$$ фиксируется при удовлетворении следующего условия:

причем ε_i является порогом стабилизации.

Приемлемым значением ε_i является ε_i=1/10· $${\theta }_i^{Max}$$ . Это означает, что $${\theta }_i^{*}$$ находится в устойчивом состоянии, если имеет небольшие колебания, например, менее 1/10· $${\theta }_i^{Max}$$ между двумя последовательными горизонтами наблюдения. Конечно, может использоваться более сложное условие стабилизации в контексте настоящего изобретения, если требуется.

Поскольку затронуто обновление администратора ресурсов уровня L2, в случае, в котором имеется приближающаяся перегрузка или освобождение полосы пропускания, задаются две пороговых величины, соответственно $${\theta }_i^{Max}$$ ·Δ_up и $${\theta }_i^{Max}$$ ·Δ_down. Приемлемыми значениями Δ_up и Δ_down являются соответственно 70% и 30%.

Это означает, что если условие (i) $${\theta }_i^{*}$$ ≥ $${\theta }_i^{Max}$$ ·Δ_up удовлетворено, принимающий решение DM_i должен информировать основной обрабатывающий модуль MAIN, администратора ресурсов уровня L2, что i-ая очередь напряжена чрезмерной нагрузкой трафика. Когда с другой стороны установлено условие (ii) $${\theta }_i^{*}$$ ≤ $${\theta }_i^{Max}$$ ·Δ_down, принимающий решения DM_i должен информировать основной обрабатывающий модуль MAIN администратора ресурсов уровня L2, что текущее распределение полосы частот для i-ой очереди является чрезмерным, то есть «чрезмерно» увеличенным по величине.

Когда оба условия не выполняются, это означает, что текущее распределение полосы пропускания для i-ой очереди является корректным, поскольку оно поддерживает корректный запас надежности по отношению к вычисленной потребности $${\theta }_i^{*}$$ полосы пропускания, чтобы предотвратить перегрузку в случае, в котором имеется быстрое возрастание трафика, не подвергаясь, однако, чрезмерному увеличению в размере.

В заключение, Фиг. 8 и 9 касаются передачи сигнализации между объектами от системы согласно изобретению. Конкретно, на Фиг. 8 представлен обмен информацией между каждым модулем принятия решения DM_i, и основным обрабатывающим модулем MAIN администратора ресурсов уровня L2, и на Фиг. 9 представлен обмен информацией между администратором ресурсов уровня L2 и администратором ресурсов верхнего уровня L3.

Обмен информацией между каждым модулем DM_i принятия решения и основным обрабатывающим модулем MAIN администратора ресурсов уровня L2 обеспечивается определением подходящих связных примитивов внутри уровня L2, которые являются очень простыми и включают в себя следующие функции:

- в условии (i):

Signal_of_L2internal_PreCongestionNotification(i, $${\theta }_i^{*}$$ ) (сигнал внутреннего для L2 предварительного уведомления о перегрузке);

- в условии (ii):

Signal_of_OverProvisioning(i, $${\theta }_i^{*}$$ ).

Первая функция используется в случае, в котором удовлетворяется условие (i), тогда как второе - в случае, в котором удовлетворяется условие (ii), и оба запускаются запросом от относительного модуля DM_i принятия решения.

В случае, в котором основной обрабатывающий модуль MAIN, администратора ресурсов уровня L2 принимает сообщение:

Signal_of_L2internal_PreCongestionNotification(i, $${\theta }_i^{*}$$ )

от модуля DM_i принятия решения, он может выбирать одно из трех возможных действий:

- повысить скорость обслуживания (распределенную полосу пропускания) для i-ой очереди (первый случай, указанный на фигуре) на приемлемую величину полосы пропускания согласно конкретной политике. Например, приемлемой политикой является повышение, обусловленное формулой

= $${\theta }_i^{*}$$ + $${\theta }_i^{*}$$ ·Δ_increase

где Δ_increase=30%. Однако, специалисту в данной области техники будет ясно, что другие политики, еще более сложные, являются возможными и могут быть применены на практике, и в целом Δ_increase может находиться в интервале 0,1 и 0,9;

- повторно назначить схему внутренней адресации потоков трафика между уровнем L3 и уровнем L2 (второй случай, иллюстрируемый на фигуре) согласно конкретной политике, чтобы уменьшить нагрузку от трафика для i-ой очереди. В этом случае последовательная величина $${\theta }_i^{*}$$ потребности полосы пропускания, в последовательном горизонте наблюдения модуля DM_i принятия решения должна быть ниже относительно текущей, или она может быть неизменной, пока является поддерживаемой;

- выдать предупреждение администратору ресурсов уровня L3 (третий случай, иллюстрируемый на Фиг. 8, а также на Фиг. 9). Подробно, администратор ресурсов уровня L2 должен возложить на администратор ресурсов уровня L3 ответственность за ограничение нагрузки от трафика к i-ой очереди на уровне L2. В этом случае связной примитив между этими двумя уровнями принимает форму в рабочее состояние:

Signal_of_L2toL3_PreCongestionNotification(),

где вызываемыми параметрами являются (TrafficClasses, $${\theta }_i^{Max}$$ ).

Первый параметр этой функции связи относится к идентификации вектора классов трафика на уровне L3, который выдает потенциальную перегрузку, вторым параметром является текущая величина для полосы пропускания, назначенной i-ой очереди, нагрузка от трафика которой считается чрезмерной. Следовательно, администратор ресурсов уровня L3 идентифицирует классы трафика, которые формируют состояние предварительной перегрузки на уровне L2, и может действовать, чтобы ограничить трафик в направлении уровня L2 согласно заданной политике вмешательства. Описание такой политики вмешательства, однако, находится вне рамок настоящего изобретения, поскольку различные выборы могут делаться на уровне L3 в зависимости от конкретной схемы качества обслуживания, примененной плоскостью управления уровня L3. Например, в случае, в котором плоскость управления уровня L3 использует протокол резервирования ресурса, администратор ресурсов уровня L3 может препятствовать, чтобы некоторые каналы для классов трафика передавались администратором ресурсов уровня L2. Количество каналов, подлежащих препятствованию, выводится в виде функции текущего значения $${\theta }_i^{Max}$$ . Политика препятствования, применяемая администратором ресурсов уровня L3, также выходит за рамки объема настоящего изобретения.

Следует отметить, однако, что некоторые действия следует перенести с уровня L3 по меньшей мере на уровень планирования, если протокол резервирования не является доступным для поддержки действий в режиме реального времени, например, при использовании обычного способа DiffServ. Если администратор ресурсов уровня L3 не предпринял действий после приема сообщения

Signal_of_L2toL3_PreCongestionNotification(),

то может иметься возможная перегрузка в ближайшем будущем, которая может обусловить, что соглашение по заданному уровню обслуживания не будет удовлетворено.

Порядок приоритетов в администраторе ресурсов уровня L2 в выборе между вышеупомянутыми действиями должен быть таким, как показано выше. Основной логикой является то, что эти действия определяют модификации, которые влияют все более возрастающим образом на текущую структуру плоскости данных уровня L2 или даже на уровне L3 (в случае последнего действия). В попытке минимизации изменений в рабочих условиях шкала приоритетов является такой, которая указана, так что, например, последнее предложенное действие выполнялось только в случае, в котором предшествующие действия не могут применяться по некоторой причине. Различные политики могут применяться администратором ресурсов уровня L2, чтобы принять решение, могут ли применяться первые действия. Например, администратор ресурсов уровня L2 может обеспечивать следующее неравенство

где N_L2 - число очередей на уровне L2 и C - максимальная емкость канала.

Если активация первого действия в очереди уровня L2 ведет к неуспешному достижению предшествующего условия, администратор ресурсов уровня L2, не может делать что-либо, кроме применения второго действия к такой очереди.

Другие условия для выбора из этих трех упомянутых выше действий могут обоснованно применяться в контексте настоящего изобретения.

В случае, в котором основной обрабатывающий модуль MAIN, администратора ресурсов уровня L2 принимает сообщение

Signal_of_OverProvisioning(i, $${\theta }_i^{*}$$ )

от модуля DM_i принятия решения (как указано внизу Фиг. 8), он может применить некоторую модель освобождения полосы пропускания в i-ой очереди, например типа

при Δ_decrease 30%.

Конечно, как упомянуто также относительно предшествующих случаев, более сложные политики повторного распределения могут применяться в контексте настоящего изобретения, и обычно Δ_decrease может находиться в интервале 0,1 и 0,9.

Наконец, следует отметить, что могут быть определены другие примитивы для поддержки механизма распознавания посредством основного обрабатывающего модуля MAIN администратора ресурсов уровня L2 и участвующего модуля принятия решения после уведомления сообщений

Signal_of_L2internal_PreCongestionNotification()

и

Signal_of_OverProvisioning()

или посредством администратора ресурсов уровня L3 (L3RM) и посредством администратора ресурсов уровня L2 (L2RM) после приема сообщения

Signal_of_L2toL3_PreCongestionNotification().

Однако считается, что механизм распознавания этого типа не является обязательным, даже если каждая конкретная форма примитивов распознавания является когерентной со схемой управления распределением полосы пропускания, определенной согласно настоящему изобретению.

Следует отметить, что предложенное осуществление для настоящего изобретения в предшествующем обсуждении дается просто в качестве примера, а не с целями ограничения. Специалист в данной области техники может легко реализовать изобретение с различными вариантами осуществления, которые, однако, не выходят за рамки представленных в общих чертах принципов, и которые, следовательно, охватываются настоящим патентом.

Это особенно действительно для возможности применения способа и системы согласно настоящему изобретению в разновидности осуществления, в котором шлюзовое устройство соединяет две части той же сети связи, где используются различные способы для обеспечения качество обслуживания (IntServ на DiffServ, IntServ на MPLS, DiffServ на MPLS, и так далее). В этом случае операция отображения состоит только из изменения в балансе агрегации трафика на уровне L3 согласно схемам взаимосвязанного QoS. Шлюзовое устройство действует в качестве как граничного маршрутизатора, например, между двумя частями наземной сети, и инкапсуляция или механизмы противо-замирания не применяются, а оно единственно обеспечивает процесс агрегации потоков трафика на уровне L3. Это по существу означает, что на стороне сети некоторыми классами трафика управляют отдельно, тогда как на противоположной стороне шлюза они комбинируются вместе.

Настоящее изобретение, таким образом, решает в целом задачу распределения полосы пропускания потоку трафика в каждом варианте осуществления, в котором операции агрегации трафика имеют место в узле доступа к сети связи или к части сети на основании технологии, которая отличается от (части) сети источника трафика или для которой обеспечиваются различные схемы качества обслуживания, чтобы разделять или агрегировать классы трафика.

Система для управления распределением полосы пропускания потокам трафика, передаваемым в узле доступа системы связи, согласно изобретению, может быть создана комбинацией аппаратно реализованных устройств или программно реализованных модулей обработки, которые приспособлены для исполнения компьютерной программы, или выполняются полностью в аппаратной форме или полностью в форме программного обеспечения. Компьютерная программа может содержать одно или более кодовых средств, включая команды, сохраненные на материальном носителе, как, например, носитель, который может быть считан процессором, возможно съемный носитель, который можно транспортировать (накопитель на жестком диске, ПЗУ на компакт-диске (CD-ROM), носитель памяти для постоянного запоминающего устройства (ROM), и подобное), или распространяться сервером в сети связи посредством любого заданного передающего средства и выполняться посредством системы обработки. Кроме того, передающее средство может быть материальным средством, подобным, например, оптической или электрической линии связи, или передающим средством на основании способов беспроводной связи (микроволн, инфракрасного излучения или других способов передачи). Кодовое средство, содержащее команды для процессора, может осуществлять все или части функциональных возможностей, описанных ранее. Конечно, такие команды могут быть написаны на любом из языков программирования, приспособленных, чтобы использоваться с любой архитектурой системы обработки или для любой операционной системы.

Например, при реализации вышеупомянутого способа, различные операции могут выполняться различными объектами, включенными в различные уровни предварительно выбранного стека протоколов, эти операции могут быть реализованы посредством программного обеспечения благодаря компьютерной программе, резидентной в области памяти, которая может считываться процессором, распределенным в каждом из таких объектов.

Конечно, не влияя на принцип изобретения, варианты осуществления и подробности его реализации могут широко меняться по отношению к тому, что было описано и проиллюстрировано лишь в качестве неограничительного примера без выхода за рамки объема охраны изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.

1. Способ управления потоками неоднородного трафика, осуществляющими доступ к сети связи (WN), причем узел (G) доступа сети управляет агрегацией потоков трафика по меньшей мере в действительной очереди передачи на заданном уровне (L2) протокола сети, включая распределение заданной полосы пропускания упомянутой очереди передачи, чтобы гарантировать соответствующее качество обслуживания , установленное согласно соглашению об уровне обслуживания;
отличающийся тем, что содержит этапы, на которых:
формируют виртуальную очередь передачи, включающую в себя текущую репликацию агрегированного потока трафика в действительной очереди передачи,
измеряют по меньшей мере параметр, представляющий текущее качество обслуживания , полученное на виртуальной очереди передачи, в множестве заданных последовательных горизонтов (OH_i(k)) наблюдения;
динамически оценивают потребность полосы пропускания виртуальной очереди передачи, соответствующей качеству обслуживания, в виде функции значения, принимаемого упомянутым параметром в каждом горизонте наблюдения (OH_i(k)); и
изменяют полосу пропускания , распределенную действительной очереди передачи для последующего горизонта наблюдения (OH_i(k+1)), или ограничивают поток трафика к очереди согласно оцененной потребности полосы пропускания.

2. Способ по п. 1, в котором упомянутый параметр, представляющий качество обслуживания, выбирают из группы параметров, содержащей допустимый уровень потерь пакетов данных, допустимую задержку передачи пакета данных, допустимый джиттер в передаче пакета данных.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором оценивание динамически потребности полосы пропускания в заданном горизонте наблюдения (OH_i(k)) включает в себя этап, на котором вычисляют ошибку (e_j(·,k)) между значением параметра, представляющего текущее качество обслуживания , и значением параметра, представляющего качество обслуживания , требуемое соглашением об уровне обслуживания.

4. Способ по п. 1, содержащий этап, на котором определяют потребность полосы пропускания, оцениваемой для последующего горизонта наблюдения (OH_i(k+1)) согласно общему выражению:

где F(·) является заданным алгоритмом для оценки полосы пропускания, и управляет выбором наивысшего значения потребности полосы пропускания среди различных классов трафика на сетевом уровне (L3) протокола.

5. Способ по п. 4, в котором алгоритм F(·) оценки сформулирован в виде

где η_k является величиной шагов градиента, если параметр, представляющий качество обслуживания, является вероятностью потери пакета или средней задержкой передачи пакета.

6. Способ по п. 4, в котором алгоритм F(·) оценки сформулирован в виде

причем e_j(·) является пропорциональным компонентом, ^de_j(·) - производным компонентом и ⁱe_j(·) - интегральным компонентом пропорционально-интегрально-дифференциального закона (PID) оценки и ω_p, ω_d и ω_i являются соответствующими параметрами регулирования.

7. Способ по п. 3, в котором измерение по меньшей мере параметра, представляющего качество обслуживания , отображенное на заданный уровень (L2) протокола, используемый для вычисления величин ошибки (e_j(·,k)) между значением параметра, представляющего текущее качество обслуживания , и значением параметра, представляющего качество обслуживания , требуемое соглашением об уровне обслуживания, представляет качество обслуживания , связанное с потоками трафика по полному пути прохождения до целевого узла сети.

8. Способ по п. 3, в котором измерение по меньшей мере параметра, представляющего качество обслуживания , отображенное на заданный уровень (L2) протокола, используемого для вычисления величин ошибки (e_j(·,k)) между значением параметра, представляющего текущее качество обслуживания , и значением параметра, представляющего качество обслуживания, требуемое соглашением об уровне обслуживания, представляет качество обслуживания , связанное с потоками трафика по части пути прохождения к целевому узлу сети.

9. Способ по п. 1, в котором динамическое оценивание потребности полосы пропускания в заданном горизонте наблюдения (OH_i(k)) включает в себя этап, на котором вычисляют эквивалентную полосу пропускания для каждого горизонта наблюдения (OH_i(k)) согласно общему выражению:


где F(·) является заданным алгоритмом для оценки полосы пропускания, m_i(k) и σ_i(k) являются средним значением и стандартным отклонением, соответственно, обработки интенсивности входящего потока для очереди передачи на горизонте наблюдения (OH_i(k)), PLP^* _EqB является самым строгим требованием для вероятности потери пакета среди различных классов трафика на сетевом уровне (L3) протокола, передаваемого через очередь передачи , и управляет выбором наивысшего значения потребности полосы пропускания среди различных классов трафика на сетевом уровне (L3) протокола.

10. Способ по п. 1, в котором динамическое оценивание потребности полосы пропускания в заданном горизонте наблюдения (OH_i(k+1)) включает в себя стабилизацию оцененной потребности полосы пропускания при удовлетворении условия сходимости:

причем ε_i является заданным порогом стабилизации между двумя последовательными горизонтами наблюдения (OH_i(k); OH_i(k+1)).

11. Способ по п. 1, в котором временная размерность горизонта наблюдения (OH_i(k)) находится в интервале [1,360] с.

12. Способ по п. 1, в котором для каждой действительной очереди передачи первоначально выделяют начальную полосу пропускания , которая установлена на основе планирования в зависимости от доступного прогноза трафика.

13. Способ по п. 1, содержащий этап, на котором определяют условие приближающейся перегрузки при установлении отношения , где является заданным порогом сравнения, причем Δ_up составляет 0,7.

14. Способ по п. 1, содержащий этап, на котором определяют условие освобождения полосы пропускания при установлении отношения , где является заданным порогом сравнения, причем Δ_down составляет 0,3.

15. Способ по п. 13, включающий в себя этап, на котором при определении условия приближающейся перегрузки:
увеличивают полосу пропускания , распределенную действительной очереди передачи для последующего горизонта наблюдения (OH_i(k+1)) в заданную величину, в виде

где Δ_increase находится в интервале [0,1; 0,9];
или, в качестве альтернативы, в порядке уменьшения приоритета
ограничивают поток трафика к очереди в соответствии с оценкой потребности полосы пропускания.

16. Способ по п. 13, включающий в себя этап, на котором при определении условия освобождения полосы пропускания уменьшают полосу пропускания , распределенную действительной очереди передачи для последующего горизонта наблюдения (OH_i(k+1)), в заданную величину, в виде

где Δ_decrease находится в интервале [0,1; 0,9].

17. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его выполняют на сетевом уровне (L3) стека протоколов связи, выполняющего агрегацию потоков неоднородного трафика без изменения формата инкапсуляции пакетов данных путем отображения заданного качества обслуживания между различными протоколами, действующими на том же сетевом уровне (L3).

18. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его выполняют на
уровне (L2) канала данных стека протоколов связи, выполняющего агрегацию потоков неоднородного трафика от верхнего сетевого уровня (L3) путем инкапсуляции пакетов данных каждого потока в кадре данных, назначенном очереди передачи, предназначенной для транспортирования на физическом канале передачи, путем отображения качества обслуживания , заданного на верхнем сетевом уровне (L3) стека протоколов.

19. Система для управления потоками неоднородного трафика, осуществляющими доступ к сети связи (WN), содержащая один или более модулей обработки, запрограммированных для реализации плоскости управления (CP_L2) и плоскости данных (UP_L2), выполненных с возможностью выполнения агрегации упомянутых потоков трафика по меньшей мере в действительной очереди передачи на заданном протокольном уровне (L2) сети для транспортирования потоков трафика по меньшей мере на канале передачи,
отличающаяся тем, что плоскость данных (UP_L2) включает в себя виртуальную очередь передачи, включающую в себя текущую репликацию агрегированного потока трафика в действительной очередипередачи; и плоскость управления (CP_L2) включает в себя модуль администратора ресурсов (L2RM), выполненный с возможностью
измерять по меньшей мере параметр, представляющий текущее качество обслуживания , полученный на виртуальной очереди передачи , в множестве заданных последовательных горизонтов наблюдения (OH_i(k)),
динамически оценивать потребность полосы пропускания виртуальной очереди передачи , чтобы гарантировать соответствующее качество обслуживания , установленное согласно соглашению об уровне обслуживания, в виде функции значения, принимаемого упомянутым параметром; и
изменять полосу пропускания, распределенную действительной очереди передачи для последующего горизонта наблюдения (OH_i(k+1)), или ограничивать поток трафика к упомянутой очереди в соответствии с оценкой потребности полосы пропускания,
причем плоскость управления (CP_L2) и плоскость данных (UP_L2) выполнены с возможностью выполнения способа управления потоками неоднородного трафика, осуществляющими доступ к сети.

20. Система по п. 19, в которой администратор ресурсов (L2RM) плоскости управления (CP_L2) для уровня (L2) канала данных содержит множество модулей (DM_i) принятия решения, каждый из которых ассоциирован с соответственной виртуальной очередью передачи для оценивания связанной потребности полосы пропускания, чтобы удовлетворять уровням качества обслуживания для потоков , передаваемых в соответствующей действительной очереди передачи.

21. Система по п. 20, в которой каждый модуль (DM_i) принятия решения на основе оценки потребности полосы пропускания выполнен с возможностью передавать сообщение «приближающаяся перегрузка» или сообщение «освобождение полосы пропускания» на основной обрабатывающий модуль (MAIN) в администраторе ресурсов (L2RM).

22. Система по п. 21, в которой администратор ресурсов (L2RM) уровня канала данных (LM) выполнен с возможностью сообщения по меньшей мере администратору ресурсов более высокого уровня (L3RM), что не являются доступными достаточные ресурсы полосы пропускания для поддержки необходимого качества обслуживания относительно текущего потока трафика.

23. Узел доступа сети связи, содержащий систему для управления потоками трафика по любому из пп. 19-22.

24. Узел доступа сети связи по п. 23, отличающийся тем, что включает в себя шлюзовое устройство (G), выполненное с возможностью соединения между собой двух локальных и/или глобальных сетей (TN, WN) с различными архитектурами, и является выполненным с возможностью выполнения преобразования протоколов связи и выполнения процесса агрегации потоков трафика на уровне (L2) канала данных протокола.

25. Узел доступа сети связи по п. 23, отличающийся тем, что включает в себя шлюзовое устройство (G), действующее в качестве граничного маршрутизатора, выполненное с возможностью соединения между собой двух частей той же сети связи (TN; WN), где используются два различных способа поддержки необходимого качества обслуживания , и является выполненным с возможностью выполнения процесса агрегации потоков трафика на сетевом уровне (L3) протокола.

26. Сеть связи, содержащая по меньшей мере узел доступа по одному из пп. 23-25.

27. Машиночитаемый материальный носитель, на котором сохранена компьютерная программа, содержащая кодовое средство, включающее в себя команды для выполнения способа управления потоками неоднородного трафика, осуществляющими доступ к сети связи (WN), по любому из пп. 1-18.