[发明专利]一种受约束排队系统的调度方法

说明书

今日的Internet不但在规模上，而且在容量上都迅速增长。此外，近期有一个趋势是将快速包交换机如ATM交换机作为新一代路由器的底层硬件。因此极需设计一种可满足不同网络环境的包交换机体系结构。采用该体系结构生产的包交换机可以部署在从接入网到骨干网的不同位置。为达到此目的，采用的交换机体系结构必须要有很好的扩展性。交换机的扩展性主要决定于所用的排队策略，即供排队之用的缓冲区所处的位置及其组织机制。一般地，排队方案可分为输入端排队、中央排队、输出端排队或前者间之组合。在各种方案中，输入端排队具有最好的扩展性。然而，一个输入端排队之交换机达到高性能的关键是设计一个高效调度方法来调度排队中的数据包从输入端到输出端间的传送。

本文给出(我们命名为)DSP的高效动态调度方法(在第5节中描述)。该方法可用来对在输入端排队交换机中的数据包进行调度。然而，该方法的应用并不仅仅局限于输入端排队交换机。其应用包括有线网和无线网、电子网和光纤网，等等。我们以下的讨论从一个受约束排队系统模型开始。

一个NxM的受约束排队系统有N个发送源和M个目的站。该受约束排队系统中的时间被离散成以时间段为单位。到达该系统发送源的数据包(顾客)在他们被调度传送到目的站以前将在发送源的缓冲区排队。数据包仅在时间段的开始到达该系统的发送源。到达发送源后的数据包将在各个时间段内被DSP方法调度它们传送到相应目的站的次序。依据此次序，各个数据包将在各时间段的结束被传送到相应目的站。各个数据包的传送时间以时间段为单位来衡量。如不加说明，每个数据包的传送时间假设为一个时间段。每个数据包的传送延迟定义为其到达相应发送源及目的站的时间间隔。再者，有限的互连网络资源仅在以下限制被满足的情况下可同时建立连接多个发送源及多个目的站间的路径：

限制1：任何时间，这些同时建立的路径相互间没有共同的发送源和目的站。

在同一时间到达该受约束排队系统的不同发送源的数据包有可能要被送到相同的目的站，其结果是造成对发送源和目的站的竞争。这些竞争必须用某种方法来解决。在竞争中获胜的包将沿着建立的路径被传送到它们的目的站。而在竞争中失败的包则进入缓冲区排队，以候下次调度。用来组织排队的机制及解决对发送源和目的站的竞争的方法是影响该受约束排队系统的关键因素。解决对发送源和目的站的竞争是该受约束排队系统所用调度方法的主要任务。

具体地，每个队列中的数据包以它们的目的站优先级来进行排队。因此在每个队列中排头的数据包具有该队列中所有数据包的最高目的站优先级。任何时间段里，仅于各个队列中排头的数据包在满足以下限制的情况下可被调度传送到其目的站：

限制2：在每个时间段里，每个发送源最多可以传出一个数据包。

限制3：在每个时间段里，每个目的站最多可以接收一个数据包。

详细地，在每个时间段的开始，调度方法对各个队列中排头的数据包进行调度。然后在每个时间段的结束，被调度方法所选中的数据包将被传送到它们的目的站。

例子：图1给出的是一个3×3的受约束排队系统。图2给出了在一个受约束排队系统中的调度及传送操作的时序关系。

与其它同领域中的方案一样，我们假设每个发送源缓冲区中的数据包按它们的目的站来进行组队。即是，要送到同一个目的站的数据包组成一条独立的队列。此组队方式可有效解决困扰先进先出队列的所谓队头堵塞问题。(在先进先出排队方式中，每个发送源维持一条队列来对所有到达该发送源的数据包提供缓冲。)调度方法根据排队中的数据包状态来进行调度。

以上所述的受约束排队系统是一系列网络的抽象模型，例如，输入端排队的交换机、波分光纤网、无线网及等等。

我们的命为DSP的创造性动态调度方法可以控制每个数据包的延迟。为达此目的，现存的研究已在输入端排队交换机的环境里作了一些努力及设计了一些方法。不同方法间的区别主要在于如何从排队中的数据包状态来获得所需的调度信息。与其它方法不同的是，我们的DSP方法是唯一的且是创造性的。主要表现在其所达到的高效、高性能、低复杂度以及易于物理实现。

现阶段已有多个对一种称之虚拟输出端排队交换机的输入端排队交换机的调度方法[文献1，3，4，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19]。根据它们可否控制各个数据包通过交换机的延迟，这些现存的方法大体上可分为两大类。