一种考虑物理链路历史占用情况的虚拟链路帧间间隔的监测系统

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明的一种考虑物理链路历史占用情况的虚拟链路帧间间隔的监测系统，该监测系统应用于虚拟链路复用物理链路的交换式局域网络；在这样网络中，采用本发明能够对于多条虚拟链路进行先入先出多路复用排队后的输出流量进行监测，即：测量属于某条虚拟链路的相继两帧之间的间隔时间，并根据物理链路的历史占用情况监视时延抖动是否合理。利用本发明的监测结果，可以辅助流量管制，即：检查并限制多用复用排队输出流量的突发度。

参见图1所示，本发明的一种考虑物理链路历史占用情况的虚拟链路帧间间隔的监测系统，该系统包括有基于模型的监测模块30、信号适配模块20、监测结果记录模块40和操作接口50组成。

信号适配模块20第一方面通过网络接口10接收物理链路上的数据包有效信号AA、虚拟链路标识信息AB和数据包到达事件AC；

信号适配模块20第二方面依据对接收到的数据包有效信号AA的时钟计数值，得到数据包的长度信息len212，然后将len输出给忙状态观测器301；

信号适配模块20第三方面将接收到的数据包到达事件AC与本地时钟同步，转化为适配后的数据包到达事件arrival 211，然后将arrival输出给忙状态观测器301；

信号适配模块20第四方面将接收到的虚拟链路标识信息AB和数据包到达事件AC在到达事件分配器201中，以AB作为索引来选择AC，并将选择出的AC与本地时钟同步，并生成带有标识符的虚拟链路到达事件arr[i]213，然后将arr[i]输出给时延抖动监测器302；在本发明中，对到达后的虚拟链路标识信息进行标识符vlid标记，如图中vlid＝1表示第1条虚拟链路标识信息，vlid＝i表示第i条虚拟链路标识信息(也称为任意一条VL所对应的时延抖动监测器的输入)，vlid＝n表示第n条虚拟链路标识信息。

基于模型的监测模块30是本发明的监测机构的核心，包括有一个忙状态观测器301以及一组设置为vlid＝i的时延抖动监测器302，每个时延抖动监测器对应于每一条被监测VL；

忙状态观测器301根据接收到的arrival和len来观测物理链路是否处于忙状态，并计算当前忙状态的持续时间bst(t_j)311，t_j表示观测的时刻，然后将bst(t_j)输出给时延抖动监测器302；

时延抖动监测器302第一方面以vlid的取值作为索引，接受arr[i]为触发信号，以此触发各自的时延抖动监测器；

时延抖动监测器302第二方面根据相继到达的arr[i]在观测的时刻t_j测量帧间到达的间隔T_i(t_j)；

时延抖动监测器302第三方面通过操作接口50为每一个时延抖动监测器设置第i条虚拟链路的带宽分配间隔T_G，i和最大允许的时延抖动J_max，i；

时延抖动监测器302第四方面将帧间到达的间隔T_i(t_j)与设置的第i条虚拟链路的带宽分配间隔T_G，i相比较，若T_i(t_j)＜T_G，i，则认为存在时延抖动J_i并输出数据包时延抖动事件jittered[i]321给监测结果记录模块40；

时延抖动监测器302第五方面根据设置的第i条虚拟链路的带宽分配间隔T_G，i、最大允许的时延抖动J_max，i，以及接收到的bst(t_j)构成帧间间隔取值的约束条件若满足则说明帧间间隔的时延抖动合理，反之帧间间隔的时延抖动不合理；

时延抖动监测器302第六方面若时延抖动不合理，则输出数据包不合理时延抖动事件err[i]322给监测结果记录模块40。

在本发明中，数据包时延抖动事件jittered[i]允许的最大时延抖动值记为J_max，i。

在本发明中，时延抖动监测器302的规模由应用需求和硬件实现的能力决定，在图1中设vlid的值分别为1，2，…，i，…，n，n表示时延抖动监测器的总数(也是被监测的VL的条数)，i表示第i个时延抖动监测器(也称为任意一个时延抖动监测器)。在图1中设vlid的值分别为1，2，…，i，…，n也对应于到达事件分配器201输出的有arr[1]，arr[2]，…，arr[i]，…，arr[n]。而在实现中，vlid的值取实际的VL标识值。同时也用vlid的值标识监测结果，如vlid＝1时的时延抖动监测器输出的数据包时延抖动事件为jittered[1]，vlid＝2时的时延抖动监测器输出的数据包时延抖动事件为jittered[2]，vlid＝i时的时延抖动监测器输出的数据包时延抖动事件为jittered[i]，vlid＝n时的时延抖动监测器输出的数据包时延抖动事件为jittered[n]。设某个时延抖动监测器的vlid＝i，根据设置则有相应的带宽分配间隔T_G，i和允许的最大时延抖动J_max，i。

监测结果记录模块40第一方面将接收的jittered[1]，jittered[2]，…，jittered[i]，…jittered[n]各自进行计数，得到从监测启动/复位至当前时间对应于vlid＝i的VL的时延抖动发生的次数(简称为抖动总次数)401；

监测结果记录模块40第二方面将接收的err[1]，err[2]，…，err[i]，…err[n]各自进行计数，得到从监测启动/复位至当前时间对应于vlid＝i的VL的不合理的时延抖动发生的次数(简称为抖动不合理次数)402；

监测结果记录模块40第三方面将抖动总次数401和抖动不合理次数402输出给操作接口50；

监测结果记录模块40第四方面根据操作接口50提供的启动/暂停指令501决定是否开始记录或暂停记录监测结果；

监测结果记录模块40第五方面当从操作接口50接收到有效的复位指令502时，则将当前记录的抖动总次数和抖动不合理次数清零。

在本发明中，操作接口50第一方面将人机交互设备60设置的T_G，i和J_max，i提供给对应于vlid＝i的时延抖动监测器；第二方面将人机交互设备60设置的勤务信号长度L′、容忍值d、物理链路的码传输速率C提供给忙状态观测器301；第三方面用于将抖动总次数401和抖动不合理次数402输出给人机交互设备60或者输出到其它处理模块70。其它处理模块70是指需要应用抖动总次数401和抖动不合理次数402的一些设备，如进行再次的仿真、或者丢弃突发流量的流量管理控制机构等。

本发明的监测系统一般嵌入于虚拟链路接入到网络的终端系统，或是嵌入于交换机的多路复用引擎，它们与原有的流量管制机制相配合，进行流量特征的监测。

参见图2所示，在时延抖动监测器302中，属于某一条VL的帧可以由于其它帧先于它占用物理链路造成延迟。第一条虚拟链路VL₁中的第1帧Fr_1，1，由于第二条虚拟链路VL₂中第1帧Fr_2，1先于它占用物理链路；属于VL₁的相继两帧之间的时间间隔T可能小于T_G，而小于的部分为时延抖动J。

第一条虚拟链路VL₁中存在J₁(t₁)＝max(T_G，1-T₁(t₁)，0)，t₁为第一条虚拟链路VL₁上测量点的时刻，J₁(t₁)为在测量点时刻t₁时的测量到的时延抖动。

第二条虚拟链路VL₂中存在J₂(t₂)＝max(T_G，2-T₂(t₂)，0)，t₂为第二条虚拟链路VL₂上测量点的时刻，J₂(t₂)为在测量点时刻t₂时的测量到的时延抖动。

对于给定的VL，如果源端(或上一级节点)流量整形(或流量管制)是有效的，而且没有其它VL在交换路径上离开聚合流量，则如果存在合理的时延抖动，则前面一个帧输出到物理链路上之前，物理链路一定处于忙状态，而且，这个帧被延迟输出的最大时间值等于它在输出物理链路上被观测到的时刻之前忙状态持续的时间。

传统的流量监测机制根据最坏情况下的计算出最大的抖动J_max，并用检测同一条VL的相继的两帧之间的间隔是否小于T_G，1-J_max，如不小于则认为是合理的；然而，这样忽略了对于时延抖动成因的检查。

参见图3(a)所示，对于VL₁的规定流量整形间隔为T_G，1，虽然第1帧Fr_1，1和第2帧Fr_1，2之间的间隔T₁(y₁)大于T_G，1-J_max，1，但Fr_1，1的到达时刻t₀物理链路是空闲的，说明当时没有其它帧阻止Fr_1，1的输出，因而不会缩短Fr_1，1和fr_1，2之间原有的流量整形间隔，出现时延抖动是不合理的。

定义当帧紧接着到达物理链路的状态为“忙”，在有新的帧到达的时刻t，测得当前“忙”时段(busy period)已经持续的时间，记为bst(t_j)，并规定如果测量时刻之前物理链路是空闲的，则bst(t_j)＝0。

参见图3(b)所示，在忙时刻t_x到来，即bst(t_x)＝0，而在Fr_1，1的到达时刻t₀，物理链路由于其它VL的帧F_x(可以是接连的几个帧)的占用处于忙状态，有bst(t₀)＞0，测得Fr_1，1和Fr_1，2之间的间隔T₁(t₁)小于T_G，1，将存在T_G，1-bst(t₀)≥T_G，1-J_max，1，说明对于Fr_1，1存在于F_x对物理链路的占用，则会发生时延抖动，并且抖动值在设置的范围J_max，1之内。当bst(t₀)＜J_max，1时，只有T₁(t₁)≥T_G，1-bst(t₀)，t₁时刻及其之后，VL₁后续帧的出现才是合理的。

参见图3(c)所示，当bst(t₀)≥J_max，1时，要满足T₁(t₁)≥T_G，1-J_max，1的约束，在t₁时刻及其之后，VL₁后续帧的出现才是合理的。

根据上述事实，对于属于的帧，设到达时刻为{…，t_j-1，t_j，t_j+1，…}，在这些时刻测量到达帧与同属于VL_i的前驱帧的间隔T_i(t_j)，测量并记录当时物理链路所处“忙”时段的持续时间bst(t_j)，并规定：bst(t_j)中不累计当前到达帧的长度，并以它的上一次的值为初始值bst(t_-1)＝0，有效观测值从bst(t₀)开始；前驱帧与后继帧之间的间隔取值的约束条件为本发明正是根据该约束条件，通过对上述测量值的观测与记录，对虚拟链路的帧间间隔进行监测。

判断虚拟链路的前驱帧与后继帧之间的取值是否满足约束条件，可以采用顺序执行的程序流程；但考虑到：需要对聚合流量中的多条虚拟链路同时进行监测，需要对每条虚拟链路中相继的帧不断地进行间隔监测，并且物理链路的忙状态的判定需要精细地测量帧与帧之间是否紧接占用线路，如果采用顺序的流程不能满足精细定时和并发监测的需要；因此，采用并发的忙状态观测器301和多个时延抖动监测器的组合实现，它们分别对物理链路的“闲”(Idle)和“忙”(Busy)的工作状态进行处理，以及虚拟链路中带有定时参数的状态机制，通过事件触发或定时触发进行处理。

实时网络通信中为了保证有足够的链路带宽资源，并且出于设计扩展的需要，利用率一般留有一定的余量；但如果在物理链路利用率接近100％的极端情况——尽管从系统设计的角度要避免出现这样的情况，导致“忙”时段很长，其中出现属于某条VL的多个帧。

在本发明的虚拟链路帧间间隔的监测系统中，可以采用可编程硬件实现，如：FPGA芯片。

硬件访问的网络接口10是介质无关接口(Media Independent Interface，MII)，根据不同的网络不同。例如：对于以太网，可以采用Xilinx UG138手册介绍的“三态MAC”——TEMAC，它们是商用IP核，依据所采用的硬件芯片而选购。

为了获得并发运行监测，以及测试对应链路工作状态的优点，建议用基于模型的含有定时参数的状态机实现忙状态观测器和时延抖动监测器。

参见图1、图12所示，忙状态观测器301是一个含有定时参数的状态机模型，它可以用可编程硬件实现。硬件的时钟对应时钟变量，它们以离散的计时数制代替连续的物理时间。

在实现中，bst(t_j)中的时间参数t_j通过本地的计时器c(也称为本地时钟)的值离散化表示，得到本地时钟度量下的忙状态观测量，记为bst_c。除了本地时钟c外，还具有为状态停留时间计时的计时器，其计数值被称为时钟变量，记为x。

数据包长度L由信号适配模块20的数据包的长度信息len 212读取，勤务信号长度L′、容忍值d、物理链路的码传输速率C是设计给定的参数，从人机交互设备60设置，且由操作接口50分发。容忍值d的设定是考虑到采样误差和帧实际发送时的误差，通过本地时钟c的计数值判断，当前后两帧间相距不超过d，则认为这样的两个帧是紧接着的。

参见图4所示，在忙状态观测器301的初始状态Idle，判断来自信号适配模块20的数据包到达事件arrival 211是否到达，如果没有到达，则停留在空闲状态Idle；若到达，则立即读取数据包的长度信息len 212，并将数据包的长度信息len212的值赋给数据包长度L，将时钟变量x复位，并启动计时，且令bst_c＝0，此时bst(t_j)＝bst_c是忙状态观测器301的输出，且令忙状态观测器301进入忙状态Busy；

在忙状态Busy下，判断时钟变量x的值是否满足非连续到达条件x＞(L+L′)×C+d，若满足，则说明前后两个数据包不是紧接着到达的，则令bst_c＝0，此时bst(t_j)＝bst_c是忙状态观测器301的输出，且忙状态观测器301返回空闲状态Idle；若不满足，则判断来自信号适配模块20的数据包到达事件arrival 211是否到达，若未到达，则忙状态观测器301返回忙状态Busy，若到达，则读取数据包的长度信息len 212，并将数据包的长度信息len 212的值赋给数据包长度L，将时钟变量x复位(即x＝0)，并继续计时，将bst_c赋值为bst_c+(L+L′)×C，此时bst(t_j)＝bst_c是忙状态观测器301的输出，并且忙状态观测器301返回忙状态Busy。

参见图5所示，具有vlid＝i的时延抖动监测器启动时，进入初始状态Idle；所述的vlid＝i的时延抖动监测器具有为状态停留时间计时的计时器，其计数值被称为时钟变量，记为y[i]，所述的vlid＝i的时延抖动监测器具有一个忙时间变量b的寄存器(该寄存器仅限于被所属的时延抖动监测器访问)；在初始状态将所述时钟变量y[i]复位，即y[i]＝0，并启动计时，随后具有vlid＝i的时延抖动监测器进入准备状态Ready；在准备状态Ready下，判断来自信号适配模块20的vlid＝i的数据包到达事件arr[i]是否到达，若未到达，则在准备状态Ready下继续判断，直至arr[i]到达；若到达，则读取bst(t_j)，并将bst(t_j)的值赋给忙时间变量b，判断b≥J_max，i是否成立，若成立则vlid＝i的时延抖动监测器进入第一种等待状态Wait-1，若不成立则vlid＝i的时延抖动监测器进入第二种等待状态Wait-2；

vlid＝i的时延抖动监测器在第一种等待状态Wait-1下，判断y[i]≥T_G，i-J_max，i是否成立，当y[i]≥T_G，i-J_max，i不成立且收到来自信号适配模块20的vlid＝i的数据包到达事件arr[i]，则读取bst(t_j)，并将bst(t_j)的值赋给忙时间变量b，并将y[i]复位，即y[i]＝0，依次输出jittered[i]和err[i]到监测结果记录模块40并使vlid＝i的时延抖动监测器返回到准备状态Ready，若y[i]≥T_G，i-J_max，i不成立但arr[i]未收到，则在vlid＝i的时延抖动监测器在第一种等待状态Wait-1下继续判断；若成立则在y[i]＝T_G，i-J_max，i的时刻立即进入第三种等待状态Wait-3；

vlid＝i的时延抖动监测器在第二种等待状态Wait-2下，判断y[i]≥T_G，i-b是否成立，当y[i]≥T_G，i-b不成立且收到来自信号适配模块20的vlid＝i的数据包到达事件arr[i]，则读取bst(t_j)，并将bst(t_j)的值赋给忙时间变量b，并将y[i]复位，即y[i]＝0，依次输出jittered[i]和err[i]到监测结果记录模块40并使vlid＝i的时延抖动监测器返回到准备状态Ready，若y[i]≥T_G，i-b不成立但arr[i]未收到，则在vlid＝i的时延抖动监测器在第二种等待状态Wait-2下继续判断；若成立且在y[i]＝T_G，i-b的时刻立即进入第三种等待状态Wait-3；

vlid＝i的时延抖动监测器在第三种等待状态Wait-3下，判断y[i]≥T_G，i是否成立，当y[i]≥T_G，i不成立且收到来自信号适配模块20的vlid＝i的数据包到达事件arr[i]，则读取bst(t_j)，并将bst(t_j)的值赋给忙时间变量b，并将y[i]复位，即y[i]＝0，输出jittered[i]到监测结果记录模块40并使vlid＝i的时延抖动监测器返回到准备状态Ready，若y[i]≥T_G，i不成立但arr[i]未收到，则在vlid＝i的时延抖动监测器在第三种等待状态Wait-3下继续判断；若成立且在y[i]＝T_G，i的时刻立即返回初始状态Init。