潘彩田　胡俊鵬

摘 要 漏桶算法廣泛運(yùn)用于對(duì)傳輸業(yè)務(wù)流進(jìn)行流量管理和資源分配。但是漏桶算法并不能減弱流量波動(dòng)和負(fù)載增加時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的惡性影響、彈性較弱。云計(jì)算分布式環(huán)境下，需要流量波動(dòng)幅度更小的整流算法，本文提出了改進(jìn)的漏桶算法，可以增強(qiáng)其對(duì)突發(fā)流量的承受能力。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，證明改進(jìn)的漏桶算法在服務(wù)性能上有所提高。

關(guān)鍵詞 漏桶算法；整流優(yōu)化；云計(jì)算；負(fù)載均衡

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）16-0038-02

漏桶算法（Leaky Bucket）是云計(jì)算環(huán)境下實(shí)現(xiàn)流量整形（Traffic Shaping）、速度限制（Rate Limiting）時(shí)最常用的一種算法，它的主要目的是控制數(shù)據(jù)注入到網(wǎng)絡(luò)的速度，平滑網(wǎng)絡(luò)上的突發(fā)流量。漏桶算法平滑流量服務(wù)主要通過(guò)在輸出端組成輸出隊(duì)列[1]，對(duì)輸入報(bào)文以額定速率向外發(fā)送，也稱虛輸出排隊(duì)，突發(fā)流量可以被整形以便為網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)穩(wěn)定的流量。但傳統(tǒng)的漏桶算法存在缺陷，不能減弱流量波動(dòng)和負(fù)載增加時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的惡性影響[2]，基于漏桶的流量控制策略稍有不慎便會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)安全、用戶體驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)效益都將產(chǎn)生巨大的影響；云計(jì)算中流量控制性能和安全的提升將會(huì)成為制約云計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵所在。基于此，提出了通過(guò)變速標(biāo)記手段進(jìn)行改進(jìn)的漏桶算法，提高了漏桶吞吐量，使漏桶性能有一定改進(jìn)，Qos有所提高。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

目前國(guó)內(nèi)外業(yè)界廣泛采用的單速三色漏桶算法，是目前最為通用和先進(jìn)的算法。以下就基本算法、流行的算法和國(guó)內(nèi)一種新型算法作了介紹。

1）基本漏桶算法。漏桶算法進(jìn)行整流時(shí)，在輸入報(bào)文進(jìn)行輸入時(shí)，如有足夠帶寬可提供服務(wù)，則讓其進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，否則讓到來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)入緩沖區(qū)排隊(duì)等待，具體設(shè)計(jì)時(shí)一般與令牌桶結(jié)合來(lái)達(dá)到限定額定速率的目的，主要用緩沖器和令牌發(fā)生器實(shí)

現(xiàn)[3]。令牌桶是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)部存儲(chǔ)池，而令牌則是以給定速率填充令牌桶的虛擬信息包。每個(gè)到達(dá)的數(shù)據(jù)包分組塊都會(huì)從令牌桶中取走一定數(shù)量的令牌[4]。

2）單速三色標(biāo)記算法（Single Rate Three Color Market，srTCM）。該算法也是基于漏桶的重要的流量整形算法，目前在業(yè)界中運(yùn)用最為廣泛，如Cisco的Polices管制器即用到這項(xiàng)技術(shù)[5]。單速三色標(biāo)記算法基于區(qū)分服務(wù)[6]理念，維持兩個(gè)桶，C（Commitied Brust Size，CBS）桶和E（Excess Brust Size，EBS）桶，二者以CIR（Commited Information Rate）產(chǎn)生令牌，數(shù)據(jù)報(bào)文到來(lái)先入C桶，后入E桶，兩桶均滿載后，新產(chǎn)生令牌一般情況下將被丟棄，數(shù)據(jù)包進(jìn)入緩存器前，按照一定規(guī)則進(jìn)行顏色標(biāo)記，決定丟棄優(yōu)先級(jí)。一般根據(jù)長(zhǎng)度區(qū)分到來(lái)的分組，標(biāo)記為紅黃綠三色，綠色界定為長(zhǎng)度小于CBS的尺寸，黃色為長(zhǎng)度介于CBS和EBS之間的報(bào)文，最后紅色標(biāo)記超過(guò)超額突發(fā)尺寸的報(bào)文。單速以報(bào)文尺寸為依據(jù)來(lái)進(jìn)行分組，承諾桶資源不足時(shí)，采用備用超額E桶令牌，兩桶令牌均以用完時(shí)還能以預(yù)先支取方式發(fā)送報(bào)文，在處理穩(wěn)定速率下優(yōu)勢(shì)明顯。

另外也有雙速三色標(biāo)記算法（Two Rate Three Color Market，trTCM），對(duì)數(shù)據(jù)分為CBS桶和PBS（Peak Brust Size）桶，突發(fā)峰值尺寸在以峰值更新信息速率，更適合處理大速率突發(fā)流量較大的情況。但是，雖然雙速在報(bào)文速率突發(fā)性能上做的更好，較于srTCM，具有丟包率較高、數(shù)據(jù)不夠平緩、混合轉(zhuǎn)發(fā)大小包時(shí)性能較差的缺點(diǎn)。

3）雙速漏桶監(jiān)管算法。雙速漏桶監(jiān)管主要是基于漏桶速率不夠靈活，不足以達(dá)到整流且充分利用資源的目的來(lái)設(shè)計(jì)的。算法思想主要是：在對(duì)輸入數(shù)據(jù)流判斷是否輸出前排隊(duì)，每次從隊(duì)首取額定數(shù)量的報(bào)文進(jìn)行服務(wù)供給，當(dāng)突發(fā)流量過(guò)大，達(dá)到可能導(dǎo)致?lián)砣呐R界值時(shí)即輸入數(shù)據(jù)總數(shù)大大超過(guò)可以提供的輸出速率時(shí)，進(jìn)行變速加快傳輸，主要通過(guò)令牌控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。令牌控制器采用兩個(gè)令牌生成器，一個(gè)以R1速度生產(chǎn)令牌，另一個(gè)以R2速度生產(chǎn)令牌，其中R1

由此可以看出雙速漏桶對(duì)于監(jiān)管選擇的優(yōu)化，通過(guò)設(shè)置臨界變速器達(dá)到對(duì)流量容納量的增加，提高預(yù)期服務(wù)能力，同時(shí)其平均等待時(shí)間和數(shù)據(jù)丟失率上也有所改善。文獻(xiàn)證實(shí)，利用雙漏桶控制流量能有效避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延和丟包率[8]。

2 改進(jìn)的漏桶算法

合理設(shè)置漏桶令牌更新是流控系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵問題，過(guò)快會(huì)影響限速效果造成波動(dòng)，過(guò)慢會(huì)使令牌處于欠缺狀態(tài)，浪費(fèi)資源。故對(duì)漏桶令牌采用更恰當(dāng)?shù)母略O(shè)置是改進(jìn)算法和衡量性能的關(guān)鍵。同時(shí)，交換機(jī)和路由器控制著不同數(shù)據(jù)流的包的離開順序，所采用的交換結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)排隊(duì)位置和調(diào)度算法決定了網(wǎng)絡(luò)可以提供的Qos[9]。單速三色標(biāo)記算法達(dá)到了對(duì)平流的要求，以兩層過(guò)濾來(lái)控制好了流量速度，適當(dāng)加大時(shí)延來(lái)達(dá)到穩(wěn)定效果，并采用選擇性丟包，可以在大小包混合轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)效率明顯改善，對(duì)云計(jì)算不同任務(wù)的適應(yīng)性強(qiáng)，而雙速漏桶在時(shí)間延遲和數(shù)據(jù)包丟失上明顯改善，通過(guò)對(duì)二者適當(dāng)整合可以達(dá)到更好的效果。

改進(jìn)算法的核心思想為：對(duì)報(bào)文在輸入端進(jìn)行排隊(duì)，設(shè)置兩個(gè)區(qū)分參數(shù)和兩個(gè)漏桶B桶和E桶，分別以額定速率（CBS和EBS）產(chǎn)生令牌，對(duì)到來(lái)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行三色標(biāo)記，對(duì)于綠色數(shù)據(jù)包，在有令牌時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，對(duì)于黃色數(shù)據(jù)包，在B桶令牌充足時(shí)（如假定B桶令牌剩余數(shù)大于容量的二分之一），讓其從B桶通過(guò)，當(dāng)B桶容量不足時(shí)，查看E桶令牌剩余數(shù)，如果充足，提高CBS速率至PBS，對(duì)于已經(jīng)處于PBS速率的B桶，盡量讓黃色數(shù)據(jù)包在B桶排隊(duì)，否則讓其進(jìn)入E桶，E桶數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)記為紅色，以額定速率傳輸。E桶發(fā)生擁塞時(shí)自動(dòng)采用RED丟包。這樣，對(duì)流量空閑時(shí)速率與流量緊張速率進(jìn)行調(diào)整。

從算法描述圖可以看出在C桶速率變換時(shí)必須采用一定的控制策略，可選策略如試探性反饋調(diào)度策略，在B桶、E桶、緩沖區(qū)間建立通訊，根據(jù)通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)消息傳遞。緩存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上，對(duì)于丟棄開關(guān)設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)向前丟包，在一定程度上抑制數(shù)據(jù)重發(fā)帶來(lái)的過(guò)載。

綜上，通過(guò)對(duì)桶容量和速率變換策略的調(diào)整，可以提高漏桶效率，增強(qiáng)其協(xié)調(diào)性，同時(shí)優(yōu)化丟棄策略，使遭受擁堵的可能性大大降低。但是這種改進(jìn)算法還是無(wú)法應(yīng)對(duì)突發(fā)流量極大時(shí)的過(guò)載問題。在云計(jì)算流量分流做的比較好的情況下，足以處理相關(guān)事務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)仿真采用了偽隨機(jī)概率選擇規(guī)則，在突發(fā)流量數(shù)值選擇和數(shù)據(jù)包上采是用隨機(jī)生成，對(duì)三種算法進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果證明了改進(jìn)算法的優(yōu)越性。隨機(jī)生成20組數(shù)據(jù)進(jìn)行突發(fā)流量的模擬，在大容量突發(fā)流量下，基本漏桶算法丟包率較高，雙速漏桶算法丟包率明顯降低，而改進(jìn)漏桶算法丟包率比雙速監(jiān)管算法略低，基本漏桶算法最好的丟包率為47%，雙速監(jiān)管算法約為37%，改進(jìn)算法的丟包率最低為36%。在數(shù)據(jù)容量越來(lái)越大的情況下，改進(jìn)算法的性能逐漸體現(xiàn)出來(lái)，得到的平均丟包率最低，在普通流量下其優(yōu)勢(shì)較弱。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率、緩沖區(qū)消耗得出隨著緩沖區(qū)容量的增大，改進(jìn)算法的服務(wù)能力提高

最快。

4 結(jié)束語(yǔ)

該算法對(duì)于突發(fā)流量進(jìn)行兩次整流，可以達(dá)到較好效果，采用分層過(guò)濾，報(bào)文處理速度較快，數(shù)據(jù)丟失率明顯有所改善。由于對(duì)桶進(jìn)行細(xì)分，B桶在占用和返還令牌上速率較快，可以在一定程度上應(yīng)對(duì)大量突發(fā)流量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了算法的效率和服務(wù)能力。但是基于分配而采用標(biāo)記也會(huì)增加一定的資源消耗，對(duì)于漏桶算法做進(jìn)一步改進(jìn)還可以對(duì)輸出流進(jìn)行更為嚴(yán)格的控制，加強(qiáng)對(duì)后續(xù)流入流量的預(yù)估，選定難以傳遞的數(shù)據(jù)快速丟棄，這樣會(huì)使網(wǎng)絡(luò)更為暢通，同時(shí)對(duì)于選擇規(guī)則可以根據(jù)時(shí)間進(jìn)行變換，使丟包更為平衡、算法更加公平。

基金項(xiàng)目

本課題得到湖民族學(xué)院國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（No.201210517019）資助。

參考文獻(xiàn)

[1]李印海，扈紅超，龐琳.基于CICQ的動(dòng)態(tài)重路由交換機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)工程，2010（21）.

[2]林豐成，竺紅衛(wèi)，李立.數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[3]牛淼，蔣林.基于多令牌桶流量整形算法的研究與設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011（11）.

[4]高永輝，蔣林.基于多令牌桶的組播擁塞控制[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012（02）.

[5]劉振宇.基于令牌桶算法的網(wǎng)絡(luò)流量控制技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].內(nèi)蒙古大學(xué)，2012.

[6]郝俊瑞，余少華.一種在區(qū)分服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中新的三色標(biāo)記器[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008（06）.

[7]張子紅.一種基于兩級(jí)許可的過(guò)載控制改進(jìn)算法[J].通信技術(shù)，2009，03（42）.

[8]李捷，呂冰，韓志杰.基于混合預(yù)測(cè)模型VBR流擁塞控制機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)工程，2008（12）.

[9]郭子榮，汪海鷹，曾華燊.一種可提供QoS保證的交換結(jié)構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（12）.

[10]洪雁兵，王一軍，劉桂波，席斌.基于網(wǎng)絡(luò)演算的簇樹WSN性能上界分析[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（19）.endprint

從算法描述圖可以看出在C桶速率變換時(shí)必須采用一定的控制策略，可選策略如試探性反饋調(diào)度策略，在B桶、E桶、緩沖區(qū)間建立通訊，根據(jù)通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)消息傳遞。緩存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上，對(duì)于丟棄開關(guān)設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)向前丟包，在一定程度上抑制數(shù)據(jù)重發(fā)帶來(lái)的過(guò)載。

綜上，通過(guò)對(duì)桶容量和速率變換策略的調(diào)整，可以提高漏桶效率，增強(qiáng)其協(xié)調(diào)性，同時(shí)優(yōu)化丟棄策略，使遭受擁堵的可能性大大降低。但是這種改進(jìn)算法還是無(wú)法應(yīng)對(duì)突發(fā)流量極大時(shí)的過(guò)載問題。在云計(jì)算流量分流做的比較好的情況下，足以處理相關(guān)事務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)仿真采用了偽隨機(jī)概率選擇規(guī)則，在突發(fā)流量數(shù)值選擇和數(shù)據(jù)包上采是用隨機(jī)生成，對(duì)三種算法進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果證明了改進(jìn)算法的優(yōu)越性。隨機(jī)生成20組數(shù)據(jù)進(jìn)行突發(fā)流量的模擬，在大容量突發(fā)流量下，基本漏桶算法丟包率較高，雙速漏桶算法丟包率明顯降低，而改進(jìn)漏桶算法丟包率比雙速監(jiān)管算法略低，基本漏桶算法最好的丟包率為47%，雙速監(jiān)管算法約為37%，改進(jìn)算法的丟包率最低為36%。在數(shù)據(jù)容量越來(lái)越大的情況下，改進(jìn)算法的性能逐漸體現(xiàn)出來(lái)，得到的平均丟包率最低，在普通流量下其優(yōu)勢(shì)較弱。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率、緩沖區(qū)消耗得出隨著緩沖區(qū)容量的增大，改進(jìn)算法的服務(wù)能力提高

最快。

4 結(jié)束語(yǔ)

該算法對(duì)于突發(fā)流量進(jìn)行兩次整流，可以達(dá)到較好效果，采用分層過(guò)濾，報(bào)文處理速度較快，數(shù)據(jù)丟失率明顯有所改善。由于對(duì)桶進(jìn)行細(xì)分，B桶在占用和返還令牌上速率較快，可以在一定程度上應(yīng)對(duì)大量突發(fā)流量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了算法的效率和服務(wù)能力。但是基于分配而采用標(biāo)記也會(huì)增加一定的資源消耗，對(duì)于漏桶算法做進(jìn)一步改進(jìn)還可以對(duì)輸出流進(jìn)行更為嚴(yán)格的控制，加強(qiáng)對(duì)后續(xù)流入流量的預(yù)估，選定難以傳遞的數(shù)據(jù)快速丟棄，這樣會(huì)使網(wǎng)絡(luò)更為暢通，同時(shí)對(duì)于選擇規(guī)則可以根據(jù)時(shí)間進(jìn)行變換，使丟包更為平衡、算法更加公平。

基金項(xiàng)目

本課題得到湖民族學(xué)院國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（No.201210517019）資助。

參考文獻(xiàn)

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[2]林豐成，竺紅衛(wèi)，李立.數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

[3]牛淼，蔣林.基于多令牌桶流量整形算法的研究與設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011（11）.

[4]高永輝，蔣林.基于多令牌桶的組播擁塞控制[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012（02）.

[5]劉振宇.基于令牌桶算法的網(wǎng)絡(luò)流量控制技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].內(nèi)蒙古大學(xué)，2012.

[6]郝俊瑞，余少華.一種在區(qū)分服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中新的三色標(biāo)記器[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2008（06）.

[7]張子紅.一種基于兩級(jí)許可的過(guò)載控制改進(jìn)算法[J].通信技術(shù)，2009，03（42）.

[8]李捷，呂冰，韓志杰.基于混合預(yù)測(cè)模型VBR流擁塞控制機(jī)制[J].計(jì)算機(jī)工程，2008（12）.

[9]郭子榮，汪海鷹，曾華燊.一種可提供QoS保證的交換結(jié)構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010，46（12）.

[10]洪雁兵，王一軍，劉桂波，席斌.基于網(wǎng)絡(luò)演算的簇樹WSN性能上界分析[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（19）.endprint

從算法描述圖可以看出在C桶速率變換時(shí)必須采用一定的控制策略，可選策略如試探性反饋調(diào)度策略，在B桶、E桶、緩沖區(qū)間建立通訊，根據(jù)通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)消息傳遞。緩存器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上，對(duì)于丟棄開關(guān)設(shè)置為環(huán)形結(jié)構(gòu)向前丟包，在一定程度上抑制數(shù)據(jù)重發(fā)帶來(lái)的過(guò)載。

綜上，通過(guò)對(duì)桶容量和速率變換策略的調(diào)整，可以提高漏桶效率，增強(qiáng)其協(xié)調(diào)性，同時(shí)優(yōu)化丟棄策略，使遭受擁堵的可能性大大降低。但是這種改進(jìn)算法還是無(wú)法應(yīng)對(duì)突發(fā)流量極大時(shí)的過(guò)載問題。在云計(jì)算流量分流做的比較好的情況下，足以處理相關(guān)事務(wù)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)仿真采用了偽隨機(jī)概率選擇規(guī)則，在突發(fā)流量數(shù)值選擇和數(shù)據(jù)包上采是用隨機(jī)生成，對(duì)三種算法進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果證明了改進(jìn)算法的優(yōu)越性。隨機(jī)生成20組數(shù)據(jù)進(jìn)行突發(fā)流量的模擬，在大容量突發(fā)流量下，基本漏桶算法丟包率較高，雙速漏桶算法丟包率明顯降低，而改進(jìn)漏桶算法丟包率比雙速監(jiān)管算法略低，基本漏桶算法最好的丟包率為47%，雙速監(jiān)管算法約為37%，改進(jìn)算法的丟包率最低為36%。在數(shù)據(jù)容量越來(lái)越大的情況下，改進(jìn)算法的性能逐漸體現(xiàn)出來(lái)，得到的平均丟包率最低，在普通流量下其優(yōu)勢(shì)較弱。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率、緩沖區(qū)消耗得出隨著緩沖區(qū)容量的增大，改進(jìn)算法的服務(wù)能力提高

最快。

4 結(jié)束語(yǔ)

該算法對(duì)于突發(fā)流量進(jìn)行兩次整流，可以達(dá)到較好效果，采用分層過(guò)濾，報(bào)文處理速度較快，數(shù)據(jù)丟失率明顯有所改善。由于對(duì)桶進(jìn)行細(xì)分，B桶在占用和返還令牌上速率較快，可以在一定程度上應(yīng)對(duì)大量突發(fā)流量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了算法的效率和服務(wù)能力。但是基于分配而采用標(biāo)記也會(huì)增加一定的資源消耗，對(duì)于漏桶算法做進(jìn)一步改進(jìn)還可以對(duì)輸出流進(jìn)行更為嚴(yán)格的控制，加強(qiáng)對(duì)后續(xù)流入流量的預(yù)估，選定難以傳遞的數(shù)據(jù)快速丟棄，這樣會(huì)使網(wǎng)絡(luò)更為暢通，同時(shí)對(duì)于選擇規(guī)則可以根據(jù)時(shí)間進(jìn)行變換，使丟包更為平衡、算法更加公平。

基金項(xiàng)目

本課題得到湖民族學(xué)院國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（No.201210517019）資助。

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