QOS class reduction for bursty flows

Abstract

Methods and systems for QoS class reduction in a network are described. A first parameter value for a first packet flow is determined based on a first requirement for the first packet flow, a first set of characteristics of the first packet flow, and first allocated network resources for the first packet flow. A second parameter value for a second packet flow is determined based on a second requirement, a second set of characteristics of the second packet flow, and second allocated network resources for the second packet flow. In response to determining that the first parameter value and the second parameter value are equal, the first packet flow and the second packet flow are assigned a first Quality of Service (QoS) class. The first packet flow and the second packet flow are processed in the network based on the first QoS class.

Description

QOS CLASS REDUCTION FOR BURSTY FLOWSTECHNICAL FIELD

[0001] Embodiments of the invention relate to the field of communication networks; and more specifically, to the Quality-of-Service class reduction for bursty flows in a network.BACKGROUND ART

[0002] Quality of Service (QoS) provides differentiated services to multiple types and tiers of customers of a communication network. In existing communication networks, QoS is implemented by performing independent traffic flow queueing and scheduling in one or more network devices. Typically, packet flows associated with different QoS requirements are sent to independent queues of a network device. Each queue is reserved to a particular QoS class associated with a set of QoS requirements. A QoS class determines the required properties that need to be satisfied in the network for traffic flows matching a QoS Policy rule associated with the QoS class. Further, the network device determines the order of packet transmission by controlling which packets are placed in which queue and how queues are serviced with respect to each other. First packets are queued in one of several queues based on the QoS class to which they correspond and a scheduler selects at any time the queue from which the next packet to output is taken. Several techniques exist for scheduling packets to be output from an interface. According to some scheduling techniques, a network device can reserve a defined amount of bandwidth to each QoS class of a queue.

[0003] A flow of packets is referred to as bursty when a group of consecutive packets from the flow are sent with shorter interpacket gaps than packets arriving before or after the burst. The packets of a bursty flow are sent at a maximum transmit rate during the burst. When the flow is associated with a requirement of maximum acceptable delay, a network needs to provide an output rate that would satisfy this requirement. Several scheduling techniques can be used to satisfy the rate requirement for a bursty flow. According to some existing scheduling techniques, the network device is configured to grant the maximum transmit rate to the flow. However, this results in a waste of network resources, given that the average flow rate is typically much lower than the maximum transmit rate. Alternatively, according to other existing scheduling techniques, the network device may reserve only the average transmit rate to the flow. However,  this technique is unlikely to satisfy the delay requirement as it induces excessive burst shaping and a high queueing delay.SUMMARY

[0004] The embodiments herein describe methods and systems for enabling QoS class reduction for bursty flows in a network. The embodiments herein enable the determination of minimal resources allocation for a packet flow given its characteristics and associated requirement. Some embodiments provide criteria that allow for assigning at least two flows with different requirements to the same QoS class. Some embodiments describe clustering technique to classify flows into a given number of classes while minimizing the amount of network resources for the flows. The embodiments herein allow an efficient control of network resources by distributing usage of the network resources based on flows’ characteristics and requirements.

[0005] In some aspects, the techniques described herein relate to a method in a network for processing a plurality of packet flows, the method including: determining a first parameter value for a first packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a first requirement for the first packet flow, a first set of characteristics of the first packet flow, and first allocated network resources for the first packet flow; determining a second parameter value for a second packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a second requirement, a second set of characteristics of the second packet flow, and second allocated network resources for the second packet flow; determining that the first parameter value and the second parameter value are equal; in response to determining that the first parameter value and the second parameter value are equal, assigning the first packet flow and the second packet flow a first QoS class from a plurality of QoS classes; and causing the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class.

[0006] In some aspects, the techniques described herein relate a machine-readable medium comprising computer program code which when executed by a computer carries out the operations of determining a first parameter value for a first packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a first requirement for the first packet flow, a first set of characteristics of the first packet flow, and first allocated network resources for the first packet flow; determining a second parameter value for a second packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a second requirement, a second set of characteristics of the second packet flow, and second allocated network resources for the second packet flow; determining that the first parameter value and the second parameter value are equal; in response to determining that the first parameter value and the second parameter value are equal, assigning the first packet flow and the second packet flow a first QoS class from a plurality of QoS  classes; and causing the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class.

[0007] In some aspects, the techniques described herein relate to a network device including: a non-transitory machine -readable storage medium that provides instructions that, if executed by a processor, will cause the network device to perform operations including, determining a first parameter value for a first packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a first requirement for the first packet flow, a first set of characteristics of the first packet flow, and first allocated network resources for the first packet flow; determining a second parameter value for a second packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a second requirement, a second set of characteristics of the second packet flow, and second allocated network resources for the second packet flow; determining that the first parameter value and the second parameter value are equal; in response to determining that the first parameter value and the second parameter value are equal, assigning the first packet flow and the second packet flow a first QoS class from a plurality of QoS classes; and causing the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0008] The invention may best be understood by referring to the following description and accompanying drawings that are used to illustrate embodiments of the invention. In the drawings:

[0009] Figure 1 illustrates a block diagram of an exemplary system that is operative to forward traffic flows while reducing QoS classes for bursty flows, in accordance with some embodiments.

[0010] Figure 2A illustrates a flow diagram of exemplary operations that can be performed in a network for satisfying a first requirement for a first packet flow multiple packet flows and a second requirement for a second packet flow from the multiple packet flows, in accordance with some embodiments.

[0011] Figure 2B illustrates a flow diagram of exemplary operations that can be performed in a network for allocating network resource to packet flows to satisfy different requirements for the flows, in accordance with some embodiments.

[0012] Figure 3 illustrates a block diagram of exemplary burst size, flow rates, delay, and burst durations for a flow of packets, in accordance with some embodiments.

[0013] Figure 4 illustrates a flow diagram of exemplary operations that can be performed for assigning QoS classes to multiple packet flows, in accordance with some embodiments.

[0014] Figure 5A illustrates connectivity between network devices (NDs) within an exemplary network, as well as three exemplary implementations of the NDs, according to some embodiments of the invention.

[0015] Figure 5B illustrates an exemplary way to implement a special-purpose network device according to some embodiments of the invention.

[0016] Figure 5C illustrates various exemplary ways in which virtual network elements (VNEs) may be coupled according to some embodiments of the invention.

[0017] Figure 5D illustrates a network with a single network element (NE) on each of the NDs, and within this straight forward approach contrasts a traditional distributed approach (commonly used by traditional routers) with a centralized approach for maintaining reachability and forwarding information (also called network control) , according to some embodiments of the invention.

[0018] Figure 5E illustrates the simple case of where each of the NDs implements a single NE, but a centralized control plane has abstracted multiple of the NEs in different NDs into (to represent) a single NE in one of the virtual network (s) , according to some embodiments of the invention.

[0019] Figure 5F illustrates a case where multiple VNEs are implemented on different NDs and are coupled to each other, and where a centralized control plane has abstracted these multiple VNEs such that they appear as a single VNE within one of the virtual networks, according to some embodiments of the invention.

[0020] Figure 6 illustrates a general purpose control plane device with centralized control plane (CCP) software 650) , according to some embodiments of the invention.DETAILED DESCRIPTION

[0021] The following description describes methods and apparatus for enabling QoS class reduction for bursty flows. In the following description, numerous specific details such as logic implementations, opcodes, means to specify operands, resource partitioning / sharing / duplication implementations, types and interrelationships of system components, and logic partitioning / integration choices are set forth in order to provide a more thorough understanding of the present invention. It will be appreciated, however, by one skilled in the art that the invention may be practiced without such specific details. In other instances, control structures, gate level circuits and full software instruction sequences have not been shown in detail in order not to obscure the invention. Those of ordinary skill in the art, with the included descriptions, will be able to implement appropriate functionality without undue experimentation.

[0022] References in the specification to “one embodiment, ” “an embodiment, ” “an example embodiment, ” etc., indicate that the embodiment described may include a particular feature, structure, or characteristic, but every embodiment may not necessarily include the particular feature, structure, or characteristic. Moreover, such phrases are not necessarily referring to the same embodiment. Further, when a particular feature, structure, or characteristic is described in connection with an embodiment, it is submitted that it is within the knowledge of one skilled in the art to affect such feature, structure, or characteristic in connection with other embodiments whether or not explicitly described.

[0023] Bracketed text and blocks with dashed borders (e.g., large dashes, small dashes, dot-dash, and dots) may be used herein to illustrate optional operations that add additional features to embodiments of the invention. However, such notation should not be taken to mean that these are the only options or optional operations, and / or that blocks with solid borders are not optional in certain embodiments of the invention.

[0024] In the following description and claims, the terms “coupled” and “connected, ” along with their derivatives, may be used. It should be understood that these terms are not intended as synonyms for each other. “Coupled” is used to indicate that two or more elements, which may or may not be in direct physical or electrical contact with each other, co-operate or interact with each other. “Connected” is used to indicate the establishment of communication between two or more elements that are coupled with each other.

[0025] Overview

[0026] While several scheduling mechanisms exist, most communication networks implement one or two types of scheduling mechanisms: strict priority (SP) scheduling and / or weighted fair queueing (WFQ) scheduling. When SP scheduling is implemented in a network device, each queue is given a definite priority. To send a packet to an output interface, a scheduler of the network device selects a packet from the highest priority queue that is not empty. To avoid starvation of the low priority traffic, some networks configure rate limits to the high priority queues to avoid that these queues abuse network capacity. When WFQ scheduling is implemented in a network device, each queue is assigned a relative weight. The number of packets selected from a queue is proportional to its weight. With WFQ it is possible to assign relative shares of an output interface’s capacity to each queue. WFQ scheduling is sometimes implemented as weighted round robin (WRR) , where the rate is measured in packets per second as opposed to bit per second for WFQ. Using either SP or WFQ scheduling, a network device can reserve a defined amount of network resources (e.g., bandwidth, an amount of buffer memory for the flow queue) to each QoS class of a queue.

[0027] In case of bursty traffic, the packets are sent at maximum transmit rate during the burst. Traffic flows have requirements that need to be satisfied when crossing the network. For example, the traffic flows may have a maximum acceptable delay. Granting the full transmit rate to a bursty flow would be a waste of network resources, given that the average flow rate is generally much lower than the full transmit rate during the burst. Alternatively, reserving only the average flow rate may not achieve the delay requirement as it induces excessive burst shaping and high queueing delay.

[0028] Some scheduling mechanisms assign each flow to a dedicated QoS class to guarantee each flow with the needed network resources and at the same time minimize the amount of resources allocated in the network. However, most networks do not implement more than eight queues for different scheduling. Further, 3GPP specifications define tens of flow types to support the radio traffic in fronthaul. Moreover, the same flow types during different traffic situations may have different burst sizes, implying different QoS requirements.

[0029] QoS Class reduction in bursty flows

[0030] The embodiments herein present methods and systems for enabling QoS class reduction for bursty flows. In some embodiments, a first parameter value is determined for the first packet flow based at least in part on the first requirement for the first packet flow, a first set of characteristics of the first packet flow, and first allocated network resources for the first packet flow. A second parameter value is determined for the second packet flow based at least in part on the second requirement, a second set of characteristics of the second packet flow, and second allocated network resources for the second packet flow. A determination of whether the first parameter value and the second parameter value are equals is performed. In response to determining that the first and second parameter value are equals, the first packet flow and the second packet flow are assigned to a first Quality of Service (QoS) class from QoS classes. The first packet flow and the second packet flow are caused to be processed in the network based on the first QoS class.

[0031] Some embodiments allow for two flows to be assigned to the same QoS class based on a predetermined criterion (e.g., equality of the parameter values) . The use of the criterion enables minimization of the use of the network resources (such as bandwidth or amount of buffer memory in the queue for a flow) for a bursty flow while satisfying the requirements associated with the flow (such as the delay requirement or buffer memory size) and minimizing the number of QoS classes used. The embodiments herein enable optimal control of network resources based on characteristics of the packet flows to be transported in the network. Some embodiments provide a solution to the problem of bandwidth allocation in packet switching networks for bursty packet flows with strict delay requirements. For example, by assigning at  least two packet flows to the same queue of a network device based on an equivalence between the first and the second parameter values, where the parameter value is a burst duration for the flow, the embodiments herein enable a minimization of the number of queues used in the network while still satisfying delay requirements for each one of the flows. The embodiments herein enable the satisfaction of the requirements even when the packet flows don’t have the same requirements.

[0032] Figure 1 illustrates a block diagram of an exemplary system that is operative to forward traffic flows while reducing QoS classes for bursty flows, in accordance with some embodiments. System 100 includes network device 120 and a QoS class determiner 110. The network device 120 is part of the network 105. Network device 120 is operative to receive packets of multiple flows, e.g., packets 131-132 of flow A, packets 141-142 of flow B, and packet 151 of flow C. Network device 120 includes a classifier 122, two or more queues 123A-N, a scheduler 124, and an output interface 125. In some embodiments, network device 120 is an edge network device that is located at the periphery of a transport network 105. In a non-limiting example, the edge network device receives traffic from a radio access network (RAN) . In some embodiments, the scheduler is operative to perform a WFQ scheduling. In other embodiments, the scheduler 124 is operative to perform a PR scheduling with rate limitations.

[0033] In some embodiments, the scheduler 124 with queue buffering is used as a mechanism of congestion avoidance when multiple bursty flows are input to network device 120. During periods with light traffic, that is, when no congestion exists, packets are sent out the interface as soon as they arrive in network device 120. In some of these embodiments, even without congestion, packets can be assigned to a queue from the queues 123A-N to be output to the output interface but they are processed as they are added to the queue. During periods of transmit congestion at the outgoing interface, packets arrive faster than the interface can send them. Packets accumulating at the output interface are queued until the interface is free to send them; they are then scheduled for transmission according to their assigned priority and the queueing mechanism configured for the interface. The network device 120 determines the order of packet transmission by controlling which packets are placed in which queue and how queues are serviced with respect to each other.

[0034] The system 100 includes a QoS class determiner 110. QoS class determiner 110 is operative to determine configuration parameters for assigning flows passing through network 105 to a queue from the queues 123A-N. In some embodiments, QoS class determiner 110 is operative to determine a first parameter value for the first packet flow based at least in part on the first requirement for the first packet flow, a first set of characteristics of the first packet flow, and first allocated network resources for the first packet flow. QoS class determiner 110 further  determines a second parameter value is determined for the second packet flow based at least in part on the second requirement, a second set of characteristics of the second packet flow, and second allocated network resources for the second packet flow. QoS class determiner 110 determines whether the first parameter value and the second parameter value are equal. In response to determining that the first and second parameter value are equal, the first packet flow and the second packet flow are assigned to a first QoS class from several QoS classes. QoS class determiner 110 configures network device 120 with configuration parameters that cause the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class. Processing the first packet flow and the second packet flow according to the first QoS class satisfies the first and the second requirements for the first and second packet flows respectively, while minimizing the amount of network resources used for the packet flows in the network and the number of QoS classes.

[0035] In another embodiment, QoS class determiner 110 determines a third parameter value for a third packet flow from the packet flows based at least in part on a third requirement for the third packet flow, a third set of characteristics of the third packet flow, and third allocated network resources for the third packet flow. The third allocated network resources satisfy the third requirement. QoS class determiner 110 determines a fourth parameter value for a fourth packet flow from the packet flows based at least in part on a fourth requirement for the fourth packet flow, a fourth set of characteristics of the fourth packet flow, and fourth allocated network resources for the fourth packet flow. The fourth allocated network resources satisfy the fourth requirement. QoS class determiner 110 clusters the packet flows into a plurality of QoS cluster groups according to the parameter and the number of the plurality of QoS classes. In response to determining that the third packet flow and the fourth packet flow are part of a first QoS cluster group from the QoS cluster groups, QoS class determiner 110 assigns the third packet flow and the fourth packet flow to a second QoS class. QoS class determiner 110 determines a fifth packet flow that is part of the first QoS cluster group. The fifth packet has an associated fifth parameter value that is stricter than any other packet flow from the first QoS cluster group. QoS class determiner 110 determines, based on the fifth parameter value, fifth allocated network resources for the third packet flow and the fourth packet flow. QoS class determiner 110 causes the third packet flow and the fourth packet flow to be processed in the network according to the fifth allocated network resources.

[0036] When network 105 includes multiple hops for the first and the second flows, the first hop or ingress router (e.g., network device 120) will be used to control the edge to edge requirements for different flows. For example, the requirements can be determined per a RAN request by QoS and Dedicated Forwarding Path control. In this example, ensuring a requirement  is satisfied for the flow of packets in the ingress network device ensures that the requirement is also satisfied in the rest of the network. For example, the requirement is controlled by providing a dedicated path in network 105 for the flow of packets.

[0037] The operations in the flow diagrams will be described with reference to the exemplary embodiments of the other figures. However, it should be understood that the operations of the flow diagrams can be performed by embodiments of the invention other than those discussed with reference to the other figures, and the embodiments of the invention discussed with reference to these other figures can perform operations different than those discussed with reference to the flow diagrams. The embodiments herein will be described with reference to a first packet flow, e.g., flow A, a second packet flow, e.g., flow B, a third packet flow, e.g., flow C, and a fourth packet flow, e.g., flow D, however, the embodiments can be performed for any number of flows. In some embodiments, more than two flows can be assigned to the same QoS class. In the description herein, a set of characteristics for a flow represents unmodifiable properties of the flow; allocated network resources for the flow represents resources that are reserved for the flow in the network in order to meet (or exceed) the requirement of the flow; requirements for the flow represent properties that need to be satisfied for the flow after crossing the network according to a QoS policy. The characteristics and requirements of the flow are known, and the allocated resources are determined to satisfy the requirement given the flow’s characteristics.

[0038] Figure 2A illustrates a flow diagram of exemplary operations that can be performed in a network for satisfying a first requirement for a first packet flow multiple packet flows and a second requirement for a second packet flow from the multiple packet flows, in accordance with some embodiments. In some embodiments, the operations 200 are performed by a QoS class determiner 110 for configuring one or more network devices, e.g., network device 120 in a network 105.

[0039] At operation 210, QoS class determiner 110 determines a first parameter value for the first packet flow. The first parameter value is determined based at least in part on the first requirement for the first packet flow, a first set of characteristics of the first packet flow, and first allocated network resources for the first packet flow.

[0040] In one embodiment, the first parameter is a burst duration for the first packet flow. In this embodiment, the characteristics of the first packet flow include a burst size B1 and a generation rate Rg1 for the flow. A burst size is a measure in bits of the number of packets (the “burst” of packets) that can be sent into the network over a short interval of time. The generation rate is a rate of receipt of the packets at network device 120, which can be measured in bits per seconds. In this embodiment, the requirement may include a delay requirement. The delay  requirement is a requirement for the maximum total delay Dmax1 for the first packet flow. In this embodiment, the allocated network resources can include a minimal bandwidth Rr1 reserved for the first packet flow to satisfy the delay requirement. The maximum burst duration, Lr1, is determined based on the burst size B1 and the reserved bandwidth Rr1 for the first packet flow. The maximum burst duration, Lr1, indicates a maximum time (e.g., measured in seconds) that the burst of packets for the first packet flow lasts at the output interface. In some embodiments, Lr1 is determined according to equation (1) . Lr = B / Rr  … (1)

[0041] Delays are introduced when a packet flow crosses network 105. Figure 3 illustrates a block diagram of exemplary burst size, flow rates, delay, and burst durations for a flow of packets, in accordance with some embodiments. The figure includes a generation rate (in bits per seconds) Rg 302, a burst size (in bits) 304 for the flow, a fixed delay Df 306, a burst duration (in seconds) at the reserved rate Lr 308, a burst duration at the generation rate (in seconds) 310, a total delay (in seconds) 312 a reserved flow rate 314 (in bits per seconds) . The figure illustrates a first series of bursts associated with a first rate and burst duration of a flow when the flow enters the network (e.g., generation rate and burst duration at generation rate) and a second series of bursts associated with rate and burst durations of the same flow when delays are introduced in the network 105 (e.g., burst duration at the reserved rate and reserved flow rate) . Both burst series are made of rectangles of the same area, the area representing the burst size, while the height is the minimum burst transmission rate and the width is the maximum burst duration.

[0042] In some embodiments, determining the burst duration Lr1 for the first packet flow includes determining a fixed delay for processing the first packet flow; determining a target queueing delay for the first packet flow based on the delay requirement and the fixed delay; determining a reserved bandwidth for the packet flow based on the burst size and the target queueing delay for the packet flow; and determining the burst duration for the first packet flow based on the burst size and the reserved bandwidth for the first packet flow.

[0043] In some embodiments, determining the fixed delay Df1 for processing the first packet flow includes determining a time interval between the time of receipt of a packet from the packet flow at the ingress of the network and the time of its output from the network that is independent of the congestion status of the network. The fixed delay of a packet flow can include one or more of a propagation delay, a processing delay, a serialization delay, and / or transmission delay. The propagation delay and the processing delay relate to the time used by a packet of a packet flow to cross links and received fixed processing in one or more network nodes of the network. In some embodiments, the fixed delays can be determined based on one or  more routes determined for the first packet flow in the network 105. In these embodiments, determining the fixed delay includes determining the first packet flow routes. Additionally or alternatively, indicative routes and fixed delays can be estimated or constrained to a maximum for the first packet flow, to avoid performing the routing before allocating network resources for the first packet flow.

[0044] A queueing delay includes a time interval between a time of adding the packet of the packet flow to a queue and the time at which the packet is transmitted from the queue. The queuing delay depends on a congestion status and / or available bandwidth of the network. The queuing delay may increase with temporary congestion and / or arrival rates higher than available bandwidth of the network. Determining a target queueing delay includes determining a delay for processing the packet in a queue of network device 120 while still satisfying the delay requirement for the first packet flow. The target queueing delay Dq1 can be determined based on the delay requirement and the fixed delay according to equation (2) : Dq=Dmax –Df    … (2)

[0045] When the target queuing delay Dq1 is determined, QoS class determiner 110 determines a reserved bandwidth Rr1 for the first packet flow based on the burst size B1 and the target queueing delay Dq1 for the first packet flow. The reserved bandwidth is the minimum bandwidth that needs to be allocated for the first packet flow to satisfy the delay requirement based on the characteristics of the flow. In some embodiments, the reserved bandwidth Rr1 is determined according to equation (3) : Rr = B /  (Dmax –Df + B / Rg)  … (3)

[0046] QoS class determiner 110 determines the burst duration Lr1 for the first packet flow based on the burst size B1 and the reserved bandwidth Rr1 for the first packet flow. In some embodiments, the burst duration is determined according to equation (1) above.

[0047] In another embodiment, the first parameter is an equalized buffer margin for the first packet flow. In this embodiment, the characteristics of the first packet flow include a mean μ1 and variance σ12 of a normal distribution of a variable burst size (B1 = N (μ1, σ1) ) . Where B1 is the random variable representing the burst sizes varying over time for the first packet flow. The allocated network resource is an amount of buffer memory M1 for the flow queue. The requirement represents a maximum packet loss probability for a burst of packets of the flow (P (loss) = 1 -P (B ≤ M) ≤ Pmax) . Thus, the requirement represents the criterion that the probability of loss of packets needs to be less than a given threshold (Pmax) . In this embodiment, the first parameter value is determined based on the mean and variance for the burst size variable for the first packet flow, the amount of buffer memory M allocated for the first packet flow, and the probability of packet loss for the first packet flow. In some  embodiments, the equalized buffer margin (i.e., first parameter value) is determined according to equation (4) below: E = (M -μ)  / σ   … (4)

[0048] In this embodiment, the requirement is met when the buffer memory allocated M1 is greater than or equal to a value that is derived from the flow characteristics μ1 and σ1 and the requirement P1max for the first packet flow. In some embodiments, the requirement for the first packet flow is met when the inequality (5) is satisfied: M ≥ σ ·x*+ μ…. (5)

[0049] where Φ-1 (1 -Pmax) = x*,  and Φ (x) is cumulative distribution function of the standard normal distribution representing the probability P (Z ≤ x) , when Z is the standard normal distribution.

[0050] The flow of operation moves to operation 220. At operation 220, QoS class determiner 110 determines a second parameter value for the second packet flow based at least in part on the second delay requirement, a second set of characteristics of the second packet flow, and second allocated network resources for the second packet flow.

[0051] In one embodiment, the second parameter is the maximum burst duration Lr2 for the second packet flow. In this embodiment, the characteristics of the second flow include a burst size B2 and a generation rate Rg2 for the flow. In this embodiment, the requirement may include a delay requirement. The delay requirement is a requirement for a maximum total delay Dmax2 for the second flow. The allocated network resources can include a minimal bandwidth Rr2 reserved for the second flow. The maximum burst duration, Lr2, is determined based on the burst size B2 and the reserved bandwidth Rr2 for the second flow. The maximum burst duration, Lr2, indicates a maximum time (e.g., measured in seconds) that the burst of packets for the second flow lasts at the output interface. In some embodiments, Lr2 is determined according to equation (1) described above.

[0052] In some embodiments, determining the burst duration Lr2 for the second packet flow includes determining a fixed delay for processing the second flow; determining a target queueing delay for the second flow based on the delay requirement and the fixed delay; determining a reserved bandwidth for the second packet flow based on the burst size and the target queueing delay for the second packet flow; and determining the burst duration for the second flow based on the burst size and the reserved bandwidth for the second flow.

[0053] In some embodiments, determining the fixed delay Df2 for processing the second flow includes determining a time interval between the time of receipt of a packet from the packet  flow at the ingress of the network and the time of its output from the network that is independent of the congestion status of the network. In some embodiments, the fixed delays can be determined based on one or more routes determined for the second flow in the network 105. In these embodiments, determining the fixed delay includes determining the second flow routes. Additionally or alternatively, indicative routes and fixed delays can be estimated or constrained to a maximum for the second flow, to avoid performing the routing before allocating network resources for the second flow.

[0054] Determining a target queueing delay for the second flow includes determining a delay for processing the packet of the flow in a queue of network device 120 while still satisfying the delay requirement for the second flow. The target queueing delay Dq2 can be determined based on the delay requirement and the fixed delay according to equation (2) described above.

[0055] When the target queuing delay Dq2 is determined, QoS class determiner 110 determines a reserved bandwidth Rr2 for the second flow based on the burst size B1 and the target queueing delay Dq1 for the second packet flow. The reserved bandwidth is the minimum bandwidth that needs to be allocated for the second packet flow to satisfy the delay requirement based on the characteristics of the flow. In some embodiments, the reserved bandwidth Rr2 is determined according to equation (3) described above.

[0056] QoS class determiner 110 determines the burst duration Lr2 for the second packet flow based on the burst size B2 and the reserved bandwidth Rr2 for the second packet flow. In some embodiments, the burst duration is determined according to equation (4) described above.

[0057] In the other embodiment, the second parameter is an equalized buffer margin for the second packet flow. In this embodiment, the characteristics of the second packet flow include a mean μ2 and variance σ22 of a normal distribution of a variable burst size (B2 = N (μ2, σ2) ) . Where B2 is the random variable representing the burst sizes varying over time for the second packet flow. The allocated network resource is an amount of buffer memory M2 for the flow queue. The requirement represents a maximum packet loss probability for a burst of packets of the flow (P (loss) = 1 -P (B ≤ M) ≤ Pmax) . Thus, the requirement represents the criterion that the probability of loss of packets needs to be less than a given threshold (Pmax) . In this embodiment, the second parameter value is determined based on the mean and variance for the burst size variable for the second packet flow, the amount of buffer memory M2 allocated for the second packet flow, and the probability of packet loss for the second packet flow. In some embodiments, the equalized buffer margin (i.e., second parameter value) is determined according to equation (4) described above.

[0058] In this embodiment, the requirement is met when the buffer memory allocated M2 is greater than or equal to a value that is derived from the flow characteristics μ2 and σ2 and the  requirement P2max for the second packet flow. In some embodiments, the requirement for the second packet flow is met when the inequality (5) is satisfied.

[0059] The flow of operations moves to operation 230. At operation 230, QoS class determiner 110 determines whether the first parameter value and the second parameter value are equal. In one embodiment, determining whether the first parameter and the second parameter values are equal includes determining whether a first burst duration Lr1 for the first packet flow is equal to a second burst duration Lr2 for the second packet flow. In another embodiment, determining whether the first parameter and the second parameter values are equal includes determining whether a first equalized buffer margin E1 for the first packet flow is equal to a second equalized buffer margin E2 for the second packet flow. The flow of operations moves to operation 240.

[0060] At operation 240, in response to determining that the first parameter value and the second parameter value are equal, QoS class determiner 110 assigns the first packet flow and the second packet flow to a first QoS class from a plurality of QoS classes. Each QoS class is associated with a queue from the queues 123A-B. For example, flow A and flow B are assigned to a QoS class that is associated with queue 123A.

[0061] In some embodiments, in response to determining that the first parameter value and the second parameter are not equal, QoS class determiner 110 assigns the first packet flow to a first QoS class and the second packet flow to a second QoS class that is different from the first QoS class. When the first packet flow and the second packet flow are assigned to different QoS classes they are scheduled into different queues of network device 120.

[0062] The flow of operations moves to operation 250. At operation 250, QoS class determiner 110 causes the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class. In some embodiments, causing the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class includes configuring network device 120 to add packets, e.g., 131-132 and 141-142, of the first packet flow A and the second packet flow B to a same queue 123A associated with the first QoS class. In some embodiments, the configuring includes configuring classifier 122 to transmit packets from an input interface to one of the plurality of queues, where packets of the first packet flow and packets of the second packet flow are sent to the same queue, e.g., queue 123A. The configuration causes the network device 120 to transmit packets from the first packet flow and the second packet flow to output interface 125 by selecting the packets from the queue 123A according to allocated resources that satisfy the first and the second requirements for the first and second flow respectively. For example, to satisfy the requirements associated with the first and second packet flows, the  scheduler can implement QoS techniques such as WFQ scheduling and SP scheduling with rate limiting.

[0063] Figure 2B illustrates a flow diagram of exemplary operations that can be performed in a network for allocating network resource to packet flows to satisfy different requirements for the flows, in accordance with some embodiments.

[0064] At operation 270, QoS class determiner 110 determines a first parameter value for the first packet flow. The first parameter value is determined based at least in part on the first requirement for the first packet flow, a first set of characteristics of the first packet flow, and first allocated network resources for the first packet flow. In some embodiments, the determination of the first parameter value is performed as described with reference to the embodiments of operation 210 in Figure 2A.

[0065] The flow of operation moves to operation 275. At operation 275, QoS class determiner 110 determines a second parameter value for the second packet flow based at least in part on the second delay requirement, a second set of characteristics of the second packet flow, and second allocated network resources for the second packet flow. In some embodiments, the determination of the first parameter value is performed as described with reference to the embodiments of operation 220 in Figure 2A.

[0066] The flow of operations moves to operation 280. At operation 280, QoS class determiner 110 determines whether the first parameter value and the second parameter value are equal.

[0067] The flow of operations moves to operation 285. At operation 285, in response to determining that the first parameter value and the second parameter value are not equal, QoS class determiner 110 assigns the first packet flow and the second packet flow to the same QoS class.

[0068] The flow of operations moves to operation 290. At operation 290, QoS class determiner 110 causes the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class. In some embodiments, causing the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class includes configuring network device 120 to add packets of the first packet flow and the second packet flow to the same queue 123A associated with the first QoS class. In some embodiments, the configuring includes configuring classifier 122 to transmit packets from an input interface to one of the plurality of queues, where packets of the first packet flow and packets of the second packet flow are sent to the same queue, e.g., queue 123A. The configuration causes the network device 120 to transmit packets from the first packet flow and the second packet flow to output interface 125 by selecting the packets from the queue 123A according to allocated resources that satisfy the first and the second requirements for the first and second flow respectively. For example, to satisfy  the requirements associated with the first and second packet flows, the scheduler can implement QoS techniques such as WFQ scheduling and SP scheduling with rate limiting.

[0069] In some embodiments, causing the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class further includes determining which of the first parameter value and the second parameter value is stricter than the other one (e.g., Lr1 <Lr2 indicates that Lr1 is stricter than Lr2) . The causing further includes increasing the resource allocation for the second packet such that the updated parameter value determined based on the increased allocated resources is equal to the first parameter value. Processing the second packet flow in network device 120 according to the assigned QoS class is performed according to the updated resource allocation while still satisfying the requirement for the second packet flow.

[0070] Figure 4 illustrates a flow diagram of exemplary operations that can be performed for assigning QoS classes to multiple packet flows, in accordance with some embodiments. In some embodiments, the operations of Figure 4 are performed in addition to the operations of Figures 2A or Figure 2B. For example, in some of these embodiments, a determination of whether flows have equal parameter values can be performed prior to clustering the flows into cluster groups. In some embodiments, the assignment of flows to a same QoS class can be the result of the flows having a same parameter value or being part of a same cluster group. In some embodiments, when two flows have the same parameter value, they are part of the same QoS cluster group. Alternatively, the operations of Figure 4 can be performed as standalone operations without the performance of operations from Figures 2A-2B. In these embodiments, operations of Figure 4 are performed without determining whether flows have equal parameter values.

[0071] At operation 410, QoS class determiner 110 determines a third parameter value for a third packet flow based at least in part on a third requirement for the third packet flow, a third set of characteristics of the third packet flow, and third allocated network resources for the third packet flow. The third allocated network resources satisfy the third requirement.

[0072] In some embodiments, the parameter value is determined similarly to how a first parameter value is determined as described above with reference to Figure 2A operation 210. For example, in one embodiment, the third parameter value is a burst duration for the third packet flow. In this embodiment, the characteristics of the third packet flow include a burst size B3 and a generation rate Rg3 for the flow. In this embodiment, the requirement may include a delay requirement. The delay requirement is a requirement for the maximum total delay Dmax3 for the third packet flow. The allocated network resources can include a minimal bandwidth Rr3 reserved for the third packet flow to satisfy the delay requirement. The maximum burst duration, Lr3, is determined based on the burst size B3 and the reserved bandwidth Rr3 for the  third packet flow. The maximum burst duration, Lr3, indicates a maximum time (e.g., measured in seconds) that the burst of packets for the third packet flow lasts at the output interface.

[0073] In another embodiment, the third parameter is an equalized buffer margin for the third packet flow. In this embodiment, the characteristics of the third packet flow include a mean μ3 and variance σ32 of a normal distribution of a variable burst size (B3 = N (μ3, σ3) ) . Where B3 is the random variable representing the burst sizes varying over time for the third packet flow. The allocated network resource is a minimal amount of buffer memory M3 for the flow queue that satisfies the maximum packet loss probability. The requirement represents a maximum packet loss probability for a burst of packets of the flow (P (loss) = 1 -P (B ≤ M) ≤ Pmax) . Thus, the requirement represents the criterion that the probability of loss of packets needs to be less than a given threshold (Pmax) . In this embodiment, the third parameter value is determined based on the mean and variance for the burst size variable for the third packet flow, the minimal amount of buffer memory M allocated for the third packet flow for the maximal probability of packet loss for the third packet flow.

[0074] At operation 420, QoS class determiner 110 Determine a fourth parameter value for a fourth packet flow based at least in part on a fourth requirement for the fourth packet flow, a fourth set of characteristics of the fourth packet flow, and fourth allocated network resources for the fourth packet flow. In some embodiments, the parameter value is determined similarly to how a first parameter value is determined as described above with reference to Figure 2A operation 220.

[0075] For example, in one embodiment, the fourth parameter value is a burst duration for the fourth packet flow. In this embodiment, the characteristics of the fourth packet flow include a burst size B4 and a generation rate Rg4s for the flow. In this embodiment, the requirement includes a delay requirement. The allocated network resources include a minimal bandwidth Rr4 reserved for the fourth packet flow to satisfy the delay requirement. The maximum burst duration, Lr4, is determined based on the burst size B4 and the reserved bandwidth Rr4 for the third packet flow. The maximum burst duration, Lr4, indicates a maximum time (e.g., measured in seconds) that the burst of packets for the fourth packet flow lasts at the output interface.

[0076] In another embodiment, the fourth parameter is an equalized buffer margin for the fourth packet flow. In this embodiment, the characteristics of the fourth packet flow include a mean μ4 and variance σ42 of a normal distribution of a variable burst size (B4 = N (μ4, σ4) ) . Where B4 is the random variable representing the burst sizes varying over time for the fourth packet flow. The allocated network resource is an amount of buffer memory M4 for the flow queue. The requirement represents a maximum packet loss probability for a burst of packets of the flow (P (loss) = 1 -P (B ≤ M) ≤ Pmax) . Thus, the requirement represents the criterion that the  probability of loss of packets needs to be less than a given threshold (Pmax) . In this embodiment, the fourth parameter value is determined based on the mean and variance for the burst size variable for the fourth packet flow, the amount of buffer memory M allocated for the fourth packet flow, and the probability of packet loss for the fourth packet flow.

[0077] While operation 410 and 420 describe determining parameter values for a third and a fourth packet flow, these operations are performed for each of the multiple packet flows that are to be configured in the network.

[0078] At operation 430, QoS class determiner 110 clusters the multiple packet flows that are to traverse network 105 according to the parameter and a predetermined number of QoS classes. In some embodiments, the number of QoS classes is the maximum number of queues that network device 120 can include. The clustering optimizes the class grouping in such that it minimizes the difference of the chosen parameter between members of the same class while maximizing the difference of the parameter value for flows in different QoS classes. The clustering is single dimensional clustering since it is based on a single parameter. In other embodiments, the clustering mechanism is operative to determine an optimal number of clusters given the parameter values for the multiple flows. In a non-limiting example, a Jenks natural breaks optimization can be performed. In another example, k-means specialization optimized for one-dimensional problems can be used. Both methods allow specification of the number of clusters as an input. In some embodiments, the clustering is performed based on a burst duration parameter for the flows. Additionally, or alternatively, the clustering is performed based on an equalized buffer margin parameter. As a result of the clustering, the packet flows are grouped into k cluster groups, S1, …Sk, with k being the selected number of QoS classes.

[0079] QoS class determiner 110 determines, at operation 440, that the third packet flow and the fourth packet flow are part of the same cluster group, e.g., a first cluster group S1. In response to determining that the third and fourth packet flows are in the same cluster group, the flow moves to operation 450, at which the third packet flow and the fourth packet flow are assigned to the same QoS class. Alternatively, upon determining that the third and fourth packet flows are not in the same cluster group, QoS class determiner 110 assigns the third packet to a first QoS class and the fourth packet flow to a second QoS class, where the first and second QoS class are different. Thus, flows that are part of the same QoS cluster group are assigned to a same QoS class, while flows that are in different QoS cluster groups are assigned to different QoS classes. The flow of operations moves to operation 460.

[0080] At operation 460, QoS class determiner 110 determines a fifth packet flow that is part of the first QoS cluster group. The fifth packet has an associated fifth parameter value that is stricter than parameter values of any other packet flow from the first QoS cluster group.

[0081] In some embodiments, when the parameter is a burst duration of the flow, determining based on the first QoS cluster group the fifth allocated network resources can includes finding the flow in the QoS cluster group that has the maximum reserved bandwidth (e.g., find the flow Fj in Sj (the set of flow in the QoS cluster group Sj) with maximal Rri: Fj = argmax {Fi ∈ Sj} Rri) . In an equivalent manner, the flow associated with the minimum Lri in the flows from the QoS cluster group (i.e., Fj = argmin {Fi ∈ Sj} Lr) . The flow of operations moves to operation 470.

[0082] In other embodiments, when the parameter is an equalized buffer margin, determining based on the first QoS cluster group, the fifth allocated network resources includes finding the flow in the QoS cluster group that has the maximum amount of memory reserved. The flow of operations moves to operation 470.

[0083] At operation 470, QoS class determiner 110 determines, based on the fifth parameter value, fifth allocated network resources for the third packet flow and the fourth packet flow, respectively. The fifth allocated network resources satisfy the third requirement and the fourth requirement. In some embodiments, the fifth allocated network resources are equal to the allocated resources of the fifth packet flow. In some embodiments, the fifth allocated network resources can include one of the third or fourth allocated network resources of the third packet flow or fourth packet flow.

[0084] In some embodiments, once the flow is determined, for each flow in the same cluster group the reserved bandwidth for the flow is set based on the equivalence relationship between the burst duration of the flow associated with the maximum reserved rate and the burst duration of the flow. Thus, for each flow Fi in Sj set Rri’ = Rrj*Bi / Bj since Lri’ = Lrj. QoS class determiner 110 determines, based on the fifth parameter value, sixth allocated network resources for the third packet flow and seventh allocated network resources for the fourth packet flow. The sixth and seventh are determined such that a third updated parameter value determined for the third packet flow based on the third set of characteristics and the sixth allocated network resources equal the fifth parameter value, and a fourth updated parameter value determined for the fourth packet flow based on the fourth set of characteristics and the seventh allocated network resources equals the fifth parameter value.

[0085] In some embodiments, when the parameter is an equalized buffer margin, determining, based on the fifth parameter value, fifth allocated network resources for the third packet flow and the fourth packet flow, respectively includes setting a sixth amount of buffer memory for the third packet flow and a seventh amount of buffer memory for the fourth packet flow. The sixth and seventh are determined such that a third updated equalized buffer margin determined for the third packet flow based on the third set of characteristics and the sixth amount of buffer memory  equals the fifth equalized buffer margin, and a fourth updated equalized buffer margin determined for the fourth packet flow based on the fourth set of characteristics and the seventh amount of buffer memory equals the fifth amount of buffer memory.

[0086] At operation 480, QoS class determiner 110 causes the third packet flow, e.g., packet flow C, and the fourth packet flow, e.g., packet flow D, to be processed in the network according to the fifth allocated network resources. Causing the fourth packet flow and the third packet flow to be processed in the network based on the second QoS class includes configuring network device 120 to add packets of the third packet flow and the fourth packet flow, e.g., packets 151 and 161, to the same queue associated with the second QoS class. In some embodiments, the configuring includes configuring classifier 122 to transmit packets from an input interface to one of the plurality of queues, where packets of the third packet flow and packets of the fourth packet flow are sent to the same queue, e.g., queue 123N. The configuration causes the network device 120 to transmit packets from the third packet flow and the fourth packet flow to output interface 125 by selecting the packets from the queue 123N according to allocated resources that satisfy the third and the fourth requirements for the third and fourth flow respectively (e.g., the fifth allocated network resources) . The third packet flow and the fourth packet flow are output from the network device according to the fifth allocated network resources. For example, to satisfy the requirements associated with the third and fourth packet flows, the scheduler can implement QoS techniques such as WFQ scheduling and SP scheduling with rate limiting.

[0087] Architecture

[0088] An electronic device stores and transmits (internally and / or with other electronic devices over a network) code (which is composed of software instructions and which is sometimes referred to as computer program code or a computer program) and / or data using machine-readable media (also called computer-readable media) , such as machine-readable storage media (e.g., magnetic disks, optical disks, solid state drives, read only memory (ROM) , flash memory devices, phase change memory) and machine-readable transmission media (also called a carrier) (e.g., electrical, optical, radio, acoustical or other form of propagated signals –such as carrier waves, infrared signals) . Thus, an electronic device (e.g., a computer) includes hardware and software, such as a set of one or more processors (e.g., wherein a processor is a microprocessor, controller, microcontroller, central processing unit, digital signal processor, application specific integrated circuit, field programmable gate array, other electronic circuitry, a combination of one or more of the preceding) coupled to one or more machine-readable storage media to store code for execution on the set of processors and / or to store data. For instance, an electronic device may include non-volatile memory containing the code since the non-volatile memory can persist code / data even when the electronic device is turned off (when  power is removed) , and while the electronic device is turned on that part of the code that is to be executed by the processor (s) of that electronic device is typically copied from the slower non-volatile memory into volatile memory (e.g., dynamic random access memory (DRAM) , static random access memory (SRAM) ) of that electronic device. Typical electronic devices also include a set or one or more physical network interface (s) (NI (s) ) to establish network connections (to transmit and / or receive code and / or data using propagating signals) with other electronic devices. For example, the set of physical NIs (or the set of physical NI (s) in combination with the set of processors executing code) may perform any formatting, coding, or translating to allow the electronic device to send and receive data whether over a wired and / or a wireless connection. In some embodiments, a physical NI may comprise radio circuitry capable of receiving data from other electronic devices over a wireless connection and / or sending data out to other devices via a wireless connection. This radio circuitry may include transmitter (s) , receiver (s) , and / or transceiver (s) suitable for radiofrequency communication. The radio circuitry may convert digital data into a radio signal having the appropriate parameters (e.g., frequency, timing, channel, bandwidth, etc. ) . The radio signal may then be transmitted via antennas to the appropriate recipient (s) . In some embodiments, the set of physical NI (s) may comprise network interface controller (s) (NICs) , also known as a network interface card, network adapter, or local area network (LAN) adapter. The NIC (s) may facilitate in connecting the electronic device to other electronic devices allowing them to communicate via wire through plugging in a cable to a physical port connected to a NIC. One or more parts of an embodiment of the invention may be implemented using different combinations of software, firmware, and / or hardware.

[0089] A network device (ND) is an electronic device that communicatively interconnects other electronic devices on the network (e.g., other network devices, end-user devices) . Some network devices are “multiple services network devices” that provide support for multiple networking functions (e.g., routing, bridging, switching, Layer 2 aggregation, session border control, Quality of Service, and / or subscriber management) , and / or provide support for multiple application services (e.g., data, voice, and video) .

[0090] Figure 5A illustrates connectivity between network devices (NDs) within an exemplary network, as well as three exemplary implementations of the NDs, according to some embodiments of the invention. Figure 5A shows NDs 500A-H, and their connectivity by way of lines between 500A-500B, 500B-500C, 500C-500D, 500D-500E, 500E-500F, 500F-500G, and 500A-500G, as well as between 500H and each of 500A, 500C, 500D, and 500G. These NDs are physical devices, and the connectivity between these NDs can be wireless or wired (often referred to as a link) . An additional line extending from NDs 500A, 500E, and 500F illustrates  that these NDs act as ingress and egress points for the network (and thus, these NDs are sometimes referred to as edge NDs; while the other NDs may be called core NDs) .

[0091] Two of the exemplary ND implementations in Figure 5A are: 1) a special-purpose network device 502 that uses custom application–specific integrated–circuits (ASICs) and a special-purpose operating system (OS) ; and 2) a general purpose network device 504 that uses common off-the-shelf (COTS) processors and a standard OS.

[0092] The special-purpose network device 502 includes networking hardware 510 comprising a set of one or more processor (s) 512, forwarding resource (s) 514 (which typically include one or more ASICs and / or network processors) , and physical network interfaces (NIs) 516 (through which network connections are made, such as those shown by the connectivity between NDs 500A-H) , as well as non-transitory machine readable storage media 518 having stored therein networking software 520. During operation, the networking software 520 may be executed by the networking hardware 510 to instantiate a set of one or more networking software instance (s) 522. Each of the networking software instance (s) 522, and that part of the networking hardware 510 that executes that network software instance (be it hardware dedicated to that networking software instance and / or time slices of hardware temporally shared by that networking software instance with others of the networking software instance (s) 522) , form a separate virtual network element 530A-R. Each of the virtual network element (s) (VNEs) 530A-R includes a control communication and configuration module 532A-R (sometimes referred to as a local control module or control communication module) and forwarding table (s) 534A-R, such that a given virtual network element (e.g., 530A) includes the control communication and configuration module (e.g., 532A) , a set of one or more forwarding table (s) (e.g., 534A) , and that portion of the networking hardware 510 that executes the virtual network element (e.g., 530A) .

[0093] The special-purpose network device 502 is often physically and / or logically considered to include: 1) a ND control plane 524 (sometimes referred to as a control plane) comprising the processor (s) 512 that execute the control communication and configuration module (s) 532A-R; and 2) a ND forwarding plane 526 (sometimes referred to as a forwarding plane, a data plane, or a media plane) comprising the forwarding resource (s) 514 that utilize the forwarding table (s) 534A-R and the physical NIs 516. By way of example, where the ND is a router (or is implementing routing functionality) , the ND control plane 524 (the processor (s) 512 executing the control communication and configuration module (s) 532A-R) is typically responsible for participating in controlling how data (e.g., packets) is to be routed (e.g., the next hop for the data and the outgoing physical NI for that data) and storing that routing information in the forwarding table (s) 534A-R, and the ND forwarding plane 526 is responsible for receiving that data on the  physical NIs 516 and forwarding that data out the appropriate ones of the physical NIs 516 based on the forwarding table (s) 534A-R.

[0094] Figure 5B illustrates an exemplary way to implement the special-purpose network device 502 according to some embodiments of the invention. Figure 5B shows a special-purpose network device including cards 538 (typically hot pluggable) . While in some embodiments the cards 538 are of two types (one or more that operate as the ND forwarding plane 526 (sometimes called line cards) , and one or more that operate to implement the ND control plane 524 (sometimes called control cards) ) , alternative embodiments may combine functionality onto a single card and / or include additional card types (e.g., one additional type of card is called a service card, resource card, or multi-application card) . A service card can provide specialized processing (e.g., Layer 4 to Layer 7 services (e.g., firewall, Internet Protocol Security (IPsec) , Secure Sockets Layer (SSL)  / Transport Layer Security (TLS) , Intrusion Detection System (IDS) , peer-to-peer (P2P) , Voice over IP (VoIP) Session Border Controller, Mobile Wireless Gateways (Gateway General Packet Radio Service (GPRS) Support Node (GGSN) , Evolved Packet Core (EPC) Gateway) ) . By way of example, a service card may be used to terminate IPsec tunnels and execute the attendant authentication and encryption algorithms. These cards are coupled together through one or more interconnect mechanisms illustrated as backplane 536 (e.g., a first full mesh coupling the line cards and a second full mesh coupling all of the cards) .

[0095] Returning to Figure 5A, the general purpose network device 504 includes hardware 540 comprising a set of one or more processor (s) 542 (which are often COTS processors) and physical NIs 546, as well as non-transitory machine readable storage media 548 having stored therein software 550. During operation, the processor (s) 542 execute the software 550 to instantiate one or more sets of one or more applications 564A-R. While one embodiment does not implement virtualization, alternative embodiments may use different forms of virtualization. For example, in one such alternative embodiment the virtualization layer 554 represents the kernel of an operating system (or a shim executing on a base operating system) that allows for the creation of multiple instances 562A-R called software containers that may each be used to execute one (or more) of the sets of applications 564A-R; where the multiple software containers (also called virtualization engines, virtual private servers, or jails) are user spaces (typically a virtual memory space) that are separate from each other and separate from the kernel space in which the operating system is run; and where the set of applications running in a given user space, unless explicitly allowed, cannot access the memory of the other processes. In another such alternative embodiment the virtualization layer 554 represents a hypervisor (sometimes referred to as a virtual machine monitor (VMM) ) or a hypervisor executing on top of a host operating system, and each of the sets of applications 564A-R is run on top of a guest  operating system within an instance 562A-R called a virtual machine (which may in some cases be considered a tightly isolated form of software container) that is run on top of the hypervisor -the guest operating system and application may not know they are running on a virtual machine as opposed to running on a “bare metal” host electronic device, or through para-virtualization the operating system and / or application may be aware of the presence of virtualization for optimization purposes. In yet other alternative embodiments, one, some or all of the applications are implemented as unikernel (s) , which can be generated by compiling directly with an application only a limited set of libraries (e.g., from a library operating system (LibOS) including drivers / libraries of OS services) that provide the particular OS services needed by the application. As a unikernel can be implemented to run directly on hardware 540, directly on a hypervisor (in which case the unikernel is sometimes described as running within a LibOS virtual machine) , or in a software container, embodiments can be implemented fully with unikernels running directly on a hypervisor represented by virtualization layer 554, unikernels running within software containers represented by instances 562A-R, or as a combination of unikernels and the above-described techniques (e.g., unikernels and virtual machines both run directly on a hypervisor, unikernels and sets of applications that are run in different software containers) .

[0096] The instantiation of the one or more sets of one or more applications 564A-R, as well as virtualization if implemented, are collectively referred to as software instance (s) 552. Each set of applications 564A-R, corresponding virtualization construct (e.g., instance 562A-R) if implemented, and that part of the hardware 540 that executes them (be it hardware dedicated to that execution and / or time slices of hardware temporally shared) , forms a separate virtual network element (s) 560A-R.

[0097] The virtual network element (s) 560A-R perform similar functionality to the virtual network element (s) 530A-R -e.g., similar to the control communication and configuration module (s) 532A and forwarding table (s) 534A (this virtualization of the hardware 540 is sometimes referred to as network function virtualization (NFV) ) . Thus, NFV may be used to consolidate many network equipment types onto industry standard high volume server hardware, physical switches, and physical storage, which could be located in Data centers, NDs, and customer premise equipment (CPE) . While embodiments of the invention are illustrated with each instance 562A-R corresponding to one VNE 560A-R, alternative embodiments may implement this correspondence at a finer level granularity (e.g., line card virtual machines virtualize line cards, control card virtual machine virtualize control cards, etc. ) ; it should be understood that the techniques described herein with reference to a correspondence of instances  562A-R to VNEs also apply to embodiments where such a finer level of granularity and / or unikernels are used.

[0098] In certain embodiments, the virtualization layer 554 includes a virtual switch that provides similar forwarding services as a physical Ethernet switch. Specifically, this virtual switch forwards traffic between instances 562A-R and the physical NI (s) 546, as well as optionally between the instances 562A-R; in addition, this virtual switch may enforce network isolation between the VNEs 560A-R that by policy are not permitted to communicate with each other (e.g., by honoring virtual local area networks (VLANs) ) .

[0099] The third exemplary ND implementation in Figure 5A is a hybrid network device 506, which includes both custom ASICs / special-purpose OS and COTS processors / standard OS in a single ND or a single card within an ND. In certain embodiments of such a hybrid network device, a platform VM (i.e., a VM that that implements the functionality of the special-purpose network device 502) could provide for para-virtualization to the networking hardware present in the hybrid network device 506.

[0100] Regardless of the above exemplary implementations of an ND, when a single one of multiple VNEs implemented by an ND is being considered (e.g., only one of the VNEs is part of a given virtual network) or where only a single VNE is currently being implemented by an ND, the shortened term network element (NE) is sometimes used to refer to that VNE. Also in all of the above exemplary implementations, each of the VNEs (e.g., VNE (s) 530A-R, VNEs 560A-R, and those in the hybrid network device 506) receives data on the physical NIs (e.g., 516, 546) and forwards that data out the appropriate ones of the physical NIs (e.g., 516, 546) . For example, a VNE implementing IP router functionality forwards IP packets on the basis of some of the IP header information in the IP packet; where IP header information includes source IP address, destination IP address, source port, destination port (where “source port” and “destination port” refer herein to protocol ports, as opposed to physical ports of a ND) , transport protocol (e.g., user datagram protocol (UDP) , Transmission Control Protocol (TCP) , and differentiated services code point (DSCP) values.

[0101] Figure 5C illustrates various exemplary ways in which VNEs may be coupled according to some embodiments of the invention. Figure 5C shows VNEs 570A. 1-570A. P (and optionally VNEs 570A. Q-570A. R) implemented in ND 500A and VNE 570H. 1 in ND 500H. In Figure 5C, VNEs 570A. 1-P are separate from each other in the sense that they can receive packets from outside ND 500A and forward packets outside of ND 500A; VNE 570A. 1 is coupled with VNE 570H. 1, and thus they communicate packets between their respective NDs; VNE 570A. 2-570A. 3 may optionally forward packets between themselves without forwarding them outside of the ND 500A; and VNE 570A. P may optionally be the first in a chain of VNEs  that includes VNE 570A. Q followed by VNE 570A. R (this is sometimes referred to as dynamic service chaining, where each of the VNEs in the series of VNEs provides a different service –e.g., one or more layer 4-7 network services) . While Figure 5C illustrates various exemplary relationships between the VNEs, alternative embodiments may support other relationships (e.g., more / fewer VNEs, more / fewer dynamic service chains, multiple different dynamic service chains with some common VNEs and some different VNEs) .

[0102] The NDs of Figure 5A, for example, may form part of the Internet or a private network; and other electronic devices (not shown; such as end user devices including workstations, laptops, netbooks, tablets, palm tops, mobile phones, smartphones, phablets, multimedia phones, Voice Over Internet Protocol (VOIP) phones, terminals, portable media players, GPS units, wearable devices, gaming systems, set-top boxes, Internet enabled household appliances) may be coupled to the network (directly or through other networks such as access networks) to communicate over the network (e.g., the Internet or virtual private networks (VPNs) overlaid on (e.g., tunneled through) the Internet) with each other (directly or through servers) and / or access content and / or services. Such content and / or services are typically provided by one or more servers (not shown) belonging to a service / content provider or one or more end user devices (not shown) participating in a peer-to-peer (P2P) service, and may include, for example, public webpages (e.g., free content, store fronts, search services) , private webpages (e.g., username / password accessed webpages providing email services) , and / or corporate networks over VPNs. For instance, end user devices may be coupled (e.g., through customer premise equipment coupled to an access network (wired or wirelessly) ) to edge NDs, which are coupled (e.g., through one or more core NDs) to other edge NDs, which are coupled to electronic devices acting as servers. However, through compute and storage virtualization, one or more of the electronic devices operating as the NDs in Figure 5A may also host one or more such servers (e.g., in the case of the general purpose network device 504, one or more of the software instances 562A-R may operate as servers; the same would be true for the hybrid network device 506; in the case of the special-purpose network device 502, one or more such servers could also be run on a virtualization layer executed by the processor (s) 512) ; in which case the servers are said to be co-located with the VNEs of that ND.

[0103] A virtual network is a logical abstraction of a physical network (such as that in Figure 5A) that provides network services (e.g., L2 and / or L3 services) . A virtual network can be implemented as an overlay network (sometimes referred to as a network virtualization overlay) that provides network services (e.g., layer 2 (L2, data link layer) and / or layer 3 (L3, network layer) services) over an underlay network (e.g., an L3 network, such as an Internet Protocol (IP)  network that uses tunnels (e.g., generic routing encapsulation (GRE) , layer 2 tunneling protocol (L2TP) , IPSec) to create the overlay network) .

[0104] A network virtualization edge (NVE) sits at the edge of the underlay network and participates in implementing the network virtualization; the network-facing side of the NVE uses the underlay network to tunnel frames to and from other NVEs; the outward-facing side of the NVE sends and receives data to and from systems outside the network. A virtual network instance (VNI) is a specific instance of a virtual network on a NVE (e.g., a NE / VNE on an ND, a part of a NE / VNE on a ND where that NE / VNE is divided into multiple VNEs through emulation) ; one or more VNIs can be instantiated on an NVE (e.g., as different VNEs on an ND) . A virtual access point (VAP) is a logical connection point on the NVE for connecting external systems to a virtual network; a VAP can be physical or virtual ports identified through logical interface identifiers (e.g., a VLAN ID) .

[0105] Examples of network services include: 1) an Ethernet LAN emulation service (an Ethernet-based multipoint service similar to an Internet Engineering Task Force (IETF) Multiprotocol Label Switching (MPLS) or Ethernet VPN (EVPN) service) in which external systems are interconnected across the network by a LAN environment over the underlay network (e.g., an NVE provides separate L2 VNIs (virtual switching instances) for different such virtual networks, and L3 (e.g., IP / MPLS) tunneling encapsulation across the underlay network) ; and 2) a virtualized IP forwarding service (similar to IETF IP VPN (e.g., Border Gateway Protocol (BGP)  / MPLS IPVPN) from a service definition perspective) in which external systems are interconnected across the network by an L3 environment over the underlay network (e.g., an NVE provides separate L3 VNIs (forwarding and routing instances) for different such virtual networks, and L3 (e.g., IP / MPLS) tunneling encapsulation across the underlay network) ) . Network services may also include quality of service capabilities (e.g., traffic classification marking, traffic conditioning and scheduling) , security capabilities (e.g., filters to protect customer premises from network –originated attacks, to avoid malformed route announcements) , and management capabilities (e.g., full detection and processing) .

[0106] Fig. 5D illustrates a network with a single network element on each of the NDs of Figure 5A, and within this straight forward approach contrasts a traditional distributed approach (commonly used by traditional routers) with a centralized approach for maintaining reachability and forwarding information (also called network control) , according to some embodiments of the invention. Specifically, Figure 5D illustrates ntwork elements (NEs) 570A-H with the same connectivity as the NDs 500A-H of Figure 5A.

[0107] Figure 5D illustrates that the distributed approach 572 distributes responsibility for generating the reachability and forwarding information across the NEs 570A-H; in other words, the process of neighbor discovery and topology discovery is distributed.

[0108] For example, where the special-purpose network device 502 is used, the control communication and configuration module (s) 532A-R of the ND control plane 524 typically include a reachability and forwarding information module to implement one or more routing protocols (e.g., an exterior gateway protocol such as Border Gateway Protocol (BGP) , Interior Gateway Protocol (s) (IGP) (e.g., Open Shortest Path First (OSPF) , Intermediate System to Intermediate System (IS-IS) , Routing Information Protocol (RIP) , Label Distribution Protocol (LDP) , Resource Reservation Protocol (RSVP) (including RSVP-Traffic Engineering (TE) : Extensions to RSVP for LSP Tunnels and Generalized Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) Signaling RSVP-TE) ) that communicate with other NEs to exchange routes, and then selects those routes based on one or more routing metrics. Thus, the NEs 570A-H (e.g., the processor (s) 512 executing the control communication and configuration module (s) 532A-R) perform their responsibility for participating in controlling how data (e.g., packets) is to be routed (e.g., the next hop for the data and the outgoing physical NI for that data) by distributively determining the reachability within the network and calculating their respective forwarding information. Routes and adjacencies are stored in one or more routing structures (e.g., Routing Information Base (RIB) , Label Information Base (LIB) , one or more adjacency structures) on the ND control plane 524. The ND control plane 524 programs the ND forwarding plane 526 with information (e.g., adjacency and route information) based on the routing structure (s) . For example, the ND control plane 524 programs the adjacency and route information into one or more forwarding table (s) 534A-R (e.g., Forwarding Information Base (FIB) , Label Forwarding Information Base (LFIB) , and one or more adjacency structures) on the ND forwarding plane 526. For layer 2 forwarding, the ND can store one or more bridging tables that are used to forward data based on the layer 2 information in that data. While the above example uses the special-purpose network device 502, the same distributed approach 572 can be implemented on the general purpose network device 504 and the hybrid network device 506.

[0109] Figure 5D illustrates that a centralized approach 574 (also known as software defined networking (SDN) ) that decouples the system that makes decisions about where traffic is sent from the underlying systems that forwards traffic to the selected destination. The illustrated centralized approach 574 has the responsibility for the generation of reachability and forwarding information in a centralized control plane 576 (sometimes referred to as a SDN control module, controller, network controller, OpenFlow controller, SDN controller, control plane node, network virtualization authority, or management control entity) , and thus the process of  neighbor discovery and topology discovery is centralized. The centralized control plane 576 has a south bound interface 582 with a data plane 580 (sometime referred to the infrastructure layer, network forwarding plane, or forwarding plane (which should not be confused with a ND forwarding plane) ) that includes the NEs 570A-H (sometimes referred to as switches, forwarding elements, data plane elements, or nodes) . The centralized control plane 576 includes a network controller 578, which includes a centralized reachability and forwarding information module 579 that determines the reachability within the network and distributes the forwarding information to the NEs 570A-H of the data plane 580 over the south bound interface 582 (which may use the OpenFlow protocol) . Thus, the network intelligence is centralized in the centralized control plane 576 executing on electronic devices that are typically separate from the NDs.

[0110] For example, where the special-purpose network device 502 is used in the data plane 580, each of the control communication and configuration module (s) 532A-R of the ND control plane 524 typically include a control agent that provides the VNE side of the south bound interface 582. In this case, the ND control plane 524 (the processor (s) 512 executing the control communication and configuration module (s) 532A-R) performs its responsibility for participating in controlling how data (e.g., packets) is to be routed (e.g., the next hop for the data and the outgoing physical NI for that data) through the control agent communicating with the centralized control plane 576 to receive the forwarding information (and in some cases, the reachability information) from the centralized reachability and forwarding information module 579 (it should be understood that in some embodiments of the invention, the control communication and configuration module (s) 532A-R, in addition to communicating with the centralized control plane 576, may also play some role in determining reachability and / or calculating forwarding information –albeit less so than in the case of a distributed approach; such embodiments are generally considered to fall under the centralized approach 574, but may also be considered a hybrid approach) .

[0111] While the above example uses the special-purpose network device 502, the same centralized approach 574 can be implemented with the general purpose network device 504 (e.g., each of the VNE 560A-R performs its responsibility for controlling how data (e.g., packets) is to be routed (e.g., the next hop for the data and the outgoing physical NI for that data) by communicating with the centralized control plane 576 to receive the forwarding information (and in some cases, the reachability information) from the centralized reachability and forwarding information module 579; it should be understood that in some embodiments of the invention, the VNEs 560A-R, in addition to communicating with the centralized control plane 576, may also play some role in determining reachability and / or calculating forwarding information –albeit less so than in the case of a distributed approach) and the hybrid network  device 506. In fact, the use of SDN techniques can enhance the NFV techniques typically used in the general purpose network device 504 or hybrid network device 506 implementations as NFV is able to support SDN by providing an infrastructure upon which the SDN software can be run, and NFV and SDN both aim to make use of commodity server hardware and physical switches.

[0112] Figure 5D also shows that the centralized control plane 576 has a north bound interface 584 to an application layer 586, in which resides application (s) 588. The centralized control plane 576 has the ability to form virtual networks 592 (sometimes referred to as a logical forwarding plane, network services, or overlay networks (with the NEs 570A-H of the data plane 580 being the underlay network) ) for the application (s) 588. Thus, the centralized control plane 576 maintains a global view of all NDs and configured NEs / VNEs, and it maps the virtual networks to the underlying NDs efficiently (including maintaining these mappings as the physical network changes either through hardware (ND, link, or ND component) failure, addition, or removal) .

[0113] While Figure 5D shows the distributed approach 572 separate from the centralized approach 574, the effort of network control may be distributed differently or the two combined in certain embodiments of the invention. For example: 1) embodiments may generally use the centralized approach (SDN) 574, but have certain functions delegated to the NEs (e.g., the distributed approach may be used to implement one or more of fault monitoring, performance monitoring, protection switching, and primitives for neighbor and / or topology discovery) ; or 2) embodiments of the invention may perform neighbor discovery and topology discovery via both the centralized control plane and the distributed protocols, and the results compared to raise exceptions where they do not agree. Such embodiments are generally considered to fall under the centralized approach 574, but may also be considered a hybrid approach.

[0114] While Figure 5D illustrates the simple case where each of the NDs 500A-H implements a single NE 570A-H, it should be understood that the network control approaches described with reference to Figure 5D also work for networks where one or more of the NDs 500A-H implement multiple VNEs (e.g., VNEs 530A-R, VNEs 560A-R, those in the hybrid network device 506) . Alternatively or in addition, the network controller 578 may also emulate the implementation of multiple VNEs in a single ND. Specifically, instead of (or in addition to) implementing multiple VNEs in a single ND, the network controller 578 may present the implementation of a VNE / NE in a single ND as multiple VNEs in the virtual networks 592 (all in the same one of the virtual network (s) 592, each in different ones of the virtual network (s) 592, or some combination) . For example, the network controller 578 may cause an ND to implement a single VNE (a NE) in the underlay network, and then logically divide up the  resources of that NE within the centralized control plane 576 to present different VNEs in the virtual network (s) 592 (where these different VNEs in the overlay networks are sharing the resources of the single VNE / NE implementation on the ND in the underlay network) .

[0115] On the other hand, Figures 5E and 5F respectively illustrate exemplary abstractions of NEs and VNEs that the network controller 578 may present as part of different ones of the virtual networks 592. Figure 5E illustrates the simple case of where each of the NDs 500A-H implements a single NE 570A-H (see Figure 5D) , but the centralized control plane 576 has abstracted multiple of the NEs in different NDs (the NEs 570A-C and G-H) into (to represent) a single NE 570I in one of the virtual network (s) 592 of Figure 5D, according to some embodiments of the invention. Figure 5E shows that in this virtual network, the NE 570I is coupled to NE 570D and 570F, which are both still coupled to NE 570E.

[0116] Figure 5F illustrates a case where multiple VNEs (VNE 570A. 1 and VNE 570H. 1) are implemented on different NDs (ND 500A and ND 500H) and are coupled to each other, and where the centralized control plane 576 has abstracted these multiple VNEs such that they appear as a single VNE 570T within one of the virtual networks 592 of Figure 5D, according to some embodiments of the invention. Thus, the abstraction of a NE or VNE can span multiple NDs.

[0117] While some embodiments of the invention implement the centralized control plane 576 as a single entity (e.g., a single instance of software running on a single electronic device) , alternative embodiments may spread the functionality across multiple entities for redundancy and / or scalability purposes (e.g., multiple instances of software running on different electronic devices) .

[0118] Similar to the network device implementations, the electronic device (s) running the centralized control plane 576, and thus the network controller 578 including the centralized reachability and forwarding information module 579, may be implemented a variety of ways (e.g., a special purpose device, a general-purpose (e.g., COTS) device, or hybrid device) . These electronic device (s) would similarly include processor (s) , a set or one or more physical NIs, and a non-transitory machine-readable storage medium having stored thereon the centralized control plane software. For instance, Figure 6 illustrates, a general purpose control plane device 604 including hardware 640 comprising a set of one or more processor (s) 642 (which are often COTS processors) and physical NIs 646, as well as non-transitory machine readable storage media 648 having stored therein centralized control plane (CCP) software 650.

[0119] In embodiments that use compute virtualization, the processor (s) 642 typically execute software to instantiate a virtualization layer 654 (e.g., in one embodiment the virtualization layer 654 represents the kernel of an operating system (or a shim executing on a  base operating system) that allows for the creation of multiple instances 662A-R called software containers (representing separate user spaces and also called virtualization engines, virtual private servers, or jails) that may each be used to execute a set of one or more applications; in another embodiment the virtualization layer 654 represents a hypervisor (sometimes referred to as a virtual machine monitor (VMM) ) or a hypervisor executing on top of a host operating system, and an application is run on top of a guest operating system within an instance 662A-R called a virtual machine (which in some cases may be considered a tightly isolated form of software container) that is run by the hypervisor ; in another embodiment, an application is implemented as a unikernel, which can be generated by compiling directly with an application only a limited set of libraries (e.g., from a library operating system (LibOS) including drivers / libraries of OS services) that provide the particular OS services needed by the application, and the unikernel can run directly on hardware 640, directly on a hypervisor represented by virtualization layer 654 (in which case the unikernel is sometimes described as running within a LibOS virtual machine) , or in a software container represented by one of instances 662A-R) . Again, in embodiments where compute virtualization is used, during operation an instance of the CCP software 650 (illustrated as CCP instance 676A) is executed (e.g., within the instance 662A) on the virtualization layer 654. In embodiments where compute virtualization is not used, the CCP instance 676A is executed, as a unikernel or on top of a host operating system, on the “bare metal” general purpose control plane device 604. The instantiation of the CCP instance 676A, as well as the virtualization layer 654 and instances 662A-R if implemented, are collectively referred to as software instance (s) 652.

[0120] In some embodiments, the CCP instance 676A includes a network controller instance 678. The network controller instance 678 includes a centralized reachability and forwarding information module instance 679 (which is a middleware layer providing the context of the network controller 578 to the operating system and communicating with the various NEs) , and an CCP application layer 680 (sometimes referred to as an application layer) over the middleware layer (providing the intelligence required for various network operations such as protocols, network situational awareness, and user –interfaces) . At a more abstract level, this CCP application layer 680 within the centralized control plane 576 works with virtual network view (s) (logical view (s) of the network) and the middleware layer provides the conversion from the virtual networks to the physical view.

[0121] The centralized control plane 576 transmits relevant messages to the data plane 580 based on CCP application layer 680 calculations and middleware layer mapping for each flow. A flow may be defined as a set of packets whose headers match a given pattern of bits; in this sense, traditional IP forwarding is also flow–based forwarding where the flows are defined by  the destination IP address for example; however, in other implementations, the given pattern of bits used for a flow definition may include more fields (e.g., 10 or more) in the packet headers. Different NDs / NEs / VNEs of the data plane 580 may receive different messages, and thus different forwarding information. The data plane 580 processes these messages and programs the appropriate flow information and corresponding actions in the forwarding tables (sometime referred to as flow tables) of the appropriate NE / VNEs, and then the NEs / VNEs map incoming packets to flows represented in the forwarding tables and forward packets based on the matches in the forwarding tables.

[0122] Standards such as OpenFlow define the protocols used for the messages, as well as a model for processing the packets. The model for processing packets includes header parsing, packet classification, and making forwarding decisions. Header parsing describes how to interpret a packet based upon a well-known set of protocols. Some protocol fields are used to build a match structure (or key) that will be used in packet classification (e.g., a first key field could be a source media access control (MAC) address, and a second key field could be a destination MAC address) .

[0123] Packet classification involves executing a lookup in memory to classify the packet by determining which entry (also referred to as a forwarding table entry or flow entry) in the forwarding tables best matches the packet based upon the match structure, or key, of the forwarding table entries. It is possible that many flows represented in the forwarding table entries can correspond / match to a packet; in this case the system is typically configured to determine one forwarding table entry from the many according to a defined scheme (e.g., selecting a first forwarding table entry that is matched) . Forwarding table entries include both a specific set of match criteria (a set of values or wildcards, or an indication of what portions of a packet should be compared to a particular value / values / wildcards, as defined by the matching capabilities –for specific fields in the packet header, or for some other packet content) , and a set of one or more actions for the data plane to take on receiving a matching packet. For example, an action may be to push a header onto the packet, for the packet using a particular port, flood the packet, or simply drop the packet. Thus, a forwarding table entry for IPv4 / IPv6 packets with a particular transmission control protocol (TCP) destination port could contain an action specifying that these packets should be dropped.

[0124] Making forwarding decisions and performing actions occurs, based upon the forwarding table entry identified during packet classification, by executing the set of actions identified in the matched forwarding table entry on the packet.

[0125] However, when an unknown packet (for example, a “missed packet” or a “match-miss” as used in OpenFlow parlance) arrives at the data plane 580, the packet (or a subset of the  packet header and content) is typically forwarded to the centralized control plane 576. The centralized control plane 576 will then program forwarding table entries into the data plane 580 to accommodate packets belonging to the flow of the unknown packet. Once a specific forwarding table entry has been programmed into the data plane 580 by the centralized control plane 576, the next packet with matching credentials will match that forwarding table entry and take the set of actions associated with that matched entry.

[0126] A network interface (NI) may be physical or virtual; and in the context of IP, an interface address is an IP address assigned to a NI, be it a physical NI or virtual NI. A virtual NI may be associated with a physical NI, with another virtual interface, or stand on its own (e.g., a loopback interface, a point-to-point protocol interface) . A NI (physical or virtual) may be numbered (a NI with an IP address) or unnumbered (a NI without an IP address) . A loopback interface (and its loopback address) is a specific type of virtual NI (and IP address) of a NE / VNE (physical or virtual) often used for management purposes; where such an IP address is referred to as the nodal loopback address. The IP address (es) assigned to the NI (s) of a ND are referred to as IP addresses of that ND; at a more granular level, the IP address (es) assigned to NI (s) assigned to a NE / VNE implemented on a ND can be referred to as IP addresses of that NE / VNE.

[0127] Next hop selection by the routing system for a given destination may resolve to one path (that is, a routing protocol may generate one next hop on a shortest path) ; but if the routing system determines there are multiple viable next hops (that is, the routing protocol generated forwarding solution offers more than one next hop on a shortest path –multiple equal cost next hops) , some additional criteria is used -for instance, in a connectionless network, Equal Cost Multi Path (ECMP) (also known as Equal Cost Multi Pathing, multipath forwarding and IP multipath) may be used (e.g., typical implementations use as the criteria particular header fields to ensure that the packets of a particular packet flow are always forwarded on the same next hop to preserve packet flow ordering) . For purposes of multipath forwarding, a packet flow is defined as a set of packets that share an ordering constraint. As an example, the set of packets in a particular TCP transfer sequence need to arrive in order, else the TCP logic will interpret the out of order delivery as congestion and slow the TCP transfer rate down.

[0128] A Layer 3 (L3) Link Aggregation (LAG) link is a link directly connecting two NDs with multiple IP-addressed link paths (each link path is assigned a different IP address) , and a load distribution decision across these different link paths is performed at the ND forwarding plane; in which case, a load distribution decision is made between the link paths.

[0129] Some NDs include functionality for authentication, authorization, and accounting (AAA) protocols (e.g., RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service) , Diameter,  and / or TACACS+ (Terminal Access Controller Access Control System Plus) . AAA can be provided through a client / server model, where the AAA client is implemented on a ND and the AAA server can be implemented either locally on the ND or on a remote electronic device coupled with the ND. Authentication is the process of identifying and verifying a subscriber. For instance, a subscriber might be identified by a combination of a username and a password or through a unique key. Authorization determines what a subscriber can do after being authenticated, such as gaining access to certain electronic device information resources (e.g., through the use of access control policies) . Accounting is recording user activity. By way of a summary example, end user devices may be coupled (e.g., through an access network) through an edge ND (supporting AAA processing) coupled to core NDs coupled to electronic devices implementing servers of service / content providers. AAA processing is performed to identify for a subscriber the subscriber record stored in the AAA server for that subscriber. A subscriber record includes a set of attributes (e.g., subscriber name, password, authentication information, access control information, rate-limiting information, policing information) used during processing of that subscriber’s traffic.

[0130] Certain NDs (e.g., certain edge NDs) internally represent end user devices (or sometimes customer premise equipment (CPE) such as a residential gateway (e.g., a router, modem) ) using subscriber circuits. A subscriber circuit uniquely identifies within the ND a subscriber session and typically exists for the lifetime of the session. Thus, a ND typically allocates a subscriber circuit when the subscriber connects to that ND, and correspondingly de-allocates that subscriber circuit when that subscriber disconnects. Each subscriber session represents a distinguishable flow of packets communicated between the ND and an end user device (or sometimes CPE such as a residential gateway or modem) using a protocol, such as the point-to-point protocol over another protocol (PPPoX) (e.g., where X is Ethernet or Asynchronous Transfer Mode (ATM) ) , Ethernet, 802.1Q Virtual LAN (VLAN) , Internet Protocol, or ATM) . A subscriber session can be initiated using a variety of mechanisms (e.g., manual provisioning a dynamic host configuration protocol (DHCP) , DHCP / client-less internet protocol service (CLIPS) or Media Access Control (MAC) address tracking) . For example, the point-to-point protocol (PPP) is commonly used for digital subscriber line (DSL) services and requires installation of a PPP client that enables the subscriber to enter a username and a password, which in turn may be used to select a subscriber record. When DHCP is used (e.g., for cable modem services) , a username typically is not provided; but in such situations other information (e.g., information that includes the MAC address of the hardware in the end user device (or CPE) ) is provided. The use of DHCP and CLIPS on the ND captures the MAC addresses and uses these addresses to distinguish subscribers and access their subscriber records.

[0131] A virtual circuit (VC) , synonymous with virtual connection and virtual channel, is a connection oriented communication service that is delivered by means of packet mode communication. Virtual circuit communication resembles circuit switching, since both are connection oriented, meaning that in both cases data is delivered in correct order, and signaling overhead is required during a connection establishment phase. Virtual circuits may exist at different layers. For example, at layer 4, a connection oriented transport layer datalink protocol such as Transmission Control Protocol (TCP) may rely on a connectionless packet switching network layer protocol such as IP, where different packets may be routed over different paths, and thus be delivered out of order. Where a reliable virtual circuit is established with TCP on top of the underlying unreliable and connectionless IP protocol, the virtual circuit is identified by the source and destination network socket address pair, i.e. the sender and receiver IP address and port number. However, a virtual circuit is possible since TCP includes segment numbering and reordering on the receiver side to prevent out-of-order delivery. Virtual circuits are also possible at Layer 3 (network layer) and Layer 2 (datalink layer) ; such virtual circuit protocols are based on connection oriented packet switching, meaning that data is always delivered along the same network path, i.e. through the same NEs / VNEs. In such protocols, the packets are not routed individually and complete addressing information is not provided in the header of each data packet; only a small virtual channel identifier (VCI) is required in each packet; and routing information is transferred to the NEs / VNEs during the connection establishment phase; switching only involves looking up the virtual channel identifier in a table rather than analyzing a complete address. Examples of network layer and datalink layer virtual circuit protocols, where data always is delivered over the same path: X. 25, where the VC is identified by a virtual channel identifier (VCI) ; Frame relay, where the VC is identified by a VCI; Asynchronous Transfer Mode (ATM) , where the circuit is identified by a virtual path identifier (VPI) and virtual channel identifier (VCI) pair; General Packet Radio Service (GPRS) ; and Multiprotocol label switching (MPLS) , which can be used for IP over virtual circuits (Each circuit is identified by a label) .

[0132] Certain NDs (e.g., certain edge NDs) use a hierarchy of circuits. The leaf nodes of the hierarchy of circuits are subscriber circuits. The subscriber circuits have parent circuits in the hierarchy that typically represent aggregations of multiple subscriber circuits, and thus the network segments and elements used to provide access network connectivity of those end user devices to the ND. These parent circuits may represent physical or logical aggregations of subscriber circuits (e.g., a virtual local area network (VLAN) , a permanent virtual circuit (PVC) (e.g., for Asynchronous Transfer Mode (ATM) ) , a circuit-group, a channel, a pseudo-wire, a physical NI of the ND, and a link aggregation group) . A circuit-group is a virtual construct that  allows various sets of circuits to be grouped together for configuration purposes, for example aggregate rate control. A pseudo-wire is an emulation of a layer 2 point-to-point connection-oriented service. A link aggregation group is a virtual construct that merges multiple physical NIs for purposes of bandwidth aggregation and redundancy. Thus, the parent circuits physically or logically encapsulate the subscriber circuits.

[0133] Each VNE (e.g., a virtual router, a virtual bridge (which may act as a virtual switch instance in a Virtual Private LAN Service (VPLS) is typically independently administrable. For example, in the case of multiple virtual routers, each of the virtual routers may share system resources but is separate from the other virtual routers regarding its management domain, AAA (authentication, authorization, and accounting) name space, IP address, and routing database (s) . Multiple VNEs may be employed in an edge ND to provide direct network access and / or different classes of services for subscribers of service and / or content providers.

[0134] Within certain NDs, “interfaces” that are independent of physical NIs may be configured as part of the VNEs to provide higher-layer protocol and service information (e.g., Layer 3 addressing) . The subscriber records in the AAA server identify, in addition to the other subscriber configuration requirements, to which context (e.g., which of the VNEs / NEs) the corresponding subscribers should be bound within the ND. As used herein, a binding forms an association between a physical entity (e.g., physical NI, channel) or a logical entity (e.g., circuit such as a subscriber circuit or logical circuit (a set of one or more subscriber circuits) ) and a context’s interface over which network protocols (e.g., routing protocols, bridging protocols) are configured for that context. Subscriber data flows on the physical entity when some higher-layer protocol interface is configured and associated with that physical entity.

[0135] While the flow diagrams in the figures show a particular order of operations performed by certain embodiments of the invention, it should be understood that such order is exemplary (e.g., alternative embodiments may perform the operations in a different order, combine certain operations, overlap certain operations, etc. ) .

[0136] While the invention has been described in terms of several embodiments, those skilled in the art will recognize that the invention is not limited to the embodiments described, can be practiced with modification and alteration within the spirit and scope of the appended claims. The description is thus to be regarded as illustrative instead of limiting.

Claims

1.A method in a network for processing a plurality of packet flows, the method comprising:determining (210) a first parameter value for a first packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a first requirement for the first packet flow, a first set of characteristics of the first packet flow, and first allocated network resources for the first packet flow;determining (220) a second parameter value for a second packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a second requirement, a second set of characteristics of the second packet flow, and second allocated network resources for the second packet flow;determining (230) that the first parameter value and the second parameter value are equal;in response to determining (240) that the first parameter value and the second parameter value are equal, assigning the first packet flow and the second packet flow a first Quality of Service (QoS) class from a plurality of QoS classes; andcausing (250) the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class.2.The method of claim 1, further comprising:determining (410) a third parameter value for a third packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a third requirement for the third packet flow, a third set of characteristics of the third packet flow, and third allocated network resources for the third packet flow, wherein the third allocated network resources satisfy the third requirement;determining (420) a fourth parameter value for a fourth packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a fourth requirement for the fourth packet flow, a fourth set of characteristics of the fourth packet flow, and fourth allocated network resources for the fourth packet flow, wherein the fourth allocated network resources satisfy the fourth requirement;clustering (430) the plurality of packet flows into a plurality of QoS cluster groups according to the parameter and the number of the plurality of QoS classes; andresponsive to determining that the third packet flow and the fourth packet flow are part of a first QoS cluster group from the plurality of QoS cluster groups, assigning (450) the third packet flow and the fourth packet flow to a second QoS class.3.The method of claim 2, further comprising:determining (460) a fifth packet flow that is part of the first QoS cluster group, wherein the fifth packet flow has an associated fifth parameter value that is stricter than a parameter value of any other packet flow from the first QoS cluster group; anddetermining (470) , based on the fifth parameter value, sixth allocated network resources for the third packet flow and seventh allocated network resources for the fourth packet flow, wherein a third updated parameter value determined for the third packet flow based on the third set of characteristics and the sixth allocated network resources equal the fifth parameter value, and a fourth updated parameter value determined for the fourth packet flow based on the fourth set of characteristics and the seventh allocated network resources equals the fifth parameter value.4.The method of claim 3, further comprising:causing (480) the third packet flow and the fourth packet flow to be processed in the network according to the sixth allocated network resources and the seventh allocated network resources respectively.5.The method of any of claims 1-4, wherein the first parameter value is a first burst duration for the first packet flow, the second parameter value is a second burst duration for the second packet flow, the first set of characteristics includes a first burst size and a generation rate for the first packet flow, the second set of characteristics includes a second burst size and a generation rate for the second packet flow, the first requirement includes a first maximum queueing delay for the first packet flow, the second requirement includes a second maximum queueing delay for the second packet flow, the first allocated network resources is a first allocated bandwidth for the first packet flow, and the second allocated network resources is a second allocated bandwidth for the second packet flow.6.The method of any of claims 1-4, wherein the first parameter value is a first equalized buffer margin for the first packet flow, the second parameter value is a second equalized buffer margin for the second packet flow, the first set of characteristics includes a first mean and a first variance of a first normal distribution of a first variable burst size for the first packet flow, the second set of characteristics includes a second mean and a second variance of a second normal  distribution of a second variable burst size for the second packet flow, the first requirement is based on a first maximum packet loss probability for a burst of packets of the first packet flow, the second requirement is based on a second maximum packet loss probability for a burst of packets of the second packet flow, the first allocated network resources is a first amount of buffer memory for the queue of the first packet flow, and the second allocated network resources is a second amount of buffer memory for the queue of the second packet flow.7.The method of any of claims 1-5, wherein the causing the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class:configuring a network device to add packets of the first packet flow and the second packet flow to a same queue associated with the first QoS class, and wherein the configuring results in the transmission of the packets to an output interface of the network device by selecting the packets from the queue according to allocated resources that satisfy the first requirement and the second requirement.8.A machine-readable medium comprising computer program code which when executed by a computer carries out the method steps of any of claims 1-7.9.A network device comprising:a non-transitory machine -readable storage medium that provides instructions that, if executed by a processor, will cause the network device to perform operations comprising,determining (210) a first parameter value for a first packet flow from a plurality of packet flows based at least in part on a first requirement for the first packet flow, a first set of characteristics of the first packet flow, and first allocated network resources for the first packet flow;determining (220) a second parameter value for a second packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a second requirement, a second set of characteristics of the second packet flow, and second allocated network resources for the second packet flow;determining (230) that the first parameter value and the second parameter value are equal;in response to determining (240) that the first parameter value and the second parameter value are equal, assigning the first packet flow and the second packet flow a first Quality of Service (QoS) class from a plurality of QoS classes; andcausing (250) the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class.10.The network device of claim 9, wherein the operations further comprise:determining (410) a third parameter value for a third packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a third requirement for the third packet flow, a third set of characteristics of the third packet flow, and third allocated network resources for the third packet flow, wherein the third allocated network resources satisfy the third requirement;determining (420) a fourth parameter value for a fourth packet flow from the plurality of packet flows based at least in part on a fourth requirement for the fourth packet flow, a fourth set of characteristics of the fourth packet flow, and fourth allocated network resources for the fourth packet flow, wherein the fourth allocated network resources satisfy the fourth requirement;clustering (430) the plurality of packet flows into a plurality of QoS cluster groups according to the parameter and the number of the plurality of QoS classes; andresponsive to determining that the third packet flow and the fourth packet flow are part of a first QoS cluster group from the plurality of QoS cluster groups, assigning (450) the third packet flow and the fourth packet flow to a second QoS class.11.The network device of claims 10, wherein the operations further comprise:determining (460) a fifth packet flow that is part of the first QoS cluster group, wherein the fifth packet flow has an associated fifth parameter value that is stricter than a parameter value of any other packet flow from the first QoS cluster group; anddetermining (470) , based on the fifth parameter value, sixth allocated network resources for the third packet flow and seventh allocated network resources for the fourth packet flow, wherein a third updated parameter value determined for the third packet flow based on the third set of characteristics and the sixth allocated network resources equal the fifth parameter value, and a fourth updated parameter value determined for the fourth packet flow based on the fourth set of characteristics and the seventh allocated network resources equals the fifth parameter value.12.The network device of claim 11, wherein the operations further comprise:causing (480) the third packet flow and the fourth packet flow to be processed in the network according to the sixth allocated network resources and the seventh allocated network resources respectively.13.The network device of any of claims 9-12, wherein the first parameter value is a first burst duration for the first packet flow, the second parameter value is a second burst duration for the second packet flow, the first set of characteristics includes a first burst size and a generation rate for the first packet flow, the second set of characteristics includes a second burst size and a generation rate for the second packet flow, the first requirement includes a first maximum queueing delay for the first packet flow, the second requirement includes a second maximum queueing delay for the second packet flow, the first allocated network resources is a first allocated bandwidth for the first packet flow, and the second allocated network resources is a second allocated bandwidth for the second packet flow.14.The network device of any of claims 9-12, wherein the first parameter value is a first equalized buffer margin for the first packet flow, the second parameter value is a second equalized buffer margin for the second packet flow, the first set of characteristics includes a first mean and a first variance of a first normal distribution of a first variable burst size for the first packet flow, the second set of characteristics includes a second mean and a second variance of a second normal distribution of a second variable burst size for the second packet flow, the first requirement is based on a first maximum packet loss probability for a burst of packets of the first packet flow, the second requirement is based on a second maximum packet loss probability for a burst of packets of the second packet flow, the first allocated network resources is a first amount of buffer memory for the queue of the first packet flow, and the second allocated network resources is a second amount of buffer memory for the queue of the second packet flow.15.The network device of any of claims 9-12, wherein the causing the first packet flow and the second packet flow to be processed in the network based on the first QoS class:configuring a network device to add packets of the first packet flow and the second packet flow to a same queue associated with the first QoS class, and wherein the configuring results in the transmission of the packets to an output interface of the network device by selecting the packets from the queue according to allocated resources that satisfy the first requirement and the second requirement.

Images