CN109600319B - 一种实时传输机制中的流量调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明所公布的一种实时传输机制中的流量调度方法。本发明是控制器根据所有时间敏感网络切片的当前分配情况来调整普通业务流的转发比例，并采用最坏适应策略(Worst‑fit strategy)来调度时间敏感流，也就是说，当新的流量到达时，为了避免发生拥塞，我们选择一条剩余容量最大的时间敏感网络切片。使用这种有效的调度方法可以实现对流的控制并且避免不同种类流之间相互影响。

Description

一种实时传输机制中的流量调度方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，尤其涉及一种实时传输机制中的流量调度方法。

背景技术

传统IP网络提供的是尽力而为的单一服务模式，未对流的业务类型作出明确的区分，流和流之间平等的分配带宽，早期网络中以传输数据为主的非实时流并未受到此服务模式的影响。随着IP网络应用越来越多，网络不仅需要保证带宽还需要严格的限制时延、丢包率等，因此传统的服务方式不能保证IP网络的发展需求。

传统电路交换网络中容易造成某条流独自占用资源的现象，使得网络资源利用率低下。IP网络中不同QOS需求的业务流共享网络资源，导致时间敏感业务流的带宽被其他非敏感业务流抢占，增大了时间敏感流的时延，因此，要保障工业互联网中不同业务流的实时传输需求，不仅要考虑网络流量负载均衡的问题还要尽量把不同时延需求的业务流分离。

在实时传输机制中可以针对不同时间敏感度的流采取不同的调度方法，以满足它们的QOS需求，最大化网络中的吞吐量。对于时间敏感度的不同，将流分为两类：对时间比较敏感的流(称为时间敏感流)和非时间敏感流(尽力而为传输)。时间敏感流类中包含多条不同时间敏感度的流，即时间敏感流类中每条流都有自己的QOS需求，从而提高整体网络资源的利用率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种实时传输机制中的流量调度方法

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包含如下步骤：

步骤(1)广域工业网络互联层由控制子层和网络子层组成，控制子层的实体为控制器，网络子层的实体为物理网络设备和虚拟交换机；

步骤(2)控制器为参加同一业务协同的一组工厂创建一个逻辑网，逻辑网由逻辑节点和逻辑链路构成；

步骤(3)每一个逻辑节点对应一个工厂；逻辑网节点本质上是物理节点上的一个VPN实例，存在于物理设备之内，具有独立路由转发表和服务策略；

步骤(4)将工厂里的网络流量分为时间敏感流与普通业务流，时间敏感流是对时延比较敏感的流量，业务普通流是对时延比较不敏感的流量。

步骤(5)普通业务网络切片的构造根据K条最短路径算法(k-shortest pathes，KSP)，所述K条最短路径算法是一种知名的最短路径算法，普通业务流分配的路径需是无环的，采取的是Dijkstra算法完成构造。时间敏感业务网络切片采用专门的算法进行构造。

步骤(6)控制器根据流的TOS字段的时延大小去判断流量的类型，如果是时间敏感流，则进入步骤(7)，如果是普通业务流，则进入步骤(8)；

步骤(7)当有新的时间敏感流到达时，控制器识别该条时间敏感流的源、目节点和其QOS需求，具体如下：

7-1控制器通过查找相应的网络切片的剩余容量(与带宽利用率成反比)来判断是否接纳此流，如果剩余容量满足流的需求，即剩余容量能够接纳，则进入步骤7-2，如果剩余容量不满足流的需求，即剩余容量不足以接纳，则进入步骤7-3；

7-2如果切片中存在能够传输该流的路径，控制器接纳该流并将其分配给对应的网络切片；

如果没有合适的路由可直接转发该流，控制器利用最坏适应策略(Worst-fitstrategy)调整当前的流量分配，即选择一条剩余容量最大的网络切片。如果调整成功则接纳该流，调整失败则拒绝该流；

7-3控制器拒绝该流；

步骤(8)当有新的普通业务流到达时，控制器首先将流调度到普通业务网络切片；

8-1控制器考虑普通业务网络切片的传输路径是否满足其需求，来选取剩余容量最大的路径来传输，如果该传输路径满足其需求，则进入8-2，如果该传输路径不满足其需求，则进入8-3；

8-2调度该流，即限制该流的速率，丢弃数据包；

8-3丢弃该流；

本发明有益效果如下：

IP网络中不同QOS需求的业务流共享网络资源，导致时间敏感业务流的带宽被其他非敏感业务流抢占，增大了时间敏感流的时延。本发明的方法针对不同时间敏感度的流采取不同的调度方法，以满足它们的QOS需求，最大化网络中的吞吐量。对于时间敏感度的不同，将流分为两类：时间敏感流和非时间敏感流。时间敏感流类中包含多条不同时间敏感度的流，即时间敏感流类中每条流都有自己的QOS需求，在进行调度前，先为为每个流类构建一个网络片，以实现资源的预留。

附图说明

图1流量调度过程图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种实时传输机制中的流量调度方法，具体步骤如下：

步骤(1)广域工业网络互联层由控制子层和网络子层组成，控制子层的实体为控制器，网络子层的实体为物理网络设备和虚拟交换机；

步骤(2)控制器为参加同一业务协同的一组工厂创建一个逻辑网，逻辑网由逻辑节点和逻辑链路构成；

步骤(3)每一个逻辑节点对应一个工厂；逻辑网节点本质上是物理节点上的一个VPN实例，存在于物理设备之内，具有独立路由转发表和服务策略；

步骤(4)将工厂里的网络流量分为时间敏感流与普通业务流，时间敏感流是对时延比较敏感的流量，业务普通流是对时延比较不敏感的流量。

步骤(5)普通业务网络切片的构造根据K条最短路径算法(k-shortest pathes，KSP)，所述K条最短路径算法是一种知名的最短路径算法，普通业务流分配的路径需是无环的，采取的是Dijkstra算法完成构造。时间敏感业务网络切片采用专门的算法进行构造。

步骤(6)控制器根据流的TOS字段的时延大小去判断流量的类型，如果是时间敏感流，则进入步骤(7)，如果是普通业务流，则进入步骤(8)；

步骤(7)当有新的时间敏感流到达时，控制器识别该条时间敏感流的源、目节点和其QOS需求，具体如下：

7-1控制器通过查找相应的网络切片的剩余容量(与带宽利用率成反比)来判断是否接纳此流，如果剩余容量满足流的需求，即剩余容量能够接纳，则进入步骤7-2，如果剩余容量不满足流的需求，即剩余容量不足以接纳，则进入步骤7-3；

7-2如果切片中存在能够传输该流的路径，控制器接纳该流并将其分配给对应的网络切片；

如果没有合适的路由可直接转发该流，控制器利用最坏适应策略(Worst-fitstrategy)调整当前的流量分配，即选择一条剩余容量最大的网络切片。如果调整成功则接纳该流，调整失败则拒绝该流；

7-3控制器拒绝该流；

步骤(8)当有新的普通业务流到达时，控制器首先将流调度到普通业务网络切片；

8-1控制器考虑普通业务网络切片的传输路径是否满足其需求，来选取剩余容量最大的路径来传输，如果该传输路径满足其需求，则进入8-2，如果该传输路径不满足其需求，则进入8-3；

8-2调度该流，即限制该流的速率，丢弃数据包；

8-3丢弃该流；

所述的时间敏感业务网络切片采用其它专门的算法进行构造，具体构造如下：

步骤①控制器收到时间敏感流的请求时，根据流报文中的服务类型字段区别各时间敏感业务流的类型，查询获取该流所需的服务质量，该服务质量由包括带宽、丢包率、时延和链路利用率的参数表示；

步骤②通过最大流最小割方法计算从源节点到目的节点的传输路径；

步骤③一组服务质量相同的时间敏感流构成一个时间敏感流集，一个时间敏感流集对应一个流量矩阵，根据时间敏感流集的服务质量需求对流进行分类，计算每一类时间敏感流集的流量矩阵，每一类时间敏感流集包含一个或多个时间敏感流集，再根据流的时间敏感度优先级对流量矩阵进行排序，每个流量矩阵中的元素对应一个流；

步骤④控制器检查步骤②所得的每一条传输路径，获取带宽、时延、丢包率、链路利用率参数，并采用离差标准化的方法对各参数进行归一化；

步骤⑤控制器分别计算步骤②每一条传输路径的权值，具体步骤如下：

5-1根据步骤(1)中所述时间敏感业务流的类型，确定各服务质量需求级别参数α，β，χ，δ，并与步骤④中所得的归一化后的带宽U(X')、丢包率D(X')、时延L(X')、链路利用率R(X')对应相乘，得到乘积m、n、x、y，其中m＝α*U(X')，n＝β*D(X')，x＝χ*L(X')，y＝δ*R(X')；

5-2用链路利用率与参数所得乘积减去其他三个所得乘积，差值即为权值，权值p＝y-m-n-x；

步骤⑥控制器选择权值最大的一条路径，记为最大路径，然后进行如下步骤：

6-1判断该最大路径是否符合约束条件：

约束条件1：路径的带宽利用率小于最大上限；

约束条件2：带宽小于最小可用带宽；

如果满足同时满足约束条件1和2，则进入步骤6-2，如果不满足条件，则进入步骤6-3；

6-2记录每条流的路由并更新配置节点信息，依次处理完所有的流量矩阵；

6-3返回步骤(4)，直到选择出符合条件的最大路径；

步骤⑦完成构建时间敏感网络切片；所述时间敏感网络切片即一个虚拟网络，包括传输路径和交换节点的优先级配置。

实施例

为了便于本领域一般技术人员理解和实现本发明，现结合附图进一步说明本发明的技术方案，给出一种本发明所述的具体实施方式。

普通业务流量对于QOS的需求比较低，时延不敏感，所以构造时在按照每个节点负载情况规划出源目节点的传输路径的基础上尽量提高网络的吞吐量，采用多路径转发的方式传输普通业务流。K条最短路径算法(k-shortest pathes，KSP)是在转发过程中选择一条经过节点数最少的路径时常用的方法，根据路径的自身条件可分为一般KSP和限定无环两种，本发明的方法为普通业务流分配的路径需是无环的，所以采用的是Dijkstra算法。

时间敏感网络切片和普通业务网络切片一旦构造完成，其转发路径就已确定，所以在将流分配到每个切片之前应先确定其传输的路径。但是在实时环境中的流量不断变化会对切片的调度产生影响，比如改变时间敏感网络切片的分配条件和普通业务流的转发比例，本发明的方法通过有效的调度方法实现对流的控制以避免不同种类流之间相互影响。

基于上述分析，本发明的业务配置方法可实现如下：

当有新的时间敏感流到达时，控制器应首先识别该条流的源、目节点和其QOS需求，然后查找相应的网络切片的剩余容量(与带宽利用率成反比)来决定是否接纳此流，若剩余容量可以满足该流的需求且切片中存在可以传输该流的路径，则控制器就会接纳该流并将其分配给对应的网络切片；若剩余容量虽然满足流的需求，但是没有合适的路由可直接转发该流，那么控制器就会调整当前的流量分配，否则就会拒绝该流。

控制器根据所有时间敏感网络切片的当前分配情况来调整普通业务流的转发比例，本发明的方法采用最坏适应策略(Worst-fit strategy)来调度时间敏感流，也就是说，当新的流量到达时，为了避免发生拥塞，我们选择一条剩余容量最大的时间敏感网络切片。

由于时间敏感流的调度优先级比普通业务流高，普通业务流的变化不需要调整时间敏感网络切片，所以普通业务流的调度只需考虑在普通业务网络切片中是否有满足其需求的传输路径，选取剩余容量最大的路径来传输。若新到达的流量需求超过最大值，则采取速率限制的方法选则丢弃某些数据包。

Claims (1)

1.一种实时传输机制中的流量调度方法，其特征在于包含如下步骤：

步骤(1)广域工业网络互联层由控制子层和网络子层组成，控制子层的实体为控制器，网络子层的实体为物理网络设备和虚拟交换机；

步骤(2)控制器为参加同一业务协同的一组工厂创建一个逻辑网，逻辑网由逻辑节点和逻辑链路构成；

步骤(3)每一个逻辑节点对应一个工厂；逻辑网节点本质上是物理节点上的一个VPN实例，存在于物理设备之内，具有独立路由转发表和服务策略；

步骤(4)将工厂里的网络流量分为时间敏感流与普通业务流，时间敏感流是对时延比较敏感的流量，业务普通流是对时延比较不敏感的流量；

步骤(5)普通业务网络切片的构造根据K条最短路径算法，所述K条最短路径算法是一种知名的最短路径算法，普通业务流分配的路径需是无环的，采取的是Dijkstra算法完成构造；时间敏感业务网络切片采用专门的算法进行构造；

步骤(6)控制器根据流的TOS字段的时延大小去判断流量的类型，如果是时间敏感流，则进入步骤(7)，如果是普通业务流，则进入步骤(8)；

步骤(7)当有新的时间敏感流到达时，控制器识别该条时间敏感流的源、目节点和其QOS需求；

步骤(8)当有新的普通业务流到达时，控制器首先将流调度到普通业务网络切片；

步骤(7)具体实现如下：

7-1控制器通过查找相应的网络切片的剩余容量来判断是否接纳此流，如果剩余容量满足流的QOS需求，即剩余容量能够接纳，则进入步骤7-2，如果剩余容量不满足流的QOS需求，即剩余容量不足以接纳，则进入步骤7-3；

7-2如果切片中存在能够传输该流的路径，控制器接纳该流并将其分配给对应的网络切片；

如果没有合适的路由可直接转发该流，控制器利用最坏适应策略调整当前的流量分配，即选择一条剩余容量最大的网络切片；如果调整成功则接纳该流，调整失败则拒绝该流；

7-3控制器拒绝该流；

步骤(8)具体实现如下：

8-1控制器考虑普通业务网络切片的传输路径是否满足其QOS需求，来选取剩余容量最大的路径来传输，如果该传输路径满足其QOS需求，则进入8-2，如果该传输路径不满足其QOS需求，则进入8-3；

8-2调度该流，即限制该流的速率，丢弃超出流速的数据包；

8-3丢弃该流；

所述的时间敏感业务网络切片采用其它专门的算法进行构造，具体构造如下：

步骤①控制器收到时间敏感流的请求时，根据流报文中的服务类型字段区别各时间敏感业务流的类型，查询获取该流所需的服务质量，该服务质量由包括带宽、丢包率、时延和链路利用率的参数表示；

步骤②通过最大流最小割方法计算从源节点到目的节点的传输路径；

步骤③一组服务质量相同的时间敏感流构成一个时间敏感流集，一个时间敏感流集对应一个流量矩阵，根据时间敏感流集的服务质量需求对流进行分类，计算每一类时间敏感流集的流量矩阵，每一类时间敏感流集包含一个或多个时间敏感流集，再根据流的时间敏感度优先级对流量矩阵进行排序，每个流量矩阵中的元素对应一个流；

步骤④控制器检查步骤②所得的每一条传输路径，获取带宽、时延、丢包率、链路利用率参数，并采用离差标准化的方法对各参数进行归一化；

步骤⑤控制器分别计算步骤②每一条传输路径的权值，具体步骤如下：

5-1根据步骤(1)中所述时间敏感业务流的类型，确定各服务质量需求级别参数α，β，χ，δ，并与步骤④中所得的归一化后的带宽U(X')、丢包率D(X')、时延L(X')、链路利用率R(X')对应相乘，得到乘积m、n、x、y，其中m＝α*U(X')，n＝β*D(X')，x＝χ*L(X')，y＝δ*R(X')；

5-2用链路利用率与参数所得乘积减去其他三个所得乘积，差值即为权值，权值p＝y-m-n-x；

步骤⑥控制器选择权值最大的一条路径，记为最大路径，然后进行如下步骤：

6-1判断该最大路径是否符合约束条件：

约束条件1：路径的带宽利用率小于最大上限；

约束条件2：带宽小于最小可用带宽；

如果满足同时满足约束条件1和2，则进入步骤6-2，否则，则进入步骤6-3；

6-2记录每条流的路由并更新配置节点信息，依次处理完所有的流量矩阵；

6-3返回步骤(4)，直到选择出符合条件的最大路径；

步骤⑦完成构建时间敏感网络切片；所述时间敏感网络切片即一个虚拟网络，包括传输路径和交换节点的优先级配置。

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