CN101064550A

CN101064550A - 一种基于主导因子法的网络共享带宽动态分配方法

Info

Publication number: CN101064550A
Application number: CNA2006100209332A
Authority: CN
Inventors: 袁�嘉
Original assignee: Kou Xiaoyun
Current assignee: Kou Xiaoyun
Priority date: 2006-04-29
Filing date: 2006-04-29
Publication date: 2007-10-31

Abstract

本发明涉及网络通讯领域的一种基于主导因子法的网络共享带宽动态分配方法，采用本发明所述方法，在网络节点实时进行网络共享带宽动态分配的每个周期内，系统能够结合用户需求、数据流优先级和流量三种因素进行决策，动态分配网络共享带宽，充分合理利用网络资源，其包括以下处理：步骤一，通过对用户需求、数据流优先级及流量的分析，在未进行带宽分配的数据流中，针对优先级最高的数据流，产生一个影响该条数据流带宽分配的决策判断值；步骤二，根据这个决策判断值，系统将决定该流量相应的动态带宽分配策略，并对该数据流分配带宽；步骤三，利用系统中的剩余带宽，继续对优先级更低的数据流进行基于主导因子法的共享带宽分配。

Description

一种基于主导因子法的网络共享带宽动态分配方法

技术领域

本发明涉及在具有共享链路的网络中，实施共享带宽动态分配的一种处理方法，在网络通讯领域有很强的实用价值。

背景技术

如图1所示，在实际网络中，并不是随时都存在足够资源，使不同的数据流拥有完全独立的流量路径，因此不可避免地存在多条数据流经过相同路径，共享一段带宽有限的链路。在配置共享链路带宽时，通常会遇到以下问题。

可操作性问题：配置方法复杂，专业性强，需要网络设备制造商的技术支持人员进行指导，用户自行配置易出错。

合理性问题：用户通常知道每条连接数据流的重要性，却只能简单采用固定带宽分配方法为每条连接分配相应带宽，这种分配方法随意性较大，存在不合理因素。

灵活性问题：用户常常希望在保证合理性的基础上，根据自身需求，能够进行更为灵活带宽配置组合，比如允许分配的带宽值在一定的容忍范围内进行浮动。

及时性问题：用户完成带宽分配后，通常很长时间内保持不变，更新率低。不能及时根据网络流量变化调整，以使有限的带宽优化配置。

为解决以上网络中共享带宽分配的问题，需要研究一种易操作、合理的、灵活的、及时的、能充分利用网络资源和提升网络效率的实时动态带宽分配算法。这里的“实时”表现这种带宽分配算法的及时性，“动态”则表现了这种算法进行带宽配置需要根据动态变化的流量为主要依据。在这种情况下，通常会首先考虑到应用流量反馈进行实时带宽分配控制。但是网络带宽分配的控制具有其特殊性，具体表现在：带宽限制的控制方法对使用不同协议的源流量影响是不确定的，其作用使不同协议的源流量增加、减少或者不变都是有可能的。因此流量反馈的实时带宽分配控制方案，在研究的动态带宽分配算法上，并不是理想的研究方向。

发明内容

本发明在考虑到上述情况之后作出，本发明的目的就是在网络通信带宽分配领域，结合自动控制理论，利用所发明的利用主导因子法(Serial Dominant Gene with Priority，SDGP)对链路带宽进行动态分配的方法，引入主导因子ξ和容忍因子ρ，实现对具有共享带宽链路网络进行合理的、灵活的、及时的动态带宽分配。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于主导因子法的网络共享带宽动态分配方法，其具有以下处理流程：步骤一，通过对用户需求、数据流优先级及流量的分析，在未进行带宽分配的数据流中，针对优先级最高的数据流，产生一个影响该条数据流带宽分配的决策判断值；步骤二，根据这个决策判断值，系统将决定该流量相应的动态带宽分配策略，并对该数据流分配带宽；步骤三，利用系统中的剩余带宽，继续对优先级更低的数据流进行基于主导因子法的共享带宽分配。

所述步骤一进一步包括：

A.动态带宽分配过程开始初期，确定该共享链路最大可分配给所有数据流的带宽值和经过该链路的各条数据流优先级及流量；

B.根据用户需求，确定适当的主导因子ξ和容忍因子ρ参数；

C.根据主导因子ξ，计算目前优先级最高数据流的主导带宽Bw_ξi，从而确定该数据流的带宽抢占能力；

D.根据主导带宽Bw_ξi和容忍因子ρ，计算目前优先级最高数据流的容忍带宽Bw_toli，确定该数据流的容忍能力。

所述步骤二进一步包括：比较该流实际流量和容忍带宽Bw_toli大小，根据不同比较结果，用不同策略分配共享带宽的处理过程。

所述步骤三进一步包括：利用链路的剩余共享带宽，利用主导因子法递归分配剩余优先级更低数据流的共享带宽的处理过程。

采用本发明所述方法，相对于传统共享带宽分配方法，可以实现对链路共享带宽进行更为合理的、灵活的、及时的分配。

附图说明

图1是具有共享带宽链路网络示意图。

图2是本发明所述方法的原理流程示意图。

图3是本发明所述方法的系统实现示意图。

具体实施方式

图2是本发明所述方法的原理流程图。在具有共享带宽链路网络中，某条链路总共享带宽为Bw_max。某时刻，该链路具有N条优先级从Pri₀到Pri_N-1(Pri_i＝Pri_i+1或Pri_i＝Pri_i+1-1，0≤i≤N-2)的数据流，其中优先级数值越小，代表优先级越高，故Pri₀＝0优先级最高，且不存在优先级跳跃情况。从优先级Pri₀到Pri_N-1，具有相同优先级的数据流条数表示为e₀、e₁、e₂......e_k(0≤k≤N-1)，其中k表示N条数据流中，共有k个不同的优先级别，且e_m(0≤m≤k)与N具有以下关系：

Σ_{m = 0}^{k} e_{m} = N

(其中0≤k≤N-1)

在步骤201中，当使能主导因子法后，系统将进行周期为T的实时检测和调整，重新分配从Bw₀到Bw_N-1的各条数据流应得带宽。重新分配带宽的计算顺序为基于每流的优先级，从优先级最高的流开始，逐步分配带宽，直到优先级最低的数据流带宽分配完毕。Bw_i表示第i条流应分配的带宽，Bw_revi则表示第i条流分配后，链路剩余的共享带宽量。两者关系是为：

Bw_revi＝Bw_i+1+Bw_rev(i+1) (其中0≤i≤N-2)

且不难推导Bw_i、Bw_revi和Bw_max的关系为：

{Bw}_{revi} = {Bw}_{\max} - Σ_{j = 0}^{i} {Bw}_{j}

(其中0≤i≤N-1、0≤j≤N-1)

在进行每条数据流的带宽分配时，根据用户需求，特引入两个重要调节控制因子：主导因子ξ和容忍因子ρ。ξ_i(0≤i≤N-1)表示第i条数据流的主导因子；ρ_i(0≤i≤N-1)表示第i条数据流的容忍因子。通常需求下，网络中所有数据流的主导因子都相同，且所有数据流的容忍因子也相同，即ξ_i＝ξ，ρ_i＝ρ(0≤i≤N-1)。

主导因子ξ_i的物理意义表示第i条数据流相较其余优先级更低的数据流，在共享链路剩余带宽中应该分配得到带宽的比率。经过主导因子处理过的目前剩余带宽称为第i条流的主导带宽，表示为Bw_ξi(0≤i≤N-1)。Bw_ξi在利用主导因子法进行带宽分配时，具有重要作用。当共享带宽的数据流优先级严格区分，互不相同的情况下，Bw_ξi计算方法为：

Bw_ξ0＝Bw_max×ξ

Bw_ξi＝Bw_rev(i-1)×ξ (其中1≤i≤N-1)

当共享带宽的数据流优先级存在重叠现象时，需要利用e_m(0≤m≤k)对以上两个公式实施改进，以支持优先级重叠时Bw_ξi的计算。假设对Pri_i-1(1≤i≤N-1)分配后，剩余保留带宽为Bw_temp，继续对e_m条优先级为Pri_i流进行带宽分配。其带宽分配策略为，利用主导因子法对这e_m条优先级为Pri_i流分配时，其使用的保留带宽恒等于Bw_temp，主导因子调整为ξ′＝ξ/e_m。完成对e_m条Pri_i流分配后，剩余保留带宽为Bw_rev(i+em)。如果系统还存在优先级更低的Pri_i+1流量时，继续利用Bw_rev(i+em)对优先级为Pri_i+1的数据流进行主导因子法分配带宽，直至优先级最低的所有数据流都分配完成。上述算法为相同优先级数据流分配奠定基础。下面几个公式显示了支持优先级重叠的Bw_ξi改进算法。

Bw_ξ0＝Bw_max×ξ′ (其中ξ′＝ξ/e₀)

当Pri_i＝Pri_i-1+1时，

Bw_ξi＝Bw_rev(i-1)×ξ′ (其中ξ′＝ξ/e_m、1≤i≤N-1、0≤m≤k)

Bw_temp＝Bw_rev(i-1) (其中1≤i≤N-1)

当Pri_i＝Pri_i-1时，

Bw_ξi＝Bw_temp×ξ′ (其中ξ′＝ξ/e_m、1≤i≤N-1、0≤m≤k)

下文未加说明处，所使用的主导带宽Bw_ξi均指利用支持优先级重叠的改进算法，由上述4个公式计算得到的。

容忍因子ρ_i的物理意义表示当第i条流实际流量不足其Bw_ξi带宽时，是否容忍其继续占有多余带宽与主导带宽Bw_ξi的比率。值得注意的是，容忍因子ρ根据其应用方式不同，表现出较大灵活性，不仅适用于本节SDGP算法需要，即系统中流量不足引起的“下容忍”，也可以调节流量过载引起的“上容忍”，甚至对系统剩余保留带宽Bw_rev也能进行容忍范围调节。本节研究的SDGP算法中所涉及的“下容忍”标线称为容忍带宽，表示为Bw_toli，其具体算法为：

Bw_toli＝Bw_ξi×(1-ρ) (其中0≤i≤N-1)

在步骤202中，T周期内的第i条数据流实际流量表示为Flux_i(0≤i≤N-1)，当第i条流分配带宽时，先利用容忍带宽Bw_toli与Flux_i进行比较，根据比较的结果不同，进行相应的带宽分配。如果判断为不能容忍第i条流分配到过多带宽，则只对第i条流分配其流量加上容忍因子所容忍的最大额度流量带宽；如果判断为第i条流的闲置带宽为0，或者在容忍范围之内，对其分配的带宽等于主导带宽Bw_ξi大小。具体实施分配策略如下：

Bw_i＝Bw_ξi (0≤i≤N-1，当Flux_i≥Bw_toli时，步骤203的处理操作)

Bw_i＝Flux_i+Bw_ξi×ρ (0≤i≤N-1，当Flux_i＜Bw_toli时，步骤204的处理操作)

在步骤206中，在T周期内判断是否利用主导因子法完成所有数据流的带宽分配。如果还存在优先级更低的数据流需要动态分配带宽，根据步骤205记录刚才完成带宽分配数据流的带宽状况；否则，执行步骤207延时到下一个周期到来，接着执行步骤208配置动态带宽分配数据到硬件，根据下一个周期到来时的实时流量状况再次利用主导因子法，进行带宽分配，从而实现基于主导因子算法的实时动态带宽分配。

由上分析，结合主导因子ξ和容忍因子ρ的物理意义，可以得到下面结论：主导因子ξ越大，当优先级高的数据流流量足够大时，总是能分配到更多的带宽；容忍因子ρ越大，表示该条流能被容忍占有更多的闲置带宽。用户可以根据自身业务需要，方便地调节主导因子ξ和容忍因子ρ，使主导因子算法在实时动态带宽的分配上，取得用户预想的效果。

本发明所述方法中，主导因子ξ和容忍因子ρ之间关系表现为，主导因子ξ对共享带宽进行主要地、粗糙地分配和调节；容忍因子ρ则对ξ调整后的带宽进行细微地，灵活地二次调配。只有两者相互配合，共同作用，才能根据系统流量及时合理地利用主导因子算法进行系统的实时动态带宽分配。

图3在基于主导因子法的动态共享带宽分配方法原理基础上，显示了其系统实现示意图。考虑到工程实现的方便性、移植性和维护性，本发明采用算法组件化思想对主导因子算法系统划分为三大组件单元：主导因子算法核心单元(SDGP Kernel Unit)、数据流信息收集单元(Stream Information Collection Unit)和带宽分配执行单元(Assignment Execution Unit)。

当网络节点301使能主导因子算法模块进行实时动态带宽分配后，数据流信息收集单元302将在每个T周期开始时，负责实时收集Network Node上需要进行带宽分配的数据流信息。这些收集到的信息可以直接实时传送到主导因子算法核心单元303。主导因子算法核心单元的作用是对进行收集到的需分配共享带宽的数据流信息进行分析，并根据主导因子算法进行带宽指派。经过主导因子算法核心单元完成的带宽分配信息，将传递到带宽分配执行单元304，由其进行具体的带宽分配下发工作。

Claims

1.一种基于主导因子法的网络共享带宽动态分配方法，其特征在于，所述方法包括以下处理步骤：步骤一，通过对用户需求、数据流优先级及流量的分析，在未进行带宽分配的数据流中，针对优先级最高的数据流，产生一个影响该条数据流带宽分配的决策判断值；步骤二，根据这个决策判断值，系统将决定该流量相应的动态带宽分配策略，并对该数据流分配带宽；步骤三，利用系统中的剩余带宽，继续对优先级更低的数据流进行基于主导因子法的共享带宽分配。

2.根据权利要求1所述的基于主导因子法的网络共享带宽动态分配方法，其特征在于，所述步骤一具体包括以下处理过程：

B.根据用户需求，确定适当的主导因子ξ和容忍因子ρ参数；

3.根据权利要求1或2所述的基于主导因子法的网络共享带宽动态分配方法，其特征在于，所述步骤二具体包括比较该流实际流量和容忍带宽Bw_toli大小，根据不同比较结果，用不同策略分配共享带宽的处理过程。

4.根据权利要求1所述的基于主导因子法的网络共享带宽动态分配方法，其特征在于，所述步骤三具体包括利用链路的剩余共享带宽，利用主导因子法递归分配剩余优先级更低数据流的共享带宽的处理过程。

5.根据权利要求3所述的基于主导因子法的网络共享带宽动态分配方法，其特征在于，所述步骤三具体包括利用链路的剩余共享带宽，利用主导因子法递归分配剩余优先级更低数据流的共享带宽的处理过程。

6.根据权利要求1所述的基于主导因子法的网络共享带宽动态分配方法，其特征在于，其系统实现方法采用算法组件化思想对基于主导因子算法的动态带宽分配系统划分为三大组件单元：主导因子法核心单元(SDGP Kernel Unit)、数据流信息收集单元(Stream InformationCollection Unit)和带宽分配执行单元(Assignment Execution Unit)。