CN101621530B - 基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法及其装置。该方法包括以下步骤：接收来自应用层的作业请求，并提取所述作业所需光链路资源信息；从网络资源数据库中获取光路共享信息，以判断光链路是否可以进行共享；对于可以进行共享的光链路，进一步判断流量是否超过了设定的阈值，如果没有超过，则判断该光链路为共享光路；否则判断为不能共享；如果共享光路的数量不能满足所述作业的需求，则根据需要建立光链路，并且更新网络资源数据库中的相应信息；与控制层通信，使控制层对光网络进行配置。本发明可以优化光网络中光资源的调度，灵活地实现对光资源的智能控制，从而提高了整个光网络的传送性能。

Description

基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法及其装置，属于光通信技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，动态、高带宽、实时的并行与分布式协作业务已成为目前科学研究及大型网络业务的主要特性，尤其是大量并行协作型业务的产生(如天文、生物、航天、军事等方面的需求)，增加了对分散、异构资源的访问需求与调配难度，从而对目前光网络承载体系提出了挑战或更高的要求。

目前波分复用技术(Wavelength Division Multiplexing：WDM)技术的成熟为用户提供了大量的带宽资源。现有的智能光网络采用通用多协议标签交换(GMPLS)作为控制信令协议，以实现动态光通道连接与链路控制功能，这为实现带宽资源的动态分配提供了技术基础。然而这两项技术目前仅限于在底层传输层面使用，没有和上层业务形成有效的沟通，从而造成了不必要的资源浪费。

网格应用是伴随着互联网而迅速发展起来的，它利用互联网把分散在不同地理位置的电脑组织成一个“虚拟的超级计算机”，其中每一台参与计算的计算机就是一个“节点”，而整个计算是由成千上万个“节点”组成的“一张网格”，由网格向用户提供复杂科学计算等高端服务。这种方式组织起来的“虚拟的超级计算机”有两个优势，一个是数据处理能力超强；另一个能充分利用网上的闲置处理能力。通过采用网格技术协调调配远端的计算资源和存储资源，可以实现任务的快速处理。网格不仅能够实现信息资源的共享服务，而且能将各种计算机软硬件资源、数据信息、存储资源和设备仪器等通过网络组织起来，成为一套有机的资源体系，为网格用户提供一体化服务。要实现这种一体化的服务，必须有灵活高效的网络资源调配机制，使的网格用户可以像使用本地资源一样使用远程的资源。

网格中的资源管理一般可以分为资源发现、资源调度、任务提交和监视这几个部分，其中资源发现、任务提交和监视可以由现存的中间件系统，如Globus工具箱，提供的标准服务来完成，但资源调度，即为特定的任务选择合适的资源，在Globus的研究中很少涉及，其他的研究往往也只是对少数特定的应用提出了各自的调度策略。现有网格中间件的资源调度机制如下：

步骤1：网格用户通过网格系统提出作业请求；

步骤2：网格中间件认证身份；

步骤3：通过作业管理模块协商，向网格应用节点中的服务层提出服务申请；

步骤4：在网格中间件节点监视系统的控制下，根据服务请求，向文件管理、信息管理或者数据管理模块协商服务，提出资源调度请求；

步骤5：查询网格资源注册、更新后所形成的列表，执行资源分配与调度，获取资源所在的位置；

步骤6：封装资源列表提供的目的地址，通过现有的通信接入方式，向由网络提供商以集中或分布式管理的通信网发送通信资源请求；

步骤7：网络管理者收到用户请求后，分配由接入方式决定的性能好的带宽给用户，网络路由器或者交换机执行网络连接控制，光纤作为传输网络物理传输介质；

现有的资源调度机制主要是针对网格应用资源的调度和管理，比如GT4提供的网格资源分配管理器GRAM(Grid Resource AllocationManager)，GRAM能够基于Web Service实现面向应用资源，如计算节点、文件服务器、共享存储器、数据信息的发现、注册和更新，并收集应用资源的信息，涉及计算节点的位置与处理能力、文件服务器的位置和文件列表、存储器的容量和数据信息的位置等。但是，当网格中引入了光资源以后，如何有效的调度光网络资源，使得光网络能够有效的为网格应用提供动态带宽是传统网格资源调度机制中需要解决的问题。

另外，当单根光纤的传输速率太大时，光网络中的一些交换设备将无法匹配日益增长的光传输速度，从而这些交换设备不能够工作于最佳状态，这将影响整个光网络的传输性能，进而不能够对网格应用进行很好的支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法及其装置。该方法及其装置通过引入负载均衡策略，并采用WebService封装光资源对象的技术手段，实现光网络资源的优化调度。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种基于光路共享的负载均衡网络资源调度装置，其特征在于，在应用层和控制层之间通过网格网络资源服务层进行通信，所述网格网络资源服务层包括：

网络资源数据库，保存当前光网络中的光链路信息，所述光链路信息包括表示该光链路是否可以共享的共享信息；

消息解析模块，接收来自应用层的作业请求，并提取所述作业所需光链路资源信息；

光路共享判断模块，从网络资源数据库中获取当前光网络中的光链路信息，并根据所述共享信息判断光链路是否可以进行共享；

负载均衡判断模块，对于光路共享判断模块判断为可以进行共享的光链路，负载均衡判断模块判断所述可以进行共享的光链路上的流量是否超过了设定的阈值，如果没有超过，则判断该光链路为共享光路；否则判断为不能共享，并变更该光链路的共享信息；

路由模块，根据需要建立光链路，用于所述作业，并且更新网络资源数据库中的相应信息；

数据包封装/解析模块，以及

与控制层通信的通信模块。

一种基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：接收来自应用层的作业请求，并提取所述作业所需光链路资源信息；

步骤2：从保存当前光网络中的光链路信息的网络资源数据库中获取光路共享信息，并根据所述光路共享信息判断光链路是否可以进行共享；

步骤3：对于在步骤2中判断为可以进行共享的光链路，进一步判断所述可以进行共享的光链路上的流量是否超过了设定的阈值，如果没有超过，则判断该光链路为共享光路；否则判断为不能共享，并变更该光链路的共享信息；

步骤4：如果步骤3中的共享光路的数量不能满足所述作业的需求，则根据需要建立光链路用于所述作业，并且更新网络资源数据库中的相应信息；如果步骤3中的共享光路的数量能够满足所述作业的需求，则由共享光路实现所述作业；

步骤5：与控制层通信，使控制层对光网络进行配置。

本发明具有以下优点和效果：提高了光链路带宽的利用率，有效的为网格应用提供动态带宽；均衡了光网络中光链路中的数据流量和光交换节点的处理负载；优化了光网络中光资源的调度，更为灵活地实现了对光资源的智能控制，提高了整个光网络的传送性能；能够提高网络资源的利用率，并且有效的支撑网格计算业务，实现网格应用环境下的高效网络资源的调度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1是本发明中网格网络服务层的功能模块示意图；

图2是本发明所述的基于光路共享的负载均衡网格网络调度方法的流程图；

图3是图2中光路共享判断的流程图。

图4是图2中负载均衡判断的流程图。

具体实施方式

在图1中表示了本发明中的网格网络服务层的功能模块结构。网格网络服务(Grid Network Service，GNS)是一种基于开放网格服务体系结构(Open Grid Service Architecture，OGSA)的可以动态分配网络资源的网格服务。它对网络资源进行发现和分配，同时通过将光网络控制平面的建路、拆路、选路等功能封装成服务能力，提供给网格用户和应用使用，实现了网络资源与网格环境的融合。

网格网络服务体系结构具有许多优点。它支持更广范围的通信服务，拥有比传统通信服务更多的属性。因为基本的单独资源元素可以以任何方式进行组合，所以该体系结构可以实现扩展服务。通过状态化服务的实现或者使用保持状态的工作流语言，多个网络资源可以被看作单独的组件，以任何形式或组合方式满足外部服务和应用的需求，从而精确的匹配应用需求和可用资源。

本发明中的网格网络服务层的核心功能就是为应用层和控制层提供适配功能，提取应用层的业务需求，提供底层网络的支持。对于网络资源使用模块，将基于Web Service技术封装成网格网络服务的形式，供应用层调用，与控制层通过socket通信实现网络资源的预留和分配。体现了可重构光网络中对网络资源进行联合管理调度的特性。

在本发明中，网格网络服务调度的资源，主要指的是由于网格中引入光通信技术以后所带来的光资源的调度，这些光资源可以是光交叉连接器、光交换器件、光纤、波长、波段、通用标签、光时隙和接口等，这些光资源的信息及其使用情况存储在网络资源数据库中。

本发明提及的光路指的是从客户端接入光网络的接入光交换设备的出端口到网格应用服务器端接入光网络的光交换设备的入端口。

采用网格网络服务层来实现光资源的调度是本发明的一个显著特点，网格网络服务层封装了光网络资源，为应用层或其他网格服务提供了操作光网络资源的接口，并且在网格网络服务层中实现了基于光路共享的负载均衡资源调度方法。

首先，结合图1对网格网络服务层的结构进行说明。网格网络服务层具有以下结构：

网络资源数据库，在网络资源数据库中保存当前光网络中的光链路信息，所述光链路信息包括表示该光链路是否可以共享的共享信息。网络资源数据库通过数据库接口模块与其它模块进行通信；

消息解析模块，其通过数据库接口模块与网络资源数据库通信。消息解析模块接收来自应用层的作业请求，并提取所述作业所需光链路资源信息；

光路共享判断模块，从网络资源数据库中获取当前光网络中的光链路信息，并根据所述共享信息判断光链路是否可以进行共享；

负载均衡判断模块，对于光路共享判断模块判断为可以进行共享的光链路，负载均衡判断模块判断所述可以进行共享的光链路上的流量是否超过了设定的阈值，如果没有超过，则判断该光链路为共享光路；否则判断为不能共享，并变更该光链路的共享信息；

路由模块，根据需要建立光链路，用于所述作业，并且更新网络资源数据库中的相应信息；

数据包封装/解析模块，以及

与控制层通信的通信模块。

接下来，下面将说明网格网络服务层如何实现基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法。

参考图1和图2，当网格网络服务层接收到来自应用层的作业请求时，将执行以下步骤：

步骤1：网格网络服务层的消息解析模块接收到来自网格应用层的网格作业。

步骤2：消息解析模块对被提交的网格作业提取所需资源信息，比如，应用资源的文件名，源节点IP地址和目的节点IP地址，用户名等；消息解析模块对这些资源信息进行信息的整理和分类，提供给光路共享判断模块，作为光路共享的判断依据。

所述消息解析模块，是基于GridSphere提供的高级开放源代码门户开发的Portlet应用。GridSphere是在欧盟提供基金的GridLab项目下开发的，该门户为各种终端用户提供高度定制的环境。Portlet模型向用户提供了一个灵活易用的接口，并向门户开发人员提供了一个动作元件模型，用于创建可插入的和动态的应用程序支持。该消息解析模块从Portal页面采集网格作业请求的相关信息，然后进行相关信息的有效性和安全性验证，然后将处理后的用户请求信息发送给网络服务层。

步骤3：光路共享判断模块进行光路共享判断，从网络资源数据库中获取当前光网络中的光路的信息，并对那些能够满足当前作业请求的光链路进行共享判断。

所述光路共享判断，需要进行光链路共享标识判断，只有经过这个判断，满足一定条件的光链路才能够进入负载均衡模块进行进一步的分析。

步骤4：基于光路共享判断模块的判断结果，负载均衡判断模块进行负载均衡判断。如果光路共享判断模块的判断结果是当前光网络中存在可以用来为当前作业共享的光链路，则负载均衡判断模块对这些光链路进行负载均衡的判断。如果负载均衡判断模块判断可以共享的光路上的流量超过了设定的阈值，那么这些光链路仍然不被共享。在可以共享的光链路数不能够满足网格作业需求的时候，需要重新建立光路来完成当前作业。这样做可以均衡光网络中的传输负载，减轻光交换节点的处理压力，从而使整个光网络运行于优化的状态。

所述负载均衡判断，是针对光路共享判断模块判断为可以共享的光链路而言的，需要计算这些光链路上的流量信息，和预先设定的阈值进行比较；筛选出那些光路上的流量小于阈值的光链路，放入可以共享的光路的集合中；判断可以共享光路集合中光路的数目M和网格作业需要的光链路数目N的大小，最终决定是共享光路还是新建光路以均衡流量。

步骤5：根据光路共享判断模块和负载均衡判断模块的判断，最终确定哪些光路能够被共享，然后路由模块根据作业的需求判断还需要建立几条光链路来共同完成当前作业，并采用相应的路由算法建立相应的逻辑光链路。路由模块还负责向数据包封装/解析模块传递路由信息，同时路由模块还需要更新网络资源数据库，使得网络资源数据库中的信息和当前光网络的使用情况保持同步。

步骤6：数据包封装/解析模块进行控制数据包相应字段的填充，并发送给Socket通信模块，以便控制层对光网络进行正确的配置。

步骤7：Socket通信模块与GMPLS控制平面通信，完成数据包的发送和接收，是网格服务层和控制层之间的通信接口。

所述控制层采用GMPLS信令，接收网格服务层发送来的数据包、分析数据包的类型，然后向不同的光交换设备发送控制消息，这样可以实现控制层的分布式通信模式。

在整个基于光路共享的负载均衡资源调度方法实现的过程中，网格网络服务层根据当前光网络中的光资源的使用情况和光网络中的负载情况，对光资源进行优化调度的不同情形，路由模块最终确定的光链路调度结果将会有3种情况：(1)共享光路(2)新建光路(3)共享光路和新建光路。

光路共享判断模块进行光路共享判断的详细实现流程如图3所示，具体包括如下的步骤：

步骤21：光路共享判断模块通过数据库接口模块查询光网络资源数据库，判断当前光网络中是否存在已经建立的光链路。如果没有已经建立的光链路，即前述(2)新建光路的情况，则返回结果到路由模块，由路由模块计算需要新建立多少光路；如果有已经建立的光链路，则执行下一步；

步骤22：光路共享判断模块判断已建立的光链路是否可以被当前网格作业所共享，如果不可以共享，则返回结果到路由模块；如果可以共享，则执行下一步；

光网络资源数据库中存储的每一条光链路的信息都包含了该条光链路能否被其他网格作业共享的标识，光路共享判断模块根据这个标识信息判断出该条光链路是否是可共享光路。在本发明中，光链路一旦建立，开始使用，并且满足共享光路的条件，是可以提供给其他网格作业共享。这一特点与传统的光网络中光链路的独享性有明显的不同，这样能够有效地提高光链路带宽的利用率，节省了重新建立光链路的时间。

步骤23：光路共享判断模块将能够共享的光链路的信息传递给负载均衡判断模块。

基于光路共享判断模块的判断结果，负载均衡判断模块进行负载均衡判断的详细实现流程如图4所示，具体包括如下的步骤：

步骤31：负载均衡判断模块接收到光路共享判断模块传递来的可以共享的光链路的信息；

步骤32：负载均衡判断模块对每一条光链路计算光路流量。

负载均衡判断模块调用光路流量动态监测模块计算光路中的平均流量；光路流量动态监测模块定时采集光链路中的流量信息，然后通过一定的统计分析方法得出光链路中的平均流量。这种统计分析方法是现有技术，在此不累述。

步骤33：负载均衡判断模块将计算得出的平均流量和预先设定的阈值进行比较，如果平均流量小于阈值，则判断该条光链路可以被共享，共享标识改为“是”；如果平均流量大于阈值，则不能够共享该条光链路，并将网络数据库中相应光链路记录中的共享标识改为“否”。

光路流量动态监测模块将会被周期性地调用来实时跟踪经过光路共享判断模块后得到的可共享光路集合中每一条光路上的流量信息，如果由于某一网格作业的结束，导致集合中某些光路上的流量小于阈值，这些光路将被重新标识为可以共享，可以提供给以后的网格作业使用；只有当光路上的流量为零时，这条光链路才会被拆除，相应的网络资源数据库中的记录也将被删除。

假设这样判断为可以共享的光链路条数是M，并且网格作业需要建立的光链路条数是N。

其中阈值的设定需要综合考虑光纤的容量、光交换设备的处理能力、光交换设备最佳工作带宽等多种因素，并且每条光路上阈值的大小有可能是不同的。

步骤34：比较可以共享的光链路的条数M和网格作业需要建立的光链路的条数N，如果M＞＝N，则共享已经建立的光链路可以满足当前网格作业的要求，即前述(1)共享光路的情况，执行下一步；如果M＜N，即前述(3)共享光路和新建光路的情况，则执行步骤36；

步骤35：当可以共享的光链路数能够满足网格作业的需求时，路由模块从M条可以共享的光链路中选出N条光链路来完成当前网格作业。这时，就需要调用共享光路可用性评估模块来进行共享光路性能的评估排序，从中选取N条可用性较优的共享光链路来满足当前网格作业的需求；

共享光路可用性评估模块能够根据这M条可以共享的光链路的链路带宽、链路性质、光路上的传输流量等信息进行光路综合性能的计算，最后将给出一个按共享光路可用性从高到低排列的一个序列，路由模块只需要从这个序列中选取前N条可以共享的光链路，就可以满足当前网格作业的需求。

步骤36：当可以共享的光链路数不能够满足网格作业的需求时，路由模块新建立N-M条光链路。这新建的N-M条光链路与已建立的M条光链路共同服务于当前网格作业。路由模块能够根据当前光网络的使用情况，建立N-M条代价最小的光链路。从而可以在满足网格作业请求的前提下，使得整个光网络中的光链路处于最佳的使用状态；

步骤37：路由模块将共享光路和新建光路的信息封装成控制包发送给GMPLS控制平面，从而最终为用户提供端到端的光通道，完成网格作业请求。

本方法是在多用户多任务可重构光网络中提出的一种光网络资源的调度策略。它既具有光链路传输数据的可靠性和大容量，又兼有传统网络中资源调度的灵活性，还能够保证整个光网络工作在一个优化的状态。

上面对本发明所述的基于光路共享的负载均衡资源调度方法及其装置进行了详细的说明，但本发明的具体实现形式并不局限于此。对于本技术领域的一般技术人员来说，在不背离本发明所述方法的精神和权利要求范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光路共享的负载均衡网络资源调度装置，其特征在于，在应用层和控制层之间通过网格网络资源服务层进行通信，所述网格网络资源服务层包括：

网络资源数据库，保存当前光网络中的光链路信息，所述光链路信息包括表示该光链路是否可以共享的共享信息；

消息解析模块，接收来自应用层的作业请求，并提取所述作业所需光链路资源信息；

光路共享判断模块，从网络资源数据库中获取当前光网络中的光链路信息，并根据所述共享信息判断光链路是否可以进行共享；

负载均衡判断模块，对于光路共享判断模块判断为可以进行共享的光链路，负载均衡判断模块判断所述可以进行共享的光链路上的流量是否超过了设定的阈值，如果没有超过，则判断该光链路为共享光路；否则判断为不能共享，并变更该光链路的共享信息；

路由模块，根据需要建立光链路，用于所述作业，并且更新网络资源数据库中的相应信息；

数据包封装/解析模块，以及

与控制层通信的通信模块；

在负载均衡判断模块判断为可以共享的光链路的数量不能够满足所述作业需求的时候，由路由模块新建立光链路，新建立的光链路与负载均衡判断模块判断为可以共享的光链路共同用于所述作业。

2.如权利要求1所述的基于光路共享的负载均衡网络资源调度装置，其特征在于，

在负载均衡判断模块判断的共享光路的数量比所述作业需求的光路多的时候，由共享光路可用性评估模块对所述共享光路进行排序，路由模块选择排序在先的共享光路用于所述作业。

3.如权利要求1所述的基于光路共享的负载均衡网络资源调度装置，其特征在于，

所述负载均衡判断模块判断所述可以进行共享的光链路上的流量是否超过了设定的阈值，是通过光路流量动态监测模块计算光路平均流量，并判断计算得到的光路平均流量是否超过了设定的阈值。

4.如权利要求3所述的基于光路共享的负载均衡网络资源调度装置，其特征在于，

所述光路流量动态监测模块被周期性地调用来实时跟踪经过光路共享判断模块后得到的共享光路的集合中的每一条光路上的流量信息，将流量小于阈值的光路的共享信息重新标识为可以共享。

5.一种基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：接收来自应用层的作业的请求，并提取所述作业需要的光链路资源信息；

步骤2：从保存当前光网络中的光链路信息的网络资源数据库中获取光路共享信息，并根据所述光路共享信息判断光链路是否可以进行共享；

步骤3：对于在步骤2中判断为可以进行共享的光链路，进一步判断所述可以进行共享的光链路上的流量是否超过了设定的阈值，如果没有超过，则判断该光链路为共享光路；否则判断为不能共享，并变更该光链路的共享信息；

步骤4：如果步骤3中的共享光路的数量不能满足所述作业的需求，则根据需要建立光链路用于所述作业，并且更新网络资源数据库中的相应信息；如果步骤3中的共享光路的数量能够满足所述作业的需求，则由共享光路实现所述作业；

步骤5：与控制层通信，使控制层对光网络进行配置。

6.如权利要求5所述的基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法，其特征在于，

在步骤4中，共享光路的数量不能满足所述作业的需求的时候，建立的光链路与共享光路共同用于所述作业。

7.如权利要求5所述的基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法，其特征在于，

在步骤4中，共享光路的数量能够满足所述作业的需求的时候，对所述共享光路进行排序，选择排序在先的共享光路用于所述作业。

8.如权利要求5所述的基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法，其特征在于，

在步骤3中，判断所述可以进行共享的光链路上的流量是否超过了设定的阈值，是通过光路流量动态监测模块计算光路平均流量，并判断计算得到的光路平均流量是否超过了设定的阈值。

9.如权利要求8所述的基于光路共享的负载均衡网络资源调度方法，其特征在于，

周期性地调用所述光路流量动态监测模块来实时跟踪经过光路共享判断模块后得到的共享光路的集合中的每一条光路上的流量信息，将流量小于阈值的光路的共享信息重新标识为可以共享。

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