CN102355425B - 一种网络流量控制方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种网络流量控制方法和设备,其中方法包括以下步骤:检测网络设备的实际下行流量;计算实际下行流量与预先设定的下行流量之间的误差e;根据PID控制公式对误差进行PID输出量的计算;根据计算的PID输出量和下行流量计算上行流量的缩放比例;根据缩放比例调整上行流量阈值。本发明通过对网络设备的上行流量和下行流量的关联调整和动态控制,针对下行流量的实际情况增大或者缩减上行流量,实现了对自身缺乏流控机制的应用(如P2P流媒体等UDP流量)的流量控制,充分利用了网络带宽,同时在关键业务启动后可进行流量的退避,保证关键业务的正常运转。
Description
技术领域
本发明涉及网络控制领域,尤其涉及一种网络流量控制方法和设备。
背景技术
据统计,P2P(peer-to-peer,端对端传输)数据占到因特网总流量的60%,而且有不断增加的趋势。在企业及运营商网络中P2P流量难以控制,大量挤占带宽资源导致其他网络应用延时大,速度慢。
网络上的IP数据流,主要是基于TCP协议(Transmission ControlProtocol传输控制协议)或者UDP协议(User Datagram Protocol,用户数据包协议),TCP协议自身包含拥塞控制,是一种可靠的传输协议,对网络延时和丢包敏感,传统流控使用缓存延时和丢包方法可以很好的控制TCP流量。然而随着互联网的发展,基于UDP协议的P2P流量占据着越来越多的网络带宽,这类UDP流量自身的拥塞控制不完善或者缺乏,所以对延时和丢包不敏感。传统的流控方法即使丢弃UDP数据,发送方也难以主动降低发送速率,如此一来持续的丢包反而是一种对带宽的浪费。
对于基于TCP协议的流量,当发送数据包的主机检测到丢包时会主动降低发送速率来避免拥塞。而基于UDP协议的应用,例如P2P流媒体应用,自身缺乏流控机制,不会因为丢包而降低速率,传统流控方式不仅不能控制外网流量还会因为持续丢包浪费外网带宽。另一方面,超限的流量不仅是对外网带宽的浪费,还因为挤占了其他应用的带宽,导致其他应用速度缓慢延时大,特别是企业网络,P2P的失控往往导致关键业务的带宽资源无法得到保障,影响企业正常的业务运转。
现有技术中对上行和下行带宽是分开限定和控制的,网络流量控制通常只关注下行的流量带宽,上行带宽往往没有明确的控制目标,上下行带宽的比例关系也因具体流量的特征而异,上行的实际流量通常达不到设置的上行带宽限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中在企业及运营商网络中P2P流量难以控制,大量挤占带宽资源导致其他网络应用延时大、速度慢的缺陷,提供一种可以自动调节P2P流量,充分利用带宽以保证关键业务的带宽资源的网络流量控制方法及系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
提供一种网络流量控制方法,包括以下步骤:
检测网络设备的实际下行流量;
计算所述实际下行流量与预先设定的下行流量之间的误差e;
根据PID(Proportion Integration Differentiation比例积分微分)控制公式对所述误差进行PID输出量的计算;
根据计算的所述PID输出量和所述下行流量计算上行流量的缩放比例;
根据所述缩放比例调整所述上行流量阈值。
本发明所述的网络流量控制方法中,所述PID控制公式为离散PID控制公式 其中t=kT,T为离散量采样周期,k为自然数,kp为比例系数,ki为积分时间常数,kd为微分时间常数。
本发明所述的网络流量控制方法中,还包括步骤:设定自适应函数,用于评估控制误差和平滑度,所述自适应函数为误差的离散系数与抖动的离散系数的带权值之和,根据所述自适应函数的值对离散PID控制公式的三个参数kp、kd或ki进行增或减的周期性自适应调节。
本发明所述的网络流量控制方法中,所述上行流量的缩放比例为其中Vobj为预先设定的下行流量,sensitive为用于调节灵敏度的调节参数,在误差e较大时增大sensitive,在误差e减小时,降低sensitive。
本发明所述的网络流量控制方法中,还包括步骤:当线路负载所占线路带宽的比例达到预先设定的值时,调节预先设定的下行流量阈值。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是:
提供一种网络流量控制设备,该设备包括:
流量检测器,用于检测所述网络设备的实际下行流量;
差值器,用于计算所述实际下行流量与预先设定的下行流量之间的误差e;
PID控制器,用于根据PID控制公式对所述误差进行PID输出量的计算;
缩放比例计算器,用于根据计算的所述PID输出量和所述下行流量计算上行流量的缩放比例;
上行流量调节器,用于根据所述缩放比例调整所述上行流量阈值。
本发明所述的网络流量控制设备中,所述PID控制器使用的PID控制公式为离散PID控制公式 其中t=kT,T为离散量采样周期,k为自然数,kp为比例系数,ki为积分时间常数,kd为微分时间常数。
本发明所述的网络流量控制设备中,该设备还包括自适应调节器,用于设定自适应函数来评估控制误差和平滑度并据此对离散PID控制公式的三个参数kp、kd或ki进行增或减的周期性自适应调节,所述自适应函数为误差的离散系数与抖动的离散系数的带权值之和。
本发明所述的网络流量控制设备中,所述缩放比例计算器中所述上行流量的缩放比例为其中Vobj为预先设定的下行流量,sensitive为用于调节灵敏度的调节参数,在误差e较大时增大sensitive,在误差e减小时,降低sensitive。
本发明所述的网络流量控制设备中,所述流量检测器还用于检测线路负载;该网络流量控制设备还包括下行流量调节器,用于当所述流量检测器所检测到的线路负载占线路带宽的比例达到预先设定的值时,调节预先设定的下行流量阈值。
本发明产生的有益效果是:本发明通过PID控制公式对实际下行流量与预先设定的下行流量之间的误差进行PID输出量的计算;根据计算的PID输出量和下行流量计算上行流量的缩放比例并根据缩放比例调整上行流量阈值。通过对网络设备的上行流量和下行流量的关联调整和动态控制,针对下行流量的实际情况增大或者缩减上行流量,实现了对自身缺乏流控机制的应用(如P2P流媒体等UDP流量)的流量控制,充分利用了网络带宽。
进一步地,通过设定自适应函数来评估控制误差和平滑度,根据计算的自适应函数的值对离散PID控制公式的三个参数kp、kp或ki进行增或减的周期性自适应调节,使PID参数逐步趋向最佳组合,经过一段时间的自适应过程,PID的三个参数可以匹配上当前网络的部署环境,实现对流量精确平滑的控制效果。
进一步地,当线路负载所占线路带宽的比例达到预先设定的值时,调节预先设定的下行流量阈值,可以在关键业务启动后进行流量的退避,保证关键业务的正常运转。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明实施例网络流量控制方法的流程图;
图2是本发明实施例网络流量控制设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明主要通过网络流量控制设备(流控设备)对网络的上行流量和下行流量进行关联控制,从而提高带宽的利用率,且保证关键业务的流畅。如图1所示,本发明实施例网络流量控制方法主要包括以下步骤:
S1、通过流控设备检测网络设备的实际下行流量;
S2、计算实际下行流量与预先设定的下行流量之间的误差e;一般对网络设备都会设定上行流量和下行流量的阈值,可以根据需要而进行设定。
S3、根据PID控制公式对误差进行PID输出量的计算;PID(比例积分微分)控制公式一般用于工业控制领域,本发明成功将其运用在网络流量控制领域,可以很好地实现对网络流量的控制。
PID的原始算法公式是 其中,第一个单项式是对误差e进行比例计算,用于匹配当前的输入信号与输出信号之间存在的比例关系;第二个单项式是对误差e进行积分计算,用于消除历史的累积误差;第三个单项式是微分计算,用于预测未来的变化趋势。其中kp为比例系数,ki为积分时间常数,kd为微分时间常数。
在本发明的实施例中,由于是数字系统,故需要使用离散量的PID算法,令t=kT,T为离散量采样周期,k为自然数,得到离散PID算法公式:
离散式需要存储历史误差用于积分求和,且计算直接产生的u(kT)容易出现突变,造成系统严重抖动。本发明的一个实施例中,使用离散PID增量计算可以避免系统的严重抖动,以T=1为采样周期,可得离散PID增量式:
Δu(k)=u(k)-u(k-1)=(kp+ki+kd)e(k)-(kp+2kd)e(k-1)+kde(k-2);
按误差比例算出u(kT)初值,之后根据每次计算u(kT)的增量Δu(kT)来更新旧值。
S4、根据计算的PID输出量和下行流量计算上行流量的缩放比例;在本发明的一个实施例中,上行流量的缩放比例公式为:其中Vobj为预先设定的下行流量,sensitive(通常是1-100之间的整数)用于调节灵敏度的调节参数,在误差e较大时增大sensitive,在误差e减小时,降低sensitive,以提高网络流量的稳定性。
S5、根据步骤S4中计算的缩放比例调整上行流量阈值。本发明实施例中通过上述缩放比例公式实现了上下行带宽关联调整,首先解决了上行带宽控制目标不明确的问题,其次也实现了对自身缺乏流控机制的应用(如P2P流媒体等UDP流量)的流量控制。本发明通过上行和下行流量的关联调整和动态控制,会针对下行带宽的实际情况增大或缩减上行流量。协调好上下行流量的量化关系,也就解决了现有流控技术中对P2P类型流量控制失效的问题。
进一步地,为了评估流控设备的控制效果,使其更好地与部署的网络环境进行智能匹配,可设定一用于评估控制误差和平滑度的自适应函数,自适应函数fitness可以表示为误差的离散系数error_cv与抖动的离散系数jitter_cv的带权值之和,即:
fitness=error_cv×error_weight+jitter_cv×jitter_weight
其中error_weight+jitter_weight=1,可针对目标网络对误差和平滑度的要求来分配这两个权值。
对于不同的网络环境,不同的网络应用,上下行流量之间的量化关系存在差异,所以对上下行流量进行关联调节时需要一个闭环控制算法,且算法的参数要能自适应调整来匹配网络环境。PID算法是一种成熟的闭环控制算法,PID算法的关键又在于比例、积分、微分三个参数的选取。网络流量控制在不同的部署场景中有独特的个体差异,个体特征并不收敛于群体特征。对于PID三个参数kp、kd和ki的选取,可以在经验值的基础上进行自适应调整。在每个调节周期中对离散PID控制公式的三个参数kp、kd或ki进行增或减的调节,在周期结束时计算自适应函数fitness的值,如果fitness减小说明调节效果变好,下一周期继续增或减当前的调节参数,如果fitness增大说明调节效果变差,回滚上次调节,翻转调节方向(增变减,减变增),或者换一个参数继续调节。周期性调节使PID参数逐步趋向最佳组合,经过一段时间的自适应过程,PID的三个参数可以匹配上当前网络的部署环境,可实现对网络流量精确平滑的控制效果。
进一步地,当线路负载所占线路带宽的比例达到预先设定的值时,调节预先设定的下行流量阈值,以充分利用空闲带宽及向关键业务退让带宽。如在某些企业网环境中,为了充分利用带宽资源,在带宽资源有较多空闲时,允许P2P等流量占用更多带宽,一旦关键业务启动,P2P等流量能快速退让带宽,保证关键业务的流畅运转。本发明实施例中可以通过监测线路负载,浮动调整P2P等流量的下行流量阈值Vobj,自动重新计算上行流量缩放比例,灵活控制带宽使用。例如可以设置P2P应用的最小带宽为min_bw,最大带宽为max_bw,依据线路负载调节Vobj:
(1)当线路负载大于90%的线路带宽时,
(2)当线路负载小于80%的线路带宽时,
其中,Vobj1为原先设置的下行流量阈值,Vobj2为调节后的下行流量阈值。
通过对下行流量阈值Vobj的迭代适应,实现对空闲带宽的利用以及向关键业务退让带宽。
如图2所示,本发明实施例网络流量控制设备主要包括流量检测器10、差值器20、PID控制器30、缩放比例计算器40和上行流量调节器50,其中:
流量检测器10,用于检测网络设备的实际下行流量;
差值器20,用于计算当前下行流量与预先设定的下行流量之间的误差e;
PID控制器30,用于根据PID控制公式对误差进行PID输出量的计算;本发明实施例中,PID控制器30使用的PID控制公式为离散PID控制公式 其中t=kT,T为离散量采样周期,k为自然数,kp为比例系数,ki为积分时间常数,kd为微分时间常数。
缩放比例计算器40,用于根据PID控制器30计算的PID输出量和下行流量计算上行流量的缩放比例;本发明实施例中上行流量的缩放比例为其中Vobj为预先设定的下行流量,sensitive为用于调节灵敏度的调节参数,在误差e较大时增大sensitive,在误差e减小时,降低sensitive。
上行流量调节器50,用于根据缩放比例调整上行流量阈值。本发明实施例中通过上述缩放比例公式实现了上下行带宽关联调整,解决了现有流控技术中对P2P类型流量控制失效的问题。具体调整方式,上文已有详细描述,在此不再赘述。
进一步地,为了评估流控设备的控制效果,使其更好地与部署的网络环境进行智能匹配,可在流控设备中设定一自适应调节器60,用于设定自适应函数来评估控制误差和平滑度,再根据函数的计算结果对离散PID控制公式的三个参数kp、kd或ki进行增或减的周期性自适应调节,自适应函数为误差的离散系数与抖动的离散系数的带权值之和,可针对目标网络对误差和平滑度的要求来分配这两个权值。经过一段时间的自适应过程,PID的三个参数可以匹配上当前网络的部署环境。
进一步地,当线路负载所占线路带宽的比例达到预先设定的值时,可调节预先设定的下行流量阈值,以充分利用空闲带宽及向关键业务退让带宽。在本发明的一个实施例中流量检测器10还用于检测线路负载,即线路实际使用的网络带宽;该网络流量控制设备还包括下行流量调节器70,用于当流量检测器10所检测到的线路负载占线路带宽的比例达到预先设定的值时,调节预先设定的下行流量阈值,从而实现对空闲带宽的利用以及再需要时向关键业务退让带宽。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种网络流量控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
检测网络设备的实际下行流量;
计算所述实际下行流量与预先设定的下行流量之间的误差e;
根据PID控制公式对所述误差进行PID输出量的计算,所述PID控制公式为离散PID控制公式 其中t=kT,T为离散量采样周期,k为自然数,kp为比例系数,ki为积分时间常数,kd为微分时间常数;
根据计算的所述PID输出量和所述下行流量计算上行流量的缩放比例,所述上行流量的缩放比例为其中,u(k)为所述PID输出量,Vobj为预先设定的下行流量,sensitive为用于调节灵敏度的调节参数,且sensitive为大于0且小于100的整数;
根据所述缩放比例调整所述上行流量阈值。
2.根据权利要求1所述的网络流量控制方法,其特征在于,还包括步骤:设定自适应函数,用于评估控制误差和平滑度,所述自适应函数为误差的离散系数与抖动的离散系数的带权值之和,根据所述自适应函数的值对离散PID控制公式的三个参数kp、kd或ki进行增或减的周期性自适应调节。
3.根据权利要求1所述的网络流量控制方法,其特征在于,还包括步骤:当线路负载所占线路带宽的比例达到预先设定的值时,调节预先设定的下行流量阈值。
4.一种网络流量控制设备,其特征在于,该设备包括:
流量检测器,用于检测所述网络设备的实际下行流量;
差值器,用于计算所述实际下行流量与预先设定的下行流量之间的误差e;
PID控制器,用于根据PID控制公式对所述误差进行PID输出量的计算,所述PID控制器使用的PID控制公式为离散PID控制公式 其中t=kT,T为离散量采样周期,k为自然数,kp为比例系数,ki为积分时间常数,kd为微分时间常数;
缩放比例计算器,用于根据计算的所述PID输出量和所述下行流量计算上行流量的缩放比例,所述上行流量的缩放比例为其中,u(k)为所述PID输出量,Vobj为预先设定的下行流量,sensitive为用于调节灵敏度的调节参数,且sensitive为大于0且小于100的整数;
上行流量调节器,用于根据所述缩放比例调整所述上行流量阈值。
5.根据权利要求4所述的网络流量控制设备,其特征在于,该设备还包括自适应调节器,用于设定自适应函数来评估控制误差和平滑度并据此对离散PID控制公式的三个参数kp、kd或ki进行增或减的周期性自适应调节,所述自适应函数为误差的离散系数与抖动的离散系数的带权值之和。
6.根据权利要求4所述的网络流量控制设备,其特征在于,所述流量检测器还用于检测线路负载;该网络流量控制设备还包括下行流量调节器,用于当所述流量检测器所检测到的线路负载占线路带宽的比例达到预先设定的值时,调节预先设定的下行流量阈值。
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基于遗传算法整定的PID网络流量控制;赵海宾等;《南京航空航天大学学报》;20060731;第38卷;14-16 * |
赵海宾等.基于遗传算法整定的PID网络流量控制.《南京航空航天大学学报》.2006,第38卷14-16. |
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