CN102946444B - 一种轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法 - Google Patents
一种轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法，属于网络系统拓扑优化领域。本发明方法包括：步骤S101，根据轻量级VoIP系统中的服务器节点的物理特性计算服务器节点能力；步骤S102，根据服务器节点的负载压力和服务器物理特性，通过网络最优拓扑的算法得到网络最优拓扑；步骤S103，根据网络中需要改变的服务器节点的数量，计算将网络由一种拓扑转换为另一种拓扑的迁移成本；步骤S104，根据网络中服务器节点的负载分布状况，计算网络的分布差异权值；步骤S105，根据网络的迁移成本和网络的分布差异权值，确定最终网络优化方法。利用本发明优化了轻量级VoIP网络拓扑分布，达到了负载均衡的效果。
Description
技术领域
本发明属于网络系统拓扑优化领域，具体涉及一种轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法。
背景技术
轻量级VoIP系统充分利用P2P技术的高可靠性、高可扩展性及低成本的优势，由核心网服务器节点SN自组织形成P2POverlay，采用标准的RELOAD协议完成资源的定位和发现，实现多种类型终端间的音视频通话、即时/短信收发、好友列表呈现、群组管理等业务。
当用户终端UE发起注册请求时，首先通过P2P算法将终端标识映射为资源标识，再根据资源标识得到接入SN(服务器节点)的标识，从而将注册请求发送至该节点，由该SN向注册服务器RS发起注册请求，完成用户鉴权。当用户终端UE发起会话时，首先根据P2P算法，通过RELOAD消息从负责被叫方用户数据的SNU(StorageNodeforUser-data用户数据存储节点)处获取被叫方的资源标识，然后呼叫方UE与被叫方UE通过RELOAD消息建立连接，进而完成会话的建立。
在轻量级VoIP系统中，普通用户终端UE可以升级为SN，使UE承担核心网节点的部分功能，从而充分利用用户的计算、存储或带宽资源等，减轻核心网负担。UE升级成SN，是指UE除了具有系统客户端的功能和PF(ProxyFunction代理功能)的功能外，还具有SF(ServingFunctio服务功能。)的功能。即由UE升级得到的SN可以加入到由运营商部署的SN组成的P2POverlay中，参与业务控制、P2P网络的路由和存储等功能。
现有网络拓扑是基于所有核心服务器节点都具有相同的能力的前提下提出的，但是在实际的部署中，不同核心服务器节点，其性能有着明显的差距。因此这样的网络拓扑并不能很好地适应异构节点的情况，这会造成网络负载的不均衡。
同时，每一个服务器节点服务的节点数是在不停变化的，在某一个时刻，其网络拓扑有可能及其不均衡，造成少数节点负载极重，少数节点几乎无负载的情况。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法，解决现有网络拓扑的异构节点和负载不均衡问题，实现网络拓扑优化。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法，所述方法包括下述步骤：
步骤S101，根据轻量级VoIP系统中的服务器节点的物理特性计算服务器节点能力；
步骤S102，根据服务器节点的负载压力和服务器物理特性，通过网络最优拓扑的算法得到网络最优拓扑；
步骤S103，根据网络中需要改变的服务器节点的数量，计算将网络由一种拓扑转换为另一种拓扑的迁移成本；
步骤S104，根据网络中服务器节点的负载分布状况，计算网络的分布差异权值；
步骤S105，根据网络的迁移成本和网络的分布差异权值，确定最终网络优化方法。
所述步骤S101包括：
(A1)定义服务器节点能力相关属性：包括服务器节点处理能力和服务器节点连通能力，所述服务器节点处理能力是指服务器节点在单位时间内处理消息的能力；服务器节点连通能力是指服务器节点所处的网络状况；
(A2)收集服务器节点能力相关参数：包括收集服务器节点处理能力的相关物理参数和收集服务器节点连接能力相关参数，所述服务器节点处理能力的相关物理参数包括服务器节点的CPU频率、CPU个数和内存大小；所述服务器节点连接能力相关参数包括服务器节点带宽和网络等级；
(A3)测试当前网络和服务器节点性能并生成服务器属性-参数-能力对照表，所述服务器属性-参数-能力对照表包括以下属性：CPU频率、CPU个数、内存大小、带宽、网络等级、处理消息个数和服务器能力权值；
(A4)根据服务器属性-参数-能力对照表计算当前服务器节点能力权值：查找服务器属性-参数-能力对照表，按照匹配原则，得到匹配条目的服务器节点能力权值即为当前服务器节点能力权值；所述匹配条目指的是所有属性均小于等于待查找节点的所有条目中能力权值最大的节点。
步骤(A2)中，所述网络等级具体如下：对无网络连接的用户节点的网络等级赋值为0；对局域网的用户节点的网络等级赋值为0.5；对光纤骨干网的用户节点的网络等级赋值为1。
所述步骤(A4)中，所述服务器节点能力权值是位于[0，1]之间的，是通过服务器节点处理消息数量除以常数得来的，保留两位小数位；所述常数是所有消息数量的最大公约数。
所述步骤S102包括：
(B1)统计每个用户节点(即服务器节点服务的节点)数量；
(B2)通过下面的公式计算全网平均单位能力负载、每个服务器节点的理想负载和每个服务器节点的理想ID：
全网平均单位能力负载＝全网负载/全网能力；其中，全网负载是通过统计每个服务器节点服务的节点数量并求和得到的；全网能力为所有服务器节点能力权值之和；
理想负载＝全网平均单位能力负载*服务器节点能力权值；
若当前网络服务器节点为网络中第一个节点，其ID为0；
若当前网络服务器节点非网络中第一个节点，其新ID＝前一个服务器节点ID+当前服务器节点的理想负载；
理想ID＝前一个服务器节点理想ID+服务器节点理想负载*节点ID范围/全网负载。
所述步骤S103包括：统计网络中所有需要更换服务器节点的用户节点的个数总和；迁移成本是指由一种网络拓扑转化为另一种网络拓扑时，所有需要更换服务器节点的用户节点的个数总和。
所述步骤S104是这样实现的：先计算出网络当中每个服务器节点当前负载和理想负载的方差，然后对所有服务器节点的方差求和得到网络分布差异权值。
所述步骤S105中，网络优化算法采用穷举所有优化算法的方式比较得出，包括：
(C1)计算所有服务器节点的单位能力负载，单位能力负载＝服务器节点负载/服务器节点能力；
(C2)将所有服务器节点按照单位能力负载排序，形成服务器节点单位能力负载列表；
(C3)判断服务器节点是否为服务器节点单位能力负载列表中的最后一个，如果是，则转到步骤(C5)，如果否，则为当前服务器节点设置新ID，新ID＝前一个服务器节点ID+当前服务器节点的理想负载；
(C4)按照步骤103和步骤104分别计算当前网络拓扑的迁移成本和网络分布差异权值，并计算两者之和，将两者之和记做网络拓扑优化的衡量参数，并转移到当前网络拓扑的迁移策略，然后返回步骤(C3)；
(C5)选取循环中的最小衡量参数所对应的迁移策略，并按照该迁移策略对网络进行优化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过计算服务器节点能力、网络拓扑迁移成本、网络分布差异权值、网络最优拓扑的算法等，最后根据网络的迁移成本和网络的分布差异权值，确定网络优化算法，优化了轻量级VoIP网络拓扑分布，达到了负载均衡的效果。
附图说明
图1是本发明轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法的步骤框图。
图2是本发明轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法中的步骤105的步骤框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
本发明的基本思想为：根据轻量级VoIP系统中的服务器节点的物理特性计算服务器节点能力；根据轻量级VoIP系统网络中需要改变的服务器节点的数量，计算将网络由一种拓扑转换为另一种拓扑的迁移成本；根据网络中服务器节点的负载分布状况，计算网络的分布差异权值；根据服务器节点的负载压力和服务器物理特性计算网络最优拓扑的算法；根据所述迁移成本和分布差异权值确定网络优化算法，并最终实现网络负载均衡。
具体来说，如图1所示，本发明一种轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法，包括下述步骤：
步骤S101，根据服务器节点的物理特性计算服务器节点能力：
本步骤中，具体计算服务器节点能力的方法包括：
定义服务器节点能力相关属性：定义服务器节点能力相关属性包括服务器节点处理能力和服务器节点连通能力：所述服务器节点处理能力是指服务器节点在单位时间内处理消息的能力；服务器节点连通能力指的是服务器节点所处的网络状况，服务器节点连通能力会影响服务器节点之间、服务器节点和用户节点之间的消息的可达性。
收集服务器节点能力相关参数：包括收集服务器节点处理能力的相关物理参数和收集服务器节点连接能力相关参数；具体来说，收集服务器节点处理能力的相关物理参数包括服务器节点的CPU频率、CPU个数和内存大小；收集服务器节点连接能力相关参数包括服务器节点带宽和网络等级；网络等级具体如下：根据网络所属域，为用户节点的网络等级在[0，1]区间内进行赋值：无网络连接节点赋值为0；教育网等局域网赋值为0.5；光纤骨干网赋值为1；
测试当前网络和服务器节点性能并生成服务器属性-参数-能力对照表，所述服务器属性-参数-能力对照表包括以下具体属性：CPU频率、CPU个数、内存大小、带宽、网络等级、处理消息个数、服务器能力权值(能力权值是用来衡量能力大小的标识)；服务器属性-参数-能力对照表中具体参数通过测试真实网络生成。
根据服务器属性-参数-能力对照表计算当前服务器节点能力权值：查找服务器属性-参数-能力对照表，按照匹配原则，得到匹配条目的服务器节点能力权值即为当前服务器节点权值。其中，所述匹配条目指的是所有属性均小于等于待查找节点的所有条目中能力权值最大的节点。所述服务器节点能力权值位于[0，1]之间的，服务器节点处理消息数量除以某一常数(所有消息数量的最大公约数)得来的，小数位两位的自然数。
步骤S102，根据服务器节点的负载压力和服务器物理特性计算网络最优拓扑的算法：
本步骤中，计算网络最优拓扑的算法为：收集网络负载分布状况相关数据(统计每个服务器节点服务的节点数量)；计算全网平均单位能力负载情况；计算网络中每个SN的服务器节点理想负载；计算网络中每个SN的理想ID(标识或序号)的分配。
通过收集收集网络负载分布状况相关数据，也就是统计每个服务器节点服务的节点数量并求和，得到全网负载。
全网平均单位能力负载＝全网负载/全网能力；
全网能力为所有服务器节点能力权值(即步骤S101中求得的服务器节点能力权值)之和。
若当前网络服务器节点为网络中第一个节点，其ID为0；
若当前网络服务器节点非网络中第一个节点，其新ID(即采取了负荷分担算法后的ID)＝前一个网络服务器节点ID+当前服务器节点理想负载。
服务器节点理想负载＝全网平均单位能力负载*服务器节点能力权值(即步骤S101中求得的服务器节点能力权值)；
服务器节点理想ID＝前一个服务器节点理想ID(对于第一个节点，理想ID就是0)+服务器节点理想负载*节点ID范围/全网负载；
节点ID范围根据网络规模不同会有区别，实际网络中一般为2的32次方；在下面的举例中为了方便计算，选择了1000。
表1给出了一个例子，来说明如何求得服务器节点理想ID。
表1
下面以名称SN2为例，说明如何获得名称SN2的理想ID的：
已知名称SN1的理想ID为
全网负载＝40+40+20＝100
全网能力＝0.4+0.2+0.4＝1
全网单位能力负载＝100/1＝100
名称为SN2的节点理想负载＝全网平均单位能力负载*节点能力权值＝100*0.2＝20
名称为SN2的理想ID＝名称为SN1的理想ID(400)+序号2的理想负载(20)*节点负载范围(1000)/全网负荷(100)＝600
网络最优拓扑由网络中服务器节点的ID的分配情况决定：即是不是每个服务器节点的都能按照自己的能力服务等比例数量的节点，这是通过下面的分布差异权值来衡量的
步骤102得到的是最优的网络拓扑，但是最优地网络拓扑不一定是低成本高效率的，通过步骤105得到低成本高效率的网络拓扑。
步骤102的目的是计算迁移到最优网络拓扑的迁移成本和网络负载差异权值的。
发明的目的是优化网络拓扑，但该网络拓扑不一定是最优的。主要是因为如果从当前网络拓扑迁移到最优网络拓扑，其迁移成本可能很高，同时其对网络均衡分布的影响可能很小，这种迁移并不是低成本高效率的迁移。为了达到低成本高效率地优化网络拓扑，需要执行步骤105。
步骤S103，根据网络中需要改变的服务器节点的数量，计算将网络由一种拓扑转换为另一种拓扑的迁移成本：
本步骤中，计算将网络由一种拓扑转换为另一种拓扑的迁移成本为统计网络中所有需要更换服务器节点的被服务器节点(被服务器节点可以用UE(UserEquipment)即用户节点来定义)的个数总和。迁移成本定义为由一种网络拓扑转化为另一种网络拓扑影响的被服务器节点的数量。
步骤S104，根据网络中服务器节点的负载分布状况，计算网络的分布差异权值：
本步骤中，网络的分布差异权值为节点当前负载和理想负载的方差之和(指的先求出来网络当中每个节点当前负载和理想负载的方差，然后求这些方差的和得到的是网络分布差异的权值。)，其中，理想负载＝全网平均单位能力负载*节点能力权值；
全网平均单位能力负载＝全网负载/全网能力；
全网能力为所有服务器节点能力之和。
步骤S105，根据网络的迁移成本和网络的分布差异权值，确定网络优化算法：
网络优化算法由网络迁移成本和网络的差异分布权值共同决定(即迁移成本和差异分布均最小)；
本发明推荐的网络优化算法采用穷举所有优化算法的方式比较得出，其具有迁移成本低且网络的差异分布权值低的特点，但不一定具有最优的网络拓扑，因为如果从当前网络拓扑迁移到最优网络拓扑，其迁移成本可能很高，同时其对网络均衡分布的影响可能很小，这种迁移并不是低成本高效率的迁移。。
步骤S105具体如图2所示，包括下面的步骤：
(C1)计算所有服务器节点的单位能力负载＝服务器节点负载/服务器节点能力；
(C2)将所有服务器节点按照单位能力负载排序，形成服务器节点单位能力负载列表；
(C3)判断服务器节点是否为服务器节点单位能力负载列表中的最后一个，如果是，则转到步骤(C5)，如果否，则为当前服务器节点设置新ID，新ID＝前一个服务器节点ID+当前服务器节点的理想负载；
(C4)按照步骤103和步骤104分别计算当前网络拓扑的迁移成本和网络分布差异权值，并计算两者之和，将两者之和记做网络拓扑优化的衡量参数，并转移到当前网络拓扑的迁移策略，然后返回步骤(C3)；
(C5)选取最小的衡量参数所对应的迁移策略，并按照该迁移策略对网络进行优化。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
Claims (6)
1.一种轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法，其特征在于：所述方法包括下述步骤：
步骤S101，根据轻量级VoIP系统中的服务器节点的物理特性计算服务器节点能力；
步骤S102，根据服务器节点的负载压力和服务器物理特性，通过网络最优拓扑的算法得到网络最优拓扑；
步骤S103，根据网络中需要改变的服务器节点的数量，计算将网络由一种拓扑转换为另一种拓扑的迁移成本；
步骤S104，根据网络中服务器节点的负载分布状况，计算网络的分布差异权值；
所述步骤S104是这样实现的：先计算出网络当中每个服务器节点当前负载和理想负载的方差，然后对所有服务器节点的方差求和得到网络的分布差异权值；
步骤S105，根据网络的迁移成本和网络的分布差异权值，确定最终网络优化算法；
所述步骤S105中，网络优化算法包括以下步骤：
(C1)计算所有服务器节点的单位能力负载，单位能力负载＝服务器节点负载/服务器节点能力；
(C2)将所有服务器节点按照单位能力负载排序，形成服务器节点单位能力负载列表；
(C3)判断服务器节点是否为服务器节点单位能力负载列表中的最后一个，如果是，则转到步骤(C5)，如果否，则为当前服务器节点设置新ID，新ID＝前一个服务器节点ID+当前服务器节点的理想负载；
(C4)按照步骤103和步骤104分别计算当前网络拓扑的迁移成本和网络的分布差异权值，并计算两者之和，将两者之和记做网络拓扑优化的衡量参数，并转移到当前网络拓扑的迁移策略，然后返回步骤(C3)；
(C5)选取循环中的最小衡量参数所对应的迁移策略，并按照该迁移策略对网络进行优化。
2.根据权利要求1所述的轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法，其特征在于：所述步骤S101包括：
(A1)定义服务器节点能力相关属性：包括服务器节点处理能力和服务器节点连通能力，所述服务器节点处理能力是指服务器节点在单位时间内处理消息的能力；服务器节点连通能力是指服务器节点所处的网络状况；
(A2)收集服务器节点能力相关参数：包括收集服务器节点处理能力的相关物理参数和收集服务器节点连接能力相关参数，所述服务器节点处理能力的相关物理参数包括服务器节点的CPU频率、CPU个数和内存大小；所述服务器节点连接能力相关参数包括服务器节点带宽和网络等级；
(A3)测试当前网络和服务器节点性能并生成服务器属性-参数-能力对照表，所述服务器属性-参数-能力对照表包括以下属性：CPU频率、CPU个数、内存大小、带宽、网络等级、处理消息个数和服务器能力权值；
(A4)根据服务器属性-参数-能力对照表计算当前服务器节点能力权值：查找服务器属性-参数-能力对照表，按照匹配原则，得到匹配条目的服务器节点能力权值即为当前服务器节点能力权值；所述匹配条目指的是所有属性均小于等于待查找节点的所有条目中能力权值最大的节点。
3.根据权利要求2所述的轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法，其特征在于：所述步骤(A2)中，所述网络等级具体如下：对无网络连接的用户节点的网络等级赋值为0；对局域网的用户节点的网络等级赋值为0.5；对光纤骨干网的用户节点的网络等级赋值为1。
4.根据权利要求3所述的轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法，其特征在于：所述步骤(A4)中，所述服务器节点能力权值是位于[0,1]之间的，是通过服务器节点处理消息数量除以常数得来的，保留两位小数位；所述常数是所有消息数量的最大公约数。
5.根据权利要求4所述的轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法，其特征在于：所述步骤S102包括：
(B1)统计每个用户节点数量；
(B2)通过下面的公式计算全网平均单位能力负载、每个服务器节点的理想负载和每个服务器节点的理想ID：
全网平均单位能力负载＝全网负载/全网能力；其中，全网负载是通过统计每个服务器节点服务的节点数量并求和得到的；全网能力为所有服务器节点能力权值之和；
理想负载＝全网平均单位能力负载*服务器节点能力权值；
若当前网络服务器节点为网络中第一个节点，其ID为0；
若当前网络服务器节点非网络中第一个节点，其新ID＝前一个服务器节点ID+当前服务器节点的理想负载；
理想ID＝前一个服务器节点理想ID+服务器节点理想负载*节点ID范围/全网负载。
6.根据权利要求5所述的轻量级VoIP系统网络拓扑优化的方法，其特征在于：所述步骤S103包括：统计网络中所有需要更换服务器节点的用户节点的个数总和；迁移成本是指由一种网络拓扑转化为另一种网络拓扑时，所有需要更换服务器节点的用户节点的个数总和。
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