CN104270312B - 支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统及方法 - Google Patents

Abstract

支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统及方法，属于网络通信技术领域。本发明利用应用层流量优化服务器提供的底层网络信息，控制服务器将中继服务器组成的中继重叠网络按照底层网络拓扑信息进行有效组织，使得中继重叠网络拓扑模型具有可伸缩性强、与底层物理网络相感知的特点；利用中继服务器之间的探测性能，控制服务器获取中继重叠网络的多项传输性能，从而具有应用感知的能力；中继路径的路径代价评价方法综合考虑路由开销、传输性能、负载率等多种因素，使得本发明不仅在选择优质中继路径方面具有较优性能，同时又能够灵活地均衡中继服务器之间的负载。

Description

支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统及方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统及方法。

背景技术

传统IP网络中数据传输主要依赖于网络层的缺省路由路径。然而，缺省路由路径在很多情况下并不是最优的，这是由于网络服务提供商通常选择适合于本地策略需求的路径，而不是选择具有最好性能的路径。大量研究成果已表明，基于应用层重叠网络的传输模式可提供比缺省网络路由传输模式更好的端到端传输性能。在基于应用层重叠网络的传输模式中，如何有效地组织提供中继服务的中继节点并选择优质的中继路径是应用层路由发挥有效性的关键所在。如果中继路径具有较差的传输性能，将导致端到端的用户体验下降、核心网络资源浪费等问题，甚至导致比缺省路由路径更差的性能。

目前很多流行的重叠应用通常产生大量的跨域流量，这些跨域流量导致一些热点链路或者域间链路发生拥塞，除了降低端到端的用户通信体验之外，也在很大程度上增加了网络运营成本。重叠应用过度消耗网络资源的重要原因之一是重叠网络和承载网络之间的失配。如何感知承载网络状况是应用层流量传输优化方案的关键技术所在。根据不同的感知承载网络状况的方法，应用层流量传输优化方案分为三种：1)重叠应用自行进行拓扑估计，主要是通过探测方式为节点分配坐标从而估计节点之间的邻近性；2)网络运营商与应用服务提供商合作，网络运营商主动向应用服务提供商提供网络拓扑信息；3)重叠应用使用第三方测量的网络拓扑信息，目前很多研究和项目提出了测量和获取网络拓扑的方法。第一种和第三种方法均存在获取的网络拓扑信息不准确的问题。在第二种方法中，由于网络运营商对自身网络比较了解，因此能够提供比较准确的承载网信息，并且可以根据自身策略的需求修改网络资源消费模式，从而达到承载网络和分布式重叠应用性能的双方优化。

在基于应用层重叠网络的传输模式中，中继路径分配问题需要综合考虑多种因素，第一，不同的应用类型可能对中继路径有不同的传输需求，比如，高可靠性应用要求中继路径具有较高的路径稳定性以及较小的丢包率；实时应用要求中继路径具有较小的传输延时、延时抖动等。第二，中继路径分配要充分考虑与底层物理网络拓扑结构之间的匹配，合理有效地使用底层网络资源，减少或者避免全网中域间带宽资源的无效消耗。第三，中继路径分配不仅要考虑中继路径的传输性能和路由开销，还要考虑中继服务器本身的传输能力，在合理利用网络资源的同时做到域间以及中继服务器之间的流量优化和负载均衡。由此可见，中继路径的分配牵涉到中继重叠网络的组织方式、路径传输质量的评价、应用负载传输需求等多种因素。申请号为201410196986.4的中国专利申请“一种基于应用层中继的多径传输系统及方法”提出了一种基于应用层重叠网络的通用多径传输模式，利用由控制服务器和中继服务器组成的应用层中继服务系统建立端到端的多径传输条件。然而，如何有效地组织中继服务器并为端到端的数据传输分配优质的中继路径，即中继路径分配问题该中国专利申请并未给出相应的技术方案。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统及方法。

本发明的技术方案：

一种支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统，包括：应用层流量优化服务器、中继服务器和控制服务器；

所述应用层流量优化服务器用于获取网络信息，且将网络信息组织成网络映射表和开销映射表的形式；所述网络映射表包含一系列网络位置分组；所述网络位置分组包括域标识符、网络地址前缀；所述网络地址前缀代表一个或多个子网或代表一个或多个城域网或代表一个或多个自治系统；所述开销映射表包含网络位置分组之间的路由开销；所述路由开销具有通用意义，为路由跳数或路由成本；

所述中继服务器用于执行性能探测过程，获取其与其它中继服务器之间的传输性能，并将其与其它中继服务器之间的传输性能报告至控制服务器；所述传输性能包括延时和丢包率；

所述控制服务器用于从应用层流量优化服务器读取网络映射表和开销映射表，根据网络映射表将中继服务器映射至网络位置分组，将中继服务器按照底层的承载网络拓扑信息进行组织；从中继服务器获得中继服务器之间的传输性能，根据网络映射表和中继服务器之间的传输性能计算出网络位置分组之间的传输性能；从中继服务器获得中继服务器的负载率，根据网络映射表和中继服务器的负载率计算出网络位置分组的域负载率；根据开销映射表、网络位置分组之间的传输性能、网络位置分组的域负载率以及中继路径分配请求消息，分配最优中继路径；

所述控制服务器包括应用层流量优化客户端模块、中继服务器管理模块、中继重叠网络管理模块和中继路径管理模块；

所述应用层流量优化客户端模块用于周期性地从应用层流量优化服务器读取网络映射表和开销映射表；

所述中继服务器管理模块：(a)在中继服务器注册或者连接保活过程中，选择一组中继服务器，将所选择中继服务器的地址信息传递给该中继服务器，从该中继服务器获取其与其它中继服务器之间的传输性能，并存储在性能信息表中；(b)查询中继服务器的性能信息和负载信息，并存储在中继服务器信息表中；所述性能信息包括处理器能力、存储能力和网络带宽；所述负载信息包括中继路径个数、处理器使用率和网络带宽使用率；

所述中继重叠网络管理模块：(a)根据网络映射表，将每个注册的中继服务器映射到一个网络位置分组；(b)根据网络映射表和性能信息表，计算出网络位置分组之间的传输性能，并存储在相应的性能映射表中，所述性能映射表分为延时映射表和丢包率映射表；(c)根据网络映射表和中继服务器信息表，为每个网络位置分组计算域负载率，并存储在域负载率表中；(d)根据网络映射表、开销映射表、域负载率表以及多个性能映射表，计算出任意源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于多个传输性能的最优域中继路径，并存储在相应的最优域中继路径表中；所述最优域中继路径表分为延时最优域中继路径表和丢包率最优域中继路径表；所述域中继路径为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的经由零个或多个其它网络位置分组的路径，由网络位置分组的域标识符组成；

所述中继路径管理模块用于在接收到中继路径分配请求消息之后，根据最优域中继路径表生成最优IP中继路径；所述IP中继路径为由源端和目的端之间的经由零个或多个中继服务器的路径，由IP地址组成。

进一步的，所述的应用层流量优化服务器获取网络信息的方式，包括路由协议、静态配置策略和动态网络信息。

一种支持流量优化和应用感知的中继路径分配方法，采用所述的支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统实现的，具体步骤如下：

1)在中继服务器注册或者连接保活过程中，选择一组中继服务器，将所选择中继服务器的地址信息传递给该中继服务器，从该中继服务器获取其与其它中继服务器之间的传输性能，并存储在性能信息表中；

2)查询中继服务器的性能信息和负载信息，并存储在中继服务器信息表中；所述性能信息包括处理器能力、存储能力和网络带宽；所述负载信息包括中继路径个数、处理器使用率和网络带宽使用率；

3)周期性地从应用层流量优化服务器读取网络映射表和开销映射表；

4)根据网络映射表，将每个注册的中继服务器映射到一个网络位置分组；

5)根据网络映射表和性能信息表，计算获得网络位置分组之间的传输性能，并存储在相应的性能映射表中；所述性能映射表分为延时映射表和丢包率映射表；

6)根据网络映射表和中继服务器信息表，为每个网络位置分组计算域负载率，并存储在域负载率表中；

7)根据网络映射表、开销映射表、域负载率表以及多个性能映射表，计算获得任意源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于多个传输性能的最优域中继路径，并存储在相应的最优域中继路径表中；所述最优域中继路径表分为延时最优域中继路径表和丢包率最优域中继路径表；所述域中继路径为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的经由零个或多个其它网络位置分组的路径，由网络位置分组的域标识符组成；

8)在接收到中继路径分配请求消息之后，根据最优域中继路径表生成最优IP中继路径；所述IP中继路径为由源端和目的端之间的经由零个或多个中继服务器的路径，由IP地址组成。

进一步的，所述的步骤4)中将每个注册的中继服务器映射到一个网络位置分组，映射方法为将中继服务器的IP地址与网络映射表中所有网络位置分组的网络地址前缀进行匹配，采用最长匹配的原则，选取相匹配的最长网络地址前缀所对应的网络位置分组。

进一步的，所述的步骤7)中根据网络映射表、开销映射表、域负载率表以及多个性能映射表，计算获得任意源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于多个传输性能的最优域中继路径，方法为：针对每个指定的传输性能，对于任意的源网络位置分组和目的网络位置分组，计算源网络位置分组和目的网络位置分组之间所有域中继路径的路径代价，将路径代价最小的域中继路径作为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于指定传输性能的最优域中继路径。

进一步的，所述的步骤7)中根据网络映射表、开销映射表、域负载率表以及多个性能映射表，计算获得任意源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于多个传输性能的最优域中继路径，方法还可以为：

针对每个指定的传输性能，对于任意的源网络位置分组和目的网络位置分组，计算源网络位置分组和目的网络位置分组之间经由最多k(k＞＝1)个其它网络位置分组的所有域中继路径的路径代价，将路径代价最小的域中继路径作为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于指定传输性能的最优域中继路径。

进一步的，所述路径代价包括路径路由开销代价和路径传输性能代价；所述路径路由开销代价为域中继路径上相邻两个网络位置分组之间的路由开销之和；所述路径传输性能代价分为路径延时代价和路径丢包率代价；所述路径延时代价为域中继路径上相邻两个网络位置分组之间的延时之和；所述路径丢包率代价为

其中，表示源网络位置分组，表示目的网络位置分组，m表示和之间的一条域中继路径所经由其它网络位置分组的个数，表示和之间的丢包率，

表示和之间的一条域中继路径的路径丢包率。

或者，进一步的，所述路径代价包括路径路由开销代价、路径传输性能代价和路径负载率代价；所述路径负载率代价为域中继路径上网络位置分组的域负载率最大值。

或者，进一步的，所述路径代价包括路径路由开销代价、路径传输性能代价和路径中继代价；所述路径中继代价与域中继路径所经由的网络位置分组个数成正比。

或者，进一步的，所述路径代价包括路径路由开销代价、路径传输性能代价、路径负载率代价和路径中继代价；

进一步的，所述的步骤8)中在接收到中继路径分配请求消息之后，根据最优域中继路径表生成最优IP中继路径，方法为：

(1)从中继路径分配请求消息中提取出应用类型、源IP地址和目的IP地址；

(2)根据网络映射表，按照最长匹配原则将源IP地址和目的IP地址分别映射至源网络位置分组和目的网络位置分组；

(3)根据应用类型确定优选的传输性能，根据优选的传输性能找到相应的最优域中继路径表；

(4)从最优域中继路径表中获得源网络位置分组和目的网络位置分组之间的最优域中继路径；

(5)如果最优域中继路径除源网络位置分组和目的网络位置分组之外不经由其它网络位置分组，从源网络位置分组和目的网络位置分组两者中选出域负载率较小的，随机选择一个映射至该网络位置分组的中继服务器，最优IP中继路径由源IP地址、选定中继服务器的IP地址、目的IP地址组成；

(6)如果最优域中继路径除源网络位置分组和目的网络位置分组之外还经由一个或多个其它网络位置分组，对于每个所经由的其它网络位置分组，随机选择一个映射至该网络位置分组的中继服务器，最优IP中继路径由源IP地址、一个或多个选定中继服务器的IP地址、目的IP地址组成。

本发明的有益效果：利用应用层流量优化服务器提供的底层网络信息，控制服务器将中继服务器组成的中继重叠网络按照底层网络拓扑信息进行有效组织，使得中继重叠网络拓扑模型具有可伸缩性强、与底层物理网络相感知的特点；利用中继服务器之间的探测性能，控制服务器获取中继重叠网络的多项传输性能，从而具有应用感知的能力；中继路径的路径代价评价方法综合考虑路由开销、传输性能、负载率等多种因素，使得本发明不仅在选择优质中继路径方面具有较优性能，同时又能够灵活地均衡中继服务器之间的负载。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的中继服务器组成的中继重叠网络拓扑模型；

图3为本发明一种实施方式的支持流量优化和应用感知的中继路径分配方法流程图；

图4为本发明一种实施方式的生成最优IP中继路径方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

本实施方式的支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统，如图1所示，包括应用层流量优化服务器、控制服务器和中继服务器。

应用层流量优化服务器用于获取网络信息，将网络信息组织成网络映射表和开销映射表的形式。应用层流量优化服务器可通过多种方式获取网络信息，比如路由协议、静态配置策略、动态网络信息，甚至是通过对外接口的第三方内容提供商。

网络映射表包含一系列网络位置分组，网络位置分组包括域标识符、网络地址前缀，网络地址前缀可以代表一个或多个子网、城域网以及自治系统。实际网络中，很多终端在网络连接上是非常邻近的，比如处于同一个公司、高校的终端。将这些邻近终端抽象成一个网络位置分组，可以获得更大的可伸缩性，同时不丢失重要的网络拓扑信息。通过网络位置分组，应用层流量优化服务器以一种间接的与网络无关的方式提供基于网络拓扑或者其它网络属性的网络终端聚合。

开销映射表包含网络位置分组之间的路由开销。路由开销是指单位流量从源到目的的端到端代价，具有通用意义，网络运营商可以根据自身策略进行内部计算，比如可以根据网络之间的物理距离、路由跳数或者路由成本等。应用层流量优化服务器利用路由开销的形式制定网络位置分组之间的优先级，以达到修改网络资源消费模式的目的。

应用层流量优化服务器将网络信息划分成网络映射表和开销映射表，其好处在于，网络拓扑和网络状态两类信息可以在不同时间尺度上进行更新，即反映网络拓扑信息的网络映射表可能在较长时间内不发生变化，而反映网络动态状态信息的开销映射表可能在较短时间内变化。

本实施方式中的中继服务器采用申请号为201410196986.4的中国专利申请“一种基于应用层中继的多径传输系统及方法”中权利要求4记载的中继服务转发器。中继服务器根据注册成功响应消息或者连接保活消息构造中继服务器列表，并执行性能探测过程。中继服务器之间的覆盖链路通常由多个物理链路组成；除了覆盖流量，非覆盖流量也将使用相同的物理链路。因此，中继服务器不能控制或者管理IP层的网络资源，只能依赖于探测机制获取与其它中继服务器之间覆盖链路的性能信息。利用性能探测过程，中继服务器可以获取与其它中继服务器之间覆盖链路的动态传输性能，并将探测的传输性能信息经由连接保活消息报告给控制服务器。

中继服务器需要一组探测算子用于评价与其它中继服务器之间覆盖链路的传输性能。这些探测算子的主要作用就是根据相应的传输性能度量给出一条覆盖链路好坏的定量值。这些定量值是相对的，仅用于与同一探测算子得到的其它定量值进行比较。默认情况下，中继服务器支持两个探测算子：延时探测算子和丢包率探测算子，分别用于探测中继服务器之间覆盖链路的延时和丢包率。实际部署中，可以根据上层应用的具体传输需求增设新的性能度量，比如吞吐量、延时抖动等，甚至为某类上层应用定义新的性能度量，为此只需要将中继服务器加以扩展来支持相应的探测算子即可。下面给出延时探测算子和丢包率探测算子的一种实现示例。

延时探测算子周期性地向中继服务器列表中的每个中继服务器发送延时探测包，计算获取所关联覆盖链路的一个往返时延样本。覆盖链路的延时估计值可以采用往返延时样本值的指数加权滑动均值。R_Delay_ij表示中继服务器R_i和R_j之间覆盖链路的延时评估值，按照公式(1)计算：

R_Delay_ij＝αR_Delay_ij+(1-α)New_Sample_ij (1)

其中，New_Sample_ij表示新获得的往返时延样本，参数α为滑动权值，默认值为0.9，表示延时估计值R_Delay_ij的10％是取自于最新往返时延样本值。

丢包率探测算子周期性地向中继服务器列表中的每个中继服务器发送连续的n₁(默认值为10)个丢包率探测包，计算获取所关联覆盖链路的一个丢包率样本。计算得到的丢包率样本值给出的是双向丢包概率，在假定丢包率对称的前提下可估计得到单向丢包概率。覆盖链路的丢包率估计值采用最新n₂(默认值为10)个丢包率样本值的均值计算。

本实施方式中的控制服务器采用申请号为201410196986.4的中国专利申请“一种基于应用层中继的多径传输系统及方法”中权利要求3记载的中继服务控制器。控制服务器从应用层流量优化服务器读取网络映射表和开销映射表，根据网络映射表将中继服务器映射至网络位置分组，将中继服务器按照底层的承载网络拓扑信息进行组织。通过网络映射表和开销映射表，控制服务器可以获知底层网络基础架构的网络信息，从而有能力为有数据传输需求的用户代理分配底层网络感知并且具有最小路由开销的中继路径。控制服务器从中继服务器获得中继服务器之间的传输性能，根据网络映射表和中继服务器之间的传输性能计算获得网络位置分组之间的传输性能。控制服务器从中继服务器获得中继服务器的负载率，根据网络映射表和中继服务器的负载率计算获得网络位置分组的域负载率。根据开销映射表、网络位置分组之间的传输性能、网络位置分组的域负载率以及接收到的来自于用户代理或者第三方信令服务器的中继路径分配请求消息，控制服务器可以为用户代理之间的数据传输分配最优中继路径。

按照功能进行划分，控制服务器包括应用层流量优化客户端模块、中继服务器管理模块、中继重叠网络管理模块和中继路径管理模块。

应用层流量优化客户端模块周期性地从应用层流量优化服务器获取网络映射表和开销映射表。应用层流量优化客户端模块需要知道应用层流量优化服务器的地址。应用层流量优化客户端模块获取应用层流量优化服务器地址的方式可以有很多，比如采用DNS查询获得应用层流量优化服务器的HTTP(S)URI。

中继服务器管理模块管理和维护域内所有的中继服务器的注册和状态信息：向注册后的中继服务器发送性能查询消息，查询其性能信息，包括处理器能力、存储能力和网络带宽等；周期性地向可用的中继服务器发送状态查询消息，查询其当前的负载信息，包括中继路径个数、处理器使用率和网络带宽使用率等。中继服务器管理模块将中继服务器的性能和负载信息存储在中继服务器信息表。在中继服务器注册或者连接保活过程中，中继服务器管理模块在每个网络位置分组内随机或者按照某种策略选择n₃(n₃≥1)个已注册的中继服务器，并将其地址信息传递给中继服务器。中继服务器管理模块从中继服务器获取该中继服务器与其它中继服务器之间的传输性能，并存储在性能信息表中。

中继重叠网络管理模块根据网络映射表，将每个注册的中继服务器映射到一个网络位置分组，此网络位置分组能够覆盖该中继服务器的IP地址。映射方法为将中继服务器的IP地址与网络映射表中所有网络位置分组的网络地址前缀进行匹配，相匹配的网络地址前缀可能有多个，采用最长匹配的原则，选取相匹配的最长网络地址前缀所对应的网络位置分组。显然，每个网络位置分组可能包含多个中继服务器。按照这种方式，控制服务器将中继服务器按照网络位置分组进行划分，而网络位置分组代表一组地理位置临近并且路由策略相似的地址，因此，控制服务器将中继服务器按照底层的承载网络拓扑信息进行组织，将地理位置临近并且路由策略相似的中继服务器分成一组，可对其执行相同的中继路径分配策略，使得中继服务器组成的中继重叠网络拓扑结构能够很好地适配于底层的承载网络。

如图2所示，控制服务器将中继重叠网络组织成了两层模型。下层是由中继服务器组成的离散网络，控制服务器与每个中继服务器通信，维护单个中继服务器的性能、负载等信息。上层是由网络位置分组节点组成的全网状(full mesh)网络，将属于同一个网络位置分组的多个中继服务器抽象成单个节点，控制服务器维护任意两个网络位置分组节点对之间的传输性能信息。假设中继服务器的个数为N，网络位置分组节点的个数为M，显然M＜＜N，控制服务器需要维护的信息量为O(N+M²)。随着系统中用户规模的增加，管理者可能增设新的中继服务器用于分担增加的重叠负载，这时控制服务器只需线性增加下层中继服务器的维护信息，而上层网络位置分组节点个数通常情况下增加缓慢。因此，中继重叠网络的两层拓扑模型具有良好的网络可伸缩性。

中继重叠网络管理模块维护网络位置分组之间的性能信息。两个网络位置分组之间的传输性能可以用位于这两个网络位置分组中的多个中继服务器对之间的相应传输性能的均值来计算。默认情况下，中继重叠网络管理模块管理维护网络位置分组之间的两个传输性能度量：延时和丢包率，分别存储在延时映射表和丢包率映射表中。PID_Delay_ij表示网络位置分组PID_i和PID_j之间的延时评估值，PID_Lossrate_ij表示网络位置分组PID_i和PID_j之间的丢包率估计值，分别按照以下公式计算：

其中，R_Delay_km表示中继服务器R_k和R_m之间的延时估计值，R_Lossrate_km表示中继服务器R_k和R_m之间的丢包率估计值。

根据中继服务器信息表和网络映射表，中继重叠网络管理模块为每个网络位置分组计算域负载率，并存放在域负载率表中。PID_Loadrate_i表示网络位置分组PID_i的域负载率，按照PID_i包含的所有中继服务器的负载率均值进行计算，即：

其中，R_Loadrate_k表示中继服务器R_k的负载率。

根据网络映射表、开销映射表、域负载率表以及多个性能映射表，中继重叠网络管理模块计算获得任意源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于多个传输性能的最优域中继路径，并存放在相应的最优域中继路径表中，最优域中继路径表分为延时最优域中继路径表和丢包率最优域中继路径表。域中继路径为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的经由零个或多个其它网络位置分组的路径，由网络位置分组的域标识符组成。当网络映射表、开销映射表、域负载率表或者相应的性能映射表发生变化后，中继重叠网络管理模块重新生成最优域中继路径表。

在接收到来自于用户代理或者第三方信令服务器的中继路径分配请求消息之后，中继路径管理模块根据最优域中继路径表生成最优IP中继路径。IP中继路径为由源端和目的端之间的经由零个或多个中继服务器的路径，由IP地址组成。

本实施方式的支持流量优化和应用感知的中继路径分配方法，如图3所示，具体包括如下步骤：

1)在中继服务器注册或者连接保活过程中，选择一组中继服务器，将所选择中继服务器的地址信息传递给该中继服务器，从该中继服务器获取其与其它中继服务器之间的传输性能，并存储在性能信息表中；中继服务器之间的传输性能包括延时和丢包率，实际部署中，可以根据上层应用的具体传输需求增设新的性能度量，比如吞吐量、延时抖动等，甚至为某类上层应用定义新的性能度量；

2)查询中继服务器的性能信息和负载信息，并存储在中继服务器信息表中；性能信息包括处理器能力、存储能力和网络带宽；负载信息包括中继路径个数、处理器使用率和网络带宽使用率；

3)周期性地从应用层流量优化服务器读取网络映射表和开销映射表；

4)根据网络映射表，将每个注册的中继服务器映射到一个网络位置分组，映射方法为将中继服务器的IP地址与网络映射表中所有网络位置分组的网络地址前缀进行匹配，采用最长匹配的原则，选取相匹配的最长网络地址前缀所对应的网络位置分组；

5)根据网络映射表和性能信息表，计算获得网络位置分组之间的传输性能，并存储在相应的性能映射表中，性能映射表分为延时映射表和丢包率映射表；

6)根据网络映射表和中继服务器信息表，为每个网络位置分组计算域负载率，并存储在域负载率表中；

7)根据网络映射表、开销映射表、域负载率表以及多个性能映射表，计算获得任意源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于多个传输性能的最优域中继路径，并存储在相应的最优域中继路径表中；最优域中继路径表分为延时最优域中继路径表和丢包率最优域中继路径表；域中继路径为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的经由零个或多个其它网络位置分组的路径，由网络位置分组的域标识符组成；

针对每个指定的传输性能，对于任意的源网络位置分组和目的网络位置分组，中继重叠网络管理模块计算源网络位置分组和目的网络位置分组之间所有域中继路径的路径代价，将路径代价最小的域中继路径作为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于指定传输性能的最优域中继路径。实验结果表明，经由单个中继节点的覆盖路径在大部分情况下可以提供与经由多个中继节点的最优覆盖路径相近的性能。因此，在计算最优域中继路径时，中继重叠网络管理模块可以限定源网络位置分组和目的网络位置分组之间最多经由k(k＞＝1)个其它网络位置分组，在此基础上将路径代价最小的域中继路径作为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于指定传输性能的最优域中继路径。

中继路径分配过程应综合考虑多方因素，包括路由开销、传输性能、网络位置分组或者中继服务器的负载信息，既能兼路由策略、应用优选的性能度量，又能避免个别中继服务器或者某个网络位置分组负载过重。因此，在计算最优域中继路径时，域中继路径的路径代价的计算方法至关重要。

路径代价包括路径路由开销代价和路径传输性能代价。表示源网络位置分组和目的网络位置分组之间的一条域中继路径，m(m≥0)为域中继路径经由的其它网络位置分组的个数。表示域中继路径的路径代价，定义为如下公式：

其中，a₁和a₂为配置参数，满足a₁+a₂＝1；表示域中继路径的路径路由开销代价，为域中继路径上相邻两个网络位置分组之间的路由开销之和；表示域中继路径的路径传输性能代价。

路由网络通常不能同时对多个性能度量进行优化，比如，一个具有较小延时的路径可能具有较大的丢包率。因此，在实施过程中仅基于单一性能度量计算路径传输性能，即路径传输性能代价可以是路径延时代价，也可以是路径丢包率代价，或者是依据上层应用特定的传输需求新引入的其它传输性能度量。路径延时代价为域中继路径上相邻两个网络位置分组之间的延时之和。路径的丢包率性能度量服从乘法关系，表示域中继路径的路径丢包率代价，按照以下公式计算：

除了路径路由开销代价和路径传输性能代价，路径代价还可以包括路径负载率代价，即：

其中，a₁、a₂和a₃为配置参数，满足a₁+a₂+a₃＝1；表示域中继路径的路径负载率代价，为域中继路径上网络位置分组的域负载率最大值。

除了路径路由开销代价和路径传输性能代价，路径代价还可以包括路径中继代价。原因在于，中继服务器提供中继功能的过程中会消耗自身的处理能力、网络带宽等资源，而且也不可避免地引入额外的处理延时，从而增加了数据到达接收端的传输延时。路径代价的计算公式如下：

其中，a₁、a₂和a₃为配置参数，满足a₁+a₂+a₃＝1；n为域中继路径所经由的提供中继服务的网络位置分组个数，当m≥1时，n＝m，当m＝0时，n＝1；RC表示中继服务器为一个数据流提供中继功能所付出的中继代价；即，路径中继代价与域中继路径所经由的提供中继服务的网络位置分组个数成正比。

除了路径路由开销代价和路径传输性能代价，路径代价还可以同时包括路径负载率代价和路径中继代价，即：

其中，a₁、a₂、a₃和a₄为配置参数，满足a₁+a₂+a₃+a₄＝1。

8)在接收到来自于用户代理或者第三方信令服务器的中继路径分配请求消息之后，根据最优域中继路径表生成最优IP中继路径；IP中继路径为由源端和目的端之间的经由零个或多个中继服务器的路径，由IP地址组成；

根据最优域中继路径表生成最优IP中继路径，如图4所示，具体包括如下步骤：

(1)从中继路径分配请求消息中取出应用类型、源IP地址src_ip和目的IP地址dst_ip；

(2)根据网络映射表，按照最长匹配原则将源IP地址src_ip和目的IP地址dst_ip分别映射至源网络位置分组和目的网络位置分组

(3)根据应用类型确定优选的传输性能，根据优选的传输性能找到相应的最优域中继路径表；

(4)从最优域中继路径表中获得源网络位置分组和目的网络位置分组之间的最优域中继路径

(5)如果最优域中继路径除源网络位置分组和目的网络位置分组之外不经由其它网络位置分组，从源网络位置分组和目的网络位置分组两者中选出域负载率较小的，随机选择一个映射至该网络位置分组的中继服务器R_selected，最优IP中继路径由源IP地址、选定中继服务器R_selected的IP地址、目的IP地址组成。

(6)如果最优域中继路径除源网络位置分组和目的网络位置分组之外还经由一个或多个其它网络位置分组PID_mid，对于每个所经由的其它网络位置分组PID_mid，随机选择一个映射至该网络位置分组的中继服务器，最优IP中继路径由源IP地址、一个或多个选定中继服务器的IP地址、目的IP地址组成。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域内的熟练的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (9)

1.一种支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统，其特征在于：包括：应用层流量优化服务器、中继服务器和控制服务器；

所述应用层流量优化服务器用于获取网络信息，且将网络信息组织成网络映射表和开销映射表的形式；所述网络映射表包含一系列网络位置分组；所述网络位置分组包括域标识符、网络地址前缀；所述网络地址前缀代表一个或多个子网或代表一个或多个城域网或代表一个或多个自治系统；所述开销映射表包含网络位置分组之间的路由开销；所述路由开销具有通用意义，为路由跳数或路由成本；

所述中继服务器用于执行性能探测过程，获取其与其它中继服务器之间的传输性能，并将其与其它中继服务器之间的传输性能报告至控制服务器；所述传输性能包括延时和丢包率；

所述控制服务器用于从应用层流量优化服务器读取网络映射表和开销映射表，根据网络映射表将中继服务器映射至网络位置分组，将中继服务器按照底层的承载网络拓扑信息进行组织；从中继服务器获得中继服务器之间的传输性能，根据网络映射表和中继服务器之间的传输性能计算出网络位置分组之间的传输性能；从中继服务器获得中继服务器的负载率，根据网络映射表和中继服务器的负载率计算出网络位置分组的域负载率；根据开销映射表、网络位置分组之间的传输性能、网络位置分组的域负载率以及中继路径分配请求消息，分配最优中继路径；

所述控制服务器包括应用层流量优化客户端模块、中继服务器管理模块、中继重叠网络管理模块和中继路径管理模块；

所述应用层流量优化客户端模块用于周期性地从应用层流量优化服务器读取网络映射表和开销映射表；

所述中继服务器管理模块：(a)在中继服务器注册或者连接保活过程中，选择一组中继服务器，将所选择中继服务器的地址信息传递给该中继服务器，从该中继服务器获取其与其它中继服务器之间的传输性能，并存储在性能信息表中；(b)查询中继服务器的性能信息和负载信息，并存储在中继服务器信息表中；所述性能信息包括处理器能力、存储能力和网络带宽；所述负载信息包括中继路径个数、处理器使用率和网络带宽使用率；

所述中继重叠网络管理模块：(a)根据网络映射表，将每个注册的中继服务器映射到一个网络位置分组；(b)根据网络映射表和性能信息表，计算出网络位置分组之间的传输性能，并存储在相应的性能映射表中，所述性能映射表分为延时映射表和丢包率映射表；(c)根据网络映射表和中继服务器信息表，为每个网络位置分组计算域负载率，并存储在域负载率表中；(d)根据网络映射表、开销映射表、域负载率表以及多个性能映射表，计算出任意源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于多个传输性能的最优域中继路径，并存储在相应的最优域中继路径表中；所述最优域中继路径表分为延时最优域中继路径表和丢包率最优域中继路径表；所述域中继路径为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的经由零个或多个其它网络位置分组的路径，由网络位置分组的域标识符组成；

所述中继路径管理模块用于在接收到中继路径分配请求消息之后，根据最优域中继路径表生成最优IP中继路径；所述IP中继路径为由源端和目的端之间的经由零个或多个中继服务器的路径，由IP地址组成。

2.根据权利要求1所述的支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统，其特征在于：所述的应用层流量优化服务器获取网络信息的方式，包括路由协议、静态配置策略和动态网络信息。

3.一种支持流量优化和应用感知的中继路径分配方法，采用权利要求1所述的支持流量优化和应用感知的中继路径分配系统实现的，其特征在于：具体步骤如下：

1)在中继服务器注册或者连接保活过程中，选择一组中继服务器，将所选择中继服务器的地址信息传递给该中继服务器，从该中继服务器获取其与其它中继服务器之间的传输性能，并存储在性能信息表中；

2)查询中继服务器的性能信息和负载信息，并存储在中继服务器信息表中；所述性能信息包括处理器能力、存储能力和网络带宽；所述负载信息包括中继路径个数、处理器使用率和网络带宽使用率；

3)周期性地从应用层流量优化服务器读取网络映射表和开销映射表；

4)根据网络映射表，将每个注册的中继服务器映射到一个网络位置分组；

5)根据网络映射表和性能信息表，计算获得网络位置分组之间的传输性能，并存储在相应的性能映射表中；所述性能映射表分为延时映射表和丢包率映射表；

6)根据网络映射表和中继服务器信息表，为每个网络位置分组计算域负载率，并存储在域负载率表中；

7)根据网络映射表、开销映射表、域负载率表以及多个性能映射表，计算获得任意源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于多个传输性能的最优域中继路径，并存储在相应的最优域中继路径表中；所述最优域中继路径表分为延时最优域中继路径表和丢包率最优域中继路径表；所述域中继路径为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的经由零个或多个其它网络位置分组的路径，由网络位置分组的域标识符组成；

8)在接收到中继路径分配请求消息之后，根据最优域中继路径表生成最优IP中继路径；所述IP中继路径为由源端和目的端之间的经由零个或多个中继服务器的路径，由IP地址组成。

4.根据权利要求3所述的支持流量优化和应用感知的中继路径分配方法，其特征在于：所述的步骤4)中将每个注册的中继服务器映射到一个网络位置分组，映射方法为将中继服务器的IP地址与网络映射表中所有网络位置分组的网络地址前缀进行匹配，采用最长匹配的原则，选取相匹配的最长网络地址前缀所对应的网络位置分组。

5.根据权利要求3所述的支持流量优化和应用感知的中继路径分配方法，其特征在于：所述的步骤7)中根据网络映射表、开销映射表、域负载率表以及多个性能映射表，计算获得任意源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于多个传输性能的最优域中继路径，计算方法为方法A或方法B，其中方法A为：针对每个指定的传输性能，对于任意的源网络位置分组和目的网络位置分组，计算源网络位置分组和目的网络位置分组之间所有域中继路径的路径代价，将路径代价最小的域中继路径作为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于指定传输性能的最优域中继路径；方法B为：针对每个指定的传输性能，对于任意的源网络位置分组和目的网络位置分组，计算源网络位置分组和目的网络位置分组之间经由最多k个其它网络位置分组的所有域中继路径的路径代价，k＞＝1，将路径代价最小的域中继路径作为源网络位置分组和目的网络位置分组之间的基于指定传输性能的最优域中继路径。

6.根据权利要求5所述的支持流量优化和应用感知的中继路径分配方法，其特征在于：所述路径代价包括路径路由开销代价和路径传输性能代价；所述路径路由开销代价为域中继路径上相邻两个网络位置分组之间的路由开销之和；所述路径传输性能代价分为路径延时代价和路径丢包率代价；所述路径延时代价为域中继路径上相邻两个网络位置分组之间的延时之和；所述路径丢包率代价为其中，表示源网络位置分组，表示目的网络位置分组，m表示和之间的一条域中继路径所经由其它网络位置分组的个数，表示和之间的丢包率，表示和之间的一条域中继路径的路径丢包率。

7.根据权利要求6所述的支持流量优化和应用感知的中继路径分配方法，其特征在于：所述路径代价还包括路径负载率代价；所述路径负载率代价为域中继路径上网络位置分组的域负载率最大值。

8.根据权利要求6或7所述的支持流量优化和应用感知的中继路径分配方法，其特征在于：所述路径代价还包括路径中继代价；所述路径中继代价与域中继路径所经由的网络位置分组个数成正比。

9.根据权利要求3所述的支持流量优化和应用感知的中继路径分配方法，其特征在于：所述的步骤8)中在接收到中继路径分配请求消息之后，根据最优域中继路径表生成最优IP中继路径，方法为：

(1)从中继路径分配请求消息中提取出应用类型、源IP地址和目的IP地址；

(2)根据网络映射表，按照最长匹配原则将源IP地址和目的IP地址分别映射至源网络位置分组和目的网络位置分组；

(3)根据应用类型确定优选的传输性能，根据优选的传输性能找到相应的最优域中继路径表；

(4)从最优域中继路径表中获得源网络位置分组和目的网络位置分组之间的最优域中继路径；

(5)如果最优域中继路径除源网络位置分组和目的网络位置分组之外不经由其它网络位置分组，从源网络位置分组和目的网络位置分组两者中选出域负载率较小的，随机选择一个映射至该网络位置分组的中继服务器，最优IP中继路径由源IP地址、选定中继服务器的IP地址、目的IP地址组成；

(6)如果最优域中继路径除源网络位置分组和目的网络位置分组之外还经由一个或多个其它网络位置分组，对于每个所经由的其它网络位置分组，随机选择一个映射至该网络位置分组的中继服务器，最优IP中继路径由源IP地址、一个或多个选定中继服务器的IP地址、目的IP地址组成。