CN105610712B - 基于软件定义网络架构降低全网数据流转发延迟的方法 - Google Patents

基于软件定义网络架构降低全网数据流转发延迟的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于软件定义网络(SDN)架构降低全网数据流转发延迟的方法，属于计算机网络技术领域。降低全网数据流的转发延迟对于服务提供商和最终用户都是至关重要的。本发明提出的基于SDN架构降低全网数据流转发延迟的方法具体如下：首先根据控制器中的数据流信息和链路信息，路由方案确定数据流的转发路径，其次根据控制器中的数据流信息和链路信息以及路由方案得到的转发路径，带宽分配方案对网络带宽资源进行调度和合理分配，最后根据得到的带宽分配方式，更新控制器中的信息，作为后续路由方案的依据。该方法将路由方案与流调度进行有效的结合，使其能够在多项式时间内为新加入的数据流寻找一条有益于全网延迟的转发路径和相应的带宽分配方式。对比现有的技术，传输效率和在期望时间内可完成的数据流数目都有很明显的提升。

Description

基于软件定义网络架构降低全网数据流转发延迟的方法
技术领域
本发明涉及一种基于软件定义网络(SDN)架构降低全网数据流转发延迟的方法，属于计算机网络技术领域。
背景技术
为了提高网络服务的效率和获得更好的用户体验，降低全网数据流的转发延迟变得刻不容缓。
路由和流调度是两种常见的提高全网数据流转发效率的方法，然而在现有研究中，出于对计算复杂度的考虑，路由和调度的研究往往是相互独立的：在路由方案中，调度方案常常被忽略；而在调度方案中，转发路径通常被认为是已知条件。不可否认的是，路由和流调度相互合作有助于更好的降低数据流传输延迟。路由方案不仅可以帮助数据流选择一条更加快速的转发路径，而且可以帮助数据流避开拥塞的链路，给自身争取更多带宽资源。流调度方案则在转发路径确定的情况下，对受到影响的数据流增加保护，同时尽可能降低新加入的数据流的传输延迟，让实时性高的数据流获得更多的带宽资源，保证更多数据流能够在期望时间内完成传输。新加入的数据流和受影响的数据流信息进行更新，更新后的信息作为后续路由方案的依据。
发明内容
本发明的目的是为了降低整个网络中所有数据流的转发延迟而提出一种基于SDN架构的降低全网数据流转发延迟的方法。
本发明是通过下述技术方案实现的：
本方案用N＝{V,E}表示一个网络，其中V是网络节点集合，包括网络N中的交换机和路由器，E表示网络N中的链路集合，同时用fSet表示数据流集合，eSet表示链路集合。而一条数据流则是一个应用中一次传输的通信数据，用一个五元组F＝{M,B,T,L,P}表示，其中M表示数据流F未传输的数据量，B表示数据流F拥有的带宽，T表示数据流F五元组上次更新的时间，L是数据流F的剩余期望完成时间，始终为正，P则表示数据流F的转发路径。假设要为一条数据流fc＝{Mc,Bc,Tc,Lc,Pc}寻找转发路径。用S表示网络中现有占用转发路径Pc的数据流，即受到新数据流影响的流的集合，di和di'分别是S中的某一数据流fi在新的数据流进入网络前后的剩余估计完成时间；dc表示数据流fc的剩余估计完成时间。
基于SDN架构降低全网数据流转发延迟的方法，具体实现步骤如下：
步骤1、寻找一条转发路径，具体操作如下：
步骤1.1、初始化候选解集合cset，最优解optS，当前解curS。
令候选解集合cset为空集，SDN架构中的openflow控制器运行迪杰斯特拉算法(Dijkstra算法)得到的原始解origS设为最优解optS，初始化当前解curS为一个仅包含源交换机sDot的解。
步骤1.2、扩展候选解集合cset。
用LN表示当前解curS的最后一个节点，如果LN与目标节点一致，即与目的交换机dDot一致，则将当前解curS赋值给最优解optS。否则，找出所有与LN相连的节点，将其作为一个集合C。对于集合C的每一个节点，将其加入当前解curS，构成一个新的解newcurS，计算解newcurS的效用值，如果效用值高于效用的界限值，则将这个新的解newcurS加入到候选解集合cset中。f(origS,fSet,eSet)，是效用的界限值，其中fSet是网络中的数据流的集合，eSet是网络中的链路的集合，这两个参数作为已知量，在步骤1的初始化阶段确定；
计算效用值的公式如下：
其中，
其中，f为数据流fc选择路径P的效用值函数，P则表示数据流fc的转发路径，S为受到影响的数据流集合，E为网络中的链路集合,Li为数据流fi的剩余期望完成时间，di为数据流进入网络前的剩余估计完成时间，di'为数据流进入网络后的剩余估计完成时间，wi为数据流fi的权重，wc为数据流fc的权重，wc也可以用上式公式计算，计算wc时，Li即为Lc，di'即为dc，可得出wc。权重的物理意义在于对超过期望传输时间的数据流进行惩罚。
步骤1.3、更新当前解curS，候选解集合cset。
在候选解集合cset中寻找效用值最大的解作为当前解curS，并将效用值最大的解从候选解集合cset中删除。
步骤1.4、重复步骤1.2和步骤1.3，直到步骤1.2中交换机LN就是目的交换机dDot，或者候选解集合cset变成空集，然后返回最优解optS，即转发路径；
步骤2、进行带宽分配：scale、maxGen、crossRate以及mutationRate是四个关键参数，分别表示解空间规模、最大迭代次数、解交叉重组的概率以及解突变的概率。具体操作如下：
步骤2.1、初始化解空间R，最佳解bestChromosom，适应度最大值bestfitness。
基于步骤1中的步骤1.4给出的转发路径最优解optS，给相关数据流，包括受影响的数据流S以及新加入的数据流fc，分配带宽数据流fi对应分配的带宽值为bi，同时保证所分配的带宽之和满足链路带宽承载能力的约束，重复上述步骤scale次，从而得到初始解空间R。在初始解空间R中获取适应度最大的解bestChromosom，即最佳解，初始化适应度最大值bestfitness；
对于解空间中的一个解solution计算适用度函数如下：
g(solution)＝∑fi∈S∪{fc}di'
步骤2.2、对解空间R进行选择、交叉重组、突变三个操作构造新的解空间R'。具体操作如下：
步骤2.2.1、选择最佳解bestChromosom加入新解空间R'。
在旧解空间R中，寻找适应度最大的解，将其复制到新解空间R'中。
步骤2.2.2、对旧解空间R中的两个解进行交叉重组得到新的解，满足条件的解加入新的解空间R'中。
从旧的解空间R中随机选取两个解，以crossRate的概率发生交叉，假设解的长度为Length，随机将[1,Length]中的一个整数num作为交叉位置，两个解相互交换交叉位置右侧或者左侧的解片段，得到两个新的解。如果新的解能够满足链路承载能力的约束，则将新的解复制到新的解空间R'中。如果不能满足链路承载能力的约束，则直接舍弃。
步骤2.2.3、对旧的解空间R中的解进行突变操作得到新的解，满足条件的解加入新的解空间R'中。
在旧的解空间中以概率mutationRate选择一个解进行突变操作，突变操作如下：随机从[1,Length]中选择两个数值，然后交换解中这两个位置上的数值，从而得到一个新的解。如果新的解能够满足链路承载能力的约束，则将其复制到新的解空间R'中。如果不能满足链路承载能力的约束，则直接舍弃。
步骤2.2.4、重复步骤2.2.2、步骤2.2.3，直到新的解空间R'的规模达到scale；
步骤2.3、更新最佳解bestChromosom，适应度最大值bestfitness。
在新的解空间R'中，寻找适应度最大的解，如果该解适应度超过bestfitness，则更新适应度最大值bestfitness以及最佳解bestChromosom，更新后新解空间R'赋值为R。
步骤2.4、重复步骤2.2和步骤2.3最大迭代次数maxGen次，对初始解空间进行maxGen进化后，返回最佳解bestChromosom，即最佳带宽分配策略。
步骤3、更新数据流信息。
步骤1和步骤2执行之后，新加入网络的数据流fc得到了一条转发路径，而fc以及所有受到fc影响的数据流的带宽得到了重新分配，因此，需要更新网络中的数据流信息。在数据流五元组F＝{M,B,T,L,P}中，更新fc的M，B，T，L，P五项信息，受影响的数据流fi更新待传输数据流、带宽、信息更新时间、剩余期望完成时间四个值，更新后的数据流信息存入控制器中，为后续的路由算法和带宽分配算法提供依据。
有益效果
本发明从全局角度出发，设计新的降低全网数据流转发延迟的方法，同时关注数据流个性化需求，尽可能保证更多的数据流能够在期望时间内完成数据传输，从而提高网络服务质量和效率。较之传统的方案相比，传输效率和在期望时间内可完成的数据流数目都有很明显的提升。
附图说明
图1路由方案和带宽分配方案的关系示意图；
图2本发明的流程图；
图3本发明的架构图；
图4本发明的实例拓扑结构图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
假设有一个拓扑结构如图4所示的网络，T1时刻，网络中出现一条含有12Mb数据的数据流F1从节点N1出发，目的节点为N4，期望传输时间为2.5s，以及一条从N9到N0的含有9Mb数据的数据流F2，期望传输时间同样为2.5s。这时，数据流F1将选择路径：N1->N2->N3->N4，数据流F2将选择路径：N9->N6->N7->N0。1秒钟后，在T2时刻，含有6Mb数据，从N5到N8，期望时间同样为2.5s的数据流F3加入了网络中。
本方案在软件定义网络SDN架构下依据算法逐步实施，如图1、图3所示，根据步骤1重写路由模块，依据算法步骤2添加了一个带宽分配模块，同时在控制器中添加一个信息记录模块，用于采集网络状态信息，主要是链路信息，以及数据流信息。
当控制器接收到路由规则的请求时，根据步骤1首先为数据流F3寻找一条转发路径：
调用路由模块，在这个过程中，路由模块从信息记录模块读取数据流信息以及网络状态信息，然后将这些信息以及路由请求作为输入，如图2所示，获取数据流F3的转发路径N5->N6->N7->N8；
根据步骤2，进行带宽分配：调用带宽分配模块，同样首先从数据记录模块获取数据流信息及网络状态信息，然后将这些信息与步骤1得到的数据流F3的转发路径一起作为算法步骤2的输入，数据流F1未受到数据流F3的影响，故传输速率不变，受影响的数据流F2和新数据流F3获取带宽分配方式{4,1}，单位为Mbps；scale、maxGen、crossRate以及mutationRate是四个关键参数；
根据步骤3对数据流信息进行更新；
将转发路径以及带宽分配方案配置到数据平台。
在传统的最大带宽策略下，由于路径N5->N2->N3->N8在T2时刻剩余带宽最大，因此F3将选择该路径作为转发路径。在这种情况下，数据流F3的延迟是2s，F1和F2的延迟分别是3s和1.8s，三个流的总带宽是6.8s，同时数据流F1超过了期望传输时间0.5s，网络中的三条数据流只有三分之二在期望时间内完成了传输。
本方案考虑到数据流F3的加入对数据流F1和数据流F2的影响，那么数据流F3将选择转发路径N5->N6->N7->N8。此时，数据流F1和数据流F2的延迟分别是2s和2.6s，数据流F3的延迟为2s，总的延迟为6.6s。显然，从全局情况看，尽管F3的延迟没有减少，但整体的延迟却得到了降低，虽然仍然有一条数据流F2没能在期望时间内完成传输，但其增加的延迟只有0.1s，从增加的比例上来看还是比传统的最大带宽策略好。
进一步考虑资源调度，同样选择N5->N6->N7->N8作为数据流F3的转发路径，按照步骤2重新分配带宽，在这种情况下，数据流F1、数据流F2和数据流F3的转发延迟均为2s，不仅所有数据流都在期望时间内完成了传输，而且网络总的数据流交付延迟降低到了6s。在考虑了带宽分配之后，全网数据交付延迟得到了进一步的减小，而且更多的数据流得以在期望时间内完成传输。

Claims (1)

1.一种基于软件定义网络架构降低全网数据流转发延迟的方法，其特征在于，具体实现步骤如下：
步骤1：寻找一条转发路径，初始化候选解集合cset，最优解optS，当前解curS；扩展候选解集合cset；在候选解集合cset中寻找效用值最大的解作为当前解curS，并将效用值最大的解从候选解集合cset中删除，直到交换机LN就是目的交换机dDot，或者候选解集合cset变成空集，然后返回最优解optS；
寻找转发路径的步骤为：(1)令候选解集合cset为空集，软件定义网络架构中的openflow控制器运行迪杰斯特拉算法(Dijkstra算法)得到的原始解origS设为最优解optS，初始化当前解curS为一个仅包含源交换机sDot的解；
(2)扩展候选解集合cset：用LN表示当前解curS的最后一个节点，如果LN与目标节点一致，即与目的交换机dDot一致，则将当前解curS赋值给最优解optS；否则，找出所有与LN相连的节点，将其作为一个集合C；对于集合C的每一个节点，将其加入当前解curS，构成一个新的解newcurS，计算解newcurS的效用值，如果效用值高于效用的界限值，则将这个新的解newcurS加入到候选解集合cset中；f(origS,fSet,eSet)，是效用的界限值，其中fSet是网络中的数据流的集合，eSet是网络中的链路的集合，这两个参数作为已知量，在步骤1的初始化阶段确定；
计算效用值的公式如下：
其中，
其中，f为数据流fc选择路径P的效用值函数，P则表示数据流fc的转发路径，S为受到影响的数据流集合，E为网络中的链路集合,Li为数据流fi的剩余期望完成时间，di为数据流进入网络前的剩余估计完成时间，di'为数据流进入网络后的剩余估计完成时间，wi为数据流fi的权重，wc为数据流fc的权重，wc用上式公式计算，计算wc时，Li即为Lc，di'即为dc'，可得出wc；
(3)更新当前解curS，候选解集合cset：在候选解集合cset中寻找效用值最大的解作为当前解curS，并将效用值最大的解从候选解集合cset中删除；
(4)重复(2)和(3)，直到(2)中交换机LN就是目的交换机dDot，或者候选解集合cset变成空集，然后返回最优解optS，即转发路径；
步骤2、进行带宽分配：scale、maxGen、crossRate以及mutationRate是四个关键参数，分别表示解空间规模、最大迭代次数、解交叉重组的概率以及解突变的概率；
带宽分配步骤为：
(1)初始化：基于最优解optS，给相关数据流，包括受影响的数据流S以及新加入的数据流fc，分配带宽数据流fi对应分配的带宽值为bi，同时保证所分配的带宽之和满足链路带宽承载能力的约束，重复上述步骤scale次，从而得到初始解空间R；在初始解空间R中获取适应度最大的解bestChromosom，即最佳解，初始化适应度最大值bestfitness；
对于解空间中的一个解solution计算适用度函数如下：
g(solution)＝∑fi∈S∪{fc}di'
(2)对解空间R进行选择、交叉重组、突变三个操作构造新的解空间R'，具体操作如下：
在旧的解空间中，寻找适应度最大的解，将其复制到新的解空间R'中；
从旧的解空间R中随机选取两个解，以crossRate的概率发生交叉：假设解的长度为Length,随机将[1,Length]中的一个整数num作为交叉位置，两个解相互交换交叉位置右侧或者左侧的解片段，得到两个新的解；如果新的解能够满足链路承载能力的约束，则将新的解复制到新的解空间R'中，如果不能满足链路承载能力的约束，则直接舍弃；
在旧的解空间中以概率mutationRate选择一个解进行突变操作，突变操作如下：随机从[1,Length]中选择两个数值，然后交换解中这两个位置上的数值，从而得到一个新的解；如果新的解能够满足链路承载能力的约束，则将其复制到新的解空间R'中，如果不能满足链路承载能力的约束，则直接舍弃；
直到新的解空间R'的规模达到scale；
在新的解空间R'中，寻找适应度最大的解，如果该解适应度超过bestfitness，则更新适应度最大值bestfitness以及最佳解bestChromosom；
对初始解空间进行maxGen进化后，返回最佳解；
步骤3、更新数据流信息，在数据流五元组F＝{M,B,T,L,P}中，更新fc的M，B，T，L，P五项信息，其中M表示数据流F未传输的数据量，B表示数据流F拥有的带宽，T表示数据流F五元组上次更新的时间，L是数据流F的剩余期望完成时间，始终为正，P则表示数据流F的转发路径；受影响的数据流fi更新待传输数据流、带宽、信息更新时间、剩余期望完成时间四个值，更新后的数据流信息存入控制器中。
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