CN105897586A - 面向混合sdn网络的节能流量调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向混合SDN网络的节能流量调度方法，在满足流量转发需求的前提下，依据IP网络中的链路容量利用率，对链路权重进行调整，这样当某条链路容量利用率低时，将其关闭，避免能量的浪费，同时也符合绿色节能网络理念；同时本申请结合SDN交换机的流量动态分配功能，解决了混合SDN网络的节能流量调度机制的问题。

Description

面向混合SDN网络的节能流量调度方法

技术领域

本发明属于网络流量工程领域，具体涉及一种能在SDN/IP混合网络中有效节能的流量调度机制。

背景技术

随着网络规模的扩大和网络设备功能的不断丰富，目前的网络在能量的使用上日益暴露出能耗高、效率低，浪费多等诸多问题。节省网络能耗、构建绿色网络不仅成为计算机领域一个意义重大、需要迫切解决的课题，也成为影响社会、生态可持续发展的一个重要因素。通过节能的流量调度策略降低网络能耗，是一个重要的问题。

考虑到SDN的迅猛发展和广阔的应用前景，节能的流量调度策略必须和SDN场景结合起来。SDN是一项目前备受关注与研究的技术，它通过将网络的控制和转发功能分离，使网络的控制面可以通过开放接口直接编程，而底层设施则简单地作为接受控制面调度的转发设备(数据面)，该机制带来了流量动态调度的灵活性。SDN技术常用于提高网络容量利用率和减小网络时间延。

然而，短期内纯SDN网络的全面铺设还难以实现。一方面，它需要对现有网络架构及设备做较大变更，耗资巨大。另一方面，SDN技术本身在可靠性、鲁棒性、可扩展性等方面还有待提升。因此大多数情况下，将会是在现有网络中逐步增加SDN设备，SDN设备与IP设备混合并存的应用模式将长期存在。

因此，在SDN/IP混合网络环境下，研究设计节能的流量调度策略，对于下一代网络的发展和应用，具有重要的意义。

当前网络节能模型主要分为两种，一种是停用模型，另一种是弹性速度模型。前者通过停用不需要的网元节约能量，而后者通过根据网络负载调节网元处理速度节能。

混合SDN网络即在现有的网络中加入了SDN设备，网络数据面由传统IP路由和SDN交换机组成。网络中的SDN交换机由一个SDN控制器管理，它们的流表由控制器计算生成。而网络中的IP路由器依然使用逐跳寻径的路由协议(如OSPF)来确定流转发规则，此时SDN交换机被视为普通的IP路由器。

传统IP网络通过逐跳寻径的路由协议确定流转发规则，能够满足时间延迟等方面的要求，但往往需要网络中大多数链路都处于启用状态，有违绿色节能网络理念。如某条链路上只有极少的流量，却因为最短路算法选择走这条链路而必须启用，造成能量浪费。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出一种面向混合SDN网络的节能流量调度方法，在满足流量转发需求的前提下，依据IP网络中的链路容量利用率，对链路权重进行调整，并结合SDN交换机的流量动态分配功能，实现面向混合SDN网络的节能流量调度机制。

本发明采用的技术方案是：面向混合SDN网络的节能流量调度方法，包括：

A1、初始化算法环境，包括输入网络拓扑G(N，L)，流量需求h_kt，第一链路容量利用率阈值α与第二链路容量利用率β，链路权重集合W，并给启用链路集合S赋初值S＝L；

其中，N代表网络中的节点集合，L表示网络中所有有向物理链路的集合，α>β；

A2、优化网络链路权重；具体为：

A21、根据节点间流量需求h_vt和链路权重集合W用最短路径算法求出路由；

A22、根据步骤A21所得路由，用下式求出链路l的容量利用率μ_l；

μ_l＝x_l/c_l；

其中，x_l为经过链路l的总流量，c_l为链路l的容量；

A23、将网络链路按照链路容量利用率从大到小排序，并分为三类：拥塞链路、常规链路和轻载链路；

所述拥塞链路是链路容量利用率大于或者等于α的链路；

所述轻载链路是链路容量利用率小于或者等于β的链路；

所述常规链路是链路利用率处于α和β之间的链路；

A24、对拥塞链路和轻载链路的权重按照下式进行调节；

w_l＝w_l+1/i；

其中，i的初始值为1，每循环一次增加1，循环结束后，输出更新的链路权重集合W；

A3、对网络中每一个节点t进行如下处理：

a、基于步骤A2输出的链路权重，采用OSPF算法，生成网络其它节点到t的最短路径树；

b、发现每条最短路径上第一个SDN交换机u，并计算注入u的流量I_ut；

c、根据流量分配算法，对注入SDN交换机的流量I_ut进行分配；

其中，节点t∈N；

A4、从网络中关闭容量利用率μ_l最小的链路l，关闭成功，则更新链路集合S＝S-l， 并返回步骤A2；否则，算法结束，返回S。

进一步地，所述步骤A3中的流量分配算法，包括以下分步骤：

1)、求出从u到目的节点t的k条最短路径，保存为集合P＝{p_ut}；

2)、求p_ut上每条链路l[n]的可用容量cap_l[n]，并以其中的最小值作为该路径的可用容量cap_p[j]，j表示集合P中的路径的序号；

3)、将集合P中的路径按cap_p[j]升序排序；

4)、检查总流量I_ut是否为0，是则输出流量分配方案，算法结束；否则执行步骤5)；

5)、将总流量I_ut中cap_p[j]的流量分配到第j(j初值为1)条路径P[j]上，并更新I_ut；

I_ut＝I_ut-cap_P[j]；

6)、判断集合P中第j+1条路径P[j+1]是否与P[j]有交叠的链路，交叠链路集合记为T，如果则执行步骤7)，否则回到步骤4)；

7)、更新T中链路的可用容量，并更新路径P[j+1]的可用容量，然后执行j＝j+1，返回到步骤4)。

更进一步地，所述可用容量cap_l[n]计算公式为：

cap_l[n]＝c_l[n]×β-x_l[n]；

其中，c_l[n]为链路l[n]的容量，x_l[n]为当前分配给链路l[n]的总流量。

本发明的有益效果：本发明的面向混合SDN网络的节能流量调度方法，在满足流量转发需求的前提下，依据IP网络中的链路容量利用率，对链路权重进行调整，这样当某条链路容量利用率低时，将其关闭，避免能量的浪费，同时也符合绿色节能网络理念；并结合SDN交换机的流量动态分配功能，实现面向混合SDN网络的节能流量调度机制。

附图说明

图1为ESTS算法总流程图。

图2为链路权重优化算法流程图。

图3为流量分配算法流程图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐 释。

本发明采用第一种模型思想---停用模型，结合SND技术提出一种面向混合SDN网络的节能流量调度机制。

ESTS机制设定混合SDN网络表示为G(N，L)，其中N代表网络中的节点集合，L表示网络中所有有向物理链路的集合。链路权重所构成的集合表示为W，并设定所有链路初始权重都为1。任一节点k到其他网络节点t(k,t∈N)的流量需求表示为h_kt，任意链路l(l∈L)的容量利用率表示为μ，当μ大于某个指定阈值α时，该链路剩余容量为0，即α为链路l的最大容量利用率阈值；当μ小于某个指定阈值β时，该链路由于利用率过低，可以将流量转移到其他链路，并关闭该链路以降低能耗，即β为链路l的最小容量利用率。S代表网络中处于开启状态的链路集合。在工程应用中，α与β值的确定是一个难题，通常根据经验取值，一种典型的取值是α＝0.8，β＝0.3*α。

如图1所示为本发明的方案流程图，本发明的技术方案为：面向混合SDN网络的节能流量调度方法，包括以下步骤：

A1、初始化算法环境，包括输入网络拓扑G(N，L)，流量需求h_kt，第一链路容量利用率阈值α与第二链路容量利用率β，链路权重集合W，并给启用链路集合S赋初值S＝L；

其中，N代表网络中的节点集合，L表示网络中所有有向物理链路的集合，α>β。

A2、优化网络链路权重；

A21、根据节点间流量需求h_vt和链路权重集合W用最短路径算法求出路由。

A22、根据上一步所得路由用式(1)求出各链路的容量利用率，其中x_l为经过链路l的总流量，c_l为l的容量。

μ_l＝x_l/c_l(1)

A23、将集合S中的链路按μ分为三大类：

(i)拥塞链路：μ≥α

(ii)轻载链路：μ≤β

(iii)常规链路：β<μ<α

A24、对分类后的链路采取相应的权重调节措施，拥塞链路和轻载链路的权重都被调 大，具体如式(1)，而常规链路权重保持不变，权重值越高，该链路被分配流量的概率越低。对拥塞链路提高权重，可以避免新的流量加载到这条链路；对轻载链路提高权重，可以促使轻载链路上的流量被分配到其他常规链路上，这样轻载链路负载变为0的时候，就可以关闭这条链路，节约能量消耗。本步骤完成后会返回步骤A21进行循环，网络规模越大，循环次数越多。式中i的初始值为1，每次循环增1。循环结束后，最终输出更新的链路权重集合W。

w_l＝w_l+1/i (2)

图2中的Iteration表示最大迭代次数，由于网络规模增大时，达到最优解所需的迭代次数也会增加，因此网络规模越大，循环次数越多，Iteration值可以根据需要设定，比如在实际应用中定义的值是Iteration＝10000。之所以使用迭代算法，是因为本发明需要对链路设置最优的权重，从而基于最优权重形成高效的流量分配策略。然而，从数学模型上求解出最优解的思路，已经被证明是无法实现的。因此，本发明基于最优化理论中的迭代算法，通过多次迭代来逼近最优解，通常几十到几百次迭代之后，就已经可以以非常小的误差接近最优解。

A3、对网络中每一个节点t进行如下处理：

a、基于步骤A2输出的链路权重，采用OSPF算法，生成网络其它节点到t的最短路径树；

b、发现每条最短路径上第一个SDN交换机u，并计算注入u的流量I_ut；

c、根据流量分配算法，对注入SDN交换机的流量I_ut进行分配；其中，节点t∈N；

所述流量分配算法具体包括以下分步骤：

1)、求出从u到目的节点t的k条最短路径，保存为集合P＝{p_ut}。

2)、求p_ut上每条链路l[n]的可用容量cap_l[n]，如式(3)，并以其中的最小值作为该路径的可用容量cap_p[j]；

其中，p_ut表示从u到目的节点t的k条最短路径中的某一条最短路径，j表示集合P中的路径的序号。

可用容量cap_l[n]的计算公式为：

cap_l[n]＝c_l[n]×β-x_l[n] (3)

其中，c_l[n]为l[n]的容量，x_l[n]为当前分配给链路l[n]的总流量。

3)、将P中的路径按cap_p[j]升序排序。

4)、检查I_ut是否为0，是则输流出量分配方案，算法结束；否则执行步骤5。

5)、将总流量I_ut中cap_p[j]的流量分配到第j(j初值为1)条路径P[j]上，用式(4)更新I_ut。

I_ut＝I_ut-cap_P[j] (4)

6)、判断P中第j+1条路径P[j+1]是否与P[j]有交叠的链路，交叠链路集合记为T，如果则执行步骤7)，否则回到步骤4)。

7)、使用式(3)更新T中链路的可用容量，并更新路径P[j+1]的可用容量，执行j＝j+1，也就是图3中的j++。然后回到步骤4)。

A4、从网络中关闭容量利用率最小的链路l，更新链路集合S＝S-l，(表示将该条链路从集合S中去除，下一次优化网络链路权重时，不再考虑该条链路)并返回步骤2)。否则，算法结束，返回S。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.面向混合SDN网络的节能流量调度方法，其特征在于，包括：

A1、初始化算法环境，包括输入网络拓扑G(N，L)，流量需求h_kt，第一链路容量利用率阈值α与第二链路容量利用率阈值β，链路权重集合W，并给启用链路集合S赋初值S＝L；

其中，N代表网络中的节点集合，L表示网络中所有有向物理链路的集合，α>β；

A2、优化网络链路权重；具体为：

A21、根据节点间流量需求h_vt和链路权重集合W用最短路径算法求出路由；

A22、根据步骤A21所得路由，用下式求出链路l的容量利用率μ_l；

μ_l＝x_l/c_l；

其中，x_l为经过链路l的总流量，c_l为链路l的容量；

A23、将网络链路按照链路容量利用率从大到小排序，并分为三类：拥塞链路、常规链路和轻载链路；

所述拥塞链路是链路容量利用率大于或者等于α的链路；

所述轻载链路是链路容量利用率小于或者等于β的链路；

所述常规链路是链路利用率处于α和β之间的链路；

A24、对拥塞链路和轻载链路的权重按照下式进行调节；

w_l＝w_l+1/i；

其中，i的初始值为1，每循环一次增加1，循环结束后，输出更新的链路权重集合W；

A3、对网络中每一个节点t进行如下处理：

a、基于步骤A2输出的链路权重，采用OSPF算法，生成网络其它节点到t的最短路径树；

b、发现每条最短路径上第一个SDN交换机u，并计算注入u的流量I_ut；

c、根据流量分配算法，对注入SDN交换机的流量I_ut进行分配；

其中，节点t∈N；

A4、从网络中关闭容量利用率μ_l最小的链路l，关闭成功，则更新链路集合S＝S-l，并返回步骤A2；否则，算法结束，返回S。

2.根据权利要求1所述的面向混合SDN网络的节能流量调度方法，其特征在于，所述步骤A3中的流量分配算法，包括以下分步骤：

1)、求出从u到目的节点t的k条最短路径，保存为集合P＝{p_ut}；

2)、求p_ut上每条链路l_[n]的可用容量cap_l[n]，并以其中的最小值作为该路径的可用容量cap_p[j]，j表示集合P中的路径的序号；

3)、将集合P中的路径按cap_p[j]升序排序；

4)、检查总流量I_ut是否为0，是则输出流量分配方案，算法结束；否则执行步骤5)；

5)、将总流量I_ut中cap_p[j]的流量分配到第j(j初值为1)条路径P[j]上，并更新I_ut；

I_ut＝I_ut-cap_P[j]；

6)、判断集合P中第j+1条路径P[j+1]是否与P[j]有交叠的链路，交叠链路集合记为T，如果则执行步骤7)，否则回到步骤4)；

7)、更新T中链路的可用容量，并更新路径P[j+1]的可用容量，然后执行j＝j+1，返回到步骤4)。

3.根据权利要求2所述的面向混合SDN网络的节能流量调度方法，其特征在于，所可用容量cap_l[n]计算公式为：

cap_l[n]＝c_l[n]×β-x_l[n]；

其中，c_l[n]为链路l[n]的容量，x_l[n]为当前经过链路l[n]的总流量。