CN106301963B - 基于sdn实现异构覆盖网路由优化的两种方法 - Google Patents

Abstract

基于SDN实现异构覆盖网路由优化的两种方法，一种是集中式方法，另一种是分布式方法，实现了覆盖网络之间的相互合作；主要思想是：为每一个覆盖网络设置一个SDN控制器，为所有覆盖网络设置一个数据服务器，并让覆盖网络的SDN控制器都与数据服务器相连接，从而使异构覆盖网络之间相互感知，并且理解彼此的表现目标，在这个基础上对覆盖网络的路由进行集中式或分布式指导，改善了覆盖网络之间的路由冲突，使覆盖网络通过合作来优化各自的流量安排，友好地共享底层资源，最后保证覆盖网络之间的公平性的同时提升它们的表现。

Description

基于SDN实现异构覆盖网路由优化的两种方法

技术领域

本发明涉及基于SDN实现异构覆盖网路由优化的方法问题，属于计算机网络技术领域，特别是属于覆盖网络路由领域。

背景技术

覆盖网络是一种虚拟网络，它可以在不改变现有基础网络的前提下提供新的网络功能，例如基于不同服务质量(QoS)需求的路由等。因此，覆盖网络广泛地被服务提供商应用在构造虚拟网络来提供各种新型的网络服务，例如对等网服务，流媒体传输，内容分发网络等。因此覆盖网络的性能直接影响着服务提供商的服务质量，并间接影响着服务提供商的经济收益。

随着现在互联网的飞速发展，覆盖网络也随着服务提供商的扩张越来越多地被部署在现有的基础网络上。那么在同一个基础网络上，很有可能部署着多个覆盖网络。尽管这些共存的覆盖网络是被各个服务提供商独立部署的，但是他们共享着下层的网络资源。例如他们的覆盖网节点可能部署在同一台主机或服务器上，传输数据时这些数据流也可能经过同一条物理链路。通过这些共享的网络资源，他们可能会相互影响。例如当一个覆盖网络进行大流量数据传输时，会造成用于传输的下层链路的拥塞。而这个链路的拥塞会导致使用该链路的另一覆盖网络的数据流的传输效率降低。这种相互影响使得共存覆盖网络会不断进行重路由对下层网络资源进行竞争，从而造成整个路由的不断振荡。不仅如此，这种覆盖网络间的冲突还会使每个覆盖网络的性能降低。

我们希望可以让覆盖网络进行合作来改善它们的性能。然而目前的覆盖网络合作方案具有很大的缺陷。首先，因为覆盖网络是被服务提供商独立部署的，它们之间无法相互感知。因此它们只能盲目地相互竞争。现有的解决方案是强制全部共存覆盖网络路由进行全局最优化的处理。这种全局最优化的解决方案需要全部共存覆盖网络的支持。但是该方案会牺牲部分覆盖网络的性能来对网络整体性能进行提升。显然，这些被牺牲的覆盖网络是不愿意参与到这个方案中来的。这使得这种全局最优化的解决方案变得不可行。我们需要提供一种可以使全部覆盖网络收益的解决方案。

其次，一般的合作方案只能用于相同类型的覆盖网络，并不适用于异构覆盖网络。为了使异构覆盖网络可以相互进行合作，有几个问题需要得到解决。不同于同构覆盖网络，异构覆盖网络的性能目标不一样。一个覆盖网络是无法理解一个不同的覆盖网络的性能目标的。如果覆盖网络相互误解了彼此的性能目标，它们的合作结果也会与我们的期望相违。例如，一个时延敏感的覆盖网络无法处理带宽敏感覆盖网络的路由问题。如果这两个覆盖网络相互进行合作，那么时延敏感的覆盖网络可能会试图减少带宽敏感流的时延，而带宽敏感的覆盖网络可能会试图增加时延敏感流的带宽。

因此，如何让异构覆盖网络相互了解各自的性能(performance)目标，以及如何让异构覆盖网络进行双赢的合作，是目前计算机网络工程领域一个亟待解决的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是发明实现覆盖网络之间相互合作的方法，能够使异构覆盖网络之间相互感知，并且理解彼此的性能目标，在这个基础上对覆盖网络的路由进行指导，使覆盖网络能够恰当地安排它们的流量，友好地共享底层资源，最后保证覆盖网络之间的公平性的同时提升它们的性能。

为了达到上述目的，本发明提出了基于SDN实现异构覆盖网路由优化的集中式方法，所述方法包括下列操作步骤：

(11)为每一个覆盖网络设置一个SDN控制器，为所有覆盖网络设置一个数据服务器，所述的覆盖网络的SDN控制器都与所述的数据服务器相连接；

(12)每个覆盖网络设定自己的基准性能参考值

(13)覆盖网络节点对底层网络进行探测，获取到当前的网络状态，然后覆盖网络将探测到的网络状态信息经过所述的SDN控制器的汇总，上传给所述的数据服务器；

(14)当覆盖网络中产生服务请求的时候，该覆盖网络的请求节点会向SDN控制器汇报并请求路由策略；SDN控制器汇总覆盖网络中的服务请求后，计算出覆盖网络的性能函数并上传给数据服务器；

(15)所述的数据服务器将所收到的覆盖网络的性能函数进行汇总后，计算出最优全局路由策略；然后数据服务器将计算出的最优全局路由策略进行切分并发送给对应的覆盖网络的SDN控制器；所述的切分是指把全局路由策略根据覆盖网络的对应关系把对应部分分割出来；

(16)所述的SDN控制器从数据服务器接收到路由策略后，将其部署到覆盖网络中，然后由覆盖网络节点根据该路由策略将流量部署到底层网络中；

(17)重复步骤(13)～(16)，直至覆盖网络的路由策略数个周期没有变化。

步骤(14)的具体内容包括如下操作子步骤：

(1401)每个覆盖网络统计其可用虚拟路径，得到该覆盖网络可用的虚拟路径集合R^(s)

R^(s)＝{r₁，r₂，...，r_i，...，r_n}

这里r_i代表着该覆盖网络的第i条虚拟路径，n是该覆盖网络的虚拟路径的总数；

(1402)每个覆盖网络根据自己的虚拟路径，统计这些虚拟路径所对应的底层链路，得到所述的覆盖网络虚拟路径集合R^(s)和底层链路之间的对应关系矩阵A^(s)：

这里，l，r分别是底层物理链路和该覆盖网络虚拟路径的编号，L是所有物理链路的总集合。L＝{link₁，link₂，...，link_l，...}，这里link_l代表第l条物理链路。当a_rl＝1时，表示底层物理链路l是虚拟路径r的一部分，当a_rl＝0时，表示底层物理链路l与虚拟路径r无关；

(1403)覆盖网络探测并收集虚拟路径上的底层流量分布信息，得到与其虚拟路径集合R^(s)相对应的底层流量分布向量U^(-s)，也就是虚拟路径上的背景流量：

这里是覆盖网络s探测到的底层物理链路l上承载的背景流量，而l是底层物理链路的编号；

(1404)每个覆盖网络统计自己的服务请求得到覆盖网络流集合F^(s)：

F^(s)＝{f₁，f₂，...，f_k}

该集合中，每一个元素表示：对应于一个服务请求，覆盖网络需要提供的一条覆盖网络流；所述的覆盖网络流包含起始节点、目的节点、带宽和时延；

(1405)每个覆盖网络根据所述的覆盖网络流的起始节点和目的节点统计其可用的虚拟路径，并得到覆盖网络流集合F^(s)与虚拟路径集合R^(s)的对应关系矩阵B^(s)：

这里，f，r分别是覆盖网络流和覆盖网络虚拟路径的编号，当b_fr＝1时，表示覆盖网络流f可以通过虚拟路径r传输数据，当b_fr＝0时，表示虚拟路径r对于覆盖网络流f不可用；

(1406)每个覆盖网络根据各自的QoS性能需求来定义自己的虚拟路径性能函数，该函数是与底层网络流量部署情况相关的函数，表示覆盖网络性能与底层网络中具体流量分布的关系；

虚拟路径性能函数的定义根据覆盖网络的种类和QoS性能需求而有所不同，对于时延敏感的覆盖网络，虚拟路径性能函数是一条覆盖网络虚拟路径的时延函数，该函数定义如下：

这里r代表着一条虚拟路径，而l代表着这条虚拟路径上的一条物理链路。delay_l(u_l)是物理链路的时延函数，代表物理链路l的时延与它所实际承载的流量u_l的关系。U＝(u₁，u₂，...，u_|L|)^T则为底层链路负载向量，代表着底层链路实际负载的总体情况。

(1407)每个覆盖网络根据下式计算得到各自的覆盖网络性能函数：

pref^(s)(v^(s))＝(v^(s)E^(s))^T[θ(A^(s)(v^(s)E^(s))+U^(-s))]

上式中的v^(s)为覆盖网络s的路由策略矩阵，其定义如下：

这里v_fr代表覆盖网络流f分配到虚拟路径r上的流量。并且当且仅当b_fr＝1时，v_fr≥0，即该虚拟路径r可为覆盖网络流f所用时，覆盖网络流f才可对其分配流量。E^(s)则是一个辅助矩阵，其定义为一个1×|F^(s)|的全一矩阵，即[1，1，...，1]^T，用于对每列元素的求和。v^(s)E^(s)的意义是计算覆盖网络s分配到每条虚拟路径上的向量。

步骤(15)中所述的数据服务器计算出最优全局路由策略是指：按照下式计算出全局路由策略矩阵v的最优值V：

在该公式中，是覆盖网络s的基准性能值；pref^(s)(v^(s))则是所述步骤(1407)中定义的覆盖网络性能函数；v＝(v⁽¹⁾，v⁽²⁾，...，v^(s)，...)^T是全局路由策略矩阵，表示把所有覆盖网络的路由策略矩阵进行汇总；是覆盖网络s的权值。

为了达到本发明的目的，本发明还提出了基于SDN实现异构覆盖网路由优化的分布式方法，所述方法包括下列操作步骤：

(21)为每一个覆盖网络设置一个SDN控制器，为所有覆盖网络设置一个数据服务器，所述的覆盖网络的SDN控制器都与所述的数据服务器相连接；

(22)每个覆盖网络设定自己的基准性能参考值

(23)每个覆盖网络探测网络状态，并由SDN控制器统计该覆盖网络的需求；

(24)每个覆盖网络的SDN控制器将自己上个周期的路由策略汇报到数据服务器上；

(25)数据服务器将收集到的覆盖网络路由策略进行汇总，得到上个周期的覆盖网络全局路由策略，并将汇总后的覆盖网络全局路由策略发送给各个覆盖网络的SDN控制器；

(26)覆盖网络的SDN控制器根据收到的上个周期的覆盖网络全局路由策略和本周期在步骤(23)中所探测到的底层网络流量分布情况，对覆盖网络的网络参数进行更新；

(27)根据更新后的网络参数，每个覆盖网络的SDN控制器计算其自己覆盖网络的最优路由策略；

(28)每个覆盖网络的SDN控制器根据自己计算的最优路由策略来对覆盖网络的路由进行控制；

(29)重复步骤(23)～(28)，直至覆盖网络的最优路由策略数个周期没有变化。

步骤(23)的具体内容包括如下操作子步骤：

(2301)每个覆盖网络统计其可用虚拟路径，得到覆盖网络可用的虚拟路径集合R^(s)；所述虚拟路径集合R^(s)的定义与前述步骤(1401)中的定义完全一致；

(2302)每个覆盖网络根据自己的虚拟路径，统计这些路径所对应的底层链路，得到覆盖网络路径集合R^(s)和底层链路之间的对应关系矩阵A^(s)；所述A^(s)的定义与前述步骤(1402)中的定义完全一致；

(2303)覆盖网络探测并收集虚拟路径上的底层流量分配信息，得到与虚拟路径集合R^(s)相对应的底层流量分配矩阵U^(-s)，也就是虚拟路径上的背景流量；所述U^(-s)的定义与前述步骤(1403)中的定义完全一致；

(2304)每个覆盖网络统计自己的服务请求得到覆盖网络流集合F^(s)；所述F^(s)的定义与前述步骤(1404)中的定义完全一致；

(2305)每个覆盖网络根据覆盖网络流的起始节点和目的节点统计其可用的虚拟路径，并得到覆盖网络流集合F^(s)与虚拟路径集合R^(s)的对应关系矩阵B^(s)；所述B^(s)的定义与前述步骤(1405)中的定义完全一致；

(2306)每个覆盖网络根据各自的QoS性能需求来定义自己的虚拟路径性能函数θ_r(U)，该函数是与底层网络流量部署情况相，所述θ_r(U)的定义与前述步骤(1406)中的定义完全一致；

步骤(24)中所述的每个覆盖网络的路由策略用前述步骤(1407)所定义的路由策略矩阵v^(s)来表示；步骤(25)中所述的全局覆盖网络路由策略用前述步骤(1407)所定义的全局路由策略矩阵v来表示。

步骤(26)中所述的需要更新的网络参数是如下参数：

覆盖网络探测的底层流量与其他覆盖网络实际路由策略的分歧参数：

α(t+1)＝α(t)-λ(U^(-s)-A^(-s)(v^(-s)E^(-s)))

覆盖网络的路由策略与其他覆盖网络实际探测的分歧参数：

β(t+1)＝β(t)-λ(U^(s)-A^(s)(v^(s)E^(s)))

覆盖网络流量对物理网络造成的负载参数：

γ(t+1)＝γ(t)-λ(c-A^(s)(v^(s)E^(s))-U^(-s))

上述3个公式中：λ为收敛系数，影响着覆盖网络合作的收敛速度和准确度；λ的值可以根据实际情况进行调整，而α，β和γ的初始值一般为0；α(t)，β(t)和γ(t)分别为参数在周期t时的值，而α(t+1)，β(t+1)和γ(t+1)分别为三个参数在下个周期，即周期t+1时的值。

A^(s)是在前述步骤(1402)中定义的覆盖网络s的路径集合和底层链路之间的对应关系矩阵，A^(-s)＝(A⁽¹⁾，...，A^(s-1)，A^(s+1)，...，A^(|S|))为除覆盖网络s以外所有覆盖网络的路径集合和底层链路之间的对应关系的向量，其中的元素为每个覆盖网络的路径集合和底层链路之间的对应关系矩阵，S＝{1，2，...s，...}是覆盖网络编号的集合。

U^(-s)是在前述步骤(1403)中定义的覆盖网络s探测到的底层流量分布矩阵，U^(s)是覆盖网络s实际分配到底层的流量向量，其定义如下：

这里是覆盖网络s实际分配到底层物理链路l上的流量，而l是底层物理链路的编号。

v^(s)是覆盖网络s的路由策略矩阵，定义与前述步骤(1407)中的定义完全一致；

v^(-s)是除了覆盖网络s以外的所有覆盖网络的路由策略的向量，其定义为：

v^(-s)＝(v⁽¹⁾，...，v^(s-1)，v^(s+1)，...，v^(|s|))^T

E^(-s)是一个辅助矩阵，其定义为一个(|S|-1)×(|S|-1)的对角矩阵，其对角线上的元素为(E⁽¹⁾，...，E^(s-1)，E^(s+1)，...，E^(|S|))，其形式如下：

其中，E⁽ⁱ⁾是一个1×|F⁽ⁱ⁾|的全一矩阵，而F⁽ⁱ⁾为前述步骤(1404)中定义的覆盖网络i的覆盖网络流的集合。

这里(v^(-s)E^(-s))的意义为计算除覆盖网络s以外的所有覆盖网络分配到它们的虚拟路径上的流量，而A^(-s)(v^(-s)E^(-s))的意义是计算这些流量分配到底层链路上的情况。

c＝(c₁，c₂，...，c_l，...，c_|L|)^T，是物理链路承载能力的集合。这里c_l代表着编号为l的物理链路的承载能力。

步骤(27)的具体内容是：覆盖网络的SDN控制器通过如下公式计算得到覆盖网络的最优路由策略矩阵V^(s)，作为其最优路由策略：

其中为覆盖网络s的权值。

本发明的有益效果在于：通过引入SDN的概念来构建覆盖网络，本发明将覆盖网络路由的数据平面和控制平面相分离，大大降低了异构覆盖网络合作的难度。在此基础上，通过构建异构覆盖网络合作架构，本发明解决了异构覆盖网络之间的相互感知问题，为异构覆盖网络的合作提供了基础。本发明提出的实现覆盖网络合作路由的两种方法考虑了异构覆盖网络不同的需求，改善了覆盖网络之间的路由冲突，使覆盖网络通过合作来优化各自的流量安排，最终基于异构覆盖网络各自的需求提高了它们的性能。

附图说明

图1是本发明提出的基于SDN实现异构覆盖网路由优化的集中式方法的流程图。

图2是本发明的实施例中异构覆盖网络的合作架构示意图。

图3是本发明的实施例中覆盖网络的网络示意图。

图4是本发明提出的基于SDN实现异构覆盖网路由优化的分布式方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍本发明提出的提出了基于SDN实现异构覆盖网路由优化的集中式方法，所述方法包括下列操作步骤：

(11)参见图2，为每一个覆盖网络设置一个SDN控制器，为所有覆盖网络设置一个数据服务器，所述的覆盖网络的SDN控制器都与所述的数据服务器相连接；

在图2中，有3个覆盖网络，编号为1到3，每个覆盖网络都设置了一个SDN控制器，为整个覆盖网络设置一个数据服务器；

(12)每个覆盖网络设定自己的基准性能参考值

例如覆盖网络在不进行合作时获得的收益为那么覆盖网络可以将基准性能参考值设为使合作后获得的收益不低于不合作时的收益。这样的设定是比较恰当的。

参见图3，例如，在不进行合作时，时延敏感的覆盖网络1的覆盖网络流加权时延为500ms。因为时延敏感的覆盖网络的性能和它的覆盖网络流加权时延负相关，那么覆盖网络1此时的性能可以设为那么覆盖网络1的基准性能参考值可以设为

(13)覆盖网络节点对底层网络进行探测，获取到当前的网络状态，然后覆盖网络将探测到的网络状态信息经过所述的SDN控制器的汇总，上传给所述的数据服务器；

(14)当覆盖网络中产生服务请求的时候，该覆盖网络的请求节点会向SDN控制器汇报并请求路由策略；SDN控制器汇总覆盖网络中的服务请求后，计算出覆盖网络的性能函数并上传给数据服务器；

(15)所述的数据服务器将所收到的覆盖网络的性能函数进行汇总后，计算出最优全局路由策略；然后数据服务器将计算出的最优全局路由策略进行切分并发送给对应的覆盖网络的SDN控制器；所述的切分是指把全局路由策略根据覆盖网络的对应关系把对应部分分割出来；

(16)所述的SDN控制器从数据服务器接收到路由策略后，将其部署到覆盖网络中，然后由覆盖网络节点根据该路由策略将流量部署到底层网络中；

(17)重复步骤(13)～(16)，直至覆盖网络的路由策略数个周期没有变化。

步骤(14)的具体内容包括如下操作子步骤：

(1401)每个覆盖网络统计其可用虚拟路径，得到该覆盖网络可用的虚拟路径集合R^(s)

R^(s)＝{r₁，r₂，...，r_i，…，r_n}

这里r_i代表着该覆盖网络的第i条虚拟路径，n是该覆盖网络的虚拟路径的总数；

参见图3，一般来说覆盖网络具有数个虚拟节点，这些节点间由虚拟链路相连接，而虚拟路径则由这些链路组成。在图3中，虚拟节点A、B和C组成覆盖网络1，虚拟节点D、E和F组成覆盖网络2。以覆盖网络1为例，节点A点到节点C有两条虚拟路径可以选择，即A-C和A-B-C。那么我们记r₁＝A-C；r₂＝A-B-C。同理可得r₃＝A-B；r₄＝A-C-B；r₅＝B-C；r₆＝B-A-C。那么对于覆盖网络1,R⁽¹⁾＝{r₁，r₂，r₃，r₄，r₅，r₆，}。对于覆盖网络2，R⁽²⁾＝{r₁，r₂，r₃，r₄，r₅，r₆，}。这里，r₁＝D-F；r₂＝D-E-F；r₃＝D-E；r₄＝D-F-E；r₅＝E-F；r₆＝E-D-F。

(1402)每个覆盖网络根据自己的虚拟路径，统计这些虚拟路径所对应的底层链路，得到所述的覆盖网络虚拟路径集合R^(s)和底层链路之间的对应关系矩阵A^(s)：

这里，l，r分别是底层物理链路和该覆盖网络虚拟路径的编号，L是所有物理链路的总集合。L＝{link₁，link₂，...，link_l，...}，这里link_l代表第l条物理链路。当a_rl＝1时，表示底层物理链路l是虚拟路径r的一部分，当a_rl＝0时，表示底层物理链路l与虚拟路径r无关；

以图3为例，L＝{a-b，a-d，b-c，c-d}；R^(s)与(1401)中一致；那么

(1403)覆盖网络探测并收集虚拟路径上的底层流量分布信息，得到与其虚拟路径集合R^(s)相对应的底层流量分布向量U^(-s)，也就是虚拟路径上的背景流量：

这里是覆盖网络s探测到的底层物理链路l上承载的背景流量，而l是底层物理链路的编号；

以图3为例，假设覆盖网络1探测到底层物理链路的承载的流量分别为：a-b上1Mbps，a-d上1Mbps，b-c上2Mbps，c-d上1Mbps，那么U^(-1)＝(1，1，2，1)^T

(1404)每个覆盖网络统计自己的服务请求得到覆盖网络流集合F^(s)：

F^(s)＝{f₁，f₂，...，f_k}

该集合中，每一个元素表示：对应于一个服务请求，覆盖网络需要提供的一条覆盖网络流；所述的覆盖网络流包含起始节点、目的节点、带宽和时延；以第i条覆盖网络流为例，它的需求信息是从节点A到节点B并满足带宽不低于1Mb，那么，这些信息记为 又例如第j条覆盖网络流的需求信息是从节点C到节点D并满足总时延不高于500ms；那么，这些信息记为

以图3为例，覆盖网络1有两个流量需求，那么F⁽¹⁾＝{f₁，f₂}， 覆盖网络2有一个流量需求，F⁽²⁾＝{f₁}，

(1405)每个覆盖网络根据所述的覆盖网络流的起始节点和目的节点统计其可用的虚拟路径，并得到覆盖网络流集合F^(s)与虚拟路径集合R^(s)的对应关系矩阵B^(s):

这里，f，r分别是覆盖网络流和覆盖网络虚拟路径的编号，当b_fr＝1时，表示覆盖网络流f可以通过虚拟路径r传输数据，当b_fr＝0时，表示虚拟路径r对于覆盖网络流f不可用；以图3为例，

(1406)每个覆盖网络根据各自的QoS性能需求来定义自己的虚拟路径性能函数，该函数是与底层网络流量部署情况相关的函数，表示覆盖网络性能与底层网络中具体流量分布的关系；

虚拟路径性能函数的定义根据覆盖网络的种类和QoS性能需求而有所不同，对于时延敏感的覆盖网络，虚拟路径性能函数是一条覆盖网络虚拟路径的时延函数，该函数定义如下：

这里r代表着一条虚拟路径，而l代表着这条虚拟路径上的一条物理链路。delay_l(u_l)是物理链路的时延函数，代表物理链路l的时延与它所实际承载的流量u_l的关系。U＝(u₁，u₂，...，u_|L|)^T则为底层链路负载向量，代表着底层链路实际负载的总体情况。

以步骤(1401)中R⁽¹⁾中的r₂为例，r₂由link₁和link₃组成，所以θ₂(U)＝-1*[delay₁(u₁)+delay₃(u₃)]

(1407)每个覆盖网络根据下式计算得到各自的覆盖网络性能函数：

p_ref ^(s)(v^(s))＝(v^(s)E^(s))^T[θ(A^(s)(v^(s)E^(s))+U^(-s))]

上式中的v^(s)为覆盖网络s的路由策略矩阵，其定义如下：

以图3为例，覆盖网络1的覆盖网络流f₁向虚拟路径A-C分配0.5Mbps的流量，向虚拟路径A-B-C分配1.5Mbps的流量，覆盖网络流f₂向虚拟路径B-C分配1Mbps的流量；覆盖网络2的覆盖网络流f₁向虚拟路径D-F分配2Mbps的流量，向虚拟路径D-E-F分配1Mbps的流量。那么：

这里v_fr代表覆盖网络流f分配到虚拟路径r上的流量。并且当且仅当b_fr＝1时，v_fr≥0，即该虚拟路径r可为覆盖网络流f所用时，覆盖网络流f才可对其分配流量。E^(s)则是一个辅助矩阵，其定义为一个1×|F^(s)|的全一矩阵，即(1，1，...，1)^T，用于对每列元素的求和。v^(s)E^(s)的意义是计算覆盖网络s分配到每条虚拟路径上的向量。

以图3中覆盖网络1为例，

这里U＝(2.5，1.5，4.5，1.5)^T

步骤(15)中所述的数据服务器计算出最优全局路由策略是指：按照下式计算出全局路由策略矩阵v的最优值V：

在该公式中，是覆盖网络s的基准性能值；pref^(s)(v^(s))则是所述步骤(1407)中定义的覆盖网络性能函数；v＝(v⁽¹⁾，v⁽²⁾，...，v^(s)，...)^T是全局路由策略矩阵，表示把所有覆盖网络的路由策略矩阵进行汇总；是覆盖网络s的权值。在服务器对最优全局路由策略进行切分时，会将对应的路由策略发给覆盖网络。例如，假设最优全局路由策略为：

那么服务器会进行切分，将发给覆盖网络1，将发给覆盖网络2。

参见图4，为了达到本发明的目的，本发明还提出了基于SDN实现异构覆盖网路由优化的分布式方法，所述方法包括下列操作步骤：

(21)参见图2，为每一个覆盖网络设置一个SDN控制器，为所有覆盖网络设置一个数据服务器，所述的覆盖网络的SDN控制器都与所述的数据服务器相连接；

(22)每个覆盖网络设定自己的基准性能参考值

例如覆盖网络在不进行合作时获得的收益为那么覆盖网络可以将基准性能参考值设为使合作后获得的收益不低于不合作时的收益。这样的设定是比较恰当的。

(23)每个覆盖网络探测网络状态，并由SDN控制器统计该覆盖网络的需求；

(24)每个覆盖网络的SDN控制器将自己上个周期的路由策略汇报到数据服务器上；

(25)数据服务器将收集到的覆盖网络路由策略进行汇总，得到上个周期的覆盖网络全局路由策略，并将汇总后的覆盖网络全局路由策略发送给各个覆盖网络的SDN控制器；

(26)覆盖网络的SDN控制器根据收到的上个周期的覆盖网络全局路由策略和本周期在步骤(23)中所探测到的底层网络流量分布情况，对覆盖网络的网络参数进行更新；

(27)根据更新后的网络参数，每个覆盖网络的SDN控制器计算其自己覆盖网络的最优路由策略；

(28)每个覆盖网络的SDN控制器根据自己计算的最优路由策略来对覆盖网络的路由进行控制；

(29)重复步骤(23)～(28)，直至覆盖网络的最优路由策略数个周期没有变化。

步骤(23)的具体内容包括如下操作子步骤：

(2301)每个覆盖网络统计其可用虚拟路径，得到覆盖网络可用的虚拟路径集合R^(s)；所述虚拟路径集合R^(s)的定义与前述步骤(1401)中的定义完全一致；

(2302)每个覆盖网络根据自己的虚拟路径，统计这些路径所对应的底层链路，得到覆盖网络路径集合R^(s)和底层链路之间的对应关系矩阵A^(s)；所述A^(s)的定义与前述步骤(1402)中的定义完全一致；

(2303)覆盖网络探测并收集虚拟路径上的底层流量分配信息，得到与虚拟路径集合R^(s)相对应的底层流量分配矩阵U^(-s)，也就是虚拟路径上的背景流量；所述U^(-s)的定义与前述步骤(1403)中的定义完全一致；

(2304)每个覆盖网络统计自己的服务请求得到覆盖网络流集合F^(s)；所述F^(s)的定义与前述步骤(1404)中的定义完全一致；

(2305)每个覆盖网络根据覆盖网络流的起始节点和目的节点统计其可用的虚拟路径，并得到覆盖网络流集合F^(s)与虚拟路径集合R^(s)的对应关系矩阵B^(s)；所述B^(s)的定义与前述步骤(1405)中的定义完全一致；

(2306)每个覆盖网络根据各自的QoS性能需求来定义自己的虚拟路径性能函数θ_r(U)，该函数是与底层网络流量部署情况相，所述θ_r(U)的定义与前述步骤(1406)中的定义完全一致；

步骤(24)中所述的每个覆盖网络的路由策略用前述步骤(1407)所定义的路由策略矩阵v^(s)来表示；步骤(25)中所述的全局覆盖网络路由策略用前述步骤(1407)所定义的全局路由策略矩阵v来表示。

步骤(26)中所述的需要更新的网络参数是如下参数：

覆盖网络探测的底层流量与其他覆盖网络实际路由策略的分歧参数：

α(t+1)＝α(t)-λ(U^(-s)-A^(-s)(v^(-s)E^(-s)))

覆盖网络的路由策略与其他覆盖网络实际探测的分歧参数：

β(t+1)＝β(t)-λ(U^(s)-A^(s)(v^(s)E^(s)))

覆盖网络流量对物理网络造成的负载参数：

γ(t+1)＝γ(t)-λ(c-A^(s)(v^(s)E^(s))-U^(-s))

上述3个公式中：λ为收敛系数，影响着覆盖网络合作的收敛速度和准确度；λ的值可以根据实际情况进行调整，通过实验，我们发现λ的取值一般在0～1之间比较合适，λ越大，收敛速度越快，λ越小，收敛准确度越高。因此，实际中我们可以先在第一个周期令λ＝1，在这之后，每个周期逐渐减小λ的取值。例如，令λ_t＝0.8*λ_t-1。这里λ_t为周期t时λ的取值，λ_t-1为上个周期的λ的取值。

而α，β和γ的初始值一般为0；α(t)，β(t)和γ(t)分别为参数在周期t时的值，而α(t+1)，β(t+1)和γ(t+1)分别为三个参数在下个周期，即周期t+1时的值。

A^(s)是在前述步骤(1402)中定义的覆盖网络s的路径集合和底层链路之间的对应关系矩阵，A^(-s)＝(A⁽¹⁾，...，A^(s-1)，A^(s+1)，...，A^(|S|))为除覆盖网络s以外所有覆盖网络的路径集合和底层链路之间的对应关系的向量，其中的元素为每个覆盖网络的路径集合和底层链路之间的对应关系矩阵，S＝{1，2，...s，...}是覆盖网络编号的集合。

以图3为例，A^(-1)＝(A⁽²⁾)，A^(-2)＝(A⁽¹⁾)。

U^(-s)是在前述步骤(1403)中定义的覆盖网络s探测到的底层流量分布矩阵，U^(s)是覆盖网络s实际分配到底层的流量向量，其定义如下：

以步骤(1407)中的覆盖网络路由策略为例，U⁽¹⁾＝(1.5，0.5，2.5，0.5)^T,U⁽²⁾＝(1，1，2，1)^T。

这里是覆盖网络s实际分配到底层物理链路l上的流量，而l是底层物理链路的编号。

v^(s)是覆盖网络s的路由策略矩阵，定义与前述步骤(1407)中的定义完全一致；

v^(-s)是除了覆盖网络s以外的所有覆盖网络的路由策略的向量，其定义为：

v^(-s)＝(v⁽¹⁾，...，v^(s-1)，v^(s+1)，...，v^(|S|))^T

以步骤(1407)中的覆盖网络路由策略为例，v^(-1)＝(v⁽²⁾)，v^(-2)＝(v⁽¹⁾)。E^(-s)是一个辅助矩阵，其定义为一个(|S|-1)×(|S|-1)的对角矩阵，其对角线上的元素为(E⁽¹⁾，...，E^(s-1)，E^(s+1)，...，E^(|S|))，其形式如下：

以图3为例，E^(-1)＝[E⁽²⁾]＝[1],

其中，E⁽ⁱ⁾是一个1×|F⁽ⁱ⁾|的全一矩阵，而F⁽ⁱ⁾为前述步骤(1404)中定义的覆盖网络i的覆盖网络流的集合。

这里(v^(-s)E^(-s))的意义为计算除覆盖网络s以外的所有覆盖网络分配到它们的虚拟路径上的流量，而A^(-s)(v^(-s)E^(-s))的意义是计算这些流量分配到底层链路上的情况。

c＝(c₁，c₂，...，c_l，...，c_|L|)^T，是物理链路承载能力的集合。这里c_l代表着编号为l的物理链路的承载能力。

以图3为例，c＝(3，4，5，3)^T。

步骤(27)的具体内容是：覆盖网络的SDN控制器通过如下公式计算得到覆盖网络的最优路由策略矩阵V^(s)，作为其最优路由策略：

其中为覆盖网络s的权值。

发明人对本发明所提出的方法进行了大量仿真实验。在仿真实验中，我们使用通用的拓扑生成器GT-ITM软件构建了数个不同的底层网络环境。我们在构建的底层网络环境中，网络节点的数量为20～100个不等，每两个物理节点之间具有链路相连的概率在20％～100％之间变化，链路的带宽则在10～20Mbps之间变化。同时，我们也在生成的底层网络上随机构建了数量不等，规模不同，种类不同的覆盖网络。根据底层网络的的规模，覆盖网络的数量在3～10个之间；覆盖网络的规模也在5～20个节点间变化。构建的覆盖网络主要可以分为3类：时延敏感的覆盖网络(代表了提供视频流等服务的覆盖网络)，吞吐量敏感的覆盖网络(代表了提供文件传输服务等服务的覆盖网络)以及丢包率敏感的覆盖网络(代表了提供实时通信服务等服务的覆盖网络)。覆盖网络的服务需求也是根据覆盖网络的种类随机生成的。每个节点对产生服务需求的概率为30％，而占用带宽则在0.5～3Mbps之间变化。

在每次仿真实验中，我们让覆盖网络进行n*50(n为共存覆盖网络数量)个周期的迭代，并以10次仿真结果的平均值作为最后的仿真实验结果。实验结果证明本发明的方法是有效的。在不同种类覆盖网络共存的情况下，本发明可以根据不同种类覆盖网络的需求改善其性能，降低了覆盖网络的时延和丢包率，提高了覆盖网络的吞吐量。而且，在覆盖网络数量增加，网络环境变得复杂的情况时，改进的覆盖网络合作路由方案用相对较少的运算代价依然有效地改善了覆盖网络的性能。同时，本发明也有效地减少了由覆盖网络资源竞争造成的底层网络拥塞，改善了底层网络的网络环境。实验表明本发明提出的这两种方法都是非常有效的。

Claims (3)

1.基于SDN实现异构覆盖网路由优化的集中式方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

(11)为每一个覆盖网络设置一个SDN控制器，为所有覆盖网络设置一个数据服务器，所述的覆盖网络的SDN控制器都与所述的数据服务器相连接；

(12)每个覆盖网络设定自己的基准性能参考值

(13)覆盖网络节点对底层网络进行探测，获取到当前的网络状态，然后覆盖网络将探测到的网络状态信息经过所述的SDN控制器的汇总，上传给所述的数据服务器；

(14)当覆盖网络中产生服务请求的时候，该覆盖网络的请求节点会向SDN控制器汇报并请求路由策略；SDN控制器汇总覆盖网络中的服务请求后，计算出覆盖网络的性能函数并上传给数据服务器；步骤(14)的具体内容包括如下操作子步骤：

(1401)每个覆盖网络统计其可用虚拟路径，得到该覆盖网络可用的虚拟路径集合R^(s)

R^(s)＝{r₁，r₂，...，r_i，...，r_n}

这里r_i代表着该覆盖网络的第i条虚拟路径，n是该覆盖网络的虚拟路径的总数；

(1402)每个覆盖网络根据自己的虚拟路径，统计这些虚拟路径所对应的底层链路，得到所述的覆盖网络虚拟路径集合R^(s)和底层链路之间的对应关系矩阵A^(s)：

这里，l，r分别是底层物理链路和该覆盖网络虚拟路径的编号，L是所有物理链路的总集合；L＝{link₁，link₂，...，link_l，...}，这里link_l代表第l条物理链路；当a_rl＝1时，表示底层物理链路l是虚拟路径r的一部分，当a_rl＝0时，表示底层物理链路l与虚拟路径r无关；

(1403)覆盖网络探测并收集虚拟路径上的底层流量分布信息，得到与其虚拟路径集合R^(s)相对应的底层流量分布向量U^(-s)，也就是虚拟路径上的背景流量：

这里是覆盖网络s探测到的底层物理链路l上承载的背景流量，而l是底层物理链路的编号；

(1404)每个覆盖网络统计自己的服务请求得到覆盖网络流集合F^(s)：

F^(s)＝{f₁，f₂，...，f_k}

该集合中，每一个元素表示：对应于一个服务请求，覆盖网络需要提供的一条覆盖网络流；所述的覆盖网络流包含起始节点、目的节点、带宽和时延；

(1405)每个覆盖网络根据所述的覆盖网络流的起始节点和目的节点统计其可用的虚拟路径，并得到覆盖网络流集合F^(s)与虚拟路径集合R^(s)的对应关系矩阵B^(s):

这里，f，r分别是覆盖网络流和覆盖网络虚拟路径的编号，当b_fr＝1时，表示覆盖网络流f可以通过虚拟路径r传输数据，当b_fr＝0时，表示虚拟路径r对于覆盖网络流f不可用；

(1406)每个覆盖网络根据各自的QoS性能需求来定义自己的虚拟路径性能函数，该函数是与底层网络流量部署情况相关的函数，表示覆盖网络性能与底层网络中具体流量分布的关系；

虚拟路径性能函数的定义根据覆盖网络的种类和QoS性能需求而有所不同，对于时延敏感的覆盖网络，虚拟路径性能函数是一条覆盖网络虚拟路径的时延函数，该函数定义如下：

这里r代表着一条虚拟路径，而l代表着这条虚拟路径上的一条物理链路；delay_l(u_l)是物理链路的时延函数，代表物理链路l的时延与它所实际承载的流量u_l的关系；U＝(u₁，u₂，...，u_|L|)^T则为底层链路负载向量，代表着底层链路实际负载的总体情况；

(1407)每个覆盖网络根据下式计算得到各自的覆盖网络性能函数：

pref^(s)(v^(s))＝(v^(s)E^(s))^T[θ(A^(s)(v^(s)E^(s))+U^(-s))]

上式中的v^(s)为覆盖网络s的路由策略矩阵，其定义如下：

这里v_fr代表覆盖网络流f分配到虚拟路径r上的流量；并且当且仅当b_fr＝1时，v_fr≥0，即该虚拟路径r可为覆盖网络流f所用时，覆盖网络流f才可对其分配流量；E^(s)则是一个辅助矩阵，其定义为一个1×|F^(s)|的全一矩阵，即[1，1，...，1]^T，用于对每列元素的求和；v^(s)E^(s)的意义是计算覆盖网络s分配到每条虚拟路径上的向量；

(15)所述的数据服务器将所收到的覆盖网络的性能函数进行汇总后，计算出最优全局路由策略；然后数据服务器将计算出的最优全局路由策略进行切分并发送给对应的覆盖网络的SDN控制器；所述的切分是指把全局路由策略根据覆盖网络的对应关系把对应部分分割出来；

(16)所述的SDN控制器从数据服务器接收到路由策略后，将其部署到覆盖网络中，然后由覆盖网络节点根据该路由策略将流量部署到底层网络中；

(17)重复步骤(13)～(16)，直至覆盖网络的路由策略数个周期没有变化。

2.根据权利要求1所述的基于SDN实现异构覆盖网路由优化的集中式方法，其特征在于：步骤(15)中所述的数据服务器计算出最优全局路由策略是指：按照下式计算出全局路由策略矩阵v的最优值V：

在该公式中，是覆盖网络s的基准性能值；pref^(s)(v^(s))则是所述步骤(1407)中定义的覆盖网络性能函数；v＝(v⁽¹⁾，v⁽²⁾，...，v^(s)，...)^T是全局路由策略矩阵，表示把所有覆盖网络的路由策略矩阵进行汇总；是覆盖网络s的权值。

3.基于SDN实现异构覆盖网路由优化的分布式方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：

(21)为每一个覆盖网络设置一个SDN控制器，为所有覆盖网络设置一个数据服务器，所述的覆盖网络的SDN控制器都与所述的数据服务器相连接；

(22)每个覆盖网络设定自己的基准性能参考值

(23)每个覆盖网络探测网络状态，并由SDN控制器统计该覆盖网络的需求；具体内容包括如下操作子步骤：

(2301)每个覆盖网络统计其可用虚拟路径，得到覆盖网络可用的虚拟路径集合R^(s)；

R^(s)＝{r₁，r₂，...，r_i，...，r_n}

这里r_i代表着该覆盖网络的第i条虚拟路径，n是该覆盖网络的虚拟路径的总数；

(2302)每个覆盖网络根据自己的虚拟路径，统计这些路径所对应的底层链路，得到覆盖网络路径集合R^(s)和底层链路之间的对应关系矩阵A^(s)；

这里，l，r分别是底层物理链路和该覆盖网络虚拟路径的编号，L是所有物理链路的总集合；L＝{link₁，link₂，...，link_l，...}，这里link_l代表第l条物理链路；当a_rl＝1时，表示底层物理链路l是虚拟路径r的一部分，当a_rl＝0时，表示底层物理链路l与虚拟路径r无关；

(2303)覆盖网络探测并收集虚拟路径上的底层流量分配信息，得到与虚拟路径集合R^(s)相对应的底层流量分配矩阵U^(-s)，也就是虚拟路径上的背景流量；

这里是覆盖网络s探测到的底层物理链路l上承载的背景流量，而l是底层物理链路的编号；

(2304)每个覆盖网络统计自己的服务请求得到覆盖网络流集合F^(s)；

F^(s)＝{f₁，f₂，...，f_k}

该集合中，每一个元素表示：对应于一个服务请求，覆盖网络需要提供的一条覆盖网络流；所述的覆盖网络流包含起始节点、目的节点、带宽和时延；

(2305)每个覆盖网络根据覆盖网络流的起始节点和目的节点统计其可用的虚拟路径，并得到覆盖网络流集合F^(s)与虚拟路径集合R^(s)的对应关系矩阵B^(s)；

这里，f，r分别是覆盖网络流和覆盖网络虚拟路径的编号，当b_fr＝1时，表示覆盖网络流f可以通过虚拟路径r传输数据，当b_fr＝0时，表示虚拟路径r对于覆盖网络流f不可用；

(2306)每个覆盖网络根据各自的QoS性能需求来定义自己的虚拟路径性能函数θ_r(U)，该函数是与底层网络流量部署情况相关的函数，表示覆盖网络性能与底层网络中具体流量分布的关系；

这里r代表着一条虚拟路径，而l代表着这条虚拟路径上的一条物理链路；delay_l(u_l)是物理链路的时延函数，代表物理链路l的时延与它所实际承载的流量u_l的关系；U＝(u₁，u₂，...，u_|L|)^T则为底层链路负载向量，代表着底层链路实际负载的总体情况;

(24)每个覆盖网络的SDN控制器将自己上个周期的路由策略汇报到数据服务器上；所述的每个覆盖网络的路由策略用路由策略矩阵v^(s)来表示，定义如下：

这里v_fr代表覆盖网络流f分配到虚拟路径r上的流量；并且当且仅当b_fr＝1时，v_fr≥0，即该虚拟路径r可为覆盖网络流f所用时，覆盖网络流f才可对其分配流量；E^(s)则是一个辅助矩阵，其定义为一个1×|F^(s)|的全一矩阵，即[1，1，...，1]^T，用于对每列元素的求和；v^(s)E^(s)的意义是计算覆盖网络s分配到每条虚拟路径上的向量；

步骤(25)中所述的全局覆盖网络路由策略用全局路由策略矩阵v来表示，v＝(v⁽¹⁾，v⁽²⁾，...，v^(s)，...)^T是全局路由策略矩阵，表示把所有覆盖网络的路由策略矩阵进行汇总;

(25)数据服务器将收集到的覆盖网络路由策略进行汇总，得到上个周期的覆盖网络全局路由策略，并将汇总后的覆盖网络全局路由策略发送给各个覆盖网络的SDN控制器；

(26)覆盖网络的SDN控制器根据收到的上个周期的覆盖网络全局路由策略和本周期在步骤(23)中所探测到的底层网络流量分布情况，对覆盖网络的网络参数进行更新；所述的需要更新的网络参数是如下参数：

覆盖网络探测的底层流量与其他覆盖网络实际路由策略的分歧参数：

α(t+1)＝α(t)-λ(U^(-s)-A^(-s)(v^(-s)E^(-s)))

覆盖网络的路由策略与其他覆盖网络实际探测的分歧参数：

β(t+1)＝β(t)-λ(U^(s)-A^(s)(v^(s)E^(s)))

覆盖网络流量对物理网络造成的负载参数：

γ(t+1)＝γ(t)-λ(c-A^(s)(v^(s)E^(s))-U^(-s))

上述3个公式中：λ为收敛系数，影响着覆盖网络合作的收敛速度和准确度；λ的值可调整，而α，β和γ的初始值为0；α(t)，β(t)和γ(t)分别为参数在周期t时的值，而α(t+1)，β(t+1)和γ(t+1)分别为三个参数在下个周期，即周期t+1时的值；

A^(s)是覆盖网络s的路径集合和底层链路之间的对应关系矩阵，

这里，l，r分别是底层物理链路和该覆盖网络虚拟路径的编号，L是所有物理链路的总集合；L＝{link₁，link₂，...，link_l，...}，这里link_l代表第l条物理链路；当a_rl＝1时，表示底层物理链路l是虚拟路径r的一部分，当a_rl＝0时，表示底层物理链路l与虚拟路径r无关；A^(-s)＝A⁽¹⁾，...，A^(s-1)，A^(s+1)，...，A^(|S|))为除覆盖网络s以外所有覆盖网络的路径集合和底层链路之间的对应关系的向量，其中的元素为每个覆盖网络的路径集合和底层链路之间的对应关系矩阵，S＝{1，2，...s，...}是覆盖网络编号的集合；

U^(-s)是覆盖网络s探测到的底层流量分布矩阵，

这里是覆盖网络s探测到的底层物理链路l上承载的背景流量，而l是底层物理链路的编号；

U^(s)是覆盖网络s实际分配到底层的流量向量，其定义如下：

这里是覆盖网络s实际分配到底层物理链路l上的流量，而l是底层物理链路的编号；

v^(s)是覆盖网络s的路由策略矩阵，

这里v_fr代表覆盖网络流f分配到虚拟路径r上的流量；并且当且仅当b_fr＝1时，v_fr≥0，即该虚拟路径r可为覆盖网络流f所用时，覆盖网络流f才可对其分配流量；E^(s)则是一个辅助矩阵，其定义为一个1×|F^(s)|的全一矩阵，即[1，1，...，1]^T，用于对每列元素的求和；v^(s)E^(s)的意义是计算覆盖网络s分配到每条虚拟路径上的向量；

覆盖网络s统计自己的服务请求得到覆盖网络流集合F^(s)

F^(s)＝{f₁，f₂，...，f_k}

该集合中，每一个元素表示：对应于一个服务请求，覆盖网络需要提供的一条覆盖网络流；所述的覆盖网络流包含起始节点、目的节点、带宽和时延；

v^(-s)是除了覆盖网络s以外的所有覆盖网络的路由策略的向量，其定义为：

v^(-s)＝(v⁽¹⁾，...，v^(s-1)，v^(s+1)，...，v^(|s|))^T

E^(-s)是一个辅助矩阵，其定义为一个(|S|-1)×(|S|-1)的对角矩阵，其对角线上的元素为(E⁽¹⁾，...，E^(s-1)，E^(s+1)，...，E^(|S|))，其形式如下：

其中，E⁽ⁱ⁾是一个1×|F⁽ⁱ⁾|的全一矩阵，而F⁽ⁱ⁾为覆盖网络i的覆盖网络流的集合，

F⁽ⁱ⁾＝{f_1，f₂，...，f_k}

该集合中，每一个元素表示：对应于一个服务请求，覆盖网络需要提供的一条覆盖网络流；所述的覆盖网络流包含起始节点、目的节点、带宽和时延；

这里(v^(-s)E^(-s))的意义为计算除覆盖网络s以外的所有覆盖网络分配到它们的虚拟路径上的流量，而A^(-s)(v^(-s)E^(-s))的意义是计算这些流量分配到底层链路上的情况；

c＝(c₁，c₂，...，c_l，...，c_|L|)^T，是物理链路承载能力的集合；这里c_l代表着编号为l的物理链路的承载能力;

(27)根据更新后的网络参数，每个覆盖网络的SDN控制器计算其自己覆盖网络的最优路由策略；具体内容是：覆盖网络的SDN控制器通过如下公式计算得到覆盖网络的最优路由策略矩阵V^(s)，作为其最优路由策略：

其中为覆盖网络s的权值；

(28)每个覆盖网络的SDN控制器根据自己计算的最优路由策略来对覆盖网络的路由进行控制；

(29)重复步骤(23)～(28)，直至覆盖网络的最优路由策略数个周期没有变化。