CN106572019B - 一种时延保障混合sdn网络节能流量调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时延保障混合SDN网络节能流量调度方法，主要包含了时延保障算法、权重优化算法和流量分配算法。其中时延保障算法保证了实时业务的流量能够从最短路径到达目的节点，保障时延要求；权重优化算法能够合理优化网络链路的权重，为后续的流量分配做好准备；流量分配算法基于SDN交换机，对流量进行进一步优化调度，将轻载链路上的流量进一步调度到常规链路上，将从而关闭这些轻载链路，达到节能的效果。本发明合理优化了实时性业务与非实时性业务的调度时间和传输路径，在满足实时性业务时延需求的前提下，有效降低了能量消耗。

Description

一种时延保障混合SDN网络节能流量调度方法

技术领域

本发明属于网络流量工程技术领域，具体涉及一种时延保障混合SDN网络节能流量调度方法的设计。

背景技术

随着云计算、物联网、社交网络、移动互联网等的快速发展，网络资源的需求越来越大，现有的网络架构和功能已经难以适应当下快速更新业务、海量数据处理、资源调度灵活的需求。在这样的背景下，软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)应运而生，为网络的革新与发展注入了新的活力，具有广阔的发展和应用前景。

SDN的实现要对现有网络的架构和设备做出巨大变更，这使得它在短时间内难以完全取代现有网络。同时，SDN自身也面临标准的统一、可靠性的保障和性能的挑战等诸多问题，阻碍着SDN的全面推进。因此，在现有网络中逐步增加SDN设备，实现现有网络向SDN网络的逐步演进，是实现SDN网络较为可行的方式。SDN设备与IP设备混合并存的应用模式将长期存在。

网络规模的不断增大也使得网络在能量消耗上的问题日益突出，节省网络能耗、构建绿色网络，不仅是运营商降低成本的必然需求，更是符合社会需求、促进可持续发展的必然选择。在SDN/IP混合网络环境下，通过节能的流量调度策略降低网络能量消耗，也是一个值得研究的问题。

与此同时，网络中的流量对时延的要求是不同的，如实时视频、即时通信、远程监控等实时业务对网络时延要求比较高，而数据备份、文件传输等非实时业务对网络时延要求比较低。现有SDN/IP混合网络下的节能机制往往站在宏观的角度，以节能为目的，对网络中的流量进行无差别的调度。这些方法虽然降低了能量消耗，但是无法合理优化用户体验。

因此，在SDN/IP混合网络环境下，研究设计满足不同业务时延需求的节能流量调度策略，对于下一代网络的发展和应用，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中SDN/IP混合网络下的节能机制虽然降低了能量消耗，但是无法满足不同业务时延需求的问题，提出了一种时延保障混合SDN网络节能流量调度方法。

本发明的技术方案为：一种时延保障混合SDN网络节能流量调度方法，包括以下步骤：

S1、初始化算法环境；

S2、判断是否有实时业务的流存在，若有则进入步骤S3，否则进入步骤S4；

S3、调用时延保障算法，更新网络链路；

S4、调用权重优化算法，优化网络链路权重；

S5、调用流量分配算法，将网络流量从低容量利用率路径调度到高容量利用率路径；

S6、判断轻载链路集合中是否存在不属于常开链路集合的链路，若是则关闭这部分链路中链路容量利用率最小的链路，并更新启用链路集合，返回步骤S2，否则调度结束。

进一步地，步骤S1具体为：

输入网络拓扑G(N,L)，其中N表示网络中的节点集合，L表示网络中所有有向物理链路的集合；

输入任一网络节点k到其他网络节点t的流量需求h_kt；

输入任一网络节点k到其他网络节点t的时延要求p_kt，p_kt只有两种取值，为1时表示是实时业务，时延要求高，为0时表示是非实时业务，时延要求低；

输入链路最大容量利用率阈值α和链路容量最小利用率阈值β，常用链路的判定阈值η以及链路权重集合W；

为启用链路集合S赋初值S＝L，令常开链路集合C₁、常用链路集合C₂初始值为空。

进一步地，步骤S3包括以下分步骤：

S31、初始化链路权重集合W，令所有链路权重均为1；

S32、计算p_kt为1的流量到达目的节点的最短路径，记录其链路集合为常开链路集合C₁；

S33、计算T₀时间内每条链路上实时业务的流经过的时间t₀所占比例t₀/T₀，若t₀/T₀大于η，则该链路属于常用链路集合C₂。

进一步地，步骤S4包括以下分步骤：

S41、按照链路两端节点，分别设定L₁、L₂、L₃集合中的链路权重为a、b、c；其中L＝L₁∪L₂∪L₃，L₁＝{(s,d)|s∈V₁,d∈V₁}，L₂＝{(s,d)|(s∈V₁,d∈V₂)∪(s∈V₂,d∈V₁)}，L₃＝{(s,d)|s∈V₂,d∈V₂}，V₁表示SDN节点，V₂表示IP节点；

S42、更新链路权重集合W中所有属于常开链路集合C₁的链路权重为一个极小值min；

S43、针对常用链路集合C₂内的链路，它们的权重都在其现有权重值上乘以一个系数γ，其中0＜γ＜1；

S44、根据节点间流量需求h_kt和链路权重集合W，用最短路径算法求出路由；

S45、根据公式(1)计算各链路的容量利用率μ_l：

μ_l＝x_l/c_l (1)

式中x_l为经过链路l的总流量，c_l为链路l的容量，l∈L；

S46、将启用链路集合S中的各链路按容量利用率μ_l分为三类：

若μ_l≥α，则链路l为拥塞链路；

若μ_l≤β，则链路l为轻载链路；

若β＜μ_l＜α，则链路l为常规链路；

S47、对分类后的链路采取相应的权重调节措施，判断是否达到迭代次数，若是则算法结束，进入步骤S5，否则返回步骤S44进行循环。

进一步地，步骤S47中对分类后的链路采取相应的权重调节措施具体为：

对于拥塞链路和轻载链路，利用公式(2)增加链路权重：

w′_l＝w_l+1/n (2)

式中w_l为原始链路权重，w′_l为增加后的链路权重，n的初始值为1，每次循环增1；

对于常规链路，链路权重保持不变。

进一步地，步骤S5包括以下分步骤：

S51、采用OSPF算法，生成网络其它节点到目的节点t的最短路径树；

S52、发现每条最短路径上第一个SDN交换机u，计算从u到目的节点t的K条最短路径，保存为集合P＝{p_ut}；

S53、根据公式(3)计算p_ut上每条链路l的可用容量cap_l，并以其中的最小值作为该路径的可用容量cap_p：

cap_l＝c_l×β-x_l (3)

S54、将P中的路径按cap_p升序排序；

S55、判断注入u的流量I_ut是否为0，若是则输出流量分配方案，算法结束，进入步骤S6；否则进入步骤S56；

S56、将I_ut中cap_p的流量分配到第i条路径P[i]上，用公式(4)更新I_ut：

I′_ut＝I_ut-cap_p (4)

S57、令P中第i+1条路径P[i+1]与P[i]交叠链路的集合为T，若T不为空集则进入步骤S58，否则返回步骤S55；

S58、使用公式(3)更新T中链路的可用容量，并更新路径P[i+1]的可用容量，返回步骤S55。

本发明的有益效果是：本发明主要包含了时延保障算法、权重优化算法和流量分配算法，其中时延保障算法保证了实时业务的流量能够从最短路径到达目的节点，保障时延要求；权重优化算法能够合理优化网络链路的权重，为后续的流量分配做好准备；流量分配算法基于SDN交换机，对流量进行进一步优化调度，将轻载链路上的流量进一步调度到常规链路上，将从而关闭这些轻载链路，达到节能的效果。本发明合理优化了实时性业务与非实时性业务的调度时间和传输路径，在满足实时性业务时延需求的前提下，有效降低了能量消耗。

附图说明

图1为本发明提供的一种时延保障混合SDN网络节能流量调度方法流程图。

图2为本发明提供的时延保障算法流程图。

图3为本发明提供的权重优化算法流程图。

图4为本发明提供的流量分配算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

当前网络常用的节能模型主要有通过停用不需要的网元节约能量的停用模型和根据网络负载调节网元处理速度节能的弹性速度模型两种，本发明采用第一种模型思想，关闭链路容量利用率较低的链路。混合SDN网络即在现有网络中加入SDN设备，包括SDN交换机和控制器。SDN交换机由SDN控制器进行管理，它对报文的操作是依据控制器下发的流表进行的。而网络中IP路由器依然使用现有的逐跳寻径的路由协议(如OSPF)来进行流量转发。

SDN技术使网络控制和转发分离，能够灵活地控制和调度流量，本发明充分利用其这一特点，合理选择链路，重新分配流量，提出了一种时延保障混合SDN网络节能流量调度方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、初始化算法环境，包括：

输入网络拓扑G(N,L)，其中N表示网络中的节点集合，L表示网络中所有有向物理链路的集合。

输入任一网络节点k到其他网络节点t的流量需求h_kt以及任一网络节点k到其他网络节点t的时延要求p_kt，p_kt只有两种取值，为1时表示是实时业务，时延要求高，为0时表示是非实时业务，时延要求低，其中k,t∈N。

输入链路最大容量利用率阈值α和链路容量最小利用率阈值β(α＞β)。当链路的容量利用率大于或等于某个指定阈值α时，该链路剩余容量为0，即α为链路的最大容量利用率阈值；当链路容量利用率小于某个指定阈值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为链路的最小容量利用率阈值。

输入常用链路的判定阈值η(0<η<1)以及链路权重集合W。

为启用链路集合S赋初值S＝L，令常开链路集合

常用链路集合

初始值为空。时延保障的混合SDN网络节能流量调度机制首先需要满足实时业务的流量的时延需求，这就需要安排这部分流量通过最短路到达目的地，这部分链路属于必须开启的链路，需要被充分利用，尽量将其他非实时业务的流量也分配到上面来。同时，结合用户特征和流量特征，在一定时间内，某些链路通过实时业务的可能性会高于其他链路，这些链路也需要尽可能保持开启状态。基于此，本发明中链路被分为常开链路、常用链路和普通链路。

常开链路即实时业务的流量到达目的地的最短路径所包含的链路，这些链路属于不可被关闭的链路。

常用链路即实时业务的流量通过的可能性较高的链路，这些链路的获得是通过计算用户设定的一段时间T₀内链路上通过实时业务的流量的时间比例判定的，当这个比例高于用户设定的阈值时，该链路被确定为常用链路，常用链路由于有较高的可能性通过时延要求高的流量，需要减少被关闭的可能。

普通链路即为除常开链路、常用链路之外的链路，它们可以被随时关闭。

S2、判断是否有实时业务的流存在，若有则进入步骤S3，否则进入步骤S4。

S3、调用时延保障算法，更新网络链路。该步骤旨在保障实时业务的流量能够从最短路径到达目的节点，保障时延要求，同时记录实时业务的流量经过的可能性较高的链路。

如图2所示，该步骤包括以下分步骤：

S31、初始化链路权重集合W，令所有链路权重均为1。

S32、计算p_kt为1的流量到达目的节点的最短路径，记录其链路集合为常开链路集合C₁。

S33、计算T₀时间内每条链路上实时业务的流经过的时间t₀所占比例t₀/T₀，若t₀/T₀大于η，则该链路属于常用链路集合C₂。

S4、调用权重优化算法，优化网络链路权重。

由于SDN交换机和IP路由器能耗上存在差异，使得网络中以SDN交换机为端点的链路、以IP路由器为端点的链路和一端为SDN交换机，另一端为IP路由器的链路的能耗也有差异，这些差异表现为权重值的不同。基于此，如图3所示，该步骤包括以下分步骤：

S41、按照链路两端节点，分别设定L₁、L₂、L₃集合中的链路权重为a、b、c；其中L＝L₁∪L₂∪L₃，L₁＝{(s,d)|s∈V₁,d∈V₁}，L₂＝{(s,d)|(s∈V₁,d∈V₂)∪(s∈V₂,d∈V₁)}，L₃＝{(s,d)|s∈V₂,d∈V₂}，V₁表示SDN节点，V₂表示IP节点。

S42、更新链路权重集合W中所有属于常开链路集合C₁的链路权重为一个极小值min。

步骤S41-S42即是对权重做预处理：所有常开链路的权重都被设为一个极小值min，以保证在使用OSPF计算最短路径时所有常开链路都会被使用，其余链路根据其端点不同可分为三种类型，包括两端均为SDN节点(集合L₁)，一端为IP节点，另一端为SDN节点(集合L₂)和两端均为IP节点(集合L₃)，三种链路分配三种不同权重值a、b、c。

S43、针对常用链路集合C₂内的链路，它们的权重都在其现有权重值上乘以一个系数γ(0＜γ＜1)，使其有更大的可能性被选用而减少其关闭的可能。

S44、根据节点间流量需求h_kt和链路权重集合W，用最短路径算法求出路由。

S45、根据公式(1)计算各链路的容量利用率μ_l：

μ_l＝x_l/c_l (1)

式中x_l为经过链路l的总流量，c_l为链路l的容量，l∈L。

S46、将启用链路集合S中的各链路按容量利用率μ_l分为三类：

若μ_l≥α，则链路l为拥塞链路，链路上容量过多，需要增加拥塞链路权重，以减少调度到该链路上的流量，减少拥塞可能。

若μ_l≤β，则链路l为轻载链路，链路上容量较少，同样需要增加链路权重，以减少调度到该链路上的流量，最终将其关闭，降低网络能耗。

若β＜μ_l＜α，则链路l为常规链路，其权重不发生改变。

S47、对分类后的链路采取相应的权重调节措施，即对于拥塞链路和轻载链路，利用公式(2)增加链路权重：

w′_l＝w_l+1/n (2)

式中w_l为原始链路权重，w′_l为增加后的链路权重，n的初始值为1，每次循环增1。对于常规链路，链路权重保持不变。

判断是否达到迭代次数，若是则算法结束，进入步骤S5，否则返回步骤S44进行循环。

S5、调用流量分配算法，将网络流量从低容量利用率路径调度到高容量利用率路径。

网络链路权重优化后，常开链路和常用链路被使用的可能性较高，拥塞链路和轻载链路被使用的可能性减小，重新计算源到目的地的最短路径，计算所得的路径已具备“保障实时业务从最短路径到达目的地且既不易拥塞，又有较高容量利用率”的优良特点。流量分配算法基于SDN交换机，对流量进行进一步优化调度，将轻载链路上的流量进一步调度到常规链路上，将从而关闭这些轻载链路，达到节能的效果。

如图4所示，该步骤包括以下分步骤：

S51、采用OSPF算法，生成网络其它节点到目的节点t的最短路径树。OSPF算法是本领域的常用算法，其具体计算过程在此不再赘述。

S52、发现每条最短路径上第一个SDN交换机u，计算从u到目的节点t的K条最短路径，保存为集合P＝{p_ut}。

S53、根据公式(3)计算p_ut上每条链路l的可用容量cap_l，并以其中的最小值作为该路径的可用容量cap_p：

cap_l＝c_l×β-x_l (3)

S54、将P中的路径按cap_p升序排序。

S55、判断注入u的流量I_ut是否为0，若是则输出流量分配方案，算法结束，进入步骤S6；否则进入步骤S56。

S56、将I_ut中cap_p的流量分配到第i(i初值为1)条路径P[i]上，用公式(4)更新I_ut：

I′_ut＝I_ut-cap_p (4)

S57、令P中第i+1条路径P[i+1]与P[i]交叠链路的集合为T，若T不为空集则进入步骤S58，否则返回步骤S55。

S58、使用公式(3)更新T中链路的可用容量，并更新路径P[i+1]的可用容量，令i′＝i+1，返回步骤S55。

S6、判断轻载链路集合中是否存在不属于常开链路集合的链路，若是，则关闭这部分链路中链路容量利用率最小的链路l，更新启用链路集合S：S′＝S-l，返回步骤S2，否则调度结束。

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。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种时延保障混合SDN网络节能流量调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、初始化算法环境；

S2、判断是否有实时业务的流存在，若有则进入步骤S3，否则进入步骤S4；

S3、调用时延保障算法，更新网络链路；将链路分为常开链路、常用链路和普通链路；

常开链路即实时业务的流量到达目的地的最短路径所包含的链路，这些链路属于不可被关闭的链路；

常用链路即实时业务的流量通过的可能性较高的链路，这些链路的获得是通过计算用户设定的一段时间T₀内链路上通过实时业务的流量的时间比例判定的，当这个比例高于用户设定的阈值时，该链路被确定为常用链路，常用链路由于有较高的可能性通过时延要求高的流量，需要减少被关闭的可能；

普通链路即为除常开链路、常用链路之外的链路；

所述步骤S3包括以下分步骤：

S31、初始化链路权重集合W，令所有链路权重均为1；

S32、计算p_kt为1的流量到达目的节点的最短路径，记录其链路集合为常开链路集合C₁；p_kt表示网络节点k到其他网络节点t的时延要求；

S33、计算T₀时间内每条链路上实时业务的流经过的时间t₀所占比例t₀/T₀，若t₀/T₀大于η，则该链路属于常用链路集合C₂；

S4、调用权重优化算法，优化网络链路权重；所述步骤S4包括以下分步骤：

S41、按照链路两端节点，分别设定L₁、L₂、L₃集合中的链路权重为a、b、c；其中集合L₁表示两端均为SDN节点；集合L₂表示一端为IP节点，另一端为SDN节点；集合L₃表示两端均为IP节点；L＝L₁∪L₂∪L₃，L₁＝{(s,d)|s∈V₁,d∈V₁}，L₂＝{(s,d)|(s∈V₁,d∈V₂)∪(s∈V₂,d∈V₁)}，L₃＝{(s,d)|s∈V₂,d∈V₂}，V₁表示SDN节点，V₂表示IP节点；s、d为链路两端节点；

S42、更新链路权重集合W中所有属于常开链路集合C₁的链路权重为一个极小值min；

S43、针对常用链路集合C₂内的链路，它们的权重都在其现有权重值上乘以一个系数γ，其中0＜γ＜1；

S44、根据节点间流量需求h_kt和链路权重集合W，用最短路径算法求出路由；

S45、根据公式(1)计算各链路的容量利用率μ_l：

μ_l＝x_l/c_l (1)

式中x_l为经过链路l的总流量，c_l为链路l的容量，l∈L；

S46、将启用链路集合S中的各链路按容量利用率μ_l分为三类：

若μ_l≥α，则链路l为拥塞链路；

若μ_l≤β，则链路l为轻载链路；

若β＜μ_l＜α，则链路l为常规链路；

其中，α表示最大容量利用率阈值，β表示链路容量最小利用率阈值；

S47、对分类后的链路采取相应的权重调节措施，判断是否达到迭代次数，若是则算法结束，进入步骤S5，否则返回步骤S44进行循环；

S5、调用流量分配算法，将网络流量从低容量利用率路径调度到高容量利用率路径；

S6、判断轻载链路集合中是否存在不属于常开链路集合的链路，若是则关闭这部分链路中链路容量利用率最小的链路，并更新启用链路集合，返回步骤S2，否则调度结束。

2.根据权利要求1所述的时延保障混合SDN网络节能流量调度方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

输入网络拓扑G(N,L)，其中N表示网络中的节点集合，L表示网络中所有有向物理链路的集合；

输入任一网络节点k到其他网络节点t的流量需求h_kt；

输入任一网络节点k到其他网络节点t的时延要求p_kt，p_kt只有两种取值，为1时表示是实时业务，时延要求高，为0时表示是非实时业务，时延要求低；

输入链路最大容量利用率阈值α和链路容量最小利用率阈值β，常用链路的判定阈值η以及链路权重集合W；

为启用链路集合S赋初值S＝L，令常开链路集合C₁、常用链路集合C₂初始值为空。

3.根据权利要求2所述的时延保障混合SDN网络节能流量调度方法，其特征在于，所述步骤S47中对分类后的链路采取相应的权重调节措施具体为：

对于拥塞链路和轻载链路，利用公式(2)增加链路权重：

w′_l＝w_l+1/n (2)

式中w_l为原始链路权重，w′_l为增加后的链路权重，n的初始值为1，每次循环增1；

对于常规链路，链路权重保持不变。

4.根据权利要求3所述的时延保障混合SDN网络节能流量调度方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下分步骤：

S51、采用OSPF算法，生成网络其它节点到目的节点t的最短路径树；

S52、发现每条最短路径上第一个SDN交换机u，计算从u到目的节点t的K条最短路径，保存为集合P＝{p_ut}；p_ut表示从u到目的节点t的某条最短路径；

S53、根据公式(3)计算p_ut上每条链路l的可用容量cap_l，并以其中的最小值作为该路径的可用容量cap_p：

cap_l＝c_l×β-x_l (3)

S54、将P中的路径按cap_p升序排序；

S55、判断注入u的流量I_ut是否为0，若是则输出流量分配方案，算法结束，进入步骤S6；否则进入步骤S56；

S56、将I_ut中cap_p的流量分配到第i条路径P[i]上，用公式(4)更新I_ut：

I′_ut＝I_ut-cap_p (4)

S57、令P中第i+1条路径P[i+1]与P[i]交叠链路的集合为T，若T不为空集则进入步骤S58，否则返回步骤S55；

S58、使用公式(3)更新T中链路的可用容量，并更新路径P[i+1]的可用容量，返回步骤S55。

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