CN107294868B

CN107294868B - 多类型出口网关的负载均衡方法

Info

Publication number: CN107294868B
Application number: CN201710557290.3A
Authority: CN
Inventors: 刘乃安; 陈越
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2037-07-10
Also published as: CN107294868A

Abstract

本发明公开了一种多类型出口网关的负载均衡实现方法，主要解决现有多类型出口网关在多链路同时进行大数据量传输时存在的流量分配不合理、传输时延高及网络吞吐量低的问题。其实现方案为：1)搭建多类型出口网关系统；2)对链路进行预处理，将剩余带宽最高与最低的两条链路进行流量均衡；3)引入负载均衡判别机制，计算当前链路质量，通过与初始目标阈值的比较判定链路是否处于负载均衡状态：4)对于链路负载未达到平衡的状态，采用路由碎片进行二次切割，分配到各链路中去，再进行判别，如此迭代下去直至多出口网关链路处于负载均衡状态。本发明降低了传输时延，提高了网络吞吐量，可用于各出口链路网络环境差异较大的网关系统中。

Description

多类型出口网关的负载均衡方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及一种负载均衡方法，可用于出口网关处理多链路数据传输的场景，改善传输过程中数据量分配不合理的问题。

背景技术

由于移动互联网用户的快速增加，单链路出口网关已经无法满足用户的带宽需求，因此越来越多的企业开始投入对多出口网关的研发。多出口网关不仅解决了单点失效的问题，而且提高了整个网络的吞吐量。

多出口网关多链路的接入虽然能够提升带宽，但如果链路选择不够科学，用户还是不能得到高带宽的服务。因此，研究多链路网关的负载均衡及其路由优化意义重大。考虑到多类型网关的出口链路同时包括了以太网、WIFI、3/4G蜂窝网等各不同形式的网络，传统的负载均衡方法效率不是很高，因此，需要针对网关出口链路的多样性提出一种新的负载均衡方法。

目前常用的负载均衡处理方法包括轮询法、散列法以及最小连接法等。这些方法虽然简单高效，但都缺少对于链路质量的定量分析。Y Qin等人提出了一种基于时延差异目标迭代的变尺度优化方法，(Y Qin,YE Jian-Feng.Scheme for scalable optimizationbased on Iterating for delay variation.Computer Engineering&Applications,2006,44(5):128-130)，该方法通过对各链路时延变化的监控，用迭代算法将时延低于初始阈值的链路进行流量再分配，从而在一定程度上达到了定量负载均衡的效果。然而此方法也存在不足，第一，反映链路质量的标准除了时延，还有吞吐量，剩余带宽等其他一系列标准，仅以时延作为评判参数显得有些片面。第二，在进行流量再分配的过程中，由于多类型出口网关各链路间的差异较大，可能会出现多次再分配仍然无法达到负载均衡的情况。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提出一种多类型出口网关的负载均衡方法，以增加剩余带宽作为链路负载均衡的定量度量标准，减小多类型出口网关各链路间的差异，实现各条链路在较少流量分配次数内达到负载均衡。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)搭建一个包括网关、出口链路和内网设备的多类型出口网关系统，网关通过几条不同的出口链路接入外部网络，内网设备通过该网关访问外网；

(2)测试当前各出口链路剩余带宽，找到剩余带宽最大与最小的两条出口链路，对这两条出口链路进行流量均衡直至进入差异预设值T内；

(3)测试当前各出口链路的传输时延t与剩余带宽b，得到第k个时刻n条出口链路的平均时延和平均剩余带宽；根据该平均时延和平均剩余带宽，计算第k个时刻n条链路的均衡偏移量；

(4)定义一个目标优化初始值，比较其与均衡偏移量的大小关系，当均衡偏移量时，则判定为达到负载均衡，网关出口链路到达预期效果；否则，执行步骤(5)；

(5)对出口链路中的路由碎片进行重新切分分配：

(5a)找出时延最大的出口链路与剩余带宽最小的出口链路，对经过这两条链路的路由碎片进行切分处理；

(5b)通过循环招标算法把进行切分后的路由碎片分配到各链路中，返回步骤(3)，进行下一次判定。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1)本发明通过传输时延以及剩余带宽双重链路质量标准，对出口链路的负载均衡状态进行了的二元判定，弥补了仅考虑单一时延因素的不足，使得对出口链路质量的定量分析更为精确可靠。

2)本发明增加了预处理模块，在进行判定比较之前，首先将质量差异最大的两条出口链路做均衡处理，从而使得后续的路由碎片迭代过程中，出口链路的均衡偏移量能够较为迅速的收敛到目标初始优化值，更快的达到负载均衡效果。

附图说明

图1为本发明的实现总流程图；

图2为本发明使用的多类型出口网关负载均衡方法的网络拓扑图；

图3为本发明中对差异最大的两条链路进行均衡预处理的子流程图；

图4为本发明中判定链路是否达到负载均衡的实现子流程图；

图5为本发明中对路由碎片进行切分与分配的子流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

MLPS技术进行路由碎片的分配

参照图1，对本发明的实现步骤如下：

步骤1，搭建多类型出口网关系统。

参照图2，搭建一个包括网关、出口链路和内网设备的多类型出口网关系统。网关为一台搭载了Linux Ubuntu 14.04操作系统的PC机，它通过多条不同的出口链路接入外部网络，各出口链路的数据传输采用了以太网、WIFI、4G蜂窝网等不同的网络通信方式，内网设备通过该网关访问外部网络，在进行大数据量传输时，多条链路能够同时进行数据传输。

步骤2，对剩余带宽最高与最低的两条链路进行流量均衡。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

2a)根据实际出口链路的最大可用带宽定义出差异预设值T：

实际工程中，差异预设值在出口链路最大可用带宽在5％-15％范围内都是可以采用的，因此，若实际出口链路的最大可用带宽为1200Mbps，则可以取T为该最大带宽的10％，即为120Mpbs；

2b)循环比较各链路的剩余带宽，记剩余带宽最大值B_max对应的出口链路为B₁，剩余带宽最小值B_min对应的出口链路为B₂；

2c)计算两条出口链路剩余带宽的差值：a＝B_max-B_min，比较a与T的大小关系：

若a大于T，则对两条出口链路进行差异互补，即：

B₁的剩余带宽互补为

B₂的剩余带宽互补为

若a小于等于T，则各出口链路符合判定，结束流量均衡。

步骤3，利用测试工具获取当前链路质量，设定目标初始化阈值，通过负载均衡机制对链路进行判别。

本发明中设置的目标初始化阈值与网关系统所在的网络实际传输环境相关，实际应用中的网络信号强度、链路时延及链路剩余带宽不同，则需要设置的初始化阈值就不同。

参照图4，本步骤的具体实现如下：

3a)根据实际应用要求，设定负载均衡初始化偏移阈值ε，假设当前网络强度值为RSSI＝-60dbm，各出口链路的时延期望值为t＝20ms，各链路的平均额定带宽b＝1000Mbps，则可以定义

3b)对各链路的时延以及剩余带宽值进行实时监测，获取当前各出口链路的传输时延t₁t₂t₃.....t_n与剩余带宽b₁b₂b₃.....b_n，得到第k个时刻n条出口链路的平均时延

和平均剩余带宽

并计算出口链路的平均时延和平均剩余带宽；

3c)计算第k个时刻n条链路的均衡偏移量σ：

其中，n为链路的总条数，

分别为第k时刻的链路实时传输时延与剩余带宽值，

分别为k时刻内链路的平均传输时延与剩余带宽值；

3d)判断均衡偏移量σ与初始化偏移阈值ε的大小关系：

若σ大于等于ε，则未达到负载均衡状态，进入步骤4进行路由切分迭代；

若σ小于ε，则各链路达到负载均衡状态，多类型出口网关负载均衡方法结束。

步骤4，对碎片路由进行二次切割，分配到各链路中。

本发明中，在网关接收端调整路由策略，通过iptables指令集对各链路路由表中的具体路由信息按照切割粒度进行再处理，从而对分配到各链路的数据流量进行有效的调整。

参照图5，本步骤的具体实现如下：

4a)找出时延最大与剩余带宽最小的链路，按照切割粒度m进行路由碎片的分割，得到链路路由的切分粒度m；

4b)通过循环招标算法将切割后的路由碎片分配到各链路中：

4b1)记所有出口链路构成的链路集合为u＝{b1，b2，b3，.......,b_n}，时延最大的出口链路的切分粒度为m₁，剩余带宽最小的出口链路的切分粒度为m₂；

4b2)记循环招标算法的系统封装函数为PBA，根据切分粒度m₁将该封装函数实例化为最大时延链路切分函数，记为PBA(u，m₁)，根据切分粒度m₂将该封装函数实例化为最小剩余带宽链路切分函数，记为PBA(u，m₁)；

第一次调用PBA(u，m₁)，将时延最大的出口链路中的路由碎片按切分粒度m₁分配至集合u中各链路，第二次调用PBA(u，m₂)将剩余带宽最小的出口链路中的路由碎片按切分粒度m₂分配至集合u中各链路；

4c)返回步骤3，进行迭代后的下一次判别。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种多类型出口网关的负载均衡实现方法，包括了如下步骤：

(3)测试当前各出口链路的传输时延t与剩余带宽b，得到第k个时刻n条出口链路的平均时延和平均剩余带宽；根据该平均时延和平均剩余带宽，计算第k个时刻n条链路的均衡偏移量σ；

(4)定义一个目标优化初始值ε，比较其与均衡偏移量σ的大小关系，当均衡偏移量σ≤ε时，则判定为达到负载均衡，网关出口链路到达预期效果；否则，执行步骤(5)；

(5)对出口链路中的路由碎片进行重新切分分配：

(5b)通过循环招标算法把进行切分后的路由碎片分配到各链路中，返回步骤(3)，进行下一次判定；

所述步骤(2)中对剩余带宽最大与最小的两条出口链路进行流量均衡，按如下步骤进行：

(2a)根据实际出口链路的最大可用带宽定义出差异预设值T,记剩余带宽最大值B_max对应的出口链路为B₁，剩余带宽最小值B_min对应的出口链路为B₂；

(2b)计算两条出口链路剩余带宽的差值a＝B_max-B_min，比较a与T的大小关系：

若a大于T，则对两条出口链路进行差异互补，B₁的剩余带宽互补为

B₂的剩余带宽互补为

若a小于等于T，则各出口链路符合判定，结束流量均衡。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中计算第k个时刻n条链路的均衡偏移量σ，按如下公式计算：

其中，n为链路的总条数，

分别为第k时刻的链路实时传输时延与剩余带宽值，

分别为k时刻内链路的平均传输时延与平均剩余带宽值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5a)中对两条出口链路中路由碎片进行切分处理，按如下公式计算：

其中，σ为链路的均衡偏移量，ε为目标优化初始值，m为切分粒度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5b)中通过循环招标算法把进行切分后的路由碎片分配到各链路，按如下步骤进行：

(5b1)记所有出口链路构成的链路集合为u＝{b₁，b₂，b₃，.......,b_n}，时延最大的出口链路的切分粒度为m₁，剩余带宽最小的出口链路的切分粒度为m₂，其中，所述b₁，b₂，b₃，.....，b_n为剩余带宽，所述n为链路的总条数；

(5b2)记循环招标算法的系统封装函数为PBA，根据两种不同的切分粒度m₁，m₂将该函数具体化，分别记为PBA(u，m₁)，PBA(u，m₂)，第一次调用PBA(u，m₁)，将时延最大的出口链路中的路由碎片按切分粒度m₁分配至集合u中各链路，第二次调用PBA(u，m₂)将剩余带宽最小的出口链路中的路由碎片按切分粒度m₂分配至集合u中各链路。