CN107332766B - 一种基于软件定义网络流调度下的提高网络吞吐量的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于软件定义网络流调度下的提高网络吞吐量的方法，在SDN环境下，利用SDN集中控制的全局性优势，将改进K最短路径与贪婪算法相结合，通过对网络中尽力交付型业务流进行迁移，在不满足流分割的情况下，来解决由带宽碎片问题造成较大业务流不能顺利交付，和由部分网络设备性能不足造成的多媒体业务QoS不能保障的问题；在业务的QoS保障中，通过对网络链路中对延时和丢包率容忍度较高的尽力交付型业务进行迁移，以使得需及时交付的多媒体业务顺利交付，本发明能够提高多媒体业务流的传输质量，并且进一步提高对QoS要求较高的网络业务的吞吐量。

Description

一种基于软件定义网络流调度下的提高网络吞吐量的方法

技术领域

本发明涉及在软件定义网络架构下的一种新型流调度的方法，特别涉及了基于贪婪策略以最小代价进行流迁移的一种基于软件定义网络流调度下的提高网络吞吐量的方法。

背景技术

网络中业务流的链路负载均衡方法，通常是将多个业务流均匀地分配到能够满足其带宽需求的路径上。这种方法能够避免多条业务流集中到某些特定的网络链路上，从而减少拥塞，能够增加网络的处理能力，并提高网络吞吐量。相应地，链路负载均衡也有一些缺点，在某些应用场景下，新的网络业务流进行传输时，网络中多条路径的剩余带宽资源之和大于该业务流的带宽需求，但是由于分散，在不支持业务流分割的情况下，无法为该业务流分配足够带宽容量的路径。

网络在对多媒体业务流进行调度时，为使得此类流具有较好的服务质量，需要保障业务的QoS，多媒体业务的服务质量与路径的传输时延和业务流丢包率有关。在链路带宽资源充足的情况下，由于所选择路径中，发生网络节点处理能力不足或者链路故障，而导致服务质量下降，为了保障业务QoS，需要将业务流调度到能保障其服务质量的路径上。

目前研究中，带宽碎片问题的解决方案往往是使用ECMP等支持流分割的算法，该方案具有额外增加控制器的处理负担、造成流传输抖动的增加及降低业务的QoS的缺陷,无法保证多媒体业务服务质量及链路带宽碎片较多无法承载占用带宽较多业务的这两种问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于软件定义网络流调度下的提高网络吞吐量的方法，在SDN环境下，利用SDN集中控制的全局性优势，将改进K最短路径与贪婪算法相结合，通过对网络中尽力交付型业务流进行迁移，在不满足流分割的情况下，来解决由带宽碎片问题造成较大业务流不能顺利交付，和由部分网络设备性能不足造成的多媒体业务QoS不能保障的问题；在业务的QoS保障中，通过对网络链路中对延时和丢包率容忍度较高的尽力交付型业务进行迁移，以使得需及时交付的多媒体业务顺利交付，本发明能够提高多媒体业务流的传输质量，并且进一步提高对QoS要求较高的网络业务的吞吐量。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于软件定义网络流调度下的提高网络吞吐量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)记录并得到链路上传输的业务信息vInfo_(i,j)，如以下公式所述：

vInfo_(i,j)＝{vn_(i,j),FInfo_(i,j),Path_(i,j)}

式中，vn_(i,j)——链路link_(i,j)的标号；FInfo_(i,j)——标号为vn_(i,j)的链路上所有传输的业务流集合；Path_(i,j)——传输的业务流对应的路径集合。公式中， ——业务流信息；——该业务的源节点；——该业务的目的节点；——该业务占用带宽资源大小；——业务类型。

(2)解析处理不成功的业务流s，得到其源节点src和目的节点des，使用改进的K最短路径算法选择前K条带宽资源充足，跳数较少的路径；

(3)判断多媒体业务流s所属调度类型，若是类型1则执行步骤(4)，否则执行步骤(5)；所述的类型1指的是网络带宽碎片导致的单条路径带宽不足的业务流。

(4)判断K条路径中，是否有满足多媒体业务流s带宽需求的路径，有则执行步骤(9)，否则执行步骤(5)。

(5)在K条路径中根据QoS判断方法，选择前K/2条满足QoS保障的路径。

(6)根据如下所示的代价计算公式，，并在K/2条路径中选择迁移代价最低的路径：

pm——K条路径中，需要迁移的路径；em(i,j)——链路(i,j)上的尽力交付型业务流，em——是否能迁移成功，若被迁移的尽力交付型业务流有路径，则其值为1，否则为0。

(7)使用贪婪算法对该路径上的尽力交付型业务流进行迁移，直到能够满足多媒体业务流s的带宽需求。

(8)对网络链路带宽资源Load、链路传输业务信息VInfo进行迁移后的更新；

(9)输出被迁移的所有尽力交付型业务的路径和多媒体业务s的路径。

所述的步骤(2)具体为：

不能交付的业务流记为s，其信息为{src,des,val,type}，判断不能顺利交付的业务的原因，通过提取该业务的源节点和目的节点，采用改进K最短路径选择出前2*K条路径，然后在该2*K条路径中选择满足QoS保障的前K条路径，改进的K最短路径是对迪杰斯特拉算法中的权值进行重定义，以链路剩余带宽倒数作为权值，在进行选择时，选择路径权值较小的，选择方案权值目标函数如下公式所示：公式中，p——选择的路径；load_(i,j)——链路(i,j)的剩余带宽。

所述的步骤(6)具体为：在筛选后的K条路径中，采用以迁移代价为判断标准的方法进行选择，选择出一条最优迁移路径，对在路径上传输的尽力交付型业务进行迁移；首先将K条路径上所有的尽力交付型业务，按照占用资源从大到小的顺序，逐个判断其能否迁移成功，即满足迁移后的业务能找到相应传输路径，并判断其迁移代价，迁移代价为需要迁移的业务流数量。

所述的步骤(7)具体为：

对所有组成该路径的带宽资源不充足的链路，按照资源的顺序对其上传输的尽力交付型业务进行路径预迁移，直到其满足带宽需求为止。由于路径迁移的数量决定重新调用寻径算法的次数，因此以数量为迁移代价；对于路径跳数相同，剩余带宽不同的，选择迁移代价最低的路径，然后进行实际的迁移；对于剩余带宽相同，跳数不同的，首先判断K条路径中，是否有满足其负载的路径，若有则进行迁移，没有则选择迁移代价最低的路径，然后进行实际的迁移；对于路径(i,j)上迁移走的尽力交付型业务流，使用迪杰斯特拉最短路径算法寻找新路径，然后对路径进行处理，使得路径不出现环路现象；对尽力交付型业务的迁移信息和多媒体业务的传输信息进行重新记录。

本发明显著地提升了网络吞吐量和流接受率方面的性能，也是对网络性能的进一步提升；增加了网络对不同的业务流处理的区分度，对不同的业务因需提供资源，增加了网络对业务的敏感度；在网络带宽资源使用效率方面，本发明具有明显的优势；在业务服务质量上，能达到比基本需求高的指标，逐渐向最优靠近。具体优点如下：

(1)通过确定被拒载业务流的传输路径，在进行迁移前，将传输路径上的尽力交付型业务迁移到带宽碎片上，增加了带宽碎片链路的吞吐量，提高了链路的利用率；对于被拒载的业务流所确定的路径，通过保证其QoS，QoS较高的路径通常是跳数较少的路径，选择使用K最短路径算法，并通过扩大K最短路径算法的K值，来达到选择出的路径符合QoS约束条件；通过判断路径上需要迁移的尽力交付型业务数量，来决定选择路径的标准，可以保证迁移的代价足够低。

(2)在确定好被迁移路径时，对该路径上的需要迁移的尽力交付型业务进行处理，通过使用贪婪算法来确定被迁移的尽力交付型业务顺序，在简单、高效，能快速地确定该迁移的尽力交付型业务的同时，还能够保证迁移后该路径能够快速地供被拒载的流使用，以带宽资源占用多少为顺序进行迁移，简单易行；通过从占用资源较多的节点进行迁移，快速地使路径空闲出足够的资源供被拒载的业务使用。

(3)由于被迁移的尽力交付型业务相对来说资源占用少，其对整体的负载均衡度影响不大，因此对迁移尽力交付型业务进行路径选择时，通过分段的形式，对需要更改路径的部分采用了迪杰斯特拉算法，再对整条传输路径进行整合，从而消除了传输路径中的环路，增加了算法的效率，大大的降低了代价。

附图说明

图1为流迁移前网络拓扑示意图；

图2为流迁移后网络拓扑示意图。

图3为流迁移策略的流程示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所述基于软件定义网络的提升网络吞吐量的方法中，流迁移前的网络示意图如图1所示，网络中有多种业务由源主机Src发往目的节点主机Dst，网络中已承载有业务流：分别是尽力交付型业务，其传输路径是ADM和AEM，占用带宽资源为7M/s；Data业务，其传输路径是AFGHM，占用带宽资源为8M/s；Audio业务，其传输路径是ABCM，占用带宽资源为11M/s。现到来两条业务流：Video业务，需占用带宽20M/s；Audio业务，延迟要求为1ms以下，需要从源节点发送至目的节点。对于Video业务流，现有网络状态带宽资源不满足其需求；对于Audio业务流，现有网络状态QoS不满足其需求，两者均需要对现有网络中的尽力交付型业务进行迁移，以满足各自的顺利交付；

具体的流迁移流程如图3所示，各个步骤如下所示：

(1)记录并得到链路上传输的业务信息vInfo_(i,j)，如以下公式所述：

vInfo_(i,j)＝{vn_(i,j),FInfo_(i,j),Path_(i,j)}

公式vInfo_(i,j)＝{vn_(i,j),FInfo_(i,j),Path_(i,j)}中，vn_(i,j)——链路link_(i,j)的标号；FInfo_(i,j)——标号为vn_(i,j)的链路上所有传输的业务流集合；Path_(i,j)——传输的业务流对应的路径集合。

公式中，——业务流信息；——该业务的源节点；——该业务的目的节点；——该业务占用带宽资源大小；——业务类型。

(2)解析处理不成功的业务流s，得到其源节点src和目的节点des。使用改进的K最短路径算法选择前K条带宽资源充足，跳数较少的路径。不能交付的业务流记为s，其信息为{src,des,val,type}，判断不能顺利交付的业务的原因，通过提取该业务的源节点和目的节点，采用改进K最短路径选择出前2*K条路径，然后在该2*K条路径中选择满足QoS保障的前K条路径。改进的K最短路径是对迪杰斯特拉算法中的权值进行重定义，以链路剩余带宽倒数作为权值，在进行选择时，选择路径权值较小的，选择方案权值目标函数如下公式所示：公式中，p——选择的路径；load_(i,j)——链路(i,j)的剩余带宽。

(3)判断多媒体业务流s所属调度类型，若是类型2则执行步骤(4)，否则执行步骤(5)。类型2指的是业务流传输路径能够满足带宽条件约束，但QoS不达标的业务流。

(4)判断K条路径中，是否有满足该业务流带宽需求的路径。有则执行步骤(9)，否则执行步骤(5)。

(5)在K条路径中根据QoS判断方法，选择前K/2条满足QoS保障的路径。

(6)根据代价计算公式，如下所示，并在K/2条路径中选择迁移代价最低的路径。在筛选后的K条路径中，采用以迁移代价为判断标准的方法进行选择，选择出一条最优迁移路径，对在路径上传输的尽力交付型业务进行迁移。首先将K条路径上所有的尽力交付型业务，按照占用资源从大到小的顺序，逐个判断其能否迁移成功，即满足迁移后的业务能找到相应传输路径，并判断其迁移代价，迁移代价为需要迁移的业务流数量。其中，公式中，pm——K条路径中，需要迁移的路径；em(i,j)——链路(i,j)上的尽力交付型业务流，em——是否能迁移成功，若被迁移的尽力交付型业务流有路径，则其值为1，否则为0。

(7)使用贪婪算法对该路径上的所有尽力交付型业务流进行迁移，直到能够满足多媒体业务流s的带宽需求。对所有组成该路径的带宽资源不充足的链路，按照资源的顺序对其上传输的尽力交付型业务进行路径预迁移，直到其满足带宽需求为止。由于路径迁移的数量决定重新调用寻径算法的次数，因此以数量为迁移代价。对于路径跳数相同，剩余带宽不同的，选择迁移代价最低的路径，然后进行实际的迁移。对于剩余带宽相同，跳数不同的，首先判断K条路径中，是否有满足其负载的路径，若有则进行迁移，没有则选择迁移代价最低的路径，然后进行实际的迁移。对于路径(i,j)上迁移走的尽力交付型业务流，使用迪杰斯特拉最短路径算法寻找新路径，然后对路径进行处理，使得路径不出现环路现象。对尽力交付型业务的迁移信息和多媒体业务的传输信息进行重新记录。

(8)对网络链路带宽资源Load进行更新，链路传输业务信息VInfo进行更新。

流迁移后的网络示意图如图2所示，将现有网络中ADM路径上尽力交付型业务迁移至路径ABCM上，以空闲出足够的带宽资源满足业务流Video的传输；将现有网络中AEM路径上的交付性业务迁移至AFGHM路径上，以空闲出满足业务流Audio延迟的路径。通过对图中所示带宽碎片和带宽资源分配不合理导致的业务流不能顺利交付的情景进行尽力交付型业务迁移，来提高SDN网络下多业务流的传输质量和网络性能；

(9)输出被迁移的所有尽力交付型业务的路径和多媒体业务s的路径。

Claims (4)

1.一种基于软件定义网络流调度下的提高网络吞吐量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)记录并得到链路上传输的业务信息vInfo_(i,j)，如以下公式所述：

vInfo_(i,j)＝{vn_(i,j),FInfo_(i,j),Path_(i,j)}

式中，vn_(i,j)——链路link_(i,j)的标号；FInfo_(i,j)——标号为vn_(i,j)的链路上所有传输的业务流集合；Path_(i,j)——传输的业务流对应的路径集合；公式中， ——业务流信息；——该业务的源节点；——该业务的目的节点；——该业务占用带宽资源大小；——业务类型；

(2)解析处理不成功的业务流s，得到其源节点src和目的节点des，使用改进的K最短路径算法选择前K条带宽资源充足，跳数较少的路径；

(3)判断多媒体业务流s所属调度类型，若是类型1则执行步骤(4)，否则执行步骤(5)；所述的类型1指的是网络带宽碎片导致的单条路径带宽不足的业务流；

(4)判断K条路径中，是否有满足多媒体业务流s带宽需求的路径，有则执行步骤(9)，否则执行步骤(5)；

(5)在K条路径中根据QoS判断方法，选择前K/2条满足QoS保障的路径；

(6)根据如下所示的代价计算公式，并在K/2条路径中选择迁移代价最低的路径：

pm——K条路径中，需要迁移的路径；em(i,j)——链路(i,j)上的尽力交付型业务流，em——是否能迁移成功，若被迁移的尽力交付型业务流有路径，则其值为1，否则为0；

(7)使用贪婪算法对该路径上的尽力交付型业务流进行迁移，直到能够满足多媒体业务流s的带宽需求；

(8)对网络链路带宽资源Load、链路传输业务信息VInfo进行迁移后的更新；

(9)输出被迁移的所有尽力交付型业务的路径和多媒体业务s的路径。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络流调度下的提高网络吞吐量的方法，其特征在于，所述的步骤(2)具体为：

不能交付的业务流记为s，其信息为{src,des,val,type}，判断不能顺利交付的业务的原因，通过提取该业务的源节点和目的节点，采用改进K最短路径选择出前2*K条路径，然后在该2*K条路径中选择满足QoS保障的前K条路径，改进的K最短路径是对迪杰斯特拉算法中的权值进行重定义，以链路剩余带宽倒数作为权值，在进行选择时，选择路径权值较小的，选择方案权值目标函数如下公式所示：公式中，p——选择的路径；load_(i,j)——链路(i,j)的剩余带宽。

3.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络流调度下的提高网络吞吐量的方法，其特征在于，所述的步骤(6)具体为：在筛选后的K条路径中，采用以迁移代价为判断标准的方法进行选择，选择出一条最优迁移路径，对在路径上传输的尽力交付型业务进行迁移；首先将K条路径上所有的尽力交付型业务，按照占用资源从大到小的顺序，逐个判断其能否迁移成功，即满足迁移后的业务能找到相应传输路径，并判断其迁移代价，迁移代价为需要迁移的业务流数量。

4.根据权利要求1所述的一种基于软件定义网络流调度下的提高网络吞吐量的方法，其特征在于，所述的步骤(7)具体为：

对所有组成该路径的带宽资源不充足的链路，按照资源的顺序对其上传输的尽力交付型业务进行路径预迁移，直到其满足带宽需求为止；由于路径迁移的数量决定重新调用寻径算法的次数，因此以数量为迁移代价；对于路径跳数相同，剩余带宽不同的，选择迁移代价最低的路径，然后进行实际的迁移；对于剩余带宽相同，跳数不同的，首先判断K条路径中，是否有满足其负载的路径，若有则进行迁移，没有则选择迁移代价最低的路径，然后进行实际的迁移；对于路径(i,j)上迁移走的尽力交付型业务流，使用迪杰斯特拉最短路径算法寻找新路径，然后对路径进行处理，使得路径不出现环路现象；对尽力交付型业务的迁移信息和多媒体业务的传输信息进行重新记录。