CN107948067B - 一种软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法，属于软件定义网络架构负载均衡计算技术领域。本发明在SDN环境下，利用SDN集中控制的全局性优势，将改进的K最短路径算法与QoS保障相结合，以链路的负载均衡度为目标函数，以业务的QoS参数为约束条件，在K条最短路径中选择最佳路径。本发明实现了网络对业务流处理的高区分度处理，对不同的业务按需提供资源，增加了业务对网络需求的灵活性程度；可以有效提升网络吞吐量和流接受率，同时降低选择路径的时延和链路的丢包率。因此，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，对需要业务保障的业务能够保证其基本的业务需求。

Description

一种软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法

技术领域

本发明属于软件定义网络架构(Software Defined Network，SDN)负载均衡计算技术领域，具体涉及一种软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法。

背景技术

QoS是指网络能够运用各种技术解决网络延迟和阻塞问题，为指定的网络通信提供更好的服务能力。链路资源可以根据当前的业务需求和链路情况，灵活调整网络中的流量负载来适应网络流量的变化而链路负载均衡是将流量的传输相对均衡地分配在网络链路上，从而提升网络的性能以及流传输的质量。

由于网络设备及环境限制，传统网络链路负载均衡算法(随机算法、轮询算法、加权轮询算法、最少连接算法、加权最小连接算法等。)为静态非实时性负载均衡，只能从局部网络进行优化，不能根据网络资源状态的变化进行方案的调整，并且传统网络架构的臃肿和业务不敏感性导致只能单独地研究业务 QoS或者是网络负载均衡。随着网络新业务的不断出现以及日趋紧张的网络资源对传统网络架构提出了新的挑战，需要一种新型网络架构对业务的多样性和资源利用率同时进行考虑。

软件定义网络架构(Software Defined Network，SDN)网络架构数据层和控制层分离，集中控制和可编程的优点，为两者的结合提供了基础和方向。基于集中控制的SDN控制器，能够在全局网络视图下，对网络状态信息进行掌控，通过改进控制器中可编程的路径决策模块，对业务流进行实时动态的路径规划，并下发流表细粒度地指导业务流进行传输，使其能够保障业务的QoS，同时提高带宽资源利用率。但是现有文献对SDN网络架构下两者的结合存在着以下三个问题：(1)未充分利用SDN集中控制和全局视图的优势；(2)单纯以提升网络的负载均衡性，并未对网络中不同的业务流进行区分；(3)单纯以提高业务QoS为目标，未考虑网络资源的使用率。

因此，在SDN环境下以提升网络资源利用率和业务QoS为目标，实施保障QoS的多业务流调度具有非常重要的研究意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法，该方法能够在保证业务基本QoS的同时均衡占用链路资源，有效缓解网络拥塞，提高网络吞吐量和带宽利用率，降低网络时延和丢包率，改善网络整体性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法，包括以下步骤：

Step1：初始化网络拓扑和流事件，对流事件i进行路径选择，i＝1,2……n；

Step2：判断到来的业务流事件是否达到最大值Num_flow，如果未达到则执行Step3，否则执行Step4；

Step3：改进网络拓扑，转向Step2；

Step4：判断网络拓扑中的链路剩余带宽是否满足业务流带宽需求，如果没有则执行Step5，否则执行Step6；

Step5：删除此条链路；

Step6：使用改进K值最短路径算法从中选出前K条资源充足、跳数少的路径；

Step7：判断业务流是否需要QoS保障，如果需要则执行Step8，否则执行 Step10；

Step8：在K条路径中根据QoS判断方法，选择M条满足QoS保障的路径；

Step9：判断M是否不小于K/2，如果不小于则令M＝K/2，否则M＝M；

Step10：根据负载均衡度计算公式选出负载均衡度最高的路径；

Step11：输出相关性能评估参数值，结束。

优选地，Step1中，网络拓扑中包括拓扑节点数目N，节点延迟Delay，链路数目SN，链路带宽BW，链路丢包率Loss；业务流数目Num_flow；还包括四种业务流的数目，分别为邮件Num_email、数据Num_data、语音Num_audio、视频Num_video，各业务的带宽需求最大值Flow_max(email/data/audio/video)和最小值 Flow_min(email/data/audio/video)；流事件i的到来服从泊松分布，离开服从寿命函数。

优选地，所述Step4中，判断网络拓扑中的链路剩余带宽是否满足业务流带宽需求，其中，业务流带宽约束条件为：

0＜bw_s≤BW_{(i,j)∈path(s)}；

式中，bw_s为业务S所需的带宽，BW_{(i,j)∈path(s)}为业务S所经过链路(i,j)的网络剩余带宽资源。

优选地，所述Step6中，改进K值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，选择路径权值小的，选择方案权值的目标函数如下公式所示：

式中，p为选择的路径，load_(i,j)为链路(i,j)的剩余带宽。

优选地，所述Step7中，QoS保障的约束条件为：

q(s)≥q_Ensure(s)；

式中，q_Ensure(s)为对应业务的最低QoS值。

优选地，所述Step8中，QoS判断方法由业务类型和其QoS模型决定，不同业务的QoS与其选择路径的时延和丢包率相关，时延的计算公式如下：

式中，d_e2e为路径的延时，delay_node为节点的延时；

丢包率的计算公式如下：

式中，l_e2e为路径的丢包率，lossRate_link为链路的丢包率。

进一步优选地，当业务类型为数据业务时，则有：

QoS_′data＝λ·log(μ·o_d·(1-l_e2e))；

式中，o_d为Data业务平均比特率，λ、μ均为网络模型特定参数值；

当业务类型为话音业务时，则有：

式中，T为当无丢包和延迟时，Audio最大的QoS值，γ、δ、ε、

为根据具体网络模型而确定的值；

当业务类型为视频业务时，则有：

式中，c_v为视频编码格式，o_v为比特率，R(c_v,o_v)和Q(c_v)为网络模型特定函数；当视频采用H.264高清格式时，Q(c_v)用值3.5近似，R(c_v,o_v)用Ic近似，其中v₁＝3.8，B_r＝10⁵Mbps，v₂＝3.6。

优选地，Step10中，将负载均衡度定义为链路带宽的均方差，即当前所有链路剩余带宽值与平均带宽值差的平方和，如下式：

式中，SN为链路数目，BW_ij为链路(i,j)的带宽。

优选地，Step11中，从带宽资源占用率、网络吞吐量和数据流接受率三个指标进行评估，评估公式如下：

(1)带宽占用率

带宽占用率表示当前网络情况下，所有的业务流占用的带宽资源比率；式中，n为网络节点的个数，lc_ij为链路(i,j)的当前带宽，lp_ij为初始时链路(i,j)最大带宽容量；

(2)网络吞吐量

TR_flow＝FAE_max；

网络吞吐量表示当业务流持续时间无限长时，网络能够成功发送的最大流数目；式中，FAE_max为接受流的最大个数，为四种业务流吞吐量之和；

(3)数据流接受率

式中，f_s(t)为截止到当前时刻，成功发送的流个数；f_c(t)表示截止到当前时刻，接收到流的总数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明在SDN环境下，利用SDN集中控制的全局性优势，将改进的K最短路径算法与QoS保障相结合，以链路的负载均衡度为目标函数，以业务的 QoS参数为约束条件，在K条最短路径中选择最佳路径。本发明实现了网络对业务流处理的高区分度处理，对不同的业务按需提供资源，增加了业务对网络需求的灵活性程度；可以有效提升网络吞吐量和流接受率，同时降低选择路径的时延和链路的丢包率。因此，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，对需要业务保障的业务能够保证其基本的业务需求。具体优势如下：

1、本发明结合网络中常见的业务特征，将SDN网络中业务总体划分为对 QoS无要求的尽力交付型业务和对QoS有要求的区分服务型业务两大类，并给出不同业务带宽资源需求范围和多媒体业务的QoS值计算方式。区分服务型业务流处理能够解决网络链路带宽分配不合理的问题，区分型业务流调度通过对不同的业务差异化处理，以保证各种业务的传输质量。

2、本发明先将不满足业务流带宽需求的链路删除，增加了算法的效率。然后通过保证其QoS(QoS较高的路径通常是跳数较少的路径)，选择使用改进的K最短路径算法。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，并通过扩大K最短路径算法的K值，来简单、高效、快速地选择出符合QoS约束条件的路径。

进一步地，本发明将负载均衡度定义为链路带宽的均方差，为当前所有链路剩余带宽值与平均带宽值差的平方和。链路带宽的均方差作为目标函数，有利于业务流在进行路径选择时达到均衡占用链路资源的目的，能够提高网络资源利用率。

附图说明

图1为SDN多业务流负载均衡问题模型图；

图2为多业务流调度策略的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

1、多业务流负载均衡物理模型图

参见图1，物理模型分为两层，控制层和数据设备层，控制层负责对交换机和流传输进行控制和决策，每个控制器负责一定数量的交换机，控制器间使用东西向接口协议通信；数据设备层主要负责流的转发，控制器和交换机间使用OpenFlow协议进行通信。不同业务流进入到网络时，控制器根据网络状态和流信息计算并制定满足特定负载均衡策略的转发路径，交换机则根据控制器下发的流表实现业务流的转发。业务流传输过程中，其时延主要来自在交换机处排队等待时延和处理时延，丢包率主要来自链路的丢包率，这两项是影响流传输质量的主要因素。交换机能够根据流表项存活时间来决定调用负载均衡算法的频率。

2、基于QoS保障的多业务流调度方法

具体流程参见图2，包括以下步骤：

Step1：初始化流拓扑和流事件。网络拓扑节点数目N，节点延迟Delay，链路数目SN，链路带宽BW，链路丢包率Loss；业务流数目Num_flow，四种业务流数目，邮件Num_email、数据Num_data、语音Num_audio、视频Num_video，各业务的带宽需求最大值Flow_max(email/data/audio/video)和最小值Flow_min(email/data/audio/video)；流事件的到来服从泊松分布，离开服从寿命函数；

Step2：判断到来的业务流事件是否达到最大值Num_flow，如果未达到则执行Step3，否则执行Step4；

Step3：改进网络拓扑，转向Step2；

Step4：判断拓扑中是否有满足该业务流带宽需求的链路。没有则执行 Step5，否则执行Step6；

Step5：删除此条链路；

Step6：使用改进K最短路径算法从中选出前K条带宽资源充足，跳数较少的路径；

Step7：判断多媒体业务流是否需要QoS保障，如果需要则执行Step8，否则执行Step10；

Step8：在K条路径中根据QoS判断方法，选择M条满足QoS保障的路径；

Step9：判断M是否不小于K/2，如果不小于则令M＝K/2，否则M＝M；

Step10：根据负载均衡度计算公式从中选出负载均衡度最高的路径；

Step11：输出相关性能评估参数值。包括带宽利用率，网络吞吐量、数据流接受率、网络负载均衡度、选路时延、链路丢包率以及业务平均QoS；

Step12：结束。

优选地，Step4中，判断网络拓扑中的链路是否满足业务S所需的带宽，如果不满足则将此条链路删除，以减少改进的K最短路径算法的复杂度。其中流带宽约束条件为：

0＜bw_s≤BW_{(i,j)∈path(s)}；

上式为业务的带宽资源限制，bw_s为业务S所需的带宽，BW_{(i,j)∈path(s)}为业务S 所经过链路(i,j)的网络剩余带宽资源。

优选地，Step6中，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，其中选择方案权值的目标函数如下公式所示：

式中，p为选择的路径，load_(i,j)为链路(i,j)的剩余带宽。

优选地，Step7中，综合现有业务分类方式的优点和网络中常见的业务特点，将SDN网络中的业务总体划分为对QoS无要求的尽力交付型业务和对QoS 有要求的区分服务型业务。网络中的尽力交付型业务，如Web应用或者Email 设置等，无时间限制或丢包率限制则不需要QoS保障，但对于区分服务型业务，如多媒体业务，时延和丢包率影响用户的直接感受，此时QoS就很重要。其QoS的约束条件为：

q(s)≥q_Ensure(s)；

上式为业务的QoS限制，为保障业务的服务质量，业务的QoS有最低限制，q_Ensure(s)为对应业务的最低QoS值。

优选地，Step8中，网络中的业务流种类很多，有网页浏览，音频，视频业务等，各种业务所需求的QoS参数不同。为了保证不同业务的服务质量，根据不同多媒体业务的特点，给出不同业务带宽资源需求范围和多媒体业务的 QoS值计算方法，来对算法性能进行评估。业务流QoS的计算方式由业务类型和其QoS模型决定，不同业务的QoS与其选择路径的时延和丢包率有关。时延是加法规则的，由选择路径的每个节点时延之和决定，丢包率是乘法规则的，由链路未丢包率之积决定。时延和丢包率如下所示：

(1)式中，d_e2e为路径的延时，delay_node为节点的延时，(2)式中l_e2e为路径的丢包率，lossRate_link——链路的丢包率。

(1)数据业务

QoS_′data＝λ·log(μ·o_d·(1-l_e2e))；

式中，o_d——Data业务平均比特率，λ、μ——网络模型特定参数值。本发明选取λ＝0.85，μ＝2.416，o_d＝10⁵Mbps。

(2)话音业务

式中，T——当无丢包和延迟时，Audio最大的QoS值，γ、δ、ε、

根据具体网络模型的而确定的值。本发明中选取T＝5，γ＝0.195，δ＝2.64×10^-3，ε＝1.86×10^-5，

(3)视频业务

(1)式中，c_v为视频编码格式，o_v为比特率，R(c_v,o_v)和Q(c_v)为网络模型特定函数。视频采用H.264高清格式时，Q(c_v)用值3.5近似，R(c_v,o_v)用(2)式中Ic近似，其中v₁＝3.8，B_r＝10⁵Mbps，v₂＝3.6。

优选地，Step10中，将负载均衡度定义为链路带宽的均方差，即当前所有链路剩余带宽值与平均带宽值差的平方和，如下所示：

式中，SN为链路数目，BW_ij为链路(i,j)的带宽。

优选地，Step11中，为验证多业务流链路负载均衡的有效性，从带宽资源占用率、网络吞吐量和数据流接受率等网络性能指标进行评估。评估公式如下：

(1)带宽占用率

带宽占用率表示，当前网络情况下，所有的业务流占用的带宽资源比率。式中，n为网络节点的个数，lc_ij为链路(i,j)的当前带宽，lp_ij为初始时链路(i,j)最大带宽容量。

(2)网络吞吐量

TR_flow＝FAE_max；

网络吞吐量表示当业务流持续时间无限长时，网络能够成功发送的最大流数目。式中，FAE_max为接受流的最大个数，为四种业务流吞吐量之和。

(3)数据流接受率

式中，f_s(t)为截止到当前时刻，成功发送的流个数，f_c(t)表示截止到当前时刻，接收到流的总数。

本发明实现了网络对业务流处理的高区分度处理，对不同的业务按需提供资源，增加了业务对网络需求的灵活性程度；可以有效提升网络吞吐量和流接受率，同时降低选择路径的时延和链路的丢包率。因此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，对需要业务保障的业务能够保证其基本的业务需求。具体优点如下：

(1)网络中的业务流种类很多，不同类型的业务具有不同的网络需求。例如后台维护和配置业务，对网络的时延以及丢包率要求较低，而与用户体验相关的多媒体业务，如视频、语音和数据等业务，对网络的时延和丢包率要求较高。本发明综合现有分类方式的优点，结合网络中常见的业务特征，将SDN网络中业务总体划分为对QoS无要求的尽力交付型业务和对QoS有要求的区分服务型业务两大类，并根据相关文献给出不同业务带宽资源需求范围和多媒体业务的QoS值计算方式。区分服务型业务流处理能够解决网络链路带宽分配不合理的问题，区分型业务流调度通过对不同的业务差异化处理，以保证各种业务的传输质量。

(2)本发明先将不满足业务流带宽需求的链路删除，增加了算法的效率。然后通过保证其QoS(QoS较高的路径通常是跳数较少的路径)，选择使用改进的 K最短路径算法。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，其中选择方案权值的目标函数公式定义为：

并通过扩大K最短路径算法的K值，来简单、高效、快速地选择出符合QoS约束条件的路径。

(3)本发明将负载均衡度定义为链路带宽的均方差，为当前所有链路剩余带宽值与平均带宽值差的平方和。链路带宽的均方差作为目标函数，有利于业务流在进行路径选择时达到均衡占用链路资源的目的，能够提高网络资源利用率。其中负载均衡度公式如下：

。

Claims (7)

1.一种软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

Step1：初始化网络拓扑和流事件，对流事件i进行路径选择，i＝1,2……n；

Step2：判断到来的业务流事件是否达到最大值Num_flow，如果未达到则执行Step3，否则执行Step4；

Step3：改进网络拓扑，转向Step2；

Step4：判断网络拓扑中的链路剩余带宽是否满足业务流带宽需求，如果没有则执行Step5，否则执行Step6；

Step5：删除此条链路；

Step6：使用改进K值最短路径算法从中选出前K条资源充足、跳数少的路径；

Step7：判断业务流是否需要QoS保障，如果需要则执行Step8，否则执行Step10；

Step8：在K条路径中根据QoS判断方法，选择M条满足QoS保障的路径；

QoS判断方法由业务类型和其QoS模型决定，不同业务的QoS与其选择路径的时延和丢包率相关，时延的计算公式如下：

式中，d_e2e为路径的延时，delay_node为节点的延时；

丢包率的计算公式如下：

式中，l_e2e为路径的丢包率，lossRate_link为链路的丢包率；

当业务类型为数据业务时，则有：

QoS_′data＝λ·log(μ·o_d·(1-l_e2e))；

式中，o_d为Data业务平均比特率，λ、μ均为网络模型特定参数值；

当业务类型为话音业务时，则有：

式中，T为当无丢包和延迟时，Audio最大的QoS值，γ、δ、ε、

为根据具体网络模型而确定的值；

当业务类型为视频业务时，则有：

式中，c_v为视频编码格式，o_v为比特率，R(c_v,o_v)和Q(c_v)为网络模型特定函数；当视频采用H.264高清格式时，Q(c_v)用值3.5近似，R(c_v,o_v)用Ic近似，其中v₁＝3.8，B_r＝10⁵Mbps，v₂＝3.6；

Step9：判断M是否不小于K/2，如果不小于则令M＝K/2，否则M＝M；

Step10：根据负载均衡度计算公式选出负载均衡度最高的路径；

Step11：输出相关性能评估参数值，结束。

2.根据权利要求1所述的软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法，其特征在于，Step1中，网络拓扑中包括拓扑节点数目N，节点延迟Delay，链路数目SN，链路带宽BW，链路丢包率Loss；业务流数目Num_flow；还包括四种业务流的数目，分别为邮件Num_email、数据Num_data、语音Num_audio、视频Num_video，各业务的带宽需求最大值Flow_max(email/data/audio/video)和最小值Flow_min(email/data/audio/video)；流事件i的到来服从泊松分布，离开服从寿命函数。

3.根据权利要求1所述的软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法，其特征在于，所述Step4中，判断网络拓扑中的链路剩余带宽是否满足业务流带宽需求，其中，业务流带宽约束条件为：

0<bw_s≤BW_{(i,j)∈path(s)}；

式中，bw_s为业务S所需的带宽，BW_{(i,j)∈path(s)}为业务S所经过链路(i,j)的网络剩余带宽资源。

4.根据权利要求1所述的软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法，其特征在于，所述Step6中，改进K值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，选择路径权值小的，选择方案权值的目标函数如下公式所示：

式中，p为选择的路径，load_(i,j)为链路(i,j)的剩余带宽。

5.根据权利要求1所述的软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法，其特征在于，所述Step7中，QoS保障的约束条件为：

q(s)≥q_Ensure(s)；

式中，q_Ensure(s)为对应业务的最低QoS值。

6.根据权利要求1所述的软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法，其特征在于，Step10中，将负载均衡度定义为链路带宽的均方差，即当前所有链路剩余带宽值与平均带宽值差的平方和，如下式：

式中，SN为链路数目，BW_ij为链路(i,j)的带宽。

7.根据权利要求1所述的软件定义网络中多业务流QoS保障的链路负载均衡方法，其特征在于，Step11中，从带宽资源占用率、网络吞吐量和数据流接受率三个指标进行评估，评估公式如下：

(1)带宽占用率

带宽占用率表示当前网络情况下，所有的业务流占用的带宽资源比率；式中，n为网络节点的个数，lc_ij为链路(i,j)的当前带宽，lp_ij为初始时链路(i,j)最大带宽容量；

(2)网络吞吐量

TR_flow＝FAE_max；

网络吞吐量表示当业务流持续时间无限长时，网络能够成功发送的最大流数目；式中，FAE_max为接受流的最大个数，为四种业务流吞吐量之和；

(3)数据流接受率

式中，f_s(t)为截止到当前时刻，成功发送的流个数；f_c(t)表示截止到当前时刻，接收到流的总数。

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