CN108183828A - 一种基于局部无线网络拓扑的流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于局部无线网络拓扑的流量控制方法，属于无线网络通信技术领域，首先建立一个无线网络拓扑图并取其一个局部进行分析，然后在已知链路带宽和权重的基础下，计算出每条链路的带宽的利用率，从而得到每条路径带宽的利用率，再结合每条路径之前的拥塞状况构建一个目标函数并计算其值，最后根据计算出来的函数值选择出来一条最合理的路径，本发明采用拉格朗日松弛技术，通过松弛将约束条件通过参数转移到目标函数，降低算法的复杂度，求出原数学模型中的最优解，有效的平衡网络负载，增强网络资源的利用率，加大数据的吞吐能力。

Description

一种基于局部无线网络拓扑的流量控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于局部无线网络拓扑的流量控制方法，属于无线网络通信技术领域。

背景技术

随着互联网的用户群体不断壮大，网络的硬件建设不断扩大，用户对互联网资源的需求量越来越大，因此，不论从用户方面还是ISP方面来看，网络的环境都变得越来越庞大繁杂。庞大繁杂的用户群体、越发多样化的互联网应用，使得网络的数据转发负担越发巨大，网络硬件设备cpu超负荷运转，丢包率上升，时延加大。整体网络性能难以处理不同时段突发流量的拥塞情况。互联网是一个共享式的网络，接入互联网的所有用户都可以访问共享资源。因为缺少类似于“接那控制”的策略，互联网不能动态的以不同数量用户和网络资源情况实时分配资源；同时，由于绝大部分的互联网应用都是基于C-S架构的，互联网服务商无法决定和控制用户使用互联网资源的数量。如今，庞大繁杂的用户群体，多样化的业务访问，已经使得互联网常常发生拥塞。从一方面来讲，网络发生拥塞虽然有资源短缺的因素，但对于ISP来说，单纯的增加资源并不是最佳的解决方案。例如,如果单纯的增加路由器中队列缓存的存储容量，会使得排队队列变长，排队时间和延时增加。如果数据包通过路由器的各种转发时延、排队时延等时延总和超过TCP端系统重传的设定时间，就会造成分组重传，这样反而使得拥塞状况更加严重。对于不同的业务，用户的访问量是不同，对于同一目的的访问量来说，互联网的业务流量是不均衡的，但对于同一目的的访问路径可以有多种，但若是单一的通过路由算法得出的最佳路由转发数据，势必造成网络拥塞，这种访问量造成的流量不均衡而导致的拥塞问题，无法通过单纯的增加资源来解决。通过算法找出多条最优路由，均衡流量是目前最好的解决方案。

通过网络内的流量情况(包括时延、利用率等)可以看出一个网络的性能，分析流量的实际动向，动态的调整数据的转发路径可以有效的提高流量的转发率、吞吐量，从而达到优化网络性能的目的。不言而喻，庞大繁杂的用户和多样化的业务应用，大量的流量如何在网络内畅通转发，减少拥塞亟待解决。目前已经有不少研究人员关注通信网络流量分配的问题。而流量的分配势必运用动态分配，互联网流量的产生由于用户的庞杂和多样化定然是高度波动的，静态的分布流量显然不是最佳解决方案。

发明内容

为了克服现有的QoS的最佳路由算法只是在网络拥塞时单一更改路由的不足，本发明提出一种基于局部无线网络拓扑的流量控制方法，动态调整无线网络中流量的分配，基于路径的最小化最大带宽利用率和前期的拥塞状况，通过拉格朗日松弛的数学方法实现多QoS约束的路由算法，更加合理有效的平衡网络中的负载，增加资源利用率，加大数据的吞吐量。

本发明的技术方案是：一种基于局部无线网络拓扑的流量控制方法，具体步骤如下：

(1)首先建立一个无线网络拓扑模型，本网络模型由交换节点、链路和主机组成，将构建的无线网络拓扑模型抽象为有向图G(V，E)，其中V为图G 的节点集，E为图G的链路集，选取有向图G中的局部网络图进行研究，在该局部网络图中，定义D表示局部网络图的节点集，D∈V，定义L表示局部网络图的链路集，L∈E；

(2)计算所选取局部网络图中链路带宽的利用率，定义l表示链路，且l∈L，则链路l带宽的利用率为：

其中，w表示链路l的权重，w的取值范围为1～65535，W表示局部网络图中链路的权重集，则W＝{w|w_l∈{1,2,…,65535}}，d表示节点对，即d为所取局部网络图中的源节点和目的节点这一节点对，D表示所构建的无线网络图中的所有的源节点和目的节点对集，d∈D，j表示所取局部网络图内，从源节点到目的节点的任意一条路径，的取值为0或1，当从源节点到目的节点的路径经过链路l时，的取值为1，若不经过链路l时，则的值为0，x_dj(w)表示在所取的局部网络图内，从源节点到目的节点的每条路径j的流量，J表示所选取的局部无线网络图中所有路径集；

(3)定义目标函数：F(α，β)＝αδ_dj+βη(w) (1)

本目标函数的约束条件如下：

其中，h_d表示所取局部网路图中的源节点和目的节点这一节点对的业务量，δ_dj表示所选取的局部无线网络路径在前一次传输数据过程中的网络拥塞状况，当拥塞时取值为1，反之，取值为0，α，β两个参数用来调整组成目标函数两部分的权重，当主要研究无线网络的拥塞状况时，令α>β，当主要研究链路带宽的最大利用率时，令α<β；

(4)松弛目标函数：将步骤(3)的目标函数F(α，β)＝αδ_dj+βη(w)引用非负乘子π＝{π_l,l∈L}，松弛步骤(3)目标函数的第二个约束条件，得到函数如下：

本公式(2)的约束条件为：∑_j∈Jx_dj(w)＝h_d,d∈D；w∈W，

将公式(2)整理后得如下公式(3)：

定义集合Π＝{π|∑_l∈Lπ_lc_l＝β},则当π∈Π时，η(w)的系数为零，则L(w；π) 变成一个最小化问题，即目标函数进一步被松驰为公式(4)：

公式(4)的约束条件为∑_j∈Jx_dj(w)＝h_d,d∈D；w∈W，π∈Π；

由于β是选取的参数值，所有链路的β值相同，所以由Π＝{π|∑_l∈Lπ_lc_l＝β} 可计算出每条链路对应的π_l值；

(5)选取最优路径：利用步骤(4)的公式(4)，得到所选取的局部网络的所有的函数式，然后公式(4)的第一部分αδ_dj的值为0或α，将αδ_dj的值为α的路径去掉，比较公式(4)中αδ_dj的值为0的第二部分值的大小，将最大值的函数代表的路径选作最优路径。

本发明的有益效果是：

(1)本发明方法为无线通信网络中流量控制提供了一种新的分配方法，不仅为通信链路的选择提供一种更优化的方法，而且对降低网络拥塞提供了一种很好地分配方法。

(2)本发明方法通过利用拉格朗日松弛算法，松弛掉增加算法难度的约束条件，使原目标函数的极值求解变得简单，同时动态的考虑链路的流量分配情况和链路利用率，实现动态分配网络带宽。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明实施例1的无线网络拓扑模型的有向图；

图3为本发明实施例1的局部有向图。

具体实施方式

实施例1：基于局部无线网络拓扑的流量控制方法，具体步骤如下：

(1)首先建立一个无线网络拓扑模型，如图2所示，本网络模型由交换节点、链路和主机组成，将构建的无线网络拓扑模型抽象为有向图G(V，E)，其中V为图G的节点集，E为图G的链路集，选取有向图G中的局部网络图进行研究，如图3所示，在该局部网络图中，定义D表示局部网络图的节点集，D∈V，定义L表示局部网络图的链路集，L∈E；

(2)计算所选取局部网络图中链路带宽的利用率，定义l表示链路，且l∈L，则链路l带宽的利用率公式为：其中，w表示链路l的权重，w的取值范围为1～65535，W表示局部网络图中链路的权重集，则 W＝{w|w_l∈{1,2,…,65535}}，d表示节点对，即d为所取局部网络图中的源节点和目的节点这一节点对，D表示所构建的无线网络图中的所有的源节点和目的节点对集，d∈D，j表示所取局部网络图内，从源节点到目的节点的任意一条路径，的取值为0或1，当从源节点到目的节点的路径经过链路l时，的取值为1，若不经过链路l时，则的值为0，x_dj(w)表示在所取的局部网络图内，从源节点到目的节点的每条路径j的流量，J表示所选取的局部无线网络图中所有路径集，在图3中，A，B分别表示源节点和目的节点，其中j₁、j₂、j₃为A节点到B节点的3条路径，且每条路径只有一条链路分别为l₁、l₂、l₃，并设l₁、l₂、l₃三条链路的权重分别为6、4、8，l₁、l₂、l₃三条链路带宽分别为3、2、3，假设分配到每条路径上的流量相同且为12，则可以计算出三条链路的带宽利用率分别为：

η_l1(6)＝(1*12)/3＝4，η_l2(4)＝(1*12)/2＝6，η_l3(8)＝(1*12)/3＝4

(3)定义目标函数：F(α，β)＝αδ_dj+βη(w) (1)

本目标函数的约束条件如下：

其中，h_d表示所取局部网路图中的源节点和目的节点这一节点对的业务量，δ_dj表示所选取的局部无线网络路径在前一次传输数据过程中的网络拥塞状况，当拥塞时取值为1，反之，取值为0，α，β两个参数用来调整组成目标函数两部分的权重，当主要研究无线网络的拥塞状况时，令α>β，当主要研究链路带宽的最大利用率时，令α<β，在本实施例中主要研究利用率，另α<β；

假设链路j₁之前拥塞，j₂、j₃之前不堵塞，其中第二个约束条件可以算得为 12＝12，符合

(4)松弛目标函数：将步骤(3)的目标函数F(α，β)＝αδ_dj+βη(w)引用非负乘子π＝{π_l,l∈L}，松弛步骤(3)目标函数的第二个约束条件，得到函数如下：

本公式(2)的约束条件为：∑_j∈Jx_dj(w)＝h_d,d∈D；w∈W，

将公式(2)整理后得如下公式(3)：

定义集合Π＝{π|∑_l∈Lπ_lc_l＝β},则当π∈Π时，η(w)的系数为零，则L(w；π) 变成一个最小化问题，即目标函数进一步被松驰为公式(4)：

公式(4)的约束条件为∑_j∈Jx_dj(w)＝h_d,d∈D；w∈W，π∈Π；

由于β是选取的参数值，所有链路的β值相同，所以由Π＝{π|∑_l∈Lπ_lc_l＝β}可计算出每条链路对应的π_l值，而本实施例中，每条路径只有一条链路，且带宽分别为3，2，3，所以三条链路的π_l分别为β/3,β/2,β/3，

当每条路径中会经过很多个其他节点才能使数据从源节点传送到目的节点时，计算第二个约束条件变得很复杂，因此将约束条件进行松弛，被松弛后三条路径的目标函数为：

L_j1(6,π)＝α+4β，L_j2(4,π)＝6β，L_j3(8,π)＝4β

(5)选取最优路径：根据第四步的计算结果可知，路径j₁拥塞，主要考虑 j₂、j₃，比较L_j2、L_j3的大小，可知L_j2>L_j3，即j₂的带宽的利用率较高，故在这三条路径中选择第二条路径作为最优路径。

上面结合附图对本发明的具体实施方案作了详细地说明，但是本发明并不限于上述实施方案，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (1)

1.一种基于局部无线网络拓扑的流量控制方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)首先建立一个无线网络拓扑模型，本网络模型由交换节点、链路和主机组成，将构建的无线网络拓扑模型抽象为有向图G(V，E)，其中V为图G的节点集，E为图G的链路集，选取有向图G中的局部网络图进行研究，在该局部网络图中，定义D表示局部网络图的节点集，D∈V，定义L表示局部网络图的链路集，L∈E；

(2)计算所选取局部网络图中链路带宽的利用率，定义l表示链路，且l∈L，则链路l带宽的利用率为：

其中，w表示链路l的权重，w的取值范围为1～65535，W表示局部网络图中链路的权重集，则W＝{w|w_l∈{1,2,…,65535}}，d表示节点对，即d为所取局部网络图中的源节点和目的节点这一节点对，D表示所构建的无线网络图中的所有的源节点和目的节点对集，d∈D，j表示所取局部网络图内，从源节点到目的节点的任意一条路径，的取值为0或1，当从源节点到目的节点的路径经过链路l时，的取值为1，若不经过链路l时，则的值为0，x_dj(w)表示在所取的局部网络图内，从源节点到目的节点的每条路径j的流量，J表示所选取的局部无线网络图中所有路径集；

(3)定义目标函数：F(α，β)＝αδ_dj+βη(w) (1)

本目标函数的约束条件如下：

其中，h_d表示所取局部网路图中的源节点和目的节点这一节点对的业务量，δ_dj表示所选取的局部无线网络路径在前一次传输数据过程中的网络拥塞状况，当拥塞时取值为1，反之，取值为0，α，β两个参数用来调整组成目标函数两部分的权重，当主要研究无线网络的拥塞状况时，令α>β，当主要研究链路带宽的最大利用率时，令α<β；

(4)松弛目标函数：将步骤(3)的目标函数F(α，β)＝αδ_dj+βη(w)引用非负乘子π＝{π_l,l∈L}，松弛步骤(3)目标函数的第二个约束条件，得到函数如下：

本公式(2)的约束条件为：∑_j∈Jx_dj(w)＝h_d,d∈D；w∈W，

将公式(2)整理后得如下公式(3)：

定义集合Π＝{π|∑_l∈Lπ_lc_l＝β},则当π∈Π时，η(w)的系数为零，则L(w；π)变成一个最小化问题，即目标函数进一步被松驰为公式(4)：

公式(4)的约束条件为∑_j∈Jx_dj(w)＝h_d,d∈D；w∈W，π∈Π；

由于β是选取的参数值，所有链路的β值相同，所以由Π＝{π|∑_l∈Lπ_lc_l＝β}可计算出每条链路对应的π_l值；

(5)选取最优路径：利用步骤(4)的公式(4)，得到所选取的局部网络的所有的函数式，然后公式(4)的第一部分αδ_dj的值为0或α，将αδ_dj的值为α的路径去掉不考虑，比较公式(4)中αδ_dj的值为0的第二部分值的大小，将最大值的函数代表的路径选作最优路径。