CN109150756B - 一种基于sdn电力通信网的队列调度权值量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SDN电力通信网的队列调度权值量化方法，属于电力通信网中的队列调度领域。该方法包括：1)通过请求SDN控制器下发实时网络参数到SDN交换机，网络参数包括链路可用带宽、时延和误码率；2)结合队列长度和业务的服务质量要求，计算各队列分别在基于链路可用带宽、时延和误码率下分得的队列调度权值；3)根据各队列的带宽权值，时延权值和误码率权值，计算队列调度的综合权值。本发明根据电网中各类业务对带宽、时延和误码率具有不同要求，从网络状态参数的角度出发计算队列调度权值，不仅能保证不同电力业务的服务质量要求，且能使网络吞吐量和资源利用率最大化，为SDN电力通信网中业务的编排起到支撑作用。

Description

一种基于SDN电力通信网的队列调度权值量化方法

技术领域

本发明属于电力通信网中的队列调度领域，涉及一种基于SDN电力通信网的队列调度权值量化方法。

背景技术

电力通信网是国家电网公司智能电网建设的重要内容。随着网络规模扩大和业务爆炸式增长，基于同步数字体系(SDH)的电力通信网已无法满足“动态资源分配、流量可观可控”的要求。软件定义网络(SDN)将数据平面和控制平面相分离，采用集中控制方式，掌握网络拓扑信息和资源使用情况，能从全局视角下实现网络资源动态分配，业务感知流量调度、业务服务质量(QoS)保证等。国家电网公司正致力于研究SDN技术在电力通信网中的应用，推进分布式网络架构到集中式网络结构的过渡，实现网络吞吐量和资源利用率的最大化。

电网公司的业务主要分为两大类：电网运行控制类和公司管理运作类。其中，电网运行控制类业务具有较高的时延和可靠性要求，公司管理运作类业务则对带宽的需求较大。针对业务的QoS要求，采用不同策略调度业务，可以保证业务的QoS要求，增大网络吞吐量。在研究电力通信网业务调度的文献中，大多数方法研究的是如何从多个业务队列中选择一个队列调度，很少有文献研究队列调度的权值量化问题。另外，SDN具有掌握全局网络拓扑和资源信息的特点，能从网络状态的角度出发进行队列调度，实现网络资源的动态分配，保证业务的QoS。但是，目前对SDN的研究大多集中在数据网络中心的路由问题，少有人将SDN与队列调度结合在一起。

大多数现有文献是事先人为的给出队列调度的权值，这会造成在队列调度过程中权值固定，资源分配不灵活，网络吞吐量小。另外，虽然也有文献研究了事先给出队列调度的权值，然后再根据网络状态动态的调节权值，但是，这些方法通常只考虑单一的网络状态参数，比如只考虑网络带宽或者信道利用率，并且网络状态参数多为估计值。目前尚未有文献从SDN提供的多个网络状态参数出发，综合计算队列调度的综合权值。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的一在于提供一种基于SDN电力通信网的队列调度权值量化方法，该方法在队列调度前，根据SDN控制器下发的实时网络参数：链路可用带宽，时延和误码率；结合队列长度、业务重要度以及业务对各个网络参数要求的等级，计算各队列分别在基于链路可用带宽，时延和误码率下的调度权值；根据各队列的带宽权值，时延权值和误码率权值，计算队列调度的综合权值。本发明的目的二在于提供一种基于SDN电力通信网的队列调度权值量化系统，该系统结合上述队列权值量化方法，最终计算出队列调度的综合权值。本发明能够保证业务的服务质量，增大网络吞吐量，提高资源利用率。

为达到上述目的一，本发明提供如下技术方案：

一种基于SDN电力通信网的队列调度权值量化方法，具体包括以下几个步骤：

步骤S1：将电力通信网中的不同业务分配到SDN交换机输出端口处的不同队列；在队列调度前，SDN交换机请求SDN控制器下发实时网络参数：链路可用带宽、时延和误码率；

步骤S2：SDN交换机接收网络参数；

根据链路可用带宽，结合队列长度、业务重要度等级和业务对带宽的要求等级，将链路可用带宽分配给各队列，得到队列调度的带宽权值；

根据链路时延，计算一个轮询周期内能够发送的分组数，结合队列长度、业务重要度等级和业务对时延的要求等级，将分组数分配给各队列，得到队列调度的时延权值；

根据链路误码率，结合业务重要度等级和业务的误码率要求，改进随机指数标记(Random Exponetial Marking，REM)算法中的链路“价格”公式，计算各队列的丢包概率，得到队列调度的误码率权值；

步骤S3：根据队列的带宽权值、时延权值和误码率权值，计算队列调度的综合权值。

进一步，步骤S2中，所述根据链路可用带宽，结合队列长度、业务重要度等级以及业务对带宽要求的等级，将链路可用带宽分配给各队列，得到队列调度的带宽权值，具体包括：

a.计算队列i的队列长度L_i占各队列队列长度总和的比例；根据电网中各业务的业务重要度，将业务重要度进行等级划分，计算队列i的业务重要度等级I_i占各队列业务重要度等级总和的比例；根据电网中各业务对带宽的要求不同，将其进行等级划分，计算队列i对带宽要求的等级Q_Bi占各队列对带宽要求等级总和的比例；根据SDN控制器下发的链路可用带宽B，结合队列长度比例，业务重要度等级比例和业务对带宽要求的等级比例，计算分配给各队列的带宽B_i，表达式如下：

其中，N是队列总数；

b.计算队列i的带宽B_i占总带宽B的比例，得到队列调度的带宽权值ω_Bi，表达式如下：

进一步，步骤S2中，所述根据链路时延，计算在一个轮询周期内能够发送的分组数，结合队列长度、业务重要度等级以及业务对时延要求的等级，将分组数分配给各队列，得到队列调度的时延权值，具体包括：

a.根据链路时延t，计算一个轮询周期T内可以发送的分组数M,表达式如下：

b.根据电网中各业务对时延的不同要求，将其进行等级划分，计算队列i对时延要求的等级Q_ti占各队列对时延要求等级总和的比例；根据分组数M，结合队列长度比例，业务重要度等级比例和业务对时延要求的等级比例，计算分配给各队列的分组数m_i，表达式如下：

其中，L_i是队列i的队列长度，I_i是队列i的业务重要度等级；

c.计算队列i的分组数m_i占总分组数M的比例，得到队列调度的时延权值ω_ti，表达式如下：

进一步，步骤S2中，所述根据链路误码率，结合业务重要度等级和业务对误码率的要求，改进随机指数标记(REM)算法中的链路“价格”公式，计算队列的丢包概率，得到队列调度的误码率权值，具体包括：

a.基于链路误码率ber，改进REM算法中的链路“价格”公式，计算链路“价格”p_i(t)，表达式如下：

其中，[Z]⁺＝max{0,Z}，p_pre是队列i前一个轮询周期的链路“价格”，γ是控制网络变化的响应灵敏度，α是带宽利用率与排队时延的折中，并且γ＞0,α＞0，acceptNum是SDN交换机输出端口缓存区的总长度，L_i是队列i的队列长度，I_i是队列i的业务重要度等级，ber_i是队列i的误码率要求，ber_max、ber_min分别是误码率的最大值和最小值，v_in、v_out分别是队列i的输入速率和输出速率，λ₁、λ₂是误码率调节因子，并且都大于零；

b.根据链路“价格”p_i(t)，计算各队列的丢包概率P_i，表达式如下：

其中，φ＞0；

c.根据队列i的丢包概率P_i，计算队列调度的误码率权值ω_beri，表达式如下：

进一步，步骤S3中，所述根据各队列的带宽权值，时延权值和误码率权值，计算队列调度的综合权值，具体为：

计算队列调度的综合权值ω_i，表达式为：

其中，ω_Bi为带宽权值，ω_ti为时延权值，ω_beri为误码率权值。

为达到上述目的二，本发明提供如下技术方案：

一种基于SDN电力通信网的队列调度权值量化系统，包括SDN控制器和SDN交换机；

所述SDN控制器，用于收集网络状态信息，包括链路可用带宽、时延和误码率；还用于下发网络状态参数给SDN交换机；

所述SDN交换机，用于接收SDN控制器下发的链路可用带宽，时延和误码率参数；用于计算交换机输出端口处各队列的调度权值；还用于根据计算出的权值调度各队列。

进一步，所述SDN交换机包括调度权值量化模块和队列调度模块；

所述调度权值量化模块包括两个功能：(1)存储电力业务特性表，包含电力通信网中业务的各项服务质量要求，用于求解带宽权值、时延权值和误码率权值中的带宽比例，时延比例，业务重要度比例和误码率选择；(2)计算队列调度的综合权值；

所述队列调度模块，用于根据调度权值量化模块计算的队列调度综合权值，采用轮询方式调度SDN交换机输出端口处的各业务数据。

本发明的有益效果在于：

(1)与已有的队列调度方法相比，本发明对队列调度的权值进行量化。本发明在量化队列调度权值时，是从多个网络参数的实际值出发，结合链路可用带宽，时延和误码率，计算在这些网络参数下分别能够接受的数据流量，再根据队列长度和业务特性，将数据流量分配给各个队列，得到队列调度的权值，从而使网络不易发生拥塞且资源利用率最大，同时，也保证了业务的服务质量。

(2)相比于已有研究先从业务特性出发设定队列调度权值，再通过网络的综合状态调节权值。本发明从相反的角度出发，先考虑网络在不发生拥塞情况下能够发送的分组数，再根据队列长度和业务特性公平分配各个队列能发送的分组数，从而使网络吞吐量最大。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为基于SDN电力通信网的队列调度权值量化的系统架构图；

图2为基于SDN电力通信网的队列调度权值量化的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

参照附图1，一种基于SDN电力通信网的队列调度权值量化系统的量化过程如下：

在SDN交换机输出端口进行队列调度前，SDN交换机通过OpenFlow协议，向SDN控制器发起网络参数请求。SDN控制器收到请求之后，查询网络参数收集模块收集的实时链路可用带宽、时延和误码率，并且也通过OpenFlow协议将参数下发给SDN交换机的调度权值量化模块。调度权值量化模块主要有两个功能：一是维护一个业务特性表，里面包含了各业务对带宽、时延、业务重要度的等级数以及各业务的误码率；二是根据队列长度和业务特性表，结合网络参数收集模块下发的链路可用带宽、时延和误码率，计算队列调度的权值。

调度权值量化模块维护的业务特性表如表1所示。其形成规则如下：将电力通信网中的业务进行分类，按照行业内对各个业务QoS的要求，将业务对带宽，时延，业务重要度的要求进行等级划分，同时，也给出业务的误码率要求。其中对带宽的等级划分按照各业务对带宽的需求落在相应的区间进行赋值，即：(0，64bps]、(64bps，2Mbps]、(2Mbps，10Mbps]、(10Mbps，100Mbps]、(100Mbps，nGbps]依次赋值为1,2,3,4,5；对时延的等级划分按照各业务对时延要求落在相应区间进行赋值，即：≤10ms、≤30ms、≤100ms、≤150ms、≤250ms、秒级、≤15min和无要求依次赋值为1、2、3、4、5、6、7、8；对业务重要度的等级划分是参照现有求取业务重要度的方法来求取电力业务重要度的数值之后进行排序得到，对各业务误码率的要求则直接给出，无需等级划分。

表1电力通信网中业务各特性参数的等级划分

调度权值量化计算模块根据队列长度和业务特性表1，结合网络参数(链路可用带宽、时延和误码率)计算各队列调度的综合权值包括以下几个步骤，如图2所示：

步骤1：计算队列基于链路可用带宽、时延和误码率的权值，即：带宽权值，时延权值和误码率权值；

(1)计算队列的带宽权值，具体如下：

a.电力通信网中，不同的队列长度，业务重要度和业务对带宽的要求都会影响带宽的分配。因此，根据各队列的输入输出速率，计算各队列的队列长度，得到队列i的队列长度比例；再根据业务特性表1，计算队列i的业务重要度等级比例和业务对带宽要求的等级比例；根据请求的链路可用带宽B，结合队列长度比例，业务重要度等级比例和业务对带宽要求的等级比例，计算分配给各队列的带宽B_i，表达式如下：

其中，N是队列总数，L_i是队列i的长度，I_i是队列i的业务重要度等级，Q_Bi是队列i对带宽的要求等级。

b.计算队列i的带宽B_i占总带宽B的比例，得到队列调度的带宽权值ω_Bi，表达式如下：

(2)计算队列的时延权值，具体如下：

a.计算一个轮询周期内可以发送的分组数。根据时延t的定义为：一个报文或分组从网络的一端传送到网络的另一端所需要的时间。即，一个t可发送一个分组，则一个轮询周期T可以划分成时间片t的数目就是一个T内可以发送的分组数目M，表达式如下：

b.计算分配给各队列的分组数。根据业务特性表1，计算业务对时延要求的等级比例，再结合队列长度比例和业务重要度等级比例，根据总分组数M，计算分配给各队列的分组数m_i，表达式如下：

其中，Q_ti是队列i对时延的要求等级。

c.计算队列i的分组数m_i占总分组数M的比例，得到队列调度的时延权值ω_ti，表达式如下：

(3)计算队列的误码率权值，具体如下：

a.根据链路误码率ber，选择对应的链路“价格”表达式计算链路“价格”p_i(t)，表达式如下：

其中，[Z]⁺＝max{0,Z}，p_pre是队列i前一个轮询周期的链路“价格”，γ,α同REM中的定义，γ用于控制网络变化的响应灵敏度，α用于带宽利用率与排队时延的折中，并且γ＞0,α＞0，acceptNum是SDN交换机输出端口缓存区的总长度，I_i是队列i的业务重要度等级，ber_i是队列i的误码率要求，ber_max，ber_min分别是误码率的最大值和最小值，v_in、v_out分别为队列i的输入速率和输出速率，λ₁、λ₂是误码率调节因子，并且都大于零。设置误码率调节因子是为了使各队列之间的丢包概率差值控制在一定范围内，以防出现某些队列丢包概率过大而导致资源分配缺乏公平性。该方法根据链路误码率的大小选择不同的链路“价格”计算表达式。当ber＜ber_min，说明此时链路条件好，外部噪声和码间串扰小，能够满足所有业务的误码率要求，因此，忽略由误码率带来的丢包概率，链路“价格”公式只由队列长度和流量速率决定。当ber_min≤ber≤ber_max，说明此时链路条件一般，存在外部噪声和码间串扰，链路误码率只满足较低误码率要求的业务。然而在电力通信网中，对电网稳定运行起重要作用的业务对误码率的要求高。因此，通过降低误码率要求高的业务的链路“价格”，提高误码率要求低的业务的链路“价格”，从而保证重要业务的可靠传输。此时可能存在误码率要求高的业务的链路“价格”为零，其丢包概率为零的情况。当ber＞ber_max，说明此时链路条件差，外部噪声和码间串扰大，链路误码率不满足任何业务的误码率要求。因此，所有业务都需要以一定的概率丢包。但是，为了优先保证重要业务的传输，让其链路“价格”低于误码率要求低的业务，使其可能传输的概率更大。

b.根据链路“价格”p_i(t)，计算各队列的丢包率P_i，表达式如下：

其中，φ＞0；

c.根据队列i的丢包概率P_i，计算各队列的误码率权值ω_beri，表达式如下:

步骤2，根据队列的带宽权值、时延权值和误码率权值，计算队列的综合调度权值ω_i，表达式如下：

其中，ω_Bi为带宽权值，ω_ti为时延权值，ω_beri为误码率权值。

最终通过调度权值量化模块得到各队列调度的综合权值ω_i，将其发送给队列调度模块。队列调度模块再根据分配给各队列的权值，进行轮询调度。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明所述实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和(或)方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和(或)方框图中的每一流程和(或)方框、以及流程图和(或)方框图中的流程和(或)方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和(或)方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和(或)方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和(或)方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种基于SDN电力通信网的队列调度权值量化方法，其特征在于，该方法具体包括以下几个步骤：

步骤S1：将电力通信网中的不同业务分配到SDN交换机输出端口处的不同队列；在队列调度前，SDN交换机请求SDN控制器下发实时网络参数：链路可用带宽、时延和误码率；

步骤S2：SDN交换机接收网络参数；

根据链路可用带宽，结合队列长度、业务重要度等级和业务对带宽的要求等级，将链路可用带宽分配给各队列，得到队列调度的带宽权值；

根据链路时延，计算一个轮询周期内能够发送的分组数，结合队列长度、业务重要度等级和业务对时延的要求等级，将分组数分配给各队列，得到队列调度的时延权值；

根据链路误码率，结合业务重要度等级和业务的误码率要求，改进随机指数标记(Random Exponetial Marking，REM)算法中的链路“价格”公式，计算各队列的丢包概率，得到队列调度的误码率权值；

步骤S3：根据队列的带宽权值、时延权值和误码率权值，计算队列调度的综合权值。

2.根据权利要求1所述的队列调度权值量化方法，其特征在于，步骤S2中，所述根据链路可用带宽，结合队列长度、业务重要度等级以及业务对带宽要求的等级，将链路可用带宽分配给各队列，得到队列调度的带宽权值，具体包括：

a.计算队列i的队列长度L_i占各队列队列长度总和的比例；根据电网中各业务的业务重要度，将业务重要度进行等级划分，计算队列i的业务重要度等级I_i占各队列业务重要度等级总和的比例；根据电网中各业务对带宽的要求不同，将其进行等级划分，计算队列i对带宽要求的等级Q_Bi占各队列对带宽要求等级总和的比例；根据SDN控制器下发的链路可用带宽B，结合队列长度比例，业务重要度等级比例和业务对带宽要求的等级比例，计算分配给各队列的带宽B_i，表达式如下：

其中，N是队列总数；

b.计算队列i的带宽B_i占总带宽B的比例，得到队列调度的带宽权值ω_Bi，表达式如下：

3.根据权利要求1所述的队列调度权值量化方法，其特征在于，步骤S2中，所述根据链路时延，计算在一个轮询周期内能够发送的分组数，结合队列长度、业务重要度等级以及业务对时延要求的等级，将分组数分配给各队列，得到队列调度的时延权值，具体包括：

a.根据链路时延t，计算一个轮询周期T内可以发送的分组数M,表达式如下：

b.根据电网中各业务对时延的不同要求，将其进行等级划分，计算队列i对时延要求的等级Q_ti占各队列对时延要求等级总和的比例；根据分组数M，结合队列长度比例，业务重要度等级比例和业务对时延要求的等级比例，计算分配给各队列的分组数m_i，表达式如下：

其中，L_i是队列i的队列长度，I_i是队列i的业务重要度等级，N是队列总数；

c.计算队列i的分组数m_i占总分组数M的比例，得到队列调度的时延权值ω_ti，表达式如下：

4.根据权利要求1所述的队列调度权值量化方法，其特征在于，步骤S2中，所述根据链路误码率，结合业务重要度等级和业务对误码率的要求，改进REM算法中的链路“价格”公式，计算队列的丢包概率，得到队列调度的误码率权值，具体包括：

a.基于链路误码率ber，改进REM算法中的链路“价格”公式，计算链路“价格”p_i(t)，表达式如下：

其中，[Z]⁺＝max{0,Z}，p_pre是队列i前一个轮询周期的链路“价格”，γ是控制网络变化的响应灵敏度，α是带宽利用率与排队时延的折中，并且γ＞0,α＞0，acceptNum是SDN交换机输出端口缓存区的总长度，L_i是队列i的队列长度，I_i是队列i的业务重要度等级，ber_i是队列i的误码率要求，ber_max、ber_min分别是误码率的最大值和最小值，v_in、v_out分别是队列i的输入速率和输出速率，λ₁、λ₂是误码率调节因子，并且都大于零；N是队列总数；

b.根据链路“价格”p_i(t)，计算各队列的丢包概率P_i，表达式如下：

其中，φ＞0；

c.根据队列i的丢包概率P_i，计算队列调度的误码率权值ω_beri，表达式如下：

5.根据权利要求1所述的队列调度权值量化方法，其特征在于，步骤S3中，所述根据各队列的带宽权值，时延权值和误码率权值，计算队列调度的综合权值，具体为：

计算队列调度的综合权值ω_i，表达式为：

其中，ω_Bi为带宽权值，ω_ti为时延权值，ω_beri为误码率权值。

6.适用于权利要求1所述方法的一种基于SDN电力通信网的队列调度权值量化系统，其特征在于，该系统包括SDN控制器和SDN交换机；

所述SDN控制器，用于收集网络状态信息，包括链路可用带宽、时延和误码率；还用于下发网络状态参数给SDN交换机；

所述SDN交换机，用于接收SDN控制器下发的链路可用带宽，时延和误码率参数；用于计算交换机输出端口处各队列的调度权值；还用于根据计算出的权值调度各队列。

7.根据权利要求6所述的队列调度权值量化系统，其特征在于，所述SDN交换机包括调度权值量化模块和队列调度模块；

所述调度权值量化模块包括两个功能：(1)存储电力业务特性表，包含电力通信网中业务的各项服务质量要求，用于求解带宽权值、时延权值和误码率权值；(2)计算队列调度的综合权值；

所述队列调度模块，用于根据调度权值量化模块计算的队列调度综合权值，采用轮询方式调度SDN交换机输出端口处的各业务数据。

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