CN111082978A - 面向sdn网络的效用带宽分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向SDN网络的效用带宽分配方法，主要解决现有技术的带宽分配方案分配粒度粗以及对网络的带宽资源利用率低的问题。其实现方案是：收集网络业务信息和链路带宽信息；根据这些信息使用业务效用函数建立基于网络效用的带宽分配模型；求解该带宽分配模型得到分配给各业务的带宽；根据得到的带宽分配结果在交换机中设定各类业务数据包的转发速率，并转发数据包。本发明使用的业务效用函数不依赖于用户的满意度反馈结果，即使用基于业务特征的业务效用函数，保证了用户间的公平性要求，并将网络效用最大化作为带宽分配模型的优化目标，实现了对网络中带宽资源的充分利用，可用于SDN网络中的带宽分配。

Description

面向SDN网络的效用带宽分配方法
技术领域
本发明属于通信网络技术领域，特别涉及一种效用带宽分配方法，可用于SDN网络中的带宽分配。
背景技术
随着网络规模的复杂程度和业务流量类型的快速增长，不断变化的差异化服务质量QoS要求使得网络管理系统需要实现的分配方式变得越来越复杂。各种应用流量如话音流、视频流、交互数据流、流媒体流、批量文本数据传输流等，这些业务应用对带宽分配资源的延迟和吞吐量提出了不同的QoS要求。
网络资源分配问题是整个网络运行稳定性、利用率的基础。软件定义网络SDN通过解耦网络的数据和控制平面集中控制网络的带宽资源，使网络对带宽资源分配变得更加灵活，为差异化应用服务质量提供了细粒度的带宽资源分配方式。传统带宽分配系统方案面临的问题是用有限的网络带宽去满足QoS的带宽需求。因此，如何对网络带宽资源进行更加合理有效地管理与分配就变得更加重要。
为了解决传统的带宽分配方案较少地考虑用户体验而一味地追求公平性的缺陷，清华大学的宋亚楠发表了名为“基于效用的网络资源分配研究”的学位论文，公开了基于效用函数簇的带宽资源分配模型，给出了业务效用函数簇曲线和相应的数学表达公式，实现了旨在最大化网络效用的带宽分配算法，然而上述分析仅限于理论研究，并没有考虑实际部署时所需的网络支撑条件。
申请公布号为“CN108881067A”，名称为“一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法和系统”的专利申请，公开了一种基于应用感知确保业务公平性的带宽分配方法和系统。该方法包括：根据用户对终端业务的满意度获取相应业务的效用函数，根据所获取的效用函数判断网络单元的负载状态，根据该负载状态为网络单元分配带宽，采用最大最小原则对所述网络单元对应的业务进行带宽分配，获取业务的效用值，根据业务效用值，用效用函数的反函数计算业务的分配带宽。该发明有利于提升各终端业务间的公平性，但其存在的不足在于效用函数的获取依赖于用户的满意度反馈，没有考虑可能存在的用户为了恶意抢占带宽资源而给出不符合客观情况的满意度反馈，有失用户间的公平性需求。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种面向SDN网络的效用带宽分配方式，以对SDN网络中的带宽资源进行基于业务效用特征的有效分配，达到网络效用收益的最大化，保证用户间的公平性。
为实现上述目的，本发明面向SDN网络的效用带宽分配方法，包括如下步骤：
(1)收集网络业务信息以及链路带宽信息；
(2)根据网络业务信息以及链路带宽信息，建立基于网络效用的带宽分配模型：
max
Figure BDA0002304811280000021
s.t.:
Figure BDA0002304811280000022
xmini≤xi≤xmaxi
其中N为业务个数，Vi为第i个业务的最大效用函数偏差，当实际效用与最大效用不相等时使用该参数对效用进行调整，Ui(xi)为第i个业务的效用函数，i＝1,2,3,4，i＝1表示TCP背景类业务，i＝2表示HTTP业务，i＝3表示VoIP业务，i＝4表示IPTV业务，xi为给第i个业务流量所分配的带宽，C为链路总带宽；xmini和xmaxi分别为第i个业务流的最小和最大效用所需要的带宽；
(3)通过上述模型计算出网络中各业务分配的带宽大小；
(4)根据(3)计算的结果，在交换机中设定各类业务数据包的转发速率，交换机按照此转发速率转发数据包，实现对各类业务的带宽分配。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
第一，本发明提出的带宽分配算法面向SDN网络，考虑了实际部署时获取网络业务信息以及链路带宽信息需要的网络条件支撑；
第二，本发明采用基于业务特征的业务效用函数，即使用的业务效用函数不依赖于用户的满意度反馈结果，因此可以对网络中的带宽资源进行基于业务特征的有效分配，保证用户间的公平性要求；
第三，本发明基于效用的带宽资源分配方法从用户角度出发，利用效用函数对用户满意度进行量化，并将量化得到的效用作为反映网络应用层性能的重要指标，即在建立带宽分配模型时将网络效用最大化作为模型优化目标，充分利用网络中的带宽资源，以最大化网络效用收益，可实现在有限带宽资源情况下的网络效用最大化目标，提高了带宽资源利用率，同时提高了用户满意度；
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明中的业务效用函数曲线图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的实施例进行具体描述：
参照图1，本实例的实现步骤如下：
步骤1，收集网络业务信息以及链路带宽信息。
所述网络业务信息，为网络中正在传输的数据包所属业务的类别信息，其包括TCP背景类业务信息，HTTP业务信息，VoIP业务信息以及IPTV业务信息，这些网络业务信息通过由交换机发送到SDN控制器的数据包收集；
所述链路带宽信息，为网络链路总带宽，其通过SDN控制器查询交换机端口信息收集。
步骤2，建立基于网络效用的带宽分配模型。
根据步骤1收集的网络业务信息以及链路带宽信息，建立基于效用的带宽分配模型如下：
max
Figure BDA0002304811280000031
s.t.:
Figure BDA0002304811280000032
xmini≤xi≤xmaxi
其中，N为业务个数；Vi为第i个业务的最大效用函数偏差，当实际效用与最大效用不相等时使用该参数对效用进行调整；xi为给第i个业务流量所分配的带宽；C为链路总带宽；xmini和xmaxi分别为第i个业务流的最小和最大效用所需要的带宽；Ui(xi)为第i个业务的效用函数，i＝1,2,3,4，i＝1表示TCP背景类业务，i＝2表示HTTP业务，i＝3表示VoIP业务，i＝4表示IPTV业务，其中，TCP背景类业务效用函数U1(x1)，HTTP业务效用函数U2(x2)，VoIP业务效用函数U3(x3)和IPTV业务效用函数U4(x4)，分别表示如下：
Figure BDA0002304811280000041
Figure BDA0002304811280000042
Figure BDA0002304811280000043
Figure BDA0002304811280000044
式中，x1为分配给TCP背景类业务的带宽，V1为TCP背景类业务的最大效用函数偏差，x2为分配给HTTP业务的带宽，V2为HTTP业务的最大效用函数偏差，x3为分配给VoIP业务的带宽，V3为VoIP业务的最大效用函数偏差，x4为分配给IPTV业务的带宽，V4为IPTV业务的最大效用函数偏差；
xmax1为TCP背景类业务获得最大效用所需要的带宽，取值为10Mbps；
xmax2为HTTP业务获得最大效用所需要的带宽，取值为10Mbps；
xmin2为HTTP业务效用降到0对应的最大带宽，取值为24Kbps；
xmin3为VoIP业务获的最大效用所需要的固定带宽，取值为64Kbps；
xmax4为IPTV业务获得最大效用所需要的带宽，取值为10Mbps；
xmin4为IPTV业务获得的效用接近0所对应的最大带宽，取值为100Kbps；
ε表示当IPTV业务获得的带宽为xmin4时，IPTV业务获得的效用，取值为0.001。
上述各业务效用函数曲线图如图2所示。
步骤3，求解带宽分配模型计算分配给各业务的带宽
本步骤的具体实现是通过现有的外点罚函数法求解步骤2中建立的基于效用的带宽分配模型，求解过程如下：
(3.1)令
Figure BDA0002304811280000051
约束条件为gi(x)≥0，其中x＝(x1,x2,x3,x4)T是由分配给各业务的带宽数值组成的列向量，，i＝1,2,...m，m为带宽分配模型中不等式约束条件的个数，取m＝8，g1(x)＝x1，g2(x)＝x2，g3(x)＝x3，g4(x)＝x4-xmin4，g5(x)＝xmax1-x1，g6(x)＝xmax2-x2，g7(x)＝xmax4-x4，g8(x)＝C-x1-x2-x3-x4；
(3.2)给定初始带宽分配x0，k为已迭代次数，初始值设为k＝1，设罚因子为Mk，初始罚因子M1＞0，精度ε＞0，递增系数c＞1；
(3.3)以xk-1为初始点，求解无约束优化问题minF(x,Mk)＝f(x)+Mkp(x)，得到极小点xk，其中，罚函数
Figure BDA0002304811280000052
(3.4)将罚因子与罚函数值的乘积Mkp(xk)与精度ε进行比较：
若Mkp(xk)＜ε，则停止计算，得到近似极小点xk，即最佳带宽分配结果，
否则，令Mk+1＝cMk，置k＝k+1，返回(3.3)；
通过上述步骤计算出网络中各业务分配的带宽大小为：
Figure BDA0002304811280000053
即xk第一行的值
Figure BDA0002304811280000054
为分配给TCP背景类业务的带宽，xk第二行的值
Figure BDA0002304811280000055
为分配给HTTP业务的带宽，xk第三行的值
Figure BDA0002304811280000056
为分配给VoIP业务的带宽，xk第四行的值
Figure BDA0002304811280000057
为分配给IPTV业务的带宽。
步骤4，设定各类业务数据包的转发速率并转发数据包。
根据步骤3中得到的带宽分配结果，在交换机中设定各类业务数据包的转发速率，设定过程如下：
(4.1)在交换机中对应的转发端口建立基于分层令牌桶HTB的队列并设置队列允许的最大带宽，即在转发TCP背景类业务数据包的端口建立最大带宽为
Figure BDA0002304811280000061
的队列，在转发HTTP业务数据包的端口建立最大带宽为
Figure BDA0002304811280000062
的队列，在转发VoIP业务数据包的端口建立最大带宽为
Figure BDA0002304811280000063
的队列，在转发IPTV业务数据包的端口建立最大带宽为
Figure BDA0002304811280000064
的队列；
(4.2)通过读取数据包中的差分服务代码点DSCP字段获取数据包所属的业务类型数据；
(4.3)根据业务类型数据将数据包添加至相对应的交换机端口队列，即将TCP背景类业务数据包添加到最大带宽为
Figure BDA0002304811280000065
的队列，将HTTP业务数据包添加到最大带宽为
Figure BDA0002304811280000066
的队列，将VoIP业务数据包添加到最大带宽为
Figure BDA0002304811280000067
的队列，将IPTV业务数据包添加到最大带宽为
Figure BDA0002304811280000068
的队列；
(4.4)交换机按照不超过此队列允许的最大带宽的速率转发数据包。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未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改和改变，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 (4)

1.一种面向SDN网络的效用带宽分配方法，其特征在于，包括如下：
(1)收集网络业务信息以及链路带宽信息；
(2)根据网络业务信息以及链路带宽信息，建立基于网络效用的带宽分配模型：
Figure FDA0002304811270000011
Figure FDA0002304811270000012
xmini≤xi≤xmaxi
其中N为业务个数，Vi为第i个业务的最大效用函数偏差，当实际效用与最大效用不相等时使用该参数对效用进行调整，Ui(xi)为第i个业务的效用函数，i＝1,2,3,4，i＝1表示TCP背景类业务，i＝2表示HTTP业务，i＝3表示VoIP业务，i＝4表示IPTV业务，xi为给第i个业务流量所分配的带宽，C为链路总带宽；xmini和xmaxi分别为第i个业务流的最小和最大效用所需要的带宽；
(3)通过上述模型计算出网络中各业务分配的带宽大小；
(4)根据(3)计算的结果，在交换机中设定各类业务数据包的转发速率，交换机按照此转发速率转发数据包，实现对各类业务的带宽分配。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中业务信息为网络中正在传输的数据包所属业务的类别信息，包括TCP背景类业务，HTTP业务，VoIP业务以及IPTV业务。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中的业务效用函数Ui(xi)，包括TCP背景类业务效用函数U1(x1)，HTTP业务效用函数U2(x2)，VoIP业务效用函数U3(x3)和IPTV业务效用函数U4(x4)，分别表示如下：
Figure FDA0002304811270000021
Figure FDA0002304811270000022
Figure FDA0002304811270000023
Figure FDA0002304811270000024
其中，x1为分配给TCP背景类业务的带宽，V1为TCP背景类业务的最大效用函数偏差，x2为分配给HTTP业务的带宽，V2为HTTP业务的最大效用函数偏差，x3为分配给VoIP业务的带宽，V3为VoIP业务的最大效用函数偏差，x4为分配给IPTV业务的带宽，V4为IPTV业务的最大效用函数偏差；
xmax1为TCP背景类业务获得最大效用所需要的带宽，取值为10Mbps；
xmax2为HTTP业务获得最大效用所需要的带宽，取值为10Mbps；
xmin2为HTTP业务效用降到0对应的最大带宽，取值为24Kbps；
xmin3为VoIP业务获的最大效用所需要的固定带宽，取值为64Kbps；
xmax4为IPTV业务获得最大效用所需要的带宽，取值为10Mbps；
xmin4为IPTV业务获得的效用接近0所对应的最大带宽，取值为100Kbps；
ε表示当IPTV业务获得的带宽为xmin4时，IPTV业务获得的效用，取值为0.001。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)中在交换机中设定各类业务数据包的转发速率，是先在交换机中对应的转发端口建立基于分层令牌桶HTB的队列并设置队列允许的最大带宽，再通过读取数据包中的差分服务代码点DSCP字段获取数据包所属的业务类型数据，然后根据业务类型数据将数据包添加至相对应的交换机端口队列，交换机按照不超过此队列允许的最大带宽的速率转发数据包。
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