CN114205313B - 一种光电路交换下组播请求传输的调度优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，涉及组播请求传输调度的技术领域，以组播请求流的优先级为出发点，按优先级的顺序首先进行不分裂组播请求流的匹配，将匹配到的源节点、目的节点互不冲突的不分裂组播请求流放入待服务流队列，匹配完成，如还存在空闲源节点和目的节点，按优先级顺序遍历还未被放入待服务流队列的组播请求流进行分裂，形成分裂的子组播请求流并匹配，放入待服务流队列，确定不分裂组播请求流中完成传输最快的流需要的传输时间θ，以明确不分裂组播请求流对应创建源节点‑目的节点之间电路连接的停止时间，指导整体电路连接的创建，解决目的节点存在冲突的组播请求流传输时调度延迟、资源利用率低的问题。

Description

一种光电路交换下组播请求传输的调度优化方法
技术领域
本发明涉及组播请求传输调度的技术领域，更具体地，涉及一种光电路交换下组播请求传输的调度优化方法。
背景技术
在大数据时代，数据中心网络(DCN)已成为不可或缺的基础设施，它不仅为大量的网站提供了低延迟、海量数据的传输服务，还为大量IT企业提供了云计算和存储服务。
传统的DCNs设计方法依赖于电分组交换(EPS)技术安排多层拓扑实现，但价格和效率无法兼顾。由于DCN内部的网络流量呈爆炸式增长，光交换技术在高数据速率、低功耗和更好的容错性方面逐渐显示出比EPS更具吸引力的优势。其中，与其他光交换技术(如光突发交换和光分组交换)不同，光电路交换(OCS)不依赖于高精度的细粒度控制和高性能的缓存来进行光分组解析，且能够在运行时重新配置数据中心的拓扑，这可能使数据中心能够实现需求感知的自动调整，因此，基于OCS的DCN已经成为下一代DCN最有前途的解决方案之一。
组播(流)是指一个源节点发送给一组接收相同信息的目的节点的一次数据传输，目前，新兴的光电路交换技术通过支持物理层的网络内组播来潜在地改善传输组播请求流传输的性能。特别是，可重构电路开关(RCS)允许建立高带宽端口到多端口电路连接，支持自适应和需求感知的顶部机架开关之间的组播请求传输。目前，给定一组组播传输请求，如何最小化数据传输时间和任务完成时间，寻找一个无冲突的最少流传输调度时延方案，即LTCT(Lowest Transportation and Completion Time)问题，已经得到了研究者的广泛关注，现有技术公开了一种基于非抢占式调度算法优化组播请求的传输的方案，解决了有冲突的组播请求传输的问题，但存在传输时间较长，资源利用率低等缺陷。因此，如何低延迟、高效地进行组播请求传输调度，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为解决当前非抢占式调度算法在调度有冲突的组播传输时存在的传输时间长、资源利用率低的问题，本发明提出一种光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，调度加快组播请求传输速度，降低组播请求传输延迟，且提高了资源利用率。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，包括以下步骤：
S1.对组播请求流进行优先级处理，处理后的组播请求流放入待调度流队列；
S2.按优先级顺序遍历待调度流队列，确定空闲源节点及目的节点，根据空闲源节点及目的节点进行空闲源节点、空闲目的节点及不分裂组播请求流三者之间的匹配；
S3.将完成匹配且匹配涉及到的源节点、目的节点互不冲突的不分裂组播请求流放入待服务流队列；
S4.判断是否还存在空闲源节点和目的节点，若是，按优先级顺序遍历待调度流队列中满足空闲源节点、目的节点的组播请求流，执行步骤S5；否则，执行步骤S6；
S5.对满足空闲的源节点和目的节点的组播请求流进行分裂，得到分裂后的子组播请求流，并将其放入待服务流队列，执行步骤S6；
S6.确定不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ，以明确不分裂组播请求流对应创建源节点-目的节点之间电路连接的停止时间，指导整体电路连接的创建；
S7.基于待服务队列中的不分裂组播请求流及子组播请求流，创建源节点-目的节点之间的电路连接，待服务队列中的不分裂组播请求流及子组播请求流按电路连接进行传输，记录传输开始时刻及每个组播请求流传输完成的时刻；
S8.判断所有组播请求流是否均已被传输调度，若是，执行S9；否则，返回S2；
S9.基于传输开始时刻、每个流由源节点至目的节点传输完成的时刻，基于不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ，得到所有组播请求流传输完成时间总和最小时对应的最佳电路连接，将待服务流队列中的组播流请求按最佳电路连接进行传输调度。
在本技术方案中，对于一系列组播请求流，以组播请求流的优先级为出发点，按优先级的顺序首先进行不分裂组播请求流的匹配，将匹配到的源节点、目的节点互不冲突的不分裂组播请求流放入待服务流队列，不分裂组播请求流匹配完之后，如还存在空闲源节点和目的节点，按优先级顺序遍历还未被放入待服务流队列的组播请求流进行分裂，分裂可以满足空闲源节点和目的节点的组播，形成分裂的子组播请求流并匹配，放入待服务流队列，确定不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ，以明确不分裂组播请求流对应创建源节点-目的节点之间电路连接的停止时间，指导整体电路连接的创建，解决目的节点存在冲突的组播请求流传输时调度延迟、资源利用率低的问题。
优选地，设组播请求流用f表示，每个组播请求流f表征为
Figure BDA0003408581530000031
其中，sf表示发送方的机架集合，电路交换机的一个端口源节点连接一个顶部机架，df表示接收方的机架集合，表征目的节点集合，一个目的节点仅能接收来自一个源节点发送的组播请求流；vf表示组播请求流f的大小，/>
Figure BDA0003408581530000032
表示组播请求流f传输至目的节点的到达时间；在组播请求流传输调度过程中，满足以下约束限制：
Figure BDA0003408581530000033
Figure BDA0003408581530000034
Figure BDA0003408581530000035
Figure BDA0003408581530000036
Figure BDA0003408581530000037
其中，
Figure BDA0003408581530000038
表示从机架i发往机架j的电路连接，上述公式中的第一个约束公式表示电路连接的输出只能从电路另一端的单个输入接收组播请求流；bs表示服务器端口的带宽；bc表示电路交换机端口的带宽；/>
Figure BDA0003408581530000039
表示组播请求流f被调度的状态，对应第二个约束公式表示限制从机架i到电路的组播请求流的传输速率不超过电路端口带宽bc；/>
Figure BDA00034085815300000310
表示组播请求流f传输到目的节点d的状态，d∈df；第三个约束公式表示只有当存在从发送方机架sf到d的电路连接时，组播请求流f才能通过电路交换将数据传送到其接收方机架d,d∈df；第四个约束公式及第五个约束公式表示若预计为组播请求流f中的至少一个提供服务时，则对组播请求流f进行调度。
在此，首先设置一个组播请求流传输的大应用背景，每个组播请求流仅能使用单跳电路交换或多跳分组交换，但不是两者的组合，这样的单跳隔离路由避免了电路和分组交换网络之间的移动流量。
优选地，步骤S1所述的对组播请求流进行优先级处理的过程为：
设上层应用下发若干条组播请求流，每一个组播请求流f完成组播请求需要的时间为tf，将若干条组播请求流完成各自组播请求需要的时间按从小到大排序，完成组播请求时间越短的组播请求流，优先级越高。该过程是基于短作业优先的顺序确定优先级。
优选地，步骤S2中，在按优先级顺序遍历待调度流队列前，确定待调度流队列中的每个组播请求流是否能被服务，对于任意一个组播请求流，若其源节点状态为空闲，且目的节点属于所有处于空闲状态目的节点集合中的子集，则该组播请求流能被服务；在确定空闲源节点及目的节点时，优先级越高的组播请求流越早被考量，按优先级顺序，对于在源节点与目的节点之间传输的某一组播请求流f，确定组播请求流f的发送方源节点与接收方目的节点，在组播请求流f的发送方源节点与接收方目的节点空闲时，此在组播请求流f为不分裂组播请求流，则组播请求流f对应的空闲源节点、空闲目的节点与组播请求流f三者之间完成第一轮匹配。
在此，为加快遍历组播请求流的速度，在开始时确定待调度流队列中的每个组播请求流是否能被服务。
优选地，若优先级在后的组播请求流匹配时涉及到的源节点、目的节点与其它优先级在前的组播请求流匹配时涉及到的源节点、目的节点冲突，则优先级在后的组播请求流自动进入S4的步骤，以加快传输，减少等待时间，降低延迟。
优选地，在第一轮匹配完成时，步骤S4中若还存在空闲源节点和空闲目的节点，则按优先级顺序遍历待调度流队列中满足空闲源节点、目的节点的组播请求流，对满足空闲的源节点和目的节点的组播请求流进行分裂，对其进行分裂时，存在组播请求流目的节点的集合为空闲目的节点的子集的组播请求流可分裂，确定可分裂组播请求流中与空闲目的节点-空闲源节点对应的子组播请求流，将子组播请求流从原组播请求流中分裂出，放入待服务流队列。
优选地，在步骤S6中，不分裂组播请求流传输时，其占用的源节点-目的节点之间创建了电路连接，在时间θ之后，完成传输最快的流和所需传输时间小于等于θ的子组播流占用的源节点-目的节点之间的电路连接停止，源节点及目的节点被释放，释放后空闲的源节点和目的节点首先满足的不需要分裂的组播请求流匹配，若匹配后还有剩余的空闲源节点和目的节点，则匹配可以分裂的组播请求流产生子组播请求流；释放后空闲的源节点、不分裂组播请求流及子组播请求流、目的节点之间创建电路连接。
优选地，在步骤S9中，所有组播请求流传输完成时间最小时的表达式为：
Figure BDA0003408581530000051
其中，θ为不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间，由不分裂组播请求流在其源节点-目的节点创建的电路连接持续时间决定，也考虑不分裂组播请求流本身的优先级；
Figure BDA0003408581530000052
表示在一个电路连接中，不分裂组播请求流中完成传输最快的流完成传输时，组播请求流f传输还没有结束，组播请求流f传输至目的节点所需要的时间；/>
Figure BDA0003408581530000053
表示在一个电路连接中，不分裂组播请求流中完成传输最快的流完成传输时，组播请求流f传输已结束，组播请求流f传输至目的节点所经历的时间，不分裂组播请求流中完成传输最快的流传输完成后，若待调度流队列中还有其它组播请求流，且能匹配不分裂组播请求流中完成传输最快的流传输完成后释放的源节点和目的节点，则将其放入待服务流队列中，其耗时与不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ相关；/>
Figure BDA0003408581530000054
表示所有组播请求流传输完成的流时间总和的最小值，所有组播请求流传输完成的流时间总和最小对应最佳电路连接；tstart表示传输开始时刻，/>
Figure BDA0003408581530000055
为每个流由源节点至目的节点传输完成的时刻。
优选地，遍历所有电路连接，求取所有组播请求流传输完成的流时间总和，选定所有组播请求流传输的流时间总和最小时对应的电路连接作为最佳电路连接,以最佳电路连接进行组播请求传输调度。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，以组播请求流传输的优先级为出发点，按优先级的顺序实施两轮匹配：首先进行不分裂组播请求流的匹配，将匹配到的源节点、目的节点互不冲突的不分裂组播请求流放入待服务流队列，不分裂组播请求流匹配完之后，如还存在空闲源节点和目的节点，按优先级顺序遍历还未被放入待服务流队列的组播请求流进行分裂的组播匹配，分裂可以满足空闲源节点和目的节点的组播并匹配，放入待服务流队列，确定不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ，以明确不分裂组播请求流对应创建源节点-目的节点之间电路连接的停止时间，指导整体电路连接的创建，与传统非抢占式调度算法相比，有效利用空闲源节点及目的节点，高效调度了组播请求流的传输，从而解决了目的节点存在冲突的组播请求流传输时调度延迟、资源利用率低的问题。
附图说明
图1表示本发明实施例1中提出的无冲突组播传输示意图；
图2表示本发明实施例1中提出的有冲突组播传输示意图；
图3表示本发明实施例1中提出的光电路交换下组播请求传输的调度优化方法的流程示意图；
图4表示本发明实施例1中提出的第一轮空闲源节点、空闲目的节点及组播请求流三者之间的匹配后组播请求流的传输示意图；
图5表示本发明实施例1中提出的存在冲突的组播请求流传输的示意图；
图6表示本发明实施例3中提出的应用传统非抢占式调度算法下调度5条组播请求流传输的示意图；
图7表示本发明实施例3中提出的应用传统非抢占式调度算法下5条组播请求流传输所需的时间示意图；
图8表示本发明实施例3中应用本发明所提出的光电路交换下组播请求传输的调度优化方法下调度5条组播请求流传输的示意图；
图9表示本发明实施例3中应用本发明所提出的光电路交换下组播请求传输的调度优化方法下调度5条组播请求流传输所需的时间示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
为解决当前非抢占式调度算法在调度有冲突的组播请求传输时存在的传输时间长、资源利用率低的问题，本实施例首先设置一个组播请求流传输的隔离路由应用背景，在该背景下，每个组播请求流仅能使用单跳电路交换或多跳分组交换，但不是两者的组合，这样的单跳隔离路由避免了电路和分组交换网络之间的移动流量。
设组播请求流用f表示，每个组播请求流f表征为
Figure BDA0003408581530000071
其中，sf表示发送方的机架集合，电路交换机的一个端口源节点连接一个顶部机架，df表示接收方的机架集合，表征目的节点集合，一个目的节点仅能接收来自一个源节点发送的组播请求流；vf表示组播请求流f的大小，/>
Figure BDA0003408581530000072
表示组播请求流f传输至目的节点的到达时间；在组播请求流传输调度过程中，满足以下约束限制：
Figure BDA0003408581530000073
Figure BDA0003408581530000074
Figure BDA0003408581530000075
Figure BDA0003408581530000076
Figure BDA0003408581530000077
其中，
Figure BDA0003408581530000078
表示从机架i发往机架j的电路连接，对应上述公式中的第一个约束公式表示电路连接的输出只能从电路另一端的单个输入接收组播请求流；bs表示服务器端口的带宽；bc表示电路交换机端口的带宽；/>
Figure BDA0003408581530000079
表示组播请求流f被调度的状态，对应第二个约束公式表示限制从机架i到电路的组播请求流的传输速率不超过电路端口带宽bc；/>
Figure BDA00034085815300000710
表示组播请求流f传输到目的节点d的状态，d∈df；第三个约束公式表示只有当存在从发送方机架sf到d的电路连接时，组播请求流f才能通过电路交换将数据传送到其接收方机架d,d∈df；第四个约束公式及第五个约束公式表示若预计为组播请求流f中的至少一个提供服务时，则对组播请求流f进行调度，如图1所示的无冲突的组播传输，R1-R6代表电路交换机的6个端口，每一个端口连接一个顶部发送方机架(R1-R6为抽象化源节点)，d1-d6代表目的节点，一个目的节点只能接收来自一个源节点发送的数据，图1中的组播传输，每一条组播请求流的源节点与目的节点均不冲突，能在一轮传输中传输完，而相对图1而言，图2中目的节点的输出同时收到了多个源节点的输入，存在冲突，由于源节点与目的节点之间组播请求流的传输冲突的存在，所以图2的组播请求流必须经过几个不冲突轮次传输才可以调度完，这就引入一个最短时间调度问题，为解决这个问题，具体的，参见图3，在本实施例中，提出了一种光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，该方法包括以下步骤：
S1.对组播请求流进行优先级处理，处理后的组播请求流放入待调度流队列；
S2.按优先级顺序遍历待调度流队列，确定空闲源节点及目的节点，根据空闲源节点及目的节点进行空闲源节点、空闲目的节点及不分裂组播请求流三者之间的匹配；
S3.将完成匹配且匹配涉及到的源节点、目的节点互不冲突的不分裂组播请求流放入待服务流队列；
S4.判断是否还存在空闲源节点和目的节点，若是，按优先级顺序遍历待调度流队列中满足空闲源节点、目的节点的组播请求流，执行步骤S5；否则，执行步骤S6；
S5.对满足空闲的源节点和目的节点的组播请求流进行分裂，得到分裂后的子组播请求流，并将其放入待服务流队列，执行步骤S6；
S6.确定不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ，以明确不分裂组播请求流对应创建源节点-目的节点之间电路连接的停止时间，指导整体电路连接的创建；
S7.基于待服务队列中的不分裂组播请求流及子组播请求流，创建源节点-目的节点之间的电路连接，待服务队列中的不分裂组播请求流及子组播请求流按电路连接进行传输，记录传输开始时刻及每个组播请求流传输完成的时刻；
S8.判断所有组播请求流是否均已被传输调度，若是，执行S9；否则，返回S2；
S9.基于传输开始时刻、每个流由源节点至目的节点传输完成的时刻，基于不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ，得到所有组播请求流传输完成时间总和最小时对应的最佳电路连接，将待服务流队列中的组播流请求按最佳电路连接进行传输调度。
整体上，实施过程首先以组播请求流传输的优先级为出发点，按优先级的顺序实施两轮匹配：按优先级的顺序首先进行不分裂组播请求流的匹配，将匹配到的源节点、目的节点互不冲突的不分裂组播请求流放入待服务流队列，不分裂组播请求流匹配完之后，如还存在空闲源节点和目的节点，按优先级顺序遍历还未被放入待服务流队列的组播请求流进行分裂的组播匹配，分裂可以满足空闲源节点和目的节点的组播，形成分裂的子组播请求流并匹配，放入待服务流队列，确定不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ，以明确不分裂组播请求流对应创建源节点-目的节点之间电路连接的停止时间，指导整体电路连接的创建，解决目的节点存在冲突的组播请求流传输时调度延迟、资源利用率低的问题。
步骤S2中，在按优先级顺序遍历待调度流队列前，为加快遍历组播请求流的速度，在开始时确定待调度流队列中的每个组播请求流是否能被服务，对于任意一个组播请求流，若其源节点状态为空闲，且目的节点属于所有处于空闲状态目的节点集合中的子集，则该组播请求流能被服务；在确定空闲源节点及目的节点时，优先级越高的组播请求流越早被考量，按优先级顺序，对于在源节点与目的节点之间传输的某一组播请求流f，确定组播请求流f的发送方源节点与接收方目的节点，在组播请求流f的发送方源节点与接收方目的节点空闲时，此在组播请求流f为不分裂组播请求流，则组播请求流f对应的空闲源节点、空闲目的节点与组播请求流f三者之间完成第一轮匹配。
该过程主要是用来匹配不用拆分目的节点集合的组播请求流，假设在待调度流队列中存在如下多播请求流(1→2、3，2→1、3)，其中交换机的端口数量为3，分别为R1，R2，R3，对应目的节点d1,d2,d3且都处于空闲状态。按照优先级顺序匹配，设第一条组播请求流(1→2、3)传输完成所需时间最短，由于R2，R3空闲，所以能将流(1→2、3)加入待服务队列，当流(1→2、3)加入到待服务队列后，考虑流(2→1、3)算法更新空闲的端口只有R1，不能满足流(2→1、3)中的R3对应的目的节点空闲，因此这一条组播请求流不适合第一轮匹配，下面以5个组播请求流f1-f5为例，更直观的描述的第一轮匹配具体的过程可参见图4，展示的是一个个不冲突调度的过程。
若优先级在后的组播请求流匹配时涉及到的源节点、目的节点与其它优先级在前的组播请求流匹配时涉及到的源节点、目的节点冲突，则优先级在后的组播请求流自动进入S4的步骤，以加快传输，减少等待时间，降低延迟。
在第一轮匹配完成时，步骤S4中若还存在空闲源节点和空闲目的节点，则按优先级顺序遍历待调度流队列中满足空闲源节点、目的节点的组播请求流，对满足空闲的源节点和目的节点的组播请求流进行分裂，对其进行分裂时，存在组播请求流目的节点的集合为空闲目的节点的子集的组播请求流可分裂，确定可分裂组播请求流中与空闲目的节点-空闲源节点对应的子组播请求流，将子组播请求流从原组播请求流中分裂出，放入待服务流队列。下面以举例形式说明：假设在待调度流队列中存在如下多播请求(2→1、3)，交换机的端口数量为3，分别为R1,R2,R3，目的节点为d1,d2,d3，其中d2、d3被占用，d1空闲，按照优先级顺序匹配，由于R1空闲，所以能将流(2→1、3)拆分出一个子组播请求流(2→1)，然后将子组播请求流加入待服务队列，直到不能再生成子组播请求流，更直观的，以5个组播请求流f1-f5为例，第二轮匹配分割具体的过程可参见图5，在步骤S8中，若非所有组播请求流均已被传输调度，则在第一轮匹配源节点-目的节点之间的电路连接上进行传输的组播请求流由源节点-目的节点之间的传输未完成，对应的源节点与目的节点未空闲，待调度流队列中满足空闲目的节点原冲突的在后优先级的组播请求流需等待。
在步骤S6中，不分裂组播请求流传输时，其占用的源节点-目的节点之间创建了电路连接，在时间θ之后，完成传输最快的流和所需传输时间小于等于θ的子组播流占用的源节点-目的节点之间的电路连接停止，源节点及目的节点被释放，释放后空闲的源节点和目的节点首先满足的不需要分裂的组播请求流匹配，若匹配后还有剩余的空闲源节点和目的节点，则匹配可以分裂的组播请求流产生子组播请求流；释放后空闲的源节点、不分裂组播请求流及子组播请求流、目的节点之间创建电路连接。此步骤是为了确定为调度组播请求流，源节点、目的节点之间的电路连接什么时候重新构造，第一次根据待服务流队列中的组播请求流创建电路连接并传输后，如果待调度队列中还有流可以匹配其空闲出的节点，则匹配一些新的流放入待服务流队列，这个第一次根据待服务流队列中的流创建电路连接并传输完成的时间很关键，它决定着源节点与目的节点的利用率以及组播请求流传输的速度。
在本实施例中，为优化源节点及目的节点的资源有效利用率，记录传输开始时间及流到达时间，以所有组播请求流传输完成的流时间总和最小确定最佳电路连接，动态调整电路持续时间的灵活性，并随时间安排存在冲突的组播请求传输，降低延迟，在步骤S9中，所有组播请求流传输完成时间最小时的表达式为：
Figure BDA0003408581530000111
其中，θ为不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间，由不分裂组播请求流在其源节点-目的节点创建的电路连接持续时间决定，也考虑不分裂组播请求流本身的优先级；
Figure BDA0003408581530000112
表示在一个电路连接中，不分裂组播请求流中完成传输最快的流完成传输时，组播请求流f传输还没有结束，组播请求流f传输至目的节点所需要的时间；/>
Figure BDA0003408581530000113
表示在一个电路连接中，不分裂组播请求流中完成传输最快的流完成传输时，组播请求流f传输已结束，组播请求流f传输至目的节点所经历的时间，不分裂组播请求流中完成传输最快的流传输完成后，若待调度流队列中还有其它组播请求流，且能匹配不分裂组播请求流中完成传输最快的流传输完成后释放的源节点和目的节点，则将其放入待服务流队列中，其耗时与不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ相关；/>
Figure BDA0003408581530000114
表示所有组播请求流传输完成的流时间总和的最小值，所有组播请求流传输完成的流时间总和最小对应最佳电路连接；tstart表示传输开始时刻，/>
Figure BDA0003408581530000115
为每个流由源节点至目的节点传输完成的时刻；遍历所有电路连接，求取所有组播请求流传输完成的流时间总和，选定所有组播请求流传输完成的流时间总和最小时对应的电路连接作为最佳电路连接,以最佳电路连接进行组播请求传输调度。
实施例2
在本实施例中，步骤S1所述的对组播请求流进行优先级处理基于短作业优先的顺序，过程为：
设上层应用下发若干条组播请求流，每一个组播请求流f完成组播请求需要的时间为tf，将若干条组播请求流完成各自组播请求需要的时间按从小到大排序，完成组播请求时间越短的组播请求流，优先级越高。
实施例3
在本实施例中，利用实施例1提出的具体实施过程，验证本发明提出的方法有效性。
参见表1，选用5个组播请求流f1-f5的传输调度进行优化，其中组播请求流f1源节点与目的节点对应为1—2，3，4，完成时间为20ms；组播请求流f2的源节点与目的节点对应为5—1，3，6，完成时间为20ms；组播请求流f3的源节点与目的节点对应为3—1，2，5，完成时间为20ms；组播请求流f4的源节点与目的节点对应为1—5，6，完成时间为100ms；组播请求流f5的源节点与目的节点对应为3—1，2，4，完成时间为40ms。
表1
Figure BDA0003408581530000121
基于上述数据，应用传统非抢占式调度算法下调度5条组播请求流传输的示意图如图6所示，结合表1的5条组播请求流传输分别所需的源节点与目的节点情况，以f1与f2为例，f1传输所需的源节点与目的节点匹配为1—2,3,4，f2传输所需的源节点与目的节点匹配为5—1,3,6，应用传统非抢占式调度算法下，因为存在节点冲突，会按优先级依次调度，则5条组播请求流传输依次所需的时间示意图如图7所示，应用本发明所提出的光电路交换下组播请求传输的调度优化方法下调度5条组播请求流传输的示意图如图8所示，在图8中自左向右的图示中，第一层f1为不分裂组播请求流，f2、f3为子组播请求流，根据f1的传输时间确定电路连接时，f1传输完成所需要的时间为20ms，在第二层，经过前20ms以后，前面匹配都已传输完，释放被占用的源节点及目的节点，然后重新匹配f2，f3，f4，均为不分裂组播，完成最快传输的时间是20ms，剩下的不再赘述，传输调度5条组播请求流传输所需的时间示意图如图9所示，基于图6与图8、以及基于图7与图9的对比，简要分析如下：
对于表1所示的5条组播请求流，需要尽可能短的时间内传输完这组请求，图7中f2完成需要40ms,图8中展示分割f2后，对应图9显示完成传输需要20ms，f3类似，总体上传输的总时间降，应用本发明所提方法可以显著加快流时间。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.对组播请求流进行优先级处理，处理后的组播请求流放入待调度流队列；
S2.按优先级顺序遍历待调度流队列，确定空闲源节点及目的节点，根据空闲源节点及目的节点进行空闲源节点、空闲目的节点及不分裂组播请求流三者之间的匹配；
S3.将完成匹配且匹配涉及到的源节点、目的节点互不冲突的不分裂组播请求流放入待服务流队列；
在确定空闲源节点及目的节点时，优先级越高的组播请求流越早被考量，按优先级顺序，对于在源节点与目的节点之间传输的某一组播请求流f，确定组播请求流f的发送方源节点与接收方目的节点，在组播请求流f的发送方源节点与接收方目的节点空闲时，此在组播请求流f为不分裂组播请求流，则组播请求流f对应的空闲源节点、空闲目的节点与组播请求流f三者之间完成第一轮匹配；
若优先级在后的组播请求流匹配时涉及到的源节点、目的节点与其它优先级在前的组播请求流匹配时涉及到的源节点、目的节点冲突，则优先级在后的组播请求流自动进入S4的步骤；
S4.判断是否还存在空闲源节点和目的节点，若是，按优先级顺序遍历待调度流队列中满足空闲源节点、目的节点的组播请求流，执行步骤S5；否则，执行步骤S6；
在第一轮匹配完成时，步骤S4中若还存在空闲源节点和空闲目的节点，则按优先级顺序遍历待调度流队列中满足空闲源节点、目的节点的组播请求流，对满足空闲的源节点和目的节点的组播请求流进行分裂，对其进行分裂时，存在组播请求流目的节点的集合为空闲目的节点的子集的组播请求流可分裂，确定可分裂组播请求流中与空闲目的节点-空闲源节点对应的子组播请求流，将子组播请求流从原组播请求流中分裂出，放入待服务流队列；
S5.对满足空闲的源节点和目的节点的组播请求流进行分裂，得到分裂后的子组播请求流，并将其放入待服务流队列，执行步骤S6；
S6.确定不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ，以明确不分裂组播请求流对应创建源节点-目的节点之间电路连接的停止时间，指导整体电路连接的创建；
在步骤S6中，不分裂组播请求流传输时，其占用的源节点-目的节点之间创建了电路连接，在时间θ之后，完成传输最快的流和所需传输时间小于等于θ的子组播流占用的源节点-目的节点之间的电路连接停止，源节点及目的节点被释放，释放后空闲的源节点和目的节点首先满足的不需要分裂的组播请求流匹配，若匹配后还有剩余的空闲源节点和目的节点，则匹配可以分裂的组播请求流产生子组播请求流；释放后空闲的源节点、不分裂组播请求流及子组播请求流、目的节点之间创建电路连接；
S7.基于待服务队列中的不分裂组播请求流及子组播请求流，创建源节点-目的节点之间的电路连接，待服务队列中的不分裂组播请求流及子组播请求流按电路连接进行传输，记录传输开始时刻及每个组播请求流传输完成的时刻；
S8.判断所有组播请求流是否均已被传输调度，若是，执行S9；否则，返回S2；
S9.基于传输开始时刻、每个流由源节点至目的节点传输完成的时刻，基于不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ，得到所有组播请求流传输完成时间总和最小时对应的最佳电路连接，将待服务流队列中的组播流请求按最佳电路连接进行传输调度。
2.根据权利要求1所述的光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，其特征在于，设组播请求流用f表示，每个组播请求流f表征为
Figure FDA0004216531160000021
其中，sf表示发送方的机架集合，电路交换机的一个端口源节点连接一个顶部机架，df表示接收方的机架集合，表征目的节点集合，一个目的节点仅能接收来自一个源节点发送的组播请求流；vf表示组播请求流f的大小，/>
Figure FDA0004216531160000022
表示组播请求流f传输至目的节点的到达时间；在组播请求流传输调度过程中，满足以下约束限制：
Figure FDA0004216531160000023
Figure FDA0004216531160000024
Figure FDA0004216531160000025
Figure FDA0004216531160000031
Figure FDA0004216531160000032
其中，
Figure FDA0004216531160000033
表示从机架i发往机架j的电路连接，上述公式中的第一个约束公式表示电路连接的输出只能从电路另一端的单个输入接收组播请求流；bs表示服务器端口的带宽；bc表示电路交换机端口的带宽；/>
Figure FDA0004216531160000034
表示组播请求流f被调度的状态，对应第二个约束公式表示限制从机架i到电路的组播请求流的传输速率不超过电路端口带宽bc；/>
Figure FDA0004216531160000035
表示组播请求流f传输到目的节点d的状态，d∈df；第三个约束公式表示只有当存在从发送方机架sF到d的电路连接时，组播请求流f才能通过电路交换将数据传送到其接收方机架d,d∈df；第四个约束公式及第五个约束公式表示若预计为组播请求流f中的至少一个提供服务时，则对组播请求流f进行调度。
3.根据权利要求2所述的光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，其特征在于，步骤S1所述的对组播请求流进行优先级处理的过程为：
设上层应用下发若干条组播请求流，每一个组播请求流f完成组播请求需要的时间为tf，将若干条组播请求流完成各自组播请求需要的时间按从小到大排序，完成组播请求时间越短的组播请求流，优先级越高。
4.根据权利要求2所述的光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，其特征在于，步骤S2中，在按优先级顺序遍历待调度流队列前，确定待调度流队列中的每个组播请求流是否能被服务，对于任意一个组播请求流，若其源节点状态为空闲，且目的节点属于所有处于空闲状态目的节点集合中的子集，则该组播请求流能被服务。
5.根据权利要求2所述的光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，其特征在于，在步骤S9中，所有组播请求流传输完成时间最小时的表达式为：
Figure FDA0004216531160000036
其中，θ为不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间，由不分裂组播请求流在其源节点-目的节点创建的电路连接持续时间决定，也考虑不分裂组播请求流本身的优先级；
Figure FDA0004216531160000037
表示在一个电路连接中，不分裂组播请求流中完成传输最快的流完成传输时，组播请求流f传输还没有结束，组播请求流f传输至目的节点所需要的时间；/>
Figure FDA0004216531160000041
表示在一个电路连接中，不分裂组播请求流中完成传输最快的流完成传输时，组播请求流f传输已结束，组播请求流f传输至目的节点所经历的时间，不分裂组播请求流中完成传输最快的流传输完成后，若待调度流队列中还有其它组播请求流，且能匹配不分裂组播请求流中完成传输最快的流传输完成后释放的源节点和目的节点，则将其放入待服务流队列中，其耗时与不分裂组播请求流中完成传输最快的流所需要的传输时间θ相关；/>
Figure FDA0004216531160000042
表示所有组播请求流传输完成的流时间总和的最小值，所有组播请求流传输完成的流时间总和最小对应最佳电路连接，tstart表示传输开始时刻，/>
Figure FDA0004216531160000043
为每个流由源节点至目的节点传输完成的时刻。
6.根据权利要求5所述的光电路交换下组播请求传输的调度优化方法，其特征在于，遍历所有电路连接，求取所有组播请求流传输完成的流时间总和，选定所有组播请求流传输的流时间总和最小时对应的电路连接作为最佳电路连接,以最佳电路连接进行组播请求传输调度。
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面向控制网络的交换机调度机制研究;陈本源;周祖德;;计算机工程与应用(34);全文 *

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