CN114785730B - 一种应用层多径中继传输云服务系统的多路径生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种应用层多径中继传输云服务系统的多路径生成方法，先基于中继转发器和通信双端用户代理生成带权拓扑结构图，使用Dijkstra算法计算出一条最短路径L1，删除最短路径L1中从源节点到目标节点之间的第一条边，在新的拓扑图中再次使用Dijkstra算法计算出一条最短路径，以此类推，在原带权拓扑结构图中，依次删除最短路径L1中从源节点到目标节点之间的N1条边中的一条，生成新的带权拓扑结构图，使用传统的Dijkstra算法共计算出N1条最短路径，依据业务传输需求从N1条最短路径中选择一条最优路径；本发明所生成的多条传输路径都是不相交的，避免了因某个中继转发器节点拥塞而导致多条传输路径发生拥塞，提高了传输的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种应用层多径中继传输云服务系统的多路径生成方法。
背景技术
由于因特网“尽力而为”的传输机制，传输过程中不可避免会发生丢包、抖动和延时问题，无法满足实时会话类业务的传输需求，从而导致服务质量(Quality of Service，QoS)下降。随着5G和高速光纤等接入网带宽不断提升，网络路径性能瓶颈由接入网逐渐后移到骨干网络。然而，现有的网络体系无法仍然满足会话类业务高带宽、低时延的业务需求。为解决此类问题，多径传输技术应运而生。近年来，关于传输层多径传输技术的研究从未停止，比较成熟的传输层多径协议有SCTP、MPTCP，但是由于传输层多径的部署成本极高，因此至今并未大规模推广开来。基于此种现状，业界学者把研究目光转向了应用层多径传输系统。附图1是应用层多径传输系统，应用层多径传输系统由三大部分组成，分别是：用户代理、带外信令服务器和多径中继传输云服务系统。其中，用户代理主要用于完成多径传输媒体收发功能；带外信令服务器主要用于用户代理之间进行会话协商；多径中继传输云服务系统则主要为用户代理提供多径中继传输服务。多径中继传输云服务系统又可以具体划分为两个部分，分别是：中继控制器和中继转发器。每一个中继转发器或者中继控制器，都是一个单独的专用服务器。中继控制器主要用于管理和维护中继服务器系统，并为用户代理生成多条不相交的中继传输路径；中继转发器则主要用于完成应用层媒体流转发处理。一条中继传输路径可以经由一个中继转发器，也可经由多个中继转发器。
当用户代理之间发起通信时，用户代理会将所需传输路径条数以及对每条路径的带宽、时延、丢包率的要求发送给中继控制器，中继控制器根据用户代理的需求为用户代理分配对应条数的符合需求的传输路径。多径中继传输云服务系统本质上是在应用层实现对网络资源的再调度，资源调度能力的好坏直接决定是否能够满足会话类业务的QoS需求，因此资源调度是多径中继传输云服务系统的核心技术点。所谓资源调度，即中继控制器为用户代理生成多条符合其需求的传输路径。以多径中继传输云服务系统为研究场景，研发一种多路径生成方法提供了解决问题的新途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用层多径中继传输云服务系统的多路径生成方法，解决应用层多径中继传输云服务系统中传输路径的生成问题，有效提高网络的资源利用率，保证会话类业务的QoS。
为实现上述目的，本发明提供的一种应用层多径中继传输云服务系统的多路径生成方法，包括：
步骤1：通信发起端用户代理向中继控制器发送路径分配请求，中继控制器接收到请求后，根据中继转发器以及发起端用户代理和接收端用户代理分布情况，生成拓扑结构图；
步骤2：中继控制器向中继转发器发送链路状态收集命令，收集中继转发器对之间以及中继转发器和用户代理之间路径的网络参数，将收集到的网络参数无量纲化后转化为weight权值，作为路径的传输质量评价值；
步骤3：中继控制器根据步骤2生成的拓扑结构图和计算得到的weight权值构造带权拓扑结构图，计算出从源节点到目标节点的N条最短路径；
步骤4：依据业务特征需求从步骤3得到的N条最短路径中选择一条最优路径；
步骤5：在带权拓扑结构图中将最优路径上的中继转发器节点去掉，形成新的带权拓扑结构图，重复执行步骤3和步骤4直至计算出从源节点到目标节点的K条最优路径。
所述路径分配请求包括：用户代理希望中继控制器为其分配的传输路径条数以及对每条传输路径的剩余带宽、时延、丢包率的限制性要求。
所述链路状态收集命令包括：中继转发器要进行测量的网络参数、发送端用户代理的IP地址和端口号以及接收端用户代理的IP地址和端口号。
所述无量纲化采用极值化方法，计算公式为其中，x′为将网络参数无量纲化后的值，x为本次网络测量结果，xmin为多次网络测量结果的最小值，xmax为多次网络测量结果的最大值；
所述weight权值表示为：
其中/>bandwidth′(A，B)代表无量纲化后的链路剩余带宽，bandwidth(A，B)代表当次测量得到的链路剩余带宽，bandwidth(A，B)min代表多次测量得到的链路剩余带宽的最小值、bandwidth(A，B)max代表多次测量得到的链路剩余带宽的最大值；/>delay′(A，B)代表无量纲化后的时延，delay(A，B)代表当次测量得到的时延，delay(A，B)min代表多次测量得到的时延的最小值，delay(A，B)max代表多次测量得到的时延的最大值；/>lossrate′(A，B)代表无量纲化后的丢包率，lossrate(A,B)代表当次测量得到的丢包率，lossrate(A,B)min代表多次测量得到的丢包率的最小值，lossrate(A,B)max代表多次测量得到的丢包率的最大值。
所述步骤3中计算出从源节点到目标节点的N条最短路径，包括：
步骤3.1：利用Dijkstra算法计算出一条从源节点到目标节点的最短路径L1，其中，L1经过的边为N1条；
步骤3.2：在原带权拓扑结构图中，删除最短路径L1中从源节点到目标节点之间的第一条边，生成新的带权拓扑结构图，使用Dijkstra算法计算出一条最短路径；
步骤3.3：重复步骤3.2，在原带权拓扑结构图中，依次删除最短路径L1中从源节点到目标节点之间的N1条边中的一条，生成新的带权拓扑结构图，使用Dijkstra算法共计算出N1条最短路径。
所述步骤4包括：
步骤4.1：根据户代理对传输路径提出的网络参数要求得到业务特征需求；
步骤4.2：将计算出的N1条最短路径按照权值weight大小升序排序；
步骤4.3：从排序后的N1条最短路径中按权重weight升序选择首个剩余可用传输带宽、时延、丢包率均在业务要求范围内的路径作为最优路径。
所述剩余可用传输带宽：根据源节点到目标节点路径上的中继转发器对之间链路的最小剩余带宽确定；
所述时延：根据源节点到目标节点路径上的中继转发器对之间链路的时延之和确定；
所述丢包率为：其中lossrate(A,B)为源节点到目标节点的丢包率、N为从源节点到目标节点的中继转发器对之间的链路条数、lossratei为第i条中继转发器对之间的链路的丢包率。
本发明的有益效果：
本发明提出一种应用层多径中继传输云服务系统中的多路径生成方法，根据用户代理提出的需求(传输路径条数、带宽、时延、丢包率)，为通信双端用户代理之间分配多条符合需求的中继传输路径，保证了会话类业务的QoS。此外，本发明所生成的多条传输路径都是不相交的，避免了因某个中继转发器节点拥塞而导致多条传输路径发生拥塞，提高了传输的稳定性。
附图说明
图1为本发明中应用层多径传输系统结构图；
图2为本发明中所述应用层多径中继云服务系统中的多路径生成方法流程图；
图3为本发明中改进后的Dijkstra算法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种实施方式进行详细的阐述。
本发明提供的一种应用层多径中继传输云服务系统的多路径生成方法，如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤1：发起端用户代理向中继控制器发送路径分配请求，请求内容包括希望中继控制器分配的传输路径条数(假设为K条)以及每条路径对应的网络参数要求；中继控制器接收到请求后，根据中继转发器以及发起端用户代理和接收端用户代理分布情况生成拓扑结构图；
用户代理：主要用于多径媒体流的收发。具体功能包括：向中继控制器申请分配符合其要求的路径、媒体流多径发送、媒体流多径接收；
中继控制器：主要用于管理多径中继云服务系统，具体功能包括：中继转发器管理、拓扑维护以及中继路径分配；
网络参数具体包括：剩余可用传输带宽、时延、丢包率；
中继转发器：主要用于完成应用层媒体流转发。具体功能包括：中继转发器注册、中继转发器对之间路径的网络参数上报、媒体流数据转发；
所述路径分配请求包括：用户代理希望中继控制器为其分配的传输路径条数以及对每条传输路径的剩余带宽、时延、丢包率的限制性要求。
步骤2：中继控制器向中继转发器发送链路状态收集命令，收集中继转发器对之间以及中继转发器和用户代理之间路径的网络参数，将收集到的网络参数无量纲化后转化为weight权值，作为路径的传输质量评价值；所述链路状态收集命令包括：中继转发器要进行测量的网络参数、发送端用户代理的IP地址和端口号以及接收端用户代理的IP地址和端口号。
步骤3：中继控制器根据步骤2生成的拓扑结构图和计算得到的weight权值构造带权拓扑结构图，利用改进后的Dijkstra算法计算出从源节点到目标节点的N条最短路径；
步骤3.1：利用Dijkstra算法计算出一条从源节点到目标节点的最短路径L1，其中，L1经过的边为N1条；
步骤3.2：在原带权拓扑结构图中，删除最短路径L1中从源节点到目标结点之间的第一条边，生成新的带权拓扑结构图，使用Dijkstra算法计算出一条最短路径；
步骤3.3：重复步骤3.2，在原带权拓扑结构图中，依次删除最短路径L1中从源节点到目标节点之间的N1条边中的一条，生成新的带权拓扑结构图，使用Dijkstra算法共计算出N1条最短路径。
步骤4：依据业务特征需求从步骤3得到的N条最短路径中选择一条最优路径；
步骤4.1：根据户代理对传输路径提出的网络参数要求得到业务特征需求；
步骤4.2：将计算出的N1条最短路径按照权值weight大小升序排序；
步骤4.3：从排序后的N1条最短路径中按权重weight升序选择首个剩余可用传输带宽、时延、丢包率均在业务要求范围内的路径作为最优路径；
步骤5：中继控制器在带权拓扑结构图中将步骤4中计算出的最优路径上涉及到的中继转发器节点去掉，形成新的带权拓扑结构图，重复执行步骤3和步骤4，直至计算出从源节点到目标节点的K条最优路径。
继控制器收集中继转发器对以及中继转发器与用户代理之间路径的网络参数，该网络参数是影响路径网络质量的重要因素，所网络述参数具体包括：剩余可用传输带宽、时延、丢包率。围绕该网络参数对链路网络质量建立评价体系。
本发明涉及的三个网络参数在计量单位和数量级上有所不同，故需要对网路参数的具体数据做无量纲化处理。具体涉及无量纲化处理方法为极值化方法。极值化方法可以总结为：找出每个参数的最大值和最小值，将两者做差称为极差，以每个指标的实际值减去该指标的最小值，再除以极差，得到正规化评价值。极值化计算模型为：其中，x′为将网络参数无量纲化后的值，x为本次网络测量结果，xmin为多次网络测量结果的最小值，xmax为多次网络测量结果的最大值。
在路径选择阶段提出路径权值weight来评估中继转发器之间的路径质量，中继转发器对之间的路径质量评估权值weight的模型为：
其中，
其中，bandwidth′(A，B)、delay′(A，B)、lossrate′(A，B)分别代表无量纲化后的带宽、延迟和丢包率，其中，带宽为正面影响，延迟和丢包率为负面影响。权值weight越小，则该路径的网络条件越好，路径可选择性越高。
bandwidth′(A，B)代表无量纲化后的链路剩余带宽，bandwidth(A，B)代表当次测量得到的链路剩余带宽，bandwidth(A，B)min代表多次测量得到的链路剩余带宽的最小值、bandwidth(A，B)max代表多次测量得到的链路剩余带宽的最大值；/>delay′(A，B)代表无量纲化后的时延，delay(A，B)代表当次测量得到的时延，delay(A，B)min代表多次测量得到的时延的最小值，delay(A，B)max代表多次测量得到的时延的最大值；/> lossrate′(A，B)代表无量纲化后的丢包率，lossrate(A，B)代表当次测量得到的丢包率，lossrate(A，B)min代表多次测量得到的丢包率的最小值，lossrate(A，B)max代表多次测量得到的丢包率的最大值。
本发明计算阶段采用的是改进后的Dijkstra算法，是对传统Dijkstra算法的场景应用升级。将发送端用户代理看作源节点，将接收端用户代理看作目的节点，利用改进后的Diikstra算法可以生成源节点到目的节点的最短N条候选路径，N值可以根据业务质量需求的强烈程度动态调整，N值越大，则说明用户代理对网络质量的需求越高。
改进后的Diikstra算法流程图如图3所示，图中字母A和字母C分别代表发送端用户代理和接收端用户代理，其余字母代表中继转发器，字母之间的连线为各节点间的路径，此处将这些路径简称为“边”。首先利用传统Dijkstra算法计算出一条从源节点到目标节点的最短路径L1(假设经过了N1个边)。在原带权拓扑结构图中，删除最短路径L1中从源节点到目标结点之间的第一条边，生成新的带权拓扑结构图，使用传统的Dijkstra算法计算出一条最短路径。以此类推，在原带权拓扑结构图中，依次删除最短路径L1中从源节点到目标节点之间的N1条边中的一条，生成新的带权拓扑结构图，使用传统的Dijkstra算法共计算出N1条最短路径。
该算法的作用是在多径中继云服务系统中计算出从源节点到目标节点的N条最短路径，步骤如下：
首先利用传统Dijkstra算法计算出一条从源节点到目标节点的最短路径L1(假设经过了N1个边)；
在原带权拓扑结构图中，删除最短路径L1中从源节点到目标结点之间的第一条边，生成新的带权拓扑结构图，使用传统的Diikstra算法计算出一条最短路径。以此类推，在原带权拓扑结构图中，依次删除最短路径L1中从源节点到目标节点之间的N1条边中的一条，生成新的带权拓扑结构图，使用传统的Dijkstra算法共计算出N1条最短路径。
本发明依据业务传输需求从N1条最短路径中选择一条最优路径。所述业务特征需求，即用户代理对传输路径的网络参数要求。从源节点到目标节点路径的剩余可用传输带宽为该路径上的中继转发器对之间链路的最小带宽。路径的时延为该路径上的中继转发器对之间链路的时延之和。路径的丢包率为：其中lossrate(A,B)为源节点到目标节点的丢包率、N为从源节点到目标节点的中继转发器对之间的链路条数、lossratei为第i条中继转发器对之间的链路的丢包率。将计算出的N1条最短路径按照权值weight大小升序排序，从排序后的N1条最短路径中按权重weight升序选择首个剩余可用传输带宽、时延、丢包率均在业务要求范围内的路径作为最优路径。
本发明生成K条最优路径采用去节点后重新生成的方法。为提高不相关路由的搜索约束性、提升容错能力，采用节点不相交多路径方案，即多径传输的路径之间，除源节点和目的节点，其余中继转发节点之间没有任何共享的节点。具体步骤为：将经过计算筛选出的最优路径所涉及的的中继转发节点全部删除，形成新的带权拓扑结构图，按照所述计算筛选方法，生成第二条最优路径。重复上述步骤，直至生成K条最优路径。
Claims (1)
1.一种应用层多径中继传输云服务系统的多路径生成方法，其特征在于，包括：
步骤1：通信发起端用户代理向中继控制器发送路径分配请求，中继控制器接收到请求后，根据中继转发器以及发起端用户代理和接收端用户代理分布情况，生成拓扑结构图；
步骤2：中继控制器向中继转发器发送链路状态收集命令，收集中继转发器对之间以及中继转发器和用户代理之间路径的网络参数，将收集到的网络参数无量纲化后转化为weight权值，作为路径的传输质量评价值；
步骤3：中继控制器根据步骤2生成的拓扑结构图和计算得到的weight权值构造带权拓扑结构图，计算出从源节点到目标节点的N条最短路径；
步骤4：依据业务特征需求从步骤3得到的N条最短路径中选择一条最优路径；
步骤5：在带权拓扑结构图中将最优路径上的中继转发器节点去掉，形成新的带权拓扑结构图，重复执行步骤3和步骤4直至计算出从源节点到目标节点的K条最优路径；
所述路径分配请求包括：用户代理希望中继控制器为其分配的传输路径条数以及对每条传输路径的剩余带宽、时延、丢包率的限制性要求；
所述链路状态收集命令包括：中继转发器要进行测量的网络参数、发送端用户代理的IP地址和端口号以及接收端用户代理的IP地址和端口号；
所述无量纲化采用极值化方法，计算公式为其中，x′为将网络参数无量纲化后的值，x为本次网络测量结果，xmin为多次网络测量结果的最小值，xmax为多次网络测量结果的最大值；
所述weight权值表示为：
其中，
其中，bandwidth′(A,B)、delay′(A,B)、lossrate′(A,B)分别代表无量纲化后的带宽、时延和丢包率，delay(A,B)代表当次测量得到的时延，delay(A,B)min代表多次测量得到的时延的最小值，delay(A,B)max代表多次测量得到的时延的最大值，lossrate(A,B)代表当次测量得到的丢包率，lossrate(A,B)min代表多次测量得到的丢包率的最小值，lossrate(A,B)max代表多次测量得到的丢包率的最大值；
所述步骤3中计算出从源节点到目标节点的N条最短路径，包括：
步骤3.1：利用Dijkstra算法计算出一条从源节点到目标节点的最短路径L1，其中，L1经过的边为N1条；
步骤3.2：在原带权拓扑结构图中，删除最短路径L1中从源节点到目标节点之间的第一条边，生成新的带权拓扑结构图，使用Dijkstra算法计算出一条最短路径；
步骤3.3：重复步骤3.2，在原带权拓扑结构图中，依次删除最短路径L1中从源节点到目标节点之间的N1条边中的一条，生成新的带权拓扑结构图，使用Dijkstra算法共计算出N1条最短路径；
所述步骤4包括：
步骤4.1：根据户代理对传输路径提出的网络参数要求得到业务特征需求；
步骤4.2：将计算出的N1条最短路径按照权值weight大小升序排序；
步骤4.3：从排序后的N1条最短路径中按权重weight升序选择首个剩余可用传输带宽、时延、丢包率均在业务要求范围内的路径作为最优路径；
所述剩余可用传输带宽：根据源节点到目标节点路径上的中继转发器对之间链路的最小剩余带宽确定；
所述时延：根据源节点到目标节点路径上的中继转发器对之间链路的时延之和确定；
所述丢包率为：其中lossrate(A,B)为源节点到目标节点的丢包率，N为从源节点到目标节点的中继转发器对之间的链路条数，lossratei为第i条中继转发器对之间的链路的丢包率。
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