CN115022233A - 一种可定制点到多点数据传输完成时间的传输方法 - Google Patents

一种可定制点到多点数据传输完成时间的传输方法 Download PDF

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CN115022233A CN202210682972.8A CN202210682972A CN115022233A CN 115022233 A CN115022233 A CN 115022233A CN 202210682972 A CN202210682972 A CN 202210682972A CN 115022233 A CN115022233 A CN 115022233A
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Abstract

本发明公开了一种可定制点到多点数据传输完成时间的传输方法，在系统运行前先对数据中心广域网的网络拓扑中的网络节点进行聚类分组，在系统运行中，首先根据网络拓扑中网络节点的聚类结果，对每个新传输请求的目的节点进行分组，并建立每个节点到其余所有分组的多播树；然后根据每个传输请求对传输完成时间的需求偏好，建立对应的传输模型并求解，得到每个多播树的速率分配方案；最后将每个传输请求对应的多播树及其速率分配方案作为决策结果发送至数据发送端，执行相应操作。本发明为不同传输完成时间需求偏好的一点到多点数据传输需求提供了可定制的网络传输方案，满足了不同类型的一点到多点数据传输需求的个性化要求。

Description

一种可定制点到多点数据传输完成时间的传输方法
技术领域
本发明属于数据传输技术领域，具体涉及一种可定制点到多点数据传输完成时间的传输方法的设计。
背景技术
近年来，全球化服务已经成为一种必然的趋势。因此，许多互联网服务提供商、互联网内容提供商和云提供商在世界各地部署多个大规模数据中心(Data Center，DC)，以快速便捷地提供全球化服务。这些分布在不同地理位置的数据中心之间通过专用的数据中心广域网连接，以进行相互通信。
另一方面，最近的研究报告指出，DC间的流量主要为一点到多点的数据传输需求，即经由数据中心广域网将大量的业务数据从一个源DC搬移到多个目标DC。由于数据中心广域网带宽是一种非常稀缺且昂贵的网络资源，如何优化数据中心之间的一点到多点数据传输业务显得尤为重要。通常，不同应用对此类流量的传输完成时间的需求不尽相同。例如：5G场景下的AR/VR、高清视频等分布式流媒体应用中，要向多个数据中心进行大规模业务内容的同步，侧重于数据要在完成期限之前传输完毕；支撑未来6G的关键技术——AI技术，在其分布式的训练过程中，参数服务器向多个工作节点下发全局模型，侧重于工作节点的平均传输完成时间的优化；大数据分析中的Coflow流量侧重于尾流的传输时间的优化。不同的传输完成时间需求偏好要求网络提供精细化的传输调度能力，从而满足不同应用的传输需求。因此，如何针对一点到多点数据传输业务的不同传输完成时间需求偏好，在充分利用网络带宽资源的基础上为其提供不同的传输方案以实现所要求的目标优化，对云服务提供商而言非常重要。
现有工作通常采用软件定义网络(Software Define Networking，SDN)技术和流量工程(Traffic Engineering，TE)技术结合的方式，集中式地优化数据中心间批量数据传输的管理，周期性地计算最优的路由和速率分配决策，以适应网络动态变化，从而实现减小传输完成时间等目标。
为加快网络传输，充分利用网络中存在的多路径，近年来有相关技术将网络间的一点到多点的传输拆分成多个点到点的传输，并且传输完成的节点可以作为辅助源节点向未完成节点发送数据。尽管上述工作减小了数据传输完成时间，但是相应地提高了网络传输消耗的带宽，在传输数据量较大情况下，网络可同时承载的数据流量数目会降低，因此网络整体的传输效率会有所损失，导致数据流平均完成时间增加。此外，该方案没有考虑不同类型的一点到多点需求的传输完成时间需求偏好不同。
针对利用点到点传输进行一点到多点传输所造成的带宽消耗较大的问题，相关研究人员提出通过流量工程和多播树结合的方法进行一点到多点流量的承载，同时考虑到多播树可能受到链路瓶颈，采用分组的思想，将目的节点分为1-2组，利用多棵多播树进行传输，以降低目的节点的平均完成时间。尽管上述方案能够节省网络带宽，降低目的节点的平均传输完成时间，但其未考虑网络带宽的差异性，认为网络拓扑中网络带宽是一致的，因此其对于网络瓶颈的感知存在一定的偏差，并且分组方法未充分考虑网络带宽对于分组的影响，可能会导致不必要的分组，从而形成负优化。除此之外，该方案同样没有考虑不同类型的一点到多点需求的传输完成时间需求偏好不同。
因此，上述现有技术都没有考虑不同类型的一点到多点数据传输业务的传输完成时间需求偏好不同，对所有的流都采取了相同的目标优化，难以满足应用的性能指标。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术没有考虑不同类型的一点到多点数据传输业务的传输完成时间需求偏好不同的问题，提出了一种可定制点到多点数据传输完成时间的传输方法。
本发明的技术方案为：一种可定制点到多点数据传输完成时间的传输方法，包括以下步骤：
S1、对数据中心广域网的网络拓扑中的网络节点进行聚类分组。
S2、根据网络拓扑中网络节点的聚类结果，对每个新传输请求的目的节点进行分组，并建立每个网络节点到其余所有分组的多播树。
S3、根据每组传输请求对传输完成时间的需求偏好，建立对应的传输模型并求解，得到每个多播树的速率分配方案。
S4、将每个传输请求对应的多播树及其速率分配方案作为决策结果发送至数据发送端，执行相应操作。
进一步地，步骤S1包括以下分步骤：
S11、将数据中心广域网建模为一个网络拓扑G＝(V,E)，其中V和E分别表示数据中心广域网中的数据中心集合和数据中心之间的链路集合。
S12、将网络拓扑G每个网络节点作为一个集群。
S13、每次选取集群间链路中带宽最大的一条链路，将其所连接的两个集群合并成一个集群。
S14、重复步骤S13，直到集群数目减少至
Figure BDA0003697027060000021
完成对网络节点的聚类分组。
进一步地，步骤S2包括以下分步骤：
S21、初始化设置网络拓扑中的链路权重均为1。
S22、遍历未完成的传输请求，针对每一个未完成的传输请求，遍历其多播树，将其多播树上使用的链路对应的权重修改为原始权重值加上该多播树的剩余的传输数据量。
S23、遍历新到达的传输请求，按照聚类结果对其目的节点进行分组，将位于同一个聚类中的目的节点分为一组，并建立每个网络节点到其余所有分组的最小权重的多播树。
进一步地，步骤S3中的传输模型包括最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型、最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型和最大化满足完成期限的请求数量传输模型。
进一步地，最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型具体为：
Figure BDA0003697027060000031
Figure BDA0003697027060000032
Figure BDA0003697027060000033
Figure BDA0003697027060000034
Figure BDA0003697027060000035
Figure BDA0003697027060000036
Figure BDA0003697027060000037
其中Ni.k表示
Figure BDA0003697027060000038
中的目的节点数量，
Figure BDA0003697027060000039
表示第i个请求的第k个分组，
Figure BDA00036970270600000310
表示第i个请求的第k个分组的完成时间，
Figure BDA00036970270600000311
表示第i个请求的到达时间，δ表示一个时隙的时长，
Figure BDA00036970270600000312
表示时隙t时第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上分配的速率，voli表示第i个请求需要传输的数据量，
Figure BDA00036970270600000313
表示是否接收到完整数据指示符，
Figure BDA00036970270600000314
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点已接收到完整数据，
Figure BDA00036970270600000315
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点未接收到完整数据，Di表示第i个请求的目的节点集合，si表示第i个请求的源节点，
Figure BDA00036970270600000316
表示节点是否在分组里的指示符，
Figure BDA00036970270600000317
表示第d个目的节点在第i个请求的第k个分组里，
Figure BDA00036970270600000318
表示第d个目的节点不在第i个请求的第k个分组里，
Figure BDA00036970270600000319
表示链路是否在多播树上的指示符，
Figure BDA00036970270600000320
表示链路e在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，
Figure BDA00036970270600000321
表示链路e不在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，Ce表示链路e的带宽，τ表示时隙。
进一步地，最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型具体为：
Figure BDA0003697027060000041
Figure BDA0003697027060000042
Figure BDA0003697027060000043
Figure BDA0003697027060000044
Figure BDA0003697027060000045
Figure BDA0003697027060000046
Figure BDA0003697027060000047
Figure BDA0003697027060000048
其中
Figure BDA0003697027060000049
表示第i个请求的完成时间，I表示所有一点到多点数据传输请求的集合，δ表示一个时隙的时长，
Figure BDA00036970270600000410
表示时隙t时第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上分配的速率，voli表示第i个请求需要传输的数据量，
Figure BDA00036970270600000411
表示是否接收到完整数据指示符，
Figure BDA00036970270600000412
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点已接收到完整数据，
Figure BDA00036970270600000413
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点未接收到完整数据，Di表示第i个请求的目的节点集合，si表示第i个请求的源节点，
Figure BDA00036970270600000414
表示节点是否在分组里的指示符，
Figure BDA00036970270600000415
表示第d个目的节点在第i个请求的第k个分组里，
Figure BDA00036970270600000416
表示第d个目的节点不在第i个请求的第k个分组里，
Figure BDA00036970270600000417
表示链路是否在多播树上的指示符，
Figure BDA00036970270600000418
表示链路e在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，
Figure BDA00036970270600000419
表示链路e不在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，Ce表示链路e的带宽，
Figure BDA00036970270600000420
表示第i个请求的第k个分组的完成时间，
Figure BDA00036970270600000421
表示第i个请求的到达时间，τ表示时隙。
进一步地，最大化满足完成期限的请求数量传输模型具体为：
maximize ∑iyi (l0)
Figure BDA00036970270600000422
Figure BDA0003697027060000051
Figure BDA0003697027060000052
Figure BDA0003697027060000053
Figure BDA0003697027060000054
Figure BDA0003697027060000055
Figure BDA0003697027060000056
其中yi表示能否完成数据传输指示符，yi＝1表示第i个请求能在完成截止时间
Figure BDA0003697027060000057
之前完成数据传输，yi＝0表示第i个请求不能在完成截止时间
Figure BDA0003697027060000058
之前完成数据传输，voli表示第i个请求需要传输的数据量，
Figure BDA0003697027060000059
表示是否接收到完整数据指示符，
Figure BDA00036970270600000510
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点已接收到完整数据，
Figure BDA00036970270600000511
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点未接收到完整数据，Di表示第i个请求的目的节点集合，si表示第i个请求的源节点，
Figure BDA00036970270600000512
表示节点是否在分组里的指示符，
Figure BDA00036970270600000513
表示第d个目的节点在第i个请求的第k个分组里，
Figure BDA00036970270600000514
表示第d个目的节点不在第i个请求的第k个分组里，
Figure BDA00036970270600000515
表示链路是否在多播树上的指示符，
Figure BDA00036970270600000516
表示链路e在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，
Figure BDA00036970270600000517
表示链路e不在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，Ce,t表示当前时隙t链路e的剩余带宽，δ表示一个时隙的时长，
Figure BDA00036970270600000518
表示时隙t时第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上分配的速率，
Figure BDA00036970270600000519
表示第i个请求的第k个分组的完成时间，
Figure BDA00036970270600000520
表示第i个请求的到达时间，Si表示第i个请求的辅助源节点集合，τ表示时隙。
进一步地，最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型和最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型的求解方法为：
将最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型和最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型转化为最大化每个时隙带权吞吐模型进行求解，最大化每个时隙带权吞吐模型具体为：
Figure BDA00036970270600000521
Figure BDA00036970270600000522
Figure BDA0003697027060000061
Figure BDA0003697027060000062
其中Si表示第i个请求的辅助源节点集合，
Figure BDA0003697027060000063
表示时隙t时第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上分配的速率，wi,k表示第i个请求第k个分组的权重，δ表示一个时隙的时长，voli,k表示第i个请求第k个分组的剩余传输数据量，
Figure BDA0003697027060000064
表示链路是否在多播树上的指示符，
Figure BDA0003697027060000065
表示链路e在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，
Figure BDA0003697027060000066
表示链路e不在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，Ce表示链路e的带宽。
进一步地，最大化满足完成期限的请求数量传输模型的求解方法为：
A1、将公式(3)中的
Figure BDA0003697027060000067
以及公式(12)中的yi设置为0～1的实数，求解最大化满足完成期限的请求数量传输模型得到分数解
Figure BDA0003697027060000068
和
Figure BDA0003697027060000069
A2、令整数解
Figure BDA00036970270600000610
以
Figure BDA00036970270600000611
的概率等于1。
A3、将整数解
Figure BDA00036970270600000612
输入最大化满足完成期限的请求数量传输模型中进行求解，得到分数解
Figure BDA00036970270600000613
A4、针对任意i∈I，令整数解
Figure BDA00036970270600000614
以
Figure BDA00036970270600000615
的概率等于1，I表示所有一点到多点数据传输请求的集合。
A5、将整数解
Figure BDA00036970270600000616
和
Figure BDA00036970270600000617
输入最大化满足完成期限的请求数量传输模型中进行求解，得到每个时隙的多播树速率分配方案，并接收能够在完成期限之前成功传输的请求。
进一步地，步骤S4包括以下分步骤：
S41、将每个请求对应的多播树及其速率分配方案作为当前时隙的决策结果；
S42、通过SDN网络将当前时隙的决策结果发送至数据发送端；
S43、根据当前时隙的决策结果，令数据发送端在当前时隙或未来时隙执行相应操作。
本发明的有益效果是：
(1)本发明为不同传输完成时间需求偏好的一点到多点数据传输需求提供了可定制的网络传输方案，满足了不同类型的一点到多点数据传输需求的个性化要求。
(2)本发明提出了基于网络带宽的集群分组方法，该方法结合网络带宽的差异性，能够有效减小网络瓶颈对多播树性能带来的影响，更充分利用集群内部的网络带宽。
(3)本发明提出了辅助源节点加速传输方法，通过已接收完整数据的节点向未完成节点传输数据，充分利用了网络拓扑的剩余带宽，进一步减少了传输完成时间。
(4)本发明充分利用了网络拓扑集群的特点，通过分组传输和辅助源节点加速传输方法，能够极大程度上减少数据传输完成时间，从而为应用提供更好的承载服务，有利于提高用户的体验质量。
附图说明
图1所示为本发明实施例提供的一种可定制点到多点数据传输完成时间的传输方法流程图。
图2所示为本发明实施例提供的分组多源加速传输方法示意图。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
本发明实施例遵循相关研究工作，认为数据中心广域网为独立可控的SDN网络。同时，本发明实施例参照已有研究工作，针对的是在线系统，即事先并不知道传输请求的到来，只有当传输请求到来时(本发明实施例中假设传输请求都是在每个时隙开始时到来)，才知道传输请求的具体内容，每隔一个时隙(通常为5min)，进行一次网络调度规划，以适应网络流量的变化。
本发明实施例提供了一种可定制点到多点数据传输完成时间的传输方法，如图1所示，包括以下步骤S1～S4：
S1、对数据中心广域网的网络拓扑中的网络节点进行聚类分组。
本发明实施例中，步骤S1是在系统开始运行前进行的操作，考虑到网络拓扑中的带宽呈现集群现象，为充分利用网络中的较大带宽，让同一个集群内部的节点可以提前完成传输，从而更早成为辅助源节点加速网络传输，本发明实施例提出基于网络带宽的网络节点聚类方法。
步骤S1包括以下分步骤S11～S14：
S11、将数据中心广域网建模为一个网络拓扑G＝(V,E)，其中V和E分别表示数据中心广域网中的数据中心集合和数据中心之间的链路集合。
S12、将网络拓扑G每个网络节点作为一个集群。
S13、每次选取集群间链路中带宽最大的一条链路，将其所连接的两个集群合并成一个集群。
S14、重复步骤S13，直到集群数目减少至
Figure BDA0003697027060000071
完成对网络节点的聚类分组。
S2、根据网络拓扑中网络节点的聚类结果，对每个新传输请求的目的节点进行分组，并建立每个网络节点到其余所有分组的多播树。
本发明实施例中，步骤S2～S4是在系统运行中进行的操作，步骤S2包括以下分步骤S21～S23：
S21、初始化设置网络拓扑中的链路权重均为1。
S22、遍历未完成的传输请求，针对每一个未完成的传输请求，遍历其多播树，将其多播树上使用的链路对应的权重修改为原始权重值加上该多播树的剩余的传输数据量。
S23、遍历新到达的传输请求，按照聚类结果对其目的节点进行分组，将位于同一个聚类中的目的节点分为一组，并建立每个网络节点到其余所有分组的最小权重的多播树。
本发明实施例中，多播树采用斯坦纳树(Steiner Tree)。
S3、根据每组传输请求对传输完成时间的需求偏好，建立对应的传输模型并求解，得到每个多播树的速率分配方案。
本发明实施例中，在一组点到多点数据传输请求的到达时间、源节点、目的节点以及传输数据量均为已知条件的情况下，针对三种的传输目标偏好建立了三种传输模型：最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型、最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型和最大化满足完成期限的请求数量传输模型。
其中，最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型包括以下目标公式(1)和约束公式(2)～(7)：
Figure BDA0003697027060000081
Figure BDA0003697027060000082
Figure BDA0003697027060000083
Figure BDA0003697027060000084
Figure BDA0003697027060000085
Figure BDA0003697027060000086
Figure BDA0003697027060000087
其中Ni.k表示
Figure BDA0003697027060000088
中的目的节点数量，
Figure BDA0003697027060000089
表示第i个请求的第k个分组，
Figure BDA00036970270600000810
表示第i个请求的第k个分组的完成时间，
Figure BDA00036970270600000811
表示第i个请求的到达时间，δ表示一个时隙的时长，
Figure BDA00036970270600000812
表示时隙t时第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上分配的速率，voli表示第i个请求需要传输的数据量，
Figure BDA00036970270600000813
表示是否接收到完整数据指示符，
Figure BDA00036970270600000814
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点已接收到完整数据，
Figure BDA0003697027060000091
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点未接收到完整数据，Di表示第i个请求的目的节点集合，si表示第i个请求的源节点，
Figure BDA0003697027060000092
表示节点是否在分组里的指示符，
Figure BDA0003697027060000093
表示第d个目的节点在第i个请求的第k个分组里，
Figure BDA0003697027060000094
表示第d个目的节点不在第i个请求的第k个分组里，
Figure BDA0003697027060000095
表示链路是否在多播树上的指示符，
Figure BDA0003697027060000096
表示链路e在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，
Figure BDA0003697027060000097
表示链路e不在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，Ce表示链路e的带宽，τ表示时隙。
其中，公式(1)表示整个传输模型的优化目标，即最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间。公式(2)确保数据的完整交付，其表明对于任一传输请求，其传输数据的总量应该等于其需求的数据量。公式(3)和公式(4)为辅助决策项，公式(3)表示目的节点只有两种状态——是否接收到完整数据；公式(4)表示只有当该目的节点接收完所有数据后，才能充当辅助源节点。公式(5)～(7)进行速率分配，公式(5)表明分配在每条链路上的传输速率总和应该小于链路容量，避免网络拥塞；公式(6)借助公式(4)的辅助判断，只给根节点收到完整数据的多播树分配速率，未完整接收数据的根节点，其所在多播树的发送速率应为0；公式(7)保证数据传输的合理性，任一请求的发送速率在请求未到达前和请求完成之后均应为0。
最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型包括目标公式(8)和约束公式(2)～(7)，(9)：
Figure BDA0003697027060000098
Figure BDA0003697027060000099
其中，
Figure BDA00036970270600000910
表示第i个请求的完成时间，I表示所有一点到多点数据传输请求的集合。
公式(8)表示整个传输模型的优化目标，即最小化所有传输请求最晚目的节点的平均传输时间。公式(9)定义了对于每个传输请求的最晚完成时间，即为每个传输请求中最晚完成数据传输的目的节点的传输时间。
除此之外，该传输模型还包括保证数据完整交付、速率分配等约束，即上述公式(2)～(7)。
最大化满足完成期限的请求数量传输模型包括目标公式(10)、约束公式(3)～(4)，(6)～(7)，(11)～(13)：
maximize∑iyi(l0)
Figure BDA0003697027060000101
Figure BDA0003697027060000102
Figure BDA0003697027060000103
其中yi表示能否完成数据传输指示符，yi＝1表示第i个请求能在完成截止时间
Figure BDA0003697027060000104
之前完成数据传输，yi＝0表示第i个请求不能在完成截止时间
Figure BDA0003697027060000105
之前完成数据传输，Si表示第i个请求的辅助源节点集合，Ce,t表示当前时隙t链路e的剩余带宽。
公式(10)表示整个传输模型的优化目标，即最大化满足完成期限的请求数量。公式(11)表示要求请求在完成期限前将所有数据传输完成。公式(12)表示对于每个请求只有两种结果：请求能够在完成期限前传输完成，或请求不能在完成期限前传输完成。
除此之外，该传输模型还包括保证链路约束、速率分配等约束，即公式(3)～(4)，(6)～(7)。
上述三个传输模型中，最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型和最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型均为混合整数非线性规划(MINLP)问题，最大化满足完成期限的请求数量传输模型为混合整型线性规划(MILP)问题，均无法直接求解，故需要进行问题的转化或者采用启发式算法。
本发明实施例中，针对最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型和最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型，根据完成时间和目的节点接收数据量之间的关系，将这两个问题转化为最大化每个时隙带权吞吐模型，使得该模型能够高性能地应用于实际问题，并且可以在模型求解前通过已接收的数据量进行辅助源节点的判断，进一步减小模型的求解难度，最大化每个时隙带权吞吐模型具体为：
Figure BDA0003697027060000106
Figure BDA0003697027060000107
Figure BDA0003697027060000108
Figure BDA0003697027060000109
其中wi,k表示第i个请求第k个分组的权重，voli,k表示第i个请求第k个分组的剩余传输数据量。
公式(13)表明模型的目标，最大化一个时隙内的加权吞吐，不同的需求偏好可以设置为不同权重。对于最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型，权重为每个分组内的所有目的节点等待时间的总和与每个分组的剩余传输数据量的比值
Figure BDA0003697027060000111
以优先调度快完成分组的流量和等待较长分组的流量。对于最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型，权重设置为请求内的所有目的节点等待时间的总和与请求的总剩余传输数据量的比值
Figure BDA0003697027060000112
以最快完成所有请求的数据传输。
公式(14)～(16)对多播树上的传输速率进行分配，公式(14)确保该时隙传输的数据总量不超过剩余数据总量，避免带宽的浪费；公式(15)与公式(5)类似，分配在每条链路上的传输速率总和应该小于链路容量，避免网络拥塞；公式(16)保证速率的合理性，表明给多播树分配的传输速率应该为非负。
最大化每个时隙带权吞吐模型为LP模型，采用相应的线性求解器即可求解，从而获得速率分配方案，然后通过SDN网络通知发送端发送速率，并且在网络流量变化时或周期性地进行该操作，即可实现高性能的流量调度。
本发明提供了一种基于松弛和舍入技术的方法求解最大化满足完成期限的请求数量传输模型，其具体步骤为：
A1、对公式(3)和公式(12)进行松弛，即将公式(3)中的
Figure BDA0003697027060000113
以及公式(12)中的yi设置为0～1的实数，求解最大化满足完成期限的请求数量传输模型得到分数解
Figure BDA0003697027060000114
和
Figure BDA0003697027060000115
A2、令整数解
Figure BDA0003697027060000116
以
Figure BDA0003697027060000117
的概率等于1。
该步骤理解为随机生成0到1范围内的小数，若该小数小于
Figure BDA0003697027060000118
则
Figure BDA0003697027060000119
取值为1，即第d个目的节点在时隙t在可以作为第i个请求的辅助源节点，否则
Figure BDA00036970270600001110
取值为0，即第d个目的节点在时隙t在不能作为第i个请求的辅助源节点。
A3、将整数解
Figure BDA00036970270600001111
输入最大化满足完成期限的请求数量传输模型中进行求解，得到分数解
Figure BDA00036970270600001112
A4、针对任意i∈I，令整数解
Figure BDA00036970270600001113
以
Figure BDA00036970270600001114
的概率等于1，I表示所有一点到多点数据传输请求的集合。
A5、将整数解
Figure BDA00036970270600001115
和
Figure BDA00036970270600001116
输入最大化满足完成期限的请求数量传输模型中进行求解，得到每个时隙的多播树速率分配方案，并接收能够在完成期限之前成功传输的请求(yi＝1对应的请求)。
S4、将每个传输请求对应的多播树及其速率分配方案作为决策结果发送至数据发送端，执行相应操作。
步骤S4包括以下分步骤S41～S43：
S41、将每个请求对应的多播树及其速率分配方案作为当前时隙的决策结果；
S42、通过SDN网络将当前时隙的决策结果发送至数据发送端；
S43、根据当前时隙的决策结果，令数据发送端在当前时隙或未来时隙执行相应操作。
下面以一个具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。
如图2所示，表示了一个数据中心广域网，每个节点(a,b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m)都表示一个数据中心。同一背景颜色的圆圈所囊括的节点表示这些数据中心被划分为一个分组(在本发明实施例提出的方案中，同一分组的节点对应一棵多播树)。现考虑单个请求：节点a有10个单位的数据需要传输到(b,c,d,e,f,g,h,i,j,k,l,m)节点。现有的数据传输方法采用单棵多播树进行，如图2(a)，由于链路瓶颈的存在，该多播树上的传输速率最大为1，因此该传输请求目的节点的平均传输完成时间为10。
本发明实施例针对网络拓扑集群的特点，采用分组传输和辅助源节点的思想，将传输分为3个阶段：在第一阶段，如图2(b)，源节点a采用两棵多播树进行数据传输，分别以10和2的传输速率向(b,c,d)和(e,f,g,h,i)发送数据，该阶段耗时为1，此时(b,c,d)接收完所有数据，完成时间为1，可以作为辅助源节点向未完成节点发送数据，而(e,f,g,h,i)只接收到了两个单位的数据量；在第二阶段，如图2(c)，辅助源节点c以2的传输速率向(e,f,g,h,i)发送数据以加快数据传输。此时，(e,f,g,h,i)的源节点有两个：a和c，两者的传输速率都为2，还有8个单位的数据量需要传输，同时辅助源节点d以1的传输速率向(j,k,l,m)发送数据，该阶段耗时为2，此时(e,f,g,h,i)完成数据传输，完成时间为3，而(j,k,l,m)只接收到两个单位的数据量；同理在第三阶段，如图2(d)，辅助源节点i向(j,k,l,m)发送数据，速率为1。此时，(j,k,l,m)的源节点有两个：d和i，两者的传输速率都为1，还有8个单位的数据量传输，此阶段耗时为4，(j,k,l,m)完成数据传输，完成时间为7。在本发明实施例的方案下，数据传输完成时间减少了
Figure BDA0003697027060000121
且节点平均完成时间为
Figure BDA0003697027060000122
相比于单棵多播树而言，减少了
Figure BDA0003697027060000123
的平均完成时间。
由上述分析可知，本发明提出的传输方法可以有效加速数据传输，提高网络传输效率。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种可定制点到多点数据传输完成时间的传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对数据中心广域网的网络拓扑中的网络节点进行聚类分组；
S2、根据网络拓扑中网络节点的聚类结果，对每个新传输请求的目的节点进行分组，并建立每个网络节点到其余所有分组的多播树；
S3、根据每组传输请求对传输完成时间的需求偏好，建立对应的传输模型并求解，得到每个多播树的速率分配方案；
S4、将每个传输请求对应的多播树及其速率分配方案作为决策结果发送至数据发送端，执行相应操作。
2.根据权利要求1所述的传输方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下分步骤：
S11、将数据中心广域网建模为一个网络拓扑G＝(V,E)，其中V和E分别表示数据中心广域网中的数据中心集合和数据中心之间的链路集合；
S12、将网络拓扑G每个网络节点作为一个集群；
S13、每次选取集群间链路中带宽最大的一条链路，将其所连接的两个集群合并成一个集群；
S14、重复步骤S13，直到集群数目减少至
Figure FDA0003697027050000014
完成对网络节点的聚类分组。
3.根据权利要求1所述的传输方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：
S21、初始化设置网络拓扑中的链路权重均为1；
S22、遍历未完成的传输请求，针对每一个未完成的传输请求，遍历其多播树，将其多播树上使用的链路对应的权重修改为原始权重值加上该多播树的剩余的传输数据量；
S23、遍历新到达的传输请求，按照聚类结果对其目的节点进行分组，将位于同一个聚类中的目的节点分为一组，并建立每个网络节点到其余所有分组的最小权重的多播树。
4.根据权利要求1所述的传输方法，其特征在于，所述步骤S3中的传输模型包括最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型、最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型和最大化满足完成期限的请求数量传输模型。
5.根据权利要求4所述的传输方法，其特征在于，所述最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型具体为：
Figure FDA0003697027050000011
Figure FDA0003697027050000012
Figure FDA0003697027050000013
Figure FDA0003697027050000021
Figure FDA0003697027050000022
Figure FDA0003697027050000023
Figure FDA0003697027050000024
其中Ni.k表示
Figure FDA0003697027050000025
中的目的节点数量，
Figure FDA0003697027050000026
表示第i个请求的第k个分组，
Figure FDA0003697027050000027
表示第i个请求的第k个分组的完成时间，
Figure FDA0003697027050000028
表示第i个请求的到达时间，δ表示一个时隙的时长，
Figure FDA0003697027050000029
表示时隙t时第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上分配的速率，voli表示第i个请求需要传输的数据量，
Figure FDA00036970270500000217
表示是否接收到完整数据指示符，
Figure FDA00036970270500000218
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点已接收到完整数据，
Figure FDA00036970270500000219
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点未接收到完整数据，Di表示第i个请求的目的节点集合，si表示第i个请求的源节点，
Figure FDA00036970270500000220
表示节点是否在分组里的指示符，
Figure FDA00036970270500000221
表示第d个目的节点在第i个请求的第k个分组里，
Figure FDA00036970270500000222
表示第d个目的节点不在第i个请求的第k个分组里，
Figure FDA00036970270500000223
表示链路是否在多播树上的指示符，
Figure FDA00036970270500000224
表示链路e在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，
Figure FDA00036970270500000225
表示链路e不在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，Ce表示链路e的带宽，τ表示时隙。
6.根据权利要求4所述的传输方法，其特征在于，所述最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型具体为：
Figure FDA00036970270500000210
Figure FDA00036970270500000211
Figure FDA00036970270500000212
Figure FDA00036970270500000213
Figure FDA00036970270500000214
Figure FDA00036970270500000215
Figure FDA00036970270500000216
Figure FDA0003697027050000031
其中
Figure FDA00036970270500000310
表示第i个请求的完成时间，I表示所有一点到多点数据传输请求的集合，δ表示一个时隙的时长，
Figure FDA00036970270500000311
表示时隙t时第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上分配的速率，voli表示第i个请求需要传输的数据量，
Figure FDA0003697027050000039
表示是否接收到完整数据指示符，
Figure FDA00036970270500000312
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点已接收到完整数据，
Figure FDA00036970270500000313
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点未接收到完整数据，Di表示第i个请求的目的节点集合，si表示第i个请求的源节点，
Figure FDA00036970270500000315
表示节点是否在分组里的指示符，
Figure FDA00036970270500000314
表示第d个目的节点在第i个请求的第k个分组里，
Figure FDA00036970270500000316
表示第d个目的节点不在第i个请求的第k个分组里，
Figure FDA00036970270500000317
表示链路是否在多播树上的指示符，
Figure FDA00036970270500000318
表示链路e在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，
Figure FDA00036970270500000319
表示链路e不在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，Ce表示链路e的带宽，
Figure FDA00036970270500000320
表示第i个请求的第k个分组的完成时间，
Figure FDA00036970270500000321
表示第i个请求的到达时间，τ表示时隙。
7.根据权利要求4所述的传输方法，其特征在于，所述最大化满足完成期限的请求数量传输模型具体为：
maximize∑iyi (10)
Figure FDA0003697027050000032
Figure FDA0003697027050000033
Figure FDA0003697027050000034
Figure FDA0003697027050000035
Figure FDA0003697027050000036
Figure FDA0003697027050000037
Figure FDA0003697027050000038
其中yi表示能否完成数据传输指示符，yi＝1表示第i个请求能在完成截止时间
Figure FDA00036970270500000325
之前完成数据传输，yi＝0表示第i个请求不能在完成截止时间
Figure FDA00036970270500000324
之前完成数据传输，voli表示第i个请求需要传输的数据量，
Figure FDA00036970270500000322
表示是否接收到完整数据指示符，
Figure FDA00036970270500000323
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点已接收到完整数据，
Figure FDA0003697027050000045
表示时隙t时第i个请求中的第d个目的节点未接收到完整数据，Di表示第i个请求的目的节点集合，si表示第i个请求的源节点，
Figure FDA0003697027050000046
表示节点是否在分组里的指示符，
Figure FDA0003697027050000047
表示第d个目的节点在第i个请求的第k个分组里，
Figure FDA0003697027050000048
表示第d个目的节点不在第i个请求的第k个分组里，
Figure FDA0003697027050000049
表示链路是否在多播树上的指示符，
Figure FDA00036970270500000410
表示链路e在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，
Figure FDA00036970270500000411
表示链路e不在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，Ce,t表示当前时隙t链路e的剩余带宽，δ表示一个时隙的时长，
Figure FDA00036970270500000412
表示时隙t时第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上分配的速率，
Figure FDA00036970270500000413
表示第i个请求的第k个分组的完成时间，
Figure FDA00036970270500000414
表示第i个请求的到达时间，Si表示第i个请求的辅助源节点集合，τ表示时隙。
8.根据权利要求4所述的传输方法，其特征在于，所述最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型和最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型的求解方法为：
将最小化所有传输请求的目的节点的平均传输完成时间传输模型和最小化所有传输请求的最晚目的节点的平均传输时间传输模型转化为最大化每个时隙带权吞吐模型进行求解，所述最大化每个时隙带权吞吐模型具体为：
Figure FDA0003697027050000041
Figure FDA0003697027050000042
Figure FDA0003697027050000043
Figure FDA0003697027050000044
其中Si表示第i个请求的辅助源节点集合，
Figure FDA00036970270500000415
表示时隙t时第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上分配的速率，wi,k表示第i个请求第k个分组的权重，δ表示一个时隙的时长，voli,k表示第i个请求第k个分组的剩余传输数据量，
Figure FDA00036970270500000416
表示链路是否在多播树上的指示符，
Figure FDA00036970270500000417
表示链路e在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，
Figure FDA00036970270500000418
表示链路e不在第j个源节点到第i个请求第k个分组的多播树上，Ce表示链路e的带宽。
9.根据权利要求7所述的传输方法，其特征在于，所述最大化满足完成期限的请求数量传输模型的求解方法为：
A1、将公式(3)中的
Figure FDA00036970270500000511
以及公式(12)中的yi设置为0～1的实数，求解最大化满足完成期限的请求数量传输模型得到分数解
Figure FDA0003697027050000051
和
Figure FDA0003697027050000052
A2、令整数解
Figure FDA0003697027050000053
以
Figure FDA0003697027050000054
的概率等于1；
A3、将整数解
Figure FDA0003697027050000055
输入最大化满足完成期限的请求数量传输模型中进行求解，得到分数解
Figure FDA0003697027050000056
A4、针对任意i∈I，令整数解
Figure FDA0003697027050000057
以
Figure FDA0003697027050000058
的概率等于1，I表示所有一点到多点数据传输请求的集合；
A5、将整数解
Figure FDA0003697027050000059
和
Figure FDA00036970270500000510
输入最大化满足完成期限的请求数量传输模型中进行求解，得到每个时隙的多播树速率分配方案，并接收能够在完成期限之前成功传输的请求。
10.根据权利要求1所述的传输方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下分步骤：
S41、将每个请求对应的多播树及其速率分配方案作为当前时隙的决策结果；
S42、通过SDN网络将当前时隙的决策结果发送至数据发送端；
S43、根据当前时隙的决策结果，令数据发送端在当前时隙或未来时隙执行相应操作。
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