CN115150960B - 基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法和系统 - Google Patents

基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法和系统，通过Xen虚拟技术监测不同时段以及不同区域的带宽用量，在保证核心业务低延迟的同时，向其他区域分配剩余带宽。校园带宽资源分配方法将校园划分为多个不同类型的目标区域，网络控制设备存储一业务时间表。根据业务时间表确定核心业务的所在目标区域，保证第一移动设备核心业务的带宽。在非核心业务所在的目标区域的网络延迟较高时，本发明调整部分第一移动设备的网络接入状态。在这种校园带宽资源分配系统中，网络控制设备根据业务时间表建立第一虚拟机和第二虚拟机，并在释放第一虚拟机和第二虚拟机时将网络流量日志和网络状态日志存储至网络控制设备的监测数据库。

Description

基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法和系统
技术领域
本发明涉及局域网带宽调节技术，尤其涉及一种基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法和系统。
背景技术
校园网旨在为校内师生提供便捷化的网络通信服务。在校园网环境中，不同时间的限定条件下，校园内不同区域的用网人数不同，网络承载量并不一致，在未进行校园网带宽分配优化的前提下，校园网的通信质量较差，用户体验不佳。虚拟化技术是局域网带宽与流量监测、分配的重要技术手段，如《基于Xen虚拟机校园网服务器带宽分配关键技术研究》，该文献中对布置Xen虚拟机进行校园网服务器带宽限制的方法进行了阐述，按照设定数值与资源分配标准进行带宽容量的调节。现有技术在校园网流量调节方面更多的是以移动数据分流的方式实现，如CN111669785A中提到的校园异构无线网络数据分流技术，依靠WIFI分流与网络选择算法实现流量分配。《基于校园移动用户行为分析的网络资源分配策略研究》中，公开了以区别学生用户和教职工用户为基础的带宽分配方式，上述方案的宽带分配标准固定，无法根据时段作出灵活调整。现有技术希望能够在地理维度、时间维度上进行动态分配调节，以确保校园网维持全时段、全地域的高速和稳定。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法和系统，通过Xen虚拟技术监测不同时段以及不同区域，在保证核心业务低延迟的同时，向其他区域分配剩余带宽。
本申请的发明目的可通过以下技术方案实现：
一种基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法，包括以下步骤：
步骤1：校园位于至少一个的蜂窝基站的通信区内，将校园划分为n个不同类型的目标区域，在任意目标区域布置对应的无线收发设备，无线收发设备用于连接无线局域网；
步骤2：网络控制设备存储一业务时间表，该业务时间表具有多个目标区域核心业务的时间段和核心业务的固定带宽资源；
步骤3：若当前时间在业务时间表中目标区域k的核心业务时间段内，网络控制设备生成一监控目标区域k的第一虚拟机以及监控其他目标区域的第二虚拟机，k≤n；
步骤4：至少一个的第一移动设备请求接入目标区域k的无线收发设备Pk，网络控制设备向第一移动设备分配固定带宽资源W1，第一虚拟机生成第一移动设备的核心业务流量比ω；
步骤5：至少一个的第二移动设备请求接入其他目标区域i的无线收发设备Pi，多个第二移动设备共享剩余带宽资源W2，W2=W0-mW1，W0为总带宽资源，m为接入无线收发设备Pk的第一移动设备数量，i≤n且i≠k；
步骤6：至少一个的第二移动设备请求接入蜂窝基站，第二虚拟机监测目标区域i内第二移动设备的异构网络延迟Te；
步骤7：若异构网络延迟Te大于等于第一阈值E1，进入步骤8，若异构网络延迟Te小于等于第二阈值E2，进入步骤9，若异构网络延迟Te小于第一阈值E1且大于第二阈值E2，进入步骤10；
步骤8：第一虚拟机禁用已连接的至少一个第一移动设备，进入步骤10；
步骤9：第一虚拟机连接已禁用的至少一个第一移动设备，进入步骤10；
步骤10：网络控制设备根据第一移动设备的接入数量调整剩余带宽资源W2，返回至步骤5。
在本发明中，步骤6中，第一虚拟机生成一用于计算核心业务流量比ω的网络流量日志，第二虚拟机生成一用于计算异构网络延迟Te的网络状态日志。
在本发明中，还包括步骤11，若当前时间超过业务时间表中目标区域k的核心业务时间段，第一虚拟机和第二虚拟机分别将网络流量日志和网络状态日志存储至监测数据库，网络控制设备释放第一虚拟机和第二虚拟机。
在本发明中，该流量日志包括第一移动设备时间t内的核心业务的流量消耗Vt和非核心业务的流量消耗Rt，核心业务流量比ω=Vt/Rt。
在本发明中，目标区域k为教学楼，目标区域k的核心业务为教学视频业务，其他目标区域分别为除教学楼以外的校园区域。
在本发明中，步骤5中，按照负载因子α在多个第二移动设备之间分配剩余带宽资 源W2，
Figure 429180DEST_PATH_IMAGE001
，Ri为目标区域i的带宽使用率。
在本发明中，步骤6中，异构网络延迟Te=Pd×Td+Pc×Tc，Pd为分流到蜂窝网络的概率，Td为蜂窝网络延迟，Pc为分流到WLAN网络的概率，Tc为WLAN网络延迟，Pd+Pc =1。
一种根据所述的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法的校园带宽资源分配系统，包括：蜂窝基站、网络控制设备、多个无线收发设备、第一移动设备、第二移动设备、服务器，网络控制设备根据业务时间表建立第一虚拟机和第二虚拟机，并在释放第一虚拟机和第二虚拟机时将网络流量日志和网络状态日志存储至网络控制设备的监测数据库。
在本发明中，第一虚拟机通过调用SR-IOV网卡监测第一移动设备的流量消耗。
在本发明中，第二虚拟机通过调用VF资源组件向第二移动设备分配带宽资源。
实施本发明的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法和系统，根据业务时间表确定核心业务的所在目标区域，保证第一移动设备核心业务的带宽。设置不同的虚拟机分别监控第一移动设备和第二移动设备，在非核心业务所在的目标区域的网络延迟较高时，调整部分第一移动设备的网络接入状态。考虑第二移动设备接入不同网络的可选择性，预测异构网络延迟，使得带宽的调整更准确。
附图说明
图1 为校园网不同时间段内平均用网的分布占比示意图；
图2为本发明的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法的流程图；
图3为校园内不同区域的核心业务使用量分布图；
图4为本发明的校园带宽资源分配系统的框图，图中虚线部分为监控信号的流向，实线部分为业务信号的流向。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1，校园带宽资源的使用与时间相关，部分时间段网络富余，部分时间段网络拥挤。为保证核心业务类型正常使用带宽，本发明的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法，通过虚拟机进行带宽调节或流量监控，实现不同业务类型的带宽分配。第一虚拟机用于监控带宽分配资源最多的单一区域，第二虚拟机用于分配正常使用带宽的其他多个区域。网络控制设备基于IOMMU的DMA构建重映射与中断重映射，获取业务时间表，识别I/O请求，通过调用前端网卡读取带宽数据。前端网卡为SR-IOV环境，处于Passthrough模式下工作，在执行轮询操作之后，第一虚拟机对相应的第一移动设备进行禁用/启动处理，多余的带宽按照队列配置规则转移到第二虚拟机。
实施例一
本实施例的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法，用于实现教学楼的核心业务的带宽资源的配置。参照图2，该方法包括以下步骤。
步骤1：校园位于至少一个的蜂窝基站的通信区，将校园划分为n个不同类型的目标区域，在任意目标区域布置对应的无线收发设备，无线收发设备用于连接无线局域网。
步骤2：网络控制设备存储一业务时间表，该业务时间表具有多个目标区域核心业务的时间段和核心业务的固定带宽资源。业务时间表按照校园作息时间与用网规律进行制定。业务时间表的判定为逻辑运算。在本实施例中，以校园学生上课时间事件为真，逻辑运算通过二进制ascll码进行判定。
步骤3：若当前时间在业务时间表中目标区域k的核心业务时间段内，网络控制设备生成一监控目标区域k的第一虚拟机以及监控其他目标区域i的第二虚拟机，k≤n，i=1，2...n且i≠k。目标区域k为教学楼。其他目标区域分别为图书馆、宿舍、食堂等。
步骤4：至少一个的第一移动设备请求接入目标区域k的无线收发设备Pk，网络控制设备向第一移动设备分配固定带宽资源W1，第一虚拟机生成第一移动设备的核心业务流量比ω。
步骤5：至少一个的第二移动设备请求接入目标区域i的无线收发设备Pi，多个第 二移动设备共享剩余带宽资源W2，W2=W0-mW1，W0为总带宽资源，m为接入无线收发设备Pk的第 一移动设备数量。本实施例按照负载因子α在多个第二移动设备之间分配剩余带宽资源W2，
Figure 533271DEST_PATH_IMAGE001
，Ri为目标区域i的带宽使用率。
步骤6：至少一个的第二移动设备请求接入蜂窝基站，第二虚拟机监测其他目标区域i的第二移动设备的异构网络延迟Te。
步骤7：若异构网络延迟Te大于等于第一阈值E1，进入步骤8，若异构网络延迟Te小于等于第二阈值E2，进入步骤9，若异构网络延迟Te小于第一阈值E1且大于第二阈值E2，进入步骤10；网络能容忍的构网络延迟Te一般为90-120ms，所以在本实施例中，第一阈值E1可以设定为150ms，第二阈值E2可以设定为80ms。
步骤8：第一虚拟机禁用已连接的至少一个第一移动设备，进入步骤10。
步骤9：第一虚拟机连接已禁用的至少一个第一移动设备，进入步骤10。
步骤10：网络控制设备根据第一移动设备的接入数量调整剩余带宽资源W2，返回至步骤5。
步骤11：若当前时间超过业务时间表中目标区域k的核心业务时间段，第一虚拟机和第二虚拟机分别将网络流量日志和网络状态日志存储至监测数据库，网络控制设备释放第一虚拟机和第二虚拟机。
实施例二
如图3，校园内的FTP社交业务和WEB浏览业务占用大部分资源。在P2P视频授课普及后，需要在部分时间段保证作为核心业务的教学直播业务的带宽。FTP社交业务和WEB浏览业务为速率敏感业务，教学直播业务为延时敏感业务。教学直播业务属于视频流，本实施例用于进一步解决用于视频流的核心业务的带宽分配。
为了确保第一移动设备在目标区域用网都能够获得最大质量的视频播放效果，需要对固定带宽资源W1作出优化。本实施例定义视频网络效用函数U，U=PSNR-Y-F。PSNR为基于DR模型构建的视频质量评价指标，PSNR数值越大，则说明视频失真度越低，PSNR可以作为第一移动设备在当前目标区域采用的带宽分配策略基础上的收益函数。PSNR的评价公式与标准为现有技术，在此不做赘述。Y为第一移动设备m在使用网络过程中的带宽用量，F是网络为目标区域第一移动设备m使用网络所需要给予的带宽资源倾斜标准。
具体应用中，第一移动设备的带宽用量实时变化。在第一移动设备接入网络之后， 周期性按照带宽实际变化率对带宽分配策略进行调整。定义第一移动设备m能接受的最小 视频带宽用量为R。带宽变化率为
Figure 313009DEST_PATH_IMAGE002
，其中，
Figure 645901DEST_PATH_IMAGE003
为时间变量，U为效用函数。固定 带宽资源W1取值应不小于R。在时间变量
Figure 942497DEST_PATH_IMAGE003
保持变化的基础上，第一移动设备m选择的带宽策 略本质上都是固定且有界的函数，不同分配策略下的效用函数在带宽策略上都属于连续函 数。对周期δ与周期δ+1，固定带宽资源W1的迭代方程满足：
Figure 764959DEST_PATH_IMAGE004
，其中，
Figure 704096DEST_PATH_IMAGE005
为一个周期内带宽变化调节的幅值。
实施例三
校园网络属于WLAN和蜂窝网络组成的异构网络，移动设备可以根据信号质量选择不同的网络接入方式。本实施例公开了一种优选的异构网络延迟预测方法，结合移动设备在不同网络中的接入概率，预测异构网络延迟。本实施例中，异构网络延迟Te=Pd×Td+Pc×Tc，Pd为分流到蜂窝网络的概率，Td为蜂窝网络延迟，Pc为分流到WLAN网络的概率，Tc为WLAN网络延迟，Pd+Pc =1。
将蜂窝移动网络构建数据流队列模型，队列模型中包含z个数据流，Pd
Figure 637417DEST_PATH_IMAGE006
，则Pc=
Figure 227668DEST_PATH_IMAGE007
，其中θ为网络的载荷参数，N为蜂窝网络中用户接入上 限数。
为了估算网络延迟，本实施例将WLAN网络视作多个服务器共同构建的排队模型， 排队模型中系统处于稳态的概率与服务器的实际分布没有直接联系，因此可以计算WLAN网 络延迟
Figure 689873DEST_PATH_IMAGE008
，其中，Tw为WLAN网络处于稳态条件下数据流的 服务时间。β1为WLAN网络时隙分组满足泊松分布的参数值。同样的，蜂窝网络延迟
Figure 913044DEST_PATH_IMAGE009
，其中，β2为蜂窝网络时隙分组满足泊松分布的参数值。
实施例四
为了进一步优化核心业务的带宽分配，本实施例的第一虚拟机监测不同业务的流量消耗。当第二移动设备的带宽拥挤时，第一虚拟机禁用部分低核心业务占比的第一移动设备。该第一移动设备可接入蜂窝网络或其他无线收发设备。
第一虚拟机生成一用于计算核心业务流量比
Figure 869630DEST_PATH_IMAGE010
的网络流量日志，第二虚拟机生成 一用于计算异构网络延迟Te的网络状态日志。该网络流量日志包括第一移动设备时间t内 的核心业务的流量消耗Vt和非核心业务的流量消耗Rt，核心业务流量比ω=Vt/Rt。
第二虚拟机所生成的网络状态日志是系统工作的记录，因此可以采用日志特征提取的方式，获取网络状态日志。本发明中网络状态日志的特征目标主要选择上下行数据包总数、上下行有效总数载荷报文时间间隔、TCP标志位、信道平均负载进行判断。
实施例五
如图4，本实施例优选的校园带宽资源分配系统，用于实现所述基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法。业务信号例如是视频数据或者web数据。该校园带宽资源分配系统包括蜂窝基站、网络控制设备、多个无线收发设备、第一移动设备、第二移动设备、服务器。网络控制设备根据业务时间表建立第一虚拟机和第二虚拟机，并在释放第一虚拟机和第二虚拟机时将网络流量日志和网络状态日志存储至网络控制设备的监测数据库。网络流量日志和网络状态日志用于计算核心业务流量比ω和异构网络延迟Te。
第一虚拟机通过调用SR-IOV网卡监测第一移动设备的流量消耗，第二虚拟机通过调用VF资源组件向第二移动设备分配带宽资源。其中，所述SR-IOV网卡进行周期性采样前，第一虚拟机需要在/proc/dev/net等相关文件中获取驱动端口的备份。在每一个带宽采样周期下，实际接收与发射的数据总量都应该保存在第一虚拟机的网络流量收集文件中。第二虚拟机与VF资源组件的通信机制为串行通信，第二虚拟机通过串行通信为单个字符设备的应用操作和字符设备读写。在第二虚拟机对应的宿主机指定相应的套接字路径之后，会创建Unix类型的套接字，通过指定的IP地址与信号监听端口，第一虚拟机对应的网络控制设备在执行应用程序使用、发送和接收的过程中均通过套接字的方式达到通信的目的。
在具体实施例中，每一个VF资源组件都对应单独的信息发送/接收队列，接收队列中存放的物理链路中的数据包中为第二虚拟机此时的带宽数据，数据库指针next_to_clean以及next_to_use指针可以对描述符实际使用情况进行判定，利用接收描述符设备实现驱动的指针自动更新。
另外，在执行带宽动态化分配调整之后，第二虚拟机都会生成相应的系统事件日志和数据库日志，可以从系统事件日志和数据库日志提取本实施例的网络状态日志。系统事件日志基于EventLog类函数自动生成，数据库日志在固定时间内会按照设定的检查点与系统控制文件进行比对，在对比检查点前后的数据之后，还原数据库返回检查点之前的最大值。确保在当期最大峰值带宽用量进行优化分配。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：校园位于至少一个的蜂窝基站的通信区内，将校园划分为n个不同类型的目标区域，在任意目标区域布置对应的无线收发设备，无线收发设备用于连接无线局域网；
步骤2：网络控制设备存储一业务时间表，该业务时间表具有多个目标区域核心业务的时间段和核心业务的固定带宽资源；
步骤3：若当前时间在业务时间表中目标区域k的核心业务时间段内，网络控制设备生成一监控目标区域k的第一虚拟机以及监控其他目标区域的第二虚拟机，k≤n；
步骤4：至少一个的第一移动设备请求接入目标区域k的无线收发设备Pk，网络控制设备向第一移动设备分配固定带宽资源W1，第一虚拟机生成第一移动设备的核心业务流量比ω；
步骤5：至少一个的第二移动设备请求接入其他目标区域i的无线收发设备Pi，多个第二移动设备共享剩余带宽资源W2，W2=W0-mW1，W0为总带宽资源，m为接入无线收发设备Pk的第一移动设备数量，i≤n且i≠k；
步骤6：至少一个的第二移动设备请求接入蜂窝基站，第二虚拟机监测目标区域i内第二移动设备的异构网络延迟Te；
步骤7：若异构网络延迟Te大于等于第一阈值E1，进入步骤8，若异构网络延迟Te小于等于第二阈值E2，进入步骤9，若异构网络延迟Te小于第一阈值E1且大于第二阈值E2，进入步骤10；
步骤8：第一虚拟机禁用已连接的至少一个第一移动设备，进入步骤10；
步骤9：第一虚拟机连接已禁用的至少一个第一移动设备，进入步骤10；
步骤10：网络控制设备根据第一移动设备的接入数量调整剩余带宽资源W2，返回至步骤5。
2.根据权利要求1所述的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法，其特征在于，步骤6中，第一虚拟机生成一用于计算核心业务流量比ω的网络流量日志，第二虚拟机生成一用于计算异构网络延迟Te的网络状态日志。
3.根据权利要求2所述的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法，其特征在于，还包括步骤11，若当前时间超过业务时间表中目标区域k的核心业务时间段，第一虚拟机和第二虚拟机分别将网络流量日志和网络状态日志存储至监测数据库，网络控制设备释放第一虚拟机和第二虚拟机。
4.根据权利要求3所述的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法，其特征在于，该流量日志包括第一移动设备时间t内核心业务的流量消耗Vt和非核心业务的流量消耗Rt，核心业务流量比ω=Vt/Rt。
5.根据权利要求1所述的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法，其特征在于，目标区域k为教学楼，目标区域k的核心业务为教学视频业务，其他目标区域分别为除教学楼以外的校园区域。
6.根据权利要求1所述的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法，其特征在于，步 骤5中，按照负载因子α在多个第二移动设备之间分配剩余带宽资源W2，
Figure 120113DEST_PATH_IMAGE001
，Ri为目标区域i的带宽使用率。
7.根据权利要求1所述的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法，其特征在于，步骤6中，异构网络延迟Te=Pd×Td+Pc×Tc，Pd为分流到蜂窝网络的概率，Td为蜂窝网络延迟，Pc为分流到WLAN网络的概率，Tc为WLAN网络延迟，Pd+Pc =1。
8.一种根据权利要求1所述的基于Xen虚拟监测的校园带宽资源分配方法的校园带宽资源分配系统，其特征在于，包括：蜂窝基站、网络控制设备、多个无线收发设备、第一移动设备、第二移动设备、服务器，网络控制设备根据业务时间表建立第一虚拟机和第二虚拟机，并在释放第一虚拟机和第二虚拟机时将网络流量日志和网络状态日志存储至网络控制设备的监测数据库。
9.根据权利要求8所述的校园带宽资源分配系统，其特征在于，第一虚拟机通过调用SR-IOV网卡监测第一移动设备的流量消耗。
10.根据权利要求8所述的校园带宽资源分配系统，其特征在于，第二虚拟机通过调用VF资源组件向第二移动设备分配带宽资源。
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