CN115277531B - 面向云上广域网的多径瓶颈公平性约束的两阶段路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向云上广域网的多径瓶颈公平性约束的两阶段路由方法。首先，本方法将网络抽象为有向图模型，将带宽分配方案形式化描述。其次，本发明方法基于上述模型建立了多径瓶颈公平性约束条件。然后，本发明方法实现了一种基于链路层级的两阶段路由算法。最后，根据带宽分配结果缩减网络，得到多径瓶颈公平分配方案。本发明方法能够有效地提升总吞吐量，或是在总吞吐量持平的基础上，大幅提升公平性。

Description

面向云上广域网的多径瓶颈公平性约束的两阶段路由方法

技术领域

本发明涉及云资源管理和广域网路由领域，尤其涉及一种面向云上广域网的多径瓶颈公平性约束的两阶段路由方法。

背景技术

流量工程即通过控制流量流经网络的方式以提升网络性能的过程。在这一过程之中，网络运营商往往需要持续地收集网络的统计数据，周期性地分析网络状态，动态地调整流量在网络中的分布以适应不同流量模式的需求，从而达成高利用率、高服务质量、负载均衡与故障恢复等一系列优化目标。连接数据中心的广域网是昂贵的关键基础设施，广域网流量工程在提升其网络性能以及减少管理成本方面起着不可或缺的作用。

网络带宽分配是一个经典的网络研究话题。以合理的方式为互相竞争的流分配有限的带宽资源对于任何网络都是至关重要的。就像任何资源分配问题一样，合理的带宽分配方案需要兼顾效率与公平性，而这两者常常处于冲突之中。因此，一个理想的公平性标准要能够在效率与公平性之间取得良好的平衡。在所有的公平性标准中，最大最小公平性与比例公平性也许是最流行的两个标准。本发明研究的公平分配算法主要是围绕着最大最小公平性展开的。

用一个逻辑上集中式的控制器上根据整合得到的全局网络信息为每条流计算公平的带宽分配，然后以某种方式安排这些流以计算得到的速率发送。这类集中式带宽分配机制可以有效地计算出全局最优的分配方案。然而，一个集中式的调度器会成为大型网络的性能瓶颈，尤其是当网络流量变化迅速时。分布式的带宽分配(速率控制)机制则可以克服这一缺陷。

传输控制协议(TCP)中的拥塞控制算法可以被看作是一类分布式带宽分配机制。拥塞控制协议可以被看作是部署在节点和链路上的分布式算法，该算法求解一个全局的优化问题：在满足链路容量约束的前提下最大化总效用。在该模型下，每一个用户都关联一个递增的严格凹的关于带宽的效用函数(凹的效用函数确保优化问题是可解的并且有唯一的全局最优解)，网络的总效用即所有用户获得的效用之和。在网络效用最大化框架的基础上，可以选取特定的一些效用函数，使得该优化问题的最优解对应最大最小公平的解，并依此设计了一个分布式的最大最小公平的拥塞控制协议。

大多数拥塞控制算法是基于反馈和调整的控制系统：检测拥塞信号，根据信号反馈通过修改窗口大小或是调整速率的方式逐渐向理想的带宽分配方案靠近。出于稳定性的考虑，此类控制系统通常需要数百个往返时延(RTT)才能收敛。随着高速网络的出现与普及，缓慢的收敛速度带来的性能损失变得越来越不可忽视。另一类拥塞控制算法则是依赖交换机和网卡主动地交换控制信息以执行一个分布式速率控制算法从而为每条流选定一个显式的发送速率。直接利用链路上流的数目等信息，此类算法相较于基于反馈的拥塞控制算法，在收敛速率上可以获得明显的提升。

随着网络速度的提升，近年来也有分布式最大最小公平速率分配算法，然而这些算法需要在路由器中为每条流存储信息，存储开销巨大。为了克服这一缺点的解决方案都假定了每条流只使用一条路径，不符合很多实际情形。

发明内容

发明目的：为了解决上述问题，考虑到现实中许多的流量工程系统都分开地执行路由调整和带宽分配调整，以及近期多路径拥塞控制或速率控制算法的发展，本发明考虑如下的路由问题：假设网络的带宽分配是由某个集中式或分布式的带宽分配算法决定的，在不改变带宽分配算法行为的前提下，如何选择路由从而最大化某个特定的网络效用函数。更具体地，本发明在带宽分配方案是多径效用公平的前提下，实现了选择多径路由方法，从而最大化网络的总吞吐量。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种面向云上广域网的多径瓶颈公平性约束的两阶段路由方法，包括以下步骤：

(1)将网络抽象为有向图模型，记v为一个节点，e为一条链路，则可记V为节点(顶点)的集合，E为链路(边)的集合，有v∈V、e∈E，然后可将网络建模为有向图G＝(V,E)，每条通讯i通过一系列链路e组成的路径p实现传输；

(2)建立多径瓶颈公平性约束条件，各个通讯按照多径瓶颈公平分配的标准划分网络带宽，直到运营商计算出的策略是在考虑到各通讯的应对策略的前提下效用最大的策略；

(3)对当前链路层级数为l的链路层级level_l，执行最大最小公平性的一般框架规划P，若规划P的目标函数值比之前的要大，则进入第l+1层链路层级level_l+1；

(4)若当前链路层级数l未达到链路层级数k，初始化链路e的剩余容量，依次执行步骤(5)和步骤(6)，否则执行步骤(7)；

(5)对路径p上的所有链路e，若路径p上还有未处理的链路e，则计算链路e允许增加的速率share(e)；

(6)选择允许增加速率最少的链路e，得到最小允许增加的速率mshare，与更新阈值threshold比较；若大于更新阈值，则将通讯i在路径p上的速率提升应用到路径p的所有链路上。

(7)根据带宽分配结果缩减网络，得到多径瓶颈公平分配方案。

进一步地，步骤(1)中，将网络建模为有向图G＝(V,E)，其中V是节点(顶点)的集合，E是链路(边)的集合，用M表示网络中通讯的集合，每个通讯i∈M由一个四元组表示；用P表示所有路径的集合；用r_i表示通讯i获得的带宽(速率)，用r_p表示路径p上的速率，记|M|为通讯的集合中所有通讯的数量，则带宽分配方案可表示为R＝{r₁,r₂,...,r_|M|}。

进一步地，步骤(2)中，将问题建模为一个斯塔克尔伯格博弈，各个通讯按照多径瓶颈公平分配的标准划分网络带宽，当运营商计算出的策略是在考虑到各通讯的应对策略的前提下效用最大的策略时，博弈达到均衡；博弈问题的约束要求确保每条被使用的路径都被选中，每条被选中的路径都拥有瓶颈链路，确保至少有一条路径被选中。

进一步地，所述步骤(5)中，使用速率增量算法获取链路e允许的速率增量；算法输入通讯i、链路e，输出通讯i允许在链路e上增加的速率share。

进一步地，所述步骤(6)中，使用速率更新算法，其方法在于将通讯i在路径p上的速率提升应用到路径p的所有链路上；算法输入通讯i的第一速率r、链路e，输出链路e上的通讯根据第一速率r调整后的第二速率r′。

进一步地，所述步骤(7)中，以链路作为移除的单位，从第一层链路level₀开始，逐层移除链路及相应通讯。

有益效果：在大量真实网络拓扑上的仿真实验表明，本发明方法相比不考虑分配策略的基线路由算法，在总吞吐量上能够取得6％到35％的提升；本发明方法在求解较大规模的网络路由问题上，能够在取得相当于或是稍优于基线路由算法的总吞吐量的同时，大幅增加带宽分配结果的公平程度。

附图说明

图1为本发明方法和对比方法运行EL-20、EL-19和EL-18时，各路由算法总吞吐量的对比结果示意图；

图2为本发明方法和对比方法运行EL-20、EL-19和EL-18时，各路由算法吞吐量最低的25％通讯的吞吐量之和的对比结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明提出了一种面向云上广域网的多径瓶颈公平性约束的两阶段路由方法，在多径效用公平的前提下，实现了选择多径路由方法，从而最大化网络的总吞吐量。本发明的完整流程包括网络抽象、约束条件建立、两阶段路由、缩减网络四个步骤。具体的实施方式说明如下：

网络抽象对应技术方案步骤(1)。具体实施方式为：将网络建模为有向图G＝(V,E)，其中V是节点(顶点)的集合，E是链路(边)的集合。每条链路e∈E具有容量c_e>0。我们用M表示网络中通讯的集合。每个通讯i∈M由一个四元组表示。记s_i∈V是通讯i的源节点，t_i∈V是通讯i的目的节点，d_i>0是通讯i的带宽(速率)需求，是从s_i到t_i的简单路径的一个子集，则通讯i可用四元组(s_i,t_i,d_i,P_i)表示。用P表示所有路径的集合，即P＝∪_i∈MP_i，用P(e)表示经过了链路e的路径的集合，用E(p)表示路径p经过的链路的集合，用e∈p表示路径p经过了链路e。用r_i表示通讯i获得的带宽(速率)，用r_p表示路径p上的速率，则r_i是各条属于通讯i的路径p分配得到的速率的和。记|M|为通讯的集合中所有通讯的数量，则带宽分配方案可表示为R＝{r₁,r₂,...,r_|M|}。

约束条件建立对应技术方案步骤(2)。具体实施方式为：将路由问题建模为一个斯塔克尔伯格博弈，其中网络运营商率先行动，为每一个通讯配置好路由路径，随后各个通讯按照多径瓶颈公平分配的标准瓜分网络带宽。当运营商计算出的策略是在考虑到各通讯的应对策略的前提下效用最大的策略时，博弈达到均衡。引入0或1的整数变量s_ij，表示从第一通讯i到第二通讯j的路径p是否被选中；引入0或1的整数变量u_ij，表示从第一通讯i到第二通讯j的路径p是否被使用；引入0或1的整数变量表示链路e是否为从第一通讯i到第二通讯j的路径p的瓶颈链路。用E(p)表示路径p经过的链路的集合，用P_i表示通讯i从起点到终点的简单路径的一个子集，用M表示网络中通讯的集合，则多径瓶颈公平性定义可以被表示为四条约束。

第一条约束为确保每条被使用的路径都被选中，注意，该约束并不要求每条被选中的路径都被使用。第二条约束为/>确保如果从第一通讯i到第二通讯j的路径p没有被选中，那么没有链路e会成为p_ij的瓶颈链路，这一约束并非是必需的，但是它能够减少求解时间，因此我们将它加入了最终的规划之中。第三条约束为/>确保每条被选中的路径都拥有瓶颈链路，即使该路径并没有被使用，由于大部分情况下，我们并不需要选择不直接被使用的路径，所以我们可以直接假定一条路径被选择当且仅当它被使用，这样的话我们可以减掉第一条约束/>然后把变量u_ij换成s_ij。第四条约束为/>确保至少有1条路径被选中，实际使用中可以修改最终选择的路由路径的数目上限，但大多数通讯不会将该值设置为超过3的值。

两阶段路由对应技术方案步骤(3)至步骤(6)。具体实施方式为：对当前链路层级数为l的链路层级level_l，执行最大最小公平性的一般框架规划P，若规划P的目标函数值比之前的要大，则进入第l+1层链路层级level_l；若当前链路层级数l未达到链路层级数k，初始化链路e的剩余容量，对路径p上的所有链路e，若路径p上还有未处理的链路e，则计算链路e允许增加的速率share(e)；然后，选择允许增加速率最少的链路e，得到最小允许增加的速率mshare，与更新阈值threshold比较；若大于更新阈值，则将通讯i在路径p上的速率提升应用到路径p的所有链路上。

使用速率增量算法获取链路e允许的速率增量。记由最大最小公平路由算法决定路由的通讯的集合为M₁，记由双层路由规划决定路由的通讯的集合为M₂。速率增量算法中，链路e将其上所有速率大于第一通讯i的速率r_i的通讯加入通讯集合M₁中，将所有在其他链路上获得速率大于第一通讯i的速率r_i的通讯加入M₂中并将其在其他链路上获得的速率加入带宽分配方案R之中。然后计算M₁中通讯通过减少从链路e获得的速率将总速率减少到尽可能接近通讯i的速率r_i而不小于第一通讯i的速率r_i需要的速率减少量之和。由于我们的目标是让第一通讯i成为链路e上通讯速率最大的通讯，同时满足不减少速率更少的通讯的速率的条件，对于M₂中的第二通讯j而言，其在其它链路上的速率值可能是第一通讯i无法通过增加e上的速率到达的，此时链路e应当将分配给第二通讯j的速率置为0，从而使得第二通讯j不再是链路e上的通讯(但仍然需要维护第二通讯j的状态)。最后，在不减少速率更少的通讯的前提下，使得第一通讯i的总速率在使用了链路e的通讯中最大需要在链路e上增加的速率share。

使用速率更新算法将通讯i在路径p上的速率提升应用到路径p的所有链路上。在该算法中，链路e根据通讯i的第一速率r减少若干个总速率大于第一速率r的通讯在链路e上的速率分配。选定待更新的通讯以后，还需要决定在通讯的哪一条路径上增加速率，是否在所有的路径上都增加速率。考虑到通讯的多条路径可能共享一个瓶颈链路，本发明采用一次增加一条路径上发送速率的策略，以轮转的方式依次进行每条路径上的速率更新，将第一速率r更新为第二速率r′。

缩减网络对应技术方案步骤(7)。具体实施方式为：网络运营商可以灵活地调整移除的链路(或者通讯)的数目，并且按照瓶颈图的层级从上往下(从第一层级level₀开始)移除。如果移除的链路(或者通讯)的数目过多，最终路由的质量会受到较严重的限制。如果移除的链路(或者通讯)的数目过少，网络规模可能仍然过于庞大而无法求解。本发明提出一种启发式思路：以链路层级为单位移除链路，从第一层级level₀开始，一层一层地移除链路及相应通讯。

记录饱和链路的层级，当达到了预定层级时，停止迭代。随后将分配给这些通讯的带宽从相应链路的容量上减去，从网络中移除那些剩余容量为0的链路，并从候选路径集合中移除经过这些链路的路径，以此达到缩减网络的目的。在更新链路容量的过程中，算法为每条链路记录使用了链路被移除的通讯的最大带宽R_e。

最后，在缩减后的网络上求解双层路由规划。引入0或1的整数变量表示链路e是否为从第一通讯i到第二通讯j的路径p的瓶颈链路，用E(p)表示路径p经过的链路的集合，则还要在规划当中加上约束/>确保只有在通讯i得到的带宽分配不少于任何使用了链路e并且被移除了的通讯的总带宽时，链路e才会被当作是通讯i在路径p上的瓶颈链路。

为测试本发明的性能，使用取自Internet Topology Zoo的真实的网络拓扑验证本发明方法效果。实验中使用Electric Lightwave(EL)网络，其中EL-20网络由20个节点和60条边组成，EL-19网络由19个节点和56条边组成，EL-18网络由18个节点和52条边组成。对于每个真实网络拓扑，我们通过随机移除其中若干个节点的方式得到节点数目更少的子图。实验中两阶段混合路由策略中的level参数设置为1，双层混合整数线性规划的求解时间设置为3600s。本发明的原型系统基于C++实现，并且使用gurobi求解器求解规划问题。为了进行对比，同时评估了最大最小公平路由、吞吐量最大化单层路由的性能。图1为本发明方法和对比方法运行EL-20、EL-19和EL-18时，各路由算法总吞吐量的对比结果示意图。图2为本发明方法和对比方法运行上述网络时，各路由算法吞吐量最低的25％通讯的吞吐量之和的对比结果示意图。

实验结果表明，和单纯的最大化总吞吐量的路由方案相比，两阶段路由算法不仅能够获得更多的总吞吐量，而且在得到带宽较少的通讯上，两阶段路由算法给出的路由能够带来显著更高的吞吐量。和最大最小公平路由相比，在不减损本质上更受限制的通讯获得的带宽的同时，两阶段路由方案能带来总吞吐量的显著提升。因此，本发明提出的两阶段路由策略不仅能够处理较大规模的网络拓扑，而且能够有效地结合最大最小公平路由和带公平约束的双层路由的优势，在两者之间取得理想的平衡。

Claims (4)

1.面向云上广域网的多径瓶颈公平性约束的两阶段路由方法，包括以下步骤：

(1)将网络抽象为有向图模型，记v为一个节点，e为一条链路，记V为节点的集合，E为链路的集合，有v∈V、e∈E，然后将网络建模为有向图G＝(V，E)，每条通讯i通过一系列链路e组成的路径p实现传输；

(2)建立多径瓶颈公平性约束条件，各个通讯按照多径瓶颈公平分配的标准划分网络带宽，直到运营商计算出的策略是在考虑到各通讯的应对策略的前提下效用最大的策略；

(3)对当前链路层级数为l的链路层级level_l，执行最大最小公平性的一般框架规划Plan，若一般框架规划Plan的目标函数值比之前的要大，则进入第l+1层链路层级level_l+1；

(4)若当前链路层级数l未达到链路层级数k，初始化链路e的剩余容量，依次执行步骤(5)和步骤(6)，否则执行步骤(7)；

(5)对路径p上的所有链路e，若路径p上还有未处理的链路e，则计算链路e允许增加的速率share(e)；

(6)选择允许增加速率最少的链路e，得到最小允许增加的速率mshare，与更新阈值threshold比较；若最小允许增加的速率mshare大于更新阈值，则将通讯i在路径p上的速率提升应用到路径p的所有链路上；

(7)根据带宽分配结果缩减网络，得到多径瓶颈公平分配方案；

所述步骤(2)中，将问题建模为一个斯塔克尔伯格博弈，各个通讯按照多径瓶颈公平分配的标准划分网络带宽，当运营商计算出的策略是在考虑到各通讯的应对策略的前提下效用最大的策略时，博弈达到均衡；博弈问题的约束要求确保每条被使用的路径都被选中，每条被选中的路径都拥有瓶颈链路，确保至少有一条路径被选中；

所述步骤(7)中，网络运营商可以灵活地调整移除的链路或者通讯的数目，并且按照瓶颈图的层级从上往下(从第一层级level0开始)移除，以链路层级为单位移除链路，从第一层级level0开始，一层一层地移除链路及相应通讯；记录饱和链路的层级，当达到了预定层级时，停止迭代；随后将分配给这些通讯的带宽从相应链路的容量上减去，从网络中移除那些剩余容量为0的链路，并从候选路径集合中移除经过这些链路的路径，以此达到缩减网络的目的。

2.根据权利要求1所述的面向云上广域网的多径瓶颈公平性约束的两阶段路由方法，其特征在于，所述步骤(1)中，用M表示网络中通讯的集合，每个通讯i∈M由一个四元组表示：记s_i∈V是通讯i的源节点，t_i∈V是通讯i的目的节点，d_i＞0是通讯i的带宽(速率)需求，是从s_i到t_i的简单路径的一个子集，则通讯i可用四元组(s_i，t_i，d_i，P_i)表示；用P表示所有路径的集合；用r_i表示通讯i获得的速率，用r_p表示路径p上的速率，则r_i是各条属于通讯i的路径p分配得到的速率的和，记|M|为通讯的集合中所有通讯的数量，则带宽分配方案R表示为{r₁，r₂，...，r_|M|}。

3.根据权利要求1所述的面向云上广域网的多径瓶颈公平性约束的两阶段路由方法，其特征在于，所述步骤(5)中，使用速率增量算法获取链路e允许的速率增量；所述速率增量算法输入通讯i、链路e，输出通讯i允许在链路e上增加的速率share。

4.根据权利要求1所述的面向云上广域网的多径瓶颈公平性约束的两阶段路由方法，其特征在于，所述步骤(6)中，使用速率更新算法的方法是，将通讯i在路径p上的速率提升应用到路径p的所有链路上；所述速率更新算法输入通讯i的第一速率r、链路e，输出链路e上的通讯根据第一速率r调整后的第二速率r′。