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

本发明专利技术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，本发明专利技术方法基于上述模型建立了多径瓶颈公平性约束条件。然后，本发明专利技术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。本发明专利技术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。公平性。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。本专利技术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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。

技术实现思路

[0008]专利技术目的：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，本专利技术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，本专利技术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。
[0009]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术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：
[0010](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；
[0011](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；
[0012](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
；
[0013](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)；
[0014](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)；
[0015](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。
[0016](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。
[0017]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|
}。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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
′
。
[0021]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。
[0022]有益效果：在大量真实网络拓扑上的仿真实验表明，本专利技术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；本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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；用P表示所有路径的集合；用r

【专利技术属性】
技术研发人员：吴侗雨，余浩宇，郑嘉琦，顾荣，戴海鹏，陈贵海，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：