面向混合sdn網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度方法，在滿足流量轉(zhuǎn)發(fā)需求的前提下，依據(jù)IP網(wǎng)絡(luò)中的鏈路容量利用率，對鏈路權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，這樣當(dāng)某條鏈路容量利用率低時，將其關(guān)閉，避免能量的浪費，同時也符合綠色節(jié)能網(wǎng)絡(luò)理念；同時本申請結(jié)合SDN交換機(jī)的流量動態(tài)分配功能，解決了混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度機(jī)制的問題。
【專利說明】
面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域
[00011本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)流量工程領(lǐng)域，具體涉及一種能在SDN/ΙΡ混合網(wǎng)絡(luò)中有效節(jié)能的 流量調(diào)度機(jī)制。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能的不斷豐富，目前的網(wǎng)絡(luò)在能量的使用上日 益暴露出能耗高、效率低，浪費多等諸多問題。節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗、構(gòu)建綠色網(wǎng)絡(luò)不僅成為計算 機(jī)領(lǐng)域一個意義重大、需要迫切解決的課題，也成為影響社會、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的一個重要 因素。通過節(jié)能的流量調(diào)度策略降低網(wǎng)絡(luò)能耗，是一個重要的問題。
[0003] 考慮到SDN的迅猛發(fā)展和廣闊的應(yīng)用前景，節(jié)能的流量調(diào)度策略必須和SDN場景結(jié) 合起來。SDN是一項目前備受關(guān)注與研究的技術(shù)，它通過將網(wǎng)絡(luò)的控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能分離，使 網(wǎng)絡(luò)的控制面可以通過開放接口直接編程，而底層設(shè)施則簡單地作為接受控制面調(diào)度的轉(zhuǎn) 發(fā)設(shè)備(數(shù)據(jù)面），該機(jī)制帶來了流量動態(tài)調(diào)度的靈活性。SDN技術(shù)常用于提高網(wǎng)絡(luò)容量利用 率和減小網(wǎng)絡(luò)時間延。
[0004] 然而，短期內(nèi)純SDN網(wǎng)絡(luò)的全面鋪設(shè)還難以實現(xiàn)。一方面，它需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 及設(shè)備做較大變更，耗資巨大。另一方面，SDN技術(shù)本身在可靠性、魯棒性、可擴(kuò)展性等方面 還有待提升。因此大多數(shù)情況下，將會是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中逐步增加 SDN設(shè)備，SDN設(shè)備與IP設(shè)備 混合并存的應(yīng)用模式將長期存在。
[0005] 因此，在SDN/ΙΡ混合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，研究設(shè)計節(jié)能的流量調(diào)度策略，對于下一代網(wǎng)絡(luò) 的發(fā)展和應(yīng)用，具有重要的意義。
[0006] 當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)能模型主要分為兩種，一種是停用模型，另一種是彈性速度模型。前者 通過停用不需要的網(wǎng)元節(jié)約能量，而后者通過根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載調(diào)節(jié)網(wǎng)元處理速度節(jié)能。
[0007] 混合SDN網(wǎng)絡(luò)即在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中加入了 SDN設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)面由傳統(tǒng)IP路由和SDN 交換機(jī)組成。網(wǎng)絡(luò)中的SDN交換機(jī)由一個SDN控制器管理，它們的流表由控制器計算生成。而 網(wǎng)絡(luò)中的IP路由器依然使用逐跳尋徑的路由協(xié)議(如0SPF)來確定流轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，此時SDN交 換機(jī)被視為普通的IP路由器。
[0008] 傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)通過逐跳尋徑的路由協(xié)議確定流轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，能夠滿足時間延遲等方面 的要求，但往往需要網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)鏈路都處于啟用狀態(tài)，有違綠色節(jié)能網(wǎng)絡(luò)理念。如某條鏈 路上只有極少的流量，卻因為最短路算法選擇走這條鏈路而必須啟用，造成能量浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，提出一種面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度方法，在 滿足流量轉(zhuǎn)發(fā)需求的前提下，依據(jù)IP網(wǎng)絡(luò)中的鏈路容量利用率，對鏈路權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，并結(jié) 合SDN交換機(jī)的流量動態(tài)分配功能，實現(xiàn)面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度機(jī)制。
[0010]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度方法，包括：
[0011] A1、初始化算法環(huán)境，包括輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰(N，L)，流量需求hkt，第一鏈路容量利用 率閾值α與第二鏈路容量利用率β，鏈路權(quán)重集合W，并給啟用鏈路集合S賦初值S = L;
[0012]其中，N代表網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集合，L表示網(wǎng)絡(luò)中所有有向物理鏈路的集合，α>β;
[0013] Α2、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)鏈路權(quán)重;具體為：
[0014] Α21、根據(jù)節(jié)點間流量需求hvt和鏈路權(quán)重集合W用最短路徑算法求出路由；
[0015] A22、根據(jù)步驟A21所得路由，用下式求出鏈路1的容量利用率μι;
[0016] μι = χι/ci ；
[0017]其中，X1為經(jīng)過鏈路1的總流量，C1為鏈路1的容量；
[0018] A23、將網(wǎng)絡(luò)鏈路按照鏈路容量利用率從大到小排序，并分為三類:擁塞鏈路、常規(guī) 鏈路和輕載鏈路；
[0019] 所述擁塞鏈路是鏈路容量利用率大于或者等于α的鏈路；
[0020] 所述輕載鏈路是鏈路容量利用率小于或者等于邱勺鏈路；
[0021 ]所述常規(guī)鏈路是鏈路利用率處于α和β之間的鏈路；
[0022] Α24、對擁塞鏈路和輕載鏈路的權(quán)重按照下式進(jìn)行調(diào)節(jié)；
[0023] wi=wi+l/i ；
[0024] 其中，i的初始值為1，每循環(huán)一次增加1，循環(huán)結(jié)束后，輸出更新的鏈路權(quán)重集合W;
[0025] A3、對網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點t進(jìn)行如下處理：
[0026] a、基于步驟A2輸出的鏈路權(quán)重，采用0SPF算法，生成網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點到t的最短路徑 樹；
[0027] b、發(fā)現(xiàn)每條最短路徑上第一個SDN交換機(jī)u，并計算注入u的流量Iut;
[0028] c、根據(jù)流量分配算法，對注入SDN交換機(jī)的流量Iut進(jìn)行分配；
[0029]其中，節(jié)點teN;
[0030] A4、從網(wǎng)絡(luò)中關(guān)閉容量利用率μι最小的鏈路1，關(guān)閉成功，則更新鏈路集合S = s-l， 并返回步驟Α2;否則，算法結(jié)束，返回S。
[0031 ] 進(jìn)一步地，所述步驟A3中的流量分配算法，包括以下分步驟：
[0032] 1)、求出從u到目的節(jié)點t的k條最短路徑，保存為集合P={put};
[0033] 2)、求put上每條鏈路l[n]的可用容量cap1[n]，并以其中的最小值作為該路徑的可 用容量capP[j]，j表示集合P中的路徑的序號；
[0034] 3)、將集合P中的路徑按capP[j]升序排序；
[0035] 4)、檢查總流量Iut是否為0,是則輸出流量分配方案，算法結(jié)束;否則執(zhí)行步驟5);
[0036] 5)、將總流量Iut中capP[j]的流量分配到第j(j初值為1)條路徑P[ j]上，并更新Iut;
[0037] Iut = Iut-capp[j]；
[0038] 6)、判斷集合P中第j+1條路徑P[j+1]是否與P[j]有交疊的鏈路，交疊鏈路集合記 為T，如果m則執(zhí)行步驟7)，否則回到步驟4);
[0039] 7)、更新T中鏈路的可用容量，并更新路徑P[ j+Ι]的可用容量，然后執(zhí)行j = j+Ι，返 回到步驟4)。
[0040] 更進(jìn)一步地，所述可用容量capi[n]計算公式為：
[0041] capi[n] = ci[n] Χβ-χ?[η]；
[0042] 其中，ci[n]為鏈路1[η]的容量，χι[η]為當(dāng)前分配給鏈路1[η]的總流量。
[0043] 本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度方法，在滿足流量 轉(zhuǎn)發(fā)需求的前提下，依據(jù)IP網(wǎng)絡(luò)中的鏈路容量利用率，對鏈路權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，這樣當(dāng)某條鏈 路容量利用率低時，將其關(guān)閉，避免能量的浪費，同時也符合綠色節(jié)能網(wǎng)絡(luò)理念;并結(jié)合SDN 交換機(jī)的流量動態(tài)分配功能，實現(xiàn)面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度機(jī)制。
【附圖說明】
[0044]圖1為ESTS算法總流程圖。
[0045] 圖2為鏈路權(quán)重優(yōu)化算法流程圖。
[0046] 圖3為流量分配算法流程圖。
【具體實施方式】
[0047] 為便于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合附圖對本
【發(fā)明內(nèi)容】
進(jìn)一 步闡釋。
[0048]本發(fā)明采用第一種模型思想一停用模型，結(jié)合SND技術(shù)提出一種面向混合SDN網(wǎng) 絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度機(jī)制。
[0049] ESTS機(jī)制設(shè)定混合SDN網(wǎng)絡(luò)表示為G(N，L)，其中N代表網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集合，L表示網(wǎng) 絡(luò)中所有有向物理鏈路的集合。鏈路權(quán)重所構(gòu)成的集合表示為W，并設(shè)定所有鏈路初始權(quán)重 都為1。任一節(jié)點k到其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點t (k，t EN)的流量需求表示為hkt，任意鏈路1 (1 e L)的容 量利用率表示為μ，當(dāng)μ大于某個指定閾值α?xí)r，該鏈路剩余容量為〇，即α為鏈路1的最大容量 利用率閾值;當(dāng)μ小于某個指定閾值β時，該鏈路由于利用率過低，可以將流量轉(zhuǎn)移到其他鏈 路，并關(guān)閉該鏈路以降低能耗，即β為鏈路1的最小容量利用率。代表網(wǎng)絡(luò)中處于開 啟狀態(tài)的鏈路集合。在工程應(yīng)用中，α與β值的確定是一個難題，通常根據(jù)經(jīng)驗取值，一種典 型的取值是α = 0·8，β = 0·3*α。
[0050] 如圖1所示為本發(fā)明的方案流程圖，本發(fā)明的技術(shù)方案為:面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié) 能流量調(diào)度方法，包括以下步驟：
[0051] A1、初始化算法環(huán)境，包括輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰(N，L)，流量需求hkt，第一鏈路容量利用 率閾值α與第二鏈路容量利用率β，鏈路權(quán)重集合W，并給啟用鏈路集合S賦初值S = L;
[0052]其中，Ν代表網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集合，L表示網(wǎng)絡(luò)中所有有向物理鏈路的集合，α>β。
[0053] Α2、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)鏈路權(quán)重；
[0054] Α21、根據(jù)節(jié)點間流量需求hvt和鏈路權(quán)重集合W用最短路徑算法求出路由。
[0055] A22、根據(jù)上一步所得路由用式（1)求出各鏈路的容量利用率，其中X1為經(jīng)過鏈路1 的總流量，ci為1的容量。
[0056] μι = χι/ci( 1)
[0057] A23、將集合S中的鏈路按μ分為三大類：
[0058] (i)擁塞鏈路:μ 2 α
[0059] (ii)輕載鏈路:
[0060] (^^常規(guī)鏈路:^以以
[0061] Α24、對分類后的鏈路采取相應(yīng)的權(quán)重調(diào)節(jié)措施，擁塞鏈路和輕載鏈路的權(quán)重都被 調(diào)大，具體如式（1 )，而常規(guī)鏈路權(quán)重保持不變，權(quán)重值越高，該鏈路被分配流量的概率越 低。對擁塞鏈路提高權(quán)重，可以避免新的流量加載到這條鏈路;對輕載鏈路提高權(quán)重，可以 促使輕載鏈路上的流量被分配到其他常規(guī)鏈路上，這樣輕載鏈路負(fù)載變?yōu)?的時候，就可以 關(guān)閉這條鏈路，節(jié)約能量消耗。本步驟完成后會返回步驟Α21進(jìn)行循環(huán)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，循環(huán) 次數(shù)越多。式中i的初始值為1，每次循環(huán)增1。循環(huán)結(jié)束后，最終輸出更新的鏈路權(quán)重集合W。
[0062] wi=wi+l/i (2)
[0063] 圖2中的Iteration表示最大迭代次數(shù)，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時，達(dá)到最優(yōu)解所需的 迭代次數(shù)也會增加，因此網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，循環(huán)次數(shù)越多，Iteration值可以根據(jù)需要設(shè)定，比 如在實際應(yīng)用中定義的值是Iterati 〇n = 10000。之所以使用迭代算法，是因為本發(fā)明需要 對鏈路設(shè)置最優(yōu)的權(quán)重，從而基于最優(yōu)權(quán)重形成高效的流量分配策略。然而，從數(shù)學(xué)模型上 求解出最優(yōu)解的思路，已經(jīng)被證明是無法實現(xiàn)的。因此，本發(fā)明基于最優(yōu)化理論中的迭代算 法，通過多次迭代來逼近最優(yōu)解，通常幾十到幾百次迭代之后，就已經(jīng)可以以非常小的誤差 接近最優(yōu)解。
[0064] A3、對網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點t進(jìn)行如下處理：
[0065] a、基于步驟A2輸出的鏈路權(quán)重，采用0SPF算法，生成網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點到t的最短路徑 樹；
[0066] b、發(fā)現(xiàn)每條最短路徑上第一個SDN交換機(jī)u，并計算注入u的流量Iut;
[0067] c、根據(jù)流量分配算法，對注入SDN交換機(jī)的流量Iut進(jìn)行分配;其中，節(jié)點teN;
[0068] 所述流量分配算法具體包括以下分步驟：
[0069] 1)、求出從u到目的節(jié)點t的k條最短路徑，保存為集合P= {put}。
[0070] 2)、求put上每條鏈路1 [η]的可用容量capi[n]，如式(3)，并以其中的最小值作為該 路徑的可用容量capP[J];
[0071] 其中，Put表示從u到目的節(jié)點t的k條最短路徑中的某一條最短路徑，j表示集合P中 的路徑的序號。
[0072]可用容量cap1[n]的計算公式為：
[0073] capi[n] = ci[n] Χβ-χ?[η] (3)
[0074]其中，ci[n]為1[η]的容量，χι[η]為當(dāng)前分配給鏈路1[η]的總流量。
[0075] 3)、將Ρ中的路徑按capP[j]升序排序。
[0076] 4)、檢查Iut是否為0,是則輸流出量分配方案，算法結(jié)束;否則執(zhí)行步驟5。
[0077] 5)、將總流量Iut中capP[j]的流量分配到第j (j初值為1)條路徑P[ j ]上，用式⑷更 新 Illto
[0078] Iut = Iut-capp[j] (4)
[0079] 6)、判斷P中第j + 1條路徑P[j+1]是否與P[j]有交疊的鏈路，交疊鏈路集合記為T， 如果，則執(zhí)行步驟7)，否則回到步驟4)。
[0080] 7)、使用式(3)更新Τ中鏈路的可用容量，并更新路徑P[ j+Ι]的可用容量，執(zhí)行j = j +1，也就是圖3中的j++。然后回到步驟4)。
[0081 ] A4、從網(wǎng)絡(luò)中關(guān)閉容量利用率最小的鏈路1，更新鏈路集合S = S-1，（表示將該條鏈 路從集合S中去除，下一次優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)鏈路權(quán)重時，不再考慮該條鏈路)并返回步驟2)。否則， 算法結(jié)束，返回S。
[0082]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā) 明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。對于本領(lǐng) 域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的 任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度方法，其特征在于，包括： Al、初始化算法環(huán)境，包括輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰(N，L)，流量需求hkt，第一鏈路容量利用率閾 值α與第二鏈路容量利用率閾值β，鏈路權(quán)重集合W，并給啟用鏈路集合S賦初值S = L; 其中，N代表網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點集合，L表示網(wǎng)絡(luò)中所有有向物理鏈路的集合，α >β; Α2、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)鏈路權(quán)重;具體為： Α21、根據(jù)節(jié)點間流量需求hvt和鏈路權(quán)重集合W用最短路徑算法求出路由； A22、根據(jù)步驟A21所得路由，用下式求出鏈路1的容量利用率μ1; μι = χι/〇ι； 其中，?為經(jīng)過鏈路1的總流量，ci為鏈路1的容量； A23、將網(wǎng)絡(luò)鏈路按照鏈路容量利用率從大到小排序，并分為三類:擁塞鏈路、常規(guī)鏈路 和輕載鏈路； 所述擁塞鏈路是鏈路容量利用率大于或者等于α的鏈路； 所述輕載鏈路是鏈路容量利用率小于或者等于邱勺鏈路； 所述常規(guī)鏈路是鏈路利用率處于α和β之間的鏈路； Α24、對擁塞鏈路和輕載鏈路的權(quán)重按照下式進(jìn)行調(diào)節(jié)； Wi=wi+l/i ； 其中，i的初始值為1，每循環(huán)一次增加1，循環(huán)結(jié)束后，輸出更新的鏈路權(quán)重集合W; A3、對網(wǎng)絡(luò)中每一個節(jié)點t進(jìn)行如下處理： a、 基于步驟A2輸出的鏈路權(quán)重，采用OSPF算法，生成網(wǎng)絡(luò)其它節(jié)點到t的最短路徑樹； b、 發(fā)現(xiàn)每條最短路徑上第一個SDN交換機(jī)u，并計算注入u的流量Iut; c、 根據(jù)流量分配算法，對注入SDN交換機(jī)的流量Iut進(jìn)行分配； 其中，節(jié)點teN; A4、從網(wǎng)絡(luò)中關(guān)閉容量利用率yi最小的鏈路1，關(guān)閉成功，則更新鏈路集合S = S-I，并返 回步驟Α2;否則，算法結(jié)束，返回S。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度方法，其特征在于，所述步 驟A3中的流量分配算法，包括以下分步驟： 1) 、求出從u到目的節(jié)點t的k條最短路徑，保存為集合P= {put}; 2) 、求put上每條鏈路l[n]的可用容量capi[n]，并以其中的最小值作為該路徑的可用容量 capP[j]，j表示集合P中的路徑的序號； 3) 、將集合P中的路徑按capP[j]升序排序； 4) 、檢查總流量Iut是否為0,是則輸出流量分配方案，算法結(jié)束;否則執(zhí)行步驟5); 5) 、將總流量Iut中capP[j]的流量分配到第j (j初值為1)條路徑P[ j ]上，并更新Iut; Iut- Iut_ca<pp[j]; 6) 、判斷集合P中第j+l條路徑P[j+1]是否與P[j]有交疊的鏈路，交疊鏈路集合記為T， 如果fV 0:，則執(zhí)行步驟7)，否則回到步驟4); 7) 、更新T中鏈路的可用容量，并更新路徑P[ j+l]的可用容量，然后執(zhí)行j = j+l，返回到 步驟4)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向混合SDN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能流量調(diào)度方法，其特征在于，所可用 容量capi[n]計算公式為： Capi[n] = Cl[n] Χβ_Χ1[η]; 其中，C1[n]為鏈路l[n]的容量，X1[n]為當(dāng)前經(jīng)過鏈路l[n]的總流量。
【文檔編號】H04L12/801GK105897586SQ201610339325
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】韋云凱, 胡周姹, 毛玉明, 冷甦鵬, 李娜
【申請人】電子科技大學(xué)