本發(fā)明涉及一種基于SDN的CDN網(wǎng)絡(luò)的用戶請求分配方法，屬于網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著研究的展開，傳統(tǒng)的CDN網(wǎng)絡(luò)存在以下缺陷：

1、無法了解網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)浜透兄W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，缺乏控制[路由的手段與能力，沒法保障用戶QoE；

2、一般采用DNS重定向，對長時間、大體積的流很難進(jìn)行管理，而且如何將用戶請求分配到合理的代理服務(wù)器以提高服務(wù)質(zhì)量仍是一個問題。

基于此，將軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software defined network,SDN)技術(shù)應(yīng)用在CDN網(wǎng)絡(luò)中開始引起人們的注意。SDN是一種基于軟件可編程思想的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，控制平面可以做到集中式統(tǒng)一調(diào)度，網(wǎng)絡(luò)提供者可以根據(jù)需求，為用戶實時動態(tài)分配資源實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活智能控制。同時，利用SDN的可編程性，能更有效的解決復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理與控制問題。將SDN和CDN網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的核心優(yōu)勢在于：

1、SDN能使CDN提供商更好的管理和升級底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

2、SDN提供了接口來收集實時的網(wǎng)絡(luò)信息，包括網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)湫畔?、鏈路的時延、流量監(jiān)測信息等，這些信息能被用來形成請求分配的決策。

3、SDN控制器通過OpenFlow協(xié)議，通過直接改寫流表項實現(xiàn)將用戶請求實時重定向到合適的服務(wù)器。

現(xiàn)有SDN與CDN結(jié)合的系統(tǒng)架構(gòu)中，SDN控制器根據(jù)收集到的網(wǎng)絡(luò)信息，采用動態(tài)分配算法，選擇出合適的代理服務(wù)器和路徑，但單個SDN控制器的處理能力有限，且無法支持跨控制域決策。

現(xiàn)在由于用戶對獲取資源的質(zhì)量要求越來越高，而服務(wù)器選擇和路徑選擇是決定CDN網(wǎng)絡(luò)性能好壞的關(guān)鍵?，F(xiàn)有CDN研究中，幾乎沒有針對服務(wù)器選擇和路徑選擇進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于SDN的CDN網(wǎng)絡(luò)的用戶請求分配方法，該方法能夠支持CDN網(wǎng)絡(luò)的跨控制域決策。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明基于SDN的CDN網(wǎng)絡(luò)的用戶請求分配方法包括以下步驟：

步驟一、各SDN控制器通過OpenFlow接口實時收集CDN網(wǎng)絡(luò)信息，所述CDN網(wǎng)絡(luò)信息包括網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)洹㈡溌窌r延和流量，并將收集到的所述CDN網(wǎng)絡(luò)信息上傳到智能中心的數(shù)據(jù)庫中；

步驟二、智能中心的決策模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫所接收的所述CDN網(wǎng)絡(luò)信息，采用動態(tài)分配算法計算CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例，并計算CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各代理服務(wù)器的路徑被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例，并將各代理服務(wù)器的IP地址、CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例和CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各代理服務(wù)器的路徑被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例下發(fā)到SDN控制器；

步驟三、SDN控制器根據(jù)所接收到的代理服務(wù)器的IP地址、CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例、以及CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各代理服務(wù)器的路徑被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例修改所述入口交換機(jī)的流表項；

步驟四、用戶發(fā)送內(nèi)容請求到所述入口交換機(jī)，入口交換機(jī)將內(nèi)容請求與所述流表項進(jìn)行匹配并將匹配后的內(nèi)容請求轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)代理服務(wù)器，用戶從目標(biāo)代理服務(wù)器中獲取所請求的內(nèi)容，所述目標(biāo)代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例不為0。

進(jìn)一步地，本發(fā)明利用公式(1)計算CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例、以及CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各代理服務(wù)器的路徑被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例：

其中，

公式(1)—(6)中，J_d表示用戶平均響應(yīng)時間優(yōu)化參數(shù)，J_b表示用戶帶寬滿足度偏移度優(yōu)化參數(shù)，J_p表示穩(wěn)定性優(yōu)化參數(shù)，ω_b表示用戶帶寬滿足度偏移度優(yōu)化參數(shù)J_b相對于用戶平均響應(yīng)時間優(yōu)化參數(shù)J_d的權(quán)重值，ω_p表示穩(wěn)定性優(yōu)化參數(shù)J_p相對于用戶平均響應(yīng)時間優(yōu)化參數(shù)J_d的權(quán)重值，p_s(t)表示t時間內(nèi)CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例，i表示CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到目標(biāo)代理服務(wù)器s的路徑，p_i,s(t)表示在t時間內(nèi)路徑i被分配到目標(biāo)代理服務(wù)器s的用戶的內(nèi)容請求的比例，s表示單個目標(biāo)代理服務(wù)器；S表示目標(biāo)代理服務(wù)器的集合，I_s表示從CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各目標(biāo)代理服務(wù)器s的路徑的集合，d(t)表示t時間內(nèi)用戶平均響應(yīng)時間，H表示預(yù)測時域，T表示當(dāng)前時刻，s表示單個目標(biāo)代理服務(wù)器，e表示CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到目標(biāo)代理服務(wù)器s的路徑i中的鏈路；BL_e(t)表示在t時間內(nèi)CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到目標(biāo)代理服務(wù)器s的路徑i中的鏈路e的用戶帶寬滿足度偏移度；V表示用戶的內(nèi)容請求的數(shù)學(xué)平均值；R_t表示在t時間內(nèi)CDN網(wǎng)絡(luò)中的用戶的內(nèi)容請求的總數(shù)；C_e表示鏈路e的容量，BP_i(t)表示在t時間內(nèi)CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各目標(biāo)代理服務(wù)器的路徑的用戶帶寬滿足度偏移度。

進(jìn)一步地，本發(fā)明所述t時間內(nèi)用戶平均響應(yīng)時間為：

其中，

公式(7)和(8)中，d(t)表示t時間內(nèi)用戶平均響應(yīng)時間，d_s(t)表示CDN網(wǎng)絡(luò)中的各代理服務(wù)器的處理時間，d_e表示SDN控制器收集到的CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到目標(biāo)代理服務(wù)器s的路徑i中的鏈路e的鏈路時延，λ_t表示在t時間內(nèi)用戶的內(nèi)容請求到達(dá)目標(biāo)代理服務(wù)器s的平均速率，λ_s表示目標(biāo)代理服務(wù)器s的處理速率，p_s(t)表示在時間內(nèi)，CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)智能中心作為全局大腦，不受單個SDN控制器處理能力有限的約束，一些計算量較大、運(yùn)算復(fù)雜的決策轉(zhuǎn)移到部署在的智能中心的決策模塊進(jìn)行，減輕SDN控制器的壓力。

(2)由于SDN控制器通過OpenFlow接口實時收集CDN網(wǎng)絡(luò)的信息，并將收集到的信息上傳到智能中心的數(shù)據(jù)庫中，由此智能中心的決策模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫接收到的信息進(jìn)行決策，從而可以支持CDN網(wǎng)絡(luò)的跨控制域決策。

(3)智能中心的決策模塊進(jìn)一步采用基于MPC的用戶請求分配算法，能有效降低用戶平均響應(yīng)時間，提高用戶帶寬滿足度，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于SDN的CDN網(wǎng)絡(luò)的一種架構(gòu)示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖具體說明本發(fā)明的基于SDN的CDN網(wǎng)絡(luò)的用戶請求分配方法。

在本發(fā)明中，基于SDN的CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可如圖1所示。在圖1中，基于SDN的CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括底層網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、SDN控制器、智能中心三部分。

1、底層網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備

底層網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備一般為OpenFlow交換機(jī)。OpenFlow交換機(jī)通過OpenFlow協(xié)議與SDN控制器進(jìn)行交互。

2、SDN控制器

SDN控制器主要負(fù)責(zé)實時收集CDN網(wǎng)絡(luò)信息，并將收集到的CDN網(wǎng)絡(luò)信息上傳到智能中心的數(shù)據(jù)庫中，并通過修改OpenFlow交換機(jī)中的流表項控制底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。CDN網(wǎng)絡(luò)信息包括網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)?、鏈路時延和流量等。

3、智能中心

智能中心包括決策模塊和數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)CDN網(wǎng)絡(luò)信息的存儲，決策模塊負(fù)責(zé)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)信息形成智能決策。

本發(fā)明基于SDN的CDN網(wǎng)絡(luò)的用戶請求分配方法工作過程下所示：

步驟一：各SDN控制器通過OpenFlow接口實時收集CDN網(wǎng)絡(luò)信息，所述CDN網(wǎng)絡(luò)信息包括網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)?、鏈路時延和流量，并將收集到的所述CDN網(wǎng)絡(luò)信息上傳到智能中心的數(shù)據(jù)庫中。

步驟二：智能中心的決策模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫所接收的所述CDN網(wǎng)絡(luò)信息，采用動態(tài)分配算法計算CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例p_s(t)，并計算CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各代理服務(wù)器的路徑被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例，并將各代理服務(wù)器的IP地址、CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例p_i,s(t)和CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各代理服務(wù)器的路徑被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例下發(fā)到SDN控制器。

步驟三：SDN控制器根據(jù)所接收到的代理服務(wù)器的IP地址、CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例p_s(t)、以及CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各代理服務(wù)器的路徑被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例p_i,s(t)修改所述入口交換機(jī)的流表項。

步驟四：用戶發(fā)送內(nèi)容請求到所述入口交換機(jī)，入口交換機(jī)將內(nèi)容請求與所述流表項進(jìn)行匹配并將匹配后的內(nèi)容請求轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)代理服務(wù)器，用戶從目標(biāo)代理服務(wù)器中獲取所請求的內(nèi)容，所述目標(biāo)代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例p_s(t)不為0。

進(jìn)一步地，本發(fā)明可以采用對單個入口交換設(shè)備發(fā)出的用戶請求進(jìn)行動態(tài)分配的方法進(jìn)行優(yōu)化，考慮用戶感知QoE(Quality of Experience，體驗質(zhì)量)的兩個核心指標(biāo)：用戶平均響應(yīng)時間和用戶帶寬滿足度偏移度，同時考慮穩(wěn)定性，應(yīng)用MPC(Model Predictive Control，模型預(yù)測控制)算法進(jìn)行內(nèi)容請求分配(基于MPC的用戶請求分配算法)，分配結(jié)果以比例形式呈現(xiàn)。具體方法如下：

利用以下公式(1)求解非線性規(guī)劃問題，計算CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例、以及CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各代理服務(wù)器的路徑被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例：

其中，

公式(1)中，J_d表示用戶平均相應(yīng)時間優(yōu)化參數(shù)，J_b表示用戶帶寬滿足度偏移度優(yōu)化參數(shù)，J_p表示穩(wěn)定性優(yōu)化參數(shù)，p_s(t)表示t時間內(nèi)CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例；p_i,s(t)表示在t時間內(nèi)，CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到目標(biāo)代理服務(wù)器s的路徑i被分配到目標(biāo)代理服務(wù)器s的用戶的內(nèi)容請求的比例；s表示單個目標(biāo)代理服務(wù)器；S表示目標(biāo)代理服務(wù)器的集合，I_s表示從CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各目標(biāo)代理服務(wù)器s的路徑的集合。ω_b表示用戶帶寬滿足度偏移度優(yōu)化參數(shù)J_b相對于用戶平均響應(yīng)時間優(yōu)化參數(shù)J_d的權(quán)重值，ω_p表示穩(wěn)定性優(yōu)化參數(shù)J_p相對于用戶平均響應(yīng)時間優(yōu)化參數(shù)J_d的權(quán)重值。

公式(2)定義了用戶平均響應(yīng)時間優(yōu)化參數(shù)，d(t)表示t時間內(nèi)用戶平均響應(yīng)時間，H表示預(yù)測時域，T表示當(dāng)前時刻。其中，用戶平均響應(yīng)時間包括往返的鏈路時延和服務(wù)器的處理時間。公式(2)中所述t時間內(nèi)的用戶平均響應(yīng)時間d(t)滿足公式(7)所述關(guān)系：

公式(7)中，d_e表示SDN控制器收集到的CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到目標(biāo)代理服務(wù)器s的路徑i中的鏈路e的鏈路時延。

其中，可將所有代理服務(wù)器抽象成M/M/1排隊模型，由此CDN中各代理服務(wù)器處理時間d_s(t)滿足如公式(8)所述關(guān)系：

公式(8)中，λ_t表示在t時間內(nèi)用戶的內(nèi)容請求到達(dá)目標(biāo)代理服務(wù)器s的平均速率，λ_s表示目標(biāo)代理服務(wù)器s的處理速率，p_s(t)表示在t時間內(nèi)，CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例。

用戶帶寬滿足度是指網(wǎng)絡(luò)實際能提供的帶寬和用戶請求的帶寬大小的比值，鏈路e上的用戶帶寬滿足度偏移度BL_e(t)滿足如公式(3)所述關(guān)系：

公式(3)中，BL_e(t)表示t時間內(nèi)CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到目標(biāo)代理服務(wù)器的路徑i中的鏈路e的用戶帶寬滿足度偏移度，p_i,s(t)表示t時間內(nèi)選擇路徑i到服務(wù)器s的用戶請求比例，V表示平均用戶請求大小，R_t表示t時間內(nèi)CDN網(wǎng)絡(luò)中的總用戶請求數(shù)，C_e表示所述鏈路e的容量。[x]⁺表示當(dāng)x＞0時，值為x本身，當(dāng)x≤0時，值取0。

考慮到一條路徑中包含多條鏈路，由于“木桶效應(yīng)”，路徑i的帶寬滿意度偏移度取其中最大那條鏈路的值，即：

公式(4)中，BP_i(t)表示t時間內(nèi)CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到目標(biāo)代理服務(wù)器的路徑i的用戶帶寬滿足度偏移度。

由此用戶帶寬滿足度偏移度的優(yōu)化參數(shù)J_b滿足如公式(5)所述關(guān)系：

最后，由于相鄰輸入變化過大，容易導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以考慮減小系統(tǒng)輸入p_i,s(t)的變化值以保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在此定義穩(wěn)定性優(yōu)化參數(shù)J_p為：

公式(6)中，J_p表示穩(wěn)定性優(yōu)化參數(shù)，I_s表示從CDN網(wǎng)絡(luò)的入口交換機(jī)到各目標(biāo)代理服務(wù)器s的路徑的集合。

利用公式(1)求解非線性規(guī)劃問題可以計算得到t時間內(nèi)CDN網(wǎng)絡(luò)的各代理服務(wù)器被分配到用戶的內(nèi)容請求的比例p_s(t)和t時間內(nèi)路徑i被分配到目標(biāo)代理服務(wù)器s的用戶的內(nèi)容請求的比例p_i,s(t)，由此有效降低了用戶平均響應(yīng)時間，提高了用戶帶寬滿足度，并保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

同時，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際需求，通過調(diào)節(jié)用戶帶寬滿足度偏移度優(yōu)化參數(shù)J_b相對于用戶平均響應(yīng)時間優(yōu)化參數(shù)J_d的權(quán)重值ω_b和穩(wěn)定性優(yōu)化參數(shù)J_p相對于用戶平均響應(yīng)時間優(yōu)化參數(shù)J_d的權(quán)重值ω_p，來平衡用戶平均響應(yīng)時間、用戶帶寬滿足度偏移度和系統(tǒng)穩(wěn)定性三個優(yōu)化參數(shù)之間的重要性。

在本發(fā)明基于SDN的CDN網(wǎng)絡(luò)的用戶請求分配方法中，將智能中心作為全局大腦，可以不受單個SDN控制器處理能力有限的約束，一些計算量較大、運(yùn)算復(fù)雜的決策轉(zhuǎn)移到部署在的智能中心的決策模塊進(jìn)行，減輕SDN控制器的壓力。同時，由于SDN控制器通過OpenFlow接口實時收集CDN網(wǎng)絡(luò)的信息，并將收集到的信息上傳到智能中心的數(shù)據(jù)庫中，由此智能中心的決策模塊根據(jù)數(shù)據(jù)庫接收到的信息進(jìn)行決策，從而可以支持CDN網(wǎng)絡(luò)的跨控制域決策。

此外，智能中心的決策模塊進(jìn)一步采用基于MPC的用戶請求分配算法，能有效降低用戶平均響應(yīng)時間，提高用戶帶寬滿足度，同時保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。