基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)降低全網(wǎng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)延遲的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN)架構(gòu)降低全網(wǎng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)延遲的方法， 屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的效率和獲得更好的用戶體驗(yàn)，降低全網(wǎng)數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)延遲變 得刻不容緩。
[0003] 路由和流調(diào)度是兩種常見(jiàn)的提高全網(wǎng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)效率的方法，然而在現(xiàn)有研究 中，出于對(duì)計(jì)算復(fù)雜度的考慮，路由和調(diào)度的研究往往是相互獨(dú)立的：在路由方案中，調(diào)度 方案常常被忽略;而在調(diào)度方案中，轉(zhuǎn)發(fā)路徑通常被認(rèn)為是已知條件。不可否認(rèn)的是，路由 和流調(diào)度相互合作有助于更好的降低數(shù)據(jù)流傳輸延遲。路由方案不僅可以幫助數(shù)據(jù)流選擇 一條更加快速的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，而且可以幫助數(shù)據(jù)流避開(kāi)擁塞的鏈路，給自身爭(zhēng)取更多帶寬資 源。流調(diào)度方案則在轉(zhuǎn)發(fā)路徑確定的情況下，對(duì)受到影響的數(shù)據(jù)流增加保護(hù)，同時(shí)盡可能降 低新加入的數(shù)據(jù)流的傳輸延遲，讓實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)流獲得更多的帶寬資源，保證更多數(shù)據(jù) 流能夠在期望時(shí)間內(nèi)完成傳輸。新加入的數(shù)據(jù)流和受影響的數(shù)據(jù)流信息進(jìn)行更新，更新后 的信息作為后續(xù)路由方案的依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)延遲而提出一種基于SDN 架構(gòu)的降低全網(wǎng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)延遲的方法。
[0005] 本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 本方案用N = 表示一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其中V是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合，包括網(wǎng)絡(luò)N中的交換 機(jī)和路由器，E表示網(wǎng)絡(luò)M中的鏈路集合，同時(shí)用fSet表示數(shù)據(jù)流集合，eSet表示鏈路集合。 而一條數(shù)據(jù)流則是一個(gè)應(yīng)用中一次傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)，用一個(gè)五元組夕=巧^,氧F,.L，.F}表 示，其中M表示數(shù)據(jù)流f未傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，B表示數(shù)據(jù)流尸擁有的帶寬，T表示數(shù)據(jù)流f五元 組上次更新的時(shí)間，L是數(shù)據(jù)流F的剩余期望完成時(shí)間，始終為正，P則表示數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn) 發(fā)路徑。假設(shè)要為一條數(shù)據(jù)流?·。="。』。，!'。，!^，？。}尋找轉(zhuǎn)發(fā)路徑。用S表示網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有占用 轉(zhuǎn)發(fā)路徑Ρ。的數(shù)據(jù)流，即受到新數(shù)據(jù)流影響的流的集合，Cl 1和Cl1 '分別是S中的某一數(shù)據(jù)流心 在新的數(shù)據(jù)流進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)前后的剩余估計(jì)完成時(shí)間;d。表示數(shù)據(jù)流f。的剩余估計(jì)完成時(shí)間。
[0007] 基于SDN架構(gòu)降低全網(wǎng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)延遲的方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0008] 步驟1、尋找一條轉(zhuǎn)發(fā)路徑，具體操作如下：
[0009] 步驟1. 1、初始化候選解集合cset，最優(yōu)解opts，當(dāng)前解curS。
[0010]令候選解集合cset為空集，SDN架構(gòu)中的openf low控制器運(yùn)行迪杰斯特拉算法 (Di jkstra算法)得到的原始解origS設(shè)為最優(yōu)解optS，初始化當(dāng)前解curS為一個(gè)僅包含源 交換機(jī)sDot的解。
[0011]步驟1.2、擴(kuò)展候選解集合cset。
[0012] 用LN表示當(dāng)前解curS的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果LN與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)一致，即與目的交換機(jī) dDot-致，則將當(dāng)前解curS賦值給最優(yōu)解optS。否則，找出所有與LN相連的節(jié)點(diǎn)，將其作為 一個(gè)集合C。對(duì)于集合C的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將其加入當(dāng)前解curS，構(gòu)成一個(gè)新的解newcurS，計(jì)算 解newcurS的效用值，如果效用值高于效用的界限值，則將這個(gè)新的解newcurS加入到候選 解集合〇861：中。；^01^854561：，6561：)，是效用的界限值
[0013] 計(jì)算效用值的公式如下：
[0016]其中，f為數(shù)據(jù)流f。選擇路徑P的效用值函數(shù)，P則表示數(shù)據(jù)流f。的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，S為受 到影響的數(shù)據(jù)流集合，E為網(wǎng)絡(luò)中的鏈路集合，L1為數(shù)據(jù)流心的剩余期望完成時(shí)間，Cl1為數(shù)據(jù) 流進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)前的剩余估計(jì)完成時(shí)間，cU'為數(shù)據(jù)流進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后的剩余估計(jì)完成時(shí)間， Wl為數(shù) 據(jù)流fi的權(quán)重，Wc為數(shù)據(jù)流f c的權(quán)重，Wc也可以用上式公式計(jì)算，計(jì)算Wc時(shí)，Li即為L(zhǎng)c，di '即為 dc，可得出w。。權(quán)重的物理意義在于對(duì)超過(guò)期望傳輸時(shí)間的數(shù)據(jù)流進(jìn)行懲罰。
[0017]步驟1.3、更新當(dāng)前解curS，候選解集合cset。
[0018]在候選解集合cset中尋找效用值最大的解作為當(dāng)前解curS，并將效用值最大的解 從候選解集合cset中刪除。
[0019] 步驟1.4、重復(fù)步驟1.2和步驟1.3,直到步驟1.2中交換機(jī)LN就是目的交換機(jī)dDot， 或者候選解集合cset變成空集，然后返回最優(yōu)解optS，即轉(zhuǎn)發(fā)路徑；
[0020] 步驟2、進(jìn)行帶寬分配：8。&16、111&16611、(31'0881^七6以及皿^&1：；[0111^七6是四個(gè)關(guān)鍵參 數(shù)，分別表示解空間規(guī)模、最大迭代次數(shù)、解交叉重組的概率以及解突變的概率。具體操作 如下：
[0021 ] 步驟2.1、初始化解空間R，最佳解bestchromosom，適應(yīng)度最大值bestf itness。
[0022]基于步驟1中的步驟1.4給出的轉(zhuǎn)發(fā)路徑最優(yōu)解optS，給相關(guān)數(shù)據(jù)流，包括受影響 的數(shù)據(jù)流S以及新加入的數(shù)據(jù)流fc，分配帶寬，數(shù)據(jù)流6對(duì)應(yīng)分配的帶寬 值為h，同時(shí)保證所分配的帶寬之和滿足鏈路帶寬承載能力的約束，重復(fù)上述步驟scale 次，從而得到初始解空間R。在初始解空間R中獲取適應(yīng)度最大的解bestChromosom，即最佳 解，初始化適應(yīng)度最大值bestf itness;
[0023] 對(duì)于解空間中的一個(gè)解solution計(jì)算適用度函數(shù)如下：
[0025]步驟2.2、對(duì)解空間R進(jìn)行選擇、交叉重組、突變?nèi)齻€(gè)操作構(gòu)造新的解空間R'。具體 操作如下：
[0026] 步驟2.2.1、選擇最佳解bestChromosom加入新解空間R'。
[0027]在舊解空間R中，尋找適應(yīng)度最大的解，將其復(fù)制到新解空間R'中。
[0028]步驟2.2.2、對(duì)舊解空間R中的兩個(gè)解進(jìn)行交叉重組得到新的解，滿足條件的解加 入新的解空間R'中。
[0029] 從舊的解空間R中隨機(jī)選取兩個(gè)解，以crossRate的概率發(fā)生交叉，假設(shè)解的長(zhǎng)度 為L(zhǎng)ength，隨機(jī)將[I，Length]中的一個(gè)整數(shù)num作為交叉位置，兩個(gè)解相互交換交叉位置右 側(cè)的解片段，得到兩個(gè)新的解。如果新的解能夠滿足鏈路承載能力的約束，則將新的解復(fù)制 到新的解空間R'中。如果不能滿足鏈路承載能力的約束，則直接舍棄。
[0030] 步驟2.2.3、對(duì)舊的解空間R中的解進(jìn)行突變操作得到新的解，滿足條件的解加入 新的解空間R'中。
[0031] 在舊的解空間中以概率mutationRate選擇一個(gè)解進(jìn)行突變操作，突變操作如下： 隨機(jī)從[I ,Length]中選擇兩個(gè)數(shù)值，然后交換解中這兩個(gè)位置上的數(shù)值，從而得到一個(gè)新 的解。如果新的解能夠滿足鏈路承載能力的約束，則將其復(fù)制到新的解空間R'中。如果不能 滿足鏈路承載能力的約束，則直接舍棄。
[0032] 步驟2.2.4、重復(fù)步驟2.2.2、步驟2.2.3，直到新的解空間R '的規(guī)模達(dá)到s ca I e;
[0033] 步驟2.3、更新最佳解bestChromosom，適應(yīng)度最大值bestf itness。
[0034] 在新的解空間R'中，尋找適應(yīng)度最大的解，如果該解適應(yīng)度超過(guò)bestfitness，則 更新適應(yīng)度最大值bestfitness以及最佳解bestChromosom，更新后新解空間R'賦值為R。 [0035] 步驟2.4、重復(fù)步驟2.2和步驟2.3最大迭代次數(shù)maxGen次，對(duì)初始解空間進(jìn)行 maxGen進(jìn)化后，返回最佳解bestChromosom，即最佳帶寬分配策略。
[0036]步驟3、更新數(shù)據(jù)流信息。
[0037]步驟1和步驟2執(zhí)行之后，新加入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流f。得到了一條轉(zhuǎn)發(fā)路徑，而f。以及所 有受到f。影響的數(shù)據(jù)流的帶寬得到了重新分配，因此，需要更新網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流信息。在數(shù) 據(jù)流五元組夕=丨紙反^丄巧中，更新f c的M，B，T，L，P五項(xiàng)信息，受影響的數(shù)據(jù)流h更新待 傳輸數(shù)據(jù)流、帶寬、信息更新時(shí)間、剩余期望完成時(shí)間四個(gè)值，更新后的數(shù)據(jù)流信息存入控 制器中，為后續(xù)的路由算法和帶寬分配算法提供依據(jù)。
[0038] 有益效果
[0039] 本發(fā)明從全局角度出發(fā)，設(shè)計(jì)新的降低全網(wǎng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)延遲的方法，同時(shí)關(guān)注數(shù) 據(jù)流個(gè)性化需求，盡可能保證更多的數(shù)據(jù)流能夠在期望時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸，從而提高網(wǎng) 絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和效率。較之傳統(tǒng)的方案相比，傳輸效率和在期望時(shí)間內(nèi)可完成的數(shù)據(jù)流數(shù)目 都有很明顯的提升。
【附圖說(shuō)明】
[0040] 圖1路由方案和帶寬分配方案的關(guān)系示意圖；
[0041] 圖2本發(fā)明的流程圖；
[0042]圖3本發(fā)明的架構(gòu)圖；
[0043]圖4本發(fā)明的實(shí)例拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
【具體實(shí)施方式】
[0044] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)說(shuō)明。
[0045] 假設(shè)有一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示的網(wǎng)絡(luò)，Tl時(shí)刻，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)一條含有12Mb數(shù)據(jù)的 數(shù)據(jù)流Fl從節(jié)點(diǎn)Nl出發(fā)，目的節(jié)點(diǎn)為N4,期望傳輸時(shí)間為2.5s，以及一條從N9到NO的含有 9Mb數(shù)據(jù)