CN102055675B - 一种基于负载均衡的多径路由分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种集中式的多径路由分配方法，利用基于线性规划的负载均衡技术，结合网络的链路状态，为业务需求提供路由分配方案，可以应用于网络层的带宽资源分配与路由建立过程。应用本发明可在各种复杂网络环境下，将业务流平均分配在网络各条链路之上，从而充分利用网络的拓扑结构，解决现有路由方法易拥塞、吞吐量低的缺点，扩展网络的吞吐量和连通性，改善网络的端到端延时等性能。在无线自组织网等负载严重不均衡的环境下，应用本发明可以显著提高网络的带宽利用效率，减少拥塞并降低端到端延时。

Description

一种基于负载均衡的多径路由分配方法

【技术领域】

本发明为一种集中式的多径路由分配方法，可以应用于网络层的带宽资源分配与路由建立过程。应用本发明可在各种复杂网络环境下，将业务流平均分配在网络各条链路之上，从而充分利用网络的拓扑结构，解决现有路由方法易拥塞、吞吐量低的缺点，扩展网络的吞吐量和连通性，改善网络的端到端延时等性能。在无线自组织网等负载严重不均衡的环境下，应用本发明可以显著提高网络的带宽利用效率，减少拥塞并降低端到端延时。 

【背景技术】

路由是网络层的主要功能，即为信源到信宿的业务提供传输路径，并进行数据的传输。因网络环境(有线网、无线自组织网络等)和优化目标不同(最大化网络吞吐率、最小化端到端延时、最小路由跳数等)，会使用不同的路由协议。 

路由协议常采用单径的路由方式，如RIP、AODV和OSPF等，根据网络的拓扑方式按照最小跳数、最小化可用带宽的倒数之和等准则通过集中式的计算选择一条最优的路由路径。使用单径路由的最大优点是路由算法相对简单，乱序和同步等问题不严重，但容易带来拥塞问题(如图1A和1B所示)。在喷泉码和网络编码等领域的研究取得极大进展后，在降低负载，提高网络吞吐率，降低拥塞方面表现更优的多路径路由得以实际应用，其中最常用的算法就是负载均衡算法，即最小化各链路负载占用率的最大值。 

4个节点的双向网络拓扑、各链路带宽占用率如图1A和1B所示，链路带宽均为1单位，由A到D发送两个流量为1单位的业务，在单径路由和负载均衡路由下，两业务的路由分配结果如表1所示。 

表1分别应用单径方法与负载均衡方法的路由分配结果 

由表1可知，单径路由使得链路AD、AB、BD被全部占用，但AC和CD链路空闲，导致节点B上的任何业务无法接入网络。而负载均衡路由会使得各链路的负载平均分配，整个网络仍然保持联通性，一些带宽资源占用较小的信令数据仍然通畅。 

更复杂的网络拓扑下，单径路由容易导致个别链路发生拥塞，破坏网络的连通性，占用带宽较小的信令等数据业务会被拒绝，导致网络吞吐率下降，端到端性能降低。与单径路由相比，负载均衡算法可以充分利用网络的闲置带宽资源，避免某些链路的过分拥塞，保证网络各节点接入的公平性。 

但是传统的负载均衡算法仍然存在瓶颈链路问题，因为满足负载链路占用率的最大值最小的可行方案可能有很多种，但传统方法往往不能选出其中的较优方案。事实上，若存在瓶颈路径，传统方法往往只能给出很差的路由分配方案。如图2A和2B所示的网络拓扑(在图1A和1B的基础上增加了链路AX，带宽为1单位)，欲分配从X到D节点的1单位流量业务。根据负载均衡算法最小化各链路带宽占用率最大值的标准，图2A和2B的两种分配方案都达到目标，但显然图2B的方案比图2A的更合理，瓶颈链路XA的存在导致在其余链路上的分配变得无效率。 

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种多径路由分配方法，其特征在于包括： 

根据总带宽资源和已用带宽资源，计算从源节点到信宿节点的业务的路由分配矩阵，其中所述分配矩阵的第i，j个矩阵元为从节点i到节点j的直达路径(又称链路)上的分配带宽，使得网络所有链路的负载占用率尽量小， 

其中当网络中有N个节点时，所述总带宽资源矩阵C是一个N×N矩阵，其中第i，j个矩阵元(c_ij)为从节点i到节点j的直达路径(链路link_ij)总带宽。 

所述已用带宽资源矩阵TM是一个N×N矩阵，其中第i，j个矩阵元(tm_ij)为链路link_ij的已用带宽。 

所述源节点矢量S是一个N维矢量，其第i个分量s_i表示节点i作为源节点的业务流出量。 

所述宿节点矢量R是一个N维矢量，其第i个分量r_i表示节点i作为宿节点的业务流入量。 

所述路由分配矩阵D是一个N×N矩阵，其中第i，j个矩阵元(d_ij)为链路link_ij上的分配带宽。 

附图说明

图1A和1B是显示传统单径路由(左)与多径路由(右)的性能比较示意图。 

图2A和2B用于说明存在瓶颈链路情况下的负载均衡算法的两种传统的可行解。 

图3是根据本发明的一个实施例的算法主流程图。 

图4是根据本发明的一个实施例的算法的迭代部分的流程图。 

图5是根据本发明的一个实施例的集中式路由分配中心工作流程图。 

图6是根据本发明的一个实施例的分配中心与网络的关系示意图。 

具体实施方式

本发明涉及一种集中式的路由分配方法，其根据网络的拓扑情况，对将要到达的业务需求进行带宽资源分配与路由建立，以获得均衡各链路负载的效果。 

1.1变量定义与环境简述 

首先定义网络的描述信息：设网络的节点数为N，各节点序号标记为1，2，3，...，N。若节点i和j之间存在由i到j的链路(即直达路径)，则记此链路为link_ij。 

设C为网络的总带宽资源(N×N矩阵)，其中c_ij为从节点i到j的链路link_ij的带宽，若i和j之间不存在链路，则c_ij＝0。对于任意1≤i≤N，定义c_ii＝0。设TM为网络的已用带宽资源(N×N矩阵)，其中tm_ij为节点i到j的链路link_ij的已用带宽，要求0≤tm_ij≤c_ij。若i，j间不存在链路，则tm_ij＝0。对于任意1≤i≤N，定义tm_ii＝0。 

对于待分配的业务，设各节点作为源节点将发送的流量为s＝{s₁s₂s₃L s_N}，各节点作为宿节点将接收的流量为r＝{r₁r₂r₃L r_N}，显然有 

本发明的路由分配方法，根据总带宽资源C和已用带宽资源TM，计算从源节点s到信宿节点r的业务的路由分配矩阵D，其中矩阵D的矩阵元d_ij为link_ij上的分配带宽。使得网络所有链路的负载占用率尽量小。 

1.2算法流程 

本发明算法流程如图3和图4所示，其中图4为图3的子图。在每次业务的分配前，分配中心获得网络的总带宽资源C₀(N×N矩阵，其矩阵元c_0ij表示链路link_ij的总带宽)和已用带宽资源TM₀(N×N矩阵，其矩阵元tm_0ij表示链路link_ij的已用带宽)，源节点S₀(N维矢量，其分量s_0i表示节点i作为源节点的业务流出量)和宿节点R₀(N维矢量，其分量r_0i表示节点i作为宿节点的业务流入量)。输出路由建立结果D₀(N×N矩阵，其矩阵元d_0ij表示链路link_ij的路由分配带宽)。中间变量包括瓶颈链路矩阵DX(N×N矩阵，其矩阵元dx_ij表示链路link_ij的瓶颈带宽)。 

计算前，得到网络的总带宽资源C₀、已用带宽资源TM₀、源节点S₀和宿节点R₀，令C＝C₀，TM＝TM₀，S＝S₀和R＝R₀分别作为网络总带宽资源、已用带宽资源、源节点、宿节点代入负载均衡算法(见1.3节)，计算其是否存在可行解，若不存在解，则返回“分配方案不存在”并结束分配流程。 

负载均衡算法输出路由分配方案D和最小化后的各链路负载占用率最大 值r_min，将达到r_min的所有link定义为瓶颈链路集合A。以C、TM、S、R分别作为网络总带宽资源、已用带宽资源、源节点和宿节点，依次对集合A中的每条链路分别用限制瓶颈链路流量的负载均衡算法(见1.4节)处理，如果存在可行解且各链路占用率最大值的最小值r_neck≤r_min，则将该链路从集合A中删除。其含义是：该链路的负载可以被削减，同时不改变分配方案D中各链路负载占用率最大值的最小值，所以该链路非瓶颈链路。 

对A中所有达到负载占有率最大值的链路用限制瓶颈流量的负载均衡算法处理过后，剩余链路就是在以C、TM、S、R分别作为总带宽资源、已用带宽资源、源节点、宿节点的条件下，网络中真正的瓶颈链路。将所有瓶颈链路link_ij及其反向链路link_ji的带宽d_ij和d_ji保留在瓶颈链路矩阵DX的对应位置d_0ij和d_0ji中，并将瓶颈链路在C和TM的对应位置c_ij、c_ji、tm_ij、tm_ji置零。将瓶颈链路所连接的两个节点i和j对应的s_i、s_j、r_i、r_j进行更新。以更新后的C、TM、S、R作为参数再次进行负载均衡计算，得到瓶颈链路后再次进行瓶颈链路限制和拓扑参数更新，直至满足结束条件。迭代结束条件可以是迭代达到一定次数，也可以是瓶颈链路矩阵DX不再更新。 

本节中提到的负载均衡算法和限制瓶颈的负载均衡算法将分别在1.3和1.4节中详细说明。 

1.3负载均衡算法 

负载均衡算法，即根据总带宽资源C和已用带宽资源TM，计算从源节点s到信宿节点r的业务的路由分配矩阵D，其中d_ij表示link_ij上的分配带宽。负载均衡算法的目的是最小化所有链路的负载占用率的最大值，即 

r_min＝min r 

其中 

(最小负载占用率约束) 

(节点流量守恒) 

j，0≤d_ij≤c_ij-tm_ij(流量边界约束) 

由于上述均衡算法可能产生环路，其本质是无法在满足各链路负载占用率最大值最小的条件内进一步选择。因此使用改进的算法： 

$r_{\min }=\min (r+\mathrm{\α}\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{d}_{\mathrm{ij}})$

其中0＜α＜＜1，其余约束式不变。 

1.4限制瓶颈的负载均衡算法 

和传统负载均衡算法不同，限制瓶颈的负载均衡算法在实现最小化所有链路的负载占用率的最大值的同时，限制某些瓶颈链路的占有率不能达到上述最大值。假设a和b之间的链路是瓶颈链路(如果有多个瓶颈链路，则根据1.2中的流程，将它们逐一代入此算法进行处理，所以这里只描述一个瓶颈链路的解 决方法)，则相应的限制瓶颈的负载均衡算法为： 

r_min＝min r 

其中 

(最小负载占用率约束) 

(节点流量守恒) 

j，0≤d_ij≤c_ij-tm_ij(流量边界约束) 

(link_ab流量约束，其中α略小于1) 

注意：1.3、1.4节的负载均衡算法均可用标准的线性规划方法解决，如George Dantzig于1947年提出的单纯形法(Simplex Method)及许多改进算法。 

二、实施方式 

由分配中心负责建立路由，它在当前网络拓扑信息(即网络各节点间的链路带宽)和业务情况(网络各节点间当前的链路占用情况)的基础上，根据新的业务请求(业务的源节点、宿节点、流出源节点和流入宿节点的业务流量)，用本发明的方法计算出新业务的流量在各条链路上的分配方案。如果分配方案不存在，则拒绝业务请求。 

实施本发明时，分配中心可以是业务的发起方，也可以是网络中任意一服务器或节点，其本质是，通过集中式的计算获得每次业务的路由分配结果，如图5所示。 

分配中心可以定时更新网络路由信息，也可以等到业务建立请求时才更新网络路由信息。其本质是，当业务请求到来，而且分配中心获得的网络路由信息足够新时，分配中心将根据本发明之算法进行计算并依方案建立路由；如果不存在可行的分配方案，则拒绝业务建立请求。 

应用本算法的分配中心与网络的关系如图6所示，即无需改变现有网络的节点情况，分配中心从网络中获得拓扑信息，包括总带宽资源C和已用带宽资源TM。这信息可以由网络各节点的路由器采集并转发给分配中心，也可以通过其他监控设备获得。业务请求需要发送到分配中心，或者业务请求节点直接实现分配中心的功能。业务分配中心将业务分配方案传递给网络各节点，建立对应业务的转发表，或将路由信息直接保存在传输的数据包中。 

【有益效果】 

应用本发明可在各种复杂网络环境下，将业务流平均分配在网络的各条链路之上，从而充分利用网络的拓扑结构，解决现有路由方法易发生拥塞、吞吐量低的缺点，扩展网络的连通性，提高吞吐量，改善端到端延时等性能。 

Claims (4)

1.多径路由分配方法，其特征在于包括：

根据总带宽资源矩阵C和已用带宽资源矩阵TM，计算从源节点矢量S到宿节点矢量R的业务的路由分配矩阵D，使得网络所有链路的负载占用率尽量小，

其中当网络中有N个节点时，所述总带宽资源矩阵C是一个N×N矩阵，其中第i，j个矩阵元c_ij为从节点i到节点j的直达链路link_ij总带宽，

所述已用带宽资源矩阵TM是一个N×N矩阵，其中第i，j个矩阵元tm_ij为链路link_ij的已用带宽，

所述源节点矢量S是一个N维矢量，其第i个分量s_i表示节点i作为源节点的业务流出量，

所述宿节点矢量R是一个N维矢量，其第i个分量r_i表示节点i作为宿节点的业务流入量，

所述路由分配矩阵D是一个N×N矩阵，其中第i，j个矩阵元d_ij为链路link_ij上的分配带宽，

在每次业务的分配前，分配中心获得：

当前网络的总带宽资源矩阵C₀，所述总带宽资源矩阵C₀是一个N×N矩阵，其第i，j个矩阵元d_ij为从节点i到节点j的直达链路link_ij上的业务分配，其中矩阵元c_0ij表示链路link_ij的总带宽，

已用带宽资源矩阵TM₀，所述已用带宽资源矩阵TM₀是一个N×N矩阵，其矩阵元tm_0ij为链路link_ij的已用带宽，

源节点矢量S₀，所述源节点矢量S₀是一个N维矢量，其第i个分量s_0i表示节点i作为源节点的业务流出量，

宿节点矢量R₀，所述宿节点矢量R₀是一个N维矢量，其第i个分量r_0i表示节点i作为宿节点的业务流入量，

把所述总带宽资源矩阵C₀、已用带宽资源矩阵TM₀、源节点矢量S₀和宿节点矢量R₀分别作为网络总带宽资源、已用带宽资源、源节点、宿节点代入负载均衡算法，计算是否存在可行解，

若不存在解，则返回“分配方案不存在”并结束分配流程，

所述负载均衡算法输出路由分配矩阵D和最小化后的各链路负载占用率最大值r_min，将达到所述最小化后的各链路负载占用率最大值r_min的所有链路link定义为瓶颈链路集合A，

以所述总带宽资源C、所述已用带宽资源TM、源节点矢量S、宿节点矢量R分别作为网络总带宽资源、已用带宽资源、源节点和宿节点，依次对所述瓶颈链路集合A中的每条链路分别用限制瓶颈链路流量的负载均衡算法进行处理，

当存在可行解且各链路占用率最大值的最小值r_neck≤r_min时，将该链路从所述瓶颈链路集合A中删除，

其中

所述负载均衡算法包括：

根据所述总带宽资源C和已用带宽资源TM，计算从源节点矢量S到宿节点矢量R的业务的路由分配矩阵D，其中路由分配矩阵D的矩阵元d_ij表示链路link_ij上的分配带宽，

最小化所有链路的负载占用率的最大值，即

r_min=minr

其中

r是所有链路的负载占用率的最大值，

j， $0\≤\frac{d_{\mathrm{ij}}+t{m}_{\mathrm{ij}}}{c_{\mathrm{ij}}}\≤r$ 最小负载占用率约束，

$\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{d}_{\mathrm{ij}}-\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{d}_{\mathrm{ji}}=s_i-r_i$ 节点流量守恒，

j，0≤d_ij≤c_ij-tm_ij流量边界约束。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于进一步包括：

输出路由建立结果矩阵D₀，所述路由建立结果矩阵D₀是一个N×N矩阵，其第i,j个矩阵元d_0ij表示链路link_ij上的分配带宽。

3.根据权利要求2的方法，其特征在于：

中间变量包括瓶颈链路矩阵DX，所述瓶颈链路矩阵DX是一个N×N矩阵，其第i,j个矩阵元dx_ij表示链路link_ij上的瓶颈带宽。

4.根据权利要求1的方法，其特征在于使用改进的算法：

$r_{\min }=\min (r+\mathrm{\α}\underset{\mathrm{ij}}{\mathrm{\Σ}}{d}_{\mathrm{ij}})$

其中0<α<<1，其余约束式不变。

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