CN103001884A - 分布式节能路由流量调整方法 - Google Patents

Abstract

分布式节能路由流量调整方法属于互联网节能技术领域，其特征在于，在最短路径树与生成树结合的节能路由方法中，当路由器检测到相邻生成树链路的利用率发生明显变化时，路由器将当前链路利用率情况进行泛洪，由此每个路由器都得到所有生成树链路的最新利用率状况，并通过节能调度算法计算得到该路由器在各生成树链路上的可用带宽余量。路由器将为以其为起点的流重新选择全局最短路径或生成树路径，先进行“移出生成树”阶段降低超载链路负荷，后进行“移入生成树”以实现流量聚集。每个路由器独立进行带宽计算和流量调度决策，通过分布式的协调配合在流量聚集节能与链路过载之间取得良好的平衡。

Description

分布式节能路由流量调整方法

技术领域

绿色网络

背景技术

绿色网络是下一代互联网的重要研究方向，现今网络级的节能机制主要分为集中式和分布式两大类。分布式节能流量调度算法通常需要各源端路由器按照设定的规则进行独立决策，通过对收集到的链路负载信息分析，在保证网络弹性约束条件下尽可能地把流量汇聚到较少的链路上，使更多的链路有机会进入到休眠状态。

最短路径树和生成树结合的分布式节能路由流量调整算法是一种动态地根据链路负载状况决定是否需要进行路径搬移的流量调整算法。本发明的目的是在网络负载弹性和节能效率之间取得平衡，既避免了链路负载过高，又尽量提高全局节能效率。

发明内容

本发明的目的在于设计针对每条流的搬移调度算法，根据流经过的链路预算信息算出该流是否需要进行路径切换，并且动态的在网络拓扑中各条链路之间进行快速切换。

本发明的主要特征在于：

1.是在网络拓扑上依次按以下步骤实现的：

步骤(1),按以下步骤为各个入口路由器分配其在单向链路l上的空闲带宽：

步骤(1.1)，因特网服务提供商ISP为在线子图上所述单向链路l设定负载上限值X_l，

步骤(1.2)，各个入口路由器i通过链路状态通告机制LSA互相广播自身相关连的所述单向链路l上的以下信息：总带宽C_l，总负载u_l,以及节能流量p_l，i=1,2,…Z, Z为入口路由器i的总数，

步骤(1.3), 第i个入口路由器判断单向链路l上的总负载u_l是否在[X_l-α,X_l]范围内，α是一个对X_l的稳定调整阈值，取值范围为[0,1),按下式分别计算自身的带宽预算b_i,l，b_i,l为在单向链路l的第i个入口路由器的带宽预算，

X_l为单向链路l上负载的上限值，

E_l为单向链路l上设定的期望负载值，

t_i,l为以第i个路由器为入口路由器且经过单向链路l上的所有节能流量的大小总和，

p_l为单向链路l上流过的节能总流量的大小，

Z_l为最短路径树上包含单向链路l的入口路由器的集合，

步骤(2)按照步骤(1.3)得到的各个带宽预算值b_i,l,i∈Z，按以下步骤进行路径切换：

步骤(2.1)记录在线子图的各链路上的每条流在上一轮流量调整中所选择的路径，

步骤(2.2)各个入口路由器对于自身所关连的带宽预算为负值的单向链路，按照流量的绝对值大小从大到小的顺序把流经所述单向链路上的流全部或部分地移出在线子图，一直到满足步骤(1.3)得到的带宽预算值为止，并更新相关链路的带宽预算，

步骤(2.3)各个入口路由器对于自身所关连的带宽预算为正值的单向链路，检查上一轮流量调整中所使用的各条最短路径上的流，按照流量绝对值的大小从小到大的顺序全部或部分地把流搬移到各个所述带宽预算为正值的单向链路上，一直到不超过相对应的带宽预算为止，并立即更新相关单向链路的带宽预算。

本发明所提出的方法的思路在于：利用Open Shortest Path First(OSPF)路由协议现有泛洪机制，设计分布式的链路利用率信息广播和接收机制，实现全网范围的能耗感知，即每一入口路由器拥有相同的网络链路负载分布。研究根据网络流量动态实施的流调度算法，根据链路负载状况决定流是否进行搬移。设计针对每一入口路由器的链路带宽预算分配算法，动态根据链路负载状况分配预留带宽，并以此决定是否需要进行流量搬移。设计针对每条流的搬移调度算法，根据流经过的链路预算信息判断该流是否需要进行路径切换。

本发明的优点在于：

1.采用分布式算法，无需中央控制器进行集中调度；

2.无需收集精确流量需求信息，每个入口路由器根据网络链路利用率状况和自身流量需求，计算链路带宽预算；

3.每个入口路由器根据带宽预算，按“大出小进”的原则为以自己为入口的每条流动态地进行路径选择，在流搬移频率和网络节能效率之前取得良好的平衡。

附图说明

图1．分布式节能路由流量调整方法流程示意图。

具体实施方式

在本流量调节算法中，入口路由器为每条流从两条候选路径——生成树路径和最短路径中动态地进行选择。流调度的目标在于把尽可能多的流量汇聚到生成树上，以使得能够进入休眠状态的非子图链路数目最大化。在设计算法的时候，考虑如下一些约束条件：1）生成树链路的负载需要保持在一定阈值以下，以留出空余带宽应对流量尖峰；2）流调度决策必须是分布式的，即每个入口路由器独立决策，无须与其他路由器进行显示协作，无须知道整个网络的流量矩阵；3）算法运行速度要足够快，这样入口路由器才能对网络流量变化作出快速响应。

流调度算法包括空闲带宽分配和路径切换两个阶段，见图1。在带宽分配阶段，由于具体一条链路的一个方向上的流量有可能同时来自多个不同的入口路由器，需要研究该单向链路的空闲带宽如何在这些入口路由器中进行分配，研究该单向链路负荷超支部分如何在这些入口路由器上进行平摊，入口路由器需要削减在该链路上的流量。在路径切换阶段，每个入口路由器考察自身在每条链路上分配得到的空闲带宽或超载带宽，从可控制的流量中选取其中合适的数据流进行路径之间的切换，使得各链路上的负载状况趋向预期。

(1)带宽分配阶段算法。用X代表在线子图上链路负载的上限阈值，具体数值由Internet Service Provider(ISP)自行配置。每个路由器在子图上通过Link-state Advertisement(LSA)机制广播与其相连的在线子图链路l的以下信息：总带宽C_l，总负载u_l，节能流量负载p_l。每个入口路由器i都会接收到其他所有入口路由器洪泛的信息。此外，入口路由器还应知道每条在线子图链路l上从它留出的节能流量的大小t_i,l。为了控制路径切换频率，在线子图链路的负载应该控制在[X_l-αX_l]范围内，α是一个较小的对X的稳定偏移量。当u_l在这个范围以内时，入口路由器把这条链路上的带宽预算置零，表示这条链路上的流量不需要进行调整。当u_l在这个范围以外，入口路由器需要设置带宽预算，使得最终效果是把u_l带回到期望负载

。当u_l＞X_l时，入口路由器使用一种乘法减小的方法计算带宽预算。让r_l表示达到调整目标情况下节能流量与当前节能流量之间的比值，那么我们的目标即使要使p_l*r_l+(u_l-p_l)=E_l，然后得到

。每个入口路由器计算这个比值然后可以算出自己的带宽预算。当u_l＜X_l-α时，使用逐渐添加的方法来计算带宽预算。让Z_l代表使用在线子图单向链路l的入口路由器的集合。入口路由器i把自己的带宽预算设置为

。也就是说，由于每一个入口路由器不知道其他入口路由器的决策，故它在一条在线子图上计算带宽预算时考虑最坏情况，即所有可能用到这条链路的路由器都需要共享带宽，所以只能对空闲带宽进行平摊。入口路由器i在本轮申请到的带宽被使用后，如果还需要更多带宽，可以在下一轮重新进行分配，经过若干轮分配后，其带宽需求可以得到满足。整个带宽分配算法可以用一下方程描述：

(2)路径切换阶段算法。在为每条子线子图链路计算好带宽预算后，一个入口路由器需要调整以它为入口的流量路径，使得最终流量分布满足带宽预算的要求。对于预算为负值的链路，需要考虑从经过该链路的节能流量中选取其中一部分搬移出在线子图。对于预算为正值的链路，可以容纳更多从最短路径搬移到在线子图的流量。因此可以把路径切换阶段分为两个子阶段：流量移出在线子图阶段、流量移入在线子图阶段。我们选用“小进大出”的策略来实施搬移。在移入阶段，流量最小的最短路径流被优先考虑搬移，搬移过程持续到没有流可以搬移或者没有搬移后不超预算的流。相反地，在移出阶段，流量最大的流会被优先搬走，搬移过程持续到没有流可以搬移或者链路预算要求已经被满足为止。算法可以分为三个阶段：1)初始化阶段，记录每条流上一轮选择的路径。2)移出阶段，入口路由器按流量从大到小检查所有上一轮在使用在线子图的流，如果一条流上某一链路预算为负值，则该条流应当被搬移出在线子图并且立即更新相关链路的预算。3)移入阶段，入口路由器按流量从小到大检查所有上一轮在使用最短路径的流，假设把该流搬移到在线子图上后不造成链路超出预算，则实施搬移并立即更新相关链路的预算。

我们在3个真实的拓扑上进行了实验，发现生成树和最短路径树结合的流分布式节能路由流量调整方法在调整流量时可以有效地应对快速流量变化，并且按照需求动态的调整流量，说明本发明达到了预期的目的。

Claims (1)

1.分布式节能路由流量调整方法，其特征在于，是在网络拓扑上依次按以下步骤实现的：

步骤(1),按以下步骤为各个入口路由器分配其在单向链路l上的空闲带宽：

步骤(1.1)，因特网服务提供商ISP为在线子图上所述单向链路l设定负载上限值X_l，

步骤(1.2)，各个入口路由器i通过链路状态通告机制LSA互相广播自身相关连的所述单向链路l上的以下信息：总带宽C_l，总负载u_l,以及节能流量p_l，i=1,2,…Z, Z为入口路由器i的总数，

步骤(1.3), 第i个入口路由器判断单向链路l上的总负载u_l是否在[X_l-α,X_l]范围内，α是一个对X_l的稳定调整阈值，取值范围为[0,1),按下式分别计算自身的带宽预算b_i,l，b_i,l为在单向链路l的第i个入口路由器的带宽预算，

X_l为单向链路l上负载的上限值，

E为单向链路l上设定的期望负载值，

t_,l为以第i个路由器为入口路由器且经过单向链路l上的所有节能流量的大小总和，

p_l向链路l上流过的节能总流量的大小，

Z_l最短路径树上包含单向链路l的入口路由器的集合，

步骤(2)按照步骤(1.3)得到的各个带宽预算值b_i,l,i∈Z，按以下步骤进行路径切换：

步骤(2.1)记录在线子图的各链路上的每条流在上一轮流量调整中所选择的路径，

步骤(2.2)各个入口路由器对于自身所关连的带宽预算为负值的单向链路，按照流量的绝对值大小从大到小的顺序把流经所述单向链路上的流全部或部分地移出在线子图，一直到满足步骤(1.3)得到的带宽预算值为止，并更新相关链路的带宽预算，

步骤(2.3)各个入口路由器对于自身所关连的带宽预算为正值的单向链路，检查上一轮流量调整中所使用的各条最短路径上的流，按照流量绝对值的大小从小到大的顺序全部或部分地把流搬移到各个所述带宽预算为正值的单向链路上，一直到不超过相对应的带宽预算为止，并立即更新相关单向链路的带宽预算。

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