CN103051546A

CN103051546A - 一种基于迟滞调度的网络流量冲突避免方法及***

Info

Publication number: CN103051546A
Application number: CN2012105363182A
Authority: CN
Inventors: 李彦君; ***; 郭庆萍
Original assignee: Institute of Computing Technology of CAS
Current assignee: Institute of Computing Technology of CAS
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-12-12
Also published as: CN103051546B

Abstract

本发明提供一种基于迟滞调度的网络流量冲突避免方法及***。该方法包括：步骤1，在探测周期内对缺省路径进行路径性能检测，当覆盖网的缺省路径能满足网络传输性能需求时，执行步骤2，否则执行步骤3；步骤2，所述缺省路径传输流量；步骤3，利用转移量计算函数计算在所述缺省路径上需要进行转移的转移流量，该转移流量为该缺省路径传输流量中的部分流量；步骤4，对备用路径进行路径性能检测，根据所述备用路径的负载能力将所述转移流量分配到所述备用路径上进行传输，然后在下一个探测周期内重复上述步骤。本发明解决了现有技术中的垂直冲突问题，避免了现有覆盖网***的优化冲突问题而造成频繁的抖动现象，保证了覆盖网的正常服务性能。

Description

一种基于迟滞调度的网络流量冲突避免方法及***

技术领域

本发明涉及计算机网络与通信领域，尤其涉及一种基于迟滞调度的网络流量冲突避免方法及***。

背景技术

目前，在互联网业务路由技术研究方面，一个日益突出的趋势就是在底层物理网络上构筑覆盖网络（Overlay Networking）来进行业务流量的传输优化。通过覆盖网路由（Overlay Routing）技术可以有效弥补底层网络协议的缺点，争取最大化利用网络中的带宽和冗余路径。覆盖网节点自身需维护和建立相应的路由表项，同时探测网络状况并找出比IP协议层所选择的性能更好的最优路径。而传统互联网中网络运营商（Internet Service Provider）常采用另一种流量优化方式即流量工程（Traffic Engineering，TE）。TE的提出通常是为了ISP的某一个优化目标而对底层的物理网络进行的一种流量分配、调整、规划行为。不同ISP的优化目标可能不同。有的ISP为了通过全网的流量均衡来实现所有路径利用的最大化，而有的ISP则是为了实现全网的端到端平均时延最小。

当覆盖网节点改变它的逻辑路由的时候，首先产生的直接结果就是改变了下层不同路径产生负载流量。因为上层覆盖网节点倾向于选择服务性能最优的路径，因此整体覆盖网流量将集中流向最优路径，结果反而造成延迟小、可靠性高的网络链路发生流量拥塞和过载现象。而底层的TE探测到物理网络上流量状况的改变后，会随即建立新的流量分发模型，改变流量分配策略以应对新的流量需求。此时，由于TE改变了流量策略会反作用于链路的延迟状况。而新的网络状况会因为覆盖网的定期链路性能探测而被获知。接着，覆盖网络会重启路径决策过程，更新当前路况状况下新的路由表。整个的交互过程可以清楚的表现在图1中，图1是覆盖网与流量工程直接的作用原理图。

由于这种覆盖网路由优化和底层TE的流量均衡策略的服务目标不同，二者之间会发生频繁的独自优化行为，这不仅会造成覆盖网路由优化和TE无法实现最佳的优化目标，而且会使得网络损耗增加并发生严重的网络振荡现象，这一冲突过程就是覆盖网路由技术实施时所面临的一个常见问题——网络流量的垂直冲突现象。

发明内容

本发明的发明目的在于，提供一种解决垂直冲突问题，避免现有覆盖网***在大规模部署应用时因为与TE的优化冲突问题而造成频繁的抖动现象，保证覆盖网能提供正常的服务性能。

为达到以上目的，本发明提供了一种基于迟滞调度的网络流量冲突避免方法，包括：

步骤1，在探测周期内对缺省路径进行路径性能检测，当覆盖网的缺省路径能满足网络传输性能需求时，执行步骤2，否则执行步骤3；

步骤2，所述缺省路径传输流量；

步骤3，利用转移量计算函数计算在所述缺省路径上需要进行转移的转移流量，该转移流量为该缺省路径传输流量中的部分流量，然后执行步骤4；

步骤4，对备用路径进行路径性能检测，根据所述备用路径的负载能力将所述转移流量分配到所述备用路径上进行传输，然后在下一个探测周期内重复上述步骤。

进一步的，所述步骤1包括：

步骤11，计算缺省路径的性能衡量值p_d，所述性能衡量值p_d的计算公式为：

p_{d} = α \times \frac{d_{d}}{d_{b}} + β \times \frac{l_{d}}{l_{b}},

其中

α为覆盖网性能衡量中路径延迟的系数，β为覆盖网性能衡量中路径丢包率的系数，d_d为覆盖网缺省路径的端到端时延，d_b为覆盖网备用路径的平均端到端时延，l_d为覆盖网缺省路径的丢包率，l_b为覆盖网备用路径的平均丢包率；

步骤12，判断所述性能衡量值，若p_d≤1，则缺省路径能满足网络传输性能需求，若p_d＞1，则缺省路径无法满足网络传输性能需求；

进一步的，所述步骤3中的所述转移量计算函数为：

其中

为从拥塞路径转移的流量大小，F_d为缺省路径上的流量大小，T_max为覆盖网所允许的最长收敛时间，B_d为缺省路径的带宽，B_b为备用路径的带宽，F_d为缺省路径上的流量大小，F_b为备用路径上的流量大小，p_d为缺省路径的性能衡量值，T＝min(T_overlay，T_TE)。

进一步的，所述步骤4中：

若所述备用路径有剩余负载带宽时，则根据所述备用路径的负载能力根据转移量计算函数将所述转移流量分配到有剩余负载带宽的备用路径上；

若所述备用路径负载带宽为零时，则根据所述备用路径的综合性能指标计算分配到所述备用路径上的转移流量，其计算公式为：

其中

为要从拥塞路径转移的流量大小，

代表的就是缺省路径需要转移的流量流

中给第i条备用路径分配的量，p_i,i＝1,2,...n表示第i条备用路径的相对综合性能指标。

当所述有剩余负载带宽的备用路径只有一条时，直接将所述转移流量分配到该条备用路径上，若所述缺省路径发生断开时，该转移流量为该缺省路径传输的全部流量；

当所述有剩余负载带宽的备用路径为多条时，则采取以下步骤分配所述转移流量：

步骤41，对多条备用路径根据其负载能力进行缺省路径相对性能衡量值排序；

步骤42，选择衡量值最大的第一备用路径，若该第一备用路径的剩余负载带宽大于等于所述转移流量，则将所述转移流量分配到该第一备用路径上，分配结束，若有剩余转移流量则执行步骤43；

步骤43，按照衡量值从大到小的规则依次选择备用路径，按所述步骤42的方法继续分配所述剩余转移流量，直到所述转移流量全部分配结束；

若多条备用路径分配结束，仍然有剩余流量，则根据所述备用路径的综合性能指标计算并分配所述剩余流量。

当所述备用路径发生拥塞时，且其他备用路径有剩余负载带宽，根据转移量计算函数计算从该备用路径上需要转移的转移流量，将该转移流量根据所述其他备用路径的负载能力将所述转移流量分配到其他备用路径上，使该备用路径满足其网络传输性能需求；

当所述备用路径发生断开时，且其他备用路径有剩余负载带宽，直接将该备用路径上的流量根据转移量计算函数分配到其他备用路径上；

当所述备用路径发生拥塞或断开时，且其他备用路径的剩余负载带宽为零，则根据所述其他备用路径的综合性能指标计算并分配所述需要转移的转移流量。

为达到上述目的，本发明还提供了一种基于迟滞调度的网络流量冲突避免***，包括：

性能检测处理模块，在探测周期内对缺省路径进行路径性能检测，当覆盖网的缺省路径能满足网络传输性能需求时，执行缺省路径传输模块，否则执行转移流量计算模块；

缺省路径传输模块，由所述缺省路径传输流量；

转移流量计算模块，利用转移量计算函数计算在所述缺省路径上需要进行转移的转移流量，该转移流量为该缺省路径传输流量中的部分流量，然后执行转移流量分配模块；

转移流量分配模块，对备用路径进行路径性能检测，根据所述备用路径的负载能力将所述转移流量分配到所述备用路径上进行传输，然后在下一个探测周期内重复上述模块的处理。

进一步的，所述性能检测处理模块包括：

衡量值计算模块，计算缺省路径的性能衡量值pd，所述性能衡量值pd的计算公式为：

p_{d} = α \times \frac{d_{d}}{d_{b}} + β \times \frac{l_{d}}{l_{b}},

其中

衡量值判断模块，判断所述性能衡量值，若p_d≤1，则缺省路径能满足网络传输性能需求，若p_d＞1，则缺省路径无法满足网络传输性能需求；

进一步的，所述转移流量计算模块中的所述转移量计算函数为：

其中

为从拥塞路径转移的流量大小，F_d为缺省路径上的流量大小，T_max为覆盖网所允许的最长收敛时间，B_d为缺省路径的带宽，B_b为备用路径的带宽，F_d为缺省路径上的流量大小，F_b为备用路径上的流量大小，p_d为缺省路径的性能衡量值，T＝min(T_overlay,T_TE)。

进一步的，所述转移流量分配模块中：

其中

为要从拥塞路径转移的流量大小，代表的就是缺省路径需要转移的流量流中给第i条备用路径分配的量，p_i,i＝1,2,...n表示第i条备用路径的相对综合性能指标。

所述转移流量分配模块中：

排序模块，对多条备用路径根据其负载能力进行缺省路径相对性能衡量值排序；

第一分配模块，选择衡量值最大的第一备用路径，若该第一备用路径的剩余负载带宽大于等于所述转移流量，则将所述转移流量分配到该第一备用路径上，分配结束，若有剩余转移流量则执行第二分配模块；

第二分配模块，按照衡量值从大到小的规则依次选择备用路径，按所述第一分配模块中的方法继续分配所述剩余转移流量，直到所述转移流量全部分配结束；

所述转移流量分配模块中：

本发明的有益效果在于：

1.本发明的基于迟滞调度的网络流量冲突避免方法及***，在当流量冲突或者链路拥塞现象发生时，矛盾双方不直接进行激进的流量策略整体布置，而是在不产生链路抖动的前提下直接收敛到纳什均衡点。其本质原理是一种慢性的一次性配置过程。这种慢性配置过程使得覆盖网上层的流量不会发生回流现象，即只存在从默认路径向备用路径进行流量的切换，而不存在切换到备用路径后的流量，又向默认路径转移的过程。显而易见，这样的特点不会造成路由抖动现象，从而解决了垂直网络冲突中最关键的难题。

2.传统覆盖网流量优化的方式是通过周期性探测，选取一条即时性能最佳的路径，将流量全部切换过去，获得更好的端到端性能。当多个覆盖网***均采用这种贪心切换机制时，会引发网络***中的大规模流量迁移，从而使路径性能发生改变，最终引发底层TE（流量矩阵）的变化，而导致网络运营商对流量分布的重新调整，两者产生周期性冲突，严重降低了网络传输质量。本发明利用流量迟滞调度机制，将覆盖网***端到端需进行传输优化的流量分割成多个部分，并使用流量迁移计算函数，来控制需转移的流量大小，这种渐进式的流量转移方式，可大大降低流量迁移所引发的路径性能抖动，从而避免TE的突发性变化，解决了网络流量的垂直冲突问题。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是覆盖网与流量工程直接的作用原理图；

图2是缺省路径与备用路径示意图；

图3是覆盖网路由示意图；

图4是缺省路径与备用路径之间的循环流量转移示意图；

图5是缺省路径与多备用路径之间的流量转移示意图；

图6是多备用路径之间的循环流量转移示意图；

图7是本发明的基于迟滞调度的网络流量冲突避免方法流程图；

图8是流量迟滞调动算法的循环过程；

图9是本发明的基于迟滞调度的网络流量冲突避免***示意图。

具体实施方式

在本发明中，所涉及的覆盖网流量迟滞调度冲突避免机制可以应用在多种类型的分层网络环境中，如P2P网络与底层网络的流量冲突避免、CDN网络以及各种覆盖网网络，如RON、QRON、NIRA.OverQos等与底层IP网络的流量冲突避免。在下面的实施例中，所涉及的流量冲突避免机制不限于具体的网络类型，可在前面所提到的各种网络上应用。

图7是本发明的基于迟滞调度的网络流量冲突避免方法流程图。如图7所示，该方法包括：

步骤2，所述缺省路径传输流量；

假设覆盖网络性能探测周期为T_overlay，而底层网络中流量工程的优化周期为T_TE。缺省路由的最近一次性能探测结果记为

网络要求的最大延迟时间为T_max。规定lost为判定覆盖网中源节点到目的节点之间发送的探测包丢失时间间隔。其余各个参数的意义如表1所示：

表1流量迁移函数参数表

定义p_d表示缺省路径的性能值，在上述覆盖网中，组成***的节点可以分为两大类，一类为端节点，一类为转发节点（中间节点），任何上层网络应用的端节点之间进行通信或数据传输时都存在一条缺省传输路径，当该缺省路径由于各种原因发生故障或产生性能恶化（如拥塞等）后，上层应用的路由机制需要调整数据的传输路径，在逻辑链路上重新进行流量分配，在图3中给出了一个覆盖网的实例，图3是覆盖网路由示意图，根据上述节点类型的划分原则，节点C1~C5构成一个覆盖网，当C1和C5进行通信传输或交互时，C2、C3、C4为转发节点，而C1、C5为端节点，C1至C5之间的路径为缺省路径，而C1经过C2、C3、C4转发再至C5的传输路径为3条备用路径。

设该覆盖网的探测周期为T_overlay，即每隔T_overlay时间对C1->C2->C5、C1->C3->C5、C1->C4->C5以及C1->C5的传输性能进行一次探测。并设底层IP网络流量工程的优化周期为T_TE，在最近一次性能探测中，缺省路径C1->C5的平均端到端时延为d_d，丢包率为l_d，其路径带宽为B_d，缺省路径上的业务传输流量大小为F_d。在实际的实现过程中，可再将图3的结构抽象为图2所示，图2是缺省路径与备用路径示意图，即源节点和目的节点间存在一条缺省路径与若干条备用路径，当缺省路径性能难以满足业务的网络传输性能需求时，如何对流量进行重分布。

具体实施中，按三类情况来处理流量的重新调度分布：

一、单备用路径情况下的流量迟滞调度

假定C1~C5只有一条有效备用路径，如C1->C2->C5，在这种情况下，设备用路径带宽为B_b，备用路径上的流量为F_b，备用路径的平均端到端时延为d_b，备用路径的平均丢包率为l_b，以p_d表示备用路径相当缺省路径的性能比值，该性能值可以以加权平均的方式进行计算获得，如：

p_{d} = α \times \frac{d_{d}}{d_{b}} + β \times \frac{l_{d}}{l_{b}} - - - (1)

其中α、β分别表示***的路径延迟敏感系数和路径丢包率敏感系数，且α+β＝1。业务可依据自身对不同指标性能的敏感程度配置这些系数值，当p_d≤1时，此时，缺省路径综合性能优越于备用路径，因此无需进行流量转移。

而当p_d＞1时，说明备用路径综合性能优于缺省路径，不同于普通覆盖网采用的全切换方式，本发明中的迟滞调度算法，只对缺省路径上的部分流量进行迁移，其需要转移的流量大小h服从计算函数（2）：

其中T＝min(T_overlay，T_TE)，T_max为覆盖网***所允许的最长收敛时间。

通过式（2）计算得出转移流量

并从缺省路径转移给备用路径后，***继续进行性能检测，并根据对检测结果的变化决定是否继续转移流量。这是一个循环的过程，如图4所示，图4是缺省路径与备用路径之间的循环流量转移示意图，循环结束的条件是缺省路径性能如时延和丢包率等指标性能可满足当前业务的传输性能需求或p_d≤1。这时上层覆盖网与底层流量工程达到了一个纳什均衡的状态。而如果缺省路径发生断开，从（2）式可知，其上负载的所有流量将全部转移给备用路径。

二、多备用路径情况下的流量迟滞调度

在多个备用路径的情况下，本发明中采用建立备用路径性能信息数据库的方式来进行流量分配。图4表示了多个备用路径条件下，缺省路径达到稳定状态之前要经历的循环过程。其中循环周期为流量工程TE的流量路由优化周期。

假定C1~C5间存在多条有效备用路径，如C1->C2->C5、C1->C3->C5、C1->C4->C5等。在实际的实现过程中，则可将图3的结构抽象为图5所示，图5是缺省路径与多备用路径之间的流量转移示意图，即源节点和目的节点间存在一条缺省路径与多条备用路径，当缺省路径性能难以满足业务的网络传输性能需求时，如何在多条备用路径上对流量进行重分布。

具体在本实例中主要采取以下步骤进行分配：

1）对三条备用路径采用（1）式在探测周期内进行缺省路径相对性能衡量值排序，设其性能值由小至大分别为p_d1、p_d2、p_d3，当p_d3≤1时，本周期内覆盖网缺省路径上的流量无需进行转移。而当p_d3＞1时，本次探测周期中，缺省路径上要转移的流量大小

通过（2）式得出，其中的p_d取p_d3。

2）当探测周期内，假定三条备用路径中（设其p_d值均大于1）只存在两条路径如C1->C2->C5、C1->C3->C5的负载流量大小没有超过其有效带宽时，则进一步从没有超载的两条路径中选择一条p_d值最大的设为路径1，并测得其剩余有效带宽为Band₁，然后比较需要转移的流量

与Band₁的大小。

如果

则从剩下的路径中，继续分配剩余的

流量，如果这个流量小于该路径的有效带宽，处理结束，如果该流量仍然大于第二条备用路径的有效带宽，则将剩余的

按步骤3）处理。

如果两条备用路径当前有效带宽全为0，即全部满载，则对于未完成的流量直接进入步骤3）中的过程。否则，如果则将全部转移到路径1上。

3）当所有的三条备用路径都出现了流量过载。即负载超过了路径所能承受的量。此时，对于p_d值小的路径给予更多的流量负载，而相对差的路由则减轻它的负载分配。设所有备用路径上的流量分配总和等于缺省路径上需转移的流量的大小。并用p_i，i＝1,2,3表示第i条备用路径的相对综合性能指标。则转移流量

中需要转移给第i条备用路径的量的大小为：

其中，

代表的就是缺省路径需要转移的数据流

中给第i条备用路径分配的量。通过这种分配方式，性能好的路由可以承担更多的负载。从而防止延迟大的路径发生更大的恶化。

三、备用路径之间的故障与拥塞切换处理

当备用路径之中有一条或者几条路径发生故障的情况下，如在图3中，C1->C2->C5发生拥塞或者失效，则备用路径之上的流量需要进行再次迁移，在具体实施方式上，所采用的流量转移策略类似于前述缺省路径与备用路径之间的流量切换过程。但是它的转移周期采用变化的方式，而不依赖于T_TE。该转移过程如图6所示，图6是多备用路径之间的循环流量转移示意图。

在不同情况下，***采用不同的处理策略：

情况1，例如当检测到备用路径C1->C2->C5发生拥塞现象造成性能下降后。对于该备用路径启用下面的处理流程，同时实时监测路径的性能变化状况。

首先，从该路径转移出大小为的流量至正常备用路径如C1->C4->C5。其中，N满足：

Σ_{j = 1}^{N} T_{j} \leq T_{\max} - - - (4)

这里的T_j表示该路径在T_max时间内进行循环的流量转移过程中，第j-1次与第j次流量转移过程所需要的时间间隔。并且N足够大以避免备用路径之间发生振荡现象。发生拥塞的其余备用路径如C1->C3->C5也同时进行上述转移过程，循环进行直至在T_overlay探测周期内检测到该路径性能已恢复至满足业务的传输性能要求。

情况2，如检测到备用路径C1->C2->C5发生故障，导致路由断开。则***直接把C1->C2->C5路径上的所有流量直接切换到C1->C4->C5。在流量切换过程中，可以根据多备用路径下流量迟滞调度的处理方式来进行流量转移策略。分为两种情况，其一是剩余的其路径中如C1->C4->C5未达到满载；其二是所有的剩余路径都已经满载；上述两种情况都可按照第二部分中的策略执行。即将前面的缺省路径换成本情况中的故障路径，而要转移的流量为故障路径上的所有流量。

从整体上看，处理机制存在几个循环的过程。首先是缺省路径循环检测、流量转移的过程；其次是备用路径循环检测、流量转移的过程。图8是流量迟滞调动算法的循环过程，该图8中则更详细的说明了这两个循环过程的原理。

图9是本发明的基于迟滞调度的网络流量冲突避免***示意图。如图9所示，该***包括：

性能检测处理模块100，在探测周期内对缺省路径进行路径性能检测，当覆盖网的缺省路径能满足网络传输性能需求时，执行缺省路径传输模块，否则执行转移流量计算模块；

缺省路径传输模块200，由所述缺省路径传输流量；

转移流量计算模块300，利用转移量计算函数计算在所述缺省路径上需要进行转移的转移流量，该转移流量为该缺省路径传输流量中的部分流量，然后执行转移流量分配模块；

转移流量分配模块400，对备用路径进行路径性能检测，根据所述备用路径的负载能力将所述转移流量分配到所述备用路径上进行传输，然后在下一个探测周期内重复上述模块的处理。

进一步的，所述性能检测处理模块100包括：

衡量值计算模块，计算缺省路径的性能衡量值p_d，所述性能衡量值p_d的计算公式为：

p_{d} = α \times \frac{d_{d}}{d_{b}} + β \times \frac{l_{d}}{l_{b}},

其中

进一步的，所述转移流量计算模块300中的所述转移量计算函数为：

其中

进一步的，所述转移流量分配模块400中：

若所述备用路径负载带宽为零时，则根据所述备用路径的综合性能指标计算分配到所述备用路径上的转移流量，其计算公式为：其中

为要从拥塞路径转移的流量大小，

代表的就是缺省路径需要转移的流量流

所述转移流量分配模块中：

详细内容如下：

在图3中给出了一个覆盖网的实例，根据上述节点类型的划分原则，节点C1~C5构成一个覆盖网，当C1和C5进行通信传输或交互时，C2、C3、C4为转发节点，而C1、C5为端节点，C1至C5之间的路径为缺省路径，而C1经过C2、C3、C4转发再至C5的传输路径为3条备用路径。

具体实施中，按三类情况来处理流量的重新调度分布：

四、单备用路径情况下的流量迟滞调度

p_{d} = α \times \frac{d_{d}}{d_{b}} + β \times \frac{l_{d}}{l_{b}} - - - (1)

而当p_d＞1时，说明备用路径综合性能优于缺省路径，不同于普通覆盖网采用的全切换方式，本发明中的迟滞调度算法，只对缺省路径上的部分流量进行迁移，其需要转移的流量大小

服从计算函数（2）：

其中T＝min(T_overlay,T_TE)，T_max为覆盖网***所允许的最长收敛时间。

通过式（2）计算得出转移流量

五、多备用路径情况下的流量迟滞调度

具体在本实例中主要采取以下步骤进行分配：

通过（2）式得出，其中的p_d取p_d3。

与Band₁的大小。

如果

则从剩下的路径中，继续分配剩余的

流量，如果这个流量小于该路径的有效带宽，处理结束，如果该流量仍然大于第二条备用路径的有效带宽，则将剩余的按步骤3）处理。

如果两条备用路径当前有效带宽全为0，即全部满载，则对于未完成的流量直接进入步骤3）中的过程。否则，如果

则将

全部转移到路径1上。

中需要转移给第i条备用路径的量的大小为：

其中，

代表的就是缺省路径需要转移的数据流

六、备用路径之间的故障与拥塞切换处理

当备用路径之中有一条或者几条路径发生故障的情况下，如在图3中，C1->C2->C5发生拥塞或者失效，则备用路径之上的流量需要进行再次迁移，在具体实施方式上，所采用的流量转移策略类似于前述缺省路径与备用路径之间的流量切换过程。但是它的转移周期采用变化的方式，而不依赖于TTE。该转移过程如图6所示，图6是多备用路径之间的循环流量转移示意图。

在不同情况下，***采用不同的处理策略：

Σ_{j = 1}^{N} T_{j} \leq T_{\max} - - - (4)

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。