CN106550469A - 一种高性能混合网络架构 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高性能混合网络架构，通过采用混合网络资源优化机制和具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构，以及具有异构网关功能的AP点，实现混合网络的高效资源协作能力。

Description

一种高性能混合网络架构

技术领域

本发明涉及通信网络领域，特别是涉及无线网络。

背景技术

无线网络自诞生以来,表现了其独特的灵活性、便利性及高效率的特点。1971年时,夏威夷大学的研究员创造了第一个ALOHA的无线电通信网络。上世纪90年代初,无线局域网采用无线通信技术代替传统电缆网络,无线局域网络设备相继出现。1997年6月,第一个无线局域网标准IEEE802.11正式颁布实施。1999年9月8O2.llb技术标准正式发布。802.11带来了网络建设的一场“革命”,为无线局域网的物理层和MAC层提供了统一的标准,也为无线网络市场迅速发展奠定了重要的基础。

而将无线网络和其它网络互相融合,开始受到了人们越来越多的关注。无线Mesh网络作为一种组网方式，可以包括各种异构的无线/有线网络，如无线局域网(WLAN，Wireless Local Area Net work)、微波接入全球互通(Wi MAX，Worl dwi de Interoperabilityfor Microwave Access)网络、无线蜂窝网、Ad hoc网、无线传感器网络(WSN，WirelessSensor Net work)等。与无线局域网、无线蜂窝网相比，无线Mesh网络具有自形成、自组织、自管理的功能，节点之间可以通过多跳的方式进行通信；与Ad hoc网、无线传感器网络相比，无线Mesh网络的路由器更注重静态而且能量往往不受限制，网络承载的业务多往返于因特网。因此，其可用于军事和民用通信，并可作为已有通信网络的多跳扩展及因特网的无线延伸，如图1所示。

另一方面，多媒体业务的普及和商业应用的需求使得人们对端到端的视频质量保障提出了越来越高的要求。这其中，作为一种新兴的数字媒体，立体视频的研究正吸引越来越多的科研工作者关注。它被称为自音频、图像、视频之后的***媒体形式。相比于传统媒体，其突出优势在于，它能为受众提供更多样化全方位的媒体交互能力，创造出“身临其境”的直观感受。立体视频在许多崭新领域有广泛的应用前景，例如信息可视化、远程诊断、远程机器人、自动导航、影音观赏以及虚拟现实等。

然而，WMN网络具有一些固有缺点如：无线信道的复杂性和随机性、网络和移动终端的异构性、易导致延时和干扰的多变性等，使其对视频质量的保障支撑受到限制。

因此为实现各种应用的灵活协作传输，须建立高效的混合网络架构，实现面向各种应用的自适应传输能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种高性能混合网络架构，通过采用混合网络资源优化机制和具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构，以及具有异构网关功能的AP点，实现混合网络的高效资源协作能力。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

A、建立混合网络资源优化机制。

B、建立具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构；

C、建立无线mesh网络的具有异构网关功能的AP点。

所述步骤A中，混合网络由核心网络和边缘网络组成，其中核心网络包含电路交换单元和光交换单元，边缘网络包含边缘交换单元、服务单元和复用单元，核心网络与边缘网络之间通过波分复用链路和无线链路实现数据传输，将边缘网络镜像为一虚拟网络，虚拟网络采用具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构，边缘网络中用户数据可通过电路交换和光交换单元转接实现，来自边缘交换单元中的物理接口的业务流通过复用进入光纤，各光纤中的信号通过光交换单元实现路径规划，并最终传递至另一边缘交换单元，两个边缘交换单元间通过逻辑链路相连，其既可以是无线传输链路，也可以是光传输链路，边缘网络和虚拟网络均可直接访问核心网络。

所述步骤A中，优化模型具体为：

其中r为虚拟网络，为虚拟网络的节点集合，ξ^r为虚拟网络的各节点相连的边集合，为虚拟网络r的节点u和v之间的带宽需求，H为边缘交换单元集合，θ_i,j为边缘交换单元i与边缘交换单元j之间的光传输链路的带宽，i,j∈H，λ_i,j为边缘交换单元i与边缘交换单元j之间的无线传输链路的带宽，l_i为边缘交换单元i已建立的光传输链路的数目，若逻辑链路为光传输链路则b_i,j为θ_i,j的剩余带宽，若逻辑链路为无线传输链路则b_i,j为λ_i,j的剩余带宽，为虚拟网络的节点与边缘网络中的边交换单元的镜像，y_i,j和为决策变量，若边缘交换单元i与边缘交换单元j之间使用光传输链路则y_i,j＝1，反之则y_i,j＝0，若边缘交换单元i与边缘交换单元j之间使用无线传输链路则反之则同一时间边缘交换单元i与边缘交换单元j之间只能使用无线传输链路或光传输链路，x_u,i为决策变量，若虚拟网络r的节点u与边缘交换单元i之间存在唯一镜像关系，则x_u,i＝1，反之则x_u,i＝0，同理虚拟网络r的节点v与边缘交换单元j之间存在唯一镜像关系，k为混合网络中的电路交换单元/光交换单元与边缘交换单元之间的平衡系数，b_π(u),π(v)为镜像π(u)与π(v)之间传输链路的剩余带宽，x_u,π(u)和x_v,π(v)为决策变量，若节点u存在唯一镜像π(u)，则x_u,π(u)＝1，反之则x_u,π(u)＝0，若节点v存在唯一镜像π(v)，则x_v,π(v)＝1，反之则x_v,π(v)＝0。

所述步骤B中，具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构由资源管理分配单元、虚拟网络操作单元、自适应控制单元和无线mesh网络构成，无线mesh网络由若干个AP点和具有网关功能的AP点构成，自适应控制单元由南桥接口API、北桥接口API、业务流重定向单元、状态监测单元和辅助功能单元构成，资源分配管理单元主要用于无线mesh网络缓存资源的优化分配与业务调度的关联规划，虚拟网络操作单元主要用于无线mesh网络与边缘网络之间映射和转换，资源分配管理单元和虚拟网络操作单元通过自适应控制单元获取业务流与无线mesh网络的状态信息，并通过自适应控制单元传递经自适应控制单元处理后的控制信息至无线mesh网络，如图3所示。

所述步骤B中，业务流重定向单元主要实现网关选择、业务流传输条件与网络资源匹配检测和接口分配，状态监测单元用于实现带宽测量和路径状态信息获取，辅助功能单元包括存储单元和网关信息注册单元，南桥接口API用于实现自适应控制单元与无线mesh网络之间的信息转接与交互，北桥接口API用于实现自适应控制单元与资源分配管理单元和虚拟网络操作单元之间的信息转接与交互，存储单元用于存储网关选择信息、接口分配信息、宽带测量信息和路径状态信息，业务流传输条件与物理网络资源匹配检测、接口分配、宽带测量、路径状态测和网关信息注册功能均通过南桥接口API与无线mesh网络之间实现信息交互，无线mesh网络通过具有异构网管功能的AP点与南桥接口API进行信息交互，如图4所示。

所述步骤C中，具有异构网关功能的AP点主要由具有AP点功能的网关设备构成，具有异构网关功能的AP点其网关功能主要由存储单元、网关控制单元、XML-RPC服务器、路径测量单元、数据包解封装单元和封装单元、网络切换单元、物理端口和若干虚拟接口组成；网关控制单元实现与XML-RPC服务器、路径测量单元、数据包解封装单元和封装单元之间控制信息交换；XML-RPC服务器、路径测量单元、数据包解封装单元和封装单元通过属于网络切换单元的软件定义的虚拟接口实现其与网络切换单元的业务流信息交换；离开重定向业务通过专用虚拟接口进入网络切换单元，并通过数据包封装单元进行封装，然后传递至网关接口，无线mesh网络中的到达重定向业务通过物理接口进入网络切换单元，然后通过解封装单元进行解封装，随之通过专用虚拟接口进入核心网接入端口；本地服务业务通过网络切换单元的专用虚拟接口实现对核心网接入端口的访问，如图5所示。

附图说明

图1无线mesh网络结构示意图

图2混合网络结构示意图

图3具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构示意图

图4自适应控制单元结构示意图

图5具有异构网关功能的AP点结构示意图

具体实施方式

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

第一步，建立混合网络资源优化机制，具体为：混合网络由核心网络和边缘网络组成，其中核心网络包含电路交换单元和光交换单元，边缘网络包含边缘交换单元、服务单元和复用单元，核心网络与边缘网络之间通过波分复用链路和无线链路实现数据传输，将边缘网络镜像为一虚拟网络，虚拟网络采用具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构，边缘网络中用户数据可通过电路交换和光交换单元转接实现，来自边缘交换单元中的物理接口的业务流通过复用进入光纤，各光纤中的信号通过光交换单元实现路径规划，并最终传递至另一边缘交换单元，两个边缘交换单元间通过逻辑链路相连，其既可以是无线传输链路，也可以是光传输链路，边缘网络和虚拟网络均可直接访问核心网络。

第二步，混合网络资源优化模型具体为：

其中r为虚拟网络，为虚拟网络的节点集合，ξ^r为虚拟网络的各节点相连的边集合，为虚拟网络r的节点u和v之间的带宽需求，H为边缘交换单元集合，θ_i,j为边缘交换单元i与边缘交换单元j之间的光传输链路的带宽，i,j∈H，λ_i,j为边缘交换单元i与边缘交换单元j之间的无线传输链路的带宽，l_i为边缘交换单元i已建立的光传输链路的数目，若逻辑链路为光传输链路则b_i,j为θ_i,j的剩余带宽，若逻辑链路为无线传输链路则b_i,j为λ_i,j的剩余带宽，为虚拟网络的节点与边缘网络中的边交换单元的镜像，y_i,j和为决策变量，若边缘交换单元i与边缘交换单元j之间使用光传输链路则y_i,j＝1，反之则y_i,j＝0，若边缘交换单元i与边缘交换单元j之间使用无线传输链路则反之则同一时间边缘交换单元i与边缘交换单元j之间只能使用无线传输链路或光传输链路，x_u,i为决策变量，若虚拟网络r的节点u与边缘交换单元i之间存在唯一镜像关系，则x_u,i＝1，反之则x_u,i＝0，同理虚拟网络r的节点v与边缘交换单元j之间存在唯一镜像关系，k为混合网络中的电路交换单元/光交换单元与边缘交换单元之间的平衡系数，b_π(u),π(v)为镜像π(u)与π(v)之间传输链路的剩余带宽，x_u,π(u)和x_v,π(v)为决策变量，若节点u存在唯一镜像π(u)，则x_u,π(u)＝1，反之则x_u,π(u)＝0，若节点v存在唯一镜像π(v)，则x_v,π(v)＝1，反之则x_v,π(v)＝0。

第三步，建立具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构，具体为：其由资源管理分配单元、虚拟网络操作单元、自适应控制单元和无线mesh网络构成，无线mesh网络由若干个AP点和具有网关功能的AP点构成，自适应控制单元由南桥接口API、北桥接口API、业务流重定向单元、状态监测单元和辅助功能单元构成，资源分配管理单元主要用于无线mesh网络缓存资源的优化分配与业务调度的关联规划，虚拟网络操作单元主要用于无线mesh网络与边缘网络之间映射和转换，资源分配管理单元和虚拟网络操作单元通过自适应控制单元获取业务流与无线mesh网络的状态信息，并通过自适应控制单元传递经自适应控制单元处理后的控制信息至无线mesh网络。

第四步，业务流重定向单元主要实现网关选择、业务流传输条件与网络资源匹配检测和接口分配，状态监测单元用于实现带宽测量和路径状态信息获取，辅助功能单元包括存储单元和网关信息注册单元，南桥接口API用于实现自适应控制单元与无线mesh网络之间的信息转接与交互，北桥接口API用于实现自适应控制单元与资源分配管理单元和虚拟网络操作单元之间的信息转接与交互，存储单元用于存储网关选择信息、接口分配信息、宽带测量信息和路径状态信息，业务流传输条件与物理网络资源匹配检测、接口分配、宽带测量、路径状态测和网关信息注册功能均通过南桥接口API与无线mesh网络之间实现信息交互，无线mesh网络通过具有异构网管功能的AP点与南桥接口API进行信息交互。

第五步，建立无线mesh网络的具有异构网关功能的AP点，其由具有AP点功能的网关设备构成，具有异构网关功能的AP点其网关功能主要由存储单元、网关控制单元、XML-RPC服务器、路径测量单元、数据包解封装单元和封装单元、网络切换单元、物理端口和若干虚拟接口组成；网关控制单元实现与XML-RPC服务器、路径测量单元、数据包解封装单元和封装单元之间控制信息交换；XML-RPC服务器、路径测量单元、数据包解封装单元和封装单元通过属于网络切换单元的软件定义的虚拟接口实现其与网络切换单元的业务流信息交换；离开重定向业务通过专用虚拟接口进入网络切换单元，并通过数据包封装单元进行封装，然后传递至网关接口，无线mesh网络中的到达重定向业务通过物理接口进入网络切换单元，然后通过解封装单元进行解封装，随之通过专用虚拟接口进入核心网接入端口；本地服务业务通过网络切换单元的专用虚拟接口实现对核心网接入端口的访问。

本发明提出了一种高性能混合网络架构，通过混合网络资源优化机制和具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构，以及具有异构网关功能的AP点，实现混合网络的高效资源协作能力。

Claims (6)

1.一种高性能混合网络架构，通过混合网络资源优化机制和具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构，以及具有异构网关功能的AP点，实现混合网络的高效资源协作能力，包括如下步骤：

A、建立混合网络资源优化机制；

B、建立具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构；

C、建立无线mesh网络的具有异构网关功能的AP点。

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：混合网络由核心网络和边缘网络组成，其中核心网络包含电路交换单元和光交换单元，边缘网络包含边缘交换单元、服务单元和复用单元，核心网络与边缘网络之间通过波分复用链路和无线链路实现数据传输，将边缘网络镜像为一虚拟网络，虚拟网络采用具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构，边缘网络中用户数据可通过电路交换和光交换单元转接实现，来自边缘交换单元中的物理接口的业务流通过复用进入光纤，各光纤中的信号通过光交换单元实现路径规划，并最终传递至另一边缘交换单元，两个边缘交换单元间通过逻辑链路相连，其既可以是无线传输链路，也可以是光传输链路，边缘网络和虚拟网络均可直接访问核心网络。

3.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：混合网络资源优化模型具体为：

$max\underset{u,v\∈{\mathrm{\ξ}}^r}{\Σ}{x}_{u,\mathrm{\π}\left(u\right)}{x}_{v,\mathrm{\π}\left(v\right)}{y}_{\mathrm{\π}\left(u\right),\mathrm{\π}\left(v\right)u,v}{B}_{u,v}^r$

$\begin{array}{cc}s.t.& b_{\mathrm{\π}\left(u\right),\mathrm{\π}\left(v\right)}\≥x_{u,\mathrm{\π}\left(u\right)}{x}_{v,\mathrm{\π}\left(v\right)}{B}_{u,v}^r,\∀(u,v)\∈{\mathrm{\ξ}}^r\end{array}$

$b_{i,j}=y_{i,j}{\mathrm{\θ}}_{i,j}+{\hat{y}}_{i,j}{\mathrm{\λ}}_{i,j},\∀i,j\∈H$

$y_{i,j}+{\hat{y}}_{i,j}=1,\∀i,j\∈H$

$\underset{u\∈{\mathrm{\θ}}^r}{\Σ}{x}_{u,i}=1,\underset{i\∈H}{\Σ}{x}_{u,i}=1,\∀i\∈H,u\∈{\mathrm{\θ}}^r$

$\underset{j\∈H,i\≠j}{\Σ}{y}_{i,j}+l_i\≤k,\∀i\∈H$

其中r为虚拟网络，为虚拟网络的节点集合，ξ^r为虚拟网络的各节点相连的边集合，为虚拟网络r的节点u和v之间的带宽需求，H为边缘交换单元集合，θ_i,j为边缘交换单元i与边缘交换单元j之间的光传输链路的带宽，i,j∈H，λ_i,j为边缘交换单元i与边缘交换单元j之间的无线传输链路的带宽，l_i为边缘交换单元i已建立的光传输链路的数目，若逻辑链路为光传输链路则b_i,j为θ_i,j的剩余带宽，若逻辑链路为无线传输链路则b_i,j为λ_i,j的剩余带宽，为虚拟网络的节点与边缘网络中的边交换单元的镜像，y_i,j和为决策变量，若边缘交换单元i与边缘交换单元j之间使用光传输链路则y_i,j＝1，反之则y_i,j＝0，若边缘交换单元i与边缘交换单元j之间使用无线传输链路则反之则同一时间边缘交换单元i与边缘交换单元j之间只能使用无线传输链路或光传输链路，x_u,i为决策变量，若虚拟网络r的节点u与边缘交换单元i之间存在唯一镜像关系，则x_u,i＝1，反之则x_u,i＝0，同理虚拟网络r的节点v与边缘交换单元j之间存在唯一镜像关系，k为混合网络中的电路交换单元/光交换单元与边缘交换单元之间的平衡系数，b_π(u),π(v)为镜像π(u)与π(v)之间传输链路的剩余带宽，x_u,π(u)和x_v,π(v)为决策变量，若节点u存在唯一镜像π(u)，则x_u,π(u)＝1，反之则x_u,π(u)＝0，若节点v存在唯一镜像π(v)，则x_v,π(v)＝1，反之则x_v,π(v)＝0。

4.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：具有灵活资源协作能力的无线mesh网络架构由资源管理分配单元、虚拟网络操作单元、自适应控制单元和无线mesh网络构成，无线mesh网络由若干个AP点和具有网关功能的AP点构成，自适应控制单元由南桥接口API、北桥接口API、业务流重定向单元、状态监测单元和辅助功能单元构成，资源分配管理单元主要用于无线mesh网络缓存资源的优化分配与业务调度的关联规划，虚拟网络操作单元主要用于无线mesh网络与边缘网络之间映射和转换，资源分配管理单元和虚拟网络操作单元通过自适应控制单元获取业务流与无线mesh网络的状态信息，并通过自适应控制单元传递经自适应控制单元处理后的控制信息至无线mesh网络。

5.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：业务流重定向单元主要实现网关选择、业务流传输条件与网络资源匹配检测和接口分配，状态监测单元用于实现带宽测量和路径状态信息获取，辅助功能单元包括存储单元和网关信息注册单元，南桥接口API用于实现自适应控制单元与无线mesh网络之间的信息转接与交互，北桥接口API用于实现自适应控制单元与资源分配管理单元和虚拟网络操作单元之间的信息转接与交互，存储单元用于存储网关选择信息、接口分配信息、宽带测量信息和路径状态信息，业务流传输条件与物理网络资源匹配检测、接口分配、宽带测量、路径状态测和网关信息注册功能均通过南桥接口API与无线mesh网络之间实现信息交互，无线mesh网络通过具有异构网管功能的AP点与南桥接口API进行信息交互。

6.根据权利要求1的方法，对于所述步骤C其特征在于：具有异构网关功能的AP点主要由具有AP点功能的网关设备构成，具有异构网关功能的AP点其网关功能主要由存储单元、网关控制单元、XML-RPC服务器、路径测量单元、数据包解封装单元和封装单元、网络切换单元、物理端口和若干虚拟接口组成；网关控制单元实现与XML-RPC服务器、路径测量单元、数据包解封装单元和封装单元之间控制信息交换；XML-RPC服务器、路径测量单元、数据包解封装单元和封装单元通过属于网络切换单元的软件定义的虚拟接口实现其与网络切换单元的业务流信息交换；离开重定向业务通过专用虚拟接口进入网络切换单元，并通过数据包封装单元进行封装，然后传递至网关接口，无线mesh网络中的到达重定向业务通过物理接口进入网络切换单元，然后通过解封装单元进行解封装，随之通过专用虚拟接口进入核心网接入端口；本地服务业务通过网络切换单元的专用虚拟接口实现对核心网接入端口的访问。