CN108989148A - 一种传输时延最小化的中继多路径流量分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传输时延最小化的中继多路径流量分配方法。传统流量分配方法直接对网络子流进行端到端流量分配，会引起传输时延性能下降。本发明方法在路径非独立情况下，根据汇聚节点拆分路径，进行中继多路径流量分配。该方法首先进行信息收集、路径拆分，然后进行网络路径建模、质量评估，传输流量分配计算路径的排队时延，求解时延最小的流量分配，耦合流量分配结果，使数据分组到达目的节点的平均传输时延最小化。本发明方法从提升直播时延性能角度出发，考虑多路径传输中存在汇聚节点的情况，实时监测链路信息，进行中继多路径流量分配以获得最小传输时延，避免了传统流量分配方法中子流竞争共享链路资源所造成的传输性能下降。

Description

一种传输时延最小化的中继多路径流量分配方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种传输时延最小化的中继多路径流量分配方法。

背景技术

随着网络技术的发展和各种新媒体、自媒体的不断涌现，视频流媒体行业取得了长足的发展，行业对直播延迟和交互性的要求越来越高。互动直播技术已经是直播行业的标准配置。通常情况下，延迟低于800毫秒才能够在直播中做一些比较高频的互动，比如谈话节目和直播连线。若提升到400毫秒，则能够有足够的余量以抵抗网络波动，实现互动直播。因此，如何更好地提升网络延迟性能，成为实时视频应用保证用户交互体验质量、跻身行业领先水平的关键因素。

随着多接入技术的发展，终端设备通常具备多种不同的网络接口，支持不同的接入技术。在带宽充足条件下，采用单一网络接入不利于资源利用，手动切换接入方式将引起服务瞬时的中断。为解决这些问题，关于多路径传输技术(Concurrent MultipathTransmission,CMT)受到广泛关注。

多路径传输技术应用过程中通常采用分割/聚合的传输模式，当有汇聚节点存在时，源节点到目的节点的端到端路径并不独立，不同路径可能共享某些链路资源，存在竞争关系。现有流量分配方法通常只对端到端流量分配进行建模分析，通过流量分配使不同路径的时延差最小化，减少数据分组的延时抖动，缓解乱序问题；根据子流状况动态调整分配到子流的流量，实现吞吐量的最大化；对传输过程中的用户体验质量建模评估，通过流量分配优化用户体验质量。

然而，在对非独立路径进行流量分配时，已分配流量会对共享链路上其他子流的传输造成影响，按原有方式进行流量分配会引起传输性能下降。因此，如何更好地在路径非独立情况下，对多路径传输进行合理的流量分配以获得最小的平均传输时延具有重要意义。本发明考虑多路径传输存在汇聚节点的情况，根据汇聚节点拆分路径，进行中继多路径流量分配，使数据分组到达目的节点的平均传输时延最小化。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种传输时延最小化的中继多路径流量分配方法。

本发明方法在路径非独立情况下，根据汇聚节点拆分路径，进行中继多路径流量分配，使数据分组到达目的节点的平均传输时延最小化，具体步骤如下：

步骤1.信息收集：

监测网络流量，收集并估计链路信息；根据收集到的链路信息，生成从源节点经过汇聚节点到目的节点的路径集合；

把网络看作有向图G＝(V,E)，其中表示节点的集合，E＝{e_ij}，表示节点间链路的集合；s表示源节点，d表示目的节点，n_ij表示第i条路径上第j个网络节点,N表示一般网络节点，N＝{1,2,...}，e_ij表示第i条路径上第j条网络链路；源节点s和目的节点d之间的简单无循环可用路径集合为P，P＝{P₁,P₂,...,P_K}，K为路径数。

步骤2.路径拆分：

将源节点s到目的节点d的路径根据汇聚节点c拆分成多个部分，并重新定义各个部分的逻辑路径集合，P＝{P′:P″:...}＝{(P₁′,P₂′,P₃′,P₄′,...):(P₁″,P₂″,...):...}，其中P′表示拆分后的第一个逻辑路径集合，P″表示拆分后的第二个逻辑路径集合，P_i′＝{e′_i1,e′_i2,...}，P_i″＝{e″_i1,e″_i2,...}表示第i条路径上各节点间的相互独立链路,e′_i1表示第一个逻辑路径集合中，第i条路径上的第一条链路,e″_i1表示第二个逻辑路径集合中，第i条路径上的第一条链路。

步骤3.网络路径建模：

选取一个逻辑路径集合，获取并更新路径网络参数：路径P_i上的丢包率 表示链路e_ij上的丢包率，最大可用带宽a_i，传播时延pd_i，平均传输速率r_i，定义路径P_i上的传输可用带宽w_i＝r_i+a_i；定义路径P_i上的趋势带宽为当前时刻t与前q个时刻传输可用带宽变化趋势的预测值：其中参数φ₁,φ₂,φ₃...,φ_q为自回归系数，ε_t为相互独立的白噪声序列。

步骤4.质量评估：

根据路径P_i上的传输可用带宽w_i，丢包率p_i，结合时间序列模型，计算质量评估后的评估带宽：其中和θ为加权系数，分别表示丢包率权重与趋势带宽权重，0＜θ＜1，满足

步骤5.传输流量分配：

所有数据分组到达的发送端的平均速率为λ分组/秒，到达源节点后，发送端将数据分组分配到K条路径上传输；每个数据分组以概率γ_i分配到第i条路径上，被请求的数据分组以速率γ_iλ到达路径P_i进行发送。

步骤6.计算路径P_i的排队时延，求解时延最小的流量分配：

根据排队论，给出路径P_i的平均传输时延：源节点在P_i上发送数据分组的平均时间构建传输时延最小的流量分配问题，并求解最优化流量分配向量γ＝(γ₁,γ₂,...,γ_K)；λ_i表示分配到第i条路径的速率，表示第i条路径上的评估带宽，pd_i表示第i条路径上的传播时延；

约束条件C1限制了发送端在每条路径上的发送速率不超过最大可用带宽，约束条件C2是对数据分组分配的规范性和非负性要求；

定义拉格朗日函数μ、v、α为拉格朗日乘子，根据KKT条件求解：

其中m为路径集合中被选取进行流量分配的路径数目，各条路径上分配的流量为：

步骤7.若各条路径的传播时延差小于设定时间，视为传播时延相近，进入步骤8；若各条路径的传播时延差大于等于设定时间，视为传播时延相差较大，进入步骤9；所述的设定时间为3～8毫秒；

步骤8.各条路径子流的传播时延相近，求解流量分配的闭式解：

进入步骤10；

步骤9.各条路径子流的传播时延相差较大，采用二分搜索，确定搜索的上下界，求α近似解得到流量分配结果；具体如下：

步骤9.1.设置搜索精度σ，确定二分搜索的上下界：

步骤9.2.更新二分搜索的中间值

步骤9.3.计算判决：

若调整搜索下界，返回步骤9.2；若调整二分搜索的上界，返回步骤9.2；若求得精度为σ下的近似解

步骤9.4.将求得的代入得到流量分配结果：

步骤10.若存在未进行流量分配的逻辑路径集合，则对下一个逻辑路径集合进行流量分配，进入步骤3；否则，进入步骤11。

步骤11.耦合流量分配结果：

对各部分流量分配结果进行耦合，生成源节点到目的节点的传输路径P＝{P′:P″:...}和流量分配{γ′+γ″,...}结果，进行数据发送；若发送完成后有新的数据分组到达，进入步骤3，对新一轮数据传输进行传输时延最小的中继多路径流量分配；否则，结束并退出。

本发明方法从提升直播时延性能角度出发，考虑多路径传输中存在汇聚节点的情况，实时监测链路信息，进行中继多路径流量分配以获得最小传输时延。与传统流量分配方法相比，其优点体现在：

传统流量分配方法通常直接对网络子流进行端到端流量分配。当网络子流在中间节点发生汇聚时，已分配流量会对共享链路上其他子流的传输造成影响，按原有方式进行流量分配会引起传输性能下降。而本发明方法通过路径拆分、传输时延最小化流量分配以及对流量分配结果的耦合，避免了传统流量分配方法中子流竞争共享链路资源所造成的传输性能下降，使数据分组到达目的节点的平均传输时延最小化。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为有一个汇聚节点的多路径传输网络拓扑。

具体实施方式

以下结合附图并举例对本发明做进一步详细说明，方法流程如图1所示。

本发明以一个汇聚节点为例，对中继多路径流量分配方法进行说明，多路径传输网络拓扑如图2所示。源节点s到目的节点d间存在一个汇聚节点c。各条链路的传输时延均设置为10ms，瓶颈链路e′₁₁,e′₂₁,e′₃₁的可用带宽分别设置为6Mbps，4Mbps和5Mbps，丢包率设为0.1％，其他链路的可用带宽设置为10Mbps，丢包率设为0。

1.信息收集。监测网络流量，收集并估计链路信息；根据收集到的链路信息，生成从源节点经过汇聚节点到目的节点的路径集合。把网络看作有向图G＝(V,E)，其中表示节点的集合，E＝{e_ij}，表示节点间链路的集合；s表示源节点，d表示目的节点，n_ij表示第i条路径上第j个网络节点,N表示一般网络节点，N＝{1,2,...}，e_ij表示第i条路径上第j条网络链路；源节点s和目的节点d之间的简单无循环可用路径集合为P，P＝{P₁,P₂,P₃,P₄,P₅,P₆}，路径数目为6。

2.路径拆分。将源节点s到目的节点d的路径根据汇聚节点c拆分成2个部分，并重新定义各个部分的逻辑路径集合，P＝{P′:P″}＝{(P₁′,P₂′,P₃′):(P₁″,P₂″)}，其中P′和P″表示拆分后各部分的逻辑路径，P_i′＝{e′_i1,e′_i2}，P_i″＝{e″_i1,e″_i2}表示第i条路径上各节点间相互独立的链路；

3.网络路径建模。选取逻辑路径集合P′，获取并更新路径P_i上的网络参数：

丢包率：p_i＝0.1％,i＝1,2,3；

最大可用带宽：a₁＝6Mbps,a₂＝4Mbps,a₃＝5Mbps；

传播时延：pd_i＝20ms,i＝1,2,3；

平均传输速率：r_i＝0,i＝1,2,3；

传输可用带宽：w₁＝6Mbps,w₂＝4Mbps,w₃＝5Mbps；

趋势带宽：

4.质量评估。取丢包率权重趋势带宽权重θ＝0.9为例，根据路径P_i上的传输可用带宽w_i，丢包率p_i，计算质量评估后的评估带宽：

5.传输流量分配。以12.32Mbps的发送速率为例，每个数据分组大小设置为1400字节，数据分组到达的平均速率为1100分组/秒。

6.计算路径P_i的排队时延，求逻辑路径集合P′流量分配的闭式解γ′＝(γ′₁,γ′₂,γ′₃)。

7.各条路径的传播时延pd_i差别较小，进入步骤8；

8.求得逻辑路径集合P′流量分配的闭式解γ′：

γ′₁＝0.41,γ′₂＝0.26,γ′₃＝0.33。

9.对逻辑路径集合P″重复上述过程，求解得到逻辑路径集合P″的流量分配结果γ″，γ″₁＝0.5,γ″₂＝0.5。

10.耦合流量分配结果。对各部分流量分配结果进行耦合，生成源节点到目的节点的传输路径集合P＝{P′:P″:...}和流量分配{γ′+γ″,...}结果，进行数据发送：

P₁＝{e′₁₁,e′₁₂,e″₁₁,e″₁₂},γ₁＝0.205；

P₂＝{e′₁₁,e′₁₂,e″₂₁,e″₂₂},γ₂＝0.205；

P₃＝{e′₂₁,e′₂₂,e″₁₁,e″₁₂},γ₃＝0.13；

P₄＝{e′₂₁,e′₂₂,e″₂₁,e″₂₂},γ₄＝0.13；

P₅＝{e′₃₁,e′₃₂,e″₁₁,e″₁₂},γ₅＝0.165；

P₆＝{e′₃₁,e′₃₂,e″₂₁,e″₂₂},γ₆＝0.165；

11.返回进入步骤3，对新一轮数据传输进行传输时延最小的中继多路径流量分配，直至发送完成。

12.若各条路径的传播时延pd_i差别较大，pd₁＝20ms,pd₂＝40ms,pd₃＝30ms，采用二分搜索计算流量分配。

13.确定上下界设置搜索精度σ＝1。

14.更新二分搜索的中间值

14.计算判决，调整搜索下界，

16.更新二分搜索的中间值

17.计算判决，调整搜索下界，

18.重复二分搜索过程，直到求得满足的近似解

19.根据近似解进行流量分配：

γ′₁＝0.4126,γ′₂＝0.2545,γ′₃＝0.3329。

Claims (1)

1.一种传输时延最小化的中继多路径流量分配方法，其特征在于该方法具体步骤如下：

步骤1.信息收集：

监测网络流量，收集并估计链路信息；根据收集到的链路信息，生成从源节点经过汇聚节点到目的节点的路径集合；

把网络看作有向图G＝(V,E)，其中表示节点的集合，E＝{e_ij}，表示节点间链路的集合；s表示源节点，d表示目的节点，n_ij表示第i条路径上第j个网络节点,N表示一般网络节点，N＝{1,2,...}，e_ij表示第i条路径上第j条网络链路；源节点s和目的节点d之间的简单无循环可用路径集合为P，P＝{P₁,P₂,...,P_K}，K为路径数；

步骤2.路径拆分：

将源节点s到目的节点d的路径根据汇聚节点c拆分成多个部分，并重新定义各个部分的逻辑路径集合，P＝{P′:P″:...}＝{(P₁′,P₂′,P₃′,P₄′,...):(P₁″,P₂″,...):...}，其中P′表示拆分后的第一个逻辑路径集合，P″表示拆分后的第二个逻辑路径集合，P_i′＝{e′_i1,e′_i2,...}，P_i″＝{e″_i1,e″_i2,...}表示第i条路径上各节点间的相互独立链路,e′_i1表示第一个逻辑路径集合中，第i条路径上的第一条链路,e′_i1表示第二个逻辑路径集合中，第i条路径上的第一条链路；

步骤3.网络路径建模：

选取一个逻辑路径集合，获取并更新路径网络参数：路径P_i上的丢包率 表示链路e_ij上的丢包率，最大可用带宽a_i，传播时延pd_i，平均传输速率r_i，定义路径P_i上的传输可用带宽w_i＝r_i+a_i；定义路径P_i上的趋势带宽为当前时刻t与前q个时刻传输可用带宽变化趋势的预测值：其中参数φ₁,φ₂,φ₃...,φ_q为自回归系数，ε_t为相互独立的白噪声序列；

步骤4.质量评估：

根据路径P_i上的传输可用带宽w_i，丢包率p_i，结合时间序列模型，计算质量评估后的评估带宽：其中和θ为加权系数，分别表示丢包率权重与趋势带宽权重，0＜θ＜1，满足

步骤5.传输流量分配：

所有数据分组到达的发送端的平均速率为λ分组/秒，到达源节点后，发送端将数据分组分配到K条路径上传输；每个数据分组以概率γ_i分配到第i条路径上，被请求的数据分组以速率γ_iλ到达路径P_i进行发送；

步骤6.计算路径P_i的排队时延，求解时延最小的流量分配：

根据排队论，给出路径P_i的平均传输时延：源节点在P_i上发送数据分组的平均时间构建传输时延最小的流量分配问题，并求解最优化流量分配向量γ＝(γ₁,γ₂,...,γ_K)；λ_i表示分配到第i条路径的速率，表示第i条路径上的评估带宽，pd_i表示第i条路径上的传播时延；

约束条件C1限制了发送端在每条路径上的发送速率不超过最大可用带宽，约束条件C2是对数据分组分配的规范性和非负性要求；

定义拉格朗日函数μ、v、α为拉格朗日乘子，根据KKT条件求解：

其中m为路径集合中被选取进行流量分配的路径数目，各条路径上分配的流量为：

步骤7.若各条路径的传播时延差小于设定时间，视为传播时延相近，进入步骤8；若各条路径的传播时延差大于等于设定时间，视为传播时延相差较大，进入步骤9；所述的设定时间为3～8毫秒；

步骤8.各条路径子流的传播时延相近，求解流量分配的闭式解：

进入步骤10；

步骤9.采用二分搜索，确定搜索的上下界，求α近似解得到流量分配结果，具体如下：

步骤9.1.设置搜索精度σ，确定二分搜索的上下界：

步骤9.2.更新二分搜索的中间值

步骤9.3.计算判决：

若调整搜索下界，返回步骤9.2；若调整二分搜索的上界，返回步骤9.2；若求得精度为σ下的近似解

步骤9.4.将求得的代入得到流量分配结果：

步骤10.若存在未进行流量分配的逻辑路径集合，则对下一个逻辑路径集合进行流量分配，进入步骤3；否则，进入步骤11；

步骤11.耦合流量分配结果：

对各部分流量分配结果进行耦合，生成源节点到目的节点的传输路径P＝{P′:P″:...}和流量分配{γ′+γ″,...}结果，进行数据发送；若发送完成后有新的数据分组到达，进入步骤3，对新一轮数据传输进行传输时延最小的中继多路径流量分配；否则，结束并退出。