王威華，王小潔，冷泳林，寧兆龍

(1.蘭州大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院， 蘭州 730107； 2.大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院， 遼寧 大連 116620)

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一種基于軟件定義的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配方案

王威華1，王小潔2，冷泳林2，寧兆龍2

(1.蘭州大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院， 蘭州 730107； 2.大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院， 遼寧 大連 116620)

介紹了一種在SDN架構(gòu)下的新型網(wǎng)絡(luò)資源分配機(jī)制。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在資源分配的過(guò)程中存在諸多缺點(diǎn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能不夠穩(wěn)定，擁塞控制比較被動(dòng)，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。 提出一種綜合考慮影響資源分配一切因素、系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法，通過(guò)劃定優(yōu)先級(jí)來(lái)決定資源分配的方式。本算法基于SDN架構(gòu)，可以顯著改善傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源分配的不足。 介紹了SDN體系的背景和發(fā)展以及針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的SDN擴(kuò)展，提出系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法，從各個(gè)細(xì)節(jié)描述和分析本算法的思路和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)本算法的性能進(jìn)行評(píng)測(cè)，說(shuō)明本算法的優(yōu)越性。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；資源分配算法；優(yōu)先級(jí)；擁塞控制

1 研究背景

彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配是指根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、鏈路的狀態(tài)、傳輸資源的類型、客戶要求的傳輸速度等條件，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧髁窟M(jìn)行彈性控制，從而達(dá)到傳輸效率的提升和服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)的保障[1-2]。然而，傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)硬件的處理能力要求太高，硬件性能往往很難達(dá)到要求。對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的彈性分配意味著要對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整的監(jiān)視和控制，對(duì)硬件的計(jì)算能力要求太多，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)底層硬件很難滿足要求。

軟件定義技術(shù)給彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配打開(kāi)了一扇新的窗戶[3-4]。通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)控制端從數(shù)據(jù)端獨(dú)立出來(lái)，用SDN控制器單獨(dú)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)籌管理，同時(shí)通過(guò)北向接口與應(yīng)用程序連接，可以大大提升網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力。一方面，SDN控制器連接了網(wǎng)絡(luò)中所有的交換機(jī)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)于命令有較快的響應(yīng)速度；另一方面，通過(guò)應(yīng)用層的程序可以輔助計(jì)算一些復(fù)雜的算法，在SDN架構(gòu)提升網(wǎng)路靈活性的同時(shí)，通過(guò)控制端計(jì)算能力的質(zhì)的提高，可以使用更為精細(xì)、更為復(fù)雜的鏈路選擇和交換機(jī)隊(duì)列管理算法，從而提升網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理能力和效率[5-6]。

網(wǎng)絡(luò)資源分配主要分為兩部分：路徑選擇和節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列管理。路徑選擇是指在網(wǎng)絡(luò)底層硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中選擇一條資源傳輸效率最高的路徑，從而以最短的時(shí)間和最高的效率實(shí)現(xiàn)資源的分配。節(jié)點(diǎn)緩存是指網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中的緩存隊(duì)列。由于交換機(jī)收到數(shù)據(jù)之后，并不總能及時(shí)將數(shù)據(jù)立即轉(zhuǎn)發(fā)出去，就需要暫時(shí)性儲(chǔ)存在交換機(jī)的緩存隊(duì)列中排隊(duì)等候轉(zhuǎn)發(fā)，而如果出現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)擁塞，導(dǎo)致交換機(jī)中的緩存隊(duì)列滿了，這時(shí)再到達(dá)交換機(jī)的數(shù)據(jù)包將會(huì)被丟棄，也就是所說(shuō)的丟包[7]。

本文主要針對(duì)傳統(tǒng)的資源分配算法的不足，提出一種全新的基于SDN架構(gòu)的資源分配解決思路。SDN是一種全新的網(wǎng)絡(luò)體系，本文所引用的文獻(xiàn)大部分都是SDN架構(gòu)的概念、實(shí)現(xiàn)思路，少量是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)資源分配算法。文獻(xiàn)[8]的作者對(duì)SDN架構(gòu)進(jìn)行了闡述，同時(shí)從細(xì)節(jié)上介紹了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系中路由隊(duì)列算法的種類和不足，同時(shí)介紹了新的基于SDN的相關(guān)算法。

本文基于SDN的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配機(jī)制，設(shè)計(jì)了系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法，針對(duì)目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的缺點(diǎn)進(jìn)行了改良，提出一種SDN下的網(wǎng)絡(luò)資源分配機(jī)制，對(duì)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下加以創(chuàng)新，借助SDN控制和轉(zhuǎn)發(fā)的分離帶來(lái)的對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全局控制力，實(shí)現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸體系。

首先，基于SDN架構(gòu)，可以搭載更強(qiáng)勁的處理器來(lái)處理指數(shù)倍規(guī)模的數(shù)據(jù)，從而完成傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所難以實(shí)現(xiàn)的算法。無(wú)論是數(shù)據(jù)處理能力還是對(duì)突發(fā)情況的應(yīng)對(duì)都可以達(dá)到比較理想的效果。SDN對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的提升不止是處理能力，對(duì)于擁塞控制和QoS等都有質(zhì)的提高。以前的底層硬件既負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)又負(fù)責(zé)流量的管理，單一的交換機(jī)或路由器很難根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況進(jìn)行流量管理。而在SDN的架構(gòu)里，SDN控制器具有網(wǎng)絡(luò)的全局視角，可以通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所有設(shè)備的監(jiān)控進(jìn)行分析，得到最全面的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并進(jìn)行分析。通過(guò)全局視角，可以下達(dá)最為準(zhǔn)確的指令來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)配，將網(wǎng)絡(luò)整體的效率大幅提升。而與此同時(shí)，交換機(jī)只需要負(fù)責(zé)接收SDN控制器的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，幾乎無(wú)需進(jìn)行任何計(jì)算工作。各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分工明確，所能達(dá)到的效率是之前的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不能達(dá)到的。

其次，算法第一次引入了優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)。流量劃分優(yōu)先級(jí)，將重要的以及用戶最重視的流量種類劃分到高優(yōu)先級(jí)優(yōu)先進(jìn)行，這樣可以使管理網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備和軟件更有針對(duì)性地處理各種流量，將有限的資源更多地分配給更需要的流量，從而顯著提高網(wǎng)絡(luò)的整體效率，做到有的放矢。針對(duì)用戶的不同需求來(lái)精準(zhǔn)控制流量的流動(dòng)，進(jìn)一步提高QoS。而在網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生時(shí)，對(duì)丟包的選擇也更加合理，對(duì)緩存隊(duì)列的控制可以做到更細(xì)膩。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源分配算法對(duì)流量的各階段控制是分開(kāi)進(jìn)行的。對(duì)路徑選擇和節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列分別進(jìn)行管理，網(wǎng)絡(luò)的整體協(xié)調(diào)性很差。而基于系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法在一次的傳輸作業(yè)中一次性考慮了所有的因素，從所有可能的路徑中選擇節(jié)點(diǎn)和帶寬占用情況最好的，再綜合路徑的距離進(jìn)行計(jì)算，保證所有流量的路徑都是最合理的。

為了進(jìn)行擁塞控制，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中一些比較先進(jìn)的算法具有流量預(yù)測(cè)功能，可以通過(guò)預(yù)測(cè)一段時(shí)間后的資源占用并以決定新流量的傳輸方式。本文設(shè)計(jì)的系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法并沒(méi)有流量預(yù)測(cè)功能，而是采用了定時(shí)刷新機(jī)制，每隔一段時(shí)間就對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有流量進(jìn)行重新的最優(yōu)線路計(jì)算。定時(shí)刷新機(jī)制要比流量預(yù)測(cè)機(jī)制更加靈活實(shí)用，同時(shí)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)效率的整體提高更為顯著。

2 系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量的飛速發(fā)展對(duì)資源管理方式提出了更高要求，傳統(tǒng)方法難以適應(yīng)海量、并發(fā)和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)管理需求，因此彈性網(wǎng)絡(luò)資源管理方法近年來(lái)得到廣泛研究[9-10]。

SDN架構(gòu)將控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，從而達(dá)到網(wǎng)絡(luò)效率的最大化[11]。通過(guò)將算法建立在SDN架構(gòu)上，可以完成很多復(fù)雜的算法和計(jì)算，從而使網(wǎng)絡(luò)資源分配的過(guò)程更加細(xì)膩，達(dá)到充分利用網(wǎng)絡(luò)鏈路資源、降低網(wǎng)絡(luò)擁塞的影響以及節(jié)能環(huán)保的目的。

傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)流量傳輸方式在SDN架構(gòu)中并不能直接使用。系數(shù)優(yōu)先的資源分配算法基于SDN技術(shù)，通過(guò)綜合考慮網(wǎng)絡(luò)資源傳輸過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)之間的鏈路和流量傳輸?shù)穆窂?，?duì)各節(jié)點(diǎn)、各鏈路、各路徑進(jìn)行優(yōu)先級(jí)評(píng)測(cè)，計(jì)算得出最優(yōu)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

本算法的主要思路是追求更穩(wěn)定的傳輸通路，通過(guò)綜合考慮每條路徑中每個(gè)影響傳輸?shù)囊蛩?，?jīng)過(guò)計(jì)算得出最佳路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因此，算法的計(jì)算結(jié)果一定要優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，本算法的一個(gè)重要實(shí)現(xiàn)就是如何在更高的網(wǎng)絡(luò)利用率和更快的傳輸速度之間進(jìn)行很好的抉擇。更高的網(wǎng)絡(luò)利用率表示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，忙碌的與空閑的鏈路占的比例大小。高網(wǎng)絡(luò)利用率可以使網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸更協(xié)調(diào)，同時(shí)對(duì)于特定的交換機(jī)不至于由于過(guò)載而過(guò)熱導(dǎo)致效率降低。更快的傳輸速度是指最短的路徑選擇和最大傳輸速度的采用。如何在網(wǎng)絡(luò)利用率和傳輸速度之間抉擇、什么時(shí)候進(jìn)行什么樣的抉擇，是本算法的核心所在。

2.1 算法流程

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量在創(chuàng)建之初就設(shè)定好一個(gè)字段表示流量的優(yōu)先級(jí)。優(yōu)先級(jí)有兩種，默認(rèn)優(yōu)先級(jí)是根據(jù)流量類型定義的，有少數(shù)2級(jí)優(yōu)先級(jí)和4級(jí)優(yōu)先級(jí)流量，大部分流量是3級(jí)優(yōu)先級(jí)，也就是普通流量。用戶可以通過(guò)應(yīng)用端程序?qū)⒘髁孔远x優(yōu)先級(jí)，比如將極其重要的郵件等設(shè)置為優(yōu)先級(jí)5，這樣無(wú)論網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生什么，只要網(wǎng)絡(luò)還能運(yùn)作，郵件就一定能及時(shí)送到。

當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包產(chǎn)生并準(zhǔn)備在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時(shí)，首先，系統(tǒng)將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行一次路徑查詢，得出從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的所有無(wú)環(huán)路徑。無(wú)環(huán)是指路徑中沒(méi)有重復(fù)節(jié)點(diǎn)。其中，每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑長(zhǎng)度都設(shè)定為一單位路徑長(zhǎng)度。系統(tǒng)將得到的路徑按單位路徑長(zhǎng)度從長(zhǎng)到短排列起來(lái)，將最長(zhǎng)的路徑設(shè)為優(yōu)先級(jí)1。因?yàn)橐粋€(gè)單位路徑長(zhǎng)度很可能同時(shí)被多條路徑使用，所以這里的優(yōu)先級(jí)是指整條路徑的優(yōu)先級(jí)。得到最長(zhǎng)的路徑的優(yōu)先級(jí)之后，將第二長(zhǎng)的路徑優(yōu)先級(jí)設(shè)為2，以此類推，直到最短路徑的優(yōu)先級(jí)計(jì)算出來(lái)。將路徑優(yōu)先級(jí)設(shè)為R。

SDN控制器向每個(gè)交換機(jī)發(fā)送查詢命令，查詢每個(gè)交換機(jī)以及每?jī)蓚€(gè)交換機(jī)之間鏈路的狀態(tài)，交換機(jī)將自己的緩存隊(duì)列占用百分比P以及相鄰的單位路徑的占用帶寬占總帶寬百分比W返回給SDN控制器。

節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)計(jì)算方式：

Prior_P=[(1-P)×100|20]+1

(1)

單位路徑優(yōu)先級(jí)計(jì)算方式：

Prior_W=[(1-W)×100|20]+1

(2)

假設(shè)流量源節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)為P1，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)為Pn，中間經(jīng)過(guò)的單位路徑優(yōu)先級(jí)為W1到Wn。

為了進(jìn)行綜合優(yōu)先級(jí)的計(jì)算，還需要計(jì)算節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差Pa和路徑的標(biāo)準(zhǔn)差Wa以及P×W的標(biāo)準(zhǔn)差PWa。

節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)P的平均值A(chǔ)ve_P：

(3)

節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差Pa：

(4)

路徑優(yōu)先級(jí)W的平均值A(chǔ)ve_W：

(5)

路徑標(biāo)準(zhǔn)差Wa計(jì)算公式為：

(6)

P×W的平均值A(chǔ)ve_PW：

(7)

P×W的標(biāo)準(zhǔn)差：

(8)

路徑的優(yōu)先級(jí)：

Level=(Ave_PW-Pa-Wa-PWa)×R

(9)

2.2 具體實(shí)現(xiàn)

算法將路徑中源節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)刨除不參與計(jì)算，將之后的每個(gè)單位路徑長(zhǎng)度和下一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為一組，將每一組的單位路徑優(yōu)先級(jí)和節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)相乘并求出每一組的和，將得到的結(jié)果除以組的個(gè)數(shù)n-1，從而得到每一組的優(yōu)先級(jí)的平均值。將節(jié)點(diǎn)和單位路徑的優(yōu)先級(jí)相乘是為了造成優(yōu)先級(jí)的疊加效應(yīng)，假如節(jié)點(diǎn)和單位路徑的優(yōu)先級(jí)都很高，那么得到的這一組的結(jié)果會(huì)更高，反之亦然。在計(jì)算最佳路徑的過(guò)程中，優(yōu)先采用優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)和單位路徑組合將會(huì)很大程度提高網(wǎng)絡(luò)利用率。

得出平均組優(yōu)先級(jí)后，分別減去路徑中所有節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)差和所有單位路徑的優(yōu)先級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)差。這是為了路徑的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)和單位路徑優(yōu)先級(jí)采取簡(jiǎn)單的乘積，雖然可以在它們優(yōu)先級(jí)都很高的時(shí)候和都很低的時(shí)候?qū)⒔M優(yōu)先級(jí)放大，但是卻沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)和單位路徑優(yōu)先級(jí)相差很多的情況。這時(shí)候可能會(huì)產(chǎn)生2×8=4×4效應(yīng)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)為2，單位路徑優(yōu)先級(jí)為8，此時(shí)得出的組優(yōu)先級(jí)為16，而假設(shè)節(jié)點(diǎn)和單位路徑優(yōu)先級(jí)都為4，得出的組優(yōu)先級(jí)也為16。此時(shí)，4×4的組合顯然要比2×8的組合要好得多。這是因?yàn)楫?dāng)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)和單位路徑優(yōu)先級(jí)相差很多，一般都是因?yàn)榻粨Q機(jī)內(nèi)隊(duì)列緩存了很多小容量的流量包，對(duì)單位路徑帶寬占用很小，或者是交換機(jī)內(nèi)隊(duì)列緩存了很少的大容量包，因此單位路徑帶寬占用率很高，這時(shí)的網(wǎng)絡(luò)是很低效的，因?yàn)閭鬏斔俣瓤倳?huì)被嚴(yán)重制約。與之相對(duì)，優(yōu)先級(jí)相似的節(jié)點(diǎn)和單位鏈路更加穩(wěn)定，傳輸速度也更快。我們需要對(duì)這兩種情況進(jìn)行區(qū)分，因此引入了節(jié)點(diǎn)和單位鏈路的優(yōu)先級(jí)差的概念。通過(guò)減去每組優(yōu)先級(jí)的平均差，來(lái)獲得更精確的判斷。

最后，乘以路徑優(yōu)先級(jí)，將路徑的因素加入考慮。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源分配方案中，采用最短路由就是因?yàn)槁窂介L(zhǎng)度對(duì)傳輸速度影響極大，因?yàn)楦痰穆窂揭馕吨?jīng)過(guò)更少的交換機(jī)，經(jīng)歷更少次的轉(zhuǎn)發(fā)，冒更小的網(wǎng)絡(luò)擁塞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，路徑長(zhǎng)度對(duì)于最終的傳輸速度起著至關(guān)重要的作用，有必要將路徑長(zhǎng)度單獨(dú)提出來(lái)，對(duì)之前的結(jié)果做一個(gè)乘積，將路徑的優(yōu)勢(shì)無(wú)限放大。但是，假如最短路徑途徑的節(jié)點(diǎn)或者單位路徑的使用占用率過(guò)高，甚至出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，根據(jù)算法，其他路徑的優(yōu)先級(jí)可能就會(huì)比最短路徑高，這樣可以完美躲避網(wǎng)路擁塞，同時(shí)獲得更高的網(wǎng)絡(luò)利用率。

為了時(shí)刻保證流量控制的準(zhǔn)確性，系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法采用定時(shí)刷新查詢機(jī)制，初步設(shè)定每隔一段時(shí)間就對(duì)每個(gè)流量的最優(yōu)路徑進(jìn)行重新計(jì)算。計(jì)算的順序是從高優(yōu)先級(jí)的流量開(kāi)始，當(dāng)最后計(jì)算的流量完成路徑計(jì)算，則重新開(kāi)始第二輪計(jì)算工作。采用定時(shí)刷新機(jī)制后，就無(wú)需考慮到流量變化帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)傳輸效率降低得可能性。

相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源分配算法，本算法在諸多步驟上進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)，將網(wǎng)絡(luò)的整體利用率提升到很高，大大降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的幾率。而一旦網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生，也可以通過(guò)優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)，將重要流量?jī)?yōu)先傳輸，將重要度最小的流量包丟棄，從而將損失降低到最低。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文仿真中共有10個(gè)交換機(jī)，用編號(hào)從0到9表示。交換機(jī)之間采用隨機(jī)連線方式，模擬真實(shí)的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)使用環(huán)境。實(shí)驗(yàn)用計(jì)算機(jī)代表SDN控制器和應(yīng)用端的集合，通過(guò)計(jì)算機(jī)直接模擬出SDN控制器向每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令和查詢的過(guò)程。所有的鏈路都是全雙工。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示。

共進(jìn)行10組測(cè)試，每組測(cè)試時(shí)間為10 s，每組測(cè)試中依然將節(jié)點(diǎn)的緩存設(shè)為600，在開(kāi)始的時(shí)候一次性隨機(jī)向節(jié)點(diǎn)發(fā)送2 000個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)設(shè)為3，新分配的流量包將進(jìn)行優(yōu)先級(jí)隨機(jī)分配。所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

丟包率變化，即墓志銘中數(shù)據(jù)量的變化如圖1。圖中：橫軸為時(shí)間，共記錄了10 s的傳輸過(guò)程；縱軸為丟包率。

本次實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有采用符合泊松分布的ON/OFF網(wǎng)絡(luò)流量模型，而是選用了隨時(shí)間勻速向網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的流量源。因此，在遇到網(wǎng)絡(luò)擁塞的時(shí)候，由于源節(jié)點(diǎn)的分配依然是隨機(jī)的，因此擁塞節(jié)點(diǎn)將會(huì)繼續(xù)被分配新的流量任務(wù)，而此時(shí)由于節(jié)點(diǎn)處于擁塞狀態(tài)，因此新的被分配的任務(wù)全部丟包，造成大量丟包。而且隨著時(shí)間的增加，丟包現(xiàn)象會(huì)加劇。這是由實(shí)驗(yàn)流量發(fā)送源的恒定發(fā)送速率決定的。

表1 資源分配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

名稱參數(shù)鏈路帶寬/Mbps10鏈路延遲/ms10最小數(shù)據(jù)包/Byte500最大數(shù)據(jù)包/Byte1500節(jié)點(diǎn)緩存600轉(zhuǎn)發(fā)延遲/ms10

圖1中：在發(fā)送速率為800包/s的時(shí)候，在第10 s開(kāi)始出現(xiàn)丟包；在900包/s的時(shí)候，丟包時(shí)間提前到了第8 s；在1 000包/s的時(shí)候，第7 s就開(kāi)始丟包了。除了這些時(shí)間以外，其他時(shí)間均未出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。說(shuō)明本算法在擁塞控制上具有優(yōu)勢(shì)。除了發(fā)送節(jié)點(diǎn)在擁塞節(jié)點(diǎn)這種情況難以避免之外，其余的各種情況下，擁塞現(xiàn)象都得到了很好的避免，顯示出本算法的優(yōu)越性。

圖1 丟包率變化

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照，再選用同樣的參數(shù)，模擬傳統(tǒng)路由資源分配算法進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)。將系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法改成簡(jiǎn)單的最短路徑算法，獲得的丟包率變化如圖2。當(dāng)使用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，從第6 s就有丟包現(xiàn)象出現(xiàn)，而且隨著發(fā)送速率不斷增大，丟包現(xiàn)象呈現(xiàn)越來(lái)越嚴(yán)重趨勢(shì)。這是由于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)擁塞的處理比較被動(dòng)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生擁塞之后，依然會(huì)選擇擁塞節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸中轉(zhuǎn)。如果短時(shí)間內(nèi)擁塞得不到解決，會(huì)影響周圍的節(jié)點(diǎn)的正常流量傳輸，從而使更多的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入擁塞狀態(tài)。而系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法通過(guò)對(duì)比不同路徑的優(yōu)先級(jí)，淘汰掉擁塞節(jié)點(diǎn)的路徑選擇暢通路徑，可以有效降低丟包率。

圖2 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)丟包率

由圖3所示，可以觀察到在數(shù)據(jù)包發(fā)送速率在400包/s左右時(shí)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)的隊(duì)列平均長(zhǎng)度基本保持不變，網(wǎng)絡(luò)對(duì)流量的處理速度和發(fā)送速率大致持平。而當(dāng)發(fā)送速率更低時(shí)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)的隊(duì)列平均長(zhǎng)度隨時(shí)間變化不斷變短直至隊(duì)列長(zhǎng)度僅為新加入的任務(wù)長(zhǎng)度。而當(dāng)發(fā)送速率更高的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)平均隊(duì)列長(zhǎng)度不斷增加，可以預(yù)測(cè)到，隨著時(shí)間的不斷推移，最終將會(huì)導(dǎo)致?lián)砣陌l(fā)生和丟包現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖3 隊(duì)列長(zhǎng)度變化

由隊(duì)列長(zhǎng)度變化圖像可以看出，隨著新的任務(wù)不停被加入，節(jié)點(diǎn)內(nèi)平均隊(duì)列長(zhǎng)度基本呈光滑的曲線變化，變化速度十分均勻。這說(shuō)明算法對(duì)于節(jié)點(diǎn)隊(duì)列的調(diào)配很均衡，網(wǎng)絡(luò)管理員對(duì)于網(wǎng)絡(luò)流量的走向可以有一個(gè)很好的預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)于流量的路徑計(jì)算和路由隊(duì)列管理也只能分開(kāi)進(jìn)行，很容易造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞，對(duì)鏈路的利用率也很低。系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法基于SDN架構(gòu)，硬件規(guī)格高度統(tǒng)一，底層硬件的安裝和配置變得異常方便。由于計(jì)算性能的質(zhì)的提高，使得SDN架構(gòu)可以支持更加復(fù)雜的算法，系數(shù)優(yōu)先的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配算法就是其中之一。由于綜合考慮了流量類型、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、鏈路狀態(tài)和路徑長(zhǎng)度，本算法初步做到了對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)配的統(tǒng)一。通過(guò)綜合考慮資源分配中的每個(gè)因素，達(dá)到高鏈路利用率和低丟包率，同時(shí)還可以保證擁塞現(xiàn)象的避免。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本算法丟包率低，鏈路利用率高、節(jié)點(diǎn)隊(duì)列浮動(dòng)平滑。

本研究是對(duì)SDN進(jìn)行資源管理相關(guān)應(yīng)用的探索，還存在一定不足，如本算法對(duì)SDN控制器以及應(yīng)用端的計(jì)算性能要求過(guò)高，由此造成的硬件難題很難解決。未來(lái)工作包括：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀態(tài)和業(yè)務(wù)需求，在流表修改，控制器與交換機(jī)交互，實(shí)機(jī)檢測(cè)等方面做更加全面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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(責(zé)任編輯 楊黎麗)

A SDN-Based Elastic Resource Allocation Scheme

WANG Weihua1, WANG Xiaojie2, LENG Yonglin2, NING Zhaolong2

(1.School of Economics, Lanzhou University, Lanzhou 730107, China;2.School of Software, Dalian University of Technology, Dalian 116620, China)

This paper introduces a brand new resource allocation mechanism based on SDN. Countless shortcomings have been witnessed in the architecture of traditional network resource allocation which results in terrible stability together with passive congestion control ability and highly affect user experience. We come up with a resource allocation mechanism based on coefficient which considers factors in effecting resource allocation work. This mechanism gives every factor a priority which depends how resource is allocated. Based on the architecture of SDN, this mechanism can remarkably promote the conventional resource allocation approach. First of all, the paper introduces the background and the development of SDN. Then, the extension of SDN in wireless network is introduced. After that, the paper comes up with the new resource allocation mechanism based on coefficient and some details about its logic and implementation. At last, with simulation experiment, we evaluate the performance of the mechanism which illustrates its advancement.

software defined network；resource allocation mechanism；priority；congestion control

2017-01-09

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61502075)；中國(guó)博士后面上基金資助項(xiàng)目(2015M580224)；遼寧省博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(201501166)

王威華(1994—)，男，主要從事社交網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的研究,E-mail:whwang13@lzu.edu.cn；寧兆龍(1986—)，男，博士，講師，主要從事云計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的研究，E-mail:zhaolongning@dlut.edu.cn。

王威華，王小潔，冷泳林，等.一種基于軟件定義的彈性網(wǎng)絡(luò)資源分配方案[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(7):145-150.

format：WANG Weihua, WANG Xiaojie, LENG Yonglin, et al.A SDN-Based Elastic Resource Allocation Scheme[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):145-150.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.023

TP39

A

1674-8425(2017)07-0145-06