李祝紅，趙燦明，周 方，張信明

(1.國(guó)網(wǎng)安徽電力公司 蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000； 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，合肥 230027) (*通信作者電子郵箱xinming@ustc.edu.cn)

電力通信網(wǎng)絡(luò)中高效的OSPF流量負(fù)載均衡協(xié)議

李祝紅1，趙燦明1，周 方2，張信明2*

(1.國(guó)網(wǎng)安徽電力公司 蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000； 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，合肥 230027) (*通信作者電子郵箱xinming@ustc.edu.cn)

針對(duì)基于開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先(OSPF)協(xié)議的電力通信網(wǎng)絡(luò)中的流量負(fù)載不均衡問(wèn)題，提出兩級(jí)優(yōu)化的OSPF(TSO-OSPF)算法，分別對(duì)OSPF區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間進(jìn)行流量均衡。算法采用帶寬利用率和時(shí)延作為鏈路權(quán)重，根據(jù)路由器的進(jìn)出總流量，將流量過(guò)大的分支分解到多個(gè)路由器，實(shí)現(xiàn)最大流最小化，從而解決電力通信網(wǎng)區(qū)域內(nèi)部和邊界路由器的流量不均衡問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)表明：與OSPF算法相比，TSO-OSPF算法有效均衡了網(wǎng)絡(luò)的流量，并且降低了10%左右的丟包率。

負(fù)載均衡；開(kāi)放最短路徑優(yōu)先協(xié)議；智能電網(wǎng)；電力通信網(wǎng)絡(luò)

0 引言

開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先(Open Shortest Path First, OSPF)協(xié)議[1-3]作為內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議，采用層次化路由，因其收斂速度快，工程較為成熟，在大型的電力通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛[4-6]。同時(shí)OSPF將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成若干區(qū)域，主干區(qū)域都會(huì)與其他區(qū)域交互大量的各種信息，其中包括調(diào)度信息、路由信息、用戶的用電信息等[7-8]。由于OSPF協(xié)議根據(jù)每條鏈路的權(quán)重，采用最短路徑(Dijkstra)算法，因此會(huì)出現(xiàn)多個(gè)路由器同時(shí)選擇一條鏈路權(quán)重較好的鏈路，而當(dāng)這些路由器選擇了這條鏈路并路由時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致這條鏈路的流量過(guò)大；又由于每條鏈路的帶寬是固定的，故在該鏈路上會(huì)產(chǎn)生擁塞，甚至丟包。電力通信網(wǎng)中流量均衡是提高電力通信網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量的前提，也是提高電力通信網(wǎng)穩(wěn)定性的必要因素，因此本文致力于解決在電力通信網(wǎng)中的流量不均衡問(wèn)題。

在OSPF協(xié)議上，F(xiàn)ortz等[9]提出如何確定權(quán)重向量的問(wèn)題，使得在網(wǎng)絡(luò)流量為一個(gè)確定的值時(shí)，區(qū)域內(nèi)的鏈路不會(huì)出現(xiàn)流量過(guò)載，而且此時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能最好,并證明這是一個(gè)完全的NP問(wèn)題。Su等[10]通過(guò)在流量矩陣中人為設(shè)定鏈路權(quán)值從而達(dá)到流量均衡，在這個(gè)基礎(chǔ)上，Sridharan等[11]提出基于鏈路剩余容量的啟發(fā)式算法和動(dòng)態(tài)獲得權(quán)重的啟發(fā)式路由算法；但是并不能很好地解決邊界路由器上的流量不均衡問(wèn)題，而且這些權(quán)值都需要人為預(yù)先設(shè)定。雖然文獻(xiàn)[12-13]致力于利用已知的流量需求和帶寬，設(shè)置邊界路由器的殘樁域的門限，動(dòng)態(tài)地選擇較好的一個(gè)邊界路由器作為這個(gè)區(qū)域的邊界路由器；這樣既可以很好地避免鏈路擁塞，又可以保證不頻繁切換區(qū)域邊界路由器(Area Border Route, ABR)，但是沒(méi)有考慮流量分流的問(wèn)題。

目前在電力通信網(wǎng)中存在以下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

1)區(qū)域邊界流量不均衡。在電力通信網(wǎng)中，邊界路由器負(fù)責(zé)區(qū)域間流量的發(fā)送。在OSPF協(xié)議中，一般按照帶寬作為衡量權(quán)重，使得邊界路由器流量不均衡，導(dǎo)致某些區(qū)域邊界路由器(ABR)成為瓶頸。在可靠的電力通信網(wǎng)中，一般會(huì)采用更換路由器的方式，這樣下一個(gè)路由器又會(huì)由于負(fù)載過(guò)重而崩潰。在不止一個(gè)邊界路由器的情況下，也會(huì)出現(xiàn)頻繁切換ABR，導(dǎo)致整個(gè)電力通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定。

2)電力通信網(wǎng)內(nèi)部流量不均衡。在一個(gè)區(qū)域內(nèi)部，由于某條鏈路的鏈路權(quán)值小，導(dǎo)致頻繁地使用這條鏈路，致使鏈路兩端的路由器負(fù)載過(guò)重，同時(shí)還會(huì)存在一些節(jié)點(diǎn)上沒(méi)有負(fù)載的情況。整個(gè)區(qū)域或者網(wǎng)絡(luò)會(huì)因?yàn)檫@種流量的分配不均衡導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞或者是丟包，需要頻繁地切換選擇新的路徑來(lái)維持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

本文為很好地解決這兩個(gè)問(wèn)題提出“兩級(jí)優(yōu)化”算法，改進(jìn)了傳統(tǒng)的OSPF協(xié)議，定義為TSO-OSPF(Two-Step Optimized OSPF)協(xié)議。在TSO-OSPF協(xié)議中，本文的兩級(jí)優(yōu)化算法指的是先解決在每個(gè)區(qū)域內(nèi)的流量不均衡問(wèn)題，再考慮解決邊界路由器的流量不均衡問(wèn)題。首先，在解決每個(gè)區(qū)域內(nèi)的流量不均衡問(wèn)題時(shí)，本文采用最大流最小化的思想，考慮帶寬利用率和時(shí)延的綜合因素給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的影響，將它們加入到鏈路權(quán)值中進(jìn)行計(jì)算，將流量按照新的權(quán)值進(jìn)行分流，以保證區(qū)域內(nèi)的負(fù)載均衡。其次，本文考慮解決邊界路由器的流量不均衡問(wèn)題。由于邊界路由器承擔(dān)著連接區(qū)域的流量的分配，所以本文按照新定義的權(quán)值和區(qū)域內(nèi)流量的分布，給邊界路由器動(dòng)態(tài)的分配流量，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)部分驗(yàn)證采用TSO-OSPF協(xié)議可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到高效負(fù)載均衡。

1 模型與問(wèn)題

1.1 OSPF流量模型

圖1 電力通信網(wǎng)OSPF流量模型

1.2 OSPF問(wèn)題描述

在劃分區(qū)域的OSPF區(qū)域中，如圖2所示，會(huì)出現(xiàn)以下兩種情況，這兩種情況的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)電力通信網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)也會(huì)使電力通信網(wǎng)的總體性能下降。

情況1 選定ABR1和ABR2作為區(qū)域M1的暫定邊界路由器，ABR6和ABR7作為區(qū)域M3的暫定邊界路由器，假設(shè)ABR7 ? ABR1的流量需求是50 Mb/s，ABR6 ? ABR1的流量需求是100 Mb/s，ABR7 ? ABR2的流量需求是200 Mb/s，ABR6 ? ABR2的流量需求是100 Mb/s。在M1區(qū)域，傳統(tǒng)的OSPF協(xié)議根據(jù)帶寬這個(gè)鏈路權(quán)值會(huì)選擇ABR1路由器為邊界路由器。但是，當(dāng)ABR6 ? ABR1和ABR7 ? ABR1實(shí)際流量在增大時(shí)，ABR1將會(huì)不堪重負(fù)，因帶寬不足導(dǎo)致丟包。此時(shí)如果選擇ABR2作為最終的邊界路由器，不會(huì)因?yàn)閹挷蛔愣鴣G包；但是如果ABR2后面有且僅有一個(gè)路由器承擔(dān)下一跳(詳見(jiàn)情況2)則又會(huì)因?yàn)槁酚善鞯膸捜萘繚M足不了實(shí)際的流量而丟包。所以在動(dòng)態(tài)分配邊界路由器時(shí)應(yīng)考慮4個(gè)因素：帶寬利用率、鏈路質(zhì)量、流量進(jìn)出的均衡以及時(shí)延。

圖2 電力通信網(wǎng)中OSPF出現(xiàn)的問(wèn)題描述

情況2 如圖2所示，在M2區(qū)域中，選定邊界路由器ABR5，同時(shí)ABR3是連通另一個(gè)區(qū)域的邊界路由器，假設(shè)ABR5→ R1的流量需求是80 Mb/s，ABR3→ R1的流量需求是160 Mb/s，但是R1的流量容量是160 Mb/s。當(dāng)ABR6和ABR3產(chǎn)生流量，并通過(guò)R1路由給下一條進(jìn)行路由的情況下，R1會(huì)因?yàn)閹挷蛔悖?60 Mb/s的帶寬無(wú)法承擔(dān)以180 Mb/s的流量速度進(jìn)行路由，從而發(fā)生丟包現(xiàn)象。通常研究會(huì)認(rèn)為這是有關(guān)最大流的問(wèn)題，一般解決方法是多協(xié)議標(biāo)簽交換(Multi-Protocol Label Switching， MPLS)流量工程將最大流分解，在源和目的節(jié)點(diǎn)之間預(yù)留出許多微分支，如果遇到最大流，則把流量往微分支上分解；但是這并不適應(yīng)流量情況變化快的網(wǎng)絡(luò)，即當(dāng)流量不穩(wěn)定，突然增大時(shí)，微分支的鏈路將不能滿足流量需求，且微分支的鏈路質(zhì)量不一定好，這樣會(huì)大大增加丟包率，增加時(shí)延。

針對(duì)這兩種情況，本文最終要達(dá)到在時(shí)延和丟包率比較小的情況下，整個(gè)電力通信網(wǎng)流量均衡的效果。

2 算法描述

2.1 解決思路

為改進(jìn)情況1和情況2，本文提出了基于“兩級(jí)優(yōu)化”算法的TSO-OSPF協(xié)議。本研究發(fā)現(xiàn)兩種情況下，針對(duì)區(qū)域內(nèi)部路由器或者是邊界路由器都存在流量不均衡問(wèn)題，因此，在TSO-OSPF協(xié)議中，本文先統(tǒng)一解決區(qū)域內(nèi)所有鏈路的流量不均衡問(wèn)題。首先，將其抽象成一個(gè)最大流的最小化問(wèn)題，這樣先保證沒(méi)有本質(zhì)的“內(nèi)憂”；其次，最大流的最小化的約束條件發(fā)生變化，傳統(tǒng)的OSPF遵循的約束代價(jià)是帶寬的大小，即考慮到帶寬的代價(jià)，本文需要考慮的代價(jià)是綜合代價(jià)。其次考慮解決邊界路由器的動(dòng)態(tài)分配選擇的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題也將會(huì)考慮最大流的最小化問(wèn)題以及傳輸代價(jià)和帶寬利用率等因素的影響。

2.2 方法描述

在TSO-OSPF協(xié)議中，要使得整個(gè)Mi區(qū)域內(nèi)的流量達(dá)到負(fù)載均衡，那么首先要考慮的是區(qū)域內(nèi)最大流的問(wèn)題，之前會(huì)用保留微分支的方法來(lái)解決負(fù)載不均衡問(wèn)題，也只適用于每個(gè)區(qū)域內(nèi)部?，F(xiàn)在本文整體考慮流量的問(wèn)題。采用微分支的目的在于將最大流分流，減小最大的流量，使得流量均衡，但分支只能減小流量，不能準(zhǔn)確地說(shuō)明最大流的分流是有效的，因此本文使用“最大流最小化”，保證了分流的有效性。同時(shí)在解決“最大流最小化”這個(gè)問(wèn)題所利用的約束條件和權(quán)值本文給予了新的調(diào)整?？紤]到一個(gè)簡(jiǎn)化分析，如圖3所示。

圖3 OSPF有效流量均衡分析模型

對(duì)于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都呈圖3的屬性，由于丟包損失的流量遠(yuǎn)小于其他的流量，因此這里不考慮由于丟包損失的流量。根據(jù)1.1節(jié)中提到的流量性質(zhì)，針對(duì)i節(jié)點(diǎn)，所有的進(jìn)入i節(jié)點(diǎn)的流量加上自身產(chǎn)生的流量應(yīng)等于最終從i節(jié)點(diǎn)流出的流量，即：

在流量為q的前提下目標(biāo)函數(shù)可表示為：

式子表示在Mi區(qū)域，先找到有通過(guò)流量最大的節(jié)點(diǎn)j，將這個(gè)節(jié)點(diǎn)的流最小化，從而使整個(gè)區(qū)域負(fù)載均衡。

目標(biāo)：最小化Uarea(q)。

2.3 算法描述

在2.2節(jié)中本文抽象出來(lái)一個(gè)最小化區(qū)域中最大流的方法同時(shí)利用約束條件得到較好的結(jié)果。除此之外，TSO-OSPF協(xié)議需要考慮的是一個(gè)全區(qū)最優(yōu)的解。本文抽象出來(lái)了一個(gè)最大流最小化的新權(quán)值的問(wèn)題，從而保證流量均衡的算法。這個(gè)算法是全局適用的，但是還要考慮OSPF區(qū)域劃分的情況。如果用上述2.2節(jié)的算法進(jìn)行均衡整體的流量，那么會(huì)帶來(lái)的問(wèn)題是傳統(tǒng)OSPF大多面臨的問(wèn)題:交換信息過(guò)于龐大，所以在TSO-OSPF協(xié)議中，應(yīng)該繼續(xù)考慮邊界節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡。

3)在其余節(jié)點(diǎn)中，若流量有超過(guò)邊界流量閾值的，按照2.2節(jié)的情況動(dòng)態(tài)地處理。

①若在{Aarea_t}和{ABRarea_i}集合中只有極少量的節(jié)點(diǎn)流量負(fù)載過(guò)重，而且它們是這些節(jié)點(diǎn)中的核心節(jié)點(diǎn)，那么只能采用2)中的核心算法，將其負(fù)載的流量均衡化。

在上面算法的基礎(chǔ)上借助OPNET和Matlab完成仿真實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)的仿真平臺(tái)是基于Matlab和OPNET Modeler 14.5，并在此仿真平臺(tái)上進(jìn)行區(qū)域劃分和TSO-OSPF及OSPF路由協(xié)議的仿真和計(jì)算。拓?fù)湟?guī)模設(shè)定為100 km×100 km大小，取用蕪湖市電力通信網(wǎng)作為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中包括?4臺(tái)路由器和54條有線鏈路，并分成了5層，每一層就是OSPF的一個(gè)區(qū)域。路由器間節(jié)點(diǎn)鏈接設(shè)置為100BaseT局域網(wǎng)鏈路，默認(rèn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)為3個(gè)100Base_TLAN邏輯子網(wǎng)的出口。本文在帶寬為50 000 bit/s的情況下，取α=1,β=1的情況下對(duì)電力通信網(wǎng)路徑(節(jié)點(diǎn)39至節(jié)點(diǎn)18)的時(shí)延、流量變化和丟包率進(jìn)行仿真。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

從圖4可以看出，由于TSO-OSPF采用兩級(jí)優(yōu)化，動(dòng)態(tài)調(diào)整區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間的流量，所以會(huì)比傳統(tǒng)的OSPF的時(shí)延更小。

圖4 既定路徑平均時(shí)延變化曲線

圖5描述了在既定路徑上流量的變化趨勢(shì)?？梢钥闯霎?dāng)流量到達(dá)不同節(jié)點(diǎn)時(shí)，虛線表示的流量忽大忽小，很不均衡。TSO-OSPF由于采用了最大流的分流技術(shù)，將其轉(zhuǎn)化成一個(gè)在多項(xiàng)式可解的問(wèn)題，將最大流減小，因此，流出的流量比較均衡，有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖5 既定路徑流量變化曲線

如圖6所示，在330 s時(shí)既定路徑經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)13流量達(dá)到峰值，此時(shí)傳統(tǒng)的OSPF丟包率也達(dá)到了峰值，即流量的突然增大的節(jié)點(diǎn)，丟包率也急劇增大。TSO-OSPF協(xié)議由于采用不同的可選路徑，盡量避免了流量的堆積，這樣在整個(gè)的過(guò)程中丟包率較傳統(tǒng)的OSPF協(xié)議減小了10%左右。

圖6 既定路徑丟包率變化曲線

表1展示了TSO-OSPF協(xié)議和OSPF協(xié)議下，從既定路徑(節(jié)點(diǎn)39到節(jié)點(diǎn)18)的數(shù)據(jù)分析。從表1中可以看出，在代價(jià)上由于傳統(tǒng)的OSPF采用最短路徑，所以路徑代價(jià)比較小，但是在其他指標(biāo)方面TSO-OSPF協(xié)議表現(xiàn)出了良好的性能。從流量的方差上看，顯然TSO-OSPF協(xié)議比較穩(wěn)定，結(jié)合圖7可以看到流量是均衡的，而且還減小了時(shí)延，這樣的變化會(huì)使得在小的丟包率的情況下，信息傳遞更快速。

表1 從節(jié)點(diǎn)39到節(jié)點(diǎn)18的代價(jià)

4 結(jié)語(yǔ)

為了均衡電力通信網(wǎng)的流量，避免由于流量不均造成的路由器負(fù)載過(guò)重的現(xiàn)象，同時(shí)為了提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率，包括吞吐率、時(shí)延和丟包率3個(gè)方面，本文提出了兩級(jí)優(yōu)化算法的TSO-OSPF協(xié)議，將一個(gè)NP完全問(wèn)題轉(zhuǎn)化成在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)可解的算法，并優(yōu)化配置了邊界路由器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)的OSPF協(xié)議進(jìn)行對(duì)比，獲得了很好的效果。

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This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China (61672485, 61379130).

LIZhuhong, born in 1974, M. S., senior engineer. His research interests include smart grid, electric power information network.

ZHAOCanming, born in 1983, M. S., engineer. His research interests include smart grid, electric power information network.

ZHOUFang, born in 1993, M. S. candidate. Her research interests include wireless network, smart grid.

ZHANGXinming, born in 1964. Ph. D., professor. His research interests include wireless networks, smart grid.

Efficientandloadbalancedopenshortestpathfirstprotocolinelectricpowercommunicationnetwork

LI Zhuhong1, ZHAO Canming1, ZHOU Fang2, ZHANG Xinming2*

(1.WuhuPowerSupplyCompany,AnhuiElectricPowerCompanyofStateGrid,WuhuAnhui241000,China;2.SchoolofComputerScienceandTechnology,UniversityofScienceandTechnologyofChina,HefeiAnhui230027,China)

To solve the traffic load-imbalance problem in electric power communication networks based on Open Shortest Path First (OSPF) protocol, an efficient Two-Step Optimized OSPF Protocol (TSO-OSPF) algorithm was proposed to balance the traffic in intra-area and inter-area of OSPF respectively. The bandwidth utilization and delay were adopted as link weights, the inward and outward traffic of a router was considered, the overloaded branches were decomposed into multiple routers to minimize the maximum traffic flow, thus the traffic-imbalance problem of internal and boundary router in the electric power communication networks was solved. The simulation results show that the TSO-OSPF algorithm can effectively balance the traffic in the network and reduce the packet loss rate by about 10% compared with the OSPF algorithm.

load balance; Open Shortest Path First (OSPF) protocol; smart grid; electric power communication network

TP393.071

:A

2017- 01- 24;

:2017- 03- 14。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61379130, 61672485)。

李祝紅(1974—)，男，安徽懷寧人，高級(jí)工程師，碩士，主要研究方向：智能電網(wǎng)、電力信息網(wǎng)絡(luò)； 趙燦明(1983—)，男，安徽太湖人，工程師，碩士，主要研究方向：智能電網(wǎng)、電力信息網(wǎng)絡(luò)； 周方(1993—)，女，安徽宿州人，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、智能電網(wǎng)；張信明(1964—)，男，安徽天長(zhǎng)人，教授，博士，CCF高級(jí)會(huì)員，主要研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、智能電網(wǎng)。

1001- 9081(2017)07- 1873- 04

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.07.1873