電子通信系統中的分流控制器設計與實現

摘 要： 傳統方法大都通過特定的硬件實現通信系統的負載分流，但是硬件產品的擴展性和靈敏性，制約了系統負載分流的質量，系統存在負載失衡的危險。因此，為提高電子通信系統的負載均衡，基于動態 Hash 算法，設計并實現電子通信系統分流控制器，該分流控制器利用 Telnet 組件，對路由器進行遠程部署，借助SNMP 組件獲取路由器內的流量，對當前變量進行管理，使用TFTP服務器向路由器反饋命令文件，確保路由器接口流量的均衡化。分流控制器通過動態更新與均衡模塊、預處理模塊以及均衡分流模塊三大功能模塊，完成電子通信系統的分流控制；采用基于流量的動態 Hash 算法，實現系統流量的均衡。給出分流控制器塑造策略路由的規范關鍵代碼。實驗結果表明，所設計的分流控制器下的電子通信系統的傳輸時延、傳輸速率以及分流誤差三個指標都較優，實現了網絡負載均衡的最優化。

關鍵詞： 電子通信系統； 分流控制器； 負載均衡； 動態 Hash 算法

中圖分類號： TN911?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）12?0110?04

Abstract： In order to improve the load balance of electronic communication system， a shunt controller for electronic communications system was designed and implemented based on dynamic Hash algorithm. With the shunt controller， remote login is realized for the router by utilizing Telnet component， and the flow in the router is acquired through SNMP component to adjust the current local variables， and feed the command files back to the router through the TFTP server according to all these variables to ensure the output flow equalization at the router interface. The shunt control of the shunt controller in electronic communications system is fulfilled through three function modules of dynamic update and equilibrium module， pretreatment module and equilibrium distribution module. The dynamic Hash algorithm based on traffic flow is used to realize the flow equilibrium of the system. The standard key code shaped by policy routing of the shunt controller is given. The experimental results show that transmission delay， transmission rate and shunt error of electronic communication system with the shunt controller are excellent， with which the network load balancing optimization can be realized.

Keywords： electronic communication systems； shunt controller； load balance； dynamic Hash algorithm

0 引 言

隨著通信技術的快速發展，電子通信系統在人們生產和生活中的應用領域逐漸擴大。由于電子通信網絡帶寬的快速增長，要想增強通信系統路由器 IP 報文采集、分析和操作的效率，需要采用多處理機對報文進行協同操作，對多個處理機進行流量的負載均衡具有重要作用[1]。傳統方法大都通過特定的硬件，實現通信系統的負載分流，但是硬件產品的擴展性和靈敏性，制約了系統負載分流的質量[2]。通過分流控制器軟件，實現電子通信系統中的路由器在自身的分流狀態下的 IP報文分流，確保系統負載均衡[3?4]。

當前研究出的分類方法存在較多的弊端，如文獻[5]采用輪轉法完成通信系統流量的負載控制，其通過輪轉的方式依次將申請發送到不同的服務器。但是該方法較簡單，存在申請服務時間長的缺陷。文獻[6]通過最小連接法對網絡流量進行調度，其基于服務器當前工作的連接數分析服務器的負載狀態。但是其對系統資源消耗過大，不能有效描述實際的系統應用負載。文獻[7]通過最低缺失法中的均衡部件，存儲節點的申請狀態，將下個申請傳遞到歷史操作申請最低的節點，實現系統負載的均衡，該種方法需要通過UDP 包的專用技術檢測節點，存在較大的局限性。文獻[8]提出的融合加權方法和輪轉法的系統資源負載方法，其按照節點的優先級和負載狀態，塑造負載均衡的調制隊列，隊列內采用輪轉法實現負載的均衡，隊列外基于優先級順序實現均衡操作。該方法雖然具備較高的處理精度，但存在效率低的缺陷。

為了提高電子通信系統的負載均衡，基于動態 Hash 算法，設計并實現了電子通信系統分流控制器，該分流控制器可完成路由器的均衡分流操作，實現電子通信網絡負載均衡的最優化。

1 電子通信系統中的分流控制器設計與實現

1.1 系統總體結構

采用動態Hash算法的負載均衡算法，可塑造電子通信系統中的分流控制器，借助軟件檢測來管理該分流控制器，當出現分流行為時，通過動態Hsah算法對其實施策略分流，確保各路由器可在自身的分流狀態下完成IP報文分流，實現電子通信系統負載的均衡化。分流控制器系統總體結構如圖1所示。

該分流控制器利用 Telnet 組件，實現遠距離登錄和配置路由器，通過SNMP 組件采集路由器中所有的流組和接口的流量，并調整本地變量，依照這些變量調試所有接口的流組，通過TFTP服務器將命令文件反饋給路由器，確保路由器所有接口的輸出流量均衡，最終實現路由器接口輸出流量均衡的目標，確保電子通信系統負載的均衡化。

1.2 系統功能模塊

分流控制器通過動態更新與均衡模塊、預處理模塊以及均衡分流模塊三大功能模塊，完成電子通信系統的分流控制。各功能模塊的作用如下：

1.2.1 動態更新與均衡模塊

根據及時采集的流組和接口的流量，分流控制器基于流量大小將接口按從大到小的順序排列，各個接口只能幫助相應的一條隊列進行修護，流組信息可以儲存到節點中，通過利用這些流組信息實現策略分流。其中包括三大步驟，具體介紹如下：

（1） 采集流量。分流控制器分析SNMP的客戶端模塊需求，將SNMP 的GET 申請反饋給路由器，并采集接口的流量與所有接口上的流組的流量，確保本地所有接口可完成一條流組隊列的修護工作，同時調整本地流組隊列中的節點，將所有接口的流量按照從大到小的順序排列，為能夠順利完成后續的策略分流奠定基礎。

（2） 策略分流。通過動態Hash 算法獲取的分流方案，對各個接口的平均流量進行運算，隨后利用平均流量獲取所有接口和平均流量之間的差值，按照這個差值實現有序分列的目的，如果接口的差值高于 0，則應重新劃分該接口的流組，需以差值從大到小的順序完成流組的劃分，流量最大接口的流組需要與流量最小的接口相銜接，而哪個流組能與流量最小的接口相銜接，主要取決于差值與所有接口的流組的大小。經過一系列操作后，路由器的設置將被整理完善，隨后記載到相關文檔，這樣屢次進行調配。

（3） 文件配置。分流策略通過流量將有關設置的信息記載到對應的文檔中，之后這個文檔將發送到路由器上。

1.2.2 預處理模塊

為了滿足用戶的特定要求，需對路由器IP報文進行預處理，如有用的信息要及時發送，反之要給予刪除，再對IP報文進行均衡分流。例如，要求用戶獨立測試HTTP 報文，就必須將源端口或目的端口為 80 的 IP 報文反饋到處理機上實施有效的操作，因此一部分多余的處理機就不能均勻地獲取這些報文，那么應該在流量均衡方案實施前，運行用戶自定義的路由方案。

1.2.3 均衡分流模塊

分流控制器通過操作路由器，實現對電子通信系統中的分流進行均衡控制，詳細的過程如下：

（1） 新建路由器。當用戶首次使用一個路由器時，第一步，應該創建一個新的路由器，需要完善路由器地址、類型、登錄密碼等參數，直到分流控制器與路由器另外的參數融合，并進行原始參數的設置后，用戶統計路由器接口IP地址和掩碼等參數，并決定使用的接口種類；第二步，分流控制器依據動態Hash算法的均衡分流策略，完成初始化路由器流量的控制。

（2） 打開路由器。在用戶只有一個路由器文檔的前提下，根據開啟此路由器的設置文檔，用于根據開啟此路由器的設置文檔，可塑造與路由器之間的關聯條件，該路由器文檔能夠獲得路由器的接口 IP 地址和掩碼，還能依照接口的種類獲得后續路由器的 IP 地址列表。當初始化結束后，通過動態Hash 算法開始路由器流量的均衡操作。

（3） 設備狀況獲取。依照用戶創建的時間間隔，分流控制器可以及時收集當下的路由器狀況以及數據信息，通過動態曲線的形式呈現路由器接口的流量調整結果，若接口存在錯誤，則實行相關操作來解決問題。

（4） 動態均衡。路由器接口的流量信息被分流控制器及時采集之后，需要通過動態Hash算法完成流量的運算和調控，以便于路由器接口的流量可以達到各個用戶的使用標準，如果不符合用戶的標準，則再次通過動態Hash算法完成均衡調控。

設計的分流控制器CAN總線如圖2所示，其由ISA總線、獨立CAN通信控制器SJA1000、總線收發器82C250和高速光電藕合器6N137等組成。

2 基于動態 Hash 算法實現路由器流量的均衡

為了提高電子通信系統的負載均衡，基于動態 Hash 算法，同時控制多個路由器進行均衡分流，調整分流策略，以達到更好的分流效果，實現系統負載均衡。

動態 Hash 算法通過兩階段 Hash的方法，先采用Hash函數將全部的 IP 分割成不同的流組，為各流組設置標識Uione；二次動態Hash函數的輸入值為Uione，函數運算結果對應于路由器的輸出接口。分析輸出接口的流量情況，對動態Hash函數進行調控，可確保分配到高流量接口中的流組，調整到低流量接口中，實現輸出接口流量的動態均衡。動態Hash算法實現路由器流量均衡的過程為：

（1） Hash 分組。將路由器IP報文中的CRC?32當成Hash 分組的輸入參數，能夠實現分組后各流組流量的一致，具有較高的均衡分流效果。

（2） 流量更新與流組調整。各流組通過一個變量保存當前的流量，每完成一次流量調控后，對該變量值進行調整，并按照各流組的流量，對流組同接口間的對應關系進行管理，確保各接口趨于均衡。

（3） 動態調整的策略。通過最先適應法，分析路由器接口流量差值需求，完成路由器各流組流量的調控。最先適應法在調控流組流量時，基于次序采集可調控的流組，確保采集流組的接口流量小于等于變換流組的接口流量，直到完成全部變換接口的流組。

3 代碼設計

所設計的電子通信系統中的分流控制器中的所有部件都通過樹型方式描述，基于防火墻（ICF）節點，塑造策略路由的規范（screen），并且基于該規范對源目 IP 地址、地址反掩碼以及源目端口區域進行分割，并塑造策略路由規范選擇的案例。路由器中策略路由部件的關鍵代碼如下：

4 實驗分析

通過實驗分析本文設計的分流控制器的性能優劣。實驗分別從不同分流方法對某電子通信網絡的傳輸時延、傳輸速率以及分流誤差三個方面，對比分析本文方法和輪轉方法下的通信系統負載均衡控制效果。

4.1 不同分流方法對傳輸時延影響分析

實驗分析本文方法和輪轉法設計的分流控制器的性能。從圖3可以看出，本文方法下的分流控制器傳輸時延低于輪轉方法，并且變化較為平穩，而輪轉方法的時延值較高，存在大幅度波動，說明本文方法可提高分流控制器的運行效率，主要是由于本文分流策略能夠從更小的力度上去利用路由資源，達到網絡負載均衡的最優化，提高傳輸效率。

4.2 不同分流方法的平均傳輸速率

如圖4所示，從不同分流算法下的電子通信網絡的平均傳輸速率，能夠看出本文方法的傳輸速率優于輪轉法，本文方法設計的分流控制器下的電子通信系統具備更高的數據傳遞效率。

4.3 不同分流策略對分流誤差的影響分析

分析圖5可得，相對于輪轉方法，本文方法具有更小的分流誤差，能夠對電子通信網絡流量進行準確調度，實現網絡負載均衡。這是由于本文提出的動態 Hash算法，通過兩階段 Hash的方法，依據接口的報文流量管理動態Hash函數，確保輸出接口的動態均衡，大大提高了電子通信系統中路由器分流準確度。

5 結 論

因此，為提高電子通信系統的負載均衡，基于動態 Hash 算法，設計并實現了電子通信系統分流控制器，該分流控制器利用 Telnet 組件，對路由器進行遠程部署，借助SNMP 組件獲取路由器內的流量，對當前變量進行管理，使用TFTP服務器向路由器反饋命令文件，確保路由器接口流量的均衡化。分流控制器通過動態更新與均衡模塊、預處理模塊以及均衡分流模塊三大功能模塊，完成電子通信系統的分流控制；采用基于流量的動態 Hash 算法，實現系統流量的均衡。給出了分流控制器塑造策略路由的規范關鍵代碼。實驗結果說明，所設計的分流控制器下的電子通信系統的傳輸時延、傳輸速率以及分流誤差三個指標都較優，實現了網絡負載均衡的最優化。

參考文獻

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