基于資源調(diào)配的網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載方法研究

張 黎

（平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載方法在運(yùn)行過程中為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源充分利用的目標(biāo)，往往會導(dǎo)致可擴(kuò)展性差以及成本昂貴等問題，而基于基于資源調(diào)配的網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載方法能夠進(jìn)一步細(xì)化網(wǎng)絡(luò)管理，有效降低其運(yùn)行成本[1]。對于網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載技術(shù)，資源調(diào)配不僅能夠為其提供一個成本低廉的流量管理，而且能夠在一定程度上增強(qiáng)其運(yùn)行的靈活性[2]。

本文立足現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載方法，提出基于資源調(diào)配的網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載方法研究。該方法有效繼承了傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢，并加入了資源調(diào)配技術(shù)。

1 基于資源調(diào)配的網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載方法設(shè)計

1.1 網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載方法運(yùn)行流程

網(wǎng)絡(luò)通信具有分布不均、動態(tài)性、局部性以及明顯的大小流等特征，這對其流量的均衡負(fù)載控制有著一定的影響[3]。因此，本文立足于資源調(diào)配，充分利用了SADDN網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架控制的優(yōu)勢。

搜集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息為其分割點，控制器通過鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議，獲取更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｏ蚪粨Q機(jī)傳遞信息，以獲得數(shù)據(jù)信息并統(tǒng)計歸納[4]。根據(jù)信息進(jìn)一步運(yùn)行控制器，選擇運(yùn)行路徑，設(shè)置相應(yīng)的權(quán)重。為了有效均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡程度，還要設(shè)置負(fù)載均衡度，對其進(jìn)行調(diào)度流。根據(jù)調(diào)度流大小來進(jìn)行調(diào)度。如果此時鏈路上有多條滿足條件的大流，則優(yōu)先調(diào)度大流，以實現(xiàn)流調(diào)度和負(fù)載的均衡。

1.2 構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載方法模型

在給定資源調(diào)配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼訖?quán)圖G=(E,V)中，V={V1,V2…Vn}是各個節(jié)點上面的鏈路集，E={e1,e2…en}是各個網(wǎng)絡(luò)鏈路非空節(jié)點集。數(shù)據(jù)從起點S傳輸?shù)浇K點L的路徑被記做為P，（P由多條鏈路所構(gòu)成），P={l1,l2…ln}，該網(wǎng)絡(luò)中總共有n條鏈路，拓?fù)渲懈鱾€鏈路的負(fù)載是{l1,l2…ln}。通過完善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼訖?quán)點，構(gòu)建資源調(diào)配網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼訖?quán)圖。

式（1）中，Li表示當(dāng)前負(fù)載所占用的鏈路帶寬百分比。式（2）中，LMax表示網(wǎng)絡(luò)中的最大鏈路負(fù)載。式（3）中，第i條鏈路為最終的空閑負(fù)載，即LFi。將相應(yīng)的數(shù)字信息帶入到公式中，獲得最終數(shù)據(jù)。

為有效均衡各鏈路負(fù)載量以及網(wǎng)絡(luò)流量，避免出現(xiàn)鏈路堵塞、鏈路過度集中等問題，把路徑空閑帶寬納入到鏈路路徑權(quán)值考慮的因素中。為確保整個網(wǎng)絡(luò)鏈路流量分布，將路徑中鏈路負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)納入到權(quán)值考慮因素中。設(shè)計方法時以最小化最大鏈路負(fù)載為目標(biāo)，以更好地獲取最終的權(quán)值。路徑權(quán)重公式為：

其中，WPath為路徑權(quán)重，LFi是鏈路i的空閑負(fù)載。通過式（4）可以發(fā)現(xiàn)，WPath是路徑空閑負(fù)載的平均值與其標(biāo)準(zhǔn)差值的比值。當(dāng)路徑平均空閑負(fù)載值上升時，其路徑權(quán)重值下降，二者呈反比例關(guān)系。這表明路徑負(fù)載離散值越低，越不易引起鏈路擁塞，且路徑傳輸性能也越好。

整個數(shù)據(jù)傳輸過程中，還要充分考慮到路徑跳數(shù)，需要對路徑選擇進(jìn)行約束，以確保其數(shù)值在有效的范圍。當(dāng)控制器計算路徑時，還應(yīng)當(dāng)檢測目的主機(jī)是否與源主機(jī)在固定邊緣交換機(jī)中。若主機(jī)與源機(jī)在同一固定邊緣層交換機(jī)上，那么將路徑跳數(shù)限制為一跳。如果沒有連接在同一固定邊緣層交換機(jī)上，那么優(yōu)先選擇跳數(shù)較少的路徑中，即選擇拓?fù)渲凶疃痰葍r路徑。只有當(dāng)所有的鏈路負(fù)載超過鏈路負(fù)載門限值時，才能夠?qū)⒘鱾鬏數(shù)狡渌鴶?shù)相對較多的等價路徑中，以確保跳數(shù)的限定，從而保證流的傳輸時延。

1.3 選取負(fù)載均衡的調(diào)度

流量處于高峰時期，由于受突發(fā)性大流的影響，使得網(wǎng)絡(luò)的某些鏈路出現(xiàn)高負(fù)載運(yùn)行的狀況，從而導(dǎo)致鏈路負(fù)載不均勻的問題發(fā)生。因此，負(fù)載均衡調(diào)度時要嚴(yán)格注意鏈路運(yùn)行問題，以有效降低高負(fù)載鏈路問題。設(shè)定負(fù)載均衡度a，由其來判斷鏈路是否存在高負(fù)載問題。

鏈路平均負(fù)載Lavg為：

本文設(shè)定了β為負(fù)載均衡度閾值，用來判定鏈路均衡狀況，同時用來決定是否需要進(jìn)行流調(diào)度。當(dāng)β大于閾值時，需要進(jìn)行流調(diào)度，且此時需要較為頻繁地調(diào)度；當(dāng)β小于閾值時，則不需要對其進(jìn)行流調(diào)度。需要通過對β及其網(wǎng)絡(luò)吞吐量的關(guān)系進(jìn)行測量，以選取最佳的β值。

1.4 確定負(fù)載調(diào)度流

調(diào)度流選取是本文方法的核心部分，直接關(guān)系著該方法的順利運(yùn)行。通常，確定負(fù)載調(diào)度流的方法與選取負(fù)載均衡的調(diào)度方法一致，將選取的調(diào)度方法進(jìn)一步優(yōu)化使用到負(fù)載調(diào)度流的選擇中即可選出最佳負(fù)載調(diào)度流。

1.5 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載

在本文設(shè)計的基于資源調(diào)配的網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載方法中，可以使用Open Flow來控制交換機(jī)，向其發(fā)送查詢請求，同時獲取相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)流量以及鏈路等信息資料，如統(tǒng)計時間周期、收發(fā)數(shù)據(jù)包以及收發(fā)字節(jié)數(shù)等。可以利用周期性監(jiān)測交換機(jī)傳輸流的統(tǒng)計周期和總字節(jié)數(shù)來對大小流進(jìn)行判定。具體流的大小判定公式為：

其中，MT+t為交換機(jī)在T+t時所接收到的流字節(jié)數(shù)，MT為交換機(jī)在T時所接收到的流字節(jié)數(shù)，T是控制器監(jiān)測統(tǒng)計周期。通過式（7）求出具體的流。若此時鏈路上存在多條滿足調(diào)度條件的大流，則實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信的均衡負(fù)載。

2 實驗測試與分析

為驗證本文方法的運(yùn)行效率，與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比實驗。采取Ryu控制器和Mininet控制器作為網(wǎng)絡(luò)仿真實驗平臺，具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗數(shù)據(jù)

由表1可知，在最小權(quán)值為254 243的情況下，傳統(tǒng)方法的通信有效率為76.83%，本文方法的通信有效率高達(dá)93.02%。因此，本文方法比傳統(tǒng)方法的運(yùn)行效率要高。通過數(shù)據(jù)對比可知，本文所研究的基于資源調(diào)配的網(wǎng)絡(luò)通信均衡負(fù)載方法的通信有效率比傳統(tǒng)方法高16.19%。

3 結(jié) 論

本文方法有效結(jié)合了分布式的數(shù)據(jù)平面和集中式的控制平面的優(yōu)勢，使兩個平面合二為一，大大提高了該方法的運(yùn)行效率和運(yùn)行質(zhì)量。本文方法不僅利用了Open Flow技術(shù)完成了全局網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洌€利用實時監(jiān)控有效統(tǒng)計了鏈路的數(shù)量及其流量狀況信息，有效實現(xiàn)了鏈路動態(tài)負(fù)載均衡。最后，通過仿真實驗驗證本文方法能有效提高網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率，且均衡全網(wǎng)負(fù)載。