在域内路由器节点上配置流量的方法.pdf

本发明提出一种在域内路由器节点上配置流量的方法，包括：S1.中央控制器计算节点之间传输的流量值；S2.建立流量矩阵；S3.初始化网络链路权重和网络链路负载的最优间隙阈值；S4.得到全局链路的最优网络链路负载值；S5.计算每个源节点到目的节点的最优路由；S6.计算新的网络链路权重；S7.计算网络链路负载的最优间隙值，并判断是否小于网络链路负载的最优间隙阈值，是执行步骤S8，否执行步骤S4；S8.判断是否存在等值多路径，是执行步骤S9，否执行步骤S10；S9.计算流分离比例，将新的网络链路权重和流分离比例配置到源-目的节点对上；S10.将新的网络链路权重和单一路径的流量值配置到源-目的节点对上。根据本发明，网络运营商能够按照自身需求灵活地调整路由策略，兼顾网络的性能、耗能和鲁棒性。

权利要求书1.   一种在域内路由器节点上配置流量的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：中央控制器收集域内所有节点的广播信息，计算各个所述节点之间传输的流量值；S2：建立流量矩阵，行数和列数均等于节点数目，矩阵元素的值为所述矩阵元素所在行所对应的源节点需要传输到所述矩阵元素所在列所对应的目的节点的流量值；S3：初始化网络链路权重和网络链路负载的最优间隙阈值；S4：根据所述网络链路权重，计算每条链路的最优网络链路负载值，得到全局链路的最优网络链路负载值；S5：根据所述流量矩阵，计算每个源节点到所述目的节点的最优路由，其中，所述最优路由包括源‑目的节点对使用的链路序列以及在每条链路上分配的流量值；S6：根据所述全局链路的最优网络链路负载值和最优路由计算新的网络链路权重；S6：根据所述全局链路的最优网络链路负载值和所述源‑目的节点对在每条链路上分配的流量值计算网络链路负载的最优间隙值，并判断是否小于网络链路负载的最优间隙阈值，如果是，则执行步骤S8，如果否，则执行步骤S4；S8：判断每个所述源‑目的节点对使用的路由是否存在等值多路径，如果是，则执行步骤S9，如果否，则执行步骤S10；S9：对每个存在等值多路径的源‑目的节点对，根据所述全局链路的最优网络链路负载值计算所述源‑目的节点对中每条等值路径上的流分离比例，所述中央控制器将新的网络链路权重和流分离比例配置到相应的源‑目的节点对上；S10：所述中央控制器将新的网络链路权重和单一路径的流量值配置到相应的所述源‑目的节点对上。2.   如权利要求1所述的在域内路由器节点上配置流量的方法，其特征在于，所述等值多路径为从同一个源节点到同一个目的节点的多条路径。3.   如权利要求1和2所述的在域内路由器节点上配置流量的方法，其特征在于，所述源‑目的节点对上的流分离比例，如果所述源‑目的节点对中仅存在单一路径，则所述源‑目的节点对上的流分离比例设置为1，如果存在所述等值多路径，则每条路径所对应的流分离比例值介于0～1之间，并且全部流分离比例值的和为1。

说明书在域内路由器节点上配置流量的方法
技术领域
本发明属于互联网内路由协议及算法研究技术领域，具体涉及一种在域内路由器节点上配置流量的方法。
背景技术
随着全球气候变暖问题的日益凸显，互联网的能耗问题也受到越来越多的关注。当前，各种网络设备及其冷却系统的能耗问题给互联网的绿色、健康、可持续发展造成了严峻的挑战。网络运营商（Internet Service Provider，ISP）通常利用流量工程的手段，通过调整路由策略来实现域内网络流量管理的目的。然而，传统的路由算法要么仅仅关注如何提升网络的性能，却忽视了能耗问题，要么以降低用户性能体验为前提来实现节能的目标。事实上，网络运营商更希望能够根据自身的业务需求动态地调整路由策略和目标，以权衡网络性能和耗能之间的关系。另外，在权衡这两者之间关系的过程中，链路失效的情况无法避免，而对网络中的路由进行频繁地配置是运营商最不希望面对的情形。因此，兼顾性能与耗能的高鲁棒性域内路由协议将是未来的主要发展方向。
在域内路由体系中，传统的路由算法从流量均衡的角度出发，将网络流量分配到尽量多的路径上，以降低网络的最大链路利用率，避免拥塞现象的发生，提高网络的性能。这样做的弊端在于，流量均衡使得网络链路的整体利用率偏低，如交换机、路由器等许多网络设备在低负载甚至空载的时候依然保持全功率运转，导致了极大的能源浪费。从节能的角度考虑，路由算法应该使网络流量汇聚在较少的路径上，让尽量多的网络链路空闲出来，从而使对应的网络设备处于休眠状态，以此大幅降低能耗开销。由此可见，路由算法对于网络的性能与耗能是至关重要的。然而，在将流量以某种最优的方式分配到各个链路上时，由于链路失效带来的重配置开销也是非常巨大的，因此，网络运营商要真正实现按照自身业务需求调整网络性能和耗能的关系，就一定要使路由算法在保证高鲁棒性的前提下，具有能量感知的特性。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的目的在于提出一种在域内路由器节点上配置流量的方法，包括以下步骤：S1：中央控制器收集域内所有节点的广播信息，计算各个所述节点之间传输的流量值；S2：建立流量矩阵，行数和列数均等于节点数目，矩阵元素的值为所述矩阵元素所在行所对应的源节点需要传输到所述矩阵元素所在列所对应的目的节点的流量值；S3：初始化网络链路权重和网络链路负载的最优间隙阈值；S4：根据所述网络链路权重，计算每条链路的最优网络链路负载值，得到全局链路的最优网络链路负载值；S5：根据所述流量矩阵，计算每个源节点到所述目的节点的最优路由，其中，所述最优路由包括源‑目的节点对使用的链路序列以及在每条链路上分配的流量值；S6：根据所述全局链路的最优网络链路负载值和最优路由计算新的网络链路权重；S7：根据所述全局链路的最优网络链路负载值和所述源‑目的节点对在每条链路上分配的流量值计算网络链路负载的最优间隙值，并判断是否小于网络链路负载的最优间隙阈值，如果是，则执行步骤S8，如果否，则执行步骤S4；S8：判断每个所述源‑目的节点对使用的路由是否存在等值多路径，如果是，则执行步骤S9，如果否，则执行步骤S10；S9：对每个存在等值多路径的源‑目的节点对，根据所述全局链路的最优网络链路负载值计算所述源‑目的节点对中每条等值路径上的流分离比例，所述中央控制器将新的网络链路权重和流分离比例配置到相应的源‑目的节点对上；S10：所述中央控制器将新的网络链路权重和单一路径的流量值配置到相应的所述源‑目的节点对上。
优选的，所述等值多路径为从同一个源节点到同一个目的节点的多条路径。
优选的，所述源‑目的节点对上的流分离比例，如果所述源‑目的节点对中仅存在单一路径，则所述源‑目的节点对上的流分离比例设置为1，如果存在所述等值多路径，则每条路径所对应的的流分离比例值介于0～1之间，并且全部流分离比例值的和为1。
根据本发明的在域内路由器节点上配置流量的方法，在互联网现有域内路由机制的基础上简单修改路由表结构，具有良好的可部署性，使网络运营商能够按照自身需求灵活地调整路由策略，兼顾网络的性能、耗能和鲁棒性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明实施例的在域内路由器节点上配置流量的方法的流程图；
图2是本发明实施例的基于能量感知的互联网域内路由框架示意图；
图3是本发明实施例的网络流量值的流分离结构示意图；
图4是本发明实施例的路由算法调节网络中最大链路利用率与耗能关系的仿真图；
图5是本发明实施例与传统算法在网络链路负载方面的对比示意图；
图6是本发明实施例与传统路由算法在数据包传输延迟方面的性能比较示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，为本发明实施例的在域内路由器节点上配置流量的方法的流程图，并结合如图2所示的基于能量感知的互联网域内路由框架示意图，包括以下步骤：
S1：中央控制器收集域内所有节点的广播信息，计算各个节点之间传输的流量值。
S2：建立流量矩阵，行数和列数均等于节点数目，矩阵元素的值为矩阵元素所在行所对应的源节点需要传输到矩阵元素所在列所对应的目的节点的流量值。
S3：初始化网络链路权重和网络链路负载的最优间隙阈值。
在这里需要说明的是，初始化的网络链路权重为1，初始化的网络链路负载的最优间隙阈值为1.0×10‑3。
S4：根据网络链路权重，计算每条链路的最优网络链路负载值，得到全局链路的最优网络链路负载值。
S5：根据流量矩阵，计算每个源节点到目的节点的最优路由，其中，最优路由包括源‑目的节点对使用的链路序列以及在每条链路上分配的流量值。
S6：根据全局链路的最优网络链路负载值和最优路由计算新的网络链路权重。
S7：根据全局链路的最优网络链路负载值和源‑目的节点对在每条链路上分配的流量值计算网络链路负载的最优间隙值，并判断是否小于网络链路负载的最优间隙阈值，如果是，则执行步骤S8，如果否，则执行步骤S4。
S8：判断每个源‑目的节点对使用的路由是否存在等值多路径，如果是，则执行步骤S9，如果否，则执行步骤S10。
在这里需要说明的是，等值多路径为从同一个源节点到同一个目的节点的多条路径。
S9：对每个存在等值多路径的源‑目的节点对，根据全局链路的最优网络链路负载值计算源‑目的节点对中每条等值路径上的流分离比例，中央控制器将新的网络链路权重和流分离比例配置到相应的源‑目的节点对上。
S10：中央控制器将新的网络链路权重和单一路径的流量值配置到相应的源‑目的节点对上。
在这里需要说明的是，源‑目的节点对上的流分离比例，如果源‑目的节点对中仅存在单一路径，则源‑目的节点对上的流分离比例设置为1，如果存在等值多路径，则每条路径所对应的的流分离比例值介于0～1之间，并且全部流分离比例值的和为1。
在本发明的实施例中，为了实现域内路由器节点对网络流量值的按比例分离，对现有的路由表项进行了简单修改，每条路由表项基本信息域包括目标子网、下一跳路由器、出端口及流分离比例。对于某一目标子网，如果仅存在唯一的下一跳，则该路由表项中的流分离比例设置为1，如果存在多个下一跳，则每个下一跳对应的流分离比例值介于0～1之间，并且全部流分离比例值的和为1。
如表1所示，为本发明实施例的路由表项结构表，并结合如图3所示的网络流量值的流分离结构示意图，为了在路由器的控制平面实现流分离机制，引入基于哈希的流分离结构。哈希函数可表示为y=h(x)，其中x为下一跳路由器标识，y为流分离比例。
表1路由表项结构表

当网络运营商需要调整网络流量值管理目标时，首先使用中央控制器收集域内路由器节点广播信息，建立当前网络的流量矩阵，再计算两套网络链路负载：第一套是根据现有网络链路权重计算每条链路的最优网络链路负载值，第二套是根据网络的流量矩阵计算的所有源‑目的节点对的最优路由，最优路由包括源‑目的节点对使用的链路序列以及在每条链路上分配的流量值。然后通过不断缩小两套链路负载的最优间隙值，得到新的网络链路权重以及流分离比例。计算过程结束以后，中央控制器将计算结果配置到对应的域内路由器节点中，即配置到相应的源‑目的节点对上。
具体的计算过程，主要在三个目标之间进行权衡，分别是网络性能、网络能耗以及鲁棒性。下面分别建立起网络性能模型、网络节能模型以及鲁棒性模型。
首先建立网络性能模型，将网络建模成有向图G=(N,E)，其中N是顶点集，E是有向弧集。设集合N有N个元素，E有E个元素。这里v∈N代表域内路由器节点，l=(u,v)代表从路由器u到路由器v的链路，用cl表示链路l的容量，用M代表所有源‑目的节点对的集合。对于每一个m∈M，源节点sm，目的节点tm，从sm到tm的平均流量密度是dm。这里，源节点集{sm:m∈M}和目的节点集{tm:m∈M}都是N的子集。
设链路l上的负载为fl，源‑目的节点对m∈M在链路l上分配的流量值为传统路由算法中，流量工程通常使用基于多商品流问题（Multi‑Commodity Flow，MCF）的费用函数φ(f)，其中f=(fl:l∈E)，且φ关于fl是增函数。这里通过最小化最大链路利用率（Maximum Link Utilization，MLU），来达到性能指标上的目标，在这里需要说明的是，最小化最大链路利用率的英文全拼为Minimizing Maximum Link Utilization，缩写形式为MMLU。