专利名称：基于第3代移动通信网络监管的负载平衡方法
技术领域：
本发明方法是一种应用于3G (3「d Generation,第3代移动通信)移动网络监管 系统中的负载平衡方法，它基于分布式系统，考虑了系统中的随机时延，是一种 动态的负载平衡方法。属于信息安全领域。
背景技术：
3G移动通信技术主要包括3大标准体系中国的TD-SCDMA标准，欧R的WCDMA 标准和美国的CDMA2000标准。3G网络将在数字通讯中占据不可替代的地位，但同 时也给国家安全和社会稳定带来了很大隐患。恐怖分子、间谍和各种犯罪分子将 犯罪的途径由固定网络逐渐转移到移动网络，使其具有更大的隐蔽性。因此针对 3G移动网络监管的形式闩趋严峻。与互联网络等固定网络相比，3G网络具有传输 速度快、业务种类丰富以及业务流量大等特点，通过固定网络IP地址定位锁定犯 罪嫌疑人的监管方法己远远不能满足3G网络监管的要求。若采用大型计算机进行 3G监管处理，成本将会很高，部署起来也比较困难。
由于分布式系统在处理大流量数据时具有性价比高、局部实时性好、配置灵 活和可靠性高等优点，将其应用于3G网络监管十分合适。分布式监管系统是通过 负载平衡算法实现节点间的负载合理分配，从而提高系统监管效率。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种基于第3代移动通信网络监管的负载平 衡方法，可以在节点之间对3G网络中大流量数据进行合理分配，从而为后端实现 3G移动网络监管的实时解析、过滤处理，节省了系统资源，提高了整体网络监控 的效率。
技术方案本发明采用分布式负载平衡算法对3G网络中的大流量数据进行分 流解析、过滤，从而实现对3G网络中数据内容的监管。
分布式系统(distributedsystem, —种计算机硬件的配置方式和相应的功能配置 方式。它是一种多处理器的计算机系统，各处理器通过网络构成统一的系统)架 构下的动态负载平衡(dynamic load balancing,根据系统中各个节点处理负载 快慢的不同，自适应、动态地将负载分配到各计算节点中去)方法。本发明的基于第3代移动通信网络监管的负载平衡方法采用分布式系统的架 构，系统中的W个节点都采用负载平衡算法，节点/上负载的动态情况的微分方程 形式描述如下
e,("李,-C,(, + A,)-2X(0 + ZV-r,,) + J,C
其中Q.( + A/)表示在(M + A。的时间间隔内，节点/的负载量；g,(/)表示在f时 刻节点i中的负载量；C,(f + AO表示在C + Af]的时间间隔内，节点/完成的负载 量；丄,.,(0表示在^时刻节点/发送给节点_/的负载量；丄,^)表示在/时刻节点y发
送给节点/的负载量，^表示节点y发送给节点/的负载到达节点/时所经历的负载
转移时延；(r,f + 表示在0，Z + Af]的时间间隔内，系统外部到达节点/的新负 载量；
所述负载平衡算法流程如下
1) 分布式系统中的节点/不断接收截取第3代移动通信网络数据的负载，并 判定是否有其它节点发送到达的负载；若有，则接收该负载；然后判定本节点的 负载数丄,.是否超过系统初始设置的阈值丄,w ;
2) 若未超过阈值I^w，节点!'就在本节点上处理负载，每完成一项负载转回歩 骤l);
3) 若超过阚值4^，节点/向系统中的其它节点发送获取信息请求，并获得其 它节点的实时负载数信息^,/ = 1..."，_/^,节点处理速度信息///，_/ = 1...",_/^;
4) 节点/计算平均负载数1;和多余负载数^:
计算发送给其它节点的负载，其中《表示增益因子，可以人为设置；A.,表示节 点/转移多余负载的百分比，计算方式如下
其中巧,)表示节点./的负载数与平均负载数的差值，
根据负载分配策略的计算，节点/将多余的负载发送给轻载节点，完成一次负载平 衡，转回歩骤l),
(丄,+2>.,)
Zf =丄,-丄,
其中//,.为节点/的处理速度，丄,为其它节点的负载量， 5)节点/根据负载分配策略如下负载转移时受到负载转移时延的影响，根据一种局域网环境下负载转移时延的 计算方法来计算，计算方法如下
其中《表示节点i根据负载平衡算法发送负载给节点./所经历的负载转移时延；
^表示r二时刻的网络状况，即转移一项负载的时延，它服从参数为/l的泊松分布；
丄,,(7:)表示第VV次负载平衡时，节点/转移给节点/的负载量。
节点/上负载的动态情况的微分方程形式为在(/" + A/]的时间间隔内，节点 z的负载量g,(f + Ar)取决于^时刻节点/的负载量0( )，节点/完成的负载量 C," + A )、节点/接收其它节点发送來的负载量2丄,^-、)、节点/发送给其它节 点的负载量J]W以及系统外部到达节点/的^^鈒量+ 。
负载分酷策略在特定的负载平衡时刻，节点发送给其它节点的负载量取决于 该节点是否存在多余的负载《、该节点转移多余负载的百分比以及一个人为设 定的增益因子《。
局域网环境下负载转移时延的计算方法是在特定的负载平衡时刻，节点/发
送给节点y'的负载所经历的负载转移时延不仅取决于转移的负载量；(7:),还取
决于负载转移时刻的网络状况^。
有益效果本发明提供了一种基于3G监管的负载平衡方法。由于3G网络具
有传输速度快、业务种类丰富以及业务流量大等特点，采用传统的监管方式已不
能实现对3G网络中数据的有效监管。采用基于3G监管的负载平衡方法利用了分 布式系统在处理大流量数据时具有性价比高、局部实时性好、配置灵活和可靠性 高等优点，节点之间能动态地进行负载平衡，并且考虑了随机时延对系统可能造 成的影响。这种方法有效地节省了 3G监管所耗费的资源，同时能保证整个监管系 统稳定、有效地运行。
图1是3G监管系统结构示意图； 图2是每个节点的负载平衡算法流程图。
具体实施例方式
分布式负载平衡算法发展过程中出现了几种典型的算法，如发送者主动算法、 接收者主动算法、梯度模型算法、分层负载平衡算法等，但这些算法或者未考虑 分布式系统中时延的影响，或者假设时延是确定的。若将这些算法应用于时延不 确定的环境下，这些算法将很难达到原先预计的性能。因此，本发明采用一种随 机时延的分布式动态负载平衡模型。该方法采用分布式系统架构，系统中的n个节点都采用负载平衡算法，节点/上负载的动态情况的微分方程形式描述如下
狄+ AO = e, (0 - C, (" ) - (0 + Z丄,,( — r,,) + J, (, + A,)
./力
其中-
* 2(/ + &)表示在("+厶。的时间间隔内，节点z'的负载量；g,W表示在f时刻节 点/中的负载量；
參C,( + AO是速率为/z,的泊松过程，描述在("/ + "]的时间间隔内，节点!'完成 的负载量；
參2:,,(0表示在/时刻节点/发送给节点/的负载量。注意，对于节点/来说，只有 在负载平衡时刻t;，/ = 1，2，... ， (0才不为零；
々(0表示在/时刻节点y发送给节点/的负载量。同样对于节点y來说，只有在
负载平衡时刻77，/ = 1，2，...， Z"O才不为零。^表示节点_/发送给节点/的负载到 达节点,时所经历的负载转移时延；
參J,(M + AO表示在(W + ^]的时间间隔内，系统外部到达节点z'的新负载量，其 中 /,( ， )是一个复合泊松过程，即J,(W + M卜1^,^,^A , r,是外来负载的到 达时间(服从速率为/l,的泊松过程)，//4^ = 1，2...)是一个整数随机变量，表示第A:
次到达节点的负载量。
在特定的负载平衡时刻7;'，/ = 1，2,...,所有"个节点都服从一个统一的负载分配 策略，这个策略需要考虑分布式系统中各节点的负载量状况，艮P:
;=(q w, e, (, )，…)=a, . c,./=i…",■/ -
其中
參x表示增益因子，其取值会影响到负载平衡进行的次数和每次负载平衡时转移
的负载量；
* A,表示节点/转移多余负载的百分比，显然有Z二,^-1，其中凡=0; *《表示节点/多余的负载量。 '
本发明采用选择分配策略如工所示
严=/■ 一7"
A'一lo, 其它
其中，巧,)表示节点/的负载数与平均负载数的差值，若巧,^0，则节点/是重 载节点，若co，则节点/是轻载节点。
即节点/根据计算得到的A,将一定比例的多余的负载分配给轻载节点。为了计算负载转移时经历的负载转移时延，本发明采用一种局域网环境下的负 载转移时延模型如下所示
其中
c表示7:时刻的网络状况，即转移一项负载的时延，它服从参数为/l的泊松分 布；<formula>formula see original document page 8</formula>
參^,(7:)表示第w次负载平衡时，节点/转移给节点_/的负载量。
本方法采用的是超出阈值负载平衡机制，即根据节点存储资源的多少、节点处
理负载速度以及外来负载到达节点速度等因素设置阈值丄,w ,每个节点判定自身 的负载数是否超过阈值￡,^，若超过，则进行负载平衡。 基于3G监管的分布式动态负载平衡算法流程如下
1) 分布式系统中的节点/不断接收截取第3代移动通信网络数据的负载，并 判定是否有其它节点发送到达的负载；若有，则接收该负载；然后判定本节点的 负载数Z,是否超过系统初始设置的阈值丄,^;若未超过，节点/就在本节点上处理 负载，每完成一项负载转回步骤l);
2) 若超过阈值丄,w，节点i'向系统中的其它节点发送获取信息请求，并获得其
它节点的实时负载数信息丄,，/:l.』J^，节点处理速度信息A,)-l..."，jVZ;
3) 节点/计算平均负载数；和多余负载数^:<formula>formula see original document page 8</formula>
其中M为节点!'的处理速度，^为其它节点的负载量，
4) 节点Z'根据负载分配策略如下<formula>formula see original document page 8</formula>计算发送给其它节点的负载，其中K表示增益因子，可以人为设置；A,表示节 点/转移多余负载的百分比，'计^_方式如下<formula>formula see original document page 8</formula>
其中g,.)表示节点y的负载数与平均负载数的差值，若^,,20，则节点./是重载 节点，若^:,)<0，则节点./是轻载节点。
根据负载分配策略的计算，节点z将多余的负载发送给轻载节点，完成一次负 载平衡，转回歩骤l)，负载转移时受到负载转移时延的影响，根据一种局域网环境下负载转移时延的 计算方法来计算，计算方法如下
其中《表示节点/根据负载平衡算法发送负载给节点./所经历的负载转移时延； ^表示7:时刻的网络状况，即转移一项负载的时延，它服从参数为/l的泊松分布； ^,(《,)表示第w次负载平衡时，节点f转移给节点./的负载量。
本发明中的分布式系统监管系统在3G核心网中的位置如图1所示。 分布式系统中的每个节点由一台PC组成。所有w个节点与3G核心网数据截 获系统通过交换机连接。3G核心网数据截获系统将不同类型的业务分发到不同的 "个节点上。
设节点z'接收来自3G核心网数据截获系统截获的数据负载，并判定是否有其 它节点发送到达的负载；若有，则接收该负载；然后判定本节点的负载数丄,是否 超过系统初始设置的阈值丄,w，若未超过，节点/就在本节点上处理负载。
若节点Z'的负载数A超过系统初始设置的阈值丄,一 ，就发起与其它W-1个节点 的socket连接，并发送获取信息请求。当节点/收到来自其它w-l个节点回复的
实时负载数信息^，/ = 1..."，/#/和节点处理速度信息///,/ = 1.."，7^之后，节点〖 根据公式
耳=~~|^T~",+|^,)
计算平均负载数z;和多余负载数^ 。然后将其它w-i个节点的实时负载数信息减 去平均负载数z;，即《c^-z;，若巧,)<0，说明此节点是一个轻载节点，节 点z的多余负载zr只是有选择地分配给轻载节点。分配的比例根据公式
lo, 其它
来计算。综上所述，节点/可以由计算得出向其它W-l个节点发送负载的负载量为
其中K根据系统初始人为设置所确定。
节点/向所有将要接收负载的轻载节点发起socket连接，随后发送相应的负
载Z,.,。由于负载转移会受到当前时刻:c网络状况的影响，用^来表示，即转移一
项负载的时延，因此节点/向某一轻载节点转移所有负载、的时延为 zTj^^xZ^Tay^l...^/^/,即经过z;'时延后，轻载节点/收到來自节点Z发送 的负载。这样就完成了一次负载平衡的过程。
9
权利要求
1、一种基于第3代移动通信网络监管的负载平衡方法，其特征在于该方法采用分布式系统的架构，系统中的n个节点都采用负载平衡算法，节点i上负载的动态情况的微分方程形式描述如下<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>Q</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>Δt</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub> <mi>Q</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub> <mi>C</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>Δt</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><munder> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>≠</mo><mi>i</mi> </mrow></munder><msub> <mi>L</mi> <mi>ji</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><munder> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>≠</mo><mi>i</mi> </mrow></munder><msub> <mi>L</mi> <mi>ij</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub><mi>τ</mi><mi>ij</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub> <mi>J</mi> <mi>i</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>Δt</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009100327450002C1.tif" wi="112" he="8" top= "48" left = "47" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中Qi(t+Δt)表示在(t，t+Δt]的时间间隔内，节点i的负载量；Qi(t)表示在t时刻节点i中的负载量；Ci(t+Δt)表示在(t，t+Δt]的时间间隔内，节点i完成的负载量；Lji(t)表示在t时刻节点i发送给节点j的负载量；Lij(t)表示在t时刻节点j发送给节点i的负载量，τij表示节点j发送给节点i的负载到达节点i时所经历的负载转移时延；Ji(t，t+Δt)表示在(t，t+Δt]的时间间隔内，系统外部到达节点i的新负载量；所述负载平衡算法流程如下1)分布式系统中的节点i不断接收截取第3代移动通信网络数据的负载，并判定是否有其它节点发送到达的负载；若有，则接收该负载；然后判定本节点的负载数Li是否超过系统初始设置的阈值Lthrd；2)若未超过阈值Lthrd，节点i就在本节点上处理负载，每完成一项负载转回步骤1)；3)若超过阈值Lthrd，节点i向系统中的其它节点发送获取信息请求，并获得其它节点的实时负载数信息Lj，j＝1...n，j≠i，节点处理速度信息μj，j＝1...n，j≠i；4)节点i计算平均负载数<overscore>Li</overscore>和多余负载数Liex<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mover> <msub><mi>L</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>‾</mo></mover><mo>=</mo><mfrac> <msub><mi>μ</mi><mi>i</mi> </msub> <mrow><msub> <mi>μ</mi> <mi>i</mi></msub><mo>+</mo><msubsup> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mrow><mi>n</mi><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msubsup><msub> <mi>μ</mi> <mi>j</mi></msub> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>L</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <munderover><mi>Σ</mi><mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn></mrow><mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </munderover> <msub><mi>L</mi><mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>L</mi> <mi>i</mi> <mi>ex</mi></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>L</mi> <mi>i</mi></msub><mo>-</mo><mover> <msub><mi>L</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>‾</mo></mover> </mrow>]]></math></maths>其中μi为节点i的处理速度，Lj为其它节点的负载量，5)节点i根据负载分配策略如下<maths id="math0004" num="0004" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>L</mi> <mi>ji</mi></msub><mo>=</mo><mi>K</mi><mo>·</mo><msub> <mi>p</mi> <mi>ji</mi></msub><mo>·</mo><msubsup> <mi>L</mi> <mi>i</mi> <mi>ex</mi></msubsup><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>≠</mo><mi>i</mi> </mrow>]]></math></maths>计算发送给其它节点的负载，其中K表示增益因子，可以人为设置；pji表示节点i转移多余负载的百分比，计算方式如下<maths id="math0005" num="0005" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>L</mi> <mrow><mi>j</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>ex</mi></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>L</mi> <mi>j</mi></msub><mo>-</mo><mover> <msub><mi>L</mi><mi>i</mi> </msub> <mo>‾</mo></mover> </mrow>]]></math></maths>其中Lj(i)ex表示节点j的负载数与平均负载数的差值，根据负载分配策略的计算，节点i将多余的负载发送给轻载节点，完成一次负载平衡，转回步骤1)，负载转移时受到负载转移时延的影响，根据一种局域网环境下负载转移时延的计算方法来计算，计算方法如下<maths id="math0006" num="0006" ><math><![CDATA[ <mrow><msubsup> <mi>τ</mi> <mi>j</mi> <mi>w</mi></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>r</mi> <mi>w</mi></msub><mo>×</mo><msub> <mi>L</mi> <mi>ji</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <msubsup><mi>T</mi><mi>w</mi><mi>i</mi> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>j</mi><mo>≠</mo><mi>i</mi> </mrow>]]></math></maths>其中τjw表示节点i根据负载平衡算法发送负载给节点j所经历的负载转移时延；rw表示Twi时刻的网络状况，即转移一项负载的时延，它服从参数为λ的泊松分布；Lji(Twi)表示第w次负载平衡时，节点i转移给节点j的负载量。
2、 根据权利要求1所述的基于第3代移动通信网络监管的负载平衡方法，其特征在于节点/上负载的动态情况的微分方程形式为在(/，, + A/]的时间间隔内，节点/的负载量0(f + Af)取决于/时刻节点/的负载量0切，节点/完成的负载量 C,々+ A0、节点/接收其它节点发送来的负载量2^( -^,)、节点/发送给其它节 点的负载量Z以及系统外部到达节点/的负-鈹量J力+ M)。
3、 根据教利要求1所述的基于第3代移动通信网络监管的负载平衡方法，其 特征在于负载分配策略在特定的负载平衡时刻，节点发送给其它节点的负载量取 决于该节点是否存在多余的负载丄^、该节点转移多余负载的百分比A,以及一个人为设定的增益因子/:。
4、 根据权利要求1所述的基于第3代移动通信网络监管的负载平衡方法，其特征在于局域网环境下负载转移时延的计算方法是在特定的负载平衡时刻，节点/发送给节点y的负载所经历的负载转移时延不仅取决于转移的负载量；(7:)，还取决于负载转移时刻的网络状况^ 。
全文摘要
基于第3代移动通信网络监管的负载平衡方法采用了分布式系统的架构，在一种节点i上负载的动态情况的微分方程形式的基础上，针对第3代移动通信网络监管的特点，提出了改进后适用于第3代移动通信网络监管的负载平衡算法。该算法节省了监管系统的资源，同时能保证监管系统稳定、有效地运行，满足第3代移动通信网络监管的需求。
文档编号H04W28/02GK101583156SQ20091003274
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月19日 优先权日2009年6月19日
发明者秦中元, 杰 黄, 黄秋岑 申请人:东南大学