一种SDN中多媒体流的联合定价和带宽分配方案的制作方法

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种在多媒体流应用中高峰时段场景中对应用联合定价、带宽分配和用户选择问题进行优化的资源管理算法，能够在保证应用程序服务质量的基础上对延迟敏感用户及不敏感用户与带宽资源之间的匹配进行优化，取得更好的能效，有效地解决高峰时段的拥堵问题。

背景技术：

随着数据流量的巨大增长，尤其是多媒体流量的增加，对流量需求波动产生了巨大的影响。时间相关定价(tdp)是峰值时间拥塞管理的可能解决方案，实现提高整体带宽利用率并减少不必要的投资费用，使互联网服务提供商(isp)通过将需求从高峰时间转移到非高峰时间来平缓流量波动，这对isp建设新的基础设施以扩大其网络容量具有重要的意义。

tdp属于商业网络中的定价策略，通过根据用户消费数据的时间以及消费的数据量向用户收费来解决峰值时间拥塞问题，可以应用在智能市场、垄断市场等方面。商业网络不同于简单扩大产能的纯技术解决方案，通过用户对数据包进行投标、非高峰收费折扣或博弈论等方法来解决收益优化问题，从而在保证用户qos和可用带宽限制的情况下最大化isp的收入。

而当使用tdp定价算法时，需要明确带宽分配以满足用户的qos要求，通过网络控制功能与数据传递分离，sdn使用户按需协商qos参数。isp监控流量需求并设置拥塞价格，价格被用作指示网络拥塞水平的信号，以激励用户将他们的交通需求从高峰时间转移到非高峰时间。

在以往的定价方案中，往往只是控制了特定时间段内的总数据使用量，或者在带宽分配时只能应用于小规模网络，而在控制峰值时间拥塞方面效率低下。为了在取得较高的经济效益的前提下，保证带宽分配限制下的用户qos，需要基于价格的带宽消耗调度以及通过stackelberg游戏测试isp和用户的竞争互动，并通过密集模拟验证方案。

技术实现要素：

本发明首先模拟了多媒体流应用的用户在高峰时间是否选择推迟流量为其他延迟敏感的用户腾出带宽的场景，以缓解高峰时段的流量拥堵为目标，提出了一种基于stackelberg博弈解决sdn中峰值时间带宽资源和用户需求的匹配和多媒体流应用联合定价问题的时间相关定价(tdp)算法。该算法考虑到多媒体流应用程序的服务质量需求，在保证多媒体流应用程序的服务质量的前提下，优化用户和带宽资源之间的匹配，并获得最大化的能效。

具体过程如下：

1)图1为sdn系统模型图，可编程sdn控制器在模型中作为“大脑”工作，并负责所有网络控制逻辑。控制器使用openflow等协议来配置其回程网络中的交换机，并对通过的不同应用流量应用不同的控制策略。通过将网络控制功能与数据传递分离，sdn使用户能够按需协商qos参数。考虑由l条逻辑链路(有线或无线)组成的启用sdn的网络，并且对于多媒体流应用(其他应用利用剩余带宽)，在每个链路l∈l保留总带宽bl。为简单起见，将多媒体流用户称为用户，为多媒体流应用保留的带宽称为可用带宽。

时间被分成多个时隙，每个时隙的长度用τ表示。在时隙t中，链路l上的一组用户由st(l)表示。通过sdn控制器提供的开放api，每个用户s都可以指定其带宽要求，即当链路l的可用带宽不足以满足所有用户的带宽需求时，链路l被标记为拥塞链路，相应的时隙t被标记为高峰时隙，即

sdn控制器动态监视每个链路上的流量需求，并且只要它们在高峰时间保持连接，就通知用户将要施加的拥塞价格。这样，一些预算较低的延迟容忍用户可以自愿推迟他们的流量，以节省他们的月费。另一方面，用户可以监控和响应时间相关的价格，通过考虑自己的喜好来决定是否保持联系，若选择推迟他们的流量，则可以在他们自己指定的时间段内被告知最新的拥塞价格。在估计总流量需求时，这种用户被认为是潜在用户，即

若用户s选择在峰值时隙t保持连接，则用户s需支付的拥塞价格ps，t表示为：

式中的pt代表单位拥塞价格，并根据实时流量负荷情况而变化。

2)为了确定最优单位拥塞价格pt，通过考虑实时流量负荷以及用户对延迟的偏好，采用stackelberg游戏来确定。由于isp有确定拥塞价格的优先级，因此使用stackelberg游戏来模拟isp与用户之间的竞争交互。具体而言，isp是决定每个时隙t的pt的领导者，而用户是决定是否在高峰时间推迟其流量的跟随者。设bs，t为用户s在时隙t的响应函数，若用户s在时隙t中保持连接，则bs，t等于1；否则bs，t等于0。即当价格利益足以补偿延迟成本时，用户推迟其流量；否则保持连接。其中，isp和用户都是理性的决策者。

由于isp提供保证qos的服务，因此带宽分配不再是多媒体流用户的主要关注点。因此，设效用为延迟的函数，cs(ds)表示当流量服务被延迟ds时用户s的延迟成本。

cs(ds)＝θsf(ds)

其中，θs是用户相关因子，表示其效用函数的规模，即延迟灵敏度；f(ds)表示延迟成本函数。

其中，表示当流量再延迟一个长度为τ的时隙时，用户s的边际延迟成本。用户s的最佳响应为：

用户s的净收益为：

因此，时隙t中的链路l上的预期流量需求表示为：

其中，是用户s在时隙t中保持连接的概率；φ(θs)是θs的概率密度函数。

为了简化模型，假设延迟成本函数f(ds)为指数函数，用户相关因子是独立的，且均匀分布在区间(0，1)中。

因此，预期流量需求可表示为：

其中，表示用户s在时隙t中选择推迟流量的概率。

3)由于isp的最终目标是优化收入，因此需要推导出与时间相关的拥塞价格pt。

a)首先考虑用户的流量遍历单个拥塞链路l，若用户在峰值时隙t期间保持连接，则用户s需支付的拥塞价格为使isp的收入增长。因此，isp的收入可表示为：

其中，表示用户s在时隙t中保持连接的概率。对任意的纳什均衡为则：

其中，b-s，t表示除了用户s之外的其他所有用户的响应向量。因此，最佳拥塞价格pt可以通过求解以下式子来获得：

由上述式子得：

使目标函数对pt的一阶导数为0，则：

其中，|st(l)|为st(l)中的用户数量。对目标函数求二阶导数，其结果小于0，因此最佳拥塞价格为：

b)考虑用户流量遍历多个拥塞链路的情况，假设存在l个逻辑链路，则lt(s)表示用户s的流量在时隙t中遍历的拥塞链路集。为优化isp的收益，需要确定每个链路l∈l上时隙t的拥塞价格，即pl，t。isp的收入如下：

因此，在时隙t中最佳拥塞价格可以通过求解以下式子来获得：

根据贪婪算法可以获得每个链路上的最佳拥塞价格，由此，当某些链路的可用带宽不足时，应用带宽消耗调度可以满足所有用户的需求，即通过现有的流量自适应路由协议在整个网络中平衡流量负载。该方法可以与现有的路由协议兼容。

附图说明：

图1是sdn系统模型图。

图2是本发明提出的延迟成本函数的示意图。

图3是本发明提出的平均峰值率和每小时到达率的关系。

图4是本发明提出的平均延迟和每小时到达率的关系。

图5是本发明提出的平均延迟灵敏度和每小时到达率的关系。

具体实施方式

本发明的实施方式分为两个步骤，第一步为建立模型，第二步为算法的实施。其中，建立的模型如图1所示，它和

技术实现要素：
中在sdn中多媒体流应用高峰时段场景中将时间相关定价应用于带宽消耗调度完全匹配；而算法的结果由图3和图4给出，他们与发明内容中基于定价策略的stackelberg算法，优化用户、互联网服务提供商与带宽之间的匹配完全对应。图1是sdn系统模型图；图2是延迟成本函数的示意图。

1)对于sdn系统模型，可编程sdn控制器在这种架构中作为“大脑”工作，并负责所有网络控制逻辑。控制器使用openflow等协议来配置其回程网络中的交换机，并对通过的不同应用流量应用不同的控制策略。低拥堵价格可能无法改变足够的需求，导致有限的拥堵缓解效应；另一方面，高拥堵价格可能会将大部分需求转移到传统的非高峰时间，让传统的非高峰时间成为新的高峰时间。

2)为了解决上述问题，因此，需要制定stackelberg游戏来分析isp和用户之间的交互。tdp用作sdn中的激励机制，以激励用户转移其延迟容忍的流量需求，并在峰值时间内为延迟敏感的应用释放资源。通过考虑实时流量负载以及用户对延迟的偏好来确定每个时隙中采用的拥塞价格。

对于本发明，进行了大量仿真。假设用户的请求到达遵循泊松分布，且持续时间遵循指数分布，平均值为1小时。为模拟全天的流量波动，选择[0：00，8：00](休息时间)、[8：00，20：00](办公时间)和[20：00，24：00)(后续时间)，分别作为典型的非高峰时间，中峰值时间和高峰时间，请求到达率分别为每小时60，120和240。此外，在(0,20)mbps的间隔中随机选择所需的带宽。延迟灵敏度均匀分布在(0,1)的区间内。时隙长度为0.1小时，链路l的可用带宽为2gbps。

图3为每个方案在转变流量需求方面的表现，以降低峰值平均值(par)。其中，提出算法的曲线为通过在可用带宽约束下求解收益优化问题来确定每个峰值时隙的最佳拥塞价格pt。可以看出，与固定定价方案相比，本发明提出算法方案的平均par大大降低。图4和图5是本发明提出的平均延迟和平均延迟灵敏度与每小时到达率的关系。用户的平均延迟和平均延迟灵敏度都随着到达率的增加而延迟增加。在本发明提出算法的价格激励下，延迟用户的平均延迟灵敏度低于所有用户的平均延迟敏感度，可见，延迟容忍用户改变其流量需求，并在峰值时间为延迟敏感用户释放资源，从而有效地实现了用户将需求从高峰时间段转移为非高峰时间段，平缓了流量波动。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。