一种基于sdn集中控制的骨干网能耗优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及IP骨干网节能技术领域，具体是指一种基于SDN(Software Defined Networks，软件定义网络）集中控制的骨干网能耗优化方法。
【背景技术】
[0002] 统计表明，全球能耗8%来自 ICT(Information Communication Technology，信息 通信技术）。ICT能耗15%来自网络。近年来，随着移动互联网、物联网及云计算技术普及， IP骨干网能耗激增，IP骨干网能耗问题亟待解决。运营商为满足日益增长用户需要，必须 部署足够密集网络用来应对高峰期用户QoS (Quality of Service，服务质量）。研究发现， 网络负载在时间维度上具有明显的不均衡性，且网络负载高峰期是短暂，可预测的。因此， 在通常情况下，IP骨干网平稳期是可预测、长期存在的。这使得IP骨干网节能成为可能。
[0003] 当前大部分骨干网以OSPF(Open Shortest Path First，开放最短路径优先）作为 路由协议，因此目前绝大多数节能路由策略基于OSPF协议。据节能策略与OSPF协议对应 关系，节能策略可分为两类：覆盖型；集成型。覆盖型节能策略与OSPF路由协议完全独立。 这类路由节能策略存在重大缺陷：运行时会大范围改变网络拓扑，造成积网络拓扑大面积 重计算，导致网络暂时瘫痪。集成型路由策略集成在OSPF路由协议中，与OSPF -体，不但 节能，而且运行时尽量减少对网络拓扑的改变，不会引发网络暂时瘫痪问题。
[0004] 现有基于OSPF提出的启发式算法，通过遍历所有可能拆除链路的组合来找寻可 能的次优解（参考文件I :Energy management in IP traffic engineering with shortest path routing，E.Amaldi，A.Capone，L.Gianoli，and L.Macetti，2011)。如图 I 所不，流程 为：（I)根据输入的网络拓扑遍历所有的节点，网络拓扑用无向图G(V，E，W)表示，V为网络 节点集合，E为网络拓扑中连接边集合，W为表示链路上对应的权值向量。（2)分别结算节 点与其邻居节点的SPT (Shortest Path Tree，最短路径树），通过对比两者SPT可以找到 这个节点对能够关闭的链路，同时检查约束条件，将不满足者去除。（3)找到所有可能的节 点对后，将具有相同的两个节点的重复节点对去除。（4)随机以某个节点对为起点，根据其 相兼容的其他节点对的集合一步一步找出所有互相兼容的节点对集合。（5)输出结果。该 算法基于OSPF协议，通过对比相邻节点的SPT来找到满足约束的可睡链路来达到节能的 目的，然而该算法需要遍历所有节点，并计算所有可能的节点对，这样会大大提升计算复杂 度。同时该算法仅仅只考虑了链路的可拆除性，而没有对拆除链路后对网络造成的影响加 以限制，例如网络拓扑改变过大，网络响应时间增加等等。
[0005] 近年来，SDN的兴起，开始改变网络被动性的现状。SND网络架构，与架构静态、控 制转发耦合、管理复杂传统网络架构相比，SDN类型网络架构中控制、转发有效解耦。原网 络节点中控制部分被分离出来，集中置于网络控制器中。相对传统网络架构静态、难于控制 管理、数据平面与控制平面耦合的问题，SDN网络架构中，数据平面与控制平面分离。具有 如下明显特性：灵活性，新拓扑或功能以软件形式实现，使用标准程序设计语言及统一操作 系统；易部署性，在向实际网络或网络试验床上部署功能性协议时，不再需要重新编码和配 置；交互性，真实网络中，对其进行实时管理控制；可扩展性，成千上万交换机组成的网络， 通过便携式电脑即可对其协议环境进行扩展；易共享性，原有协议可以更方便共享。
【发明内容】
[0006] 本发明针对基于OSPF算法计算复杂度高、存在网络拓扑改变过大，网络响应时间 增加的问题，提出了一种基于SDN集中控制的骨干网能耗优化方法。本发明在有效保证用 户QoS(主要侧重于网络响应时间）基础上，找出尽量多可睡链路将其置于睡眠态，达到有 效节能目的。本发明方法设计的节能路由策略属于集成型，即在修改OSPF协议基础上得 到，同时选用SDN作为网络架构。
[0007] 本发明提供的基于SDN集中控制的骨干网能耗优化方法，将IP骨干网络抽象为无 向加权图G(V，E，W)，V为网络中节点集合，E为网络中节点间链路集合，W为节点间链路上 对应的权值。
[0008] 第一步，依据规则1~3获得无向图G中执行move机制的所有move过程；规则 I :move过程的入口节点和出口节点必须邻接；规则2 :-个入口节点只能属于一个move过 程；规则3 :如果一个节点成为一个move过程的出口节点，那么这个节点的最短路径树将不 能再发生改变。
[0009] -个move过程具有一个入口节点和一个出口节点，设入口节点Vp出口节点 '，运 行move机制，获得可睡链路;move机制实现过程为：首先，通过OSPF路由协议计算入口节 点和出口节点的最短路径树spt (Vi)、spt (Vj);然后，比较spt (Vi)和spt (Vj)获得入口节点 的修改路径树Hipt(Vi);最后，比较Spt(V i)与Hipt(Vi)得到可睡链路。Vi、Vj分别为E中第 i个、第j个节点。
[0010] 第二步，确定第一步获得的所有move过程的兼容矩阵C ;矩阵C中元素 Clj用于标 识第i个move过程Iiiovei和第j个move过程move ^是否兼容，若二者兼容c ^值为1，否则 值为〇。
[0011] 若Hiovei被执行后，move 仍可以被执行，则move ;和move 兼容；
[0012] 第三步，根据兼容矩阵C获得无向图H(M，F) ;M表示第一步获得的所有move过程， 每个move过程为一个节点，设共有K个move过程，K为正整数且||E||，||E||表示E 中链路总数；F表示move过程之间的兼容关系，用连接边来表示，两个move过程相连表示 兼容，不相连表示不兼容；用戶表示两个move过程之间不兼容，则得到H的补图
[0013] 将问题：在保证用户QoS的基础上，找出尽量多的可睡链路；抽象为如下满足背包 条件最大团问题，表示如下：
[0015] 其中，Q1表示第i个move过程的可睡链路数量，X i表示第i个move过程是否执 行，（i, j)表示第i个move过程和第j个move过程不兼容，（MPT(i))min表示第i个move 过程的修改路径树的链路权值和在可选的move过程中最小。
[0016] 第四步，求解所述的最大团问题，将获得的可睡链路置于睡眠态。
[0017] 所述的第二步中，判断movejP move ^是否兼容的具体方法是：
[0018] (1)确定moveJPI move』的锁节点集；
[0019] 在一个move过程中，对于一个节点，如果至少有一条经过该节点的路径发生改 变，则该节点为与该move过程相关锁节点；某move过程的锁节点集就是所有与该move过 程相关锁节点的集合；
[0020] (2)当且仅当movej^出口节点不在move。的锁节点集，move。的出口节点不在 movej^锁节点集中，则move ;和move 兼容；否则，move ;和move 不兼容。
[0021] 所述的第四步中求解最大团问题的实现步骤如下：
[0022] 步骤4.1，输入无向加权图6(￥3，1)，寻找运行初始节点1，节点1"1是所有网络节 点中相邻链接点最多的节点；
[0023] 步骤4.2,以乜为入口节点，找到所有以I111为入口节点的move过程，从中选取修 改路径树的链路权值和最小的move过程，作为第一个move过程放入到解集&中；
[0024] move过程的修改路径树是指该move过程的入口节点的修改路径树；
[0025] 步骤4. 3,更新入口节点集合及出口节点集合；
[0026] 对于刚放入解集.?的move过程，在入口节点集合中去除该move过程的入口节点 及出口节点，在出口节点集合中，去除该move过程的入口节点、出口节点以及该move过程 的锁节点集；入口节点集合和出口节点集合初始都包含无向图G中所有节点；
[0027] 步骤4. 4,寻找所有与刚放入解集寫的move过程兼容的move过程，从中选择修改 路径树的链路权值和最小的move过程，放入解集
[0028] 步骤4. 5,判断出口节点集合是否为空，若是，则输出解集芎，根据解集S,:获得可睡 链路；若不为空，则转至步骤4. 3继续执行。
[0029] 相对于现有技术，本发明的优点和积极效果在于：本发明的骨干网能耗优化方法 主要针对IP骨干网，属于集成于OSPF路由协议中的IP层节能路由策略，策略运行时段为 骨干网可预测平稳时段，充分考虑QoS (网络响应时间）。通过对现有方法加以改进，降低 了计算复杂度，同时充分考虑了拆除链路所带来的网络拓扑的改变以及网络相应时间的增 加，提出了相应的解决机制，在保证了服务质量的情况下运行本发明方法，网络响应时间比 现有策略大大减小，网络拓扑的改变也比现有策略少，随着网络复杂度的提升，这种改进的 优势会更加显著。
【附图说明】
[0030] 图1是现有基于OSPF提出的启发式算法流程示意图；
[0031] 图2是IP骨干网节能策略整体架构示意图；
[0032] 图3是本发明实施例所用的网络拓扑结构示意图；
[0033] 图4是本发明实施例中Rl的最短路径树；
[0034] 图5是本发明实施例中R8的最短路径树；
[0035] 图6是本发明实施例中R8的修改路径树；
[0036] 图7是本发明实施例中R2的最短路径树；
[0037] 图8是本发明实施例中R3的最短路径树；
[0038] 图9是本发明实施例中R3的修改路径树；
[0039] 图10是