专利名称：一种在覆盖网络中实现负载均衡的QoS路由分配方法
技术领域：
本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种在覆盖网络中实现负载均衡的QoS 路由分配方法。
背景技术：
覆盖网络技术是指通过在基础网络的关键位置上设立智能的节点，以单播路由方 式连接起来构成的虚拟应用层网络，这种网络位于用户终端与物理网络之间，可以用于实 现特定的应用。相对于底层基础网络而言，覆盖网络层能够监测底层网络上的路由走向、传 输延时、流量分布、拥塞状况、异常故障以及病毒感染流行等状态信息。覆盖网络层一方面 依靠覆盖节点(Overlay Node)相互交换这些信息，另一方面基于这些信息实施智能的控制 和管理手段，如路由探测选择、消灭病毒、流量控制以及内容检索、分类和管理等等。覆盖网络QoS(Quality of krvice)路由是覆盖网络技术的一个重要研究分支， 是在应用层实施QoS控制，提高网络服务质量的主要方法之一，它的优势是在不改变基础 网络结构的情况下，通过选择合适的应用层服务路径对网络流数据的传输范围和分布式资 源的调度模式进行自适应的管理，该技术在分布式系统、网络协作、流量管理等领域有着重 要的应用。然而随着人类社会网络信息化的逐步增强，分布式业务的数量、种类和规模都在 不断增大，而现有网络环境的异构性，吞吐量的波动以及不合理的资源分配导致分布式系 统产生负载不均衡现象，不能满足日益增长的分布式业务的服务质量需求。如何在网络资 源受限、业务竞争激烈的情况下，通过覆盖网络路由实施公平的资源调度，保持网络系统的 负载均衡是覆盖网络QoS的最主要的挑战之一。目前经典的覆盖网络负载均衡QoS路由方法主要有QUEST [1]，PBSP [2]，RBLCP [3] 等，这些方法的基本原理均是推导表征覆盖网络传输、计算资源的消耗代价和的启发式效 用函数，基于最短路径算法搜索最优负载均衡服务路径，有利于选出整体资源消耗较低的 路径。然而该类方法仍存在一定的非公平性，这主要是因为它们没有考虑局部负载较重链 路和节点的资源瓶颈问题。覆盖网络服务路径是由多段覆盖链路和覆盖节点组成，然而这 些链路和节点的能力也存在不均衡的情况，虽然叠加的总体消耗代价低，但是单端链路或 节点的资源消耗率仍然可能较高，因此其出现拥塞的概率也会相对较高，一旦出现异常不 但会影响到运行期内的服务会话，而且可能导致局部网络瘫痪，反而降低系统吞吐量。[l]Xiaohui Gu, Nahrstedt K，Chang，R N，Ward C. QoS-assured service composition in managed service overlay networks. In !Proceedings of 23rdInternational Conference on Distributed Computing Systems. IEEE, May 2003.[2]Li Z, Mohapatra P. QRON :QoS Aware Routing in Overlay Networks. IEEEJournal on SelectedAreas in Communications. IEEE, Feb 2004,22(1) :29—40[3]Ying Bi_di，Chen Hui-fang，Zhu Sun-bin, Qiu Pei-1 iang. RBLCP : improved QoS-aware routing algorithm for overlay networks. Journal of ZhejiangUniversity(Engineering Science), April 2007,41(4) :29—40
发明内容
本发明的目的是提供一种覆盖网络中实现负载均衡的QoS路由分配方法，能够提 高分布式网络系统吞吐量和负载均衡程度。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案
设在已建立的某覆盖网络系统中，存在业务T请求接入，业务T的资源需求为(Bt， Ct)，其中Bt为传输资源的QoS需求，定义为所需要的传输带宽总量，Ct为计算资源的QoS需 求，定义为所需要的计算能力总量；需要在现有的覆盖网络中建立一条端到端服务路径，使 其能满足业务T的QoS需求，则具体路由分配步骤如下，步骤1，根据业务T的资源需求(Bt，Ct)，将覆盖网络系统中不能满足业务T的资源 需求(Bt，Ct)的节点和链路剪除，由此确定有效的覆盖网络空间拓扑G= (V, E)及其中输 入源节点K、输出目标节点Μ, V表示覆盖网络空间拓扑G中所有点的集合，E表示覆盖网络 空间拓扑G中所有边的集合；步骤2，在覆盖网络空间拓扑G中搜索输入源节点K至覆盖网络空间拓扑G中所有 可达节点的最优负载均衡服务路径，所述最优负载均衡服务路径即输入源节点K到该节点 所有有效路径中负载均衡权值最小的路径；搜索目标是建立以输入源节点K为源的全局路 由表ROTUE□，所述全局路由表ROTUE[]记载被搜索目标节点、输入源节点K到该搜索目标 节点的最优负载均衡服务路径，及该最优负载均衡服务路径的负载均衡权值；搜索过程如 下，步骤2. 1，设当前搜索节点为输入源节点K，初始化待搜索节点集合D_karCh = {ν-Κ}，初始化全局路由表ROUTE []中输入源节点K到所有被搜索目标节点的最优负载均衡 服务路径均为NULL，最优负载均衡服务路径的负载均衡权值为⑴；步骤2. 2，分别以当前搜索节点的每个邻居节点为被搜索目标节点，构建由输入源 节点通过当前搜索节点到被搜索目标节点间的服务路径，并进行服务路径的负载均衡权值 计算；所述负载均衡权值计算方法为，设在某次搜索过程中当前的被搜索目标节点为S，输 入源节点K通过当前搜索节点到被搜索目标节点S间的服务路径记为P，计算服务路径P的 传输资源代价权值ΔΒ(Ρ)和计算资源代价权值Δ(:(Ρ)、服务路径P的传输资源公平指数 fB (P)和计算资源公平指数f。(P)、覆盖网络空间拓扑G的全局计算资源公平指数G。和全局 传输资源公平指数(ib，综合计算结果得到服务路径P的负载均衡权值w (P)；每以一个被搜索目标节点计算出服务路径P的负载均衡权值W(P)后，比较全局 路由表ROUTED中所存该被搜索目标节点所对应最优负载均衡服务路径的负载均衡权值， 如果服务路径P的负载均衡权值w(P)小于之前存在全局路由表ROUTED中的最优负载均 衡服务路径的负载均衡权值，则将服务路径P及其负载均衡权值W(P)更新到全局路由表 ROUTED，将服务路径P作为新的输入源节点K到该搜索目标节点的最优负载均衡服务路 径，将服务路径P的负载均衡权值w (P)作为新的最优负载均衡服务路径的负载均衡权值；步骤2. 3，根据当前的全局路由表ROUTE□，取具有最小负载均衡权值的相应节点 S'为新的当前搜索节点，S' e DJearch ；并且使DJearch = {D_karch-s' }，返回步 骤2. 2继续开始搜索，直到所有的输入源节点K可以到达节点全部搜索完，即DJiearch ={NULL}或是输入源节点K到DJ^earch中所有节点间的服务路径的负载均衡权值均为⑴时， 进入步骤3 ；步骤3，基于当前的全局路由表R0UTE[]取K- > M的最优负载均衡服务路径为解 路径，若K- > M的最优负载均衡服务路径不存在则搜索失败。而且，所述传输资源代价权值ΔΒ(Ρ)和计算资源代价权值AC(P)采用如下公式 计算获得
权利要求
1.一种在覆盖网络中实现负载均衡的QoS路由分配方法，其特征在于设在已建立的某覆盖网络系统中，存在业务T请求接入，业务T的资源需求为(Bt，Ct)， 其中Bt为传输资源的QoS需求，定义为所需要的传输带宽总量，Ct为计算资源的QoS需求， 定义为所需要的计算能力总量；需要在现有的覆盖网络中建立一条端到端服务路径，使其 能满足业务T的QoS需求，则具体路由分配步骤如下，步骤1，根据业务T的资源需求(Bt，Ct)，将覆盖网络系统中不能满足业务T的资源需求 (Bt, Ct)的节点和链路剪除，由此确定有效的覆盖网络空间拓扑G= (V，E)及其中输入源节 点K、输出目标节点Μ, V表示覆盖网络空间拓扑G中所有点的集合，E表示覆盖网络空间拓 扑G中所有边的集合；步骤2，在覆盖网络空间拓扑G中搜索输入源节点K至覆盖网络空间拓扑G中所有可 达节点的最优负载均衡服务路径，所述最优负载均衡服务路径即输入源节点K到该节点所 有有效路径中负载均衡权值最小的路径；搜索目标是建立以输入源节点K为源的全局路由 表ROTUE□，所述全局路由表ROTUE[]记载被搜索目标节点、输入源节点K到该搜索目标节 点的最优负载均衡服务路径，及该最优负载均衡服务路径的负载均衡权值；搜索过程如下， 步骤2. 1，设当前搜索节点为输入源节点K，初始化待搜索节点集合DJiearch = {V-K}， 初始化全局路由表ROUTED中输入源节点K到所有被搜索目标节点的最优负载均衡服务路 径均为NULL，最优负载均衡服务路径的负载均衡权值为⑴；步骤2. 2，分别以当前搜索节点的每个邻居节点为被搜索目标节点，构建由输入源节 点通过当前搜索节点到被搜索目标节点间的服务路径，并进行服务路径的负载均衡权值计 算；所述负载均衡权值计算方法为，设在某次搜索过程中当前的被搜索目标节点为S，输入 源节点K通过当前搜索节点到被搜索目标节点S间的服务路径记为P，计算服务路径P的 传输资源代价权值ΔΒ(Ρ)和计算资源代价权值△(( 、服务路径P的传输资源公平指数 fB (P)和计算资源公平指数f。(P)、覆盖网络空间拓扑G的全局计算资源公平指数G。和全局 传输资源公平指数(ib，综合计算结果得到服务路径P的负载均衡权值w (P)；每以一个被搜索目标节点计算出服务路径P的负载均衡权值《(P)后，比较全局路由表 ROUTED中所存该被搜索目标节点所对应最优负载均衡服务路径的负载均衡权值，如果服 务路径P的负载均衡权值w(P)小于之前存在全局路由表ROUTED中的最优负载均衡服务 路径的负载均衡权值，则将服务路径P及其负载均衡权值《(P)更新到全局路由表ROUTE□， 将服务路径P作为新的输入源节点K到该搜索目标节点的最优负载均衡服务路径，将服务 路径P的负载均衡权值w (P)作为新的最优负载均衡服务路径的负载均衡权值；步骤2. 3，根据当前的全局路由表ROUTE□，取具有最小负载均衡权值的相应节点S' 为新的当前搜索节点，S' e DJearch ；并且使DJearch = {D_karch-S' }，返回步骤2. 2 继续开始搜索，直到所有的输入源节点K可以到达节点全部搜索完，即DJ^earch= {NULL} 或是输入源节点K到DJiearch中所有节点间的服务路径的负载均衡权值均为⑴时，进入步 骤3 ；步骤3，基于当前的全局路由表ROUTE □取K- > M的最优负载均衡服务路径为解路径， 若K- > M的最优负载均衡服务路径不存在则搜索失败。
2.根据权利要求1所述的QoS路由分配方法，其特征在于所述传输资源代价权值ΔΒ(Ρ)和计算资源代价权值AC(P)采用如下公式计算获得Δβ(Ρ) = B1/BRu+]) ,AC(P) = Σ,.=0 j=o //=0 LR丨其中，Bt是业务T的传输资源的QoS需求，Ct是业务T的计算资源的QoS需求，BRi, i+1为服务路径P上每跳链路Ii, i+1的可用带宽资源存量，链路Ii, i+1表示服务路径P上节点Iii到节点ni+1构成的链路，其中i = 0，1，......tp,tp为服务路径P的跳数；λ i为服务路径Pi上节点Iii对流量的影响系数，表示服务路径P节点nQ，......Hi分别对流量的影响系J=O数λ ^，......Ai之乘积；CI^为服务路径P上节点IIi的可用计算资源存量。
3.根据权利要求1所述的QoS路由分配方法，其特征在于所述传输资源公平指数4 (P)和计算资源公平指数f。(p)采用如下公式计算获得Is(P) = (￡邵,川))2 / tp-JjB(Ikm)2 ,Ιυ+ι e P,i = 0,1,2……tp-1 =0 / =0UP)=(红⑷)2 /it^D-^Cin,)2 ,η, e P,i 二 0,1，2……,tp/=0 / /=0其中，B(Iij1)为服务路径P上链路li,i+1接入请求后的传输资源饱和度函数，链路Ii,i+1表示服务路径P上节点Hi到节点IV1构成的链路，其中i = 0，1，......tp-l，tp为服务路径P的跳数；C (IIi)为服务路径P上节点IIi的计算资源饱和度函数。
4.根据权利要求3所述的QoS路由分配方法，其特征在于 所述传输资源饱和度函数B (1卩+1)采用如下公式计算获得BRt^ -(BRu+l -Bt) \1 , +\ ) -ODtotalβΚ ,Μ其中，BRi,i+1为服务路径P上链路li,i+1的可用带宽资源存量，为服务路径P上链 路li,i+1的可用带宽资源总量，Bt是业务T的传输资源的QoS需求。
5.根据权利要求3所述的QoS路由分配方法，其特征在于所述计算资源饱和度函数C(Iii)采用如下公式计算获得CRf-'-(CRi-Ct) L(nI) - CRtotalCRi为节点Iii的可用计算资源存量，Q ,toto/为节点Iii的可用计算资源总量，Ct是业务T 的计算资源的QoS需求。
6.根据权利要求1所述的QoS路由分配方法，其特征在于所述网络全局计算资源公平指数G。、全局传输资源公平指数(ib采用如下公式计算获得Gc=(^CK))2 / · XC{nk ,C(nk) ^ (C^ - CRk^CR1'0' ,nk ^G k=\ i k=\ m/ mGb =(Σ·β(υ)2 卜- ΛΙργ ,B(lp) = (BR';,al -BRp)/BR';tal ,Ip eGP=I/P=ICRk为覆盖网络空间拓扑G中任一节点nk的可用计算资源存量，(祀-为覆盖网络空间 拓扑G中任一节点nk的可用计算资源总量，k = 1，2，......η, η为覆盖网络空间拓扑G中
7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的QoS路由分配方法，其特征在于所 述负载均衡权值《(P)采用如下公式计算获得
全文摘要
本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种覆盖网络中实现负载均衡的QoS路由分配方法，该方法引入表征路径瓶颈程度的资源公平指数，建立新的负载均衡效用函数，并采用自适应的系统负荷状态加权方法修正QoS约束项权重，可搜索最优负载均衡服务路径。本发明相对传统覆盖网络负载均衡路由方法降低了网络负载分布的波动程度RLCD(Residual Link Capacity Deviation)、RNCD(Residual Node Capacity Deviation)，能够在整体上提高QoS服务成功率(QoSSevice Success Rate，QSSR)。
文档编号H04L12/56GK102055663SQ20091027273
公开日2011年5月11日 申请日期2009年11月10日 优先权日2009年11月10日
发明者曹雪松, 王朝萍, 胡瑞敏, 陈军 申请人:武汉大学