一种适用于电力骨干通信网的流量负载均衡控制方法与流程

本发明涉及电力骨干通信网技术领域，具体涉及一种适用于电力骨干通信网的流量负载均衡控制方法。

背景技术：

电力系统是一个超大型的复杂巨系统，电力通信网是为了保障电力系统安全、稳定和高效率运行而建设的通信专网。电力通信网为电网调度自动化提供了技术支撑，配电自动化中的运行参数采集、运行状态检测以及电网智能优化都依赖于电力通信网的实时数据传输，电力通信网必须具有极高的可靠性，特殊状态参数的检测时延要求十分苛刻。与此同时，电力系统的市场化运营和现代化管理也离不开电力通信网，需要传输复杂的非实时数据。随着通信流量急剧增长和流量分布不均匀，导致电力通信网某些局部拥塞，严重威胁着配电自动化的安全。因此，综合考虑电力通信网流量分布的负责均衡具有重要意义。基于此，本发明设计了一种适用于电力骨干通信网的流量负载均衡控制方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于电力骨干通信网的流量负载均衡控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种适用于电力骨干通信网的流量负载均衡控制方法，具体步骤如下：

第一步，根据入口节点和出口节点，为电力通信网中所有传输业务需求构建入口-出口节点对，且设电力通信网中有传输业务需求的入口-出口节点对集合为s；

第二步，设电力通信网中的一个入口-出口节点对为s，且s∈s，在所述入口-出口节点对s的入口路由器处运行一个代理，所述代理同样用s表示；

第三步，采用k最短路径算法为每个代理s预先建立多条传输路径，一般默认k＝10，设所述代理s的路径集合为ps，其中一条路径为p，且p∈ps；

第四步，令所述代理s的业务需求为rs，将所述业务需求rs绑定到离线计算得到的路径集合ps的路径上，设所述业务需求rs分配到所述路径p上的业务需求为rsp，则

第五步，令所述路径p的利用率为usp，即路径p上各条链路利用率的最大值，在所述k最短路径算法实际执行过程中，所述代理s对实际使用路径进行控制，当一条路径p上的分配比例xsp＜0.1，并且路径利用率usp＞0.9umax时，停止所述路径p的使用，即不再向这条路径分配业务需求，以避免在这条路径上发生拥塞，umax为所述代理s控制的所有路径上的最大利用率；

第六步，令所述路径集合ps的加权平均利用率为us，且

其中，xsp为业务需求分配比例，且

xsp＝rsp/rs；

在每个s∈s处，k最短路径算法都使用路径集合ps中各条路径的路径利用率策略，即

第七步，流量负载均衡控制，每个代理s周期性地调整属于它的路径集合上的业务分配比例，设负载均衡决策周期为td，令一个负载均衡决策周期td结束时，探测到所述路径p的利用率为usp，在该周期开始时所述路径p上分配的业务比例为xsp，则具体调整方法如下，

式中为路径集合ps的加权平均利用率，umin为路径集合ps中路径利用率的最小值，ε按照下式计算，

式中cmin为电力通信网中所有链路的最小标称带宽；n为电力通信网中所有源-目的对数目，且n＝|s|；p为最大源-目的对间的路径数目；

令

则在下一个决策周期内业务分配比例为，

第八步，理想条件下假定链路上的业务传输速率恒定，但实际在packetlevel是不可能的，为此，在k最短路径算法中还使用了一个稳定链路业务速率的策略，即根据每条链路上计算的正、负反馈量δ⁺和在源节点计算一个限制路径p的传输速率阈值，计算公式如下，

如果rsp＞gsp，超出的部分会在入口路由器处排队，并且当缓存满时丢弃缓存内的数据包以保证链路上业务的稳定性，丢弃的数据包依靠上层协议保证重传；

第九步，所述代理s每隔tp时间向路径集合ps中每条路径发送一个探测包，探测包有3个字段，path_utilization，positive_feedback，negative_feedback；当探测包经过核心路由器时，核心路由器更新所述探测包字段，当探测包到达目的节点时，3个字段的值分别等于usp，δ⁺，目的节点将这些信息经ack包反馈给源节点，tp取值应大于网络最大往返时延，一般默认tp＝100ms，在k最短路径算法中，设负载均衡决策周期td＝5·tp，即每隔5个tp后利用反馈的路径利用率重新计算业务在各条路径上的分配比例；

第十步，核心路由器负责计算链路l的利用率ul，总反馈φ，及每个流的反馈δ⁺和

(1)总反馈按照以下公式计算，

φ＝α·tp·s-β·q

其中α＝0.4，β＝0.225，tp为所述探测包触发时间间隔，s为链路空闲带宽，q为队列长度；

(2)每个流的反馈按照下列公式计算，

其中n是在链路l上流的数量，φl是链路l的总负载；

(3)更新探测包3个字段，

path_utilization＝max(path_utilization,ul)

positive_feedback＝min(positive_feedback＝min,δ⁺)

negative_feedback＝max(negative_feedback,)

当所述探测包到达目的节点时，path_utilization记录的是路径上链路的最大利用率；positive_feedback记录的是路径上链路的最小正反馈；negative_feedback记录的是路径上链路的最大负反馈；

第十一步，出口节点从探测包中提取路径利用率和正、负反馈字段，写入ack包，并直接发送到所述入口节点，核心路由器不对ack包进行任何处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明适用于电力骨干通信网的流量负载均衡控制方法，给电力通信网提供了自调节能力，每当业务变化时算法能在新的外部条件下自动调整到新的平衡点；并且在外部条件不变时，算法每进行一次负载均衡，网络的最大链路利用率都会减小，最终会收敛到一个稳定值；此外，离线计算k最短路径算法不依赖于业务需求矩阵估计，而且k最短路径计算较线性规划计算节省时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例试验拓扑示意图。

图2为本发明实施例仿真业务设置示意图。

图3为使用本发明各条瓶颈链路吞吐率试验结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种适用于电力骨干通信网的流量负载均衡控制方法，具体步骤如下：

第一步，根据入口节点和出口节点，为电力通信网中所有传输业务需求构建入口-出口节点对，且设电力通信网中有传输业务需求的入口-出口节点对集合为s；

第二步，设电力通信网中的一个入口-出口节点对为s，且s∈s，在入口-出口节点对s的入口路由器处运行一个代理，代理同样用s表示；

第三步，采用k最短路径算法为每个代理s预先建立多条传输路径，一般默认k＝10，设代理s的路径集合为ps，其中一条路径为p，且p∈ps；

第四步，令代理s的业务需求为rs，将业务需求rs绑定到离线计算得到的路径集合ps的路径上，设业务需求rs分配到路径p上的业务需求为rsp，则

第五步，令路径p的利用率为usp，即路径p上各条链路利用率的最大值，在k最短路径算法实际执行过程中，代理s对实际使用路径进行控制，当一条路径p上的分配比例xsp＜0.1，并且路径利用率usp＞0.9umax时，停止路径p的使用，即不再向这条路径分配业务需求，以避免在这条路径上发生拥塞，umax为代理s控制的所有路径上的最大利用率；

第六步，令路径集合ps的加权平均利用率为且

其中，xsp为业务需求分配比例，且

xsp＝rsp/rs；

在每个s∈s处，k最短路径算法都使用路径集合ps中各条路径的路径利用率策略，即

第七步，流量负载均衡控制，每个代理s周期性地调整属于它的路径集合上的业务分配比例，设负载均衡决策周期为td，令一个负载均衡决策周期td结束时，探测到路径p的利用率为usp，在该周期开始时路径p上分配的业务比例为xsp，则具体调整方法如下，

式中为路径集合ps的加权平均利用率，umin为路径集合ps中路径利用率的最小值，ε按照下式计算，

式中cmin为电力通信网中所有链路的最小标称带宽；n为电力通信网中所有源-目的对数目，且n＝|s|；p为最大源-目的对间的路径数目；

令

则在下一个决策周期内业务分配比例为，

第八步，理想条件下假定链路上的业务传输速率恒定，但实际在packetlevel是不可能的，为此，在k最短路径算法中还使用了一个稳定链路业务速率的策略，即根据每条链路上计算的正、负反馈量δ⁺和在源节点计算一个限制路径p的传输速率阈值，计算公式如下，

如果rsp＞gsp，超出的部分会在入口路由器处排队，并且当缓存满时丢弃缓存内的数据包以保证链路上业务的稳定性，丢弃的数据包依靠上层协议保证重传；

第九步，代理s每隔tp时间向路径集合ps中每条路径发送一个探测包，探测包有3个字段，path_utilization，positive_feedback，negative_feedback；当探测包经过核心路由器时，核心路由器更新探测包字段，当探测包到达目的节点时，3个字段的值分别等于usp，δ⁺，目的节点将这些信息经ack包反馈给源节点，tp取值应大于网络最大往返时延，一般默认tp＝100ms，在k最短路径算法中，设负载均衡决策周期td＝5·tp，即每隔5个tp后利用反馈的路径利用率重新计算业务在各条路径上的分配比例；

第十步，核心路由器负责计算链路l的利用率ul，总反馈φ，及每个流的反馈δ⁺和

(1)总反馈按照以下公式计算，

φ＝α·tp·s-β·q

其中α＝0.4，β＝0.225，tp为探测包触发时间间隔，s为链路空闲带宽，q为队列长度；

(2)每个流的反馈按照下列公式计算，

其中n是在链路l上流的数量，φl是链路l的总负载；

(3)更新探测包3个字段，

path_utilization＝max(path_utilization,ul)

positive_feedback＝min(positive_feedback＝min,δ⁺)

negative_feedback＝max(negative_feedback,)

当探测包到达目的节点时，path_utilization记录的是路径上链路的最大利用率；positive_feedback记录的是路径上链路的最小正反馈；negative_feedback记录的是路径上链路的最大负反馈；

第十一步，出口节点从探测包中提取路径利用率和正、负反馈字段，写入ack包，并直接发送到入口节点，核心路由器不对ack包进行任何处理。

本实施例的一个具体应用为：在试验拓扑中，每条链路的带宽均为100mbps，各入口-出口节点对采用多组路径。初始时设置业务在各条路径之间平均分配，3s时间后算法开始负载均衡，各条瓶颈链路吞吐率试验结果中l36表示链路(3，6)的吞吐率，l47表示链路(4，7)的吞吐率，l58表示链路(5，8)的吞吐率。

试验初始时，设置的业务在各条路径的分配比例为平均分配，即：路径0-3-6-9和0-4-7-9上传输的业务量各为20mbps；路径1-3-6-10和1-5-8-10上传输的业务量各为30mbps；路径2-4-7-11和2-5-8-11上传输的业务量各为5mbps。因此链路(3，6)上的负载为50mbps，链路(4，7)上的负载为25mbps，链路(5，8)上的负载为35mbps。

由于这3条链路的利用率是经过它们的路径上链路利用率最大值，所以这些路径的利用率分别是：路径0-3-6-9和0-4-7-9的利用率为0.50和0.25；路径1-3-6-10和1-5-8-10的利用率分别为0.5和0.35；路径2-4-7-11和2-5-8-11的利用率分别为0.25和0.35。因为每个入口-出口节点对间的路径利用率不相等，算法对路径上的业务分配进行调整。大约经过20s时间，链路(3，6)、(4，7)、(5，8)上的负载都稳定在35mbps，每条路径的利用率都近似等于0.35，算法收敛，并且在外部条件不变时，随着时间推移不再发生变化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。