基于软件定义网络架构降低全网数据流转发延迟的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于软件定义网络（SDN)架构降低全网数据流转发延迟的方法， 属于计算机网络技术领域。
【背景技术】
[0002] 为了提高网络服务的效率和获得更好的用户体验，降低全网数据流的转发延迟变 得刻不容缓。
[0003] 路由和流调度是两种常见的提高全网数据流转发效率的方法，然而在现有研究 中，出于对计算复杂度的考虑，路由和调度的研究往往是相互独立的：在路由方案中，调度 方案常常被忽略;而在调度方案中，转发路径通常被认为是已知条件。不可否认的是，路由 和流调度相互合作有助于更好的降低数据流传输延迟。路由方案不仅可以帮助数据流选择 一条更加快速的转发路径，而且可以帮助数据流避开拥塞的链路，给自身争取更多带宽资 源。流调度方案则在转发路径确定的情况下，对受到影响的数据流增加保护，同时尽可能降 低新加入的数据流的传输延迟，让实时性高的数据流获得更多的带宽资源，保证更多数据 流能够在期望时间内完成传输。新加入的数据流和受影响的数据流信息进行更新，更新后 的信息作为后续路由方案的依据。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了降低整个网络中所有数据流的转发延迟而提出一种基于SDN 架构的降低全网数据流转发延迟的方法。
[0005] 本发明是通过下述技术方案实现的：
[0006] 本方案用N = 表示一个网络，其中V是网络节点集合，包括网络N中的交换 机和路由器，E表示网络M中的链路集合，同时用fSet表示数据流集合，eSet表示链路集合。 而一条数据流则是一个应用中一次传输的通信数据，用一个五元组夕=巧^,氧F,.L，.F}表 示，其中M表示数据流f未传输的数据量，B表示数据流尸拥有的带宽，T表示数据流f五元 组上次更新的时间，L是数据流F的剩余期望完成时间，始终为正，P则表示数据流的转 发路径。假设要为一条数据流?·。="。』。，!'。，!^，？。}寻找转发路径。用S表示网络中现有占用 转发路径Ρ。的数据流，即受到新数据流影响的流的集合，Cl 1和Cl1 '分别是S中的某一数据流心 在新的数据流进入网络前后的剩余估计完成时间;d。表示数据流f。的剩余估计完成时间。
[0007] 基于SDN架构降低全网数据流转发延迟的方法，具体实现步骤如下：
[0008] 步骤1、寻找一条转发路径，具体操作如下：
[0009] 步骤1. 1、初始化候选解集合cset，最优解opts，当前解curS。
[0010]令候选解集合cset为空集，SDN架构中的openf low控制器运行迪杰斯特拉算法 (Di jkstra算法)得到的原始解origS设为最优解optS，初始化当前解curS为一个仅包含源 交换机sDot的解。
[0011]步骤1.2、扩展候选解集合cset。
[0012] 用LN表示当前解curS的最后一个节点，如果LN与目标节点一致，即与目的交换机 dDot-致，则将当前解curS赋值给最优解optS。否则，找出所有与LN相连的节点，将其作为 一个集合C。对于集合C的每一个节点，将其加入当前解curS，构成一个新的解newcurS，计算 解newcurS的效用值，如果效用值高于效用的界限值，则将这个新的解newcurS加入到候选 解集合〇861：中。；^01^854561：，6561：)，是效用的界限值
[0013] 计算效用值的公式如下：
[0016]其中，f为数据流f。选择路径P的效用值函数，P则表示数据流f。的转发路径，S为受 到影响的数据流集合，E为网络中的链路集合，L1为数据流心的剩余期望完成时间，Cl1为数据 流进入网络前的剩余估计完成时间，cU'为数据流进入网络后的剩余估计完成时间， Wl为数 据流fi的权重，Wc为数据流f c的权重，Wc也可以用上式公式计算，计算Wc时，Li即为Lc，di '即为 dc，可得出w。。权重的物理意义在于对超过期望传输时间的数据流进行惩罚。
[0017]步骤1.3、更新当前解curS，候选解集合cset。
[0018]在候选解集合cset中寻找效用值最大的解作为当前解curS，并将效用值最大的解 从候选解集合cset中删除。
[0019] 步骤1.4、重复步骤1.2和步骤1.3,直到步骤1.2中交换机LN就是目的交换机dDot， 或者候选解集合cset变成空集，然后返回最优解optS，即转发路径；
[0020] 步骤2、进行带宽分配：8。&16、111&16611、(31'0881^七6以及皿^&1：；[0111^七6是四个关键参 数，分别表示解空间规模、最大迭代次数、解交叉重组的概率以及解突变的概率。具体操作 如下：
[0021 ] 步骤2.1、初始化解空间R，最佳解bestchromosom，适应度最大值bestf itness。
[0022]基于步骤1中的步骤1.4给出的转发路径最优解optS，给相关数据流，包括受影响 的数据流S以及新加入的数据流fc，分配带宽，数据流6对应分配的带宽 值为h，同时保证所分配的带宽之和满足链路带宽承载能力的约束，重复上述步骤scale 次，从而得到初始解空间R。在初始解空间R中获取适应度最大的解bestChromosom，即最佳 解，初始化适应度最大值bestf itness;
[0023] 对于解空间中的一个解solution计算适用度函数如下：
[0025]步骤2.2、对解空间R进行选择、交叉重组、突变三个操作构造新的解空间R'。具体 操作如下：
[0026] 步骤2.2.1、选择最佳解bestChromosom加入新解空间R'。
[0027]在旧解空间R中，寻找适应度最大的解，将其复制到新解空间R'中。
[0028]步骤2.2.2、对旧解空间R中的两个解进行交叉重组得到新的解，满足条件的解加 入新的解空间R'中。
[0029] 从旧的解空间R中随机选取两个解，以crossRate的概率发生交叉，假设解的长度 为Length，随机将[I，Length]中的一个整数num作为交叉位置，两个解相互交换交叉位置右 侧的解片段，得到两个新的解。如果新的解能够满足链路承载能力的约束，则将新的解复制 到新的解空间R'中。如果不能满足链路承载能力的约束，则直接舍弃。
[0030] 步骤2.2.3、对旧的解空间R中的解进行突变操作得到新的解，满足条件的解加入 新的解空间R'中。
[0031] 在旧的解空间中以概率mutationRate选择一个解进行突变操作，突变操作如下： 随机从[I ,Length]中选择两个数值，然后交换解中这两个位置上的数值，从而得到一个新 的解。如果新的解能够满足链路承载能力的约束，则将其复制到新的解空间R'中。如果不能 满足链路承载能力的约束，则直接舍弃。
[0032] 步骤2.2.4、重复步骤2.2.2、步骤2.2.3，直到新的解空间R '的规模达到s ca I e;
[0033] 步骤2.3、更新最佳解bestChromosom，适应度最大值bestf itness。
[0034] 在新的解空间R'中，寻找适应度最大的解，如果该解适应度超过bestfitness，则 更新适应度最大值bestfitness以及最佳解bestChromosom，更新后新解空间R'赋值为R。 [0035] 步骤2.4、重复步骤2.2和步骤2.3最大迭代次数maxGen次，对初始解空间进行 maxGen进化后，返回最佳解bestChromosom，即最佳带宽分配策略。
[0036]步骤3、更新数据流信息。
[0037]步骤1和步骤2执行之后，新加入网络的数据流f。得到了一条转发路径，而f。以及所 有受到f。影响的数据流的带宽得到了重新分配，因此，需要更新网络中的数据流信息。在数 据流五元组夕=丨紙反^丄巧中，更新f c的M，B，T，L，P五项信息，受影响的数据流h更新待 传输数据流、带宽、信息更新时间、剩余期望完成时间四个值，更新后的数据流信息存入控 制器中，为后续的路由算法和带宽分配算法提供依据。
[0038] 有益效果
[0039] 本发明从全局角度出发，设计新的降低全网数据流转发延迟的方法，同时关注数 据流个性化需求，尽可能保证更多的数据流能够在期望时间内完成数据传输，从而提高网 络服务质量和效率。较之传统的方案相比，传输效率和在期望时间内可完成的数据流数目 都有很明显的提升。
【附图说明】
[0040] 图1路由方案和带宽分配方案的关系示意图；
[0041] 图2本发明的流程图；
[0042]图3本发明的架构图；
[0043]图4本发明的实例拓扑结构图；
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
[0045] 假设有一个拓扑结构如图4所示的网络，Tl时刻，网络中出现一条含有12Mb数据的 数据流Fl从节点Nl出发，目的节点为N4,期望传输时间为2.5s，以及一条从N9到NO的含有 9Mb数据