流量输入的带宽分配算法 - 基于覆盖网络的多路径流量均衡研究

2 流量输入的带宽分配算法
    输入的带宽分配方法主要是解决输入链路的不均衡利用问题。网络均衡在数学上的表示是各输入链路的带宽利用率的方差最小。即使得最小，因此该问题可以转化为以下问题：
    目标函数：求解输入链路i上以t为目的节点的流量

    式(1)的含义是：输入的流量要小于输出的容量，以避免节点拥塞，因此将输出链路的总容量作为输入链路的总流量的约束；输入链路的总的流量要小于目的t的总流量。
    
    这里将其定义为平均链路利用率。
    式(1)条件下的最小值是存在的，但是问题的求解非常困难。因此，这里用一个近似算法来替代上式的求解。定义一个带宽分配周期，将平均链路利用率作为参考值，根据上一周期的输入链路利用率是否大于平均链路利用率而调整分配带宽。设置一个链路i调整带宽
    
    

3 多路径流量输出分配算法
    多路径流量分配算法是指通过多路径算法实现对节点的流量按照某些特定的要求分配到多条路径上，并实现网络性能的优化。
    在此，为了实现节点流量的多路径分配，定义一个分配概率矩阵。通过调节该矩阵实现流量的合理分配，使得流量的分配更加均衡。
    
    矩阵元素Piyj表示数据通过链路i到目的Vj的概率，在这里我们把其作为流量分配的比例。以t为目的节点，分配到链路i的流量为。

上述分配的流量需要满足以下约束：
    
    式(2)表示：分配到输出链路上的流量要小于输出链路的容量；输出的总的流量应小于流到目的节点的总流量。
    网络是动态的，通过分析多路径网络的实际运行过程可知，在很多情况下流量在一定时间段内具有相对稳定性，因此可以用预测算法对下一时段的流量进行预测。上式(2)求解计算开销较大，下面通过预测算法来决定概率分配矩阵。
    对流量进行周期性的预测。设tf为预测周期，tp为探测周期，每到一个探测周期对网络性能(时延、吞吐率、丢包率等)进行探测，预测周期是由若干个探测周期组成的。覆盖网络可以通过一定的检测机制对网络链路的时延状况进行评估。
    
    式中：为第j个预测周期，对链路i分配流量比率的预测；fi为当前链路i的流量；为节点当前的总流量；β为权重因子，调节β的大小可以调节预测部分和当前部分在决策中的权重；为第j-1个预测周期，链路i的预测流量；为第j-1个预测周期，节点的预测总流量用上述预测的概率来作为分配矩阵中的概率，即令。

4 仿真实验
    通过NS2的GT-ITM的Waxman模型模拟出如下图的网络拓扑，节点数为10，设节点链路的容量都是10Mb／s，输入链路的速率为50M／s。图2实验拓扑图。

 

    本文通过分析时延特性来说明对网络性能的改善。网络中的节点加上负载大小是随机的，以N2到N4为例来分析端到端时延特性，通过对比单路径和多路径的端到端的时延来实现。单路径表示N2-NO-N4，多路径包括路径1和路径2，其中路径1表示N2-N6-N4，路径2表示N2-N0-N4。可以看到通过多路径路径1和路径2相比于单路径可以有效地减少端到端的延迟。路径1和路径2的端到端延迟相差不大，说明负载在网络中是较为均衡的。

5 结语
    传统的网络只负责报文的尽力而为的转发服务，网络中流量按照单条路径转发，各节点之间缺少相互的协调工作。本文通过覆盖网络模型的建立，对网络流量进行预测并通过多路径传输，使得节点的端到端延迟大大减小，为解决流量均衡问题提供了一条新思路。