一種基于sdn集中控制的骨干網(wǎng)能耗優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及IP骨干網(wǎng)節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種基于SDN(Software Defined Networks，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）集中控制的骨干網(wǎng)能耗優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 統(tǒng)計(jì)表明，全球能耗8%來自 ICT(Information Communication Technology，信息 通信技術(shù)）。ICT能耗15%來自網(wǎng)絡(luò)。近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)及云計(jì)算技術(shù)普及， IP骨干網(wǎng)能耗激增，IP骨干網(wǎng)能耗問題亟待解決。運(yùn)營商為滿足日益增長用戶需要，必須 部署足夠密集網(wǎng)絡(luò)用來應(yīng)對高峰期用戶QoS (Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）。研究發(fā)現(xiàn)， 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在時間維度上具有明顯的不均衡性，且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載高峰期是短暫，可預(yù)測的。因此， 在通常情況下，IP骨干網(wǎng)平穩(wěn)期是可預(yù)測、長期存在的。這使得IP骨干網(wǎng)節(jié)能成為可能。
[0003] 當(dāng)前大部分骨干網(wǎng)以O(shè)SPF(Open Shortest Path First，開放最短路徑優(yōu)先）作為 路由協(xié)議，因此目前絕大多數(shù)節(jié)能路由策略基于OSPF協(xié)議。據(jù)節(jié)能策略與OSPF協(xié)議對應(yīng) 關(guān)系，節(jié)能策略可分為兩類：覆蓋型；集成型。覆蓋型節(jié)能策略與OSPF路由協(xié)議完全獨(dú)立。 這類路由節(jié)能策略存在重大缺陷：運(yùn)行時會大范圍改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，造成積網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯竺娣e 重計(jì)算，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)暫時癱瘓。集成型路由策略集成在OSPF路由協(xié)議中，與OSPF -體，不但 節(jié)能，而且運(yùn)行時盡量減少對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖儯粫l(fā)網(wǎng)絡(luò)暫時癱瘓問題。
[0004] 現(xiàn)有基于OSPF提出的啟發(fā)式算法，通過遍歷所有可能拆除鏈路的組合來找尋可 能的次優(yōu)解（參考文件I :Energy management in IP traffic engineering with shortest path routing，E.Amaldi，A.Capone，L.Gianoli，and L.Macetti，2011)。如圖 I 所不，流程 為：（I)根據(jù)輸入的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔闅v所有的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆脽o向圖G(V，E，W)表示，V為網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)集合，E為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞B接邊集合，W為表示鏈路上對應(yīng)的權(quán)值向量。（2)分別結(jié)算節(jié) 點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)的SPT (Shortest Path Tree，最短路徑樹），通過對比兩者SPT可以找到 這個節(jié)點(diǎn)對能夠關(guān)閉的鏈路，同時檢查約束條件，將不滿足者去除。（3)找到所有可能的節(jié) 點(diǎn)對后，將具有相同的兩個節(jié)點(diǎn)的重復(fù)節(jié)點(diǎn)對去除。（4)隨機(jī)以某個節(jié)點(diǎn)對為起點(diǎn)，根據(jù)其 相兼容的其他節(jié)點(diǎn)對的集合一步一步找出所有互相兼容的節(jié)點(diǎn)對集合。（5)輸出結(jié)果。該 算法基于OSPF協(xié)議，通過對比相鄰節(jié)點(diǎn)的SPT來找到滿足約束的可睡鏈路來達(dá)到節(jié)能的 目的，然而該算法需要遍歷所有節(jié)點(diǎn)，并計(jì)算所有可能的節(jié)點(diǎn)對，這樣會大大提升計(jì)算復(fù)雜 度。同時該算法僅僅只考慮了鏈路的可拆除性，而沒有對拆除鏈路后對網(wǎng)絡(luò)造成的影響加 以限制，例如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖冞^大，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間增加等等。
[0005] 近年來，SDN的興起，開始改變網(wǎng)絡(luò)被動性的現(xiàn)狀。SND網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與架構(gòu)靜態(tài)、控 制轉(zhuǎn)發(fā)耦合、管理復(fù)雜傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，SDN類型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中控制、轉(zhuǎn)發(fā)有效解耦。原網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)中控制部分被分離出來，集中置于網(wǎng)絡(luò)控制器中。相對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靜態(tài)、難于控制 管理、數(shù)據(jù)平面與控制平面耦合的問題，SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)平面與控制平面分離。具有 如下明顯特性：靈活性，新拓?fù)浠蚬δ芤攒浖问綄?shí)現(xiàn)，使用標(biāo)準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)語言及統(tǒng)一操作 系統(tǒng)；易部署性，在向?qū)嶋H網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)床上部署功能性協(xié)議時，不再需要重新編碼和配 置；交互性，真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，對其進(jìn)行實(shí)時管理控制；可擴(kuò)展性，成千上萬交換機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)， 通過便攜式電腦即可對其協(xié)議環(huán)境進(jìn)行擴(kuò)展；易共享性，原有協(xié)議可以更方便共享。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對基于OSPF算法計(jì)算復(fù)雜度高、存在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖冞^大，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間 增加的問題，提出了一種基于SDN集中控制的骨干網(wǎng)能耗優(yōu)化方法。本發(fā)明在有效保證用 戶QoS(主要側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間）基礎(chǔ)上，找出盡量多可睡鏈路將其置于睡眠態(tài)，達(dá)到有 效節(jié)能目的。本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的節(jié)能路由策略屬于集成型，即在修改OSPF協(xié)議基礎(chǔ)上得 到，同時選用SDN作為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
[0007] 本發(fā)明提供的基于SDN集中控制的骨干網(wǎng)能耗優(yōu)化方法，將IP骨干網(wǎng)絡(luò)抽象為無 向加權(quán)圖G(V，E，W)，V為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)集合，E為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間鏈路集合，W為節(jié)點(diǎn)間鏈路上 對應(yīng)的權(quán)值。
[0008] 第一步，依據(jù)規(guī)則1~3獲得無向圖G中執(zhí)行move機(jī)制的所有move過程；規(guī)則 I :move過程的入口節(jié)點(diǎn)和出口節(jié)點(diǎn)必須鄰接；規(guī)則2 :-個入口節(jié)點(diǎn)只能屬于一個move過 程；規(guī)則3 :如果一個節(jié)點(diǎn)成為一個move過程的出口節(jié)點(diǎn)，那么這個節(jié)點(diǎn)的最短路徑樹將不 能再發(fā)生改變。
[0009] -個move過程具有一個入口節(jié)點(diǎn)和一個出口節(jié)點(diǎn)，設(shè)入口節(jié)點(diǎn)Vp出口節(jié)點(diǎn) '，運(yùn) 行move機(jī)制，獲得可睡鏈路;move機(jī)制實(shí)現(xiàn)過程為：首先，通過OSPF路由協(xié)議計(jì)算入口節(jié) 點(diǎn)和出口節(jié)點(diǎn)的最短路徑樹spt (Vi)、spt (Vj);然后，比較spt (Vi)和spt (Vj)獲得入口節(jié)點(diǎn) 的修改路徑樹Hipt(Vi);最后，比較Spt(V i)與Hipt(Vi)得到可睡鏈路。Vi、Vj分別為E中第 i個、第j個節(jié)點(diǎn)。
[0010] 第二步，確定第一步獲得的所有move過程的兼容矩陣C ;矩陣C中元素 Clj用于標(biāo) 識第i個move過程Iiiovei和第j個move過程move ^是否兼容，若二者兼容c ^值為1，否則 值為〇。
[0011] 若Hiovei被執(zhí)行后，move 仍可以被執(zhí)行，則move ;和move 兼容；
[0012] 第三步，根據(jù)兼容矩陣C獲得無向圖H(M，F(xiàn)) ;M表示第一步獲得的所有move過程， 每個move過程為一個節(jié)點(diǎn)，設(shè)共有K個move過程，K為正整數(shù)且||E||，||E||表示E 中鏈路總數(shù)；F表示move過程之間的兼容關(guān)系，用連接邊來表示，兩個move過程相連表示 兼容，不相連表示不兼容；用戶表示兩個move過程之間不兼容，則得到H的補(bǔ)圖
[0013] 將問題：在保證用戶QoS的基礎(chǔ)上，找出盡量多的可睡鏈路；抽象為如下滿足背包 條件最大團(tuán)問題，表示如下：
[0015] 其中，Q1表示第i個move過程的可睡鏈路數(shù)量，X i表示第i個move過程是否執(zhí) 行，（i, j)表示第i個move過程和第j個move過程不兼容，（MPT(i))min表示第i個move 過程的修改路徑樹的鏈路權(quán)值和在可選的move過程中最小。
[0016] 第四步，求解所述的最大團(tuán)問題，將獲得的可睡鏈路置于睡眠態(tài)。
[0017] 所述的第二步中，判斷movejP move ^是否兼容的具體方法是：
[0018] (1)確定moveJPI move』的鎖節(jié)點(diǎn)集；
[0019] 在一個move過程中，對于一個節(jié)點(diǎn)，如果至少有一條經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)的路徑發(fā)生改 變，則該節(jié)點(diǎn)為與該move過程相關(guān)鎖節(jié)點(diǎn)；某move過程的鎖節(jié)點(diǎn)集就是所有與該move過 程相關(guān)鎖節(jié)點(diǎn)的集合；
[0020] (2)當(dāng)且僅當(dāng)movej^出口節(jié)點(diǎn)不在move。的鎖節(jié)點(diǎn)集，move。的出口節(jié)點(diǎn)不在 movej^鎖節(jié)點(diǎn)集中，則move ;和move 兼容；否則，move ;和move 不兼容。
[0021] 所述的第四步中求解最大團(tuán)問題的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0022] 步驟4.1，輸入無向加權(quán)圖6(￥3，1)，尋找運(yùn)行初始節(jié)點(diǎn)1，節(jié)點(diǎn)1"1是所有網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)中相鄰鏈接點(diǎn)最多的節(jié)點(diǎn)；
[0023] 步驟4.2,以乜為入口節(jié)點(diǎn)，找到所有以I111為入口節(jié)點(diǎn)的move過程，從中選取修 改路徑樹的鏈路權(quán)值和最小的move過程，作為第一個move過程放入到解集&中；
[0024] move過程的修改路徑樹是指該move過程的入口節(jié)點(diǎn)的修改路徑樹；
[0025] 步驟4. 3,更新入口節(jié)點(diǎn)集合及出口節(jié)點(diǎn)集合；
[0026] 對于剛放入解集.?的move過程，在入口節(jié)點(diǎn)集合中去除該move過程的入口節(jié)點(diǎn) 及出口節(jié)點(diǎn)，在出口節(jié)點(diǎn)集合中，去除該move過程的入口節(jié)點(diǎn)、出口節(jié)點(diǎn)以及該move過程 的鎖節(jié)點(diǎn)集；入口節(jié)點(diǎn)集合和出口節(jié)點(diǎn)集合初始都包含無向圖G中所有節(jié)點(diǎn)；
[0027] 步驟4. 4,尋找所有與剛放入解集寫的move過程兼容的move過程，從中選擇修改 路徑樹的鏈路權(quán)值和最小的move過程，放入解集
[0028] 步驟4. 5,判斷出口節(jié)點(diǎn)集合是否為空，若是，則輸出解集芎，根據(jù)解集S,:獲得可睡 鏈路；若不為空，則轉(zhuǎn)至步驟4. 3繼續(xù)執(zhí)行。
[0029] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于：本發(fā)明的骨干網(wǎng)能耗優(yōu)化方法 主要針對IP骨干網(wǎng)，屬于集成于OSPF路由協(xié)議中的IP層節(jié)能路由策略，策略運(yùn)行時段為 骨干網(wǎng)可預(yù)測平穩(wěn)時段，充分考慮QoS (網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間）。通過對現(xiàn)有方法加以改進(jìn)，降低 了計(jì)算復(fù)雜度，同時充分考慮了拆除鏈路所帶來的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖円约熬W(wǎng)絡(luò)相應(yīng)時間的增 加，提出了相應(yīng)的解決機(jī)制，在保證了服務(wù)質(zhì)量的情況下運(yùn)行本發(fā)明方法，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間比 現(xiàn)有策略大大減小，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖円脖痊F(xiàn)有策略少，隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的提升，這種改進(jìn)的 優(yōu)勢會更加顯著。
【附圖說明】
[0030] 圖1是現(xiàn)有基于OSPF提出的啟發(fā)式算法流程示意圖；
[0031] 圖2是IP骨干網(wǎng)節(jié)能策略整體架構(gòu)示意圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例所用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例中Rl的最短路徑樹；
[0034] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例中R8的最短路徑樹；
[0035] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例中R8的修改路徑樹；
[0036] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例中R2的最短路徑樹；
[0037] 圖8是本發(fā)明實(shí)施例中R3的最短路徑樹；
[0038] 圖9是本發(fā)明實(shí)施例中R3的修改路徑樹；
[0039] 圖10是