基于資源調配的網絡通信均衡負載方法研究

張 黎

（平頂山工業職業技術學院，河南 平頂山 467000）

0 引 言

傳統的網絡通信均衡負載方法在運行過程中為了實現網絡資源充分利用的目標，往往會導致可擴展性差以及成本昂貴等問題，而基于基于資源調配的網絡通信均衡負載方法能夠進一步細化網絡管理，有效降低其運行成本[1]。對于網絡通信均衡負載技術，資源調配不僅能夠為其提供一個成本低廉的流量管理，而且能夠在一定程度上增強其運行的靈活性[2]。

本文立足現有網絡通信均衡負載方法，提出基于資源調配的網絡通信均衡負載方法研究。該方法有效繼承了傳統方法的優勢，并加入了資源調配技術。

1 基于資源調配的網絡通信均衡負載方法設計

1.1 網絡通信均衡負載方法運行流程

網絡通信具有分布不均、動態性、局部性以及明顯的大小流等特征，這對其流量的均衡負載控制有著一定的影響[3]。因此，本文立足于資源調配，充分利用了SADDN網絡構架控制的優勢。

搜集網絡狀態信息為其分割點，控制器通過鏈路層發現協議，獲取更新網絡拓撲。向交換機傳遞信息，以獲得數據信息并統計歸納[4]。根據信息進一步運行控制器，選擇運行路徑，設置相應的權重。為了有效均衡網絡負載均衡程度，還要設置負載均衡度，對其進行調度流。根據調度流大小來進行調度。如果此時鏈路上有多條滿足條件的大流，則優先調度大流，以實現流調度和負載的均衡。

1.2 構建網絡通信均衡負載方法模型

在給定資源調配網絡拓撲加權圖G=(E,V)中，V={V1,V2…Vn}是各個節點上面的鏈路集，E={e1,e2…en}是各個網絡鏈路非空節點集。數據從起點S傳輸到終點L的路徑被記做為P，（P由多條鏈路所構成），P={l1,l2…ln}，該網絡中總共有n條鏈路，拓撲中各個鏈路的負載是{l1,l2…ln}。通過完善網絡拓撲加權點，構建資源調配網絡拓撲加權圖。

式（1）中，Li表示當前負載所占用的鏈路帶寬百分比。式（2）中，LMax表示網絡中的最大鏈路負載。式（3）中，第i條鏈路為最終的空閑負載，即LFi。將相應的數字信息帶入到公式中，獲得最終數據。

為有效均衡各鏈路負載量以及網絡流量，避免出現鏈路堵塞、鏈路過度集中等問題，把路徑空閑帶寬納入到鏈路路徑權值考慮的因素中。為確保整個網絡鏈路流量分布，將路徑中鏈路負載標準納入到權值考慮因素中。設計方法時以最小化最大鏈路負載為目標，以更好地獲取最終的權值。路徑權重公式為：

其中，WPath為路徑權重，LFi是鏈路i的空閑負載。通過式（4）可以發現，WPath是路徑空閑負載的平均值與其標準差值的比值。當路徑平均空閑負載值上升時，其路徑權重值下降，二者呈反比例關系。這表明路徑負載離散值越低，越不易引起鏈路擁塞，且路徑傳輸性能也越好。

整個數據傳輸過程中，還要充分考慮到路徑跳數，需要對路徑選擇進行約束，以確保其數值在有效的范圍。當控制器計算路徑時，還應當檢測目的主機是否與源主機在固定邊緣交換機中。若主機與源機在同一固定邊緣層交換機上，那么將路徑跳數限制為一跳。如果沒有連接在同一固定邊緣層交換機上，那么優先選擇跳數較少的路徑中，即選擇拓撲中最短等價路徑。只有當所有的鏈路負載超過鏈路負載門限值時，才能夠將流傳輸到其他跳數相對較多的等價路徑中，以確保跳數的限定，從而保證流的傳輸時延。

1.3 選取負載均衡的調度

流量處于高峰時期，由于受突發性大流的影響，使得網絡的某些鏈路出現高負載運行的狀況，從而導致鏈路負載不均勻的問題發生。因此，負載均衡調度時要嚴格注意鏈路運行問題，以有效降低高負載鏈路問題。設定負載均衡度a，由其來判斷鏈路是否存在高負載問題。

鏈路平均負載Lavg為：

本文設定了β為負載均衡度閾值，用來判定鏈路均衡狀況，同時用來決定是否需要進行流調度。當β大于閾值時，需要進行流調度，且此時需要較為頻繁地調度；當β小于閾值時，則不需要對其進行流調度。需要通過對β及其網絡吞吐量的關系進行測量，以選取最佳的β值。

1.4 確定負載調度流

調度流選取是本文方法的核心部分，直接關系著該方法的順利運行。通常，確定負載調度流的方法與選取負載均衡的調度方法一致，將選取的調度方法進一步優化使用到負載調度流的選擇中即可選出最佳負載調度流。

1.5 實現網絡通信均衡負載

在本文設計的基于資源調配的網絡通信均衡負載方法中，可以使用Open Flow來控制交換機，向其發送查詢請求，同時獲取相關的網絡流量以及鏈路等信息資料，如統計時間周期、收發數據包以及收發字節數等。可以利用周期性監測交換機傳輸流的統計周期和總字節數來對大小流進行判定。具體流的大小判定公式為：

其中，MT+t為交換機在T+t時所接收到的流字節數，MT為交換機在T時所接收到的流字節數，T是控制器監測統計周期。通過式（7）求出具體的流。若此時鏈路上存在多條滿足調度條件的大流，則實現了網絡通信的均衡負載。

2 實驗測試與分析

為驗證本文方法的運行效率，與傳統方法進行對比實驗。采取Ryu控制器和Mininet控制器作為網絡仿真實驗平臺，具體實驗數據如表1所示。

表1 實驗數據

由表1可知，在最小權值為254 243的情況下，傳統方法的通信有效率為76.83%，本文方法的通信有效率高達93.02%。因此，本文方法比傳統方法的運行效率要高。通過數據對比可知，本文所研究的基于資源調配的網絡通信均衡負載方法的通信有效率比傳統方法高16.19%。

3 結 論

本文方法有效結合了分布式的數據平面和集中式的控制平面的優勢，使兩個平面合二為一，大大提高了該方法的運行效率和運行質量。本文方法不僅利用了Open Flow技術完成了全局網絡的拓撲，還利用實時監控有效統計了鏈路的數量及其流量狀況信息，有效實現了鏈路動態負載均衡。最后，通過仿真實驗驗證本文方法能有效提高網絡資源的使用效率，且均衡全網負載。