多拓扑路由实现IP网络区分服务的优化算法
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收稿日期： 2010 -06-20 ； 修回日期： 2010-07-30 教授， 博导， 主要研究方向为通信网与宽带通信技术 ．
珘 3 Ll － （ 2 /3 ） C l 珘 10 L l － （ 16 / 3 ） C l Φ L， l = 珘 70 L l － （ 178 / 3 ） C l 500 L － （ 1468 / 3 ） C 珘 l l 珘 5000 L l － （ 16318 / 3 ） C l
［2 ］
1. 1. 1
低优先级流量对吞 吐 率 较 为 敏 感， 且 数 据 量 较 大， 因此使
［3 ］ 用 Fortz 提出的开销函数作为低优先级流量优化目标：
， 以网 络 总 延 迟 的 惩 罚 函 数 为 目 标 函 数 ， 优化链路权
但对某特定高 重 。 该方法虽然能在一定程度上保证降低延迟， 优先级业务来说， 其链路 延 迟 可 能 仍 未 达 到 要 求； 而 且 易 陷 入 局部最优 。 本文提出的 算 法 考 虑 每 个 高 优 先 级 业 务 的 延 迟 要 能 找 到 可 行 解， 即 使 要 求 无 法 全 部 满 足， 也能扩大搜索空 求， 间， 降低全网延迟 。
启发式算法， 在一定条件下以一定概率接受非可行解， 从而引入松弛机制扩大候选解范围， 避免搜索陷入局部最 结果证明该算法能够为每个高优先级需 求的服务层协定 优 。 在仿真中将所提出的算法和已有算法进行了比较， （ SLA ） 提ຫໍສະໝຸດ Baidu保证， 有效降低全网总时延或提高网络吞吐量 。 关键词： 多拓扑； 区分服务； 链路权重优化； 启发式算法； 服务层协定 中图分类号： TP393 文献标志码： A 文章编号： 1001-3695 （ 2010 ） 12-4735-03 doi ： 10． 3969 / j． issn． 10013695． 2010． 12． 098
［1 ］
路集合； C ij 表示链路 （ i ，j ） ∈ E 的 容 量； 高 、 低优先级流量矩阵 t） ］| V | × | V | ， Ｔ L = ［r L （ s ， t） ］| V | × | V | ， 其中 r H （ s ， 分别为 Ｔ H = ［r H （ s ， t） 、 r L （ s， t ） 分别为源 、 t） 间 的 高、 目 的 节 点 对 （ s， 低优先级流量 Ll ； 带 宽 容 需求； 链 路 l 上 的 高 、 低 优 先 级 流 量 分 别 表 示 为 Hl 、 量为 C l 。 本文采 用 的 解 决 资 源 竞 争 的 方 法 是 优 先 队 列 机 制 ， 链路优先服务高优先级业务， 链路对低优先级业务的带宽是服 务高优先级业务后的剩余带宽， 因此高优先级业务的分配对低 优先级业务有影响， 反之则没有影响 。 1. 1 目标函数 基于链路负载的开销函数
Ll
珘 0≤Ll / C l ＜ 1 /3 珘 1 /3 ≤ Ll / C l ＜ 2 /3 珘 2 /3 ≤ Ll / C l ＜ 9 / 10 珘 9 / 10 ≤ L l / C l ＜1 珘 1≤Ll / C l ＜ 11 / 10 珘 11 / 10 ≤ L l / C l ＜ ∞ （ 1）
步骤为： a ） 对 所 有 链 路 按 辞 典 式 一次迭代中要找到 m 个邻居， 开销 S 排序； b ） 然后 随 机 选 取 连 续 的 m 条 开 销 大 的 链 路 组 成 集合 A ， 连续的 m 条开 销 小 的 链 路 组 成 集 合 B ； c ） 随 机 地 从 A 中选取一条链路增加其权重， 选 取 B 中 的 链 路 减 小 其 权 重， 以 得到一个邻居， 重 复 m 次。通 过 这 种 方 法 将 繁 忙 的 链 路 流 量 得到 S 最小的邻居 搬移到空闲的链路上 。 分别评价这些邻居， 作为 W bestnei 。 选择目标函数 S （ W bestnei ） 最 小 的 邻 居 与 当 前 最 优
［4 ］ 本算法使用 的 找 邻 居 的 方 法 是 Nucci 等 人 提 出 的 。 若
s 为 平 均 包 长 度 。 这 样 一 个 业 务 rH 其中： p l 为 l 的 传 播 延 迟， （ s， t ） 在源 、 t ） 间的延迟 D （ s ， t） 为 最 短 路 上 的 所 目的节点对（ s ， 有链路延迟之和， 而全网总延迟为所有业务延迟的总和 。 本文 Hl Φ H， l ， 来近似 其 中 Φ H， 使用 l为链路 l 基于负载的高优先 Cl Cl － Hl 级业务的开销函数 。 另一个高优先级优化 目 标 是 找 到 满 足 所 有 业 务 延 迟 保 障 约定的可行解 。 1. 2 高、 低优先级目标函数结合 在本文的优化算法中， 为了保证高优先级目标函数有绝对 2］中的辞 典 式 z =〈x ， y〉 ； 规 定 z1 ＞ z2 ， 优先权， 引入文献［ 当且 y 1 ＞ y 2 。 这样， 本文 的 目 标 可 以 表 达 为： 仅当 x 1 ＞ x 2 或 x 1 = x 2 ， 。 其中： D H 为高优先级业务延 迟 开 销， 最小化 S =〈D H ， ΦL 〉 ΦL 为低优先级业务负载开销 。
｛ if （ W * 非可行且 W bestnei 可行） ｛ W * = W bestnei ； list． clear （ ） ； list． push （ W bestnei ） ； ｝ else if （ 连续 M 次无改进） ｛ 对 W 随机串扰； list． clear （ ） ； list． push （ W ） ； ｝ else W = random_select （ list ） ； ｝ iter + + ； ｝ STOP
第 27 卷
珘 其中： L l 为 链 路 l 上 承 载 的 低 优 先 级 流 量； C l 为低优先级流量 珘 C l = C l － H l ； Φ L， 看到的剩 余 带 宽， l 则为链路 l 的低优先级开 网络的总开 销 Φ L 为 所 有 链 路 开 销 的 总 和 。 可 以 看 出， 当 销， 链路利用率增大时， 开销 增 大， 从而惩罚负载不均衡的链路权 只需将 重设置 。 高优先级链路负载函 数 仍 然 可 以 使 用 式 （ 1 ） ， 珘 Ll 、 C l 分别换成 Φ H ， Hl 、 C l 代入即可 。 Φ L， l、 l、 1. 1. 2 基于服务层级协议（ SLA ） 的开销函数 高优先级流量对延 迟 敏 感， 而 业 务 量 较 少， 因此使用基于 SLA 的开销函数［2］ 作 为 优 化 目 标 之 一 。 链 路 l 上 的 延 迟 包 括 传播延迟和排队延迟， 其平均延迟计算式为
的出现， 允许链路对不 同 优 先 级 业 务 拥 有 不 同 权 重， 进
为充分利用网络资源满足 而为不同优先级业务分别计算路由， 不同业务需求极大地 增 加 了 灵 活 性 。 本 文 将 拓 扑 数 限 制 为 两 个， 即网络链路拥有 高 、 低 优 先 级 两 套 权 重。假 定 每 个 高 优 先 能满足所有延迟要求的链路权重为可 级业务有一个延迟要求， 行解， 否则为非可行解 。 在 IP 网络中， 路由器通过最短路径路由协 议 寻 径， 网络运 而优化链路 营者通过设置网络链路权重来控制带宽资源分配， 权重是 NP 难问题， 因此对于较大 规 模 的 网 络 要 使 用 启 发 式 算 法求解 。 现有的多拓扑 服 务 区 分 的 高 优 先 级 权 重 设 计 启 发 式 算法
0
引言
IP 网络 业 务 的 多 样 化 与 需 求 激 增 使 服 务 区 分 的 近年来，
1
优化问题描述
E） ， E 为链 假定一个有向图 G = （ V ， 其 中 V 为 节 点 集 合，
重要性逐渐显现 。 传统 IP 网 络 只 允 许 拥 有 一 套 链 路 权 重， 不 同优先级业务共同使用这一套权重来转发数据包； 多拓扑路由 技术
Dl = Hl s （ + 1） + pl Cl Cl － Hl （ 2）
* * 其中： W 0 为随机生成的初始解； W 为 当 前 最 优 解， 即 W 是使
当迭代到指定 开销函数值最小 的 一 套 权 重； iter 为 迭 代 次 数， 次数 N 时（ 也可以设定其他终止标准） 算法结束； 函 数 neighbor （ ） 的输入是当前解， 作用是找到 W 的邻居， 邻居的定义是与 W 有一条或几条链路权重不同的一套新权重（ 新解） 。
Optimization algorithm for service differentiation in IP network through multi-topology routing
HUANG He ， WANG Sheng
（ Key Laboratory of Broadband Optical Fiber Transmission ＆ Communication Networks ，University of Electronic Science ＆Technology of China ， Chengdu 611731 ，China ）
Abstract ： Under the background of using multi-topology routing technology for service differentiation and routing optimization this paper proposed an improved link weight optimization heuristic algorithm． This algorithm accepted infeasible in IP network ， solutions with a specified probability under certain conditions ， thus introduced relaxation mechanism to expand range of candidate solutions and prevented the search from falling into local optimum． It compared the new algorithm with the existing one in results indicate that the improved algorithm is effective in providing SLA guarantee for high priority recomputer simulation ， quests ， minimizing total network delay and increasing network throughput． Key words ： multi-topology ； service differentiation ； link weight optimization ； heuristic algorithm ； SLA
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 60972030 ）
作者简介： 黄赫（ 1985 -） ， 男（ 满族） ， 吉林吉林人， 硕士研究生， 主要研究方向为通信网络优化（ huanghe1985 @ uestc． edu． cn ） ； 王 晟 （ 1971 -） ， 男，
· 4736·
计 算 机 应 用 研 究
第 27 卷第 12 期 2010 年 12 月
计 算 机 应 用 研 究 Application Research of Computers
Vol． 27 No． 12 Dec． 2010
* 多拓扑路由实现 IP 网络区分服务的优化算法 黄
摘
赫，王
晟
（ 电子科技大学 宽带光纤传输与通信网络技术重点实验室，成都 611731 ） 要： 在 IP 网络使用多拓扑技术对不同业务区 分 服 务 和 路 由 优 化 的 背 景 下， 提出一种改进的链路权重优化
珘 3 Ll － （ 2 /3 ） C l 珘 10 L l － （ 16 / 3 ） C l Φ L， l = 珘 70 L l － （ 178 / 3 ） C l 500 L － （ 1468 / 3 ） C 珘 l l 珘 5000 L l － （ 16318 / 3 ） C l
［2 ］
1. 1. 1
低优先级流量对吞 吐 率 较 为 敏 感， 且 数 据 量 较 大， 因此使
［3 ］ 用 Fortz 提出的开销函数作为低优先级流量优化目标：
， 以网 络 总 延 迟 的 惩 罚 函 数 为 目 标 函 数 ， 优化链路权
但对某特定高 重 。 该方法虽然能在一定程度上保证降低延迟， 优先级业务来说， 其链路 延 迟 可 能 仍 未 达 到 要 求； 而 且 易 陷 入 局部最优 。 本文提出的 算 法 考 虑 每 个 高 优 先 级 业 务 的 延 迟 要 能 找 到 可 行 解， 即 使 要 求 无 法 全 部 满 足， 也能扩大搜索空 求， 间， 降低全网延迟 。
启发式算法， 在一定条件下以一定概率接受非可行解， 从而引入松弛机制扩大候选解范围， 避免搜索陷入局部最 结果证明该算法能够为每个高优先级需 求的服务层协定 优 。 在仿真中将所提出的算法和已有算法进行了比较， （ SLA ） 提ຫໍສະໝຸດ Baidu保证， 有效降低全网总时延或提高网络吞吐量 。 关键词： 多拓扑； 区分服务； 链路权重优化； 启发式算法； 服务层协定 中图分类号： TP393 文献标志码： A 文章编号： 1001-3695 （ 2010 ） 12-4735-03 doi ： 10． 3969 / j． issn． 10013695． 2010． 12． 098
［1 ］
路集合； C ij 表示链路 （ i ，j ） ∈ E 的 容 量； 高 、 低优先级流量矩阵 t） ］| V | × | V | ， Ｔ L = ［r L （ s ， t） ］| V | × | V | ， 其中 r H （ s ， 分别为 Ｔ H = ［r H （ s ， t） 、 r L （ s， t ） 分别为源 、 t） 间 的 高、 目 的 节 点 对 （ s， 低优先级流量 Ll ； 带 宽 容 需求； 链 路 l 上 的 高 、 低 优 先 级 流 量 分 别 表 示 为 Hl 、 量为 C l 。 本文采 用 的 解 决 资 源 竞 争 的 方 法 是 优 先 队 列 机 制 ， 链路优先服务高优先级业务， 链路对低优先级业务的带宽是服 务高优先级业务后的剩余带宽， 因此高优先级业务的分配对低 优先级业务有影响， 反之则没有影响 。 1. 1 目标函数 基于链路负载的开销函数
Ll
珘 0≤Ll / C l ＜ 1 /3 珘 1 /3 ≤ Ll / C l ＜ 2 /3 珘 2 /3 ≤ Ll / C l ＜ 9 / 10 珘 9 / 10 ≤ L l / C l ＜1 珘 1≤Ll / C l ＜ 11 / 10 珘 11 / 10 ≤ L l / C l ＜ ∞ （ 1）
步骤为： a ） 对 所 有 链 路 按 辞 典 式 一次迭代中要找到 m 个邻居， 开销 S 排序； b ） 然后 随 机 选 取 连 续 的 m 条 开 销 大 的 链 路 组 成 集合 A ， 连续的 m 条开 销 小 的 链 路 组 成 集 合 B ； c ） 随 机 地 从 A 中选取一条链路增加其权重， 选 取 B 中 的 链 路 减 小 其 权 重， 以 得到一个邻居， 重 复 m 次。通 过 这 种 方 法 将 繁 忙 的 链 路 流 量 得到 S 最小的邻居 搬移到空闲的链路上 。 分别评价这些邻居， 作为 W bestnei 。 选择目标函数 S （ W bestnei ） 最 小 的 邻 居 与 当 前 最 优
［4 ］ 本算法使用 的 找 邻 居 的 方 法 是 Nucci 等 人 提 出 的 。 若
s 为 平 均 包 长 度 。 这 样 一 个 业 务 rH 其中： p l 为 l 的 传 播 延 迟， （ s， t ） 在源 、 t ） 间的延迟 D （ s ， t） 为 最 短 路 上 的 所 目的节点对（ s ， 有链路延迟之和， 而全网总延迟为所有业务延迟的总和 。 本文 Hl Φ H， l ， 来近似 其 中 Φ H， 使用 l为链路 l 基于负载的高优先 Cl Cl － Hl 级业务的开销函数 。 另一个高优先级优化 目 标 是 找 到 满 足 所 有 业 务 延 迟 保 障 约定的可行解 。 1. 2 高、 低优先级目标函数结合 在本文的优化算法中， 为了保证高优先级目标函数有绝对 2］中的辞 典 式 z =〈x ， y〉 ； 规 定 z1 ＞ z2 ， 优先权， 引入文献［ 当且 y 1 ＞ y 2 。 这样， 本文 的 目 标 可 以 表 达 为： 仅当 x 1 ＞ x 2 或 x 1 = x 2 ， 。 其中： D H 为高优先级业务延 迟 开 销， 最小化 S =〈D H ， ΦL 〉 ΦL 为低优先级业务负载开销 。
｛ if （ W * 非可行且 W bestnei 可行） ｛ W * = W bestnei ； list． clear （ ） ； list． push （ W bestnei ） ； ｝ else if （ 连续 M 次无改进） ｛ 对 W 随机串扰； list． clear （ ） ； list． push （ W ） ； ｝ else W = random_select （ list ） ； ｝ iter + + ； ｝ STOP
第 27 卷
珘 其中： L l 为 链 路 l 上 承 载 的 低 优 先 级 流 量； C l 为低优先级流量 珘 C l = C l － H l ； Φ L， 看到的剩 余 带 宽， l 则为链路 l 的低优先级开 网络的总开 销 Φ L 为 所 有 链 路 开 销 的 总 和 。 可 以 看 出， 当 销， 链路利用率增大时， 开销 增 大， 从而惩罚负载不均衡的链路权 只需将 重设置 。 高优先级链路负载函 数 仍 然 可 以 使 用 式 （ 1 ） ， 珘 Ll 、 C l 分别换成 Φ H ， Hl 、 C l 代入即可 。 Φ L， l、 l、 1. 1. 2 基于服务层级协议（ SLA ） 的开销函数 高优先级流量对延 迟 敏 感， 而 业 务 量 较 少， 因此使用基于 SLA 的开销函数［2］ 作 为 优 化 目 标 之 一 。 链 路 l 上 的 延 迟 包 括 传播延迟和排队延迟， 其平均延迟计算式为
的出现， 允许链路对不 同 优 先 级 业 务 拥 有 不 同 权 重， 进
为充分利用网络资源满足 而为不同优先级业务分别计算路由， 不同业务需求极大地 增 加 了 灵 活 性 。 本 文 将 拓 扑 数 限 制 为 两 个， 即网络链路拥有 高 、 低 优 先 级 两 套 权 重。假 定 每 个 高 优 先 能满足所有延迟要求的链路权重为可 级业务有一个延迟要求， 行解， 否则为非可行解 。 在 IP 网络中， 路由器通过最短路径路由协 议 寻 径， 网络运 而优化链路 营者通过设置网络链路权重来控制带宽资源分配， 权重是 NP 难问题， 因此对于较大 规 模 的 网 络 要 使 用 启 发 式 算 法求解 。 现有的多拓扑 服 务 区 分 的 高 优 先 级 权 重 设 计 启 发 式 算法
0
引言
IP 网络 业 务 的 多 样 化 与 需 求 激 增 使 服 务 区 分 的 近年来，
1
优化问题描述
E） ， E 为链 假定一个有向图 G = （ V ， 其 中 V 为 节 点 集 合，
重要性逐渐显现 。 传统 IP 网 络 只 允 许 拥 有 一 套 链 路 权 重， 不 同优先级业务共同使用这一套权重来转发数据包； 多拓扑路由 技术
Dl = Hl s （ + 1） + pl Cl Cl － Hl （ 2）
* * 其中： W 0 为随机生成的初始解； W 为 当 前 最 优 解， 即 W 是使
当迭代到指定 开销函数值最小 的 一 套 权 重； iter 为 迭 代 次 数， 次数 N 时（ 也可以设定其他终止标准） 算法结束； 函 数 neighbor （ ） 的输入是当前解， 作用是找到 W 的邻居， 邻居的定义是与 W 有一条或几条链路权重不同的一套新权重（ 新解） 。
Optimization algorithm for service differentiation in IP network through multi-topology routing
HUANG He ， WANG Sheng
（ Key Laboratory of Broadband Optical Fiber Transmission ＆ Communication Networks ，University of Electronic Science ＆Technology of China ， Chengdu 611731 ，China ）
Abstract ： Under the background of using multi-topology routing technology for service differentiation and routing optimization this paper proposed an improved link weight optimization heuristic algorithm． This algorithm accepted infeasible in IP network ， solutions with a specified probability under certain conditions ， thus introduced relaxation mechanism to expand range of candidate solutions and prevented the search from falling into local optimum． It compared the new algorithm with the existing one in results indicate that the improved algorithm is effective in providing SLA guarantee for high priority recomputer simulation ， quests ， minimizing total network delay and increasing network throughput． Key words ： multi-topology ； service differentiation ； link weight optimization ； heuristic algorithm ； SLA
基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 60972030 ）
作者简介： 黄赫（ 1985 -） ， 男（ 满族） ， 吉林吉林人， 硕士研究生， 主要研究方向为通信网络优化（ huanghe1985 @ uestc． edu． cn ） ； 王 晟 （ 1971 -） ， 男，
· 4736·
计 算 机 应 用 研 究
第 27 卷第 12 期 2010 年 12 月
计 算 机 应 用 研 究 Application Research of Computers
Vol． 27 No． 12 Dec． 2010
* 多拓扑路由实现 IP 网络区分服务的优化算法 黄
摘
赫，王
晟
（ 电子科技大学 宽带光纤传输与通信网络技术重点实验室，成都 611731 ） 要： 在 IP 网络使用多拓扑技术对不同业务区 分 服 务 和 路 由 优 化 的 背 景 下， 提出一种改进的链路权重优化