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一種面向云計算的基于網(wǎng)絡能效優(yōu)先的路由方法

文檔序號:9567061閱讀:272來源:國知局
一種面向云計算的基于網(wǎng)絡能效優(yōu)先的路由方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于網(wǎng)絡能效優(yōu)化領域,具體設及一種面向云計算的基于網(wǎng)絡能效優(yōu)先的 路由方法。
【背景技術】
[0002] 云計算能耗問題逐漸成為制約云計算發(fā)展的重要因素,如何降低網(wǎng)絡能耗,同時 提高網(wǎng)絡的整體能效是現(xiàn)在研究的熱點。研究發(fā)現(xiàn),現(xiàn)行網(wǎng)絡中20%的鏈路承載著80%的 流量負載,運說明大部分網(wǎng)絡的設計都是不合理的,沒能實現(xiàn)負載均衡。另外,大部分網(wǎng)絡 都是采用冗余設計來滿足突發(fā)流量、鏈路擁塞等網(wǎng)絡突發(fā)問題,但是突發(fā)問題發(fā)生的概率 小,卻因此浪費了大量的資源,且大部分的網(wǎng)絡節(jié)能算法都是單純?yōu)榱斯?jié)能而設計的,沒有 考慮休眠鏈路后網(wǎng)絡的性能是否會降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術存在的不足,本發(fā)明提供一種面向云計算的基于網(wǎng)絡能效優(yōu)先的路 由方法。
[0004] 本發(fā)明的技術方案:
[0005] -種面向云計算的基于網(wǎng)絡能效優(yōu)先的路由方法,包括如下步驟:
[0006] 步驟1:確定網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標,建立網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標函數(shù)及其應服從的約束 條件;
[0007] 步驟1. 1 :網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標為:最小化網(wǎng)絡比特能耗BE和網(wǎng)絡開啟鏈路數(shù)NA; [000引根據(jù)網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標建立由式(1)所示的網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標函數(shù);
[0009] 所述網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標函數(shù)為:
[0010] Minimizef (X)=[fi (X), fz (X)] (I)
[0011] 其中
(2) (3)
[0014] 其中E為拓撲中所有鏈路的集合;L為鏈路集合中鏈路的個數(shù);Xii表示鏈路(i,j) 的流量負載,為所有源節(jié)點S到目的節(jié)點d經(jīng)過該鏈路的業(yè)務量請求之和;)'>表示 化/,e£ 網(wǎng)絡總能耗;S^表示網(wǎng)絡總流量;FUi,)為鏈路(i,j)的能耗函數(shù),由式(4)表示;n U.4-、吞在- 為二進制變量,由式(5)表示:
[0017] 其中,e為能耗與流量的線性比值;S為基本能耗的比例系數(shù);e. 5 .Cl,為鏈 路(i,j)的基本能耗;
[0018] 步驟1. 2 :建立網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標函數(shù)應服從的約束條件;
[001引 1)路由約束,由式(6)表示,保證路由中的流量守恒:
[0020] 即源節(jié)點S通過一條出鏈路發(fā)送流量,并且不接受任何流量;目的節(jié)點d只從其他 節(jié)點接收流量,而不能往鄰近節(jié)點發(fā)送流量;而中間節(jié)點的流量進出守恒;

[0022] 2)鏈路的最高利用率不得超過口限值a:
[002引Xij《曰CU,0 < 曰 < 1,(i,_]?)GE(7)
[0024] 其中a為鏈路利用率的最高口限值;
[00巧]3)路由的最大延遲約束,即路由占用的鏈路數(shù)目不得超過口限值maxhop,即單次 路由最大跳數(shù);假設流量經(jīng)過一條鏈路的延遲為一固定值,那么,對于路由的最大延遲限制 可W轉換為一個S到d的請求路徑所占用的鏈路個數(shù)的口限值,因此有約束條件:
(8)
[0027] 其中為二進制0-1變量,當源S到目的d的路徑包含鏈路(ij)時,取1,否則 取0,如式(9)所示,
(9)
[002引其中P,康示源S到目的d的路徑上的鏈路集合;
[0030] 前述X。計算方法由式(10)表示:
[0031] y。=S.C'XSD 科巧
[0032] 其中SD表示源S到目的d的請求業(yè)務量;
[0033] 步驟2 :根據(jù)網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標,首先為路由請求安排初始路徑;然后在初始路徑 的基礎上,先將鏈路利用率為零的鏈路進行休眠,然后再逐個對剩余鏈路嘗試休眠后,最后 基于流重定向來重新路由,得到符合網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標的路由;
[0034] 步驟2. 1 :采用NSGA-II算法進行初始路由,為所有OD對間的請求業(yè)務量產(chǎn)生路 徑安排;
[0035] 步驟2. 2 :在步驟2. 1安排的初始路徑的基礎上,先將鏈路利用率為零的鏈路進行 休眠,然后再根據(jù)鏈路利用率從小到大依次對剩余鏈路嘗試進行休眠,并在休眠鏈路后隨 即進行基于流重定向的重新路由,得到符合網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標的路由;
[0036] 根據(jù)所述的面向云計算的基于網(wǎng)絡能效優(yōu)先的路由方法,所述步驟2. 1按如下步 驟進行:
[0037] 步驟2. 1. 1 :初始化網(wǎng)絡狀態(tài)、路由參數(shù);
[0038] 包括導入網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)n,網(wǎng)絡拓撲矩陣即鏈路矩陣Link、流量矩陣TM、鏈路容量C、 鏈路最高利用率口限a和單次路由最大跳數(shù)maxhop;鏈路負載矩陣X中元素初始化為0 ; [003引步驟2. 1. 2 :分析路由請求,將請求按業(yè)務量從大到小排序并生成請求隊列R;
[0040] 步驟2. 1. 3 :如果R非空,按照步驟2. 1. 2中所述的順序從隊列R中依次逐個取 出請求,并確定所取出的請求的源節(jié)點S、目的節(jié)點d和業(yè)務量;如果R為空,則轉至步驟 2. 1. 2 ;
[0041] 步驟2. 1. 4 :初始化種群大小pop,最大迭代次數(shù)maxgen;
[0042] 步驟2. 1. 5 :利用隨機深度優(yōu)先捜索DFS算法,產(chǎn)生初始種群D;
[0043] 步驟2. 1. 6 :根據(jù)優(yōu)化目標函數(shù)計算種群D中每一個個體的能效優(yōu)化目標函數(shù)值, 其中對于不滿足約束2)或約束3)的個體,將其能效優(yōu)化目標函數(shù)值均置為Inf;
[0044] 步驟2. 1. 7 :利用非支配排序為種群D中的個體進行非劣性分層與排序;
[0045] 步驟2. 1. 8 :利用競爭選擇策略從種群D中選擇出父種群P;
[004引步驟2. 1.9 :通過對父種群P進行交叉、變異和修復操作,得到子種群Q,并計算子 種群Q中每個個體的能效優(yōu)化目標函數(shù)值;
[0047] 步驟2. 1. 10 :重新組合種群D、子種群Q得到種群S,即S=DUQ;
[0048] 步驟2. 1. 11 :利用非支配排序對種群S中個體進行非劣性分層與排序;
[0049] 步驟2. 1. 12 :根據(jù)精英保留策略,選擇種群S中的前pop個個體構成新的種群,用 該新的種群更新原始種群D,實現(xiàn)原始種群D的一次進化,并將更新后的種群D作為下次進 化的原始種群,轉至步驟2. 1. 8 ;
[0050] 步驟2. 1. 13 :重復執(zhí)行步驟2. 1. 8至步驟2. 1. 12maxgen次,種群D經(jīng)過maxgen 次迭代進化后,從中選擇出目標函數(shù)值最優(yōu)的個體,若該個體的目標函數(shù)值不為Inf,則路 由成功,轉到步驟2. 1. 14 ;否則,路由失敗,轉到步驟2. 1. 15 ;
[0051] 步驟2. 1. 14 :將該個體作為滿足約束的源節(jié)點S到目的節(jié)點d的最優(yōu)路徑,用該 個體的請求業(yè)務量更新鏈路負載矩陣X,并將當前取出的該請求從隊列R中刪除,然后轉到 步驟2. 1. 3 ;
[005引步驟2. 1. 15 :請求阻塞數(shù)加1,并將當前取出的該請求從隊列R中刪除,然后轉到 步驟2. 1. 3。
[0053] 步驟2. 1. 16 :重復執(zhí)行步驟2. 1. 3至步驟2. 1. 15,直至R為空,完成所有OD對間 的請求業(yè)務量的路徑安排。
[0054] 根據(jù)所述的面向云計算的基于網(wǎng)絡能效優(yōu)先的路由方法,所述步驟2. 2按如下步 驟進行:
[00巧]步驟2. 2. 1 :將鏈路矩陣Link中鏈路利用率為0的鏈路置于休眠狀態(tài),得到新的 鏈路矩陣Link_l;
[005引步驟2. 2. 2 :根據(jù)鏈路利用率從小到大將鏈路矩陣Link_l中的鏈路進行排序,生 成候選休眠鏈路隊列I;
[0057] 步驟2. 2. 3:如果I非空,則按照步驟2. 2. 2中所述的順序從隊列I中依次逐個取 出候選休眠鏈路,執(zhí)行步驟2. 2. 4;如果I為空,用鏈路矩陣Link_l更新鏈路矩陣Link,轉 至步驟2. 1. 2 ;
[0058] 步驟2. 2. 4 :確定當前取出的候選休眠鏈路的起終節(jié)點,將該鏈路置于休眠狀態(tài), 得到鏈路矩陣Link_2;
[0059] 步驟2. 2. 5 :計算出鏈路矩陣Link_2對應的可達矩陣,并根據(jù)該可達矩陣判斷此 時的網(wǎng)絡拓撲是否強連通,如果仍維持強連通性,則確定所有經(jīng)過該鏈路的OD流請求的源 節(jié)點、目的節(jié)點和請求業(yè)務量,執(zhí)行步驟2. 2. 6 ;否則,將當前取出的候選休眠鏈路從I中刪 除,轉至步驟2. 2. 3,取出下一個候選休眠鏈路;
[0060] 步驟2.2. 6:根據(jù)請求業(yè)務量從大到小將通過該鏈路的所有OD流進行排序,生成 待重定向OD流隊列W,并設置臨時鏈路負載矩陣Xl=X,將Xl中對應W中所有OD對占用 鏈路上的流量值減去通過該鏈路的相應OD對間的請求業(yè)務量;
[006。 步驟2. 2. 7 :判斷W是否非空,是,則按照步驟2. 2. 6中所述的順序從隊列W中依 次逐個取出待重定向OD流,并執(zhí)行步驟2. 2. 8 ;否,則轉到步驟2. 2. 12 ;
[0062] 步驟2.2. 8 :確定當前取出的待重定向OD流的源節(jié)點S、目的節(jié)點d和請求業(yè)務 量;
[0063] 步驟2. 2. 9:用鏈路矩陣Link_2更新鏈路矩陣Link,按照步驟2. 1. 2至步驟 2. 1. 13的方法重新路由;
[0064] 步驟2. 2. 10:如果路由成功,用通過該鏈路的相應OD對間的請求業(yè)務量更新臨時 鏈路負載矩陣XI,并將當前該重定向OD流從隊列W中刪除,轉到步驟2. 2. 7,取出下一個待 重定向OD流;如果路由失敗,則鏈路休眠失敗,將當前候選休眠鏈路從I中刪除,轉到步驟 2. 2. 3,取出下一個候選休眠鏈路;
[0065] 步驟2.2. 11:重復執(zhí)行步驟2. 2. 7至步驟2. 2. 10,直至W為空,則待重定向OD流 隊列W中的所有OD流重定向均成功,表明當前候選休眠鏈路休眠成功;
[0066] 步驟2. 2. 12:更新鏈路負載矩陣X=XI,并將Link_l中的該鏈路休眠,并將當前 候選休眠鏈路從I中刪除,轉到步驟2. 2. 3,取出下一個候選休眠鏈路;
[0067] 步驟2. 2. 13:重復執(zhí)行步驟2. 2. 3至2. 2. 12,直至I為空,用鏈路矩陣Link_l更 新鏈路矩陣Link,得到符合網(wǎng)絡能效優(yōu)化目標的路由。
[006引本發(fā)明有益效果:本發(fā)明對適用于不同規(guī)模的云計算網(wǎng)絡的能效路由策略問題進 行了研究。在保證QoS的基礎上,優(yōu)先提高網(wǎng)絡能效,綜合考慮了網(wǎng)絡架構、網(wǎng)絡業(yè)務需求、 網(wǎng)絡性能及網(wǎng)絡能效。本發(fā)明不僅能滿足最高利用率口限、路由占用的鏈路數(shù)目等約束條 件,而且耗能少,利用率高,能夠有效地降低互聯(lián)網(wǎng)公司的運營成本,對網(wǎng)絡的規(guī)劃管理具 有重要的意義。
【附圖說明】
[0069] 圖1為本發(fā)明一種實施方式的面向云計算的基于網(wǎng)絡能效優(yōu)先的路由方法流程 圖;
[0070] 圖2為本發(fā)明一種實施方式的采用NSGA-II算法初始路由過程流程圖;
[0071] 圖3為本發(fā)明一種實施方式的鏈路休眠與基于流重定向的重新路由過程流程圖;
[0072]
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