摘要：現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)都集中在一條最優(yōu)路徑上，使得網(wǎng)絡(luò)流量不均衡，擁塞不可避免。傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)難以拓展，文章在應(yīng)用層上對(duì)覆蓋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流量均衡，利用覆蓋網(wǎng)絡(luò)之間的互動(dòng)性給出了覆蓋網(wǎng)絡(luò)的多路徑流量均衡模型，在該模型上研究了輸入流量和輸出流量的分配算法，并通過仿真實(shí)驗(yàn)說明了可以有效地減小網(wǎng)絡(luò)的端到端延遲。
關(guān)鍵詞：覆蓋網(wǎng)絡(luò)；多路徑路由；流量均衡

0 概述
    覆蓋網(wǎng)絡(luò)是以底層的物理網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上建立的虛擬網(wǎng)絡(luò)。覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)間的虛擬連接是邏輯上的，與底層的物理網(wǎng)相比，覆蓋網(wǎng)絡(luò)具有更好的靈活性。覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)相比，具有處理功能，即存儲(chǔ)一處理一轉(zhuǎn)發(fā)功能。多路徑路由是相對(duì)于單路徑的路由來說的，現(xiàn)在的Intemet中的路由使用的是單路徑路由，不支持多路徑路由。文獻(xiàn)中給出了覆蓋網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)載均衡多播路由算法，文獻(xiàn)中對(duì)多路徑路由做了研究，文章指出了多路徑對(duì)吞吐量的增大，可靠性的提高有著良好的作用。文獻(xiàn)通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B通性和節(jié)點(diǎn)間距離建模，比較了覆蓋路由相對(duì)普通的IP層路由的優(yōu)勢。文獻(xiàn)提出彈性覆蓋網(wǎng)絡(luò)(Resilience Overlay Networks，RON)，是MIT的And-ersen等人對(duì)多路徑覆蓋路由系統(tǒng)的最早的實(shí)現(xiàn)方案，通過不斷探測網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，然后選擇一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路失效的快速檢測和“繞行”。流量的均衡對(duì)于減少端到端時(shí)延，擁塞控制和充分利用網(wǎng)絡(luò)有著重要的意義。但是，上述文獻(xiàn)中并沒有給出覆蓋網(wǎng)絡(luò)的多路徑路由技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)流量均衡中的應(yīng)用，因此本文提出在覆蓋網(wǎng)絡(luò)上用多路徑路由技術(shù)對(duì)覆蓋網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行均衡的方法。
    本文在建立一種覆蓋網(wǎng)絡(luò)的多路徑流量均衡的模型的基礎(chǔ)上，引入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測算法，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行均衡。

1 覆蓋網(wǎng)絡(luò)的多路徑流量均衡模型
    相比現(xiàn)在研究較多的傳統(tǒng)單路徑網(wǎng)絡(luò)的流量均衡，本文采用的是多路徑方案對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行均衡。相比于單路徑使網(wǎng)絡(luò)流量過于匯集，多路徑可以讓網(wǎng)絡(luò)流量分配到多條可行的路徑上，提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐能力，降低網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。
    本文的模型建立基于如下假設(shè)：
    (1)覆蓋網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)具有足夠的數(shù)據(jù)處理能力和轉(zhuǎn)發(fā)能力，即節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與時(shí)延相比開銷很小，網(wǎng)絡(luò)的延遲主要產(chǎn)生在傳輸鏈路上。
    (2)覆蓋網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部包括不同類型的流量成分，這些流量成分可以按照一定的標(biāo)準(zhǔn)劃分，本文中按照目的節(jié)點(diǎn)來劃分流量。
    (3)覆蓋網(wǎng)絡(luò)可以通過一定的檢測機(jī)制檢測網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延信息。
    本文中所用的路由是源路由，即所有的路由信息都是由源節(jié)點(diǎn)規(guī)劃完成，路徑上的節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)，不對(duì)路徑作任何改變。源節(jié)點(diǎn)通過不斷探測得到鏈路信息，這樣節(jié)點(diǎn)就會(huì)擁有整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌M(jìn)而根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?，鏈路的時(shí)延、帶寬等信息規(guī)劃出多條路徑。這些路徑構(gòu)成路徑集，本文中的路徑集中的路徑都是不相交的路徑(disljoint paths)。
    進(jìn)入節(jié)點(diǎn)S且目的節(jié)點(diǎn)為t的流量可以劃分成兩個(gè)部分：節(jié)點(diǎn)S始發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)t的流量和經(jīng)過節(jié)點(diǎn)S中轉(zhuǎn)而發(fā)往目的節(jié)點(diǎn)t的流量。多路徑的路由選擇過程從網(wǎng)絡(luò)流量角度來看分為兩步：第一步是各鏈路流入節(jié)點(diǎn)S的過程，第二步是通過選路機(jī)制進(jìn)行多路徑的轉(zhuǎn)發(fā)過程，將流量分配到不同的路徑上去。為了說明此問題，下面給出圖示。

    為了描述模型，定義如下符號(hào)，如表1所示。

    設(shè)網(wǎng)絡(luò)用G(V，E)表示，其中V表示頂點(diǎn)，E表示頂點(diǎn)間的邊。
    定義輸入鏈路i的利用率：，這里表示流經(jīng)i鏈路流量與i鏈路容量的比值。
    根據(jù)前面的分析可知，節(jié)點(diǎn)S到t的總流量可以表示為：。
    延遲對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)來說是衡量鏈路好壞的一個(gè)重要參數(shù)，本文通過考慮節(jié)點(diǎn)的端到端的延遲來分析網(wǎng)絡(luò)是否均衡。
    輸入排隊(duì)延遲為輸入鏈路的隊(duì)列長度除以鏈路的速度，
   
    上述定義的延遲在后面的仿真中將用到。

2 流量輸入的帶寬分配算法
    輸入的帶寬分配方法主要是解決輸入鏈路的不均衡利用問題。網(wǎng)絡(luò)均衡在數(shù)學(xué)上的表示是各輸入鏈路的帶寬利用率的方差最小。即使得最小，因此該問題可以轉(zhuǎn)化為以下問題：
    目標(biāo)函數(shù)：求解輸入鏈路i上以t為目的節(jié)點(diǎn)的流量

    式(1)的含義是：輸入的流量要小于輸出的容量，以避免節(jié)點(diǎn)擁塞，因此將輸出鏈路的總?cè)萘孔鳛檩斎腈溌返目偭髁康募s束；輸入鏈路的總的流量要小于目的t的總流量。
   
    這里將其定義為平均鏈路利用率。
    式(1)條件下的最小值是存在的，但是問題的求解非常困難。因此，這里用一個(gè)近似算法來替代上式的求解。定義一個(gè)帶寬分配周期，將平均鏈路利用率作為參考值，根據(jù)上一周期的輸入鏈路利用率是否大于平均鏈路利用率而調(diào)整分配帶寬。設(shè)置一個(gè)鏈路i調(diào)整帶寬
   
   

3 多路徑流量輸出分配算法
    多路徑流量分配算法是指通過多路徑算法實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的流量按照某些特定的要求分配到多條路徑上，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。
    在此，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)流量的多路徑分配，定義一個(gè)分配概率矩陣。通過調(diào)節(jié)該矩陣實(shí)現(xiàn)流量的合理分配，使得流量的分配更加均衡。
   
    矩陣元素Piyj表示數(shù)據(jù)通過鏈路i到目的Vj的概率，在這里我們把其作為流量分配的比例。以t為目的節(jié)點(diǎn)，分配到鏈路i的流量為。
    上述分配的流量需要滿足以下約束：
   
    式(2)表示：分配到輸出鏈路上的流量要小于輸出鏈路的容量；輸出的總的流量應(yīng)小于流到目的節(jié)點(diǎn)的總流量。
    網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的，通過分析多路徑網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行過程可知，在很多情況下流量在一定時(shí)間段內(nèi)具有相對(duì)穩(wěn)定性，因此可以用預(yù)測算法對(duì)下一時(shí)段的流量進(jìn)行預(yù)測。上式(2)求解計(jì)算開銷較大，下面通過預(yù)測算法來決定概率分配矩陣。
    對(duì)流量進(jìn)行周期性的預(yù)測。設(shè)tf為預(yù)測周期，tp為探測周期，每到一個(gè)探測周期對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能(時(shí)延、吞吐率、丟包率等)進(jìn)行探測，預(yù)測周期是由若干個(gè)探測周期組成的。覆蓋網(wǎng)絡(luò)可以通過一定的檢測機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路的時(shí)延狀況進(jìn)行評(píng)估。
   
    式中：為第j個(gè)預(yù)測周期，對(duì)鏈路i分配流量比率的預(yù)測；fi為當(dāng)前鏈路i的流量；為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的總流量；β為權(quán)重因子，調(diào)節(jié)β的大小可以調(diào)節(jié)預(yù)測部分和當(dāng)前部分在決策中的權(quán)重；為第j-1個(gè)預(yù)測周期，鏈路i的預(yù)測流量；為第j-1個(gè)預(yù)測周期，節(jié)點(diǎn)的預(yù)測總流量用上述預(yù)測的概率來作為分配矩陣中的概率，即令。

4 仿真實(shí)驗(yàn)
    通過NS2的GT-ITM的Waxman模型模擬出如下圖的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?jié)點(diǎn)數(shù)為10，設(shè)節(jié)點(diǎn)鏈路的容量都是10Mb／s，輸入鏈路的速率為50M／s。圖2實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D。

    本文通過分析時(shí)延特性來說明對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的改善。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)加上負(fù)載大小是隨機(jī)的，以N2到N4為例來分析端到端時(shí)延特性，通過對(duì)比單路徑和多路徑的端到端的時(shí)延來實(shí)現(xiàn)。單路徑表示N2-NO-N4，多路徑包括路徑1和路徑2，其中路徑1表示N2-N6-N4，路徑2表示N2-N0-N4。可以看到通過多路徑路徑1和路徑2相比于單路徑可以有效地減少端到端的延遲。路徑1和路徑2的端到端延遲相差不大，說明負(fù)載在網(wǎng)絡(luò)中是較為均衡的。

5 結(jié)語
    傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)只負(fù)責(zé)報(bào)文的盡力而為的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)中流量按照單條路徑轉(zhuǎn)發(fā)，各節(jié)點(diǎn)之間缺少相互的協(xié)調(diào)工作。本文通過覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型的建立，對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行預(yù)測并通過多路徑傳輸，使得節(jié)點(diǎn)的端到端延遲大大減小，為解決流量均衡問題提供了一條新思路。