基于QoS约束的网络路由算法的研究

基于软件定义网络的多约束QoS双路径路由优化方法

基于软件定义网络的多约束QoS双路径路由优化方法

一、引言

随着互联网的迅猛发展，网络中的流量量级和多样性不断增加。在传统网络中，流量通常通过单一路径进行传输，往往导致网络拥塞、延迟和可靠性等问题。为了解决这些问题，软件定义网络（Software-Defined Networking，简称SDN）应运而生。SDN将网络数据平面与控制平面分离，引入了网络控制器，使得网络的配置、管理和监控变得更加灵活和智能。本文将基于SDN的理念，提出一种基于软件定义网络的多约束QoS双路径路由优化方法。

二、多约束QoS双路径路由问题描述

在传统网络中，单一路径的选择通常基于最短路径算法，但这种方法无法满足网络中多约束的QoS要求，如带宽、延迟和可靠性。而且，当网络中发生节点或链路故障时，单一路径容易导致通信中断。因此，双路径路由成为一个更好的选择。双路径路由通过选择两条路径来提高网络的容错性和可靠性。

在面对多约束QoS的情况下，我们需要在选择双路径时考虑多个约束条件，如带宽利用率、链路延迟、拥塞等。因此，本文将考虑以下多个约束条件：

1. 带宽利用率：要求通过选择路径，使得网络中的链路带宽利用率不高于一定阈值。

2. 延迟：要求通过选择路径，使得网络中的链路延迟不高于一定阈值。

3. 拥塞：要求通过选择路径，使得网络中的链路在拥塞状态下能够维持正常通信。 三、基于SDN的多约束QoS双路径路由优化方法

为了解决多约束QoS双路径路由问题，我们提出了一种基于SDN的优化方法。该方法分为两个阶段：路径选择和路径切换。

1. 路径选择阶段

在路径选择阶段，我们首先收集网络中各个链路的带宽利用率、延迟和拥塞等信息。这可以通过SDN控制器与网络中的交换机进行通信来完成。然后，我们将这些信息输入到一个QoS约束优化模型中，利用数学规划方法求解出一条主路径和一条备份路径。该QoS约束优化模型可以根据不同的约束条件和权重进行调整，从而实现灵活的路径选择。

通信网络中QoS多播路由算法研究的开题报告

一、研究背景

随着互联网的迅速发展，多媒体数据的传输需求也越来越大，QoS

（Quality of Service）与多播（Multicast）成为了当下通信网络研究的热点话题。QoS是指网络运行中系统（如路由器、交换机）对网络业务的优先级排序和传输控制等各种手段的技术，能够保证数据在网络传输过程中稳定、可靠地传输，同时在网络资源有限的情况下，尽可能地满足不同服务质量（QoS）的需求。多播是指一发一收的数据传输模式转变为一发多收的数据传输模式，能减少网络中的冗余数据传输量，提高网络利用率，同时保证多个收件人接收到相同的数据。QoS多播路由算法是指在满足QoS要求的情况下，确定多播数据在网络中的传输路径。

现有的QoS多播路由算法研究大多集中在保证网络带宽、时延、丢包率等性能指标的前提下，提高网络的利用率和多播传输效率。然而，随着网络规模的不断扩大和多媒体内容的不断增加，QoS多播路由算法还需要解决的一些问题，如如何有效减少网络中的冗余数据传输，如何提高网络的可靠性等，因此，对QoS多播路由算法的研究还有许多值得探究的问题。

二、研究内容

本研究的目的是构建一种新的基于QoS要求的多播路由算法，针对现有算法存在的问题进行改进。本研究主要涉及以下内容：

1. 综述现有的QoS多播路由算法研究及其应用情况，剖析现有算法的优点与不足。

2. 提出一种基于QoS要求的多播路由选择算法，分析其选择策略。

3. 利用模拟仿真实验来验证该算法的有效性，以及其在不同网络环境下的性能情况。 4. 尝试将该算法应用到实际的网络中，从而实现网络流量的优化和QoS多播传输效率的提高。

三、研究意义和预期结果

本研究旨在构建一种更加优化和高效的基于QoS要求的多播路由选择算法，以解决现有算法的不足之处，具有重要的意义。预期结果如下：

1. 提出一种新的算法，能够有效降低网络中冗余数据的传输，提高网络利用率，从而实现网络带宽的优化和减少网络拥塞的发生，保证了多播传输的QoS。

宽带ＩＰ网络基于ＱｏＳ的路由算法　常恒张凌汤立群　（华南理工大学网络中心，广州５１０６４０）　Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｃｈａｎｇ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｅｎ　摘　要　文章简要介绍了网络服务质量路由问题，研究了一种在综合服务（１ｎｔＳｅｒｖ）网络模型下保证服务质量的路由算　法，并对该算法提出了一定的改进，从而提高了算法的性能。　关键词　服务质量（ＱｏＳ）　ＱｏＳ路由　综合服务模型　区分服务模型　迭代贝尔曼一福特算法　文章编号１００２—８３３ｌ一（２００２）２２—００３０—０２　文献标识码Ａ　中图分类号ＴＰ３９３　ＱｏＳ　Ｒｏｕｔｉｎｇ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｎ　Ｂｒｏａｄｂａｎｄ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｃｈａｎｇ　Ｈｅｎｇ　Ｚｈａｎｇ　Ｌｉｎｇ　Ｔａｎｇ　Ｌｉｑｕｎ　（Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１　０６４０）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｂｒｉｅｆｌｙ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ＱｏＳ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ａ　ＱｏＳ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ＩｎｔＳｅｒｖ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｍｏｄｅ１．Ｓｏｍｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ａｄｄｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｉｔｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＱｏＳ，ＱｏＳ　ｒｏｕｔｉｎｇ，ＩｎｔＳｅｒｖ，ＤｉｆｆＳｅｒｖ，Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ　Ｂｅｌｌｍａｎ—Ｆｏｒｄ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　在当前因特网中，数据分组采用面向非连接的尽力而为转　发模式。但这种模式已经不能适应未来宽带高速ＩＰ网络传送　面向连接的实时多媒体业务流（ｆｌｏｗ）的需要。对于这些流，网　络需要提供请求的ＱｏＳ（服务质量）保证，这就需要基于ＱｏＳ的　路由。一般来讲。ＱｏＳ路由要达到两个目标：一方面要满足应用　的ＱｏＳ请求，另一方面还要优化网络的资源利用率【ｌ】。　ｌ　基本概念　１．１　ＱｏＳ度量（Ｍｅｔｒｉｃ）　在ＩＰ网络中ＱｏＳ度量一般有以下几种：带宽、时延、时延　抖动、跳数、经济费用．丢包率和可靠性等。ＩＰ网络是逐级跳　的，因而度量的基本粒度是链路度量。而流的ＱｏＳ要求通常是　端到端的，即它的度量是基于路径的。从链路度量与路径度量　的函数关系上可以把度量参数分为３种类型。若以ｄ（Ｐ）表示　路径Ｐ的度量，以ｄ（ｉ√）表示链路（　√）的度量，ｉ，　，…，ｍ分别　表示路径Ｊｐ上顺序分布的节点，３种类型如下所示：（１）瓶项参　数ｄ（Ｐ）＝ｍｉｎ／ｍａｘ｛ｄ（ｉ√），ｄ　，ｋ），…，ｄ（１，ｍ）ｌ，以带宽等参数为　典型代表。（２）加法参数ｄ（Ｊｐ）＝ｄ（　，　）＋ｄ（　Ｊ｝）＋…＋ｄ（Ｚ，ｍ），以时　延、时延抖动，跳数、经济费用等参数为典型代表。（３）乘法参数　ｄ（Ｊｐ）　（　√）　ｄ（，，Ｊ｝）…　ｄ（１，ｍ），以丢包率和可靠性等参数为　典型代表：　１．２　ＱｏＳ路由与资源预留　ＱｏＳ路山和资源顶留是紧密相关的两个部分。为提供确保　服务质量的业务流，、Ｉ｛一个Ｑｏｓ连接建立时，请求的资源必须　被预留，这样ＱｏＳ连接内的数据传送将不受网络中流量动态　特性的影响。ＱｏＳ选路过程＿Ｌ．Ｊ资源颅留过程是解耦的，也就是　说，在资源预留之前，满足要求的ＱｏＳ路径必须已经被选定。　但也有建议将路由和资源预留结合进一个消息中发送？　１．３　网络模型　ＩＥＴＦ提出了综合服务（ＩｎｔＳｅｒｖ）和区分服务（Ｄｉ　ｆ、ｌ１、的同　络模型ｌ　２＿　。综合服务模型使用对每一流（ｐｅｒ　ｆｌｏｗ）的显　资源　预留和管理，在网络节点对每一流进行排队调度，非常适合提　供每一流的ＱｏＳ保证和路由。但是因为要在网络节点维护和　更新每一流的状态，不可避免地产生了可扩展性问题。而区分　服务使用聚合流模型，将数据包简单地划分为预先定义的若干　类。在网络节点上，对每一类使用相应的每跳行为（ＰＨＢ）进行　处理，简化了网络操作，解决了扩展性问题。不过因为使用聚合　流模型，对于每一流的ＱｏＳ路由处理有待进一步的研究。文章　后面所讨论的ＱｏＳ路由问题，仍然考虑的是综合服务模型的　情况。　２速率相关（ｒａｔｅ—ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａ１）的调度规律　综合服务模型中，网络节点提供每一流的排队凋度：有一　类被称为速率相关（ｒａｔｅ—ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａ１）的调度规律Ｉ　Ｉ．例如虚时　钟调度（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｃｌｏｃｋ），加权公平排队调度（Ｗｅｉｇｈｔｅｄ　Ｆａｉｒ　Ｑｕｅｕｅｉｎｇ），基于帧的公平排队调度（Ｆｒａｍｅ—ｂａｓｅｄ　Ｆａｉｒ　Ｑｕｅｕｅ—　ｉｎｇ）等，这些调度规律确保同一个输出链路上的不同的流之间　依各自的比例共享链路的带宽容量。当网络节点使用这一类的　调度规律条件下，流的端到端延时，延时抖动和为了保证数据　分组不丢失而需要的每个网络节点的缓存大小都是流所预留　带宽和流的流量源特征参数的函数。　给定一个ｎ跳的路径Ｐ，设第ｉ跳链路的总带宽为ｃ＿，流厂　的流量源特征令牌桶为（盯，ｂ），盯是平均令牌产生速率，ｂ是桶　的大小，假设路径的各链路都预留同样的带宽ｒ（ｒ≥盯），￡　是　最大分组大小，ｐｒｏｐ　是第ｉ跳的传播延迟．。可以证明分组所经　历的端到端延迟、延迟抖动和第　跳网络节点所需的缓存空间　的上限值可由下列公式给出：　Ｄ（Ｊｐ　ｒ）＝＿６１＋～ｎ．Ｌ　＋∑　＋∑Ｐ　（１）　基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：６ｏｌ７２ｏ４７）；高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划资助　作者简介：常恒，男，１９７７年生，在读博士。主要从事网络服务质量，服务质量路由，网络流量工程等的研究。　３０　２００２．

第２０卷第４期　２００８年８月　军械工程学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｖ０１．２０　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．，２００８　

文章编号：１００８—２９５６（２００８）０４—００７０—０５　

基于多ＱｏＳ约束的启发式路由选择算法设计与实现　

张伟，王韬，李华，李海亮　

（军械工程学院计算机工程系，河北石家庄０５０００３）　

摘要：针对时延、路由跳数以及网络资源利率３种约束，结合软件路由器项目，对路由选择算法的网络模型进行了　描述和定义，并提出了基于多ＱｏＳ约束的启发式路由选择算法（Ｈ—ＭＣＰ）。通过在软件路由器上实现和测试，表明　该算法具有可行性和启发性。　关键词：ＱｏＳ；路由；多约束；启发式　中图分类号：ＴＰ３９３．０６　文献标识码：Ａ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｈｅｕｒｉｓｔｉｃ　Ｐａｔｈ　Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　

Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ＱｏＳ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　

ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ，ＷＡＮＧ　Ｔａｏ，ＬＩ　Ｈｕａ，ＬＩ　Ｈａｉ—ｌｉａｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｏｒｄｎａｎｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５０００３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ｒｅｇａｒｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ　ｏｆ　ｄｅｌａｙ，ｒｏｕｔｉｎｇ　ｈｏｐｓ　ａｎｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒｏｕｔｅｒ　ｉｔｅｍ，ｗｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｆｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｍｏｄ　

ｅｌ　ｏｆ　ｐａｔｈ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ　ａ　ｋｉｎｄ　ｏｆ　ｈｅｕｒｉｓｔｉｃ　ｐａｔｈ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｕｌｔｉ—　ｐｌｅ　ＱｏＳ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ（Ｈ—ＭＣＰ）．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒｏｕｔｅｒ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｈｅｕｒｉｓｔｉｃ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＱｏＳ；ｒｏｕｔｉｎｇ；ｍｕｌｔｉ—ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ；ｈｅｕｒｉｓｔｉｃ