基于资源调配的网络通信均衡负载方法研究

张 黎

（平顶山工业职业技术学院，河南 平顶山 467000）

0 引 言

传统的网络通信均衡负载方法在运行过程中为了实现网络资源充分利用的目标，往往会导致可扩展性差以及成本昂贵等问题，而基于基于资源调配的网络通信均衡负载方法能够进一步细化网络管理，有效降低其运行成本[1]。对于网络通信均衡负载技术，资源调配不仅能够为其提供一个成本低廉的流量管理，而且能够在一定程度上增强其运行的灵活性[2]。

本文立足现有网络通信均衡负载方法，提出基于资源调配的网络通信均衡负载方法研究。该方法有效继承了传统方法的优势，并加入了资源调配技术。

1 基于资源调配的网络通信均衡负载方法设计

1.1 网络通信均衡负载方法运行流程

网络通信具有分布不均、动态性、局部性以及明显的大小流等特征，这对其流量的均衡负载控制有着一定的影响[3]。因此，本文立足于资源调配，充分利用了SADDN网络构架控制的优势。

搜集网络状态信息为其分割点，控制器通过链路层发现协议，获取更新网络拓扑。向交换机传递信息，以获得数据信息并统计归纳[4]。根据信息进一步运行控制器，选择运行路径，设置相应的权重。为了有效均衡网络负载均衡程度，还要设置负载均衡度，对其进行调度流。根据调度流大小来进行调度。如果此时链路上有多条满足条件的大流，则优先调度大流，以实现流调度和负载的均衡。

1.2 构建网络通信均衡负载方法模型

在给定资源调配网络拓扑加权图G=(E,V)中，V={V1,V2…Vn}是各个节点上面的链路集，E={e1,e2…en}是各个网络链路非空节点集。数据从起点S传输到终点L的路径被记做为P，（P由多条链路所构成），P={l1,l2…ln}，该网络中总共有n条链路，拓扑中各个链路的负载是{l1,l2…ln}。通过完善网络拓扑加权点，构建资源调配网络拓扑加权图。

式（1）中，Li表示当前负载所占用的链路带宽百分比。式（2）中，LMax表示网络中的最大链路负载。式（3）中，第i条链路为最终的空闲负载，即LFi。将相应的数字信息带入到公式中，获得最终数据。

为有效均衡各链路负载量以及网络流量，避免出现链路堵塞、链路过度集中等问题，把路径空闲带宽纳入到链路路径权值考虑的因素中。为确保整个网络链路流量分布，将路径中链路负载标准纳入到权值考虑因素中。设计方法时以最小化最大链路负载为目标，以更好地获取最终的权值。路径权重公式为：

其中，WPath为路径权重，LFi是链路i的空闲负载。通过式（4）可以发现，WPath是路径空闲负载的平均值与其标准差值的比值。当路径平均空闲负载值上升时，其路径权重值下降，二者呈反比例关系。这表明路径负载离散值越低，越不易引起链路拥塞，且路径传输性能也越好。

整个数据传输过程中，还要充分考虑到路径跳数，需要对路径选择进行约束，以确保其数值在有效的范围。当控制器计算路径时，还应当检测目的主机是否与源主机在固定边缘交换机中。若主机与源机在同一固定边缘层交换机上，那么将路径跳数限制为一跳。如果没有连接在同一固定边缘层交换机上，那么优先选择跳数较少的路径中，即选择拓扑中最短等价路径。只有当所有的链路负载超过链路负载门限值时，才能够将流传输到其他跳数相对较多的等价路径中，以确保跳数的限定，从而保证流的传输时延。

1.3 选取负载均衡的调度

流量处于高峰时期，由于受突发性大流的影响，使得网络的某些链路出现高负载运行的状况，从而导致链路负载不均匀的问题发生。因此，负载均衡调度时要严格注意链路运行问题，以有效降低高负载链路问题。设定负载均衡度a，由其来判断链路是否存在高负载问题。

链路平均负载Lavg为：

本文设定了β为负载均衡度阈值，用来判定链路均衡状况，同时用来决定是否需要进行流调度。当β大于阈值时，需要进行流调度，且此时需要较为频繁地调度；当β小于阈值时，则不需要对其进行流调度。需要通过对β及其网络吞吐量的关系进行测量，以选取最佳的β值。

1.4 确定负载调度流

调度流选取是本文方法的核心部分，直接关系着该方法的顺利运行。通常，确定负载调度流的方法与选取负载均衡的调度方法一致，将选取的调度方法进一步优化使用到负载调度流的选择中即可选出最佳负载调度流。

1.5 实现网络通信均衡负载

在本文设计的基于资源调配的网络通信均衡负载方法中，可以使用Open Flow来控制交换机，向其发送查询请求，同时获取相关的网络流量以及链路等信息资料，如统计时间周期、收发数据包以及收发字节数等。可以利用周期性监测交换机传输流的统计周期和总字节数来对大小流进行判定。具体流的大小判定公式为：

其中，MT+t为交换机在T+t时所接收到的流字节数，MT为交换机在T时所接收到的流字节数，T是控制器监测统计周期。通过式（7）求出具体的流。若此时链路上存在多条满足调度条件的大流，则实现了网络通信的均衡负载。

2 实验测试与分析

为验证本文方法的运行效率，与传统方法进行对比实验。采取Ryu控制器和Mininet控制器作为网络仿真实验平台，具体实验数据如表1所示。

表1 实验数据

由表1可知，在最小权值为254 243的情况下，传统方法的通信有效率为76.83%，本文方法的通信有效率高达93.02%。因此，本文方法比传统方法的运行效率要高。通过数据对比可知，本文所研究的基于资源调配的网络通信均衡负载方法的通信有效率比传统方法高16.19%。

3 结 论

本文方法有效结合了分布式的数据平面和集中式的控制平面的优势，使两个平面合二为一，大大提高了该方法的运行效率和运行质量。本文方法不仅利用了Open Flow技术完成了全局网络的拓扑，还利用实时监控有效统计了链路的数量及其流量状况信息，有效实现了链路动态负载均衡。最后，通过仿真实验验证本文方法能有效提高网络资源的使用效率，且均衡全网负载。