專利名稱：兼顧運(yùn)營(yíng)成本和傳輸性能雙優(yōu)化的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙目標(biāo)優(yōu)化的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法，確切地說(shuō)，涉及一種兼顧運(yùn)營(yíng)成本和傳輸性能雙目標(biāo)優(yōu)化的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法，屬于域間流量工程或網(wǎng)絡(luò)建模及其性能優(yōu)化的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Internet快速的自我成長(zhǎng)性和日益膨脹的規(guī)模對(duì)網(wǎng)絡(luò)的有效管理和互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)發(fā)展都提出了巨大的挑戰(zhàn)。大量網(wǎng)絡(luò)新應(yīng)用的涌出和社會(huì)行為的網(wǎng)絡(luò)化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)域間行為的安全性和可控性的需求日益增強(qiáng)。互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)順應(yīng)形勢(shì)提出了流量工程TE (Traffic Engineering)的概念,并指出流量工程的目的是優(yōu)化運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)的性能，以便最有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，為用戶提供保證質(zhì)量的服務(wù)。流量工程的主要目標(biāo)是對(duì)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能優(yōu)化，在促進(jìn)有效、可靠的網(wǎng)絡(luò)操作的同時(shí)，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。它的技術(shù)涉及到互聯(lián)網(wǎng)的流量測(cè)量、模型建立、特征描述和控制的科學(xué)原理和技術(shù)應(yīng)用，以及如何將這些知識(shí)和技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐中來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)。
在互聯(lián)網(wǎng)中，提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的角色為運(yùn)營(yíng)商ISP (Internet Service Provider),每個(gè)運(yùn)營(yíng)商擁有各自獨(dú)立的流量傳輸網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)管理高度自治，由統(tǒng)一的管理機(jī)構(gòu)采用統(tǒng)一的路由策略來(lái)管理網(wǎng)絡(luò)。因此，具有統(tǒng)一管理機(jī)構(gòu)、統(tǒng)一路由策略的網(wǎng)絡(luò)稱為自治域，而不同運(yùn)營(yíng)商分別管理的網(wǎng)絡(luò)為不同的自治域。流量工程調(diào)控網(wǎng)絡(luò)流量時(shí)，根據(jù)其作用域的不同，可分為域內(nèi)流量工程(流量調(diào)控在自治域內(nèi)部進(jìn)行)和域間流量工程(流量調(diào)控在不同的自治域之間進(jìn)行)。目前，流量工程的解決方案大都局限于自治域內(nèi)，而在實(shí)際互聯(lián)網(wǎng)中，經(jīng)常出現(xiàn)多個(gè)運(yùn)營(yíng)商合作共同向客戶提供服務(wù)的情況，即流量跨域傳輸。為了進(jìn)一步改善用戶的端到端的性能，需要實(shí)施域間流量工程，保證流量在整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中得到負(fù)載均衡，并提聞全網(wǎng)的運(yùn)行效率。
然而，自治域具有高度自治性和保密性，不允許其它自治域影響自己的路由和流量管理。因此，域間流量工程具有拓?fù)湫畔⒌牟煌耆?、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的不完全性、控制管理的難協(xié)商性和流量模式的動(dòng)態(tài)性等許多特點(diǎn)，其研究難度很大。具體來(lái)說(shuō)，在技術(shù)方面，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌窢顟B(tài)信息對(duì)于有效分配流量頗有幫助，然而，域間路由協(xié)議BGP基于安全性、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性的考慮，并不穿越網(wǎng)絡(luò)邊界發(fā)布這類信息。在管理方面，各個(gè)自治域具有不同的運(yùn)營(yíng)成本和網(wǎng)絡(luò)容量，在某個(gè)自治域內(nèi)被認(rèn)為是好的解決方案，被移植到另一個(gè)自治域內(nèi)時(shí)，不一定也被認(rèn)為是好的解決方案。在影響方面，流量跨域傳輸時(shí)，一個(gè)域的輸出流量會(huì)成為相鄰域的輸入流量，即流量輸出域的流量控制策略會(huì)影響流量輸入域的網(wǎng)絡(luò)性能。運(yùn)營(yíng)商認(rèn)為對(duì)自己最有利的解決方案，卻可能會(huì)給相鄰網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)?yè)砣炔焕绊?。如果運(yùn)營(yíng)商只根據(jù)自身利益來(lái)制定流量策略，則很可能給彼此帶來(lái)不利影響，最后導(dǎo)致所有參與者利益受損。這些特點(diǎn)都增加了域間流量工程的難度，使得互聯(lián)網(wǎng)域間協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化工作充滿了困難和挑戰(zhàn)， 也使得這項(xiàng)工作充滿了意義。
域間協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化是運(yùn)營(yíng)商利用域間流量工程來(lái)優(yōu)化所有參與流量傳輸?shù)淖灾斡虻木W(wǎng)絡(luò)性能，而其關(guān)鍵就是如何有效地控制流的流向?，F(xiàn)實(shí)生活中，多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS (Mult1-Protocol Label Switching)流量工程策略已被廣泛應(yīng)用于自治域內(nèi)部,用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源利用率、支持要求端到端QoS保證的服務(wù)、實(shí)現(xiàn)鏈路/節(jié)點(diǎn)故障的快速修復(fù)等。而將MPLS流量工程應(yīng)用到域間協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化時(shí)，卻因?yàn)闊o(wú)法獲取相鄰域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌窢顟B(tài)等信息，進(jìn)而給計(jì)算最短約束路徑造成了困難。
雖然，IETF的流量工程工作組正在積極研究采用MPLS流量工程策略來(lái)實(shí)現(xiàn)域間流量工程目標(biāo)，但是，目前也只是提出對(duì)于域間MPLS流量工程的設(shè)計(jì)要求，還沒(méi)有給出有效的策略。由于MPLS技術(shù)還沒(méi)有穿越自治域邊界被使用，目前的域間流量工程只能通過(guò)調(diào)整BGP路由協(xié)議的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)?；贐GP的流量工程策略僅僅是對(duì)域間流量的流向進(jìn)行粗略和單方面的控制，當(dāng)流量輸入到其他運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可能會(huì)造成相鄰運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)性能降低或網(wǎng)絡(luò)流量不可預(yù)測(cè)的變化，最終導(dǎo)致雙方性能都降低。
因此，域間流量工程需要一個(gè)更有效、更符合互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)的方法來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，最有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源和為用戶提供QoS保證。就目前研究情況來(lái)看，研究人員試圖提出系統(tǒng)化的方法來(lái)解決域間流量工程問(wèn)題。因?yàn)槊總€(gè)自治域都是獨(dú)立管理的，域內(nèi)流量控制可以由運(yùn)營(yíng)商自行調(diào)節(jié)，而域間流量信息存在隱蔽性，只能通過(guò)有選擇地發(fā)布路由信息來(lái)對(duì)入網(wǎng)流量和出網(wǎng)流量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，即出網(wǎng)域間流量工程。
文獻(xiàn)《保障帶寬的域間流量工程的出口路由器選擇》(《On Egress RouterSelection for Inter-domain Traffic with Bandwidth Guarantees》， 干丨 J 于 InProceedings of IEEE HPSR, April2004)指出:出網(wǎng)域間流量工程問(wèn)題的本質(zhì)是一個(gè)出口路由器的選擇問(wèn)題，即每個(gè)自治域的出域流量可通過(guò)不同的出口路由器到達(dá)相鄰自治域時(shí)，需要在自治域內(nèi)部將出域流量引導(dǎo)至最優(yōu)的出口路由器，以使雙方的網(wǎng)絡(luò)資源都能得到充分利用，并且，這個(gè)問(wèn)題可建模為線性規(guī)劃問(wèn)題來(lái)解決。通過(guò)建模來(lái)確定出域流量的出口路由器選擇的域間流量工程方法需要運(yùn)營(yíng)商之間的相互合作；然而，由于網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)運(yùn)營(yíng)商之間存在激烈的競(jìng)爭(zhēng)，可行的域間流量工程方法必須遵循下述準(zhǔn)則:
(I)泄露信息最小化:對(duì)于運(yùn)營(yíng)商，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌窢顟B(tài)信息是敏感的內(nèi)部信息，基于安全性和維持競(jìng)爭(zhēng)力的立場(chǎng)，運(yùn)營(yíng)商不愿意將這些信息泄露給其他運(yùn)營(yíng)商。因此，運(yùn)營(yíng)商合作的前提是避免或減少泄露其內(nèi)部敏感信息。
(2)帕累托最優(yōu):域間流量工程的流量分配應(yīng)該達(dá)到下述效果:從某一種分配狀態(tài)過(guò)渡到另一種狀態(tài)的變化中，在沒(méi)有使得任何運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)性能變差的前提下，也不可能使得某個(gè)或某些運(yùn)營(yíng)商的性能變得更好。換句話說(shuō)，就是不可能發(fā)生改善某些運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)性能時(shí)，不使任何其他運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)性能變差。
(3)比例公平:域間流量工程策略對(duì)于參與者的網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化是比例公平的，不能使得參與者獲得公平利益的策略是不會(huì)被長(zhǎng)久采納的。
(4)動(dòng)力一致:參與的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商都能獲得比以前不合作時(shí)的更多利益，合作是雙贏的選擇。
(5)運(yùn)營(yíng)成本最小化:流量傳輸是需要運(yùn)營(yíng)成本的，在不產(chǎn)生擁塞的前提下，能用最短路徑完成流量傳輸，就不再選擇更長(zhǎng)的路徑，即選擇運(yùn)營(yíng)成本最小的流量傳輸路徑。
目前，已經(jīng)有了 一種比較有效的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法，可以同時(shí)滿足上述五項(xiàng)準(zhǔn)則中的四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)《采用納什討價(jià)還價(jià)法和分解法的合作型域間流量工程》(《Cooperative Inter-Domain Traffic Engineering Using Nash Bargaining andDecomposition》,干Ij于In INFOCOMJ 07)較好地實(shí)現(xiàn)了性能角度的協(xié)同性能優(yōu)化,能夠同時(shí)滿足上述泄露信息最小化、帕累托最優(yōu)、比例公平和動(dòng)力一致的四項(xiàng)優(yōu)化準(zhǔn)則。
然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和擴(kuò)散，各種付費(fèi)服務(wù)數(shù)目不斷增多(如音樂(lè)、視頻、計(jì)算、存儲(chǔ)等)，在決定提供何種服務(wù)和制定定價(jià)機(jī)制時(shí)，與技術(shù)因素相比較，運(yùn)營(yíng)成本或費(fèi)用的因素也變得越來(lái)越重要?，F(xiàn)實(shí)生活中運(yùn)營(yíng)商制定策略時(shí)不僅要考慮效率最大化，也要考慮利益最大化。而利益最大化的最基本方式是降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本。在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的領(lǐng)域中，最小化運(yùn)營(yíng)成本不是一個(gè)新概念，最小費(fèi)用最大流問(wèn)題是經(jīng)濟(jì)學(xué)和管理學(xué)中的一類典型問(wèn)題。但是，這種問(wèn)題現(xiàn)有的解決方式不利于同時(shí)處理多條流量請(qǐng)求，也不利于實(shí)時(shí)調(diào)控流量，是一種滯后的流量調(diào)控，而且這種滯后的流量調(diào)控有時(shí)甚至?xí)档途W(wǎng)絡(luò)性能。因此，現(xiàn)在需要尋求一種新的方法以使運(yùn)營(yíng)商的利益最大化。然而，網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)營(yíng)收益關(guān)系比較復(fù)雜，相關(guān)研究還在起步階段，相關(guān)資料也非常少。
文獻(xiàn)《描述面向服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)中的相互作用、競(jìng)爭(zhēng)和革新的運(yùn)營(yíng)收益模型》(((Interactions, competition and innovation in a service-oriented internet:Aneconomic model》，刊于INF0C0M, 2010，Proceedings IEEE),從運(yùn)營(yíng)收益角度比較透徹地分析了網(wǎng)絡(luò)參與者之間的相互作用和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。而文獻(xiàn)《雙邊市場(chǎng)中自治域間的利潤(rùn)分享》(((Revenue Sharing among ISPs in Two-Sided Markets》，刊于 In INFOCOM’ll)在一定程度上詮釋了雙邊市場(chǎng)中的參與者之間的利潤(rùn)分配問(wèn)題。上述兩篇文獻(xiàn)，為描述域間流量工程中的運(yùn)營(yíng)收益關(guān)系并最小化運(yùn)營(yíng)成本提供了良好的基礎(chǔ)。
綜合上述，從運(yùn)營(yíng)成本和傳輸性能兩個(gè)角度制定一個(gè)符合現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)需求的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)中的互聯(lián)網(wǎng)域間協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化具有非常重要意義，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)科技人員關(guān)注的焦點(diǎn)。
下面先介紹本發(fā)明所涉及的相關(guān)技術(shù)術(shù)語(yǔ)的涵義或定義:
雙目標(biāo)優(yōu)化:系統(tǒng)方案的選擇取決于兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的滿足程度，這類決策問(wèn)題稱為雙目標(biāo)決策，又叫雙目標(biāo)優(yōu)化。本發(fā)明從運(yùn)營(yíng)成本和傳輸性能兩個(gè)角度判斷域間流量工程實(shí)現(xiàn)方法的優(yōu)劣。
納什討價(jià)還價(jià):又稱為議價(jià)或談判，主要是指參與雙方通過(guò)協(xié)商方式解決利益的分配問(wèn)題，其解被稱為納什討價(jià)還價(jià)解或納什談判解。這是一種同時(shí)滿足帕累托最優(yōu)、對(duì)稱、比例公平和無(wú)關(guān)選擇的獨(dú)立性的解。`在這種機(jī)制下，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商合作優(yōu)化社會(huì)福利函數(shù)，即合作優(yōu)化作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的納什乘積。為了得到納什談判解，只需要求解簡(jiǎn)單的納什乘積最大化問(wèn)題即可，不涉及具體的討價(jià)還價(jià)細(xì)節(jié)。
利潤(rùn)分享契約:當(dāng)跨域流量在兩個(gè)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)之間傳輸時(shí)，占主導(dǎo)地位的運(yùn)營(yíng)商向另一運(yùn)營(yíng)商收取低于臨界成本的傳輸費(fèi)用，并為彌補(bǔ)利潤(rùn)損失而收取對(duì)方利潤(rùn)分成的契約。這個(gè)契約有效促進(jìn)了運(yùn)營(yíng)商之間的合作與雙贏。
拉格朗日松弛算法:將目標(biāo)函數(shù)中造成問(wèn)題求解復(fù)雜的約束吸收到目標(biāo)函數(shù)中，并保持目標(biāo)函數(shù)的線性特性，使得問(wèn)題更容易求解；也就是在一些組合優(yōu)化中，在原問(wèn)題中減少一些約束，使得問(wèn)題的求解難度大大降低(稱這類造成問(wèn)題復(fù)雜的約束為難約束或復(fù)雜約束)。
拉格朗日分解算法:增加輔助變量，使得一個(gè)等式約束可以耦合兩組相對(duì)獨(dú)立的約束條件。采用拉格朗日松弛方法，將剛引入的等式約束吸收到目標(biāo)函數(shù)中，根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的線性特性而分解為兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的線性規(guī)劃問(wèn)題，這兩個(gè)線性規(guī)劃問(wèn)題被稱為原問(wèn)題的拉格朗日分解。
次梯度算法:為求解凸函數(shù)最優(yōu)化問(wèn)題的一種迭代法。次梯度法能夠用于不可微的目標(biāo)函數(shù)，且只需要很少的存儲(chǔ)需求；當(dāng)次梯度法和拉格朗日分解算法結(jié)合時(shí)，可以簡(jiǎn)化原問(wèn)題而得到一種簡(jiǎn)單分配算法。發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種全面考慮網(wǎng)絡(luò)實(shí)際需求，兼顧運(yùn)營(yíng)成本和傳輸性能雙目標(biāo)優(yōu)化，實(shí)時(shí)處理大規(guī)?？缬蛄髁總鬏斦?qǐng)求的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法，用于解決現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商不顧全局利益，只根據(jù)有限的自治域信息和自身利益來(lái)調(diào)節(jié)流量，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)的問(wèn)題，以及只注重性能優(yōu)化，而不考慮運(yùn)營(yíng)成本的處理方式。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種兼顧運(yùn)營(yíng)成本和傳輸性能雙目標(biāo)優(yōu)化的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:所述方法支持域間協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化、兼顧運(yùn)營(yíng)成本最低和性能最優(yōu)雙目標(biāo)而制定合理的流量控制策略；采用的決策原則是多準(zhǔn)則建模，全面考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求，同時(shí)處理多個(gè)流請(qǐng)求，以便實(shí)時(shí)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)流量，將問(wèn)題分而治之，避免或減少敏感信息的泄露；并采用博弈思路，兼顧參與者的合作與競(jìng)爭(zhēng)；該方法包括下述操作步驟:
(A)從性能角度確立優(yōu)化目標(biāo):以網(wǎng)絡(luò)傳輸性能指標(biāo)作為研究對(duì)象，使得最后的流量分配策略能夠滿足帕累托最優(yōu)、比例公平和動(dòng)力一致性的特點(diǎn)；
(B)從運(yùn)營(yíng)成本角度確立優(yōu)化目標(biāo):以運(yùn)營(yíng)成本作為研究對(duì)象，使得最后的流量分配策略能夠滿足運(yùn)營(yíng)成本最小化的要求；
(C)利用流量守恒定律表述滿足性能和運(yùn)營(yíng)成本雙優(yōu)化目標(biāo)的約束條件:因擁有雙優(yōu)化目標(biāo)和流量守恒的約束限定條件而構(gòu)建成線性規(guī)劃問(wèn)題，故通過(guò)計(jì)算獲得該問(wèn)題的最優(yōu)解；
(D)執(zhí)行拉格朗日分解:將涉及到兩個(gè)自治域的線性規(guī)劃問(wèn)題分解為每個(gè)自治域各自獨(dú)立解決的子問(wèn)題，使得每個(gè)自治域之間只交換不涉及包括域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌啡萘康姆敲舾行畔ⅰ?br> 本發(fā)明方法的創(chuàng)新技術(shù)是:通過(guò)數(shù)學(xué)建模，用計(jì)算方式獲取每條鏈路上流向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的流量數(shù)值，可以同時(shí)處理多個(gè)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的流量請(qǐng)求信息。雖然計(jì)算得出的只是單條鏈路上的流量，但在計(jì)算過(guò)程中，使用了流量守恒定律，即對(duì)于任意一條流，本發(fā)明能夠計(jì)算出其從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑(可能流量會(huì)分成多條路傳輸)，并可通過(guò)資源預(yù)留方式進(jìn)行流量調(diào)控。此外，本發(fā)明方法支持實(shí)時(shí)調(diào)控，在任何時(shí)刻都可以進(jìn)行宏觀調(diào)控流量，因?yàn)槊總€(gè)中間傳輸路由都會(huì)存儲(chǔ)或記憶尚未完成傳輸?shù)牧髁坑?jì)算結(jié)果，這些存儲(chǔ)或記憶的信息將作為下次計(jì)算的流請(qǐng)求處理。
本發(fā)明域間流量工程方法具有下述有益效果:本發(fā)明支持域間協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化、兼顧運(yùn)營(yíng)成本最低和傳輸性能最優(yōu)雙目標(biāo)而制定合理的流量控制策略；其優(yōu)化目標(biāo)是全局的，求解過(guò)程是分解的、計(jì)算量較少； 且建模過(guò)程采用博弈思路，既滿足參與者合作雙贏的需求，也兼顧其競(jìng)爭(zhēng)的特性；最大程度地優(yōu)化利用網(wǎng)絡(luò)資源，解決了現(xiàn)有域間流量工程中運(yùn)營(yíng)商只根據(jù)有限自治域信息和自身利益調(diào)節(jié)流量，不顧全局利益，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)的問(wèn)題，以及只注重傳輸性能優(yōu)化，而不考慮運(yùn)營(yíng)成本的處理方式；采用了系統(tǒng)化的建模方式，可以同時(shí)處理多個(gè)源節(jié)點(diǎn)、多個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的大規(guī)?？缬蛄髁空?qǐng)求，使得實(shí)時(shí)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)流量成為可能；再者，所建模型具有很好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性。本發(fā)明能夠廣泛應(yīng)用于實(shí)際域間流量工程協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，具有很好的應(yīng)用前景。


圖1是域間流量工程模型示意圖。
圖2是本發(fā)明域間流量工程實(shí)現(xiàn)方法的操作步驟流程圖。
具體實(shí)施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
本發(fā)明提供了一種兼顧運(yùn)營(yíng)成本和傳輸性能雙目標(biāo)優(yōu)化的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法，支持域間協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，兼顧運(yùn)營(yíng)成本最低和性能最優(yōu)雙目標(biāo)而制定合理的流量控制策略；采用的決策原則是多準(zhǔn)則建模，全面考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求，同時(shí)處理多個(gè)流請(qǐng)求，以便實(shí)時(shí)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)流量，將問(wèn)題分而治之，避免或減少敏感信息的泄露；并采用博弈思路，兼顧參與者的合作與競(jìng)爭(zhēng)。
參見(jiàn)圖1，為闡述本發(fā)明方法，先介紹如圖1所示的域間流量工程模型:
假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)營(yíng)商、內(nèi)容提供商和終端用戶都只有2個(gè)。由于地理位置、行業(yè)壟斷和服務(wù)的不可替代性，內(nèi)容提供商CP (Content Provider)和終端用戶EU (End User)都固定接入設(shè)定運(yùn)營(yíng)商ISP(Internet Service Provider)的網(wǎng)絡(luò)。這里采用簡(jiǎn)稱加下標(biāo)表示不同的實(shí)體，如ISP1和ISP2表示不同的運(yùn)營(yíng)商，CP1和CP2表示不同的內(nèi)容提供商，EU1和EU2表示不同的終端用戶。CP1和EU1分別通過(guò)其網(wǎng)關(guān)G11和 ;「'固定接入第一個(gè)運(yùn)營(yíng)商ISP1,CP2和EU2分別通過(guò)其網(wǎng)關(guān)( 和固定接入第二個(gè)運(yùn)營(yíng)商ISP2。相鄰運(yùn)營(yíng)商之間有兩個(gè)雙向域間通路Peer link，域間通路在自治域上的接入點(diǎn)為出口路由。圖1中的ISPj^出口路由為I11和杧，ISP2的出口路由為g和杧；終端用戶和內(nèi)容提供商所接入的網(wǎng)關(guān)均能路由到各自所在自治域的出口路由，且每個(gè)自治域內(nèi)的網(wǎng)關(guān)互通。內(nèi)容提供商所提供的服務(wù)既可以在域內(nèi)傳輸(如CP1傳輸給EU1),也可以跨域傳輸(如CP1傳輸給EU2)。當(dāng)CP1的服務(wù)傳輸給EU2時(shí)，其流量需要經(jīng)過(guò)不同的自治域，即跨域傳輸。出域流量既可以選擇模型中位置處于上方的Peer link，也可以選擇位置處于下方的Peer link。本發(fā)明域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法就是解決跨域流量如何選擇出口路由的問(wèn)題。
參見(jiàn)圖2，介紹本發(fā)明兼顧運(yùn)營(yíng)成本和傳輸性能雙目標(biāo)優(yōu)化的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法的具體操作步驟:
步驟1，從性能角度確立優(yōu)化目標(biāo):以網(wǎng)絡(luò)傳輸性能指標(biāo)作為研究對(duì)象，使得最后的流量分配策略能夠滿足帕累托最優(yōu)、比例公平和動(dòng)力一致性的特點(diǎn)。
該步驟的性能角度優(yōu)化是以兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商企圖優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)U1和U2的納什乘積U1U2作為性能優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，該兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)U1和U2代表的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)傳輸性能指標(biāo)能夠相同或不同；選擇納什乘積作為性能優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是因?yàn)槠浣鉂M足納什談判解的三條公理:帕累托最優(yōu)、對(duì)稱性和無(wú)關(guān)選擇的獨(dú)立性，且無(wú)關(guān)討價(jià)還價(jià)的具體過(guò)程。以納什乘積作為性能優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)的解滿足帕累托最優(yōu)表示參與運(yùn)營(yíng)商的利益均已達(dá)到在不傷害其他運(yùn)營(yíng)商利益下的最大值；其解滿足對(duì)稱性表示公平公正，參與的運(yùn)營(yíng)商愿意長(zhǎng)期合作；其解滿足無(wú)關(guān)選擇的獨(dú)立性表示其他不相干屬性不會(huì)影響決策結(jié)果，能保障結(jié)果的穩(wěn)定性；其解還滿足屬性的獨(dú)立性，即參與雙方能夠選擇相同屬性或不同屬性，屬性的選擇不影響問(wèn)題的求解。
為方便操作，本發(fā)明方法選擇與納什乘積U1U2擁有等價(jià)解的lnUl+lnii2作為目標(biāo)函數(shù)，理由是InUjlnU2=InU1U2,而作為納什乘積的對(duì)數(shù)的InU1U2和納什乘積U1U2具有相同的單調(diào)性，故Inuflnu2和U1U2具有相同的納什解，兩者作為優(yōu)化目標(biāo)是等價(jià)的；且由于選擇Inuflnu2作為目標(biāo)函數(shù)，有利于將優(yōu)化問(wèn)題分解為供參與性能優(yōu)化的兩個(gè)運(yùn)營(yíng)商各自獨(dú)立解決的子問(wèn)題，降低問(wèn)題求解的復(fù)雜度。所以從性能角度出發(fā)，優(yōu)化目標(biāo)的函數(shù)為fl (U1, u2) =Inu^lnu2,性能角度的優(yōu)化目標(biāo)為最大化(U1, u2)。
步驟2，從運(yùn)營(yíng)成本角度確立優(yōu)化目標(biāo):以運(yùn)營(yíng)成本作為研究對(duì)象，使得最后的流量分配策略能夠滿足運(yùn)營(yíng)成本最小化的要求。
該步驟的運(yùn)營(yíng)成本角度優(yōu)化是選擇運(yùn)營(yíng)成本最小化作為運(yùn)營(yíng)成本優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，以提高總運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)。因流量跨域傳輸導(dǎo)致各個(gè)自治域之間傳輸?shù)牧髁啃枰召M(fèi)，而采用設(shè)定的經(jīng)濟(jì)分享契約能使每個(gè)運(yùn)營(yíng)商的各自利潤(rùn)與總運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)成正比，通過(guò)研究流量跨域傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)參與者之間的運(yùn)營(yíng)收益關(guān)系，即收費(fèi)機(jī)制，可知在傳輸流量固定、各鏈路運(yùn)輸單位流量成本不變的條件下，最小化總運(yùn)營(yíng)成本可以提高總運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)；因此采用降低總運(yùn)營(yíng)成本提高總運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)的方法，對(duì)于參與流量跨域傳輸和按總運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)比例分成的運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，是比例公平的。且提高總運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)，參與流量跨域傳輸?shù)膬蓚€(gè)運(yùn)營(yíng)商必將雙贏，運(yùn)營(yíng)商有參與的合作動(dòng)力。
圖1模型中流量跨域傳輸?shù)目傔\(yùn)營(yíng)成本可表示為兩個(gè)自治域內(nèi)的流量傳輸成本之和，其計(jì)算公式為:
權(quán)利要求
1.一種兼顧運(yùn)營(yíng)成本和傳輸性能雙目標(biāo)優(yōu)化的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:所述方法支持域間協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化、兼顧運(yùn)營(yíng)成本最低和性能最優(yōu)雙目標(biāo)而制定合理的流量控制策略；采用的決策原則是多準(zhǔn)則建模，全面考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求，同時(shí)處理多個(gè)流請(qǐng)求，以便實(shí)時(shí)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)流量，將問(wèn)題分而治之，避免或減少敏感信息的泄露；并采用博弈思路，兼顧參與者的合作與競(jìng)爭(zhēng)；該方法包括下述操作步驟: (A)從性能角度確立優(yōu)化目標(biāo):以網(wǎng)絡(luò)傳輸性能指標(biāo)作為研究對(duì)象，使得最后的流量分配策略能夠滿足帕累托最優(yōu)、比例公平和動(dòng)力一致性的特點(diǎn)； (B)從運(yùn)營(yíng)成本角度確立優(yōu)化目標(biāo):以運(yùn)營(yíng)成本作為研究對(duì)象，使得最后的流量分配策略能夠滿足運(yùn)營(yíng)成本最小化的要求； (C)利用流量守恒定律表述滿足性能和運(yùn)營(yíng)成本雙優(yōu)化目標(biāo)的約束條件:因擁有雙優(yōu)化目標(biāo)和流量守恒的約束限定條件而構(gòu)建成線性規(guī)劃問(wèn)題，故通過(guò)計(jì)算獲得該問(wèn)題的最優(yōu)解； (D)執(zhí)行拉格朗日分解:將涉及到兩個(gè)自治域的線性規(guī)劃問(wèn)題分解為每個(gè)自治域各自獨(dú)立解決的子問(wèn)題，使得每個(gè)自治域之間只交換不涉及包括域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌啡萘康姆敲舾行畔ⅰ?br> 2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述方法中的運(yùn)營(yíng)商、內(nèi)容提供商和終端用戶分別都有2個(gè)，且因地理位置、行業(yè)壟斷和服務(wù)的不可替代性，內(nèi)容提供商CP和終端用戶EU都固定接入設(shè)定運(yùn)營(yíng)商ISP的網(wǎng)絡(luò)，也即第一個(gè)內(nèi)容提供商CP1和第一個(gè)終端用戶EUi分別通過(guò)其網(wǎng)關(guān)G11和貧固定接入第一個(gè)運(yùn)營(yíng)商ISP1，第二個(gè)內(nèi)容提供商CP2和第二個(gè)終端用戶EU2分別通過(guò)其網(wǎng)關(guān)句和G22固定接入第二個(gè)運(yùn)營(yíng)商ISP2 ;兩個(gè)相鄰的運(yùn)營(yíng)商之間設(shè)有兩個(gè)雙向域間通路Peer link，域間通路在自治域上的接入點(diǎn)為出口路由，ISP1中出口路由為ZiHPZi1MSP2中出口路由為#和*22 ;終端用戶和內(nèi)容提供商所接入的網(wǎng)關(guān)均能路由到各自所在自治域的出口路由 ，且每個(gè)自治域內(nèi)的網(wǎng)關(guān)互通；內(nèi)容提供商提供的服務(wù)既能域內(nèi)傳輸，也能跨域傳輸:當(dāng)CP1的服務(wù)傳輸給EU2時(shí)，其流量要跨域傳輸，即經(jīng)過(guò)不同的自治域，且其出域流量能任意選擇兩個(gè)Peer link其中之一；所述域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法就是解決跨域流量如何選擇出口路由的問(wèn)題。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(A)中的性能角度優(yōu)化是以兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商企圖優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)U1和U2的納什乘積U1U2作為性能優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，該兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)UdPu2代表的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)傳輸性能指標(biāo)能夠相同或不同；選擇納什乘積作為性能優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)是因?yàn)槠浣鉂M足納什談判解的三條公理:帕累托最優(yōu)、對(duì)稱性和無(wú)關(guān)選擇的獨(dú)立性，且無(wú)關(guān)討價(jià)還價(jià)的具體過(guò)程；所述以納什乘積作為性能優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)的解滿足帕累托最優(yōu)表示參與運(yùn)營(yíng)商的利益均已達(dá)到在不傷害其他運(yùn)營(yíng)商利益下的最大值；其解滿足對(duì)稱性表示公平公正，參與的運(yùn)營(yíng)商愿意長(zhǎng)期合作；其解滿足無(wú)關(guān)選擇的獨(dú)立性表示其他不相干屬性不會(huì)影響決策結(jié)果，能保障結(jié)果的穩(wěn)定性；其解還滿足屬性的獨(dú)立性，即參與雙方能夠選擇相同屬性或不同屬性，屬性的選擇不影響問(wèn)題的求解。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:為方便操作，所述方法選擇與納什乘積U1U2擁有等價(jià)解的Inu^lnu2作為目標(biāo)函數(shù),理由是InUAlnU2=InU1U2,而作為納什乘積的對(duì)數(shù)的InU1U2和納什乘積U1U2具有相同的單調(diào)性，故InuJlnu2和U1U2具有相同的納什解，兩者作為優(yōu)化目標(biāo)是等價(jià)的；且由于選擇Inudlnu2作為目標(biāo)函數(shù)，有利于將優(yōu)化問(wèn)題分解為供參與性能優(yōu)化的兩個(gè)運(yùn)營(yíng)商各自獨(dú)立解決的子問(wèn)題，降低問(wèn)題求解的復(fù)雜度；所以從性能角度出發(fā)，優(yōu)化目標(biāo)的函數(shù)為(U1, u2) =lnui+lnu2,性能角度的優(yōu)化目標(biāo)為最大化fl (U1, U2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(B)中的運(yùn)營(yíng)成本角度優(yōu)化是選擇運(yùn)營(yíng)成本最小化作為運(yùn)營(yíng)成本優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，以提高總運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)；因流量跨域傳輸導(dǎo)致各個(gè)自治域之間傳輸?shù)牧髁啃枰召M(fèi)，而采用設(shè)定的經(jīng)濟(jì)分享契約能使每個(gè)運(yùn)營(yíng)商的各自利潤(rùn)與總運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)成正比，因此采用降低總運(yùn)營(yíng)成本以提高總運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)的方法，對(duì)于參與流量跨域傳輸?shù)拿總€(gè)自治域是比例公平的；且提高總運(yùn)營(yíng)利潤(rùn)，參與流量跨域傳輸?shù)膬蓚€(gè)運(yùn)營(yíng)商必將雙贏，運(yùn)營(yíng)商有參與的合作動(dòng)力。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:所述總運(yùn)營(yíng)成本為所有鏈路上的流量傳輸成本之和，其計(jì)算公式為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(C)中，網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的流量請(qǐng)求實(shí)質(zhì)是流量沿著內(nèi)部鏈路進(jìn)行傳輸?shù)倪^(guò)程，該過(guò)程應(yīng)滿足流量守恒定律，將其公式化為優(yōu)化目標(biāo)的約束限制條件，以形成優(yōu)化目標(biāo)的可行域:每個(gè)端到端的流量請(qǐng)求是一條流量守恒約束限制，目的端點(diǎn)相同的流請(qǐng)求構(gòu)成一個(gè)向量；因此，目的端點(diǎn)序號(hào)集合D中的每個(gè)端 點(diǎn)序號(hào)d都滿足兩個(gè)流量守恒限制方程組
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于:所述步驟(D)包括下列操作內(nèi)容: (Dl)域間流量本地化，將流量守恒限制方程組進(jìn)行等價(jià)變形處理: 因步驟(C)中的流量守恒限制方程組
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟(D3)包括下列操作內(nèi)容: (D31)根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的線性特征，將步驟(D2)中的最大負(fù)載最小化和總運(yùn)營(yíng)成本最小化的優(yōu)化問(wèn)題分為兩個(gè)雙目標(biāo)優(yōu)化的子問(wèn)題gl和g2，其中: 運(yùn)營(yíng)商Isp1獨(dú)立解決的子問(wèn)題
全文摘要
一種兼顧運(yùn)營(yíng)成本和傳輸性能雙目標(biāo)優(yōu)化的域間流量工程的實(shí)現(xiàn)方法，支持域間協(xié)同實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化，兼顧運(yùn)營(yíng)成本最低和性能最優(yōu)雙目標(biāo)而制定合理的流量控制策略；其決策原則是多準(zhǔn)則建模，全面考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)需求，同時(shí)處理多個(gè)流請(qǐng)求，實(shí)時(shí)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)流量，將問(wèn)題分而治之，避免或減少泄露敏感信息；采用博弈思路，兼顧參與者的合作與競(jìng)爭(zhēng)。具體步驟是從性能和運(yùn)營(yíng)成本角度分別確立優(yōu)化目標(biāo)，利用流量守恒定律表述滿足性能和運(yùn)營(yíng)成本雙優(yōu)化目標(biāo)的約束條件，并執(zhí)行拉格朗日分解。本發(fā)明能實(shí)時(shí)處理大規(guī)?？缬蛄髁總鬏斦?qǐng)求，解決了現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)商不顧全局利益，只根據(jù)有限的自治域信息和自身利益調(diào)節(jié)跨域流量的資源浪費(fèi)問(wèn)題，或不考慮運(yùn)營(yíng)成本的處理方式。
文檔編號(hào)H04L12/813GK103200113SQ20131011223
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月2日
發(fā)明者楊談, 金躍輝, 張 榮, 崔毅東 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)