面向指揮控制網(wǎng)絡(luò)的非均勻帶寬預(yù)留方法*

榮 偉，汪新云，黃寥若，許鈞南

（解放軍31648 部隊，南寧 530000）

0 引言

指揮控制網(wǎng)絡(luò)中承載有數(shù)據(jù)、話音、視頻等多種業(yè)務(wù)，由于軍事行動的時效性要求較高，因此，往往需要為各種業(yè)務(wù)和用戶分配專用的帶寬，以保證端到端的傳輸速率和時延能夠滿足業(yè)務(wù)要求［1］。當前信息保障部隊采用的帶寬預(yù)留方法，是類似于帶寬預(yù)留協(xié)議（Resource Reservation Protocol，RSVP）的均勻帶寬預(yù)留機制，即在端到端路徑的每一跳上，預(yù)留相同的帶寬。然而，在當前的指揮控制網(wǎng)絡(luò)中，多種通信手段和傳輸信道并存，如微波、短波、衛(wèi)星、光纖等，不同通信信道和設(shè)備所能夠提供的帶寬差異較大，存在較多的通信瓶頸，采用這種均勻帶寬預(yù)留方法，可能會導(dǎo)致一些瓶頸鏈路帶寬迅速耗盡，而另一些鏈路卻存在較多的空閑資源，在造成資源浪費的同時，也限制了網(wǎng)絡(luò)能夠承載的用戶連接數(shù)量，而網(wǎng)絡(luò)能夠承載的用戶連接數(shù)量，直接決定了指揮中心能夠指揮部隊的數(shù)量和范圍，是信息保障能力最為重要的指標之一［2］。

為了解決這一問題，本文提出了一種非均勻的帶寬預(yù)留機制，其可以在保證端到端傳輸速率和時延的情況下，根據(jù)每一跳的可用帶寬資源，靈活預(yù)留不同的帶寬，從而最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的負載均衡水平，最大化網(wǎng)絡(luò)能夠承載的用戶連接數(shù)量。本文的貢獻可以總結(jié)為下幾個方面：

1）針對傳統(tǒng)均勻帶寬預(yù)留機制存在的問題，提出了一種非均勻帶寬預(yù)留機制，并設(shè)計了最優(yōu)化帶寬預(yù)留模型。通過該模型，能夠根據(jù)當前的鏈路狀態(tài)，決定每一跳預(yù)留的最優(yōu)帶寬；

2）提出了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）的非均勻帶寬預(yù)留機制實現(xiàn)方法，利用Openflow 提供的meter table 特性，實現(xiàn)了端到端路徑上每一跳的靈活帶寬預(yù)留；

3）對非均勻帶寬預(yù)留機制進行了仿真實驗，證明了在不同路由算法下，以及在指揮控制網(wǎng)絡(luò)的典型拓撲下，本文提出方法的有效性。

1 非均勻帶寬預(yù)留機制

在指揮控制網(wǎng)絡(luò)中，消除通信過程的丟包并不采用帶寬預(yù)留的方式，因此，本文主要考慮各種業(yè)務(wù)的帶寬和時延需求。由于指揮控制網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍較廣，端到端的鏈路較長，因此，通常情況下，僅僅預(yù)留業(yè)務(wù)需求的帶寬，難以滿足其端到端的時延需求，因此，往往需要在滿足基本傳輸速率的基礎(chǔ)上，多預(yù)留一部分帶寬，以加速數(shù)據(jù)的傳輸［3］。當前信息保障部隊采用的帶寬預(yù)留方法，往往在每一跳上預(yù)留相同的帶寬，忽視了不同鏈路的資源差異，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的負載均衡水平較差。

為了解決以上問題，學(xué)者們已經(jīng)提出了多種方法，有一些學(xué)者嘗試使用流量工程機制從空間的角度解決問題，通過流量工程，使得流量負載能夠更加均勻地分布在網(wǎng)絡(luò)中，以提高網(wǎng)絡(luò)的負載均衡水平［4-5］。另外幾種方法則從時間的角度解決問題，通過為某些請求安排適當?shù)膫鬏敃r間，從而避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，利用空閑時的資源來接納更多連接［6-7］。雖然這些方法可以在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)的負載均衡水平，但是在傳統(tǒng)的均勻帶寬預(yù)留方法中，每一跳過量預(yù)留的帶寬是默認相同的，并未考慮每個鏈路的可用資源，因此，仍然無法最大化地減少瓶頸鏈路上的帶寬消耗。

圖1 均勻帶寬預(yù)留與非均勻帶寬預(yù)留

本文認為每條鏈路上過量預(yù)留的帶寬，應(yīng)根據(jù)可用帶寬靈活調(diào)整，如圖1 所示。通過這種方式，可以在保證端到端服務(wù)質(zhì)量的同時，通過在空閑鏈路上適當多預(yù)留帶寬，來減少瓶頸鏈路的資源消耗，從而能夠在以上研究成果的基礎(chǔ)上，進一步平衡每個鏈路的帶寬利用率，使得網(wǎng)絡(luò)容納更多的用戶連接。

2 帶寬預(yù)留優(yōu)化建模

網(wǎng)絡(luò)拓撲可以表示為有向圖G（E，V），其中，E和V 分別表示邊和頂點的集合。本文主要研究在給定的端到端路徑上為用戶業(yè)務(wù)保留帶寬。因此，假設(shè)在帶寬預(yù)留之前已建立用戶連接的路由。用戶連接的帶寬和時延要求可以表示為二元組R=（rate≥Rsla，delay≤Dsla），其中，Rsla表示最小所需帶寬，Dsla表示業(yè)務(wù)能夠承受的最大端到端時延。假設(shè)每個連接的流量均在網(wǎng)絡(luò)邊緣進行整形，且符合容量為Sbucket，服務(wù)速率為Rsla的漏桶模型。因此，排隊時延主要發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)邊緣，其最大值可以用Sbucket/Rsla表示。在整形之后，網(wǎng)絡(luò)核心中的分組時延僅包括傳輸時延和傳播時延。在此，采用網(wǎng)絡(luò)演算［8］對端到端時延的上限D(zhuǎn)e2e進行分析，可表示為：

其中，Lmax是用戶會話中的最大分組大小，MTU 是網(wǎng)絡(luò)的最大傳輸單元，Ci是路由中第i 個鏈路的預(yù)留帶寬，Ti是第i 個鏈路的最大傳輸速率。因此，非均勻帶寬預(yù)留的數(shù)學(xué)模型可表示為如下定理：

定理1（非均勻帶寬預(yù)留）：非均勻帶寬預(yù)留方法滿足：

其中，Ai是路徑中第i 個鏈路的可用帶寬。式（2）表示端到端時延的上界應(yīng)小于要求的最大時延。每條鏈路的預(yù)留帶寬應(yīng)大于最小所需帶寬且小于可用帶寬。顯然，傳統(tǒng)的均勻帶寬預(yù)留方法是非均勻帶寬預(yù)留方法的特例，其中每條鏈路上的預(yù)留帶寬Ci相同（表示為Cf）。因此，端到端時延上界可表示為：

其中，n 是路由的跳數(shù)。然后，可以得到均勻帶寬預(yù)留的數(shù)學(xué)模型如下。

定理2（均勻帶寬預(yù)留）：則具有業(yè)務(wù)需求R=（Rsla，Dsla）的流f 的預(yù)留帶寬可表示為：

通過比較式（2）和式（4）可以看到，利用非均勻帶寬預(yù)留模型，可以靈活地確定每個鏈路上預(yù)留的帶寬，同時仍能夠滿足業(yè)務(wù)的端到端時延要求。

基于以上分析，可以建立模型，確定每個鏈路上預(yù)留帶寬的最優(yōu)值，從而使得網(wǎng)絡(luò)能夠承載的業(yè)務(wù)數(shù)量最大化。首先，將第i 個鏈路的剩余帶寬比qi定義為：可以將算法的偽代碼表示為算法1 所示。

算法1：帶寬最優(yōu)化預(yù)留算法輸入：R=（Rsla，Dsla），={Ai}輸出：images/BZ_18_540_535_569_577.png={Ci}1： 開始2： 為用戶連接計算最優(yōu)的端到端路由；3： 找到擁有最大 的鏈路i，然后令Rslaimages/BZ_18_332_600_363_642.pngimages/BZ_18_909_783_976_826.png4： while De2e≠Dsla 并且images/BZ_18_661_849_753_896.png5：+△C 6： 根據(jù)式（12）計算每個Ci 7： end while 8： 結(jié)束 images/BZ_18_425_918_525_965.png

3 非均勻帶寬預(yù)留機制的實現(xiàn)

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)每一跳上的靈活帶寬預(yù)留較為困難，因為逐跳配置單個設(shè)備可能需要較大的開銷或復(fù)雜的機制。為了解決這個問題，本文基于Openflow 協(xié)議提供的meter table 特性［9］，設(shè)計了一種自動帶寬預(yù)留機制，以實現(xiàn)所提出的非均勻帶寬預(yù)留。整個方案的結(jié)構(gòu)框架如圖2 所示，通過南向接口，SDN 控制器能夠收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，為用戶連接計算出最優(yōu)的端到端路由，并根據(jù)第2 節(jié)中的算法1 計算出路由中每一跳應(yīng)當預(yù)留的最優(yōu)帶寬值。之后，在每個交換機上，SDN 控制器通過Openflow 協(xié)議自動配置meter table，實現(xiàn)帶寬預(yù)留。

圖2 基于SDN 的帶寬預(yù)留框架

在每個交換機中，利用meter table 實現(xiàn)帶寬預(yù)留的方法如圖3 所示，meter table 是一種特殊的流表，其主要用來記錄和管制流量。meter table 的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，每個meter table 包含多個meter band，每個meter band 相當于一條流量管制策略，其中rate，burst 字段定義了流量允許的速率和突發(fā)量，band type 則定義了對不合規(guī)流量的處理方式，當前有drop 和remark 兩種，即丟棄和重標記。meter table工作原理與單速率漏桶模型類似。在一段時間內(nèi)，如果流量大于可以處理的量，則將數(shù)據(jù)包丟棄或重新標記。

圖3 基于meter table 的帶寬預(yù)留機制

如圖3 所示，首先，通過匹配流條目，將流量分類為Class 1，…，Class n 和Best Effort。通過對應(yīng)于每個類的meter table 表，限制了屬于每個類流量的總傳輸速率。因此，通過設(shè)置適當?shù)乃俾?，突發(fā)及其他參數(shù)，可以實現(xiàn)帶寬預(yù)留和管制。例如，對于最大傳輸速率為10 Mb/s 的端口，假設(shè)流量有3 個類別，Class1、Class2 和Besteffort，我們將Besteffort 的速率設(shè)置為2 Mb/s，將band type 設(shè)置為丟棄。同樣，Class 1 和Class 2 的速率都設(shè)置為5 Mb/s 并且band type 設(shè)置為丟棄。因此，Class 1 和Class 2 的最小傳輸速率均為3 Mb/s，最大速率為5 Mb/s，相當于分別為Class 1 和Class 2 保留3 Mb/s 帶寬。

4 仿真與實驗

為了驗證本文提出方法在不同拓撲規(guī)模下的性能表現(xiàn)，本文在d×d 網(wǎng)格拓撲中進行仿真實驗，仿真拓撲如圖4 所示。

圖4 仿真拓撲圖

連接終端與節(jié)點的鏈路的最大傳輸速率設(shè)置為100 Mb/s。其他鏈路速率設(shè)置為1 Gb/s，假設(shè)只有33%的總?cè)萘靠捎糜趲掝A(yù)留。在仿真實驗中，用戶連接的源終端和目的終端均為隨機產(chǎn)生，之后，本文根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求和應(yīng)用場景，評估在采用不同帶寬預(yù)留方法的情況下，網(wǎng)絡(luò)能夠容納的最大用戶連接數(shù)。為了比較非均勻帶寬預(yù)留機制（Non-Uniform Bandwidth Reservation，NUBR）與傳統(tǒng)帶寬預(yù)留機制的性能表現(xiàn)，在仿真中，本文采用了當前最常用的帶寬預(yù)留協(xié)議（Resource Reservation Protocol，RSVP）作為對照方法。根據(jù)指揮控制網(wǎng)絡(luò)中承載的實際業(yè)務(wù)，評估3 種具有不同帶寬需求和端到端時延要求的業(yè)務(wù)類型：業(yè)務(wù)1（Rsla=98 kb/s；Dsla=100 ms）用于模擬話音，關(guān)鍵消息傳遞等應(yīng)用，這些應(yīng)用對帶寬要求較低，但對時延要求較高；業(yè)務(wù)2（Rsla=350 kb/s；Dsla=150 ms）用于模擬視頻業(yè)務(wù)等，這些應(yīng)用在需要較高帶寬保障的同時，也要求較低的時延。業(yè)務(wù)3（Rsla=1 024 kb/s；Dsla=500 ms）用于模擬文件下載，數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)，這些應(yīng)用對帶寬要求較高，但對時延要求較低。在仿真中，本文結(jié)合典型路由算法，來分析非均勻帶寬預(yù)留方法在不同路由算法下的性能表現(xiàn)，選擇的算法為約束最短路徑優(yōu)先（Constrained Shortest Path First，CSPF）［10］，最寬路徑優(yōu)先（Widest Path First，WPF）［11］和最小沖突路由算法（Minimum Interference Routing Algorithm，MIRA）［12］?！鰿 設(shè)定為1 kb/s，仿真進行50次，結(jié)果取平均值。不同條件下，網(wǎng)絡(luò)能夠容納的最大用戶連接數(shù)如圖5 所示。

從圖5 中可以看出，對于采用NUBR 方法和RSVP 方法的所有業(yè)務(wù)類型，最大用戶連接數(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加而增加。對于業(yè)務(wù)1 和業(yè)務(wù)2，RSVP 方法的提升幅度總是隨d 增長，當d 達到6時，分別可以高達80.9%（使用CSPF）和29.7 %（使用WPF）。但是，對于業(yè)務(wù)3 的需求，無論路由算法如何，NUBR 方法的性能表現(xiàn)幾乎與RSVP 相同。根據(jù)式（1）～式（4）可知，本文提出的非均勻帶寬預(yù)留方法主要通過調(diào)整每個鏈路的過量預(yù)留帶寬，來實現(xiàn)更好的負載均衡。因此，當Cf-Rsla越大時，非均勻帶寬預(yù)留方法可以調(diào)整的帶寬越多，進而可以實現(xiàn)比RSVP 更大的改進。由式（3）可知，Cf主要由Dsla和端到端路徑的跳數(shù)確定。因此，對于具有較小Dsla和更多跳的業(yè)務(wù)，非均勻帶寬預(yù)留方法具有更大的優(yōu)勢。同時，可以看到非均勻帶寬預(yù)留，在使用不同路由算法時，性能表現(xiàn)的差異很?。?%～8.9%）。因此，可以證明網(wǎng)絡(luò)容納用戶連接數(shù)量的提升，主要原因是采用了本文提出的方法而非路由算法。因此，可以從仿真結(jié)果中得出結(jié)論，在不同的服務(wù)類型，路由算法和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下，本文提出的非均勻帶寬預(yù)留方法，均可以顯著增加網(wǎng)絡(luò)能夠承載的用戶連接數(shù)量。尤其是對于具有高時延要求的應(yīng)用和大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，本文提出的方法能夠發(fā)揮更大的優(yōu)勢。

此外，為了驗證非均勻帶寬預(yù)留方法在實際場景中的有效性，本文混合不同的業(yè)務(wù)類型，并在指揮控制網(wǎng)絡(luò)的常見拓撲中，評估非均勻帶寬預(yù)留方法的性能。采用的拓撲為：星型拓撲（Star，14 個節(jié)點），樹狀拓撲（Tree，32 個節(jié)點）），全連接拓撲（Mesh，12 個節(jié)點）和胖樹拓撲（FatTree，30 個節(jié)點）。每個用戶連接的業(yè)務(wù)類型隨機，其源和目的地同樣隨機產(chǎn)生。本文評估了在3 種不同路由算法下（CSPF、WPF、MIRA），使用非均勻帶寬預(yù)留方法，相比于RSVP 方法，網(wǎng)絡(luò)能夠承載最大用戶連接數(shù)的提升幅度。實驗進行50 次，結(jié)果取平均值。

圖5 不同條件下，網(wǎng)絡(luò)能夠容納的最大用戶連接數(shù)

圖6 不同拓撲類型下帶寬預(yù)留方法的性能表現(xiàn)

從圖6 中可以看出，雖然在不同應(yīng)用場景下，非均勻帶寬預(yù)留方法能夠?qū)崿F(xiàn)的提升有所不同，但在常用的路由算法和網(wǎng)絡(luò)拓撲類型下，本文所提出的方法總能獲得比RSVP 更好的性能。因此，可以得出結(jié)論，所提出的非均勻帶寬預(yù)留方法可以應(yīng)用于實際應(yīng)用場景中。

5 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于指揮控制網(wǎng)絡(luò)的非均勻帶寬預(yù)留方法，其能夠靈活地在端到端路徑的每一跳中，預(yù)留最優(yōu)的帶寬，從而在保證業(yè)務(wù)需求的同時，最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的負載均衡性能。同時，基于Openflow 提供的meter table 特性，提出了一種可行的非均勻帶寬預(yù)留實現(xiàn)方法。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)方法相比，所提出的方法可以在指揮控制網(wǎng)絡(luò)的大部分應(yīng)用場景中，使得網(wǎng)絡(luò)容納更多的用戶連接。與此同時，本文提出的非均勻帶寬預(yù)留方法仍需進一步的完善。例如，本文方法的實現(xiàn)有賴于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對于Openflow 協(xié)議的支持，同時實現(xiàn)基于每個流的帶寬預(yù)留也可能會帶來額外的網(wǎng)絡(luò)管理開銷等等。在下一步的研究中，將繼續(xù)改進和完善，以提升本文提出方法的實用性和有效性。