支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配系統及方法

2024-03-05 03:57:15 2

支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配系統及方法
【專利摘要】支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配系統及方法，屬於網絡通信【技術領域】。本發明利用應用層流量優化伺服器提供的底層網絡信息，控制伺服器將中繼伺服器組成的中繼重疊網絡按照底層網絡拓撲信息進行有效組織，使得中繼重疊網絡拓撲模型具有可伸縮性強、與底層物理網絡相感知的特點；利用中繼伺服器之間的探測性能，控制伺服器獲取中繼重疊網絡的多項傳輸性能，從而具有應用感知的能力；中繼路徑的路徑代價評價方法綜合考慮路由開銷、傳輸性能、負載率等多種因素，使得本發明不僅在選擇優質中繼路徑方面具有較優性能，同時又能夠靈活地均衡中繼伺服器之間的負載。
【專利說明】支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配系統及方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於網絡通信【技術領域】，具體涉及一種支持流量優化和應用感知的中繼路 徑分配系統及方法。

【背景技術】
[0002] 傳統IP網絡中數據傳輸主要依賴於網絡層的預設路由路徑。然而，預設路由路徑 在很多情況下並不是最優的，這是由於網絡服務提供商通常選擇適合於本地策略需求的路 徑，而不是選擇具有最好性能的路徑。大量研究成果已表明，基於應用層重疊網絡的傳輸模 式可提供比預設網絡路由傳輸模式更好的端到端傳輸性能。在基於應用層重疊網絡的傳輸 模式中，如何有效地組織提供中繼服務的中繼節點並選擇優質的中繼路徑是應用層路由發 揮有效性的關鍵所在。如果中繼路徑具有較差的傳輸性能，將導致端到端的用戶體驗下降、 核心網絡資源浪費等問題，甚至導致比預設路由路徑更差的性能。
[0003] 目前很多流行的重疊應用通常產生大量的跨域流量，這些跨域流量導致一些熱點 鏈路或者域間鏈路發生擁塞，除了降低端到端的用戶通信體驗之外，也在很大程度上增加 了網絡運營成本。重疊應用過度消耗網絡資源的重要原因之一是重疊網絡和承載網絡之間 的失配。如何感知承載網絡狀況是應用層流量傳輸優化方案的關鍵技術所在。根據不同 的感知承載網絡狀況的方法，應用層流量傳輸優化方案分為三種：1)重疊應用自行進行拓 撲估計，主要是通過探測方式為節點分配坐標從而估計節點之間的鄰近性；2)網絡運營商 與應用服務提供商合作，網絡運營商主動向應用服務提供商提供網絡拓撲信息；3)重疊應 用使用第三方測量的網絡拓撲信息，目前很多研究和項目提出了測量和獲取網絡拓撲的方 法。第一種和第三種方法均存在獲取的網絡拓撲信息不準確的問題。在第二種方法中，由 於網絡運營商對自身網絡比較了解，因此能夠提供比較準確的承載網信息，並且可以根據 自身策略的需求修改網絡資源消費模式，從而達到承載網絡和分布式重疊應用性能的雙方 優化。
[0004] 在基於應用層重疊網絡的傳輸模式中，中繼路徑分配問題需要綜合考慮多種因 素，第一，不同的應用類型可能對中繼路徑有不同的傳輸需求，比如，高可靠性應用要求中 繼路徑具有較高的路徑穩定性以及較小的丟包率；實時應用要求中繼路徑具有較小的傳輸 延時、延時抖動等。第二，中繼路徑分配要充分考慮與底層物理網絡拓撲結構之間的匹配， 合理有效地使用底層網絡資源，減少或者避免全網中域間帶寬資源的無效消耗。第三，中繼 路徑分配不僅要考慮中繼路徑的傳輸性能和路由開銷，還要考慮中繼伺服器本身的傳輸能 力，在合理利用網絡資源的同時做到域間以及中繼伺服器之間的流量優化和負載均衡。由 此可見，中繼路徑的分配牽涉到中繼重疊網絡的組織方式、路徑傳輸質量的評價、應用負載 傳輸需求等多種因素。申請號為201410196986. 4的中國專利申請"一種基於應用層中繼的 多徑傳輸系統及方法"提出了一種基於應用層重疊網絡的通用多徑傳輸模式，利用由控制 伺服器和中繼伺服器組成的應用層中繼服務系統建立端到端的多徑傳輸條件。然而，如何 有效地組織中繼伺服器並為端到端的數據傳輸分配優質的中繼路徑，即中繼路徑分配問題 該中國專利申請並未給出相應的技術方案。


【發明內容】

[0005] 針對現有技術存在的不足，本發明提供一種支持流量優化和應用感知的中繼路徑 分配系統及方法。
[0006] 本發明的技術方案：
[0007] 一種支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配系統，包括：應用層流量優化服務 器、中繼伺服器和控制伺服器；
[0008] 所述應用層流量優化伺服器用於獲取網絡信息，且將網絡信息組織成網絡映射表 和開銷映射表的形式；所述網絡映射表包含一系列網絡位置分組；所述網絡位置分組包括 域標識符、網絡地址前綴；所述網絡地址前綴代表一個或多個子網或代表一個或多個城域 網或代表一個或多個自治系統；所述開銷映射表包含網絡位置分組之間的路由開銷；所述 路由開銷具有通用意義，為路由跳數或路由成本；
[0009] 所述中繼伺服器用於執行性能探測過程，獲取其與其它中繼伺服器之間的傳輸性 能，並將其與其它中繼伺服器之間的傳輸性能報告至控制伺服器；所述傳輸性能包括延時 和丟包率；
[0010] 所述控制伺服器用於從應用層流量優化伺服器讀取網絡映射表和開銷映射表，根 據網絡映射表將中繼伺服器映射至網絡位置分組，將中繼伺服器按照底層的承載網絡拓撲 信息進行組織；從中繼伺服器獲得中繼伺服器之間的傳輸性能，根據網絡映射表和中繼服 務器之間的傳輸性能計算出網絡位置分組之間的傳輸性能；從中繼伺服器獲得中繼伺服器 的負載率，根據網絡映射表和中繼伺服器的負載率計算出網絡位置分組的域負載率；根據 開銷映射表、網絡位置分組之間的傳輸性能、網絡位置分組的域負載率以及中繼路徑分配 請求消息，分配最優中繼路徑；
[0011] 所述控制伺服器包括應用層流量優化客戶端模塊、中繼伺服器管理模塊、中繼重 疊網絡管理模塊和中繼路徑管理模塊；
[0012] 所述應用層流量優化客戶端模塊用於周期性地從應用層流量優化伺服器讀取網 絡映射表和開銷映射表；
[0013] 所述中繼伺服器管理模塊：(a)在中繼伺服器註冊或者連接保活過程中，選擇一 組中繼伺服器，將所選擇中繼伺服器的地址信息傳遞給該中繼伺服器，從該中繼伺服器獲 取其與其它中繼伺服器之間的傳輸性能，並存儲在性能信息表中；(b)查詢中繼伺服器的 性能信息和負載信息，並存儲在中繼伺服器信息表中；所述性能信息包括處理器能力、存儲 能力和網絡帶寬；所述負載信息包括中繼路徑個數、處理器使用率和網絡帶寬使用率；
[0014] 所述中繼重疊網絡管理模塊：(a)根據網絡映射表，將每個註冊的中繼伺服器映 射到一個網絡位置分組；(b)根據網絡映射表和性能信息表，計算出網絡位置分組之間的 傳輸性能，並存儲在相應的性能映射表中，所述性能映射表分為延時映射表和丟包率映射 表；(c)根據網絡映射表和中繼伺服器信息表，為每個網絡位置分組計算域負載率，並存儲 在域負載率表中；(d)根據網絡映射表、開銷映射表、域負載率表以及多個性能映射表，計 算出任意源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於多個傳輸性能的最優域中繼路 徑，並存儲在相應的最優域中繼路徑表中；所述最優域中繼路徑表分為延時最優域中繼路 徑表和丟包率最優域中繼路徑表；所述域中繼路徑為源網絡位置分組和目的網絡位置分組 之間的經由零個或多個其它網絡位置分組的路徑，由網絡位置分組的域標識符組成；
[0015] 所述中繼路徑管理模塊用於在接收到中繼路徑分配請求消息之後，根據最優域中 繼路徑表生成最優IP中繼路徑；所述IP中繼路徑為由源端和目的端之間的經由零個或多 個中繼伺服器的路徑，由IP位址組成。
[0016] 進一步的，所述的應用層流量優化伺服器獲取網絡信息的方式，包括路由協議、靜 態配置策略和動態網絡彳旨息。
[0017] 一種支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配方法，採用所述的支持流量優化和 應用感知的中繼路徑分配系統實現的，具體步驟如下：
[0018] 1)在中繼伺服器註冊或者連接保活過程中，選擇一組中繼伺服器，將所選擇中繼 伺服器的地址信息傳遞給該中繼伺服器，從該中繼伺服器獲取其與其它中繼伺服器之間的 傳輸性能，並存儲在性能信息表中；
[0019] 2)查詢中繼伺服器的性能信息和負載信息，並存儲在中繼伺服器信息表中；所述 性能信息包括處理器能力、存儲能力和網絡帶寬；所述負載信息包括中繼路徑個數、處理器 使用率和網絡帶寬使用率；
[0020] 3)周期性地從應用層流量優化伺服器讀取網絡映射表和開銷映射表；
[0021] 4)根據網絡映射表，將每個註冊的中繼伺服器映射到一個網絡位置分組；
[0022] 5)根據網絡映射表和性能信息表，計算獲得網絡位置分組之間的傳輸性能，並存 儲在相應的性能映射表中；所述性能映射表分為延時映射表和丟包率映射表；
[0023] 6)根據網絡映射表和中繼伺服器信息表，為每個網絡位置分組計算域負載率，並 存儲在域負載率表中；
[0024] 7)根據網絡映射表、開銷映射表、域負載率表以及多個性能映射表，計算獲得任意 源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於多個傳輸性能的最優域中繼路徑，並存儲 在相應的最優域中繼路徑表中；所述最優域中繼路徑表分為延時最優域中繼路徑表和丟包 率最優域中繼路徑表；所述域中繼路徑為源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的經由 零個或多個其它網絡位置分組的路徑，由網絡位置分組的域標識符組成；
[0025] 8)在接收到中繼路徑分配請求消息之後，根據最優域中繼路徑表生成最優IP中 繼路徑；所述IP中繼路徑為由源端和目的端之間的經由零個或多個中繼伺服器的路徑，由 IP位址組成。
[0026] 進一步的，所述的步驟4)中將每個註冊的中繼伺服器映射到一個網絡位置分組， 映射方法為將中繼伺服器的IP位址與網絡映射表中所有網絡位置分組的網絡地址前綴進 行匹配，採用最長匹配的原則，選取相匹配的最長網絡地址前綴所對應的網絡位置分組。 [0027] 進一步的，所述的步驟7)中根據網絡映射表、開銷映射表、域負載率表以及多個 性能映射表，計算獲得任意源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於多個傳輸性能 的最優域中繼路徑，方法為：針對每個指定的傳輸性能，對於任意的源網絡位置分組和目 的網絡位置分組，計算源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間所有域中繼路徑的路徑代 價，將路徑代價最小的域中繼路徑作為源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於指 定傳輸性能的最優域中繼路徑。
[0028] 進一步的，所述的步驟7)中根據網絡映射表、開銷映射表、域負載率表以及多個 性能映射表，計算獲得任意源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於多個傳輸性能 的最優域中繼路徑，方法還可以為：
[0029] 針對每個指定的傳輸性能，對於任意的源網絡位置分組和目的網絡位置分組，計 算源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間經由最多k(k>= 1)個其它網絡位置分組的 所有域中繼路徑的路徑代價，將路徑代價最小的域中繼路徑作為源網絡位置分組和目的網 絡位置分組之間的基於指定傳輸性能的最優域中繼路徑。
[0030] 進一步的，所述路徑代價包括路徑路由開銷代價和路徑傳輸性能代價；所述路徑 路由開銷代價為域中繼路徑上相鄰兩個網絡位置分組之間的路由開銷之和；所述路徑傳輸 性能代價分為路徑延時代價和路徑丟包率代價；所述路徑延時代價為域中繼路徑上相鄰兩 個網絡位置分組之間的延時之和；所述路徑丟包率代價為
[0031] 細謝-獅^ =1-。出卜P/D - Lo腦?J，其中，姻^表示 源網絡位置分組，__表示目的網絡位置分組，m表示和^^之間的一條域中繼路 徑所經由其它網絡位置分組的個數，表示Ρ/￡)?,和^取,.,之間的丟包率，
[0032] Μ?：-氣表示和之間的一條域中繼路徑的路徑丟包 率。
[0033] 或者，進一步的，所述路徑代價包括路徑路由開銷代價、路徑傳輸性能代價和路徑 負載率代價；所述路徑負載率代價為域中繼路徑上網絡位置分組的域負載率最大值。
[0034] 或者，進一步的，所述路徑代價包括路徑路由開銷代價、路徑傳輸性能代價和路徑 中繼代價；所述路徑中繼代價與域中繼路徑所經由的網絡位置分組個數成正比。
[0035] 或者，進一步的，所述路徑代價包括路徑路由開銷代價、路徑傳輸性能代價、路徑 負載率代價和路徑中繼代價；
[0036]進一步的，所述的步驟8)中在接收到中繼路徑分配請求消息之後，根據最優域中 繼路徑表生成最優IP中繼路徑，方法為：
[0037] (1)從中繼路徑分配請求消息中提取出應用類型、源IP位址和目的IP位址；
[0038] ⑵根據網絡映射表，按照最長匹配原則將源IP位址和目的IP位址分別映射至源 網絡位置分組和目的網絡位置分組；
[0039] (3)根據應用類型確定優選的傳輸性能，根據優選的傳輸性能找到相應的最優域 中繼路徑表；
[0040] (4)從最優域中繼路徑表中獲得源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的最優 域中繼路徑；
[0041] (5)如果最優域中繼路徑除源網絡位置分組和目的網絡位置分組之外不經由其它 網絡位置分組，從源網絡位置分組和目的網絡位置分組兩者中選出域負載率較小的，隨機 選擇一個映射至該網絡位置分組的中繼伺服器，最優 IP中繼路徑由源IP位址、選定中繼服 務器的IP位址、目的IP位址組成；
[0042] (6)如果最優域中繼路徑除源網絡位置分組和目的網絡位置分組之外還經由一個 或多個其它網絡位置分組，對於每個所經由的其它網絡位置分組，隨機選擇一個映射至該 網絡位置分組的中繼伺服器，最優IP中繼路徑由源IP位址、一個或多個選定中繼伺服器的 IP位址、目的IP位址組成。
[0043]本發明的有益效果：利用應用層流量優化伺服器提供的底層網絡信息，控制服務 器將中繼伺服器組成的中繼重疊網絡按照底層網絡拓撲信息進行有效組織，使得中繼重疊 網絡拓撲模型具有可伸縮性強、與底層物理網絡相感知的特點；利用中繼伺服器之間的探 測性能，控制伺服器獲取中繼重疊網絡的多項傳輸性能，從而具有應用感知的能力；中繼路 徑的路徑代價評價方法綜合考慮路由開銷、傳輸性能、負載率等多種因素，使得本發明不僅 在選擇優質中繼路徑方面具有較優性能，同時又能夠靈活地均衡中繼伺服器之間的負載。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]圖1為本發明一種實施方式的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配系統結 構不意圖；
[0045] 圖2為本發明一種實施方式的中繼伺服器組成的中繼重疊網絡拓撲模型；
[0046] 圖3為本發明一種實施方式的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配方法流 程圖；
[0047]圖4為本發明一種實施方式的生成最優IP中繼路徑方法流程圖。

【具體實施方式】
[0048] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作詳細說明。
[0049] 本實施方式的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配系統，如圖1所示，包括 應用層流量優化伺服器、控制伺服器和中繼伺服器。
[0050] 應用層流量優化伺服器用於獲取網絡信息，將網絡信息組織成網絡映射表和開銷 映射表的形式。應用層流量優化伺服器可通過多種方式獲取網絡信息，比如路由協議、靜態 配置策略、動態網絡信息，甚至是通過對外接口的第三方內容提供商。
[0051] 網絡映射表包含一系列網絡位置分組，網絡位置分組包括域標識符、網絡地址前 綴，網絡地址前綴可以代表一個或多個子網、城域網以及自治系統。實際網絡中，很多終端 在網絡連接上是非常鄰近的，比如處於同一個公司、高校的終端。將這些鄰近終端抽象成一 個網絡位置分組，可以獲得更大的可伸縮性，同時不丟失重要的網絡拓撲信息。通過網絡位 置分組，應用層流量優化伺服器以一種間接的與網絡無關的方式提供基於網絡拓撲或者其 它網絡屬性的網絡終端聚合。
[0052] 開銷映射表包含網絡位置分組之間的路由開銷。路由開銷是指單位流量從源到目 的的端到端代價，具有通用意義，網絡運營商可以根據自身策略進行內部計算，比如可以根 據網絡之間的物理距離、路由跳數或者路由成本等。應用層流量優化伺服器利用路由開銷 的形式制定網絡位置分組之間的優先級，以達到修改網絡資源消費模式的目的。
[0053] 應用層流量優化伺服器將網絡信息劃分成網絡映射表和開銷映射表，其好處在 於，網絡拓撲和網絡狀態兩類信息可以在不同時間尺度上進行更新，即反映網絡拓撲信息 的網絡映射表可能在較長時間內不發生變化，而反映網絡動態狀態信息的開銷映射表可能 在較短時間內變化。
[0054] 本實施方式中的中繼伺服器採用申請號為201410196986.4的中國專利申請"一 種基於應用層中繼的多徑傳輸系統及方法"中權利要求4記載的中繼服務轉發器。中繼 伺服器根據註冊成功響應消息或者連接保活消息構造中繼伺服器列表，並執彳丁性能探測過 程。中繼伺服器之間的覆蓋鏈路通常由多個物理鏈路組成；除了覆蓋流量，非覆蓋流量也將 使用相同的物理鏈路。因此，中繼伺服器不能控制或者管理ip層的網絡資源，只能依賴於 探測機制獲取與其它中繼伺服器之間覆蓋鏈路的性能信息。利用性能探測過程，中繼服務 器可以獲取與其它中繼伺服器之間覆蓋鏈路的動態傳輸性能，並將探測的傳輸性能信息經 由連接保活消息報告給控制伺服器。
[0055] 中繼伺服器需要一組探測算子用於評價與其它中繼伺服器之間覆蓋鏈路的傳輸 性能。這些探測算子的主要作用就是根據相應的傳輸性能度量給出一條覆蓋鏈路好壞的定 量值。這些定量值是相對的，僅用於與同一探測算子得到的其它定量值進行比較。默認情 況下，中繼伺服器支持兩個探測算子：延時探測算子和丟包率探測算子，分別用於探測中繼 伺服器之間覆蓋鏈路的延時和丟包率。實際部署中，可以根據上層應用的具體傳輸需求增 設新的性能度量，比如吞吐量、延時抖動等，甚至為某類上層應用定義新的性能度量，為此 只需要將中繼伺服器加以擴展來支持相應的探測算子即可。下面給出延時探測算子和丟包 率探測算子的一種實現示例。
[0056] 延時探測算子周期性地向中繼伺服器列表中的每個中繼伺服器發送延時探測包， 計算獲取所關聯覆蓋鏈路的一個往返時延樣本。覆蓋鏈路的延時估計值可以採用往返延時 樣本值的指數加權滑動均值。R_Dela yij表示中繼伺服器&和R」之間覆蓋鏈路的延時評估 值，按照公式（1)計算：
[0057] R-Delay。· = a R-Delayij+(1-a )New-Sample^· (1)
[0058] 其中，New+Sampleg表不新獲得的往返時延樣本，參數α為滑動權值，默認值為 0. 9,表示延時估計的10%是取自於最新往返時延樣本值。
[0059] 丟包率探測算子周期性地向中繼伺服器列表中的每個中繼伺服器發送連續的 ηι (默認值為10)個丟包率探測包，計算獲取所關聯覆蓋鏈路的一個丟包率樣本。計算得到 的丟包率樣本值給出的是雙向丟包概率，在假定丟包率對稱的前提下可估計得到單向丟包 概率。覆蓋鏈路的丟包率估計值採用最新n 2 (默認值為10)個丟包率樣本值的均值計算。
[0060] 本實施方式中的控制伺服器採用申請號為201410196986.4的中國專利申請"一 種基於應用層中繼的多徑傳輸系統及方法"中權利要求3記載的中繼服務控制器。控制服 務器從應用層流量優化伺服器讀取網絡映射表和開銷映射表，根據網絡映射表將中繼服務 器映射至網絡位置分組，將中繼伺服器按照底層的承載網絡拓撲信息進行組織。通過網絡 映射表和開銷映射表，控制伺服器可以獲知底層網絡基礎架構的網絡信息，從而有能力為 有數據傳輸需求的用戶代理分配底層網絡感知並且具有最小路由開銷的中繼路徑。控制服 務器從中繼伺服器獲得中繼伺服器之間的傳輸性能，根據網絡映射表和中繼伺服器之間的 傳輸性能計算獲得網絡位置分組之間的傳輸性能。控制伺服器從中繼伺服器獲得中繼服務 器的負載率，根據網絡映射表和中繼伺服器的負載率計算獲得網絡位置分組的域負載率。 根據開銷映射表、網絡位置分組之間的傳輸性能、網絡位置分組的域負載率以及接收到的 來自於用戶代理或者第三方信令伺服器的中繼路徑分配請求消息，控制伺服器可以為用戶 代理之間的數據傳輸分配最優中繼路徑。
[0061] 按照功能進行劃分，控制伺服器包括應用層流量優化客戶端模塊、中繼伺服器管 理模塊、中繼重疊網絡管理模塊和中繼路徑管理模塊。
[0062]應用層流量優化客戶端模塊周期性地從應用層流量優化伺服器獲取網絡映射表 和開銷映射表。應用層流量優化客戶端模塊需要知道應用層流量優化伺服器的地址。應用 層流量優化客戶端模塊獲取應用層流量優化伺服器地址的方式可以有很多，比如採用DNS 查詢獲得應用層流量優化伺服器的HTTP (S)URI。
[0063]中繼伺服器管理模塊管理和維護域內所有的中繼伺服器的註冊和狀態信息：向注 冊後的中繼伺服器發送性能查詢消息，查詢其性能信息，包括處理器能力、存儲能力和網絡 帶寬等；周期性地向可用的中繼伺服器發送狀態查詢消息，查詢其當前的負載信息，包括中 繼路徑個數、處理器使用率和網絡帶寬使用率等。中繼伺服器管理模塊將中繼伺服器的性 能和負載信息存儲在中繼伺服器信息表。在中繼伺服器註冊或者連接保活過程中，中繼服 務器管理模塊在每個網絡位置分組內隨機或者按照某種策略選擇11 3〇13彡1)個已註冊的中 繼伺服器，並將其地址信息傳遞給中繼伺服器。中繼伺服器管理模塊從中繼伺服器獲取該 中繼伺服器與其它中繼伺服器之間的傳輸性能，並存儲在性能信息表中。
[0064] 中繼重疊網絡管理模塊根據網絡映射表，將每個註冊的中繼伺服器映射到一個網 絡位置分組，此網絡位置分組能夠覆蓋該中繼伺服器的IP位址。映射方法為將中繼伺服器 的IP位址與網絡映射表中所有網絡位置分組的網絡地址前綴進行匹配，相匹配的網絡地 址前綴可能有多個，採用最長匹配的原則，選取相匹配的最長網絡地址前綴所對應的網絡 位置分組。顯然，每個網絡位置分組可能包含多個中繼伺服器。按照這種方式，控制伺服器 將中繼伺服器按照網絡位置分組進行劃分，而網絡位置分組代表一組地理位置臨近並且路 由策略相似的地址，因此，控制伺服器將中繼伺服器按照底層的承載網絡拓撲信息進行組 織，將地理位置臨近並且路由策略相似的中繼伺服器分成一組，可對其執行相同的中繼路 徑分配策略，使得中繼伺服器組成的中繼重疊網絡拓撲結構能夠很好地適配於底層的承載 網絡。
[0065] 如圖2所示，控制伺服器將中繼重疊網絡組織成了兩層模型。下層是由中繼服務 器組成的離散網絡，控制伺服器與每個中繼伺服器通信，維護單個中繼伺服器的性能、負載 等信息。上層是由網絡位置分組節點組成的全網狀（full tnesh)網絡，將屬於同一個網絡 位置分組的多個中繼伺服器抽象成單個節點，控制伺服器維護任意兩個網絡位置分組節點 對之間的傳輸性能信息。假設中繼伺服器的個數為N，網絡位置分組節點的個數為M，顯然 Μ << N，控制伺服器需要維護的信息量為0(Ν+Μ2)。隨著系統中用戶規模的增加，管理者可 能增設新的中繼伺服器用於分擔增加的重疊負載，這時控制伺服器只需線性增加下層中繼 伺服器的維護信息，而上層網絡位置分組節點個數通常情況下增加緩慢。因此，中繼重疊網 絡的兩層拓撲模型具有良好的網絡可伸縮性。
[0066] 中繼重疊網絡管理模塊維護網絡位置分組之間的性能信息。兩個網絡位置分組之 間的傳輸性能可以用位於這兩個網絡位置分組中的多個中繼伺服器對之間的相應傳輸性 能的均值來計算。默認情況下，中繼重疊網絡管理模塊管理維護網絡位置分組之間的兩個 傳輸性能度量：延時和丟包率，分別存儲在延時映射表和丟包率映射表中。PIDJ)el ayiJ表 示網絡位置分組PIDi和PIDj之間的延時評估值，PID_Lossrateij表示網絡位置分組PIDi和 ΡΠ )」之間的丟包率估計值，分別按照以下公式計算：
[0067] 靡Jel_y =_
[0068] Pm^Lossmte，^〇vgRt^m^P^(M_hmrai%J ⑶
[0069] 其中，示中繼伺服器心和心之間的延時估計值，R_Lossratekm表示中 繼伺服器R k和R"之間的丟包率估計值。
[0070] 根據中繼伺服器信息表和網絡映射表，中繼重疊網絡管理模塊為每個網絡位置分 組計算域負載率，並存放在域負載率表中。PID_L 〇adratei表示網絡位置分組PIDi的域負 載率，按照PIDi包含的所有中繼伺服器的負載率均值進行計算，即：
[0071] PID _ Loadrc^ = avgK&I^(R_]jmdratek) 卿
[0072] 其中，R_Loadratek表示中繼伺服器Rk的負載率。
[0073] 根據網絡映射表、開銷映射表、域負載率表以及多個性能映射表，中繼重疊網絡管 理模塊計算獲得任意源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於多個傳輸性能的最 優域中繼路徑，並存放在相應的最優域中繼路徑表中，最優域中繼路徑表分為延時最優域 中繼路徑表和丟包率最優域中繼路徑表。域中繼路徑為源網絡位置分組和目的網絡位置分 組之間的經由零個或多個其它網絡位置分組的路徑，由網絡位置分組的域標識符組成。當 網絡映射表、開銷映射表、域負載率表或者相應的性能映射表發生變化後，中繼重疊網絡管 理模塊重新生成最優域中繼路徑表。
[0074] 在接收到來自於用戶代理或者第三方信令伺服器的中繼路徑分配請求消息之後， 中繼路徑管理模塊根據最優域中繼路徑表生成最優IP中繼路徑。IP中繼路徑為由源端和 目的端之間的經由零個或多個中繼伺服器的路徑，由IP位址組成。
[0075] 本實施方式的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配方法，如圖3所示，具體 包括如下步驟：
[0076] 1)在中繼伺服器註冊或者連接保活過程中，選擇一組中繼伺服器，將所選擇中繼 伺服器的地址信息傳遞給該中繼伺服器，從該中繼伺服器獲取其與其它中繼伺服器之間的 傳輸性能，並存儲在性能信息表中；中繼伺服器之間的傳輸性能包括延時和丟包率，實際部 署中，可以根據上層應用的具體傳輸需求增設新的性能度量，比如吞吐量、延時抖動等，甚 至為某類上層應用定義新的性能度量；
[0077] 2)查詢中繼伺服器的性能信息和負載信息，並存儲在中繼伺服器信息表中；性能 信息包括處理器能力、存儲能力和網絡帶寬；負載信息包括中繼路徑個數、處理器使用率和 網絡帶寬使用率；
[0078] 3)周期性地從應用層流量優化伺服器讀取網絡映射表和開銷映射表；
[0079] 4)根據網絡映射表，將每個註冊的中繼伺服器映射到一個網絡位置分組，映射方 法為將中繼伺服器的IP位址與網絡映射表中所有網絡位置分組的網絡地址前綴進行匹 配，採用最長匹配的原則，選取相匹配的最長網絡地址前綴所對應的網絡位置分組；
[0080] 5)根據網絡映射表和性能信息表，計算獲得網絡位置分組之間的傳輸性能，並存 儲在相應的性能映射表中，性能映射表分為延時映射表和丟包率映射表；
[0081] 6)根據網絡映射表和中繼伺服器信息表，為每個網絡位置分組計算域負載率，並 存儲在域負載率表中；
[0082] 7)根據網絡映射表、開銷映射表、域負載率表以及多個性能映射表，計算獲得任意 源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於多個傳輸性能的最優域中繼路徑，並存儲 在相應的最優域中繼路徑表中；最優域中繼路徑表分為延時最優域中繼路徑表和丟包率最 優域中繼路徑表；域中繼路徑為源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的經由零個或多 個其它網絡位置分組的路徑，由網絡位置分組的域標識符組成；
[0083] 針對每個指定的傳輸性能，對於任意的源網絡位置分組和目的網絡位置分組，中 繼重疊網絡管理模塊計算源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間所有域中繼路徑的路 徑代價，將路徑代價最小的域中繼路徑作為源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基 於指定傳輸性能的最優域中繼路徑。實驗結果表明，經由單個中繼節點的覆蓋路徑在大部 分情況下可以提供與經由多個中繼節點的最優覆蓋路徑相近的性能。因此，在計算最優域 中繼路徑時，中繼重疊網絡管理模塊可以限定源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間最 多經由k(k>= 1)個其它網絡位置分組，在此基礎上將路徑代價最小的域中繼路徑作為源 網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於指定傳輸性能的最優域中繼路徑。
[0084] 中繼路徑分配過程應綜合考慮多方因素，包括路由開銷、傳輸性能、網絡位置分組 或者中繼伺服器的負載信息，既能兼路由策略、應用優選的性能度量，又能避免個別中繼服 務器或者某個網絡位置分組負載過重。因此，在計算最優域中繼路徑時，域中繼路徑的路徑 代價的計算方法至關重要。
[0085] 路徑代價包括路徑路由開銷代價和路徑傳輸性能代價。 表示源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的一條域中繼路徑， 付職^.=(洲m(in 彡 0)為域中繼路徑 經由的其它網絡位置分組的個數。表示域中繼路徑的路徑 代價，定義為如下公式：
[0086]

【權利要求】
1. 一種支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配系統，其特徵在於：包括：應用層流 量優化伺服器、中繼伺服器和控制伺服器； 所述應用層流量優化伺服器用於獲取網絡信息，且將網絡信息組織成網絡映射表和開 銷映射表的形式；所述網絡映射表包含一系列網絡位置分組；所述網絡位置分組包括域標 識符、網絡地址前綴；所述網絡地址前綴代表一個或多個子網或代表一個或多個城域網或 代表一個或多個自治系統；所述開銷映射表包含網絡位置分組之間的路由開銷；所述路由 開銷具有通用意義，為路由跳數或路由成本； 所述中繼伺服器用於執行性能探測過程，獲取其與其它中繼伺服器之間的傳輸性能， 並將其與其它中繼伺服器之間的傳輸性能報告至控制伺服器；所述傳輸性能包括延時和丟 包率； 所述控制伺服器用於從應用層流量優化伺服器讀取網絡映射表和開銷映射表，根據網 絡映射表將中繼伺服器映射至網絡位置分組，將中繼伺服器按照底層的承載網絡拓撲信息 進行組織；從中繼伺服器獲得中繼伺服器之間的傳輸性能，根據網絡映射表和中繼伺服器 之間的傳輸性能計算出網絡位置分組之間的傳輸性能；從中繼伺服器獲得中繼伺服器的負 載率，根據網絡映射表和中繼伺服器的負載率計算出網絡位置分組的域負載率；根據開銷 映射表、網絡位置分組之間的傳輸性能、網絡位置分組的域負載率以及中繼路徑分配請求 消息，分配最優中繼路徑； 所述控制伺服器包括應用層流量優化客戶端模塊、中繼伺服器管理模塊、中繼重疊網 絡管理模塊和中繼路徑管理模塊； 所述應用層流量優化客戶端模塊用於周期性地從應用層流量優化伺服器讀取網絡映 射表和開銷映射表； 所述中繼伺服器管理模塊：(a)在中繼伺服器註冊或者連接保活過程中，選擇一組中 繼伺服器，將所選擇中繼伺服器的地址信息傳遞給該中繼伺服器，從該中繼伺服器獲取其 與其它中繼伺服器之間的傳輸性能，並存儲在性能信息表中；(b)查詢中繼伺服器的性能 信息和負載信息，並存儲在中繼伺服器信息表中；所述性能信息包括處理器能力、存儲能力 和網絡帶寬；所述負載信息包括中繼路徑個數、處理器使用率和網絡帶寬使用率； 所述中繼重疊網絡管理模塊：(a)根據網絡映射表，將每個註冊的中繼伺服器映射到 一個網絡位置分組；(b)根據網絡映射表和性能信息表，計算出網絡位置分組之間的傳輸 性能，並存儲在相應的性能映射表中，所述性能映射表分為延時映射表和丟包率映射表； (c)根據網絡映射表和中繼伺服器信息表，為每個網絡位置分組計算域負載率，並存儲在域 負載率表中；（d)根據網絡映射表、開銷映射表、域負載率表以及多個性能映射表，計算出 任意源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於多個傳輸性能的最優域中繼路徑，並 存儲在相應的最優域中繼路徑表中；所述最優域中繼路徑表分為延時最優域中繼路徑表和 丟包率最優域中繼路徑表；所述域中繼路徑為源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的 經由零個或多個其它網絡位置分組的路徑，由網絡位置分組的域標識符組成； 所述中繼路徑管理模塊用於在接收到中繼路徑分配請求消息之後，根據最優域中繼路 徑表生成最優IP中繼路徑；所述IP中繼路徑為由源端和目的端之間的經由零個或多個中 繼伺服器的路徑，由IP位址組成。
2. 根據權利要求1所述的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配系統，其特徵在 於：所述的應用層流量優化伺服器獲取網絡信息的方式，包括路由協議、靜態配置策略和動 態網絡?目息。
3. -種支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配方法，採用權利要求1所述的支持流 量優化和應用感知的中繼路徑分配系統實現的，其特徵在於：具體步驟如下： 1) 在中繼伺服器註冊或者連接保活過程中，選擇一組中繼伺服器，將所選擇中繼服務 器的地址信息傳遞給該中繼伺服器，從該中繼伺服器獲取其與其它中繼伺服器之間的傳輸 性能，並存儲在性能信息表中； 2) 查詢中繼伺服器的性能信息和負載信息，並存儲在中繼伺服器信息表中；所述性能 信息包括處理器能力、存儲能力和網絡帶寬；所述負載信息包括中繼路徑個數、處理器使用 率和網絡帶寬使用率； 3) 周期性地從應用層流量優化伺服器讀取網絡映射表和開銷映射表； 4) 根據網絡映射表，將每個註冊的中繼伺服器映射到一個網絡位置分組； 5) 根據網絡映射表和性能信息表，計算獲得網絡位置分組之間的傳輸性能，並存儲在 相應的性能映射表中；所述性能映射表分為延時映射表和丟包率映射表； 6) 根據網絡映射表和中繼伺服器信息表，為每個網絡位置分組計算域負載率，並存儲 在域負載率表中； 7) 根據網絡映射表、開銷映射表、域負載率表以及多個性能映射表，計算獲得任意源網 絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於多個傳輸性能的最優域中繼路徑，並存儲在相 應的最優域中繼路徑表中；所述最優域中繼路徑表分為延時最優域中繼路徑表和丟包率最 優域中繼路徑表；所述域中繼路徑為源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的經由零個 或多個其它網絡位置分組的路徑，由網絡位置分組的域標識符組成； 8) 在接收到中繼路徑分配請求消息之後，根據最優域中繼路徑表生成最優IP中繼路 徑；所述IP中繼路徑為由源端和目的端之間的經由零個或多個中繼伺服器的路徑，由IP地 址組成。
4. 根據權利要求3所述的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配方法，其特徵在 於：所述的步驟4)中將每個註冊的中繼伺服器映射到一個網絡位置分組，映射方法為將中 繼伺服器的IP位址與網絡映射表中所有網絡位置分組的網絡地址前綴進行匹配，採用最 長匹配的原則，選取相匹配的最長網絡地址前綴所對應的網絡位置分組。
5. 根據權利要求3所述的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配方法，其特徵在 於：所述的步驟7)中根據網絡映射表、開銷映射表、域負載率表以及多個性能映射表，計算 獲得任意源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於多個傳輸性能的最優域中繼路 徑，計算方法為方法A或方法Β，其中方法A為：針對每個指定的傳輸性能，對於任意的源網 絡位置分組和目的網絡位置分組，計算源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間所有域中 繼路徑的路徑代價，將路徑代價最小的域中繼路徑作為源網絡位置分組和目的網絡位置分 組之間的基於指定傳輸性能的最優域中繼路徑；方法B為：針對每個指定的傳輸性能，對於 任意的源網絡位置分組和目的網絡位置分組，計算源網絡位置分組和目的網絡位置分組之 間經由最多k(k>= 1)個其它網絡位置分組的所有域中繼路徑的路徑代價，將路徑代價最 小的域中繼路徑作為源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的基於指定傳輸性能的最 優域中繼路徑。
6. 根據權利要求5所述的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配方法， 其特徵在於：所述路徑代價包括路徑路由開銷代價和路徑傳輸性能代價；所述路 徑路由開銷代價為域中繼路徑上相鄰兩個網絡位置分組之間的路由開銷之和；所 述路徑傳輸性能代價分為路徑延時代價和路徑丟包率代價；所述路徑延時代價 為域中繼路徑上相鄰兩個網絡位置分組之間的延時之和；所述路徑丟包率代價為 斤/Γ''" - Li服啤"?>/v/)^ 絡位置分組，wdU表示目的網絡位置分組，m表示〃叫,和〃&+1=之間的一條域中繼路 徑所經由其它網絡位置分組的個數，〃表示〃/)"和/7/：)"+之間的丟包率， >%+表示和之間的一條域中繼路徑的路徑丟包率。
7. 根據權利要求6所述的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配方法，其特徵在 於：所述路徑代價還包括路徑負載率代價；所述路徑負載率代價為域中繼路徑上網絡位置 分組的域負載率最大值。
8. 根據權利要求6或7所述的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配方法，其特徵 在於：所述路徑代價還包括路徑中繼代價；所述路徑中繼代價與域中繼路徑所經由的網絡 位置分組個數成正比。
9. 根據權利要求3所述的支持流量優化和應用感知的中繼路徑分配方法，其特徵在 於：所述的步驟8)中在接收到中繼路徑分配請求消息之後，根據最優域中繼路徑表生成最 優IP中繼路徑，方法為： (1) 從中繼路徑分配請求消息中提取出應用類型、源IP位址和目的IP位址； (2) 根據網絡映射表，按照最長匹配原則將源IP位址和目的IP位址分別映射至源網絡 位置分組和目的網絡位置分組； (3) 根據應用類型確定優選的傳輸性能，根據優選的傳輸性能找到相應的最優域中繼 路徑表； (4) 從最優域中繼路徑表中獲得源網絡位置分組和目的網絡位置分組之間的最優域中 繼路徑； (5) 如果最優域中繼路徑除源網絡位置分組和目的網絡位置分組之外不經由其它網絡 位置分組，從源網絡位置分組和目的網絡位置分組兩者中選出域負載率較小的，隨機選擇 一個映射至該網絡位置分組的中繼伺服器，最優IP中繼路徑由源IP位址、選定中繼伺服器 的IP位址、目的IP位址組成； (6) 如果最優域中繼路徑除源網絡位置分組和目的網絡位置分組之外還經由一個或多 個其它網絡位置分組，對於每個所經由的其它網絡位置分組，隨機選擇一個映射至該網絡 位置分組的中繼伺服器，最優IP中繼路徑由源IP位址、一個或多個選定中繼伺服器的IP 地址、目的IP位址組成。
【文檔編號】H04L12/741GK104270312SQ201410505329
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月25日 優先權日:2014年9月25日
【發明者】張偉, 雷為民, 李 浩, 李廣野, 關雲衝 申請人:東北大學