本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量?jī)?yōu)化方法，更具體的說，尤其涉及一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)(softwaredefinednetwork，簡(jiǎn)稱sdn)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量?jī)?yōu)化方法。

背景技術(shù)：

互聯(lián)網(wǎng)在近二十多年來不斷迅速發(fā)展，已經(jīng)成為社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施至關(guān)重要的一部分。當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行在20多年前設(shè)計(jì)的核心架構(gòu)上，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的迅速膨脹和應(yīng)用類型的日益豐富，其顯現(xiàn)出越來越多的問題?；ヂ?lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和功能的不斷復(fù)雜化，使得網(wǎng)絡(luò)管控能力持續(xù)減弱。由于所承載的功能不斷擴(kuò)展(如分組過濾、區(qū)分服務(wù)、組播、服務(wù)質(zhì)量、流量工程等)，作為網(wǎng)絡(luò)核心的路由器已經(jīng)變得臃腫不堪。出于市場(chǎng)占有率等考慮，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)或路由器只能通過命令行接口等方式對(duì)外開放少量服務(wù)和管理接口，研究人員難以在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)驗(yàn)和部署新型網(wǎng)絡(luò)體系，給互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革新造成了難以逾越的桎梏。為了解決現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)面臨的諸多難題，世界各國(guó)已經(jīng)大規(guī)模開展未來互聯(lián)網(wǎng)的研究。

2008年，美國(guó)斯坦福大學(xué)mckeown教授于國(guó)際頂級(jí)會(huì)議acmsigcomm上發(fā)表了關(guān)于openflow的研究成果。openflow允許用戶通過其開放的流表對(duì)網(wǎng)絡(luò)處理行為進(jìn)行控制，是一種支持網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究的新型網(wǎng)絡(luò)模型?；趏penflow所帶來的可編程特性，mckeown教授進(jìn)一步提出了軟件定義網(wǎng)絡(luò)(softwaredefinednetwork,sdn)概念。sdn技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)包括：轉(zhuǎn)發(fā)控制分離，硬件設(shè)備通用化；集中優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，有利于提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率；網(wǎng)絡(luò)管理大幅簡(jiǎn)化；加快網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新速度，新功能上線周期顯著縮短等。2011年，在雅虎、谷歌、德國(guó)電信等幾家公司的倡議下，國(guó)際組織開放網(wǎng)絡(luò)基金會(huì)onf(opennetworkfoundation)成立，致力于sdn及其核心技術(shù)openflow的標(biāo)準(zhǔn)化及商業(yè)化。2012年，谷歌宣布其主干網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面運(yùn)行在openflow上，并且通過10g網(wǎng)絡(luò)鏈接分布在全球各地的12個(gè)數(shù)據(jù)中心，使廣域線路的利用率從30％提升到接近飽和。谷歌的成功案例，在實(shí)踐上證明了sdn的可行性，有利地促進(jìn)了sdn的發(fā)展。2012年，國(guó)際富享聲望的mittechnologyreview雜志把openflow選為十大未來技術(shù)；國(guó)際研究機(jī)構(gòu)gartner預(yù)測(cè)sdn技術(shù)將成為未來五年內(nèi)it領(lǐng)域十大關(guān)鍵趨勢(shì)和技術(shù)影響之一。在短短幾年內(nèi)，sdn技術(shù)已近在全球范圍內(nèi)掀起了新的it熱潮，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研究。

在軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)度量是資源有效調(diào)度的基礎(chǔ)條件，目前相關(guān)研究比較薄弱，已有的研究不能有效滿足對(duì)軟件定義網(wǎng)絡(luò)特別是大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的低負(fù)載、高準(zhǔn)確性度量。特別是很多應(yīng)用程序會(huì)因?yàn)檎莆盏骄W(wǎng)絡(luò)端到端的延遲信息而獲益，網(wǎng)絡(luò)延遲是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，許多對(duì)服務(wù)質(zhì)量敏感的軟件定義網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序要求網(wǎng)絡(luò)端到端的延遲滿足一定的約束條件，因此研究針對(duì)延遲的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量及其優(yōu)化方法具有重要的實(shí)踐意義。

當(dāng)前許多對(duì)服務(wù)質(zhì)量敏感的軟件定義網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序要求網(wǎng)絡(luò)端到端的延遲滿足一定的約束條件，而已有的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量方法往往只能定時(shí)測(cè)量、均勻測(cè)量，如果更精確只能通過增加測(cè)量次數(shù)和頻率達(dá)到，因?yàn)闇y(cè)量本身也要占用網(wǎng)絡(luò)資源，這使得原本的網(wǎng)絡(luò)資源得到大量消耗。從而無法更精確的得到實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)延遲變化。針對(duì)此問題，本發(fā)明提供一種軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，能夠自動(dòng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)延遲變化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量的頻度和周期進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整的方法，能夠保障和提高網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量的精確度，降低測(cè)量延遲所占用的網(wǎng)絡(luò)資源消耗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服上述技術(shù)問題的缺點(diǎn)，提供了一種既能保證網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量精度又可避免網(wǎng)絡(luò)資源過度消耗的軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量?jī)?yōu)化方法。

本發(fā)明的軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量?jī)?yōu)化方法，其特征在于，通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

a).獲取網(wǎng)絡(luò)延遲數(shù)據(jù)，在軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過控制器，每間隔固定的時(shí)間t測(cè)量一次某相鄰兩交換機(jī)之間鏈路的網(wǎng)絡(luò)延遲x，設(shè)共測(cè)量n次，得到一組延遲集合x(x1,x2,...,xn)，xi為第i次測(cè)量所獲得的網(wǎng)絡(luò)延遲，1≤i≤n；

b).三角函數(shù)擬合，將延遲集合x(x1,x2,...,xn)中的延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行三角函數(shù)擬合，其通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

b-1).求平均值，通過公式(1)求取延遲集合x中網(wǎng)絡(luò)延遲的平均值e：

式中：n為延遲集合x中網(wǎng)絡(luò)延遲的數(shù)目；

b-2).求差值序列，求取延遲集合x中各網(wǎng)絡(luò)延遲與平均值e的差值，得到延遲差值序列y(y1,y2,...,yn)，y1＝x1-e,y2＝x2-e,…,yn＝xn-e；

b-3).求網(wǎng)絡(luò)延遲方差，通過公式(2)計(jì)算延遲集合x的方差σ²：

其中，1≤i≤n；

b-4).得到擬合三角函數(shù)，將求取的延遲差值序列y中的值代入公式(3)中，獲取擬合三角函數(shù)：

其中，τ為最近一次的測(cè)量周期，其初始值為t；z為時(shí)間；

c).計(jì)算測(cè)量間隔，通過擬合三角函數(shù)得到下一次測(cè)量網(wǎng)絡(luò)延遲的時(shí)間間隔，其具體通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

c-1).確定波峰或波谷位置，對(duì)擬合三角函數(shù)f(z)求導(dǎo)數(shù)，并令求取最近一次導(dǎo)數(shù)為0的時(shí)間點(diǎn)t0，則三角函數(shù)f(z)最近一次波峰或波谷的時(shí)間位置為t0；

c-2).獲取測(cè)量時(shí)間點(diǎn)，通過公式(5)計(jì)算出下一次測(cè)量的時(shí)間點(diǎn)：

其中，tn+1為下一次測(cè)量的時(shí)間點(diǎn)，t0為擬合三角函數(shù)f(z)最近一次波峰或波谷的時(shí)刻，τ為最近一次的測(cè)量周期，k為x序列總時(shí)間所包含τ的倍數(shù)的取整值；n為x序列中所包含的網(wǎng)絡(luò)延遲的數(shù)目；

c-3).獲取測(cè)量間隔，通過公式(6)求取下一次測(cè)量的時(shí)間間隔τ′：

tn為x序列中第n次的測(cè)量時(shí)刻；

d).測(cè)量延遲并更新序列，根據(jù)步驟c)中所求取的時(shí)間間隔τ′，tn時(shí)刻開始計(jì)時(shí)經(jīng)過τ′時(shí)間段后，采用步驟a)中的方法獲取兩交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)延遲，然后將測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)延遲加入延遲集合x中，并將x中第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)延遲刪除，得到新的延遲集合x；x中為最新的n次測(cè)量的延遲值；

e).若不想進(jìn)一步測(cè)量相應(yīng)鏈路的延遲，則停止測(cè)量運(yùn)算；如果繼續(xù)測(cè)量相應(yīng)鏈路的網(wǎng)絡(luò)延遲，則利用步驟d)得到的新的延遲集合x，返回執(zhí)行步驟b)，并重復(fù)步驟b)、c)和d)即可。

本發(fā)明的軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量?jī)?yōu)化方法，步驟a)中所述的獲取網(wǎng)絡(luò)延遲數(shù)據(jù)，具體通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

a-1).獲取到一個(gè)交換機(jī)的時(shí)間，軟件定義網(wǎng)絡(luò)sdn控制器向其中一個(gè)交換機(jī)si發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)包，記錄發(fā)送時(shí)間；交換機(jī)si收到數(shù)據(jù)包后馬上返回給控制器，控制收到發(fā)送的數(shù)據(jù)包后記錄接收時(shí)間，sdn控制器將接收與發(fā)送的時(shí)間之差記為t控制器到si時(shí)間；

a-2).獲取到另一個(gè)交換機(jī)的時(shí)間，sdn控制器向另一個(gè)交換機(jī)sj發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)包，記錄發(fā)送時(shí)間；交換機(jī)sj收到數(shù)據(jù)包后馬上返回給控制器，控制收到發(fā)送的數(shù)據(jù)包后記錄接收時(shí)間，sdn控制器將接收與發(fā)送的時(shí)間之差記為t控制器到sj時(shí)間；

a-3).獲取總時(shí)間，sdn控制器向交換機(jī)si發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)包，并記錄發(fā)送時(shí)間；同時(shí)控制器下發(fā)路由流表，使得交換機(jī)si收到這個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給sj，交換機(jī)sj收到消息后馬上返回給控制器；控制器收到這個(gè)消息后，記錄下接收時(shí)間；控制器計(jì)算出發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收到數(shù)據(jù)包的時(shí)間差，記為t總時(shí)間；

a-4).計(jì)算延遲時(shí)間，sdn控制器通過公式計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)延遲。

本發(fā)明的軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量?jī)?yōu)化方法，所述延遲集合x中所包含的延遲時(shí)間的數(shù)目n介于10～30之間。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量?jī)?yōu)化方法，首先利用最近n次測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)延遲構(gòu)成延遲集合x，再將延遲集合x中每個(gè)元素減去其平均值構(gòu)成差值序列集合y，利用集合y中的元素得到擬合三角函數(shù)，最后得到與最后一次測(cè)量周期成正比與集合y中元素的方差成反比時(shí)間間隔，即集合x中網(wǎng)絡(luò)延遲變化越小，則下一次測(cè)量的時(shí)間間隔可以更長(zhǎng)些，x中網(wǎng)絡(luò)延遲變化越大，下一次的量的時(shí)間間隔理應(yīng)更短，既能夠保障和提高網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量的精確度，又降低測(cè)量延遲所占用的網(wǎng)絡(luò)資源消耗。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量?jī)?yōu)化方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明中獲取網(wǎng)絡(luò)延遲數(shù)據(jù)的流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，給出了本發(fā)明的軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)延遲測(cè)量?jī)?yōu)化方法的流程圖，其通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

a).獲取網(wǎng)絡(luò)延遲數(shù)據(jù)，在軟件定義網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過控制器，每間隔固定的時(shí)間t測(cè)量一次某相鄰兩交換機(jī)之間鏈路的網(wǎng)絡(luò)延遲x，設(shè)共測(cè)量n次，得到一組延遲集合x(x1,x2,...,xn)，xi為第i次測(cè)量所獲得的網(wǎng)絡(luò)延遲，1≤i≤n；

如圖2所示，給出了本發(fā)明中獲取網(wǎng)絡(luò)延遲數(shù)據(jù)的流程圖，其通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

a-1).獲取到一個(gè)交換機(jī)的時(shí)間，軟件定義網(wǎng)絡(luò)sdn控制器向其中一個(gè)交換機(jī)si發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)包，記錄發(fā)送時(shí)間；交換機(jī)si收到數(shù)據(jù)包后馬上返回給控制器，控制收到發(fā)送的數(shù)據(jù)包后記錄接收時(shí)間，sdn控制器將接收與發(fā)送的時(shí)間之差記為t控制器到si時(shí)間；

a-2).獲取到另一個(gè)交換機(jī)的時(shí)間，sdn控制器向另一個(gè)交換機(jī)sj發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)包，記錄發(fā)送時(shí)間；交換機(jī)sj收到數(shù)據(jù)包后馬上返回給控制器，控制收到發(fā)送的數(shù)據(jù)包后記錄接收時(shí)間，sdn控制器將接收與發(fā)送的時(shí)間之差記為t控制器到sj時(shí)間；

a-3).獲取總時(shí)間，sdn控制器向交換機(jī)si發(fā)送測(cè)量數(shù)據(jù)包，并記錄發(fā)送時(shí)間；同時(shí)控制器下發(fā)路由流表，使得交換機(jī)si收到這個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給sj，交換機(jī)sj收到消息后馬上返回給控制器；控制器收到這個(gè)消息后，記錄下接收時(shí)間；控制器計(jì)算出發(fā)送數(shù)據(jù)包和接收到數(shù)據(jù)包的時(shí)間差，記為t總時(shí)間；

a-4).計(jì)算延遲時(shí)間，sdn控制器通過公式計(jì)算得到網(wǎng)絡(luò)延遲。

b).三角函數(shù)擬合，將延遲集合x(x1,x2,...,xn)中的延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行三角函數(shù)擬合，其通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

b-1).求平均值，通過公式(1)求取延遲集合x中網(wǎng)絡(luò)延遲的平均值e：

式中：n為延遲集合x中網(wǎng)絡(luò)延遲的數(shù)目；

b-2).求差值序列，求取延遲集合x中各網(wǎng)絡(luò)延遲與平均值e的差值，得到延遲差值序列y(y1,y2,...,yn)，y1＝x1-e,y2＝x2-e,…,yn＝xn-e；

b-3).求網(wǎng)絡(luò)延遲方差，通過公式(2)計(jì)算延遲集合x的方差σ²：

其中，1≤i≤n；

b-4).得到擬合三角函數(shù)，將求取的延遲差值序列y中的值代入公式(3)中，獲取擬合三角函數(shù)：

其中，τ為最近一次的測(cè)量周期，其初始值為t；z為時(shí)間；

c).計(jì)算測(cè)量間隔，通過擬合三角函數(shù)得到下一次測(cè)量網(wǎng)絡(luò)延遲的時(shí)間間隔，其具體通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：

c-1).確定波峰或波谷位置，對(duì)擬合三角函數(shù)f(z)求導(dǎo)數(shù)，并令求取最近一次導(dǎo)數(shù)為0的時(shí)間點(diǎn)t0，則三角函數(shù)f(z)最近一次波峰或波谷的時(shí)間位置為t0；

c-2).獲取測(cè)量時(shí)間點(diǎn)，通過公式(5)計(jì)算出下一次測(cè)量的時(shí)間點(diǎn)：

其中，tn+1為下一次測(cè)量的時(shí)間點(diǎn)，t0為擬合三角函數(shù)f(z)最近一次波峰或波谷的時(shí)刻，τ為最近一次的測(cè)量周期，k為x序列總時(shí)間所包含τ的倍數(shù)的取整值；n為x序列中所包含的網(wǎng)絡(luò)延遲的數(shù)目；

c-3).獲取測(cè)量間隔，通過公式(6)求取下一次測(cè)量的時(shí)間間隔τ′：

tn為x序列中第n次的測(cè)量時(shí)刻；

d).測(cè)量延遲并更新序列，根據(jù)步驟c)中所求取的時(shí)間間隔τ′，tn時(shí)刻開始計(jì)時(shí)經(jīng)過τ′時(shí)間段后，采用步驟a)中的方法獲取兩交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)延遲，然后將測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)延遲加入延遲集合x中，并將x中第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)延遲刪除，得到新的延遲集合x；x中為最新的n次測(cè)量的延遲值；

e).若不想進(jìn)一步測(cè)量相應(yīng)鏈路的延遲，則停止測(cè)量運(yùn)算；如果繼續(xù)測(cè)量相應(yīng)鏈路的網(wǎng)絡(luò)延遲，則利用步驟d)得到的新的延遲集合x，返回執(zhí)行步驟b)，并重復(fù)步驟b)、c)和d)即可。