廖伟国

（华南农业大学珠江学院，广东 广州 510900）

在网络优化过程中，常常出现由于不同用户分配方式和不同用户群之间的实际通信行为，造成数据流不均匀分配问题出现。此外，当其他区域处于闲置状态时，由于某种原因，低流量区域的通信量会迅速增长，甚至出现拥堵。从日流量的角度来看，各单元间的交通作用呈现出显著的负相关关系。比如，在以天为周期的变化上，写字楼区域的话务在白天高、夜晚低，在居民区，则白天流量较少，夜晚流量较大。如何提高网络拥塞与调节业务之间的负相关关系。同时，有效地利用现有单元间通信方式，以保证在网络指标最优的情况下，最大限度地利用网络资源，达到最大的经济效益。

当前，使用基于改进遗传算法的网络资源分配系统，从无线射频单元选择、子载波分配和功率分配三个维度出发，在QPS约束条件下构建以发射功率为变量的传输模型，结合遗传算法达到提升系统吞吐量的目的；
使用基于能效的网络资源分配系统，为了保证用户时延可靠性，需要构建最大能效随机模型，再结合李雅普诺夫随机优化方式，通过控制输入的数据队列，动态调整调度资源。由于当前网络具有动态拓扑特点，使用上述两种方法无法解决资源时隙动态分配问题。为此，提出关于虚拟云技术的网络资源动态分配系统设计。

动态网络资源分布系统是一个简化虚拟环境，在使用者要求下，系统会自动生成对应的虚拟网卡，并指定一个唯一的虚拟网络ID。在产生虚拟网络之后，用户能够利用系统所提供的资源，为客户提供商业上的支持。如果虚拟网络已不能正常工作，则由使用者发出此指令，将其删除，而系统则会恢复此虚拟网络的全部资源。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构

从图1可以看出，该动态分配系统包括一个控制面和一个转发面。虚拟云技术是实现网络虚拟化的唯一途径，通过对网络资源的管理，可以实现对网络资源的有效调度，并根据用户需求，建立和配置合适网络片。

1.1 虚拟网络生成模块

虚拟网络指通过抽象、分配和隔离等方式，在一个公用的实体网络中实现多个虚拟网络的实现。每一个虚拟网络都可以利用彼此独立的实体资源，根据用户的动态需求，对网络中节点和链接进行合理的配置。

多个虚拟网络可能同时存在于一个网络中，本模块主要是为了响应用户的虚拟网络要求而设计的一个具有逻辑性、虚拟性和可扩展性的网络片，如图2所示。

图2 逻辑虚拟网络片

由图2可知，虚拟网络是由使用者提出，并由使用者决定所需参数，之后再由控制器生成虚拟数据，并交由虚拟网络保存。

1.2 消息拦截与解析模块

消息拦截模块主要是从基本的物理网络上截取报文，在初始化过程中，不存在任何可利用的网络资源，将不匹配的信息传输给开源控制器。消息拦截与解析模块，如图3所示。

图3 消息拦截与解析模块

由图3可知，只有当一个虚拟网络已经建成，而消息是一个虚拟网络时，会被信息分析模块所处理或者被丢弃。消息拦截模块在截获报文时，通过对报文的相关信息进行分析，判定报文类型。

1.3 开源控制器

开源控制器结构，如图4所示。

图4 开源控制器结构

由图4可知，该结构主要是由三部分组成，分别为区域网络、核心网络和数据中心网络。

1）区域网络

在云平台开源网络结构中，话务业务属于该区域，其中包括的网络设备为区域交换机、区域控制器和负载均衡设备。

2）核心网络

核心网络是将各地区连接的一种网络，其主要设备为中心交换机。

3）数据中心网络

数据中心网络是资料中心外部网络，负责与外部主干网的连接，其主要设备为边框路由器。

在网络划分完成后，根据各自的能力划分出相应的资源库，并通过API接口实现了系统性能的统一。在上层设计一个统一的网络容量调度系统，通过API接口获取各个资源池的能力，然后按照各自权限进行资源分配。

2.1 网络资源动态分配时隙申请机制

为了实现网络资源的动态分配，需先申请网络资源动态分配时隙。对于主站来说，若想发送业务数据，可随时发布申请；
对于从站来说，若信道存在呼叫行为，那么需先查询申请成功的时隙。详细过程如图5所示。

图5 主从站时隙申请过程

由图5可知，通过主从站时隙申请过程，能够缩短端到端时延，该时隙主要有三种状态，分别为空闲状态、预约状态和占用状态。对于这三种状态，需计算时隙窗口间隔，公式为：

式中：表示业务时隙数量；
表示报文报告率。

对于时隙窗口的确定，可用如下公式描述：

式中表示调整因子。

当时隙为空闲状态时，可以为用户提供预约时间，即进入到时隙预约状态。当时隙不是空闲状态时，需要检测其他信道时隙情况，一旦发现空闲时隙，就应立即为用户提供预约时间，即进入到时隙预约状态。当时隙为占用状态时，可以通过信道实时发送预约信息。

2.2 基于虚拟云技术的网络资源动态分配流程设计

根据主从站时隙申请过程，结合虚拟云技术设计网络资源动态分配流程，如下所示：

步骤1：在虚拟云环境下指定一个虚拟网络ID，并确定虚拟云环境下的带宽要求；

步骤2：向虚拟云中添加3个主机K1，K2，K3，其MAC地址分别为MAC1，MAC2，MAC3，此时虚拟云环境主机地址集合为{MAC1,MAC2,MAC3}；

步骤3：当主机K1向主机K3发送相关数据包时，需先将数据包传送到交换机位置，并交由控制器处理；

步骤4：通过消息拦截模块拦截重复或不完整的数据包，之后再由解析模块处理。如果由于任何原因导致数据包解析失败，则需丢弃该数据包；

步骤5：通过查找虚拟云参数，确定流量是否为虚拟流量，并在虚拟云环境所在主机连接边缘交换机端口设置限速队列。假设生成的路由为R1-R2-R3-R4，那么会在R1端口R1-R2和R4端口R4-R3设置限速队列。该过程需要耗费大量的网络资源动态分配时间。为此，需要结合粒子群同时搜索多个变量，减少寻找最优解的循环次数，缩短分配时间。

设置粒子群中初始粒子的位置为()，速度为()，公式可描述为：

式中：表示迭代次数；
表示粒子规模。

将虚拟云环境下的效用函数作为适应度函数，可描述为：

式中表示适应度参数。

依据用户选择结果，计算每个粒子适应值，其公式为：

通过个体寻优，找到最优解，由此完成网络资源动态分配。

为了验证虚拟云技术的网络资源动态分配系统设计合理性，进行实验验证分析。

3.1 实验平台

通过NS-3仿真平台进行实验验证，该平台结构如图6所示。

图6 NS-3仿真平台

利用图6所示平台进行实验流程如下：筛选时隙分配、状态机的编程模块，利用程序进行脚本编写，并使用C++语言确定实验中传输层的传输新协议和路由使用协议。

3.2 实验指标

测试的性能指标包括：端到端时延和丢包率。

端到端时延计算公式为：

式中：T为单个数据包的全部时间；
为数据包数量。

丢包率计算公式为：

式中：表示输入报文；
表示输出报文。

3.3 实验结果分析

以端到端时延和丢包率实验指标为依据，分别使用基于改进遗传算法的网络资源分配系统、基于能效的网络资源分配系统和关于虚拟云技术的网络资源动态分配系统对比分析端到端时延及丢包率，对比结果如表1，图7所示。

表1 三种系统端到端时延对比分析 ms

图7 三种系统丢包率对比分析

由表1可知，使用基于改进遗传算法的网络资源分配系统，在数据包数量为110个时，与虚拟云技术的端到端时延相差最大，最大值为108 ms；
使用基于能效的网络资源分配系统，在数据包数量为110个时，与虚拟云技术的端到端时延相差最大，最大值为62 ms。通过上述分析结果可知，使用虚拟云技术的网络资源动态分配系统，网络资源动态分配时延最短。

由图7可知，使用基于改进遗传算法的网络资源分配系统，最高丢包率为88%，最低为40%；
使用基于能效的网络资源分配系统，最高丢包率为78%，最低为26%；
使用虚拟云技术的网络资源动态分配系统，最高丢包率为50%，最低为3%，验证了所提方法的有效性。

本文提出关于虚拟云技术的网络资源动态分配系统，通过设置的网络资源动态分配时隙申请机制，设计网络资源动态分配流程，能够实现多种性能的突破性提升。虽然设计的系统能够缩短网络资源动态分配时间，但也存在网络拥塞问题，需要进一步的完善。

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