可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICTExpress 8（2022）130www.elsevier.com/locate/icte基于SDN的移动网络QoS流量工程优化路由算法Amir AlidadiAl-Mar，Saeedreza Arab，Tayebeh Askari计算机工程学院，巴姆高等教育综合体，巴姆14477-76613，伊朗接收日期：2020年12月16日;接收日期：2021年9月25日;接受日期：2021年12月22日2021年12月29日网上发售摘要移动网络中的节点随机快速地改变位置，从而修改其到网络的附着点。在网络的核心中用于切换的最合适的方法是MPLS。对于MPLS-TE，最关键的问题是LSP配置。MPLS-TE中的路由算法的目标是资源管理和满足QoS指标。这种新的SDN架构由于其良好的特性，可以为MPLS-TE提供有用的帮助。提出了一种新的、低复杂度的SDN-MPLS算法。该算法在低复杂度的情况下，在网络负载均衡、路由长度和节能之间进行权衡，提高了移动网络中的版权所有© 2021作者。出版社：Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：移动网络; MPLS; SDN; TE; 5G1. 介绍随着云计算和物联网的不断发展和实施，传统的网络架构无法满足当前行业范式的要求，例如5G无线网络，网络物理系统（CPS）和机器类型通信（MTC）[1，2]。移动网络是新技术的完美平台。移动网络的发展有两个主要目标：第一，当用户在不同的网络之间移动时，保持连接。第二，当节点在这些网络之间移动时提供适当级别的QoS的能力。对于互联网服务提供商（ISP）来说，TE更需要优化可用的网络资源，允许更好的QoS，从而获得更多的收入。TE是用来评估网络状况，预测和平衡网络负载 ， 提 高 网 络 资 源 利 用 率 的 方 法 学 [3 代 理 移 动 IPv6（PMIP）和移动IP（MIP）被认为是未来蜂窝移动网络中最适合解决节点移动性管理的协议。针对第二个问题，介绍了三种保证Internet上的QoS和提高资源性能的方法：集成服务（IntServ）、区分服务*通讯作者。电子邮件地址：alidadi@bam.ac.ir（A.Alidadi），s.arab @bam.ac.ir（S.阿拉伯），t.askari@ www.example.com（T.askari@bam.ac.ir）。Askari）。同行审议由韩国通信研究所负责教育与信息科学（KICS）。https://doi.org/10.1016/j.icte.2021.12.010（DiffServ）和MPLS（多协议标签交换）。TE可用于MPLS网络中，这些网络已被实施以提高互联网数据报在管理和交付方面的性能。MPLS用于从边缘到边缘节点的数据、语音和视频网络。普通的IP路由算法无法提供QoS路由，因此MPLS旨在将其功能与当前和未来的路由方法相叠加，而不是改变IP路由。此外，MPLS进行一系列物理层，以允许有帮助的数据传输与具有不同QoS需求的流的带宽预订相结合[6，7]。MPLS使用被认为是标签交换路径（LSP）的工具。SDN可以帮助构建LSP并选择有用且满足网络管理和资源优化使用的要求，并为未来的需求预订它们。开放网络基金会（ONF）将SDN描述为区分用于网络范围的分组调度的控制层和转发层的技术[8]。SDN和MPLS集成具有以下优势[7]：SDN提供集中控制，从而降低网络的功能复杂性。它简化了网络的监控和维护。它简化并加速了创新。优化网络资源，降低运营成本。SDN由两个主要元素组成，路径计算元素（PCE）和路径计算客户端（PCC）[9]。PCE是一个2405-9595/© 2021作者。 由Elsevier B.V.代表韩国通信和信息科学研究所出版。这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。····A. Alidadi，S.Arab和T.阿斯卡里ICT Express 8（2022）130131图1.一、 MPLS和SDN的集成[10]。类似于网络元件、软件或机器的模块，可以使用某些参数根据网络拓扑计算网络路由。PCC是客户端上的一个软件，它需要计算到PCE的路径。网络设备在集中式PCE结构中作为PCC工作，其中PCC与路由器OS合并。PCE协议（PCEP）[7]包含一组PCC-PCE传输消息。图图1显示了MPLS和SDN的集成。移动节点通过基站（BS）连接到移动网络的核心如果移动节点离开一个BS并接近另一个站，则它们通过切换连接到另一个BS并更新它们的位置。移动网络的核心由连接BS的路由器组成通过高速链接。MPLS技术利用标签交换路径（LSP）来满足期望的服务质量，可以优化网络资源。创建LSP是一个重要的问题，导致网络服务质量的最佳使用。LSP的路由和重新路由可以通过SDN技术完成;因为SDN控制器具有所有网络资源的全局视图，所以它可以做出主要和最佳的决策。本文件其余部分的结构如下。第二节介绍相关工作。在第3节提出了所提出的算法。第4节涉及结果和性能研究。结论见第5节。2. 相关作品最小跳路由算法（MHA）是路由LSP的最广泛使用和最简单的算法之一[10，11]。MHA选择输入和输出路由器之间连接最少的路径。最宽最短路径（WSP）方法使用具有最大剩余容量的可能的最短路由，该最大剩余容量是沿着路由的最小连接剩余容量被最大化。另一方面，最短最宽路径（SWP）技术选择具有最高带宽可访问的路径，如果有多个路径，则选择具有最少跳数的路由[11]。尽管SWP、WSP和MHA简单而高效，但它们可能会对下一个LSP造成障碍，并导致网络资源利用不足。在MIRA方法中，TEMIRA使用计划是最近的一个需求应该遵循不干扰可能对满足下一个需求至关重要像MIRA一样，NewMIRA [11]通过考虑LSP需求路由的总带宽阻塞效应来控制一些MIRA约束。主MIRA和变化的缺点是即使网络具有足够的带宽容量，也会拒绝非零需求。在[12]中，提出了一种称为BCRA的方法。BCRA处理减少路径长度、网络负载平衡和最小化路由成本。在该方法中，关键链路被描述为负载超过特定限制的链路。该限制在BCRA中被定义为平均链路负载。关键路由有关键连接。如果一条路由包含许多连接到关键链接的链接，则该路由更为关键。BCRA计算权重，并将权重分配给链路，并使用最短路径算法沿最低权重路由路由需求，以分配负载并避免关键连接。3. 该算法本部分讨论了提出的新的MPLS-SDN流量工程算法低复杂度路径选择（PSLC）。我们注意到一个网络，其中SDN控制器（PCE）为一组SDN转发组件（PCC）计算转发表和路由设置。PCC路由分组，并且用于计算PCC处的路由表的逻辑驻留在集中式PCE处。此外，对于转发包，PCC进行一些简单的流量测量，并将其路由到PCE。PCE使用该业务知识以及由OSPF-TE在网络中分发的知识来动态地改变PCC处的路由表以调谐到变化的业务情况。以下是本节中使用的符号。网络被模拟为G（N，LS）方向图，其中N是顶点（路由器）的集合，其中LS是N个顶点之间的边的集合。 我们把P看作可能的输入-输出对的集合。另外，设（s，d）为一般P分量。路由I的配置要求被指定为三元组（si，di，B），其中输入节点由si指定，输出节点由di指定，并且所需的带宽量由B定义所提出的新算法属于链接和路径限制算法的范畴。关键主题、权重计算、路由选择和路由算法特征描述如下。(1) 关键主题：PSLC算法是在最小化干扰、优化网络资源利用和降低算法复杂度的基础上提出的。(2) 重量计算：为了减少对其他输入输出节点对的干扰量，我们根据通过连接传输的可能的流量需求路线来确定每个连接的关键度。L在这里被定义为连接的临界值。临界值 L= C（ L）No. 总需求PerLink=总数 路径（1）A. Alidadi，S.Arab和T.阿斯卡里ICT Express 8（2022）130132∑==根据对连接临界值的描述，可以说临界值越高的连接对于PCE在未来需求中的使用越可行。因此，所提出的算法旨在防止具有更高临界值的链接。这满足了第一个主题。此外，当网络拓扑结构发生变化时，连接的临界值也必须相应地提高。这将满足第三个主题，因为网络的大多数拓扑有时会变换。由于C（L）并不表示可用网络容量的活动方式，因此对于动态路由，它使用剩余连接带宽来表示网络链路的重量描述如下：1w（L）= C（ L）×R因为R是连接剩余带宽。（二）图二. PSLC算法PSLC算法使用以下步骤计算C（L），用于第一阶段中的每个链路(a) 列出所有可用的路线(b) 在第一阶段中，使所有路由通过网络，并具有1单位需求带宽。(c) 连接j的权重是连接上带宽的总体使用除以所有连接的全部使用的总和。每个连接的w（L）将在第二阶段计算。将选择最小干扰水平路线以选择满足第一主体的路线。路由P图三. 网络拓扑。w（p）所有链接都属于Pw（L）（3）[ 6 - 8 ]中给出的一个拓扑称为MIRA拓扑，它包含15个顶点，如图1所示。3 .第三章。 所有的连接都是双向的。网络包含两种不同的上述路由权重的总和证明了第三个复杂性降低的主题。一旦计算出连接权重，PSLC就移除LS中剩余带宽低于当前需求获得了网络的收缩拓扑然后我们使用最短路径算法，Dijkstra使用该技术在d和s之间选择一条路线。需求（s，d，B）通过在计算的路径上预订具有数量B的带宽来传输。剩余容量最终将被适当地更新。对于两条路线，相同的权重，PSLC首先选择最小跳数路由，使第二个主题得到满足。如果两条路连接：瘦连接具有12个单位的带宽，而粗链路具有48个单位的带宽（用于模拟OC-12和OC-48链路）。网络中顶点的子集作为输入输出对。MIRA拓扑中指定了四个输入输出对（1，13）、（5，9）、（4，2）和（5，15）。我们将把所有容量按100的比例进行模拟。Input–output routerpairs are selected arbitrarily for LSP installation demands, andLSP bandwidth demands are我们使用某些指标作为性能指标来评估各种技术。下面描述的第一个度量是呼叫阻塞率[11权值和最小跳数路由等价时，算法将选择剩余带宽最大的路由。的呼叫阻塞率被拒绝的请求数的请求（四）所提出的算法的一个重要特征是，它不仅注意到关键连接的重要性，而且注意到它们对于路由未来LSP安装需求的重要性的影响。 图 2显示了伪代码算法降低呼叫阻塞率是算法的一个重要目标。反过来，网络中接受的需求量将得到改善。第二个度量是平均长度，描述如下：i= NLSP4. 性能研究长度平均值1=NLSP∑i=1长度（LSPi）（5）为了验证我们提出的算法的效率，进行了广泛的PAYTON模拟拓扑其中LSPi表示NLSP的数量，LSP是接受的LSP的数量。长度（LSPi）是属于LSPi的连接的数量。A. Alidadi，S.Arab和T.阿斯卡里ICT Express 8（2022）130133N Pi∈ P图四、M I R A 拓 扑 中 的 仿真结果（a）呼叫阻塞率（b）平均路径长度（c）最大可用流量（d）CPU时间。平均最大流量是第三个指标。集合P的所有对之间的平均最大流被描述为最大可访问流，并且可以解释如下[7]。maxflowaverage=1Σmaxflow（i）（6）其 中 NP 与 集 合 P 要 认 识 到 ， 输 入 输 出 对 的 峰 值 流 量（maxflow）是输入输出对之间总带宽传输的最大限制。该测试显示了为进一步需求预订的现有容量。下一个参数称为CPU时间。CPU时间反映了算法的复杂度。测量每一轮所用的时间。该参数用于研究新方法的低复杂性。5. 仿真结果我们将所提出的方法与第2节中解释的BCRA，MIRA和MHA进行比较。所提出的方法是优于其他方法的性能研究方面的描述在第2节。图4（a）展示了呼叫阻塞的比率。呼叫阻塞率在这些数字中作为需求的函数。我们观察到，所有技术的呼叫阻塞率随着需求量的增加而系统性地上升。当需求量较低时，所有技术的效率都很接近，因为当负载不重时，大多数请求都可以被接受。这也适用于需求量很大的情况，因为网络过于拥挤，大部分需求被拒绝。图图4（b）示出了路由的平均长度，由于MHA算法对寻找最短路径给予最大优先级，因此它成功地在带宽约束下具有最低路径长度。我们的算法找到比但是接受更多请求的MHA算法。图图4（c）显示了五种方法的最大流。MHA和WSP的可扩展容量要小得多。这意味着对MHA和WSP的更多干扰。MIRA最大流量最大，但下降很快。建议的方法关闭MIRA方法，并确定关键连接，并为下一个需求节省容量。图4（d）显示了CPU时间。PSLC的CPU计算时间显著接近MHA方法，低于MIRA方法。这意味着PSLC与MIRA相比具有较小的计算复杂度，复杂度为O（n2+L）。仿真结果表明，我们提出的方法（PSLC）可以导致更好的结果，因此更好地整体利用网络资源的几个互联网应用。它也可以用于延迟敏感的进程，因为它选择最短且不拥塞的路由到达目标路由器。这些结果已经在各种各样的流量，网络拓扑结构和系统指标进行了研究。6. 结论提出了一种利用PCE节点数据进行带宽受限路由的新方法。基于本文定义的链路权重，选择满足最大数量的未来需求的链路。模拟的结果被用来检查新方法的有效性。我们发现PSLC与任何可用的方法相比都是最好的。我们介绍的方法不仅检查的重要性，关键连接，但也比较路由可行的LSP设置需求的重要性。仿真结果表明，该方法在平均阻塞率和平均CPU时间方面优于几种A. Alidadi，S.Arab和T.阿斯卡里ICT Express 8（2022）130134CRediT作者贡献声明Amir Alidadi：研究的概念和设计，数据采集，数据分析 和 / 或 解 释 ， 撰 写 - 原 始 草 案 ， 撰 写 - 审 查 编 辑 。Saeedreza Arab：数据采集、数据分析和/或解释、写作-原始草稿。Tayebeh Askari：数据采集、数据分析和/或解释、写作-原始草稿。竞合利益作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作确认批准拟出版的稿件版本引用[1] J.G. Andrews，S.布齐Choi，S.V. Hanly，A.洛萨诺足球俱乐部Soong等人，5G将是什么？IEEE J. Sel. Areas Commun. 32（2014）1065-1082。[2] Z. Shu，J. Wan，J. Lin，S. Wang，中国山杨D. Li，S. Rho等人，软 件 定 义 网 络 中 的 流 量 工 程 ： 测 量 和 管 理 ， IEEE Access 4（2016）3246-3256。[3] D. Awduche，A. Chiu，A.埃尔瓦利德岛Widjaja，X.肖，互联网流量工程的概述和原理，2002，RFC 3272。[4] R. Draves，J. Padhye，B. Zill，多无线电、多跳无线网状网络中的路由，在：第10届移动计算和网络年度国际会议论文集，2004年，pp.114-128[5] S.贾恩A.库马尔，S。Mandal，J. Ong，L. Poutievski，A.辛格等例如，B4：具有全球部署的软件定义WAN、ACMSIGCOMMComput的经验。Commun. Rev. 43（2013）3[6] H. Rifaeli，S. Mohammed，A. Mellouk，A brief synthesis of QoS-QoEmethods ， in ： 2011 10th InternationalSymposiumonProgramming and Systems，2011，pp.32比38[7] J. Wan ，D. 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