淺說網(wǎng)絡概率的負載均衡算法
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1.基于概率的路由準入
目前，門限準則模糊了所有負載描述值低于門限的節(jié)點之間的差別，也模糊了所有負載描述值高于門限的節(jié)點之間的差別，這勢必對負載均衡的效果產(chǎn)生不利的影響。負載均衡中的路由準入算法大部分基于門限準則來實現(xiàn)。門限準則通過設置一個門限值來判斷路由準入，低于(或高于)門限值則準入(或禁止)路由。但是可相比基于門限的路由準入機制，基于概率的算法并不直接決定是否準入路由，而是綜合各種信息得到一個準入的概率，節(jié)點以這個概率進行路由準入。節(jié)點B、C和D都收到了來自源節(jié)點A的路由請求，在t1時刻節(jié)點B、C和D的負載描述值分別為8，10和12。如果門限值為7，那么三個節(jié)點的負載都高于門限值，則此門限值的設定就無法區(qū)別出節(jié)點B、C和D之間的負載差異；同樣，在t2時刻B、C、D3個節(jié)點的負載描述值分別為4、6、8時，如果門限值為10，那么此門限值也無法區(qū)別出3個節(jié)點之間的差異，而實際上3個節(jié)點的負載有較大的差異。概率算法針對不同的負載描述值得到不同的路由準入概率。例如對于負載描述值8、10和12，概率算法分別給予80%、60%和30%的準入概率，那么B、C和D三個節(jié)點路由準入的結果必然不同，節(jié)點D轉發(fā)RREQ將多于其它兩個節(jié)點?；诟怕实乃惴軌驕蚀_區(qū)別節(jié)點之間的負載差異，對不同負載予不同的策略。對于一個既定的負載量，要求得到一個對應的準入概率。如果把給定的負載量L作為自變量，而對應的準入概率P作為函數(shù)值，那么就可以確定負載量和準入概率之間的函數(shù)對應關系：PF(L)其中P是準入概率，L是節(jié)點的負載量，F(xiàn)是概率函數(shù)。給定一個負載L就可以通過上式算出路由準入的概率P。概率函數(shù)F可以用多條曲線來擬合，理論上講，只要是單調下降的函數(shù)曲線都合適，使大的負載描述值對應小的準入概率(負載描述值越大，負載越重)，但是不同曲線對應不同的協(xié)議性能。
2.基于歷史信息的負載映射
在一定的網(wǎng)絡區(qū)域內(nèi)，以節(jié)點隨機移動為例，理論上經(jīng)過足夠長的時間，節(jié)點會遍歷網(wǎng)絡，經(jīng)歷網(wǎng)絡的各種負載狀態(tài)，我們稱之為節(jié)點的網(wǎng)絡各態(tài)歷經(jīng)性。也就是在經(jīng)過足夠的時間后，節(jié)點能夠掌握足夠豐富的網(wǎng)絡負載信息，而這些信息與當前時刻其他節(jié)點的負載高度相關。節(jié)點之間沒有任何的負載信息交互。因此節(jié)點對網(wǎng)絡狀態(tài)感知的準確性就成為負載均衡的關鍵之一。基于歷史信息的負載映射利用節(jié)點的歷史負載信息來映射網(wǎng)絡的負載狀態(tài)，為節(jié)點的路由準入提供有效的參考。研究發(fā)現(xiàn)節(jié)點負載強度與節(jié)點在網(wǎng)絡中的位置有很大的關系，當節(jié)點處在網(wǎng)絡的中心區(qū)域時，由于經(jīng)過的路由數(shù)比較多，所以節(jié)點負載一般較高；相反，當節(jié)點處在網(wǎng)絡邊緣時，負載較低。又由于節(jié)點的移動，節(jié)點在網(wǎng)絡中的位置不斷發(fā)生變化，從而節(jié)點的負載狀態(tài)也在不斷改變。所以，節(jié)點在歷經(jīng)各種網(wǎng)絡負載狀態(tài)時，記錄下相應時刻的負載描述值，作為路由準入時的橫向比較參考，使路由準入更準確。四個相隔不遠時刻的網(wǎng)絡拓撲，圖中著色的節(jié)點為同一個節(jié)點A。從圖中可以看到，從t1時刻到t4時刻這段時間內(nèi)，節(jié)點A由網(wǎng)絡的中心運動到了網(wǎng)絡的邊緣(其它節(jié)點也會移動，只是我們并不關心)，而節(jié)點移動之后的位置被其它節(jié)點取代。2(b)中的t2時刻，節(jié)點B運動到了節(jié)點A在t1時刻的位置，其它幾個圖同理。節(jié)點在網(wǎng)絡中位置的變化導致節(jié)點的負載狀態(tài)改變，在t1、t2、t3、t4四個時刻，節(jié)點A的負載描述值分別為9、7、5和3，可見節(jié)點的負載在逐漸降低。而在這個過程中，節(jié)點不斷記錄負載信息，包括變化過程中負載的最大值、最小值以及整個過程中的負載平均值等。節(jié)點A記錄的負載最大值是t1時刻，其負載描述值為9，負載的最小值是在t4時刻，其負載描述值為3，整個過程負載的平均值為（9+7+5+3）/4=6。節(jié)點利用這些歷史負載信息來映射網(wǎng)絡的負載狀態(tài)。比如節(jié)點記錄的歷史最大負載描述值為9，那么很可能此時網(wǎng)絡中的其它某個節(jié)點的負載值為9。通過當前的負載值與歷史負載值比較，節(jié)點很容易判斷出自己的負載輕重，從而決定是否準入路由，達到負載均衡的目的。
3.H&P算法
能夠描述網(wǎng)絡負載的表征量有很多，主要的有時延、信道占用時間、路由數(shù)和緩沖區(qū)隊列長度等。時延表征量是選擇一條時延最短的路徑；信道占用時間是以節(jié)點感知到的信道被占用的時間作為負載的度量；路由數(shù)是以經(jīng)過節(jié)點的路由數(shù)目作為負載的度量；緩沖區(qū)隊列長度是以節(jié)點接口隊列緩沖區(qū)長度作為負載度量。不同的表征量各有特點，操作也不相同。時延和路由數(shù)表征量需要在節(jié)點之間交換表征量信息，增加了額外開銷，且對負載的描述不全面；信道占用時間是一個有效的負載度量，但是需要MAC協(xié)議支持，即需要跨層設計，這增加了協(xié)議的復雜性，也破壞了負載均衡算法與協(xié)議的松散耦合；緩沖區(qū)隊列長度對負載的描述簡單有效，而且具有獨立分布式運算、易于操作等特點。所以在H&P_DSR協(xié)議中選擇緩沖區(qū)隊列長度作為負載表征量。規(guī)則二：負載信息的學習與搜集。H&P算法中對網(wǎng)絡負載狀態(tài)的判讀依賴節(jié)點運行時搜集的信息。節(jié)點搜集到的負載信息越多，對網(wǎng)絡負載的分布情況判斷越準確，負載均衡的效果就越好。由于開始時節(jié)點沒有搜集到足夠的負載信息，所以前幾個周期并不進行路由準入的判斷，而是正常路由，只對網(wǎng)絡的負載情況進行采樣和記錄，其中包括節(jié)點運行過程中負載表增量的最大值(記為MaxL)、最小值(記為MinL)以及平均值記為AveL)?？梢造`活的設置路由準入介入的時間，理論上此時間越長節(jié)點搜集到的信息越豐富，路由準入判斷越準確。實際中可根據(jù)具體的應用來設計，其與節(jié)點的移動速度、通信距離等有關。在當前仿真場景下，在2000*2000m2范圍內(nèi)的區(qū)域內(nèi)，節(jié)點的平均速度為20m/s，通信距離為400m，理論上節(jié)點從網(wǎng)絡邊緣進入到中心所用的時間大約30s。
可據(jù)此來設計路由準入介入的時間設置為30s，其他應用場景亦可據(jù)此計算。規(guī)則三：概率函數(shù)的設計。選用最常用和直觀的直線來擬合概率函數(shù)。設直線函數(shù)為：PF(L)*其中和是未知的常數(shù)。那么，根據(jù)規(guī)則二中節(jié)點記錄的歷史負載信息，應該是大的負載對應小的準入概率，而小的負載對應大的準入概率。最小的負載為MinL，對應最大的準入概率為MaxP，則得到一個坐標點A(MinL，MaxP)，同理，最大的負載為MaxL，最小的準入概率為MinP，得到另一個坐標點B(MaxL，MinP)。把已知的坐標點A和B代入直線函數(shù)中，得到方程組：MaxMinMinMaxPLPL解此方程組可得：MinMaxMinMinMaxMinMaxMinMinMaxLLLPPPLLPP*(4)代入直線函數(shù)中，則可得到負載量和準入概率的映射函數(shù)：MinMaxMinMinMaxMinMaxMinMinMaxLLLPPLPLLPPPF(L)當節(jié)點收到路由申請的時候，可通過上式代入負載描述值而得到路由準入的概率，進而決定是否接受此路由。公式中，MaxP和MinP是可調參數(shù)，其設置的原則是首先應保證路由的正常建立，在此基礎上優(yōu)化路由選擇，降低冗余。要始終使輕載節(jié)點有較高的準入概率，而重載節(jié)點準入概率較小。MaxP限定了節(jié)點所能獲得的最大準入概率，不能太小，否則即使輕載節(jié)點也會拒絕路由申請而使路由建立失敗，導致源節(jié)點發(fā)送新的路由請求，反而增加了網(wǎng)絡開銷。MinP決定了節(jié)點的最低準入概率，節(jié)點至少以此概率準入路由申請。當網(wǎng)絡密度較小時，由于轉發(fā)路由申請的節(jié)點較少，為保證路由的建立，應提高的值，保證一定數(shù)量的路由申請成功。當網(wǎng)絡密度較大時，節(jié)點的一跳鄰居較多，為有效區(qū)別開不同負載節(jié)點之間的差異，使不同負載對應不同的準入概率，應該用較小的。這樣各概率能夠區(qū)別地分布在概率區(qū)間內(nèi)，概率算法能過濾掉重載路由而篩選出輕載路由。所以，MaxP應該設置為一個較大的數(shù)值，而應該根據(jù)網(wǎng)絡密度進行調整，網(wǎng)絡密度較大的環(huán)境中設置較小的值，反之應設置較大。在當前的網(wǎng)絡仿真場景中，可近似得節(jié)點的平均鄰居數(shù)為4，節(jié)點的平均準入概率如果為50%，則可保證至少有兩個節(jié)點準入路由，保證了路由的建立，同時有一條備份路徑，冗余控制在可接受的范圍內(nèi)。據(jù)此，協(xié)議中設置90%MaxP，20%MinP。節(jié)點根據(jù)當前的負載描述值，通過式可以得到路由準入的概率。
作者：王華東 侯燕 王鳳春 單位：周口師范學院計算