基于质量和成本双因素平衡的宽带互联网流量智能调度算法研究

杜武恭，吴永栋，马平顺

（中广宽带网络有限公司，北京 100000）

1 引言

除中国电信、中国移动、中国联通以外的宽带运营商，宽带互联网的高成本严重制约着宽带互联网业务的发展，全国范围内宽带降价提速活动的推进更是对有线宽带的互联网出口的带宽和质量提出了更高的要求。本文研究一种基于成本与质量平衡的智能调度算法，在保证网络质量的情况下推动宽带互联网的发展。

2 背景分析

因历史发展原因，中国电信、中国移动、中国联通以外的宽带运营商，通常需要建立宽带流量运营平台，在网内建设互联网CP内容CDN（Content Delivery Network），租用三大运营商的带宽出口资源，整合向宽带用户提供服务。因为不同运营商宽带或不同CP的价格和质量存在差异，无法做到既兼容宽带质量又能降低宽带运营成本。追求质量提升或者追求成本下降是两种不同的典型策略。

基于单一成本优先的策略，将高成本方向出口流量向低成本方向调度，相比于大量使用高成本出口，可以有效的降低出口成本。但该方法无法规避故障CP，影响用户体验。通过调度系统智能地对高成本出口和低成本出口进行调度能够在不降低用户体验的同时具有明显的成本优势，其价格要大幅度低于大量使用高成本出口，可以有效的降低出口成本。

基于单一质量优先的策略，通过对CP各链路进行TCPing评分为内网资源优先选择质量好的CP资源，并在该CP资源出故障时按评分顺延选择其他CP，智能规避故障CP，最大限度的保障了用户体验。但该方法无法智能优先选择质量好的低成本CP链路，增加出口成本。

因此需要一种方法或系统，动态调整CP链路调度之间的关系，解决内网、出网流量因为不同运营商宽带或不同CP价格和质量存在差异的降低成本提升质量来实现出口宽带调整的问题。

3 智能调度算法模型构建

3.1 智能调度评分模型

设每一条出口带宽资源的调度水平得分为yi，运营成本得分为xi1，服务质量得分为xi2，运营成本权重为a1，服务质量权重为a2，则调度水平总分为y表示为

其中，n为不同出口带宽资源的条数数量；xi1∈[0，100]；xi2∈[0，100]；a1∈[0，100%]；a2∈[0，100%]。

即，运营成本得分x1、服务质量得分x2均在0分至100分区间取值；而运营成本权重a1、服务质量权重a2在0%至100%之间取值，且满足运营质量权重和服务质量权重之和等于100%。

计算某一出口带宽对应的运营成本得分xi1的典型方法如下：该出口带宽价格和带宽历史最高价格进行归一法乘以100。

计算某一出口带宽对应的服务质量得分xi2的典型方如下：根据该出口带宽对应的资源线路的延迟、丢包、抖动情况，判断接收到的目标域名在每条资源线路的质量。

模型的计算过程如下：首先对服务质量、运营成本双因素进行赋权，然后进行成本评分，成本评分计算完毕之后，根据每条链路获取的资源IP和DNS server进行质量分的计算。

3.2 智能调度策略模型

基于不同的调度水平评分结果，建立智能调度策略模型。智能调度策略集C表示为C={c1，c2，……，cm}，m为自然数。

根据应用场景，智能调度策略分为单一成本调度策略、成本优先调度策略、成本-质量平衡调度策略（以下简称平衡策略）、质量优先调度策略、单一质量调度策略，以上策略分别定义为c1，c2，c3，c4，c5。

当运营成本权重a1取值为0时，即为不考虑成本、完全追求服务质量最高的单一质量调度策略c5。

当服务质量权重a2取值为0时，即为不考虑服务质量、完全追求运营成本最低的单一成本调度策略c1。

当运营成本权重a1、服务质量权重a2均在0%至100%之间，即为同时考虑服务质量和运营成本的综合策略。其中当a1明显大于a2时，表明选取了成本优先调度策略；当a2明显大于a1时，表明选取了质量优先调度策略。

3.3 智能调度典型策略模型赋值

典型智能调度策略分为三种，即：（1）成本优先调度策略c2；（2）成本-质量平衡调度策略c3；（3）质量优先调度策略c4。

成本优先调度策略c2：成本权重比较大，质量权重比较小。

质量优先调度策略c4：质量权重比较大，质量比较大。

成本-质量平衡调度策略c3：成本权重和质量权重接近。

下表是典型策略算法权重表：

3.4 智能调度策略选择

设每一条出口带宽资源的调度水平得分为yi，运营成本得分为xi1，服务质量得分为xi2，运营成本权重为a1，服务质量权重为a2，则调度水平总分为y。具体操作如下：

将运营商各条资源线路按归类为出口，直连，IX（Internet eXchange），然后配置各条资源目标IP（Internet Protocol）地址库和对应线路DNS（Domain Name System）服务器。

根据使用需求配置成本和质量策略的优先级确定a1、a2。

针对每条出口带宽对应的资源线路，分别计算成本得分xi1，针对该资源，探测接收到的目标域名在该资源线路的质量得分xi2。

计算每条出口带宽对应的资源线路，计算调度得分yi。

选择得分最高的max{yi，i=1，2，…，n}所对应的出口带宽资源线路进行转发调度。如果评分第一的线路断开，则自动选择评分第二的线路资源，如果线路仍然断开，则继续顺延，直到最后一条线路资源。

4 智能调度算法实证分析

通过在某地广电网络公司上线智能调度系统，并应用以上智能调度算法进行互联网流量调度。该广电网络公司宽度用户数为30～40万户，每万户使用互联网流量约为9 Gbps。智能调度系统所需部署4台硬件设备，其中包含2台智能DNS、1台探测分析服务器、1台调度管理服务器。智能调度系统上联接入交换机，接入交换机上联旁挂核心交换机。具体部署方式详见图1结果为图1所示。

图1 某地智能调度系统部署示意图

智能调度系统共上线1万宽带用户，分别配置了成本优先策略、质量优先策略，和平衡策略。本地localDNS将域名转发至智能DNS，系统设置好相关策略，筛选出出网域名最优调度策略。各策略对应的成本权重和质量权重详见本文表1，策略选择为平衡策略下选择最高分线路进行DNS转发调度；前端界面直观展示出域名调度策略和统计信息；最终实现流量从高成本往低成本出口疏导、应用质量提升。系统上线时间2个月内，高成本资源线路对应的流量消耗下降37%，用户满意度与上线之前持平，有效实现了用户服务质量和运营成本之间的平衡。结果如图2所示。

图2 某地智能调度算法应用仿真图

表1 不同策略下典型的成本及质量权重参考表 单位：%

5 结论

针对目前电信、移动、联通三大运营商以外的宽带流量运营，本文提出了一种智能调度算法，能够广泛应用于宽带运营商的流量运营，可以有效平衡用户服务质量和企业运营成本，具有明显的经济效益和社会效益。在对运营成本和服务质量进行权重赋值基础上，分别对当前使用的每一条出口带宽资源的运营成本以及服务质量进行评分，从而得出当前使用的没有出口带宽资源的调度分，对每条出口带宽资源的调度分进行排序比较，优先选择得分高的出口带宽资源进行资源调度，并向宽带用户提供服务，能够在进行出网域名调度时，基于提前选定的评分策略，综合成本和质量筛选出最优调度策略进行DNS转发调度，对出网域名的调度都能够平衡成本和质量。能够有效地将高成本方向出口流量向低成本方向调度，相比于大量使用高成本出口，通过调度智能地对高成本出口和低成本出口进行调度能够在不降低用户体验的同时具有明显的成本优势，其价格要大幅度低于大量使用高成本出口，可以有效的降低出口成本。