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《計算機(jī)學(xué)報》2016年第一期

摘要

隨著多種多樣新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的路由配置模式越來越難以適應(yīng)用戶多樣化的數(shù)據(jù)通信需求．因此，需要依據(jù)用戶對不同類型應(yīng)用差異化的通信需求，在數(shù)據(jù)分組的傳輸路徑上配置合適的路由功能，自適應(yīng)地合成滿足分組傳輸特性的路由服務(wù)，改善用戶體驗．根據(jù)由大數(shù)據(jù)帶來的數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系新范式，文中試圖從大量的應(yīng)用通信流狀態(tài)數(shù)據(jù)中，分析和獲取用戶體驗與路由服務(wù)各屬性之間的依賴關(guān)系，促進(jìn)高效地實(shí)現(xiàn)路由服務(wù)的定制化．鑒于此，文中提出了大數(shù)據(jù)驅(qū)動的自適應(yīng)路由服務(wù)定制機(jī)制（BigdatadrivenAdaptiveRoutingserviceCustomizationscheme，BARC），以網(wǎng)內(nèi)大量流狀態(tài)數(shù)據(jù)為驅(qū)動，建立了用戶需求屬性模型，挖掘用戶體驗對路由需求的依賴關(guān)系，獲得候選路由功能集合；考慮商業(yè)化運(yùn)營模式下用戶和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商之間的利益關(guān)系，提出了雙方利益共贏的博弈策略，獲得符合雙方利益的最佳路由服務(wù)定制化方案．仿真實(shí)現(xiàn)和性能評價表明，文中提出的大數(shù)據(jù)驅(qū)動的自適應(yīng)路由服務(wù)定制機(jī)制是可行和有效的．

關(guān)鍵詞

路由服務(wù)；自適應(yīng)；定制化；大數(shù)據(jù)；共贏；博弈

1引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大量涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的路由配置模式越來越難以滿足多樣化應(yīng)用的通信請求，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商（InternetServiceProvider，ISP）需要在應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信路徑上自適應(yīng)地配置合適的路由功能（如帶寬分配、差錯控制、隊列管理等），合成滿足其分組傳輸特性的路由服務(wù)．例如，郵件應(yīng)用的分組傳輸只需要路徑計算和差錯重傳功能，可視電話則需要帶寬分配、流量整形和可靠性保證等較復(fù)雜的路由功能來滿足其服務(wù)質(zhì)量（QualityofService，QoS）［1］需求．而且，隨著網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量的大規(guī)模增長，用戶個體之間的差異也會導(dǎo)致對應(yīng)用的通信需求更加紛繁復(fù)雜［2］．因此，ISP面臨著如何準(zhǔn)確且高效地分析用戶對不同類型應(yīng)用的通信需求，并以此自適應(yīng)地定制路由服務(wù)，從而優(yōu)化用戶服務(wù)體驗的問題．由于大多數(shù)用戶并不具備所需的專業(yè)知識來準(zhǔn)確地描述其對路由服務(wù)的需求，通常只能以模糊的需求來表述，例如響應(yīng)速度快、畫面比較清晰、安全性高等，但這些需求往往難以被ISP識別并作為組裝用戶所需路由服務(wù)的依據(jù)，因此需要能把用戶的模糊需求映射為ISP使用的準(zhǔn)確信息機(jī)制．另外，用戶對某類應(yīng)用的通信需求往往是多方面的，而每方面的需求對用戶服務(wù)體驗的影響程度不同，因此如何有效且快速地分析用戶體驗對不同需求的依賴情況，也是ISP實(shí)現(xiàn)路由服務(wù)定制化的關(guān)鍵．

越來越多的用戶通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)行愈加頻繁的通信活動，網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用之間通信流的數(shù)量大規(guī)模增長，使ISP所維護(hù)的流狀態(tài)相關(guān)信息呈現(xiàn)出大數(shù)據(jù)特征［3］．多種多樣類型的應(yīng)用對通信質(zhì)量差異化的路由請求，不同類型應(yīng)用（如郵件、IP電話、視頻點(diǎn)播等）在傳輸過程中相關(guān)參數(shù)的實(shí)時值、變化量及用戶體驗變化情況等的數(shù)據(jù)，均在爆炸式增長，例如，僅阿里巴巴郵件服務(wù)系統(tǒng)每小時就要產(chǎn)生30～50G的服務(wù)跟蹤日志［4］，呈現(xiàn)出大數(shù)據(jù)的海量化（Volume）特征；不同用戶的通信需求有很大差異，不僅導(dǎo)致通信過程中不同參數(shù)的重要程度以及參數(shù)設(shè)置、組合和調(diào)整方式更加復(fù)雜，而且用戶需求和通信流狀態(tài)的描述及存儲方式也變得更加豐富多樣，例如，不僅可以按二維表形式的結(jié)構(gòu)化模式，還可以按文檔、示例圖片和示例視頻等非結(jié)構(gòu)化的模式進(jìn)行描述及存儲，呈現(xiàn)出大數(shù)據(jù)的多樣化（Variety）特征；大量新接入的通信流、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化和用戶需求的調(diào)整，都會引起流的狀態(tài)數(shù)據(jù)快速、動態(tài)變化，特別是對時間敏感型應(yīng)用，ISP需要依據(jù)流的狀態(tài)變化情況快速地做出響應(yīng)，進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，例如，網(wǎng)絡(luò)通話類應(yīng)用對抖動的敏感性達(dá)到毫秒級［5］，呈現(xiàn)出大數(shù)據(jù)的快速化（Velocity）特征；等等．近年來，互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用之間的流通信量呈爆炸式增長，預(yù)計到2016年視頻流類型的通信量將會占到互聯(lián)網(wǎng)總通信流量的86％［6］．這給傳統(tǒng)的路由配置模型帶來了巨大的挑戰(zhàn)，例如，更加復(fù)雜的路由決策優(yōu)化、成本控制優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化等NP難問題［6］．然而，指數(shù)級增長的全網(wǎng)流狀態(tài)數(shù)據(jù)給設(shè)計以用戶服務(wù)體驗為中心的路由服務(wù)帶來新的機(jī)遇，以大量流狀態(tài)信息及用戶的體驗反饋數(shù)據(jù)為驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)ISP自適應(yīng)路由服務(wù)的定制化．

一些研究結(jié)果也表明，可以有效利用從網(wǎng)內(nèi)大數(shù)據(jù)中獲取的數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，促進(jìn)更高效地分配網(wǎng)內(nèi)資源和最大化收益［7－8］．因此，網(wǎng)絡(luò)中流狀態(tài)信息數(shù)據(jù)已經(jīng)成為一種新型的網(wǎng)絡(luò)資源［9］，可以從中獲取用戶對不同類型應(yīng)用的通信需求集合，挖掘用戶體驗對各項需求的內(nèi)在依賴關(guān)系等有價值的信息［10］，促進(jìn)路由服務(wù)定制決策的準(zhǔn)確性和自適應(yīng)能力．考慮到在商業(yè)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營模式下，對于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，ISP選擇不同的路由功能來合成不同特性的路由服務(wù)，其所付出的成本（如時間、費(fèi)用）以及用戶獲得的服務(wù)體驗也有很大差異，因此，用戶和ISP雙方利益的共贏問題［11］也應(yīng)該是定制路由服務(wù)時需要關(guān)注的．本文提出大數(shù)據(jù)驅(qū)動的自適應(yīng)路由服務(wù)定制機(jī)制．該機(jī)制以用戶的服務(wù)體驗為核心，利用網(wǎng)絡(luò)中各類型應(yīng)用的大量通信流狀態(tài)數(shù)據(jù)為驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)路由服務(wù)的定制化目標(biāo)，主要貢獻(xiàn)如下：（1）提出了大數(shù)據(jù)驅(qū)動的用戶需求屬性分析模型，用來識別并標(biāo)準(zhǔn)化用戶對不同類型應(yīng)用的通信需求；（2）提出了大數(shù)據(jù)驅(qū)動的用戶體驗與各項需求的依賴關(guān)系模型，作為ISP選擇合適候選路由功能和實(shí)時調(diào)整用戶體驗的依據(jù)；（3）提出了用戶和ISP對路由服務(wù)的偏好評估方案，作為雙方選擇滿意的服務(wù)組裝和定價策略的依據(jù)；（4）提出了使用戶和ISP利益均衡的博弈策略，實(shí)現(xiàn)定制使雙方利益達(dá)到共贏的路由服務(wù)的目標(biāo)．

2相關(guān)工作

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中多樣化的路由功能為ISP合成具有不同特性的路由服務(wù)提供了支持和便利，促進(jìn)了許多融合自適應(yīng)思想的路由服務(wù)配置方案的提出．文獻(xiàn)［12］考慮了內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議和QoS感知策略來配置路由元素，提出了一種基于策略的QoS自適應(yīng)路由決策；文獻(xiàn)［13］提出了一個自適應(yīng)的路由功能組裝框架—網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)，通過動態(tài)地組合分布式路由功能組件，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化和更靈活的網(wǎng)絡(luò)效用管理；文獻(xiàn)［14］利用可重構(gòu)的服務(wù)組件，提出了一種組合決策流程來實(shí)現(xiàn)以QoS為驅(qū)動的服務(wù)合成，并與多目標(biāo)進(jìn)化算法相結(jié)合，提高組裝效率；文獻(xiàn)［15］通過接納控制和端到端帶寬預(yù)留，提出了一種自適應(yīng)帶寬重配置的QoS框架，以保證端到端每條流的QoS；文獻(xiàn)［16］提出了一種基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)工作流管理器的機(jī)制，可以利用不同的設(shè)備平臺為用戶配置一套滿足其QoS需求的工作流．然而，以上研究主要還是從改善網(wǎng)絡(luò)性能的角度自適應(yīng)地配置路由，并沒有從用戶需求的角度進(jìn)行考慮，因此難以實(shí)現(xiàn)針對不同用戶差異化的需求來定制路由服務(wù)的目標(biāo)．本文提出的機(jī)制不僅考慮了定制化目標(biāo)，而且利用網(wǎng)內(nèi)大量通信流狀態(tài)與用戶體驗之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，優(yōu)化路由服務(wù)配置條件，規(guī)劃路由服務(wù)設(shè)計方案．

當(dāng)前也有一些關(guān)注用戶需求，對服務(wù)進(jìn)行定制化的研究工作．文獻(xiàn)［17］提出了一個特征模型，依據(jù)高層抽象出的用戶需求，實(shí)現(xiàn)原子網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的定制；文獻(xiàn)［18］針對用戶多樣化需求問題，利用模塊化的細(xì)粒度程序組件，提出一種基于粒度計算的多用戶服務(wù)定制方案；文獻(xiàn)［19］考慮用戶傾向，借鑒基于屬性的訪問控制方法，提出一種用戶服務(wù)定制模型；文獻(xiàn)［20］基于用戶偏好和用戶決策策略，設(shè)計了一種以非功能性需求為依據(jù)的服務(wù)選擇系統(tǒng)；文獻(xiàn)［21］提出了一種上下文感知型可信云服務(wù)選擇模型，能夠有效地反映潛在用戶的定制化需求．雖然以上工作從用戶角度進(jìn)行了服務(wù)的定制化，但沒有考慮其端到端通信中的路由需求問題．本文的機(jī)制針對用戶的路由需求，進(jìn)行路由服務(wù)定制化，從而保證用戶的服務(wù)體驗，并考慮了網(wǎng)內(nèi)大數(shù)據(jù)來優(yōu)化定制方案．以上工作都沒有考慮用戶和ISP之間的利益關(guān)系．目前也有一些研究工作考慮了雙方利益．文獻(xiàn)［22］提出了效用感知型邊緣路由選擇機(jī)制，支持端用戶和ISP進(jìn)行協(xié)作式域內(nèi)路由；文獻(xiàn)［23］提出了一種路由帶寬分配和定價模型，用來使用戶和ISP在雙贏的合作環(huán)境中盡量提高各自收益；文獻(xiàn)［24］提出了一種改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)收費(fèi)方案，目的是使ISP為用戶提供更好的QoS服務(wù)并最大化自身利潤；文獻(xiàn)［25］考慮了用戶的QoS需求和ISP的約束條件，提出了一個域間路由算法進(jìn)行端到端專有路徑規(guī)劃．本文提出的機(jī)制不僅關(guān)注用戶和ISP的收益問題，而且通過提出的利益均衡策略支持雙方的共贏．

3系統(tǒng)框架

基于SDN控制平面和數(shù)據(jù)平面分離的設(shè)計理念［26］，本文提出大數(shù)據(jù)驅(qū)動的自適應(yīng)路由服務(wù)定制框架，如圖1所示．控制平面作為定制路由服務(wù)的邏輯決策中心，其內(nèi)部每個構(gòu)件運(yùn)行各自的方案，輸出相關(guān)結(jié)果作為下一個構(gòu)件的輸入信息，最終獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下能夠最佳滿足用戶和ISP利益的路由服務(wù)定制方案．?dāng)?shù)據(jù)平面不具備獨(dú)立決策能力，只能根據(jù)控制平面的決策進(jìn)行路由功能組裝．控制平面是整個框架模型的決策中心，內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分為模型分發(fā)層和服務(wù)定制層．其中，模型分發(fā)層從宏觀角度出發(fā)，流狀態(tài)信息數(shù)據(jù)構(gòu)件負(fù)責(zé)獲取和統(tǒng)計ISP所維護(hù)的大量各類型流傳輸時的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)（如用戶對各類應(yīng)用通信流的需求、流各相關(guān)參數(shù)的實(shí)時值、變化量及用戶的體驗反饋），并依據(jù)大量數(shù)據(jù)樣本生成用戶需求領(lǐng)域知識和用戶體驗對各項需求的依賴關(guān)系．需求領(lǐng)域知識包含用戶對路由服務(wù)所有可能的需求信息，通過用戶需求屬性分析構(gòu)件，對需求信息進(jìn)行多維度和多粒度劃分，生成用戶的需求屬性模型，來描述用戶的通用性和可變性需求屬性，從而為準(zhǔn)確地識別和映射用戶需求提供參照．用戶體驗對各項需求的依賴關(guān)系是指流的各項需求參數(shù)對用戶體驗的影響程度．服務(wù)組裝和定價構(gòu)件提供多套組裝和定價策略，用于對候選功能進(jìn)行服務(wù)組裝和定價．服務(wù)評估構(gòu)件根據(jù)用戶和ISP各自利益需求，分別為雙方提供偏好評估模型，用于進(jìn)一步均衡博弈．

基于模型分發(fā)層的整體規(guī)劃，服務(wù)定制層從微觀角度具體地為每一個用戶的應(yīng)用通信請求定制路由服務(wù)．體驗—需求依賴性分析構(gòu)件對獲取的用戶需求進(jìn)行分析處理，獲取可實(shí)現(xiàn)各項需求的候選路由功能集合．博弈策略構(gòu)件以用戶和ISP之間的利益均衡為目標(biāo)，獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下最佳滿足雙方利益的路由服務(wù)定制策略．?dāng)?shù)據(jù)平面不具備分析和決策的能力，只需要根據(jù)控制平面既定的路由服務(wù)定制方案，在應(yīng)用的通信路徑上配置路由功能，合成路由服務(wù)．路由服務(wù)定制化流程描述如下：（1）ISP接收用戶對某類應(yīng)用的通信需求；（2）對接收的用戶需求依據(jù)需求屬性模型進(jìn)行映射，獲得可被ISP識別的需求集合；（3）對此需求集合利用體驗—需求關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行分析，經(jīng)過體驗—需求依賴性分析構(gòu)件獲得用戶體驗對各項需求的依賴程度；（4）依據(jù)上述結(jié)果選擇可滿足上述需求的候選路由功能；（5）依據(jù)服務(wù)組裝和定價構(gòu)件獲得組裝和定價策略對；（6）根據(jù)與策略對相應(yīng)的多套服務(wù)和價格組合，依據(jù)偏好評估模型分別得到用戶和ISP對各服務(wù)和價格組合的偏好程度；（7）依據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)，資源充足時利用納什均衡博弈，資源不足時利用混合式策略博弈，獲得最佳路由服務(wù)定制方案．

4路由服務(wù)需求分析模型

依據(jù)大量用戶對不同類型應(yīng)用的通信請求，獲取用戶對各類型應(yīng)用通信的需求領(lǐng)域知識，即所有可能影響用戶體驗的需求集合．同時，面對大量不同類型應(yīng)用的通信流，傳輸過程中各流的狀態(tài)由其各項參數(shù)的實(shí)時值、變化量以及由此引起的用戶體驗變化數(shù)據(jù)表示．在大量的通信請求數(shù)據(jù)和不同類型流的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理過程中，主要特點(diǎn)是并發(fā)數(shù)非常高、數(shù)據(jù)量非常大以及數(shù)據(jù)的產(chǎn)生速度非常快．而且，用戶對各類通信的需求也呈現(xiàn)出多維化特點(diǎn)，比如，地理因素、心理因素和行為因素等都是影響用戶體驗的關(guān)鍵；另外，對于不同類型的通信流，各項需求參數(shù)的重要程度也有差別，比如，通話類應(yīng)用對延遲和抖動敏感，而郵件類應(yīng)用對出錯率敏感．因此，需要大數(shù)據(jù)相關(guān)采集及預(yù)處理技術(shù)，能夠高效采集海量數(shù)據(jù)，具備高擴(kuò)展能力，并且能夠?qū)Χ鄻踊男枨蠹皡?shù)進(jìn)行多維度分類和歸并，從而獲得大量不同類型應(yīng)用的通信需求和通信流的狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本，進(jìn)而驅(qū)動需求屬性的分析和體驗—需求依賴關(guān)系的挖掘．比如，基于批處理技術(shù)的Hadoop［27］，其分布式文件系統(tǒng)可用于對請求和流狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及存儲，其數(shù)據(jù)并行處理模型可用于對不同類型請求和流狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分、合并及排序操作．

4．1用戶需求屬性分析需求屬性分析是指，由用戶對不同類型應(yīng)用差異化的通信需求數(shù)據(jù)，通過軟件產(chǎn)品線［28］的屬性分析方法，對所有可能影響用戶體驗的需求進(jìn)行分析和歸并，組織形成用戶需求屬性模型［29－30］．然而，面對海量通信請求所涉及的需求數(shù)據(jù)，不僅需要對不同類型的請求進(jìn)行特征分類，進(jìn)而歸納不同類型應(yīng)用的通用性和可變性通信需求，還需要面向用戶的多維度（地理、心理、行為等）需求特性，進(jìn)行更全面的需求屬性分析，構(gòu)建更細(xì)粒度的用戶需求屬性模型．顯然，以結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)模型（如二維表）來描述用戶的需求屬性不僅難以涵蓋上述如此眾多的信息，而且無法從多粒度、多維度、可視化及易匹配的角度表現(xiàn)出面向不同用戶請求和針對不同類型應(yīng)用時模型的可變性與自適應(yīng)選擇性．因此，以大數(shù)據(jù)相關(guān)分析技術(shù)（如分類分析與統(tǒng)計分析）和半結(jié)構(gòu)化（如樹狀結(jié)構(gòu)）、非結(jié)構(gòu)化（如多維關(guān)聯(lián)型圖）數(shù)據(jù)模型，結(jié)合軟件產(chǎn)品線屬性描述方法，驅(qū)動用戶需求屬性模型的構(gòu)建．以應(yīng)用的通信類型為特征對請求進(jìn)行分類分析，對大量某類型的請求所攜帶的需求信息進(jìn)行統(tǒng)計，獲取用戶對此類應(yīng)用通信的通用性需求和可變性需求．其中，通用性需求是指用戶使用某類應(yīng)用進(jìn)行通信時的普遍需求，例如，所有支持語音通話類應(yīng)用的服務(wù)都需要交互屬性，所有支持視頻直播類應(yīng)用的服務(wù)都需要音頻與視頻的同步屬性．可變性需求是指用戶可主動選擇的屬性，從較小粒度的屬性，如用戶對服務(wù)的響應(yīng)時間的容忍程度選擇，到較大粒度的屬性，如用戶對服務(wù)等級的不同需求等．本文中可變屬性分為二選一屬性和多選屬性，比如路由服務(wù)的連接屬性是二選一屬性，要么是面向連接的，要么是無連接的；QoS屬性則是多選屬性，因為根據(jù)不同類型的應(yīng)用，用戶對帶寬、抖動、延遲、出錯率等參數(shù)的需求，可以是多個，也可以是單個，因此面向被選擇的需求參數(shù)，調(diào)用能夠調(diào)整相應(yīng)參數(shù)的路由功能．可變性需求是用戶個性化路由服務(wù)定制的基礎(chǔ)，以大量通信需求數(shù)據(jù)為驅(qū)動，創(chuàng)建需求屬性數(shù)據(jù)模型，從而依據(jù)不同用戶對不同類型應(yīng)用的差異化通信請求，系統(tǒng)自適應(yīng)地為其請求匹配各項合適的可選需求．其中，各項需求屬性的多粒度特性由樹狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行刻畫；用戶在多維度下不同狀態(tài)時的獨(dú)特需求由多維關(guān)聯(lián)圖形式進(jìn)行刻畫．本文提出的用戶需求屬性模型如圖2所示，并假設(shè)用戶的3個維度：地理因素（如所在位置：家里、商場、車?yán)锏龋⑿睦硪蛩兀ㄈ缬崎e、愉悅、焦急等）和行為因素（如散步、跑步、乘車等），用戶在各維度不同狀態(tài)時，系統(tǒng)為其匹配的各項需求屬性不同；樹狀模型上多粒度地列舉了連接性、交互性、QoS、服務(wù)等級（GradeofService，GoS）、彈性質(zhì)量（QualityofResilience，QoR）等需求屬性．其中，GoS［31］是指對不同類型的應(yīng)用，用戶所需的服務(wù)等級有差別，例如，差異化的服務(wù)等級意味著連接建立延遲、端到端阻塞概率等參數(shù)的差異．QoR［32］是指服務(wù)的故障恢復(fù)能力，例如，對可選擇的恢復(fù)層次，從底層恢復(fù)，恢復(fù)速度快但花費(fèi)高，從高層恢復(fù)，恢復(fù)速度慢但花費(fèi)低；又如，對備用資源，專用資源使得恢復(fù)速度快但花費(fèi)高，共享資源使得恢復(fù)速度慢但健壯性高．

4．2體驗—需求依賴性分析ISP提供路由服務(wù)，支持用戶通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用（如郵件、網(wǎng)絡(luò)通話、視頻點(diǎn)播等）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，記錄各類型應(yīng)用通信流的流狀態(tài)數(shù)據(jù)，并獲取用戶對服務(wù)的主觀感受，即用戶服務(wù)體驗．用戶的服務(wù)體驗受到多項需求參數(shù)的影響，對于不同類型應(yīng)用的通信，各項需求參數(shù)對用戶體驗的影響程度有很大差別［5］．面向大量不同類型應(yīng)用通信流的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以大數(shù)據(jù)相關(guān)處理技術(shù)（如MapReduce）進(jìn)行分類分析及歸并，獲取大量流狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本（包含其各項需求參數(shù)的實(shí)時值、變化量以及用戶反饋）．基于上述大量不同類型流的狀態(tài)數(shù)據(jù)，本文對用戶體驗和各項需求參數(shù)之間的數(shù)據(jù)關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，并提出了兩者間依賴性關(guān)系挖掘方案，進(jìn)而驅(qū)動生成體驗對需求參數(shù)的依賴性關(guān)系分布模型，為路由功能的自適應(yīng)選擇提供依據(jù)．假設(shè)對于某類應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信，影響用戶體驗的需求參數(shù)集合為SR＝｛SR1，…，SRl｝，各參數(shù)在各自值域的不同取值點(diǎn)被調(diào)整時，對用戶體驗的影響程度也不同，例如，對于彈性類型應(yīng)用，其帶寬參數(shù)值與服務(wù)效用關(guān)系曲線［33］如圖3所示．當(dāng)帶寬值為bn時，對分配的帶寬做小范圍調(diào)整，對服務(wù)效用的影響不明顯；當(dāng)帶寬值為bi或bj時，對帶寬做同樣范圍調(diào)整，則能明顯影響服務(wù)效用，而且，在bi處調(diào)整對用戶體驗的影響高于在bj處．因此，調(diào)整同樣大小的帶寬量，服務(wù)效用對這3個取值點(diǎn)的依賴關(guān)系（被影響的程度）由大到小依次為bi、bj和bn．本文提出以流狀態(tài)大數(shù)據(jù)為驅(qū)動，挖掘體驗對每個需求參數(shù)取值區(qū)間中各取值點(diǎn)的依賴關(guān)系．當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于用戶體驗的評測方法是平均主觀評分（MeanOpinionScore，MOS）［34］，MOS采用的5、4、3、2、1這5個等級分別表示主觀感受的優(yōu)、良、中、差、劣，本文把用戶的評估值MOS映射到［0，1］區(qū)間來反映用戶的服務(wù)體驗UE。雖然總體數(shù)據(jù)樣本量很大，仍然有可能遇到某些取值點(diǎn)被統(tǒng)計出的數(shù)量相對較少，導(dǎo)致依賴程度計算不準(zhǔn)確的問題，例如，SRi的實(shí)際值被統(tǒng)計取到其取值區(qū)間中間部分取值點(diǎn)的數(shù)據(jù)樣本量較多，而取到區(qū)間邊緣部分取值點(diǎn)的樣本量相對較少，盡管假設(shè)總體用戶的體驗反饋是理性的，但若存在少數(shù)用戶的體驗反饋不準(zhǔn)確或不真實(shí)的情況，用戶體驗對樣本量相對較少取值點(diǎn)的依賴程度則可能不完全可信（因為當(dāng)樣本量相對較少時，少數(shù)用戶的不真實(shí)評價影響要遠(yuǎn)大于樣本量多時少數(shù)不真實(shí)的用戶評價的影響）；另外，除了上述依賴關(guān)系不完全可信的取值點(diǎn)，還可能存在一些對用戶體驗有影響，但沒被統(tǒng)計在SRi取值集合中的取值點(diǎn)．因此，需要對上述情形（依賴關(guān)系不完全可信的取值點(diǎn)和未被統(tǒng)計出的取值點(diǎn)）作進(jìn)一步處理．古德－圖靈估計（Good－TuringEstimate）［35］是對這種不完全可信統(tǒng)計數(shù)據(jù)的相關(guān)概率做減量處理，并把減少的概率給予未被統(tǒng)計出的數(shù)據(jù)的估計方法，可應(yīng)用于解決上述問題．依據(jù)不同類型通信流的狀態(tài)大數(shù)據(jù)，以上述提出的數(shù)據(jù)間依賴性關(guān)系挖掘方案為驅(qū)動，可生成各類型應(yīng)用通信隨某項需求參數(shù)取值的變化，用戶的服務(wù)體驗值分布情況（體驗—參數(shù)值分布）以及用戶體驗對該參數(shù)各取值點(diǎn)的依賴程度（用戶體驗隨著取值變化而發(fā)生變化的程度，即體驗對參數(shù)的依賴性分布）．其中，體驗—參數(shù)值分布作為自適應(yīng)選擇合適的候選路由功能，從而進(jìn)行服務(wù)組裝的依據(jù)；體驗對參數(shù)的依賴性分布作為在通信過程中根據(jù)用戶變化的需求自適應(yīng)調(diào)整參數(shù)值的依據(jù)．例如，對于體驗—參數(shù)值分布，如果分布曲線起伏明顯，說明該項需求參數(shù)能明顯影響用戶體驗，則可把能調(diào)整該參數(shù)的功能作為候選功能；反之，如果分布曲線幾乎無起伏，即某參數(shù)在不同取值點(diǎn)時用戶體驗幾乎無變化，則調(diào)整該參數(shù)的功能不作為候選．依據(jù)體驗對參數(shù)的依賴性分布，可得各參數(shù)在不同取值點(diǎn)處對用戶體驗的影響程度，并以此自適應(yīng)地調(diào)整當(dāng)前參數(shù)值，從而改善用戶的服務(wù)體驗．

5路由服務(wù)策略選擇

5．1策略對評估在商業(yè)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營模式下，不僅需要在技術(shù)上解決路由服務(wù)的合成，還需要關(guān)注ISP和用戶的經(jīng)濟(jì)利益．如上，可獲得ISP組裝該類型路由服務(wù)的候選功能集合，但實(shí)現(xiàn)同等的用戶服務(wù)體驗，ISP利用不同組裝策略定制服務(wù)所付出的成本也不同，而且ISP在不同的定價策略下獲得的利潤也不同，用戶對服務(wù)價格的接受程度也不同．

5．1．1ISP偏好評估對于ISP來說，其主要關(guān)注能獲得的利潤，即選用哪套定價策略為用戶組裝哪套路由服務(wù)能使自身利潤達(dá)到最大．對［〈Ri，γj〉］m×z，ISP以利潤為導(dǎo)向?qū)ζ湓亍碦i，γj〉進(jìn)行評估．假設(shè)ISP依照〈Ri，γj〉進(jìn)行服務(wù)組裝和定價，在Ri下服務(wù)的成本為Cost（Ri）。

5．1．2用戶偏好評估用戶對〈Ri，γj〉的偏好程度反映了用戶希望系統(tǒng)選擇該策略對的傾向．根據(jù)4．2節(jié)中用戶對各項需求參數(shù)不同取值點(diǎn)處的體驗值即體驗—參數(shù)值分布，若ISP以Ri為用戶組裝服務(wù)，此路由服務(wù)各參數(shù)值對應(yīng)到體驗—參數(shù)值分布上得到用戶對各參數(shù)值的體驗值即MOS評估值，由式（1）映射到［0，1］區(qū)間得到用戶對此服務(wù)各參數(shù)值的滿意程度分別為UE1（Ri），…，UEj（Ri），…，UEl（Ri），則用戶對Ri下組裝的路由服務(wù)總體質(zhì)量滿意程度。

5．2博弈策略用戶最偏好的策略對可能并不是ISP最偏好的，反之亦然．系統(tǒng)不能只關(guān)注單方選擇，還需要通過均衡化的方法實(shí)現(xiàn)用戶和ISP雙方利益的共贏，獲得當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)下符合雙方利益的最佳策略對．因此，本文根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源供給情況，提出資源充足時利用納什均衡博弈而資源不足時利用混合式策略博弈的方案．5．2．1基于納什均衡的博弈當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源充足時，ISP利用基于納什均衡的博弈為每個用戶獨(dú)立地組裝路由服務(wù)，實(shí)現(xiàn)每個用戶與ISP之間的利益均衡．根據(jù)得到的〈Ri，γj〉以及ISP和用戶對每個策略對的偏好程度，構(gòu)成如圖4所示m×z的ISP和用戶策略對偏好矩陣。

5．2．2基于混合式策略的博弈當(dāng)多個用戶同時提出對某類應(yīng)用相似的通信需求時，面對網(wǎng)絡(luò)資源不足以為所有用戶都提供相同的最佳服務(wù)的情況，本文提出基于混合式策略博弈的方案．對于網(wǎng)絡(luò)資源供小于求的情況，ISP的自主性要強(qiáng)于用戶，即ISP根據(jù)自身利益選擇策略對的主動性更強(qiáng)，如何使單位資源利用率和利潤達(dá)到最優(yōu)是ISP當(dāng)前的目標(biāo)．因此，混合式服務(wù)定制策略的目標(biāo)是為用戶群體提供一系列不同的定制化服務(wù)，既滿足用戶群體對單位資源利用率需求，又優(yōu)化ISP由單位資源獲得的利潤．

6仿真實(shí)現(xiàn)和性能評價

6．1仿真實(shí)驗設(shè)置本文實(shí)驗選擇視頻點(diǎn)播類型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，以點(diǎn)播視頻的大量流狀態(tài)信息及用戶的體驗反饋數(shù)據(jù)作為實(shí)驗測試數(shù)據(jù)．本文選取被點(diǎn)播的視頻流在路由傳輸過程中相關(guān)QoS需求的狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括帶寬B、丟失率L、抖動J和延遲D這4個參數(shù)各自不同的取值點(diǎn)、變化量以及由此引起的用戶體驗變化情況．實(shí)驗中點(diǎn)播視頻的流狀態(tài)數(shù)據(jù)來源于EPFL－PoliMI①和VQEG②兩個數(shù)據(jù)庫，選取以H．264／AVC方式編碼的100個視頻點(diǎn)播通信流的各狀態(tài)數(shù)據(jù)．其中，EPFL－PoliMI中包含流的丟失率參數(shù)在其區(qū)間不同取值點(diǎn)取值時，相應(yīng)的用戶的體驗反饋情況；VQEG中包含流的帶寬、延遲和抖動參數(shù)在各自區(qū)間不同取值點(diǎn)取值時，相應(yīng)的用戶的體驗反饋情況．各參數(shù)的取值點(diǎn)及相鄰取值點(diǎn)的間隔規(guī)律依據(jù)ITU③和ETSI④進(jìn)行設(shè)定，具體設(shè)置如表1所示．帶寬值從0Mbps開始，每間隔0．1Mbps取值，至5Mbps結(jié)束；丟失率從0開始，每間隔0．4％取值，至10％結(jié)束；抖動從1ms開始，每間隔0．1ms取值，至4ms結(jié)束；延遲從100ms開始，每間隔100ms取值，到900ms結(jié)束．本文路由服務(wù)定制的仿真實(shí)驗使用C＋＋語言實(shí)現(xiàn)，以MicrosoftVisualStudio2010為開發(fā)工具，在Windows7Ultimate平臺下運(yùn)行．本文在應(yīng)用的路由通信路徑上，可供ISP選擇的路由功能包括接納控制、服務(wù)等級、資源預(yù)留、帶寬分配、排隊調(diào)度、差錯控制、流量監(jiān)管和流量整形，并以功能構(gòu)件形式實(shí)現(xiàn)，ISP調(diào)用候選功能構(gòu)件合成路由服務(wù)．為模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，本文選用兩種實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌謩e為中國教育和科研計算機(jī)網(wǎng)（CERNET）和歐洲教育科研網(wǎng)（GéANT2），如圖5所示，CERNET拓?fù)渚哂?6個節(jié)點(diǎn)、46條邊，GéANT2拓?fù)渚哂?4個節(jié)點(diǎn)、52條邊．為評價本文提出的BARC機(jī)制的性能，本文選取盡力型服務(wù)（Best－EffortServices，BES）和集成型服務(wù)（IntegratedServices，IntServ）機(jī)制進(jìn)行對比．對3種機(jī)制在兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎逻M(jìn)行性能比較．

6．2性能評價

6．2．1體驗—參數(shù)值分布根據(jù)4．2節(jié)，通過實(shí)驗獲得視頻點(diǎn)播類應(yīng)用之間通信流的需求參數(shù)（帶寬、丟失率、抖動和延遲）與用戶體驗之間的對應(yīng)關(guān)系，其中，用戶體驗利用MOS方法評估，結(jié)果如圖6所示．由圖6（a）所示，隨著帶寬參數(shù)取值點(diǎn)增大，用戶體驗的評估值也增大，當(dāng)帶寬取值達(dá)到3．7Mbps時，用戶體驗的評估值達(dá)到最大；由圖6（b）和（c）所示，隨著丟失率和抖動參數(shù)取值點(diǎn)增大，用戶體驗的評估值減小，并分別于7．2％和3．4ms，用戶體驗的評估值達(dá)到最小；由圖6（d）所示，對于延遲參數(shù)，其取值點(diǎn)變化對用戶體驗幾乎無影響．因此，對于視頻點(diǎn)播類應(yīng)用的QoS需求，能夠調(diào)節(jié)帶寬、丟失率和抖動參數(shù)的功能是組裝路由服務(wù)的候選功能．

6．2．2體驗對參數(shù)的依賴性分布依據(jù)6．2．1節(jié)中需求參數(shù)取不同值時用戶體驗的評估結(jié)果，根據(jù)4．2節(jié)，獲得用戶體驗對參數(shù)各取值點(diǎn)依賴程度的分布曲線，作為ISP實(shí)時調(diào)整用戶體驗的依據(jù)（依賴程度越高，ISP在該取值點(diǎn)調(diào)節(jié)參數(shù)能使用戶獲得的單位體驗收益越高），如圖7所示．由圖6可知延遲對視頻點(diǎn)播應(yīng)用的用戶體驗幾乎無影響，因此圖7僅給出帶寬、丟失率和抖動各取值點(diǎn)參數(shù)調(diào)節(jié)時對用戶體驗的影響．從圖7可以看出，帶寬由0．2Mbps到2．5Mbps、丟失率由0到5％、抖動由0ms到2．2ms時，每單位參數(shù)量改變導(dǎo)致用戶獲得的體驗變化程度相對較大，其他區(qū)間每單位參數(shù)量改變對用戶體驗影響程度相對較小．

6．2．3用戶滿意度評估當(dāng)前許多研究工作以用戶對服務(wù)的體驗質(zhì)量來評價ISP提供的路由服務(wù)［36］，但在商業(yè)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營模式下，經(jīng)濟(jì)利益也是影響用戶服務(wù)選擇和體驗的關(guān)鍵因素，例如，不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)相同的服務(wù)體驗，用戶所付出的價格不同（單位帶寬價格隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化［37］）．因此，本文綜合考慮用戶的服務(wù)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)因素即所付價格，比較用戶在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下對BARC、IntServ和BES這3種機(jī)制提供路由服務(wù)的滿意程度．將用戶所得路由服務(wù)的帶寬、丟失率、抖動和延遲實(shí)際值分別映射到圖6（a）～（d），得到用戶對此服務(wù)實(shí)際提供帶寬、丟失率、抖動和延遲的MOS評估值，然后把各參數(shù)的MOS評估值由式（1）映射到［0，1］區(qū)間后代入式（10），其中帶寬、丟失率、抖動和延遲的權(quán)值分別設(shè)置為11．1％、58．9％、15．1％和14．9％［36］，獲得用戶對服務(wù)質(zhì)量的滿意程度如圖8所示．把路由服務(wù)實(shí)際價格代入式（11）獲得用戶對服務(wù)價格的滿意度，結(jié)果如圖9所示．綜合考慮質(zhì)量和價格因素，假設(shè)兩者對用戶同等重要，即質(zhì)量和價格重要程度的權(quán)值都設(shè)為0．5，由式（12）獲得用戶對服務(wù)的總體滿意程度，結(jié)果如圖10所示．隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增大，3種機(jī)制下用戶的滿意度都減小，BARC和IntServ的變化趨勢比較穩(wěn)定，而BES下降較快，特別是在網(wǎng)絡(luò)重載之后．這是因為BARC和IntServ都提供保證型服務(wù)，當(dāng)它們無法滿足用戶最低需求時就不接納服務(wù)請求．然而，用戶對BARC的滿意度高于IntServ，這是因為BARC能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，以用戶體驗為中心，自適應(yīng)地定制最佳滿足用戶需求的路由服務(wù)，而IntServ只提供通用化的路由服務(wù)，沒有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力．

6．2．4ISP滿意度評估ISP為用戶提供路由服務(wù)，不僅需要滿足用戶的通信需求，還需要考慮自身的經(jīng)濟(jì)利潤．不同的組裝策略下，調(diào)用功能和資源所付出的成本不同．定價策略的選擇既要優(yōu)化ISP的經(jīng)濟(jì)利益，也不應(yīng)使ISP因價格過高而失去用戶．根據(jù)式（8）可得ISP的期望利潤．以ISP為用戶提供路由服務(wù)實(shí)際獲得的利潤對其期望利潤之比作為ISP對獲得的實(shí)際利潤的滿意度，結(jié)果如圖11所示．圖11ISP對所獲利潤的滿意度隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的提高，3種機(jī)制下ISP對利潤的滿意度都增大，由于BARC和IntServ提供保證型服務(wù)，因此利潤明顯高于BES．由于BARC具備根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自適應(yīng)選擇服務(wù)組裝和定價策略的能力，其在網(wǎng)絡(luò)從輕載、中載向重載過渡過程中能夠有效地利用單位資源提高利潤，而IntServ不具備這種特性，因此BARC又優(yōu)于IntServ．

6．2．5用戶和ISP的滿意度均衡率基于用戶和ISP對路由服務(wù)的滿意度，以兩者之比刻畫雙方對服務(wù)滿意程度的均衡率，結(jié)果如圖12所示．該值越接近于1，兩者的滿意度越均衡．對于BARC和IntServ，用戶和ISP的滿意度均衡率相對穩(wěn)定且接近于1，而且BARC優(yōu)于IntServ；BES的滿意度均衡率不穩(wěn)定，在多數(shù)情況下與1相距較大，僅在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載為80％左右時才與1接近，而且優(yōu)于BARC和IntServ．這是因為BARC和IntServ均考慮了對QoS的支持，而且BARC同時考慮了用戶和ISP的體驗，并通過博弈促進(jìn)雙方共贏，BES則未考慮對QoS的支持，然而，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到80％左右時，BARC和IntServ為保證QoS會較大幅度提升服務(wù)價格，這樣做使得ISP滿意度增大但用戶滿意度減小，從而導(dǎo)致雙方滿意度差值變大．

6．2．6時間開銷本文比較了運(yùn)行3種機(jī)制的相對平均時間開銷（以最大的平均時間開銷設(shè)為1，其他為對其的相對值），比較結(jié)果如圖13所示．BES不需要建立連接，其時間開銷主要為選路所花費(fèi)的時間，時間開銷最小；IntServ需要建立連接，執(zhí)行路徑計算和接納控制等功能，時間開銷高于BES；BARC不僅需要建立連接，而且需要分析用戶的服務(wù)需求和體驗，考慮ISP的經(jīng)濟(jì)利潤，調(diào)用相應(yīng)的路由功能定制均衡雙方利益的路由服務(wù)，時間開銷最大．

7總結(jié)

本文針對傳統(tǒng)路由配置模式難以適應(yīng)當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)中用戶對多樣化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用日益差異化和復(fù)雜化的通信需求的現(xiàn)狀，提出了一種大數(shù)據(jù)驅(qū)動的自適應(yīng)路由服務(wù)定制機(jī)制．如何準(zhǔn)確而有效地分析用戶紛繁復(fù)雜的各項需求并且獲得各項需求對用戶服務(wù)體驗的重要程度成為解決問題的前提．通過對不同類型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的通信流狀態(tài)相關(guān)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，提出了用戶需求屬性模型和體驗—需求依賴關(guān)系模型，獲取候選路由功能集合．同時，考慮用戶和ISP之間的利益共贏，通過分析雙方對組裝和定價策略的偏好，基于博弈進(jìn)行策略選擇，實(shí)現(xiàn)路由服務(wù)的定制化．對于本文提出的機(jī)制，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之間端到端通信流的狀態(tài)數(shù)據(jù)由ISP端收集和存儲，用戶體驗反饋信息（如實(shí)時服務(wù)體驗、服務(wù)調(diào)整需求等）可由用戶端返回給ISP的確認(rèn)報文攜帶，用戶端不需要額外發(fā)送用戶體驗反饋報文，并且數(shù)據(jù)的統(tǒng)計過程可由ISP離線完成，因此數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計對網(wǎng)絡(luò)性能的影響不大．

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，控制器需要同時為大規(guī)模、甚至超大規(guī)模的用戶分析通信請求、定制路由服務(wù)和解析反饋信息，如果使用單控制器，則會面臨嚴(yán)重的可擴(kuò)展性問題，需要研究多控制器分域管控的方式加以解決．本文提出的大數(shù)據(jù)驅(qū)動的自適應(yīng)路由服務(wù)定制機(jī)制，是對多樣化的路由功能進(jìn)行自適應(yīng)組裝，在應(yīng)用的通信路徑上為其數(shù)據(jù)流的傳輸提供路由服務(wù)．在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步考慮為應(yīng)用的通信流進(jìn)行路由資源的自適應(yīng)分配，并且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶需求自適應(yīng)地對路由資源和路由功能進(jìn)行一體化裝配以更好地實(shí)現(xiàn)路由服務(wù)定制化的目標(biāo)．開展原型實(shí)現(xiàn)并在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行驗證以提高本文工作的實(shí)用性也是今后研究與開發(fā)工作的重點(diǎn)．

作者：卜超 王興偉 李福亮 黃敏 單位：東北大學(xué)軟件學(xué)院 東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院