CN100364296C - 基于优化直径网络的按度值对目的节点分段迭代的路由法 - Google Patents

Abstract

基于优化直径网络的按度值对目的节点分段迭代的路由法属于互联网技术领域，其特征在于：使源节点按优化直径网络的迭代公式反复迭代「log_dn」次，d为节点的度值，n为网络节点数，得到一个长度为d^x的序列(x=「log_dn」)，再对该序列进行d等分，根据节点归属判定方法判断出目的节点所处位置，从而按节点路由决定下一步转发的节点号并把分组转发给该节点，收到该分组的节点再根据上次序列划分的结果按同样步骤迭代上述操作，并进行相应的分组转发，直到分组被最终转发到目的节点为止。本发明可以实现大规模P2P网络上任意节点之间基于低延时分组转发的快速通信。

Description

基于优化直径网络的按度值对目的节点分段迭代的路由法

技术领域

本发明属于互联网技术领域。

背景技术

P2P网络的性能很大程度上取决于网络的最大传输时延和路由方法。分组是指具有一定格式的数据包；网络的最大传输时延是指从网络的任意两点之间发送分组到接收分组之间的最大时间差。基于以下原因我们认为最大传输时延的控制对于网络的拥塞控制以及网络的服务质量都十分重要：首先，某些应用会因端到端时延过大而不能很好地执行，甚至不能执行；其次，最大传输时延不确定的变化使得网络对很多交互式实时应用的支持变得很困难；最后，最大传输时延值越大传输层协议对于高带宽应用的支持就越困难。

网络直径直接决定了网络的最大传输时延，路由机制则决定了分组的转发效率。一个性能良好的P2P网络应该具有相对较小的网络直径和高效的路由机制。目前已有一些比较好的方法(如：Chord，Pastry，Tapestry)，但是，这些方法的共同弱点是网络直径不够小，分组转发效率较低，一台主机需要维护较多的其他主机信息。这就不适用于大规模网络环境中对于最大传输时延等指标要求较高的应用，比如，病毒预警、布丁数据分发、病毒特征码下载等应用。

优化直径网络具有严格的拓扑结构，我们用图论的方法来描述该结构，首先需要定义一些用到的图论术语。有向图是指所有边都为有向边的图，用符号G＝(V，E)，V是点集，E是边集；如果点u和点ν之间存在一条有向边(u，v)，则点ν和点u互称为邻居点；图G的阶定义为图G中点的个数；点v的入度是指图G中以点v作为终点的边的条数，记为d_G ^-(ν)；点u的出度是指图G中以点u作为起点的边的条数，记为d_G ⁺(ν)；点的入度和出度通称为点的度；图G的直径定义为图G的两个顶点之间的最大距离，记为d(G)；若图G的所有点的度都为d，则称图G为d正则图。我们下面提到的图均指有向图，把网络的拓扑图中的点称为节点。

因为一条有向边可由它的两个邻居节点唯一确定，所以我们通过构造邻居节点的方法来构造有向图的边。设图G是一个阶为n度为d直径为k的有向正则图(n＞0，d＞1)，记为G＝(V，E)，设图G的点集为：V＝{0，1，2，...，n-1}，对于任意节点i∈V，我们定义如下公式：

d×i+s+t(modn)(s∈[1，d]且s∈N，t∈[0，n-1]且t∈N)    (1)

其中s遍历从1到d的所有自然数，从而计算得到节点i的d个邻居节点。这样构造出的总路由表具有模n周期回归的特点(见图1)，并且其直径可以达到

(log_dn向上取整)，这一结构具有比上述其他结构都小的网络直径，并且非常接近理论最小值。

本发明基于上述优化直径网络拓扑结构设计出按度值对目的节点分段迭代的路由法，该方法通过对目的节点进行分段迭代归类，在每一次数据转发时都能使数据沿着趋向于目的节点的正确方向进行转发，从而保证了数据在经过最多

次转发后到达目的节点。按度值对目的节点分段迭代的路由法在具有较小直径的同时还具有较小的计算开销，其计算复杂度为(见图5)，该方法可以满足大规模网络中许多对于传输时延要求苛刻的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服已有方法普遍较低的数据转发效率问题，提供一种新的在大规模P2P网络上进行快速数据传输的启发式路由机制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：源节点反复迭代公式(1)次，得到一个长度为d^x的序列(令

)，再对该序列进行d等分，然后根据节点归属判定方法判断出目的节点所处位置，从而决定下一步转发的节点号并将分组转发给该节点，收到该分组的节点再根据上次序列划分的结果迭代上述操作，并进行相应的分组转发，直到分组被最终转发到目的节点为止。

本发明的特征在于：

所述方法是在任意规模的上述对等网络上依次按以下步骤实现的：

步骤1：设：n为所述对等网络的节点数，w₀为源节点，j为目的节点，P为转发分组，d为节点的度，所有节点的度都相等，从源节点w₀开始，用下列公式计算w_k+1的值：w_k+1＝(d×w_k+s+t)mod n，其中k为非负整数，反复按所述公式迭代x次，x为对等网络的直径，

符号

表示向上取整，求出w_x，其中n∈N，s∈[1，d]且s∈N，t∈[0，n-1]且t∈N，N为自然数集合；

步骤2：令u＝w₀，a₀＝w_x，a_k+1＝(a_k+1)mod n为数列的通项公式，求出长度为d^x的数列a，其中d为节点的度，n为所述对等网络的节点数，

k为非负整数，w_x由步骤1求得；

步骤3：对数列a进行d等分，得到d个子列记为：a₁，a₂，...，a_d，并把节点u的d个邻居节点依节点号从小到大记为：v₁，v₂，...，v_d；

步骤4：用下述节点归属判定方法判断出目的节点j所在的子列a_i：

设：子列a_i的首项是p，a_i的末项是q，其中i∈[1，d]且i∈N，d为节点的度，n为所述对等网络的节点数，数列a的长度记为h，第k次d等分操作时h等于d^x-k+1，其中k∈[1，x]且k∈N，

则: $q=(p+(\frac{h}{d}-1))\mathrm{mod}n;$

当p＞q时，若j≥p或j≤q，则j∈a_j；

当p＜q时，若p≤j≤q，则j∈a_i；

步骤5：节点u把分组P和目的节点j所在的子列a_i转发给下标i对应的邻居节点v_i；如果目的节点j在多个子列中都有出现，则从中任选一个子列转发即可；

步骤6：判断v_i是否等于j，如果相等，则结束，否则，令a＝a_i，u＝v_i，转步骤3。

本发明所提出的基于优化直径网络的按度值对目的节点分段迭代的路由法，解决了已有方法由于网络直径限制所带来的分组转发效率低的问题，并且可以满足大量具有低时延转发需求的应用，提供了一种新的在P2P网络上以接近理论最小值进行低时延分组转发的技术方法，可以实现大规模P2P网络上任意节点之间的快速通信，图5中列出了本路由方法与几种经典路由方法Chord、Pastry和CAN的性能比较，Chord方法实现了

的网络直径和复杂度，Pastry方法实现了log_bn的网络直径，CAN构造的网络直径可以达到1/2dn^1/d，而本路由方法的网络直径和计算复杂度均仅为

这要小于其他几种方法，从而解决了传统方法中数据转发效率低的问题。目前清华大学已经将该项研究成果运用在“P2P蠕虫防御系统”中，是该系统的重要组成部分。

附图说明

图1.优化直径网络原理示意图：a.优化直径网络的邻居表；b.节点4、13的路由树；

图2.基于优化直径网络的按度值对目的节点分段迭代的路由法流程图；

图3.基于优化直径网络的按度值对目的节点分段迭代的路由法应用示例图；

图4.按度值对目的节点分段迭代的路由法在“P2P蠕虫防御系统”中的具体实施方法示

例图：d＝3，s＝1，t＝6，n＝27，w₀＝8，j＝17；

图5.不同方法的比较示意图。

具体实施方式

步骤1.记：源节点为w₀，目的节点为j，转发分组为P，节点的度为d，令公式(1)中的i为w_k，s＝1，根据公式(1)我们可得公式(2)：

w_k+1＝d×w_k+s+t(mod n)(s＝1，t∈[0，n-1]且t∈N)    (2)

从源节点w₀开始，反复迭代计算该公式x次

，求出w_x；

步骤2.令u＝w₀，以w_x作为数列的首项a₀，以a_k+1＝a_k+1(mod n)为数列的通项公式，求出长度为d^x的数列a，其中d为节点的度，n为所述对等网络的节点数，

k为非负整数，w_x由步骤1求得；

步骤3.对数列a进行d等分，得到d个子列记为：a₁，a₂，...，a_d，并把节点u的d个邻居节点依节点号从小到大记为：v₁，v₂，...，v_d；

步骤4.用下述节点归属判定方法判断出目的节点j所在的子列a_i：

设：子列a_i的首项是p，a_i的末项是q，其中i∈[1，d]且i∈N，d为节点的度，n为所述对等网络的节点数，数列a的长度记为h，第k次d等分操作时h等于d^x-k+1，其中k∈[1，x]且k∈N，

则： $q=p+(\frac{h}{d}-1)\left(\mathrm{mod}n\right);$

当p＞q时，若j≥p或j≤q，则j∈a_i；

当p＜q时，若p≤j≤q，则 j∈a_i；

步骤5.节点u把分组P和目的节点j所在的子列a_i转发给下标i对应的邻居节点v_i；如果目的节点j在多个子列中都有出现，则从中任选一个子列转发即可；

步骤6.判断v_i是否等于j，如果相等，则结束，否则，令a＝a_i，u＝v_i，转步骤3。

本路由方法所适用的硬件平台为任意规模的对等网络，图2为按度值对目的节点分段迭代的路由法的程序流程图，图4为按度值对目的节点分段迭代的路由法在“P2P蠕虫防御系统”中的具体实施示例，我们以d＝3，1≤s≤d，t＝6，n＝27为参数，用公式(1)构造出具有模n周期回归特点的网络拓扑，其直径为3(见图3)。假设“P2P蠕虫防御系统”中的节点8要给节点17发送分组P，按如下步骤进行路由：

(1)以d＝3，t＝6，n＝27，w₀＝8为参数迭代计算公式(2)3次，求出W₃等于10；

(2)以10为数列的首项a₀，以a_k+1＝a_k+1(mod 27)为数列的通项公式，求出长度为27的数列a：10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 0 1 2 34 5 6 7 8 9；

(3)对数列a进行3等分，得到如下3个子列：

a₁：10 11 12 13 14 15 16 17 18

a₂：19 20 21 22 23 24 25 26 0

a₃：1 2 3 4 5 6 7 8 9

节点8的3个邻居节点是：4，5，6，分别记为v₁，v₂，v₃；

(4)用节点归属判定方法判断出目的节点17属于子列a₁，据此，节点8将分组P和子列a₁一起发送给其邻居节点v₁，即节点4；

(5)节点4收到分组P和数列a₁后，令a＝a₁，u＝v₁，再对数列a进行3等分，得到如下3个子列：

a₁：10 11 12

a₂：13 14 15

a₃：16 17 18

节点4的3个邻居节点是：19，20，21，分别记为v₁，v₂，v₃；

(6)用节点归属判定方法判断出目的节点17属于子列a₃，据此，节点4将分组P和子列a₃一起发送给其邻居节点v₃，即节点21；

(7)节点21收到分组P和子列a₃后，令a＝a₃，u＝v₃，再对数列a进行3等分，得到3个子列：

a₁：16

a₂：17

a₃：18

节点21的3个邻居节点是：16，17，18，分别记为v₁，v₂，v₃；(8)用节点归属判定方法判断出目的节点17属于子列a₂，据此，节点21将分组P发送给其邻居节点v₂，即节点17，此时v₂等于17，这就是目的节点，至此，路由过程结束。整个转发路径就是：8→4→21→17。

由此可见，本发明达到了预期目的。

Claims (1)

1.基于优化直径网络的按度值对目的节点分段迭代的路由法，其特征在于，所述方法是在任意规模的对等网络上依次按以下步骤实现的：

步骤1：设：n为所述对等网络的节点数，w₀为源节点，j为目的节点，P为转发分组，d为节点的度，所有节点的度都相等，从源节点w₀开始，用下列公式计算w_k+1的值：w_k+1＝(d×w_k+s+t)mod n，其中k为非负整数，反复按所述公式迭代x次，x为对等网络的直径，

符号

表示向上取整，求出w_x，其中n∈N，s∈[1，d]且s∈N，t∈[0，n-1]且t∈N，N为自然数集合；

步骤2：令u＝w₀，a₀＝w_x，a_k+1＝(a_k+1)mod n为数列的通项公式，求出长度为d^x的数列a，其中d为节点的度，n为所述对等网络的节点数，

k为非负整数，w_x由步骤1求得；

步骤3：对数列a进行d等分，得到d个子列记为：a₁，a₂，...，a_d，并把节点u的d个邻居节点依节点号从小到大记为：v₁，v₂，...，v_d；

步骤4：用下述节点归属判定方法判断出目的节点j所在的子列a_i：

设：子列a_i的首项是p，a_i的末项是q，其中i∈[1，d]且i∈N，d为节点的度，n为所述对等网络的节点数，数列a的长度记为h，第k次d等分操作时h等于d^x-k+1，其中k∈[1，x]且k∈N，

则： $q=(p+(\frac{h}{d}-1))\mathrm{mod}n;$

当p＞q时，若j≥p或j≤q，则j∈a_i；

当p＜q时，若p≤j≤q，则j∈a_i；

步骤5：节点u把分组P和目的节点j所在的子列a_i转发给下标i对应的邻居节点v_i；如果目的节点j在多个子列中都有出现，则从中任选一个子列转发即可；

步骤6：判断v_i是否等于j，如果相等，则结束，否则，令a＝a_i，u＝v_i，转步骤3。

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