CN100534059C

CN100534059C - 优化树形拓扑覆盖网络路由的方法

Info

Publication number: CN100534059C
Application number: CNB2007100638421A
Authority: CN
Inventors: 刘旭东; 程炜; 林学练; 刘诚忠; 王斌
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-02-12
Filing date: 2007-02-12
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2027-02-12
Also published as: CN101013993A

Abstract

本发明公开了一种优化树形拓扑覆盖网络路由的方法，它是在由主干边组成的覆盖网络中，动态的在不相邻的节点间建立传输路径即优化边，使节点间除原有树形拓扑的边外还有可选的路由路径，减少数据传输时在覆盖网络中的转发跳数。具体地说，本发明依据计算出来的反映优化边效益的util值建立优化边，对优化边进行更新，使优化边数量保持在一定数量内，以保持覆盖网络的树形结构。由于本发明通过向树形拓扑网络结构中不断地添加、更新优化边，增加可选的、最佳的数据路由路径，所以，本发明大大降低了高层节点的负载，有效地改善了网络负载不平衡的状况；进而降低了网络中高层节点单点失效风险；同时，还降低了网络的平均时延，提高了数据传输效率。

Description

优化树形拓扑覆盖网络路由的方法

技术领域

本发明涉及一种优化路由的方法，具体地说，本发明涉及一种优化树形拓扑结构覆盖网络路由的方法。

背景技术

网络层路由算法是比较经典的成熟算法，是人们解决数据传输比较常用的路由算法，但是，将其应用在覆盖网络路由技术中，不仅使覆盖网络路由算法复杂度和实现成本加大，而且，还不能体现覆盖网络的特点。

树形拓扑网络作为信息交换的逻辑网络，能够较好的体现社会部门的实际组织结构。由于树形拓扑网络中的节点具有网络拓扑的全局信息，消息路由高效，所以，树形拓扑结构在数据共享、电子政务等领域得到较好的应用。树形拓扑结构因其自身具有的易于扩展，便于管理，路由算法简捷等特点被广泛地使用于覆盖网络中。

针对树形拓扑结构的覆盖网络，沿用已有的路由技术即严格用树形拓扑的边进行路由，由于节点间的路由路径单一，造成树形拓扑结构覆盖网络产生以下明显的缺点，如：整个网络的负载不平衡，高层节点(如根节点)的负载过高，进而导致这些节点有很高的单点失效风险，影响其整棵子树或整棵树的信息交换；同时单一的路由路径也阻碍了传输效率的提高。

发明内容

鉴于上述原因，为了解决树形拓扑结构覆盖网络路由路径单一，整个网络的负载不平衡，某些节点单点失效风险高，容易造成网络分割以及传输效率不够高的问题，本发明的目的是提供一种优化树形拓扑结构覆盖网络路由的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种优化树形拓扑覆盖网络路由的方法，其特征在于：它是在由主干边组成的覆盖网络中，动态的在不相邻的节点间建立传输路径即优化边，使节点间除原有树形拓扑的边外还有可选的路由路径，减少数据传输时在覆盖网络中的转发跳数。

所述优化边的建立是依据计算出来的反映优化边效益的util值建立的；

定义优化边(u，v)在缩短数据转发路径方面的收益为util(u，v)，计算公式为：

其中，N为整个网络中节点的数量，其中N_u和N_v分别表示以u和v为根的子树的节点数；S_u表示以u为根节点的子树的节点集合，S_v表示以v为根节点的子树的节点集合；D(u，v)为u，v两点间的在覆盖网络中的距离。定义在覆盖网络中相邻的节点距离为零，不相邻的节点之间的距离为两点间路径上节点的数量；

在建立优化边时，依据网络中所有潜在的优化边util值的大小，优先加入util值大的优化边。

本发明在依据计算出来的反映优化边效益的util值建立优化边之前，也就是在节点进行数据交换时，服务器就要收集交换过数据的目标节点作为潜在优化边目标节点，直到数据交换次数达到设定的阈值，然后，依据计算出来的反映优化边效益的util值建立优化边，其步骤如下：

A、对于每一个潜在的目标节点，进行util值的计算；

B、将潜在目标节点按util值由大到小排序，舍去util值为0的潜在目标节点；

C、按照util值由大到小的顺序依次建立优化边，将信息存入路由表；

D、当建立的优化边数量达到预先设定的上限时结束。

本发明优化树形拓扑覆盖网络路由方法还包括对已建立的优化边进行更新的步骤；网络中的每个节点需周期性的更新自己记录的优化边信息，对于不再可用的优化边或其util值为0的优化边予以删除，所述更新优化边的步骤如下：

A、节点进行数据交换时，数据交换次数不断累加，当达到设定阈值时开始一轮更新过程；

B、依次更新路由表中所有记录，重新测试优化边的连通性，若该优化边不再可用或其util值为0则删除此条信息；

C、重复步骤B直到所有记录都被更新完毕。

由于本发明通过向树形拓扑网络结构中不断地添加、更新优化边，增加可选的、最佳的数据路由路径，所以，本发明大大降低了高层节点的负载，有效地改善了网络负载不平衡的状况；进而降低了网络中高层节点单点失效风险；同时，还降低了网络的平均时延，提高了数据传输效率。

附图说明

图1为本发明含有主干边和优化边的树形覆盖网络的拓扑结构图；

图2显示了一个深度为4，节点数量为70的树形拓扑覆盖网络分别采用随机建立优化边和依据util值添加优化边两种方法时，各层节点平均负载降低的情况；

图3显示了一个深度为4，节点数量为70的树形拓扑覆盖网络分别采用随机建立优化边和依据util值添加优化边两种方法时，网络整体平均时延降低的情况；

图4为本发明子节点加入网络的流程图；

图5为本发明子节点退出网络的流程图；

图6为本发明具体实施例中筛选、建立优化边流程图；

图7为本发明具体实施例中对已建立好的优化边进行更新流程图；

图8为本发明具体实施例中在加入了优化边后路由选择流程图；

图9为加入优化边功能模块后树形拓扑覆盖网络调用路由功能模块的流程图。

具体实施方式

为了解决树形拓扑结构覆盖网络路由路径单一，整个网络负载不平衡，某些节点单点失效风险高，容易造成网络分割以及传输效率不够高的问题，本发明在由主干边组成的覆盖网络中，动态的在不相邻的节点间建立传输路径即优化边，使节点间除原有树形拓扑的边外还有可选的路由路径，减少数据传输时在覆盖网络中的转发跳数。下面以图1为例说明本发明通过建立优化边，减少数据传输时在覆盖网络中的转发跳数，从而，解决整个网络负载不平衡，某些节点单点失效风险高，容易造成网络分割的问题，并提高数据传输效率。

图1为本发明含有主干边和优化边的树形覆盖网络的拓扑结构图，图中的实线表示主干边，图中的虚线表示优化边。假设，要从节点E到节点H传输数据，在没有建立优化边的树形拓扑覆盖网络中，数据的传输路径为E→A→R→C→H。如果我们在节点A和C之间添加一条辅助边，则由节点E到节点H的数据传输路径就变为E→A→C→H，数据传输减少了一跳；同时，网络中其他节点间的数据传输也可从中获益，以S_x表示以x为根的子树的节点集合，则任意u(u∈S_v)与v(v∈S_u)之间的距离都减少了1。由此可见，在树形拓扑结构的覆盖网络中添加若干辅助边可以缩短覆盖网络中数据传输的路径，我们称这些添加的辅助边为优化边”。

为了保持覆盖网络的树形结构，同时又要建立并控制一定数量的优化边，使得整个网络可以在付出较少优化边建立和维护开销的情况下，达到很好的网络负载平衡和降低时延的目的，本发明提出了一种评价优化边效益的计算方法，依据此计算方法计算出的反映优化边效益的util值表征优化边在负载平衡和降低网络时延方面的贡献，util值越大，表示该优化边贡献越大，效益越高。另外，本发明也是依据计算出来的反映优化边效益的util值，对优化边进行筛选、建立、更新，使优化边数量控制在一定范围内，以保持覆盖网络的树形结构特征。

上述的评价优化边效益的计算方法如下：

其中，N为整个网络中节点的数量，其中N_u和N_v分别表示以u和v为根的子树的节点数。S_u表示以u为根节点的子树的节点集合，S_v表示以v为根节点的子树的节点集合。D(u，v)为u，v两点间的在覆盖网络中的距离。我们定义在覆盖网络中相邻的节点距离为零，不相邻的节点之间的距离为两点间路径上节点的数量。

本发明在建立优化边时，依据网络中所有潜在的优化边util值的大小，优先加入util值大的优化边，使得网络高层节点负载降低和平均时延下降的速度均大大加快。

图2显示了一个深度为4，节点数量为70的树形拓扑覆盖网络分别采用随机建立优化边和依据util值的大小优先加入优化边两种方法时，各层节点平均负载降低的情况。可以看出依据util值的大小优先加入优化边的方法使得各层节点平均负载降低的速度明显快于采用随机建立优化边的方法。图3显示了在上述同样拓扑结构网络中分别采用随机建立优化边和依据util值的大小优先加入优化边两种方法时，网络整体平均时延降低的情况。可以看出按照util值的大小优先建立优化边的方法，网络平均时延降低的速度也明显快于采用随机建立优化边的方法。

本发明是对原有树形拓扑覆盖网络路由技术的改进与优化，是建立在原有路由技术之上的，本发明只是在不相邻的节点间建立动态的数据传输路径即优化边，故，本发明网络建立的基本过程与原路由方法采用的网络建立过程大致相同，网络节点地址的分配与配置与原路由技术一致，网络由根节点向叶子节点逐层建立，只是本发明要求每个节点记录自己子树的节点数量，当有子节点加入或者退出网络时，须向其父节点发送信息，父节点将调整子树节点数量。如图4所示，当有节点加入时：

1.加入的节点向其父节点发出通知消息；

2.父节点将本地记录的子树节点数量加一；

3.节点加入网络。

如图5所示，当节点退出时：

1.退出的节点向其父节点发出通知信息；

2.父节点将本地记录的子树节点数量减一；

3.节点退出网络。

本发明在依据计算出来的反映优化边效益的util值建立优化边之前，也就是在节点进行数据交换时，服务器就要收集交换过数据的目标节点作为潜在优化边目标节点，直到数据交换次数达到设定的阈值，然后，依据计算出来的反映优化边效益的util值建立优化边，其主要步骤如下：

A、对于每一个潜在的目标节点，进行util值的计算；

B、将潜在目标节点按util值由大到小排序；

D、当建立的优化边数量达到预先设定的上限时结束。

图6是本发明建立优化边具体实施例流程图。该实施例是在北京航空航天大学计算机新技术实验室“黑龙江电子政务数据交换平台”项目中，通过在原有路由拓扑中添加和维护一些优化边的方法，对原有路由技术进行改进和优化。其具体实现方案如下：

在建立优化边之前，系统服务器需要作一些约定，如：

1、每个节点需要记录自己子树的节点数量，用以与其它节点交换此信息并用来计算util值。

2、每个节点预先设定的自己可建立的优化边数量的上限，实施例中，每个节点的优化边数量上限设为N×N/10。

3、优化边建立统计值，是指为触发优化边建立流程而统计的自上次优化边建立过程结束后累计的系统数据交换次数。每次优化边建立流程执行时被重置为0。

4、优化边建立统计阈值，是指预先设定的触发优化边建立流程统计值的临界值。阈值根据假定的网络状况在系统启动前设定。

5、优化边更新统计值，是指为触发优化边更新流程而统计的自上次优化边更新过程结束后累计的系统数据交换次数。每次优化边更新流程执行时被重置为0。

6、优化边更新统计阈值，是指预先设定的触发优化边更新流程统计值的临界值。阈值根据假定的网络状况在系统启动前设定，应小于优化边建立统计阈值。

如图6所示，在该具体实施例中建立优化边的具体实现步骤如下：

1.将优化边建立统计值重置为0；

2.从根节点获取全局网络节点数量；

3.重新设定优化边数量上限；

4.逐个取出已记录的数据交换目的节点作为潜在的目标节点；

5.对于每一个潜在的目标节点重复如下操作步骤：

a)向潜在目标节点发送节点信息请求，获得其子树节点数量；

b)若收到响应，则根据公式计算util值；

c)若未收到响应，则设其util值为0；

6.将所有潜在目标节点按其util值从大到小排序，舍去util值为0的潜在目标节点；

7.按排好的顺序依次将到潜在目标节点的优化边信息加入路由表；

8.当加入的优化边信息数量达到优化边数量上限时停止加入；

9.清空所有记录的潜在目标节点。

网络中的每个节点需周期性的更新自己记录的优化边信息，对于不再可用的优化边或其util值为0的优化边予以删除，更新优化边的主要步骤如下：

C、重复步骤B直到所有记录都被更新完毕。

图7是本发明具体实施例中，对已建立好的优化边进行筛选、更新的具体实现步骤：

1.将优化边更新统计值重置为0；

2.从根节点获得当前全局网络节点数；

3.依次取出路由表中每条优化边信息；

4.对于每一条记录的优化边重复如下操作步骤：

a)向优化边目的节点发送节点信息请求，获得其子树节点数量；

b)若收到响应，则重新计算util值；若没有响应，则删除该条记录；

c)若重新计算所得util值为0，则将该条记录删除；否则保留原记录，继续更新下一条记录；

5.直到所有优化边信息都被更新，停止。

在加入优化边后，网络中的两个节点间的路径不再唯一。其路由算法需要相应调整，其主要步骤如下：

A、以目的节点为当前目标节点，查询路由表，看是否存在与目标节点直连的优化边，如果存在，则返回当前目标节点作为路由结果；

B、如果不存在，则以目标节点的父节点为当前目标节点继续查找，直到父节点为整棵树的根节点停止；

C、如果整个过程都未找到可用的优化边，则以原树形拓扑路由算法的结果作为路由结果。

图8是本发明具体实施例中，在加入了优化边后路由选择流程图。路由选择的具体步骤如下：

1.设目的节点为当前的目标节点；

2.检查当前目标节点是否为整棵树的根节点？

3.如果步骤2的结果为是，则

a)按照原树形拓扑路由方法得到下一跳节点；

b)返回下一跳节点；

4.如果步骤2的结果为否，则查找路由表，看是否存在到目标节点的优化边？

5.如果步骤4的结果为是，则

a)当前目标节点为下一跳节点，

b)返回当前目标节点；

6.如果步骤4的结果为否，则

a)设当前目标节点的父节点为当前目标节点

b)转步骤2。

图9为加入优化边功能模块后树形拓扑覆盖网络调用路由功能模块的流程图。如图所示，本发明将优化边功能模块加入到覆盖网络原有的路由模块中，由路由功能模块触发优化边功能模块。优化边功能模块又分为优化边建立模块和优化边更新模块两部分。执行路由功能的过程和执行优化边功能的过程由不同线程完成。模块之间相互调用步骤如下：

1.数据发送主线程调用路由功能模块；

2.路由流程开始；

3.记录当前发送的目的节点作为优化边建立的潜在目标节点；

4.分别更新优化边建立和优化边更新的两个统计值；

5.根据相应统计值进行优化边建立或更新线程的触发；具体触发方式如下：

a)首先检查优化边建立统计值是否达到阈值？

b)如果步骤a)的结果为是，则触发新线程执行优化边建立流程，并返回路由模块流程，步骤6；

c)如果步骤a)的结果为否，则继续检查优化边更新统计值是否达到阈值？

d)如果步骤c)的结果为是，则触发新线程执行优化边更新流程，并返回路由流程，步骤6；如果步骤c)的结果为否，则执行路由模块流程，步骤6；

6.路由模块执行其路由选择流程；

7.路由模块返回数据发送主流程。

在本发明的具体实施例中，存放路由信息的路由表结构是以XML Schema形式定义的，具体定义如下：

<？xml version＝＂1.0＂encoding＝＂UTF-8＂？>

<schema xmlns＝＂http://www.w 3.org/2001/XMLSchema＂

targetNamespace＝＂http://act.buaa.edu.cn/InfoXp/RouteTable＂

xmlns：tns＝＂http://act.buaa.edu.cn/InfoXP/RouteTable＂>

<element name＝＂RouteItem＂

type＝＂tns:RouteItemType＂

minOccurs＝＂0＂

maxOccurs＝＂unbounded＂>

</element>

</sequence>

</complexType>

</sequence>

</complexType>

</schema>

根据上述定义的路由表结构表示一个路由表元素的方式如下：

<？xmlversion＝＂1.0＂encoding＝＂UTF-8＂？>

<tns:RouteTable xmlns:tns＝＂http://act.buaa.edu.cn/InfoXp/RouteTable＂

xmlns:xsi＝＂http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance＂

xsi:schemaLocation＝＂http://act.buaa.edu.cn/InfoXP/RouteTable

RouteTable.xsd＂>

</RouteItem>

</RouteItem>

</RouteItem>

</tns:RouteTable>

在本发明的具体实施例中，目标节点获取节点信息请求报文示例如下：

<？xml version＝＂1.0＂encoding＝＂UTF-8＂？>

<SOAP-ENV:Envelope SOAP-ENV:encodingStyle＝＂http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/＂

xmlns:SOAP-ENV＝＂http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/＂

xmlns:soapenc＝＂http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/＂

xmlns:xsd＝＂http://www.w3.org/2001/XMLSchema＂

xmlns:xsi＝＂http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance＂>

<SOAP-ENV:Body>

</NIQuery>

</receiveMessage>

</SQAP-ENV:Body>

</SOAP-ENV:Envelope>

在本发明的具体实施例中，目标节点获取节点信息响应报文示例如下：

<？xmlversion＝＂1.0＂encoding＝＂UTF-8＂？>

<SQAP-ENV:Envelope SOAP-ENV:encodingStyle＝＂http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/＂

xmlns:SOAP-ENV＝＂http://schemas.xmlsoap.org/soap/envelope/＂

xmlns:soapenc＝＂http://schemas.xmlsoap.org/soap/encoding/＂

xmlns:xsd＝＂http://www.w3.org/2001/XMLSchema＂

xmlns:xsi＝＂http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance＂>

<SOAP-ENV:Body>

</NIResponse>

</reoeiveMessage>

</SQAP-ENV:Body>

</SQAP-ENV:Envelope>

本发明的有益效果是：

1、采用了优化树路由技术之后，树形结构网络的高层节点负载明显降低，取得良好的负载平衡效果。

2、采用了优化树路由技术之后，树形结构网络中的平均时延大大降低，提高了数据传输效率。

3、采用了优化树路由技术之后，树形结构网络中高层节点的单点实效风险大大降低，网络分隔可以得到有效的恢复。

4、优化边评价指标计算方法简单，每个节点只需从目标节点获取对方子树的节点数量信息即可进行本地计算，不需其他网络开销。

5、优化算法不影响原有的路由策略，不需改变原有的路由报文结构，可以单独作为原有路由策略的补充以供选择。

6、路由选择算法不需要大量查表操作，最大查找次数为目的节点所在的层数-1，算法时间复杂度是O(N)。

纵上所述，本发明依据建立优化边的思想，对树型拓扑覆盖网络的建立和数据路由提出了完整的优化技术方案。

Claims

1、一种优化树形拓扑覆盖网络路由的方法，其特征在于：

(1)、在节点进行数据交换时，系统服务器累计节点之间的数据交换次数；

(2)、当节点之间的数据交换次数达到设定的阈值时，在由主干边组成的覆盖网络中，动态的在不相邻的节点间建立传输路径即优化边，使节点间除原有树形拓扑的边外还有能够选择的路由路径，减少数据传输时在覆盖网络中的转发跳数；

(3)、路由选择方法是：

(3a)、以目的节点为当前目标节点，查询路由表，看是否存在与当前目标节点直连的优化边，如果存在，则返回当前目标节点作为路由结果；

(3b)、如果不存在，则以当前目标节点的父节点为当前目标节点，查询路由表，当找到与当前目标节点直连的优化边，则返回当前目标节点作为路由结果；当没有找到与当前目标节点直连的优化边，则继续递归将当前目标节点的父节点作为当前目标节点来查询路由表，直到当前目标节点的父节点为整棵树的根节点停止；

(3c)、如果整个过程都未找到能够使用的优化边，则以原树形拓扑路由算法的结果作为路由结果；

其中，N为整个网络中节点的数量，其中N_u和N_v分别表示以u和v为根的子树的节点数；S_u表示以u为根节点的子树的节点集合，S_v表示以v为根节点的子树的节点集合；D(u，v)为u，v两点间的在覆盖网络中的距离；定义在覆盖网络中相邻的节点距离为零，不相邻的节点之间的距离为两点间路径上节点的数量；

在建立优化边时，依据网络中所有潜在的优化边util值的大小，优先加入util值大的优化边；

依据计算出来的反映优化边效益的util值建立优化边，其步骤如下：

A、对于每一个潜在的目标节点，进行util值的计算；

D、当建立的优化边数量达到预先设定的上限时结束。

2、根据权利要求1所述的一种优化树形拓扑覆盖网络路由的方法，其特征在于：该优化树形拓扑覆盖网络路由方法还包括对已建立的优化边进行更新的步骤；

网络中的每个节点需周期性的更新自己记录的优化边信息，对于不再能够使用的优化边或其util值为0的优化边予以删除，所述更新优化边的步骤如下：

A、节点进行数据交换时，节点之间的数据交换次数不断累加，当达到设定阈值时开始一轮更新过程；

B、依次更新路由表中所有记录，重新测试优化边的连通性，若该优化边不再能够使用或其util值为0则删除此条信息；

C、重复步骤B直到所有记录都被更新完毕。