CN101155080A - 一种网络相似域划分和路由信息复用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种网络相似域划分方法，包括：从网络中选择预定个数的节点，作为公用测试集合；通过对选定的公用测试集合进行预定的网络路径测试，计算两个节点间的网络物理路由路径相似度；以及如果计算得到的路径相似程度大于预定阈值，则将所述两个节点划分在同一相似域中。

Description

一种网络相似域划分和路由信息复用方法

技术领域

本发明涉及计算机网络，更具体地，涉及一种网络相似域划分和路由信息复用方法。在本发明中，通过分析和利用因特网的物理结构特征，将因特网划分为不同等级的相似域(Similarity Realm)，具有相似物理路由路径特性的节点被划分成为不同的相似域集合的成员节点。

背景技术

目前，采用基于IP(因特网协议)前缀(因特网自治域AS(Autonomous System))的因特网区域划分。

但是，基于IP前缀(因特网自治域AS)的因特网区域划分存在以下缺陷(参考图2和图3)：

1)具有相同IP前缀(特别是较大AS的IP前缀)的两个节点并不一定具有相似的网络物理路由路径。如图2所示，四个因特网节点的IP分别为10.100.2.3、10.100.2.10、10.100.2.133、10.100.2.200，它们属于同一个大的ISP(因特网服务供应商)，也具有相同的IP前缀10.100.2.*，但是分析其物理网络路由路径，可以发现10.100.2.3、10.100.2.10和10.100.2.133这三个节点是基本一致的，而节点10.100.2.200却使用了与其完全不同物理网络路由路径。产生这种情况的主要原因是由于这四个节点所属的ISP所覆盖的范围太大造成。

2)具有不同IP前缀的两个节点可能具有相似的网络物理路由路径。如图3所示，虽然属于不同ISP的两个节点10.100.2.3和11.110.2.133分别属于不同的自治域AS1和AS2，但由于两个节点所属的ISP之间的路由策略不同，它们通往目的节点21.10.2.31的物理网络路径是基本一致的。

3)基于IP前缀(因特网自治域AS)的因特网区域划分方法无法量化不同节点间网络物理路由路径的相似程度。

发明内容

本发明的目的是生成一个基于相似域(Similarity Realm)划分的因特网全局视图(Global view)，在该因特网全局视图的基础上构建一层覆盖层P2P(点到点)网络，以及利用相似域的对称特性，降低因特网节点在进行覆盖层网络(Overlay Network)路由的计算复杂度。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提出了一种网络相似域划分方法，包括：从网络中选择预定个数的节点，作为公用测试集合；通过对选定的公用测试集合进行预定的网络路径测试，计算两个节点间的网络物理路由路径相似度；以及如果计算得到的路径相似程度大于预定阈值，则将所述两个节点划分在同一相似域中。

优选地，采用Minimum K-median算法在网络范围中选取预定个数的节点，作为公用测试集合。

优选地，采用以下公式，计算两个节点间的网络物理路由路径相似度RSD(Si，Sj，SET)：

$\mathrm{RSD}(\mathrm{Si},\mathrm{Sj},\mathrm{SET})=\frac{2*{\mathrm{\Σ}}_{d\∈\mathrm{SET}}\mathrm{Common}(\mathrm{Si},\mathrm{Sj},d)}{{\mathrm{\Σ}}_{d\∈\mathrm{SET}}\mathrm{Total}(\mathrm{Si},\mathrm{Sj},d)}$

其中Si和Sj分别代表所述两个节点；SET代表公用测试集合；d代表公用测试集合SET中的任一测试节点；Common(Si，Sj，d)代表从Si和Sj到公用测试节点d的路径相似程度；Total(Si，Sj，d)代表从Si和Sj到公用测试节点d的总路径长度。

优选地，所述网络路径测试为Traceroute测试：对于任意d∈SET，Si到d的Traceroute结果为Route(Si，d)＝(r1，r2…rm)，Sj到d的Traceroute结果为Route(Sj，d)＝(R1，R2…Rn)，Common(Si，Sj，d)为Route(Si，d)和Route(Sj，d)中重复成员数量；Total(Si，Sj，d)为Route(Si，d)和Route(Sj，d)所有成员数量之和。

优选地，所述网络路径测试为AsTrace测试：对于任意d∈SET，Si到d的AsTrace结果为ASN(Si，d)＝(as1，as2…asm)，Sj到d的AsTrace结果为ASN(Sj，d)＝(AS1，AS2…ASn)，Common(Si，Sj，d)为ASN(Si，d)和ASN(Sj，d)中重复成员数量；Total(Si，Sj，d)为ASN(Si，d)和ASN(Sj，d)所有成员数量之和。

优选地，所述网络路径测试为Traceroute+AsTrace测试：对于任意d∈SET，Si到d的Traceroute结果为Route(Si，d)＝(r1，r2…rm)，Si到d的AsTrace结果为ASN(Si，d)＝(as1，as2…asm)，Sj到d的Traceroute结果为Route(Sj，d)＝(R1，R2…Rn)，Sj到d的AsTrace结果为ASN(Sj，d)＝(AS1，AS2…ASn)，Common(Si，Sj，d)为Route(Si，d)和Route(Sj，d)中重复成员数量+ASN(Si，d)和ASN(Sj，d)中重复成员数量；Total(Si，Sj，d)为Route(Si，d)和Route(Sj，d)所有成员数量之和+ASN(Si，d)和ASN(Sj，d)所有成员数量之和。

优选地，针对网络中的所有节点，每次两个节点地执行路径相似度地计算和相似域的划分，从而将网络划分为多个相似域。

优选地，所述网络相似域划分方法还包括：设置针对路径相似程度的多个预定阈值，所述多个预定阈值按顺序依次减小；根据所述多个预定阈值中的每一个，将网络划分为不同级别的相似域，每一级别均包括多个相似域，每一级别分别对应于所述多个预定阈值中的每一个，按照所述多个预定阈值减小的顺序，属于分别与之相对应的所述多个级别的相似域的网络半径依次增大。

根据本发明的第二方面，提出了一种路由信息复用方法，包括：针对网络中的所有节点，利用上述网络相似域划分方法，将网络划分为多个相似域；如果已知与第一相似域中的第一预定节点通过中继相似域中的预定中继节点到达第二相似域中的第二预定节点的路径有关的信息，则第一相似域中的所有成员节点均可复用由第一预定节点通往预定中继节点的路径信息；或者中继相似域中的所有成员节点均可复用由第一预定节点通往预定中继节点的路径信息；或者第一相似域中的所有成员节点和中继相似域中的所有成员节点均可复用由第一预定节点通往预定中继节点的路径信息；或者中继相似域中的所有成员节点均可复用由预定中继节点通往第二预定节点的路径信息；或者第二相似域中的所有成员节点均可复用由预定中继节点通往第二预定节点的路径信息；或者中继相似域中的所有成员节点和第二相似域中的所有成员节点均可复用由预定中继节点通往第二预定节点的路径信息；或者第一相似域中的所有成员节点、中继相似域中的所有成员节点和第二相似域中的所有成员节点均可复用由第一预定节点通过预定中继节点到达第二预定节点的路径信息。

优选地，所述中继相似域是多个中继相似域，以及所述预定中继节点是多个预定中继节点，所述多个预定中继节点由每个中继相似域中的一个预定中继节点组成。

本发明可应用于以下领域：

1)P2P文件加速传输网络

在现有P2P文件交换网络(如BT(Bit Tolerant))之上构建一层基于相似域的覆盖层网络，文件传输除了按照因特网的物理特性进行传输，还可以基于相似域的物理特性和对称性特性，通过主动选择中间相似域节点进行协同传输，从而提高P2P文件传输速度。

2)高可靠性覆盖层网络(Resilient Overlay Network)

在现有因特网物理网络基础上构建一层基于相似域的覆盖层网络，当因特网物理路径发生故障或瘫痪的时候，可以通过相似域覆盖层网络，选择性能稳定且传输时延较低的中间相似域节点进行覆盖层网络路由，在进行灾难恢复的同时，保证了高效和可靠的数据传输。

3)多路径并行流媒体数据传输

未来流媒体传输有可能将流媒体数据分成几个分段(Segment)，然后将这几个分段分开进行多路径并行传输。如果在目标端收到全部多路数据，组合在一起将得到较高质量的图像；如果只收到一路数据，则可以保证最基本的图像质量。通过在现有因特网物理网络基础上构建一层基于相似域的覆盖层网络，可以按照流媒体分段的重要性程度，为其分配不同传输质量和性能的路径进行高效协同传输。

本发明具有以下优点：

1)基于网络物理路由路径的相似域划分更加准确可靠；

2)通过调整不同区域的路径相似度阈值，实现了对相似度的量化和分级控制。

附图说明

下面将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中：

图1为基于相似域(Similarity Realm)划分方法构建的覆盖层P2P网络示例图；

图2是用于说明现有网络划分方法存在的缺陷的示意图；

图3是用于说明现有网络划分方法存在的缺陷的示意图；

图4是用于说明根据本发明的网络相似域划分方法的示意图；

图5是用于解释公用测试集合中节点数的选择的曲线图；

图6是用于说明根据本发明的分级网络相似域划分方法的示意图；以及

图7是用于说明根据本发明的路由信息复用方法的示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。所描述的各种数值并非用于限定本发明，这些数值可以根据本领域普通技术人员的需要进行任何适当的修改。

图1为基于相似域(Similarity Realm)划分方法构建的覆盖层P2P网络示例图，由图1所示，下层是因特网物理层网络，每个节点之间通过因特网物理链路和路由器进行连接；在其之上构建起P2P应用层网络中，每个对等点间通过应用层标识符和应用层路由协议进行连接，并被划分为多个不同的相似域。该相似域全局视图将协助P2P覆盖层网络中每个节点进行应用层路由。

根据本发明的网络相似域划分方法包括：

1)通过对选定的公用测试集合进行预定的网络路径测试，量化和计算不同节点间的网络物理路由路径的相似程度。测试方法可以是以下方法中的任何一种：

i.通过路径跟踪工具(如Traceroute)测量源端到目的端经过的网络物理路径；

ii.通过AS跟踪工具(如AsTrace)测量源端到目的端经过的AS路径；

iii.通过结合使用路径跟踪工具(如Traceroute)和AS跟踪工具(如AsTrace)测量源端到目的端经过AS路径信息以及每个AS中经过的不同物理路径信息。

2)通过采用不同大小的相似度阈值进行调控，将因特网节点划分为不同规模的多级相似域区间。

下面，将结合图4～图6对根据本发明的网络相似域划分方法进行描述。

1)Route Similarity区域节点划分机制

i.参考图4，设置Route Similarity测试集合，选择N个节点作为公用测试集合General Destination Set，其中，测试集合GeneralDestination Set节点的选取应该采用Minimum K-median算法在网络范围中选取。

参考图5，示出了公用测试集合中节点数的选择的曲线图。公用测试集合节点个数N的选择上，根据大量测试的分析结果，同时为了降低测量的计算量，可以看到个数选择10-20个为最佳。

ii.路径相似度RSD(Route Similarity Degree)计算公式如下，：

$\mathrm{RSD}(\mathrm{Si},\mathrm{Sj},\mathrm{SET})=\frac{2*{\mathrm{\Σ}}_{d\∈\mathrm{SET}}\mathrm{Common}(\mathrm{Si},\mathrm{Sj},d)}{{\mathrm{\Σ}}_{d\∈\mathrm{SET}}\mathrm{Total}(\mathrm{Si},\mathrm{Sj},d)}$

其中Si和Sj分别代表两个进行相似域计算的节点；SET代表公用测试对象集合；d代表公用测试集合SET中的某个测试节点；Common(Si，Sj，d)代表从Si和Sj到公用测试节点d的路径相似程度；Total(Si，Sj，d)代表从Si和Sj到公用测试节点d的总路径长度；基于三种不同的网络测试方法，Common(Si，Sj，d)和Total(Si，Sj，d)形式如表1所示：

表1

	Common(Si，Sj，d)	Total(Si，Sj，d)
			Traceroute	1.对于任意d∈SETSi到d的Traceroute结果：Route(Si，d)＝(r1，r2...rm)Sj到d的Traceroute结果：Route(Sj，d)＝(R1，R2...Rn)2.Common(Si，Sj，d)为Route(Si，d)和Route(Sj，d)中重复成员数量	1.对于任意d∈SETSi到d的Traceroute结果：Route(Si，d)＝(r1，r2...rm)Sj到d的Traceroute结果：Route(Sj，d)＝(R1，R2...Rn)2.Total(Si，Sj，d)为Route(Si，d)和Route(Sj，d)所有成员数量之和
AsTrace	1.对于任意d∈SETSi到d的AsTrace结果：ASN(Si，d)＝(as1，as2...asm)Sj到d的AsTrace结果：ASN(Sj，d)＝(AS1，AS2...ASn)2.Common(Si，Sj，d)为ASN(Si，d)和ASN(Sj，d)中重复成员数量	1.对于任意d∈SETSi到d的AsTrace结果：ASN(Si，d)＝(as1，as2...asm)Sj到d的AsTrace结果：ASN(Sj，d)＝(AS1，AS2...ASn)2.Total(Si，Sj，d)为ASN(Si，d)和ASN(Sj，d)所有成员数量之和
			Traceroute+AsTrace	Common(Si，Sj，d)为通过Traceroute和AsTrace方法计算出Route和ASN集合中重复成员数量之和	Total(Si，Sj，d)为通过Traceroute和AsTrace方法计算出Route和ASN集合中所有成员数量之和

iii.根据应用需求，设定初始阈值Γ，RSD值大于Γ的节点Si和Sj将被划分为同一个相似域。基于初始阈值Γ的大小不同，因特网中的节点将被划分为不同的相似域空间。

2)分级Route Similarity区域划分机制

本发明将不同节点针对测试集的、预定网络路径测试的结果信息集中保存在一个服务器上，并分别计算各个节点的Route Similarity程度，基于Route Similarity值的大小将这些节点归并为不同的相似区域节点集合(Similarity Realm)。

本发明提出了一种具有高度可调整性和可扩展性的多层分级式相似域SR(Similarity Realm)划分机制：

1.首先确定不同物理路由路径相似度(Route Similarity)阈值(如RS_Level 1、RS_Level 2、RS_Level 3...RS_Level K等)，其中，RS_Level 1是最大的路径相似度(Route Similarity)阈值，路径相似度阈值RS_Level 2、RS_Level 3..RS_Level K依次减小；

2.根据不同的阈值，划分出不同级别的相似域SC(如分别对应于上述路径相似度阈值RS_Level 1、RS_Level 2、RS_Level3...RS_Level K，得到相似域SC_Level 1、SC_Level 2、SC_Level3...SC_Level K)，其中是SC_Level 1的网络半径最小，SC_Level 2、SC_Level 3..SC_Level K的网络半径依次增大(如图6所示)；

3.当一个节点在某个相似域SC中选择路径相似节点时，根据不同的应用需求，可以通过调整路径相似度(Route Similarity)阈值的方法，将相似域节点选择范围扩展到不同级别的相似域SR(Similarity Realm)中，从而将路径相似节点选择的范围扩大，依次类推，以便找到所需的最佳节点和路径。

3)相似域信息在路由过程中的使用

假设存在三个已划分完毕的相似域空间S、R和D，其成员节点分别为{S1，S2...Sm}、{R1，R2...Rw}、{D1，D2...Dt}，其中m、w和t分别为三个相似域中节点的个数；且已知源相似域S中某个成员节点Si(i＝1到m)通过中继相似域R中某个成员节点Rj(j＝1到w)，到达目标相似域D中某个成员节点Dk(k＝1到t)的路径<Si，Rj，Dk>的相关信息。

i.源相似域间路径信息的利用：

由于源相似域的所有成员节点同样具有路径相似度特性，则由Si通往节点Rj的路径信息可以被相似域S所有成员节点{S1，S2...Sm}复用，即已知<Si，Rj>→<S，Rj>；

ii.中继相似域间路径信息的利用：

由于中继相似域的成员节点同样具有路径对称(RouteSymmetric)特性，则由Si通往节点Rj的路径信息可以被中继相似域R中任何成员节点{R1，R2...Rw}复用即已知<Si，Rj>→<Si，R>；根据i的结论，可以推出<Si，Rj>→<S，R>；

iii.目标相似区域信息的利用：

由于目标相似域的成员节点同样具有路径对称(RouteSymmetric)特性，因此假设已知源相似域S中某个成员节点Si通过中继相似域R中某个成员节点Rj，到达目标相似域D中某个成员节点Dk的路径<Si，Rj，Dk>的相关信息，则该路径信息可以被目标相似域D中任何成员节点{D1，D2...Dt}复用，即已知<Si，Rj，Dk>→<Si，Rj，D>；

iv.源-中继-目的节点完整路径信息在相似域区间的利用：

由ii、iii可以推出，从源节点Si到目的节点Dk的路径信息可以被源、中继和目标相似域中任何成员节点{S1，S2...Sm}、{R1，R2...Rw}、{D1，D2...Dt}复用，即<Si，Rj，Dk>→<S，R，D>。

v.多跳相似域间路径信息的利用：

假设从源相似域S中某个成员节点Si到达目标相似域D中某个成员节点Dk，中间路径经过了多个中继节点Rj、R’j’、R”j”...，则根据i、ii、iii、iv可以推出，经过多跳相似域的路径信息如<Si，Rj，R’j’，R”j”...Dk>，均可以被源、中继和目标相似域中任何成员节点{S1，S2...Sm}、{R1，R2...Rw}、{R’1，R’2...R’u}...{D1，D2...Dt}复用，即<Si，Rj，R’j’，R”j”...，Dk>→<S，R，R’，R”...D>。

最后所应说明的是：以上实施例仅仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，这些修改或替换均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种网络相似域划分方法，包括：

从网络中选择预定个数的节点，作为公用测试集合；

通过对选定的公用测试集合进行预定的网络路径测试，计算两个节点间的网络物理路由路径相似度；以及

如果计算得到的路径相似程度大于预定阈值，则将所述两个节点划分在同一相似域中。

2.根据权利要求1所述的网络相似域划分方法，其特征在于采用Minimum K-median算法在网络范围中选取预定个数的节点，作为公用测试集合。

3.根据权利要求1所述的网络相似域划分方法，其特征在于采用以下公式，计算两个节点间的网络物理路由路径相似度RSD(Si，Sj，SET)：

$\mathrm{RSD}(\mathrm{Si},\mathrm{Sj},\mathrm{SET})=\frac{2*{\mathrm{\&Sigma;}}_{d\&Element;\mathrm{SET}}\mathrm{Common}(\mathrm{Si},\mathrm{Sj},d)}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{d\&Element;\mathrm{SET}}\mathrm{Total}(\mathrm{Si},\mathrm{Sj},d)}$

其中Si和Sj分别代表所述两个节点；SET代表公用测试集合；d代表公用测试集合SET中的任一测试节点；Common(Si，Sj，d)代表从Si和Sj到公用测试节点d的路径相似程度；Total(Si，Sj，d)代表从Si和Sj到公用测试节点d的总路径长度。

4.根据权利要求3所述的网络相似域划分方法，其特征在于所述网络路径测试为Traceroute测试：

对于任意d∈SET，

Si到d的Traceroute结果为Route(Si，d)＝(r1，r2…rm)，

Sj到d的Traceroute结果为Route(Sj，d)＝(R1，R2…Rn)，

Common(Si，Sj，d)为Route(Si，d)和Route(Sj，d)中重复成员数量；

Total(Si，Sj，d)为Route(Si，d)和Route(Sj，d)所有成员数量之和。

5.根据权利要求3所述的网络相似域划分方法，其特征在于所述网络路径测试为AsTrace测试：

对于任意d∈SET，

Si到d的AsTrace结果为ASN(Si，d)＝(as1，as2…asm)，

Sj到d的AsTrace结果为ASN(Sj，d)＝(AS1，AS2…ASn)，

Common(Si，Sj，d)为ASN(Si，d)和ASN(Sj，d)中重复成员数量；

Total(Si，Sj，d)为ASN(Si，d)和ASN(Sj，d)所有成员数量之和。

6.根据权利要求3所述的网络相似域划分方法，其特征在于所述网络路径测试为Traceroute+AsTrace测试：

对于任意d∈SET，

Si到d的Traceroute结果为Route(Si，d)＝(r1，r2…rm)，

Si到d的AsTrace结果为ASN(Si，d)＝(as1，as2…asm)，

Sj到d的Traceroute结果为Route(Sj，d)＝(R1，R2…Rn)，

Sj到d的AsTrace结果为ASN(Sj，d)＝(AS1，AS2…ASn)，

Common(Si，Sj，d)为Route(Si，d)和Route(Sj，d)中重复成员数量+ASN(Si，d)和ASN(Sj，d)中重复成员数量；

Total(Si，Sj，d)为Route(Si，d)和Route(Sj，d)所有成员数量之和+ASN(Si，d)和ASN(Sj，d)所有成员数量之和。

7.根据权利要求1所述的网络相似域划分方法，其特征在于针对网络中的所有节点，每次两个节点地执行路径相似度地计算和相似域的划分，从而将网络划分为多个相似域。

8.根据权利要求7所述的网络相似域划分方法，其特征在于还包括：

设置针对路径相似程度的多个预定阈值，所述多个预定阈值按顺序依次减小；

根据所述多个预定阈值中的每一个，将网络划分为不同级别的相似域，每一级别均包括多个相似域，每一级别分别对应于所述多个预定阈值中的每一个，按照所述多个预定阈值减小的顺序，属于分别与之相对应的所述多个级别的相似域的网络半径依次增大。

9.一种路由信息复用方法，包括：

针对网络中的所有节点，利用根据权利要求1所述的网络相似域划分方法，将网络划分为多个相似域；

如果已知与第一相似域中的第一预定节点通过中继相似域中的预定中继节点到达第二相似域中的第二预定节点的路径有关的信息，

则

第一相似域中的所有成员节点均可复用由第一预定节点通往预定中继节点的路径信息；或者

中继相似域中的所有成员节点均可复用由第一预定节点通往预定中继节点的路径信息；或者

第一相似域中的所有成员节点和中继相似域中的所有成员节点均可复用由第一预定节点通往预定中继节点的路径信息；或者

中继相似域中的所有成员节点均可复用由预定中继节点通往第二预定节点的路径信息；或者

第二相似域中的所有成员节点均可复用由预定中继节点通往第二预定节点的路径信息；或者

中继相似域中的所有成员节点和第二相似域中的所有成员节点均可复用由预定中继节点通往第二预定节点的路径信息；或者

第一相似域中的所有成员节点、中继相似域中的所有成员节点和第二相似域中的所有成员节点均可复用由第一预定节点通过预定中继节点到达第二预定节点的路径信息。

10.根据权利要求9所述的路由信息复用方法，其特征在于所述中继相似域是多个中继相似域，以及所述预定中继节点是多个预定中继节点，所述多个预定中继节点由每个中继相似域中的一个预定中继节点组成。

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