CN101267450A - 基于网络编码的分布式网络应用层组播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于网络编码的分布式网络应用层组播路由方法。它是针对单信源多信宿的分布式网络上的数据分发，在源节点和每个目的节点之间建立起多条互不相交的数据分发路径，每条分发路径可以根据接入带宽最大、传输时延最小、传输成本最低等不同原则分别建立。同时，每个目的节点都可以作为其它目的节点的中间节点参与组播路径的建立。对于不同目的节点的公共链路，则在与公共链路相连接的节点上，对多路数据流进行随机线性网络编码，避免数据流之间的传输碰撞与冲突。本发明具有有效提高分布式网络组播通信传输容量，提高网络资源使用效率，同时降低网络传输总体成本等优点。

Description

基于网络编码的分布式网络应用层组播路由方法

技术领域

本发明涉及的是一种分布式网络的应用层组播路由方法，主要是应用网络编码技术来提高分布式网络组播通信传输容量的路由方法。

技术背景

互联网上的大规模媒体存储与发布普遍是基于传统的客户机/服务器(C/S)系统架构，这种集中式的分发模型容易造成中央服务器的过量负载，直接导致网络吞吐量的下降，并且一旦中央服务器出现故障将直接导致整个传输体系瘫痪。随着视频点播、网络电视、远程教育等多媒体服务飞速发展，中央服务器的带宽瓶颈问题日益凸显，以致集中式的分发模型逐步向基于P2P覆盖网络(overlay network)架构的分布式结构过渡。

IP层组播是面向组通信应用的，被认为是大规模数据分发的最佳方法。然而IP组播增加了网络层的复杂性，而且需要对现有网络的底层设备进行巨大改动，至今IP层组播仍然无法被广泛部署。由此，由客户机自组织虚拟逻辑构造P2P覆盖网络的应用层组播技术成为发展的热点。应用层组播的主要思想在于把以往IP层组播中路由器所起的部分功用(主要是数据分组的复制和路由选择等)上移，由处于应用层中的端系统来完成，在网络层依旧遵循IP单播的模式，大大简化了实现细节，无需改变底层网络的物理结构，提高了网络的可扩展性。

网络信息理论的研究指出：在组播通信中，每个接收节点可以以网络拓扑中信源发送点与信宿接收点之间的最大流容量进行信息传递。然而，从信源到不同信宿之间的最大流经过的传输路径可能在网络拓扑的链路上形成交叉共享链路，因此采用传统的存储转发模式无法达到最大流最小割的理论上限。网络编码，作为一种协同工作的理念，将原先分立于物理层和网络层的两个核心概念——编码和路由有机地融为一体，通过在中间节点中进行传递信息的编码组合运算，建立起一种异于传统存储转发的全新网络信息传输模式。作为覆盖网络节点的终端系统，有远远超出网络交换设备的能力，不仅可以对数据进行存储转发，而且能够对数据进行编码组合运算，这为网络编码在覆盖网络上的应用提供了技术支撑。对于单信源多信宿网络，已经证明网络编码可以趋于组播容量区间。

本发明在分布式网络的组播通信中运用随机线性网络编码技术，在中间节点对发往不同目的节点的多路数据流进行编码组合再转发，以避开数据流对链路的竞争冲突，提高组播通信的吞吐量。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于网络编码的应用层组播路由方法，提高组播通信的传输容量，降低网络传输的总体成本。

为达到上述目的，本发明的构思是：针对单信源多信宿的分布式网络上的数据分发，在源节点和每个目的节点之间建立起多条互不相交的数据分发路径，每条分发路径可以根据接入带宽最大、传输时延最小、传输成本最低等不同原则分别建立。同时，每个目的节点都可以作为其它目的节点的中间节点参与组播路径的建立。对于不同目的节点的公共链路，则在与公共链路相连接的节点上，对多路数据流进行随机线性网络编码，以提高组播通信的传输容量，同时降低网络传输的总体成本。

考虑到覆盖网络中的终端系统不仅具备存贮转发的功能，而且可以对收到的数据分组进行网络编码。因此在建立数据分发时，可以为每一个目的节点建立多条互不相交的传输路径，构建用于数据分发的组播拓扑图。与此同时引入链路状态优化更新机制进一步提高网络的性能和资源使用效率。

所述的组播拓扑图，是按照一定的最佳原则，包括接入带宽最大、传输时延最小、传输成本最低等选择最优的链路建立数据传输通道的集合。在组播图的瓶颈链路上则进行线性网络编码。建立组播路径时，将覆盖网络抽象为有向图G(V，E)，其中V是终端系统节点集合，根据终端系统节点在网络中的功能不同，可以分成源节点、中间转发节点和目的节点三类。E是节点之间的链路集合，对于每条链路都有相应的权值：传输带宽和时延。源节点完成对信源数据的采集和编码功能，中间节点实现数据的编码和转发功能，目的节点除了接收所需的数据分组外，也能够完成中间节点的数据转发功能。本发明中的组播拓扑图是以在源节点和目的节点之间建立两条传输路径为例展开说明，并且两条路径在建立过程中分别遵循最大接入带宽和最小传输时延原则。两条传输路径的组播拓扑图是按以下步骤完成的：

1、首先进行初始化。组播拓扑图中只有源节点作为根节点，没有目的节点的加入，如图1所示。

2、为申请加入的目的节点建立传输路径，先按接入带宽最大原则，搜寻与其邻接的节点，选择其中能提供接入带宽最大的节点作为其父节点。考虑到目的节点也可以提供数据转发功能，在加入组播图时，目的节点既可以连接中间节点构建通路，也可以通过共用其他目的节点的链路进行数据传输。一旦目的节点与源节点之间的传输路径建立完成，对路径上各条链路的状态进行优化更新，使得链路可以被更多其他节点共享使用。链路状态的优化更新包括更新衰减链路成本参数和链路延时参数，其中衰减链路成本参数的更新按照公式(1)实现，链路延时参数的更新按照公式(2)实现。

cost(u)＝cost(u)·1/1+λk            (1)

delay(u)＝delay(u)·1/1+λk          (2)

此处，k是与当前节点邻接的且尚未加入组播图的节点数量，λ是可调系数。

3、为目的节点建立第二条数据传输路径，按网络传输时延最小原则，搜寻与其邻接的且不在第一条路径上的节点，选择其中传输时延最小的节点作为上一级父节点。类似于第一条路径建立过程，通过循环搜索找到通向源节点的路径，并对路径上的链路进行状态优化更新。

在这种方式下，路径的建立是通过尽可能多的利用不同目的节点之间的链路共用来降低网络的总体传输成本。另外，由于要在组播中使用网络编码技术来提高传输容量，每一个目的节点到源节点的数据传输路径，必须仔细选择并保证多条路径之间不会共用同一条链路。对于不同目的节点的路径则存在链路的共用，这些共用的链路被定义为“瓶颈链路”。瓶颈链路的存在会影响整个网络吞吐量的大小。将网络编码技术应用在与瓶颈链路相连接的节点上，节点把收到的来自上级节点的数据分组进行有限域内线性组合，就可以消除瓶颈链路对整个网络的影响，使得每个数据接收的目的节点可以相互共享这个网络资源，避免了不同数据分组之间的竞争碰撞。

根据上述的发明构思，本发明的技术方案如下：

一种基于网络编码的应用层组播路由方法，其特征在于，针对单信源多信宿的分布式数据分发网络，结合网络编码技术，在源节点和每个目的节点之间依据多种原则建立起多条互不相交的数据分发路径，构建端到端的数据分发组播拓扑图；而且，每个目的节点都作为其它目的节点的中间节点参与组播路径的建立。同时引入了链路状态优化更新机制，实现组播通信的最大容量和最小成本。

上述的源节点和每个目的节点之间建立多条互不相交的数据分发路径的多种原则，包括：根据接入带宽最大、或传输时延最小、或传输成本最低原则；根据网络规划的不同需求，多条路径的建立原则相同或者不同；若是两条传输路径，其中第一条路径考虑接入带宽最大，第二条路径考虑传输时延最小；所述的构建端到端的数据分发组播拓扑图的步骤如下：

步骤1：客户端申请加入组播组，首先从与其邻接的节点获取相应的链路状态信息；

步骤2：根据链路的当前状态，在建立第一条数据分发路径时，选择能够提供最大接入带宽的邻接节点作为其父节点；

步骤3：所选定的父节点如果是组播图中的源节点，则执行步骤4，否则继续执行步骤2；

步骤4：目的节点和源节点之间的传输路径建立完成后，优化修改新加入组播图的所有路径的链路状态，使得链路能够为更多的目的节点所共用；

步骤5：根据链路的状态，为同一目的节点建立第二条数据分发路径，选择链路不在第一条路径上，并且能够使传输时延达到最小的邻接节点作为其父节点；

步骤6：所选定的父节点如果是组播图中的源节点，则执行步骤7，否则继续执行步骤5；

步骤7：第二条传输路径建立完成后，优化更新新加入组播图的所有路径的链路状态，使得链路能够为更多的目的节点所共用。

在源节点和每个目的节点之间建立多条互不相交的数据分发路径时，分发路径的传输总容量以不超过源节点到目的节点的最大流最小割为上限。

上述的链路状态优化更新机制包括更新衰减链路成本参数和链路延时参数，其中衰减链路成本参数的更新按照公式cost(u)＝cost(u)·1/1+λk实现，链路延时参数的更新按照公式delay(u)＝delay(u)·1/1+λk实现，式中k是与当前节点邻接的且尚未加入组播树的节点数量，λ是可调系数。

从源节点到不同目的节点的传输路径存在公共链路，即瓶颈链路，在瓶颈链路上运用随机线性网络编码技术解决多路数据流的传输碰撞与冲突。

本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：

本发明的基于网络编码的分布式网络应用层组播路由方法，将网络编码技术应用到P2P覆盖网络中，将流入网络节点的各路数据流进行编码组合成新的数据流，使得原来的多路数据流可以同时在网络中传输，从而节约了网络资源的利用率，提高了整个网络的吞吐量。另外，目的节点的自主加入方式和链路优化更新机制使得整个网络的链路被更多的节点共用，降低了网络传输的总成本，提高了网络资源的使用率。本发明方法广泛适用于分布式网络环境下的大规模内容分发的路由路径建立。

附图说明

图1本发明的具体操作流程图。

图2本发明实施例的结构示意图。

图3本发明与其它方法比较的性能示意图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图说明如下：

下面首先介绍一下本发明所涉及的相关术语。

组播拓扑图：不同于传统组播转发树只存在唯一的路径连接源节点和目的节点。在组播拓扑图中，目的节点到源节点的路径可以是多条，路径的总数量以传输总容量不超过源节点到目的节点的最大流最小割为上限。而此处本发明是以两条路径为例展开的。源节点到目的节点存在多条路径，网络编码才能发挥作用，使得目的节点可以收到不相关的多路数据，从而使得解码成为可能。

节点类型：覆盖网络中的端系统节点按照功能不同可分成三类：源节点、中间转发节点和目的节点。在本发明中目的节点同样能完成中间节点的转发数据功能，使得目的节点也可以在网络中起到中间节点的作用，从而进一步节省了网络资源。新的目的节点要求加入组播组可以通过接入邻近的中间节点，也可以通过公用组播组中的目的节点来实现。

不相交路径：对于同一个目的节点存在多条传输路径，每条路径之间不相交就表明各条路径之间不存在公用的网络链路。不相交保证了多路数据传输到同一节点时不会有时间上的竞争。

瓶颈链路：流入任一中间节点的数据流大于流出它的数据流，则存在瓶颈链路。解决瓶颈链路对数据传输的限制的方法就是在具有瓶颈链路的节点上进行网络编码，而后转发编码之后的数据流。

图1为本实施例的流程图。如图1所示，本实施例包括如下步骤：

步骤1：客户端申请加入组播组，首先从与其邻接的节点获取相应的链路状态信息；

步骤2：根据链路的当前状态，在建立第一条数据分发路径时，选择能够提供最大接入带宽的邻接节点作为其父节点；

步骤3：所选定的父节点如果是组播图中的源节点，则执行步骤4，否则继续执行步骤2，直至完整建立好一条通往源节点的传输路径；

步骤4：目的节点和源节点之间的传输路径建立完成后，优化更新新加入组播图的所有路径的链路状态，包括衰减链路成本参数和链路延时参数，使得链路为更多的目的节点所共用；

步骤5：根据链路的状态，为同一目的节点建立第二条数据分发路径，选择链路不在第一条路径上，并且能够使传输时延达到最小的邻接节点作为其父节点；

步骤6：所选定的父节点如果是组播图中的源节点，则执行步骤7，否则继续执行步骤5，直至完整建立好一条通往源节点的传输路径；

步骤7：第二条传输路径建立完成后，优化更新新加入组播图的所有路径的链路状态，包括衰减链路成本参数和链路延时参数，使得链路为更多的目的节点所共用。

图2为本实施例的结构示意图。图2(a)表示的是数据分组在源节点处被采集，初始化时，组播拓扑图中只有源节点，其他目的节点并未加入组播组。当目的节点申请加入组播组，则按照图1流程的7个步骤为其建立两条互不相交的路径。如图2(b)所示的两条路径，其中U10是申请加入的目的节点。目的节点除了作为数据接收者，同样可以作为中间节点完成对数据的存贮、处理和转发功能。因此，对于新申请加入的目的节点，它既可以通过共用组播图中的其它目的节点，也可以通过接入与其邻接的中间节点来加入组播拓扑图。图2(c)所示的就是目的节点U11通过共用目的节点U10的路径建立一条传输路径，通过接入中间节点U6建立另一条路径。

图2(d)给出了目的节点U9和U10的两条路径，两条细线表示的路径是到目的节点U9，两条粗线表示的是到目的节点U10。对于不同的目的节点，存在瓶颈链路(S，U1)、(U6，U10)，只需在节点S和节点U6处进行网络编码即可解决数据碰撞的问题。

图3是本实施例与其它同类算法的性能比较。考虑到DDSP(目的驱动的最短路径树算法)是一种基础且被广泛运用的组播路由算法，因此选择将本发明方法与DDSP算法进行比较。假设网络中节点数目是动态变化的，图3(a)给出了两者在网络吞吐量方面的比较。从图中可以明显得到，本发明可以有效地提高网络的吞吐量。假设网络规模在固定的中，目的节点的数目动态变化，两者间的网络吞吐量的比较于图3(b)，可以看出，本发明同样也获得了较好的网络带宽，表现出了其优越性。

Claims (5)

1.基于网络编码的分布式网络应用层组播路由方法，其特征在于，针对单信源多信宿的分布式数据分发网络，结合网络编码技术，在源节点和每个目的节点之间依据多种原则建立起多条互不相交的数据分发路径，构建端到端的数据分发组播拓扑图；而且，每个目的节点都作为其它目的节点的中间节点参与组播路径的建立。同时引入了链路状态优化更新机制，实现组播通信的最大容量和最小成本。

2.根据权利要求1所述的基于网络编码的分布式网络应用层组播路由方法，其特征在于：所述的源节点和每个目的节点之间建立多条互不相交的数据分发路径的多种原则，包括：根据接入带宽最大、或传输时延最小、或传输成本最低原则；根据网络规划的不同需求，多条路径的建立原则相同或者不同；若是两条传输路径，其中第一条路径考虑接入带宽最大，第二条路径考虑传输时延最小；所述的构建端到端的数据分发组播拓扑图的步骤如下：

步骤1：客户端申请加入组播组，首先从与其邻接的节点获取相应的链路状态信息；

步骤2：根据链路的当前状态，在建立第一条数据分发路径时，选择能够提供最大接入带宽的邻接节点作为其父节点；

步骤3：所选定的父节点如果是组播图中的源节点，则执行步骤4，否则继续执行步骤2；

步骤4：目的节点和源节点之间的传输路径建立完成后，优化修改新加入组播图的所有路径的链路状态，使得链路能够为更多的目的节点所共用；

步骤5：根据链路的状态，为同一目的节点建立第二条数据分发路径，选择链路不在第一条路径上，并且能够使传输时延达到最小的邻接节点作为其父节点；

步骤6：所选定的父节点如果是组播图中的源节点，则执行步骤7，否则继续执行步骤5；

步骤7：第二条传输路径建立完成后，优化更新新加入组播图的所有路径的链路状态，使得链路能够为更多的目的节点所共用。

3.根据权利要求1所述的基于网络编码的分布式网络应用层组播路由方法，其特征在于：在源节点和每个目的节点之间建立多条互不相交的数据分发路径时，分发路径的传输总容量以不超过源节点到目的节点的最大流最小割为上限。

4.根据权利要求1所述的基于网络编码的分布式网络应用层组播路由方法，其特征在于：所述的链路状态优化更新机制包括更新衰减链路成本参数和链路延时参数，其中衰减链路成本参数的更新按照公式cost(u)＝cost(u)·1/1+λk实现，链路延时参数的更新按照公式delay(u)＝delay(u)·1/1+λk实现，式中k是与当前节点邻接的且尚未加入组播树的节点数量，λ是可调系数。

5.根据权利要求1所述的基于网络编码的分布式网络应用层组播路由方法，其特征在于：从源节点到不同目的节点的传输路径存在公共链路，即瓶颈链路，在瓶颈链路上运用随机线性网络编码技术解决多路数据流的传输碰撞与冲突。

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