CN101309213B - 一种路径切换方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路径切换方法及系统。该方法包括下列步骤：根据业务性能要求，设置参数，变化门限步长值，触发上门限值，触发下门限值，最大门限值和初始衰减因子，同时对各条网络路径性能进行监测；探测当前路径性能，根据探测结果，决定是否立即切换路径；门限值进行衰减，在衰减期问，继续监测原有路径的性能，进行路径切换。该系统包括：参数设置模块，用于根据业务性能要求设置参数；路径监测模块，用于监测当前路径性能，并根据监测结果，传给路径切换模块；计时器，用于在路径切换过程中进行计时；以及路径切换模块，用于根据路径监测模块的监测结果，决定是否进行路径切换，并采取相应措施。

Description

一种路径切换方法及系统

技术领域

本发明涉及计算机网络领域，特别是涉及一种路径切换方法及系统。

背景技术

随着网络规模的迅速扩展，为满足传统应用和新兴业务不断增长的需求，互联网正面临着许多迫切需要解决的问题，同时其自身结构也在进行着不断的演化和发展。

在大量高带宽需求的新兴业务如视频交互、IPTV、网络游戏等应用的驱动下，传统互联网的带宽瓶颈位置正悄然发生迁移，Aditya等人的研究统计表明，由于小区宽带与ADSL技术的大量普及，现有互联网的流量拥塞发生位置已形成域间链路、域内链路等概率分布的情况。

作为传统Internet网最核心的路由协议-边界网关协议(Border GatewayProtocol，BGP)，是目前Internet最主要的域间路由协议，其路由正确性和稳定性直接关系到Internet能否正常运行。作为一个域间路由协议，BGP协议必须支持策略路由，允许各个自治系统独立的制定他们的路由策略，而且允许这些策略优先于路径尺度。由于各个自治系统制定策略的角度不同，这些路由策略之间可能存在冲突，从而导致BGP协议发散及路由振荡。此外，BGP协议本身也存在一些内在机制的不完善，并可能导致在某些情况下路由不收敛或收敛速度缓慢。随着网络规模越来越大，拓扑越来越复杂，BGP路由收敛问题日趋严重。

近年来，大量研究者们提出采用在协议层架设覆盖网络(Overlay)的方式，来绕过某些低效的BGP路径以提升端到端的连接性能，缩短故障恢复时间。

在Detour和RON等典型的Overlay技术中，研究者们已通过建设相应的实验网，验证了采用Overlay网络相对BGP在快速响应、故障恢复、业务QoS保证等方面的巨大优势。但迄今为止，现有Overlay技术方案在进行路径转换时均很少涉及对终端的处理，部分只能在路由器上部署规划的技术方案，扩展性和灵活性都较差，难以满足网络兼容性与过渡性的要求。

而支持终端转发的Overlay技术方案，在如何解决路径性能抖动与终端的不稳定等问题上同样一直存在瓶颈。现有的支持终端转发的Overlay网络采用发生故障→切换至新路径；故障恢复→切换回原有路径的简单方式。这种方式在网络性能不稳定的情况下，路径频繁切换对性能产生较大的影响，并且无法兼顾故障的快速恢复性能。

同样地，以太网传输过程中的冲突避免处理等一些协议流程，也同样存在着路径震荡及收敛速度缓慢的问题。因此，如何快速地进行网络路由的路径切换，是网络系统中迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种路径切换方法及系统，其能够避免按即时通断进行路径切换的传统处理方式在网络性能不稳定时产生的巨大切换开销，同时又保证了切换的及时性。

为实现本发明的目的而提供的一种路径切换方法，用于在网络性能不稳定的情况下，对路径进行切换，包括下列步骤：

A.探测当前路径性能，并根据探测结果，决定是否立即切换到备用路径；

B.在立即切换到备用路径后，门限值Th以指数方式进行衰减，在衰减期间，根据监测原有路径的性能变化，采用双门限机制，使系统对不频繁的路径性能抖动进行路径切换；而对频繁的路径性能抖动，在门限值超出上门限值后，则切换门限值，待切换后的门限值衰减回下门限值后，才再次进行路径切换。

所述步骤A之前还包括：步骤A’.根据业务性能要求设置参数：变化门限步长值Thstep，触发上门限值Thup，触发下门限值Thdown，最大门限值Thmax和初始衰减因子τ0，同时对各条网络路径性能进行监测。

所述步骤A包括步骤：

步骤A1.若当前路径发生性能恶化或失效，必须进行路径切换，则立即切换至备用路径，并启动计时器，同时初始化参数，将所述Th初始化为Thstep，衰减因子τ初始化为τ0，并同时监测原有路径的性能；

步骤A2.若当前路径性能良好，则继续监测当前路径。

所述步骤B包括步骤：

步骤B1.Th以Th^1-τ×t方式衰减，在衰减期间，判断原有路径是否发生抖动变化；

步骤B2.若原有路径没有发生抖动变化，则判断当前Th是否小于Thdown；

步骤B3.若原有路径发生抖动变化，则设置Th等于当前Th加上Thstep作为新的Th，并继续以Th^1-τ×t方式衰减，同时计时器归零；

步骤B4.判断新的Th是否大于Thup，若是，则执行步骤B5；否则返回步骤B2；

步骤B5.判断新的Th是否大于Thmax，设置Th，并返回步骤B1。

所述步骤B2包括步骤：

步骤B21.若当前Th小于Thdown，则判断原有路径性能是否恢复，如恢复，则切换回原有路径；否则，返回步骤B1；

步骤B22.若当前Th不小于Thdown，则直接返回步骤B1。

所述步骤B5包括步骤：

步骤B51.若新的Th大于Thmax，则设置新的Th等于该Thmax，衰减因子τ维持原值不变，返回步骤B1；

步骤B52.若新的Th不大于Thmax，则新的Th不变，同时将衰减因子τ乘2，返回步骤B1。

为实现本发明的目的还提供一种路径切换系统，包括：

参数设置模块，用于根据业务性能要求设置参数；

路径监测模块，用于监测当前路径性能，并根据监测结果，传给路径切换模块；

计时器，用于在路径切换过程中进行计时；

路径切换模块，用于根据路径监测模块的监测结果，采用双门限与指数衰减机制，使系统对不频繁的路径性能抖动进行路径切换；而对频繁的路径性能抖动，在门限值超出上门限值后，则切换门限值，待切换后的门限值衰减回下门限值后，才再次决定并进行路径切换。

所述路径切换模块包括：判断子模块，用于判断所述参数与所述路径监测模块的监测结果的关系，发出相应设置信号。

所述参数包括变化门限步长值Thstep，触发上门限值Thup，触发下门限值Thdown，最大门限值Thmax和衰减因子τ。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的路径切换方法及系统，与现有Overlay技术中采用的简单切换或单门限控制切换相比，可以有效避免在网络性能不稳定的情况下，系统所产生的振荡切换开销。特别在承载对路径性能要求较高的实时媒体业务时，当网络性能不稳定，传统处理方式会发生路径来回切换的振荡，根本无法维持有效的稳定连接，而使用本发明中的算法，可以较充分的保证路径的稳定性；

2.由于本发明采用了倍增指数衰减方法，当路径趋向稳定时，相对某些传统的常指数衰减方式，具有更快速的收敛效果；

3.本发明不仅适用于Overlay网络中的终端路径切换，也可用于现有的路由收敛处理、以太网传输冲突避免处理等有振荡抑制及高效收敛性需求的协议流程，具有相当广阔的应用前景。

附图说明

图1是基于双门限可变指数衰减控制的路径切换算法应用流程图；

图2是RON原理图；

图3(a)是单门限设置时，路经切换状态随门限值变化图；

图3(b)是双门限设置时，路经切换状态随门限值变化图；

图4是使用双门限可变指数衰减算法后的路由切换时序图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明的一种路径切换方法及系统进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的一种路径切换方法及系统，是在现有Overlay网络性能恶化←→恢复(表示：恶化状态与恢复状态之间的相互抖动)则进行路径切换的简单处理模式上，引入了双门限与指数衰减机制，使得系统可以对不频繁的路径性能抖动进行及时的切换处理，而对频繁的路径性能抖动，在门限值超出上门限值后，则切换门限值需要衰减回下门限值后，才再次进行路径切换，这种处理的延迟，可避免频繁振荡引起的切换开销，同时，本发明中使用的倍增指数衰减因子与最大门限值的设置，可以保证系统在经历频繁振荡后，一旦稳定，可以迅速切换回原稳态。

下面结合上述目标详细介绍本发明一种路径切换方法，如图1所示，包括下列步骤：

步骤S100’，根据业务性能要求设置参数：变化门限步长值(Thstep)，触发上门限值(Thup)，触发下门限值(Thdown)，最大门限值(Thmax)和初始衰减因子(τ0)，同时对各条网络路径性能进行监测；

较佳地，本发明实施例中，设置：触发下门限值、变化门限步长值及触发上门限值的大小满足以下关系：Thdown＜Thstep＜Thup。

所述根据业务性能要求，是指本领域技术人员根据对当前业务性能的需求，对各参数进行设计，是一种现有技术，在此不再详述如何设置参数。

步骤S100，探测当前路径性能，并根据探测结果，决定是否立即切换至备用路径；

进一步地，所述步骤S100包括下列步骤：

步骤S110，若当前路径发生性能恶化或失效，进行路径切换，则立即切换至备用路径，并启动计时器(t)，同时初始化参数，将门限值(Th)设置为Thstep，衰减因子(τ)设置为τ0，并同时监测原有路径的性能；

步骤S120，若当前路径性能良好，则继续监测当前路径；

步骤S200，Th以Th^1-τ×t方式衰减，在衰减期间，根据监测原有路径的性能变化，进行相应处理；

所述t的单位为一个计时单位，可以根据要求设定。例如秒、毫秒等。

进一步地，所述步骤S200包括下列步骤：

步骤S210，Th以Th^1-τ×t方式衰减，在衰减期间，判断原有路径是否发生抖动变化；

所述抖动变化是指原有路径性能由恶化→良好(表示：恶化状态到良好状态的抖动)的变化过程；或者是由良好→恶化(表示：良好状态到恶化状态的抖动)的变化过程；其中，一次变化被称为一次抖动。

步骤S220，若原有路径没有发生抖动变化，则判断当前门限值是否小于触发下门限值；

具体地，所述步骤S220包括下列步骤：

步骤S221，若当前门限值小于触发下门限值，则判断原有路径性能是否恢复；如恢复，则切换回原有路径；否则，返回步骤S200；

步骤S200是一个循环过程，若路径性能恢复，在本次判断原有路径是否发生抖动变化前，原有路径已经发生过抖动，且是由恶化→良好，故此时可以切换回原有路径。若路径性能未恢复，则可以分为两种情况：一种情况是在本次判断原有路径是否发生抖动变化前，原有路径从未发生过抖动，即原有路径始终恶化或失效；另一种情况是在本次判断原有路径是否发生抖动变化前，原有路径发生过抖动，且是由良好→恶化，所以不能切换回原有路径，而是要继续监测原有路径。

步骤S222，若当前门限值不小于触发下门限值，则返回步骤S200；

步骤S230，若原有路径发生抖动变化，则设置门限值等于当前门限值加上变化门限步长值作为新的门限值，并继续以Th^1-τ×t方式衰减，同时计时器归零；

本发明实施例的路径切换方法中，只要发生当前门限值加上变化门限步长值作为新的门限值，则计时器归零。

步骤S240，判断新的门限值是否大于触发上门限值，若是，则执行步骤S250；否则返回步骤S200；

本发明实施例的路径切换方法中，只要新的门限值大于触发上门限值，则衰减因子倍增，除非新的门限值大于最大门限值时，衰减因子不再倍增，而是维持原值不变。

步骤S250，判断新的门限值是否大于最大门限值；

具体地，所述步骤S250包括下列步骤：

步骤S251，若新的门限值大于最大门限值，则设置新的门限值等于该最大门限值，衰减因子维持原值不变，返回步骤S200；

步骤S252，若新的门限值不大于最大门限值，则新的门限值不变，同时将衰减因子乘2(即τ＝τ×2＝4τ0)，返回步骤S200。

作为一种可实施方式，采用一种Overlay网络-RON转发一个实时多媒体业务为例对本发明的一种路径切换方式进行说明。

RON的原理如图2所示，在互联网中存在终端A、B、C、D，其中，终端A与终端C可以通过终端B进行迂回连接，当终端A至终端C的互联网路径失效时，即将实时多媒体业务转发至终端B，再中转至终端C，而当互联网路径恢复时，业务应及时切换回原有路径，以避免备用路径的使用过荷。

采用本发明中的双门限可变指数衰减路径切换算法，包括下列步骤：

步骤S100”，根据RON网络的业务性能要求，设置参数，Thstep、Thup、Thdown、Thmax和τ，规定：Thdown＜Thstep＜Thup，同时对各条网络路径性能进行监测；

步骤S100’，RON网络的终端A节点在向终端C发送实时多媒体业务时，对原有路径Path1与备用路径Path2进行性能监测；

步骤S110’，若Path1发生性能恶化或失效，必须进行路径切换，则即刻切换至Path2，并启动计时器t，同时初始化参数，将Th设置为Thstep，衰τ设置为τ0，并同时监测Path1的性能；

步骤S120’，若Path1性能良好，则继续监测Path1；

步骤S200’，Th以Th^1-τ×t方式衰减，在衰减期间，根据监测Path1的性能变化，采取相应措施；

步骤S210’，Th以Th^1-τ×t方式衰减，在衰减期间，判断Path1是否发生抖动变化；

步骤S220’，若Path1没有发生抖动变化，则判断Th是否小于Thdown；

步骤S221’，若当前Th小于Thdown，则判断Path1性能是否恢复；如恢复，则切换回Path1；否则，返回步骤S200’；

步骤S222’，若当前Th不小于Thdown，则返回步骤S200’；

步骤S230’，若Path1发生抖动变化，则设置Th等于当前Th加上Thstep作为新的Th，并继续以Th^1-τ×t方式衰减，同时计时器归零；

步骤S240’，判断新的Th是否大于Thup，若是，则执行步骤S250’；否则返回步骤S200’；

步骤S250’，判断新的Th是否大于Thmax；

步骤S251’，若新的Th大于Thmax，则设置新的Th等于Thmax，将τ维持原值不变，返回步骤S200’；

步骤S252’，若新的Th不大于Thmax，则新的Th不变，同时将τ×2，返回步骤S200’。

这个处理流程对路径性能振荡的抑制效果可以从图3(a)、图3(b)和图4得以验证说明，图3(a)和图3(b)的比较示出了双门限相对单门限的优越性，图中假设U0表示路径切换的状态，并受Th控制，在单门限中(如图3(a)所示)，当门限值Th发生变化时，U0的状态变化仍然比较频繁，而设置双门限后(如图3(b)所示)，路径切换便过滤了Th在Thup与Thdown之间变化所引起的振荡，使得系统更加稳定。

图4示出了流程图1的一个实际的时序示例，按上述步骤处理，可以看到当Path1的路径性能频繁变换时，实际的路径切换动作只进行了两次，同时也保持了较高效的反应速度。

相应于本发明的一种路径切换方法，还提供一种路径切换系统，包括：

参数设置模块1，用于根据业务性能要求设置参数；

所述参数包括：变化门限步长值(Thstep)，触发上门限值(Thup)，触发下门限值(Thdown)，最大门限值(Thmax)和衰减因子(τ)。

路径监测模块2，用于监测当前路径性能，并根据监测结果，传给路径切换模块3；

路径切换模块3，用于根据路径监测模块2的监测结果，决定是否进行路径切换；

所述路径切换模块3，包括判断子模块31，用于判断参数设置模块1设置的参数与路径监测模块2的监测结果的关系，发出相应设置信号。

计时器4，用于在路径切换过程中进行计时。

本发明的路径切换系统，与本发明的一种路径切换方法相同的过程进行工作，因此，在本发明实施例中，不再一一重复详细描述。

本发明的有益效果在于：

1.本发明的路径切换方法，与现有Overlay技术中采用的简单切换或单门限控制切换相比，可以有效避免在网络性能不稳定的情况下，系统所产生的振荡切换开销。特别在承载对路径性能要求较高的实时媒体业务时，当网络性能不稳定，传统处理方式会发生路径来回切换的振荡，根本无法维持有效的稳定连接，而使用本发明中的算法，可以较充分的保证路径的稳定性；

2.由于本发明采用了倍增指数衰减方法，当路径趋向稳定时，相对某些传统的常指数衰减方式，具有更快速的收敛效果；

3.本发明不仅适用于Overlay网络中的终端路径切换，也可用于现有的路由收敛处理、以太网传输冲突避免处理等有振荡抑制及高效收敛性需求的协议流程，具有相当广阔的应用前景。

通过结合附图对本发明具体实施例的描述，本发明的其它方面及特征对本领域的技术人员而言是显而易见的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述和说明，这些实施例应被认为其只是示例性的，并不用于对本发明进行限制，本发明应根据所附的权利要求进行解释。

Claims (6)

1.一种路径切换方法，用于在网络性能不稳定的情况下，对路径进行切换，其特征在于，包括下列步骤：

A.探测当前路径性能，并根据探测结果，决定是否立即切换至备用路径；

B.在立即切换到备用路径后，门限值Th以指数方式进行衰减，在衰减期间，根据监测原有路径的性能变化，采用双门限机制，使系统对不频繁的路径性能抖动进行路径切换；而对频繁的路径性能抖动，在门限值超出上门限值后，则切换门限值，待切换后的门限值衰减回下门限值后，才再次进行路径切换；

所述步骤B包括：

步骤S210，Th以Th^1-τ×t方式衰减，其中τ为衰减因子，在衰减期间，判断原有路径是否发生抖动变化；

步骤S220，若原有路径没有发生抖动变化，则判断当前门限值是否小于触发下门限值；

步骤S221，若当前门限值小于触发下门限值，则判断原有路径性能是否恢复；如恢复，则切换回原有路径；否则，返回步骤S210；

步骤S222，若当前门限值不小于触发下门限值，则返回步骤S210；

步骤S230，若原有路径发生抖动变化，则设置门限值等于当前门限值加上变化门限步长值作为新的门限值，并继续以Th^1-τ×t方式衰减，同时计时器归零；

步骤S240，判断新的门限值是否大于触发上门限值，若是，则执行步骤S250；否则返回步骤S210；

步骤S250，判断新的门限值是否大于最大门限值；

步骤S251，若新的门限值大于最大门限值，则设置新的门限值等于该最大门限值，衰减因子维持原值不变，返回步骤S210；

步骤S252，若新的门限值不大于最大门限值，则新的门限值不变，同时将衰减因子乘2，返回步骤S210。

2.根据权利要求1所述的路径切换方法，其特征在于，所述步骤A之前还包括：步骤A’.根据业务性能要求设置参数：变化门限步长值Thstep，触发上门限值Thup，触发下门限值Thdown，最大门限值Thmax和初始衰减因子τ₀，同时对各条网络路径性能进行监测。

3.根据权利要求2所述的路径切换方法，其特征在于，所述步骤A包括步骤：

步骤A1.若当前路径发生性能恶化或失效，必须进行路径切换，则立即切换至备用路径，并启动计时器，同时初始化参数，将所述Th初始化为Thstep，衰减因子τ初始化为τ₀，并同时监测原有路径的性能；

步骤A2.若当前路径性能良好，则继续监测当前路径。

4.一种路径切换系统，其特征在于，包括：

参数设置模块，用于根据业务性能要求设置参数；

路径监测模块，用于监测当前路径性能，并根据监测结果，传给路径切换模块；

计时器，用于在路径切换过程中进行计时；

路径切换模块，用于根据路径监测模块的监测结果，采用双门限与指数衰减机制，使系统对不频繁的路径性能抖动进行路径切换；而对频繁的路径性能抖动，在门限值超出上门限值后，则切换门限值，待切换后的门限值衰减回下门限值后，才再次决定并进行路径切换；

其中路径切换模块的工作步骤如下；

步骤S210，Th以Th^1-τ×t方式衰减，其中τ为衰减因子，在衰减期间，判断原有路径是否发生抖动变化；

步骤S220，若原有路径没有发生抖动变化，则判断当前门限值是否小于触发下门限值；

步骤S221，若当前门限值小于触发下门限值，则判断原有路径性能是否恢复；如恢复，则切换回原有路径；否则，返回步骤S210；

步骤S222，若当前门限值不小于触发下门限值，则返回步骤S210；

步骤S230，若原有路径发生抖动变化，则设置门限值等于当前门限值加上变化门限步长值作为新的门限值，并继续以Th^1-τ×t方式衰减，同时计时器归零；

步骤S240，判断新的门限值是否大于触发上门限值，若是，则执行步骤S250；否则返回步骤S210；

步骤S250，判断新的门限值是否大于最大门限值；

步骤S251，若新的门限值大于最大门限值，则设置新的门限值等于该最大门限值，衰减因子维持原值不变，返回步骤S210；

步骤S252，若新的门限值不大于最大门限值，则新的门限值不变，同时将衰减因子乘2，返回步骤S210。

5.根据权利要求4所述的路径切换系统，其特征在于，所述路径切换模块包括：

判断子模块，用于判断所述参数与所述路径监测模块的监测结果的关系，发出相应设置信号。

6.根据权利要求4或5所述的路径切换系统，所述参数包括变化门限步长值Thstep，触发上门限值Thup，触发下门限值Thdown，最大门限值Thmax和衰减因子τ。

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