CN101414980A - 主干路由系统的三色环网络结构设计及维护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主干路由系统的三色环网络结构设计及维护方法，属于计算机应用技术领域。目的是解决同一行政区下代表各个子行政区的主干路由节点群之间的网络路由问题。其原理是网络结构设计使用“三角元”的地图着色技术对主干路由节点网的路由节点进行分类，构建三色环网络结构；路由策略设计是为各路由节点增加色环次序编号，并为每个路由节点建立两张中行路由表，使用“环、星结合，以环为主”的思路；并为网络路由系统的维护提供了新节点的加入和链路断路时的纠错方法。本发明避开了直接对路由节点分类将会遇到的诸多麻烦，将复杂问题简单化，节省了路由寻址时间，提高了网络的稳定性，并且易于管理和维护。

Description

主干路由系统的三色环网络结构设计及维护方法

技术领域

本发明涉及一种主干路由系统的三色环网络结构设计及维护方法，属于计算机应用技术领域。

背景技术

基于地理行政区划的分层网络结构以及据此形成的分段网络地址，使我们可以把因特网划分为若干层次的子网组合，然后采用上、中、下行路由策略，将复杂的网络路由寻址简化。

不难发现，中行路由框架是由同一行政区下代表各个子行政区的主干路由节点群组成。在这里，我们将世界各个国家看作是地球大行政区的子行政区。

因为在每个大行政区路由系统之下的各个子路由系统与这个大行政区之下的子行政区存在位置上的一一对应关系，所以可以用由大行政区的行政区划图演化得到的节点无向图来描述中行路由节点之间的相互关系。由于与行政区划地图相关，因此地图上使用的方法可以灵活地使用在网络路由问题的解决上，其中最直接也是最具有实用性的就是地图着色技术。

已有的，与本发明最相近似的实现方案就是目前正在使用的基于OSPF(Open Shortest Path First)协议的路由模式。OSPF路由协议是由IETF(Internet Engineering Task Force)工作小组提出的，它是一种典型的链路状态(Link-state)的路由协议，一般用于同一个路由自治域(AS)内。在一个AS中，所有的OSPF路由器都维护一个相同的描述这个AS结构的数据库，该数据库中存放的是路由域中相应链路的状态信息，OSPF路由器正是通过这个数据库计算出其OSPF路由表的。最短路径优先算法SPF(Shortest Path First)是OSPF路由协议的基础，它将每一个路由器作为根(ROOT)来计算其到每一个目的地路由器的距离，每一个路由器根据一个统一的数据库会计算出路由域的拓扑结构图，该结构图类似于一棵树，在SPF算法中，被称为最小生成树。在OSPF路由协议中，最小生成树的树干长度，即OSPF路由器至每一个目的地路由器的距离，称为OSPF的Cost，其算法为：Cost＝100×106/链路带宽，带宽越高，Cost越小，表示OSPF到目的地的距离越近。

现有技术存在以下缺点：

①.OSPF协议采用最小生成树算法来进行路由，每个节点需要为自己维护一棵包含所有节点的树结构，因为不对节点作具体分类，所以当网络节点数很多时树结构的计算和存储就显得较为复杂。

②.为了保证面向连接的路由，现有方案需要周期性探测链路情况，据此建立最短路由路径后再传输数据，这一方式牵涉的节点数目多，寻址开销与网络时延较大。

③.最小生成树算法存在形成非平衡树结构的可能，导致整个网络的数据传输对某几条主干链路依赖过大，使网络的稳定性大为降低。

④.基于最小生成树算法的路由寻址仅局限于使用网络手段，需要占用一定的网络带宽，对数据传输带来不可忽略的影响。

发明内容

本发明的目的是提出主干路由系统的三色环网络结构设计及维护方法，解决同一行政区下代表各个子行政区的主干路由节点群之间的网络路由问题。

本发明是通过下述技术方案实现的。

本发明的主干路由系统的三色环网络结构设计及维护方法的整体框架设计流程如图1所示，具体实现步骤如下：

步骤一、网络拓扑设计

在架构现代IP网时，同一行政区下的各个子行政区之间，一般只要相邻，它们的主干路由器之间就会有连接。这种模式映射到数据结构的无向图上，是一种很有实用性的无向图结构，在这里我们称之为“邻接图”。这种图有个很重要的特点：图中任意两条边互不相交。根据这个特点，本发明采用基于“三角元”的地图着色技术对主干路由节点网的路由节点进行分类，据此构建出三色环网络结构。

所谓“三角元”，就是用红、绿、黄三种颜色分别对构成三角形顶点的三个节点进行着色。

首先用“就近添加辅助边”的方法对“邻接图”做一些修改，在保证图中任意两条边不相交的基础上，图的最小分解图形单元是三角形，也就是要使无向图的网孔只能是三角形。

其次，利用“三角元”法，对修改后的“邻接图”进行上色，采用的技巧是三角网孔“两点决定第三点”，可允许出现相邻两个节点着色相同的情形。

最后，分别用红、绿、黄三色线将相同颜色的节点按照地理位置顺次连接起来组成闭合的色环。如果同色节点本身就相连，则沿用它们之间的边。这样就把网络分解为三个各自节点相互有连接的闭合色环。

步骤二、路由策略设计

通过步骤一所得到的三色环网络结构中，每个节点都和另外两种颜色的节点相连，所以遍历任意一个环，都可以通过环上节点的邻节点遍历另外两个色环中的任何一个。根据这一特点，设计出相应的优化路由策略。

首先为各色环路由节点编号。方法是按照每个色环节点的连接顺序，从某个节点开始逆时针依次编号。目的是简化路由寻址。

其次为每个路由节点建立两张中行路由表。第一张表格记录节点本层各个端口与相邻节点之间的对应情况；第二张表格记录三个色环上所有已知节点的次序编号和这些节点本层编码之间的对应情况。因为行政区节点相对稳定，所以路由表的建立可以不仅通过网络探测也可人为通知的方式获得相关信息。

第三，制定具体的路由策略

第(1)步：当收到数据包时，当前节点根据本层编码判断数据包的目的地址是否在其所辖网络域中，如果在，则按照基于行政区划的分层网络结构下行路由策略进行路由。

第(2)步：如果目的地址不在当前节点所辖网络域中，而在相邻节点的网络域中，查找当前节点的第一张路由表并将数据包发往相应的节点。

第(3)步：如果目的地址既不在当前节点所辖网络域中，也不在相邻节点的网络域中，则查找当前节点的第二张路由表，查看目的地址的本层编码属于哪个色环上的节点。

第(3)步情况1：如果目的地址的本层编码属于当前节点所在色环上的节点B，设节点B的次序编号为b，当前节点的次序编号为a，当前节点所属色环的总结点数为N。若0<b-a≦N/2或b-a≦-N/2，则把数据包发往逆时针方向的同色节点；否则发往顺时针方向的同色节点。

第(3)步情况2：如果数据包目的地址的本层编码属于其它色环上的节点D，设节点D的次序编号为d，D所属色环的总结点数为M。在当前节点的相邻节点中，与D同色的节点表示为C1、C2、C3、…，它们的次序编号分别为c[1]、c[2]、c[3]、…。我们分别求|d-c[i]|和M-|d-c[i]|的值(i＝1，2，3…)，然后把数据包发往最小值所对应的相邻节点(若出现等值最小，则根据链路状况选择其一)。

第(4)步：若在当前节点的路由表中找不到相应表项，将数据包发往当前节点逆时针方向的相邻同色节点，以遍历当前节点所在色环的方式来查找。如果在该色环节点X的路由表中找到相应表项，就按(1)—(3)步中的路由策略将数据包发往本层节点。同时节点X需把该数据包本层目的节点的所属色环及次序编号信息反馈给本色环上缺失该信息的各节点。

值得注意的是，如果是节点A第一个收到第(4)步中本层目的节点信息不明的数据包，那么节点A须给该数据包打上信息不明标记；之后收到该数据包的节点，不必再打标记。

根据信息不明标记提示，如果数据包环绕节点A所在色环一周后仍未找到其本层目的节点B，就将该数据包在节点A处缓存起来，然后用已有技术OSPF协议探路建立临时路由路径再传输的方法发送数据包。一旦节点B收到数据包并返回信息给节点A，就将这条临时路由路径从节点A的路由表中删除。

此外，对经过步骤一和步骤二所形成的基于“三色环”的中行网络路由系统，其维护主要是新节点的加入和链路断路时的纠错。

(1).新节点的加入

为保证新节点加入后，“三色环”的结构不被破坏，首先根据新节点加入的局部区域的情况，以不破坏原先异色节点连接线路为原则，给新节点上色并将其加入到一个或者多个“三角元”中，并完成新节点异色连接线路的设计。值得注意的是，在这一过程中不能把新节点与同色的相邻节点相连。

然后，根据新节点所处的位置，在与新节点同色的色环上找出离新节点最近的相连接的两个节点，将其分别与新节点连接，完成新节点加入同色环的工作，如图2所示。

最后，采用“取半”的方法给新节点进行色环编号。新节点的色环编号等于与新节点相连的两个同色节点编号差的1/2加上编号较小节点的编号。新节点的本层码段由其直属上级路由节点分配。采用网络的或非网络的方式将新节点的编号信息告知该中行路由系统中的其它路由节点。

至于路由策略，保持原先方案。如果同一区域有多个节点加入，则尽量让这些节点分属不同的色环，避免出现在一个色环上堆积的现象。

(2).链路断路的纠错策略

根据本发明的路由框架和路由策略的描述，链路断路有两种情况：

第一，如果是环链路发生断路(如图3所示)，在发生断路的节点A处缓存数据，采用已有技术OSPF协议，先探路建立临时路由路径再传输的方法完成数据的发送。当断路恢复之后临时路由路径从节点A的路由表中删除。

第二，如果是环链路节点A、B之间发生断路(如图4所示)，把记录节点A与节点B之间连接关系的表项从两个节点的路由表中删除，然后按照本发明中的路由策略进行数据包的转发，链路恢复之后再重新增加原先的表项。

有益效果

①.利用地图着色技术分类主干路由节点，是换角度思考的一种方式，避开了直接对路由节点分类将会遇到的诸多麻烦，将复杂问题简单化。

②.以“三角元”为单位对网络节点进行划分，使每个节点都与另外两种颜色的节点相连。这为“单环遍历就可以通过邻节点遍历其它环上节点”的思路提供了保证，将网络中的节点探测仅局限在相邻节点之间，由此节省了路由寻址时间。

③.“三色环”的拓扑结构，为每个节点增加了一到两条连接同色节点的网络链路，而且同色节点之间只用同色环传送数据包，这在一定程度上分担和均衡了原始节点间链路的数据传送负载，提高了网络的稳定性。

④.由于行政区划的相对可知性，我们可以通过网络之外的手段来更新和维护各个节点的路由表，减少网络探测开销；另外，行政区划的独立性和相对稳定性使路由系统框架不仅可以长期使用，而且易于管理和维护。

附图说明

图1为本发明整体框架设计流程图；

图2为本发明新节点加入同色环示意图；

图3为本发明环链路发生断路示意图；

图4为本发明环链路之间发生断路示意图；

图5为本发明实施例中的中国省级主干路由系统图；

图6为本发明实施例中添加辅助边后的邻接图；

图7为本发明实施例中的部分节点上色邻接图；

图8为本发明实施例中所有节点都上色的邻接图；

图9为本发明实施例中的三色环网络总体结构图；

图10为本发明实施例中的红色环结构图；

图11为本发明实施例中的黄色环结构图；

图12为本发明实施例中的绿色环结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

以中国的行政区划为例对前述的网络结构和路由策略的设计过程及维护进行阐述。首先根据中国的省级行政区图(如图5)，按照各省相对位置关系构建出相应的省级主干路由系统图(如图6)。

接下来需要对图6所示的邻接图作个别特殊修改，以保证其最小图形分解单元是三角形。利用“就近添加辅助边”的方法，把海南和广西，台湾和广东分别连接起来，如图7所示。

然后利用“三角元”法对修改后的邻接图上色。不妨先给内蒙古上红色(斜线)，黑龙江上绿色(深色格子)，然后按照“两点决定第三点”的规则为其它节点逐一上色。在相邻两个节点不出现同色的情况下，得到图8所示的上色邻接图。其中黄色节点的黄颜色用粗竖线表示。

此时，甘肃、四川两节点不可避免地出现三种颜色的相邻节点。应对方法是给它们上与相邻节点相同的一种颜色，不妨给甘肃上红色，四川上绿色。然后继续用“三角元”法给剩下的节点上色。最终就得到所有节点都上了色的邻接图，如图9所示。

下一步，将同色的节点按地理位置顺次连接起来，组成三个闭合的色环，把邻接图转换成如图10所示的网络结构。

然后把三个闭合色环从图7中剥离出来，分别如图11、12、13所示。而每个色环上各个节点的次序编号信息则如表1、2、3所示。其中省级行政区的本层编码按其音序编制。

表1

表2

表3

根据前文所述，每个节点的第一张中行路由表记录该节点各端口与其相邻节点之间的对应情况。以节点江苏为例，它的第一张路由表如表4所示。

表4

 

发送端口	发往节点	本层编码	所属色环	次序编号
					1	北京	3	红色	1
2	河南	14	红色	10
					3	山东	24	绿色	11
4	安徽	1	黄色	11
					5	浙江	34	绿色	10
6	上海	25	黄色	1

另外，把表1、2、3结合起来就得到图10中任何一个节点的第二张路由表，如表5所示。

表5

以节点江苏发往浙江、重庆、黑龙江、陕西为例做分析。同时假设节点云南在节点江苏的第二张路由表中找不到相应表项，对在这种情况下应该如何发送数据包给云南进行说明。

①.江苏发往浙江，在第一张路由表中就可以找到，所以直接发送。

②.江苏发往重庆，在第一张路由表中没有找到，于是查找第二张路由表。发现重庆与江苏同在红色环上，而且次序编号为5，减去江苏的次序编号11得到-6；这个值与红色环节点总数的半值5.5相比，小于其相反数-5.5。所以我们应该在红色环上向逆时针方向发送数据包，即把数据包发给相邻的节点北京。

③.江苏发往黑龙江，在第一张路由表中同样没有找到，于是查找第二张路由表，发现黑龙江在绿色环上，而且次序编号为2。再次查找节点江苏的第一张路由表，绿色的相邻节点有山东和浙江，次序编号分别为11和9，分别求前述的|d-c[i]|值与M-|d-c[i]|值，结果依次是9、3，7、5。所以我们把数据包发送给最小值3对应的相邻节点山东。

④.江苏发往陕西，在第一张路由表中还是没有找到，于是查找第二张路由表，发现陕西在黄色环上，而且次序编号为4。再次查找节点江苏的第一张路由表，黄色的相邻节点有安徽和上海，次序编号分别为11和1，分别求前述的|d-c[i]|值与M-|d-c[i]|值，结果依次是7、4，3、8。所以把数据包发送给最小值3对应的相邻节点上海。

⑤.江苏发往云南，在第一张路由表中没有找到，假设查找第二张路由表也同样没有找到，在这种情况下就直接把数据包发给逆时针方向的同色相邻节点北京。如果在北京的中行路由表中能找到节点云南的所属色环及次序编号信息，则按照①—④中的路由策略转发，同时把节点云南的信息反馈给节点江苏；否则把数据包发送给下一个同色逆时针节点内蒙古。

假设在南海地区新设立了一个省级主干路由节点。根据新节点加入的局部区域的情况，给该节点上红颜色，将其加入到红色环上。并将其与异色节点香港、广东连接起来组成一个三角元。

根据新节点所处的位置，在红色环上找出离新节点最近的相连接的香港(红色环编号7)、台湾(红色环编号8)两个节点，将其分别与新节点连接，完成新节点加入红色色环的工作。

新节点的色环编号为7.5。它的本层码段(即省码)由其直属上级路由节点中国分配，并采用网络的或非网络的方式将新节点的编号信息告知该中行路由系统中的其它路由节点。

假设北京和江苏之间的环链路发生断路，从北京通过江苏发往浙江去的数据包将在发生断路的北京节点处缓存，采用已有技术OSPF协议，先探路建立临时路由路径(北京发往天津，经过山东、安徽发往浙江)再传输的方法完成数据的发送。当断路恢复之后把该临时路由路径从节点北京的路由表中删除。

假设环链路节点北京、河北之间发生断路，把记录节点北京与节点河北之间连接关系的表项从两个节点的路由表中删除，然后按照本发明中的路由策略进行数据包的转发，链路恢复之后再重新增加原先的表项。

Claims (4)

1.主干路由系统的三色环网络结构设计，其特征在于其结构设计方法步骤如下：

步骤一、网络拓扑设计

用基于“三角元”的地图着色技术对主干路由节点网的路由节点进行分类，构建出三色环网络结构；用红、绿、黄三种颜色分别对构成三角形顶点的三个节点进行着色；

首先用“就近添加辅助边”的方法对“邻接图”做一些修改，在保证图中任意两条边不相交的基础上，将三角形作为图的最小分解图形单元；

其次，利用“三角元”法，对修改后的“邻接图”进行上色，采用三角网孔“两点决定第三点”的策略，允许出现相邻两个节点着色相同的情形；

最后，分别用红、绿、黄三色线将相同颜色的节点按照地理位置顺次连接起来组成闭合的色环；如果同色节点本身相连，则沿用它们之间的边；

步骤二、路由策略设计

首先为各色环路由节点编号；方法是按照每个色环节点的连接顺序，从某个节点开始逆时针依次编号；

其次为每个路由节点建立中行路由表；记录节点本层各个端口与相邻节点之间的对应情况、三个色环上所有已知节点的次序编号和这些节点本层编码之间的对应情况；

再次，制定具体的路由策略。

2.根据权利要求1所述的主干路由系统的三色环网络结构设计，其特征在于具体路由策略的步骤为：

步骤1：当收到数据包时，当前节点根据本层编码判断数据包的目的地址是否在其所辖网络域中，如果在，则按照基于行政区划的分层网络结构下行路由策略进行路由；

步骤2：如果目的地址不在当前节点所辖网络域中，而在相邻节点的网络域中，查找当前节点的路由表并将数据包发往相应的节点；

步骤3：如果目的地址既不在当前节点所辖网络域中，也不在相邻节点的网络域中，则查找当前节点的路由表，查看目的地址的本层编码属于哪个色环上的节点；

步骤4：若在当前节点的路由表中找不到相应表项，将数据包发往当前节点逆时针方向的相邻同色节点，以遍历当前节点所在色环的方式来查找；如果在该色环节点X的路由表中找到相应表项，就按(1)—(3)步中的路由策略将数据包发往本层节点；同时节点X需把该数据包本层目的节点的所属色环及次序编号信息反馈给本色环上缺失该信息的各节点；

如果是节点A第一个收到第(4)步中本层目的节点信息不明的数据包，那么节点A须给该数据包打上信息不明标记；之后收到该数据包的节点，不打标记；

根据信息不明标记提示，如果数据包环绕节点A所在色环一周后仍未找到其本层目的节点B，就将该数据包在节点A处缓存起来，然后用已有技术OSPF协议探路建立临时路由路径再传输的方法发送数据包；一旦节点B收到数据包并返回信息给节点A，就将这条临时路由路径从节点A的路由表中删除。

3.根据权利要求2所述的主干路由系统的三色环网络结构设计，其特征在于步骤3为两种情况：

情况1：如果目的地址的本层编码属于当前节点所在色环上的节点B，设节点B的次序编号为b，当前节点的次序编号为a，当前节点所属色环的总结点数为N；若0<b-a≦N/2或b-a≦-N/2，则把数据包发往逆时针方向的同色节点；否则发往顺时针方向的同色节点；

情况2：如果数据包目的地址的本层编码属于其它色环上的节点D，设节点D的次序编号为d，D所属色环的总结点数为M；在当前节点的相邻节点中，与D同色的节点表示为C1、C2、C3、…，它们的次序编号分别为c[1]、c[2]、c[3]、…；分别求|d-c[i]|和M-|d-c[i]|的值(i＝1，2，3…)，然后把数据包发往最小值所对应的相邻节点，若出现等值最小，则根据链路状况选择其一。

4.主干路由系统的三色环网络结构设计的维护方法，其特征在于其维护方法是：

(1).新节点的加入

首先根据新节点加入的局部区域的情况，以不破坏原先异色节点连接线路为原则，给新节点上色并将其加入到一个或者多个“三角元”中，并完成新节点异色连接线路的设计；在这一过程中不能把新节点与同色的相邻节点相连；

然后，根据新节点所处的位置，在与新节点同色的色环上找出离新节点最近的相连接的两个节点，将其分别与新节点连接，完成新节点加入同色环的工作；

最后，采用“取半”的方法给新节点进行色环编号；新节点的色环编号等于与新节点相连的两个同色节点编号差的1/2加上编号较小节点的编号；新节点的本层码段由其直属上级路由节点分配；采用网络的或非网络的方式将新节点的编号信息告知该中行路由系统中的其它路由节点；

其路由策略，保持原先方案；在同一区域有多个节点加入时，则让这些节点分属不同的色环；

(2).链路断路的纠错策略

第一，如果是环链路发生断路，在发生断路的节点A处缓存数据，采用已有技术OSPF协议，先探路建立临时路由路径再传输的方法完成数据的发送；当断路恢复之后临时路由路径从节点A的路由表中删除；

第二，如果是环链路节点A、B之间发生断路，把记录节点A与节点B之间连接关系的表项从两个节点的路由表中删除，然后按照本路由策略进行数据包的转发，链路恢复之后再重新增加原先的表项。

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