CN101605064B - 基于端到端测量的网络拓扑结构构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于端到端测量的网络拓扑结构构建方法，通过建立端到端网络测量模型，并确定源发送节点集和接收节点集；在叶子节点处对测量报文进行采集，并对采集到的数据进行清洗；计算出端到端测量报文的传输延迟时间，并根据TTL字段计算叶子节点在树形网络拓扑结构中所属的度；利用端到端延迟时间的相似度计算公式S_k，j＝|d_k-d_j|构建出网络的拓扑结构。由于利用端到端的网络测量技术，根据兄弟叶子节点端到端延迟时间相似性来判断端到端之间是否存在兄弟关系，有效地解决了在网络线路和设备性能良好，报文接收的偏序关系不存在的情况下，网络拓扑结构的测量与计算问题。

Description

基于端到端测量的网络拓扑结构构建方法

技术领域

本发明涉及一种网络拓扑结构构建方法，特别是基于端到端测量的网络拓扑结构构建方法。

背景技术

网络拓扑结构构建，是网络性能评估、管理和优化的一种重要技术手段。

文献“基于Manhattan距离的网络拓扑推测方法研究，计算机科学，Vol.33，No.11，2006，p31～33.”公开了一种网络拓扑计算方法。该方法首先根据叶子节点接收测量报文样本集合，计算两两节点之间接收测量报文状态相似度，根据相似度值的大小判断节点之间是否存在兄弟关系。对具有兄弟关系的节点，利用报文接收的偏序关系，计算出其父节点报文接收状态集合，根据上面类似的方法，推测父节点与其他剩余节点之间是否存在兄弟关系，依次类推，直到满足用户需求为止。但此方法使用的前提是：叶子节点接收测量报文的状态要存在明显的偏序关系。这种假设在以“电缆”为通信传输介质的环境下是存在的，但目前几乎所有的广域网均以“光缆”作为传输介质。由于光缆传输误码率几乎为零，在此情况下，叶子节点接收测量报文的偏序关系不明显，甚至不存在。即使网络发生拥塞，但此情况是小概率事件，而且一旦发生，由于一般网络均采用QoS预警控制机制，该机制又会进一步破坏测量报文接收的偏序关系。

发明内容

为了克服现有技术无法适应“光缆”作为传输介质的需要的不足，本发明提供一种基于端到端测量的网络拓扑结构构建方法，利用端到端的网络性能测量技术，可以解决“光缆”作为传输介质没有“偏序”的情况下，网络拓扑构建问题。本发明首先利用网络测量技术得到网络端到端延迟时间性能；利用TTL字段标识不同叶子节点在树型网络拓扑结构中所属的度。对属于同一度的叶子节点利用端到端延迟时间的相似性来度量它们之间是否存在兄弟关系。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于端到端测量的网络拓扑结构构建方法，其特点是包括以下步骤：

(a)建立Ad Hoc网络测量模型，即建立网络测量拓扑结构，并确定源发送节点集和接收节点集；

(b)在叶子节点处对测量报文进行采集，并对采集到的数据进行清洗；

(c)计算出端到端测量报文的传输延迟时间，并计算叶子节点在树形网络拓扑结构中所属的度；

(d)对属于度i的叶子节点，利用端到端延迟时间的相似性来度量叶子节点之间是否存在兄弟关系；对存在兄弟关系的叶子节点，在度i-1产生一个虚拟节点作为其父节点，父节点的延迟时间取其孩子节点端到端延迟时间的最小值。然后对度i-1所有的叶子节点和新产生的父节点执行与度i相同的操作，直到度数为二为止，构建出网络的拓扑结构。

本发明的有益效果是：本发明利用端到端的网络测量技术，根据兄弟叶子节点端到端延迟时间相似性来判断它们之间是否存在兄弟关系，这种测量方法，有效地解决了在网络线路和设备性能良好，报文接收的偏序关系不存在的情况下，网络拓扑结构的测量与计算问题。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

附图1是本发明基于端到端测量的网络拓扑结构构建方法流程图。

附图2是本发明基于端到端网络测量模型。

具体实施方式

参照图1～2，本发明针对一般的大型网络环境，采用基于端到端测量技术，测量并计算出网络拓扑结构。具体步骤如下：

第一步，建立端到端网络测量模型。

本发明用树型结构T＝(V，L)表示网络逻辑拓扑，其中V代表节点集合，L表示节点之间链路集合。假设测量报文从根节点被多播到各个叶子节点，根节点用s0∈V表示，叶子节点集用R∈V表示；中间转发节点集M可标记为： $M=\left\{k\right|\∀k\∈V\backslash R\∪\left\{s0\right\}\}.$ 任意一个内部节点i的父节点用fⁿ(i)(n＞0)表示，设n为正整数，并定义f⁰(i)＝i、f¹(i)＝f(i)和fⁿ(i)＝f(f^n-1(i))；如果k(i)＝fⁿ(i)成立，则称节点k(i)为节点i的祖先节点。链路(f(k)，k)∈L用k表示。同样，任意一个内部节点i的孩子节点用f^-n(i)(n＞0)表示，并定义f^-n(i)＝f^-1(f^-n+1(i))；如果c(i)＝f^-n(i)成立，且c(i)∈R，则称节点{c(i)}为节点i的孩子节点集合。该网络测量模型所表示的网络拓扑关系是逻辑的网络拓扑关系，即除了根节点和叶子节点外，其他任何一个节点的入度或者出度大于1；如果入度大于1，说明该节点是汇聚节点；如果出度大于1，说明该节点是分叉节点。

第二步，数据采集与清洗。

本发明采用单源的主动测量方法，在网络边界任意选择一个节点为根节点，并作为测量报文的发送节点；用户可以任意选择若干个感兴趣的其余边界节点为叶子节点；如果被测网络通信协议支持组播通信方式，则测量报文采用组播报文，并且源发送节点和叶子节点属于一个组播组。如果被测网络通信协议不支持组播通信，本发明为了使测量报文之间保持一定的相关性，采用“包队”方式来模拟组播测量报文。

用户在叶子节点对测量报文进行采集，每测量一次，实际上是完成一次“包队”信息的发送与采集。接收到的测量报文信息主要包括：发送节点，接收节点，发送时间，接收时间，报文类型，报对编号，报文编号和TTL时间等。

在对网络性能测量过程中，往往会采集到一些对测量无关的正常的网络通信报文，称为“背景流”。在对采集到的测量样本进行统计分析前，首先要进行数据清洗。如果报文类型为“T”，表明为测量报文，否则为背景流处理，这样可以清洗掉与测量无关的报文。

第三步，数据预处理。

针对清洗后的测量报文信息，首先利用接收时间和发送时间的差计算出端到端测量报文的传输延迟时间Delay：Delay＝Tr-Ts，其中Tr为测量报文的接收时间，Ts为测量报文的发送时间。然后计算叶子节点在树形网络拓扑结构中所属的度d：d＝255-ttl，其中255为测量报文在发送时TTL字段的初始值，而ttl为测量报文在叶子节点接收时的TTL数值。

第四步，网络拓扑结构计算。

对属于度i的所有叶子节点，利用端到端延迟时间的相似度来度量叶子节点之间是否存在兄弟关系；端到端延迟时间的相似度计算公式如下：

S_k，j＝|d_k-d_j|                                  (1)

式(1)中，d_k和d_j分别为一次测量中，叶子节点k和j接收测量报文端到端延迟时间，当S_k，j趋于零时，表明叶子节点k和j之间相似度高，为兄弟节点，并产生一个虚拟的父节点，父节点端到端延迟时间为其孩子节点中延迟时间最小的值。

对度数为i-1所有的叶子节点和新产生的父节点执行与度数为i叶子节点相同的操作，不断迭代，直到度数为二为止，这样就可以计算出一次测量中网络的拓扑结构。

Claims (1)

1.一种基于端到端测量的网络拓扑结构构建方法，其特征在于包括以下步骤：

(a)建立端到端网络测量模型，并确定源发送节点集和接收节点集；

(b)在叶子节点处对测量报文进行采集，并对采集到的数据进行清洗；

(c)计算出端到端测量报文的传输延迟时间，并根据TTL字段计算叶子节点在树形网络拓扑结构中所属的度；

(d)对属于度i的叶子节点，利用端到端传输延迟时间的相似性来判断叶子节点之间是否存在兄弟关系；端到端传输延迟时间的相似度由下式计算

S_k，j＝|d_k-d_j|

式中，d_k和d_j分别为一次测量中，叶子节点k和j接收测量报文端到端传输延迟时间，当S_k，j趋于零时，表明叶子节点k和j之间相似度高，为兄弟节点；

对存在兄弟关系叶子节点，在度i-1产生一个虚拟节点作为其父节点，父节点的传输延迟时间取其孩子节点端到端传输延迟时间的最小值，对度i-1所有的叶子节点和新产生的父节点执行与度i相同的操作，直到度数为二为止，构建出网络的拓扑结构。

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