CN101702686A - 实现多下一跳路由的方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现多下一跳路由的方法、装置及系统，其中的方法包括：在网络中各节点获得全网的拓扑信息后，执行以下步骤：网络节点定序过程：各网络出口节点运行以自身为根的支撑树搜索算法，从而确定网络中各个节点的序号；多下一跳路由生成过程：执行从高序号节点向任意一个相邻低序号节点的数据转发。本发明可以从根本上避免环路，同时由于节点间定义的是严格序号，不会出现等值节点，每条链路均可参与数据传输过程，从而可有效解决现有方案网络流量不均衡、网络资源利用率不高的问题。

Description

实现多下一跳路由的方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及计算机网络及通讯技术领域，尤其涉及一种实现多下一跳路由的方法、装置及系统。

背景技术

路由问题是通讯网络研究中的一个核心问题，路由算法的优劣直接影响着网络通讯的性能。当前因特网路由普遍应用的是基于最短路径优先(Shortest Path First，SPF)原则的单下一跳路由算法，无论是采用距离矢量机制(例如路由信息协议RIP)，还是链路状态机制(例如开放式最短路径优先OSPF)，都是由网络节点计算自身到目的地的最短路径，选取唯一的下一跳进行传输。在实际中，这种路由算法总是倾向于选取处理能力强的节点和链路，难以充分利用网络资源，往往造成传输路径的集中，引发传输拥塞。

参见图1，图1中所示网络中的网络节点有A、B1～B3、C1～C3、D1～D3，以节点A作为网络出口节点。

以节点A为出口，采用SPF算法计算得到的单下一跳路由，其中各节点之间标注的数值代表拓扑代价值(花费)，代价值越低表明所耗资源越低，优选由代价值低构成的链路。如图1中带有箭头的最粗直线所示：带有箭头的最粗直线代表参与路由的链路，箭头表示数据流向，其他直线代表的链路未参与路由。可以看出，网络中的流量集中到D1→C1→B1→A这条路径上，而此时还有大量可行链路处于闲置状态。

为了弥补单下一跳路由的不足，提出了多径路由的概念，意在找出到目的地的数条传输路径同时参与传输，从而达到均衡网络流量，更充分地利用网络资源的目的。

当前的多径路由算法主要分为两大类，一类是采用集中式计算的源路由算法，此类算法往往是面向连接的，针对源点到目的地间计算并维护多条完整的传输路径，大多数基于服务质量(Quality of Service，QoS)需求和基于多协议标签交换(Multi-protocol Label Switching，MPLS)技术的多径路由算法都属此类。这些算法往往针对特定问题，有较大的计算和维护花费，实现复杂，需要特殊技术支持。另一类是对当前分布式计算的单下一跳路由算法进行扩展，通过放宽最短路径限制，允许各点选取到目的地距离比自身近的邻居作为可用的下一跳，从而产生多条传输路径。此类算法对现行的路由机制改变较小，相对于源路由更易于实现，可以采用距离矢量机制(例如多路径距离矢量算法MDVA)，也可以采用链路状态机制(例如多路径算法MPA)。但此类算法选路的策略还不够灵活，难以更加充分有效的利用网络资源，合理的规划网络流向，可挖掘的潜力有限。

发明内容

本发明提供一种实现多下一跳路由的方法、装置及系统，以解决现有路由方案由于单下一跳路由造成的网络流量不均衡、网络资源利用率不高的问题。

为此，本发明实施例采用如下技术方案：

一种实现多下一跳路由的方法，在网络中各节点获得全网的拓扑信息后，执行以下步骤：网络节点定序过程：各网络出口节点以自身为根运行支撑树搜索算法，从而确定网络中各个节点的序号；多下一跳路由过程：执行从高序号节点向任意一个相邻低序号节点的数据转发。

所述各网络出口节点以自身为根运行支撑树搜索算法，从而确定网络中各个节点的序号包括：网络出口节点执行支撑树搜索算法获得网络中各节点序号值；网络出口节点向全网节点泛洪包含所述各节点序号值的序号表。所述执行从高序号节点向任意一个相邻低序号节点的数据转发包括：各节点根据收到的序号表，获得自身和所有邻居的序号值；各节点针对不同的网络出口，执行序号值比较过程；确定所有序号值小于本节点序号值的邻居节点都是所对应网络出口节点的下一跳节点，选择一个下一跳节点进行数据转发。

所述支撑树搜索算法包括宽度优先搜索算法、深度优先搜索算法、最短路径树搜索算法或最小支撑树搜索算法。

一种实现多下一跳路由的网络出口节点装置，包括用于获得网络拓扑信息的拓扑信息获取单元，还包括：网络节点定序单元，用于运行以所述网络出口节点为根的支撑树搜索算法，从而确定对网络中各个节点的序号。

所述网络节点定序单元进一步包括：算法运行子单元，用于执行支撑树搜索算法获得网络中各节点序号值；序号表泛洪子单元，用于向全网节点泛洪包含所述各节点序号值的序号表。

一种实现多下一跳路由的网络内部节点装置，包括用于获得网络拓扑信息的拓扑信息获取单元，还包括：序号表获取单元，用于获取包含各节点序号值的序号表；多下一跳路由确定单元，用于执行从高序号节点向任意一个相邻低序号节点的数据转发。

所述多下一跳路由确定单元进一步包括：序号值获取子单元，用于根据所述序号表，获得自身和所有邻居的序号值；序号值比较子单元，用于针对不同的网络出口，执行序号值比较过程；下一跳路由决策子单元，用于确定所有序号值小于本节点序号值的邻居节点都是所对应网络出口节点的下一跳节点，选择一个下一跳节点进行数据转发。

一种实现多下一跳路由的系统，包括网络出口节点和网络内部节点，所述网络出口节点和网络内部节点都包括用于获得网络拓扑信息的拓扑信息获取单元，网络出口节点还包括：网络节点定序单元，用于运行以所述网络出口节点为根的支撑树搜索算法，从而确定网络中各个节点的序号；网络内部节点还包括：序号表获取单元，用于获取包含各节点序号值的序号表；多下一跳路由确定单元，用于执行从高序号节点向任意一个相邻低序号节点的数据转发。

所述网络节点定序单元进一步包括：算法运行子单元，用于执行支撑树搜索算法获得网络中各节点序号值；序号表泛洪子单元，用于向全网节点泛洪包含所述各节点序号值的序号表；所述多下一跳路由确定单元进一步包括：序号值获取子单元，用于根据所述序号表，获得自身和所有邻居的序号值；序号值比较子单元，用于针对不同的网络出口，执行序号值比较过程；下一跳路由决策子单元，用于确定所有序号值小于本节点序号值的邻居节点都是所对应网络出口节点的下一跳节点，选择一个下一跳节点进行数据转发。

可见，本发明提出的多下一跳路由实现方案，由网络中各个出口节点分别运行以自身为根的支撑树搜索算法，得出网络中的一棵支撑树，在搜索的过程中完成给网络中所有节点的定序；然后每个节点都可以把所有序号值比自己低的邻居作为自己到相应出口节点可用的下一跳，从而可按序号值从大到小的顺序产生到出口节点的大量并行传输路径。本发明可以从根本上避免环路，同时由于节点间定义的是严格序号，不会出现等值节点，每条链路均可参与数据传输过程，从而有效解决现有方案网络流量不均衡、网络资源利用率不高的问题。

附图说明

图1是现有技术中单下一跳路由的网络架构图；

图2是本发明实现多下一跳路由的方法流程图；

图3是本发明实施例由网络出口节点计算支撑树完成对网络各节点定序的过程示意图；

图4是本发明实施例多下一跳路由的网络架构图；

图5为本发明实现多下一跳路由的系统结构示意图。

具体实施方式

支撑树(spanning tree)是指一棵连接图中所有节点的树，它是图论中一个重要的概念，也是图论和网络通讯中许多重要算法的依据。本发明基于支撑树理论，提出一种全新的路由算法——支撑树序号路由算法(SpanningTree Numbering Potential Algorithm，STNPA)，据此STNPA可实现多下一跳路由方案，该方案具体包括网络节点定序和多下一跳路由生成两大步骤。

网络节点定序的过程，由每个网络出口，采用集中式计算的方式，运行以自身为根的特定支撑树搜索算法，得出网络中的一棵支撑树，在运算的过程中分别给网络中各个节点定序。目前可供选用的支撑树搜索算法包括宽度优先搜索(BFS)，深度优先搜索(DFS)，最短路径树搜索(Dijkstra)，最小支撑树搜索(Prim)算法等。

多下一跳路由生成过程，规定连接相邻节点的链路上，其数据转发流向是从高序号节点流向低序号节点。

为使本发明的原理、特性和优点更加清楚，下面将详述STNPA路由方法具体的执行步骤。

请参见图2，为本发明提供的一种路由实现方法，包括如下步骤：

S01：使网络中各节点都得到全网准确的拓扑信息。

各个节点在计算支撑树时必须要知道网络的拓扑连接情况，STNPA算法在这一步可以借鉴OSPF等现有链路状态协议中包括邻居发现和维护，链路状态泛洪，链路状态数据库同步机制等成熟技术，以使网络中各节点都能得到准确的拓扑信息。

S02：由网络中各个出口节点，分别完成网络中所有节点相对于自身的定序赋值。

在本过程中，由网络中各个出口节点，分别运行以自身为根的支撑树搜索算法，得出网络中的一棵支撑树。在搜索过程中，同时完成对网络中所有节点相对于自身的定序赋值。设出口节点为t，以t为根得出网络中的一棵支撑树T，则出口节点t本身的序号为1，网络中任何一个节点v相对于t的序号即为v加入支撑树T时的序号，即v是第几个加入支撑树的。可见这样定义的序列为严格序列。

需要注意的是，在实际网络中，一条链路是双向连通的，双向的性能可能不一样。本发明因为考虑的是网络中所有节点到某一特定出口节点t的路径，所以在以t为根进行支撑树的搜索时，搜的都是相对于各点的入度边。本算法最终得到是一棵入度支撑树，和OSPF等协议中计算的以自身为根的出度支撑树不同，但搜索过程类似，只是改成搜索入度边而已。

S03：由各个出口节点，将序号表进行全网泛洪。

在步骤2后，每个出口节点都可以得出一个全网所有节点相对于自身的序号表，为了能产生多下一跳路由，每个出口节点都需要将自己算出的序号表进行全网泛洪，通知给所有网络节点。

S04：各个节点分别比较本节点与相邻节点的序号值，以此确定下一跳路由节点。

在执行完S04后，每个节点v都可以收到各个出口节点发送的序号表。节点v可根据收到的序号表决定自己到各个出口节点的下一跳节点。即对节点v，相对于任意的出口节点t，v邻居中所有序号比v的序号小的，都可以作为v到t可用的下一跳。

S05：各个节点将比较结果下放路由表，生成多下一跳路由。

在上一步后，每个节点v，相对于任意出口节点t，都可以得到多个可用的下一跳节点。节点v可以将这些可用下一跳都下放路由表，并行使用，形成到出口节点t的大量并行传输路径。可见每条传输路径都是由序号值大的节点向序号值小的节点不断延伸的，所以不会产生环路。

接下来以一个具体的实例来说明STNPA算法产生多下一跳路由的效果。

仍以图1所示的网络为例，以节点A为网络出口，节点A在执行支撑树搜索算法时，选用最短路径树搜索(Dijkstra)算法。这是因为Dijkstra算法是在当前网络有广泛应用的链路状态路由协议所普遍采用的算法，选用Dijkstra算法可对当前路由机制有良好的兼容性。

Dijkstra算法是图论中的一个重要算法，它的搜索过程是以一个节点t为根，按照网络中各点距离根节点的远近不断进行扩展，直到最终包含所有可达节点。只要网络是连通的，Dijkstra算法最终可以得到网络中以t为根的一棵支撑树，且使网络中各点v沿着支撑树到t的路径都是从v到t的最短路径。

图3显示了节点A运行Dijkstra算法，得到网络的最短路径支撑树，并在计算过程中给网络中各节点排序的过程。最终网络中各点形成了一个按序号从小到大的严格队列。

图4显示了网络中各节点按照相对于A点的序号大小，遵从由高序号点向低序号点走的原则，最终形成的多下一跳路由。可见STNPA路由方法产生了大量并行传输路径，每条传输路径都没有环路，所有链路都参与了数据传输，充分利用了网络资源。

与上述方法相对应，本发明还提供实现多下一跳路由的网络出口节点装置、网络内部节点装置以及实现多下一跳路由的系统。

请参见图5，为本发明提供的实现多下一跳路由的系统结构示意图，该系统包括网络出口节点501和网络内部节点502，网络出口节点501和网络内部节点502都可为多个，并且都包括用于获得网络拓扑信息的拓扑信息获取单元5011/5021，本发明关键改进在于，

网络出口节点501还包括：

网络节点定序单元5012，用于运行以网络出口节点501为根的支撑树搜索算法，从而确定网络中各个节点的序号；

网络内部节点502还包括：

序号表获取单元5022，用于从网络出口节点501获取包含各节点序号值的序号表；

多下一跳路由确定单元5023，用于根据序号表，执行从高序号节点向任意一个相邻低序号节点的数据转发操作。

其中，网络节点定序单元5012进一步包括：

算法运行子单元50121，用于执行支撑树搜索算法获得网络中各节点序号值；

序号表泛洪子单元50122，用于向全网节点泛洪包含各节点序号值的序号表；

其中，多下一跳路由确定单元5023进一步包括：

序号值获取子单元50231，用于根据序号表，获得自身和所有邻居的序号值；

序号值比较子单元50232，用于针对不同的网络出口，执行序号值比较过程；

下一跳路由决策子单元50233，用于确定所有序号值小于本节点序号值的邻居节点都是所对应网络出口节点501的下一跳节点，选择一个下一跳节点进行数据转发。

对于本发明提供的网络出口节点装置和网络内部节点装置，可一并参见上述系统的描述以及附图5。需要说明的是，网络出口节点和网络内部节点是相对的，其角色是可变的，在某个时刻，某个网络节点是出口节点，在下一时刻，该节点可能作为网络内部节点，因此，上述提到的网络出口节点装置和网络内部节点装置是实际网络中节点执行的功能而已，在实际的节点中，优选都包含网络出口节点装置和网络内部节点装置的功能。

综上所述，本发明依托图论中的支撑树搜索算法，提出了一种多下一跳路由实现方法-STNPA。本方法突破了当前网络路由算法依赖于最短路径的限制，由网络中各个出口节点分别运行以自身为根的支撑树搜索算法，在搜索的过程中完成给网络中所有节点的定序。每个节点都可以把所有序号比自己低的邻居作为自己可用的下一跳，从而可按序号从大到小的顺序产生到目的地的大量并行传输路径。

根据本发明，可使所有可行链路都参与到数据转发过程中，为路由提供了大量可用资源，为实现全网负载均衡提供了良好基础。本发明提出的多下一跳路由生成算法，选路策略灵活，简单易行，通信量低；该算法使报文的传输方向得到规范，从根本上避免了网络中环路的产生。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种实现多下一跳路由的方法，其特征在于，在网络中各节点获得全网的拓扑信息后，执行以下步骤：

网络节点定序过程：各网络出口节点以自身为根运行支撑树搜索算法，从而确定网络中各个节点的序号；

多下一跳路由过程：执行从高序号节点向任意一个相邻低序号节点的数据转发。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述各网络出口节点以自身为根运行支撑树搜索算法，从而确定网络中各个节点的序号包括：

网络出口节点执行支撑树搜索算法获得网络中各节点序号值；

网络出口节点向全网节点泛洪包含所述各节点序号值的序号表。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述执行从高序号节点向任意一个相邻低序号节点的数据转发包括：

各节点根据收到的序号表，获得自身和所有邻居的序号值；

各节点针对不同的网络出口，执行序号值比较过程；

确定所有序号值小于本节点序号值的邻居节点都是所对应网络出口节点的下一跳节点，选择一个下一跳节点进行数据转发。

4.根据权利要求1、2或3所述方法，其特征在于，所述支撑树搜索算法包括宽度优先搜索算法、深度优先搜索算法、最短路径树搜索算法或最小支撑树搜索算法。

5.一种实现多下一跳路由的网络出口节点装置，包括用于获得网络拓扑信息的拓扑信息获取单元，其特征在于，还包括：

网络节点定序单元，用于运行以所述网络出口节点为根的支撑树搜索算法，从而确定对网络中各个节点的序号。

6.根据权利要求5所述装置，其特征在于，所述网络节点定序单元进一步包括：

算法运行子单元，用于执行支撑树搜索算法获得网络中各节点序号值；

序号表泛洪子单元，用于向全网节点泛洪包含所述各节点序号值的序号表。

7.一种实现多下一跳路由的网络内部节点装置，包括用于获得网络拓扑信息的拓扑信息获取单元，其特征在于，还包括：

序号表获取单元，用于获取包含各节点序号值的序号表；

多下一跳路由确定单元，用于执行从高序号节点向任意一个相邻低序号节点的数据转发。

8.根据权利要求7所述装置，其特征在于，所述多下一跳路由确定单元进一步包括：

序号值获取子单元，用于根据所述序号表，获得自身和所有邻居的序号值；

序号值比较子单元，用于针对不同的网络出口，执行序号值比较过程；

下一跳路由决策子单元，用于确定所有序号值小于本节点序号值的邻居节点都是所对应网络出口节点的下一跳节点，选择一个下一跳节点进行数据转发。

9.一种实现多下一跳路由的系统，包括网络出口节点和网络内部节点，所述网络出口节点和网络内部节点都包括用于获得网络拓扑信息的拓扑信息获取单元，其特征在于，

网络出口节点还包括：

网络节点定序单元，用于运行以所述网络出口节点为根的支撑树搜索算法，从而确定网络中各个节点的序号；

网络内部节点还包括：

序号表获取单元，用于获取包含各节点序号值的序号表；

多下一跳路由确定单元，用于执行从高序号节点向任意一个相邻低序号节点的数据转发。

10.根据权利要求9所述系统，其特征在于，所述网络节点定序单元进一步包括：

算法运行子单元，用于执行支撑树搜索算法获得网络中各节点序号值；

序号表泛洪子单元，用于向全网节点泛洪包含所述各节点序号值的序号表；

所述多下一跳路由确定单元进一步包括：

序号值获取子单元，用于根据所述序号表，获得自身和所有邻居的序号值；

序号值比较子单元，用于针对不同的网络出口，执行序号值比较过程；

下一跳路由决策子单元，用于确定所有序号值小于本节点序号值的邻居节点都是所对应网络出口节点的下一跳节点，选择一个下一跳节点进行数据转发。

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