CN101931543A - 一种基于覆盖网络组播系统的动态节点高效管理方法 - Google Patents
一种基于覆盖网络组播系统的动态节点高效管理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于覆盖网络组播系统的动态节点高效管理方法，该方法采用快速灵活的节点加入和优化机制；当节点加入时，从组播树的根节点开始，在满足一定的QoS性能的条件下，往远离根节点的方向偏移；当完成加入后，周期性地利用局部信息进行动态优化。组播方法可以快速的构建组播路由，具有较好的QoS性能，同时通过节点的带约束条件的偏移和动态优化，既保证了延时特性，又在一定程度上优化网络资源利用率，并可以适应网络动态变化。
Description
技术领域
本发明涉及覆盖网络组播系统领域，尤其涉及一种基于覆盖网络组播系统的动态节点高效管理方法。
背景技术
随着网络技术的革新，以视频会议、视频监控与视频点播为代表的覆盖网络组播系统得到快速发展。覆盖网络组播由于其在可部署性等方面的重要优势，逐渐替代IP组播，成为在互联网上开展组播业务的优先方案。而如何构造满足实时多媒体应用需求的覆盖网络组播方法，是当前的重要问题。许多新的网络应用都需要优化组播的延时性能，以及底层链路的带宽利用率，同时适应网络节点的动态变化。针对这一类应用设计基于动态节点的覆盖网络组播方法，具有十分广阔的应用前景。
然而，现有覆盖网络组播系统中，基于动态节点的组播方法为实现节点动态加入时搜寻最优的父节点时，存在对QoS支持不够、或较高的方法开销的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于覆盖网络组播系统的动态节点高效管理方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于覆盖网络组播系统的动态节点高效管理方法，包括以下步骤：
(1)覆盖网络组播系统初始化：覆盖网络是构建在底层网络之上的虚拟网络；假设底层IP网络能够提供透明的端到端单播路由，网络链路是对称的，那么覆盖网络组播的网络模型可以用一个完全无向图G(V，E)来描述，其中V是节点的集合，表示覆盖网节点，E＝V×V是边的集合，表示覆盖网虚拟链路，每一条虚拟链路对应于一条底层的单播路径，包含一条或者多条物理链路；对于节点v∈V，定义如下参数：节点的带宽Bv(v)∈R+，表示节点的最大带宽容量；节点的代价Cv(v)∈R+，表示节点的费用开销等；对于边e∈E，定义如下参数：边的带宽Be(e)∈R+，表示虚拟链路的带宽容量；边的延时De(e)∈R+，表示虚拟链路的端到端延时；边的代价Ce(e)∈R+，表示虚拟链路占用的网络资源等；
(2)动态节点加入覆盖网络组播系统：假设节点可以通过第三方机制获得组播树根节点r的信息；当一个新的节点v要加入组播组时，它首先将根节点r作为当前父节点，记为pcur；然后节点v向pcur发送查询请求，节点pcur收到请求后，发送响应，并将自身节点信息以及当前子节点列表Vc返回给v；v在获得上述信息后，将Vc作为其潜在父节点列表，记为Vpo，计算其当前到根节点的延时，记为Dcur(v)，探测其到各个潜在的父节点p的往返延时De(v，p)，其中p∈Vpo；根据探测到得延时信息，计算v通过p节点可以预计的到根节点r的延时Dtry(v，p，r)＝De(v，p)+Dcur(p)，其中p∈Vpo；判断是否存在满足条件
的潜在节点p，即节点v通过节点p预计获得的到根节点的延时与当前延时Dcur(v)之差的归一化值是否小于K，K为阈值；将这个节点p压入栈，继续查询是否存在其他满足条件的潜在父节点，并将符合的节点压入堆栈直到栈的规模达到阈值M或者查询完成，然后从中取出使得
最小的节点pb，将其设为当前父节点pcur＝pb，重新发送查询请求；重复上面的加入查询和探测过程；若不存在满足条件的潜在父节点，则向pcur发送加入请求报文，pcur接纳其为子节点，发送确认报文，并更新其子节点列表信息；
(3)覆盖网络组播系统进行节点优化：节点v周期性与父节点p交换信息：节点v向父节点p报告自己的更新信息，父节p点发送其子节点列表Vc信息和其父节点pg的信息；与节点加入的过程类似，节点v将这些节点作为潜在的可优化节点，记为集合Vop，探测通过这些节点可以获得到根节点的预计延时信息Dtry(v，pop，r)，若(Dcur(v)-Dtry(v，pop，r))/Dcur(v)＞δ，其中参数δ＞0，则更新pop作为其当前父节点，向当前父节点p发送离开报文，收到确认后，向pop发送加入报文，更新节点信息；
(4)组播节点的离开和失效：当组播成员节点v正常离开时，节点需要发送离开报文给它的父节点和各个子节点；父节点在收到报文后更新子节点列表信息；各个子节点在收到报文后以v的父节点，即自身的祖父节点作为新的当前父节点，然后重新运行节点加入的过程；当组播成员节点v非正常离开或者失效时，由于父节点和子节点之间会周期性的交换信息，v的父节点会在周期内检测到子节点失效，更新其子节点列表；节点v的子节点同样会周期内检测到父节点的失效，然后以祖父节点作为当前节点，重新运行节点的加入过程；
(5)覆盖网络组播组信息管理：FQMP采用分布式的方法构造组播路由，每个节点都只需要维护局部的信息，而不是整个组播树的信息，这大大增强了组播的拓展性；由以上的节点加入，离开和动态优化过程可知，节点需要维护以下信息：(A)自身节点信息，包括到根节点的延时Dcur等；(B)组播树上的邻居节点信息，包括子节点列表Vc，父节点信息；(C)在动态优化和节点失效处理过程中，节点还需要维护一部分的潜在优化节点列表Vop，该列表包括祖父节点和其父节点的兄弟节点，也称为叔节点；假设当前节点的度为dT(v)，当前父节点的度为dT(p)，则节点维护的信息量为o(dT(v)+dT(p))。
本发明的有益效果是，本发明的方法采用快速灵活的节点加入和优化机制。当节点加入时，从组播树的根节点开始，在满足一定的QoS性能的条件下，往远离根节点的方向偏移；当完成加入后，周期性地利用局部信息进行动态优化。组播方法可以快速的构建组播路由，具有较好的QoS性能，同时通过节点的带约束条件的偏移和动态优化，既保证了延时特性，又在一定程度上优化网络资源利用率，并可以适应网络动态变化。
附图说明
图1是覆盖网络组播系统拓扑图，其中，(a)为底层网络结构，(b)为覆盖网络结构；
图2是动态节点加入覆盖网络组播系统拓扑图。
具体实施方式
本发明基于覆盖网络组播系统的动态节点高效管理方法，包括以下步骤：
1覆盖网络组播系统初始化
覆盖网络是构建在底层网络之上的虚拟网络。假设底层IP网络能够提供透明的端到端单播路由，网络链路是对称的，那么覆盖网络组播的网络模型可以用一个完全无向图G(V，E)来描述，其中V是节点的集合，表示覆盖网节点，E＝V×V是边的集合，表示覆盖网虚拟链路，每一条虚拟链路对应于一条底层的单播路径，包含一条或者多条物理链路。对于节点v∈V，定义如下参数：节点的带宽Bv(v)∈R+，表示节点的最大带宽容量；节点的代价Cv(v)∈R+，表示节点的费用开销等。对于边e∈E，定义如下参数：边的带宽Be(e)∈R+，表示虚拟链路的带宽容量；边的延时De(e)∈R+，表示虚拟链路的端到端延时；边的代价Ce(e)∈R+，表示虚拟链路占用的网络资源等。
图1给出了一个覆盖网络组播的网络模型。图1(a)表示底层的网络拓扑结构；图1(b)表示对应的覆盖网络拓扑结构。虚拟链路对应于底层的一条单播路径，包含一个或者多个物理链路。对于覆盖网节点和虚拟链路都定义了相应的参数。由于覆盖网的虚拟链路会共享底层网络的物理链路，这使得覆盖网络组播的带宽控制变得十分复杂。一种简化的方式是，假设覆盖网络组播的带宽瓶颈在于节点的带宽能力，虚拟链路的带宽能力Be(e)由节点的带宽容量决定。对于节点的带宽能力，可以对各个节点设置度约束dmax(v)表示节点最多能够向下游节点转发分组的数目。dmax(v)由节点的容量和组播服务的媒体流带宽共同决定。
因此，覆盖网络组播的可以简化为如下问题：给定一个完全无向图G(V，E)，一个数据源节点s∈V，一组目的节点给点一个或者多个约束条件C，对于一个优化目标O，构造一个图G的最优生成树，使其满足C。
2动态节点加入覆盖网络组播系统
假设节点可以通过第三方机制(如汇聚节点RP)获得组播树根节点r的信息。当一个新的节点v要加入组播组时，它首先将根节点r作为当前父节点(记为pcur)。然后节点v向pcur发送查询请求，节点pcur收到请求后，发送响应，并将自身节点信息以及当前子节点列表Vc返回给v；v在获得上述信息后，将Vc作为其潜在父节点列表(记为Vpo)，计算其当前到根节点的延时(记为Dcur(v))，探测其到各个潜在的父节点p的往返延时De(v，p)，其中p∈Vpo；根据探测到得延时信息，计算v通过p节点可以预计的到根节点r的延时Dtry(v，p，r)＝De(v，p)+Dcur(p)，其中p∈Vpo。判断是否存在满足条件
的潜在节点p，即节点v通过节点p预计获得的到根节点的延时与当前延时Dcur(v)之差的归一化值是否小于K(K为阈值)。
将这个节点p压入栈，继续查询是否存在其他满足条件的潜在父节点，并将符合的节点压入堆栈直到栈的规模达到阈值M(例如M＝2)或者查询完成，然后从中取出使得
最小的节点pb，将其设为当前父节点pcur＝pb，重新发送查询请求。重复上面的加入查询和探测过程。若不存在满足条件的潜在父节点，则向pcur发送加入请求报文，pcur接纳其为子节点，发送确认报文，并更新其子节点列表信息。
FQMP方法中，节点v加入组播组group(r)过程的详细方法步骤如下：
1)找到组播树的根节点r，设其为当前父节点pcur＝r。
2)向pcur发送查询，等待响应。
3)如果收到响应，则Dcur＝De(v，pcur)+Dcur(pcur)；令pcur的当前子节点列表为其潜在父节点列表Vpo；初始化有效的潜在父节点表Sop；对于每个p∈Vpo，探测De(v，p)，获取Dp(p，r)。
令Dtry(v，p，r)＝De(v，p)+Dcur(p)；如果
则＜Dtry，p＞堆栈Sop；如果Sop.size()＝＝M，则停止；如果Sop非空，则令pcur为Sop中Dtry最小的项对应的节点；转到步骤2。
4)发送加入请求到pcur，等待响应。
5)如果收到响应，则加入成功；否则加入失败，方法结束。
FQMP节点加入方法从现有组播树的根节点开始查询，因为直接接入根节点可以获得最优的延时性能。然后再延时退化满足条件(即预计的额外延时归一化值小于K)时，为了优化底层的链路利用率，节点选择在组播树上远离根节点。直到现有的父节点没有符合条件的子节点为止。这种方法的优点是在保证延时性能的基础上，快速有效的地增加链路的利用率。只需要探测树上的局部信息，即可获得较优的接入点。
3覆盖网络组播系统进行节点优化
由于节点加入采用局部优化方法，节点的加入位置并不是性能最优的，同时，由于网络的动态特性，节点之间的链路延时特性都会发生变化。为了适应这种动态环境，FQMP采用一种有效的动态优化方法，保证节点能够始终获得较好的路由性能。
具体方法如下：节点v周期性与父节点p交换信息：节点v向父节点p报告自己的更新信息，父节p点发送其子节点列表Vc信息和其父节点pg的信息。与节点加入的过程类似，节点v将这些节点作为潜在的可优化节点(记为集合Vop)，探测通过这些节点可以获得到根节点的预计延时信息Dtry(v，pop，r)，若(Dcur(v)-Dtry(v，pop，r))/Dcur(v)＞δ，其中参数δ＞0，则更新pop作为其当前父节点，向当前父节点p发送离开报文，收到确认后，向pop发送加入报文，更新节点信息。
参数δ的选择对优化的频率有直接影响。若δ较小，则节点的优化频率高，反正δ较大，则优化频率低。节点更新其在组播树上的位置，会造成一定的网络开销，还会影响组播树的稳定性，因此需要合理选择参数δ。
这种动态优化的好处在于：(1)可以优化节点在组播树中的位置，特别是在底层网络动态的环境下，优化组播路由的性能；(2)当父节点异常时，可以根据之前保存的节点集合Vop，快速地找到新的父节点。
4组播节点的离开和失效
当组播成员节点v正常离开时，节点需要发送离开报文给它的父节点和各个子节点。父节点在收到报文后更新子节点列表信息；各个子节点在收到报文后以v的父节点，即自身的祖父节点作为新的当前父节点，然后重新运行节点加入的过程。
当组播成员节点v非正常离开或者失效时，由于父节点和子节点之间会周期性的交换信息，v的父节点会在周期内检测到子节点失效，更新其子节点列表。节点v的子节点同样会周期内检测到父节点的失效，然后以祖父节点作为当前节点，重新运行节点的加入过程。
5覆盖网络组播组信息管理
FQMP采用分布式的方法构造组播路由，每个节点都只需要维护局部的信息，而不是整个组播树的信息，这大大增强了组播的拓展性。由以上的节点加入，离开和动态优化过程可知，节点需要维护以下信息：(1)自身节点信息，包括到根节点的延时Dcur等；(2)组播树上的邻居节点信息，包括子节点列表Vc，父节点信息；(3)在动态优化和节点失效处理过程中，节点还需要维护一部分的潜在优化节点列表Vop，该列表包括祖父节点和其父节点的兄弟节点(也称为叔节点)。假设当前节点的度为dT(v)，当前父节点的度为dT(p)，则节点维护的信息量为o(dT(v)+dT(p))。
Claims (2)
1.一种基于覆盖网络组播系统的动态节点高效管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)覆盖网络组播系统初始化：覆盖网络是构建在底层网络之上的虚拟网络。假设底层IP网络能够提供透明的端到端单播路由，网络链路是对称的，那么覆盖网络组播的网络模型可以用一个完全无向图G(V，E)来描述，其中V是节点的集合，表示覆盖网节点，E＝V×V是边的集合，表示覆盖网虚拟链路，每一条虚拟链路对应于一条底层的单播路径，包含一条或者多条物理链路。对于节点v∈V，定义如下参数：节点的带宽Bv(v)∈R+，表示节点的最大带宽容量；节点的代价Cv(v)∈R+，表示节点的费用开销等。对于边e∈E，定义如下参数：边的带宽Be(e)∈R+，表示虚拟链路的带宽容量；边的延时De(e)∈R+，表示虚拟链路的端到端延时；边的代价Ce(e)∈R+，表示虚拟链路占用的网络资源等。
(2)动态节点加入覆盖网络组播系统：假设节点可以通过第三方机制获得组播树根节点r的信息。当一个新的节点v要加入组播组时，它首先将根节点r作为当前父节点，记为pcur。然后节点v向pcur发送查询请求，节点pcur收到请求后，发送响应，并将自身节点信息以及当前子节点列表Vc返回给v；v在获得上述信息后，将Vc作为其潜在父节点列表，记为Vpo，计算其当前到根节点的延时，记为Dcur(v)，探测其到各个潜在的父节点p的往返延时De(v，p)，其中p∈Vpo；根据探测到得延时信息，计算v通过p节点可以预计的到根节点r的延时Dtry(v，p，r)＝De(v，p)+Dcur(p)，其中p∈Vpo。判断是否存在满足条件的潜在节点p，即节点v通过节点p预计获得的到根节点的延时与当前延时Dcur(v)之差的归一化值是否小于K，K为阈值。将这个节点p压入栈，继续查询是否存在其他满足条件的潜在父节点，并将符合的节点压入堆栈直到栈的规模达到阈值M或者查询完成，然后从中取出使得最小的节点pb，将其设为当前父节点pcur＝pb，重新发送查询请求。重复上面的加入查询和探测过程。若不存在满足条件的潜在父节点，则向pcur发送加入请求报文，pcur接纳其为子节点，发送确认报文，并更新其子节点列表信息。
(3)覆盖网络组播系统进行节点优化：节点v周期性与父节点p交换信息：节点v向父节点p报告自己的更新信息，父节p点发送其子节点列表Vc信息和其父节点pg的信息。与节点加入的过程类似，节点v将这些节点作为潜在的可优化节点，记为集合Vop，探测通过这些节点可以获得到根节点的预计延时信息Dtry(v，pop，r)，若(Dcur(v)-Dtry(v，pop，r))/Dcur(v)＞δ，其中参数δ＞0，则更新pop作为其当前父节点，向当前父节点p发送离开报文，收到确认后，向pop发送加入报文，更新节点信息。
(4)组播节点的离开和失效：当组播成员节点v正常离开时，节点需要发送离开报文给它的父节点和各个子节点。父节点在收到报文后更新子节点列表信息；各个子节点在收到报文后以v的父节点，即自身的祖父节点作为新的当前父节点，然后重新运行节点加入的过程。当组播成员节点v非正常离开或者失效时，由于父节点和子节点之间会周期性的交换信息，v的父节点会在周期内检测到子节点失效，更新其子节点列表。节点v的子节点同样会周期内检测到父节点的失效，然后以祖父节点作为当前节点，重新运行节点的加入过程。
(5)覆盖网络组播组信息管理：FQMP采用分布式的方法构造组播路由，每个节点都只需要维护局部的信息，而不是整个组播树的信息，这大大增强了组播的拓展性。由以上的节点加入，离开和动态优化过程可知，节点需要维护以下信息：(A)自身节点信息，包括到根节点的延时Dcur等；(B)组播树上的邻居节点信息，包括子节点列表Vc，父节点信息；(C)在动态优化和节点失效处理过程中，节点还需要维护一部分的潜在优化节点列表Vop，该列表包括祖父节点和其父节点的兄弟节点，也称为叔节点。假设当前节点的度为dT(v)，当前父节点的度为dT(p)，则节点维护的信息量为o(dT(v)+dT(p))。
2.根据权利要求1所述基于覆盖网络组播系统的动态节点高效管理方法，其特征在于，所述第三方机制为汇聚节点RP。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20101229 |