CN101951347B - 一种群组通信中覆盖网络度无关多播树重排路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及群组多媒体网络通信技术领域，尤其涉及一种群组通信中覆盖网络度无关多播树重排路由方法。本发明提供的方法采用子树路径排序交换策略代替剩余度迁移策略，使规模较大的子树经过若干次交换能够有效转移到低延迟的分发路径上，降低整体时延。本发明能够适用于无剩余度但有优化空间的多播树，提高了延迟优化比例，应用于实时群组多媒体业务的分发系统维护，能够对长时用户提供可持续的服务质量，有助于多媒体群组通信应用中的服务优化策略，适用于解决大规模网络直播服务应用中的服务质量优化问题。

Description

一种群组通信中覆盖网络度无关多播树重排路由方法

技术领域

本发明涉及群组多媒体网络通信技术领域，尤其涉及一种群组通信中覆盖网络度无关多播树重排路由方法。

背景技术

一组节点通过某种生成树方法成为组播树的分发群组成员，在群组内成员的自身能力变化或者链路吞吐量变化随即引起树的节点与链路的性能参数发生变化，这时的组播树并不能保持生成树的分发效率，如果没有及时的维护措施，组播树的整体延迟将越来越大，组播树分发效率降低。针对这一问题，覆盖组播树重排路由方法(参见文献1)通过设定重排激活条件模型进行迭代优化的方法，自适应调节树路径结构。重排激活模型的基本原理是设定一组必要条件，当组播树中检测到某些节点符合这组必要条件，则激活节点置换，通过节点间的连续迭代置换达到重排优化的目的。

目前覆盖组播树重排路由方法(参见文献2-5)的重排激活模型设定重排必须满足两个条件：1)需要优化的树区域内存在剩余度付指多播树上的节点向其子节点转发数据后所剩余的转发连接数目)，2)基于剩余度调整能够降低局部树分发延迟。该方法将节点剩余度作为必要条件之一，使得只有具有剩余度的节点可以进行重排优化，这种重排优化适用于剩余度较多的组播树，而对于剩余度分布比较稀少或者没有剩余度的组播树，当局部子树内没有剩余度时将不能激活重排优化。同时从生成树的构造原理来看，越靠近根节点的成员节点绝大部分处于饱和或接近于饱和状态，剩余度低或者没有剩余度，因此这种重排优化比例较低，分发延迟优化效果不明显。因此，在剩余度分布稀疏的环境下，如何提高延迟优化比例，从而提高整体分发延迟质量，是一个亟待解决的技术难题。

文献1：Banerjee S，Kommareddy C，Kar BBK，Khuller S.，“Construction of an efficientoverlay multicast infrastructure for real-time applications”，In：Proceedings of the INFOCOM2003，Vol.2，2003：pp.1521-1531.

文献2：Michael K.Reiter，Asad Samar，Chenxi Wang，“Self-Adjusting Distributed Trees”，Technical Report，School of Computer Science，Carnegie Mellon University，CMU-CS-05-171，2005：pp.5-24.

文献3：M.Gruber，J.van Hemert，and G.R.Raidl，“Neighbourhood searches for the boundeddiameter minimum spanning tree problem embedded in a VNS，EA，and ACO”，In：Proceedings ofthe 8th Annual Conference on Genetic and Evolutionary Computation，2006：pp.1187-1194.

文献4：Papaemmanouil，O.，Ahmad，Y.，Cetintemel，U，Jannotti，J，“Application-awareOverlay Networks for Data Dissemination”，In：Proceedings of the International Workshop onSemantics enabled Networks and Services，Atlanta，April 2006：pp.76-76.

文献5：Baoliu Ye，Minyi Guo，Daoxu Chen，Sanglu Lu，“A degree-constrained QoS-awarerouting algorithm for application layer multicast”，InformationSciences，Vol.177，2007：pp.3613-3626.

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种群组通信中覆盖网络度无关多播树重排路由方法，该方法去掉剩余度必要条件，采用子树路径排序交换策略代替剩余度迁移策略，使规模较大的子树经过若干次交换能够有效转移到低延迟的分发路径上，降低多播树整体时延。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

①设定多播树T的某一子树T′需要优化，其根节点为S，S的孩子节点为P₁，P₂……，P_n，称之为为P层节点，S的孙子节点(其子节点的孩子节点，称之为C层节点)为C₁，C₂……，C_m，每一个C层节点都可能是一棵子树的根节点，S，P层节点，C层节点构成了一棵三层的局部子树；

②设定以属于C层节点的某个节点C_i，则以C_i为根节点的子树T_ci规模可表示为N_ci(T′)，计算每个以C层节点为根节点的子树规模大小，并按照规模从大到小的顺序进行排列，得到规模队列QUEUE：N_k(1)(T′)，N_k(2)(T′)，……，N_k(m)(T′)，该队列决定了子树置换优化的顺序；

③从子树规模队列QUEUE中选取具有最大规模的子树T_ci，其根节点为C_i，则重新选择C_i的父节点，对该子树进行重新挂载；

④由C_i向所有可连通的P层节点发送ping探测消息，获取C_i根据所有P层节点的response回复消息，如果P层中的某个节点剩余度已为0则不会回复任何消息。根据返回的response时戳信息，可计算所有可连通P层节点到C_i节点的分发延迟delay(P_j→C_i)，P_j是P层中的任意节点；

⑤设P层中任意节点P_j的分发延迟距离(即源节点发送数据到达P_j的延迟时间)为Delay(P_j)，则选择具有最小延迟Min(Delay(P_j)+delay(P_j→C_i))的节点为节点C_i的挂载父节点；

⑥从子树队列QUEUE删除节点C_i，返回步骤③进行下一个子树的选择操作，直到QUEUE＝NULL，完成所有的路由选择，重构形态计算结束，获得新的优化子树T″；

⑦计算新子树T″延迟增益，判断是否降低了树T′的整体分发延迟，如果Delay(T′)＞Delay(T″)，即原子树的分发总延迟大于现子树的分发总延迟，则优化成功；如果Delay(T′)＜Delay(T″)，即原子树的分发总延迟小于现子树的分发总延迟，则优化失败，放弃重排操作；

⑧当步骤⑦中的置换判决条件成立的时候，将能够进行树路径的局部重排。

步骤⑦中的Delay(T′)将按以下公式进行计算：

$\mathrm{Delay}\left(T^{\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{Ci}}\left(T^{\′}\right)\×(\mathrm{Delay}\left(P_i^{\′}\right)+\mathrm{delay}(P_i^{\′}\→C_i))$

N_ci(T′)是子树T′中以其节点C_i为根节点的子树T_ci规模，Delay(P′_i)是节点C_i的父节点P′_i在树T中的分发延时，delay(P′_i→C_i)是P′_i发送数据到C_i的延迟时间。

步骤⑦中的Delay(T″)将按以下公式进行计算：

$\mathrm{Delay}\left(T^{\′\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{Ci}}\left(T^{\′\′}\right)\×(\mathrm{Delay}\left(P_i^{\′\′}\right)+\mathrm{delay}(P_i^{\′\′}\→C_i))$

N_ci(T″)是子树T′中以其节点C_i为根节点的子树T_ci规模，由于C层以下子树形态未变化，可知N_ci(T″)＝N_ci(T′)，Delay(P″_i)是节点C_i新的父节点P″_i在树T中的分发延时，delay(P″_i→C_i)是P″_i发送数据到C_i的延迟时间。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)本发明能够适用于无剩余度但有优化空间的多播树，提高了延迟优化比例，应用于实时群组多媒体业务的分发系统维护，能够对长时用户提供可持续的服务质量；

2)本发明有助于多媒体群组通信应用中的服务优化策略，适用于解决大规模网络直播服务应用中的服务质量优化问题。

附图说明

图1是本发明提供的群组通信中覆盖网络度无关多播树重排路由方法的原理图。

图2是本发明提供的群组通信中覆盖网络度无关多播树重排路由方法的流程图。

具体实施方式

多媒体群组通信存在较大的动态性，各个成员可能会随时加入或离开群组，而且成员本身的特性也经常会发生改变。例如在城市公交视频联网监控系统中，监控摄像头随着公交车的快速移动可能在不同的网络环境中切换，为了与调度中心保持持续可靠的联系，监控摄像头须按照当前最佳的网络路径传送视频数据。然而当前多数的监控摄像头并不能根据网络变化自适应的切换，视频数据断续地传回调度中心，时延增大，视频画面质量也因丢包而花屏或掉帧。

本发明提出的群组通信中覆盖网络度无关多播树重排路由方法能够跨越物理网络局限，在应用层考虑服务节点本身能力及网络条件的动态变化特征，自适应的从低延迟目标出发选择最优的多播分发路由树，从而使得大型城市级视频联网监控的实时性在网络切换时也能得到保证。

该方法可由根节点发起，由上至下沿着组播分发路径不断推进计算，在树的全局范围内进行重构调整，从而可以迭代优化组播树中的每个分支子树。每次优化的范围则是以需优化的分支子树根节点为起始节点的3层以内的局部树结构，具体的方法流程如下：

1)设定多播树T的某一子树T′需要优化，其根节点为S，S的孩子节点为P₁，P₂……，P_n，称之为为P层节点，S的孙子节点(其子节点的孩子节点，称之为C层节点)为C₁，C₂……，C_m，每一个C层节点都可能是一棵子树的根节点，S，P层节点，C层节点构成了一棵三层的局部子树；

2)设定以属于C层节点的某个节点C_i，则以C_i为根节点的子树T_ci规模(即子树下所有的子孙节点数目)可表示为N_ci(T′)，计算每个以C层节点为根节点的子树规模大小(如果C是叶节点则子树大小为0)，并按照规模从大到小的顺序进行排列，得到规模队列QUEUE：N_k(1)(T′)，N_k(2)(T′)，……，N_k(m)(T′)，该队列决定了子树置换优化的顺序；

3)从子树规模队列QUEUE中选取具有最大规模的子树T_ci，其根节点为C_i，则重新选择C_i的父节点，对该子树进行重新挂载；

4)由C_i向所有可连通的P层节点发送ping探测消息，获取C_i根据所有P层节点的response回复消息，如果P层中的某个节点剩余度已为0则不会回复任何消息。可以根据返回的response时戳信息，计算所有可连通P层节点到C_i节点的分发延迟delay(P_j→C_i)，P_j是P层中的任意节点；

5)设P层中任意节点P_j的分发延迟距离(即源节点发送数据到达P_j的延迟时间)为Delay(P_j)，则选择具有最小延迟Min(Delay(P_j)+delay(P_j→C_i))的节点为节点C_i的挂载父节点；

6)从于树队列QUEUE删除节点C_i，返回步骤(3)进行下一个子树的选择操作，直到QUEUE＝NULL，完成所有的路由选择，重构形态计算结束，获得新的优化子树T″；

7)计算新子树T″延迟增益，判断是否降低了树T′的整体分发延迟，如果Delay(T′)＞Delay(T″)，即原子树的分发总延迟大于现子树的分发总延迟，则优化成功；如果Delay(T′)＜Delay(T″)，即原子树的分发总延迟小于现子树的分发总延迟，则优化失败，放弃重排操作；

8)当步骤7中的置换判决条件成立的时候，将能够进行树路径的局部重排。所有的C层次子树节点将根据方法计算出的优化树形态，重连接新的父节点，如果仍然是其原有的父节点则保持不变。当所有子树连通后，则局部树的重构完成，新的树优化计算可以P层次的所有节点分别作为根节点再继续向下层节点发起，该优化过程将一直持续到所有的C层节点都是叶节点为止。

其中步骤7中的Delay(T′)将按以下公式进行计算：

$\mathrm{Delay}\left(T^{\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{Ci}}\left(T^{\′}\right)\×(\mathrm{Delay}\left(P_i^{\′}\right)+\mathrm{delay}(P_i^{\′}\→C_i))---\left(1\right)$

N_ci(T′)是子树T′中以其节点C_i为根节点的子树T_ci规模，Delay(P′_i)是节点C_i的父节点P′_i在树T中的分发延时，delay(P′_i→C_i)是P′_i发送数据到C_i的延迟时间。

即，原局部子树的分发总延迟是通过原所有C层节点的分发路径的延迟距离乘以子树的“规模”近似计算得到。

其中步骤7中的Delay(T″)将按以下公式进行计算：

$\mathrm{Delay}\left(T^{\′\′}\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{N}_{\mathrm{Ci}}\left(T^{\′\′}\right)\×(\mathrm{Delay}\left(P_i^{\′\′}\right)+\mathrm{delay}(P_i^{\′\′}\→C_i))---\left(2\right)$

N_ci(T″)是子树T′中以其节点C_i为根节点的子树T_ci规模，由于C层以下子树形态未变化，可知N_ci(T″)＝N_ci(T′)，Delay(P″_i)是节点C_i新的父节点P″_i在树T中的分发延时，delay(P″_i→C_i)是P″_i发送数据到C_i的延迟时间。

即，现局部子树的分发总延迟是通过现所有C层节点的新分发路径的延迟距离乘以子树的“规模”近似计算得到。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种群组通信中覆盖网络度无关多播树重排路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

①设定多播树T的某一子树T′需要优化，子树T′的根节点为S，S的孩子节点为P₁，P₂……，P_n，称之为P层节点，S的孙子节点为C₁，C₂……，C_m，所述S的孙子节点是S的子节点的孩子节点，称之为C层节点；每一个C层节点是或者不是一棵子树的根节点，S，P层节点，C层节点构成了一棵三层的局部子树；

②设定一属于C层节点的某个节点C_i，则以C_i为根节点的子树T_ci规模表示为N_ci(T′)，计算每个以C层节点为根节点的子树规模大小，并按照规模从大到小的顺序进行排列，得到规模队列QUEUE：N_k(1)(T′)，N_k(2)(T′)，……，N_k(m)(T′)，该队列决定了子树置换优化的顺序；

③从子树规模队列QUEUE中选取具有最大规模的子树T_ci，其根节点为C_i，则重新选择C_i的父节点，对该子树进行重新挂载；

④由C_i向所有可连通的P层节点发送ping探测消息，获取C_i根据所有P层节点的response回复消息，如果P层中的某个节点剩余度已为0则不会回复任何消息,根据返回的response时戳信息，计算所有可连通P层节点到C_i节点的分发延迟delay(P_j→C_i)，P_j是P层中的任意节点；

⑤设P层中任意节点P_j的分发延迟距离为Delay(P_j)，则选择具有最小延迟Min(Delay(P_j)+delay(P_j→C_i))的节点为节点C_i的挂载父节点；

⑥从子树队列QUEUE删除节点C_i，返回步骤③进行下一个子树的选择操作，直到QUEUE=NULL，完成所有的路由选择，重构形态计算结束，获得新的优化子树T″；

⑦计算新子树T″延迟增益，判断是否降低了树T′的整体分发延迟，如果Delay(T′)>Delay(T″)，即原子树的分发总延迟大于现子树的分发总延迟，则优化成功；如果Delay(T′)<Delay(T″)，即原子树的分发总延迟小于现子树的分发总延迟，则优化失败，放弃重排操作；

步骤⑦中的Delay(T′)将按以下公式进行计算：

$\mathrm{Delay}\left(T^{\&prime;}\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{\mathrm{Ci}}\left(T^{\&prime;}\right)\&times;(\mathrm{Delay}\left(P_i^{\&prime;}\right)+\mathrm{delay}(P_i^{\&prime;}\&RightArrow;C_i))$

N_ci(T′)是子树T′中以其节点C_i为根节点的子树T_ci规模,Delay(P_i′)是节点C_i的父节点P_i′在树T中的分发延时，delay(P_i′→C_i)是P_i′发送数据到C_i的延迟时间；

步骤⑦中的Delay(T″)将按以下公式进行计算：

$\mathrm{Delay}\left(T^{\&prime;\&prime;}\right)=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{N}_{\mathrm{Ci}}\left(T^{\&prime;\&prime;}\right)\&times;(\mathrm{Delay}\left(P_i^{\&prime;\&prime;}\right)+\mathrm{delay}(P_i^{\&prime;\&prime;}\&RightArrow;C_i))$

N_ci(T″)是子树T′中以其节点C_i为根节点的子树T_ci规模，由于C层以下子树形态未变化，N_ci(T″)=N_ci(T′),Delay(P_i″)是节点C_i新的父节点P_i″在树T中的分发延时，delay(P_i″→C_i)是P_i″发送数据到C_i的延迟时间；

⑧当步骤⑦中的置换判决条件成立的时候，将能够进行树路径的局部重排。

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