CN102055664B - 一种基于覆盖网络环境的快速备选路由分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种基于覆盖网络环境的快速备选路由分配方法，该方法针对传统覆盖网络备选路由分配方法恢复时间效率低的问题，引入路径重建时的时延约束作为备选路径的选择条件，有利于选出恢复速度快的备选路径，通过扩展失效区域，将选出单一的备选路径过程转化为选出备选路径的集合，可提高选出高质量备选路径的成功概率。应用本发明能够降低失效路由恢复的延迟时间，提高路径的修复成功率。

Description

一种基于覆盖网络环境的快速备选路由分配方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种基于覆盖网络环境的快速备选路由分配方法。

背景技术

覆盖网络技术是指通过在基础网络的关键位置上设立智能的节点，以单播路由方式连接起来构成的虚拟应用层网络，这种网络位于用户终端与物理网络之间，可以用于实现特定的应用。相对于底层基础网络而言，覆盖网络层能够监测底层网络上的路由走向、传输延时、流量分布、拥塞状况、异常故障以及病毒感染流行等状态信息。覆盖网络层一方面依靠覆盖节点(Overlay Node)相互交换这些信息，另一方面基于这些信息实施智能的控制和管理手段，如路由探测选择、消灭病毒、流量控制以及内容检索、分类和管理等等。

覆盖网络QoS容错路由技术可以解决流式应用的容灾管理问题。由于Internet网络并不稳定，经常发生中断阻塞的故障，并且一旦发生网络异常，恢复的周期也较长(IP网络采用全网式的路由表重构，收敛较慢)，这对于分布式多媒体应用的影响是非常巨大的，因此研究高效率的抗毁容错管理机制非常必要。而覆盖网络可以对在线服务提供及时的保护措施，一旦节点或链路失效，能够通过应用层的检测机制迅速定位问题，并基于容错路由技术恢复被损毁的服务路径。QoS容错路由的方法主要分为两种：预计算备选路由与实时计算备选路由。1)预计算备选路由类似于IP网络的资源预留模式，通过预置重路由方式预先计算并建立多条备选路由，本地路由发现失效后，通过本地切换到备选路由的方式实现路由的本地修复。2)实时计算备选路由方法则是根据网络拥塞状态实时重构路由表，自适应的计算当前有效的备选路径，并采用“路由重构”的方法将会话迁移到安全的路径上。预计算备选路由方法虽然恢复周期短，可靠性高，但由于覆盖网络是应用层网络，不能像底层路由器一样真正预留服务资源，因此当路由切换的时候，往往会出现预置路由已无法满足当前的QoS需求的问题，从而造成服务路径重建失败。而实时备选路由方法能够准确地根据网络环境状况寻找有效备选路由，更适用于网络性能变化频繁的分布式应用，但其恢复效率要比预计算方式低，这是因为备选路由的计算和路由重构过程都需要耗费大量的时间，这些延迟必然影响恢复效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于覆盖网络环境的快速QoS备选路由分配方法，能够提高分布式网络系统中失效路由恢复的时间效率。

达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

设在某覆盖网络空间G＝(V，E)中存在失效单播服务路径P，其中V表示G中所有点的集合，E表示G中所有边的集合，其中失效单播服务路径P中发生失效而中断的链路组成失效链路集合L(P)；需要求一条支持失效单播服务路径P快速恢复传输的备选单播服务路径

则具体路由分配步骤如下，

步骤1，根据失效链路集合L(P)将失效单播服务路径P上所有的失效链路进行失效区域归并，构成所有失效区域的集合N；

步骤2，根据集合N中所有失效区域的位置，将失效单播服务路径P分解为m条只含有一个失效区域的单区域失效服务路径P_i，1≤i≤m，组成单区域失效

路径集合F(P)＝{P_i，1≤i≤m}；

步骤3，逐一对单区域失效路径集合F(P)中的单区域失效服务路径进行路由修复，修复步骤如下，

步骤3.1，针对单区域失效路径集合F(P)，设定其中某条单播覆盖服务路径P_i形式为P_1i→P_2i→......→P_ni，P_ji为单区域失效服务路径P_i中的每跳节点，共n跳节点，1≤j≤n；设单区域失效服务路径P_i中第k跳节点到第q跳节点的链路P_ki→P_qi出现服务异常状况，造成单区域失效服务路径P_i无法提供传输服务，则从覆盖网络空间G的拓扑中删除P_ki→P_qi；

步骤3.2，在覆盖网络空间G中搜索{P_1i→P_qi}、{P_ki→P_qi}、{P_ki→P_ni}和{P_1i→P_ni}四个链路区间内的有效传输路径，如果找到有效传输路径，则分别对应于{P_i-{P_1i→P_qi}}、{P_i-{P_ki→P_qi}}、{P_i-{P_ki→P_ni}}、{P_i-{P_1i→P_ni}}链路区间组合成支持单区域失效服务路径P_i恢复的备选路径，获得备选路径集合PATHS(P_i)，如果四个链路区间内都无法找到有效传输路径则说明恢复失败，中断失效服务路径P的连接；

步骤3.3，基于备选路径集合PATHS(P_i)，计算每条备选路径重构过程所需的延迟代价DELAY；

步骤3.4，选择具有最低延迟代价的备选路径为最优备选路径结果；

步骤4，将对单区域失效路径集合F(P)中的所有m条单区域失效服务路径分别找到的最优备选路径结果，按原失效单播服务路径P的传输方向依顺序组合成所需支持快速恢复传输的备选单播服务路径

而且，步骤1中所述失效区域归并实现方式如下，

设失效单播服务路径P上有K条失效链路，则首先计算每邻近两条失效链路间的距离D，该距离D通过失效链路间正常链路的跳数进行计算，然后将D＜＝1的邻近两条失效链路合并构成一个独立的失效区域N_c，失效链路集合L(P)中所有D＜＝1的邻近两条失效链路并构所得失效区域组成集合N。

而且，步骤2中所述路径分裂实现方式如下，

设失效单播服务路径P的所有失效区域的集合N为N＝{N_c，1≤c≤m}，N_c是集合N中的失效区域，m为N中失效区域的个数，设按失效单播服务路径P的传输方向，失效区域位置排列顺序依次为N₁，N₂，......N_m；如果m＝1则认为分割完成，单区域失效路径集合F(P)所含有的这个单区域失效服务路径就是失效单播服务路径P，否则继续执行分裂，执行实现过程如下，

步骤2.1，取集合N中前两个失效区域，设为N_x，N_y，N_x和N_y中的间隔链路设为I；

步骤2.2，以间隔链路I的中心节点q为切割点，将当前路径分开成为两条路径，则前一条路径只包含了一个失效区域N_x，则认定这条路径是单区域失效服务路径并加入到单失效区域路径集合F(P)中，然后将失效区域N_x从集合N中移除；返回步骤2.1按新的集合N中所有失效区域的位置对后一条路径继续切割；直到最后集合N中只剩一个失效区域时，直接将包含有最后一个失效区域N_m的那条路径加入到单失效区域路径集合F(P)中，路径分裂完成。

而且，步骤2.3中所述备选路径重构过程所需的延迟代价DELAY采用如下方法计算，

设属于F(P)的某单区域失效服务路径P_i所包含的链路集合为Q，某个能支持单区域失效服务路径P_i恢复的备选路径

所包含的链路集合为

单区域失效服务路径P_i中失效区域所包含的局部路径链路集合为 $\tilde{Q}=\left\{l_c\right|l_c\∈Q,1\≤c\≤\left|Q\right|\},$ |Q|表示Q中的链路个数；

首先计算备选路径与原单区域失效服务路径P_i间相重叠的相交链路集合Q′：

$Q^{\′}=\left\{s_c\right|s_c\∈Q\∩\hat{Q},1\≤c\≤|Q\∩\hat{Q}|\}$

根据相交链路集合Q′，计算备选路径重构后需要重建连接的新链路集合

然后根据原单区域失效服务路径P_i与备选路径不相交的完好链路集，计算需要断开连接的链路集合

以链路的往返时延RTT作为每个新连接建立时延和每个旧连接断开时延，则通过备选路径恢复单区域失效服务路径P_i所需的延迟代价DELAY如下计算：

本发明具有以下优点和积极效果：

1)引入了路径重建过程中的代价时延因子，用于约束备选路由的选择过程，该策略有利于选出恢复速度快的备选路径。

2)采用一种多方向的路径搜索方法获取备选路径集合，该策略借鉴了QRON算法中扩展失效区域范围的思想，并通过限制搜索范围使搜索过程可以快速收敛，该方法有助于提高选出高质量备选路径的成功概率。

3)采用了路径分裂法和失效区域划归法解决多失效区域问题，使一条路径出现多个失效区域的情况可以转换为单个失效区域的端到端路径恢复问题，提高了算法的适应能力。

本发明将有助于分布式系统设计无缝高效的覆盖网络容错管理机制，相对传统的端到端路径重构算法CSR和局部路径算法PSR能够平均降低5％-8％的路径恢复延迟，提高5％的路径修复成功率。

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明的失效区域归并原理图

图3是本发明的路径分裂原理图。

图4是本发明的多方向最短路径搜索原理图。

具体实施方式

本发明实施例采用计算机软件技术自动实现技术方案，以下结合附图1和实施例详细说明本发明技术方案。

开始流程后，首先确定Input(输入)，包括G＝(V，E)、P和L(P)。设在某覆盖网络空间G＝(V，E)中存在失效单播服务路径P，其中V表示G中所有点的集合，E表示G中所有边的集合，其中失效单播服务路径P中发生失效而中断的链路组成失效链路集合L(P)。具体实施时，如果是由于节点的退出造成的路径中断失效，则节点前后2跳的链路都发生失效。需要求一条支持失效单播服务路径P快速恢复传输的备选单播服务路径

则具体路由分配步骤如下，

步骤1，根据失效链路集合L(P)将失效单播服务路径P上所有的失效链路进行失效区域归并，构成所有失效区域的集合N。

实施例设失效单播服务路径P上有K条失效链路，则首先计算每邻近两条失效链路间的距离D，该距离D通过失效链路间正常链路的跳数进行计算，然后将D＜＝1的邻近两条失效链路合并构成一个独立的失效区域N_c，失效链路集合L(P)中所有D＜＝1的邻近两条失效链路并构所得失效区域组成集合N。如图2，(a)中由于失效链路间隔均小于1，因此失效链路1、2、3归并为一个失效区域。(b)中，由于失效链路1和2间隔大于1，因此归并为两个失效区域，失效链路1属于一个失效区域，失效链路2和3属于一个失效区域。

步骤2，根据集合N中所有失效区域的位置，将失效单播服务路径P分解为m条只含有一个失效区域的单区域失效服务路径P_i，1≤i≤m，组成待恢复的单区域失效路径集合F(P)＝{P_i，1≤i≤m}。

实施例设失效单播服务路径P的所有失效区域的集合N为N＝{N_c，1≤c≤m}，N_c是集合N中的失效区域，m为N中失效区域的个数，设按失效单播服务路径P的传输方向，失效区域位置排列顺序依次为N₁，N₂，......N_m。如果m＝1则属于特殊情况，无需分割，视为分割完成。单区域失效路径集合F(P)所含有的唯一单区域失效服务路径就是失效单播服务路径P本身。如果m大于1，则需要继续执行分裂，执行实现过程如下，

步骤2.1，取集合N中前两个失效区域，设为N_x，N_y，N_x和N_y中的间隔链路设为I。

首次分割所取N_x，N_y，按照初始集合N中的失效区域顺序N₁，N₂，......N_m，就是N₁，N₂。

步骤2.2，以间隔链路I的中心节点q为切割点，将当前路径分开成为两条路径，则前一条路径只包含了一个失效区域N_x，则认定这条路径是单区域失效服务路径并加入到单失效区域路径集合F(P)中，然后将失效区域N_x从集合N中移除；返回步骤2.1按新的集合N中所有失效区域的位置对后一条路径继续切割；直到最后集合N中只剩一个失效区域时，直接将包含有最后一个失效区域N_m的那条路径加入到单失效区域路径集合F(P)中，路径分裂完成。

首次分割时，前一条路径只包含N₁，将该路径从原失效单播服务路径P分割出并加入到单失效区域路径集合F(P)中，然后将失效区域N₁从集合N中移除。剩下的后一条路径所包括的失效区域构成新的集合N，按顺序为N₂，N₃，......N_m，按照同样的方式分割出包含N₂的单区域失效服务路径...直到从集合N＝N_m＝1，N_m中分割只剩下最后一个失效区域N_m时，将含有失效区域N_m的剩余路径直接放入单失效区域路径集合F(P)即可。如图3，分割过程就是通过相邻失效区域间的间隔链路I的中心节点q切割，依次将原失效单播服务路径P中含有N₁，N₂，......N_m的部分切割出来，而每次切割获得的单区域失效服务路径都加入到F(P)中。

步骤3，逐一对单区域失效路径集合F(P)中的单区域失效服务路径进行路由修复，修复步骤如下，

步骤3.1，针对单区域失效路径集合F(P)，设定其中某条单播覆盖服务路径P_i形式为P_1i→P_2i→......→P_ni，P_ji为单区域失效服务路径P_i中的每跳节点，共n跳节点，1≤j≤n；设单区域失效服务路径P_i中第k跳节点到第q跳节点的链路P_ki→P_qi出现服务异常状况，这个失效位置造成单区域失效服务路径P_i无法提供传输服务，则从覆盖网络空间G的拓扑中删除P_ki→P_qi。

删除路径P_ki→P_qi后，开始搜索单区域失效服务路径P_i的备选路径，对其实施步骤3.2～步骤3.4进行路由修复。

步骤3.2，在覆盖网络空间G中搜索{P_1i→P_qi}、{P_ki→P_qi}、{P_ki→P_ni}和{P_1i→P_ni}四个链路区间内的有效传输路径，如果找到有效传输路径，则分别对应于{P_i-{P_1i→P_qi}}、{P_i-{P_ki→P_qi}}、{P_i-{P_ki→P_ni}}、{P_i-{P_1i→P_ni}}链路区间组合成支持单区域失效服务路径P_i恢复的备选路径，获得备选路径集合PATHS(P_i)，如果四个链路区间内都无法找到有效传输路径(PATHS(P_i)＝NULL)则说明恢复失败，中断失效服务路径P的连接。

参见图4，搜索{P_1i→P_qi}记为搜索方向3、搜索{P_ki→P_qi}记为搜索方向2、搜索{P_ki→P_ni}记为搜索方向4、{P_1i→P_ni}记为搜索方向1，进行多方向搜索有利于找到多样备选修复方式。如果某个区间存在有效传输路径，就可以和单播覆盖服务路径P_i除此区间以外的部分构成支持恢复的备选路径。例如若在搜索方向1得到有效传输路径，就和{P_i-{P_1i→P_ni}}链路区间组合成支持单区域失效服务路径P_i恢复的备选路径。

步骤3.3，基于备选路径集合PATHS(P_i)，计算每条备选路径重构过程所需的延迟代价。

由于步骤3.2可能得到多条备选路径，需要对各路径评估代价以便进行选择。

实施例设属于F(P)的某单区域失效服务路径P_i所包含的链路集合为Q，某个能支持单区域失效服务路径P_i恢复的备选路径

所包含的链路集合为

单区域失效服务路径P_i中失效区域所包含的局部路径链路集合为 $\tilde{Q}=\left\{l_c\right|l_c\∈Q,1\≤c\≤\left|Q\right|\},$ |Q|表示Q中的链路个数；

首先计算备选路径与原单区域失效服务路径P_i间相重叠的相交链路集合Q′：

$Q^{\′}=\left\{s_c\right|s_c\∈Q\∩\hat{Q},1\≤c\≤|Q\∩\hat{Q}|\}$

根据相交链路集合Q′，计算备选路径重构后需要重建连接的新链路集合

然后根据原单区域失效服务路径P_i与备选路径不相交的完好链路集，计算需要断开连接的链路集合

以链路的往返时延RTT作为每个新连接建立时延和每个旧连接断开时延，则通过备选路径恢复单区域失效服务路径P_i所需的延迟代价DELAY如下计算：

其中，往返时延RTT表示从发送端发送数据开始，到发送端收到来自接收端的确认，总共经历的时延，一条路径的RTT时延等于其包含的所有链路的RTT时延之和。公式用RTT(a)表示取链路集合a中所有链路往返时延的总和。

步骤3.4，选择具有最低延迟代价的备选路径为最优备选路径结果。

实施例中，对单失效区域路径集合F(P)中的所有单区域失效服务路径逐条处理，从单失效区域路径集合F(P)中取一条单区域失效服务路径执行步骤3.1～步骤3.4后，将该单区域失效服务路径从单失效区域路径集合F(P)中移除；然后单失效区域路径集合F(P)中另取一条单区域失效服务路径返回执行步骤3.1～步骤3.4，直到集合F(P)为空(即F(P)＝NULL)时结束，所有找到的备选路径结果可按原路径P的传输方向依顺序组合成所需支持快速恢复传输的备选单播服务路径

步骤4，将对单区域失效路径集合F(P)中的所有m条单区域失效服务路径分别找到的最优备选路径结果，按原失效单播服务路径P的传输方向依顺序组合成所需支持快速恢复传输的备选单播服务路径

单区域失效路径集合F(P)中的m条单区域失效服务路径，是从失效单播服务路径P中按失效区域N₁，N₂，......N_m顺序分割得到。步骤3为所有m条单区域失效服务路径找到最优备选路径结果后，按相同顺序组合所有结果就得到所需支持快速恢复传输的备选单播服务路径

流程OUTPUT(输出)该备选单播服务路径

即可，成功完成路径修复。

Claims (4)

1.一种基于覆盖网络环境的快速备选路由分配方法，其特征在于：

设在某覆盖网络空间G＝(V，E)中存在失效单播服务路径P，其中V表示G中所有点的集合，E表示G中所有边的集合，其中失效单播服务路径P中发生失效而中断的链路组成失效链路集合L(P)；需要求一条支持失效单播服务路径P快速恢复传输的备选单播服务路径

则具体路由分配步骤如下，

步骤1，根据失效链路集合L(P)将失效单播服务路径P上所有的失效链路进行失效区域归并，构成所有失效区域的集合N；

步骤2，根据集合N中所有失效区域的位置，将失效单播服务路径P分解为m条只含有一个失效区域的单区域失效服务路径

1≤i≤m，组成单区域失效路径集合 $F\left(P\right)=\{\stackrel{\‾}{P_i},1\≤i\≤m\};$

步骤3，逐一对单区域失效路径集合F(P)中的单区域失效服务路径进行路由修复，修复步骤如下，

步骤3.1，针对单区域失效路径集合F(P)，设定其中某条单播覆盖服务路径

形式为

为单区域失效服务路径

中的每跳节点，共n跳节点，1≤j≤n；设单区域失效服务路径

中第k跳节点到第q跳节点的链路

出现服务异常状况，造成单区域失效服务路径

无法提供传输服务，则从覆盖网络空间G的拓扑中删除

步骤3.2，在覆盖网络空间G中搜索

和

四个链路的区间内的有效传输路径，如果上述某个区间存在有效传输路径，就能够和单区域失效服务路径

除此区间以外的部分构成支持恢复的备选路径，获得备选路径集合

如果四个链路的区间内都无法找到有效传输路径则说明恢复失败，中断失效服务路径P的连接；

步骤3.3，基于备选路径集合

计算每条备选路径重构过程所需的延迟代价DELAY；

步骤3.4，选择具有最低延迟代价的备选路径为最优备选路径结果；

步骤4，将对单区域失效路径集合F(P)中的所有m条单区域失效服务路径分别找到的最优备选路径结果，按原失效单播服务路径P的传输方向依顺序组合成所需支持快速恢复传输的备选单播服务路径

2.根据权利要求1所述的快速备选路由分配方法，其特征在于：步骤1中所述失效区域归并实现方式如下，

设失效单播服务路径P上有K条失效链路，则首先计算每邻近两条失效链路间的距离D，该距离D通过失效链路间正常链路的跳数进行计算，然后将D＜＝1的邻近两条失效链路合并构成一个独立的失效区域N_c，失效链路集合L(P)中所有D＜＝1的邻近两条失效链路并构所得失效区域组成集合N。

3.根据权利要求2所述的快速备选路由分配方法，其特征在于：步骤2中所述路径分解实现方式如下，

设失效单播服务路径P的所有失效区域的集合N为N＝{N_c，1≤c≤m}，N_c是集合N中的失效区域，m为N中失效区域的个数，设按失效单播服务路径P的传输方向，失效区域位置排列顺序依次为N₁，N₂，......N_m；如果m＝1则认为分割完成，单区域失效路径集合F(P)所含有的这个单区域失效服务路径就是失效单播服务路径P，否则继续执行分裂，执行实现过程如下，

步骤2.1，取集合N中前两个失效区域，设为N_x，N_y，N_x和N_y中的间隔链路设为I；

步骤2.2，以间隔链路I的中心节点q为切割点，将当前路径分开成为两条路径，则前一条路径只包含了一个失效区域N_x，则认定这条路径是单区域失效服务路径并加入到单失效区域路径集合F(P)中，然后将失效区域N_x从集合N中移除；返回步骤2.1按新的集合N中所有失效区域的位置对后一条路径继续切割；直到最后集合N中只剩一个失效区域时，直接将包含有最后一个失效区域N_m的那条路径加入到单失效区域路径集合F(P)中，路径分裂完成。

4.根据权利要求1所述的快速备选路由分配方法，其特征在于：步骤3.3中所述备选路径重构过程所需的延迟代价DELAY采用如下方法计算，

设属于F(P)的某单区域失效服务路径

所包含的链路集合为Q，某个能支持单区域失效服务路径恢复的备选路径

所包含的链路集合为

单区域失效服务路径中失效区域所包含的局部路径链路集合为

|Q|表示Q中的链路个数；

首先计算备选路径与原单区域失效服务路径

间相重叠的相交链路集合Q′：

$Q^{\′}=\left\{s_c\right|s_c\∈Q\∩\hat{Q},1\≤c\≤|Q\∩\hat{Q}|\}$

根据相交链路集合Q′，计算备选路径重构后需要重建连接的新链路集合

然后根据原单区域失效服务路径与备选路径不相交的完好链路集，计算需要断开连接的链路集合

以链路的往返时延RTT作为每个新连接建立时延和每个旧连接断开时延，则通过备选路径恢复单区域失效服务路径

所需的延迟代价DELAY如下计算：

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