CN102932250A - 一种基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，包括如下步骤：对容错计算机网络结构中的每个节点进行编号，对每一条链路根据链路的始发节点和到达节点的编号设置链路的跨度方向；根据源节点和目的节点的编号确定从源节点到目的节点的最短路径，作为初始备选路径；判断每个节点是否为局部安全节点，生成局部失效信息表；根据负向优先策略及每个节点的局部失效信息表，对初始备选路径进行筛选，如果初始备选路径中存在可用的传输路径，则选用该传输路径；如果不存在可用的传输路径，则采用绕道路由选择策略寻找传输路径。本发明在不使用虚拟通道的情况有效避免死锁产生、提高路由效率，提升了计算机网络结构的健壮性和稳定性。

Description

一种基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法

技术领域

本发明涉及并行计算机直连网络领域，特别涉及一种基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法。

背景技术

高端容错计算机系统在银行业、远程通讯管理、电子化政务以及很多其他关键任务的处理中得到了广泛应用。高端容错计算机，通常也被称为服务器，通常具有强大的信息处理能力以及大规模服务器系统中的高可靠性。这种计算机一般含有8~64个处理器，能够运行大规模的计算任务同时具有高达99.999%的可靠性。高速信息处理能力以及高可靠性是容错计算机的两个最重要的特性。容错是指在部件失效的情况下网络运作的能力。然而实现容错的技术往往是巨大的性能降低为代价的。故障的存在使得已有的无死锁和无活锁路由解决方法变的无效。

为解决上述技术难题，清华大学设计出了一种新型的容错计算机网络结构，此系统结构含有32个计算节点，其中每一个计算节点都能提供足够强大的计算能力。此系统可以划分为两个子网络，其中每一子网络中均含有十六个计算节点。且每个子网络中含有8个彼此连接的交换器，每一个交换器连接两个计算节点。每个交换器连接到另一子网络中的一台交换器。每一个交换器的度均为10，其连接了两个本地计算节点以及八个相邻的交换器。

现代的路由器是非常健壮的，在运行中不会经常出现失效。但是在某些环境下，必须对失效要有所预料以及定位，无论部件失效的概率多么小（例如，国防军工应用系统，太空运载系统等等）。这些工作环境采用部件失效率，故障修复能力以及系统平滑降级使用能力来表征，这就带动了用于直接网络容错路由算法的发展。路由算法决定了报文包经由数据源节点向目的节点传输的过程中所占用的通道序列。路由策略对直连网络的效率具有非常重要的影响。对于高端的容错计算机关键系统来说，容错路由的算法对于系统的表现有着更加重要的作用。

由于给定的容错计算机网络结构是全新的，它不同于以往的任何网络结构，因此并没有相应的路由算法。因此，该网络需要一种高效的无死锁路由策略。特别是由于此网络针对的是关键任务的运作，因此为其提供一种无死锁高效的容错自适应路由策略就显得极为重要。

对于无故障网络，由于任意在同一子网络内的两个节点之间均存在直接连接的链路，因此传输报文不会产生死锁。在网络存在故障的情况下，子网络内部传输报文可能由于故障的存在构成死锁。

图7(a)中所示的就是在故障网络中可能的一种死锁配置：在该状态下，死锁可能由沿着环路0100-0000-0010-0110-0100传输的四条报文构成：报文p₁从0100向0010传输，报文p₂从0000向0110传输，报文p₃从0010向0100传输，报文p₄从0110向0000传输。其中的死锁配置可以按如下状态描述：p₁占用通道B₁并请求B₂，p₂占用B₂请求B₃，p₃占用通道B₃并请求B₄，p₄占用B₄请求B₁。这样就产生了通道依赖关系，并产生了死锁。图7(b)中所示即为该死锁配置下的循环通道依赖关系。

在实际运行中，系统中可能存在的故障会产生潜在的死锁配置。因此，本发明在该容错网络中提出了一套基于局部故障信息的无死锁容错适应性路由策略。本网络结构中丰富的节点间链路提供了足够好的自由度使本发明中提出的容错无死锁适应性路由策略不需要使用任何虚拟通道。此路由策略是在容错计算机系统中的一种不需要使用虚拟通道的容错无死锁自适应路由。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提供一种基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，保证了在计算机网络结构中部分节点和链路出现故障时，仍然可以有效避免死锁的产生、提高路由的效率，从而达到计算机网络结构的健壮性和稳定性提升的效果。

为达到上述目的，本发明的实施例提出了一种基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，包括如下步骤：对容错计算机网络结构中的每个节点进行编号，对所述网络结构中的每一条链路，根据所述链路的始发节点和到达节点的编号设置所述链路的跨度方向；根据数据传输的源节点和目的节点的编号确定从所述源节点到所述目的节点的最短路径，作为初始备选路径；判断所述每个节点是否为局部安全节点，并生成局部失效信息表；根据负向优先策略及所述每个节点的局部失效信息表，对所述初始备选路径进行筛选，如果所述初始备选路径中存在可用的传输路径，则按照所述可用的传输路径从所述源节点向所述目的节点传输数据；如果所述初始备选路径中不存在可用的传输路径，则采用绕道路由选择策略寻找从所述源节点到所述目的节点的传输路径。

根据本发明实施例的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，在不使用虚拟通道的情况下，保证了在计算机网络结构中部分节点和链路出现故障时，仍然可以有效避免死锁的产生、提高路由的效率，从而达到计算机网络结构的健壮性和稳定性提升的效果。

在本发明的一个实施例中，所述对容错计算机网络结构中的每个节点进行编号，包括如下步骤：所述容错计算机网络结构包括第一子网络和第二子网络，分别对所述第一子网络和所述第二子网络进行编号，其中，所述第一子网络包括N个节点，按0~N－1标号，所述第二子网络包括N个交换器节点，按N~2N－1标号；若分别位于所述第一子网络和所述第二子网络的两个节点的编号对N取模的值相同，则位于不同子网络的所述两个节点之间存在一条链路。

在本发明的一个实施例中，所述设置所述始发节点到所述到达节点的链路的跨度方向，包括如下步骤：如果所述始发节点的编号大于所述到达节点的编号，则设置所述跨度方向为负向跨度，否则设置所述跨度方向为正向跨度。

在本发明的一个实施例中，所述负向优先策略包括：如果所述数据报文沿负向跨度传输后，则允许所述数据报文继续沿负向跨度以及正向跨度进行传输；如果所述数据报文沿正向跨度传输后，则仅允许所述数据报文继续沿正向跨度传输。

在本发明的一个实施例中，所述判断所述容错计算机网络结构中的节点是否为局部安全节点，包括如下步骤：检测当前节点与所属子网络内所有其它节点之间的链路是否均为无故障链路，如果是，则判断所述当前节点为局部安全节点；否则，判断所述当前节点为局部不安全节点。

在本发明的一个实施例中，根据负向优先策略及所述每个节点的局部失效信息表，对所述初始备选路径进行筛选，包括如下步骤：判断所述初始备选路径是否满足负向优先策略；若满足负向优先策略的所述初始备选路径为两条，则根据所述局部失效信息表判断所述初始备选路径是否均为可用的传输路径，如果是，则从所述两条初始备选路径中随机选择一个作为所述传输路径；若满足负向优先策略的所述初始备选路径为一条，则根据所述局部失效信息表判断所述初始备选路径是否为可用的传输路径，如果是，则选择所述初始备选路径作为所述传输路径；若所述初始备选路径经上述步骤判断为均不可用，则采用绕道路由选择策略寻找从所述源节点到所述目的节点的传输路径。

在本发明的一个实施例中，所述绕道路由选择策略包括：判断所述源节点与所述目的节点是否位于同一子网络中；若所述源节点与所述目的节点位于不同子网络中，并且根据所述局部失效信息表判断不存在可用的最短路径，则执行子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略；若所述源节点与所述目的节点位于同一自网络中，并且根据所述局部失效信息表判断不存在可用的最短路径，则执行子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略。

在本发明的一个实施例中，当所述源节点和所述目的节点位于不同子网络时，所述子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略，包括：当设所述源节点位于所述第二子网络，所述目的节点位于所述第一子网络，选择符合以下条件之一的节点为中继节点：

（1）位于所述第二子网络中、所述中继节点的编号小于所述源节点的标号，且所述中继节点在所述第一子网络中的对应节点为局部安全的，所述数据报文沿负向跨度传输到所述中继节点；

（2）位于所述第二子网络中、所述中继节点的标号小于所述源节点的标号，且所述中继节点在第一子网络中的对应节点为局部不安全的，但是在包含该节点的对应节点与目的节点的某一子网络中该节点的对应节点为局部安全的，所述数据报文沿负向跨度传输到所述中继节点。

在本发明的一个实施例中，当所述源节点和所述目的节点位于不同子网络时，所述子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略，包括：设所述源节点位于所述第一子网络，所述目的节点位于所述第二子网络，选择符合以下条件之一的节点为中继节点：

（1）位于所述第一子网络中、所述中继节点的标号小于所述目的节点在所述第一子网络中的对应节点的标号，且所述中继节点在所述第二子网络中的对应节点为局部安全的，所述数据报文可以沿任意跨度方向传输到所述中继节点；

（2）位于所述第一子网络中、所述中继节点的标号小于所述目的节点在所述第一子网络中的对应节点的标号，且所述中继节点在所述第二子网络中的对应节点为局部不安全的，但是在包含该节点对应节点与目的节点的某一子网络中该节点的对应节点局部安全的，所述数据报文沿任意跨度方向传输到所述中继节点。

在本发明的一个实施例中，所述子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略，包括：当所述源节点的标号小于所述目的节点的标号时，选择符合以下条件之一的节点为中继节点：

（1）所述中继节点的标号小于所述目的节点的标号，且所述中继节点在所属子网络中为局部安全的；

（2）所述中继节点的标号小于所述目的节点的标号，且所述中继节点在所属子网络中为局部不安全的，但在包含所述中继节点与所述目的节点的某一子网络中所述中继节点为局部安全的。

在本发明的一个实施例中，所述子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略，包括：当所述源节点的标号大于所述目的节点的标号时，选择符合以下条件之一的节点为中继节点：

（1）所述中继节点的标号小于所述源节点的标号，且所述中继节点在所属子网络中为局部安全的；

（2）所述中继节点的标号小于所述源节点的标号，且所述中继节点在所属子网络中为局部不安全的，但在包含所述中继节点与目的节点的某一子网络中所述中继节点为局部安全的。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法的流程图。

图2为根据本发明实施例的容错计算机网络结构的示意图。

图3为根据本发明实施例的一个部分节点和链路发生故障且标注了链路跨度方向的容错计算机网络结构的示意图。

图4为根据本发明实施例的根据局部失效信息表从一个或多个备选路径中选择传输路径的流程图。

图5(a)为根据本发明实施例的子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略的流程图。

图5(b)和图5(c)为根据本发明实施例的子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略的示意图。

图6(a)和图6(b)为根据本发明实施例的子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略的示意图。

图6(c)为根据本发明实施例的子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略的流程图。

图7(a)为产生死锁的计算机网络结构的示意图。

图7(b)为死锁的示意图。

图7(c)为消除了图7(b)中死锁的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参照附图详细描述根据本发明实施例的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法。

如图1所示，本发明实施例的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，包括如下步骤：

S101:对容错计算机网络结构中的每个节点进行编号，对网络结构中的每一条链路，根据始发节点和目的节点的编号设置链路的跨度方向。

S1011：对容错计算机网络结构中的每个节点进行编号。

容错计算机网络结构包括第一子网络和第二子网络，分别对第一子网络和第二子网络进行编号，其中，对第一子网络SN₀的N个交换器节点，按0~N－1标号，对第二子网络SN₁包括N个交换器节点，按N~2N-1标号。若分别位于第一子网络SN₀和第二子网络SN₁的两个节点的编号对N取模的值相同，则这两个节点之间存在一条链路。

在本发明的实施例中，为了便于分析，以N为8的时候为例，所有的交换器都可用一个二进制数表示，第一个子网络SN₀由下列8个交换器节点构成：0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111；相应的，第二个子网络SN₁由下列8个交换器节点构成：1000,1001,1010,1011,1100,1101,1110,1111。两个子网络之间，若两个交换器节点的编号对8取模的值相同，即两个节点的编号仅首位不同，则这两个交换器之间存在一条链路。

如图2所示的本发明实施例所适用的容错计算机网络结构。网络结构中含有32个计算节点，其中每一个计算节点都能提供足够强大的计算能力。此系统可以划分为两个子网络，其中每一子网络中均含有十六个计算节点。且每个子网络中含有8个彼此连接的交换器节点，每一个交换器节点连接两个计算节点。每个交换器交点与另一子网络中的仅首位编号不同的交换器节点之间存在一条链路。每一个交换器节点的度均为10，其连接了两个本地计算节点以及八个相邻的交换器节点。

S1012：根据始发节点和目的节点的编号设置始发节点到目的节点的链路的跨度方向。

设（v1，v2）是编号为v1的始发节点到编号为v2的目的节点的链路。当v1比v2标号大时，则将链路（v1，v2）的跨度方向定义为负向跨度；反之，则将链路（v1，v2）的跨度方向定义为正向跨度。若报文包沿负向跨度链路传输，则称报文传输了一个负向跨度；同理，当报文传输了正向跨度链路之后就称其传输了一个正向跨度。

图3中表示了一个部分节点和链路产生故障且标记了链路跨度方向的本发明实施例所适用的容错计算机网络结构。

本发明的实施例中，采用如下的负向优先策略：

如果数据报文沿负向跨度传输后，则允许该数据报文继续沿负向跨度以及正向跨度进行传输；如果数据报文沿正向跨度传输后，则仅允许该数据报文继续沿正向跨度传输。

考虑死锁产生的四个必要条件：资源互斥，请求与保持，非抢占式以及循环等待。因此，采用负向优先策略，可以通过消除循环等待的方式，进行死锁的避免。例如，在图7（b）所示形成的死锁中，如图7（c）所示，停止了从B₃到B₄的数据流向后，解除了循环通道依赖关系，即可避免死锁。本发明实施例的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法能够在计算机网络结构存在故障的状态下，不使用任何虚拟通道实现该网络中的容错通信。

由于数据报文在子网络SN₀(0***)和SN₁(1***)子网络内部传输时，能够直接由源节点传输到目的节点。所以根据本发明实施例的计算机网络基本结构上的规则，在无故障的情况下子网络SN₀和SN₁中不会产生死锁配置。

S102:根据数据传输的源节点和目的节点的编号确定从源节点到目的节点的最短路径，作为初始备选路径。

在本发明实施例的描述中，记源节点为s，目的节点为d。

如果s和d在同一子网络中（编号首位都是0或都是1），则s和d之间应存在链路直接连接，最短路径即为<s-d>。

如果s和d在不同子网络中，但编号除首位外都相等，则根据计算网络构造，s和d之间也应该存在链路直接连接，最短路径即为<s-d>。

如果s和d在不同子网络中，且s和d之间不存在链路直接连接，则s应在d所属的子网络中存在直接相连节点s’，d应在s所属的子网络中存在直接相连节点d’。例如，在一个实施例中，s在子网络0中，编号为（0 v₁ v₂ v₃），d在子网络1中，编号为（1v₄ v₅ v₆），则s’为（1v₁ v₂ v₃），d’为（0 v₄ v₅ v₆）。根据计算网络构造，s与s’、s’与d、d与d’、d’与s之间都应该存在链路直接连接，s到d之间的最短路径应为两条，分别为<s-s’-d>和<s-d’-d>。

S103：判断每个节点是否为局部安全节点，并生成局部失效信息表。

如果一个节点标号0≤v₁≤N-1（或N≤v₁≤2N-1）与其所属子网络[0,N-1]（或[N,2N-1]）内所有其它节点之间无故障链路，则该节点为局部安全节点；反之，当节点v₁与所属子网络其它节点间的链路中至少存在一条故障链路，则该节点为局部不安全节点。

局部失效信息表所维护的是当前无故障节点在另一子网络中对应节点的局部故障信息，若当前节点在另一子网络中的对应节点为局部安全节点，那么用0表示；如果对应节点为局部不安全节点，则以1表示。

S104：根据负向优先策略及每个节点的局部失效信息表，对初始备选路径进行筛选，如果初始备选路径中存在可用的传输路径，则按照可用的传输路径从源节点向目的节点传输数据。

具体地，包括：判断初始备选路径是否满足负向优先策略；若满足负向优先策略的初始备选路径为两条，则根据局部失效信息表判断初始备选路径是否均为可用的传输路径，如果是，则从两条初始备选路径中随机选择一个作为传输路径；若满足负向优先策略的初始备选路径为一条，则根据局部失效信息表判断初始备选路径是否为可用的传输路径，如果是，则选择初始备选路径作为传输路径；若初始备选路径经上述步骤判断为均不可用，则采用绕道路由选择策略寻找从源节点到目的节点的传输路径。

通过采用负向优先策略，则可以消除循环等待，保证了不会形成死锁；通过局部失效信息表，可判断路径中是否存在故障节点或故障链路。在通过上述两种要求后判断为可用路径的，由S102中初始备选路径的得出方法可知，该路径已经是可用的最短路径，路由选择完成；如果初始备选路径均被判断为不可用，则说明最短路径传输因为会引起死锁或者因设备故障而不可用，所以需要采取绕道路由策略。

下面对容错网络中的容错无死锁自适应性路由伪代码进行描述。该段代码的目的是找到输出通道ch，ch为经过验证的可以作为报文从s传输到d的下一跨度节点。

容错无死锁自适应性路由(s，d)（设s的标号为v₁，d的标号为v’₁）

{

1、若当前节点为源节点s，检查从源节点通往目的节点的最短路径上的中继节点是否可以作为报文传输的下一跨度；

2、若存在两条最短路径且两条最短路径上的中继节点均可作为报文传输的下一跨度，输出通道ch=select(n₁,n₂)，结束；

3、若仅存在一条最短路径上的中继节点v，且路径<s-v-d>可以使用无死锁路由传输，且v可以作为输出通道，则选择其作为报文传输的下一跨度，输出通道ch=v，结束；

4、若v为源节点s与目的节点d中唯一的可选跨度，且由s通往v的链路被占用或节点v为故障节点或路径<s-v-d>中存在链路故障，那么则使用容错绕道路由策略(s,d)寻找输出通道ch；

5、若当前节点与目的节点d直接连接，两者位于同一个子网络SN中，且两者之间无故障连接，那么将报文直接传输给d，结束；否则，若链路存在故障，则采用子网内绕道路由策略(s,d)寻找输出通道ch；

6、若当前节点已经是目的节点，说明传输已经完成，将报文收起，结束。

}

如图4所示，本发明进行容错无死锁自适应性路由的过程可以用如下状态进行描述，记源节点为s，目的节点为d：

S401：若s和d分别处于子网络SN₁和SN₀中，且s和d之间不直接连接，则执行S402；若s和d处于同一子网络SN_i(i=0或1)中，则执行S406。

S402：根据负向优先策略和n1、n2的局部失效信息检测从s到d的两条最短路径<s-n1-d>和<s-n2-d>中的中继节点n1和n2是否可以作为数据报文传输的下一跨度，若n1和n2都可作为数据报文传输的下一跨度，则执行S403；若仅有n1或仅有n2可作为数据报文传输的下一跨度，则执行S404。

S403：若n1和n2均能够作为数据报文传输的下一跨度时，输出通道可以从n1和n2中任选一条。

S404：若仅有n1或仅有n2可作为数据报文传输的下一跨度时，记此时的中继节点为v。如果此时s可以向v进行传输，则执行S405；如果连接v和s的链路繁忙或是节点v发生故障，导致s无法向v传输数据报文时，则采用子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略S500。

S405：将输出通道定为v。

S406：若s和d处于同一子网络中，当s和d之间的链路不存在任何故障的情况下，执行S407；当s和d之间的链路出现故障，则采用子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略S600。

S407:直接将报文由s传输到d。

假设节点n为源节点s到目的节点d传输最小路径上的下一跨度节点，那么在传输过程中，节点n与节点s和d之间必定满足了负向优先策略。若n位于另一子网络SN_i（若当前节点在SN₀则n位于SN₁，反之若当前节点在SN₁则n位于SN₀），且n在其所在的子网络SN_i中应当为局部安全的，那么报文可以传输到n。假设n和当前节点在同一个子网络之中，且节点n满足其在另一子网络SN_i中连接的节点为目的节点d，n和d之间的链路无故障且目的节点d为无故障状态，这样节点s可以将报文传送到节点n上，节点n通往另一网络中相邻节点的故障信息通过节点所存储的相邻网络局部失效信息表获取。

S105：如果初始备选路径中不存在可用的传输路径，则采用绕道路由选择策略寻找从源节点到目的节点的传输路径。

具体地，绕道路由选择策略包括：判断源节点与目的节点是否位于同一子网络中；

若源节点与目的节点位于不同子网络中，并且根据局部失效信息表判断不存在可用的最短路径，则执行子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略；

若源节点与目的节点位于同一自网络中，并且根据局部失效信息表判断不存在可用的最短路径，则执行子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略。

如果根据负向优先策略选出的最短路径上的中继节点能够提供容错无死锁路由，那么报文包就可以直接传输到该中继节点上。当根据负向优先策略选出的最短路径上的中继节点故障或中继节点到目的节点的链路存在故障时，报文包需要进行绕道路由。假设源节点s的编号为：v₁v₂v₃v₄，目的节点d的编号为：v’₁v’₂v’₃v’₄。

当源节点s与目的节点d在不同子网络且源节点s与目的节点d间的最小路径由于故障无法走通时，采用子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略S500。

下面对子网间容错绕道路由伪代码进行描述。

子网间容错绕道路由(s,d)（设s的标号为v₁，d的标号为v’₁）

{

1、若当前节点为源节点s,且位于子网络SN₁中，目的节点d位于子网络SN₀时。若在SN₁中存在节点v(i₁)，其中i₁<v₁，其在子网络SN₀中对应的节点v’(i’₁)为局部安全的，则输出通道ch=v，将报文沿负向跨度链路传输到节点v，结束；

2、若当前节点为源节点且位于子网SN₁中，若存在节点v(i₁)位于子网络SN₁中，且i₁<v₁，其在子网络SN₀中对应的节点v’(i’₁)为局部不安全的，但是在包含节点v’以及d的另一子网络SN_j中为局部安全的，则输出通道ch=v，将报文沿负向跨度传输到节点v上，结束;

3、若当前节点为源节点s，且位于子网络SN₀中，目的节点d位于子网络SN₁时。若在SN₀中存在节点v(i₁)，其中i₁<(v’₁)mod N，其在子网络SN₁中对应的节点v’(i’₁)为局部安全的，则输出通道ch=v，将报文沿任意跨度传输到节点v，结束；

4、若当前节点为源节点s，且位于子网络SN₀中，目的节点d位于子网络SN₁时。若在SN₀中存在节点v(i₁)，其中i₁<(v’₁)mod N，其在子网络SN₁中对应的节点v’(1i2i3i4)为局部不安全的，但是在包含节点v’以及d的另一子网络SN_j中为局部安全的，则输出通道ch=v，将报文沿任意跨度传输到节点v上，结束。

5、当节点s与目的节点d位于同一子网络中时，且两个节点之间的链路故障，那么则采用子网内绕道路由策略（s，d）选择输出通道ch。

}

上述伪代码中展示了计算机网络结构发生故障时的，所采用的子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略S500。绕道路由时中继节点的选择时，需要满足负向优先策略对绕道路径需满足规则的定义。如图5(a)所示，子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略S500可以根据初始状态的不同分为如下的状态进行选择。

S501：当源节点s位于子网络SN₁中，目的节点d位于子网络SN₀时，执行S502；当节点s位于子网络SN₀中，目的节点d位于子网络SN₁时，执行S504。

S502：若存在中继节点v(1i₂i₃i₄)，其中i₂i₃i₄<v₂v₃v₄，且其在子网络SN₀中对应的节点v’(0i₂i₃i₄)为局部安全节点，则执行S506；若不存在这样的中继节点v，则执行S503。

S503：若存在中继节点v(1i₂i₃i₄)，其中i₂i₃i₄<v₂v₃v₄，其在子网络SN₀中对应的节点v’(0i₂i₃i₄)为局部不安全节点，但是在包含节点v’以及d的另一子网络SN_j中为局部安全节点，则执行S506。

S502和S503步骤可参照图5(b)所示。

S504：若存在节点v(0i₂i₃i₄)，其中i₂i₃i₄<v’₂v’₃v’4，且其在子网络SN₁中对应的节点v’(1i₂i₃i₄)为局部安全节点，则执行S506；若不存在这样的中继节点v，则执行S505。

S505：若存在节点v(0i₂i₃i₄)，其中i₂i₃i₄<v’₂v’₃v’4，其在子网络SN₁中对应的节点v’(1i₂i₃i₄)为局部不安全节点，但是在包含节点v’以及d的另一子网络SN_j中为局部安全节点，则执行S506。

S504和S505步骤可参照图5(c)所示。

S506：将数据报文沿负向跨度传输到已验证为可用的中继节点v。

子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略S500适用于当源节点s与目的节点d在不同子网络且源节点s与目的节点d间的最小路径由于故障无法走通的情况。因为已知从网络SN₁到SN₀的链路是一条负向链路，因此由源节点s到中继节点v的绕道路由必须是经由一条负跨度链路进行。所以当源节点位于子网络SN₁中时，本方法选择满足条件v<s的节点v作为绕道路由的中继节点。当源节点位于子网络SN₀中时，本方法之所以选择满足条件v<d的节点v作为绕道路由的中继节点，同样是因为绕道路由的过程必须满足负向优先策略。由于已知从网络SN₀到SN₁的链路是一条正向链路，因此由v’到d的绕道路由必须是经由一条正跨度链路进行。当节点v在另一子网络中对应的节点v’为局部安全时，那么从v’到节点d中必定存在安全的链路。当不存在节点v满足v’在子网络中为局部安全节点，但是存在节点v满足在任一包含v’与d的子网络中v’是局部安全的，v同样可以作为中继节点。

当源节点s与目的节点d处于同一子网络中，且两个节点之间的链路发生故障时，那么则采用子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略S600。

下面对子网内容错绕道路由伪代码进行描述。

子网内容错绕道路由(s,d)/*s:v₁，d:v’₁*/

{

1、若s>d且连接s与d的链路为故障链路，若存在节点v满足v<s且v为局部安全节点，则输出通道ch=v，将报文传输到v，结束；

2、若s>d且连接s与d的链路为故障链路，若存在节点v满足v<s，若v为局部不安全节点但v在包含v和d的某一子网SN_j中为局部安全节点，则输出通道ch=v，将报文传输到v，结束；

3、若s<d且连接s与d的链路为故障链路，若存在节点v满足v<d且v为局部安全节点，则输出通道ch=v，将报文传输到v，结束；

4、若s<d且连接s与d的链路为故障链路，若存在节点v满足v<d，若v为局部不安全节点但v在包含v和d的某一子网SN_j中为局部安全节点，则输出通道ch=v，将报文传输到v，结束；

}

上述伪代码中展示了计算机网络结构发生故障时的，所采用的子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略S600。如图6(c)所示，子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略S600可以根据如下描述的过程进行绕道路由选择。

在以下描述过程中所提到的两个节点之间的大于小于比较运算，表示两个节点的标号的大于小于比较运算，如：s<d表示s节点的标号小于d节点的标号。

设源节点s和目的节点d处于同一子网络SN_i中。

S601：当源节点s与目的节点d之间的链路故障时。当s<d时，执行S602；当s>d时，执行S604。

S602：若存在中继节点v，满足v<d且v在子网络SN_i中为局部安全节点，则执行S606；若不存在这样的中继节点v，执行S603。

S603：若存在中继节点v，满足v<d且v在子网络SNi中为局部不安全节点，但在包含节点v和d的任一子网络SN_j中为局部安全节点，则执行S606。

S602和S603步骤可参照图6(b)所示。

S604：若存在中继节点v，满足v<s且v在子网络SN_i中为局部安全节点，则执行S606；若不存在这样的中继节点v，执行S605。

S605：若存在中继节点v，满足v<s且v在子网络SN_i中为局部不安全节点，但在包含节点v和d的任一子网络SN_j中为局部安全节点，则执行S606。

S604和S605步骤可参照图6(a)所示。

S606：将数据报文绕道路由到已验证为可用的中继节点v。

子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略S600适用于当源节点s与目的节点d在相同子网络且源节点s与目的节点d间的最小路径由于故障无法走通的情况。那么对于源节点s和目的节点d，为了避免死锁，它们之间进行绕道路由时仍然需要满足规则1。当s>d时，当中继节点v<s时，无论链路(v,d)是正跨度还是负跨度都满足传输规则。同样的，当s<d时，当中继节点满足v<d时，无论链路(s,d)是正跨度还是负跨度都满足传输规则。因此，当存在满足前述两种选择条件的局部安全的节点v时，将报文包传输到节点v上进行绕道路由；当满足前述两种选择条件的节点中不包含在子网络SN1中为局部安全的节点，但是其中存在节点v满足其在包含节点v和d的某一子网络中为局部安全的，那么则将报文传输到节点v上进行绕道路由。

为了实现绕道路由，需要位于网络SN₀或SN₁中的任意节点v(v₁v₂v₃v₄)存储其他三个子网络*v₂**，**v₃*以及***v₄中的局部故障信息。实际上，节点v中存储的是子网络v₁v₂**，v₁*v₃*以及v₁**v₄中的局部故障信息。每一个节点需要至多使用12位二进制存储这三个子网络中的局部故障信息。

根据本发明实施例的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，在不使用虚拟通道的情况下，保证了在计算机网络结构中部分节点和链路出现故障时，仍然可以有效避免死锁的产生、提高路由的效率，从而达到计算机网络结构的健壮性和稳定性提升的效果。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备（如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统）使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，″计算机可读介质″可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例（非穷尽性列表）包括以下：具有一个或多个布线的电连接部（电子装置），便携式计算机盘盒（磁装置），随机存取存储器（RAM），只读存储器（ROM），可擦除可编辑只读存储器（EPROM或闪速存储器），光纤装置，以及便携式光盘只读存储器（CDROM）。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (11)

1.一种基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，包括如下步骤：

对容错计算机网络结构中的每个节点进行编号，对所述网络结构中的每一条链路，根据所述链路的始发节点和到达节点的编号设置所述链路的跨度方向；

根据数据传输的源节点和目的节点的编号确定从所述源节点到所述目的节点的最短路径，作为初始备选路径；

判断所述每个节点是否为局部安全节点，并生成局部失效信息表；

根据负向优先策略及所述每个节点的局部失效信息表，对所述初始备选路径进行筛选，如果所述初始备选路径中存在可用的传输路径，则按照所述可用的传输路径从所述源节点向所述目的节点传输数据；以及

如果所述初始备选路径中不存在可用的传输路径，则采用绕道路由选择策略寻找从所述源节点到所述目的节点的传输路径。

2.如权利要求1所述的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，所述对容错计算机网络结构中的每个节点进行编号，包括如下步骤：

所述容错计算机网络结构包括第一子网络和第二子网络，分别对所述第一子网络和所述第二子网络进行编号，其中，所述第一子网络包括N个节点，按0~N－1标号，所述第二子网络包括N个交换器节点，按N~2N－1标号；

若分别位于所述第一子网络和所述第二子网络的两个节点的编号对N取模的值相同，则位于不同子网络的所述两个节点之间存在一条链路。

3.如权利要求2所述的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，所述设置所述始发节点到所述到达节点的链路的跨度方向，包括如下步骤：

如果所述始发节点的编号大于所述到达节点的编号，则设置所述跨度方向为负向跨度，否则设置所述跨度方向为正向跨度。

4.如权利要求3所述的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，所述负向优先策略包括：

如果所述数据报文沿负向跨度传输后，则允许所述数据报文继续沿负向跨度以及正向跨度进行传输；

如果所述数据报文沿正向跨度传输后，则仅允许所述数据报文继续沿正向跨度传输。

5.如权利要求1所述的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，所述判断所述容错计算机网络结构中的节点是否为局部安全节点，包括如下步骤：

检测当前节点与所属子网络内所有其它节点之间的链路是否均为无故障链路，如果是，则判断所述当前节点为局部安全节点；

否则，判断所述当前节点为局部不安全节点。

6.如权利要求1所述的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，根据负向优先策略及所述每个节点的局部失效信息表，对所述初始备选路径进行筛选，包括如下步骤：

判断所述初始备选路径是否满足负向优先策略；

若满足负向优先策略的所述初始备选路径为两条，则根据所述局部失效信息表判断所述初始备选路径是否均为可用的传输路径，如果是，则从所述两条初始备选路径中随机选择一个作为所述传输路径；

若满足负向优先策略的所述初始备选路径为一条，则根据所述局部失效信息表判断所述初始备选路径是否为可用的传输路径，如果是，则选择所述初始备选路径作为所述传输路径；

若所述初始备选路径经上述步骤判断为均不可用，则采用绕道路由选择策略寻找从所述源节点到所述目的节点的传输路径。

7.如权利要求6所述的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，所述绕道路由选择策略包括：

判断所述源节点与所述目的节点是否位于同一子网络中；

若所述源节点与所述目的节点位于不同子网络中，并且根据所述局部失效信息表判断不存在可用的最短路径，则执行子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略；

若所述源节点与所述目的节点位于同一自网络中，并且根据所述局部失效信息表判断不存在可用的最短路径，则执行子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略。

8.如权利要求7所述的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，当所述源节点和所述目的节点位于不同子网络时，所述子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略，包括：

设所述源节点位于所述第二子网络，所述目的节点位于所述第一子网络，选择符合以下条件之一的节点为中继节点：

（1）位于所述第二子网络中、所述中继节点的编号小于所述源节点的标号，且所述中继节点在所述第一子网络中的对应节点为局部安全的，所述数据报文沿负向跨度传输到所述中继节点；

（2）位于所述第二子网络中、所述中继节点的标号小于所述源节点的标号，且所述中继节点在第一子网络中的对应节点为局部不安全的，但是在包含所述中继节点的对应节点与所述目的节点的某一子网络中，所述中继节点的对应节点为局部安全的，所述数据报文沿负向跨度传输到所述中继节点。

9.如权利要求7所述的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，当所述源节点和所述目的节点位于不同子网络时，所述子网间容错无死锁自适应绕道路由选择策略，包括：

设所述源节点位于所述第一子网络，所述目的节点位于所述第二子网络，选择符合以下条件之一的节点为中继节点：

（1）位于所述第一子网络中、所述中继节点的标号小于所述目的节点在所述第一子网络中的对应节点的标号，且所述中继节点在所述第二子网络中的对应节点为局部安全的，所述数据报文沿任意跨度方向传输到所述中继节点；

（2）位于所述第一子网络中、所述中继节点的标号小于所述目的节点在所述第一子网络中的对应节点的标号，且所述中继节点在所述第二子网络中的对应节点为局部不安全的，但是在包含所述中继节点的对应节点与所述目的节点的某一子网络中，所述中继节点的对应节点为局部安全的，所述数据报文沿任意跨度方向传输到所述中继节点。

10.如权利要求7所述的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，所述子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略，包括：

当所述源节点的标号小于所述目的节点的标号时，选择符合以下条件之一的节点为中继节点：

（1）所述中继节点的标号小于所述目的节点的标号，且所述中继节点在所属子网络中为局部安全的；

（2）所述中继节点的标号小于所述目的节点的标号，且所述中继节点在所属子网络中为局部不安全的，但在包含所述中继节点与所述目的节点的某一子网络中所述中继节点为局部安全的。

11.如权利要求7所述的基于容错计算机网络结构的无死锁自适应路由方法，其特征在于，所述子网内容错无死锁自适应绕道路由选择策略，包括：

当所述源节点的标号大于所述目的节点的标号时，选择符合以下条件之一的节点为中继节点：

（1）所述中继节点的标号小于所述源节点的标号，且所述中继节点在所属子网络中为局部安全的；

（2）所述中继节点的标号小于所述源节点的标号，且所述中继节点在所属子网络中为局部不安全的，但在包含所述中继节点与目的节点的某一子网络中所述中继节点为局部安全的。

Images