CN103368770B - 基于网关级拓扑的自适应alm覆盖网络构建及维护系统 - Google Patents

Abstract

一种基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护方法。包括网关级拓扑图的构造模块，基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块和基于节点相对离开概率的检测与维护模块。网关级拓扑图的构造模块负责确定网关之间的拓扑关系，使组播转发路径符合底层物理路径，为覆盖网络构建提高性能。基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络模型构建模块设计了合理的组播节点加入机制。基于节点相对离开概率的检测与维护对组播节点的离开进行检测，对构造好的拓扑图进行了维护。本方法简化了构造拓扑所需的拓扑信息，缩短了播节点加入组播树的时间，降低了控制开销和延迟误差。

Description

基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护系统

技术领域

本发明涉及计算机网络领域，尤其涉及基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护方法

背景技术

大规模的网络视频直播是一个十分有潜力的网络应用，然而目前为止在互联网上却没有一个十分理想的解决方案。早期人们尝试使用IP组播来达到这个目标，虽然该方案拥有很高的效率和较好效果，但由于这种方案极度依赖基础设施，没有简易廉价的实施方案，难以实现大规模部署。

因此出现了基于ALM方案，ALM服务通常依靠Internet提供服务，源路径的拓扑发现需要建立在广域网上。拓扑感知ALM的基本思想是希望组播转发路径尽量符合底层物理路径，以减少冗余数据包和转发延时。而ALM生成树的构造只与端节点相关，因此在生成的组播树中，成员节点的源路径只需要包含与组播成员节点逻辑上直接相连（最近）的路由器即可执行最大前缀路径匹配算法，达到拓扑感知ALM的目的和所具有的优势,如何构造出与真实网络更加匹配的拓扑网络是极需解决的问题。在得到节点位于网络中的相对位置信息（粗粒度非精确）的情况下构建的覆盖网络能在性能上得到较大的提高。然而目前研究的ALM覆盖网络需要客户端承担转发任务，因此ALM网络的性能会由于不同的调度策略而表现出巨大的差异。因此如何合理的构建符合底层拓扑结构的ALM网络，使得整个网络能够快速合理的完成数据转发任务，就成为了一项亟待研究的课题。与之同时，由于应用层组播利用Internet底层的基础设施为端用户提供组播服务，ALM由端系统而不是由核心路由器实现组播通信的所有功能，其路由和下层IP网络的路由通常不一致，从而导致应用层网络的时延增加，可靠性变差，对时延敏感。当节点频繁离开和加入组播树时，网关级拓扑图也会受到影响。因此如何构建和维护更加符合真实底层拓扑网络的ALM模型，是当今的热点和难点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护方法，该方法能简化了构造拓扑图所需的拓扑信息，加快获取拓扑信息的速度，能够方便快捷的在Internet中进行部署，为广大用户提供高效率、高质量的组播服务，有效提高组播树的构建速度，同时减小组播树的维护成本，为用户提供更高的服务质量。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案是：一种基于网关级拓扑的自适应ALM （应用层组播）覆盖网络构建及维护方法，该方法包括网关级拓扑图的构造模块，基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块和基于节点相对离开概率的检测与维护模块三个部分，网关级拓扑图的构造模块负责底层覆盖网络的拓扑感知，基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块负责节点加入过程，基于节点相对离开概率的检测与维护模块负责组播树和底层拓扑的维护；所述的网关级拓扑图的构造模块将离端节点最近的路由器定义为该节点的网关（gateway），同时将这种只由端节点、网关及其之间的连接所构成的拓扑图定义为网关级拓扑图；网关级拓扑图构造确定网关之间的拓扑关系，根据获得的数据传播路径，寻找除源节点所在网关以外其它网关路由器的最佳父节点，进一步确定网关之间的拓扑关系，使组播转发路径尽量符合底层物理路径，为基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络的构建提高性能；基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络模型构建模块包括传输延迟和数据流分发度﹑简单数据分割﹑自适应组播网络构建模式和覆盖网络结构检测方法四个部分，设计合理的组播节点加入机制；基于节点相对离开概率的检测与维护模块，对组播节点的离开进行有效的检测，以及对构造好的拓扑图进行维护。

本发明的技术方案中，所述的基于网关级拓扑模块，对于相同的组播成员，最大前缀路径匹配算法根据网关级拓扑图与完整拓扑图所生成的组播树相同。

本发明的技术方案中，所述的基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块采用提高数据分发度数降低数据传输延迟，数据分发度数表示该节点所能承载的子节点数目。

本发明的技术方案中，所述的基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块采用简单的数据分割算法，间接提高节点对于数据的分发能力，提高数据的分发度；具体的分割方式包括：

（1）将生成的流数据等分为若干个数据块，并且使用序号进行标记；

（2）对每个数据块的序号进行取余操作；

（3）将余数相同的数据块合并为一个子数据流。

本发明的技术方案中，所述的基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块设计出一套自适应的组播网络构建模式，针对不同网络情景设置不同的机制管理组播覆盖网络，提高管理效率，具体的构建模式包括：

（1）节点会对服务器空闲资源进行分析，如果能够完成当前数据流的加入工作，则直接使用服务器的空闲资源；

（2）若节点发现服务器无法满足当前数据流的转发任务则开始在组播覆盖网络成员节点中搜索拥有空闲资源的网络节点，并根据下文中场景分别进行加入或者子节点替代劣势数据转发操作；

（3）如果新节点无法找到合适的成员节点，则对自身网络跳进进行评估，如果节点本身可以提供足够的资源来进行插入操作，则开始寻找合适的其他节点进行相应的场景插入操作，反之，则无法加入当前组播网络。

本发明的技术方案中，所述的基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块设计出覆盖网络结构检测，确定有哪些信息是自适应构建组播覆盖网络时所必要，以及确定信息的来源，具体包括：

（1）节点向服务器节点发送节点查询信息，要求获得当前网络的成员列表，以便进行下一步结构检测工作；

（2）当服务器收到节点发出的加入请求消息后，将会反馈节点列表信息给该节点，以供该节点进行网络结构检测和下一步的加入过程；

（3）当节点接收到服务器返回的节点列表消息后，节点需要依次向列表中的各节点发送组播覆盖网络结构检测请求消息；

（4）当组播覆盖网络中的各节点收到请求加入节点发送的结构检测请求后，每个成员节点将会向该节点返回对应的结构检测结果消息，至此新加入节点便获得了所有节点的局部覆盖网络结构图。

本发明的技术方案中，基于节点相对离开概率的检测与维护模块通过对组播节点已在线时间的分布规律，设计出一种基于节点相对离开概率的检测机制用于检测组播节点的离开，具体包括：

（1）根据节点的已在线时间长度呈现对数正态分布，给节点设置相应的lifetime，使节点的生存状态更加切于实际；

（2）根据节点已在线时间长度所在区间内的概率评估该节点在此刻的相对离开概率；

（3）根据节点的相对概率的不同，设置相应的检测频率来检测节点的离开。

本发明的技术方案中，基于节点相对离开概率的检测与维护模块采用了缓冲更新法；缓冲更新法对不属于任何组播成员默认网关的路由器，不会马上从拓扑图中删除，而只是从源路径表中删除，这样既可以节省下次同一域的节点申请加入组播树的路径探测和匹配时间，又不会因为源路径表中冗余数据而降低最大前缀路径匹配算法的性能；具体包括：

（1）从网关级拓扑图T(R,f,V)的端节点集合V(r_i)中删除v_i节点；

（2）如果表明与网关r_i相连的还有其它端节点是组播树的成员，此时拓扑图不需作任何更新；

（3）如果则将当前时间cuurentTime记录在r_i的EmptyTime字段中；

（4）检查端节点源路径表，如果r_i∈spath(v_k)，则从spath(v_k)中删除r_i；（5）定期检查拓扑图T，若且cuurentTime–EmptyTime(r_i)>ExpiredTime，则将r_i从拓扑图T中删除。

附图说明

图1为基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护技术整体框架图；

图2为实时网络结构检测的ALM覆盖网络模型构建的流程图；

图3为网关级拓扑图；其中（a）原组播树上只有一个节点；（b）原组播树上有两个节点；

图4为Topology_to_spath(R,f,V)算法描述；

图5为数据转发模式；

图6为序号均分流数据分割；

图7为自适应加入过程-场景1；

图8为自适应加入过程-场景2a；

图9为自适应加入过程-场景2b；

图10为自适应加入过程-场景3；

图11为组播覆盖网络结构检测；

图12为基本信息头部/加入查询消息；

图13为网络成员列表消息；

图14为网络结构检测结果消息。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

参见图1，本发明采用的技术方案：一种基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护方法，该方法包括网关级拓扑图的构造模块，基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块和基于节点相对离开概率的检测与维护模块三个部分；网关级拓扑图的构造模块是根据获得的数据传播路径，寻找除源节点所在网关以外其它网关路由器的最佳父节点，是为了进一步确定网关之间的拓扑关系，使组播转发路径尽量符合底层物理路径，为后面覆盖网络的构建提高较好的性能。基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络模型构 建模块负责设计合理的组播节点加入机制。基于节点相对离开概率的检测与维护技术负责对组播节点的离开进行了有效的检测，以及对构造好的拓扑图进行维护。基于网关级拓扑的自适应ALM（应用层组播）覆盖网络构建及维护技术简化了构造拓扑所需的拓扑信息，加快了获取拓扑信息的速度，使得拓扑图更加切合底层网络。同时，通过设计合理的组播节点加入机制对局部组播覆盖网络结构进行检测，并根据检测得到的结果来进行自适应的调整，以在达到网状拓扑结构带宽利用率的基础上，通过合理设置转发方式使得ALM能够保持基于路径的传播方式在数据时效性上的优势，缩短了拓扑感知应用层组播节点加入组播树的时间。最后通过节点在线时间的分布规律来设置相应的检测频率与维护机制，从而有效地降低控制开销，同时降低了控制开销和延迟误差百分比，为用户提供了更高的服务质量。

按上述方案，所述的网关级拓扑图构造的技术包括：

（1）对于图3中的拓扑图的数据结构只需要具备如表1所示信息即可推算出每个节点的源路径。表1中R={r₁,r₂,……,r_m}为所有网关路由器的集合；f(r_i)表示r_i的父节点，f(r_i)∈R或f(r_i)=NULL，当f(r_i)=NULL时，表示r_i为源节点的网关；V(r_i)是以r_i为网关路由器的端节点集合。

表1网关级拓扑数据表

（2）根据表1中的数据，把网关级拓扑图用T(R,f,V)来描述，通过算法Topology_to_spath(T(R,f,V))算法计算出每个端节点v_i的源路径spath(v_i)，最初spath(v_i)皆为空。算法Topology_to_spath(T(R,f,V))如图4所示。

（3）根据输入中的T(R,f,V)为拓扑图在内存中的复制，将元素从T(R,f,V)中删除（如removeElement(vi,V(ri))），并不会影响实际拓扑图的数据。以表1中的数据为输入，执行算法1得到的结果如表2所示，与按照拓扑图（图3）计算的结果完全一致。

表2端节点源路径

按上述的方案，所述网关级拓扑图的构造可具体化为根据端节点发送的网关信息和探测到的数据传播路径构，造出如表1所示的网关级拓扑数据表。表1中的网关路由器及其叶子端点集合，可直接通过端节点在请求加入时发送的JOIN报文中直接获得。

按上述的方案，构造网关级拓扑图问题进一步简化为：根据获得的数据传播路径，寻找除源节点所在网关以外其它网关路由器的最佳父节点问题。

按上述方案，所述的基于实时网络结构检测的应用层组播覆盖网络模型构建包括传输延迟和数据流分发度﹑简单数据分割﹑自适应组播网络构建模式﹑覆盖网络结构检测方法四个部分。

所述的传输延迟和数据流分发度技术研究了组播覆盖网络性能的关键衡量因素以及与其相关的决定性因素，并得到了衡量组播网络的最主要特性就是数据传输延迟，即数据由服务器生成到数据传递至所有组播网络节点的时间差。时间差越短，意味着组播网络的及时性越好，性能越优异；反之，时间越长，则性能表现越糟糕。

所述的传输延迟和数据流分发度技术分析了应用层组播的数据传输本质，并合理的推导数据包传播路径树最大深度的表达式定义。应用层组播的数据传输本质是一个数据由服务器生成，然后经由网络中的各个节点按照一定的策略进行复制，并转发至全体节点。一个合理的应用层组播模型要求每一个节点都能够成功收到该数据，并且不会重复收到该数据。尽管整体数据传输模式各不相同，但就单独某一个数据包的传输路径都是一个由复制数据的节点作为中间节点的树状转发路径来进行传输的。

所述的传输延迟和数据流分发度技术中最大深度的表达式：

该公式中hop表示该数据包传递进行的跳数，k表示每个节点对于该数据包的复制分发度数，即一个节点为k个节点转发该数据包，n代表组播网络中所有节点数目。

所述方案中传输延迟和数据流分发度技术根据已知数据包的跳数，推导出了该数据的传输延迟即：

在公式(2)中，delay表示数据包传输延迟，d表示数据包经由中间节点复制转发过程的每一跳所产生的延迟，而hop表示数据包经服务器节点传输至最后的终端节点经过的跳数。

所述的传输延迟和数据流分发度技术根据已知数据包的跳数，得到最终数据延迟。表达式如下：

在公式(3)中，delay表示数据包传输延迟，d表示数据包经由中间节点复制转发过程的每一跳所产生的延迟，k表示每个节点对于该数据包的复制分发度数，即一个节点为k个节点转发该数据包，n代表组播网络中所有节点数目。

所述的简单数据分割技术分析了提升某一节点对于某一数据的分发度数的两种方式。第一种，提升节点的网络接入环境，进而使该节点拥有更高的性能来应对更多数据分发工作；第二种，通过降低该数据的长度或者降低该数据流的速率，使得该节点在保持当前网络容量不变的基础上提高对数据流的转发能力。

所述的简单数据分割技术通过数据流分割来降低数据流的速率来间接提高节点对于数据的分发能力，提高数据的分发度，具体的过程见图5。

在图5中，节点S为服务器节点，该节点负责产生数据并将数据分发至其他成员节点；图5(a)中箭头表示数据流向，而图5(b)中虚线和实现箭头则分别表示分割后两种子数据流的流向；箭头上的数字表明当前箭头所示数据转发跳数序号。在图中，当没有进行数据分割时，每个节点只能为一个子节点提供数据，如图5(a)所示，数据由服务器到达所有节点需要3跳。而当进行了数据分割之后，由于单个数据流速率降低每个节点可以为两个子节点提供数据，则其转发模式如图5(b)所示，数据由服务器到达所有节点仅需2跳，比(a)中的情况减少了一跳。

所述的简单数据分割技术使用了序号均分流数据分割方式。该数据分流方式如图6所示，分割方式具体包括：

（1）将生成的流数据等分为若干数据块，并且使用序号进行标记；

（2）对每个数据块的序号进行取余操作；

（3）将余数相同的数据块合并为一个子数据流。

所述自适应组播网络构建技术分析了组播覆盖网络构建过程中的若干情况，并针对不同情况设计出较为合理的节点自适应调整算法。

所述自适应组播网络构建技术把一个新节点试图加入当前组播网络情况，分为3种情况，即服务器空闲、节点空闲和无空闲三种场景，其具体描述与应对策略包括：

场景1：服务器节点有空闲网络资源可以供更多的新节点使用，在这种情况下，新加入节点需要做的就是简单的成为服务器节点的子节点，并从服务器节点获得数据流数据，其过程如图7所示，图中新加入节点1，在服务器S有空闲资源的情况下直接加入组播覆盖网络。

场景2：服务器节点没有空闲资源供新节点加入使用，但是组播覆盖网络中的其他节点拥有空闲资源，可以为新加入的节点提供数据。但是，与第一种情况不同，由于使用了数据分割，每个节点可能同时转发多种不同数据，因此在加入时这种情况需要分为两种不同情况分别讨论，具体如接下来的场景2a和场景2b。

场景2a，若在场景2的基础上，有空闲的节点在同一时刻仅对需要的数据流进行复制转发，在这种情况下，如果新节点直接从该节点获取需要的数据流则能达到最大化所需数据流分发度的目的，其具体加入过程入图8所示。

图8中，节点3要加入当前网络，而此时节点1、2如图8(a)所示分别仅进行虚线和实线两种数据分发，则节点3分别从节点1、2分别获得虚线与实线两种数据流，然后顺利实现加入过程。

场景2b，如果在场景2中，拥有空闲资源的节点同时对多路子数据流进行转发，则该场景被定义为场景2b，如图9所示。此时，若新加入节点直接从拥有空闲资源的节点处获取资源，则拥有空闲资源的节点会同时承担两路或者多路数据转发，因此无法最大化单一数据的分流度，与ASD模型的构造宗旨不符。故在这里本模型采用了子节点替代劣势数据转发策略，即新加入节点接替代拥有空闲资源的节点，负责该节点转发较少的那部分数据转发，进而让拥有空闲资源的节点能够尽最大可能的传播其拥有较大分发度的数据流。

如图9中所示，图中节点D试图加入组播网络，此时网络中节点B同时负载实线与虚线两路数据，如图9(a)所示。则此时D节点接替B节点进行虚线数据转发工作，并同时从B节点处获得实线数据流，如图9(b)所示。通过这种操作，D节点顺利获得实线与虚线两种数据流，并且将这些数据分发度，有最初B节点的分发度1，提升为B、D两个节点各为2，提高了特定数据流的分发度，达到了模型的设计初衷。

（3）新节点加入时，服务器与其他成员节点均无空闲网络资源可供当前新节点加入。在之前的基于路径的组播覆盖网络构造模型中，如果节点中所有节点无法提供足够的上 行链路使新节点加入组播网络，则当前组播网络会陷入饱和状态，即任何节点都无法继续加入当前组播网络，直至某些节点退出或者某些节点可用网络资源增加。为了应对这种组播网络饱和的场景，本文的ASD模型提出了一种主动插入操作，该操作通过新加入节点主动承担部分数据转发任务，按照一定策略合理的插入到现有的数据流传输路径中，在获取数据的同时提供部分数据转发能力，进而达到解除饱和，顺利加入组播覆盖网络的目的。该场景的工作示例如图10所示。

在图10中，新节点3试图加入当前由服务器S和节点1、2构成的组播覆盖网络中。然而，由于节点1、2的网络条件不理想，无法同时为其他节点提供1个以上的数据流转发能力，因此此时节点3无法直接获得所需要的数据。为了打破这种僵局，在ASD模型中，节点3需要主动向1、2节点发起插入操作。在此操作中节点3需要代替节点1、2的父节点为节点1、2提供数据，同时，节点3可以从1、2节点的父节点，即图中服务节点S处直接获得数据资源，完成加入过程，同时保证整体组播覆盖网络完整可用。

当然，为了保证组播覆盖网络正常工作，并不是所有的新节点都能够成功加入组播网络。比如，在场景3中，若新加入节点无力承担需要额外提供数据转发能力则新节点不能加入到当前的组播网络中。这是由于所有节点需要获取的数据量必须由全体节点和服务器节点共同提供。这意味着所有节点提供的上行链路带宽必须不小于所有节点需求的数据带宽，故当组播覆盖网络饱和时，无法提供足够上行链路的节点无法加入组播网络。

所述的自适应组播网络构建技术根据对新节点加入过程中各种情况的分析，然后对具体的加入过程进行设计，明确了加入操作对各种情况的操作模式与这些操作之间的优先关系。所述的自适应组播网络构建技术对各种情况的操作对组播覆盖网络性能产生的影响进行了分析，具体包括：

（1）对于场景（1），该场景会利用服务器节点资源，直接组播覆盖网络提高数据分发健壮度，且没有不良影响。

（2）对于场景（2）中的场景2a，该操作会使得获取的数据流分发度增加，且没有明显不良影响。

对与场景2中的场景2b，该操作会使得获取的数据流分发度增加，且没有明显不良影响。

（3）对于场景（3），该操作会增加组播网络中被插入节点的数据传输延迟，对单一数据流分发度并无直接影响。

按上述方案在实际构建组播覆盖网络时，考虑进行操作的优先顺序依此为场景1、场景2、场景3。

所述的自适应组播网络构建技术确定了节点加入的过程。具体包括：

（1）节点会对服务器空闲资源进行分析，如果能够完成当前数据流的加入工作，则直接使用服务器的空闲资源。

（2）若节点发现服务器无法满足当前数据流的转发任务则开始在组播覆盖网络成员节点中搜索拥有空闲资源的网络节点，并根据章节3.4.1中的场景分别进行加入或者子节点替代劣势数据转发操作。

（3）如果新节点无法找到合适的成员节点，则对自身网络跳进进行评估，如果节点本身可以提供足够的资源来进行插入操作，则开始寻找合适的其他节点进行场景3中所示的插入操作。反之，则无法加入当前组播网络。

所述的覆盖网络结构检测技术分析了覆盖网络结构检测的具体内容，设计并描述其具体的实现过程和实现方法。

所述的覆盖网络结构检测技术对覆盖网络进行了分析，确定了哪些信息是自适应构建组播覆盖网络时所必要的，而哪些是可选的。明确了需要获取的信息之后，紧接着就是明确这些信息的来源，以及通过什么样的方式去获取这些信息。

所述的覆盖网络结构检测技术对覆盖网络中不同场景需要什么样的信息去完成自适应组播覆盖网络构建进行了分析，具体包括：

（1）场景1，其与操作有关的节点只包括服务器节点，需要的信息主要是服务器空闲资源。因此覆盖网络结构检测方法需要能够检测服务器节点当前的资源使用及空闲资源状况。

（2）场景2，如同3.3节中发生的情况一样，需要根据情况进行两种不同的操作，因此在这里也需要分为两种不同的情况分析构造方案所需要的对应信息。

场景2中的场景2a，其与操作有关的节点包括客户端节点，以及客户端节点对于各种数据流的分流情况和网络容量空闲情况。因此覆盖网络构建检测方法需要能够检测到客户端节点对于各种数据流的分流情况和各节点对用的资源分发情况和资源空闲情况。

场景2中的场景2b，其与操作有关的节点包括有空闲资源的客户端以及当前客户端所转发数据的父节点和对应的子节点。其与操作有关的信息包含：需要进行数据转发替代操作的节点当前转发的数据流分布情况；其对应的数据来源和数据去向，即父子节点。所以，在该场景中覆盖网络结构检测方法需要检测的信息包含：客户端节点对于各种数据流的分流情况；各节点对用的资源分发情况和资源空闲情况，即各节点各数据流的父节点和子节点和总共能够支持转发的数据流容量。

（3）场景3，在该情境中与操作有关的节点主要为被插入节点和被插入节点的父节点。其与操作有关信息包含：被插入节点的被插入数据流对应的父节点；当前节点是否有空闲网络资源。因此在该场景中覆盖网络检测方法需要检测的信息包含：客户端节点的空闲网络资源和各数据流的来源，即各节点各数据流的父节点和当前空闲的网络条件所能提供数据流容量。

所述的覆盖网络结构检测技术根据分析的各种操作需要的信息之后，对各种情况需要的数据进行汇总，整理得到覆盖网络结构检测方法所需要检测的信息，具体包括：

（1）当前网络中的节点；

（2）各节点的上行网络资源空余；

（3）各节点所有的数据流即其对应的父节点；

（4）各节点所有的子节点及其对应的数据流编号。

所述的覆盖网络结构检测技术在完成了对覆盖网络检测算法的检测内容确定之后，进一步确定了这些信息的来源，即这些关于组播覆盖网络结构的信息存在哪里，由谁管理。具体包括：

（1）采用部分节点统一管理，那么这些节点需要稳定可靠，能够长期在线。然而，由于应用层组播网络的实际环境负载多变，使其具有不确定性。

（2）节点信息交由节点自身管理，那么这些信息便无法从服务器或者个别节点获得。

所述的覆盖网络结构检测技术借鉴了当前组播覆盖网络中常见的数据驱动模式来管理这些覆盖网络结构信息。其具体过程设计如图11所示：

所述的覆盖网络结构检测方法具体包括：

（1）节点向服务器节点发送节点查询信息，要求获得当前网络的成员列表，以便进行下一步结构检测工作，如图11中所示步骤(1)。由于本步仅为发送查询消息，并不需要携带额外信息，所以其数据报文仅需要包括必要的信息头部，并设置合理的消息类型，其具体信息内容如图12所示。

（2）当服务器收到节点发出的加入请求消息后，将会反馈节点列表信息给该节点，以供该节点进行网络结构检测和进一步的加入过程，如图11中所示步骤(2)。本步骤涉及到的信息包括当前网络节点列表，因此除了包含必要的头部之外，该消息还有必要包含当前网络的成员信息，其具体消息格式如图13所示。

（3）当节点接收到服务器返回的节点列表消息后，节点需要依次向列表中的各节点发送组播覆盖网络结构检测请求消息。与加入请求消息类似，该消息仅包含必要的头部，不包含其它需要携带的信息，其具体消息格式如图12所示。

（4）当组播覆盖网络中的各节点收到请求加入节点发送的结构检测请求后，每个成员节点将会向该节点返回对应的结构检测结果消息。其具体消息需要包含：当前网络中的节点、各节点的上行网络资源空余、各节点所有的数据流即其对应的父节点以及各节点所有的子节点及其对应的数据流编号，其具体消息格式如图14所示。

所述的基于节点相对离开概率的检测与维护机制技术采用节点的在线时间的分布规律，计算了节点相应的离开概率，并设置了相应的离开检测频率。具体包括：

（1）分析节点的在线时间长度呈现对数正态分布，给节点设置不同lifetime。

（2）根据节点lifetime所在该区间内的概率进一步计算该节点在此刻的相对离开概率。

（3）根据节点的相对离开概率不同，设置相应的检测频率来检测节点离开与否。

所述的基于节点相对离开概率的检测与维护机制根据节点的在线时间分布规律，计算节点相应的离开概率，并设置相应的离开检测频率。

所述的基于节点相对离开概率的检测与维护机制采用缓冲更新法维护当节点v_i离开组播树时的网关级拓扑图T(R,f,V)。

所述的缓冲更新法在表1中加入EmptyTime字段，用来确定缓冲的时间，具体包括：

（1）从网关级拓扑图T(R,f,V)的端节点集合V(r_i)中删除v_i节点。

（2）如果表明与网关r_i相连的还有其它端节点是组播树的成员，此时拓扑图不需作任何更新。

（3）如果则将当前时间cuurentTime记录在r_i的EmptyTime字段中。

（4）检查端节点源路径表，如果r_i∈spath(v_k)，则从spath(v_k)中删除r_i。

（5）定期检查拓扑图T，若且cuurentTime–EmptyTime(ri)>ExpiredTime，则将r_i从拓扑图T中删除。

按照上述算法，不属于任何组播成员默认网关的路由器，不会马上从拓扑图中删除，而只是从源路径表中删除，这样既可以节省下次同一域的节点申请加入组播树的路径探测和匹配时间，又不会因为源路径表中冗余数据而降低最大前缀路径匹配算法的性能。

Claims (8)

1.基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护系统，其特征在于：该系统包括网关级拓扑图的构造模块，基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块和基于节点相对离开概率的检测与维护模块三个部分，网关级拓扑图的构造模块负责底层覆盖网络的拓扑感知，基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块负责节点加入过程，基于节点相对离开概率的检测与维护模块负责组播树和底层拓扑的维护；所述的网关级拓扑图的构造模块将离端节点最近的路由器定义为该节点的网关，同时将这种只由端节点、网关及其之间的连接所构成的拓扑图定义为网关级拓扑图；网关级拓扑图构造确定网关之间的拓扑关系，根据获得的数据传播路径，寻找除源节点所在网关以外其它网关路由器的最佳父节点，进一步确定网关之间的拓扑关系，使组播转发路径尽量符合底层物理路径，为基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络的构建提高性能；基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络模型构建模块包括传输延迟和数据流分发度﹑简单数据分割﹑自适应组播网络构建和覆盖网络结构检测四个部分，设计合理的组播节点加入机制；基于节点相对离开概率的检测与维护模块，对组播节点的离开进行有效的检测，以及对构造好的拓扑图进行维护。

2.如权利要求1所述的基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护系统，其特征在于：所述的网关级拓扑图的构造模块，对于相同的组播成员，最大前缀路径匹配算法根据网关级拓扑图与完整拓扑图所生成的组播树相同。

3.如权利要求1所述的基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护系统，其特征在于：所述的基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块采用提高数据分发度数降低数据传输延迟，数据分发度数表示该节点所能承载的子节点数目。

4.如权利要求3所述的基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护系统，其特征在于：所述的基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块采用简单的数据分割算法，间接提高节点对于数据的分发能力，提高数据的分发度；具体的分割方式包括：

(1)将生成的流数据等分为若干个数据块，并且使用序号进行标记；

(2)对每个数据块的序号进行取余操作；

(3)将余数相同的数据块合并为一个子数据流。

5.如权利要求3所述的基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护系统，其特征在于：所述的基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块设计出一套自适应的组播网络构建模式，针对不同网络情景设置不同的机制管理组播覆盖网络，提高管理效率，具体的构建模式包括：

(1)节点会对服务器空闲资源进行分析，如果能够完成当前数据流的加入工作，则直接使用服务器的空闲资源；

(2)若节点发现服务器无法满足当前数据流的转发任务则开始在组播覆盖网络成员节点中搜索拥有空闲资源的网络节点，并分别根据不同场景进行判定，按照对应的策略加入组播网络；具体为：a.当拥有空闲资源的节点在同一时刻仅对需要的数据流进行复制转发，新节点直接从该拥有空闲资源的节点获取需要的数据流，则实现加入过程；b.当拥有空闲资源的节点同时对多路子数据流进行转发，则采用子节点替代劣势数据转发策略，即新加入节点替代拥有空闲资源的节点，负责该节点转发较少的那部分数据转发，实现加入过程；

(3)如果新节点无法找到合适的成员节点，则对自身网络条件进行评估，如果节点本身可以提供足够的资源来进行插入操作，则开始寻找合适的其他节点进行相应的场景插入操作，反之，则无法加入当前组播网络。

6.如权利要求3所述的基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护系统，其特征在于：所述的基于实时网络结构检测的ALM覆盖网络构建模块设计出覆盖网络结构检测，确定有哪些信息是自适应构建组播覆盖网络时所必要，以及确定信息的来源，具体包括：

(1)节点向服务器节点发送加入请求信息，要求获得当前网络的成员列表信息，以便进行下一步结构检测工作；

(2)当服务器收到节点发出的加入请求信息后，将会反馈成员列表信息给该节点，以供该节点进行网络结构检测和下一步的加入过程；

(3)当节点接收到服务器返回的成员列表信息后，节点需要依次向列表中的各成员节点发送组播覆盖网络结构检测请求消息；

(4)当组播覆盖网络中的成员节点收到请求加入节点发送的组播覆盖网络结构检测请求消息后，每个成员节点将会向该节点返回对应的结构检测结果消息，至此请求加入节点便获得了所有节点的局部覆盖网络结构图。

7.如权利要求1所述的基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护系统，其特征在于：基于节点相对离开概率的检测与维护模块通过对组播节点已在线时间的分布规律，设计出一种基于节点相对离开概率的检测机制用于检测组播节点的离开，具体包括：

(1)根据节点的已在线时间长度呈现对数正态分布，给节点设置相应的lifetime，使节点的生存状态更加切于实际；

(2)根据节点已在线时间长度所在区间内的概率评估该节点在此刻的相对离开概率；

(3)根据节点的相对离开概率的不同，设置相应的检测频率来检测节点的离开。

8.如权利要求1所述的基于网关级拓扑的自适应ALM覆盖网络构建及维护系统，其特征在于：基于节点相对离开概率的检测与维护模块采用了缓冲更新法；具体包括：

(1)T(R,f,V)的网关路由器的端节点集合V(r_i)中删除端节点v_i；T(R,f,V)为根据网关路由器集合R、父节点集合f和端节点集合V构造的网关级拓扑图；

(2)表明与网关r_i相连的还有其它端节点是组播树的成员，此时拓扑图不需作任何更新；

(3)则将当前时间currentTime记录在r_i的缓冲时间EmptyTime字段中；

(4)检查端节点源路径表，如果r_i∈spath(v_k)，则从每个端节点v_K的源路径spath(v_k)中删除r_i；

(5)定期检查拓扑图T，若且currentTime–EmptyTime(r_i)>ExpiredTime，则将r_i从拓扑图T中删除。