CN104184632A - 一种通信协议路由器性能的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信协议路由器性能分析的方法。其方法内容包括首先对一个具体的通信协议及其路由器结构进行分析，在详细了解协议的基本工作原理以及协议路由器工作原理后，确定用于建立模型的Petri网规则，然后根据建立的Petri网规则建立基于路由器工作原理的相关过程的Petri网模型，再根据协议路由器的基本工作原理和结构以及实际的网络结构确定模型相关部分的参数，最后利用相关的仿真工具对模型进行仿真并且运用相关数学理论知识对仿真结果进行分析并得出影响当前路由器性能的因素，最后给出适当的优化建议，本方法的目的是为通信协议的路由器性能分析提供一种简便可行的分析方法。

Description

一种通信协议路由器性能的分析方法

技术领域

本发明公开了一种通信协议路由器性能的分析方法，涉及通信、网络以及相关数学仿真等知识，属于网络通信领域。

背景技术

当前，信息化已经成为社会发展的趋势，伴随信息技术在各个领域的广泛应用，通信网络作为信息化的载体，一直是通信领域研究的热点。通信协议作为通信网络的核心部分近年来也得到国内外学者的广泛关注和研究。

然而随着通信网络的迅速发展，网络结构越发复杂，网络规模不断扩大，网络结构的变化对通信协议路由器的性能要求越来越高，通过查询以往的专利发现，有关通信协议开发的方法这类的专利并不少见，然而针对通信协议的路由器性能的分析方法的研究比较少，因此建立一种通信协议路由器性能的分析方法十分必要，通过建立的方法可以方便的分析复杂网络结构不同变化程度下路由器的性能并提出优化建议。

发明内容

针对以上的背景，本发明提供一种通信协议路由器性能分析的方法，通过运用petri网理论和相关的数学知识以及仿真工具等，在通信网络结构不同变化程度下，为通信协议的路由器性能分析提供一种简便可行的分析方法，进而可以根据分析结果得出协议路由的优化建议，通过本方法分析可以克服简单的文字很难对协议内部行为进行直观的描述的缺点，并且运用petri网理论可以将直观化的图形表达和完善的数学分析结合，有利于运用计算机仿真。

为了实现上述目的，本发明所述的一种通信协议路由器性能分析的方法，具体实施步骤如下：

1.对一个具体的通信协议及其路由器结构进行分析。

所述的该过程的分析包括对具体的通信协议的基本原理进行详细的了解，对协议工作的流程做出一个详细的流程图，该流程图应包括协议运行的主要过程，例如协议的启动、邻接关系的建立以及数据的传输等过程，所述的路由器结构分析包括路由器的整个搭建结构和工作原理，例如路由器的结构分层、各层级路由器传在整个数据传输的作用以及相邻层级路由的数据传输关系等。

2.确定建立模型的Petri网规则。

所述的Petri网规则是用于将协议路由器工作原理的文字流程图转化为便于仿真和数学分析的Petri网模型的规则，该规则中主要包括定义相关库所和变迁的含义，库所的含义可以是协议路由器运行的数据或其他含义，变迁的含义可以是路由器运行过程的行为或其他含义，各个库所和变迁的含义可以根据路由器当前的状态或行为定义，每一个特定状态或者数据等对应一个相应的库所，相邻库所间的变迁即对应库所之间发生的行为，并且规则可以在满足Petri网基本原理的前提下自行定义某些与协议运行相关的规则。

3.建立基于路由器工作原理的相关过程的Petri网模型。

所述的建立基于路由器工作原理的相关Petri网模型，主要是根据协议运行的流程图建立出相应的Petri网模型图，包括首先建立协议路由器运行的文字流程图，然后根据文字流程图建立相应的Petri网模型，根据已经确定的Petri网规则来定义模型中相应库所和变迁的含义，该过程应体现在文字流程图中，流程图相应的位置对应确定Petri网模型相应的位置的含义，如果过程比较复杂，可以合并或删去一些次要过程，从而得到相对简化的文字流程图，最后由简化的流程图得到一个相对简化的Petri网模型，并且该过程使用的petri网可以是常见的普通的Petri网，也可以是随机网等其他的Petri网。

4.根据协议路由器的基本工作原理和结构以及实际的网络结构确定模型相关部分的参数。

所述的根据协议路由器的基本工作原理和结构以及实际的网络结构确定模型相关部分的参数，主要包括根据路由器运行数据的交换转发关系确定每一层路由器以及每个节点路由器所处理的数据量，进而来确定模型中相关的库所的托肯数目，根据整个路由器的结构以及当前的网络状况来确定相关变迁的参数，此时如果存在自行定义的变迁和库所，也可以根据需要利用相关的数学知识计算得出，通过对模型的参数设定就完成了整个建模工作，便于下一步进行模型的仿真。

5.利用相关的仿真工具对模型进行仿真。

所述的利用相关的仿真工具对模型进行仿真，包括首先选择合适的仿真工具，所选工具能满足对模型仿真的要求，包括必要的参数设置，仿真曲线的绘制以及对仿真结果作初步基本的数学运算等，然后根据已经建立的模型，在所选工具里绘制出模型图并完成模型相关参数的设置，进而对模型进行仿真，最后完成仿真结果的统计，包括仿真曲线的绘制，初步的数学运算等等。

6.运用相关数学理论知识对仿真结果进行分析并得出影响当前路由器性能的因素，最后给出适当的优化建议。

所述的对仿真结果分析，包括由已经得到的仿真曲线或运算结果，结合所学的相关知识对结果做出定量或定性的分析，通过观察比较仿真曲线的变化趋势等得出当前网络状态路由器性能指标，或者通过一些必要的数学计算得到路由器工作的参数指标，通过比较不同网络状态下参数的不同，得出影响路由器性能的因素，所述的给出适当的优化建议，包括由当前的分析或运算结果，针对影响路由器性能的因素提出相对合理的解决方案，该方案可以是性能参数的调整，路由器结构的改变等。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1本发明方法的实施流程图

图2协议运行中的LSP扩散流程图

图3协议路由器的结构图

图4区域内的LSP扩散的Petri网模型转换规则图(包括图4.1和图4.2)

图5区域内的LSP扩散的Petri网模型图

图6整个路由器LSP扩散的Petri网模型转换规则图(包括图6.1和图6.2)

图7整个路由器LSP扩散的Petri网模型图

图8模型参数设置图

图9模型仿真结果图(包括图9.1、图9.2、图9.3和图9.4)

具体实施案例

本发明方法主要以目前主流通信协议—IS-IS(Intermediate System toIntermediate，中间系统－中间系统)协议为例，建立一种基于Petri网的分析方法。本发明的工作就是在分析IS-IS协议的基本结构的基础上，对整个复杂化的IS-IS协议进行抽象、简化，建立一个基于随机Petri网的IS-IS内部LSP(LinkState Packet，链路状态数据包)扩散的简易模型。本方法中对模型进行量化分析，通过分析协议在网络结构变动的不同程度下的LSP扩散的耗时情况来反应路由器的负载情况，为协议在不同网络结构变化情况下运行时路由的优化提供依据。

本例的实施步骤如下：

1.根据方法步骤1首先对IS-IS协议基本工作原理进行详细的了解，抽象简化出协议运行的一个重要过程—LSP扩散，因为整个网络状态一直处于变化状态，协议的运行的需要不断通过LSP的扩散来保证链路状态数据库的同步，因此协议运行稳定后，该部分的耗时是路由器负载的主要部分，然后针对路由器在LSP扩散中的工作流程，建立协议运行中的LSP扩散流程图，如图2，其次通过查阅资料可以得到协议路由器的结构，如图3，其结构是以区域分为两层，图2中L1路由器负责区域内的路由，只维护L1的LSDB(Link State Data Base，链路状态数据库)，该LSDB包含本区域的路由信息，到区域外的数据转发给最近的L3路由器；L2路由器负责区域间的路由，只维护L2的LSDB，该LSDB包含区域间的路由信息。所有L2路由器组成路由域的骨干网，负责在不同区域间通信；L3路由器负责区域间的路由，同时维护连接L1和L2区域的交互路由，所以L3路由器维护两个LSDB，包括属于L1的LSDB用于维护区域内路由，以及属于L2的LSDB用于维护区域外的路由。

2.根据方法中步骤2确定用于模型转换的Petri规则，由于petri网基本原理是表示资源在一个过程中流动的状态变化，因此可以将LSP扩散过程中的LSP数目作为建立petri网的资源，也就是petri网中库所的托肯，将LSP所处的状态作为库所，将驱使LSP状态变化的行为作为petri网变迁，完成该过程后就确定了建立模型的基本规则，如图4。

3.根据方法中步骤3建立基于路由器工作原理的相关Petri网模型，由实施例步骤1中的LSP扩散流程图2和实施例步骤2中的基本规则图4，可以得出路由器结构中区域内的LSP扩散的Petri网模型，如图5，根据LSP扩散原理，这里不再赘述，最后可以得出确立整个路由器LSP扩散的规则图和模型图，如图6和图7。

4.根据方法中步骤4中根据协议路由器的基本工作原理和结构以及实际的网络结构确定模型相关部分的参数，为了清楚的说明参数设置，首先假设该协议路由器连接一个节点数为3000的网络，且网络结构处于不断变化的状态中，且结构变化程度可以量化，根据资料查询，假设链路数据库按照二叉树结构存储，并且LSP条数与网络节点数目成正比，且整个链路数据的检索复杂度为O(3000)，并设定其对应的变迁速率为1个单位速率，由此可得出图7中P1的初始状态，即P1中初始托肯数目为3000，图7中变迁Tr1、Tr2、Tr3的速率数值为1，由变迁处理速率与路由连接区域的LSP数目以及该区域的路由器数目相关，故变迁Tr4、Tr13的速率均为1。概率变迁t1、t2、t3的大小与所要处理的LSP数目相关，并且三者的概率和为1，由于区域内路由器连接三个区域外路由器，所以区域内的LSP数目是区域外的3倍，由于区域间LSP是连接在区域外和区域内之间交互的LSP，故区域间的LSP数目和区域外的数目相同，所以整个LSP数目比例为：区域内LSP数目:区域间LSP数目:区域外LSP数目＝3:1:1。故t1、t2、t3的值分别为0.6、0.2、0.2。图3中路由器的结构和处理数据之间的关系，可以分别得出变迁Tr5、Tr6的数值分别为3、6，由于变迁Tr7、Tr8、Tr9、Tr10、Tr11、Tr12对应的是执行PRC算法，该过程相对其他过程耗时可忽略，故其速率均为无穷大，此时便完成模型建立的最后的参数设置，如图8。

5.根据方法中步骤5利用相关的仿真工具对模型进行仿真，这里实施例选择的是随机Petri网仿真工具PIPEv4.1，完成实施例以上的4个步骤后，在工具仿真工具PIPEv4.1中完整绘制出模型并完成参数的设定，就可以根据需要完成模型的仿真工作，这里要说明的是：本例中主要是模拟网络状态在不同网络结构变动程度下LSP的扩散耗时性能，分析该过程对路由性能的影响情况。其仿真结果主要反映分别与P8、P9、P10、P17这4个库所的托肯数目有关，其数目反映路由器处理LSP扩散时的负载情况，数量越多表明该处耗时越长，负载越重，因此主要通过查看P8、P9、P10、P17位置中的托肯数目来考察路由在不同网络状况下的负载情况。

6.根据方法中步骤6对仿真结果进行统计并分析给出优化建议，可以首先得到如下的仿真结果，如图9，通过对曲线对比和分析，结合相关的知识，这里不再赘述，我们可以发现相同网络结构变化程度下，P8、P9、P10中的平均托肯数的关系为：P8>>P9>P10，在不同网络结构变化程度下，随着变化程度加大，P8库所的平均托肯数目显著变大，这说明路由L2的耗时远远大于L1、L3，负载最重，而路由器L1、L3的负载相对要比L2要轻很多，因此L2的路由性能是决定LSP扩散耗时的主要因素，由此给出的优化建议是：在网络变化频繁时，可以通过改善路由L2的性能来降低LSP扩散的时间，进而保证协议路由计算的快速收敛，至此完成该协议路由器在特定工作状况下的性能分析。

Claims (7)

1.所述的一种通信协议路由器性能分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对一个具体的通信协议及其路由器结构进行分析；

(2)确定建立模型的Petri网规则；

(3)建立基于路由器工作原理的相关过程的Petri网模型；

(4)根据协议路由器的基本工作原理和结构以及实际的网络结构确定模型相关部分的参数；

(5)利用相关的仿真工具对模型进行仿真；

(6)运用相关数学理论知识对仿真结果进行分析并得出影响当前路由器性能的因素，最后给出适当的优化建议。

2.根据权利要求书1中所述的对一个具体的通信协议及其路由器结构进行分析，其特征在于：

(1)对通信协议的基本原理进行详细的了解并作出一个详细的协议工作流程图；

(2)路由器结构分析包括路由器的整个搭建结构和工作原理分析。

3.根据权利要求书1中所述的确定建立模型的Petri网规则，其特征在于：

(1)该规则中主要包括定义相关库所和变迁的含义，库所的含义可以是协议路由器运行的状态或其他含义，变迁的含义可以是路由器运行过程的行为或其他含义；

(2)库所和变迁的含义根据路由器当前的状态或行为定义，并且规则可以在满足Petri网基本原理的前提下自行定义与协议运行相关的规则。

4.根据权利要求书1中所述的建立基于路由器工作原理相关过程的Petri网模型，其特征在于：

(1)根据协议运行过程建立协议路由器运行的文字流程图；

(2)将文字流程图转化为相应的Petri网模型，该过程使用的Petri网可以是常见的普通的PN网，也可以是随机网等其他的Petri网。

5.根据权利要求书1中所述的根据协议路由器的基本工作原理和结构以及实际的网络结构确定模型相关部分的参数，其特征在于：

(1)根据路由器运行数据的交换转发关系确定模型中相关的库所的托肯数目；

(2)根据整个路由器的结构以及当前的网络状况来确定相关变迁的参数，必要情况下也可以根据需要利用相关的数学知识计算得出。

6.根据权利要求书1中所述的利用相关的仿真工具对模型进行仿真，其特征在于：

(1)选择合适的仿真工具，所选工具能满足对模型仿真的要求；

(2)在所选工具里绘制出模型图并完成模型相关参数的设置，进而对模型进行仿真，最后完成仿真结果的统计。

7.根据权利要求书1中所述的运用相关数学理论知识对仿真结果进行分析并得出影响当前路由器性能的因素，最后给出适当的优化建议，其特征在于：

(1)根据得到的仿真曲线或运算结果，结合所学的相关知识对结果做出定量或定性的分析，得出影响路由器性能的因素；

(2)根据当前的分析或运算结果，针对影响路由器性能的因素提出相对合理的解决方案。