CN104301215A - 一种覆盖网构建方法 - Google Patents

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廖建新
朱晓民
田生文
张磊
王晶
樊利民
王敬宇
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Abstract

一种覆盖网构建方法，该方法把覆盖网中的节点划分为普通节点和超级节点，把底层介数中心值较高的物理节点作为覆盖网的超级节点；先将覆盖网的节点连接形成k-最小生成树，然后再将超级节点连接形成全网状结构；当底层物理网络中的物理链路故障导致数据传输中断或拥塞时，采用设定的覆盖网一跳路由机制以实现路由的快速恢复；本方法将具有较高介数中心的超节点引入覆盖网络，降低了端到端的路由代价；超节点之间的全网状连接提高了覆盖网络的性能，且不影响覆盖网络的可扩展性；覆盖网一跳路由机制提高了覆盖网的可靠性。

Description

一种覆盖网构建方法
技术领域
本发明涉及一种覆盖网构建方法，属于计算机网络技术领域，特别是属于下一代互联网技术领域。
背景技术
随着互联网的快速发展，基于网络的应用进一步涌现，如视频点播、网络游戏和多播等，这些应用给现有的基于IP技术的互联网带来很大的挑战，如时延要求、拥塞的解除、以及网络链路故障的快速恢复等。研究表明，现有网络对于网络链路故障恢复需花费几十秒，甚至数分钟的汇聚时间，其间可能导致一些数据包的丢失。
覆盖网络(Overlay Network)作为一种新的模式弥补了互联网的这一缺陷。覆盖网络是一种逻辑网络，它的节点由物理网络的部分节点组成，连接这些节点的每一条链路由一条或多条物理链路组成。覆盖网络拓扑构造的好坏直接影响它的性能，尤其是覆盖网络中关键节点的选择与部署。
覆盖网络拓扑的构造需解决两个问题，其一，如何选择覆盖网络的节点；其二，如何连接这些节点，使其满足覆盖网络的可靠性、有效性和可扩展性要求。目前针对覆盖网络拓扑构造的技术比较片面，存在较多缺陷，比如主要关注中继节点的选择，而忽略了节点的部署问题，比如只集中在一跳覆盖网路由(One-hop Overlay Routing)问题上，而没有考虑关键中断节点对覆盖网路由性能的影响等。如何有效地解决上述两个问题，成为下一代网络技术领域急需解决的一个技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是发明一种覆盖网构建方法，解决覆盖网节点有效选取和可靠连接的问题，满足覆盖网络的可靠性、有效性和可扩展性要求。
为了达到上述目的，本发明提出了一种覆盖网构建方法，所述方法包括下列操作步骤：
(1)把覆盖网中的节点划分为普通节点和超级节点；
(2)普通节点是指参与通信的用户主机；或是指运行某种业务的服务器即端系统；普通节点的数量由参与覆盖网络构建的用户主机数量和端系统数量决定；
(3)计算底层物理网络中各个物理节点的介数中心(betweeenness centrality)，选择设定比例的介数中心值较高的物理节点作为覆盖网的超级节点；
(4)根据端系统和用户主机的需求，将覆盖网中的普通节点映射到底层物理网络中相应的物理节点即路由器；
(5)先将所述的覆盖网的节点连接形成k-最小生成树(K-Minimum Spanning Tree)Fk；其中k为大于1的自然数；然后再将所述的覆盖网中的超级节点连接形成全网状结构；所述覆盖网络中链路的权重定义为该覆盖网链路的时延，或者定义为该覆盖网络链路所对应的物理层路径中所包含的物理链路的个数，即跳数；
(6)当底层物理网络中的物理链路故障导致数据传输中断或拥塞时，计算源节点与目的节点之间的覆盖网路由路径；如果该覆盖网路由路径没有故障，则利用该覆盖网路由路径完成数据传输；如果该覆盖网路由路径同时也出现故障，即该覆盖网路由路径中包含了前述该条出现故障的物理链路，则采用设定的覆盖网路由机制以实现路由的快速恢复。
所述步骤(5)中将所述的覆盖网的节点连接形成k-最小生成树Fk的具体内容包括如下操作子步骤：
(50)初始化步骤，取k-最小生成树Fk为空集，取循环次数变量j为0；
(51)用所述的覆盖网的节点构造临时的全网状拓扑Gt；
(52)按照设定的方法求解当前Gt的最小生成树Tj，并把Tj并入Fk，循环次数变量j增加1；所述的求解最小生成树的设定方法包括克鲁斯卡尔kruskal算法和普里姆Prim算法；
(53)从Gt中删除Tj，得到更新后的Gt；
(54)如果循环次数变量j等于k，则过程结束，得到k-最小生成树Fk；否则转到步骤(52)。
所述步骤(6)中所述的设定覆盖网路由机制是指覆盖网一跳路由机制，其具体内容是：源节点从所述覆盖网的超级节点中选择那些不出现在所述的覆盖网故障路由路径上的超级节点作为备选中继节点，构成备选中继节点集合；源节点对所述的备选中继节点集合中的中继节点进行探测，并最终选择通过该中继节点能到达目的节点并且端到端网络时延最小的那个中继节点，构建一跳覆盖网路由路径。
本发明的有益效果在于将具有较高介数中心的超节点引入覆盖网络，降低了端到端的路由代价；由于超节点之间的全网状连接提高了覆盖网络的性能，且不影响覆盖网络的可扩展性；覆盖网一跳路由机制提高了覆盖网的可靠性。
附图说明
图1是本发明提出的一种覆盖网构建方法的流程图。
图2是本发明的实施例中覆盖网一跳路由机制的示意图。
图3是本发明方法模拟实验结果之一的失效路径恢复率的比较示意图。
图4是本发明方法模拟实验结果之一的恢复路径跳数惩罚的比较示意图。。
图5是本发明方法模拟实验结果之一的平均节点度的比较示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，介绍本发明提出的一种覆盖网构建方法，所述方法包括下列操作步骤：
(1)把覆盖网中的节点划分为普通节点和超级节点；
(2)普通节点是指参与通信的用户主机；或是指运行某种业务的服务器即端系统；普通节点的数量由参与覆盖网络构建的用户主机数量和端系统数量决定；
(3)计算底层物理网络中各个物理节点的介数中心(betweeenness centrality)，选择设定比例(一般选取5％-10％的节点作为超节点)的介数中心值较高的物理节点作为覆盖网的超级节点；
(4)根据端系统和用户主机的需求，将覆盖网中的普通节点映射到底层物理网络中相应的物理节点即路由器；
(5)先将所述的覆盖网的节点连接形成k-最小生成树(K-Minimum Spanning Tree)Fk；其中k为大于1的自然数；然后再将所述的覆盖网中的超级节点连接形成全网状结构；所述覆盖网络中链路的权重定义为该覆盖网链路的时延，或者定义为该覆盖网络链路所对应的物理层路径中所包含的物理链路的个数，即跳数；
(6)当底层物理网络中的物理链路故障导致数据传输中断或拥塞时，计算源节点与目的节点之间的覆盖网路由路径；如果该覆盖网路由路径没有故障，则利用该覆盖网路由路径完成数据传输；如果该覆盖网路由路径同时也出现故障(即该覆盖网路由路径中包含了前述该条出现故障的物理链路)，则采用设定的覆盖网路由机制以实现路由的快速恢复。
所述步骤(5)中将所述的覆盖网的节点连接形成k-最小生成树Fk的具体内容包括如下操作子步骤：
(50)初始化步骤，取k-最小生成树Fk为空集，取循环次数变量j为0；
(51)用所述的覆盖网的节点构造临时的全网状拓扑Gt；
(52)按照设定的方法求解当前Gt的最小生成树Tj，并把Tj并入Fk，循环次数变量j增加1；所述的求解最小生成树的设定方法包括克鲁斯卡尔kruskal算法和普里姆Prim算法；
(53)从Gt中删除Tj，得到更新后的Gt；
(54)如果循环次数变量j等于k，则过程结束，得到k-最小生成树Fk；否则转到步骤(52)。
所述步骤(6)中所述的设定覆盖网路由机制是指覆盖网一跳路由机制，其具体内容是：源节点从所述覆盖网的超级节点中选择那些不出现在所述的覆盖网故障路由路径上的超级节点作为备选中继节点，构成备选中继节点集合；源节点对所述的备选中继节点集合中的中继节点进行探测，并最终选择通过该中继节点能到达目的节点并且端到端网络时延最小的那个中继节点，构建一跳覆盖网路由路径。
参见图2，覆盖网路由路径OA-OC-OD-OB(OA表示源节点，OB表示目的节点)与默认的物理路径A-C-D-E-B共享了物理链路LCD，当LCD的故障导致覆盖网路径OA-OC-OD-OB和物理路径A-C-D-E-B同时失效时，源节点OA选择那些不出现在所述的覆盖网故障路由路径OA-OC-OD-OB上的超级节点Oi(i＝1,2,3…)作为备选中继节点。源节点OA通过覆盖网一跳路由机制OA→Oi→OB去探测目的节点OB，假如OA→Oj→OB有最小的端到端时延，那么Oj被选择作为最优的中继节点，构建覆盖网一跳路由路径。
发明人对本发明的方法进行了模拟实验，实验具体如下：发明人用拓扑产生器GT-ITM生成随机网络GT180作为底层的物理网络，GT180由180个节点和502条链路组成。用失效路径恢复率(FRR:Failure Recovery Ratio)、恢复路径跳数惩罚(RPHP:Recovery Path HopPenalty)和平均节点度(AND:Average Node Degree)三个度量指标对覆盖网的性能进行评估。失效路径恢复率是指通过覆盖网络恢复的失效路径的数量与失效的IP路径数量之比，FRR越大表明覆盖网络恢复能力越强。恢复路径跳数惩罚是指覆盖网络恢复路径所对应的物理链路的数量与默认的IP路径所包含的物理链路数量之比，RPHP越小表明覆盖网络路由跳数越小，某种程度上表明所花费的时延越小。平均节点度反映了覆盖网络拓扑负载的程度，AND越大表明覆盖网络拓扑维护和路由计算的代价越大。发明人把本发明的方法与几个著名的算法：FM算法(Full Mesh architecture:引自D.Anderson,H.Balakrishnan,F.Kaashoek,and R.Morris,“Resilient overlay network,”In Proc.of the 8th ACM SOSP,pp.131-145,2001),KMST算法(KMinimum Spanning Tree:引自A.Young,J.Chen,Z.Ma,et al.,“Overlay mesh construction usinginterleaved spanning trees,”in:Proc.of IEEE INFOCOM,2004),MT算法(Mesh Tree:引自A.Young,J.Chen,Z.Ma,et al.,“Overlay mesh construction using interleaved spanning trees,”in:Proc.of IEEE INFOCOM,2004),AC算法(Adjacent Connection:引自Z.Li and P.Mohapatra,“QRON:QoS-aware routing in overlay networks,”IEEE JSAC,vol.22,no.1,pp.29-40,2004)进行了比较，本发明的方法用SR-KMST表示，比较结果参见图3、图4和图5。实验结果验证了本发明方法的可行性和有效性。

Claims (3)

1.一种覆盖网构建方法，其特征在于：所述方法包括下列操作步骤：
(1)把覆盖网中的节点划分为普通节点和超级节点；
(2)普通节点是指参与通信的用户主机；或是指运行某种业务的服务器即端系统；普通节点的数量由参与覆盖网络构建的用户主机数量和端系统数量决定；
(3)计算底层物理网络中各个物理节点的介数中心，选择设定比例的介数中心值较高的物理节点作为覆盖网的超级节点；
(4)根据端系统和用户主机的需求，将覆盖网中的普通节点映射到底层物理网络中相应的物理节点即路由器；
(5)先将所述的覆盖网的节点连接形成k-最小生成树Fk；其中k为大于1的自然数；然后再将所述的覆盖网中的超级节点连接形成全网状结构；所述覆盖网络中链路的权重定义为该覆盖网链路的时延，或者定义为该覆盖网络链路所对应的物理层路径中所包含的物理链路的个数，即跳数；
(6)当底层物理网络中的物理链路故障导致数据传输中断或拥塞时，计算源节点与目的节点之间的覆盖网路由路径；如果该覆盖网路由路径没有故障，则利用该覆盖网路由路径完成数据传输；如果该覆盖网路由路径同时也出现故障，即该覆盖网路由路径中包含了前述该条出现故障的物理链路，则采用设定的覆盖网路由机制以实现路由的快速恢复。
2.根据权利要求1所述的一种覆盖网构建方法，其特征在于：所述步骤(5)中将所述的覆盖网的节点连接形成k-最小生成树Fk的具体内容包括如下操作子步骤：
(50)初始化步骤，取k-最小生成树Fk为空集，取循环次数变量j为0；
(51)用所述的覆盖网的节点构造临时的全网状拓扑Gt；
(52)按照设定的方法求解当前Gt的最小生成树Tj，并把Tj并入Fk，循环次数变量j增加1；所述的求解最小生成树的设定方法包括克鲁斯卡尔kruskal算法和普里姆Prim算法；
(53)从Gt中删除Tj，得到更新后的Gt；
(54)如果循环次数变量j等于k，则过程结束，得到k-最小生成树Fk；否则转到步骤(52)。
3.根据权利要求1所述的一种覆盖网构建方法，其特征在于：步骤(6)中所述的设定覆盖网路由机制是指覆盖网一跳路由机制，其具体内容是：源节点从所述覆盖网的超级节点中选择那些不出现在所述的覆盖网故障路由路径上的超级节点作为备选中继节点，构成备选中继节点集合；源节点对所述的备选中继节点集合中的中继节点进行探测，并最终选择通过该中继节点能到达目的节点并且端到端网络时延最小的那个中继节点，构建一跳覆盖网路由路径。
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