CN105306374A - 一种基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法 - Google Patents

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卢婷
郑文扬
常姗
刘国华
任述明
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Abstract

本发明涉及一种基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法，具体包括：确定IP层多播路由的源节点和目标节点；通过Overlay网络，将IP层的多播路由转化为应用层的广播路由；构造满足多媒体应用要求的QoS目标函数；针对目标函数，利用遗传算法构造最优广播树，数据从源节点沿着广播树传输。本发明可在互联网上实现，能大大节省网络资源，降低实现成本，扩展性强。

Description

一种基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法
技术领域
本发明涉及通信计算领域，特别是涉及一种基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法。
背景技术
随着网络规模的不断扩大和多媒体应用的普及，用户对互联网的服务质量提出了越来越高的要求，主要包括三个方面：一是保证带宽，二是减小延迟，三是传输代价。为了有效地利用网络资源，减小传输代价，互联网服务提供商常常采用多播的方法给多个用户传输相同数据。因此，如何快速、高效、低成本地传输多播数据，并且保证多媒体应用的服务质量成为网络运营商关心的重要问题。
经对现有文献检索发现，传统的多播技术是在IP层实现，这存在很大的局限性。经济上，IP层多播会耗费巨大的网络资源，传输代价大。技术上，Internet上存在大量的Internet服务提供商，要让所有的Internet服务提供商采用同样的多播路由策略是不现实的。
由上述现有的技术方案可以看出，现有的多播方法存在扩展性不好、网络资源消耗大、不够灵活、传输代价大的缺陷。由于经济和技术两方面的原因，这种多播方法很难在互联网上实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法，能够在应用层实现。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法，包括以下步骤：
(1)确定IP层多播路由的源节点和目标节点；
(2)通过Overlay网络，将IP层的多播路由转化为应用层的广播路由；
(3)构造满足多媒体应用要求的QoS目标函数；
(4)针对目标函数，利用遗传算法构造最优广播树，数据从源节点沿着广播树传输。
所述步骤(2)具体包括以下子步骤：
(21)所述源节点和目标节点构成了Overlay网络的所有节点；
(22)将数据从源节点发送到Overlay网络中除源节点以外的所有其它节点，从而将IP层的多播路由转化为应用层的广播路由。
所述步骤(3)具体包括以下子步骤：
(31)根据多媒体应用对服务质量中最小带宽的要求，删除网络拓扑图中带宽小于最小带宽的链路，形成新的网络拓扑图；
(32)根据多媒体应用对减小传输代价的要求，构造目标函数，使得目标函数越小，传输代价越小。
所述目标函数为其中，广播树T的传输代价cost(T)是广播树中所有链路传输代价之和，VT表示广播树T中的所有节点的集合，V表示Overlay网络中的所有节点的集合，|VT|表示广播树T中的节点个数，|V|表示Overlay网络中的节点个数。
所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(41)选择一种基因编码方法编码广播树；
(42)使用一种人口初始化方法产生初始群体，初始群体的规模为n；
(43)根据目标函数，从当前最新群体中随机选择两个广播树作为父个体，个体对应的目标函数值越高，此个体被选中作为父个体的概率越高；
(44)对选中的两个父个体进行交叉操作产生一个新的广播树个体，即子个体；
(45)重复步骤(43)-(44)，直到产生n个新的广播树子个体为止；
(46)将产生的n个广播树个体作为下一代群体，重复步骤(43)-(45)，直到达到指定的迭代次数为止，从中选出目标函数值最高的个体，数据源发送的数据将沿着此广播树个体传输。
所述步骤(44)的交叉操作时，两个父个体的共有链路遗传给下一代的概率最高；只属于其中一个父个体的链路遗传给下一代的概率次高；不属于父个体的链路遗传给下一代的概率最低。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提出了通过Overlay网络将IP层多播转变为应用层广播问题，利用遗传算法构造满足多媒体应用服务质量要求的广播树，数据源沿着应用层的广播树传输数据，从而实现了可快速、低成本、高效地实现QoS多播任务。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法，包括以下步骤：
(1)确定IP层多播路由的源节点和目标节点；
(2)通过Overlay网络，将IP层的多播路由转化为应用层的广播路由。具体包括：
(21)所述源节点和目标节点构成了Overlay网络的所有节点；
(22)将数据从源节点发送到Overlay网络中除源节点以外的所有其它节点，从而将IP层的多播路由转化为应用层的广播路由。
(3)构造满足多媒体应用要求的QoS目标函数。具体包括：
(31)根据多媒体应用对服务质量中最小带宽的要求，删除网络拓扑图中带宽小于最小带宽的链路，形成新的网络拓扑图。明显地，新网络拓扑图中生成的广播树一定满足多媒体应用的带宽要求。
(32)根据多媒体应用对减小传输代价的要求，构造目标函数(即个体的适应性函数)，使得目标函数越小，传输代价越小。
(4)针对目标函数，利用遗传算法构造最优广播树，数据从源节点沿着广播树传输。具体包括：
(41)选择一种基因编码方法编码广播树。
(42)使用一种人口初始化方法产生初始群体，初始群体的规模为n。
(43)根据目标函数，从当前最新群体中随机选择两个广播树作为父个体。个体对应的目标函数值越高，此个体被选中作为父个体的概率越高。
(44)对选中的两个父个体进行交叉操作产生一个新的广播树个体，即子个体。在交叉操作时，两个父个体的共有链路遗传给下一代的概率最高；只属于其中一个父个体的链路遗传给下一代的概率次高；不属于父个体的链路遗传给下一代的概率最低。
(45)重复步骤(43)-(44)，直到产生n个新的广播树子个体为止。
(46)将步骤(45)中产生的n个广播树个体作为下一代群体，重复步骤(43)-(45)，直到达到指定的迭代次数为止，从中选出目标函数值最高的个体，数据源发送的数据将沿着此广播树个体传输。
本发明的主要思想是：针对现有IP层多播方法难以在互联网上实现、资源消耗大、成本高的问题，提出了通过Overlay网络将IP层多播转变为应用层广播问题，利用遗传算法构造满足多媒体应用服务质量要求的广播树，数据源沿着应用层的广播树传输数据，从而实现了可快速、低成本、高效地实现QoS多播任务。
本发明的核心是：通过Overlay网络将IP层多播转变为应用层广播问题，利用遗传算法的交叉操作，根据目标函数，通过迭代的方法找到满足多媒体应用服务质量要求的广播树。
下面通过一个具体的实施例来进一步说明本发明。
步骤1.用随机拓扑生成器生成degree＝4的Waxman网络，将链路的欧几里德距离设置为边的传输代价，每条链路引起的延迟是均匀分布在[10,100]之间的随机数，每条链路的带宽是均匀分布在[0,100]之间的随机数。网络拓扑产生以后，用Ψ表示网络中从源节点到其他节点的最大传输延迟。将多媒体应用对延迟上限的要求δ分别随机设置为2Ψ或者4Ψ。多媒体应用的带宽要求设置为均匀分布在[10,50]的随机数。网络的其它参数如下表所示。
步骤2.确定IP层多播路由的源节点和目标节点。
步骤3.通过Overlay网络将IP层的多播路由转化为应用层的广播路由问题。
步骤4.随机产生多媒体应用的服务质量需求指标。
步骤5.设置遗传算法的相应参数。
下面具体说明步骤5的具体实施过程：
5.1目标函数定义为：其中，广播树T的传输代价cost(T)是广播树中所有链路传输代价之和，VT表示广播树T中的所有节点的集合，V表示Overlay网络中的所有节点的集合，|VT|表示广播树T中的节点个数，|V|表示Overlay网络中的节点个数。因为，路由算法构造的广播树有可能没有包含Overlay网络中的所有节点，因此有可能|VT|≤|V|。是惩罚函数。链路传输代价设置为链路的欧几里得距离。
5.2个体i被选中作为父个体的概率为：其中，n为初始群体的个数，f()是目标函数，Ti和Tj是广播树个体。
5.3初始群体个数设置为50，遗传算法迭代次数为10000。
步骤6.运行基于遗传算法的QoS广播路由算法构造应用层的广播树。
步骤7.广播树建立后，数据源发送的数据沿此广播树传输。
测试数据经整理后如下表所示。
Overlay网络中QoS广播方法构造的可行广播树成功率如下表所示。
网络 δ OverlayQoS广播方法(％)
G1 640 99.8
G2 600 93.2
由所述本发明的具体实施方案可以看出，本发明首先确定IP层的多播路由源节点和目标节点，通过Overlay网络，将IP层的多播路由转化为应用层的广播路由问题；然后在网络中运行基于遗传算法的QoS广播方法生成广播树，数据源发送的数据沿此广播树传输。通过本发明能够实现的有益效果是：在技术上易于在互联网上实现，能大大节省网络资源，降低实现成本，扩展性强。

Claims (6)

1.一种基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定IP层多播路由的源节点和目标节点；
(2)通过Overlay网络，将IP层的多播路由转化为应用层的广播路由；
(3)构造满足多媒体应用要求的QoS目标函数；
(4)针对目标函数，利用遗传算法构造最优广播树，数据从源节点沿着广播树传输。
2.根据权利要求1所述的基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下子步骤：
(21)所述源节点和目标节点构成了Overlay网络的所有节点；
(22)将数据从源节点发送到Overlay网络中除源节点以外的所有其它节点，从而将IP层的多播路由转化为应用层的广播路由。
3.根据权利要求1所述的基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法，其特征在于，所述步骤(3)具体包括以下子步骤：
(31)根据多媒体应用对服务质量中最小带宽的要求，删除网络拓扑图中带宽小于最小带宽的链路，形成新的网络拓扑图；
(32)根据多媒体应用对减小传输代价的要求，构造目标函数，使得目标函数越小，传输代价越小。
4.根据权利要求3所述的基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法，其特征在于，所述目标函数为其中，广播树T的传输代价cost(T)是广播树中所有链路传输代价之和，VT表示广播树T中的所有节点的集合，V表示Overlay网络中的所有节点的集合，|VT|表示广播树T中的节点个数，|V|表示Overlay网络中的节点个数。
5.根据权利要求1所述的基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法，其特征在于，所述步骤(4)具体包括以下步骤：
(41)选择一种基因编码方法编码广播树；
(42)使用一种人口初始化方法产生初始群体，初始群体的规模为n；
(43)根据目标函数，从当前最新群体中随机选择两个广播树作为父个体，个体对应的目标函数值越高，此个体被选中作为父个体的概率越高；
(44)对选中的两个父个体进行交叉操作产生一个新的广播树个体，即子个体；
(45)重复步骤(43)-(44)，直到产生n个新的广播树子个体为止；
(46)将产生的n个广播树个体作为下一代群体，重复步骤(43)-(45)，直到达到指定的迭代次数为止，从中选出目标函数值最高的个体，数据源发送的数据将沿着此广播树个体传输。
6.根据权利要求5所述的基于遗传算法的Overlay网络QoS广播方法，其特征在于，所述步骤(44)的交叉操作时，两个父个体的共有链路遗传给下一代的概率最高；只属于其中一个父个体的链路遗传给下一代的概率次高；不属于父个体的链路遗传给下一代的概率最低。
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