CN107453990B - 一种基于关键节点的域内路由保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于关键节点的域内路由保护方法，属于互联网技术领域，解决了已有路由保护方案没有兼顾执行效率和路由可用性的问题。本发明首先，建立了节点关键度模型，从而定量衡量网络中节点的重要程度；其次，建立了路由可用性模型，从而可以定量衡量路由可用性；最后，基于路由可用性模型和节点关键度模型，提出了基于关键节点的域内路由保护方案。本发明提出的方案可以极大的降低算法的计算开销，从而为ISP解决路由可用性问题提供一种全新的高效解决方案。

Description

一种基于关键节点的域内路由保护方法

技术领域

本发明属于互联网技术领域，涉及域内路由保护方案，具体涉及一种基于关键节点的域内路由保护方法。

背景技术

随着互联网的普及和其规模的逐渐扩大，互联网在人们的日常生活中扮演了重要的角色，并且已经成为我们生活中必不可少的一部分。在最初阶段，互联网仅仅支持部分非实时应用，如电子邮件，传输文本文件等。然而，目前大量的实时应用数据，如VoIP，视频，在线游戏，股票交易等，在互联网上广泛传播，这些新型应用对路由可用性提出了更加苛刻的要求。

当网络出现故障时，目前互联网部署的域内路由协议采用动态路由协议应对网络故障，然而动态路由协议需要几秒甚至几十秒来完成收敛，在此过程中，将有大量报文被丢弃。然而，实时应用要求毫秒级的故障恢复时间，因此已有的动态路由协议无法满足实时应用对路由可用性的要求，实时应用对路由可用性提出了新的挑战，因此如何提高域内路由可用性成为一项亟待需要解决的重大科学问题。

学术界和工业界提出了利用路由保护方案来提高域内路由可用性。典型的路由保护方案有等价多路径(ECMP,Equal Cost Multiple Paths)，无环路备选项(LFA,Loop-FreeAlternates)和基于Not-Via地址的快速重路由方案。ECMP是一种最简单的路由保护方案，该方案为源和目的计算所有的等价最短路径，实现简单，易于部署，然而对路由可用性的贡献有限。LFA采用无环路条件(LFC,Loop Free Condition)和单节点保护条件(NPC,NodeProtection Condition)事先为节点计算备份下一跳，当网络出现故障时，利用这些备份下一跳转发报文，然而研究表明，LFA的故障保护率仅仅在50％左右，甚至更低。针对LFA故障保护率低的问题，学术界提出了基于Not-Via地址的快速重路由方案，该方案利用Not-Via地址显式的说明如何避免网络中的故障，该方案虽然可以提供100％单故障保护情形，但是该方案的计算开销较大，影响了实际部署。

通过对已有路由保护方案的研究，我们发现已有的路由保护方案都是在网络中所有的节点对路由可用性的贡献是相同的这一假设条件下设计的。然而在实际网络中，这一前提假设条件并不总是成立的。因此，本发明研究节点的特征(介数和与其相连的链路的失效概率等)和其对路由可用性贡献之间的关系。在此基础上研究基于关键节点的域内路由保护方案，从而尽可能降低计算开销和存储开销，兼顾执行效率和故障保护率。

发明内容

为了方便描述，我们先定义一些标记，这些标记适用于整个发明。网络可以表示为一个有向图G＝(V,E)，其中V表示节点(路由器)的集合，E表示边(链路)的集合。任意一条链路(i,j)，用w(i,j)表示该链路的代价，p(i,j)表示该链路的失效概率。对于任意节点v,N(v)表示该节点的邻居节点的集合，p(v)表示该节点的失效概率。假设源节点为s，目的节点为d，sp(s,d)表示节点s到节点d的最短路径经过的链路，sv(s,d)表示节点s到节点d的最短路径经过的节点，se(s,d)表示节点s到节点d的最短路径中的元素，即se(s,d)＝sp(s,d)∪sv(s,d)。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于关键节点的域内路由保护方法，包括以下步骤：

步骤1：对于网络中的节点v∈V，计算以节点v为根的最短路径树spt(v)；

步骤2：根据步骤1计算出来的最短路径树，计算出所有节点对之间的最短路径；

步骤3：根据步骤2计算出的所有节点对之间的最短路径，计算每个节点的介数；

计算节点介数的方法如下：用Bw(v)表示节点v的介数，k(v)表示节点间的路径是否经过节点v，o和d是网络中的任意两个节点，节点的介数为网络中所有最短路径经过该节点的次数，可以形式化表示为：

步骤4：计算网络中所有节点的关键度，具体方法如下：对于任意的节点v∈V，节点v的关键度表示该节点在网络中的重要程度，用C(v)来表示，即：

步骤5：根据节点关键度对节点进行降序排列，并将排序后的节点存储在集合M中；

步骤6：初始化被保护节点的集合P＝φ和路由可用性目标Ω，其中φ表示空集；

步骤7：计算路由可用性；用A(G)表示路由可用性，P(s,d)表示节点s到节点d的端到端的可用性，|V|表示网络中节点的数量，具体方法如下：

路由可用性可以定义为

其中

其中：se(s,d)表示节点s到节点d的最短路径中的元素；

其中，p(v,u)表示链路(v,u)的失效概率，p(t)表示节点t的失效概率；

如果某个节点被保护，则与该节点相连的所有链路将被保护，则有

同样在计算k(t)时，则有

步骤8：判断集合M是否为空并且路由可用性是否小于Ω，如果不成立，则执行步骤9，否则，则结束；

步骤9：从集合M中取出第一个节点u，将其从集合M中删除；

步骤10：将上述节点u加入到集合P中；

步骤11：计算节点u的保护路径，具体方法如下：对于节点v，以N(v)表示v的邻居节点，如果，u∈N(v)执行步骤12，否则执行步骤13；如果网络中所有节点都为节点u计算了保护路径，则执行步骤7；

步骤12：计算当链路(v,u)和节点u的所有边均出现故障时，在新拓扑上节点v到节点u和节点v到u的所有邻居节点N(u)的最短路径，执行步骤11；

步骤13：计算当节点u出现故障时，在新拓扑上计算节点x∈N(u)和节点u之间的最短路径，即节点u的所有邻居之间的最短路径，执行步骤11。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

针对已有路由保护方案没有很好的权衡路由可用性和计算开销的问题，本发明提出了一种基于关键节点的域内路由保护方案，该方案考虑了节点关键度属性，根据该属性依次保护网络中的节点，直到路由可用性达到目标。该方案在保证路由可用性的前提下，大大降低了算法的计算开销。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

图1是本发明的基于关键节点的域内路由保护方法流程示意图。

图2是本发明实施例网络拓扑结构示意图。

图3是本发明实施例计算的以节点a为根的最短路径树的示意图。

图4是本发明实施例计算的以节点b为根的最短路径树的示意图。

图5是本发明实施例计算的以节点c为根的最短路径树的示意图。

图6是本发明实施例计算的以节点d为根的最短路径树的示意图。

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，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明，详细说明本实施例的各步骤。

图2是本发明实施例网络拓扑结构示意图，是一个包含四个节点的网络拓扑结构，每条边对应两个数值，第一个数值表示该链路对应的代价，第二个数值表示该链路的失效概率。为了方便描述，网络中节点的失效概率均为0。

步骤1，对于网络中的节点v∈V，计算以节点v为根的最短路径树spt(v)，如图3、图4、图5、图6，分别代表以节点a、节点b、节点c和节点d为根的最短路径树；

步骤2：根据步骤1构造的最短路径树，计算出所有节点对之间的最短路径；

a b

a c

a c d

b a

b a c

b d

c a

c a b

c d

d c a

d b

d c

步骤3：根据步骤2得到的节点间的最短路径，计算每个节点的介数，它们的数值如下：Bw(a)＝Bw(c)＝8，Bw(b)＝Bw(d)＝6；

步骤4：计算每个节点的关键度，它们的数值如下：C(a)＝8*0.2＝1.6，C(b)＝6*0.3＝1.8，C(c)＝8*0.4＝3.2，C(d)＝6*0.5＝3；

步骤5：根据节点关键度的大小对节点进行降序排列，并将排序后的链路存储在集合M中，M＝{c,d,b,a}；

步骤6：初始化被保护节点的集合P＝φ和路由可用性目标Ω＝0.9；

步骤7：p(a,b)＝0.9，p(a,c)＝0.9，p(a,d)＝0.9*0.7＝0.63，p(b,a)＝0.9，p(b,c)＝0.9*0.9＝0.81，p(b,d)＝0.8，p(c,a)＝0.9，p(c,b)＝0.9*0.9＝0.81，p(c,d)＝0.7，p(d,a)＝0.7*0.9＝0.63，p(d,b)＝0.8，p(d,c)＝0.7，因此路由可用性为(0.9+0.9+0.63+0.9+0.81+0.8+0.9+0.81+0.7+0.63+0.8+0.7)/12＝0.79；

步骤8：因为上述步骤7中计算出的路由可用性为0.79，我们设定的路由可用性目标为Ω＝0.9，0.79<0.9，所以此时的路由路由可用性没有到达目标要求，执行步骤9；

步骤9：从集合M中取出第一个节点c，将其从集合M中删除；

步骤10：将上述节点c加入到集合P中，此时P＝{c}；

步骤11：计算节点c的保护路径，对于节点a，因为c∈N(a)，所以执行步骤12；

步骤12：计算当链路(a,c),(c,d)和(c,a)出现故障，在新的拓扑结构中计算a到节点d的最短路径，此时的保护路径为a b d，在新的拓扑中计算a到节点c的最短路径，此时的保护路径为a b d c，执行步骤11；

步骤11：计算节点c的保护路径，对于节点b，因为

所以执行步骤13；

步骤13：计算当节点c出现故障，在新的拓扑结构中计算a到节点d的最短路径，此时的保护路径为a b d，执行步骤11；

步骤11：计算节点c的保护路径，对于节点d，因为c∈N(d)，所以执行步骤12；

步骤12：计算当链路(d,c),(c,d)和(c,a)出现故障，在新的拓扑结构中计算d到节点a的最短路径，此时的保护路径为d b a，在新的拓扑中计算d到节点c的最短路径，此时的保护路径为d b a c，执行步骤11；

步骤11：因为网络中所有节点都为节点c计算出了保护路径，所以执行步骤7；

步骤7：因为节点c被保护，所以与节点c直接相连的链路的失效概率为0；

p(a,b)＝0.9，p(a,c)＝1，p(a,d)＝1*1＝1，p(b,a)＝0.9，p(b,c)＝0.9*1＝0.9，p(b,d)＝0.8，p(c,a)＝1，p(c,b)＝1*0.9＝0.9，p(c,d)＝1，p(d,a)＝1*1＝1，p(d,b)＝0.8，p(d,c)＝1，因此，

路由可用性为(0.9+1+1+0.9+0.9+0.8+1+0.9+1+1+0.8+1)/12＝93.33％；

步骤8：因为步骤7计算出的路由可用性为93.33％，设定的路由可用性目标为Ω＝90％，93.33％>90％，所以路由可用性已经达到目标要求，则结束。

Claims (2)

1.一种基于关键节点的域内路由保护方法，包括以下步骤：

步骤1：对于网络中的节点v∈V，其中V表示网络中路由器节点的集合，计算以节点v为根的最短路径树spt(v)；

步骤2：根据步骤1计算出来的最短路径树，计算出所有节点对之间的最短路径；

步骤3：依据步骤2计算出的所有节点对之间的最短路径，根据计算节点介数的方法，计算每个节点的介数；

步骤4：根据计算网格中节点的关键度方法，计算网络中所有节点的关键度，其方法如下：对于任意的节点v∈V，节点v的关键度表示该节点在网络中的重要程度，用C(v)来表示，即：

其中Bw(v)表示节点v的介数，p(v,u)表示该链路(v,u)的失效概率，N(v)表示该节点v的邻居节点的集合；

步骤5：根据节点关键度对节点进行降序排列，并将排序后的节点存储在集合M中；

步骤6：初始化被保护节点的集合P＝φ和路由可用性目标Ω，其中φ表示空集；

步骤7：根据计算路由可用性的方法，计算路由可用性，方法如下：

路由可用性可以定义为

其中：s和d是网络中的任意两个节点；

其中：se(s,d)表示节点s到节点d的最短路径中的元素，t表示节点s到节点d的最短路径中的元素；

假设t＝(u,v)其中，p(v,u)表示链路(v,u)的失效概率，p(t)表示节点t的失效概率；

当某个节点被保护，则与该节点相连的所有链路将被保护，则有：

同样在计算k(t)时，则有：

步骤8：判断集合M是否为空并且路由可用性是否小于Ω，如果不成立，则执行步骤9，否则，则结束；

步骤9：从集合M中取出第一个节点u，将其从集合M中删除；

步骤10：将上述节点u加入到集合P中；

步骤11：计算节点u的保护路径，具体方法如下：对于节点v，以N(v)表示v的邻居节点，如果，u∈N(v)执行步骤12，否则执行步骤13；如果网络中所有节点都为节点u计算了保护路径，则执行步骤7；

步骤12：计算当链路(v,u)和节点u的所有边均出现故障时，在新拓扑上节点v到节点u和节点v到u的所有邻居节点N(u)的最短路径，执行步骤11；

步骤13：计算当节点u出现故障时，在新拓扑上计算节点x∈N(u)和节点u之间的最短路径，即节点u的所有邻居之间的最短路径，执行步骤11。

2.根据权利要求1所述的一种基于关键节点的域内路由保护方法，其特征在于：其步骤3所述的计算节点介数的方法为：

用Bw(v)表示节点v的介数，k(v)表示节点间的路径是否经过节点v，节点的介数为网络中所有最短路径经过该节点的次数，可以形式化表示为：

其中:o和d是网络中的任意两个节点，sv(o,d)表示节点o到节点d的最短路径经过的节点。

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