CN108111411A - 骨干网络及其动态路径规划系统和规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种骨干网络动态路径规划方法，该规划方法包含：根据光纤骨干网络构建基于光载波波长的分层网络拓扑；基于光载波波长的分层网络拓扑通过Bhandari算法得到源节点至目的节点的两条不相交的路径。本发明在路径发现过程中采用改进的Bhandari算法在基于光载波波长的分层网络中快速寻找到两条无交集的最优路径作为主路径与备份路径，有效避免因为链路失效带来的通信中断；节点根据自身的网络带宽需求和整个网络的资源占用情况计算出实时最优路径，并通过改进的算法在分层网络中快速查找两条互不相交的最优路径，为高速通信提供可靠路由保障，基于波分复用技术在计算物理路径的同时分配光纤中的光载波波长，算法效率高，反应速度快。

Description

骨干网络及其动态路径规划系统和规划方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种基于高速通信的骨干网络及其动态路径规划系统和动态路径规划方法。

背景技术

随着我国光纤网络经过十几年的高速发展，光纤网络的规模越来越大，各种资源也随之膨胀，同时随着许多城市的光纤网络资源的整合，在网用户越来越多，业务也越来越丰富，网络建设已趋向成熟。在这种环境背景下，作为网络运营支撑系统重要组成的光纤网络资源管理系统也随之应运而生，并发展起来，在通信行业网络管理中占据着重要的地位，成为通信运营商快速建立业务、提高光纤网络运营维护效率、实现全网集约化管理的重要手段。因此建立一个图形化的、能够提高资源利用率、优化资源配置、更加高效合理的光纤网络资源管理系统，已成为通信运营商提高自身管理水平目标的一部分。

在高速通信技术的带动下，网络带宽需求日益增加，如何合体分配固定的带宽资源成为当今网络优化的重点。现有的文献对网络资源优化进行了研究。

中国专利1(申请号CN201310482638.9)公开了一种环形网络中实现动态路径规划的方法，在环形网络中根据网络状况对通信路径进行动态重组，使得路径规划较为灵活，保证了实时性要求。、

中国专利2(申请号CN2014100677691.7)公开了一种环形网络中动态路径规划的方法，对通过对网络路径进行了进一步优化，可以工业网络特别是大规模网络实时性要求。

中国专利1和中国专利2主要用于工业环境中网络的优化，并未对高速通信网络进行设计规划。

技术文献1(邹亮，徐建闽《基于遗传算法的动态网络中最短路径问题算法[J]》.计算机应用,2005,25(4):742-744.)提出了一种以随机Dijkstra最短路径算法为基础，运用遗传算法来求解动态路径诱导系统中最短路径问题，但由于遗传算法的使用条件较为苛刻，该方法的应用范围受到限制。

中国专利3(申请号CN201310161927.9)公开了一种基于动态路径列表的无线传感器网络智能选路同步器，通过动态路径列表的建立与管理，为每个节点保存可用的待选同步路径，有效地抑制同步误差多跳累积现象，但缺少对整个网络链路的优化。

技术文献2(刘少卿，陈祖爵的《无线传感器网络多汇聚节点动态路径切换机制[J]》，计算机工程与设计,2010,31(9):1889-1892.)采用动态路径切换机制可以在不同来源产生环境下达到延长整个网络存活时间的效果，有效地降低了能耗，但是文中对带宽资源的规划未作进一步具体说明。

发明内容

本发明提供一种骨干网络及其动态路径规划系统和规划方法，避免网络拥塞，并可同时计算两条路径，当主路径失效时迅速启用备份路径缩短路由恢复时间。

为实现上述目的，本发明提供一种骨干网络动态路径规划方法，其特点是，该规划方法包含：

根据光纤骨干网络构建基于光载波波长的分层网络拓扑；

基于光载波波长的分层网络拓扑通过Bhandari算法得到源节点至目的节点的两条不相交的路径。

上述根据光纤骨干网络构建基于光载波波长的分层网络拓扑的方法包含：

光纤骨干网络包含若干节点和连接节点的光纤链路，其中各个节点周期性地向外发送自己与相邻节点的通信的带宽占用情况；

节点通过收到的带宽占用信息，建立实际网络拓扑，周期性地更新分层网络拓扑中的每条光纤链路信息；

源节点产生通信需求时，根据带宽需求，为每条光纤链路计算权重；

根据实际网络拓扑构建基于光载波波长的分层网络拓扑，分层网络拓扑分为若干层，每一层对应一个光载波波长，每层包含虚拟节点和链路；

有通信需求的源节点和目的节点在分层网络拓扑中定义虚拟源节点和虚拟目的节点，虚拟源节点和虚拟目的节点分别通过权重为0的链路连接到分层网络拓扑每一层中属于实际网络拓扑的源节点和目的节点的节点。

上述虚拟源节点通过权重为0的链路与属于源节点的所有虚拟节点相连，分层链路上每条边的权重与相应波长的可用光纤数量成反比，可用光纤越多，权重越小，反之越大；数量不满足当前通信需求时，权重设为正无穷，建立路径时不被采用。

上述基于光载波波长的分层网络拓扑通过Bhandari算法得到源节点至目的节点的两条不相交的路径的方法包含：

利用Dijkstra算法在分层网络拓扑中找到虚拟源节点至虚拟目的节点最优路径；

根据最优路径更新分层网络拓扑的权重；

根据更新权重后的分层网络拓扑，利用Bellman-Ford算法得出次优路径；

采用最优路径和次优路径构建一个新网络，若该新网络中有相同的共用链路，则删除相同的共用链路；

利用两次Dijkstra算法得出两条路径，新生成的路径即为两条不相交的路径。

上述利用Dijkstra算法在分层网络拓扑中找到虚拟源节点至虚拟目的节点最优路径的方法包含：

分层网络拓扑G中包含n个节点，有n×n的权重值矩阵W＝[w(i,j)]，1≤i,j≤n，初始化相邻矩阵W，其中w(i,j)为节点i到节点j的距离，若i到j无通路，则初始化为无穷大，若i＝j，初始化为0，有距离向量dist[i]和前驱节点向量path[i]，与起始节点V_s的相邻节点V_i有dist[i]＝w(s,i)，path[i]＝s或dist[i]＝∞，path[i]＝∞即无前驱节点；对于集合S和U，则有S＝{V_s}，U＝{V₁,V₂,…V_n}-{V_s}，即U＝V-S；其中S是搜索过的点的集合，U是S的补集；

若U中有节点，则从U中选择min{dist[k],k∈U}，将k加入到S中，即S＝S+{V_k}，U＝U-{V_k}，k指第k个节点；

更新与k直接相邻顶点j的距离值dist和路径path，有状态转移方程：

dist[j]＝min{dist[j],dist[k]+W[k][i]}

path[j]＝path[j]或k；

若U中无节点，计算结束。

上述根据最优路径更新分层网络拓扑的权重的方法包含：

在的最优路径中，找到其包含链路的物理路径，并将分层网络拓扑中所有属于这些物理链路的其他链路权重设为无穷大，即下次路径查找避免有相同的物理链路。

上述根据更新权重后的分层网络拓扑利用Bellman-Ford算法得出次优路径的方法包含：

找出分层网络中与最优路径包含的链路相反的链路；

将相反链路权重设为与其对应链路权重的相反值；

根据修改后的分层网络拓扑，利用Bellman-Ford算法计算出次优路径。

上述新生成的两条不相交的路径中，同一条路径上每条边的光载波波长或频率相同。

一种上述骨干网络动态路径规划方法的规划系统，其特点是，该规划系统包含：

分层网络拓扑构建模块，其根据骨干网络的实际网络拓扑构建基于光载波波长的分层网络拓扑，分层网络拓扑分为若干层，每一层对应一个光载波波长，每层包含虚拟节点和链路；有通信需求的源节点和目的节点在分层网络拓扑中定义虚拟源节点和虚拟目的节点，每条链路根据带宽需求设定权重；

最优路径选取模块，其利用Dijkstra算法在分层网络拓扑中找到虚拟源节点至虚拟目的节点最优路径；

权重更新模块，其根据最优路径所对应的物理路径所有包含的分层网络拓扑的链路更权重更新为无穷大；

次优路径选取模块，其根据更新权重后的分层网络拓扑，利用Bellman-Ford算法得出次优路径；

网络构建模块，其采用最优路径和次优路径构建一个新网络，若该新网络中有相同的共用链路，则删除相同的共用链路；

路径生成模块，其利用两次Dijkstra算法得出两条路径，新生成的路径即为两条不相交的路径。

一种上述骨干网络动态路径规划方法的光纤骨干网络，其特点是，该网络分为核心层、汇聚层和接入层，每层网络包含节点和连接节点的光纤链路；节点包含服务器、路由器和网关，网关和服务器间的数据通过路由器进行转发；光纤链路由若干光纤组成；节点通过光纤链路组成网状网络拓扑；

上述光纤链路采用波分复用技术，每根光纤可支持若干个通信载波波长，每个波长的通信速率约为10Gbps。

本发明骨干网络及其动态路径规划系统和规划方法和现有技术相比，其优点在于，本发明在路径发现过程中采用改进的Bhandari算法在基于光载波波长的分层网络中快速寻找到两条无交集的最优路径作为主路径与备份路径，有效避免因为链路失效带来的通信中断；

本发明节点根据自身的网络带宽需求和整个网络的资源占用情况计算出实时最优路径，并通过改进的算法在分层网络中快速查找两条互不相交的最优路径，为高速通信提供可靠路由保障，基于波分复用技术在计算物理路径的同时分配光纤中的光载波波长，算法效率高，反应速度快。

附图说明

图1为光纤骨干网络拓扑结构图；

图2为本发明骨干网络动态路径规划方法的方法流程图；

图3为根据光纤骨干网络构建分层网络拓扑的结构图

图4为通过Bhandari算法得到源节点至目的节点的两条不相交的路径的流程图。

具体实施方式

以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。

如图1所示，为一种光纤骨干网络实施例的拓扑结构，该光纤骨干网络主要被分为：核心层、汇聚层和接入层三层，核心层节点间应该具备光缆物理路由多、距离短、敷设方式安全等特点，这是为了符合可靠性和安全性的要求。

本发明公开的骨干网络动态路径规划方法的方法主要针对光纤网络骨干网中路由机制，本光纤骨干网络实施例中网络拓扑采用网状结构，每层网络包含节点和连接节点的光纤链路，网络中节点主要包括服务器、网关、路由器，网关和服务器间的数据通过路由器进行转发。其中，通信需求及通信带宽主要产生在服务器及网关节点间，路由设备只负责转发数据。

光纤链路由若干光纤组成，本实施例中光纤链路为双向光缆链路，即为对称链路，每条光缆包含包含多条光纤，采用波分复用技术使每条光纤可同时传输多个波长(频率)的光载波通信，每个波长的通信速率约为10Gbps，光载波数量越多，传输带宽越大。

如图2所示，公开了一种骨干网络动态路径规划方法，该规划方法可适用于上述光纤骨干网络。根据骨干网中各节点的状态信息，包含产生的流量模型、网络中光纤链路的带宽占用情况等，利用改进的Bhandari路径选择算法，动态地计算到目的节点的两条互不相交的的通信路径，该方法通过动态调节路径避免网络拥塞，并可同时计算两条路径，当主路径失效时迅速启用备份路径缩短路由恢复时间。具体该骨干网络动态路径规划方法具体包含以下步骤：

S1、根据光纤骨干网络构建基于光载波波长的分层网络拓扑。

S1.1、光纤骨干网络包含若干节点和连接节点的光纤链路，其中各个节点周期性地向外发送自己与相邻节点的通信的带宽占用情况。其中，带宽占用信息为所有光纤中波长的占用情况，通过可用波长数量计算出可用带宽。

S1.2、节点通过收到的带宽占用信息，建立整个实际网络拓扑(即物理网络拓扑)，周期性地更新分层网络拓扑中的每条光纤链路信息。

S1.3、源节点产生通信需求时，根据带宽需求，为每条光纤链路计算权重。

S1.4、根据实际网络拓扑构建基于光载波波长的分层网络拓扑(即虚拟网络拓扑)，分层拓扑为有向图，即分层拓扑根据波长数量分成相应的若干层数，每一层对应一个光载波波长，每层包含虚拟节点和链路。

S1.5、有通信需求的源节点和目的节点在分层网络拓扑中定义虚拟源节点和虚拟目的节点，虚拟源节点和虚拟目的节点分别通过权重为0的链路连接到分层网络拓扑每一层中属于实际网络拓扑的源节点和目的节点的节点。

其中，虚拟源节点通过权重为0的链路与属于源节点的所有虚拟节点相连，分层链路上每条边的权重与相应波长的可用光纤数量成反比，可用光纤越多，权重越小，反之越大；数量不满足当前通信需求时，权重设为正无穷，建立路径时不被采用。

如图3所示，为光纤骨干网络构建分层网络拓扑的一种实施例，由于采用波分复用技术，数据通过光载波进行传输，同一链路可支持多个波长同时传输，所以在路径选择时不仅要选择物理路径，还要选择相应的光载波波长，针对于不采用光交换技术的网络，同一路径的每个链路必须采用同一波长的光载波，现有的路径优化算法只关注物理路径，由于光网络的复杂性，本方法采用构建虚拟网络拓扑的方法将物理网络根据光载波波长进行分层，在分层后的虚拟网络拓扑中采用本方法寻找两条互不相交的最优路径，保证高速通信的可靠性。

图3中网络每一层都代表同一个光载波波长，层中的每一个节点都代表其所在的物理节点，有通信需求的源节点与目的节点建立相应的虚拟节点，并通过权重为0的链路连接到每一层属于其物理节点的节点。

图3中链路的权重由通信带宽需求决定，并与可利用的光纤数量呈反比，当链路中可用带宽不满足通信需求时，权重为无穷大，即路径发现时不考虑此链路，权重为0的链路对本方法无影响，本方法最终选出权重最小的路径。

S2、基于光载波波长的分层网络拓扑通过Bhandari算法得到源节点至目的节点的两条不相交的路径。

S2.1、利用Dijkstra算法在分层网络拓扑中找到虚拟源节点至虚拟目的节点权重最小的最优路径。

分层网络拓扑G中包含n个节点，有n×n的权重值矩阵W＝[w(i,j)]，1≤i,j≤n，初始化相邻矩阵W，其中w(i,j)为节点i到节点j的距离，若i到j无通路，则初始化为无穷大，若i＝j，初始化为0，有距离向量dist[i]和前驱节点向量path[i]，与起始节点V_s的相邻节点V_i有dist[i]＝w(s,i)，path[i]＝s或dist[i]＝∞，path[i]＝∞即无前驱节点；对于集合S和U，则有S＝{V_s}，U＝{V₁,V₂,…V_n}-{V_s}，即U＝V-S；其中S是搜索过的点的集合，U是S的补集；

若U中有节点，则从U中选择min{dist[k],k∈U}，将k加入到S中，即S＝S+{V_k}，U＝U-{V_k}，k指第k个节点；

更新与k直接相邻顶点j的距离值dist和path，有状态转移方程：

dist[j]＝min{dist[j],dist[k]+W[k][i]}

path[j]＝path[j]或k；

若U中无节点，计算结束。

S2.2、根据最优路径更新分层网络拓扑的权重。

在的最优路径中，找到其包含链路的物理路径，并将分层网络拓扑中所有属于这些物理链路的其他链路权重设为无穷大，即下次路径查找避免有相同的物理链路。

S2.3、根据更新权重后的分层网络拓扑，利用Bellman-Ford算法得出次优路径。找出分层网络中与最优路径包含的链路相反的链路；将相反链路权重设为与其对应链路权重的相反值；根据修改后的分层网络拓扑，利用Bellman-Ford算法计算出次优路径。

S2.4、采用最优路径和次优路径构建一个新网络，若该新网络中有相同的共用链路，则删除相同的共用链路。

S2.5、利用两次Dijkstra算法得出两条路径，新生成的路径即为两条不相交的路径，满足可靠通信要求。新生成的两条不相交的路径中，同一条路径上每条边的光载波波长或频率相同。

本发明还公开了一种上述骨干网络动态路径规划方法的规划系统，该规划系统包含：分层网络拓扑构建模块、连接分层网络拓扑构建模块输出端的最优路径选取模块、连接最优路径选取模块输出端的权重更新模块、连接权重更新模块输出端的次优路径选取模块、连接次优路径选取模块输出端的网络构建模块和连接网络构建模块输出端的路径生成模块。

分层网络拓扑构建模块根据骨干网络的实际网络拓扑构建基于光载波波长的分层网络拓扑，分层网络拓扑分为若干层，每一层对应一个光载波波长，每层包含虚拟节点和链路；有通信需求的源节点和目的节点在分层网络拓扑中定义虚拟源节点和虚拟目的节点，每条链路根据带宽需求设定权重。

最优路径选取模块利用Dijkstra算法在分层网络拓扑中找到虚拟源节点至虚拟目的节点最优路径。

权重更新模块根据最优路径所对应的物理路径所有包含的分层网络拓扑的链路更权重更新为无穷大。

次优路径选取模块根据更新权重后的分层网络拓扑，利用Bellman-Ford算法得出次优路径。

网络构建模块采用最优路径和次优路径构建一个新网络，若该新网络中有相同的共用链路，则删除相同的共用链路。

路径生成模块利用两次Dijkstra算法得出两条路径，新生成的路径即为两条不相交的路径。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种骨干网络动态路径规划方法，其特征在于，该规划方法包含：

根据骨干网络构建基于光载波波长的分层网络拓扑；

基于光载波波长的分层网络拓扑通过Bhandari算法得到源节点至目的节点的两条不相交的路径。

2.如权利要求1所述的骨干网络动态路径规划方法，其特征在于，所述根据光纤骨干网络构建基于光载波波长的分层网络拓扑的方法包含：

骨干网络包含若干节点和连接节点的光纤链路，其中各个节点周期性地向外发送自己与相邻节点的通信的带宽占用情况；

节点通过收到的带宽占用信息，建立实际网络拓扑，周期性地更新分层网络拓扑中的每条光纤链路信息；

源节点产生通信需求时，根据带宽需求，为每条光纤链路计算权重；

根据实际网络拓扑构建基于光载波波长的分层网络拓扑，分层网络拓扑分为若干层，每一层对应一个光载波波长，每层包含虚拟节点和链路；

有通信需求的源节点和目的节点在分层网络拓扑中定义虚拟源节点和虚拟目的节点，虚拟源节点和虚拟目的节点分别通过权重为0的链路连接到分层网络拓扑每一层中属于实际网络拓扑的源节点和目的节点的节点。

3.如权利要求2所述的骨干网络动态路径规划方法，其特征在于，所述虚拟源节点通过权重为0的链路与属于源节点的所有虚拟节点相连，分层链路上每条边的权重与相应波长的可用光纤数量成反比，可用光纤越多，权重越小，反之越大；数量不满足当前通信需求时，权重设为正无穷，建立路径时不被采用。

4.如权利要求1所述的骨干网络动态路径规划方法，其特征在于，所述基于光载波波长的分层网络拓扑通过Bhandari算法得到源节点至目的节点的两条不相交的路径的方法包含：

利用Dijkstra算法在分层网络拓扑中找到虚拟源节点至虚拟目的节点最优路径；

根据最优路径更新分层网络拓扑的权重；

根据更新权重后的分层网络拓扑，利用Bellman-Ford算法得出次优路径；

采用最优路径和次优路径构建一个新网络，若该新网络中有相同的共用链路，则删除相同的共用链路；

利用两次Dijkstra算法得出两条路径，新生成的路径即为两条不相交的路径。

5.如权利要求4所述的骨干网络动态路径规划方法，其特征在于，所述利用Dijkstra算法在分层网络拓扑中找到虚拟源节点至虚拟目的节点最优路径的方法包含：

分层网络拓扑G中包含n个节点，有n×n的权重值矩阵W＝[w(i,j)]，1≤i,j≤n，初始化相邻矩阵W，其中w(i,j)为节点i到节点j的距离，若i到j无通路，则初始化为无穷大，若i＝j，初始化为0，有距离向量dist[i]和前驱节点向量path[i]，与起始节点V_s的相邻节点V_i有dist[i]＝w(s,i)，path[i]＝s或dist[i]＝∞，path[i]＝∞即无前驱节点；对于集合S和U，则有S＝{V_s}，U＝{V₁,V₂,…V_n}-{V_s}，即U＝V-S；其中S是搜索过的点的集合，U是S的补集；

若U中有节点，则从U中选择min{dist[k],k∈U}，将k加入到S中，即S＝S+{V_k}，U＝U-{V_k}，k指第k个节点；

更新与k直接相邻顶点j的距离值dist和路径path，有状态转移方程：

dist[j]＝min{dist[j],dist[k]+W[k][i]}

path[j]＝path[j]或k；

若U中无节点，计算结束。

6.如权利要求4所述的骨干网络动态路径规划方法，其特征在于，所述根据最优路径更新分层网络拓扑的权重的方法包含：

在的最优路径中，找到其包含链路的物理路径，并将分层网络拓扑中所有属于这些物理链路的其他链路权重设为无穷大，即下次路径查找避免有相同的物理链路。

7.如权利要求4所述的骨干网络动态路径规划方法，其特征在于，所述根据更新权重后的分层网络拓扑利用Bellman-Ford算法得出次优路径的方法包含：

找出分层网络中与最优路径包含的链路相反的链路；

将相反链路权重设为与其对应链路权重的相反值；

根据修改后的分层网络拓扑，利用Bellman-Ford算法计算出次优路径。

8.如权利要求1所述的骨干网络动态路径规划方法，其特征在于，所述新生成的两条不相交的路径中，同一条路径上每条边的光载波波长或频率相同。

9.一种适用于权利要求1至8中任意一项权利要求所述骨干网络动态路径规划方法的规划系统，其特征在于，该规划系统包含：

分层网络拓扑构建模块，其根据骨干网络的实际网络拓扑构建基于光载波波长的分层网络拓扑，分层网络拓扑分为若干层，每一层对应一个光载波波长，每层包含虚拟节点和链路；有通信需求的源节点和目的节点在分层网络拓扑中定义虚拟源节点和虚拟目的节点，每条链路根据带宽需求设定权重；

最优路径选取模块，其利用Dijkstra算法在分层网络拓扑中找到虚拟源节点至虚拟目的节点最优路径；

权重更新模块，其根据最优路径所对应的物理路径所有包含的分层网络拓扑的链路更权重更新为无穷大；

次优路径选取模块，其根据更新权重后的分层网络拓扑，利用Bellman-Ford算法得出次优路径；

网络构建模块，其采用最优路径和次优路径构建一个新网络，若该新网络中有相同的共用链路，则删除相同的共用链路；

路径生成模块，其利用两次Dijkstra算法得出两条路径，新生成的路径即为两条不相交的路径。

10.一种适用于权利要求1至8中任意一项权利要求所述骨干网络动态路径规划方法的光纤骨干网络，其特征在于，该网络分为核心层、汇聚层和接入层，每层网络包含节点和连接节点的光纤链路；节点包含服务器、路由器和网关，网关和服务器间的数据通过路由器进行转发；光纤链路由若干光纤组成；节点通过光纤链路组成网状网络拓扑；

所述光纤链路采用波分复用技术，每根光纤可支持若干个通信载波波长，每个波长的通信速率约为10Gbps。