CN109617800A - 一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法，其包括以下步骤：S1.确定生成子立方体SC；生成子立方体SC指的是在源节点和目的节点之间且包含这两点的最小的子立方体；S2.判定子立方体SC的局部安全信息；根据故障节点的安全级别判定其所在的子立方体SC的局部安全信息；S3.寻找最短可行路径；根据子立方体SC安全状态判断两者之间是否存在最短可行路径；当存在最短可行路径，则计算出最短可行路径的跳数；S4.确定容错安全路由；根据源节点和目的节点之间的海明距离计算出最短可行路径的跳数，并确定一条最高效的容错安全路由。本发明具有出色的通信性能以及良好的容错能力。

Description

一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法

技术领域

本发明涉及数据中心网络安全领域，尤其涉及一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法。

背景技术

随着如游戏、电子邮件、云存储和基础设施服务等在线服务日益流行，许多大型数据中心也投入建设，而由于数据中心网络(DCNs)中服务器数量的增加，服务器故障可能成为常见现象。在数据中心网络中，通常可靠的数据传输是以任意故障服务器集的条件为基础的。容错安全路由是指当网络系统中存在一定数量的故障节点时，运用节点安全级的概念仍可以找到一条高效传输的路由。它不仅是在网络中的一个重要应用，而随着互联网络的发展，网络环境的日益复杂，在这些网络环境下的容错安全路由愈发的重要，也被越来越多的研究着。目前对数据中心网络的研究大多是基于由Guo等人提出的DCell模型。

与DCell模型相比，平衡超立方体(BHn)作为标准超立方体的一个变形于1997年被Wu等人提出，它具有强连通性、正则性和直径小的优良性质，可以处理合理的消息流量，并提供一定程度的容错性。此外，基于平衡超立方体模型的数据中心网络非常适合于当今越来越复杂的网络结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法,本发明的平衡超立方体网络的拓扑结构可以支持数以百万计的服务器，具有出色的通信性能，并提供良好的容错能力。该方法给出的基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由算法更有效率。

本发明采用的技术方案是：

一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法，其包括以下步骤：

S1确定生成子立方SC。对于任意一个故障的平衡超立方体，生成子立方体SC(s,d)(spanning subcube)指的是在源节点s和目的节点d之间且包含这两点的最小的子立方体；

S2判定生成子立方体SC的局部安全信息。根据故障节点的安全级别判定其所在的生成子立方体的局部安全信息；

S3寻找最短可行路径。根据生成子立方SC(s,d)安全状态判断两者之间是否存在最短可行路径，当包含源节点s和目的节点d的子立方是局部安全的，则总能够找到最短可行路径，且其最短可行路径的跳数为源节点到目的节点之间的海明距离与中继邻居节点个数之和

S4确定容错安全路由。判断存在最短可行路径之后，根据源节点s和目的节点d之间的海明距离计算出最短可行路径的跳数，在基于平衡超立方体的数据中心网络中把这条最短可行路径确定为最高效的容错安全路由。

步骤S2的具体步骤为：

S201.如果一个SC内部至少有两个故障邻点或至少三个局部不安全或有故障的邻点，则其中的任意一个节点在这个超立方体中是局部不安全的，否则，它在SC中是局部安全的。如果子立方体不包含局部安全节点，则它是完全不安全的，否则，它是一个安全的子立方体；

S202.局部不安全节点可以根据子立方体SC分为如下几类：如果一个局部不安全节点在SC中至少有一个局部安全邻点(locally level-0unsafe)，称为locally level-1unsafe，否则，它是locally level-2unsafe节点；

S203.如果一个m-维子立方体是安全的，且它包含k(k≥m+1)维的子立方体是完全不安全的，则称这个m-维子立方体为最大安全子立方体(maximal safe subcube)。

歩骤S3中寻找最短可行路径的具体方法为：

S301.在一个故障的完全不安全的BH_n中，源节点s或者目的节点d是局部安全的，在其生成子立方SC(s,d)中总存在一条从s到d的最短可行路径，其中

S302.在一个故障的完全不安全的BH_n中，假设生成子立方是安全的，源节点s和目的节点d都是SC(s,d)中的局部不安全节点，仍存在一条从s到d的最短可行路径；

S303.在一个故障的完全不安全的BH_n中，假设生成子立方是不安全的，仍存在一条从源节点s到目的节点d的最短可行路径。

本发明的有益效果在于：研究了平衡超立方体这种性质优良且适合数据中心网络的网络拓扑结构；利用节点的安全级别判断生成子立方的局部安全信息；找到源节点到目的节点的最短可行容错路由；本发明的平衡超立方体网络的拓扑结构可以支持数以百万计的服务器，具有出色的通信性能，并提供良好的容错能力。该方法给出的基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由算法更有效率，具有较好的应用和推广作用。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法的流程示意图；

图2为本发明所用的网络拓扑结构平衡超立方体1-维(BH₁)和2-维(BH₂)结构图；

图3为本发明BH₂中节点的安全级别及其局部安全信息；

图4为本发明完全不安全的故障BH_n中，源节点或目的节点局部安全时存在最短可行路径的示意图；

图5为本发明完全不安全的故障BH_n中，生成子立方不安全时存在最短可行路径的示意图；

图6为本发明中非最短可行路径的路由示意图。

具体实施方式

如图1-6之一所示，本发明公开了一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法。在数据中心网络中，随着服务器数量的增加，服务器故障可能成为常见现象。以平衡超立方体为拓扑结构的数据中心网络中，将服务器对应成节点，将服务器之间的通信连接对应成节点之间的边，服务器的故障程度对应节点的好坏程度。在允许一定数量故障服务器存在的前提下，仍能保证数据信息的正常传输对于维护数据中心网络的高效稳定地运作有着十分重要的意义。这个问题被称为容错路由问题。据我们所知，在数据中心网络中，广为研究的拓扑结构是DCell结构，而对于运用安全级来进行容错路由的方法也是很少被关注的。下面提出本发明的拓扑结构。

一个n维平衡超立方体包含2²ⁿ个点(a₀,···,a_i-1,a_i,···,a_n-1)，其中a_i∈{0,1,2,3}(0≤i≤n-1)。对于BH_n中任意一个点v＝(a₀,···,a_i-1,a_i,···,a_n-1)，有如下2n个邻点。

((a₀+1)mod4,···,a_i-1,a_i,a_i+1,···,a_n-1),

((a₀-1)mod4,···,a_i-1,a_i,a_i+1,···,a_n-1),

((a₀+1)mod4,···,a_i-1,(a_i+(-1)^a0)mod4,a_i+1,···,a_n-1),

((a₀-1)mod4,···,a_i-1,(a_i+(-1)^a0)mod4,a_i+1,···,a_n-1)。

在本发明中，我们根据节点的邻居的故障程度把节点分为四个等级。定义如果一个正常节点至少有两个故障或不安全邻节点为不安全(unsafe)节点，则一个安全的节点称为level-0unsafe，一个至少有一个安全邻点的不安全节点称为level-1unsafe，一个没有安全邻点的不安全节点称为level-2unsafe，一个故障的节点称为level-3unsafe。

本发明提出的一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错路由方法。为了实现这个目标，依据我们定义的节点的安全级别，判定包含源节点和目的节点的生成子立方的局部安全状态，然后在生成子立方中找到能够传送信息的最短可行路径，最后确定源节点到目的节点的容错安全路由并计算出其路由长度。

如图1所示的流程图：本发明公开了一种基于平衡超立方体的数据中心网络安全路由方法，其包括以下步骤：

S1确定生成子立方SC如图3所示。对于任意一个故障的平衡超立方体，生成子立方体SC(s,d)(spanning subcube)指的是在源节点s和目的节点d之间且包含这两点的最小的子立方体；

S2判定生成子立方体SC的局部安全信息如图4所示。根据故障节点的安全级别判定其所在的生成子立方体的局部安全信息；

S3寻找最短可行路径如图5所示。根据生成子立方SC(s,d)安全状态判断两者之间是否存在最短可行路径，若存在则计算出最短可行路径的跳数；

S4确定容错安全路由如图6所示。判断存在最短可行路径之后，根据源节点s和目的节点d之间的海明距离计算出最短可行路径的跳数，于是在基于平衡超立方体的数据中心网络中确定一条最高效的容错安全路由。

步骤S2的具体步骤为：

S201.如果一个SC内部至少有两个故障邻点或至少三个局部不安全或有故障的邻点，则其中的任意一个节点在这个超立方体中是局部不安全的，否则，它在SC中是局部安全的。如果子立方体不包含局部安全节点，则它是完全不安全的，否则，它是一个安全的子立方体；

S202.局部不安全节点可以根据子立方体SC分为如下几类：如果一个局部不安全节点在SC中至少有一个局部安全邻点(locally level-0unsafe)，称为locally level-1unsafe，否则，它是locally level-2unsafe节点；

S203.如果一个m-维子立方体是安全的，且它包含k(k≥m+1)维的子立方体是完全不安全的，则称这个m-维子立方体为最大安全子立方体(maximal safe subcube)。

歩骤S3中寻找最短可行路径的具体方法为：

S301.在一个故障的完全不安全的BH_n中，源节点s或者目的节点d是局部安全的，在其生成子立方SC(s,d)中总存在一条从s到d的最短可行路径，其中

S302.在一个故障的完全不安全的BH_n中，假设生成子立方是安全的，源节点s和目的节点d都是SC(s,d)中的局部不安全节点，仍存在一条从s到d的最短可行路径；

S303.在一个故障的完全不安全的BH_n中，假设生成子立方是不安全的，仍存在一条从源节点s到目的节点d的最短可行路径。

本发明采用以上技术方案，在数据中心网络中，采用平衡超立方体(BH_n)为拓扑结构，给出每个节点的安全级别，在包含源节点和目的节点的生成子立方体，根据节点的安全信息判断生成子立方体的安全信息，并找到最短可行路径。本发明的有益效果在于：1、研究了平衡超立方体这种性质优良且适合数据中心网络的网络拓扑结构；2、利用节点的安全级别判断生成子立方的局部安全信息；3、找到源节点到目的节点的最短可行容错路由；4、通过分析表明，平衡超立方体网络中容错的安全路由更有效率。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1，确定生成子立方体SC；对于任意一个故障的平衡超立方体，生成子立方体SC指的是在源节点s和目的节点d之间且包含这两点的最小的子立方体；

S2，判定子立方体SC的局部安全信息；根据故障节点的安全级别判定其所在的子立方体SC的局部安全信息；

S3，寻找最短可行路径；根据子立方体SC安全状态判断两者之间是否存在最短可行路径；当包含源节点s和目的节点d的子立方是局部安全的，则总能够找到最短可行路径，且其最短可行路径的跳数为源节点到目的节点之间的海明距离与中继邻居节点个数之和；

S4，确定容错安全路由；根据源节点s和目的节点d之间的海明距离计算出最短可行路径的跳数，在基于平衡超立方体的数据中心网络中把这条最短可行路径确定为最高效的容错安全路由。

2.根据权利要求1所述的一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法，其特征在于：步骤S2的具体步骤为：

S201，当一个子立方体SC内部至少有两个故障邻点或至少三个局部不安全或有故障的邻点，则其中的任意一个节点在这个超立方体中是局部不安全的；否则，它在子立方体SC中是局部安全的；当子立方体SC不包含局部安全节点，则它是完全不安全的；否则，它是一个安全的子立方体；

S202，当一个局部不安全节点在子立方体SC中至少有一个局部安全邻点locallylevel-0unsafe，称为locally level-1unsafe节点；否则，它是locally level-2unsafe节点；

S203，当一个m-维子立方体是安全的且包含k(k≥m+1)维的子立方体是完全不安全的，则称这个m-维子立方体为最大安全子立方体。

3.根据权利要求1所述的一种基于平衡超立方体的数据中心网络容错安全路由方法，其特征在于：步骤3中寻找最短可行路径的具体方法为：

S301，在一个故障的完全不安全的平衡超立方体BH_n中，源节点s或者目的节点d是局部安全的，在其生成子立方中总存在一条从s到d的最短可行路径，其中

S302，在一个故障的完全不安全的平衡超立方体BH_n中，假设生成子立方是安全的，源节点s和目的节点d都是子立方体SC中的局部不安全节点，仍存在一条从s到d的最短可行路径；

S303，在一个故障的完全不安全的平衡超立方体BH_n中，假设生成子立方是不安全的，仍存在一条从源节点s到目的节点d的最短可行路径。