CN109639575A - 基于链路拥塞系数的路由规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于链路拥塞系数的路由规划方法，其步骤：确定网络拓扑信息及业务信息；根据网络拓扑信息及业务信息计算所有链路的拥塞系数；接受新业务请求信息，根据k‑shortest paths算法求出从新业务起始节点到目的节点的K条路径作为备选路径；综合考虑路径的链路拥塞系数之和及路径长度确定目标路径。本发明的路由方法在选取路径时，考虑了网络中数据流之间普遍存在的耦合性，实现了减少新增数据流对网络中已有数据流的影响。特别是在网络拥塞时，该方法可以保证网络QoS稳定性，有效地均衡负载并提高网络资源利用率。

Description

基于链路拥塞系数的路由规划方法

技术领域

本发明涉及通信网络中的路由规划方法，属于通信技术领域。

背景技术

随着互联网的快速发展，用户的带宽需求明显上升。考虑到网络资源的部署成本和相应的服务收入，仅通过增加网络容量来满足不断增长的用户带宽传输需求并不是一个可行的解决方案。即使在一个带宽资源充足的网络中，用户需求的不确定性和突发性也会导致网络拥塞。此外，有限的网络资源以及网络中的数据传输规则导致服务质量(QoS)在链路和节点处存在局部关联性。而数据流本身的端到端连续性和一致性，使得这种本地关联性会通过网络节点和链路影响到其他数据流，最终在整个网络中形成数据流的全局关联性。因为网络全局关联性的存在，网络中的流量突发，新增和终止产生的影响将在整个网络中传播，并导致QoS的不断波动甚至网络性能的恶化。

考虑到网络拥塞以及在网络拥塞情况下普遍存在的数据流关联性，而当前的路由方法尚未考虑到该关联性，因而在网络拥塞时传统的路由算法不能提供满足用户需求的路由方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于链路拥塞系数的路由规划方法，以解决传统路由算法在网络拥塞时没有考虑流关联性的技术问题。流之间的关联性导致新的数据流加入网络时会对网络整体产生影响。路由规划的目标就是寻找一条路径使得加入新的数据流时对整体网络产生的影响最小并尽量减少占用的网络资源。

本发明所述路由规划方法，包括以下步骤：

步骤1：获取网络拓扑及网络中已有业务的业务信息，至少包括业务需求带宽、服务优先级、以及业务经过的路径信息；

步骤2：根据网络拓扑以及所有业务信息计算所有链路的链路拥塞系数；根据网络拓扑求出网络对应的通信代价矩阵；

步骤3：接收新业务请求信息，其中，新业务请求信息至少包括源节点、目的节点、业务需求带宽、服务优先级；根据K最短路径算法求出从新业务请求起始节点到目的节点的K条最短路径作为备选路径；

步骤4：在所求出的K条备选路径中计算每条备选路径的路径拥塞系数，其值为该路径中链路拥塞系数之和；将路径拥塞系数最小的路径确定为目标路径，完成本次路由；优先地，若存在多条路径其拥塞系数相同，则选其中最短的路径作为目标路径。

所述步骤1还包括以下步骤：

步骤1-1：网络拓扑用一个无向连通图G(V,E)来表示，其中V是网络节点的集合，E是网络链路的集合；假设网络有n个节点，m条链路，则G对应的邻接矩阵B＝[b_ij]包含n行n列，b_ij定义如下：若第i个节点和第j个节点之间存在链路，则b_ij值为连接i、j节点链路的代价量度，否则b_ij取值为0；邻接矩阵对角线上元素约定取值为0。

所述步骤2还包括以下步骤：

步骤2-1：用矩阵S＝[s_ij]记录网络中所有链路的拥塞系数，其中s_ij定义如下：若第i个节点和第j个节点之间存在链路，则s_ij值为求出的链路拥塞系数，否则s_ij取值为0；链路拥塞系数反映网络链路的拥塞程度，至少由数据流需求带宽、实际传输带宽、服务优先级确定。

步骤2-2：设置网络对应的通信代价矩阵W＝[w_ij],其中w_ij的定义如下：w_ij＝1/b_ij；通信代价矩阵用于选取备选路径。

所述步骤3还包括以下步骤：

步骤3-1：接受新业务请求信息，根据步骤2-2中求得的通信代价矩阵W，通过K最短路径算法，计算从业务起始节点到目的节点的最短的K条路径作为备选路径加入集合PS。

所述步骤4还包括以下步骤：

步骤4-2：本次业务完成路由后，更新链路拥塞系数矩阵S中数据；等待接收下一次业务请求；如果收到新的业务请求，则重复步骤3和步骤4。

附图说明

为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显然地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得的更多的附图。

图1是本发明一个实施例提供的一种面向拥塞网络路由规划方法的流程图。

图2是本发明一个实施例提供的一种面向拥塞网络路由规划方法的详细流程图。

图3是本发明一个实施例提供的一个网络拓扑的无向连通示意图。

图4是本发明一个实施例提供的不同路由规划方法下多次随机选取源、目的节点进行路由，网络中原有业务的吞吐量变化率的对比图。

图5是本发明一个实施例提供的不同路由规划方法下多次随机选取源、目的节点进行路由，得到的当前业务传输带宽与需求带宽之比对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明提供一种基于链路拥塞系数的路由规划方法，包括以下步骤：

(1)获取网络拓扑及网络中已有业务的相关信息，至少包括业务需求带宽、服务优先级、以及业务经过的路径信息；

其中，用邻接矩阵表示网络拓扑中节点之间的连接关系。对如图2所示一个16节点的无向网络连通图，可以用一个16×16的矩阵B＝[b_ij]表示图中节点连接关系：若第i个节点和第j个节点之间存在链路，则b_ij值为连接i、j节点链路的代价量度，否则b_ij取值为0；邻接矩阵对角线上元素约定取值为0。本实施例中，简单起见，所有链路传输容量取值为1，若节点i与节点j相连，则b_ij取值为1，若无连接关系则取值为0。建立图2对应的邻接矩阵为：

当然，b_ij也可以设置为与通信代价相关的其它数值，比如可以综合考虑链路的长度、成本、容量等因素的一个数值。

(2)根据网络拓扑以及所有业务信息计算所有链路的拥塞系数；根据网络拓扑求出网络对应的通信代价矩阵；

当一条数据流加入剩余带宽充足的链路上时，它不会抢占已有业务的传输带宽，也就不会对原业务产生太多影响。反之，当加入到没有空闲带宽的链路上时，就会和链路上原有业务产生竞争，影响原有业务。因而在路由时，我们考虑要尽量避免过度拥塞的链路，减少路由对网络的影响。

(201)根据网络中每条链路上承载的业务情况来衡量链路的拥塞状态，即链路拥塞系数。不妨假设有N条数据流通过一条链路，D表示业务需求带宽，E为相应的服务优先级参数，C为该链路最大传输带宽。链路的拥塞系数应综合考虑了链路最大传输带宽、链路所承载业务的优先级和需求带宽，本实施例中连接节点i和节点j的链路拥塞系数U_i,j定义如下：

需要注意的是,上述链路拥塞系数可以采用其它定义方法,只要能够反映链路中的拥挤状态且符合网络维护和管理目标即可。以上定义只在业务的需求带宽之和大于链路传输带宽时才有意义；如果没有发生拥塞，则定义链路拥塞系数为0。

依据所有业务情况，遍历网络的所有链路，计算所有链路的链路拥塞系数并记录在链路拥塞系数矩阵S＝[s_ij]中。其中s_ij定义如下：若第i个节点和第j个节点之间存在链路，则s_ij值为根据上述链路拥塞系数定义求出的值，否则s_ij取值为0。

本实施例中，在图2所示网络加入100条随机数据流，数据流的需求带宽在0至1之间均匀分布，服务优先级数值在4至5之间均匀分布,源、目的节点随机取值。在一次仿真中，求得的链路拥塞矩阵S如下：

(202)通信代价矩阵W中元素的值设置为邻接矩阵对应位置元素的倒数，即W＝[w_ij],其中w_ij的定义如下：w_ij＝1/b_ij。

(3)接受新业务请求信息(至少含有源节点、目的节点、业务需求带宽、服务优先级)，根据通信代价矩阵W，通过k-shortest paths算法求出从业务起始节点到目的节点的最短K条路径作为备选路径；

(301)接受新业务请求信息，本实施例中新业务的起始、目的节点分别为节点2和节点10。结合通信代价矩阵W，根据k-shortest paths算法求出从业务起始节点到目的节点的最短K(K＝10)条路径作为备选路径加入集合PS。

(4)在所求出的K条备选路径中计算每条路径拥塞系数，其值为该路径所经过链路的链路拥塞系数之和。将路径拥塞系数最小的路径确定为目标路径，完成本次路由。优先地，若存在多条路径的路径拥塞系数相同，则选其中最短的路径作为目标路径。

为实现更高的网络资源利用率并且实现路由对网络影响最小的目标，我们优先考虑路径长度较短的链路。因而取K最短路径作为备选路径，然后考虑在备选路径中路由对网络产生的影响。实际应用中，K的取值需要结合网络拓扑的大小、复杂程度来考虑。在本实施例中，经过多次试验发现，K的值选为10左右时效果较好，因此K取值为10。

相关处理具体包括以下步骤：

(401)遍历备选路径集合PS，并根据链路拥塞系数矩阵S计算每一条备选路径的路径拥塞系数，其值为该路径所经过链路的链路拥塞系数之和；并根据路径拥塞系数之及路径长度对路径进行排序。例如路径为节点i->节点j->节点k，则该路径的路径拥塞系数为s_ij+s_jk。本实施例中，10条备选路径信息如表1所示：

表1：10条备选路径

备选路径序号	路径信息	路径拥塞系数
			1	[2,6,10]	2.0374
2	[2,12,6,10]	0.6685
			3	[2,6,8,10]	1.3690
4	[2,3,8,10]	1.3055
			5	[2,4,8,10]	0.2275
6	[2,12,3,8,10]	1.3116
			7	[2,12,6,8,10]	0
8	[2,6,15,11,10]	2.0643
			9	[2,6,8,11,10]	3.1304
10	[2,3,12,6,10]	0.6790

表中，路径的具体信息用一维向量表示，向量中的元素依次代表路径从源节点到目的节点的经过的网络节点(包括源、目的节点)。

(402)选择其中拥塞系数最小的路径作为目标路径。优先地，若存在多条路径拥塞系数相同，则选其中最短的路径作为目标路径。本实施例中，最终选择的路径就是表1中备选路径序号为7的路径。本次路由完成后，网络状态发生变化，还需更新链路拥塞矩阵S中相关信息。本例子中，需要按链路拥塞系数定义重新计算与路径7相关链路的拥塞系数，即s_2,12，s_12,6，s_6,8，s_8,10。等待接收下一次业务请求，重复步骤3-1，4-1，4-2，完成后续业务的路由规划。

通过实验可以得出，本发明面向拥塞网络的路由规划解决了传统路由没有考虑数据流之间的影响的问题，可以在网络发生拥塞时保证QoS的稳定性并保证新增业务的传输带宽。本实施例中，我们进行了20次随机路由，基于链路拥塞系数的路由方法相对于最短路径算法对原有网络吞吐量带来的影响平均降低了70.97％，并且也更好地保证了业务的传输带宽，具体如图4、图5所示。

上述实施例仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在本发明揭露的方法和技术范围内，可以做出许多可能的变化或替换，因此，凡是未脱离本发明方法的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改及等同变化，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于链路拥塞系数的路由规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取网络拓扑及网络中已有业务的业务信息，至少包括业务需求带宽、服务优先级、以及业务经过的路径信息；

步骤2：根据网络拓扑以及所有业务信息计算所有链路的链路拥塞系数；根据网络拓扑求出网络对应的通信代价矩阵；

步骤3：接收新业务请求信息，其中，新业务请求信息至少包括源节点、目的节点、业务需求带宽、服务优先级；根据K最短路径算法求出从新业务请求起始节点到目的节点的K条最短路径作为备选路径；

步骤4：在所求出的K条备选路径中计算每条备选路径的路径拥塞系数，其值为该路径中链路拥塞系数之和；将路径拥塞系数最小的路径确定为目标路径，完成本次路由；优先地，若存在多条路径其拥塞系数相同，则选其中最短的路径作为目标路径。

2.根据权利要求1所述的基于链路拥塞系数的路由规划方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：网络拓扑用一个无向连通图G(V,E)来表示，其中V是网络节点的集合，E是网络链路的集合；假设网络有n个节点，m条链路，则G对应的邻接矩阵B＝[b_ij]包含n行n列，b_ij定义如下：若第i个节点和第j个节点之间存在链路，则b_ij值为连接i、j节点链路的代价量度，否则b_ij取值为0；邻接矩阵对角线上元素约定取值为0。

3.根据权利要求1所述的基于链路拥塞系数的路由规划方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：用矩阵S＝[s_ij]记录网络中所有链路的拥塞系数，其中s_ij定义如下：若第i个节点和第j个节点之间存在链路，则s_ij值为求出的链路拥塞系数，否则s_ij取值为0；

步骤2-2：设置网络对应的通信代价矩阵W＝[w_ij],其中w_ij的定义如下：w_ij＝1/b_ij；通信代价矩阵用于选取备选路径。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

在步骤2-1中，链路拥塞系数反映网络链路的拥塞程度，至少由数据流需求带宽、实际传输带宽、服务优先级确定。

5.根据权利要求1所述的基于链路拥塞系数的路由规划方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：接受新业务请求信息，根据步骤2-2中求得的通信代价矩阵W，通过K最短路径算法，计算从业务起始节点到目的节点的最短的K条路径作为备选路径加入集合PS。

6.根据权利要求1所述的基于链路拥塞系数的路由规划方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4-2：本次业务完成路由后，更新链路拥塞系数矩阵S中数据；等待接收下一次业务请求；如果收到新的业务请求，则重复步骤3和步骤4。