CN110290069B - 一种sdn场景下的可靠组播路由方法 - Google Patents

Abstract

一种SDN场景下的可靠组播路由方法，确定优化目标，然后建立基于实际网络的逻辑网络拓扑图。根据基于实际网络的逻辑网络拓扑图，建立多播树；在建立好的多播树中，恢复节点选择。本发明能够同时实现一个多播树的高效路由和多播传输恢复节点的选择。在构建多播树时同时考虑链路资源消耗和时延要求，最后得到一棵低代价的和满足端到端时延要求的多播树。为了支持多播中的可靠传输，确定了多播传输恢复节点的选择。本发明同时考虑了多播树的路由和恢复节点的选择问题，从而达到多播树的资源消耗和恢复节点的资源消耗总和最小化，并减少数据包的重传概率，并有效降低数据传输延迟。

Description

一种SDN场景下的可靠组播路由方法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种SDN场景下的可靠组播路由方法。

背景技术

在当今信息技术不断革新的背景下，随着互联网的迅速发展，以TCP/IP协议支持的传统网络体系架构凸显出很多问题，如网络管理复杂、网络安全性不足、网络拓展性低等。

为了解决TCP/IP网络体系架构发展过程中存在的各种问题，美国印第安纳大学、Internet2联盟与斯坦福大学Clean Slate项目宣布联手开展网络开发与部署行动计划(NDDI)，旨在共同创建一个新的网络平台与配套软件，以革命性的新方式支持全球科学研究。NDDI利用了OpenFlow技术提供的“软件定义网络(SDN)”功能，并将提供一个可创建多个虚拟网络的通用基础设施，允许网络研究人员应用新的因特网协议与架构进行测试与实验，同时帮助领域科学家通过全球合作促进研究。随后SDN被各大IT公司和非营利性组织继续研究，这一新型网络架构得以蓬勃发展。相比较于传统网络，SDN最大的特点就是数据流的控制与转发相互分离，网络设备不再以类似路由表的形式自主控制数据的转发，而是交友控制器集中控制，这使得SDN架构具有网络控制简单灵活、扩展性高等突出优势。

多播是一点到多点、多点到多点的通信方式，多个站点可以同时接收一个或多个信号源发送的信息。单播和广播可看作是多播的特殊情况，单播就是指多播只有一个信源和一个接受站点，而广播则是所有的网络成员都是多播的接受站点。若对每一个接受站点都单独发送数据包，会浪费了大量的网络资源，增加了结点的负荷，造成了网络拥塞。在多播通讯中，发送的数据包是沿着多播树进行转发的，多播树是由多播路由算法决定。多播把数据有限制地分发到一组接收站点，其还面临着许多尚待解决的问题，比如，如何根据网络环境的不同来选择最优的多播协议，如何对其依靠的UDP发送报文做网络保障。语音等实时业务要求网络的传输时延小，网络抖动少，但是网络上有突发性高的视频下载或者出现流量攻击时，实时业务的运行就会被影响，而且在带宽有限的情况下，当多种业务同时运行时，关键业务就难以得到可靠的传送保障。此问题可以通过增加带宽解决，但是随着业务的发展，增加带宽并不能根本解决问题。服务质量(Quality of Service，简称QoS)技术可以较好地解决这个问题。

但是，多播传输在最小网络资源消耗方面，如果没有可靠传输，网络的传输效率将会受到很大的影响。为了支持多播中的可靠传输，基于源的可靠多播传输首先被提出，以直接从源恢复丢失的包，但是它也面临扩展性问题，因为源节点需要向大量的目的节点提供丢失数据，这就使得源数据可能被淹没。因此，需要设计一个新的方法来同时实现一个多播树的高效路由和多播传输恢复节点的选择。

发明内容

本发明目的是提供了一种SDN场景下的可靠组播路由方法，以同时实现一个多播树的高效路由和多播传输恢复节点的选择。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种SDN场景下的可靠组播路由方法，包括以下步骤：(1)确定优

化目标，然后建立基于实际网络的逻辑网络拓扑图；

(2)根据基于实际网络的逻辑网络拓扑图，建立多播树；

(3)在建立好的多播树中，恢复节点选择。

本发明进一步的改进在于，确定优化目标的具体过程如下：

对于任意两个节点之间的链路e∈E，定义两种QoS参数值：

开销参数cost(e):E→R⁺，

时延参数delay(e):E→R⁺；

其中R⁺为非负实数集，则对于某个给定的一棵多播树T＝(V_T,E_T)、给定的目的节点集

给定的源节点s∈V_T，存在下列关系：

其中，C(.)∈R⁺是开销函数，D(.)∈R⁺是时延函数；V_T表示多播树中的节点，E_T表示多播树中的路径；

优化目标是在满足时延条件D(T)≤Maxdelay的条件下寻找链路开销C(T)最小的路径；其中，Maxdelay表示从源节点到目的节点的路径时延不能超过的阈值。

本发明进一步的改进在于，根据开销函数与时延函数，建立基于实际网络的逻辑网络拓扑图。

本发明进一步的改进在于，步骤(2)的具体过程如下：

(2-1)初始化：

将发送节点加入到多播图的顶点中，即Add(s，V1)，网络中的节点集合V＝V－{s}；

(2-2)将网络中的节点集合V中距离多播图最近的点和网络中的节点集合V中距离多播图最近的点到多播图的路径加入到多播图中；

(2-3)若目的节点到发送节点在多播图外存在更短路径即链路开销最小的路径，该更短路径优于发送节点通过多播图到目的节点的最佳路径，此时选择多播图外的节点和其相关路径，并将最大重复路径加入到多播图中；如果发送节点到目的节点的路径上存在其他的目的节点，在没有出现环路的前提下，保留其他的目的节点；根据优化目标优化多播图，如果时延不满足D(T)≤Maxdelay，则不能加入到多播图中，如果时延满足D(T)≤Maxdelay则加入到多播图中；

(2-4)如果网络中的节点集合V不为空，执行步骤(2-2)，如果网络中的节点集合V为空，执行步骤(2-5)；

(2-5)删除多播图中的环路，得到多播树T。

本发明进一步的改进在于，步骤(3)的具体过程为：如果在多播树中至多有r个恢复节点的集合R中的节点v∈R_v，则选择当前节点为故障恢复节点；否则寻找多播树的子节点为故障恢复节点；其中，R_v为在T_v上的恢复子集。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：在构建多播树时，找到接收节点中离发送节点最近的路径加入多播图，如果接收节点到发送节点在多播图外存在更短路径，选择多播图外的节点和其相关路径加入到多播图中，以此类推，将所有接收节点加入到多播图中，然后去掉多播图中的环路形成多播树。并且以上所求得的最短路径必须满足时延要求，所以最后可以得到一棵低代价的和满足端到端时延要求的多播树。另外，为了支持多播中的可靠传输，本发明在恢复节点选择阶段，为了找到跨越源节点s和目的节点集合D的边界集合，定义在多播树中至多有r个恢复节点的集合R。通过测试不同的r，软件定义控制技术能够协调本地存储的资源消耗和丢包恢复节点的资源消耗w(T)之间的关系。本发明同时考虑了多播树的路由和恢复节点的选择问题，从而达到多播树的资源消耗和恢复节点的资源消耗总和最小化，并减少数据包的重传概率，并有效降低数据传输延迟。本发明在解决了构建多播树和数据恢复的资源消耗拟合最小化的问题。

附图说明

图1为多播树的建立流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

对于本发明的术语说明。

将通信网络中的网络拓扑看作一个无向带权连通图G＝(V，E)，其中V＝{v₁，v₂，...，v_o}表示网络中的节点集合，E＝{e₁，e₂，...，e_k}为网络拓扑图中连接两个节点的链路集合，O＝|V|和K＝|E|分别表示节点和链路的个数。s∈V为组播源节点，

为组播目的节点集，其中J＝|D|表示目的节点个数。为了找到跨越源节点s和目的节点集合D的边界集合，定义在多播树中至多有r个恢复节点的集合为R。其中，r为非负整数。在多播树中，通过测试不同的r，软件定义控制技术能够协调本地存储的资源消耗和丢包恢复节点的资源消耗w(T)之间的关系。用一个比较大的值r，多播树中更多的节点将参与到多播数据传输中的丢包恢复短暂存储中，但是，丢包恢复节点的资源消耗将会显著减少。同时，软件定义控制技术能够根据实时的网络状态调整权重α。如果网络负载过重，设置一个较大的值α，反之亦然。另外，在多播树中至多有r个恢复节点的集合R在有效减少恢复节点的资源消耗上也将起着重要作用，在多播树中至多有r个恢复节点的集合R值和恢复节点的资源消耗成正比例关系。可以看出，该多播树问题同时考虑了树的路由和恢复节点的选择，可以认为该多播树比传统斯坦纳树更难。

参见图1，本发明的提出的方法包括以下步骤：

(1)确定优化目标，建立基于实际网络的逻辑网络拓扑图。

为了找到跨越源节点s和目的节点集合D的边界集合，定义在多播树中至多有r个恢复节点的集合为R。考虑一个直接图G(V，E)，其中V和E分别表示节点和边的集合。每条在集合E中的边e(e∈E)被分配给一个资源消耗值cost(e):E→R⁺，其中R⁺代表正实数的集合。

对于任意两个节点之间的链路e∈E，可以定义两种QoS参数值：

开销参数cost(e):E→R⁺，

时延参数delay(e):E→R⁺；

其中R⁺为非负实数集。则对于某个给定的一棵多播树T＝(V_T，E_T)、给定的目的节点集

给定的源节点s∈V_T，存在下列关系：

上列关系中，C(.)∈R⁺是开销函数，D(.)∈R⁺是时延函数。

优化目标是在满足时延条件D(T)≤Maxdelay的条件下寻找链路开销C(T)最小的路径，其中，Maxdelay表示从源节点到目的节点的路径时延不能超过的阈值。

根据开销函数与时延函数，建立基于实际网络的逻辑网络拓扑图。

(2)多播树路由阶段，也即建立多播树的阶段。具体过程如下：

参见图1，从根节点s的最短路径树开始，根据对时延和资源消耗的要求为每个目的节点选择最优路径，在满足时延和资源消耗的同时，选择最大重复路径加入到多播树中，为下一步选择恢复节点做准备。

输入：图G的顶点和边，以及满足代价函数的每条边的代价cost(e)和时延delay(e)。

输出：多播生成树T。

初始化：

(2-1)将发送节点加入到多播图的顶点中，Add(s，V1)，网络中的节点集合V＝V－{s}。

(2-2)将网络中的节点集合V中距离多播图最近的点和网络中的节点集合V中距离多播图最近的点到多播图的路径加入到多播图中。

(2-3)若目的节点到发送节点在多播图外存在更短路径也即链路开销最小的路径，该更短路径优于发送节点通过多播图到目的节点的最佳路径，此时选择多播图外的节点和其相关路径，在此基础上将最大重复路径加入到多播图中。如果发送节点到目的节点的路径上存在其他的目的节点，在没有出现环路的基础上，其他的目的节点应该保留。根据优化目标优化多播图，如果时延不满足D(T)≤Maxdelay的要求不能加入到多播图中，如果时延满足要求D(T)≤Maxdelay则加入到多播图中。

(2-4)如果网络中的节点集合V不为空，执行步骤(2-2)，如果网络中的节点集合V为空，执行步骤(2-5)。

(2-5)删除多播图中的环路，得到多播树T。

(3)恢复节点选择阶段。

如果在多播树中至多有r个恢复节点的集合R中的节点v∈R_v，则选择当前节点为故障恢复节点；否则寻找当前树的子节点为故障恢复节点。其中，R_v为在T_v上的恢复子集。

具体的，恢复选择阶段是在多播树中选择恢复节点，从而达到恢复资源消耗的最小化。对于任何一个节点v∈T_v，T_v表示根在节点v的多播树T的子树。R_v为在根在节点v的多播树T的子树T_v上的恢复子集，根在节点v的多播树T的子树T_v关于恢复子集R_v的恢复资源消耗表示为w(T_v，R_v)。分两种情况选择最优恢复节点集合:v在R_v中被选中。如果v没有在R_v中被选中，将随后分配一些在多播树T中的先辈节点作为恢复父节点。如果在T_v中的恢复节点满足

称为情况Ⅰ，R为在多播树中至多有r个恢复节点的集合，反之，如果v∈R，称为情况Ⅱ。对于给定的在T_v上的恢复子集R_v，如果在T_v上的恢复子集R_v中没有其它的恢复节点在T_v的节点v到节点u路径上，则在集合D∪R_v中的节点u(u≠v)能够被任意节点v控制。对于一个满足x≤r的非负整数和一个满足k≤|D|的正整数，σ_xmk(T_v)表示在情况I下所有在T_v上满足|R_v|≤x的R_v(v不在R_v上)；其中，D为组播目的节点集。因此，v完全的多播树T上在集合D∪R_v中的节点k。相应地，τ_x(T_v)表示所有情况Ⅱ下满足|R_v|≤x的恢复集合R_v在树T_v上的最小恢复资源消耗。

本发明在构建多播树时，找到接收节点中离发送节点最近的路径加入多播图，如果接收节点到发送节点在多播图外存在更短路径，选择多播图外的节点和其相关路径加入到多播图中，以此类推，将所有接收节点加入到多播图中，然后去掉多播图中的环路形成多播树。并且以上所求得的最短路径必须满足时延要求，所以最后可以得到一棵低代价的和满足端到端时延要求的多播树。另外，为了支持多播中的可靠传输，本发明提出了一种新的多播传输恢复节点的选择方法。在恢复节点选择阶段，为了找到跨越源节点s和目的节点集合D的边界集合，定义在多播树中至多有r个恢复节点的集合R。通过测试不同的r，软件定义控制技术能够协调本地存储的资源消耗和丢包恢复节点的资源消耗w(T)之间的关系。本发明同时考虑了多播树的路由和恢复节点的选择问题，从而达到多播树的资源消耗和恢复节点的资源消耗总和最小化，并减少数据包的重传概率，并有效降低数据传输延迟。本发明在解决了构建多播树和数据恢复的资源消耗拟合最小化的问题。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种SDN场景下的可靠组播路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定优化目标，然后建立基于实际网络的逻辑网络拓扑图；其中，确定优化目标的具体过程如下：

对于任意两个节点之间的链路e∈E，其中，E为网络拓扑图中连接两个节点的链路集合，定义两种QoS参数值：

开销参数cost(e):E→R⁺，

时延参数delay(e):E→R⁺；

其中R⁺为非负实数集，则对于某个给定的一棵多播树T＝(V_T,E_T)、给定的目的节点集

给定的源节点s∈V_T，存在下列关系：

其中，C(.)∈R⁺是开销函数，D(.)∈R⁺是时延函数；V_T表示多播树中的节点，E_T表示多播树中的路径；

优化目标是在满足时延条件D(T)≤Maxdelay的条件下寻找链路开销C(T)最小的路径；Maxdelay表示从源节点到目的节点的路径时延不能超过的阈值；

(2)根据基于实际网络的逻辑网络拓扑图，建立多播树；步骤(2)的具体过程如下：

(2-1)初始化：

将发送节点加入到多播图的顶点中，即Add(s，V1)，网络中的节点集合V＝V－{s}；

(2-2)将网络中的节点集合V中距离多播图最近的点和网络中的节点集合V中距离多播图最近的点到多播图的路径加入到多播图中；

(2-3)若目的节点到发送节点在多播图外存在更短路径即链路开销最小的路径，该更短路径优于发送节点通过多播图到目的节点的最佳路径，此时选择多播图外的节点和其相关路径，并将最大重复路径加入到多播图中；如果发送节点到目的节点的路径上存在其他的目的节点，在没有出现环路的前提下，保留其他的目的节点；根据优化目标优化多播图，如果时延不满足D(T)≤Maxdelay，则不能加入到多播图中，如果时延满足D(T)≤Maxdelay则加入到多播图中；

(2-4)如果网络中的节点集合V不为空，执行步骤(2-2)，如果网络中的节点集合V为空，执行步骤(2-5)；

(2-5)删除多播图中的环路，得到多播树T；

(3)在建立好的多播树中，恢复节点选择；具体过程为：如果在多播树中至多有r个恢复节点的集合R中的节点v∈R_v，则选择当前节点为故障恢复节点；否则寻找多播树的子节点为故障恢复节点；其中，R_v为在T_v上的恢复子集，T_v表示根在节点v的多播树T的子树。

2.根据权利要求1所述的一种SDN场景下的可靠组播路由方法，其特征在于，根据开销函数与时延函数，建立基于实际网络的逻辑网络拓扑图。

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