CN112272141A - 一种基于关键网络状态的域内路由保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于关键网络状态的域内路由保护方法，属于互联网技术领域。本发明通过链路失效概率计算出所有的关键网络状态；然后在每种关键网络状态下计算节点对之间相应的路径，保证节点对之间路径的多样性，从而使得尽可能多的节点对满足路由可用性需求。通过本发明，能够将节点对之间的路由可用性需求作为路由保护方法的目标，并且将需要解决的问题描述为一个0‑1数学规划模型，为解决该问题奠定了坚实的理论基础。本发明提出了一种启发式的方法快速解决该问题，并且对算法的复杂度和正确性进行了理论分析，可以大大提高节点对之间的路由可用性，更加符合实际应用的需求。

Description

一种基于关键网络状态的域内路由保护方法

技术领域

本发明涉及互联网技术领域，更具体地说，涉及一种基于关键网络状态的域内路由保护方法。

背景技术

在过去的二十年里，互联网已经成为一个全球性的信息平台，人们生活在以网络为中心的世界中。然而随着互联网的快速发展，互联网中自治系统的规模和数量急剧增长，给域内路由带来了许多迫切需要解决的问题，其中路由可用性问题显得尤为突出。路由可用性问题可以描述为，当网络出现故障时，如何提高网络恢复速度，降低故障造成的网络中断时间，保证互联网中部署的应用对路由可用性的需求。

随着互联网的发展，其支持的应用范围呈现出了显著的变化，部署在其上的分布式应用和服务在种类和质量上都有了很大的提高。起初，互联网中部署的都是非实时应用，例如电子邮件，传输文件等。而如今大量的实时业务数据在互联网上广泛传播，如IP语音(Voice over Internet Protocol，VoIP)、股票在线交易、远程手术、视频流媒体和即时通信等，这些新型应用对路由可用性提出了更高的要求。由此可见，路由可用性将直接影响用户的财产安全甚至生命安全。

针对网络故障的测量研究表明，网络中的故障频繁出现，并且不可避免。当故障发生时，传统路由协议无法在50ms内完成收敛，很难满足实时应用，如IP语音、股票在线交易、远程手术、视频流媒体和即时通信等对网络收敛时间的需求。在故障修复期间，路由协议需要经历一段时间的收敛过程，在此过程中会出现路由黑洞、路由环路等现象，从而导致网络中断，报文丢失，大大降低了路由可用性。当一条OC-48的链路断开10秒钟将导致300万个大小为1KB的报文丢失。在实时应用中通常要求修复故障的时间为毫秒级，就目前互联网部署的域内路由协议而言，如开放最短路径优先(OSPF,Open Shortest Path First)则需要几秒甚至几十秒的时间来完成收敛，无法满足实时应用对路由可用性的要求。因此，如何提高域内路由可用性成为互联网亟待需要解决的一个科学问题，这使得越来越多的科研工作者开始投身于研究如何提升网络快速应对故障的能力。因此，如何设计高可用的路由算法成为一个关键的科学问题。

目前，提高域内路由可用性的算法可以分为两类，被动恢复算法和路由保护算法。其中被动恢复算法主要研究当网络出现故障时如何加快路由收敛速度，尽量缩短网络中断时间，但是当网络中的链路频繁断开时，该算法可能导致路由不稳定。路由保护算法则是根据相关规则事先计算备份路由，当网络中出现故障时，利用事先计算的备份路由转发数据包，从而最大化减少报文丢失，缩短网络服务中断时间。相比较而言，路由保护算法更受学术界青睐。

目前已有的路由保护算法，如单链路故障保护算法，双链路故障保护算法和多链路故障保护算法，主要解决如何保护网络中一定数量的链路故障。上述的这些路由保护算法都是在网络中所有链路具有重要的失效概率这一前提假设下展开研究的。但是在实际网络中，每条链路的失效概率是不相同的。因此，应该将不同链路具有不同的失效概率融入到路由保护方法的设计规则中，而不是关注保护链路的数量。已有的路由保护算法为源-目的对计算多条路径来保护网络中的故障，每条路径都是根据不同的网络状态计算出来的。然而，这些路由保护算法都没有考虑网络状态出现的概率，而仅仅考虑保护故障的数量。但是在实际网络中，某些链路出错的概率几乎为0，因此这些链路基本是不需要保护的。基于此，本发明首先计算出网络的关键链路状态，然后分别在这些网络状态中计算路径，该方法充分考虑了网络中链路性能之间的差异性，更加符合实际网络的需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于关键网络状态的域内路由保护方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于关键网络状态的域内路由保护方法，包括以下步骤：

步骤1：设定节点对的可用性需求Ω，将关键网络状态集合NS初始化为空，NS由两部分组成，分别是网络状态和该网络状态出现的概率；

步骤2：根据网络拓扑结构G＝(V,E)，将网络中所有链路的状态都初始化为1，用网络状态state＝(1,1,1……1)来表示，state的长度为网络中链路的总数量|E|，并且计算该网络状态出现的概率；

步骤3：将网络状态state和其对应的发生概率加入到关键网络状态集合NS中，此时NS＝{{state,p(state)}}；

步骤4：对于网络中所有的链路，如果该链路的失效概率大于1*10^-6，则将该链路加入到集合F中；

步骤5：根据集合F枚举出所有可能的网络状态，并且将这些网络状态都加入到关键网络状态集合NS中；

步骤6：将满足路由可用性的源-目的节点对的数量num设置为0；

步骤7：对于网络中任意的源-目的节点对(s,d)，将该节点对之间的路径L(s,d)和可用性A(s,d)都初始化为0；

步骤8：如果关键网络状态集合NS不为空，则执行步骤9，否则，执行步骤12；

步骤9：从集合NS中取出第一个元素，该元素为state＝NS[0][0]，p(state)＝NS[0][1]，根据网络状态state，利用弗洛伊德算法计算出所有源-目的节点对之间的最短路径集合SP，将该元素从集合NS中删除；

步骤10：对于网络中任意的源-目的节点对(s,d)，如果集合SP中某条路径sp的源-目的对恰好是(s,d)时，则更新(s,d)之间的路由可用性A(s,d)和路径L(s,d)；

步骤11：执行步骤8；

步骤12：对于网络中任意的源-目的节点对(s,d)，如果该节点对之间的路由可用性A(s,d)大于可用性需求Ω时，则更新满足路由可用性的节点对的数量num＝num+1。

其中，步骤2所述的计算网络状态发生的概率的方法为：

其中state(i)表示state中第i条边的状态，r(i)表示state中第i条边的失效概率。

其中，步骤5所述的根据集合F枚举出所有可能的网络状态的方法为：枚举出集合F中只有一条链路出现故障的网络状态，并且计算它们出现的概率，将这些网络状态和出现的概率加入到关键网络状态中；

枚举出集合F中只有两条链路出现故障的网络状态，并且计算每一种网络状态对应的概率，当该网络状态出现的概率大于1*10^-6时，将该网络状态和其出现的概率加入到关键网络状态中；

枚举出集合F中只有三条链路出现故障的网络状态，并且计算每一种网络状态对应的概率，当该网络状态出现的概率大于1*10^-6时，将该网络状态和其出现的概率加入到关键网络状态中；

重复执行上面的过程，直到枚举出集合F中有|F|条链路出现故障的网络状态并且计算每一种网络状态对应的概率，当该网络状态出现的概率大于1*10^-6时，将该网络状态和其出现的概率加入到关键网络状态中。

其中，步骤10所述的更新节点对(s,d)之间的路由可用性A(s,d)的方法为：

A(s,d)＝A(s,d)+p(state)。

其中，步骤10所述的更新节点对(s,d)之间的路径L(s,d)的方法为：如果L(s,d)点中已经有路径sp，则不用更新L(s,d)，否则L(s,d)＝L(s,d)∪sp。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

已有路由保护方法都是以最大化保护的网络故障数量作为目标，但是这并不符合实际网络的需求。本发明创新的将节点对之间的路由可用性需求作为路由保护方法的目标，并且将需要解决的问题描述为一个0-1数学规划模型，为解决该问题奠定了坚实的理论基础。本发明提出了一种启发式的方法快速解决该问题，并且对算法的复杂度和正确性进行了理论分析，可以大大提高节点对之间的路由可用性，更加符合实际应用的需求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的一种基于关键网络状态的域内路由保护方法的流程示意图。

图2是本发明提供的一种基于关键网络状态的域内路由保护方法中网络拓扑结构G示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

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。网络可以用一个图

G＝(V,E)来表示，其中V为网络中节点的集合，E为网络中链路的集合。对于网络中的任意一条链路e∈E，用r(e)表示该链路的失效概率，用s(e)表示该链路的状态，当s(e)＝1时，表示该链路处于正常状态，当s(e)＝0时，表示该链路处于故障状态。

本发明需要解决的问题可以描述为：给定一个网络拓扑结构G＝(V,E)，网络中所有链路e∈E的失效概率r(e)和节点对的可用性需求Ω，如何为网路中所有的源-目的节点对计算路径，从而使得尽可能多的节点对满足可用性需求。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于关键网络状态的域内路由保护方法，包括以下步骤：

步骤1：设定节点对的可用性需求Ω，将关键网络状态集合NS初始化为空，NS由两部分组成，分别是网络状态和该网络状态出现的概率；

步骤2：根据网络拓扑结构G＝(V,E)，将网络中所有链路的状态都初始化为1，用网络状态state＝(1,1,1……1)来表示，state的长度为网络中链路的总数量|E|，并且计算该网络状态出现的概率；

计算网络状态发生的概率的方法如下：

其中state(i)表示state中第i条边的状态，r(i)表示state中第i条边的失效概率；

步骤3：将网络状态state和其对应的发生概率加入到关键网络状态集合NS中，此时NS＝{{state,p(state)}}；

步骤4：对于网络中所有的链路，如果该链路的失效概率大于1*10^-6，则将该链路加入到集合F中；

步骤5：根据集合F枚举出所有可能的网络状态，并且将这些网络状态都加入到关键网络状态集合NS中；

根据集合F枚举出所有可能的网络状态的具体方法如下：首先枚举出集合F中只有一条链路出现故障的网络状态，并且计算它们出现的概率，将这些网络状态和出现的概率加入到关键网络状态中。然后枚举出集合F中只有两条链路出现故障的网络状态，并且计算每一种网络状态对应的概率，当该网络状态出现的概率大于1*10^-6时，将该网络状态和其出现的概率加入到关键网络状态中；然后枚举出集合F中只有三条链路出现故障的网络状态，并且计算每一种网络状态对应的概率，当该网络状态出现的概率大于1*10^-6时，将该网络状态和其出现的概率加入到关键网络状态中；重复执行上面的过程，直到枚举出集合F中有|F|条链路出现故障的网络状态并且计算每一种网络状态对应的概率，当该网络状态出现的概率大于1*10^-6时，将该网络状态和其出现的概率加入到关键网络状态中；

步骤6：将满足路由可用性的源-目的节点对的数量num设置为0；

步骤7：对于网络中任意的源-目的节点对(s,d)，将该节点对之间的路径L(s,d)和可用性A(s,d)都初始化为0；

步骤8：如果关键网络状态集合NS不为空，则执行步骤9，否则，执行步骤12；

步骤9：从集合NS中取出第一个元素，该元素为state＝NS[0][0]，p(state)＝NS[0][1]，根据网络状态state，利用弗洛伊德算法计算出所有源-目的节点对之间的最短路径集合SP，将该元素从集合NS中删除；

步骤10：对于网络中任意的源-目的节点对(s,d)，如果集合SP中某条路径sp的源-目的对恰好是(s,d)时，则更新(s,d)之间的路由可用性A(s,d)和路径L(s,d)；

更新节点对(s,d)之间的路由可用性A(s,d)的方法如下：

A(s,d)＝A(s,d)+p(state)

更新节点对(s,d)之间的路径L(s,d)的方法如下：

如果L(s,d)点中已经有路径sp，则不用更新L(s,d)，否则L(s,d)＝L(s,d)∪sp

步骤11：执行步骤8；

步骤12：对于网络中任意的源-目的节点对(s,d)，如果该节点对之间的路由可用性A(s,d)大于可用性需求Ω时，则更新满足路由可用性的节点对的数量num＝num+1。

实施例

下面详细说明本实施例的各个步骤，因为该实施例的过程比较多，下面仅仅列出计算源目的对s-d的过程。

步骤1：设定节点对的可用性需求Ω＝0.95，将关键网络状态集合NS初始化为空，NS由两部分组成，分别是网络状态和该网络状态出现的概率；

步骤2：根据网络拓扑结构G＝(V,E)，将网络中所有链路的状态都初始化为1，用网络状态state＝(1,1,1,1)来表示，state的长度为4，并且计算该网络状态出现的概率p(state)＝1*1*0.9*0.9＝0.81；G的结构示意图如图2所示。

步骤3：将网络状态state和其对应的发生概率加入到关键网络状态集合NS中，此时NS＝{{(1,1,1,1),0.81}}；

步骤4：对于网络中所有的链路，如果该链路的失效概率大于1*10^-6，则将该链路加入到集合F中,此时F为{(a,d),(b,d)}；

步骤5：根据集合F＝{(a,d),(b,d)}枚举出所有可能的网络状态；

假设链路(a,d)处于正常状态，(b,d)处于故障状态，此时state＝(1,1,0,1)，p(state)＝1*0.9*0.1*1＝0.09>1*10-6，将该状态加入关键网络状态集合NS中，此时NS＝{{(1,1,1,1),0.81},{(1,1,0,1),0.09}}；

假设链路(a,d)处于故障状态，(b,d)处于正常状态，此时state＝(1,0,1,1)，p(state)＝1*0.1*0.9*1＝0.09>1*10-6，将该状态加入关键网络状态集合NS中，此时NS＝{{(1,1,1,1),0.81},{(1,1,0,1),0.09},{(1,0,1,1),0.09}}；

假设链路(a,d)处于故障状态，(b,d)处于故障状态，此时state＝(1,0,1,1)，p(state)＝1*0.1*0.1*1＝0.01>1*10-6，将该状态加入关键网络状态集合NS中，此时NS＝{{(1,1,1,1),0.81},{(1,1,0,1),0.09},{(1,0,1,1),0.09},{(1,0,0,1),0.01}}；

步骤6：将满足路由可用性的源-目的节点对的数量num设置为0；

步骤7：对于网络中的源-目的节点对(s,d)，将该节点对之间的路径L(s,d)和可用性A(s,d)都初始化为0；

步骤8：因为关键网络状态集合NS不为空，所以执行步骤9；

步骤9：从集合NS中取出第一个元素，该元素为state＝NS[0][0]＝(1,1,1,1)，p(state)＝NS[0][1]＝0.81，根据网络状态state，利用弗洛伊德算法计算出所有源-目的节点对之间的最短路径集合SP＝{(s,a),(s,b),(s,a,d),(a,s),(a,d),(a,s,b),(d,a),(d,b),(d,a,s),(b,s),(b,d),(b,s,a)}，

将(1,1,1,1)从集合NS中删除，此时

NS＝{{(1,1,0,1),0.09},{(1,0,1,1),0.09},{(1,0,0,1),0.01}}；

步骤10：对于网络中源(s)-目的(d)节点对(s,d)，此时集合SP中的路径sp＝(s,a,d)的源-目的对恰好是(s,d)时，则更新(s,d)之间的路由可用性A(s,d)和路径L(s,d)，此时A(s,d)＝0.81和路径L(s,d)＝{(s,a,d)}；

步骤11：执行步骤8；

步骤8：因为关键网络状态集合NS不为空，所以执行步骤9；

步骤9：从集合NS中取出第一个元素，该元素为state＝NS[0][0]＝(1,1,0,1)，p(state)＝NS[0][1]＝0.09，根据网络状态state，利用弗洛伊德算法计算出所有源-目的节点对之间的最短路径集合SP＝{(s,a),(s,b),(s,a,d),(a,s),(a,d),(a,s,b),(d,a),(d,a,s,b),(d,a,s),(b,s),(b,s,a,d),(b,s,a)}，将(1,1,0,1)从集合NS中删除，此时NS＝{{(1,0,1,1),0.09},{(1,0,0,1),0.01}}；

步骤10：对于网络中源(s)-目的(d)节点对(s,d)，此时集合SP中的路径sp＝(s,a,d)的源-目的对恰好是(s,d)时，则更新(s,d)之间的路由可用性A(s,d)和路径L(s,d)，此时A(s,d)＝0.81+0.09＝0.9，因为路径(s,a,d)已经存在，所以路径L(s,d)不再更新，此时路径L(s,d)＝{(s,a,d)}；

步骤11：执行步骤8；

步骤8：因为关键网络状态集合NS不为空，所以执行步骤9；

步骤9：从集合NS中取出第一个元素，该元素为state＝NS[0][0]＝(1,0,1,1)，p(state)＝NS[0][1]＝0.09，根据网络状态state，利用弗洛伊德算法计算出所有源-目的节点对之间的最短路径集合SP＝{(s,a),(s,b),(s,b,d),(a,s),(a,s,b,d),(a,s,b),(d,b,s,a),(d,b),(d,b,s),(b,s),(b,d),(b,s,a)}，将(1,0,1,1)从集合NS中删除，此时NS＝{{(1,0,0,1),0.01}}；

步骤10：对于网络中源(s)-目的(d)节点对(s,d)，此时集合SP中的路径sp＝(s,b,d)的源-目的对恰好是(s,d)时，则更新(s,d)之间的路由可用性A(s,d)和路径L(s,d)，此时A(s,d)＝0.9+0.09＝0.99和路径L(s,d)＝{(s,a,d),(s,b,d)}；

步骤11：执行步骤8；

步骤8：因为关键网络状态集合NS不为空，所以执行步骤9；

步骤9：从集合NS中取出第一个元素，该元素为state＝NS[0][0]＝(1,0,0,1)，p(state)＝NS[0][1]＝0.01，根据网络状态state，利用弗洛伊德算法计算出所有源-目的节点对之间的最短路径集合SP＝{(s,a),(s,b),(a,s),(a,s,b),(b,s),(b,s,a)}，将(1,0,0,1)从集合NS中删除，此时NS为空；

步骤10：对于网络中源(s)-目的(d)节点对(s,d)，此时集合SP中不存在源-目的对恰好是(s,d)的路径；

步骤11：执行步骤8；

步骤8：因为关键网络状态集合NS为空，所以执行步骤12；

步骤12：对于网络中的源-目的节点对(s,d)，因为该节点对之间的路由可用性A(s,d)大于可用性需求0.95时，则更新满足路由可用性的节点对的数量num＝1。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于关键网络状态的域内路由保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设定节点对的可用性需求Ω，将关键网络状态集合NS初始化为空，NS由两部分组成，分别是网络状态和该网络状态出现的概率；

步骤2：根据网络拓扑结构G＝(V,E)，将网络中所有链路的状态都初始化为1，用网络状态state＝(1,1,1……1)来表示，state的长度为网络中链路的总数量|E|，并且计算该网络状态出现的概率；

步骤3：将网络状态state和其对应的发生概率加入到关键网络状态集合NS中，此时NS＝{{state,p(state)}}；

步骤4：对于网络中所有的链路，如果该链路的失效概率大于1*10^-6，则将该链路加入到集合F中；

步骤5：根据集合F枚举出所有可能的网络状态，并且将这些网络状态都加入到关键网络状态集合NS中；

步骤6：将满足路由可用性的源-目的节点对的数量num设置为0；

步骤7：对于网络中任意的源-目的节点对(s,d)，将该节点对之间的路径L(s,d)和可用性A(s,d)都初始化为0；

步骤8：如果关键网络状态集合NS不为空，则执行步骤9，否则，执行步骤12；

步骤9：从集合NS中取出第一个元素，该元素为state＝NS[0][0]，p(state)＝NS[0][1]，根据网络状态state，利用弗洛伊德算法计算出所有源-目的节点对之间的最短路径集合SP，将该元素从集合NS中删除；

步骤10：对于网络中任意的源-目的节点对(s,d)，如果集合SP中某条路径sp的源-目的对恰好是(s,d)时，则更新(s,d)之间的路由可用性A(s,d)和路径L(s,d)；

步骤11：执行步骤8；

步骤12：对于网络中任意的源-目的节点对(s,d)，如果该节点对之间的路由可用性A(s,d)大于可用性需求Ω时，则更新满足路由可用性的节点对的数量num＝num+1。

2.根据权利要求1所述的基于关键网络状态的域内路由保护方法，其特征在于，步骤2所述的计算网络状态发生的概率的方法为：

其中state(i)表示state中第i条边的状态，r(i)表示state中第i条边的失效概率。

3.根据权利要求1所述的基于关键网络状态的域内路由保护方法，其特征在于，步骤5所述的根据集合F枚举出所有可能的网络状态的方法为：

枚举出集合F中只有一条链路出现故障的网络状态，并且计算它们出现的概率，将这些网络状态和出现的概率加入到关键网络状态中；

枚举出集合F中只有两条链路出现故障的网络状态，并且计算每一种网络状态对应的概率，当该网络状态出现的概率大于1*10^-6时，将该网络状态和其出现的概率加入到关键网络状态中；

枚举出集合F中只有三条链路出现故障的网络状态，并且计算每一种网络状态对应的概率，当该网络状态出现的概率大于1*10^-6时，将该网络状态和其出现的概率加入到关键网络状态中；

重复执行上面的过程，直到枚举出集合F中有|F|条链路出现故障的网络状态并且计算每一种网络状态对应的概率，当该网络状态出现的概率大于1*10^-6时，将该网络状态和其出现的概率加入到关键网络状态中。

4.根据权利要求1所述的基于关键网络状态的域内路由保护方法，其特征在于，步骤10所述的更新节点对(s,d)之间的路由可用性A(s,d)的方法为：

A(s,d)＝A(s,d)+p(state)。

5.根据权利要求1所述的基于关键网络状态的域内路由保护方法，其特征在于，步骤10所述的更新节点对(s,d)之间的路径L(s,d)的方法为：

如果L(s,d)点中已经有路径sp，则不用更新L(s,d)，否则L(s,d)＝L(s,d)∪sp。

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