CN112637061B - 一种基于启发式算法的动态多因子路径计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，其中，该方法包括：由BGP‑LS实时采集路由消息，叠加基础数据后生成二/三层混合路由拓扑，利用SPF算法预生成当前拓扑结构下的最短路径；在有计算请求时，首先检查基于SPF的最短路径是否满足当前所有的约束条件；当基于SPF的最短路径不满足当前所有的约束条件时，以路径作为起始条件，调用启发式算法进行优化迭代，在改变尽可能少的前提下找到满足当前所有约束条件的最优路径。该方法在每次路径计算时不需要重算不可复用全网路径，占用资源较低，利于横向扩展；基于启发函数进行路径计算，方便路径约束因子的组合或修改。

Description

一种基于启发式算法的动态多因子路径计算方法

技术领域

本发明涉及隧道路径管理领域，尤其是一种基于启发式算法的动态多因子路径计算方法。

背景技术

实现SDN(软件定义网络)架构能力，将原本设备侧的路径计算和管理能力延伸到控制器侧，可以在控制器上直接对隧道路径进行管理。在MPLS(多标签分组交换)协议中，路径不限于路由表走出的最短路径，而是可以通过任意约束条件计算或显式指定，增加了路径计算的复杂性。此外，控制器相当于以一己之力承担了原本全网各路由节点上自身路径计算的能力，可能有很高的计算负载。综合考虑，需要控制器侧的路径计算能够以较少的资源快速响应大批量的计算请求。

当前最常用的路由路径计算算法是Dijkstra算法(SPF最短路径算法)，该算法在堆优化的情况下单源复杂度为O((V+E)log(V))，全源复杂度为O(V(V+E)log(V))，对于简单的最短路径需求而言，是效率最高的算法之一。但是，该算法不能适配网络变化，任意微小的路由变化都会造成全网全节点上的路径重算，即常见的路由震荡-收敛过程。对于一般的IP业务路由而言，网络变化不是很频繁，大多数时候相当于在静态拓扑结构上寻找最短路径，该算法通过一次重算生成该结构下的静态路由路径，足以满足需求。在MPLS-TE(基于多标签分组交换的流量工程)路径计算过程中，不同的输入条件代表着不同的可用节点或链路，相当于每次计算都要触发全网重收敛，对于单条路径计算的需求而言，这种计算量过于庞大，不适合横向扩展。

发明内容

为解决当前最常用的路由路径计算算法存在的上述问题，本发明提供一种基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，在控制器侧实现多种约束条件组合情况下的快速MPLS-TE隧道路径计算。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

在本发明一实施例中，提出了一种基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，该方法包括：

由BGP-LS实时采集路由消息，叠加基础数据后生成二/三层混合路由拓扑，利用SPF算法预生成当前拓扑结构下的最短路径；

在有计算请求时，首先检查基于SPF的最短路径是否满足当前所有的约束条件；当基于SPF的最短路径不满足当前所有的约束条件时，以路径作为起始条件，调用启发式算法进行优化迭代，在改变尽可能少的前提下找到满足当前所有约束条件的最优路径。

进一步地，该方法还包括：

在有批量计算请求时，并行对各个请求进行迭代优化，然后汇总可用路径，并同步或异步输出。

进一步地，约束条件为路由距离、端到端时延、利用率、丢包率、流量占用、保留带宽和亲和平面的属性约束，以及必经节点/链路和避让节点/链路的路径约束中的一种或多种条件的组合。

进一步地，启发式算法使用蚁群算法实现。

进一步地，启发式算法以端到端基于SPF的最短路径作为起始输入条件，该路径上每一跳节点权重为200％，其它方向权重为100％。

进一步地，启发式算法流程包括：

逐跳验证约束条件，从不满足约束条件的节点开始，根据路径权重，随机选择备选方向，检查备选方向是否同时满足可以指向目标和匹配约束两个条件；

如果新路径是目标可达，用一个路径长度负相关的启发函数计算路径权重；

在下一次迭代时，挑选上次计算时变化节点的上下游节点，然后随机选择备选方向，计算从这些备选方向发生变化时，是否有满足所有约束条件且目标可达的可用路径，再根据优化策略，计算该可用路径使用该指标表示的长度，依次类推，直到随机选择任何备选方向都不再存在更短的可用路径为止，此时收敛的路径即为最短路径；

每次迭代时，首先将全网权重按等比例缩减，然后加上本轮找到的对应路径的权重，路径越短，增幅越高；经过多轮全网缩减-指定路径增幅的循环后，此时从源到目标权重最高的方向即为收敛的最短路径方向。

进一步地，选择权重的启发函数支持组合算路因子。

进一步地，对于约束条件，包括端到端时延、保留带宽和避让节点/链路，从不完整路径选择备选方向时即可判断出是否合法；

对于约束条件，包括亲和平面和必经节点/链路，仅任意一跳满足亲和/经过指定路径点即可，仅在全路径计算完成后判断是否可用。

进一步地，启发式算法流程还包括：

对于启用主备保护的路径计算，如果存在可用的主路径，将主路径上每一跳作为避让方向加入约束条件，重新计算满足该约束条件的路径，即可得到同时满足原本约束和避开主路径的另一条最短路径，此路径可作为保护的备用路径。

有益效果：

1、本发明在每次路径计算时不需要重算不可复用全网路径，占用资源较低，利于横向扩展。

2、本发明基于启发函数进行路径计算，方便路径约束条件的组合或修改。

附图说明

图1是本发明一实施例的基于启发式算法的动态多因子路径计算业务流程示意图；

图2是本发明一实施例的路径启发因子简单示意图。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本发明的原理和精神，应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本发明，而并非以任何方式限制本发明的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

根据本发明的实施方式，提出了一种基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，采用在Dijkstra最短路径算法基础上，通过启发式算法寻找可用路径的实现方案。考虑到校验路径比计算路径的负载要轻得多，在原最短路径是可用路径的时候，仍然使用原路径，否则以原路径作为起始条件进行快速迭代，找出满足新约束的最短路径。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。

图1是本发明一实施例的基于启发式算法的动态多因子路径计算业务流程示意图。如图1所示，左侧为基础数据加载流程，右侧为路径计算流程，整体业务流程如下：

由BGP-LS实时采集路由消息，叠加设备/端口等基础数据后生成二/三层混合路由拓扑，利用SPF算法预生成当前拓扑结构下的最短路径；

在有计算请求时，首先检查基于SPF的最短路径是否满足当前所有的约束条件；该约束条件包括：metric(路由距离)、端到端时延、利用率、丢包率、流量占用、保留带宽和亲和平面等属性约束，以及必经节点/链路和避让节点/链路等路径约束，实际使用时可以是上述一种或多种条件的组合；当基于SPF的最短路径不满足当前所有的约束条件时，以路径作为起始条件，调用启发式算法进行优化迭代，在改变尽可能少的前提下找到满足当前所有约束条件的最优路径；

在有批量计算请求时，并行对各个请求进行迭代优化，然后汇总可用路径，并同步或异步输出。

需要说明的是，尽管在上述实施例及附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

为了对上述基于启发式算法的动态多因子路径计算方法进行更为清楚的解释，下面结合一个具体的实施例来进行说明，然而值得注意的是该实施例仅是为了更好地说明本发明，并不构成对本发明不当的限定。

图2是本发明一实施例的路径启发因子简单示意图。如图2所示，各R设备为路由节点，由R1到R2有30，35，40和45四种不同长度的路径组合，相对的候选权重q即为长度的反比。本发明中使用蚁群算法作为启发式计算的实现，以端到端SPF最短路径作为起始输入条件，该路径上每一跳节点权重为200％，其它方向权重为100％。具体实现流程如下：

在计算时，逐跳验证约束条件，从不满足约束条件的节点开始，根据路径权重，随机选择备选方向，然后检查备选方向是否同时满足可以指向目标和匹配约束两个条件；如果新路径是目标可达，用一个路径长度负相关的启发函数计算路径权重；该启发函数可以使用简单反比关系，也可以使用平方反比、开方反比和对数反比等递减函数进行计算，取决于网络拓扑上节点间距离的规划；在下一次迭代时，挑选上次计算时变化节点的上下游节点，再随机选择备选方向，计算从这些备选方向发生变化时是否有满足所有约束条件且能到达终点的可用路径，根据优化策略，如最小化metric或最小化时延，计算该可用路径使用该指标表示的长度；每次迭代时，首先将全网权重按等比例缩减，然后加上本轮找到的可用路径的权重，路径越短，权重增幅越高；经过多轮全网缩减-指定路径增幅的循环后，最短路径上的权重会逼近100％，其它方向的权重会衰减至0，此时从源到目标权重最高的方向即为收敛的最短路径方向。

选择权重的启发函数支持组合算路因子，如配置了时延>cost>利用率优先的顺序算路时，以时延总和为路径长度的构建权重的负相关关系，链路cost和链路利用率为调整参数，在两条路径时延等长时，cost和利用率更低的方向有更高的权重。

对于部分路径约束，如包括端到端时延、保留带宽和避让节点/链路等，从不完整路径选择备选方向的时候即可判断出是否合法，即如果增加某一跳会导致整体时延/带宽超限，或者下一跳本身是避让条件所禁止的方向，不用找到终点即可断定该方向不可用，因为路径不可能反复通过同一个节点；对于亲和平面和必经节点/链路而言，只要其中任意一跳满足亲和/经过指定路径点即可，这些条件只能在全路径计算完成后判断是否可用；利用各种排除不可用路径的判断进行剪枝，可以进一步将每次寻找备用路径的开销降低。

对于启用主备保护的路径计算，如果存在可用的主路径，将主路径上每一跳作为避让方向加入路径约束条件，用同算法重新计算满足该条件的路径，即可得到同时满足原本约束和避开主路径的另一条最短路径，此路径可作为保护的备用路径。

以图2为例，路径3(R1-R4-R5-R2)是全局最短路径，没有限制条件时有最高权重100/35，迭代计算后会作为主路径被选中。备路径是所有不包括14、45、52链路的最短路径，路径1和路径4包含其中之一，即时长度可能更短，也不满足主备保护条件，此时路径2(R1-R3-R6-R2)是可用的最短备用路径。

如果限定避让链路R4-R5，路径3被禁止，此时的全局最短路径变为路径1(R1-R3-R5-R2)，可作为主路径。备路径不可选中13、35、52三条链路，路径2不满足主备条件，路径4(R1-R4-R6-R2)是可用的最短备用路径。

本发明提出的基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，每次路径计算时不需要重算不可复用全网路径，占用资源较低，利于横向扩展；基于启发函数进行路径计算，方便路径约束因子的组合或修改。

虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包含的各种修改和等同布置。

对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，其特征在于，该方法包括：

由BGP-LS协议实时采集路由消息，叠加基础数据后生成二/三层混合路由拓扑，利用SPF算法预生成当前拓扑结构下的最短路径；

在有计算请求时，首先检查基于SPF算法的最短路径是否满足当前所有的约束条件；当基于SPF算法的最短路径不满足当前所有的约束条件时，以路径作为起始条件，调用启发式算法进行优化迭代，在改变尽可能少的前提下找到满足当前所有约束条件的最优路径；

启发式算法流程包括：

逐跳验证约束条件，从不满足约束条件的节点开始，根据路径权重，随机选择备选方向，检查备选方向是否同时满足可以指向目标和匹配约束两个条件；

如果新路径是目标可达，用一个路径长度负相关的启发函数计算路径权重；

在下一次迭代时，挑选上次计算时变化节点的上下游节点，然后随机选择备选方向，计算从这些备选方向发生变化时，是否有满足所有约束条件且目标可达的可用路径，再根据优化策略，计算该可用路径使用该指标表示的长度，依次类推，直到随机选择任何备选方向都不再存在更短的可用路径为止，此时收敛的路径即为最短路径；该指标表示的长度是指上述最短路径计算策略中，根据该策略计算规则定义的指标长度；

每次迭代时，首先将全网权重按等比例缩减，然后加上本轮找到的对应路径的权重，路径越短，增幅越高；经过多轮全网缩减-指定路径增幅的循环后，此时从源到目标权重最高的方向即为收敛的最短路径方向。

2.根据权利要求1所述的基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，其特征在于，该方法还包括：

在有批量计算请求时，并行对各个请求进行迭代优化，然后汇总可用路径，并同步或异步输出。

3.根据权利要求1所述的基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，其特征在于，所述约束条件为路由距离、端到端时延、利用率、丢包率、流量占用、保留带宽和亲和平面的属性约束，以及必经节点/链路和避让节点/链路的路径约束中的一种或多种条件的组合。

4.根据权利要求1所述的基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，其特征在于，所述启发式算法使用蚁群算法实现。

5.根据权利要求1所述的基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，其特征在于，所述启发式算法以端到端基于SPF的最短路径作为起始输入条件，该路径上每一跳节点权重为200％，其它方向权重为100％。

6.根据权利要求1所述的基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，其特征在于，选择权重的所述启发函数支持组合算路因子。

7.根据权利要求1所述的基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，其特征在于，对于所述约束条件，包括端到端时延、保留带宽和避让节点/链路，从不完整路径选择备选方向时即可判断出是否合法；

对于所述约束条件，包括亲和平面和必经节点/链路，仅任意一跳满足亲和/经过指定路径点即可，仅在全路径计算完成后判断是否可用。

8.根据权利要求1所述的基于启发式算法的动态多因子路径计算方法，其特征在于，所述启发式算法流程还包括：

对于启用主备保护的路径计算，如果存在可用的主路径，将主路径上每一跳作为避让方向加入约束条件，重新计算满足该约束条件的路径，即可得到同时满足原本约束和避开主路径的另一条最短路径，此路径可作为保护的备用路径。

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