CN115208820B

CN115208820B - 一种RapidIO交换网络的路由自动规划方法

Info

Publication number: CN115208820B
Application number: CN202210729887.2A
Authority: CN
Inventors: 蒋辰浩; 叶茂; 周细平; 阮翔
Original assignee: CETC 52 Research Institute
Current assignee: CETC 52 Research Institute
Priority date: 2022-06-24
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2024-05-14
Anticipated expiration: 2042-06-24
Also published as: CN115208820A

Abstract

本发明公开了一种RapidIO交换网络的路由自动规划方法，包括：获取RapidIO交换网络的交换机集合和节点集合；设置专线，将各专线转化为路由路径并记录；从交换机集合和节点集合中选取一对未规划最优路由路径的交换机和节点，若两者直连，直接记录最优路由路径，否则，判断路由路径是否为专线，若是，根据搜索到的路由路径完成规划并设置专线占用标志，否则，根据再次搜索到的路由路径完成规划并设置均衡占用标志，若未搜索到则清除均衡占用标志重新搜索；遍历完后根据最优路由路径为各交换机分配路由。该方法优化了网络链路负载、传输路径跳数等指标，同时为大数据流规划了独立通信专线，提高了网络整体性能，实现全自动路由分配。

Description

一种RapidIO交换网络的路由自动规划方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种RapidIO交换网络的路由自动规划方法。

背景技术

RapidIO早期是为计算密集型信号处理系统自行开发的总线技术，主要面向高性能的嵌入式系统互连通信。基于RapidIO通信体系架构技术的系统在电信、国防(如雷达系统)、医疗等行业大量使用。

为实现Rapidio交换网络中各终端设备的互相通信，需要为网络中的Rapidio交换设备配置路由。目前常用的软件路由分配算法最早出现在Linux2-6-x操作系统中，在该算法中以主节点为起点基于深度优先的搜索策略对拓扑网络进行扫描，扫描完成后分配路由，该算法仅可以保障所有设备的互相通信，没有网络性能优化方面的考虑。当RapidIO网络规模庞大，存在大量节点与环路时，为了提高网络的整体性能，一般采取人工计算后再分配路由的方法。

现有的路由规划方法以Linux系统中的动态枚举算法为例，它通过深度优先算法扫描网络，形成以主节点为根，其他节点为叶的树形拓扑，完成树形拓扑扫描后会分配基础路由，在路由分配策略上没有进行任何优化，仅能保证各节点间可互相通信，对于大型交换网络存在较大的局限性。如图1所示，展示了一个大型的RapidIO交换网络连接关系拓扑图，以节点1为主节点使用现有的路由分配方法，所得到的路由转发路径在图中以实线形式标出，未使用的连接链路以虚线形式标出。该方案存在如下缺陷：

1)路由均衡缺陷，如图1所示，交换机之间链路一共有24条，而枚举扫描结果中只利用了5条，利用率仅达20.8％。链路利用率低导致每个端口承担的数据传输流量不均衡，即负载不均衡，导致数据出现拥塞，整体数据传输性能较低，图2展示了现有方法对应的端口负载均衡情况(即分配的路由中各交换机端口上的路由目的ID数目)；

2)在实际应用场景中，某些节点之间有大数据量通信带宽的需求，而其他节点间仅是小数据量通信，现有方法无法满足为这些节点优先保障传输带宽，无法实现定制化带宽需求；

3)部分节点间路由路径冗长，这里路径长度指数据报文传输中需要经过的交换机数量。如图1所示，交换机5和交换机6之间需要通过交换机2-交换机3-交换机1才能实现通信，而较佳的情况下只需要经过交换机2即可实现通信。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种RapidIO交换网络的路由自动规划方法，该方法有效优化了RapidIO网络的链路负载、传输路径跳数等指标，同时为大数据流规划了独立的通信专线，提高了RapidIO网络的整体性能，实现全自动路由分配。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

本发明提出的一种RapidIO交换网络的路由自动规划方法，应用于RapidIO交换网络，RapidIO交换网络包括O个交换机和M个节点，RapidIO交换网络的路由自动规划方法包括如下步骤：

S1、获取RapidIO交换网络的交换机集合S＝{S1,S2,…,Sn,…,SN}和节点集合E＝{E1,E2,…,Em,…,EM}，其中，Sn为第n个交换机，n＝1,2,…,N，N为具有直连节点的交换机总数，且N≤O，Em为第m个节点，m＝1,2,…,M；

S2、设置若干个专线，将各专线对应转化为路由路径并进行记录，专线由两个节点组成并具有方向性，路由路径由若干个数据链路组成，表示为R＝{(Sx₁,Y₁),(Sx₂,Y₂),…,(Sx_k,Y_k),…,(Sx_n,Y_n)}，其中，(Sx_k,Y_k)指以Sx_k交换机Y_k端口为起点正方向上的数据链路，x_k＝1,2,…,O，且数据链路在路由路径中的顺序表示路径方向；

S3、从交换机集合S和节点集合E中选取一对未规划最优路由路径的交换机Sn和节点Em，判断交换机Sn与节点Em是否直连，若是，将交换机Sn到节点Em的最优路由路径记为Rb＝(Sn，Pn)，其中，Pn为交换机Sn连接节点Em的端口号，重复执行步骤S3，直至遍历完交换机集合S和节点集合E之间全部元素的配对组合，否则，执行步骤S4；

S4、判断交换机Sn到节点Em的路由路径是否为专线，若是，执行步骤S41，否则，执行步骤S43；

S41、以当前交换机Sn为起点采用深度优先递归搜索算法搜索所有数据链路，搜索过程中若数据链路已有专线占用标志则跳过；

S42、判断是否搜索到路由路径，若是，将最先搜索到的跳数值最小的路由路径作为最终路由路径R，并记R为最优路由路径Rb，为最优路由路径Rb中交换机间的所有数据链路设置专线占用标志，完成交换机Sn到节点Em最优路由路径的规划，返回执行步骤S3，直至遍历完交换机集合S和节点集合E之间全部元素的配对组合，否则，表示该专线规划失败，执行步骤S43；

S43、以当前交换机Sn为起点采用深度优先递归搜索算法搜索所有数据链路，搜索过程中若数据链路已有均衡占用标志则跳过；

S44、判断是否搜索到路由路径，若是，将最先搜索到的跳数值最小的路由路径作为最终路由路径R，并记R为最优路由路径Rb，为最优路由路径Rb中交换机间的所有数据链路设置均衡占用标志，完成交换机Sn到节点Em最优路由路径的规划，返回执行步骤S3，直至遍历完交换机集合S和节点集合E之间全部元素的配对组合，否则，清除所有数据链路的均衡占用标志，返回执行步骤S43；

S5、根据所有最优路由路径Rb为各交换机分配路由。

优选地，采用深度优先递归搜索算法搜索所有数据链路按端口号递增顺序进行。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)该方法有效优化了RapidIO交换网络的链路负载、传输路径跳数等指标，同时为大数据流规划了独立的通信专线，提高了RapidIO交换网络的整体性能，使网络在满足带宽定制化需求前提下达到负载均衡，同时减小了路径的平均传输跳数，提高了数据链路利用率；

2)该方法可实现全自动路由分配，大大降低网络设计人员的工作量，尤其适用于大型RapidIO交换网络的快速路由自动规划；

3)该方法在路径规划时在路径选择上采取的是专线优先级>均衡优先级>路径跳数优先级的策略，便于用户根据实际需求对优先级判别顺序进行适应性调整。

附图说明

图1为现有技术的RapidIO交换网络连接关系拓扑图；

图2为现有技术的端口负载均衡情况示意图；

图3为本发明的RapidIO交换网络的路由自动规划方法流程图；

图4为本发明的路由路径示意图；

图5为本发明的RapidIO交换网络连接关系拓扑图；

图6为本发明的端口负载均衡情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。

本申请中相关术语说明如下：

1.路由：

RapidIO网络由交换机和节点，以及它们之间的通信链路组成。网络中的各节点之间通过彼此的节点ID标识进行通信，节点发出的数据报文中会标识目的节点ID，当交换机收到该数据报文时会根据节点ID值查找本地的路由表，找到对应的转发端口将该数据报文转发。例如图4中一个数据报文从E1发送到E6，首先交换机S1会根据路由表找到端口3进行转发，随后数据报文到达交换机S3，交换机S3根据路由表找到端口7进行转发，反方向亦然。

路由路径指节点之间的路由转发路径，如图4中从E1到E6的路由路径(S1,3),(S3,7)。

2.路径跳数：

数据报文在RapidIO网络中传输时所需经过的交换机数目被称为跳数，跳数越多数据报文转发次数越多，数据传输效率越低。如图4中E1到E6的路径跳数为2。

3.负载均衡：

RapidIO网络的交换机负载均衡情况指该交换机路由表中转发到各端口的目的ID数目的分布情况，例如图2中第一列交换机1(交换1)的端口00有18个目的ID，而端口02、03仅0个目的ID，使用标准差的大小来衡量这种均衡度。

负载不均衡时发送向各目的ID的大量数据包共用同一条数据链路，导致数据拥塞，网络数据吞吐率下降。负载均衡后数据链路资源能得到充分的利用。

4.专线：

在一个复杂网络中部分节点间需要传输大批量数据流(例如数据采集节点与数据处理节点间需要传输大量的原始数据，数据处理节点与数据存储节点需要传输大量的待存储数据)，而其他节点间仅是小数据量的控制命令传输，在这种情景下需要优先保障大数据流的通信带宽，为大数据流开辟的专属通信数据链路称为专线。专线可以与小数据量的数据流公用数据链路，与其他大数据流间数据链路互相独立。

如图3-6所示，一种RapidIO交换网络的路由自动规划方法，应用于RapidIO交换网络，RapidIO交换网络包括O个交换机和M个节点，RapidIO交换网络的路由自动规划方法包括如下步骤：

S1、获取RapidIO交换网络的交换机集合S＝{S1,S2,…,Sn,…,SN}和节点集合E＝{E1,E2,…,Em,…,EM}，其中，Sn为第n个交换机，n＝1,2,…,N，N为具有直连节点的交换机总数，且N≤O，Em为第m个节点，m＝1,2,…,M。

S2、设置若干个专线，将各专线对应转化为路由路径并进行记录，专线由两个节点组成并具有方向性，路由路径由若干个数据链路组成，表示为R＝{(Sx₁,Y₁),(Sx₂,Y₂),…,(Sx_k,Y_k),…,(Sx_n,Y_n)}，其中，(Sx_k,Y_k)指以Sx_k交换机Y_k端口为起点正方向上的数据链路，x_k＝1,2,…,O，且数据链路在路由路径中的顺序表示路径方向。

S3、从交换机集合S和节点集合E中选取一对未规划最优路由路径的交换机Sn和节点Em，判断交换机Sn与节点Em是否直连，若是，将交换机Sn到节点Em的最优路由路径记为Rb＝(Sn，Pn)，其中，Pn为交换机Sn连接节点Em的端口号，重复执行步骤S3，直至遍历完交换机集合S和节点集合E之间全部元素的配对组合，否则，执行步骤S4。

S4、判断交换机Sn到节点Em的路由路径是否为专线，若是，执行步骤S41，否则，执行步骤S43。步骤S2中已完成将各专线对应转化为路由路径并进行记录，即若存在节点Ei到节点Em的专线且节点Ei与交换机Sn直连，认为交换机Sn到节点Ei的路由路径为专线，i＝1,2,…,M。

S41、以当前交换机Sn为起点采用深度优先递归搜索算法搜索所有数据链路，搜索过程中若数据链路已有专线占用标志则跳过。

S42、判断是否搜索到路由路径，若是，将最先搜索到的跳数值最小的路由路径作为最终路由路径R，并记R为最优路由路径Rb，为最优路由路径Rb中交换机间的所有数据链路设置专线占用标志，完成交换机Sn到节点Em最优路由路径的规划，返回执行步骤S3，直至遍历完交换机集合S和节点集合E之间全部元素的配对组合，否则，表示该专线规划失败，执行步骤S43。

S43、以当前交换机Sn为起点采用深度优先递归搜索算法搜索所有数据链路，搜索过程中若数据链路已有均衡占用标志则跳过。

S44、判断是否搜索到路由路径，若是，将最先搜索到的跳数值最小的路由路径作为最终路由路径R，并记R为最优路由路径Rb，为最优路由路径Rb中交换机间的所有数据链路设置均衡占用标志，完成交换机Sn到节点Em最优路由路径的规划，返回执行步骤S3，直至遍历完交换机集合S和节点集合E之间全部元素的配对组合，否则，清除所有数据链路的均衡占用标志，返回执行步骤S43。

S5、根据所有最优路由路径Rb为各交换机分配路由。

在一实施例中，采用深度优先递归搜索算法搜索所有数据链路按端口号递增顺序进行。需要说明的是，搜索顺序还可根据实际需求调整，如还可按端口号递减顺序进行等。

以下通过具体实施例进行详细说明：

如图5所示，RapidIO交换网络包括3个交换机和8个节点，RapidIO交换网络所有拥有直连节点的交换机集合为S，所有节点集合为E，则本实施例满足交换机集合S＝{S1,S2,S3}，节点集合E＝{E1,E2,E3,E4,E5,E6,E7,E8}。本方法的目标是为集合S中的每个交换机，规划出去往E中每一个节点的最优路由路径Rb。

数据链路指RapidIO交换网络中各节点间的连接关系，数据链路是有方向的，即A节点到B节点的数据链路与B节点到A节点的数据链路是两条独立的数据链路。数据链路表示为(Sx_k,Y_k)，指(Sx_k,Y_k)指以Sx_k交换机Y_k端口为起点正方向上的数据链路。路由路径由若干个数据链路组成，表示为R＝{(Sx₁,Y₁),(Sx₂,Y₂),…,(Sx_k,Y_k),…,(Sx_n,Y_n)}，数据链路在路由路径中的顺序表示路径方向，数据链路以先进后出的形式加入路由路径或从路由路径中移除。均衡占用标志与专线占用标志仅设置在交换机之间的数据链路上，对交换机与节点直连的数据链路，不设置这两种标记。

如专线需求包括：(E4，E6)、(E5，E8)、(E1，E7)三组。

1)首先由直连关系可直接得到以下最优路由路径Rb：

S1->E1,R＝{(S1,7)}

S1->E2,R＝{(S1,8)}

S1->E3,R＝{(S1,9)}

S2->E4,R＝{(S2,7)}

S2->E5,R＝{(S2,8)}

S3->E6,R＝{(S3,7)}

S3->E7,R＝{(S3,8)}

S3->E8,R＝{(S3,9)}。

2)搜索S1到E4的路径，得到R＝{(S1,0),(S2,7)}这条路径，其他路径如{(S1,3),(S3,2),(S2,7)}跳数较大舍弃，为(S1,0)设置均衡占用标志。

具体地，S1到E4的路径为非专线，则以S1为起点采用深度优先递归搜索算法搜索所有数据链路，搜索过程中若数据链路已有均衡占用标志则跳过，直至搜索到S1到E4的路由路径R1(如为第一条路径)，记录路由路径R1的跳数值为H1，记R1为最终路由路径R，继续搜索，若搜索到S1到E4的路由路径R2(如为第二条路径)，记录路由路径R2的跳数值为H2，判断是否满足H2≥H1，若是，则放弃路由路径R2，仍视R1为最终路由路径R，若H2＜H1，则更新R2为最终路由路径R，依次类推，继续搜索其他数据链路，直至搜索完所有数据链路，将最先搜索到的跳数值最小的路由路径作为最终路由路径R，并记R为最优路由路径Rb，为最优路由路径Rb中交换机间的所有数据链路设置均衡占用标志。其他非专线路径搜索同理。

3)搜索S1到E5的路径，避开有均衡标志的(S1,0)后得到R＝{(S1,1),(S2,8)}，搜索到的其他路径因跳数比R大被舍弃，为(S1,1)设置均衡占用标志。

4)搜索S1到E6的路径，避开(S1,0)、(S1,1)，得到R＝{(S1,3),(S2,7)}，其他路径因跳数不小于R被舍弃，为(S1,3)设置均衡占用标志。

5)搜索S1到E7的路径(专线)，无视均衡占用标志，找到R1＝{(S1,0),(S2,0),(S3,8)}，将R1视为R，此后找到R2＝{(S1,3),(S3,8)}跳数较小，R变更为R2，为(S1,3)设置专线占用标志。

具体地，S1到E7的路径为专线，则以S1为起点采用深度优先递归搜索算法搜索所有数据链路，搜索过程中若数据链路已有专线占用标志则跳过，直至搜索到S1到E7的路由路径R1(如为第一条路径)，记录路由路径R1的跳数值为H1，记R1为最终路由路径R，继续搜索，若搜索到S1到E7的路由路径R2(如为第二条路径)，记录路由路径R2的跳数值为H2，判断是否满足H2≥H1，若是，则放弃路由路径R2，仍视R1为最终路由路径R，若H2＜H1，则更新R2为最终路由路径R，依次类推，继续搜索其他数据链路，直至搜索完所有数据链路，将最先搜索到的跳数值最小的路由路径作为最终路由路径R，并记R为最优路由路径Rb，为最优路由路径Rb中交换机间的所有数据链路设置专线占用标志。其他专线路径搜索同理。

6)搜索S1到E8的路径，因(S1,0)、(S1,1)、(S1,3)都有均衡占用而跳过，找到R1＝{(S1,4),(S3,9)}，记R为R1，为(S1,4)设置均衡占用标志。

7)搜索S2到E1的路径，经跳数判断后得到R＝{(S2,3),(S1,7)}，为(S2,3)设置均衡占用标志。

8)搜索S2到E2的路径，经均衡判断(即是否已有均衡占用标志)和跳数判断后得到R＝{(S2,4),(S1,8)}，为(S2,4)设置均衡占用标志。

9)搜索S2到E3的路径，经均衡判断和跳数判断后得到R＝{(S2,0),(S3,3),(S1,9)}，为(S2,0)、(S3,3)设置均衡占用标志。

10)搜索S2到E6的路径(专线)，专线无视均衡标志，经均跳数判断后得到R＝{(S2,0),(S3,7),}，为(S2,0)设置专线占用标志。

11)搜索S2到E7的路径，经均衡判断和跳数判断后得到R＝{(S2,1),(S3,8)}，为(S2,1)设置均衡占用标志。

12)搜索S2到E8的路径(专线)，专线无视均衡标志，由于(S2,0)有专线占用标志，跳过后得到R＝{(S2,1),(S3,9)}，为(S2,1)设置专线占用标志。

13)搜索S3到E1路径，经跳数判断和均衡判断后得到R＝{(S3,4),(S1,7)}，为(S3,4)设置均衡占用标志。

14)搜索S3到E2路径，由于(S2,3),(S2,4),(S3,3),(S3,4)都有均衡占用标记，搜索失败，清除所有均衡占用标记重新搜索，再经过跳数判断后得到R＝{(S3,3),(S1,8)}，为(S3,3)设置均衡占用标志。

15)搜索S3到E3路径，经跳数判断和均衡判断后得到R＝{(S3,4),(S1,9)}，为(S3,4)设置均衡占用标志。

16)搜索S3到E4路径，经均衡判断和跳数判断后得到R＝{(S3,1),(S2,7)}，为(S3,1)设置均衡占用标志。

17)搜索S3到E5路径，经均衡判断和跳数判断后得到R＝{(S3,2),(S2,8)}，为(S3,2)设置均衡占用标志。

18)至此所有最终路由路径R均已搜索完毕，并将交换机集合S和节点集合E中每一对交换机Sn和节点Em获取的R视为其最优路由路径Rb。

19)将最优路由路径Rb转化为各交换机的路由信息，例如S3到E5的路由路径R＝{(S3,2),(S2,8)}，则S3去往E5的路由端口为2，S2去往E5的路由端口为8。

本方法采用图1所示的现有技术进行了路由分配实验，与现有的路由规划方法相比提高了以下性能：

1.节点间路由路径的平均跳数从3.09跳降低到2.57跳；

2.交换机间的数据链路利用率从20.8％提高到100％；

3.数据链路均衡情况，优化前如图2所示，优化后如图6所示，网络中6个交换机的端口均衡度显著降低(平均标准差从4.46下降到0.69)。

该方法有效优化了RapidIO交换网络的链路负载、传输路径跳数等指标，同时为大数据流规划了独立的通信专线，提高了RapidIO交换网络的整体性能，使网络在满足带宽定制化需求前提下达到负载均衡，同时减小了路径的平均传输跳数，提高了数据链路利用率；可实现全自动路由分配，大大降低网络设计人员的工作量，尤其适用于大型RapidIO交换网络的快速路由自动规划；在路径规划时在路径选择上采取的是专线优先级>均衡优先级>路径跳数优先级的策略，便于用户根据实际需求对优先级判别顺序进行适应性调整。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请描述较为具体和详细的实施例，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种RapidIO交换网络的路由自动规划方法，应用于RapidIO交换网络，所述RapidIO交换网络包括O个交换机和M个节点，其特征在于：所述RapidIO交换网络的路由自动规划方法包括如下步骤：

S2、设置若干个专线，将各专线对应转化为路由路径并进行记录，所述专线由两个节点组成并具有方向性，所述路由路径由若干个数据链路组成，表示为R＝{(Sx₁,Y₁),(Sx₂,Y₂),…,(Sx_k,Y_k),…,(Sx_n,Y_n)}，其中，(Sx_k,Y_k)指以Sx_k交换机Y_k端口为起点正方向上的数据链路，x_k＝1,2,…,O，且数据链路在路由路径中的顺序表示路径方向；

S5、根据所有最优路由路径Rb为各交换机分配路由。

2.如权利要求1所述的RapidIO交换网络的路由自动规划方法，其特征在于：所述采用深度优先递归搜索算法搜索所有数据链路按端口号递增顺序进行。