CN115865796A - 路由器标签交换的路径规划方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种路由器标签交换的路径规划方法，所述方法执行以下步骤：设置路由矩阵，当路由矩阵中的任意的目标路由器开始标签交换时，以目标路由器为中心，从内到外划分多个路由分层；当目标路由器开始标签交换时，目标路由实时获取第一路由分层中的所有路由器的运行数据信息，根据运行数据信息计算第一路由分层中所有路由器的路径权重，筛选出路径权重值最高的三个路由器，作为第一路由分层中的节点路由，将标签发送至节点路由；当终点路由器接收到标签后，按照目标路由器发送过来的标签的路径，进行逆传输，完成本次标签交换。本发明的方法通过路由分层提升了标签交换的效率，同时确保了确立的最短路径的准确性。

Description

路由器标签交换的路径规划方法
技术领域
本发明涉及路由器技术领域，尤其涉及路由器标签交换的路径规划方法。
背景技术
路由器（Router）是连接两个或多个网络的硬件设备，在网络间起网关的作用，是读取每一个数据包中的地址然后决定如何传送的专用智能性的网络设备。它能够理解不同的协议，例如某个局域网使用的以太网协议，因特网使用的TCP/IP协议。这样，路由器可以分析各种不同类型网络传来的数据包的目的地址，把非TCP/IP网络的地址转换成TCP/IP地址，或者反之；再根据选定的路由算法把各数据包按最佳路线传送到指定位置。所以路由器可以把非TCP/IP网络连接到因特网上。
路由器使用路由协议来交换和累积描述网络的拓扑信息。这允许路由器构建其自己的网络路由拓扑图。在接收到传入数据分组时，路由器检查分组内的密钥信息，并且根据所累积的拓扑信息转发分组。
很多路由协议落入称为内部网关协议(IGP)的协议类别，在IGP 中，使用基于洪泛的分发机制来向网络内的路由器通告拓扑信息。这些路由协议通常依赖于要求路由器中的每一个针对给定域(称为IGP 区域或域)具有同步路由拓扑信息的路由算法。根据链路状态路由协议来维持的链路状态数据库(LSDB)或通信量工程数据库(TED) 的内容具有IGP域的范围。IGP路由协议通常要求IGP路由域中的所有路由器都在内部LSDB或TED内存储已经根据IGP协议而被分发的所有路由信息。在操作中，每个路由器通常维持内部链路状态数据库，并且以定义的时间间隔扫描整个数据库以生成和输出链路状态消息，从而将数据库同步到路由域内的相邻路由器。以这种方式，链路状态跨整个路由域被传播并且被完整存储在该域内的每个路由器上。
现有技术中，路由器使用基于分组的标签交换协议来实现功能，但该过程中标签交换的路径往往都按照既定路径来实现，没有通过最短路径来进行标签转发，即便进行了一定程度的路径规划，但路径规划准确率也难以得到保障。
专利申请号为CN109257278B的专利文献公开了用于建立分段路由标签交换路径(LSP)而不管沿着最短路径的路由器是否未针对分段路由被启用的技术。例如，跨未针对分段路由被启用的路由器来建立资源预留LSP(例如，资源预留协议(RSVP)LSP)，使得可以建立分段路由LSP以隧穿通过资源预留LSP。例如，当集中式控制器接收到使用分段路由来建立路径的请求时，沿着最短路径的一个或多个路由器可能未针对分段路由被启用。代替响应于确定所选择的路径中的一个或多个路由器未针对分段路由被启用而拒绝建立分段路由LSP的请求，控制器可以建立资源预留LSP以在未针对分段路由被启用的路由器周围遂穿。
同样的，该专利文献公开的技术方案通过无视分段路由是否被启用来建立交换路径，始终无法解决在路由器进行大量标签交换时的标签拥堵问题，以及分段路由在停用状态下很容易导致标签转发失败的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供路由器标签交换的路径规划方法，通过路由分层，以保证目标路由器发送的标签在不同地方的停留时间不同来防止标签交换过程中的碰撞发生，同时通过路由分层的方式最短路径规划则变成了各个路由分层之间的事情，而不需要目标路由器或者其他的控制中心来进行决策，将路径规划变成了分布式任务，大幅度提升了系统的流畅性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
路由器标签交换的路径规划方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：设置路由矩阵，所述路由矩阵由多个路由器按照N乘以N的矩阵方式进行排列组成；N值至少为16；
步骤2：当路由矩阵中的任意的目标路由器开始标签交换时，以目标路由器为中心，从内到外划分多个路由分层，具体包括：将与目标路由器相邻的8个路由器作为第一路由分层，将第一路由分层中的路由器相邻的16个路由器作为第二路由分层，以此类推，直到路由分层涵盖了所有的终点路由器；
步骤3：当目标路由器开始标签交换时，目标路由实时获取第一路由分层中的所有路由器的运行数据信息，根据运行数据信息计算第一路由分层中所有路由器的路径权重，筛选出路径权重值最高的三个路由器，作为第一路由分层中的节点路由，将标签发送至节点路由；三个节点路由再分别计算第二路由分层中的所有路由器的路径权重，各自筛选出路径权重值最高的一个路由器，以此类推，当到达最后涵盖了终点路由器的路由层时，上一层的节点路由均与终点路由器相连接；
步骤4：当终点路由器接收到标签后，发出广播信号至上一层路由分层中，通知上一层路由分层中的所有路由器在接收到标签后，删除标签；同时终点路由器发出需要交换的标签至节点路由，按照目标路由器发送过来的标签的路径，进行逆传输，完成本次标签交换。
进一步的，所述标签在不同路由分层停留时间不同。
进一步的，所述标签在不同路由分层停留时间按照该路由分层距离目标路由器的距离远近而不同；所述标签在越靠近目标路由器的路由分层中的路由器的停留时间越长。
进一步的，所述标签在不同路由分层中停留的时间通过如下公式计算得到：
Figure SMS_1
；其中，/>
Figure SMS_2
为停留时间，/>
Figure SMS_3
为标签所处的路由分层的层数，/>
Figure SMS_4
为标准预设时间，/>
Figure SMS_5
为当前路由分层中的路由器数量，/>
Figure SMS_6
为当前路由分层的上一路由分层中的路由器数量；/>
Figure SMS_7
为路由分层的总层数。
进一步的，所述路由器的运行数据信息包括：实时吞吐量、线速转发率、内存占用率和信道占用率。
进一步的，所述根据运行数据信息计算路由器的路径权重的方法包括：将运行数据信息代入到路径权重计算公式中计算出路径权重。
进一步的，所述路径权重计算公式使用如下公式进行表示：
Figure SMS_8
；其中，/>
Figure SMS_9
为路径权重，/>
Figure SMS_10
为实时吞吐量，/>
Figure SMS_11
为线速转发率，/>
Figure SMS_12
为内存占用率，/>
Figure SMS_13
为信道占用率。
进一步的，所述第一路由分层以外的其他路由分层中的节点路由在计算相邻分层的路由器的路径权重后，若各自筛选出的路径权重最高的路由器为同一个路由器时，距离目标路由器距离更大的节点路由重新计算相邻分层中其他路由器的路径权重，并将计算出的路径权重最高的路由器作为连接的相邻分层中的节点路由。
进一步的，所述终点路由器发出的广播信号将发送到距离其自身最近的至少三个路由分层中。
进一步的，所述终点路由器发出的标签在经过所有路由层到达目标路由器，完成逆传输过程中，中间节点在各个路由层停留的时间均相等。
采用上述技术方案，本发明具备以下有意效果：
1.效率高：本发明的最短路径确立过程由单一计算端转移到了各个路由分层中的各个路由器中，各个路由器也只需要计算下一个路由分层的最短路径，这样将所有的各个路由分层的最短路径连接起来就是最终的最短路径；提升了最短路径建立的效率。
2.交换成功率高：本发明的标签换过过程在各个路由分层之间停留的时间是不同的，且越靠近目标路由器的路由分层中停留的时间越长，这样可以放置标签转发过程中的碰撞问题发生，因为当目标路由器的标签发出后，如果就以很快的速度传递到后续的路由分层中的路由器中，这些路由器可能尚且没有完成最短路径的建立，而且很可能这些路由器正在处理标签交换，极其容易导致碰撞发生，本发明的方法可以有效降低碰撞发生率，提升标签交换的成功率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的路由器标签交换的路径规划方法的方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的路由器标签交换的路径规划方法的路由分层的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的路由器标签交换的路径规划方法的标签在最短路径中传输的原理示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
路由器标签交换的路径规划方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：设置路由矩阵，所述路由矩阵由多个路由器按照N乘以N的矩阵方式进行排列组成；N值至少为16；
步骤2：当路由矩阵中的任意的目标路由器开始标签交换时，以目标路由器为中心，从内到外划分多个路由分层，具体包括：将与目标路由器相邻的8个路由器作为第一路由分层，将第一路由分层中的路由器相邻的16个路由器作为第二路由分层，以此类推，直到路由分层涵盖了所有的终点路由器；
步骤3：当目标路由器开始标签交换时，目标路由实时获取第一路由分层中的所有路由器的运行数据信息，根据运行数据信息计算第一路由分层中所有路由器的路径权重，筛选出路径权重值最高的三个路由器，作为第一路由分层中的节点路由，将标签发送至节点路由；三个节点路由再分别计算第二路由分层中的所有路由器的路径权重，各自筛选出路径权重值最高的一个路由器，以此类推，当到达最后涵盖了终点路由器的路由层时，上一层的节点路由均与终点路由器相连接；
步骤4：当终点路由器接收到标签后，发出广播信号至上一层路由分层中，通知上一层路由分层中的所有路由器在接收到标签后，删除标签；同时终点路由器发出需要交换的标签至节点路由，按照目标路由器发送过来的标签的路径，进行逆传输，完成本次标签交换。
具体的，路由分层的思想本质上是化整为零的思想，通过将最短路径的建立设置到各个不同的路由分层，可以有效提升最短路径建立的效率。
在最短路径建立过程中，第一路由分层中是有三个节点路由的，而目标路由器发出的标签也有同样的三个，分别发送到三个节点路由中。
在后续的其他路由分层中，则仅有一个节点路由对应上一层的一个节点路由，这就使得最终生成的最短路径有且仅有三条。
通过设置三条最短路径，可以提升标签交换的成功率，避免因为标签交换碰撞导致的失败。
具体的，由于本发明通过路由矩阵的方式来实现本发明的技术方案。这就使得必须要构成路由矩阵，才能适用本发明的技术方案。
在N值小于16的情况下，无法构成路由矩阵。
实施例2
在上一实施例的基础上，所述标签在不同路由分层停留时间不同。
具体的，新一代路由器使用转发缓存来简化分组的转发操作。在快速转发过程中，只需对一组具有相同目的地址和源地址的分组的前几个分组进行传统的路由转发处理，并把成功转发的分组的目的地址、源地址和下一网关地址 (下一路由器地址) 放入转发缓存中。当其后的分组要进行转发时，应先查看转发缓存，如果该分组的目的地址和源地址与转发缓存中的匹配，则直接根据转发缓存中的下一网关地址进行转发，而无需经过传统的复杂操作，大大减轻了路由器的负担，从而达到了提高路由器吞吐量的目标。
参考图2，图2为本发明实施例提供的路由器标签交换的路径规划方法的路由分层的结构示意图。通过图2，可以看到，路由矩阵每一路由分层与前述所有的路由分层构成了正方形的路由矩阵。
参考图3，图3为本发明实施例提供的路由器标签交换的路径规划方法的标签在最短路径中传输的原理示意图。
通过图3，可以看到，路由器标签交换，将找到最短路径路径路径进行标签交换。
实施例3
在上一实施例的基础上，所述标签在不同路由分层停留时间按照该路由分层距离目标路由器的距离远近而不同；所述标签在越靠近目标路由器的路由分层中的路由器的停留时间越长。
实施例4
在上一实施例的基础上，所述标签在不同路由分层中停留的时间通过如下公式计算得到：
Figure SMS_14
；其中，/>
Figure SMS_15
为停留时间，/>
Figure SMS_16
为标签所处的路由分层的层数，/>
Figure SMS_17
为标准预设时间，/>
Figure SMS_18
为当前路由分层中的路由器数量，/>
Figure SMS_19
为当前路由分层的上一路由分层中的路由器数量；/>
Figure SMS_20
为路由分层的总层数。
实施例5
在上一实施例的基础上，所述路由器的运行数据信息包括：实时吞吐量、线速转发率、内存占用率和信道占用率。
具体的，传统路由器在转发每一个分组时，都要进行一系列复杂操作，包括路由查找、访问控制表匹配、地址解析、优先级管理以及其他附加操作。这些操作大大影响了路由器的性能与效率，降低了分组转发速率和转发的吞吐量，增加了CPU的负担。经过路由器的前后分组间的相关性很大，具有相同目的地址和源地址的分组往往连续到达，这为分组的快速转发提供了实现的可能与依据。新一代路由器，如IP Switch、Tag Switch等，就是采用这一设计思想用硬件以实现快速转发，从而大大提高了路由器的性能与效率。
实施例6
在上一实施例的基础上，所述根据运行数据信息计算路由器的路径权重的方法包括：将运行数据信息代入到路径权重计算公式中计算出路径权重。
实施例7
在上一实施例的基础上，所述路径权重计算公式使用如下公式进行表示：
Figure SMS_21
；其中，/>
Figure SMS_22
为路径权重，/>
Figure SMS_23
为实时吞吐量，/>
Figure SMS_24
为线速转发率，/>
Figure SMS_25
为内存占用率，/>
Figure SMS_26
为信道占用率。
具体的，路径权重反映了一个路由器的可用程度，如果这个路由器当前处于比较繁忙的状态，则其路径权重值则较低，此时如果将标签通过这个路由器进行转发或交换，则很容易导致延迟发生，降低效率，也很容易导致碰撞的发生。
实施例8
在上一实施例的基础上，所述第一路由分层以外的其他路由分层中的节点路由在计算相邻分层的路由器的路径权重后，若各自筛选出的路径权重最高的路由器为同一个路由器时，距离目标路由器距离更大的节点路由重新计算相邻分层中其他路由器的路径权重，并将计算出的路径权重最高的路由器作为连接的相邻分层中的节点路由。
实施例9
在上一实施例的基础上，所述终点路由器发出的广播信号将发送到距离其自身最近的至少三个路由分层中。
实施例10
在上一实施例的基础上，所述终点路由器发出的标签在经过所有路由层到达目标路由器，完成逆传输过程中，中间节点在各个路由层停留的时间均相等。
从过滤网络流量的角度来看，路由器的作用与交换机和网桥非常相似。但是与工作在网络数据链路层，从物理上划分网段的交换机不同，路由器使用专门的软件协议从逻辑上对整个网络进行划分。例如，一台支持IP协议的路由器可以把网络划分成多个子网段，只有指向特殊IP地址的网络流量才可以通过路由器。对于每一个接收到的数据包，路由器都会重新计算其校验值，并写入新的物理地址。因此，使用路由器转发和过滤数据的速度往往要比只查看数据包物理地址的交换机慢。但是，对于那些结构复杂的网络，使用路由器可以提高网络的整体效率。路由器的另外一个明显优势就是可以自动过滤网络广播。总体上说，在网络中添加路由器的整个安装过程要比即插即用的交换机复杂很多。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.路由器标签交换的路径规划方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：
步骤1：设置路由矩阵，所述路由矩阵由多个路由器按照N乘以N的矩阵方式进行排列组成；N值至少为16；
步骤2：当路由矩阵中的任意的目标路由器开始标签交换时，以目标路由器为中心，从内到外划分多个路由分层，具体包括：将与目标路由器相邻的8个路由器作为第一路由分层，将第一路由分层中的路由器相邻的16个路由器作为第二路由分层，以此类推，直到路由分层涵盖了所有的终点路由器；
步骤3：当目标路由器开始标签交换时，目标路由实时获取第一路由分层中的所有路由器的运行数据信息，根据运行数据信息计算第一路由分层中所有路由器的路径权重，筛选出路径权重值最高的三个路由器，作为第一路由分层中的节点路由，将标签发送至节点路由；三个节点路由再分别计算第二路由分层中的所有路由器的路径权重，各自筛选出路径权重值最高的一个路由器，以此类推，当到达最后涵盖了终点路由器的路由层时，上一层的节点路由均与终点路由器相连接；
步骤4：当终点路由器接收到标签后，发出广播信号至上一层路由分层中，通知上一层路由分层中的所有路由器在接收到标签后，删除标签；同时终点路由器发出需要交换的标签至节点路由，按照目标路由器发送过来的标签的路径，进行逆传输，完成本次标签交换。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标签在不同路由分层停留时间不同。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述标签在不同路由分层停留时间按照该路由分层距离目标路由器的距离远近而不同；所述标签在越靠近目标路由器的路由分层中的路由器的停留时间越长。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述标签在不同路由分层中停留的时间通过如下公式计算得到：
Figure QLYQS_1
；其中，/>
Figure QLYQS_2
为停留时间，/>
Figure QLYQS_3
为标签所处的路由分层的层数，/>
Figure QLYQS_4
为标准预设时间，/>
Figure QLYQS_5
为当前路由分层中的路由器数量，/>
Figure QLYQS_6
为当前路由分层的上一路由分层中的路由器数量；/>
Figure QLYQS_7
为路由分层的总层数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述路由器的运行数据信息包括：实时吞吐量、线速转发率、内存占用率和信道占用率。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据运行数据信息计算路由器的路径权重的方法包括：将运行数据信息代入到路径权重计算公式中计算出路径权重。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述路径权重计算公式使用如下公式进行表示：
Figure QLYQS_8
；其中，/>
Figure QLYQS_9
为路径权重，/>
Figure QLYQS_10
为实时吞吐量，/>
Figure QLYQS_11
为线速转发率，/>
Figure QLYQS_12
为内存占用率，/>
Figure QLYQS_13
为信道占用率。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一路由分层以外的其他路由分层中的节点路由在计算相邻分层的路由器的路径权重后，若各自筛选出的路径权重最高的路由器为同一个路由器时，距离目标路由器距离更大的节点路由重新计算相邻分层中其他路由器的路径权重，并将计算出的路径权重最高的路由器作为连接的相邻分层中的节点路由。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述终点路由器发出的广播信号将发送到距离其自身最近的至少三个路由分层中。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述终点路由器发出的标签在经过所有路由层到达目标路由器，完成逆传输过程中，中间节点在各个路由层停留的时间均相等。
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