CN1595904A - 设计生成树虚拟网络的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于设计虚拟VLAN网络的设备，包括包含数据的数据库，所述数据表示了生成树拓扑中的多个VLAN网络，每个VLAN网络由通过链路互连的多个VLAN成员节点构成。响应来自通信网络的网络配置请求，控制电路确定链路的成本，然后通过使用最短路径算法，确定最低成本的单播路径。对最低成本单播路径进行搜索以检测回路。如果检测到了至少一个回路，则封锁回路的成本最高的链路。通过围绕已封锁链路的链路来重新建立已封锁链路的所有单播路径。建立其中所有链路均包含了最低成本单播路径的生成树。将配置命令发送到网络，以便根据所建立的生成树进行网络配置。

Description

设计生成树虚拟网络的方法和设备
技术领域
本发明涉及虚拟网络，更具体地，涉及用于多生成树协议(MSTP)的虚拟局域网(VLAN)的设计设备和方法。
背景技术
根据如技术论文“A Study of VLAN Design Algorithm forTransparent LAN Service with MSTP”，Electronics，Information andCommunications Institute of Japan，B-14-5，467页，2002年9月中所述的已知生成树技术，提出了一种网络管理系统，用于从通信网络接收网络配置请求，并基于由链路利用因子表示的链路成本，根据例如VLAN成员节点的标识和其单播和广播业务的量之类的包含在请求中的信息来设计VLAN生成树拓扑。对于每个网络配置请求，网络管理系统创建了针对同一组VLAN成员节点的多个VLAN拓扑。在每个VLAN拓扑中，通过不同于其它每个VLAN拓扑的生成树的任意生成树中的最小数目的链路来互连VLAN成员节点。对于每个VLAN拓扑，计算总链路成本，并将其与其它VLAN的总链路成本进行比较。针对所接收的网络配置请求，选择具有最小总链路成本的VLAN拓扑。使用多生成树协议(MSTP)将所选定的生成树从网络管理系统下传到通信网络，并根据所设计的业务量和链路成本来配置网络设备和设置其链路成本。
然而，由于链路成本的总和只是用于确定VLAN拓扑的因子，因此在整个网络的负荷分布方面，现有技术不能令人满意。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于设计其中贯穿网络均匀地分布负荷的生成树VLAN拓扑的方法和设备。
总体上，由希望尽可能低的方差来表示负荷离差。在本发明中，通过以下方式来实现低方差：首先计算每个链路的成本，以使任意两个成员节点之间的最短单播路径是针对这两个成员的最低成本路径。然后，将诸如Dijkstra算法的最短路径算法用于发现拓扑的任意两个节点之间的单播业务量的最短路径。
根据本发明的第一方面，提供了一种设计网络的方法，包括步骤：(a)在树形拓扑中设置多个通过链路互连的节点；(b)确定多个链路的链路成本；(c)通过使用最短路径算法，从多个链路成本中确定多个最低成本的单播路径；(d)对单播路径进行搜索，以检测回路；(e)如果通过搜索检测到了至少一个回路，则封锁所检测到回路的链路，并通过围绕已封锁链路的已连接链路，重新建立通过已封锁链路的所有单播路径；以及(f)建立其中所有链路均包含了最低成本单播路径的生成树。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种用于设计网络的设备，包括包含数据的数据库，所述数据表示了生成树拓扑中的多个VLAN网络，每个VLAN网络由通过链路互连的多个VLAN成员节点构成。设置了控制装置，用于确定多个链路的链路成本，通过使用最短路径算法，从多个链路成本中确定多个最低成本的单播路径，对单播路径进行搜索以检测回路，如果通过搜索检测到了至少一个回路，则封锁所检测到的回路的链路，并通过围绕已封锁链路的已连接链路，重新建立通过已封锁链路的所有单播路径，并且建立其中所有链路均包含了最低成本单播路径的生成树。
附图说明
参考附图，将进一步详细描述本发明，其中：
图1是与通信网络相连的本发明的VLAN设计系统的方框图；
图2是初始存储的生成树结构的示意图；
图3A和3B是VLAN设计系统的控制处理器的操作流程图；
图4是在通信网络中当前建立的多个已存储的VLAN的拓扑的图示；
图5是作为执行图3A的流程图的处理器的结果获得的链路成本生成树的图示；
图6A到6G是多个生成树图，用于演示使用最短路径发现算法来确定多个最低成本单播路径的过程，其中每个路径起始于不同的VLAN成员节点；
图7是由图6A到6G的拓扑的叠加得到的拓扑的图示；
图8A到8C是生成树图，用于演示通过发现回路来发现最低成本生成树、封锁回路的最高成本链路和重新建立已封锁链路的所有路径的过程；
图9是通过最低成本生成树发现过程所得到的最低成本生成树的图示；
图10是已显示的生成树图的图示，用于VLAN配置请求的VLAN成员节点的手动入口；
图11是配置请求的单播和广播业务数据的手动入口的图示；
图12是VLAN拓扑的图示，其中每个链路指示了配置请求的总已有带宽和附加带宽；
图13是示出了控制处理器的回路发现模式操作的细节的流程图；
图14是用于回路发现过程的描述的简化树结构的示意图；
图15是当按照图13进行处理时，在上层和下层的节点之间生成树的过程的示意图；以及
图16是示出了根据现有设计算法所导出的生成树结构的三个网络的示意图。
具体实施方式
根据本发明的硬件方面，图1示出了用于确定VLAN(虚拟LAN)的拓扑的典型实施例，其中使用确定最短路径的算法和不具有针对广播业务量的回路的生成树，在网络上均匀地分布了所有链路的业务量负荷。
可以使用个人计算机和相关的外围设备来实现设计系统。实质上，该系统包括用户接口10，用于手动地输入VLAN配置请求的控制处理器11，所述配置请求包括VLAN成员节点(即层-2切换)的标识符及其单播和广播业务量数据。控制处理器11根据从存储介质提供的已编程指令来进行操作。如图2所示，在VLAN配置请求的进入之前，根据通过用户接口10输入的的网络拓扑数据，已编程指令最初命令控制处理器11在存储器13中创建生成树网络拓扑。如图所示，该拓扑是层-2切换节点A到J的树形图并且互连了任意两个节点，其中数字指示了平均业务量(或已占用带宽)。最初，将平均业务量设为零。网络拓扑数据还包括指示了每个链路的最大带宽的数据。
将作为VLAN数据库的存储器14中设置指示了当前正在运行的多个VLAN的一组数据，用于产生针对所请求的VLAN网络的新生成树。通过网络接口15将控制处理器11与VLAN网络相连，以接收VLAN的每个链路的业务量数据并更新VLAN数据库14的业务量数据，并且当VLAN拓扑的设计完成时，将配置命令数据发送到网络16。在显示单元17的监视器屏幕上显示手动进入的数据。在将命令数据发送到网络16之前，显示设计过程的最终结果。
控制处理器11的操作根据图3A和3B所示的流程图来进行。
通过接收通过用户接口10输入的VLAN配置请求，在步骤301开始了程序。作为响应，控制处理器11进行步骤302以便从数据库存储器14中读取所有VLAN的业务量数据，并计算每个链路的平均业务量。如果当前有六个VLAN正在运行，则从数据库存储器14中读取VLAN-1到VLAN-6的拓扑及其业务量数据。从数据库中所读取的数据包括每个VLAN的生成树拓扑和单播业务量和广播业务量的数量。生成树拓扑数据包括VLAN的所有成员节点的标识符、位置和互连任意两个成员节点的所有链路的标识符。对于每个链路，根据链路的业务量计算平均业务量。由于链路的平均业务量等于“链路的已占用带宽”，在此说明书中替代使用术语已占用带宽。
在链路成本计算步骤303，控制处理器确定每个链路的带宽利用因子(百分比)作为链路成本。通过在数学上将链路的已占用带宽除以从网络拓扑数据存储器13中所读取的链路的最大带宽来进行此操作。如果网络包括层-2切换，可以将互连层-2交换节点的链路作为物理层的虚拟路径进行处理。在这种情况下，可以将虚拟路径的带宽添加到最大带宽中。对于每个VLAN，针对其所有链路重复链路成本计算步骤303和检查步骤304。如果所有链路相同地具有100Mbps的最大带宽，则针对VLAN-1到VLAN-6的所有链路成本的重复计算产生了如图4所示的六个生成树，其叠加的链路成本值如图5中的链路成本图所示。
现在，控制处理器11进行最短路径发现步骤305，其中其使用诸如Dijkstra算法等已知的最短路径算法来确定最短单播路径，以便根据以下条件导出最低成本生成树：
a)生成树通过所有VLAN成员节点；
b)由拓扑的节点和链路形成生成树，并且生成树中不包含回路；以及
c)在满足条件(a)和(b)的生成树中，选择一个其成本是树的最低成本的生成树。
由于任意两个节点之间的最短单播路径对应于其成本是存在于两个节点之间的所有可能链路的最低成本的链路，因此当给定了物理拓扑和链路成本时，可以将Dijkstra算法用于最短路径发现过程中。Dijkstra算法的应用导致发现了其总链路成本处于最大的拓扑。如图6A中的粗线所示，控制处理器从节点A开始运行Dijkstra算法，以发现节点A和B、A和C......以及最后节点A和H之间的最短路径。在这种情况下，节点A和E之间的最短路径是A-I-J-E，其成本等于30。接下来，如图6B中的粗线所示，控制处理器从节点B开始运行Dijkstra算法，以发现节点B和C、B和D.......以及最后节点B和H之间的最短路径。按照类似的方式，起始节点顺序地转移到如图6C到6G所示的下一下节点，直到发现节点G和H之间的最短路径。图6A到6G的拓扑的叠加得到了如图7所示的最低成本拓扑。
控制处理器11进行回路发现步骤306，以确定在最低成本拓扑中是否存在回路。在优选实施例中，通过在最短路径发现过程之前给定的物理拓扑中检测回路和构成回路的一组链路(已知为“连接组”)，然后通过确定在利用Dijkstra算法的应用获得的最短路径拓扑的每个路线中是否存在这样的连接组，来执行回路发现过程。
简要地参考图13到15，下面详细说明该优选回路发现过程。
在图13中，回路发现过程是基于定义为在顶部具有根节点的等级分层结构的树结构。利用位于通过变量N(i，j)识别的不同层的节点来描绘出该树，其中变量i表示从根到其的距离，变量j用于识别位于相同层的节点。
在步骤1301开始回路发现过程，选择如图14所示的单播路径拓扑的一个节点作为根节点N(1，1)，并且将变量i和j设为1(在步骤1302)。在步骤1303，将节点N(i，j)设为当前节点。最初，将根节点设为当前节点。
在步骤1304，控制处理器利用从根节点连接的一组节点建立节点表，并利用从根节点连接的一组链路建立链路表。由于根节点没有上层节点，因此最初不建立节点和链路表。
在决策步骤1305，控制处理器进行检查以明确在当前节点的节点表中是否有相同的节点出现。如果是这种情况，则确定在单播路径拓扑中存在可能的回路，随后进行步骤1306，存储包括回路的节点的标识符及其链路或“连接组”的标识符。在步骤1305或1306之后，控制处理器进行搜索，在步骤1307，通过搜索在当前节点的链路表中没有出现的单播路径拓扑的链路，以检测节点N(i+1，j)，其中j＝1，2，...，最大值。流程进行到步骤1308，检查变量j是否等于最大值。如果不是，则变量j在步骤1309加一，流程返回步骤1303。如果变量j不等于最大值，流程从步骤1308进行到1310，检查变量i是否等于其最大值。如果不是，流程进行到步骤1311，变量i加一，并且将变量j设为1，流程返回步骤1303。结果，针对由步骤1307检测到的每个节点，重复以上过程。
当变量i到达其最大值时，流程从步骤1310进行到步骤1312，从而搜索作为以上搜索过程的结果的树图，以检测由其开始和结束节点是重复出现节点的节点串构成的每个回路。以上搜索过程用于检测回路。
参考图14和15，通过以下描述能够更好地理解回路发现过程。
图14示出了互连了节点1，2，...，6的简化单播路径拓扑，其中节点6是叶节点，由两个并行的链路“a”和“b”将节点2和5互连在一起。
最初，当控制处理器执行步骤1301时，任意选择节点1作为根节点(1，1)。树随着程序的进行而生长，因此当对于i＝2时的j＝1，j＝2和j＝3重复步骤1303-1307时，节点2、3和4形成了表示为{1，2∶1，2}的与根节点1的父子关系，如图15所示。
当对于i＝3时的j＝1，...，j＝7重复过程时，节点4、5和5形成了与节点2和1的祖先—后代关系，节点4形成了与节点3和1的祖先—后代关系，以及节点2、3和6形成了与节点4和1的祖先—后代关系。
当对于i＝4时的j＝1，...，j＝12重复过程时，节点1、3和6形成了与节点4、2和1的祖先—后代关系，节点2形成了与节点5、2和1的两个祖先—后代关系，节点1、2和6形成了与节点4、3和1的祖先—后代关系，节点1、5和5形成了与节点2、4和1的祖先—后代关系，以及节点1形成了与节点3、4和1的祖先—后代关系。
如利用粗虚线矩形的标记所示，在链路1-2-4-1的路径、链路1-3-4-1的路径、链路1-4-2-1的路径和链路1-4-3-1的路径中，节点1出现了两次。如利用粗实线矩形的标记所示，在链路1-2-5-2的路径中，节点2出现了两次。由作为回路的{2，5，2}和作为连接组的{(2，5)b，(2，5)a}给出其中一个出现。
现在回到图3A，当执行回路发现步骤306时，如果如图8A中的粗线所示发现了至少一个回路，则如图8B所示，流程进行链路封锁步骤307，进行构成所检测到的回路之间的成本比较，选择一个具有最高成本的链路的回路，并切断所选择回路的最高成本的链路，并且如图8C所示，通过由相连的链路所形成的旁路路线来重新建立已封锁链路的所有路径(步骤308)。流程从路径重建步骤308返回到步骤306，重复回路发现和封锁过程，直到在最低成本生成树中不存在回路。按照这种方式，由针对单播业务量的最低成本链路建立了树结构。流程由回路发现步骤306进行到步骤309，如图9所示，将该树结构设置为所请求VLAN的最低成本的生成树。
然后，控制处理器进行步骤310(图3B)，从而如图10所示，将步骤309的最低成本拓扑的显示提供到显示单元17上，并且通过用户接口10，提供配置请求的VLAN成员节点的标识符(如图10中的粗圆所指示)和如图11所示的单播业务量和广播业务量的平均业务量数据的手动进入提示。出于简化的原因，假设针对所有单播业务量的所请求的带宽(平均业务量)是1Mbps，针对广播业务量的是2Mbps。
在步骤311，针对所显示的最低成本生成树的链路，通过对针对通过该链路的单播路径的已进入平均业务量的值求和来确定附加单播带宽。例如，节点B和I之间的链路承载了12个业务量A-C、A-D、A-E、A-F、A-G、A-H、B-C、B-D、B-E、B-F、B-G和B-H。因此，链路B-I的附加单播带宽是12Mbps。
在步骤312，针对拓扑的链路，通过对在步骤311所确定的链路的附加单播带宽和已占用的链路的带宽进行求和来确定总带宽。因此，如图12所示，链路B-I的总单播带宽是22Mbps。
通过在步骤313执行检查，针对最低成本拓扑(由图9中的粗线所示)的所有链路，重复步骤311和312。当针对所有链路确定了总的单播带宽时，流程从步骤313进行到步骤314，从而将例如2Mbps的单播带宽相同地添加到生成树的所有链路上。在步骤315，控制处理器显示最低成本生成树的最终结果，并将其存储在数据库存储器14中(步骤316)。在步骤317，将包括新VLAN拓扑及其带宽数据的配置命令发送到网络16。
整个网络的已占用带宽的值的方差或离差是网络的利用效率的量度标准。图12示出了方差等于21.872，与现有技术相比该值非常有利。发现根据以下过程导出的现有技术的方差等于65.121。
根据现有技术的生成树设计算法，任意选择(随机)并存储多个物理拓扑作为初始树。响应VLAN配置请求，从树中去除对于包含所请求的VLAN成员节点不必要的链路。出现的这种树结构如图16所示。作为实例示出了三个网络，每个网络具有不同的总链路成本。选择具有最低总树成本(＝75)的网络作为最优生成树。计算现有技术生成树的方差等于65.121。

Claims (16)

1.一种设计网络的方法，包括步骤：
(a)在树形拓扑中设置多个通过链路互连的节点；
(b)确定所述多个链路的链路成本；
(c)通过使用最短路径算法，依据多个链路成本确定多个最低成本的单播路径；
(d)对单播路径进行搜索，以检测回路；
(e)如果通过搜索检测到了至少一个回路，则封锁所检测到回路的链路，并通过围绕已封锁链路的已连接链路，重新建立通过已封锁链路的所有单播路径；以及
(f)建立其中所有链路均包含了最低成本单播路径的生成树。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(e)包括步骤：在多个回路之间进行成本比较，选择具有最高成本的链路的一个回路，以及封锁该最高成本的链路。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于由已占用带宽与最大带宽的比例来确定每个所述链路成本。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于还包括步骤：
在所述树拓扑中设置多个VLAN成员节点；
根据配置请求所请求的所述VLAN成员节点之间的业务量来计算每个所述链路的附加单播带宽；以及
通过对链路的单播带宽和链路的已占用带宽进行求和来计算每个链路的总带宽。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于还包括步骤：对广播带宽和每个链路的总带宽进行求和。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于还包括步骤：将配置命令信号发送到通信网络，用于根据已建立的生成树来配置网络。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(d)包括步骤：
d1)任意选择一个所述VLAN成员节点，作为分层拓扑的根节点；
d2)描绘从根节点开始到位于拓扑第(i)层的成员节点的每个链路的轨迹；
d3)描绘从第(i)层成员节点到位于第(i+1)层的成员节点的至少一个链路的轨迹；
d4)重复步骤(d2)和(d3)，用于确定相同的成员节点是否重复出现；
d5)如果相同的成员节点重复出现，存储构成了回路的VLAN成员节点的标识符的字符串，作为回路的指示；
d6)重复步骤(d2)到(d5)，因此可能将多于一个的成员节点的字符串识别为回路；以及
d7)选择至少一个所述回路。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(a)包括步骤：保留表示了生成树拓扑中的多个VLAN网络的数据库，每个所述VLAN网络由通过链路互连的多个VLAN成员节点构成。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于还包括步骤：利用在步骤(f)所建立的生成树来更新所述数据库。
10.一种用于设计网络的设备，包括：
包含表示了生成树拓扑中的多个VLAN网络的数据的数据库，每个VLAN网络由通过链路互连的多个VLAN成员节点构成；以及
控制装置，用于确定多个链路的链路成本，通过使用最短路径算法，从多个链路成本中确定多个最低成本的单播路径，对单播路径进行搜索以检测回路，如果通过搜索检测到了至少一个回路，则封锁所检测到的回路的链路，并通过围绕已封锁链路的已连接链路，重新建立通过已封锁链路的所有单播路径，并且建立其中所有链路均包含了最低成本单播路径的生成树。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于配置控制装置，以利用所建立的生成树来更新所述数据库。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于配置控制装置，以在多个回路之间进行成本比较，选择具有最高成本的链路的一个回路，以及封锁该最高成本的链路。
13.根据权利要求10所述的设备，其特征在于由已占用带宽和最大带宽的比例来确定每个所述链路成本。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于还配置控制装置，以便：
在所述生成树拓扑中设置多个附加VLAN成员节点；
根据配置请求所请求的所述VLAN成员节点之间的业务量来计算每个所述链路的附加单播带宽；以及
通过对链路的单播带宽和链路的已占用带宽进行求和来计算每个链路的总带宽。
15.根据权利要求14所述的设备，其特征在于配置控制装置，以便对附加广播带宽和每个链路的总带宽进行求和。
16.根据权利要求10所述的设备，其特征在于配置控制装置，以便将配置命令信号发送到通信网络，用于根据已建立的生成树来配置网络。
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