CN1710884A - 一种支持多QoS约束的多播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种支持多QoS约束的多播路由方法，在网络模拟器NS2下实现，其网络模型包括由源节点到目的节点的可行路径P应满足以上条件：式中P：路径、B：带宽的门阀值、D：延迟门阀值、J：延迟抖动约束的门阀值；然后通过cost(T(s，M))→(min)的条件，实现最优路径，式中T：多播树、M：目标接点、s：源节点；最后是建立实现多播路由协议的模拟环境。

Description

一种支持多QoS约束的多播路由方法

技术领域

本发明涉及一种支持多QoS约束的多播路由方法，属于网络技术，通信技术，多媒体应用技术。

背景技术

多播路由协议由构造一棵路由树连接所有的多播小组的发送者和接收者。在基于源树的方法中，协议为多播组中的每个源节点算出一个生成树；在共享树的方法中，所有的多播成员共享一棵生成树来发送和接收消息，多个源节点共享一棵传送树可能会导致非最优的路由和增加消息的时延。多播传送路由算法的目标就是构成和保持一棵分布棵，在源路由中，每个路由保存整个网络的全局状态，在全局状态的基础上多播树在源节点进行局部计算；在分布路由中，这棵树由一个分布在网络中的不同路由器上的算法计算出。路由支持QoS(服务质量)的动态多播路由一般由请求点发起，从多个可能的加入路径中选择一个最能满足特定的应用的QoS需求的路径加入多播中。

多播传送最简单的技术就是泛洪(Flooding)，当一个多播组第一次到达一个路由器时，这个路由器向所有的接口转发该多播组，否则路由器丢失该多播组，泛洪法的实现是非常容易，已在OSPF协议的链接状态信息的广播中应用。早期局部搜索(Local Search))使用的泛洪不可避免地带来了局部的网络信令泛滥，为此要采取限制措施，比如控制泛洪的范围，采取反向路径泛洪，树搜索可以提高效率，但是对多播组节点的功能提出增强的要求，将两者的结合能在一定程度上互补，达到良好的路由搜索效果。寻找这样的路径的方式有两种：一种称为局部搜索，请求点用泛洪法(Flooding)搜索自己的邻居结点，以图找到树上结点，这些树上结点成为响应点，各自提供给请求点一条接入路径，以供请求点从中选择；另一种称为树搜索(Tree Search)，由管理点从树上节点中寻找合适的响应点。

传统的DVMRP、CBT和PIM多播路由协议是为尽力而为的数据流设计的，用它们建立起来的多播树是根据网络拓扑结构建立的，只能保证发送方到目的方的连接性，而当多播数据的传输需要满足QoS约束时(如带宽、延时、抖动和包丢失)，往往会因为资源缺乏而不能满足QoS要求。近来许多学者都致力于QoS多播路由协议和算法的研究，Carlberg和Crowcroft提出的YAM协议，不需要全局状态信息并且支持成员的动态加入和离开，但它采用洪泛法来寻找新成员到多播树的合适路径，它的控制消息的代价很大。Faloutsos等提出的QoSMIC是对YAM协议进行了改进，它将洪泛法的搜索限制在很小的范围内以减少广播的消息代价，并对每个组设置一个管理员，在洪泛搜索失败后，通知管理员进行多播树搜索，而多播树搜索也只是在已建立的树上进行候选路由器的选择，这样导致寻路的成功率降低。Shigang Chen等人提出了QMRP协议，它没有使用洪泛法寻路，而是将单路径寻径和多路径寻径相结合的方式寻径，有效地保证了较底的计算量和较高的联接成功率，但QMRP只能满足非加性QoS约束的要求。

发明内容

本发明在分析上述协议的基础上，提出了一种支持多QoS约束的多播路由方法，一个支持多QoS约束(包括累加型、凹性和乘性参数)的多播路由方法。该方法只需要网络链路(或节点)的局部状态信息，不需要维护全局状态信息，支持各种QoS度量约束和多播组成员可动态地加入/退出多播会晤，并且根据网络的实际状况自适应地选择单路径寻径和多路径寻径搜索方式。

本发明的技术方案：本发明的方法在网络模拟器NS2下实现，提出了一种支持多QoS约束的多播路由协议的网络模型：

首先由源节点到目的节点的可行路径P应满足以下条件：

$\{\begin{array}{cc}\mathrm{delay}\left(p\right)\≤D& (1-5)\\ \mathrm{bandwidth}\left(p\right)\≥B& (1-6)\\ \mathrm{delay}-\mathrm{jitter}\left(p\right)\≥J& (1-7)\end{array}$

式中P：路径、B：带宽的门阀值、D：延迟门阀值、J：延迟抖动约束的门阀值；

然后通过cost(T(s，M))→(min)的条件，实现最优路径，式中T：多播树、M：目标接点、s：源节点；

具体如下：

1)加入请求，如果节点V不在树上和TTL大于零则发送加入消息给周围所有邻居；如果节点V在树上和TTL大于零则向节点V传送信息进行单路寻径，如果条件满足(1-5)、(1-6)和(1-7)式就建立请求，否则就进行下一步；

2)分支请求，如果节点V不在树上和TTL大于零则发送分支请求消息给周围所有邻居，进行多路径寻径，如果满足条件(1-5)、(1-6)和(1-7)式就建立请求，否则就继续进行多路径寻径；

3)建立请求，如果条件满足(1-5)、(1-6)和(1-7)式并且链路的代价最小，就进行路径计算，就将此节点加入多播树，否则就进行下一步；

4)接受反向请求，如果不满足条件(1-5)、(1-6)和(1-7)式，并且V是中间节点，就进行反向贮存，进行下一个节点路径计算，否则就进行下一步；

5)拒绝请求，如果节点V不在树上和TTL大于零，则发出拒绝请求；如果节点V在树上和TTL大于零，则从计算路由表中移去这个路径，否则就进行下一步。

二、立实现多播路由协议的模拟环境，包括：

1)在多播路由协议中定义包头的结构和类；

2)对新协议进行注册，将定义的包头加入到头部栈；

3)创建多播路由协议的代理在定义多播路由协议代理类的同时，定义其影子对象。

本发明的优点：该方法只需要网络链路(或节点)的局部状态信息，不需要维护全局状态信息，支持各种QoS度量约束和多播组成员可动态地加入/退出多播会晤，并且根据网络的实际状况自适应地选择单路径寻径和多路径寻径搜索方式。从而有效地减少了多播树节点的连接建立时间和信令控制的开销，提高了寻径的成功率，降低了多播的生成代价，使协议的可扩展性大大地增强。该协议将多路径寻径和单路径搜索有机地结合在一起，通过分布式的方式搜索到多条可行的路径，且能选择最优(或近优)的一条路径将新节点加入到多播树，这样不仅可以有效地减少连接建立的时间，而且减少了控制消息的数量，还提高寻路的成功率和降低多播树的代价。仿真实验结果表明MRPMQoS为多QoS约束的多播路由技术提供了一种新的有效途径，能适用于各种不同规模的网络，可扩展性好，具有较好的应用前景。

附图说明

图1是建立网络模型逻辑框图；

图2是.NS2模拟过程图。

具体实施方式

一、理论依据：本发明首先提出了一种在网络模拟器NS2下，支持多QoS约束的多播路由协议(MRPMQoS)的网络模型。

就多播路由而论，一个网络可表示成一个加权图G＝(V，E)其中V表示节点集，E表示连接节点的通信链路集合。为不失一般性，该类网络中一对节点之间最多只有一条链路，链路旁的参数可用于描述该链路当前的状态。设p(v₀，，v₁，，……，v_k)表示图G的一条路径，其中v₀，表示源节点，v_k表示端节点，E(P)表示路径P上边的集合，对于e∈E(P)，则有路径P上有：

带宽(各链路的最小宽带值)：bandwidth(P)＝min{b(e)}(1-1)

时延：是指各链路的时延总和，可用公式表示为：

delay(P)＝∑delay(e)                                (1-2)

延迟抖动：是指沿同一路径传输的一个数据流中不同分组传输时延的变化的总和，可用公式表示：

delay-jitter(p)∑delay-jitter(e)                     (1-3)

包丢失率：是指某一业务在网络传输时，可允许的最大丢包率的总和：

$\mathrm{packet}-\mathrm{loss}\left(P\right)=1-\underset{e\∈E\left(P\right)}{\mathrm{\Π}}(1-\mathrm{packet}-\mathrm{loss}\left(e\right))---(1-4)$

因此，带宽、延迟、包丢失率和代价最小的QoS多播路由问题有以下关系式：

(1)链路带宽，B是带宽的门阀值，要求选定路径P上带宽满足：

bandwidth(P)＝min{bandwidth(e)，e∈E(P)}≥B

此参数通常称之为凹性参数。

(2)链路延迟和延迟抖动，D和J分别是延迟和延迟抖动约束的门阀值，要求选定路径P上约束满足：

$\mathrm{delay}\left(P\right)=\underset{e\∈E\left(P\right)}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{delay}\left(e\right)\≤D$

$\mathrm{dealy}-\mathrm{jitter}\left(P\right)=\underset{e\∈E\left(P\right)}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{delay}-\mathrm{jitter}\left(e\right)\≤J$

代价约束：T(s，M)表示多播树，s∈V为一棵多播树的源节点，M{V-{v}}为该多播树的端节点或叶节点的集，则

$\cos t\left(T(s,M)\right)=\underset{e\∈T(s,M)}{\mathrm{\Σ}}\cos t\left(e\right)$

这类参数通常称之为可加性参数。

(3)链路包丢失率，L是包丢失率门阀值，要求选定路径P上包丢失率满足：

$\mathrm{packet}-\mathrm{loss}\left(P\right)=1-\underset{e\∈E\left(P\right)}{\mathrm{\Π}}(1-\mathrm{packet}-\mathrm{loss}\left(e\right))\≤(1-L)$

此参数通常称之为是乘性参数，它在物理上不是加性条件，但由于链路上的包丢失率在(0，1)，所以经过一些等价变换使之成为可加性条件，这样链路包丢失率的计算就与链路延迟和延迟抖动相同，为了简单化计算下面未考链路包丢失率。

总之，QoS路由问题可转化为以下多约束优化路由问题(MCOP)，即寻找一条由源节点到目的节点的路径P应满足以下条件：

$\{\begin{array}{cc}\mathrm{delay}\left(p\right)\≤D& (1-5)\\ \mathrm{bandwidth}\left(p\right)\≥B& (1-6)\\ \mathrm{delay}-\mathrm{jitter}\left(p\right)\≥J& (1-7)\end{array}$

式中P：路径、B：带宽的门阀值、D：延迟门阀值、J：延迟抖动约束的门阀值；

满足上述(1-5)、(1-6)和(1-7)条件的路径是可行路径，再加上cost(T(s，M))→(min)的条件的路径就是最优路径。式中T：多播树、M：目标接点、s：源节点。

其次是(MRPMQoS)进行了描述性的定义，MRPMQoS的目标是要构造一棵满足延迟、延时抖动、带宽约束和代价最小的最优多播树。MRPMQoS既可以用于生成共享树也可以用于生成有源树，当一个新成员想要加入多播组时，它可以通过Session Directory Protocol得到多播组地址以及源节点或核心节点的地址，在本发明中将以有源树为例来进行MRPMQoS的描述，包括可行路径、最优路径、单路径寻径、多路径寻径、可行路径测试和最优路径测试。在MRPMQoS中，采用单路径寻径与多路径寻径的自适应切换。MRPMQoS先选择多播信源构成初始多播树，后根据多播成员的连接或退出请求，依照加入和退出操作，动态地建立或切断连接，多播树的形成过程就是多播成员的动态加入和退出过程。同时，在MRPMQoS中，源节点每隔一定的时间向所有的接收节点发送QoS试探报文，以使QoS约束信息能被该报文携带，这可使相关节点及时更新当前的QoS约束要求。

二、MRPMQoS实现描述：在MRPMQoS中，多播树是动态渐进形成的。当某接收节点想加入一多播会晤时，它将发送一加入请求报文join_request及延迟、延迟抖动、带宽、代价等信息给该多播会晤的源节点，并根据单播路径寻径模式初始化此路由过程。当某中间节点接收到该join_request报文后，它将进行合格性测试，检测新节点的QoS要求与现存树上节点(链路)的QoS是否相符。首先对单播路径进行QoS的可行路径预测，如果在对节点v_k到v₀的单播路径上的进行预测，如果它满足可行路径测试的条件，则说明单播路径满足QoS约束的可能性很大；如果节点v_k没有通过QoS可行路径预测，则说明单播路径有可能不满足QoS约束，这时就触发多路径寻径来提高寻径的成功率，节点v_k将把join_request消息发送到所有要进行QoS测试的邻居节点。同样如V_i为v_k的邻居节点，如果节点V_i满足可行路径测试的条件，则QoS测试通过，否则QoS测试失败。这样若单播路径中的每一个中间节点都通过了QoS预测，那么新节点到源节点的路径就为单播路径；若中间有节点没有通过QoS预测，则就要通过多路径寻径搜索来提高寻径的成功率。而join_request消息的广播是由TTL的值来控制的，若TTL值太小，有可能找不到合适的路由；若TTL值太大，消息的开销就会增大，因此，TTL值的确定是由消息开销、路由建立时间和寻路的成功率三者来决定。

MRPMQoS是以分布的方式来建立多播树的，每个节点以同样的算法，四种不同的节点(源节点、树节点、中间节点和目标节点)，在协议中以不同的方式交换信息，每个节点的操作由到达的控制消息所触发(join_request，fork_request，setup_request，ACK and NACK)。链路e的带宽、延时、延时抖动和代价分别为B(e)、D(e)、J(e)、cost(e)，而r_table为局部路由表，对于任何节点v，r_table[v]。b表示在最短路径上的有用的带宽，r_table[v].d表示在最短路径上的有用的延时，r_table[v].j表示在最短路径上的有用的延时抖动。

然后通过cost(T(s，M))→(min)的条件的路径实现最优路径，MRPMQoS的主要加入过程如图1，具体描述如下：

1)加入请求，如果节点V不在树上和TTL大于零则发送加入消息给周围所有邻居；如果节点V在树上和TTL大于零则向节点V传送信息进行单路寻径，如果条件满足(1-5)、(1-6)和(1-7)式就建立请求，否则就进行下一步；

2)分支请求，如果节点V不在树上和TTL大于零则发送分支请求消息给周围所有邻居，进行多路径寻径，如果满足条件(1-5)、(1-6)和(1-7)式就建立请求，否则就继续进行多路径寻径；

3)建立请求，如果条件满足(1-5)、(1-6)和(1-7)式并且链路的代价最小，就进行路径计算，就将此节点加入多播树，否则就进行下一步；

4)接受反向请求，如果不满足条件(1-5)、(1-6)和(1-7)式，并且V是中间节点，就进行反向贮存，进行下一个节点路径计算，否则就进行下一步；

5)拒绝请求，如果节点V不在树上和TTL大于零，则发出拒绝请求；如果节点V在树上和TTL大于零，则从计算路由表中移去这个路径，否则就进行下一步。

下面给出了MRPMQoS实现的伪代码：

switch(消息的控制)

  case join_request(v)

    if(节点v不在树上和TTL大于零)then发送join_request消息给

周围所有邻居

    elseif(节点v在树上和TTL大于零)then向节点v传送信息进行单

播路径寻径

    if(r_table[v].b≥B and r_table[v].d≤D and r_table[v].j≤J)

then

    send setup_request(B，D，J，d(e，b(e)，j(e))，

      r_table[v].path)to next；

    breakcase fork_request(B，D，J，v，TTL)

    if(节点v不在树上和TTL大于零)then发送fork_reuestq消息给

周围所有邻居，进行多路径寻径

    if(r_table[v].b≥B and (r_table[v].d)≤D and

    r_table[v].j≤J)then

    send setup_request()

    break.

case setup_request(B，D，J)

    if(b(e))≥B and(d(e)≤D and j(e)≤J and

    (cost(e)＝min[costt，…，costf])then compute_path＝

    r_table[v].path；

    setup_request(B，D，L，compute_path)to next；

    break

case ACK(B，reserve_path)

    if b(e)≥B or j(e)＞J or d(e)＞D then Reserve resources on e；

    if(v是中间节点和TTL大于零)then next＝reserve_path.next；

      forward ACK(B，D，J，reserve_path)to next；

    elseif(v是树上节点和TTL大于零)then

      send NACK(e)to v；

    break

Case NACK()

    if(节点v不在树上和TTL大于零)then forward NACK on e.

    if(节点v在树上和TTL大于零)remove blocked paths from

compute_path_list

  if(compute_path exists)then

    next＝cand_path.next；

   send ACK(B，compute_path)to next；

   break

三、给出了正确性证明和复杂性分析：

1.NS2模拟过程如下图2：

如图所示，进行仿真前，首先要分析涉及仿真的哪一个层次，NS2仿真分两个层次：一个是基于OTCL编程的配置、构造层次，利用NS2已有的网络仿真元素实现仿真，无需对NS2本身进行任何修改，只要编写OTCL仿真脚本；另一个层次是基于C++和OTCL编程的编译、配置层次，如果NS2中没有所需的仿真元素，NS2提供了用户自我升级或修改协议的技术，即利用OTCL和NS2的接口类实现NS2的改进，生成新的NS2后完成仿真。

NS2的目的是提供一个完整的网络仿真平台，NS2有庞大的网络元素体系，从物理层到应用层、从局域网到广域网、从有线网到无线网，NS2都提供了丰富的支持。

2.MRPMQoS在NS2中实现，首先建立实现MRPMQoS模拟环境，包括MRPMQoS协议模型由协议代理及其辅助功能模块组成，协议代理是依附于节点、用于模拟网络各层协议工作过程的仿真组件，辅助功能模块则是协议代理的协调器和管理器。多播路由协议模型主要由mrtObject和McastProtocol两个类组成，mrtObject类作为多个多播路由协议的仲裁器和优化器，McastProtocol的派生类则用于实现多播路由协议的细节及生成树的算法；其次协议的开发主要包括：

1)协议包头的定义，MRPMQoS协议包头的结构和类，其格式如下：

struct hdr_MRPMQoS{

……

static int offset_；

inline static int&offset()；

return offset_；}

inline static hdr_MRPMQoS access(const packet*p{

return(hdr_MRPMQoS)p-＞access(offset_)；}

2)对新协议进行注册，将MRPMQoS协议的包头加入到头部栈，注册的方法是在packet.h文件中加入MRPMQoS协议的条目：

enum packet_t{

          ……

       PT_MRPMQoS，

       ……

public：

          ……

          name_[PT_MRPMQoS]＝“MRPMQoS”；

          name_[PT_NTYPE]＝”undefined”；}}

3)创建MRPMQoS协议的代理在定义MRPMQoS协议代理类的同时应定义其影子对象，格式如下：

    class MRPMQoSAgint：public Agent{

    public：

    ……

编译代码，在完成了协议的定义和实现后，对新增加的文件进行编译并链接到NS2中去，在NS2中是通过EmbeddedTcl对象et_ns_lib将ns_tcl.cc中预定义的Otcl脚本在NS2初始化期间载入的，这样，在NS2运行起来之后，所有构件的Otcl类定义、参数配置等就都有效了。在/tcl/lib/ns-lib.tcl文件中加入一条MRPMQoS.tcl源文件进行MRPMQoS协议注册，使模拟器能够识别此协议，在NS2目录下运行Make Depend和Make，重新编译NS2。

3.仿真：对MRPMQoS、QoSMIC和YAM三个协议进行了仿真比较，分别对组大小为20个成员和100个成员的情况进行了实验，主要从平均控制消息的开销、寻路的成功率以及平均连接建立时间等方面研究MRPMQoS的特性。该协议将多路径寻径和单路径搜索有机地结合在一起，通过分布式的方式搜索到多条可行的路径，且能选择最优(或近优)的一条路径将新节点加入到多播树，这样不仅可以有效地减少连接建立的时间，而且减少了控制消息的数量，还提高寻路的成功率和降低多播树的代价。仿真实验结果表明MRPMQoS为多QoS约束的多播路由技术提供了一种新的有效途径，能适用于各种不同规模的网络，可扩展性好，具有较好的应用前景。

Claims (1)

1.一种支持多QoS约束的多播路由方法，在网络模拟器NS2下实现，其特征在于：

一、提出了一种支持多QoS约束的多播路由协议的网络模型：

首先由源节点到目的节点的可行路径P应满足以下条件：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{delay}\left(p\right)\≤D& (1-5)\\ \mathrm{bandwidth}\left(p\right)\±B& (1-6)\\ \mathrm{delay}-\mathrm{jitter}\left(p\right)\≤J& (1-7)\end{array}\right.$

式中P：路径、B：带宽的门阀值、D：延迟门阀值、J：延迟抖动约束的门阀值；

然后通过cost(T(s，M))→(min)的条件，实现最优路径，式中T：多播树、M：目标接点、s：源节点；

具体如下：

1)加入请求，如果节点V不在树上和TTL大于零则发送加入消息给周围所有邻居；如果节点V在树上和TTL大于零则向节点V传送信息进行单路寻径，如果条件满足(1-5)、(1-6)和(1-7)式就建立请求，否则就进行下一步；

2)分支请求，如果节点V不在树上和TTL大于零则发送分支请求消息给周围所有邻居，进行多路径寻径，如果满足条件(1-5)、(1-6)和(1-7)式就建立请求，否则就继续进行多路径寻径；

3)建立请求，如果条件满足(1-5)、(1-6)和(1-7)式并且链路的代价最小，就进行路径计算，就将此节点加入多播树，否则就进行下一步；

4)接受反向请求，如果不满足条件(1-5)、(1-6)和(1-7)式，并且V是中间节点，就进行反向贮存，进行下一个节点路径计算，否则就进行下一步；

5)拒绝请求，如果节点V不在树上和TTL大于零，则发出拒绝请求；如果节点V在树上和TTL大于零，则从计算路由表中移去这个路径，否则就进行下一步。

二、建立实现多播路由协议的模拟环境，包括：

1)在多播路由协议中定义包头的结构和类；

2)对新协议进行注册，将定义的包头加入到头部栈；

3)创建多播路由协议的代理，在定义多播路由协议代理类的同时，定义其影子对象。

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