CN1820458A - 对到地理地址的消息路由的流量驱动的动态优化 - Google Patents

Abstract

本发明由设为在通信网络中传递消息的网络设备和方法构成，所述方法包括如下步骤：监视短时间间隔内发往某个地理区域的消息的到达率；在达到某个阈值时建立用于将所述消息路由到所述地理区域的组播组，其中负责传递所述消息的网络设备加入所述组播组；在建立所述组播组后，将所述消息传递到所述地理区域。

Description

对到地理地址的消息路由的流量驱动的动态优化

发明领域

本发明用于通信网络中，以确保服务提供商可以在专门选择的地理区域中建立给客户和移动用户的服务。

发明概述

在不久的将来，服务提供商将向客户提供在专门选择的地理区域中建立服务和向该区域发送信息的可能性。这样，可以向移动(无线)用户提供以与他们的当前位置相关的有用服务和信息，例如可以向位于商店区域的用户广告特价优惠。

实现此类服务的所需基本功能之一是从服务提供商向所选地理区域发送数据的方法，即向利用其无线接入技术覆盖这些区域的接入路由器发送数据。这可以通过在每个消息中插入地理目的地坐标来实现。假定每个接入路由器知道其覆盖区域的坐标并且所有相关的中间网络系统知道与其连接的其它系统的覆盖区。在此情况下每个路由器测试与其连接的接入路由器所覆盖的地理区域或与其连接的其它路由器的覆盖区域是否与目标地址相符，并将它转发到适当的系统。所述机制称为GeoCast[1](地区广播[1])。

所述机制的缺点在于：在消息可以朝其目的地转发之前由中间系统中成本高昂的交叉检查(intersection check)造成的延迟。此外，如果待发送消息的数量超过某速率，则中间系统可能成为导致拥塞的性能瓶颈。

因此需要这样一种技术，其可以减少中间系统为将消息传递到某地理区域中该消息目的地而执行的交叉检查所引起的延迟，同时减少系统可能引起的瓶颈，这种瓶颈又导致性能下降。

采用本发明，可以既有效又简单的方式解决上述问题。所提出的技术可以将消息传递到某地理区域内的目的地。

该技术按照独立方法权利要求和网络设备权利要求中包含的教导来实现。

用于在通信网络中传递消息的所述方法包括如下步骤：

-监视短时间间隔内发往某个地理区域的消息的到达率；

-在达到某个阈值时建立用于将所述消息路由到所述地理区域的组播组，其中负责传递所述消息的网络设备加入所述组播组；

-在建立所述组播组后，将所述消息传递到所述地理区域。

所述网络设备设在通信网络中，它包括采用如权利要求1至7所述方法的装置。

由从属权利要求中可以看出优点，由从属权利要求，在建立组播组之后到达的发往所述地理区域的任何后续消息通过所述建立的组播组传递，在经过其间没有发往所述地理区域的后续消息到达的预定义时间间隔之后，所述组播组被删除；发往所述地理区域的每个消息由地理目的地地址定义；这些消息的地理目的地地址是相同或相似的；采用软状态消息计数器来监视消息到达率，以及由从属权利要求，快速因特网协议用于在所述组播组中转发消息。

由如下详细描述及仅作为图示给出的附图，可更全面地理解本发明，附图中：

图1.1说明到地理区域的路由。

图3.1说明动态建立组播组。

图3.2示出动态组播组建立概况。

发明的详细说明

我们假定存在图1.2所示的结构。它呈现通过网关(GW)与因特网连接的简单分发网络。该分发网络中的接入路由器托管具有某覆盖区域的天线。GW和接入路由器通过若干中间路由器连接。它们中的一些不知道GeoCast，因此每个消息必须利用IP单播以隧道方式通过它们。

在地理地域中定义了区域。当消息发送到该区域时，该消息通过分发网络路由到与提供该区域的那些天线(即其覆盖区域对应于它)连接的接入路由器。

网关执行交叉检查，并将该消息转发到两个中间路由器，其必须再次执行检查，依此类推，直到消息到达接入路由器为止。接入路由器然后在地理区域中散发该消息。

在图1.1所示的简单示例中，需要在网络的GeoCast节点中执行总共六次接入检查。

对原型GeoCast路由选择系统的仿真结果(参见[1])显示，中间系统的转发决策需要比IP路由器多达4426次(事实上必须考虑IP路由器采用固件，但该结果仍大体反映了性能差异程度)。这些结果表明，转发决策持续时间导致的分组延迟会大大增加，并且如果中间路由器必须对太多分组进行路由选择可能造成中间路由器拥塞。

本发明解决若干目标：

1.主要目标是找到将消息路由到其目标的更有效的解决方案，即避开中间路由器中应用级交叉检查或任何其它应用级处理。

2.实际上同等重要的第二个目标是避免GeoCast的另一个缺点：鉴于即便要寻址的多个GeoCast路由器共享从发送GeoCast路由器到接收GeoCast路由器的相当大一部分网络路径，每个消息仍在GeoCast路由器之间通过单播发送这一事实，导致在分发网络部分中不必要的消息复制。为了节省分发网络中的资源，希望在尽可能靠近至不同目的地的网络路径实际分叉的点复制消息。

到目前为止，尚无明确解决为路由到某地理地址而动态自适应配置分发网络的解决方案。不存在利用动态组播组来避开交叉检查的机制。

为开发能够将消息转发到地理区域的机制，已经作出了多种努力。

GeoCast：

在本文档开始处介绍的GeoCast机制依赖于利用每个中间系统的覆盖区对消息的地理目标地址进行交叉检查。如上所述，这些检查需要不容忽视的计算能力和时间量。此外，根据地址在消息中的表示还需要成本高昂的地址分析。需要对每一个消息执行交叉检查。至少，GeoCast采用高速缓存条目来加速转发决策。消息通过ID或构成消息头一部分的其它值，如源地址和目的地地址来识别。在收到第一个分组之后，将产生的转发决策存储在高速缓存中。具有相同ID的后续消息可以跳过交叉检查，但在每个路由器中，该消息必须由地理路由选择模块来加以处理，以确定ID和对应的高速缓存条目。其它缺点是，由于消息通过单播发送，因而没有减少网络中要传送的总的消息量的适当机制(例如，没有组播路由选择)。未提供动态优化消息路由的机制。

静态组播组的部署：

依赖于IP组播的另一种机制称为GPS-组播路由选择方案[2]。为了加速转发决策，在分发网络中建立静态组播组。路由器组合成原子，为原子分配组播地址。若干原子又组合成具有自己的地址的分区，分区又组合成更大的分区。消息中的地理目标地址多边形然后以含有它的最小分区逼近并发送到对应的IP组播地址。这要求从地理目的地地址到组播组的映射。此方法的一个缺点在于：组播组可能仅极少与准确的目标区域匹配。这意味着网络中的若干系统将错误地接收分组，执行交叉检查并丢弃它。因此此方法的主要缺点是：在可以在网络中利用静态组播机制之前，必须将覆盖区划分成原子和分区。这导致棘手的网络规划问题，需要考虑或估计流量模式(此时仍未知)和用于网络预配置及网络工作期间的大量管理交互。该方法的另一个问题是，需要事先决定如何划分地理拓扑和要创建哪些组播组，这非常可能导致许多很少用或完全不用的组播组，而又必须为这些组播组分配(珍贵的)组播地址，并且不得不交换和处理信令流量。

在最后一跳上部署动态组播组：

为了在接入路由器与其覆盖区中的移动客户之间分发消息，GPS-组播路由选择方案[2]为“最后一英里”路由部署组播组。接入路由器将一个组指配给特定区域中的所有移动客户。这也是以动态方式进行的，且基于例如特定的地理多边形。其中的所有移动客户因为知道从它们采用的GSP模块导出的它们的地理地址，所以可以加入该组。与本发明报告中描述的本发明对比，组播组并不部署在分发网络中以减少分组延迟并加速中间系统中的转发决策，但是这些组播组仅在接入路由器和移动客户之间有效，旨在减少移动客户可能接收到的不必要的消息数量并节省空中接口的稀缺资源。此机制的另一个缺点是，为各具体的地理地址指配并维护一个组播组。

为了减少转发延迟和所需的交叉检查和消息数量，本发明报告中描述的本发明提供了一种机制，用于在网络中根据正在发生的数据通信量来建立动态调整的组播组。如果某数量的消息在短时间间隔内到达且具有相同或相似的地理目标地址，则将由网络建立IP组播组，所述网络含有所有负责消息转发的接入路由器，即收到消息时，在交叉检查之后通常会需要通过分发网络的转发过程转发该消息的所有那些接入路由器。上述机制的优点基于这一事实：中间系统中的IP组播转发决策比GeoCast的决策快数倍。

具体而言，分发网络中的上层路由器(例如网关)监视它在短时间间隔内是否接收到具有相同或非常类似的目的地地址的若干消息(例如，如果服务提供商想要寻址发生特殊事件的区域内的用户)。时间间隔或到达率以路由器可以估计后续会有具有相同地址的多个消息的方式加以选择。这可以利用例如软状态消息计数器来实现。通过监视地理区域的流量负载，GeoCast路由器可以计算地理消息组播分发的最优地理区域，在各种折衷/组播组数量、不必要分发的消息的数量、用于组播组维护的信令负载等之间进行优化。

随后，负责将消息传递到寻址的地理区域的部分的接入路由器被要求加入动态创建的组播组。该请求从上层路由器通过标准的地理编址的消息发送到接入路由器，并由它们拦截。在相应的接入路由器处理请求并加入该组播组且确认它之后，该区域的消息直接发送到该IP组播组。所有中间系统对该消息采用快速标准IP转发，从而使中间系统不必进行成本高昂的交叉检查，并允许网络尽可能接近目标系统而复制消息。接入路由器从消息中移去组播IP信息，并根据消息的地理目标地址转发它们。如果在某时间间隔内不再有具有相应目标地址的消息到达，则取消所述组播组。

所提出的机制适用于下一代服务，这些服务涉及特定区域(所谓的基于区域的服务)。它是可部署在网络基础设施中的基本技术，以加速中间系统中的转发决策。由于决策更快，还缩短了消息传递延迟。

图3.1采用动态建立的组播组的分发网络。

下一节将对本发明作更详细的解释。

图3.2给出分发网络中动态组播组建立过程的概况。详细解释如下：

1.分发网络中靠近网关的路由器或网关(即上层路由器)本身处理软状态消息计数器。它对在某时间间隔内出现的具有相同或相似地理目标地址的GeoCast消息计数。只要尚未建立动态组播组，消息就会通过GeoCast(即利用交叉检查或涉及决策的其它应用层)经由不同的中间路由器转发到直接在地理地域中散发消息的接入路由器。

2.在定义的时间间隔内到达的、定址到某区域的某数量的消息之后，上层路由器开始创建临时组播组以便加速分发网络中的转发过程。因此，它将加入临时组播组请求消息封装在GeoCast消息中。此消息包含临时组播组的地址。象以前的其它消息一样，此消息经GeoCast通过分发网络发送到接入路由器。

3.在收到经过封装的消息之后，接入路由器开始处理加入请求消息。它们添加一个(^*，AR-G)状态，这意味着它们收到由任意源端发送到由上层路由器在原消息中发送的组播组地址。

4.当添加该状态时，向上层路由器回送加入临时组消息。

5.为了将来利用组播组地址，上层路由器必须确保每个相关的接入路由器均已加入该组播组。因此，所交换的加入消息的传递必须可靠。这意味着将经过封装的加入临时组请求消息转发到另一个路由器的每个中间路由器必须从其接收加入临时组消息，否则将重复所述过程。

6.在上层路由器接收到加入临时组消息之后，它将适当的组播状态添加到它自己的路由选择条目中。

7.如果含有匹配目的地地址的GeoCast消息到达上层路由器，则将其封装在IP组播分组中并直接发送到接入路由器。分发网络中的转发通过快速IP路由选择决策来完成。

8.上层路由器监视至其它地理目的地地址的输入消息。如果出现必须发往相同或非常相似的地理地址的其它消息，就将它们发往同一组播地址。

9.如果在某时间间隔内没有含该地理目的地地址的消息到达，则取消网络中的动态组播组。这可以通过显式修剪消息或超时来实现。

已实现了如下重要特性：

·可以维护用于不同地理目的地地址的多个IP组播组，而又不会浪费稀缺的IP组播地址且无需执行用于维护接收很少流量甚至无流量的地理区域的相应组播组的信令。

·减少了分发网络的中间路由器中转发决策所需的计算时间，从而允许网络中有更高的通信流量。

·显著减少了分发网络中的分组延迟，因为可以仅通过查看那些消息的IP地址来作出组播消息的转发决策。

·由于不需要沿网络路径的共享部分传送不必要的重复消息(将组播路由选择的这一重要特征充分用于分发GeoCast消息)，因此网络中的流量得以减少。

·该路由优化过程是流量驱动的，因此在交换信令消息和分配地址方面可以尽可能经济的方式实现。

在分发网络中，动态建立组播组以减少转发延迟并减少重复消息的数量。

所要求的是开发了用于如下目的的创新方法：

-避开分发网络内中间系统中为进行到地理地址的路由选择而进行的成本高昂的应用级转发决策；

-以流量驱动的方式优化分发网络中的路由选择；

-允许动态计算“高需求地理区域”并专门创建组播组以便向那些区域有效地分发消息；

-避免为构建静态组播组而执行既困难又繁琐的“地理区域事先划分步骤”。

概括地说，本发明代表实现将消息按路由发送到地理地址的、自配置的高效分发网络的重要步骤。

以下给出本发明的说明性示例。它涉及带某运营公司分发网络的示范接入网体系结构。该示范接入网通过网关连接到因特网，该网关在此情况下同时也是上层路由器。让我们假定在例如连接到该网络的接入路由器的覆盖区中举行某公众比赛项目(例如足球比赛)。

现在某公司想要在该比赛项目期间在该区域为其产品做广告。它确定该区域的地理坐标并将它们插入广告消息中。然后将该消息发送到分发网络的网关(通常，此步骤需要服务代理商交互，但这超出本发明的范围)。

现在经分发网络通过GeoCast发送该广告消息，并立即按产品散发，但在短时间间隔内向相同区域发送消息。

在一些消息之后，网关注意到该地理地址的使用频率非常高。它编辑加入临时组请求消息，并插入分配的临时组播地址。此消息被封装在特殊的GeoCast消息中，该消息具有与其它消息相同的地理坐标。之后将其发往该分发网络。

接入路由器接收这些消息并将它们解封装。它们并不将解封的消息发往该区域，而是通过加入具有预定组播地址的组播组来开始对该加入请求消息的处理。

随后，将该加入临时组消息回送到网关。当中间系统和网关接收到所有加入请求消息(这意味着所有受影响的接入路由器已收到来自网关的消息)，网关将适当的组播状态添加到其自己的路由选择条目中。

如果含有匹配目的地地址的GeoCast消息到达该上层路由器，便将其封装在IP组播分组中并直接发送到接入路由器。分发网络中的转发通过快速IP路由选择决策来完成。

接入路由器将消息解封，并通过它们的天线在区域内分发。

另一个公司也想向该公众比赛项目的区域发送广告。它确定地理坐标，该地理坐标仅与第一公司所用坐标有很小差异。该公司也向网关发送含有这些坐标(即相似的地理地址)的消息。网关注意到该相似性，将这些消息发送到同一个已建立的组播组地址。消息处理其余部分与上述相同。

当赛事结束时，第一和第二个公司都不再向该区域发送消息。在一些时间后，通过例如超时或显式修剪消息取消分发网络中的临时组播地址。

虽然本发明是根据上述优选实施例来描述的，但本领域技术人员可以理解，在不背离本发明教导的前提下可以采用其它实施例和进行其它的修改。本发明人旨在将所有这类修改包含于所附权利要求书范围中。

参考：

[1]“GeoCast-地理寻址和路由选择”(T.Imielinski，J.Navas，″GeoCast-Geographic Addressing and Routing″″，Proceedings of theThird ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing andNetworking(MobiCom′97)，Budapest，Hungary.September 1997)。

[2]“基于GPS的寻址和路由选择”(T.Imielinski，J.Navas，″GPS-Based Addressing and Routing″IETF Request for Comments 2009，rfc2009.txt，November 1996)。

Claims (9)

1.一种用于在通信网络中传递消息的方法，它包括如下步骤：

-监视短时间间隔内发往某个地理区域的消息的到达率；

-在达到某个阈值时建立用于将所述消息路由到所述地理区域的组播组，其中负责传递所述消息的网络设备加入所述组播组；

-在建立所述组播组后，将所述消息传递到所述地理区域。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：通过所述组播组传递在建立所述组播组之后到达的发往所述地理区域的任何后续消息。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括如下步骤：在经过其间没有发往所述地理区域的后续消息到达的预定义时间间隔之后取消所述组播组。

4.如前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，，发往所述地理区域的所述消息各自由地理目的地地址定义。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述消息的所述地理目的地地址是相同或相似的。

6.如前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，采用软状态消息计数器来执行对所述到达率的所述监视。

7.如前述权利要求中任何一项所述的方法，其特征在于，采用快速因特网协议转发在所述组播组中转发所述消息。

8.设在通信网络中的网络设备，它包括采用如权利要求1至7所述方法的装置。

9.如权利要求8所述的网络设备，其特征在于，所述网络设备是路由器或网关。

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