专利名称：一种随机化的路由方法
技术领域：
本发明涉及数据通信领域，具体地说，涉及一种IP网络中消息传输的路由方法。
目前IP网络中路由器选择链路传输的方法主要有两种距离矢量(Distance Vector，简称DV)方法和链路状态(Link State，简称LS)方法。在1997年清华大学出版的Computer Networks 3rded.和1998年IEEE NetworkWorking Group的OSPF Version 2中介绍了这两种方法，其基本思路是首先通过在各路由结点之间传递控制报文，获得本结点到自治系统中其他各结点的全局最短路径树，然后每个结点基于局域最优的思想，为自己所处理的报文尽可能地选择某种距离测度下的最优路由(即最短路径)，这里距离测度通常包括链路带宽、传输延迟、缓存长度等性能指标。这两种方法的区别在于获得全局最短路径树的方法不同DV方法是直接利用各相邻结点的全局最短路径树获得本结点的全局最短路径树，而LS方法的全局最短路径树是通过本结点的计算获得。
如果网络带宽总是充分的，那么局域最优能够近似对应于全局最优，但是由于网络业务量具有无特征尺度的突发性，带宽资源经常可能处于相对稀缺的临界状态，在这种情况下，基于局域最优思想的路由器传输方法会产生一个严重的问题路由振荡。
下面根据
图1来说明采用确定性局域最优路由方法导致路由振荡的过程。图1中，左、右两个子网通过链路a、b连接，在路由表更新周期t内，如果链路a由于突发性的业务流而发生拥塞，则左子网中的路由结点A将根据局域最优路由方法选择c-b链路作为到右子网的报文在下一周期t+1内的路由。出于同样的理由，路由结点B也会选择b链路作为周期t+1内的到右部子网的路由。这样会导致在周期t+1内，左右子网之间的通信全部集中在链路b上，而又由于清空传输缓存所需的时间通常远小于路由表更新周期，因此链路a在周期t+1内基本上处于空闲状态。而在周期t+2内，情况发生了反转，c-a链路将可能被局域最优的路由方法一致地判定为最优路径，从而导致链路b空闲，链路a拥塞。如此循环往复，在没有外生扰动的情况下，这种路由振荡过程将稳定地持续下去。
由于确定性方法一般不可能精确地建模真实系统的全部动态特征，因此一旦真实系统的状态偏离了该方法的先验假设，那么该方法可能会导致一个不可接受的下优性能，而某些下优性能所对应的系统状态可能是相对稳定的，这样的话，该确定性方法将较长时间地被吸引在下优性能上，比如产生路由振荡。
本发明的目的在于提供一种随机化的路由方法，以克服现有局域最优路由方法所产生的路由振荡问题，提高带宽的利用率。
本发明通过在现有局域最优路由方法中引入随机化机制来实现随机化的路由方法，具体包括以下步骤一、扩展路由器的路由表，并为各结点初始化概率Popt(S)；二、新的路由表周期开始，路由结点根据基本LS方法或DV方法获得本结点到系统内其他所有结点的全局最短路径树；三、路由结点通过直接计算或网络通信获得与其相邻的各结点的全局最短路径树；四、路由结点建构本结点到自治系统内所有其他结点的随机路由集；五、判断当前是否有需要处理的报文，若有，则进入步骤六；若无，则等待；六、判断当前需处理报文是否具有优先级；若报文具有优先级，则转步骤八；七、若报文不具有优先级，则所述路由结点以概率Popt(S)按局域最优路由方法获得的最优路由发送流经它的报文，以概率1-Popt(S)按随机路由集发送流经它的报文；然后转步骤十一；
八、判断高优先级报文在所有报文中出现的概率Ph是否大于概率Popt(S)，若概率Ph不大于概率Popt(S)，则转步骤十；九、若概率Ph大于概率Popt(S)，则高优先级报文以概率 按最优路由发送，以概率 按随机路由集发送；低优先级报文均以概率1按随机路由集发送；然后转步骤十一；十、高优先级报文以概率1按最优路由发送；低优先级报文以概率 按最优路由发送，以概率 按随机路由集发送；十一、判断路由表更新周期是否结束，若是，则转步骤二；若否，则转步骤五。
本发明所述随机化的路由方法还可以是自适应的，其特征在于在路由表更新周期结束时，根据公式(4)动态调整概率Popt(S)的值Popt(t+1)(S)=B{Popt(t)(S)-ηT[ΔPopt(t)(S)]·N[ΔD(t+1)(S)]},η>0---(4).]]>所述步骤四中，路由结点依据公式(1)建立随机路由集C(S，D)≡{Bi|Lopt(S，D)≤l(s，Bi)+Lopt(Bi，D)，Lopt(S，D)＞Lopt(Bi，D)}-{Bopt(S，D)(1)其约束条件为(Lopt(S，D)≤l(s，Bi)+Lopt(Bi，D))Λ(Lopt(S，D)＞Lopt(Bi，D)) (2)。
所述步骤四也可以是在一个由报文头包含的新的源-目地址对首次出现时计算该源-目地址对的随机路由集，并存储应用于整个路由周期。
所述按随机路由集发送报文还进一步包括1)确定随机路由集内的路由结点被选为报文路由的后验概率；2)生成随机数；3)选择随机发送路径发送报文。
下面根据附图进一步详细说明本发明。
图1是说明产生路由振荡的网络示意图。
图2是本发明所述随机化的路由方法(基于LS方法)的流程图。
图3是本发明所述自适应随机化的路由方法(基于LS方法)的流程图。
图4是应用本发明所述随机化路由方法对于非突发性业务源，概率Popt与跨子网报文平均传输延迟之间的关系示意图。
图5是应用本发明所述随机化路由方法对于突发性业务源，概率Popt与跨子网报文平均传输延迟之间的关系。
图1所示的关于路由振荡产生的原理，已在前文中详细描述，这里不再赘述。
图2给出了随机化路由方法的基本流程。本发明的核心在于在现有局域最优化路优方法的基础上引入随机化思想，既适用于链路状态路由方法，也适用于距离矢量路由方法。
首先，对于现有的基于基本LS方法或DV方法的路由器，需相应地扩展路由表，使其包括最优路由和随机路由两类表项。
各路由结点在每个路由表更新周期开始时，利用基本LS方法，在自治系统内进行扩散(Flood)通告，一个路由结点发出的扩散通告里包括了该结点与其所有相邻结点的距离，可用于计算全局最短路径树。路由结点利用其他路由结点的最新扩散通告，构造出自治系统的全局拓扑图，并利用Dijkstra算法建构本结点到系统内所有结点的全局最短路径树，其中距离测度一般为传输延迟、跳(Hop)数、队列长度或上述指标的权重平均。也可以采用基本DV方法来获得本地结点的全局最短路径树。
然后，每个路由结点获得所有与其相邻的结点的全局最短路径树，对于有CPU瓶颈的结点，最好在约定了相邻结点互发全局最短路径树的通信协议后通过直接网络通信获得；对于有带宽瓶颈的结点，其相邻结点的全局最短路径树最好由本地结点直接计算获得。
设S为自治系统中任一路由结点，其邻结点集B(S)＝{B1，B2，...，Bk}，邻点Bi所对应的邻边的长度是l(S，Bi)，i＝1，2，...，k。若结点S当前处理的报文的目的地址为D，则结点S利用如下公式构造该报文的随机路由集C(S，D)C(S，D)≡{Bi|Lopt(S，D)≤l(s，Bi)+Lopt(Bi，D)，Lopt(S，D)＞Lopt(Bi，D)}-{Bopt(S，D) (1)其中，Bopt(S，D)为既属于从S到D的最短路径、又属于B(S)的路由结点，若存在多个这样的结点，即对应有多条测度相同的最短路径，则任选其中一个作为Bopt(S，D)；Lopt(X，Y)为结点X与结点Y之间的最短路径长度。C(S，D)和Bopt(S，D)一经获得即被存储并应用于整个路由表更新周期。
在图1中，假设结点A到右子网的最佳路由是a，而结点B点到右子网的最佳路由是b；结点A到右部子网的次优路由是c，再经b，而结点B到右部子网的次优路由也是c，再经a。这样，如果一个目的地址在右部子网的报文在A点经由次优路由c发送到结点B，而结点B也可能选择次优路由c发送这个报文，这个过程可能任意重复下去，就构成了所谓的路由环。为消除路由环，本发明所述方法进一步引入了无环约束条件(Lopt(S，D)≤l(s，Bi)+Lopt(Bi，D))Λ(Lopt(S，D)＞Lopt(Bi，D))(2)。
随机路由集建构完成后，路由结点需判断当前是否有需要处理的报文，如果没有，则等待。如果需处理的报文没有优先级，那么路由结点S以概率Popt(S)按最优路由Bopt(S，D)发送报文；以概率Prnd(S)≡1-Popt(S)根据随机路由集发送报文。如果报文具有优先级，且报文被赋予高优先级的概率是Ph，则路由结点S发送报文的路由规则需做如下修改1)如果Ph≤Popt，则高优先级报文以概率1按最优路由发送；低优先级报文以概率 按最优路由发送，以概率 按随机路由集C(S，D)发送。
2)如果Ph＞Popt，则高优先级报文将以概率 按最优路径发送，以概率 按随机路由集C(S，D)发送；低优先级报文以概率1按随机路由集C(S，D)发送。
例如，如果Popt＝0.4，Ph＝0.25，则所有高优先级报文将以概率1按最优路由发送，而低优先级报文将以概率Popt-Ph1-Ph=0.2]]>按最优路由发送，以概率0.8随机发送。
当随机发送时，根据公式(3)确定C(S，D)中的路由结点Cj被选为报文路由的后验概率 其中，r是用来调整路径距离测度与路径被选择的概率之间的关系，此后验概率用于选择随机路径。
为模拟随机机制，需要随机数发生源来生成随机数。随机数可以由路由结点的伪随机数发生器生成，也可以直接利用报文中的某些字段作为随机信息源。如果一个路由结点没有满足无环路由规则的随机路径，则流经它的所有报文强制按优化路由Bopt(S，D)发送。
图3是关于自适应的随机化路由方法的流程图。非自适应方法和自适应方法的区别在于对关键参数Popt(S)的设定。
自适应随机化路由方法的思路是通过动态调整概率Popt(S)的数值，实现优化的负载平衡。自适应性主要体现在当前的调整策略是由上一步调整策略的效果决定的。具体地说，在第t个路由表更新周期结束时，自适应随机化路由方法根据路由结点的各输出链路长度和的变化，通过公式(4)计算下一周期概率 的值。Popt(t+1)(S)=B{Popt(t)(S)-ηT[ΔPopt(t)(S)]·N[ΔD(t+1)(S)]},η>0---(4)]]>其中ΔPopt(t)(S)=Popt(t)(S)-Popt(t-1)(S),]]>ΔD(t+1)(S)=Σi=1kl(t+1)(S,Bi)-Σi=1kl(t)(S,Bi),]]> 阈值函数T保证每次调整量的绝对值不小于阈值h，且可以避免偶然出现的零值ΔD(S)使其后的Popt(S)全部归零；规范化函数N用于规范 的取值范围，使其不会由于 的随机性大波动而剧烈变化。
概率Popt(S)调整后，其余的流程与非自适应的随机化路由方法相同。
显然，当Popt(S)＝1时，本发明与基本的链路状态路由或距离矢量路由局域最优方法是等效的。在自适应随机化方法中，不妨将Popt(S)的初值取为1，其后Popt(S)会由控制策略自适应地调节。
为了验证本发明的效果，对本发明进行了仿真。仿真采用了图1所示的网络拓扑结构，并涉及3类对象链路，结点和报文。链路负责报文的传输，结点除了负责路由转发，也是新报文的生成源，业务模型分别使用了非突发性的泊松过程和突发性的分数差分噪声过程。
每个报文对象的参数主要包括产生时间、死亡时间、抛弃标志、源地址、目地址和优先级。所有的报文参数均初始化为-1，在仿真过程中被动态设置和修改。优先级表明了报文要求的服务类别，本发明的优先级只设定“高”、“低”两种，分别代表了高服务质量要求或低服务质量要求。在所有仿真过程中，每个新生成的报文以概率Pb＝0.25被赋予高优先级，以概率Pl＝0.75被赋予低优先级。
图4示出了业务源为泊松过程的情况下，利用本发明所述方法进行路由时仿真网络关键结点A和B的概率Popt与源、目的地址不在同一个子网的跨子网报文的平均传输延迟(Average Delay)之间的关系，其中横轴表示概率Popt，纵轴表示平均传输延迟。上、中、下三个子图分别示出了所有报文的平均传输延迟(不考虑优先级)、高优先级报文的平均传输延迟和低优先级报文的平均传输延迟。由图4可知，在业务源为非突发性泊松模型的情况下，引入随大豆是于1999年10月26日收割的。有Phytophthoram的存在，并且是于1999年9月2日鉴定的。Cobra处理显著的降低了Phytophthora的发生率，并且显著增加了产量。对于总异黄酮，如下计算LSD(P＝0.05)＝3835.87；SD＝1919.86；CV＝9.36；处理概率(F)＝0.153。
表11
斜体字表示的制剂是对照组。后边跟有相同字母的均值没有显著的差别(P＝.05，Student-Newman-Keuls)E)Pioneer 93B01 RR是在位于俄亥俄州MT.Vernon的Springer农场的田地里种植的。是在1999年6月30日使用制剂的。大豆是于1999年10月26日收割的。有Phytophthora m的存在，并且是于1999年9月2日鉴定的。Cobra处理显著的降低了Phytophthora的发生率，并且显著增加了产量。对于总异黄酮，如下计算LSD(P＝0.05)＝4189.86；SD＝2097.06；CV＝10.47；处理概率(F)＝0.2878。
权利要求
1.一种随机化的路由方法，其特征在于，包括以下步骤一、扩展路由器的路由表，并为各结点初始化概率Popt(S)；二、新的路由表周期开始，路由结点根据基本LS方法或DV方法获得本结点到系统内其他所有结点的全局最短路径树；三、路由结点通过直接计算或网络通信获得与其相邻的各结点的全局最短路径树；四、路由结点建构本结点到自治系统内所有其他结点的随机路由集；五、判断当前是否有需要处理的报文，若有，则进入步骤六；若无，则等待；六、判断当前需处理报文是否具有优先级；若报文具有优先级，则转步骤八；七、若报文不具有优先级，则所述路由结点以概率Popt(S)按局域最优路由方法获得的最优路由发送流经它的报文，以概率1-Popt(S)按随机路由集发送流经它的报文；然后转步骤十一；八、判断高优先级报文在所有报文中出现的概率Ph是否大于概率Popt(S)，若概率Ph不大于概率Popt(S)，则转步骤十；九、若概率Ph大于概率Popt(S)，则高优先级报文以概率 按最优路由发送，以概率 按随机路由集发送；低优先级报文均以概率1按随机路由集发送；然后转步骤十一；十、高优先级报文以概率1按最优路由发送；低优先级报文以概率 按最优路由发送，以概率 按随机路由集发送；十一、判断路由表更新周期是否结束，若是，则转步骤二；若否，则转步骤五。
2.如权利要求1所述的随机化的路由方法，其特征在于在路由表更新周期结束时，根据公式(4)动态调整概率Popt(S)的值Popt(t+1)(S)=B{Popt(t)(S)-ηT[ΔPopt(t)(S)]·N[ΔD(t+1)(S)]},η>0---(4).]]>
3.如权利要求1或2所述的随机化的路由方法，其特征在于所述步骤四中，路由结点依据公式(1)建立随机路由集C(S，D)≡{Bi|Lopt(S，D)≤l(s，Bi)+Lopt(Bi，D)，Lopt(S，D)＞Lopt(Bi，D)}-{Bopt(S，D)(1)其约束条件为(Lopt(S，D)≤l(s，Bi)+Lopt(Bi，D))Λ(Lopt(S，D)＞Lopt(Bi，D)) (2)。
4.如权利要求3所述的随机化的路由方法，其特征在于所述步骤四也可以是在一个由报文头包含的新的源-目地址对首次出现时计算该源-目地址对的随机路由集，并存储应用于整个路由周期。
5.如权利要求1或2所述的随机化的路由方法，其特征在于所述按随机路由集发送报文还进一步包括1)确定随机路由集内的路由结点被选为报文路由的后验概率；2)生成随机数；3)选择随机发送路径发送报文。
6.如权利要求5所述的随机化的路由方法，其特征在于根据公式(3)确定所述随机路由集内的路由结点Cj被选为报文路由的后验概率
7.如权利要求5所述的随机化的路由方法，其特征在于随机数可以由路由结点的伪随机数发生器生成，也可以直接利用报文中的某些字段作为随机信息源。
全文摘要
本发明提供的随机化的路由方法，适用于IP网络消息的传送，通过在现有的局域最优方法的基础上引入随机化的思想来实现，同时还可自适应地调整最由路由概率，有效地避免了路由振荡，实现了对空闲次优链路的利用，提高了网络整体传输性能。自适应随机化路由方法对最优路由概率P
文档编号H04Q3/00GK1398091SQ0112620
公开日2003年2月19日 申请日期2001年7月13日 优先权日2001年7月13日
发明者侯越先 申请人:深圳市中兴通讯股份有限公司