基于物理拓扑光树修正的多播业务疏导方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于物理拓扑光树修正的多播业务疏导方法，主要解决光通信网络中因逻辑路径的不合理使用而造成网络资源浪费的问题。其技术方案是：1.在物理拓扑上利用MPH算法创建多播树；2.将多播树分解成树枝集合；3.以树枝在物理拓扑上的跳数作为参考值，为每一根树枝在虚拓扑上寻找最短路径；判断该最短路径的跳数是否大于树枝的门限跳数，若是，则在波长层寻找最短路径，并选取跳数较小的最短路径作为可用的最短路径；否则，使用该最短路径作为树枝的可用最短路径。本发明具有业务阻塞率低，网络资源利用率高的优点，适用于多播业务需求较大、波长资源有限的光通信网络。
【专利说明】基于物理拓扑光树修正的多播业务疏导方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光通信【技术领域】，更进一步涉及一种多播业务疏导MGPL方法，可用于网络传输。
【背景技术】
[0002]随着互联网的高速发展，人们对通信系统的容量和性能提出了新的要求。波分复用WDM技术可以提供巨大的传输容量，满足互联网对带宽的需求。当前WDM光网络中的多播业务量疏导方法主要有基于单跳和多跳的疏导以及基于虚拓扑的疏导。这两种疏导策略都有不错的复用率，但是在波长资源有限的情况下，无法使更多的多播业务通过网络。
[0003]文献(Liyuan Hao, Weigang Hou, et al.Multicast Grooming Algorithm inGreen IP over WDM Networks, 20102nd Internat1nal Conference on Technology and Development (ICCTD, 2010), Pages: 490-494)中提到了多种多播疏导策略。策略1，若已有光树可以覆盖新业务的源节点和全部目的节点，则利用已有光树来疏导多播业务；策略2，若已有光树只能覆盖源节点和一部分目的节点，则在已有光树的基础上新建光树来覆盖源节点和剩余的目的节点；策略3，若不存在覆盖源节点和目的节点的光树，则直接建立一个新的光树来进行业务疏导；策略4，通过扩展已有光树来满足业务疏导的要求。然后结合策略1、3、4提出一种绿色多播疏导算法MGG，通过引入虚拓扑，将已有光树映射为逻辑路径表示在虚拓扑图上，然后在虚拓扑上使用最小代价路径的启发式算法MPH来构造多播疏导树。
[0004]传统的多播树构造中，经常使用MPH算法来寻找最小代价多播树，该方法使用Dijkstra算法来寻找距离多播树最近的目的节点，然后将多播树到该目的节点的最短路径加入到多播树中。该方法不能保证每次多播业务疏导都能构建出代价较小的多播树，当某条逻辑路径在物理拓扑中对应的跳数过大时，使用该逻辑路径构造的多播树进行新的多播业务疏导时往往会造成实际的网络资源开销较大，从而导致网络资源的浪费。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决因选用不合理的逻辑路径而造成的网络资源的浪费，导致多播业务疏导能力下降的问题，提出一种基于物理拓扑光树修正的多播业务疏导方法，以尽量减少对网络资源的浪费，实现对光通信网络中网络资源的有效利用，提高多播业务疏导的性能。
[0006]本发明实现上述目的的技术方案是:通过在物理拓扑上构造多播树，将多播树分解为树枝集合，把各树枝的跳数作为参考跳数；再在虚拓扑上为每根树枝选择可用最短路径，若最短路径的跳数不满足门限要求，则考虑在波长层上新建光路作为树枝的可用最短路径。其实现步骤包括如下:
[0007](I)初始化物理拓扑图和由逻辑路径和波长层拓扑构成的虚拓扑图，等待新的业务请求；
[0008](2)判断到达的业务请求是否为新业务，若业务请求为新业务，则需要进行多播业务疏导，执行步骤(3)，否则，需要进行多播业务释放，跳转到步骤(7);
[0009](3)当新业务到达时，使用最小代价路径的启发式算法MPH在物理拓扑上构造一棵覆盖多播业务的源节点和所有目的节点的多播树；
[0010](4)将多播树分解成若干树枝:
[0011]4a)遍历多播树，若多播树上的节点是源节点或目的节点，或者节点的出度大于I，则将该节点标记为分叉点；
[0012]4b)根据标记的分叉点，将多播树从分叉点处断开，得到树枝集合，树枝两端的节点分别为头端节点和尾端节点；
[0013](5)为树枝集合里每一根树枝分配可用的最短路径:
[0014]5a)判断树枝集合里的树枝是否都已分配可用的最短路径，若是，则执行步骤(6);若否，则取出一根未分配可用最短路径的树枝，获取该树枝的头端节点和尾端节点信息以及该树枝的跳数参考值Hb，执行步骤(5.2);
[0015]5b)在虚拓扑图中，使用Dijkstra算法，寻找满足带宽需求的头端节点到尾端节点的最短路径，若存在最短路径，则执行步骤5c);否则，拒绝该多播业务请求；
[0016]5c)判断最短路径在物理拓扑上的跳数H是否满足门限C = 2的要求，若H〈=C*Hb，则使用该最短路径作为树枝的可用最短路径，返回到步骤5a);否则，执行步骤5d)，其中门限C的取值由仿真参数中的门限参数确定；
[0017]5d)在虚拓扑图中的波长层拓扑上，使用Dijkstra算法，寻找头端节点到尾端节点的最短路径；若存在最短路径，且其跳数不大于步骤5b)中得到的最短路径的跳数，则使用此最短路径作为树枝的可用最短路径，返回到步骤5a);否则，使用步骤5b)中的得到最短路径作为树枝的可用路径，再返回到步骤5a);
[0018](6)根据树枝的可用最短路径为每一根树枝分配网络资源:若树枝的可用最短路
[0019]径中包含逻辑路径，则更新逻辑路径的剩余带宽；若树枝的最短路径中包含波长层路径，则在波长层删除对应的波长资源，并在虚拓扑图中添加相应的逻辑路径，更新逻辑路径的剩余带宽，完成多播业务疏导，返回到步骤(2);
[0020](7)多播业务释放:
[0021]7a)更新多播业务所使用的各逻辑路径的剩余带宽；
[0022]7b)判断各逻辑路径的剩余带宽是否为一个波长的可用带宽，若逻辑路径的剩余带宽为一个波长的可用带宽，则删除该逻辑路径，并在波长层添加相应的波长资源，更新虚拓扑图；
[0023]7c)等待新的业务请求，返回到步骤(2)。
[0024]本发明通过在物理拓扑上构建多播树，将多播树分解为若干树枝，以树枝在物理拓扑上的跳数作为参考跳数，并在虚拓扑图上为树枝寻找满足跳数门限要求的路径，对于不存在满足门限要求的路径，则在波长层上新建光路，减少了因不合理的路径的选用而造成的对光通信网络中波长资源的浪费，使多播业务疏导更加高效，从而降低多播业务疏导的阻塞率。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明的实现流程图；
[0026]图2为现有的美国骨干网USNET的拓扑图；
[0027]图3为本发明中的虚拓扑图；
[0028]图4为本发明在图2所示的物理拓扑上构造多播树的流程示意图；
[0029]图5为本发明与现有的绿色多播疏导方法进行多播业务疏导的阻塞率比较图。
【具体实施方式】
:
[0030]下面结合附图对本发明的内容及效果做进一步的详细描述。
[0031]参照图1，本发明的实现步骤如下:
[0032]步骤1，初始化物理拓扑图和虚拓扑图，等待业务请求到达。
[0033]本实例中，使用如图2所示的现有的美国骨干网USNET拓扑图作为物理拓扑图，该USNET拓扑图中包含有24个物理节点，42条物理链路；
[0034]为了使多播业务使用已有的逻辑路径进行疏导，引入如图3所示的虚拓扑图，虚拓扑图中包含逻辑路径层和若干个波长层，考虑到光的波长一致性，也就是说一条波长层路径只能使用同一波长，所以波长层之间是相互独立的；使用多个不同波长层路径疏导多播业务时，必须将波长层路径映射到逻辑路径层，来消除光的波长一致性的限制；
[0035]根据USNET中各节点的连通情况完成物理拓扑图的初始化，即把物理拓扑初始化为美国骨干网；
[0036]根据光网络中波长资源的使用情况完成虚拓扑图中波长层拓扑的初始化，即用波长层拓扑中的节点连通情况表示波长资源的使用情况；
[0037]建立一个空的逻辑路径层拓扑，并将波长层拓扑中的节点映射到逻辑层拓扑上；等待新的业务请求的到达。
[0038]步骤2，判断到达的业务是否为新业务，若业务请求为新业务，则需要进行多播业务疏导，执行步骤(3)，否则，需要进行多播业务释放，跳转到步骤(7)。
[0039]步骤3，当新业务到达时，使用最小代价路径的启发式算法MPH在物理拓扑上构造一棵覆盖多播业务的源节点和所有目的节点的多播树。
[0040](3.1)将多播业务的源节点加入多播树，作为树的根节点；
[0041](3.2)使用Dijkstra算法，寻找到多播树距离最近的尚未加入多播树的目的节占.V，
[0042](3.3)将该目的节点到多播树的最短路径加入到多播树中；
[0043](3.4)判断多播树是否覆盖所有目的节点，若多播树已覆盖所有的目的节点，则多播树的构造完成；否则，返回到步骤(3.2)。
[0044]MPH方法是基于虚拓扑进行多播业务疏导常用的方法，该方法使用Dijkstra算法来寻找距离多播树最近的目的节点，然后将多播树到该目的节点的最短路径加入到多播树中；
[0045]例如，对于新到达业务R(S，D)，R代表多播业务请求，S代表多播业务的源节点，D代表多播业务的目的节点集合。Rl (2，9、10、11、13)代表源节点为2号节点，目的节点为9号节点、10号节点、11号节点、13号节点的多播业务请求。
[0046]对于多播请求Rl，在物理拓扑上为其建立多播树的流程如图4所示:
[0047]第一步，新建一棵空的多播树，将2号节点作为树的根节点；
[0048]第二步，在目的节点集合{9、10、11、13}中，找到距离多播树最近的目的节点为11号节点，将多播树到11号节点的最短路径加入到多播树，得到如图4(b)所示的多播树；
[0049]第三步，在目的节点集合{9、10、13}中，找到距离多播树最近的目的节点为10号节点，将多播树到10号节点的最短路径加入到多播树，得到如图4(c)所示的多播树；
[0050]第四步，在目的节点集合{9、13}中，找到距离多播树最近的目的节点为9号节点，将多播树到9号节点的最短路径加入到多播树，得到如图4(d)所示的多播树；
[0051]第五步，在目的节点集合{13}中，找到距离多播树最近的目的节点为13号节点，将多播树到13号节点的最短路径加入到多播树，得到如图4(e)所示的多播树。
[0052]至此，目的节点集合为空，多播树已覆盖所有目的节点，多播树的构造完成。
[0053]步骤4，将多播树分解成若干树枝。
[0054](4.1)遍历多播树，若多播树上的节点是源节点或目的节点，或者节点的出度大于I，则将该节点标记为分叉点；
[0055](4.2)根据标记的分叉点，将多播树从分叉点处断开，得到树枝集合；树枝两端的节点分别为头端节点和尾端节点。
[0056]例如，对于如图4(e)所示的多播树，遍历该多播树，将2号节点、8号节点、9号节点、10号节点、11号节点、13号节点标记为分叉点，并将多播树从分叉点处断开，得到如图4(f)所示树枝集合。
[0057]步骤5，为树枝集合里每一根树枝寻找可用的最短路径。
[0058](5.1)判断树枝集合里的树枝是否都已分配到可用的最短路径，若是，则执行步骤
(6);若否，则取出一根未分配可用最短路径的树枝，获取该树枝的头端节点和尾端节点信息以及该树枝的参考跳数值Hb，执行步骤(5.2);
[0059](5.2)在虚拓扑图中，使用Dijkstra算法，寻找满足带宽需求的头端节点到尾端节点的最短路径，若存在最短路径，则执行步骤(5.3);否则，拒绝该多播业务请求；
[0060]由于虚拓扑中包含逻辑路径与波长层拓扑的信息，在虚拓扑上为树枝寻找可用的最短路径时，若不能找到可用的最短路径，则在虚拓扑中的波长层也不可能寻找到可用的路径，就只能拒绝该多播业务疏导请求；
[0061](5.3)判断最短路径在物理拓扑上的跳数H是否满足门限C = 2的要求，若H〈=C*Hb，则使用该最短路径作为树枝的可用最短路径，返回到步骤(5.1);否则，执行步骤(5.4)；
[0062](5.4)在虚拓扑图中的波长层拓扑上，使用Dijkstra算法，寻找头端节点到尾端节点的最短路径；若存在最短路径，且其跳数不大于步骤(5.2)中得到的最短路径的跳数，则使用此最短路径作为树枝的可用最短路径，返回到步骤(5.1);否则，使用步骤(5.2)中的得到最短路径作为树枝的可用路径，再返回到步骤(5.1)。
[0063]例如，对于图4(f)所示的树枝集合中的树枝2号节点到8号节点，在图3所示的虚拓扑图上寻找可用的最短路径的流程如下:
[0064]首先，获取其头端节点与尾端节点信息以及参考跳数:头端节点为2号节点，尾端节点为8号节点，参考跳数为2;
[0065]其次，在虚拓扑上为树枝寻找最短路径，得到的最短路径为2号节点到O号节点、O号节点到6号节点、6号节点到8号节点，其中2号节点到O号节点、O号节点到6号节点为逻辑路径，6号节点到8号节点为波长层路径；该最短路径的跳数为5，不满足跳数的门限要求；
[0066]然后，在虚拓扑中的波长层为树枝寻找最短路径，得到的最短路径为2号节点经过6号节点到8号节点，该最短路径的跳数为2，小于虚拓扑上得到的最短路径的跳数，故选用最短路径2号节点经过6号节点到8号节点作为可用的最短路径。
[0067]至此，树枝2号节点到8号节点的可用最短路径寻找完成。
[0068]步骤6，根据树枝的可用最短路径为每一根树枝分配网络资源:若树枝的可用最短路径中包含逻辑路径，则更新逻辑路径的剩余带宽；若树枝的最短路径中包含波长层路径，则在波长层删除对应的波长资源，并在虚拓扑图中添加相应的逻辑路径，更新逻辑路径的剩余带宽，完成多播业务疏导，返回到步骤(2)。
[0069]步骤7，多播业务释放；
[0070](7.1)多播业务释放时，更新多播业务所使用的各逻辑路径的剩余带宽；
[0071](7.2)若某一逻辑路径未被其他业务使用时，释放该逻辑路径，并在波长层添加相应的波长资源，更新波长层拓扑和虚拓扑图；
[0072](7.3)返回到步骤⑵。
[0073]多播业务传输结束时，需要将多播业务传输所使用的逻辑路径的带宽资源释放掉，并更新各逻辑路径的剩余带宽；若某条逻辑路径的剩余带宽为一个波长的可用带宽，也就是说这条逻辑路径没有被其他的业务使用，就需要将该逻辑路径释放，将其所占用的波长资源归还给波长层拓扑。
[0074]下面结合仿真图对本发明效果做进一步的描述。
[0075]1.仿真条件:
[0076]在OPNET软件仿真环境下，设置网络中的波长数为6，一个波长的带宽为0C-48，多播业务的带宽需求符合均匀分布；
[0077]2.仿真内容:
[0078]分别用本发明与绿色多播疏导MGG方法在相同业务量的情况下，统计多播业务的阻塞数，比较多播业务的阻塞率，结果如图5所示。
[0079]在图5中，横坐标代表多播业务的业务量，单位为Erlang，纵坐标代表多播业务的阻塞率；圆圈标注的曲线代表本发明方法的阻塞率随业务量变化的情况，方块标注的曲线代表MGG方法的阻塞率随业务量变化的情况。其中:
[0080]图5 (a)为多播业务的带宽需求符合OC-1到OC_5的均匀分布，业务量分别为200、250、300、350、400、450时分别使用本发明与MGG方法在进行多播业务疏导的业务阻塞率的比较图；
[0081]图5(b)为多播业务的带宽需求符合OC-1到OC-1O的均匀分布，业务量分别为120、140、160、180、200、220、240、260时，分别使用本发明与MGG方法进行多播业务疏导的业务阻塞率的比较图；
[0082]图5 (C)为多播业务的带宽需求符合OC-1到OC-15的均匀分布，业务量分别为50、100、150、200、250、300、350、400、450时，分别使用本发明与MGG方法进行多播业务疏导的业务阻塞率的比较图；
[0083]3.仿真结果:
[0084]从图5可见，采用MGG方法进行多播业务疏导时，业务阻塞率较大，业务疏导性能较差；使用本发明进行业务疏导时，业务阻塞率明显降低，业务疏导性能得到明显的改善；特别是当多播业务请求需要的带宽较大，波长资源相对紧张时，本发明通过选取更合理的路径进行业务疏导，实现波长资源的高效利用，从而获得更优良的网络疏导能力。
【权利要求】
1.一种基于物理拓扑光树修正的多播业务疏导方法，其步骤包括如下: (1)初始化物理拓扑图和由逻辑路径和波长层拓扑构成的虚拓扑图，等待新的业务请求； (2)判断到达的业务请求是否为新业务，若业务请求为新业务，则需要进行多播业务疏导，执行步骤(3),否则，需要进行多播业务释放，跳转到步骤(7)； (3)当新业务到达时，使用最小代价路径的启发式算法腿^在物理拓扑上构造一棵覆盖多播业务的源节点和所有目的节点的多播树； (4)将多播树分解成若干树枝: 4^)遍历多播树，若多播树上的节点是源节点或目的节点，或者节点的出度大于1，则将该节点标记为分叉点； 仙)根据标记的分叉点，将多播树从分叉点处断开，得到树枝集合，树枝两端的节点分别为头端节点和尾端节点； (5)为树枝集合里每一根树枝寻找可用的最短路径； 5幻判断树枝集合里的树枝是否都已分配可用的最短路径，若是，则执行步骤(6)；若否，则取出一根未分配可用最短路径的树枝，获取该树枝的头端节点和尾端节点信息以及该树枝的跳数参考值氏，执行步骤紐)； 56)在虚拓扑图中，使用01拉01?算法，寻找满足带宽需求的头端节点到尾端节点的最短路径，若存在最短路径，则执行步骤50 ；否则，拒绝该多播业务请求； 50)判断最短路径在物理拓扑上的跳数是否满足门限的要求，若！！〈 = 0氏，则使用该最短路径作为树枝的可用最短路径，返回到步骤5幻；否则，执行步骤5(1)，其中门限的取值由仿真参数中的门限参数确定； 5(1)在虚拓扑图中的波长层拓扑上，使用01拉8廿3算法，寻找头端节点到尾端节点的最短路径；若存在最短路径，且其跳数不大于步骤紐)中得到的最短路径的跳数，则使用此最短路径作为树枝的可用最短路径，返回到步骤54 ；否则，使用步骤紐)中的得到最短路径作为树枝的可用路径，再返回到步骤如)； (6)根据树枝的可用最短路径为每一根树枝分配网络资源:若树枝的可用最短路径中包含逻辑路径，则更新逻辑路径的剩余带宽；若树枝的最短路径中包含波长层路径，则在波长层删除对应的波长资源，并在虚拓扑图中添加相应的逻辑路径，更新逻辑路径的剩余带宽，完成多播业务疏导，返回到步骤(2)； (7)多播业务释放； 7?)多播业务释放时，更新业务所使用的各逻辑路径的剩余带宽； 7?)若某一逻辑路径未被其他业务使用时，释放该逻辑路径，并在波长层添加相应的波长资源，更新波长层拓扑和虚拓扑图； 70)返回到步骤(2)。
2.根据权利要求1所述的基于物理拓扑光树修正的多播业务疏导方法，其特征在于，步骤(3)所述的使用最小代价路径的启发式算法腿^在物理拓扑上构造一棵覆盖多播业务的源节点和所有目的节点的多播树，按如下步骤进行: 3幻将多播业务的源节点加入多播树，作为树的根节点； 36)使用01拉01?算法，寻找到多播树距离最近的尚未加入多播树的目的节点； 30)将该目的节点到多播树的最短路径加入到多播树中； 3(1)判断多播树是否覆盖所有目的节点，若多播树已覆盖所有的目的节点，则多播树的构造完成；否则，返回到步骤3幻。
3.根据权利要求1所述的基于物理拓扑光树修正的多播业务疏导方法，其特征在于，步骤5幻所述的在虚拓扑图中，使用01拉8廿3算法，寻找满足带宽需求的头端节点到尾端节点的最短路径，按如下步骤进行: 51^1)初始化:设逻辑路径的权值远小于波长层路径的权值，设各节点到头端节点的最短路径的权值7为无穷大，各节点的前继节点为空；建立一个关键字为最短路径的权值^的最小优先队列，将所有的网络节点都插入队列中；重置头端节点的权值为0 ；5?)将最小优先队列的队首节点引出队列，并判断该队首节点是否为尾端节点，若是，则寻找最短路径完成；否则，将该队首节点标记为当前节点，获取其权值V，执行步骤563)；5133)遍历当前节点所有的相邻节点，判断当前节点到相邻节点的路径的权值蝴和该相邻节点的权值卩' 是否满足卩'，若满足条件，则更新卩' =，将该相邻节点的前继节点设为当前节点； 51^4)判断最小优先队列是否为空，若最小优先队列不为空，则返回到步骤5?)；否则，终止寻找最短路径。
【文档编号】H04Q11/00GK104486094SQ201410775348
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】杨帆, 徐展琦, 韩婷婷, 赵奥飞 申请人:西安电子科技大学