一种基于混合环组网和喷泉码的网络传输方法及系统与流程

本发明涉及计算机技术，尤其涉及一种基于混合环组网和喷泉码的网络传输方法及系统。

背景技术：

随着轨道交通行业的发展，网络业务和应用不断丰富和增长，对传输网络的要求越来越高，特别是包含关键业务的系统，例如：列车控制信号系统，对网络传输的可靠性、时延等要求非常严格。目前，轨道交通行业内的传输网络解决方案，主要是采用传统的网络架构以及tcp/ip传输协议进行数据传输，通过环网的传输架构来提高数据传输的可靠性。但是，现有的轨道交通领域网络传输方法存在传输过程中的传输效率不高、传输可靠性低，tcp/ip传输协议和环网保护对可靠性的提高有限等问题；同时，鉴于业务量的增长，轨道交通传输网络在增加新的应用业务时，需要对传统的网络架构进行修补，也使得网络设备复杂化、架构越来越臃肿。

而sdn作为一种新型网络架构，将传统网络架构拆分为应用、控制和转发三层架构，提出转发与控制分离，有专门的控制器来负责对整个网络状态进行监控和调整，转发层只负责数据的转发，减少了承载面负荷，整体优化网络布局，并且sdn利用网络的可编程特性可实现对网络的灵活管控，摆脱了硬件设备的限制，能像安装软件一样自定义网络功能，成为下一代网络架构的研究重点。基于openflow协议是sdn的主流实现形式，它是以openflow协议为基础的交换机和控制器的集合，将传统由交换路由设备控制的数据包转发流程，转换为由openflow交换机只进行数据转发和控制器完成路径选择和转发规则控制的相互独立过程。当前，sdn网络在轨道交通行业内的应用也尚未成熟，现有sdn节点的传输方法虽然在控制层面改变了以往分布式的路由协议，但是数据层面网络设备上经过的还是普通的tcp/ip协议栈的数据包，该应用模式没有充分发挥sdn对网络灵活管控的优势，达到的网络传输性能仍接近于传统网络传输性能。因为发送端需要很多时间去等待反馈信息，会导致基于反馈重传的tcp协议传输通信延迟过大；并且在传输条件不好的情况下，造成丢包，数据可靠性不高。

技术实现要素：

为了解决现有技术中传输延迟大、数据可靠性低的技术问题，本发明提出了一种基于混合环组网和喷泉码的网络传输方法及系统。

一种基于混合环组网和喷泉码的网络传输方法，所述方法包括：

sdn控制器收集基于混合环组网形成的传输网络的全网拓扑信息以及信源传输业务数据至信宿的传输需求；

sdn控制器计算所述传输网络中起始节点到目标节点的最短距离d，并设定长度余量系数γ，sdn控制器再搜索从所述传输网络中起始节点可到达目标节点的路径，其中，路径长度ln≤d(1+γ)；

sdn控制器记录所述搜索得到的m条路径，分别计算两两路径之间有重叠的传输节点数量，形成重叠数矩阵h，从所述m条路径中选择重叠节点数量最小的s条路径，其中，s≤m，1≤sx≤s，1≤sy≤s；

sdn控制器输出所述s条路径的规划结果及各路径的链路可用带宽ws，将所述s条路径及端口下发给各相关的传输节点执行，并将所述业务数据按照规划好的s条路径进行传输，发送至接收所述业务数据的信宿。

进一步地，所述传输网络的全网拓扑信息包括:所述传输网络的传输节点、所述传输节点间连接关系和链路可用带宽。

进一步地，所述业务数据的传输需求包括：所述起始节点和端口、所述目标节点和端口以及业务所需带宽。

进一步地，所述sdn控制器计算传输网络中起始节点到目标节点的最短距离d采用floyd-warshall最短路径算法进行计算。

进一步地，所述sdn控制器搜索从起始节点可到达目标节点的路径ln采用广度优先遍历方法进行搜索。

进一步地，所述业务数据按照规划好的s条路径传输包括：

sdn控制器下发指令给起始节点，所述起始节点的处理模块对信号设备提供的业务数据进行喷泉码编码，经由所述起始节点的交换模块将所述喷泉码编码结果以负载均衡方法分发给s条路径，并发送给中间节点；

sdn控制器下发指令给路径上所有的中间节点，仅由所述中间节点的交换模块对数据进行透传，所述中间节点不对数据做编码或解码处理；

sdn控制器下发指令给目标节点，将所述目标节点交换模块从多条路径接收到的数据交由所述目标节点处理模块，进行喷泉码译码，恢复出原所述业务数据，将所述业务数据发送至接收业务数据的信号设备。

进一步地，所述经由所述起始节点的交换模块将所述喷泉码编码结果以负载均衡方式分发给s条路径包括：

所述起始节点的处理模块计算均衡系数λs；

所述起始节点的交换模块根据均衡系数λs分配编码结果各个数据报文到s条路径上的中间节点。

进一步地，所述均衡系数λs＝ws/w总，即各条路径带宽ws占所有s条路径总带宽资源w总的百分比。

进一步地，所述喷泉码包括：raptor码或raptorq码。

进一步地，所述起始节点的交换模块根据均衡系数λs分配编码结果各个数据报文到s条路径上的中间节点包括：

采用概率法分配编码结果各个数据报文到s条路径上的中间节点；或

采用轮转法分配编码结果各个数据报文到s条路径上的中间节点。

一种基于混合环组网和喷泉码的网络传输系统，所述系统包括：sdn控制器、信源、传输节点和信宿，所述传输节点包括处理模块和交换模块，其中，所述sdn控制器，用于收集传输网络的全网拓扑信息以及所述信源传输业务数据至所述信宿的传输需求；

所述信源，用于提供需要传输的业务数据；

所述传输节点，用于通过处理模块对所述业务数据进行喷泉码编码和译码，以及通过交换模块对编码结果进行透传，将所述业务数据传输至信宿；

所述信宿，用于接收经所述传输节点传输的所述业务数据。

进一步地，所述sdn控制器，还用于计算所述传输网络中起始节点到目标节点的最短距离，以及搜索从所述传输网络中起始节点可到达目标节点的路径。

进一步地，所述sdn控制器，还用于记录所述搜索到的起始节点可到达目标节点的m条路径，并分别计算两两路径之间有重叠的传输节点数量，形成重叠数矩阵h，再从所述m条路径中选择重叠节点数量最小的s条路径。

进一步地，所述sdn控制器，还用于输出所述s条路径的规划结果及各路径的链路可用带宽ws，将所述s条路径及端口下发给各相关的传输节点执行，并将所述业务数据按照规划好的s条路径进行传输。

进一步地，所述传输节点存在x个连接端口，其中，x≥2。

本发明提供了一种基于混合环组网和喷泉码的网络传输方法及系统，所述方法及系统基于sdn网络架构以及混合环组网为网络传输提供多条潜在的可用路径，并在传输网络中采用sdn控制器进行自动路径规划，然后通过sdn控制器控制起始节点对信源提供的业务数据执行喷泉码编码后以负载均衡的方式向多条已规划的路径发送、控制所述路径的中间节点均执行编码数据透传、控制目标节点收集多条所述路径传输的所述编码数据并执行喷泉码译码操作，再将译码获得的所述业务数据传输至信宿，提高了数据传输的效率和可靠性。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的网络传输方法的基本流程图；

图2示出了根据本发明实施例的采用负载均衡方法进行数据分发的流程示意图；

图3示出了根据本发明实施例中的网络传输系统的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的传输节点的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了根据本发明实施例的网络传输方法的基本流程图。如图所示，在本发明实施例中，首先，sdn控制器收集基于混合环组网形成的传输网络的全网拓扑信息以及信源传输业务数据至信宿的传输需求；然后sdn控制器计算所述传输网络中起始节点到目标节点的最短距离d，并设定长度余量系数γ，sdn控制器再搜索从所述传输网络中起始节点可到达目标节点的路径，其中，路径长度ln≤d(1+γ)；sdn控制器记录所述搜索得到的m条路径，分别计算两两路径之间有重叠的传输节点数量，形成重叠数矩阵h，从所述m条路径中选择重叠节点数量最小的s条路径，其中，s≤m，1≤sx≤s，1≤sy≤s；最后sdn控制器输出所述s条路径的规划结果及各路径的链路可用带宽ws，将所述s条路径及端口下发给各相关的传输节点执行，并将所述业务数据按照规划好的s条路径进行传输，发送至接收所述业务数据的信宿。

本发明实施例的传输网络组网方式为混合环组网，每个传输节点对外连接端口大于等于2个，使其拓扑上能提供更多潜在的通信传输路径。传输网络形成后，所述sdn控制器收集传输网络的全网拓扑信息以及业务数据的传输需求。其中，全网拓扑信息包括：所述传输网络中的传输节点、所述传输节点间连接关系和链路可用带宽等信息；业务数据传输需求包括：信源对应的所述起始节点和端口，信宿对应的所述目标节点和端口以及业务所需带宽等信息。需要说明的是，所述信源为传输网络中提供业务数据的信号设备，所述信宿为传输网络中接收业务数据的信号设备。

所述sdn控制器计算所述传输网络中起始节点到目标节点的最短距离d可采用floyd-warshall最短路径算法进行计算，获得最短距离d后，由于需要再搜索多条路径，其它路径长度均可能比d长，因此需要设定长度余量系数γ，其中，0<γ<1，允许其它路径长度l≤d(1+γ)；接着，sdn控制器从所述传输网络的起始节点出发，采用广度优先遍历方法搜索可到达所述传输网络中目标节点的路径。如果找到的路径长度ln≤d(1+γ)，则记录该路径及其每一跳所使用的节点端口以及对应的链路可用带宽，所述链路可用带宽取该路径上各跳带宽中的瓶颈带宽。

搜索完成后，所述sdn控制器记录所述搜索得到的m条路径，并分别计算两两路径之间有重叠的传输节点数量，形成重叠数矩阵h，重叠数矩阵h中hij表示第i条路径和第j条路径的节点重叠数；再从所述m条路径中选择s条路径，所述s条路径的重叠节点数量最小，其中，sx和sy为第x条路径和第y条路径，s≤m，1≤sx≤s，1≤sy≤s。选择路径重叠节点数量最小的s条路径进行数据传输，减少传输网络延迟，提高了传输效率，并尽量防范因重叠节点故障导致多于1条路径同时失效的风险，提高了传输可靠性。

sdn控制器输出所述s条路径的规划结果及各路径的链路可用带宽ws，其中，s＝1,2，…，s。获得所述s条路径的规划结果后，sdn控制器将规划好的s条路径及端口下发给各相关的传输节点执行，其中，每一条路径由多跳组成，每一跳指从某传输节点某端口沿路径传输到下一节点的某端口。之后，sdn控制器将所述信号设备提供的业务数据按照已规划的s条路径传输，包括：sdn控制器下发指令给起始节点，所述起始节点的处理模块对所述信号设备提供的业务数据进行喷泉码编码，经由所述起始节点的交换模块将所述喷泉码编码结果以负载均衡方式分发给s条路径，发送给中间节点；sdn控制器下发指令给路径上所有的中间节点，仅由所述中间节点的交换模块对数据进行透传，所述中间节点不对数据做编码或解码处理；sdn控制器下发指令给目标节点，将所述目标节点交换模块从多条路径接收到的数据交由所述目标节点处理模块，进行喷泉码译码，恢复出原所述业务数据，将所述业务数据发送至接收业务数据的信号设备。由于喷泉码特性是对编码后的数据传输没有次序要求，并允许发生随机丢包，因此可以经由所述起始节点的交换模块将所述喷泉码编码结果以负载均衡方法分发给s条路径并发送给中间节点。在本发明实施例中，可使用raptor码或raptorq码作为喷泉码对业务数据进行编码；所述传输网络的中间节点仅由交换模块对数据进行透传，处理模块不参与，即所有中间节点不对数据做编码或解码处理，可以在保障传输可靠性的同时兼顾传输效率。

而使用负载均衡方法对所述编码结果进行均衡发送，可以保障最高发送效率，图2示出了根据本发明实施例的采用负载均衡方法进行数据分发的流程示意图。如图所示，所述采用负载均衡方法进行数据分发包括：所述起始节点的处理模块计算均衡系数λs，其中，λs＝ws/w总，即各条路径带宽ws占所有s条路径总带宽资源w总的百分比，w总＝∑ws；所述起始节点的交换模块再根据均衡系数λs，采用概率法或轮转法分配编码结果各个数据报文到s条路径上的中间节点。其中，概率法为针对当前编码结果的每一个数据报文，当前交换模块依靠概率进行判定，即当前交换模块生成在0到1之间均匀分布的随机数r，若满足：则当前交换模块将该报文转发给第s条路径，λi为第i条路径带宽wi占所有s条路径总带宽资源w总的百分比；轮转法为针对当前编码结果的数据报文，当前交换模块先按一定精度对第i条路径带宽wi占所有s条路径总带宽资源w总的百分比λi进行四舍五入为比如取小数点后q位数，需保证仍为1。然后当前交换模块生成总共p＝10^q个令牌，然后分别将个令牌指派给s条路径。再对于当前编码结果的前p个数据报文，当前交换模块依次或随机从s条路径抽取令牌并令其传输当前编码结果的一个数据报文，则当前编码结果发送完全部p个数据报文时，所有s条路径的总共p个令牌也全部被抽取完。当前交换模块再次按原比例指派总共p个令牌给s条路径，并对于当前编码结果的后续p个数据报文重复上述抽取令牌过程进行，如此重复。

在上述方法的基础上，本发明实施例还提供了一种基于混合环组网的网络传输系统，图3示出了根据本发明实施例中的网络传输系统的结构示意图。如图所示，所述系统包括：sdn控制器、信源、传输节点和信宿，所述传输节点包括处理模块和交换模块。其中，所述sdn控制器是本发明实施例中基于sdn网络架构的传输网络中的一种程序，可用于收集传输网络的全网拓扑信息和所述信源传输业务数据至所述信宿的传输需求；计算所述传输网络中起始节点到目标节点的最短距离和搜索从所述传输网络中起始节点可到达目标节点的路径；记录搜索到的起始节点可到达目标节点的路径并分别计算两两路径之间有重叠的传输节点数量，形成重叠数矩阵h，再从所述m条路径中选择重叠节点数量最小的s条路径；以及输出所述s条路径的规划结果及各路径的链路可用带宽ws，将所述s条路径及端口下发给各相关的传输节点执行，并将所述业务数据按照规划好的s条路径进行传输。所述sdn控制器作为一种软件运行，有利于传输网络的自动化管理。

所述信源和信宿为传输网络中有通信需求的两个信号设备，信源用于提供需要传输的业务数据，信宿用于接收经所述传输节点传输的业务数据。

所述传输节点，用于通过处理模块对所述业务数据进行喷泉码编码和译码，以及通过交换模块对编码结果进行透传，将所述业务数据传输至信宿，图4示出了根据本发明实施例的传输节点的结构示意图。如图所示，所述传输节点包括处理模块和交换模块。其中，所述处理模块用于对所述信源提供的业务数据进行喷泉码编码和译码，所述交换模块用于通过连接端口对编码结果进行透传。所述传输节点存在x个连接端口，其中，x≥2，从而在所述传输网络中提供更多潜在的通信传输路径。本发明实施例所述系统基于sdn网络架构，采用混合环组网将所述信号设备和所述传输节点组网连接，形成传输网络，在各传输节点间设置多个传输通道，使其拓扑上能提供更多潜在的通信传输路径，提高了网络传输的可靠性，有别于简单的链形或环形网络。

示例性的，基于本发明实施例的网络传输方法及系统，以图3中信源传输业务数据至信宿，即信号设备a至信号设备b的过程为：

步骤一：信号设备a到信号设备b之间的传输节点采用混合环组网的网络架构，信号设备a提供需要传输的业务数据，并将数据传输至需要承载的传输节点上，所述传输节点包括本次传输过程中实际途径的起始节点、目标节点以及所有的中间节点。其中，所述起始节点为传输节点1，所述目标节点为传输节点n，所述中间节点为传输节点2至传输节点n-1，sdn控制器收集采用混合环组网形成的传输网络的节点、连接关系、链路可用带宽等全网拓扑信息，以及信源对应的起始节点和端口、信宿对应的目标节点和端口、业务所需带宽等业务数据的传输需求；

步骤二：sdn控制器计算所述传输网络中起始节点到目标节点的最短距离d，并设定长度余量系数γ，sdn控制器再搜索从所述传输网络中起始节点可到达目标节点的路径，其中，路径长度ln≤d(1+γ)；

步骤三：sdn控制器记录所述搜索得到的m条路径，分别计算两两路径之间有重叠的传输节点数量，形成重叠数矩阵h；

步骤四：sdn控制器从所述m条路径中选择重叠节点数量最小的s条路径，sdn控制器输出所述s条路径的规划结果及各路径的链路可用带宽ws，其中，s≤m，1≤sx≤s，1≤sy≤s；

步骤五：sdn控制器将规划好的s条路径及端口下发给各相关的传输节点执行，所述起始节点的交换模块的端口a在接收到信号设备a提供的业务数据后，发送至处理模块，由处理模块使用raptor码或raptorq码进行喷泉码编码。然后将所述编码结果发送至交换模块，经由交换模块的多个端口使用负载均衡方法将所述编码结果分发给步骤四中已规划的s条路径，并发送给下一跳的传输节点；

步骤六：所述中间节点仅由交换模块对数据进行透传，处理模块不参与，即所有中间节点不对数据做编码或解码处理，如此依次传递传输；

步骤七：所述目标节点负责接收步骤四中规划的s条路径上传输过来的数据包，发送至处理模块后进行喷泉码译码，恢复出信号设备a所传输的业务数据，从端口e发送给信号设备b。

本发明实施例提供了一种基于混合环组网和喷泉码的网络传输方法及系统，所述方法及系统基于sdn网络架构以及混合环组网为网络传输提供多条潜在的可用路径，并在传输网络中采用sdn控制器进行自动路径规划，然后通过sdn控制器控制起始节点对信源提供的业务数据执行喷泉码编码后以负载均衡的方式向多条已规划的路径发送、控制所述路径的中间节点均执行编码数据透传、控制目标节点收集多条所述路径传输的所述编码数据并执行喷泉码译码操作，再将译码获得的所述业务数据传输至信宿，提高了数据传输的效率和可靠性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。