专利名称：基于路径相关性的p2p覆盖网络最优路径组选择方法
技术领域：
本发明涉及覆盖网络技术领域，尤其涉及一种基于路径相关性的P2P覆盖网络最 优路径组选择方法。
背景技术：
在当前的网络中，由于信息趋向于沿着分享共同链路的具有最短跳数的路径进行 传输，而导致热点(热区域)的发生，使得其它的路径无法得到有效利用，并引起网络拥塞。 为了提高网络的利用率和吞吐量，出现了平行数据流传输的覆盖在现有IP网络上的多路 径P2P覆盖网络。Spines是源代码公开的分布式覆盖网络，可以方便地用来进行覆盖网络协议的测 试和开发。它采用逐跳传输协议，使用存储转发的方式在覆盖链路上进行逐跳的拥塞控制 和丢包恢复，实现了可靠传输。可以支持对QoS有较高要求的实时多媒体业务，如VoIP、视 频会议等。另外，Spines还结合了 IP多播的优点，实现了覆盖多播。但是Spines只支持 固定节点的拓扑结构，节点不能动态的加入和离开Spines网络。为了增强Spines覆盖网 络的灵活性和可扩展性，将P2P技术应用到Spines网络中来增加其自组织性能，使其更好 地支持实时业务，很好地解决了这一问题。本发明中主要是在基于以上工作的多路径数据传输过程中，针对每条路径的不同 性能，不同路径之间的相关性对数据传输质量所产生的影响这一问题。通过以最优参考路 径(ORP)性能作为路径相关性分析时的标准来寻找最优多路径组进行数据传输。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于路径相关性的P2P覆盖网 络最优路径组选择方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种基于路径相关性的P2P覆盖网 络最优路径组选择方法，该方法包括以下步骤(1)最优参考路径的选择设从S至D的第i条路径上的k阶段的丢失率为P1/则 每条路径的包丢失率总量为PSD=1-II(1-Pki)设从S至D的第i条路径上的k阶段的时延为T1/则每条路径的总时延为TtSD；根据动态规划法则，可得最短时延的路径为MinTi = Yj^ miniver；, Tj), min f(Tj)}定义第i路径的综合性能参数为Yi=Q Ji-Q2Pi ；在这儿，正系数Ci1, α 2应当适当地综合进行考虑，考虑到两个系数的重要性和相互之间的数量级，可设其都为1 ；则最优参考路径是综合性能参数为min γ ,的一条路径。(2)以最优参考路径为参照的多路径组选择设定一个相关性界限值ξ，当任意 一条覆盖路径i和最优参考路径之间的相关性满足下面这个条件时 该路径作为多路径组中的一条路径参与数据的传输。反之，则路径不被使用。依 次与其余路径进行比较，就可以选出适合数据传输的多路径组。本发明的有益效果是，本发明主要是针对引入结构化P2P技术的Spines覆盖网 络，在实现节点可动态加入/退出功能的基础上考虑数据多路径传输问题，对数据传输中 的多路径P2P覆盖网络采用分阶段的动态规划方法寻找一条综合考虑时延与包丢失率参 数性能的最优化路径作为最优参考路径，再通过分析各路径与最优参考路径之间的相关 性，并与相关性边界值进行比较的方法来寻找最好的多路径组进行数据的传输，从仿真结 果来看，这种方法对于数据传输中网络QOS质量有了一定的提高。
图1是多路径覆盖网络阶段划分图。
具体实施例方式1.覆盖网络路径相关性模型因为覆盖网络是覆盖在现有IP网络之上的，对于其下层的结构并不了解或了解 的很少，两条不同的覆盖路径可能同时使用一条IP链路或节点。当其共享的链路(节点) 失效时，就会影响到多路径数据传输的效能，因此对多路径之间相关性的分析是必须的。随机变量X和Y的相关性由下式所示
Corr(X,r) ^ , ^；^(1.1)对于底层链路的依靠性反映在覆盖路径相关性上，主要体现为对时延的反应，因 此，用覆盖链路反应时间的相关性来表示各路径之间的相关性。我们定义ZSDi(t)为在时间 t时终端主机S和D之间的第i条路径的反应时间，则对于任意两条覆盖路径i和j之间的
相关性为 通过多路径传输所获得的功能将被不同路径之间“相关性”的水平所影响。如果 rvi,vj是由路径i和j所引起的失真之间的相互关系系数(也就是Prarson's的r)，可得到 受相关性影响的路径性能PP (Path Performance) 其中，N是可用路径的数量，K是由网络环境和编码技术所决定的正常数。如果假 设对每对路径其相互关系的水平是相等为r，可得到 由(1. 4)式可见，在对数据流进行多路径传输时，其性能随着路径之间相互性的 增加而减弱。2.动态规划寻找最优路径模型动态规划的寻优过程采用分级的序贯决策方法，把一个含有η个变量的问题转化 为求解η个单变量问题。为了应用最优化原理，必须满足分级条件，即目标函数可分性和状 态可分性。目标函数可分性 其中λ j为级的特征，V j为顺序排列的决策状态可分性即在n+1级做决策x(n+l)后，状态λ (η+1)仅取决于λ (η)和χ(η+1)，而与以前 的状态无关。也就是系统的无记忆性。Bellman的最优性原理指出不管该最优策略上某状态以前的状态和决策如何， 对该状态而言，余下的诸决策必构成最优子策略。由此得出最优性定理策略V (l,n) = (A1, λ2，…，λη)是最优子策略的充分必要条件是，对任一 k(l <k<n)，当初状态为X1时，有HX1, V *(l，n)) = HiinrU1, V (l，n))(2. 2)=min[r(A1, V (l,k-l))+V (入 k，V (k,n))]因此，在策略集V (1，η)上求最优解，就等价于先在子策略集V (1，k)上求最优 解，然后再求这些子最优解在子策略空间V (Lk-I)上的最优解。我们以引入结构化P2P网络的Spines覆盖网络作为研究的平台。由于该网络是 逐跳(hop-by-hop)传输的，可以将其分成k级(阶段)来选择它的最优参考路径。在以前 的研究工作中，解决了 Spines覆盖网络与结构化P2P网络技术相结合，保证Spines覆盖网 络节点具备动态加入/退出网络的功能[1]，在此基础上，我们将多路径与Spines覆盖网络 的逐跳(hop-by-hop)传输相结合，从而便于分阶段考虑最优化问题。如下图所示的覆盖网 络。把从源端S到终端D的过程分成四个阶段。根据动态规划的寻优思想，从最后一个阶 段开始，由终点向始点方向逐阶递推，寻找各点到终点的最优参考路径，当递推到始点时， 即得到了从始点到终点的全过程最优参考路径。其逆序递推的基本方程为r*(Ak) = min[r(Ak, V k) +r*( λ k+l) ](2. 3)
终端条件Γ*(λη+1)= 0式中Xk+1= TUk，Vk)我们用dk(Xk，Xk+1)表示在第k阶段由初始状态Xk到下阶段的初始状态xk+1的所求 策略性能数值。用fk(xk)表示从第k阶段的Xk到终端D的最优局部策略。则最优参考路径ORP (Optimal Reference Path)的逆序运算的表达式为
ηORP - J2minid(xk^i)Mnf(xk+l)}，η 为级数(2. 4)
k=\覆盖网络节点之间的包丢失率按文献[2]中的通过对正确的接收包凡和发送包Ns 的简化计算，可容易得到路径的包丢失概率P = I-^-(2.5)
Ns我们的目标是找到一条从源端S到终端D的数据传输路径，使综合考虑总丢失率 和时延的路径参数最优。并以其作为多路径中的最优参考路径。 为
3.实现过程
本发明基于路径相关性的P2P覆盖网络最优路径组选择方法，包括以下步骤 3. 1最优参考路径的选择
设从S至D的第i条路径上的k阶段的丢失率为P1/则每条路径的包丢失率总量
^r=I-Iid-O(3.1)设从S至D的第i条路径上的k阶段的时延为T1/则每条路径的总时延为Tr=YjikX(3.2)根据动态规划法则，可得最短时延的路径为.MinTl = min{J(r；, Tj), min f(Tj)}定义第i路径的综合性能参数为
(3.3)Yi=Q Ji- α 2Pj(3. 4)在这儿，正系数α” α 2应当适当地综合进行考虑，考虑到两个系数的重要性和相 互之间的数量级，可设其都为1。则我们所求的最优参考路径既是综合性能参数为min γ ,的一条路径。3. 2以最优参考路径为参照的多路径组选择由前面的分析，我们知道，两条路径之间的相关性系数越小，其对多路径网络性能 的不利影响越小，当两条覆盖路径之间的相关性超过50%时，就无法保证多路径对数据流 的有效传输，反而会降低网络的吞吐量，并且会产生路径之间的冲突，从而造成信息无法有 效地传输。在分析中，我们设定一个相关性界限值ξ，当任意一条覆盖路径i和最优参考路 径之间的相关性满足下面这个条件时
n I7 i 7 ORP \ COV^ZSD ,ZSD )( .
0071 Corr[ZSD ,Zsd =丨 \ , ‘ <ξ(3.5) 该路径作为多路径组中的一条路径参与数据的传输。反之，则路径不被使用。依
6次与其余路径进行比较，就可以选出适合数据传输的多路径组。 需要注意的是，不但路径之间的相关性要满足上式的条件，每条路径的延迟和包 丢失率也要满足一定的限制条件，也就是说，即使所选路径与最优参考路径之间的相关性 比较小，但是如果包丢失率或时延不能满足限定条件时，该条路径也应当被放弃。在考虑包 丢失率和时延限定条件时，以第i条路径的综合性能参数Yi的某一定值作为标准，小于此 界定值的路径被选取，高于此界定值的路径被放弃。
权利要求
一种基于路径相关性的P2P覆盖网络最优路径组选择方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)最优参考路径的选择设从S至D的第i条路径上的k阶段的丢失率为Pki，则每条路径的包丢失率总量为 <mrow><msubsup> <mi>P</mi> <mi>i</mi> <mi>SD</mi></msubsup><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><munder> <mi>Π</mi> <mi>i</mi></munder><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><msub> <mi>P</mi> <mi>k</mi></msub><mi>i</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>设从S至D的第i条路径上的k阶段的时延为Tki则每条路径的总时延为 <mrow><msubsup> <mi>T</mi> <mi>i</mi> <mi>SD</mi></msubsup><mo>=</mo><msub> <mi>Σ</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>)</mo> </mrow></msub><msubsup> <mi>T</mi> <mi>k</mi> <mi>i</mi></msubsup><mo>;</mo> </mrow>根据动态规划法则，可得最短时延的路径为 <mrow><mi>Min</mi><msub> <mi>T</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>Σ</mi> <mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>,</mo><mi>i</mi><mo>)</mo> </mrow></msub><mi>min</mi><mo>{</mo><mi>d</mi><mrow> <mo>(</mo> <msup><msub> <mi>T</mi> <mi>k</mi></msub><mi>i</mi> </msup> <mo>,</mo> <msup><msub> <mi>T</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mi>i</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mi>min</mi><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <msup><msub> <mi>T</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn> </mrow></msub><mi>i</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>}</mo> </mrow>定义第i路径的综合性能参数为γi＝α1Ti α2Pi；在这儿，正系数α1，α2应当适当地综合进行考虑，考虑到两个系数的重要性和相互之间的数量级，可设其都为1；则最优参考路径是综合性能参数为minγi的一条路径。(2)以最优参考路径为参照的多路径组选择设定一个相关性界限值ξ，当任意一条覆盖路径i和最优参考路径之间的相关性满足下面这个条件时 <mrow><mi>Corr</mi><mrow> <mo>(</mo> <msup><msub> <mi>Z</mi> <mi>SD</mi></msub><mi>i</mi> </msup> <mo>,</mo> <msup><msub> <mi>Z</mi> <mi>SD</mi></msub><mi>ORP</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mi>Cov</mi><mrow> <mo>(</mo> <msup><msub> <mi>Z</mi> <mi>SD</mi></msub><mi>i</mi> </msup> <mo>,</mo> <msup><msub> <mi>Z</mi> <mi>SD</mi></msub><mi>ORP</mi> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mrow><msqrt> <mi>var</mi> <mrow><mo>(</mo><msup> <msub><mi>Z</mi><mi>SD</mi> </msub> <mi>i</mi></msup><mo>)</mo> </mrow></msqrt><msqrt> <mi>var</mi> <mrow><mo>(</mo><msup> <msub><mi>Z</mi><mi>SD</mi> </msub> <mi>ORP</mi></msup><mo>)</mo> </mrow></msqrt> </mrow></mfrac><mo><</mo><mi>ξ</mi><mo>;</mo> </mrow>该路径作为多路径组中的一条路径参与数据的传输。反之，则路径不被使用。依次与其余路径进行比较，就可以选出适合数据传输的多路径组。
全文摘要
本发明公开了一种基于路径相关性的P2P覆盖网络最优路径组选择方法，该方法针对引入结构化P2P技术的Spines覆盖网络，在实现节点可动态加入/退出功能的基础上考虑数据多路径传输问题，对数据传输中的多路径P2P覆盖网络采用分阶段的动态规划方法寻找一条综合考虑时延与包丢失率参数性能的最优化路径作为最优参考路径，再通过分析各路径与最优参考路径之间的相关性，并与相关性边界值进行比较的方法来寻找最好的多路径组进行数据的传输，从仿真结果来看，这种方法对于数据传输中网络QOS质量有了一定的提高。
文档编号H04L12/56GK101917338SQ20101025384
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月13日 优先权日2010年8月13日
发明者何浩, 刘奇, 赵问道 申请人:浙江大学