專利名稱：基于路徑延時概率分布的選路方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于路徑延時概率分布的選路方法，尤其是一種基于路徑延時概率分布的有服務質(zhì)量保證(以下簡稱QoS)的選路方法。屬通信技術領域。
背景技術：
目前Internet使用的選路方法都是基于靜態(tài)信息的，也就是網(wǎng)絡中各鏈路的狀態(tài)信息(如物理鏈路帶寬)，是由操作員預先設置的，不是隨著網(wǎng)絡的工作狀況不斷變化的。以此為依據(jù)的選路方法只適合對帶寬和延時沒有嚴格要求的數(shù)據(jù)業(yè)務。隨著話音和實時多媒體業(yè)務的出現(xiàn)，用戶業(yè)務對網(wǎng)絡的服務質(zhì)量保證逐步提出各種各樣的要求，即QoS要求。由于網(wǎng)絡資源是共享的，網(wǎng)絡的工作狀態(tài)(各鏈路的可用帶寬、緩沖區(qū)長度等)是不斷變化的。因此，要保證用戶的QoS要求，選路過程就要不斷了解網(wǎng)絡當前的工作狀態(tài)，在此基礎上，結合一定的優(yōu)化目標，選擇一個滿足用戶要求的最優(yōu)的或至少是可用的傳輸路徑。
網(wǎng)絡的工作狀態(tài)由跳數(shù)，帶寬、延時和丟包率等網(wǎng)絡度量參數(shù)來表示。在有QoS要求的網(wǎng)絡中，各節(jié)點通過狀態(tài)更新過程不斷交換彼此的狀態(tài)信息。已有的QoS路由依據(jù)的狀態(tài)信息有鏈路可用帶寬和延時，它們的取值是當前統(tǒng)計周期的平均值。采用平均值作為選路依據(jù)存在以下問題1、平均值是一種最粗略的估計，不能準確反映網(wǎng)絡實際的工作狀態(tài)。
2、不同更新周期，網(wǎng)絡狀態(tài)平均值的變化是比較劇烈的，這種變化容易引起路由擺動，降低網(wǎng)絡性能。因為以均值為依據(jù)的選路方法有一種傾向，即在每一次鏈路信息更新后所有的業(yè)務被轉換到在上一更新周期內(nèi)負載較輕的鏈路，使得這些鏈路發(fā)生嚴重擁塞，而原來擁塞的鏈路空閑。當新的一次鏈路狀態(tài)更新到達時，網(wǎng)絡流量又重新回到原來的鏈路。從而形成路由擺動。路由的頻繁擺動對網(wǎng)絡業(yè)務有很大負面影響，如路由變動中可能發(fā)生的路由環(huán)路、丟包，以及包到達目的地后亂序等，從而引起網(wǎng)絡性能的下降。這種現(xiàn)象在網(wǎng)絡負載加重時尤其明顯。
3、無法對QoS保證提供有說服力的度量QoS保證其實是一種概率保證，尤其對話音和實時多媒體業(yè)務。它允許一定的丟包率，但要保證端到端的延時不超過一定的范圍。網(wǎng)絡服務的目標就是在保證數(shù)據(jù)包以一定的概率在延時界內(nèi)到達目的節(jié)點。
網(wǎng)絡的鏈路延時和帶寬都是一個在一定范圍內(nèi)隨機變化的量。采用延時而不是帶寬的概率分布作為狀態(tài)信息是由于1、延時最直接反映了用戶對端到端的服務質(zhì)量的要求。各鏈路的延時分布全面反映了網(wǎng)絡的工作狀態(tài)。很多網(wǎng)絡狀態(tài)參數(shù)都可以從延時的概率分布函數(shù)獲得。
2、Internet是一種無連接的分組交換網(wǎng)絡，各種業(yè)務都以數(shù)據(jù)包的形式，在網(wǎng)絡中傳輸，可以走一條路徑，也可以走多條路徑。某條鏈路的可用帶寬對服務質(zhì)量的要求已沒有直接意義。
3、隨著QoS要求向多類型、多優(yōu)先級發(fā)展，可用帶寬的統(tǒng)計和分配將越來越與具體服務質(zhì)量的要求脫節(jié)。
從延時概率分布函數(shù)fl(d)可以得到很多與網(wǎng)絡狀態(tài)相關的參量信息，如1、鏈路l的平均延時dl＝∫tfl(t)dt2、由多條鏈路組成的一條通信路徑p的總平均延時通?？山茷閐p‾=Σl∈pdl‾]]>3、鏈路延時概率分布函數(shù)的零點代表鏈路延時為0的概率即鏈路空閑概率，由此可以得到鏈路的利用率為1-fl(0)4、鏈路延時概率分布函數(shù)在無窮遠的取值f(∞)為數(shù)據(jù)包丟失的概率，可作為鏈路擁塞程度的度量。
5、由延時概率分布函數(shù)的積分可以方便地得到鏈路的延時小于任何值的概率pl(d)=Pr(dl≤d)=∫0dfl(t)dt]]>其中pl(d)為鏈路l上延時小于d的概率。
6、如果各鏈路的延時dl是相互獨立的，則根據(jù)概率分布函數(shù)卷積定理可以得到路徑延時的概率分布函數(shù)為各鏈路延時概率分布函數(shù)的卷積fp(dp)＝fl1(dl1)fl2(dl2)…f1n(d1n)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出基于路徑延時概率分布函數(shù)的選路方法，以鏈路的延時概率分布函數(shù)作為狀態(tài)信息，采用路徑跳數(shù)與鏈路延時概率分布函數(shù)的雙度量參數(shù)選路，克服網(wǎng)絡狀態(tài)信息不穩(wěn)定對QoS路由性能的影響。通過構造基于延時分布的代價函數(shù)實現(xiàn)概率選路，采用延時最優(yōu)分割方法將全局延時約束分裂為局部延時約束，降低運算復雜度；采用負載均衡的多路徑方法，有效克服路由振蕩。
本發(fā)明提出的基于路徑延時概率分布的選路方法，包括以下步驟1、以網(wǎng)絡中各鏈路的延時概率分布函數(shù)作為狀態(tài)信息，構造基于鏈路延時分布的代價函數(shù)；2、網(wǎng)絡上的各路由節(jié)點統(tǒng)計各自出口鏈路的延時概率分布函數(shù)，并向全網(wǎng)廣播；3、各路由節(jié)點接收上述廣播信息，并更新網(wǎng)絡狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫；4、各節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫中各鏈路的延時概率分布函數(shù)信息和用戶業(yè)務對延時的要求，計算每條鏈路的傳輸代價，選出N條從源節(jié)點到達目的節(jié)點的代價最小的路徑；5、計算上述N條路徑的延時概率分布，并求得每條路徑滿足延時要求的成功概率，若都不滿足，則拒絕用戶業(yè)務，若滿足，則進行下一步；6、從上述N條路徑中選出K條成功概率大于一定值的路徑；7、從K條路徑中選擇H條跳數(shù)最小的路徑；8、在H條路徑上用負載均衡的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包。
上述方法中的鏈路延時分布的代價函數(shù)為cl＝-logpl(Dl)，其中Dl為用戶業(yè)務延時的最大值D除以網(wǎng)絡平均路徑長度，pl(Dl)為鏈路滿足延時小于等于Dl的概率。
本發(fā)明提出的基于路徑延時概率分布的選路方法，具有以下優(yōu)點
1、由于本發(fā)明方法采用了鏈路的延時概率分布函數(shù)作為狀態(tài)信息，克服了網(wǎng)絡狀態(tài)信息不穩(wěn)定對QoS路由性能的影響。
2、通過概率選路，為QoS路由的服務提供逐業(yè)務的、定量的保證。
3、為分類型、分優(yōu)先級的QoS調(diào)度和路由提供統(tǒng)一參考目標，例如滿足用戶業(yè)務延時要求的成功概率。
4、采用延時最優(yōu)分割方法將全局延時約束分裂為局部延時約束，降低運算復雜度。
5、采用負載均衡的多路徑方法，提高網(wǎng)絡利用率，克服路由振蕩。


圖1本發(fā)明方法的流程框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提出的基于路徑延時概率分布的選路方法，其流程框圖如圖1所示，首先以網(wǎng)絡中各鏈路的延時概率分布函數(shù)作為狀態(tài)信息，構造基于鏈路延時分布的代價函數(shù)；網(wǎng)絡上的各路由節(jié)點統(tǒng)計各自出口鏈路的延時概率分布函數(shù)，并向全網(wǎng)廣播；各路由節(jié)點接收上述廣播信息，并更新網(wǎng)絡狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫；各節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫中各鏈路的延時概率分布函數(shù)信息和用戶業(yè)務對延時的要求，計算每條鏈路的傳輸代價，選出N條從源節(jié)點到達目的節(jié)點的代價最小的路徑；計算上述N條路徑的延時概率分布，并求得每條路徑滿足延時要求的成功概率，若都不滿足，則拒絕用戶業(yè)務，若滿足，則從上述N條路徑中選出K條成功概率大于一定值的路徑；從K條路徑中選擇H條跳數(shù)最短的路徑；在H條路徑上用負載均衡的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包。
上述方法中的鏈路延時分布的代價函數(shù)為cl＝-logpl(Dl)，其中Dl為用戶業(yè)務延時的最大值D除以網(wǎng)絡平均路徑長度，pl(Dl)為鏈路l滿足延時小于等于Dl的概率。
本發(fā)明提出的基于路徑延時概率分布的選路方法由兩個過程組成。一是狀態(tài)更新過程，一是路由選擇過程。狀態(tài)更新過程由延時的概率分布統(tǒng)計、狀態(tài)信息廣播、狀態(tài)信息更新幾部分組成。路由選擇過程根據(jù)最小代價選路、成功率選路、最小跳數(shù)選路和多路徑發(fā)送業(yè)務等部分組成。
在路由方法的實施中，首先要構造基于鏈路的延時概率分布的代價函數(shù)cl＝-logpl(Dl)其中Dl取值為業(yè)務QoS延時要求D除以網(wǎng)絡平均路徑長度。pl(Dl)為鏈路l滿足延時小于等于Dl的概率。
鏈路延時的概率分布統(tǒng)計是這樣實現(xiàn)的對網(wǎng)絡中各節(jié)點對其每條出口鏈路數(shù)據(jù)包的延時進行統(tǒng)計，通過大量的統(tǒng)計可以得到鏈路l上延時dl＝d的出現(xiàn)的頻數(shù)，對于足夠大量的采樣結果，可以近似認為這即是鏈路延時的概率分布函數(shù)fl(d)。
狀態(tài)信息廣播網(wǎng)絡中的各節(jié)點以一定的周期將統(tǒng)計到的各出口鏈路延時的概率分布函數(shù)fl(d)打在信令包里，向全網(wǎng)廣播。
狀態(tài)更新各路由節(jié)點接收上述廣播信息，并更新網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)庫。
最小代價選路業(yè)務接入節(jié)點根據(jù)接入業(yè)務QoS延時要求和狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中最新的各鏈路的延時概率分布函數(shù)，計算每條鏈路的傳輸代價。用基于Bellman-Ford的擴展算法選出N條從源節(jié)點到達目的節(jié)點的代價最小的路徑。
成功概率選路按下面的公式計算每條路徑的延時概率分布函數(shù)并求得每條路徑滿足延時要求的成功概率；從上述N條路徑中選出K條成功概率大于一定值的路徑路徑p滿足延時要求D的成功概率為Pr(dp≤D)=∫0Dfp(t)dt]]>fp(dp)是路徑p的延時概率分布函數(shù)。為了簡化計算，假設各鏈路的延時dl是相互獨立的，則根據(jù)概率分布函數(shù)卷積定理可以得到路徑延時的概率分布函數(shù)為各鏈路延時概率分布函數(shù)的卷積fp(dp)＝fl1(dl1)fl2(dl2)…f1n(d1n)卷積計算的復雜度很高，為簡化卷積計算，按照N條鏈路的平均延時正比例分配鏈路延時上限為Dl=dl‾Σl∈pdl‾×D]]>路徑p滿足延時要求的成功概率可簡化為Pr(dp≤D)=Πl∈pPr(dl≤Dl)=Πl∈p∫0D1fl(t)dt]]>這是一種有效的分割方式，將全局延時約束分裂為(單鏈路)的延時約束，將卷積運算簡化為乘積運算。極大降低了預算的復雜度。
最小跳數(shù)選路從K條備選路徑中選出跳數(shù)最小的H條路徑多路徑發(fā)送在上述H條路徑上進行負載均衡多路徑發(fā)送。例如選擇跳數(shù)最短和次短的兩條路徑p1與p2，設這兩條路徑滿足延時要求的成功概率分別為θ1與θ2。
如果θ1≥X1，則使用p1單路徑傳輸；如果θ1≥X12且θ2≥X2，則按照比例θ1hops2∶θ2hops1分配業(yè)務流量，在p1和p2兩條路徑上進行負載均衡。其中hopsx為路徑p1或p2的跳數(shù)；如果上述條件不滿足，選路失敗，拒接用戶業(yè)務。其中X1，X12，X2分別為三個成功概率門限值，可根據(jù)網(wǎng)絡實際運行情況設定。
通過這種選路方法，可以實現(xiàn)基于路徑延時概率分布的QoS選路方法，為用戶提供有服務質(zhì)量保證的QoS路由。
權利要求
1.一種基于路徑延時概率分布的選路方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)以網(wǎng)絡中各鏈路的延時概率分布函數(shù)作為狀態(tài)信息，構造基于鏈路延時分布的代價函數(shù)；(2)網(wǎng)絡上的各路由節(jié)點統(tǒng)計各自出口鏈路的延時概率分布函數(shù)，并向全網(wǎng)廣播；(3)各路由節(jié)點接收上述廣播信息，并更新網(wǎng)絡狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫；(4)各節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫中各鏈路的延時概率分布函數(shù)信息和用戶業(yè)務對延時的要求，計算每條鏈路的傳輸代價，選出N條從源節(jié)點到達目的節(jié)點的代價最小的路徑；(5)計算上述N條路徑的延時概率分布，并求得每條路徑滿足延時要求的成功概率，若都不滿足，則拒絕用戶業(yè)務，若滿足，則進行下一步；(6)從上述N條路徑中選出K條成功概率大于一定值的路徑；(7)從K條路徑中選擇H條跳數(shù)最小的路徑；(8)在H條路徑上用負載均衡的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的鏈路延時分布的代價函數(shù)為cl＝-logpl(Dl)，其中Dl為用戶業(yè)務延時的最大值D除以網(wǎng)絡平均路徑長度，pl(Dl)為鏈路l滿足延時小于等于Dl的概率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于路徑延時概率分布的選路方法，屬通信技術領域。本方法首先以網(wǎng)絡中各鏈路的延時概率分布函數(shù)作為狀態(tài)信息，構造基于鏈路延時分布的代價函數(shù)；各路由節(jié)點統(tǒng)計各自出口鏈路的延時概率分布函數(shù)，并向全網(wǎng)廣播；各路由節(jié)點接收廣播信息，并更新網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)庫；各節(jié)點根據(jù)各鏈路的延時概率分布函數(shù)和用戶業(yè)務對延時的要求，計算每條鏈路的傳輸代價，選出N條代價最小的路徑；從N條路徑中選出K條成功概率大于一定值的路徑；從K條路徑中選擇H條跳數(shù)最短的路徑；在H條路徑上用負載均衡的方式發(fā)送數(shù)據(jù)包。本發(fā)明的方法通過概率選路，為QoS路由服務提供逐業(yè)務的、定量的保證；降低運算復雜度；提高網(wǎng)絡利用率，克服路由振蕩。
文檔編號H04L12/16GK1472924SQ0314679
公開日2004年2月4日 申請日期2003年7月11日 優(yōu)先權日2003年7月11日
發(fā)明者馬正新, 林玉俠, 曹志剛, 晏堅 申請人:清華大學