專利名稱：用于在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)由最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的方法和系統(tǒng)。更具體來講，本發(fā)明涉及一種用于在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)一最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑從一個發(fā)送節(jié)點向一個接收節(jié)點執(zhí)行數(shù)據(jù)通訊的方法和系統(tǒng)，在其中的網(wǎng)絡(luò)中，有多個節(jié)點通過數(shù)據(jù)鏈路相互連接起來，而網(wǎng)絡(luò)中的所說最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑被定義為使得網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)鏈路的平均鏈路利用率為最小和/或最大鏈路利用率達(dá)到最小的數(shù)據(jù)路徑。
如果網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點/路由器的工作條件都是已知的，就可以確定出一條數(shù)據(jù)路徑以及組成該數(shù)據(jù)路徑的各個數(shù)據(jù)鏈路，數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)包通過該數(shù)據(jù)路徑在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通訊傳達(dá)。每個節(jié)點/路由器的工作條件-尤其是各個節(jié)點/路由器的路由決定是利用一個開銷函數(shù)確定出來的，該開銷函數(shù)能確定出各個鏈路的開銷。開銷函數(shù)是由協(xié)議規(guī)定的，并取決于各個鏈路的容量、要被傳送的數(shù)據(jù)的類型和/或數(shù)據(jù)量、通向各數(shù)據(jù)必到節(jié)點的各數(shù)據(jù)鏈路的利用率、(物理)延時以及整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊狀況。在實際工作中，開銷函數(shù)只取決于靜態(tài)變量和/或預(yù)定變量，例如鏈路的容量、以及先前已定義在路由器數(shù)據(jù)庫中的各條鏈路的延時值。因而，如果在網(wǎng)絡(luò)中未發(fā)生任何錯誤，則節(jié)點/路由器的工作條件將不會隨數(shù)據(jù)通訊而發(fā)生變化，這就使得確定數(shù)據(jù)從發(fā)送節(jié)點傳輸?shù)浇邮展?jié)點的數(shù)據(jù)路徑變?yōu)榱丝赡堋?br> 上述內(nèi)部路由協(xié)議的另一個基本原理是始終選擇發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間最短的數(shù)據(jù)路徑。此路由協(xié)議定義了一種度量標(biāo)準(zhǔn)，用此度量標(biāo)準(zhǔn)來確定數(shù)據(jù)路徑的長度、且在整個網(wǎng)絡(luò)中散布用于確定整個網(wǎng)絡(luò)中最短數(shù)據(jù)路徑的信息。例如，開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF)通常使用一種基于時間無關(guān)參數(shù)的相加度量標(biāo)準(zhǔn)，其中的這些參數(shù)例如為各鏈路的數(shù)據(jù)通訊容量(例如，思科CISCO的路由器)和/或經(jīng)由數(shù)據(jù)鏈路執(zhí)行數(shù)據(jù)通訊的延時。在該OSPF度量標(biāo)準(zhǔn)中，從一個節(jié)點/路由器到其所連接的另一節(jié)點/路由器的每條數(shù)據(jù)鏈路的開銷都被輸入進(jìn)去。從一節(jié)點/路由器到下一節(jié)點/路由器之間的某條數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)通訊參數(shù)可取決于在該數(shù)據(jù)鏈路上進(jìn)行的數(shù)據(jù)通訊的方向。因而，各數(shù)據(jù)鏈路的開銷可能會隨數(shù)據(jù)通訊的方向而變化。一數(shù)據(jù)路徑的總開銷是通過將該路徑所包括的所以數(shù)據(jù)鏈路的開銷相加起來得到的。
增強(qiáng)型內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議(EIGRP)的度量標(biāo)準(zhǔn)比OSPF協(xié)議的度量標(biāo)準(zhǔn)更為復(fù)雜，但通常是采用其縮簡成加法度量標(biāo)準(zhǔn)的簡約形式。
始終選擇最短數(shù)據(jù)路徑的解決方案也就意味著執(zhí)行的是單路徑路由也就是說對于所有的數(shù)據(jù)流而言，兩節(jié)點之間的路由都是相同的。也可以定義多路徑路由方案，但是出于穩(wěn)定性(例如防循環(huán)保護(hù))以及一些由協(xié)議限定的原因(例如在數(shù)據(jù)包重組情況下TCP協(xié)議的惡化)的考慮，很少采用多路徑路由。由于采用了定開銷度量標(biāo)準(zhǔn)和單路徑路由，所以就會出現(xiàn)多條數(shù)據(jù)路徑的擁塞或同一條數(shù)據(jù)路徑中各單條數(shù)據(jù)鏈路的擁塞。例如，如果數(shù)據(jù)量大于某一單段數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)通訊容量就會發(fā)生這樣的情況。如果一節(jié)點/路由器的數(shù)據(jù)通訊容量不足以承擔(dān)所需數(shù)據(jù)量的通訊，就也會出現(xiàn)類似的問題—例如，如果該節(jié)點/路由器被包含在多個不同發(fā)送節(jié)點和/或多個不同接收節(jié)點之間的多條數(shù)據(jù)路徑中。
另外，某些特定的數(shù)據(jù)路徑和/或數(shù)據(jù)鏈路的使用率可能會非常高，而其它一些則只是偶爾被使用。這種在數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)通訊不均勻分布導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中所有數(shù)據(jù)鏈路的鏈路利用率不平均。不均衡的鏈路利用率還可能導(dǎo)致不同數(shù)據(jù)鏈路發(fā)生擁塞。由于在負(fù)載和等待時間之間的非線性相關(guān)性，所以甚至在鏈路利用率很高的情況下，網(wǎng)絡(luò)也不適于諸如IP電話等實時性應(yīng)用。此外，由于設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)中的某些數(shù)據(jù)鏈路未被使用，而設(shè)置數(shù)據(jù)鏈路是需要昂貴的硬件和軟件組件的，所以以這樣的方法來對數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行路由會使得網(wǎng)絡(luò)的工作是不經(jīng)濟(jì)的。
用來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)路由的現(xiàn)有方案的目的在于提高/增強(qiáng)已有協(xié)議、或者是發(fā)展新的路由協(xié)議。由于改變了的路由協(xié)議或新路由協(xié)議必須要在整個網(wǎng)絡(luò)的范圍內(nèi)創(chuàng)建，因而通常需要對硬件或軟件組件作出改變或者設(shè)置新的軟、硬件。因而，這樣的優(yōu)化方案主要是受限于網(wǎng)絡(luò)組織方面的問題。
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種如權(quán)利要求1所述的、用于在網(wǎng)絡(luò)中確定出數(shù)據(jù)通訊最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的方法。
根據(jù)本發(fā)明的方法基于這樣的方案在線性優(yōu)化問題的基礎(chǔ)上對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)路由進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)本發(fā)明的線性優(yōu)化問題必須要被限定成這樣使得在網(wǎng)絡(luò)中路由/通訊的數(shù)據(jù)(也被稱為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù))在整個網(wǎng)絡(luò)中是均勻/一致地分布的。在本發(fā)明的場合中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的“均勻/一致分布”不應(yīng)被理解為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的“相等分布”。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在整個網(wǎng)絡(luò)中的相等分布將導(dǎo)致連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的所有數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量都是同一/相等的。
盡管數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的“相等分布”反映了根據(jù)本發(fā)明的線性優(yōu)化問題的一種優(yōu)化方案，但根據(jù)本發(fā)明的方法并不特定于獲得一種“相等分布”的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而是致力于獲得網(wǎng)絡(luò)中這樣一種數(shù)據(jù)路由優(yōu)化方案網(wǎng)絡(luò)中各數(shù)據(jù)鏈路的利用率可以是不同的。
根據(jù)本發(fā)明的方法被用來在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)由從發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點的一優(yōu)化數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，在該網(wǎng)絡(luò)中，具有多個用數(shù)據(jù)鏈路連接在一起的節(jié)點。在下文中，“數(shù)據(jù)路徑”這一詞語被用來指代在發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的各條數(shù)據(jù)路徑，其中的這些數(shù)據(jù)路徑是由對應(yīng)的各段連接鏈路組成的。
為了確定出從一個發(fā)送節(jié)點到一個接收節(jié)點的最優(yōu)路徑，首先要確定出從發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點、經(jīng)過對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路和多個節(jié)點的所有無環(huán)路數(shù)據(jù)路徑，并選擇那些數(shù)據(jù)路徑使得在這兩個數(shù)據(jù)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通訊都是經(jīng)同樣的數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行的。然后，確定出這些選出數(shù)據(jù)路徑的最大鏈路利用率、或者平均鏈路利用率、或者最大鏈路利用率與平均鏈路利用率組合成的表征值，并將最大鏈路利用率為最小、或者平均鏈路利用率為最小值、或者最大鏈路利用率與平均鏈路利用率組合的表征值為最小的數(shù)據(jù)路徑被定為優(yōu)化的數(shù)據(jù)路徑。然后，數(shù)據(jù)經(jīng)由該優(yōu)化數(shù)據(jù)路徑從發(fā)送節(jié)點傳送到接收節(jié)點。
此外，選擇數(shù)據(jù)路徑的步驟還包括確定出數(shù)據(jù)路徑的數(shù)據(jù)通訊容量、并選擇那些通訊容量足以勝任將數(shù)據(jù)從發(fā)送節(jié)點傳送到接收節(jié)點的數(shù)據(jù)路徑；和/或確定出個數(shù)據(jù)路徑的物理時延，并選出那些物理時延等于或小于預(yù)定最大物理時延的數(shù)據(jù)路徑。
確定從發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點之間最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的步驟是定義一等式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其中該等式系統(tǒng)屬于一線性優(yōu)化問題，對等式系統(tǒng)進(jìn)行求解來確定出最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑。
此處，目標(biāo)函數(shù)可被定義為確定所選擇數(shù)據(jù)路徑的最大鏈路利用率、平均鏈路利用率、或最大鏈路利用率和平均鏈路利用率組合表征值。
除了該目標(biāo)函數(shù)之外，線性優(yōu)化問題需要定義一些約束條件。根據(jù)本發(fā)明，可定義一些傳輸約束條件，用來找出無環(huán)路的數(shù)據(jù)路徑。
此外，可定義一些路由約束條件，從而使得要從發(fā)送節(jié)點傳輸?shù)浇邮展?jié)點的所有數(shù)據(jù)都在同一數(shù)據(jù)路徑上傳送。這些路由約束條件的限定使得可利用這樣的現(xiàn)有路由協(xié)議選擇節(jié)點/路由器之間的最短數(shù)據(jù)路徑，并采用單路徑路由。
另外，可定義出容量約束條件，用于確定出那些具有足夠通訊容量的數(shù)據(jù)路徑，最好是最大數(shù)據(jù)通訊容量要等于或大于的要被傳送的數(shù)據(jù)量和/或數(shù)據(jù)通訊容量要等于或小于某個預(yù)定的最大鏈路利用率。
還可以定義一些物理時延約束條件，以此確定出那些物理時延等于或小于一預(yù)定最大物理時延的數(shù)據(jù)路徑。在本發(fā)明的場合中，物理時延代表了數(shù)據(jù)在由對應(yīng)各數(shù)據(jù)鏈路連接在一起的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送所需的時間。為了得到最優(yōu)的數(shù)據(jù)路徑，通過使針對約束條件的目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小，就可以求解出線性優(yōu)化問題的等式系統(tǒng)。求解該等式系統(tǒng)，就可以確定出從發(fā)送節(jié)點到接收節(jié)點所有可能的數(shù)據(jù)路徑，且將最大鏈路利用率、平均鏈路利用率、或最大鏈路利用率與平均鏈路利用率組合表征值達(dá)到最小值的數(shù)據(jù)路徑定義為最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑。對目標(biāo)函數(shù)迭代地求最小值是很方便的，特別是對于包含多個節(jié)點和連接鏈路的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。
對于平均鏈路利用率與最大鏈路利用率組合的表征值，可用一個函數(shù)來代表相對加權(quán)后的平均鏈路利用率和最大鏈路利用率。
更具體來講，目標(biāo)函數(shù)中對確定最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑具有更大影響/權(quán)重的分量被一個數(shù)值加權(quán)，此加權(quán)數(shù)值要大于目標(biāo)函數(shù)中其它分量的權(quán)值。
在對等式系統(tǒng)進(jìn)行求解的復(fù)雜性方面，是非常消耗時間的。可以用在一預(yù)定時間間隔內(nèi)求得的等式系統(tǒng)的最后一次解作為最優(yōu)解。例如，如果在預(yù)定的時間間隔內(nèi)，目標(biāo)函數(shù)是不可解的、不能確定出該目標(biāo)函數(shù)的任何最小值、或者該目標(biāo)函數(shù)非收斂的，則這樣的方法將是優(yōu)選的。
取決于本發(fā)明方法所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，限定等式系統(tǒng)的變量的數(shù)目可能非常大。具體來講，目標(biāo)函數(shù)中的變量數(shù)是在N2M2的數(shù)量級上，其中，N代表節(jié)點/路由器的數(shù)目，M代表數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)目。由路由約束條件所定，根據(jù)本發(fā)明的約束條件所涉及的變量數(shù)在N3M2的數(shù)量級上。為了能減少求解等式系統(tǒng)時要考慮的變量數(shù)和/或數(shù)據(jù)鏈路數(shù)，在大型網(wǎng)絡(luò)的情況中，上述方法最好包括這樣的步驟對于所有的無環(huán)路數(shù)據(jù)路徑，確定出數(shù)據(jù)通訊從發(fā)送節(jié)點到達(dá)接收節(jié)點的時間消耗。另外，識別出那些在求解等式系統(tǒng)時要考慮的數(shù)據(jù)路徑，它們具有最短數(shù)據(jù)傳送時間和/或數(shù)據(jù)傳送時間小于一個預(yù)定最大數(shù)據(jù)通訊時間。最好是最大預(yù)定數(shù)據(jù)通訊時間是相對于確定出的最小數(shù)據(jù)通訊時間預(yù)定出的。
在識別出要在等式系統(tǒng)求解中考慮的那些數(shù)據(jù)路徑的方面，只采用那些包含在各個可能數(shù)據(jù)路徑中的數(shù)據(jù)鏈路。此外，求解等式系統(tǒng)時可以不考慮那些沒有包含在任何可能數(shù)據(jù)路徑中的數(shù)據(jù)鏈路。
對于某些網(wǎng)絡(luò)，采用了代表數(shù)據(jù)在節(jié)點間最長傳輸時間的預(yù)定通訊時間限度。為了考慮到這些預(yù)定的通訊時間限度，可以在預(yù)定時間限度的基礎(chǔ)上定義一些物理延時約束條件。此處，物理時延約束條件不是用數(shù)據(jù)在節(jié)點間傳輸所需的實際時間來確定的，而是由相應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路的預(yù)定通訊時間限度來確定的。
類似地，通過在數(shù)據(jù)鏈路帶寬的基礎(chǔ)上定義這些物理時延約束條件，就能考慮到由數(shù)據(jù)鏈路帶寬決定的那些網(wǎng)絡(luò)特征。此情況下，不是將數(shù)據(jù)在某一特定數(shù)據(jù)鏈路上傳送的實際時間變?yōu)槲锢頃r延、而是將數(shù)據(jù)鏈路的帶寬變型為對應(yīng)的物理時延。
由于這樣的事實在一發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間傳送的數(shù)據(jù)量會隨時間而變化，且由于會有幾個發(fā)送和/或接收節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通訊，所以最好能以設(shè)定的次數(shù)、或者是以設(shè)定的時間間隔連續(xù)地執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的確定過程。此處，可以按照設(shè)定的次數(shù)、或者是以設(shè)定的時間間隔連續(xù)地確定出所要傳送的數(shù)據(jù)量，其中，可用不同的設(shè)定次數(shù)和/或不同的設(shè)定時間間隔來確定最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑、以及所要傳送的數(shù)據(jù)量。
作為一種備選方案，可對要被進(jìn)行傳送的某預(yù)定數(shù)據(jù)量(例如為最大值)確定出最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑。最好是，該要被傳送的預(yù)定數(shù)據(jù)量是被檢測到的或是近似值。
如上所述，現(xiàn)有的協(xié)議是基于選擇從一個發(fā)送節(jié)點到一接收節(jié)點的最短數(shù)據(jù)通訊路徑的方案。為了證明本發(fā)明確定出的最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑是否也是最短的數(shù)據(jù)路徑，對于所有可能的數(shù)據(jù)路徑，可確定出組成對應(yīng)數(shù)據(jù)路徑的各數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)通訊開銷。如果最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑具有最小的數(shù)據(jù)通訊開銷，則該最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑就被認(rèn)為是最短的數(shù)據(jù)路徑。
尤其是在非常龐大/復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中，常常會將該網(wǎng)絡(luò)劃分成至少兩個局部網(wǎng)或部分網(wǎng)，對于每個部分網(wǎng)，都單獨地執(zhí)行最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的確定過程。由于最短路徑原理，所以較小網(wǎng)絡(luò)的鏈接方案等于對一大型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化所獲得的方案。
另外，還可以將至少一部分網(wǎng)絡(luò)聚結(jié)成一個虛擬節(jié)點。此處，對網(wǎng)絡(luò)中包含虛擬節(jié)點的剩余部分的最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑確定、以及對網(wǎng)絡(luò)中代表虛擬節(jié)點的聚結(jié)部分中的最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的確定是分開進(jìn)行的。
本發(fā)明還提供了一種系統(tǒng)，用于經(jīng)由最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑執(zhí)行數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的通訊。該系統(tǒng)包括一個網(wǎng)絡(luò)，其具有多個由數(shù)據(jù)鏈路連接起來的節(jié)點/路由器，其中，至少有一個節(jié)點為發(fā)送節(jié)點、至少有一個節(jié)點為接收節(jié)點；并包括與網(wǎng)絡(luò)相連的控制裝置，用于控制網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通訊。具體來講，所說控制裝置適于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的、用于經(jīng)由最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的方法中之一的方法。
控制裝置可以是一個中央控制系統(tǒng)、或者是一個中央控制系統(tǒng)(例如為一個互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器)的部件，其控制至少一個節(jié)點/路由器(最好是全部節(jié)點/路由器)的數(shù)據(jù)通訊。
另外，控制裝置可包括至少一個與一個或多個節(jié)點/路由器相關(guān)的控制單元，用于控制這些節(jié)點/路由器的數(shù)據(jù)通訊。為了能以理想的方式控制數(shù)據(jù)通訊和/或控制其它節(jié)點/路由器的數(shù)據(jù)通訊，這樣的控制單元應(yīng)當(dāng)與其它節(jié)點/路由器-最好是與所有的節(jié)點/路由器保持通訊，從而獲得網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于數(shù)據(jù)通訊的信息。
尤其是對于大型網(wǎng)絡(luò)和/或數(shù)據(jù)通訊量很大的網(wǎng)絡(luò)，如果將一個中央控制系統(tǒng)與至少一個控制單元結(jié)合起來，則由于對單個節(jié)點的數(shù)據(jù)通訊控制功能與對整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊控制功能相應(yīng)地被分配給控制裝置中的不同部件，所以能提高對最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的識別。


圖10中的圖表表示了對于14節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，按照本發(fā)明的鏈路利用率變化；以及圖11中的圖表表示了對于14節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中一些選出的數(shù)據(jù)鏈路，按照本發(fā)明的鏈路利用率。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)鏈路常被稱為界面，這是由于數(shù)據(jù)鏈路并不僅包括用于對電/光學(xué)信號進(jìn)行物理傳導(dǎo)的線路，而且還包括為在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸所需的硬件部件和軟件組件，其中的電/光信號代表了所要進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。這些硬件部件和軟件組件包括通常的電線、數(shù)據(jù)總線、緩存器/存儲單元、處理器基單元、用于執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并執(zhí)行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議(即路由協(xié)議)的軟件程序等等。
為了能實現(xiàn)本發(fā)明的目的-也就是使所有鏈路的利用(平均鏈路利用率)減到最小、使最大鏈路利用率達(dá)到最小、以及將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間數(shù)據(jù)鏈路的物理時延保持在一個確定的范圍內(nèi)，就必須要先對網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)進(jìn)行描述，其中的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)也就是指在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和流量。為作此正式描述，采用了三個矩陣首先，一個具有N個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)用一個N×N階的容量矩陣C來定義，其中，該容量矩陣C的每一項都代表每對節(jié)點i和j之間的鏈路的容量cij。在兩節(jié)點間無數(shù)據(jù)鏈路連接的情況下，在容量矩陣C中的對應(yīng)項被設(shè)為0。
第二矩陣為傳輸矩陣F，其為每對節(jié)點i和j設(shè)立了一項fij。每項fij代表兩節(jié)點i和j之間的數(shù)據(jù)傳輸/數(shù)據(jù)流量。如果在兩節(jié)點之間沒有數(shù)據(jù)交換，則該傳輸矩陣中的對應(yīng)項就被設(shè)為0。根據(jù)對根據(jù)本發(fā)明方法的實施情況，傳輸矩陣F中的項fij可代表靜態(tài)數(shù)據(jù)流量，或者是例如，如果在網(wǎng)絡(luò)的工作過程中，對本發(fā)明方法的實施是連續(xù)進(jìn)行的，則傳輸矩陣F中的項fij就代表網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的實際數(shù)據(jù)流量。
第三，引入了一個矩陣D，該矩陣描述了數(shù)據(jù)鏈路的物理時延。數(shù)據(jù)鏈路的物理時延標(biāo)記了數(shù)據(jù)經(jīng)由該對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路在兩節(jié)點之間傳輸所需的時間。矩陣D中的項dij代表連接兩節(jié)點i和j的數(shù)據(jù)鏈路的物理時延或近似延時。
在這些矩陣的基礎(chǔ)上，可將根據(jù)本發(fā)明的路由優(yōu)化定義成一個線性優(yōu)化問題。如所公知的那樣，一個線性優(yōu)化問題可用一個等式系統(tǒng)來描述，其由兩部分組成目標(biāo)函數(shù)和約束條件。約束條件限定了一個多維解空間，在該解空間內(nèi)確定出目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解。目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解是解空間中的一個解，在本發(fā)明的情況下，該最優(yōu)解使目標(biāo)函數(shù)產(chǎn)生最小值。為了實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)路由的優(yōu)化，必須要滿足不同的約束條件，這些約束條件限制了目標(biāo)函數(shù)可能的解。
首先，對于從一發(fā)送節(jié)點傳送到一接收節(jié)點的數(shù)據(jù)，必須要確定出數(shù)據(jù)可經(jīng)其進(jìn)行傳送/路由的數(shù)據(jù)路徑。在發(fā)送節(jié)點與接收節(jié)點不是被一數(shù)據(jù)鏈路直接相連的情況下，可能的數(shù)據(jù)路徑不但包括發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點，而且還包括其它節(jié)點以及連接這些節(jié)點的數(shù)據(jù)鏈路。為了避免不同的數(shù)據(jù)在從一發(fā)送節(jié)點傳送到一接收節(jié)點時分別是在不同的數(shù)據(jù)路徑或數(shù)據(jù)鏈路上進(jìn)行路由/傳送的，可能的多條路由線路/數(shù)據(jù)路徑被限制成所謂的單路徑路由。單路徑路由的約束條件保證了對于目標(biāo)函數(shù)的一個可能解，在兩節(jié)點/路由器之間剛好只限定有一條數(shù)據(jù)路徑。該單路徑路由的效果表示在圖1中，在節(jié)點/路由器C和F之間的最短數(shù)據(jù)路徑(其獨立于所采用的協(xié)議度量標(biāo)準(zhǔn))或者是經(jīng)過節(jié)點/路由器D、或者是經(jīng)過節(jié)點/路由器E。由于采用了單路徑路由，從A到F的數(shù)據(jù)流、或者從B到F的數(shù)據(jù)流都首先是路由經(jīng)過節(jié)點/路由器C，然后，或者是經(jīng)過節(jié)點/路由器D、或者是經(jīng)過節(jié)點/路由器E，但不會是一個數(shù)據(jù)流經(jīng)過節(jié)點/路由器D，而另一個數(shù)據(jù)流路由經(jīng)過節(jié)點/路由器E。
其次，必須要滿足容量約束條件，按照此約束條件，在某一特定數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)量不能超過該對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路的容量，也就是超過該對應(yīng)數(shù)據(jù)路徑所能傳送的最大數(shù)據(jù)量。由于要被傳送的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)包在被傳輸之前例如可被存儲在數(shù)據(jù)鏈路和/或節(jié)點/路由器上的中間存儲器中，所以網(wǎng)絡(luò)中一數(shù)據(jù)鏈路的容量并不限定為該數(shù)據(jù)鏈路中各個不同傳送部件(也就是指電線、總線、處理器)的物理傳送能力?？捎脙煞N方法來定義一線性優(yōu)化問題方面的容量約束條件。其中一種方法是由面向路徑型(path-oriented)的，而另一種方法則是針對數(shù)據(jù)鏈路的面向流量型的。本文中，選擇面向流量的方法來詳細(xì)討論，這是因為面向流量方法相比于面向路徑的方法具有較少的變量。在描述了面向流量方法之后，將介紹轉(zhuǎn)為面向路徑方法的符號變換方式。
為了能將根據(jù)本發(fā)明的路由優(yōu)化方法與現(xiàn)有的路由協(xié)議結(jié)合使用，必須要考慮到由所采用的路由協(xié)議指定的路由算法。如上所述，目前所采用的路由協(xié)議(即OSPF協(xié)議和EIGRP協(xié)議)是基于這樣的路由算法找出數(shù)據(jù)從一個發(fā)送節(jié)點到一個接收節(jié)點的最短路由路徑。這些為找出最短路由路徑的算法也就意味著在兩節(jié)點/路由器之間傳送的所有數(shù)據(jù)都在同樣的數(shù)據(jù)鏈路上路由。
目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)是使得被傳輸數(shù)據(jù)的分布或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分布在整個網(wǎng)絡(luò)中是盡可能均勻/均一的。換言之，網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)鏈路都應(yīng)當(dāng)被盡可能均等地利用，且在一個盡可能低的數(shù)據(jù)通訊水平上。由于采用了面向流量的方法，對于每一在兩節(jié)點/路由器i和j之間傳輸?shù)?、且在?shù)據(jù)傳輸矩陣F中的數(shù)據(jù)傳輸項fij≥0的數(shù)據(jù)流，以及對于在容量矩陣中容量項cij≥0的每個數(shù)據(jù)鏈路，引入了一個布爾變量xijuv。如果從一個發(fā)送節(jié)點u到一個接收節(jié)點v的數(shù)據(jù)流經(jīng)過節(jié)點i和j之間的數(shù)據(jù)鏈路ij，則該變量就被設(shè)為1，除此以外的其它情況該變量都被設(shè)定為0。此外，引入了一個變量t，用它來限定所有數(shù)據(jù)鏈路的鏈路利用率上限值。
無論是最大鏈路利用率還是平均鏈路利用率都必須要達(dá)到最小。因而，目標(biāo)函數(shù)包括兩個相加部分，這兩個部分都要被最小化at*t+ΣijΣuvcij,]]>且cij＞0該目標(biāo)函數(shù)(1)中左邊的相加部分代表最大鏈路利用率，而目標(biāo)函數(shù)(1)右邊的相加部分則代表平均鏈路利用率。目標(biāo)函數(shù)(1)的最大鏈路利用率部分中的參數(shù)at被用來作為一個加權(quán)因子，用于相對于目標(biāo)函數(shù)(1)的平均鏈路利用率部分對最大鏈路利用率部分進(jìn)行加權(quán)。選用參數(shù)at的目的是用來表示在選擇一最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑時，最大鏈路利用率的減小/最小化的影響/重要性與平均鏈路利用率減小/最小化影響/重要性的對比。例如，如果相對于將平均鏈路利用率最小化的效果，將最大鏈路利用率最小化具有更大的作用，則參數(shù)at就應(yīng)當(dāng)被選擇為一個很大的數(shù)值，從而通過將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)引向利用率較低的數(shù)據(jù)鏈路而導(dǎo)致最大鏈路利用率的降低。與此相比，如果在選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑時，將平均鏈路利用率最小化的影響大于將最大鏈路利用率最小化的影響，則參數(shù)at就應(yīng)當(dāng)被選擇較小的值。
傳輸約束條件傳輸約束條件保證了對于每一數(shù)據(jù)流(例如是從一發(fā)送節(jié)點u到一接收節(jié)點v的數(shù)據(jù)流)，都由變量xijuv指明了唯一的一條從發(fā)送節(jié)點u到接收節(jié)點v的無環(huán)路數(shù)據(jù)路徑，其中的變量是從目標(biāo)函數(shù)(1)的解得到的。本文中，傳輸約束條件包括為每一數(shù)據(jù)流的四個亞約束條件。
1.經(jīng)節(jié)點/路由器j從發(fā)送節(jié)點u傳送到接收節(jié)點v的數(shù)據(jù)流uv只路由經(jīng)過從節(jié)點/路由器i引出的一條數(shù)據(jù)鏈路Σj=1,cij>1xij≤1,]]>對于所有的數(shù)據(jù)流uv和所有的節(jié)點/路由器i(2)2.從發(fā)送節(jié)點u傳送到接收節(jié)點v的數(shù)據(jù)流uv只經(jīng)過從發(fā)送節(jié)點u到另一個節(jié)點路由器i的一條數(shù)據(jù)鏈路Σi=1,cui>0xui-Σi=1,ciu>0xiu≥1,]]>對于所有的數(shù)據(jù)流uv(3)
3.對于所有從發(fā)送節(jié)點u到接收節(jié)點v的數(shù)據(jù)流，以及每個除發(fā)送節(jié)點u和接收節(jié)點v的路由器i，數(shù)據(jù)流uv所用的、引入到路由器i中的數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)目與從路由器i引出的數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)目是相等的Σj=1,cij>0xij-Σj=1,cji>0xji=0,]]>對所有數(shù)據(jù)流uv及所有節(jié)點/路由器 (4)4.從發(fā)送節(jié)點u到接收節(jié)點v的數(shù)據(jù)流uv只路由過引入到接收節(jié)點v的一條數(shù)據(jù)鏈路；Σi=1,civ>0xiv-Σi=1,cvi>0xvi≥1,]]>對于所有的數(shù)據(jù)流uv(5)如圖2所示，上述這些傳輸約束條件的效果限定了剛好一條從發(fā)送節(jié)點u到接收節(jié)點v的無環(huán)路數(shù)據(jù)路徑。根據(jù)公式(3)，只有連接節(jié)點u和節(jié)點a的數(shù)據(jù)鏈路ua才載送數(shù)據(jù)流uv。一條數(shù)據(jù)鏈路引入到各個節(jié)點/路由器a、b和c中。按照公式(4)，從各個節(jié)點/路由器a、b和c為數(shù)據(jù)流uv引出了一條數(shù)據(jù)鏈路。在公式(5)限定的條件下，數(shù)據(jù)流uv的數(shù)據(jù)路徑被導(dǎo)引經(jīng)過節(jié)點/路由器c和接收節(jié)點v之間的數(shù)據(jù)鏈路cv，并終止于接收節(jié)點v。
然而，對于數(shù)據(jù)流uv，除了該選出數(shù)據(jù)路徑之外，還可能存在帶有閉環(huán)的數(shù)據(jù)路徑，這是因為上述的傳輸約束條件并不能避免出現(xiàn)環(huán)路。但是，可通過在目標(biāo)函數(shù)(1)中對平均鏈路利用率取最小值來避開這些環(huán)路。
容量約束條件容量約束條件保證了在數(shù)據(jù)鏈路上的數(shù)據(jù)量或業(yè)務(wù)量不超過對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路的容量。對于在節(jié)點i和j之間的每段數(shù)據(jù)鏈路ij，容量約束條件都包括兩個亞約束條件。
第一個亞約束條件迫使鏈路利用率低于一個固定的水平，該定水平是用一個參數(shù)ac限定的Σuvxijfuv≤accij,]]>對于cij＞0的所有數(shù)據(jù)鏈路ij(6)如上文所表明的那樣，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)鏈路在短時間隔內(nèi)能處理大于其物理傳輸能力的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。因而，參數(shù)ac并不限于0到1之間的數(shù)值。將此參數(shù)設(shè)為大于1的值也是有用的，可以用來識別出在出現(xiàn)擁塞的情況下那些數(shù)據(jù)鏈路是第一處瓶頸。對于根據(jù)本發(fā)明的方法，在缺省情況下，參數(shù)ac被設(shè)為1。
第二亞約束條件由公式(7)給出，此條件限定了鏈路利用率的上限值。目標(biāo)函數(shù)(1)中使用的變量t為所有鏈路都限定了利用率上界。盡管參數(shù)ac是定值，但變量t則是可最小化的。第二亞約束條件迫使所有的鏈路利用率都為低于參數(shù)t的數(shù)值；Σuvxijfuv≤cij100,]]>對于cij＞0的所有數(shù)據(jù)鏈路ij(7)路由約束條件由于路由約束條件只限定了某些數(shù)據(jù)鏈路或數(shù)據(jù)路徑的組合，而根據(jù)這些組合足以計算出由線性優(yōu)化問題的等式系統(tǒng)的解所獲得的數(shù)據(jù)通訊/路由開銷，所以路由約束條件是最重要的約束條件。采用上述的路由協(xié)議，數(shù)據(jù)始終是在最短的數(shù)據(jù)路徑上傳輸/路由，其中的最短數(shù)據(jù)鏈路是通過用特定路由協(xié)議度量標(biāo)準(zhǔn)對每一數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行度量而定義的。結(jié)果就是，從節(jié)點/路由器i流向節(jié)點/路由器j的所有數(shù)據(jù)流都是在節(jié)點/路由器i和j之間同樣的數(shù)據(jù)鏈路(一條或多條)上傳輸/路由的。
這些約束條件是由亞約束條件的遞歸系統(tǒng)來得到的xuiuv+xstiv-xstuv≤1,]]>對于所有數(shù)據(jù)流uv、節(jié)點/路由器 以及數(shù)據(jù)鏈路st(8)xjvuv+xstuj-xstuv≤1,]]>對于所有數(shù)據(jù)流uv、節(jié)點/路由器 以及數(shù)據(jù)鏈路st(9)假如迭代或遞歸地應(yīng)用公式(8)和(9)，則對于經(jīng)過節(jié)點/路由器i和j的所有數(shù)據(jù)流，在這兩節(jié)點/路由器之間的路由情況都是相同的。因而，在路由約束條件基礎(chǔ)上找到的解與路由協(xié)議的實施情況是相對應(yīng)的。
圖3表示了路由約束條件的效果。假定數(shù)據(jù)流ub路由經(jīng)過節(jié)點u、a和b，數(shù)據(jù)流ac路由經(jīng)過節(jié)點a、b和c，數(shù)據(jù)流cv路由經(jīng)過節(jié)點c、d和v，則由于公式(8)和(9)，從發(fā)送節(jié)點u到接收節(jié)點v的數(shù)據(jù)流uv就必須要經(jīng)節(jié)點u、a、b、c、d以及v進(jìn)行路由。
對于數(shù)據(jù)流uc，還另外存在兩條數(shù)據(jù)路徑，它們或者是經(jīng)過節(jié)點a′、或者是經(jīng)過節(jié)點b′。但數(shù)據(jù)流uc并不采用過節(jié)點a′的數(shù)據(jù)路徑，這是因為該數(shù)據(jù)路徑并不經(jīng)過節(jié)點a，這將會與公式(9)矛盾。另外，數(shù)據(jù)流uc也并不采用過節(jié)點b′的數(shù)據(jù)路徑，因為該數(shù)據(jù)路徑不過節(jié)點b，而這是與公式(8)矛盾的。換言之，過節(jié)點a′和b′的數(shù)據(jù)路徑并不被用來傳輸數(shù)據(jù)流uc，這是因為這兩個路徑不滿足對所有數(shù)據(jù)流設(shè)定的路由約束條件即數(shù)據(jù)流uc、ac和bc要經(jīng)過相同的數(shù)據(jù)鏈路。
物理時延約束條件在目標(biāo)函數(shù)(1)的基礎(chǔ)上，將傳輸約束條件、容量約束條件以及路由約束條件組合起來，就可以得到一條最短的數(shù)據(jù)路由路徑，同時還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分布的均勻化、均一化。為了實現(xiàn)將數(shù)據(jù)通訊中的物理時延保持在一確定范圍的目的，必須要應(yīng)用下面將要描述的物理時延約束條件。
可能的物理時延范圍可由一個參數(shù)ar來限定，而一數(shù)據(jù)流的最低物理時延則用一個變量來duvmin代表。如果P是所有從節(jié)點u到節(jié)點V的無環(huán)路路徑的集合，且如果dp是一路徑p中所有數(shù)據(jù)鏈路的物理時延的總和，則最小物理時延duvmin就是從節(jié)點u到節(jié)點v的路徑p的、具有最小物理時延dp的延時duvmin=minp∈puv(dp)---(10)]]>
最小物理時延的數(shù)值是通過對從節(jié)點u到節(jié)點v的所有可能的無環(huán)路路徑的物理時延進(jìn)行計算而得到的。引入一個參數(shù)ar，就可以定義一個上限值arduvmin，其代表每個數(shù)據(jù)流的最大物理時延Σij,cij>0xijdij≤arduv,]]>對所有的數(shù)據(jù)流uv (11)對線性優(yōu)化問題等式系統(tǒng)的復(fù)雜性的簡化為了對目標(biāo)函數(shù)(1)進(jìn)行求解，需要考慮的變量數(shù)目在N2M2的數(shù)量級上，其中N代表節(jié)點/路由器的數(shù)目，M代表數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)目。由路由約束條件所確定，約束條件的數(shù)目在N3M2的級別上。尤其是對于包括許多節(jié)點/路由器和數(shù)據(jù)鏈路的大網(wǎng)絡(luò)，求解根據(jù)本發(fā)明的線性優(yōu)化問題的等式系統(tǒng)將是非常耗時、復(fù)雜、甚至是不可能完成的工作。因而，采用了所謂的預(yù)求解程序，該程序通過只考慮那些求解等式系統(tǒng)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)路徑而能減少了變量和約束條件的數(shù)目。
相關(guān)數(shù)據(jù)路徑是在對應(yīng)物理時延的基礎(chǔ)上確定出的。對于在兩節(jié)點/路由器之間的每一數(shù)據(jù)流，確定出所有的無環(huán)路數(shù)據(jù)路徑。對于每一無環(huán)路路徑，計算出物理時延，也就是計算出組成該對應(yīng)數(shù)據(jù)路徑的所有數(shù)據(jù)鏈路的物理時延之和。將具有最小物理時延的數(shù)據(jù)路徑、以及延時值低于延時上限值arduvmin的數(shù)據(jù)路徑標(biāo)記為相關(guān)數(shù)據(jù)路徑。此外，對相關(guān)數(shù)據(jù)路徑中的所有數(shù)據(jù)鏈路都進(jìn)行檢查，檢查其是否位于所有的相關(guān)通路中，或者是不包含在任何一條相關(guān)通路中。包含在所有相關(guān)通路中的那些數(shù)據(jù)鏈路將被用來對對應(yīng)的數(shù)據(jù)流進(jìn)行路由引導(dǎo)，使它們經(jīng)過這些數(shù)據(jù)鏈路。不包含在任何一條相關(guān)通路中的數(shù)據(jù)鏈路將不被線性優(yōu)化問題的等式系統(tǒng)的求解所考慮，從而，相應(yīng)的數(shù)據(jù)流就不會路由經(jīng)過這些數(shù)據(jù)鏈路。為求解等式系統(tǒng)，那些只包含在一部分相關(guān)通路中的數(shù)據(jù)鏈路將被考慮，并由等式系統(tǒng)的解來確定出這些數(shù)據(jù)鏈路的利用率。
次最佳路由在某些情況中，例如對于非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，可能這樣做是有利的不采用整個等式系統(tǒng)計算出的一種路由規(guī)劃，而是用下面描述的方法來得到一個次優(yōu)的路由方案(所謂的次優(yōu)是指在可實行的時間內(nèi)獲得的接近于最優(yōu)解的解)。與上述的過程相反，最大鏈路利用率并沒有被直接最小化。此處，對最大鏈路利用率的最小化是通過對一個線性優(yōu)化問題進(jìn)行迭代求解而獲得的，該線性優(yōu)化問題具有不同的簡約型目標(biāo)函數(shù)，并具有不同的、縮減了的容量約束條件。
略去目標(biāo)函數(shù)(1)中用于使最大鏈路利用率最小化的分量at*t。結(jié)果就是，容量約束條件中用公式(7)所表示的亞約束條件就不再是必須的了，該條件迫使不同數(shù)據(jù)鏈路的利用率低于鏈路利用率上限。在另一方面，容量約束條件中的、用公式(6)代表的另一個亞約束條件則被限定得更為嚴(yán)格了。不是采用參數(shù)ac的確省值1，該參數(shù)ac的數(shù)值是被迭代最小化的。
從參數(shù)ac等于1的情況開始，對包括了縮減目標(biāo)函數(shù)的等式系統(tǒng)進(jìn)行求解。在所找到的縮減等式系統(tǒng)的解的基礎(chǔ)上確定出各單段數(shù)據(jù)鏈路的鏈路利用率。在隨后的步驟中，參數(shù)a被設(shè)為略小于所確定出的鏈路利用率最小值的一個數(shù)值。重復(fù)此過程，直到該縮減等式系統(tǒng)的解發(fā)生收斂為止。如果等式系統(tǒng)在預(yù)定的時間間隔內(nèi)沒有收斂，或者是等式系統(tǒng)的解不存在，則就將由等式系統(tǒng)最后的解找到的路由看作是該線性優(yōu)化問題的次優(yōu)解。
對鏈路開銷的確定為了能確定出由等式系統(tǒng)或縮減等式系統(tǒng)確定出的路由的數(shù)據(jù)鏈路開銷，就必須要確定出數(shù)據(jù)鏈路的開銷，從而使得找出的路由及優(yōu)化數(shù)據(jù)路徑都分別對應(yīng)于最短的路由路徑。這可以通過一個線性優(yōu)化問題的等式系統(tǒng)來獲得，在此情況下，由于是通過對一個不等式系統(tǒng)進(jìn)行計算而得到數(shù)據(jù)鏈路開銷的理想解，所以目標(biāo)函數(shù)反而就變得不重要了。一線性優(yōu)化問題用一個不等式系統(tǒng)與一個目標(biāo)函數(shù)的結(jié)合來代表。因而，用一個線性問題的等式系統(tǒng)就可以計算確定出界面開銷。作為結(jié)果，就可以使用一套標(biāo)準(zhǔn)的線性優(yōu)化問題求解程序來確定出數(shù)據(jù)鏈路的開銷。
采用上述的預(yù)求解程序，數(shù)據(jù)流的所有相關(guān)/可能的無環(huán)路路徑都已被確定出來。對于除理想/最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑之外的其它每一條數(shù)據(jù)路徑，構(gòu)成對應(yīng)數(shù)據(jù)路徑的所有數(shù)據(jù)鏈路的鏈路開銷總和必然要大于理想/最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的數(shù)據(jù)鏈路開銷之和。定義此約束條件的不等式系統(tǒng)將會非常復(fù)雜。因而，就希望能減少不等式的數(shù)目。由于從一個發(fā)送節(jié)點到一個接收節(jié)點的所有數(shù)據(jù)流都必然要路由過同樣的數(shù)據(jù)路徑，所以可實現(xiàn)對不等式數(shù)目的減少?？紤]一數(shù)據(jù)流的所有數(shù)據(jù)路徑，只需要為這樣一些數(shù)據(jù)路徑定義不等式系統(tǒng)它們只包括那些不被理想/最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑所包含的節(jié)點/路由器。
如果該不等式系統(tǒng)的解表明了除理想/最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑之外，其它所有的數(shù)據(jù)路徑的數(shù)據(jù)鏈路開銷和都大于理想/最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的鏈路開銷和，則該理想/最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑就對應(yīng)于最短的數(shù)據(jù)路徑。
面向路徑的方案如上文所述那樣，可以將問題表達(dá)成一個面向路徑的方案。該方案等同于面向流量的方案，但帶有如下的變化變量引入了布爾變量xuvk。如果從發(fā)送節(jié)點u到接收節(jié)點v的數(shù)據(jù)流uv路由過數(shù)據(jù)路徑k，該變量就被設(shè)為1，其它的情況該變量為0，其中的k是一個指數(shù)，可以等于u、b......，v，其中的u、b......，v是構(gòu)成該路徑的節(jié)點。
目標(biāo)函數(shù)類似于面向流量的方案，面向路徑方案的目標(biāo)函數(shù)也包括兩個相加的部分，這兩部分都必須要最小化at*t+|L|ΣijcijΣuvΣk,ij∈kduvxuv,]]>式中cij＞0傳輸約束條件傳輸約束條件保證了從發(fā)送節(jié)點到一接收節(jié)點的無環(huán)路數(shù)據(jù)路徑是存在的Σkxuv=1,]]>對于所有的路徑uv容量約束條件在每一鏈路上的數(shù)據(jù)流之和必須要小于該鏈路的容量ΣuvΣk,ij∈kxuvduv≤accij,]]>對于所有的數(shù)據(jù)鏈路，且cij＞0路由約束條件如果xuv限定了一條從u到v的路徑，且xkv限定了一條從k到v的路徑，且這兩條路徑都路由過i，則在路徑i到v段，上述兩條路徑是重合的，因而有puv-piv＜1該路由約束條件可被寫成一個在標(biāo)引參數(shù)k上的迭代遞歸。例如，一個從節(jié)點u到v的路徑路由經(jīng)過節(jié)點a、b和c。這樣，k就被定義為k＝u、a、b、v，從而，從節(jié)點a到v的數(shù)據(jù)流就必須要使用路徑a、b、c和v，從節(jié)點b到v的數(shù)據(jù)流也必然要利用路徑b、c、v，如此等等。在標(biāo)引參數(shù)k的相反方向上，這樣的遞歸迭代也是存在的。
示例為了展示根據(jù)本發(fā)明方法的效果，在下文中描述了一示例性網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化路由的結(jié)果。所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)表示在圖4中。選擇圖4右側(cè)中只具有6個節(jié)點/路由器的網(wǎng)絡(luò)的原因是因為該網(wǎng)絡(luò)的尺寸便于對確定出的路徑進(jìn)行說明。選擇具有8個節(jié)點和14個節(jié)點/路由器的網(wǎng)絡(luò)是由于它們復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生很多種不同的數(shù)據(jù)路徑。例如，在表1和表2中表示了6節(jié)點/路由器網(wǎng)絡(luò)的鏈路容量矩陣C和數(shù)據(jù)流量矩陣F。

表1，具有6節(jié)點/路由器的網(wǎng)絡(luò)的容量矩陣C

表2，具有6節(jié)點/路由器的網(wǎng)絡(luò)的流量矩陣F在每一次優(yōu)化過程中，不同數(shù)據(jù)鏈路的物理時延均被設(shè)定為1，而參數(shù)ar則被設(shè)定為3。采用上述的預(yù)求解程序，例如將具有14個節(jié)點/路由器的網(wǎng)絡(luò)的變量數(shù)從8800個減小到4714個。此外，約束條件的數(shù)目也被減小到了不及一半。
對于所有的網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行已有幾個參數(shù)被設(shè)定時的優(yōu)化。首先，在最大鏈路利用率不存在有效上限值的情況下執(zhí)行優(yōu)化。這是通過將約束條件略去來達(dá)到的，此約束條件將最大鏈路利用率保持在參數(shù)t之下(如在“次優(yōu)優(yōu)化”一節(jié)中描述的那樣)，并通過將參數(shù)ac設(shè)定為數(shù)值10。在圖5中表示了這樣所形成的對6節(jié)點/路由器網(wǎng)絡(luò)的路由情況。具有最高鏈路利用率42.9％的數(shù)據(jù)鏈路是在4-3鏈路上。最小化后的平均鏈路利用率被計算出達(dá)到了22.4％。
然后，參數(shù)ac被設(shè)定為數(shù)值0.4(40％)，該數(shù)值略小于計算出的最大鏈路利用率42.9％。將參數(shù)ac的值反復(fù)地減小，也就是到達(dá)0.375(37.5％)和0.36(36％)，找出參數(shù)ac等于0.36時的最優(yōu)路由，此情況對應(yīng)于缺省優(yōu)化的結(jié)果。
在采用目標(biāo)函數(shù)(1)的缺省優(yōu)化中，參數(shù)at被設(shè)定為數(shù)值1000，對于6節(jié)點/路由器的此優(yōu)化的結(jié)果表示在圖6中。同樣，利用率最高的數(shù)據(jù)鏈路是鏈路4-3，但是，該鏈路的利用率被降低到35.7％。作為補(bǔ)償，平均鏈路利用率增加到了22.7％。
如圖5和圖6所示，數(shù)據(jù)流5-0是從鏈路4-3開始，并路由經(jīng)過節(jié)點/路由器2和1的。因而，數(shù)據(jù)流2-0的數(shù)據(jù)路徑也路由經(jīng)過節(jié)點/路由器1。另外，為了將數(shù)據(jù)鏈路3-4的利用率從40％降低到35.7％，數(shù)據(jù)流2-4路由經(jīng)過節(jié)點/路由器5，而不是經(jīng)過節(jié)點/路由器3。
在上述確定出數(shù)據(jù)鏈路開銷的基礎(chǔ)上，確定出盡可能小的數(shù)據(jù)鏈路開銷，從而使得最短的路徑路由等同于上述優(yōu)化確定出的路由。圖7和圖8表示了計算出的數(shù)據(jù)鏈路開銷，其中的各個數(shù)據(jù)鏈路開銷和各個物理時延被表示在灰框中。如圖7所示，數(shù)據(jù)流5-0的總鏈路開銷為3。數(shù)據(jù)流5-0其它可能的數(shù)據(jù)路徑包括節(jié)點/路由器2、1或者是包括節(jié)點/路由器2和3。這些路徑的總物理時延分別為5和4。最短的路徑與所希望的平均鏈路利用率為最小的路徑是相同的。
在圖8中，在執(zhí)行了使最大鏈路利用率最小化的優(yōu)化的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)流5-0的數(shù)據(jù)路徑的物理時延也為3。過節(jié)點/路由器4和3、或過節(jié)點/路由器2和3的其它可能的數(shù)據(jù)路徑的物理時延分別為4和6。同樣，最短的數(shù)據(jù)路徑對應(yīng)于理想的/優(yōu)化的數(shù)據(jù)路徑。
對具有8個和14個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)路由執(zhí)行的優(yōu)化是類似的。首先，在不限制最大鏈路利用率的情況下，使平均鏈路利用率達(dá)到最小。然后，迭代地減小最大鏈路利用率。在最后，執(zhí)行優(yōu)化，以獲得盡可能小的最大鏈路利用率。但是，業(yè)已證明具有14個節(jié)點/路由器的網(wǎng)絡(luò)過于復(fù)雜而不能得到一個最優(yōu)的解。最大鏈路利用率被減小到38.8％，而其最小值則是不知道的。但是，最小鏈路利用率的值必須要大于32％，這是因為在該數(shù)值時，線性優(yōu)化系統(tǒng)的等式系統(tǒng)就證明為不可解的了。
在圖9和圖10中，表示的是對于具有8和14個節(jié)點/路由器的網(wǎng)絡(luò)、為最大鏈路利用率選擇上限值時路由優(yōu)化的結(jié)果。最大鏈路利用率可被減小，而平均鏈路利用率則幾乎保持不變。如圖中的柱圖所表明的那樣對最大鏈路利用率的要求越嚴(yán)格，在最常用數(shù)據(jù)鏈路與最少用數(shù)據(jù)鏈路之間鏈路利用率差越小，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的分布越均勻。尤其是，對于8節(jié)點/路由器的網(wǎng)絡(luò)(見圖9)，差值可被減小到約四分之一的程度。對于14個節(jié)點/路由器的網(wǎng)絡(luò)，由于在此網(wǎng)絡(luò)中存在這樣的鏈路其利用率只有1％獨立于為最大鏈路利用率選定的上限值，所以優(yōu)化效果較不明顯(見圖10)。
由于此優(yōu)化導(dǎo)致了最大鏈路利用率的最高值減小，所以作為補(bǔ)償，某些特定鏈路的鏈路利用率就必然要增加。如圖11中所示，圖中表示了選擇出的一些數(shù)據(jù)鏈路的鏈路利用率在最大鏈路利用率具有不同上限值時的變化情況。起始時很高的鏈路利用率隨最大鏈路利用率上限值的減小而降低。這樣的情形例如適用于數(shù)據(jù)鏈路9-4、4-9和4-2。此情況的結(jié)果就是使得數(shù)據(jù)鏈路8-5、5-8和3-1的利用率提高。

對于較小的網(wǎng)絡(luò)，可以通過路由協(xié)議(例如改變路由協(xié)議或使用附加協(xié)議)來收集所需的信息而構(gòu)建矩陣，并在每個路由器中計算出最優(yōu)的路由參數(shù)。在此情況下，不需要任何中央單元。
權(quán)利要求
1.一種用于在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)由最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑執(zhí)行數(shù)據(jù)通訊的方法，其中的網(wǎng)絡(luò)具有多個用數(shù)據(jù)鏈路連接起來的節(jié)點(u、v、a、b、c、d)，該方法包括-通過如下的過程確定出從一發(fā)送節(jié)點(u)到一接收節(jié)點(v)的最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑--確定出從發(fā)送節(jié)點(u)經(jīng)由各數(shù)據(jù)鏈路和節(jié)點(u、v、a、b、c、d)到接收節(jié)點(v)的所有無環(huán)路數(shù)據(jù)路徑；--對數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行選擇，使得在兩節(jié)點之間進(jìn)行傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)都經(jīng)由相同的數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行傳送；--確定出所選數(shù)據(jù)路徑的最大鏈路利用率、平均鏈路利用率、或者一個由最大鏈路利用率與平均鏈路利用率組合成的表征值；以及--將最大鏈路利用率為最小值、或者平均鏈路利用率為最小值、或者最大鏈路利用率與平均鏈路利用率組合的表征值為最小的數(shù)據(jù)路徑定義為最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑，以及-經(jīng)由最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑從發(fā)送節(jié)點(u)向接收節(jié)點(v)發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于對數(shù)據(jù)路徑的選擇步驟包括確定出各數(shù)據(jù)路徑的通訊容量，并選擇那些通訊容量足以承擔(dān)從發(fā)送節(jié)點(u)向接收節(jié)點(v)傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)路徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于對數(shù)據(jù)路徑的選擇步驟包括確定出各數(shù)據(jù)路徑的物理時延，并選擇那些物理時延等于或小于某一預(yù)定最大物理時延值的數(shù)據(jù)路徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3之一所述的方法，其特征在于定義最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的步驟包括-定義一個用于識別最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的線性優(yōu)化問題的等式系統(tǒng)，以及-對所說等式系統(tǒng)進(jìn)行求解，而限定出最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于定義等式系統(tǒng)的步驟包括定義一個為確定出最大鏈路利用率、平均鏈路利用率、或者由最大鏈路利用率與平均鏈路利用率組合成的表征值的目標(biāo)函數(shù)，
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其特征在于定義等式系統(tǒng)的步驟包括定義出用于確定無環(huán)路數(shù)據(jù)路徑的傳輸約束條件。
7.根據(jù)權(quán)利要求4-6中之一所述的方法，其特征在于定義等式系統(tǒng)的步驟包括定義路由約束條件，以確保在兩節(jié)點之間傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)都經(jīng)由同樣的數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行傳送。
8.根據(jù)權(quán)利要求4-7中之一所述的方法，其特征在于定義等式系統(tǒng)的步驟包括定義容量約束條件，用于確定出數(shù)據(jù)通訊容量足夠的數(shù)據(jù)路徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求4-8中之一所述的方法，其特征在于定義等式系統(tǒng)的步驟包括定義物理時延約束條件，用于確定出其對應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路的物理時延等于或小于一個設(shè)定最大物理時延值的數(shù)據(jù)路徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求5-9中之一所述的方法，其特征在于求解等式系統(tǒng)的步驟包括針對約束條件而對目標(biāo)函數(shù)取最小化，以得出所有可能的數(shù)據(jù)路徑，并將最大鏈路利用率為最小值、或者平均鏈路利用率為最小值、或者最大鏈路利用率與平均鏈路利用率組合的表征值為最小的數(shù)據(jù)路徑定義為最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中之一所述的方法，其特征在于平均鏈路利用率與最大鏈路利用率的組合用一個函數(shù)代表，該函數(shù)包括相對加權(quán)后的平均鏈路利用率和最大鏈路利用率。
12.根據(jù)權(quán)利要求4-11中之一所述的方法，其特征在于--如果當(dāng)前等式系統(tǒng)是不能被求解的，或者--如果沒有求出目標(biāo)函數(shù)的最小值；或者--目標(biāo)函數(shù)是非收斂的，-則在一預(yù)定時間間隔內(nèi)求得的等式系統(tǒng)的最后一個解就指明了最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑。
13.根據(jù)權(quán)利要求4-12中之一所述的方法，其特征在于-通過如下的方法來減少等式系統(tǒng)的變量數(shù)目和/或確定出求解等式系統(tǒng)時要考慮的數(shù)據(jù)鏈路--確定出數(shù)據(jù)沿所有無環(huán)路數(shù)據(jù)路徑從發(fā)送節(jié)點傳送到接收節(jié)點所用的時間；以及--識別出那些在求解等式系統(tǒng)時不必考慮的數(shù)據(jù)路徑，其中對于這些數(shù)據(jù)路徑，確定出其具有最小的數(shù)據(jù)通訊時間和/或數(shù)據(jù)通訊時間小于一個預(yù)定的最大通訊時間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于-包含在所有可能數(shù)據(jù)路徑中的數(shù)據(jù)鏈路被考慮進(jìn)去來求解等式系統(tǒng)，和/或-求解等式系統(tǒng)時，未被任何一個可能數(shù)據(jù)路徑包含的數(shù)據(jù)鏈路都不予考慮。
15.根據(jù)權(quán)利要求4-14中之一所述的方法，其特征在于-通過為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的數(shù)據(jù)鏈路預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)通訊時間來定義物理時延約束條件；和/或-通過將數(shù)據(jù)的帶寬轉(zhuǎn)變?yōu)閷?yīng)的物理時延來定義物理時延約束條件。
16.根據(jù)權(quán)利要求1-15中之一所述的方法，其特征在于對最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的確定或者是以設(shè)定的次數(shù)、或者是按照預(yù)定的時間間隔連續(xù)進(jìn)行的，同時，對數(shù)據(jù)通訊量的確定也或者是以設(shè)定的次數(shù)、或者是按照預(yù)定的時間間隔連續(xù)進(jìn)行的。
17.根據(jù)權(quán)利要求1-16中之一所述的方法，其特征在于當(dāng)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為預(yù)定值或最大值時，執(zhí)行最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的確定過程。
18.根據(jù)權(quán)利要求1-17中之一所述的方法，其特征在于-通過如下的過程證明最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑即為最短的數(shù)據(jù)路徑--確定出經(jīng)由各數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的開銷，如果最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑具有最小的開銷，就可確認(rèn)最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑即為最短的數(shù)據(jù)路徑。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于-只為那些包含不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)鏈路確定數(shù)據(jù)通訊開銷；和/或-對網(wǎng)絡(luò)的至少兩個部分獨立地進(jìn)行最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑的識別；和/或-至少一個部分的網(wǎng)絡(luò)被聚結(jié)成一個虛擬節(jié)點上，且獨立地識別出包含該虛擬節(jié)點的剩余網(wǎng)絡(luò)部分中的最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑、以及在聚結(jié)網(wǎng)絡(luò)部分中的最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑。
20.一種用于在網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)由最優(yōu)數(shù)據(jù)路徑執(zhí)行數(shù)據(jù)通訊的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括-一個網(wǎng)絡(luò)，其具有多個由數(shù)據(jù)鏈路連接起來的節(jié)點/路由器，至少有一個節(jié)點為發(fā)送節(jié)點(u)，且至少有一個節(jié)點為接收節(jié)點(v)；以及-與網(wǎng)絡(luò)相連的控制裝置，用于控制網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通訊，其特征在于-所說控制裝置適于執(zhí)行根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的方法。
全文摘要
在用于進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的網(wǎng)絡(luò)中，路由是其中的一個關(guān)鍵因素。通常，對某一具體網(wǎng)絡(luò)的路由進(jìn)行優(yōu)化是通過改善/變化/擴(kuò)展路由協(xié)議來進(jìn)行的。為了能不改變已有路由協(xié)議就對數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的路由進(jìn)行優(yōu)化，本發(fā)明提供了一種用于對在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的路由進(jìn)行優(yōu)化的方法和系統(tǒng)。尤其是，本發(fā)明通過使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的數(shù)據(jù)鏈路的最大鏈路利用率最小化和/或平均鏈路利用率最小化，實行了數(shù)據(jù)通訊業(yè)務(wù)量在網(wǎng)絡(luò)中的均勻分布。
文檔編號H04L12/56GK1435033SQ00819143
公開日2003年8月6日 申請日期2000年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月15日
發(fā)明者斯蒂芬·科勒爾, 德爾克·斯塔厄赫勒, 烏特·科赫哈斯, 福沃茨·特蘭－齊亞 申請人:英佛西莫信息技術(shù)股份有限公司