基于Dijistra算法的多约束多播路由算法的研究

Ｋｅ ｏ ｄ ： ｌｐｅｃｎｒ ｎｓｍｕｔ ａｔＤｊｔ ；ｕ ｉ ｆｓｒｉｅＯｐ ｅ ｙｗ ｒ ｓｍｕｔ ｌ ｏ ｔ ｔ； ｌｃ ； ｉｓａ ｑ ａｔ ｏ ｖｃ ； ｎｔ ｉ ｉ ａ ｉｓ ｉ ｒ ｌｙ ｅ
Ｏ 引 言
路 由技 术涉及的是如何将源端发 出的信息分组经
各种途径送 到 目的端。路 由算 法重点研究路 由选择方 法 以确保在 连接建 立期间为会话 中各发送者与接收者 之 间建立最佳 和有 效的连 接 ， 是网络层 软件的一部分 ，
２ １ 拓扑结构 ．
遗传算法 自从被提 出 以来 ， 术界 给予 了高度 的 学
关注 。遗传算法是一种模拟 达尔文生物进化论 的 自然
本仿真系统选用如 图 １所示 的 网络 ， 中两个 参 图 数分 别代 表 ： 宽 和时延 。例 如 连接 ｎｄ 一 、ｏｅ １ 带 ｏｅ ０ ｎｄ 一 节点 的链路参数为 （０ ， ） ３０ １ 即代表该条链 路 的最 大带
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｎｄ ｍ ｐｌｍ ｅ ａ ｉｎ ｎ Ｍ ｕｌｉ ｌ ｎｓｒ ｉ ｔ ｕ ｔｃ ｓ ｓａ ｃ ａ Ｉ ｅ ｎｔ ｔｏ ｏ ｔｐ ｅ Ｃｏ ｔａ ｎ ｓＭ ｌｉａ ｔ
Ｒｏ ｔ ｇＡｌｏ ｉ ｍ ａｅ ｎＤｉｓｒ ｕｉ ｇ ｒｔ Ｂ ｓｄｏ ｊ ｔａ ｎ ｈ ｉ
是为每个节 点通信 时查找 路 由表 ， 找合适 的转 发路 寻
径。
收稿 日期 ：０ １ ｏ — ２； 回 日期 ：０ １ ０ — ０ ２ １一５ １ 修 ２１— ８ ２
和代价等约束条件 中的某几个的集合给定 。
通常 ， ｏ 束 可 以分为 链 路约 束 和路 径 约束 。 Ｑ Ｓ约
务 Ｑ Ｓ问题 的研究 热点 。该文 提 出的 多约束 多播 路 由算法 以带 宽和 时延 作为 多约束 条件 ， 先 消去 不符 合带 宽要 求 的所 ｏ 首 有链 路 ， 着用 Ｄｊｔ 最短 路径 算法 选择 从源 节点 到 目的节 点之 间满足 时延 最小 的路径 。通 过设计 一包 含 ６ 网 络节 点 接 ｉｓａ ｉｒ 个
各种单播启发式多约束路 由算法进 行了分 析 、 比较 ， 总 结 了各种启发式算法主要存在计算 复杂度 高或性 能过 低而不能应用于 实践 网络 。同时 ， 过 比较研 究也 通 发现 了改进启发式算法的前景 ： （） １ 在搜索前 进行 预处理 ； （） ２ 为多个 Ｑ Ｓ度量设 计好 的花费 函数 （ 般为 ｏ 一 非线性 函数 ） ； （） ３ 采取一定 策略减少搜索空 间。
在 网络互连 的一些 应用 中， 时一个节 点需要 将 有
信息发送给 网内的部分节点 ， 这种方式称为多播 ， 多 在
播 中源节点为一个 ， 目的节 点有多 个。Ｑ Ｓ多播 路 而 ｏ 由的选择就是一个基 于 网络 拓扑结 构 、 节点 和链 路状
态， 构造一棵符合 目标 函数 的最优 多播树 的过程 。这 里 的 目标 函数可 以是 由延迟 、 可变延 迟 、 带宽 、 丢包率
束条件 …。
法 的实现需要基 于 Ｏ Ｐ Ｓ Ｆ协议发布 网络各节点和链路 信息 ， 增加 网络负荷 。 对于多约束多播路 由 ， 传统 的解 决方 法主要 是使
用约束最短路径和基于图论 的 Ｓ ｉ ｒ ， ｔｎ 树 其他方 法主 ｅｅ
要是基于运筹学 。
１ 相关技术调研
已有 文 献 证 明 多 约 束 路 由 问 题 是 Ｎ 完 全 问 Ｐ
Ａ ｓ ａ ｔＭｕｔ ａｔ ｕ ｉｅ ｓ ａ ｅ ｎ ｗ ｄ ｌ ｐ ｌ ｄ ｉ ｌ ｋｎ ｓ ｆｓ ｅ ｍｉｇ ｍｅ ｉ． ｈ ｓ ｕｉｅ ｓ ｅ ｄ ｍｏｅＱｏ ｅ ｕｒｍｅ ｔＩ ｒ ｂ ｔ ｃ ： ｌ ｃ ｓ ｂ ｓ ｓ ｈ ｓｂ ｅ ｉｅｙａ ｐ ｅ ａ ｉｄ ｔ ａ ｎ ｄａ Ｔ ｅ ｅｂ ｓ ｓ ｎ ｅ ｒ Ｓ ｒｑ ｉ ｒ ｉ ｎ ｉ ｎ ｌ ｏ ｒ ｎ ｅ ｎ ．ｎ ０＿
题 。
目前解决该问题 的策略主要有 以下两种 ： （ ） 虑 Ｑ Ｓ路 由的特殊 情形设计 算 法 ， 多项 １考 ｏ 在 式时间内可求得 精确解 ； （） ２ 对一般 的 Ｑ Ｓ路 由问题 ， ｏ 设计启 发式 多 约束
基于以上调研 ， 中用 Ｏ ｎ ｔ 文 ｐｅ 实现 了一种 较 以上 算法均简单 的多约束多播路 由算法 。
其 中， 链路约束可 以转化 为对整个 路径上 瓶颈链 路 的 约束 ， 宽 ； 如带 而路径 约束则是对组成端到端路径上 的
基金项 目： 国家 自然科 学 基金 （ ０ ７ １０ ； ６９ ３ ４ ） 江苏 省 自然科 学 资 金 （ Ｋ ０ ９ ２ ） 江苏省青蓝工 程及江苏 省六 大人才 高峰项 目； Ｂ ２０４５ ； 南京 邮 电大学校科研项 目（ Ｙ １０ ４ Ｎ ２０ ３ ） 作者简介 ： 汪胡青（ ９ ９ ） 女 ， １７ 一 ， 硕士 ， 究方 向为计 算机软 件和 网 研 络安全 ； 孙知信 ， 博士 ， 教授 ， 研究方 向为计算机 网络与安 全、 即这条 路径上 所有链 路剩 余带宽 的最小值 ， 亦称 为瓶颈 带宽 。时延 由两部 分组
成 ： 队时延 和传输 时延 。多 约束路 由问题是 Ｎ 排 Ｐ 完全 问题 ， 本次研究 中解 决该 Ｎ Ｐ完 全问题 的途 径是 ： 首先消去不符合带宽要求 的所有链路 ， 着用 Ｄｊ ｔ 接 ｉｓａ ｉｒ 最短路径算法选择从源节 点到 目的节点之 间满足时延 最小 的路径 。在整个 研究过 程 中 ， 采用 了 Ｏ ｎｔ ｐ ｅ 网络 仿真工具来验证算 法实现的正确性 。
宽为 ３０ ｂｓ 时延为 １ ｓ ０ ｋｐ ， ｍ。
Ｎｏ ｅ ０ ｄ Ｎｏｅ ｄ
选择和遗传学机理 的生 物进化 过程 的计 算模 型 ， 是一
种通过模拟 自然进化过程搜 索最优解 的方法 。其主要 特点是直接对结构对象 进行操 作 ， 具有 内在 的隐并行 性和更好 的全局寻优 能力 ； 自动获取 和指 导优 化 的 能 搜索空 间 ， 自适应地调 整搜索 方 向。遗 传算法将 生物 进化 的原理 与最 优化 技术 和计 算 机 网络技 术结 合起 来， 创造 了一种全新 的优 化方法 。但 所有基 于单纯
２ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｎｅ ｅ ｏ ｈｎ ｓＮａｊ ｇＵｎｖｒｔ ｆ ｏｔ ａｄＴ ｌ ｏ ｍｕ ｃｔ ｎ ， ａｊ ｇ２０ ０ ｈｎ ） ． ｏｌ ｅｏ ｔ ｎ ｔ ｆ ｉｇ ， ｎｉ ｉ ｅｓｙｏ ｓ ｅ ｃ ｍ ｎ ａ ｏ ｓＮ ｎｉ １０ ３ ｉ ｅ Ｉ ｒ Ｔ ｎ ｉ Ｐ ｓｎ ｅ ｉ ｉ ｎ Ｉ ａ Ｃ
通 信。
所有链 路的约束 ， 如延迟 。由于对链路约束 ， 以通过 可
剪枝预先除去不符合要求 的链路 ， 而保证 在剩余 子 从 图中求得 的路径满足链路 约束 。考虑到多播 路由中的 约束 问题 ， 则是对多播 树 中的每一条路 径均要 满足 约
・
６・
计算机技术 与发展
第 ２ 卷 １
汪胡青 孙知信 ， ．
（． １ 南京 邮 电大 学 通 信 与信 息工程 学院 ， 苏 南京 ２００ ； 江 １０ ３
２ 南京邮电大学 物联 网学院 ， ． 江苏 南京 ２００ ） １０３
摘 要 ： 业务 已被 广泛 应用 于各 种流 媒体 ， 业务 对 Ｑ Ｓ提 出了一定 的要 求 ， 约束 多 播路 由算 法 成 为解决 多播 业 多播 这些 ｏ 多
ｄｒ ｏｓｌｅｔｅＱ Ｓｐ ｂｅ ｔｅｍｕｔ ｌ ｏ ｓａｎｓｍｕｔａｔ ｔ ｇｈ ｅｏ ｅｙｉ ｏｔｎ ｅ ａｃ ｅ ． ｈ ｌｐｅｃｎ ｅ ｏｖ ｏ ｒ ｌｍ， ｌｐｅｃ ｎｔ ｉｔ ｔ ｈ ｏ ｈ ｉ ｒ ｌｃｓ ｍｕｎ ａ ｂ ｃｍｅａｖｒ ｉ ｉ ｓ ｍｐ ｒ ｔ ｓ ｒｈｆ ｌ Ｔ ｅｍｕｔ ｌ ｏ ・ ａ ｒｅ ｉ ｄ ｉ
Ｗ ＡＮＧ Ｈｕ—ｑ ｎ ， ＵＮ ｉ ｉ ｉｇ Ｓ Ｚｈ —ｘｎ
（． ｏ ｅｅｏ ｏ １ Ｃ ｌ ｇ ｆＣ ｍｍｕｉａ ｏ ｎ ｆｒ ｔ ｎＥ ｇｎｅｉｇ Ｎ ｎｉｇＵｎ ｅｓｙｏ ｏｔ ａｄ ｌ ｎｃｔ ｎａｄＩ ｏｍａ ｏ ｎｉｅｒ ， ａｊ ｉ ｒｔ ｆ ｓ ｎ ｉ ｎ ｉ ｎ ｎ ｖ ｉ Ｐ ｓ Ｔｌｏ ｅ ｃｍｍｕ ｃｔ ｎ ， ａｊ ｇ２ ００ ， ｈ ａ ｅ ｉ ｉ ｎ ａ ｏ ｓＮ ｎｉ １０ ３ Ｃ ｉ ； ｎ ｎ
２ 多约束 多播路 由算 法的实现
本次研究 中路 由算法 的多约束条件选择带宽和时 延 。在宽带 网络 中， 带宽和时延 是两个重要 的参数 ， 带
路 由算法求得近似解 。 启发式搜索方法主要有 ： 基于花费函数 、 路径子 空 间搜索和 随机化求解等 。文献 ［ ］ ４ 通过对 当前提 出的
ｓｒ ｉ ｔ ｎ ｌ ｄ ａ ｄ ｄ ｎ ｅａ ． ｎ ｔ ｉ ｌ ｏ ｔ ｍ 。ｕｓ 。 ｌ ｔ ｅ ｌ ｋ ｅ ｔａ ｅｓ ｄ ａ ｄ ｔ ｏ ｅ ｌ ｋ ｏ ｎ ｔｍｅ ｔ ｈ ａ ｄ ｄ ｅ ｉ — ｔ ｎ ｓ ｉ ｃｕ ｅ ｂ ａ ｎ ｗｉ ｔ ａ ｄ ｄ ｌ ｙ Ｉ ｓ ａｇ ｒｈ ｈ ｈ ｉ ｌ ｔ ａ ｌｈ ｎ ｓ ａ ｒ ｖ ｒ ｅ ｓ ｉ ｓｄ ｏ ｅ ｅ ｂ ｉ ｒ ｎ ｈ ｎ ｔ ｎ ｗｉ ｔ ｒｑｕ ｒ ｈ ｅ ｍｅ ｔ ｒ ｌ ｎ ｔ ． ｅ ｔ ｅ ａ ｇ ｒ ｈ ｓ ｌｃ ｓ ｔ ｅ ｌ ｓｍｅ ｔｔ ｅ ｍ ｎ ｍｕ ｄ ｌｙ ｆｏ ｔ ｅ ｓ ｕ ｃ ｏ ｅ ｔ ｅ ｄ ｓｉ ａｉ ｎ ｎ ｄ ｏ ｃ ｒ ． ｎ ｓ ａ ｅ ｅ ｍｉ ａ ｅ Ｔ ｎ， ｏ ｔ ｍ ｅ ｔ ｈ ｉ ｅ ｉ ｄ ｈ ｈ ｌ ｉ ｅ ｋ ｎ ｈ ｉ ｉ ｍ ｅ ａ ｒ ｍ ｏ ｒ ｅ ｎ ｄ ｏ ｔ ｅ ｔ ｔ ｏ ｅ ｔ ｏ ｈ ｈ ｎ ｏ ｎ ｐｏ ｅ ｔｔ ｅ ｆｎ ａ ｎ ｔ ｅ ｒ ｓ ｉ ｓ Ｔ ｒ ｕ ｈ ｄ ｓｇ ｉ ｇ ｏ ｅ ｎ ｔ ｒ ｏ ｏ ｏ ｙ ｉ ｃｕ ｉ ｇ ｓｘ ｎ ｄ ｓ ｕ ｉ ｇ ａ ｎ ｔ ｒ ｉ ｌ ｔ ｎ ｔ ｏ ｏ ｎ ｎ ａ ｐ ｔ ｉ ｅ ｔｌｎ ． ｈ ｉ ｌ ｈ ｈ ｋ ｈ ｏ ｇ ｅ ｉ ｎ ｎ ｎ ｅｗｏ ｋ ｔ ｐ ｌ ｇ ｎ ｌ ｄ ｎ ｉ ｏ ｅ 。 ｓｎ ｅ ｗｏ ｋ ｓ ｍｕ ａ ｏ ｏ ｌ ｔ ｉ ｇ ｔ ｅ ｔｔｓ ｃ ｆｅ ｃ ｉ ｔ ｉ ａ ｏ ｔｅ ｒ ｓ ｌ ｖ ｒｆ ｓｔ ｅ ｖ ｌ ｉ ｎ ｉ ｌ ｉ ｆｔ ｅ ａ ｇ ｒｔ ｍ ． ａ ｒｓ ｉ ｔ ｓｏ ａｈ ｌ ｈ ａ ｉ ｋ ｎ ｕ ｌ ｔ ｎ。 ｅ ｕ ｔ ｅ ｉ ａｉ ｔ ａ ｄ ｓｍｐ ｉ ｔ ｏ ｈ ｏ ｈ ｉ ｚｉ ｈ ｉ ｅ ｈ ｄｙ ｃｙ ｌ ｉ
的拓扑结构， 用网络仿真工具对该网络中各条链路利用率的统计 ， 证明了该算法找到的路径和理论值完全一致 ， 验证 了该
算法 的有 效性 和简 单性 。 关键 词 ： 多约束 ； 多播 ； ｉ ｔ ； ｏ ；ｐ ｅ Ｄｊ ｒ ＱＳ Ｏ ｎｔ ｉａ ｓ
中图分类 号 ：Ｐ０ ． Ｔ ３ １６ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章编 号 ：６３ ６ ９ ２ １ ）２ ００ — ４ １７ －２ Ｘ（０ １ １－ ０５ ０
第２卷 １
第 １ 期 ２
计 算 机 技 术 与 发 展
Ｃ ＯＭＰ ＥＲ ＥＣＨＮＯＬ ＵＴ Ｔ ＯＧＹ ＡＮＤ ＤＥ ＶＥＬ ｌＭＥＮＴ ＯＰ
２１ 年 ｌ ０１ ２月
Ｖ １ ２ Ｎｏ １ ｏ． １ ．２ Ｄｅ ． ２０１ ｃ １
基 于 Ｄｊｔ ｉ ｒ 法 的 多约 束 多播 ｉ ａ算 ｓ 路 由算 法 的研 究