WDM网络中基于多核心的组播路由算法

组播技术是通信网络将发起端的信息复制多份 同时传递给多个接收端的一种信息传递技术。将点 到点的光连接方式扩展为点到多点的光连接 , 就形 成了组播, 我们也可以将其称为 光树 。 光树技术的应用能够使一个节点中的一个发射 机同时具有多个逻辑上的邻居节点, 从而使原本物 理连接关系十分简单的网络逻辑互联图变得复杂多 样 , 而且使得原有的一些物理连接的跳数大大降低。 如果在一个 WDM 光网络中嵌入一套光树连接, 则 可以增强该网络的单播、 组播广播能力, 但是相应地 就需要网络具有支持组播的光交换机和更高的功率 阀值以弥补由于信号分割而造成的功率耗损。 ( 2) 组播分布树 为了向所有接收主机传送组播数据, 用组播分 布树来描述组播在网络中传输的路径。组播分布树 由两个基本类型: 有源树和共享树。 有源树使以组播源作为有源树的根, 有源树的 分支形成通过网络到达接收机的分布树 , 因为有源 树以最短的路径贯穿网络以达到从源节点到目的节 点延迟最小 化的 目的 , 所 以常称 为最 短路 径树 ( SPT ) 。 共享树以组播网中某些可选择的组播路由中的 一个作为共 享树 的公共 根, 这个根 被称 为汇 合点 ( RP) 。共享树又可以 分为单向共享树和双向共享 树。单向共享树指组播数据流必须经过共享树从根 发送到组播接收机。双向共享树指组播数据流可以 不经过共享树。 CBT , 即基于核心树的组播协议。在传统的 IP 网络中 CBT 已经被广泛的研究 , 如在文献 [ 5, 6, 7] 中所做的工作 , 但是如何在光网络中应用 CBT 却很 少有人提及有效的方法。CBT 最早由 Ballardie[ 7] 提 出 , 选定一个中心作为根, 其他的组成员则按照最短 路由的原则与此中心相连接 , 从而构成一棵由所有 发送节点共享的树 , 它不具有广播特性。由于动态 选择树中心的算法也是 NP 完全问题 , 所以一般是 选择次优的中心[ 8] 。
A multicast routing algorithm with multiple kernels in WDM networks
HUANG Chuan he, ZHOU Hao, XIAO Feng, HU Liang, YANG Jing
( Computer School, Wuhan U niv ersity, Wuhan 430072, China) Abstract: A distr ibuted multicast routing alg orithm fo r WDM netw orks is brought forward, w hich is based on core based tree. T he main point of this algorithm is to find a collection of core nodes, w hich enables the tree to meet the delay bound, meanwhile reduces cost as much as possible. T he algor ithm first deter mines core nodes collect ion throug h destination nodes and creates stable tr ee inside the core nodes co llection, then it constructs multicast tr ee containing all destination nodes. T he tree s root is the core node collection. T he tr ee with multiple cores is co nstructed in a distributed way , therefore, to a certain degree, the time of co nstruct ing a M ulticast T ree is reduced, and meanw hile t he bottleneck problem in the dominating part of the sys tem is addressed efficiently. Key words: WDM net works; multicast; distributed routing; multi core based tree
[ 4] [ 3]
2
பைடு நூலகம்
有关研究结果
建立实时组播的路由就是找到一棵以源节点为 树根、 包含所有目的节 点的路由树 , 并且从源 节点 ( 树根 ) 到任意目的节点( 树叶 ) 的传输时间不超过给 定的时限, 路由树的总成本最小。寻找这种路由树 的问题是 NP hard 问题, 现已有一些启发式方法。 一棵好的组播树应该具有如下的特性: * 低成本 * 低时延 * 支持组播组成员的动态性 * 健壮性等等 这里我们要说明的是光组播技术可以按构造的 树的不同 , 分为光树和组播分布树。 546
1
引
言
层 , AT M 层和光传送层。光分叉复用器 OADM 和 光交叉连接 OXC 构成了光传送层。光传送层通过 迂回路由波长在网络中形成大带宽的重新分配, 除 此之外还在光缆断开时起网络恢复的作用。 利用波分复用技术 ( WDM) 的全光网是由三级 体系组成的 , 其中 0 级是最低一级, 指众多单位各自 拥有的局域网 ( L AN) , 它们各自连接若干用户的光 终端 ( OT ) 。每个 0 级网的内部使用一套波长, 但 多个 0 级网也可重复使用同一套波长。1 级可被看 作是许多城域网( MAN) , 它们各自设置波长路由器 连接若干个 0 级网。2 级可被以看作是全国或国际 的骨干网 , 它们利用波长转换器或交换机连接所有 的 1 级网。 全光 WDM 网络既是一个全新的技术 , 同时也 与现存的技术有着千丝万缕的联系, 它涉及的领域 非常广泛。目前对全光 WDM 网络的 研究方兴未 艾 , 并形成了几大热点 , 同时也构成了今后的发展趋 势。
将 R 划分为子集 R 1, R 2, , Rj 且满足下式 : R1 R2 Rj = R 且 R 1 R2 Rj = ; 其中 , s 1 R 1, s 2 R 2, , si Rj 表 示对应关系 , 左边表示源节点 , 右边表示某个 接收者子集。 si Rj 表示以 si 为根、 以 Rj 为叶子建 立的有源树子树。 3. 3 算法描述 MKT 算法由 核心节点集合 选择算法、 核心树 生成算法、 最小延迟树构造算法及最后的合并算法 组成, 这些算法将在下面具体的介绍[ 10] 。 3. 3. 1 核心节点集合选择算法 对实时请求 R = ( D, ) , 假定 D 中每个节点都 知道 D 和 。 确定核心节点的标准是要使得以核心 节点为树根的组播树的成本与各节点到核心节点的 成本之和尽量小, 同时满足任意两个节点之间的延 迟时间满足延迟时限的要求。 要找到满足上述条件的核心节点, 一种办法是 以每个节点作为假定的核心节点, 计算成本及延迟 时间 , 从中选择满足延迟时限且成本最小的节点作 为最终核心节点。但该方法对于大型网络中的实时 请求而言, 显然是不可行的 , 因为可能需要以网络中 或组播组中每个节点为假定核心节点进行测试。因 此 , 必须设 计一种启发式算法 , 以找到 满意解为原 则。 在考虑启发式算法时 , 如果仍以树的成本作为 判定标准 , 对上述困难将难有好的解决办法。因此 需要寻找其它的判定标准。 一个直观的信息是, 如果从一个节点到其它每 个节点的最短路径都经过某个节点 x , 则选择节点 x 作为核心节点将是一个合适的选择。 算法所定义 的判定标准正是基于这一假定。 一个节点 z 选择候选核心节点的优先权值为 : pref = m ax x {
3
MKT 算法
3. 1 网络模型与数据结构 将互联网看成一个无向赋权图 G = ( V , E ) ,
V 是节点 ( 在本文中, 节点和路由器具有相同的含 义 ) 集合, E 是边 ( 链路) 集合。 G 的一条链路可表示 为 e 或者二元组 e ( v , u ) , 其中 v , u V。 令| V | 和 | e | 分别表示节点数和链路数。 设 M 表示组播组 , M 为 V 的子集, 包括源节
第3 2卷 增 刊 2 00 6 年 8 月
光 学 技 术
OPT I CAL T ECHNI QU E
Vo l. 32 Suppl. August 2006
文章编号 : 1002 1582( 2006) S 0545 05
WDM 网络中基于多核心的组播路由算法
黄传河, 周浩, 肖峰, 胡亮, 杨晶
( 武汉大学计算机学 院 , 武汉 摘 430072) 要 : 提出 了一种 WDM 网络中组播的 分布式路由 算法。该算 法是一 种基于核 心树的 算法 , 其关 键是找 到一个 核心节点集 , 使得以该核心节点集为树根、 包含组中 所有节点的树满 足延迟时 限的要求 , 同时使 树的成 本尽量 小。算法 首先根据目的节点确定组中的核心节点集 , 并生成核心节点内部的稳定树 ; 然后以核心节点集为树根构造包含 所有目的 节点的组播核心树。由于采用了分布式的方法建立核心树 , 并且采用的是多个核心 , 所以在一定程度上减少了 建立组播 树所需要的时间 , 并且有效地解决了系统在核心处的瓶颈问题。 关 键 词 : WDM 网络 ; 组播 ; 分布式路由 ; 多核心树 文献标识码 : A 中图分类号 : T N929. 1
近几年来, 全世界计算机及通信技术得到了长 足的发展, 由于网络构筑所依赖的以电为基本传输 介质的物理层已到了其极限, 使得现有的网络在多 方面已不能适应需求 , 即带宽匮乏、 灵活性差、 速度 慢。解决的唯一出路就是全光网络。 所谓全光网络, 即全光通信网络, 是指光信息流 在网络中传输及交换时不需要经过光/ 电、 电/ 光变 换, 而始终以光的形式存在。这意味着数据从发送 源到目的地的传输过程中始终在光域内。所以对信 号的透明性是光网络的一个重要特征。除此之外 , 这样的全光通信网络还具有以下优良的品质: 通信 频带宽; 线路误码率低 ; 协议透明度高; 线路可靠性 强; 扩展性、 可重构性、 可操作性好。全光网络有星 [ 1] 型、 总线型、 树型网、 网格型等形式 。 全光通信网络的结构分为服务层( service layer) 和传送层 ( t ransport layer) , 网络传送层又分为 SDH
收稿日期 : 2006 06 30 E mail : huangch@ w hu. edu. cn
作者简介 : 黄传河 ( 1963 ) , 男 , 湖北省人 , 武汉大学计算机学院教授 , 博士 , 主要从事计算机网络和网络安全方面的研究。
545
光 学
技
术
( 1) 光树
第 32 卷
全光网的路由选择和波长分配 ( RAW) 是重要 的应用基础性研究问题, 它解决怎样通过光交叉连 接或其它设备构成运载信号的光通道, 并合理地分 配通道所使用的波长, 使有限资源能提供尽量大的 通信容量。给出一组建立全光连接 ( 光通路) 的请 求, RAW 问题由两部分组成 : 为每个源节点寻找到 达目的节点的路径; 在这些路径上分配波长。因为 波长数 有 限, 不 可能 在 每对 节 点间 建立 光 通路。 RAW 问题可分为 动态 RAW 和静态 RAW。动 态 RAW 一般是考虑建立光连接的请求随机到达 , 静 态 RAW 则是考虑在进行路由和波长分配前已知所 有的希望建立的光连接[ 2] 。 在较早的研究中 , 假定网络中没有波长转换的 光部件 , 这种情况下的 RAW 问题已有较多的研究 , 但是还有探讨的必要。随着光部件的发展, 网络中 可以采用波长变换, 在某些情况下 , 网络性能得到改 善, 这方面的研究很活跃。 组播也称多点播送或多路广播, 是一点到多点 或多点到多点的网络传输新技术。它有助于控制网 络的流量 , 减少主机的处理量 , 是一种优化使用带宽 的技术。 组播技术的核心是选路问题, 由于网络特别庞 大, 拓扑结构、 流量不断动态变化 , 使得组播路由问 题变得非常重要而困难, 所以设计或选取合适的组 播选路算法对组播路由的有效实施非常重要。 目前很多研究人员及网络专家提出了大量有价 值的组播路由算法, 但由于算法过于复杂, 并没有在 实际网络环境中得到广泛应用。另外, 由于组播路 由协议体现了组播路由算法的实现 , 提供了传播成 员信息的机制, 以及转发数据报时使用该信息的方 式, 所以根据路由算法设计相应的路由协议也成为 研究者的研究内容之一。
增刊
黄传河 , 等 :
WDM 网络中基于多核心的组播路由算法
点、 接收者和中间结点。 设 S 为源节点集合 , R 为接 收节点集合, 满足 S M,R M。 令 | S | 和| R | 分别表示源节点数和接收者节点数。 设 si 为源节 点 i , rj 为接收者节点 j , si S , rj R。 和 B 分 别表示 延时上限 和带 宽下限 要求, 路径 延时用 d ( e) 或 d ( u, v ) 表示 , 路径带宽用 b( e) 或者 b( u , v ) 表示[ 9] 。 3. 2 MKT 算法的基本思想 M KT 即 多 核心 路由选择 算 法, 采 用 基 于 核 心树 的 方 法 ( 图 1) 。该算 法的 关 键是 找到多个 核 心节 点, 建 立 一 个核心 节点 集 合, 其 他 的 接 受