專利名稱：一種通信網絡中基于負載平衡的最優路徑選擇方法
技術領域：
本發明涉及通信領域，特別涉及網絡中尋找最優路徑的方法。
背景技術：
如圖1所示的網絡拓撲結構，一般來講，網絡中的最優路徑選擇就是以路徑長度或其他路徑參數為權而選擇的最適合的節點間路由路徑。如果是以路徑長度為權的話，一般用dijstra(迪杰斯特拉)算法或floyd(弗洛伊德)算法得到的節點之間的最短路徑為最優路徑。但是傳統的單路徑算法往往只選擇節點之間的最短路徑，卻沒有注意到每個節點(以及鏈路)上通過負載的平衡性。事實證明，節點間負載的平衡性對網絡阻塞率的影響是非常大的。雖然可選擇路由算法則給出了若干條待選路由，當有業務發生時隨機或通過其他判據選擇合適的路由，這種算法帶來的最突出的問題就是系統中每個節點配置更加復雜，解決問題的成本大大增加。
傳統的最短路徑算法有兩種 第一種是Floyd算法。設圖G＝(V，E)的頂點集合V＝{0，1，…，n-1}，圖用鄰接矩陣M表示。Floyd算法的基本思想是遞推地產生一個矩陣序列A0，A1，A2，...，An，其中A0是已知的帶權鄰接矩陣，Ak(i，j)(0≤i，j＜n)表示從頂點i到頂點j的中間頂點序號不大于k的最短路徑長度。如果i到j的路徑沒有中間頂點，則對于0≤k＜n，有Ak(i，j)＝A0(i，j)＝M[i][j]。遞推地產生A1，A2，...，An的過程就是允許逐步越來越多的頂點作為路徑的中間頂點，直到為全部路徑都找到了所有的中間頂點，所有的最短路徑也就全部求出。
設第k次遞推前已求得Ak-1(i，j)(0≤i，j＜n)，為求Ak(i，j)需考慮以下兩種情況 如果從頂點i到頂點j的最短路徑不經過頂點k，則由Ak-1(i，j)的定義知，從i到j的中間頂點序號不大于k的最短路徑長度還是Ak-1(i，j)，即Ak(i，j)＝Ak-1(i，j)。
如果從頂點i到頂點j的最短路徑要經過頂點k，則這樣一條路徑是由從i到k和由k到j的兩條路徑所組成。由于Ak-1(i，k)和Ak-1(k，j)分別表示從i到k和由k到j的中間頂點序號不大于k-1的最短路徑長度，若Ak-1(i，k)+Ak-1(k，j)＜Ak-1(i，j)，則Ak-1(i，k)+Ak-1(k，j)必定是從i到j的中間頂點序號不大于k的最短路徑的長度，即Ak(i，j)＝Ak-1(i，k)+Ak-1(k，j)。
由此得到計算Ak(i，j)的遞推公式如下 A0(i，j)＝M[i][j] Ak(i，j)＝min{Ak-1(i，j)，Ak-1(i，k)+Ak-1(k，j)，0≤i，j，k＜n} 第二種是Dijstra算法 Dijstra算法的基本思想是記指定的某頂點為v，把圖中頂點集合V分成兩組，以已求出最短路徑的頂點集合為第一組，記為S；其余尚未確定最短路徑的頂點集合為第二組。按最短路徑長度遞增次序逐個地把第二組中的頂點移入S中，直到從指定頂點出發可以到達的頂點都在S中。在這個過程中，需始終保持從v到S中各頂點的最短路徑長度都不大于從v到第二組的任何頂點的最短路徑長度。另外，為了便于程序處理，需為每個頂點保存一個距離。S中的頂點的距離就是從v到此頂點的最短路徑長度，第二組中的頂點的距離是從v到此頂點的只包括以S中的頂點為中間頂點的那部分還不完整的最短路徑長度。
算法中引進一個頂點集合S和一個數組dist，集合S為已求得的最短路徑的終點的集合，其初值為只有一個源點。數組dist記錄了從源點到其它每個頂點的最短路徑長度，其初值為dist[u]＝weight(<v0，w>)(w∈V-S)。
這個方法通常被稱為Dijkstra算法，其求最短路徑算法描述如下 (1)令S＝{v0}，dist[i]＝G
(G為圖的鄰接矩陣)。
(2)選擇頂點u，使得 dist[u]＝min{dist[w]|w∈V-S} 將頂點u加入集合S S＝S+{u} (3)對每一個w∈V-S，修改從v0到w的最短路徑長度 dist[w]＝min{dist[w]，dist[w]+weight(<u，w>)} (4)重復步驟2和3共n-1次。
發明內容
本發明要解決的問題是提供一種通信網絡中基于負載平衡的最優路徑選擇方法，能夠平衡網絡間各節點負載，降低網絡阻塞率。
本發明基于網絡中所有路徑間的負載平衡，使用較為簡單的啟發式判據達到復雜算法才能達到的較為精確的搜索結果。
為了解決上述技術問題，本發明提供了一種通信網絡中基于負載平衡的最優路徑選擇方法，包括 在選擇最優路徑時，知道整個網絡拓撲的頂層網元管理器利用現有的最短路徑算法得到若干條短路徑，從中選擇一條負載小或路徑短的路徑作為最優路徑，或者在利用現有最短路徑算法計算確定某條最短路徑為最優路徑后，根據路徑長度或負載因素增加該條被確定為最優的路徑的權值，再根據此路徑權值計算其他節點間的最短路徑，得到的最短路徑作為最優路徑。
進一步地，所述利用現有的最短路徑算法得到若干條短路徑，其中所述現有的最短路徑算法為floyd算法，根據所述floyd算法確定最短路徑的同時保留次短路徑信息，比較網絡中某對節點之間最短路徑上各節點可能承受的負載和與該對節點間次短路徑上各節點可能承受的負載和，或者比較網絡中某對節點之間最短路徑所有中間節點上經過的最短路徑長度和與次短路徑所有中間節點上經過的最短路徑長度和，從中確定一條路徑為該對節點間的最優路徑。
進一步地，所述方法包括以下步驟 (a)利用floyd算法得到每對節點間的最短路徑和次短路徑，并把最短路徑和次短路徑的有關信息記錄下來，所述信息包括每條路徑經過的具體節點以及路徑長度； (b)計算網絡中每個節點x作為中間節點時其上經過的最短路徑長度之和SX，所述最短路徑長度之和SX是指經過節點x的所有最短路徑的長度和； (c)對某對節點，計算其最短路徑上各中間節點的SX之和S1，以及次短路徑上各中間節點的SX之和S2，比較S1和S2，選取其中值較小的路徑作為該對節點間的最優路徑。
進一步地，在所述步驟(c)中，如果次短路徑被選為最優路徑，則更新節點間最短路徑和次短路徑上的相應節點信息。
進一步地，多次執行上述步驟(a)至(c)。
進一步地，所述在利用現有最短路徑算法計算確定某條最短路徑為最優路徑后，根據路徑長度或負載因素增加該條被確定為最優的路徑的權值，其中所述現有的最短路徑算法為Dijkstra算法。
進一步地，所述增加該條被確定為最優的路徑的權值是指增大該條路徑長度。
本發明所述方法選取單路由算法和可選擇路由算法兩者之間的折衷方案——既保留了傳統靜態路由算法的固定性和簡易處理性，又考慮了傳統靜態路由所不常考慮的路徑和節點間的負載均衡性，在同等條件下，可以大大降低網絡的阻塞率。并能使網絡的整體負載達到最大限度的平衡，且不增加系統的復雜性。
圖1為網絡拓撲實例圖； 圖2為改進后的floyd算法流程圖； 圖3為改進后的floyd算法用于本方法的流程圖； 圖4為改進后的dijistra算法用于本方法的流程圖。
具體實施例方式 第一實施例 為了兼顧路徑短和負載平衡，在選擇最優路徑時，知道整個網絡拓撲的頂層網元管理器先利用傳統的最短路徑算法，得到若干條短路徑，從中選擇一條負載較小的路徑作為最優路徑。首先，利用現有最短路徑算法，以某種網絡使用者關心的判據為權值(如路徑長度，路徑上節點的負載之和等)得到節點間最短路徑和次短路徑的信息；然后，按某種改進后的啟發式算法，用同樣特定的判據和方法更新和處理最短路徑和次短路徑上節點的信息，從中選擇一條路徑作為新的最短路徑。
以floyd算法為例，計算最優路徑方法包括以下步驟 步驟101，利用floyd算法得到每對節點間的最短路徑和次短路徑，并把最短路徑和次短路徑的有關信息記錄下來(從此次)； 對floyd算法稍加修改即可計算出節點間的次短路徑，修改后的floyd算法如圖2所示。圖中n為節點總個數，i、j、k均表示節點，a[i][j]表示利用傳統floyd算法計算出的節點i與節點j之間的距離，path[i][j]＝k表示i、j之間的最短路徑所經過的頂點序號不大于k，k初值設置為非序號且不大于所有的序號的任意值。該流程在現有技術的基礎上，在更新流程步驟有些許改動，在不斷更新a[i][j]獲取最短路徑的同時，一并保留次短路徑信息。
更改信息可以采用以下流程 …… if(HNEW≤HOLD) { path[i][j]＝k； Di＝Hi； Hi＝HNEW； OldRi←NewRi； NewRi←{xj}；xj∈NEW and 1≤j≤Hi} …… 其中，HNEW和HOLD表示兩次計算得到的路徑長度，Hi和Di用于保存比較后的上述路徑長度。當判斷HNEW小于HOLD時，說明該路徑更短，記錄k值，并相應修改Hi值和Di值，以及對應的路徑集。經過不斷循環比較后，可以確定最短路徑與次短路徑，Hi中的值為最短路徑長度，Di中的值為次短路徑長度。最短路徑集為NewR，其中NewRi表示集合中的第i個路徑。次短路徑集為OldR，其中OldRi表示集合中的第i個路徑。xj表示本路徑上的第j個節點。
步驟102，計算網絡中每個節點x作為中間節點時其上經過的最短路徑長度之和SX； 所述最短路徑長度之和SX是指，經過節點x的所有最短路徑的長度和。
步驟103，對某對節點(i，j)，計算其最短路徑上各中間節點的SX之和S1，以及次短路徑上各中間節點的SX之和S2，選取S1和S2中較小的那條路徑作為節點間的最優路徑，如果次短路徑被選為最優路徑，則更新節點間最短路徑和次短路徑上的相應節點信息。
SX之和越小，說明經過該節點x的最短路徑較少，選擇S較小的路徑，則該路徑上的阻塞率也相對較低。
在其他實施例中，也可以通過比較各節點能承受的負載來確定最優路徑，但是任何關于路徑的判據都可以轉化為路徑長度。
圖3為選擇最優路徑時的程序示圖，假設N個節點的網絡全連通，則共有N(N-1)/2個最短路徑；再假設路由Ri(1≤i≤N(N-1)/2)上每兩個相鄰節點間的鏈路長度為1，最短路徑長度為Hi，次短路徑長度為Di。最短路徑集為NewR，其中NewRi表示集合中的第i個路徑。次短路徑集為OldR，其中OldRi表示集合中的第i個路徑，OptRi表示第i條路由的最優路徑。主要流程如下 第一步，計算每條最短路徑上所有中間節點的最短路徑長度之和SX，圖中x為NewRi集合中第i個路徑上的中間節點； 第二步，計算各最短路徑上所有中間節點的SX之和Ni，以及各次短路徑上所有中間節點的SX之和Oi； 第三步，比較Ni與Oi，若Ni大于Oi，說明該最短路徑各節點上通過的路徑較多，則將次短路徑作為最優路徑，并相應修改原最短路徑各節點上的SX和次短路徑各節點上的SX值，即在先前第一步計算的原最短路徑中間節點的SX減值中減去原最短路徑長度Hi，在先前第一步計算的原次短路徑中間節點的SX值中加上原次短路徑長度Di；若Oi小于Ni，則說明最短路徑各節點上通過的路徑較少，將該最短路徑作為最優路徑； 理論上用上述方法計算一次后即可找到所有節點對之間的最優路徑集。但由于節點在路徑上分布的不均勻性，一般重復以上的算法兩次，找到的最優路徑集會更好。
對于拓撲結構中存在多條長度相等的路徑的情況，根據起始計算節點的不同，得到的最短路徑結果也可能不同，例如對于圖1中節點2到節點5的所有3條路徑(2-1-4-5，2-3-6-5和2-8-7-5)，有可能的情況是，2-1-4-5是被確定為最短或者2-8-7-5被確定為最短。另外，當兩條長度相同的路徑進行比較確定最優路徑時，根據判據的不同，結果也可能不同，例如，當判據為“不大于”或“必須小于”時，所得到的最優路徑結果就不相同。但是上述程序上的變化不會影響本實施例的效果。
下面是采用本方法對圖1所示網絡拓撲結構進行處理的結果，表1中的路徑即為節點間的最優路徑。路徑前加上！號的表示此實例中選用次短路徑作為節點間的最優路徑，其余最優路徑均為最短路徑。
表1floyd算法對NSFNET的改進實例 假設所有的節點對之間負載值是固定的(設相鄰節點間路徑為1)，在未進行負載均衡時，用floyd算法得出的最短路徑情況如下 下面最短路徑長度的計算中，等式之前的兩個數值分別表示以該節點為起點或終點時，以及以該節點為中間節點時的最短路徑長度。
節點1所有最短路徑長度29+10＝39，有4條最短路徑通過； 節點2所有最短路徑長度29+7＝36，有3條最短路徑通過； 節點3所有最短路徑長度28+13＝41，有5條最短路徑通過； 節點4所有最短路徑長度27+27＝54，有10條最短路徑通過； 節點5所有最短路徑長度27+27＝54，有10條最短路徑通過； 節點6所有最短路徑長度24+42＝66，有15條最短路徑通過； 節點7所有最短路徑長度29+14＝43，有5條最短路徑通過； 節點8所有最短路徑長度27+33＝60，有12條最短路徑通過； 節點9所有最短路徑長度29+21＝50，有8條最短路徑通過； 節點10所有最短路徑長度24+35＝59，有14條最短路徑通過； 節點11所有最短路徑長度29+5＝34，有3條最短路徑通過； 節點12所有最短路徑長度27+15＝42，有5條最短路徑通過； 節點13所有最短路徑長度27+16＝43，有6條最短路徑通過； 節點14所有最短路徑長度28+9＝37，有4條最短路徑通過。
改進后的floyd算法為鏈路上負載更平衡做出調整 將5-6-13-12改為5-4-9-12； 將4-5-7-8改為4-1-2-8； 將2-8-7-5改為2-3-6-5； 將3-6-5-7改為3-2-8-7； 將6-5-7-8改為6-3-2-8； 將2-8-10-11改為2-3-6-11。
更改后各節點相應參數 節點1所有最優路徑長度29+13＝42，有5條最優路徑通過； 節點2所有最優路徑長度29+14＝43，有6條最優路徑通過； 節點3所有最優路徑長度28+22＝50，有8條最優路徑通過； 節點4所有最優路徑長度27+30＝57，有11條最優路徑通過； 節點5所有最優路徑長度27+18＝45，有7條最優路徑通過； 節點6所有最優路徑長度24+42＝66，有15條最優路徑通過； 節點7所有最優路徑長度29+5＝34，有2條最優路徑通過； 節點8所有最優路徑長度27+30＝57，有11條最優路徑通過； 節點9所有最優路徑長度29+24＝53，有9條最優路徑通過； 節點10所有最優路徑長度24+32＝56，有13條最優路徑通過； 節點11所有最優路徑長度29+5＝34，有3條最優路徑通過； 節點12所有最優路徑長度27+15＝42，有5條最優路徑通過； 節點13所有最優路徑長度27+13＝40，有5條最優路徑通過； 節點14所有最優路徑長度28+9＝37，有4條最優路徑通過。
通過對比，可以看出，負載均衡選擇之后通過各節點的最優路徑個數趨于平衡，降低了阻塞的可能性。
第二實施例 以Dijkstra算法為例，本實施例的思路與第一實施例不同，不是選兩條路徑出來，而是直接在選擇最短路徑的時候將權值帶進去，算出來的最短路徑就是最優路徑。
用Dijkstra算法計算最短路徑，當某個鏈路(節點)被選作某兩節點間的最優路徑時，根據路徑長度和負載等因素相應加大其權值，這樣根據算法結果，該鏈路(節點)繼續被其他路徑選為默認路由的可能性會變小。遍歷求出網絡中所有的最優路徑。
在本實施例中，如流程圖3所示，當某最短路經被選為最優路徑之后，人為將其長度增加(m[u][j]++)，這樣，下次再選擇時，該段路經被選擇作為最短路經的幾率就會減小。圖3中，V表示頂點集合；S表示已求出最短路徑的頂點集合；數組dist記錄了從源點到其它每個頂點的最短路徑長度，如Dist[j]表示原點到頂點j的最短路徑；M[u][j]表示u到j的最短路徑。
下面是經dijkstra算法改進后的自適應法對NSFNET的處理結果。可以看到，當鏈路附加權值設置得不大時，兩種改進算法的最優路徑差別并不大(有差別的用*表示)。當鏈路附加權比較大的時候，結果可能會出現較大差異，需根據實際情況確定。但是總的來說，采用這兩種實施方法都可以降低網絡的阻塞率，并能使網絡的整體負載達到最大限度的平衡，且不增加系統的復雜性。
表2Dijkstra算法對NSFNET的改進實例 當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1、一種通信網絡中基于負載平衡的最優路徑選擇方法，其特征在于，
在選擇最優路徑時，知道整個網絡拓撲的頂層網元管理器利用現有的最短路徑算法得到若干條短路徑，從中選擇一條負載小或路徑短的路徑作為最優路徑，或者在利用現有最短路徑算法計算確定某條最短路徑為最優路徑后，根據路徑長度或負載因素增加該條被確定為最優的路徑的權值，再根據此路徑權值計算其他節點間的最短路徑，得到的最短路徑作為最優路徑。
2、如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用現有的最短路徑算法得到若干條短路徑，其中所述現有的最短路徑算法為floyd算法，根據所述floyd算法確定最短路徑的同時保留次短路徑信息，比較網絡中某對節點之間最短路徑上各節點可能承受的負載和與該對節點間次短路徑上各節點可能承受的負載和，或者比較網絡中某對節點之間最短路徑所有中間節點上經過的最短路徑長度和與次短路徑所有中間節點上經過的最短路徑長度和，從中確定一條路徑為該對節點間的最優路徑。
3、如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟
(a)利用floyd算法得到每對節點間的最短路徑和次短路徑，并把最短路徑和次短路徑的有關信息記錄下來，所述信息包括每條路徑經過的具體節點以及路徑長度；
(b)計算網絡中每個節點x作為中間節點時其上經過的最短路徑長度之和SX，所述最短路徑長度之和SX是指經過節點x的所有最短路徑的長度和；
(c)對某對節點，計算其最短路徑上各中間節點的SX之和S1，以及次短路徑上各中間節點的SX之和S2，比較S1和S2，選取其中值較小的路徑作為該對節點間的最優路徑。
4、如權利要求3所述的方法，其特征在于，在所述步驟(c)中，
如果次短路徑被選為最優路徑，則更新節點間最短路徑和次短路徑上的相應節點信息。
5、如權利要求4所述的方法，其特征在于，多次執行上述步驟(a)至(c)。
6、如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述在利用現有最短路徑算法計算確定某條最短路徑為最優路徑后，根據路徑長度或負載因素增加該條被確定為最優的路徑的權值，其中所述現有的最短路徑算法為Dijkstra算法。
7、如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述增加該條被確定為最優的路徑的權值是指增大該條路徑長度。
全文摘要
本發明公開了一種通信網絡中基于負載平衡的最優路徑選擇方法，能夠平衡網絡間各節點負載，降低網絡阻塞率。所述方法包括在選擇最優路徑時，知道整個網絡拓撲的頂層網元管理器利用現有的最短路徑算法得到若干條短路徑，從中選擇一條負載小或路徑短的路徑作為最優路徑，或者在利用現有最短路徑算法計算確定某條最短路徑為最優路徑后，根據路徑長度或負載因素增加該條被確定為最優的路徑的權值，再根據此路徑權值計算其他節點間的最短路徑，得到的最短路徑作為最優路徑。
文檔編號H04L12/56GK101494590SQ20081000471
公開日2009年7月29日 申請日期2008年1月23日 優先權日2008年1月23日
發明者昊 徐 申請人:中興通訊股份有限公司