專利名稱：最短路徑樹與生成樹結合的節能路由方法
技術領域：
綠色網絡
背景技術：
綠色網絡是當今網絡研究的一個重要方向，互聯網的巨大能耗問題以及低效能量使用問題日益凸顯。為了更加有效的利用能源，減少能量浪費，利用鏈路休眠機制實現網絡節能的研究正在得到學術界和工業界越 來越多的關注。在一般Internet ServiceProvider(ISP)網絡中，為了應對流量巔峰和潛在鏈路故障，在網絡搭建和升級時期，網絡運營商通常會部署冗余鏈路和增大冗余鏈路帶寬，而實際日常網絡中大部分的時候網絡負載不高，導致鏈路平均利用率偏低，而路由器功耗相比全負荷運行狀態并無減小。這些因素都會造成網絡中的能量浪費問題。鏈路狀態路由協議是現在常用的域內路由協議，該協議的路由器計算的路徑為最短路徑，由于該協議設計之初并沒有考慮到能耗等因素，導致了 ISP網絡上鏈路的利用率低，大量的能量浪費的問題。本發明的目的在于改進傳統的標準鏈路狀態路由，采用生成樹(ST spanning tree)和最短路徑樹(SPT :shortest path tree)結合的節能機制,把流量聚集到盡可能少的鏈路上，其余鏈路進入空閑休眠狀態來達到節能。
發明內容
本發明的目的在于用兩種不同的路徑最短路徑和生成樹路徑構造一個新型的節能路狀態路由方法，把流量聚集到生成樹上，使得更多鏈路進入休眠狀態，實現節能目的的同時，提高平均鏈路利用率，減少能量浪費。本發明的特征在于1.網絡拓撲上依次按以下步驟實現步驟(I)，網絡拓撲初始化在標準鏈路狀態路由協議的基礎上，對其中各個路由器節點連接的每條鏈路上增加休眠狀態；步驟(2)，每個路由器節點周期性地檢測所有直連鏈路的負載情況，使用開放式最短路徑優先協議OSPF本身的鏈路狀態通告機制LSA把鏈路負載信息連同鏈路狀態信息一起洪泛到網絡拓撲上，使得所述網絡拓撲上的每個路由器節點均擁有完全相同的網絡拓撲信息和鏈路負載信息；步驟(3)，每個路由器節點根據從步驟⑵得到的結果計算自己到網絡拓撲上其他任一路由器節點的最短路徑和生成樹路徑，生成路由表，而且所有路由器節點的計算結果是一致的；步驟(4)，所述網絡拓撲上的每個路由器節點依據數據流經過的路徑上鏈路負載的情況，按目的地址為每一條數據流選擇一條合適的路徑，選擇相應路由表，并把選擇結果作為標簽添加到數據報文的頭部，再按“目的地址+標簽”進行轉發，根據標簽在路由表中決定路由下一跳；
步驟(5)，當下游路由器節點收到由上游路由器轉發的帶有標簽的報文后，根據標簽選擇下一跳，按“目的地址+標簽”的格式進行轉發；步驟￠)，核心路由器節點接收到一個報文后，檢查轉發端的鏈路，若轉發段端路正常，則按標簽正常轉發，若發現轉發端的鏈路正處于休眠狀態時，需要把該休眠鏈路喚醒，再將該數據報的標簽修改為生成樹的標簽進行轉發，直到到達目的路由器。2.根據權利要求1所述的最短路徑樹與生成樹結合的節能路由方法，其特征在于，在所述生成樹上再構造一個供實際采用的在線子圖，其上的每一個路由器節點都在所述生成樹的某一個鏈路上，還要包含最少的數目的邊，以防止單鏈路失效。
本發明所提出的方法的思路在于在標準鏈路狀態路由協議的基礎上，對路由器節點所連接的每條鏈路增加休眠狀態。在給定的網絡拓撲上制定一個連通子圖，連通子圖上的鏈路始終處于工作狀態，連通子圖外的其他節點如果持續一段時間沒有流量經過則進入休眠狀態。路由器通過在連通子圖上構建一棵生成樹，將流量匯集生成樹上，使得進入休眠的鏈路更多以達到節能的效果。本發明所提出的方法的優點在于1.采用分布式算法，每個入口路由器根據搜集到的鏈路負載信息獨立進行決策；2.能夠快速對網絡負載變化作出實時響應，流量在最短路徑樹和生成樹之間快速切換；3.在網絡節能效率和網絡負載彈性之間取得良好的平衡。
圖1.全局拓撲和生成樹/連通子圖，圖L I全局拓撲，圖1. 2生成樹/連通子圖(粗線部分)。圖2. “目的地址+標簽”轉發示意圖。圖3.標簽重置示意圖。圖4.路由協議流程圖，圖4.1路徑選擇流程圖，圖4. 2數據包轉發流程圖。
具體實施例方式如圖1.1所示，節能效率與網絡彈性矛盾的一個極端情況就是當所有鏈路均處于工作狀態，這時候網絡能耗最大，但同時也最可靠和富有彈性，能夠應對突發流量尖峰和鏈路故障。另一個極端情況見圖1. 2是在一個包含所有節點的連通子圖上的所有鏈路處于工作狀態，其他鏈路均處于休眠狀態。如果在線子圖取為一棵生成樹，則此時候網絡節能效率最高，但同時也是最脆弱的。一個考慮周全的節能路由協議應該不僅考慮節能效率，同時應該全面考慮網絡彈性和全局網絡性能。此外，因為鏈路狀態切換是基于實時流量需求，我們的節能路由協議需要能夠快速做出決策，并在全拓撲范圍內保持一致性。我們研究的節能路由協議主要思路是根據網絡實際流量負荷情況，在兩種極端情況之間實現盡可能平滑的切換。流量需求低的時候，盡量利用生成樹上的鏈路傳遞流量，使節能率最大化；流量需求增長的時候，逐漸地把流量從生成樹上搬移到全局拓撲上，喚醒必要的鏈路以保持網絡彈性和性能，直到所有流量都選取最短路，這時候協議自動收斂到OSPF的情形。我們研究的節能路由協議的關注點在于使得這樣的切換盡可能的平滑，使丟包率和亂序最小化，以至于對上層協議應用來說由于節能帶來的影響最小化。工作流程i)首先每個路由器周期性地檢測直連鏈路的負載情況，并將該鏈路負載信息連同鏈路狀態信息一起洪泛到全網絡，可以使用OSPF本身的LSA洪泛機制實現。ii)至此，拓撲上每一路由器均擁有完全相同的網絡拓撲信息和鏈路負載信息，通過拓撲信息，路由器可以計算出自己到網絡其他任一節點的最短路徑和生成樹路徑，而且由于使用的相同的拓撲，統一的算法，所以所有路由器計算路徑結果是保持一致性的，滿足 最優子結構特性。iii)然后，每個入口路由器依據數據流經過的路徑上鏈路負載狀況，為以其為入口的每一條流選擇合適的路徑，并將選擇結果作為標簽添加到數據報文頭部，然后根據“目的地址+標簽”進行轉發，見圖2。iv)當下游節點接收到上游轉發的帶標簽報文，直接根據“目的地址+標簽”進行轉發。v)當遇到轉發端口鏈路正處于休眠狀態時，為了保證流的連續性，在鏈路被喚醒期間，轉發節點會把數據包的標簽重置為沿生成樹的標簽再路徑轉發，鏈路喚醒后不再進行標簽重置，見圖3。為提高網絡拓撲的可靠性，實際采用的在線子圖應該是在生成樹的基礎上一定程度地增大冗余度，一種可行的方案是尋找這樣一個子圖使得每個節點都在某一個環上，同時包含最少數目的邊，這樣的在線子圖可以有效應對單鏈路失效的情況。我們在3個真實的拓撲上進行了實驗，發現生成樹和最短路徑樹結合的節能機制在鏈路利用率較低時可以節省209^50%的線卡消耗能量，說明本發明達到了預期的目的。
權利要求
1.最短路徑樹與生成樹結合的節能路由方法，其特征在于，網絡拓撲上依次按以下步驟實現 步驟(I)，網絡拓撲初始化在標準鏈路狀態路由協議的基礎上，對其中各個路由器節點連接的每條鏈路上增加休眠狀態； 步驟(2)，每個路由器節點周期性地檢測所有直連鏈路的負載情況，使用開放式最短路徑優先協議OSPF本身的鏈路狀態通告機制LSA把鏈路負載信息連同鏈路狀態信息一起洪泛到網絡拓撲上，使得所述網絡拓撲上的每個路由器節點均擁有完全相同的網絡拓撲信息和鏈路負載信息； 步驟(3)，每個路由器節點根據從步驟(2)得到的結果計算自己到網絡拓撲上其他任一路由器節點的最短路徑和生成樹路徑，生成路由表，而且所有路由器節點的計算結果是一致的； 步驟(4)，所述網絡拓撲上的每個路由器節點依據數據流經過的路徑上鏈路負載的情況，按目的地址為每一條數據流選擇一條合適的路徑，選擇相應路由表，并把選擇結果作為標簽添加到數據報文的頭部，再按“目的地址+標簽”進行轉發，根據標簽在路由表中決定路由下一跳； 步驟(5)，當下游路由器節點收到由上游路由器轉發的帶有標簽的報文后，根據標簽選擇下一跳，按“目的地址+標簽”的格式進行轉發； 步驟(6)，核心路由器節點接收到一個報文后，檢查轉發端的鏈路，若轉發段端路正常，則按標簽正常轉發，若發現轉發端的鏈路正處于休眠狀態時，需要把該休眠鏈路喚醒，再將該數據報的標簽修改為生成樹的標簽進行轉發，直到到達目的路由器。
2.根據權利要求1所述的最短路徑樹與生成樹結合的節能路由方法，其特征在于，在所述生成樹上再構造一個供實際采用的在線子圖，其上的每一個路由器節點都在所述生成樹的某一個鏈路上，還要包含最少的數目的邊，以防止單鏈路失效。
全文摘要
最短路徑樹和生成樹結合的路由方法屬于網絡拓撲中的技術領域，其特征在于,在標準鏈路狀態路由協議的基礎上，網絡中路由器節點所連接的每條鏈路增加休眠狀態，在給定的網絡拓撲上選定一棵共享的生成樹，其上的鏈路始終處于工作狀態以確保網絡連通，其他不在生成樹上的鏈路若沒有流量經過則進入休眠狀態，每個路由器保存全網路徑的最短路徑路由表和對應生成樹的路由表，對于一個數據包，入口路由器根據當前鏈路負載決定數據包采用其中一種路徑，并增加標簽標識，非入口路由器根據標簽選擇相應路由表進行轉發。
文檔編號H04L12/751GK103023781SQ20121053993
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月13日 優先權日2012年12月13日
發明者李丹, 余逸榮 申請人:清華大學