專利名稱：一種基于Steiner的QoS約束的多播路由的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于Steiner的QoS約束的多播路由方法(SMRQoS)，屬于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通信技術(shù)，多媒體應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著各種網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用的開展，如網(wǎng)絡(luò)視頻會議、網(wǎng)絡(luò)多媒體教學(xué)、交互式仿真、網(wǎng)絡(luò)游戲等，它們的共同特點都是一對多或者多對多的數(shù)據(jù)傳輸，并且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量普遍較大。此時，若采用傳統(tǒng)的點到點單播通信方式，將嚴(yán)重降低網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，甚至造成網(wǎng)絡(luò)的堵塞。多播正是針對該問題提出來的一種面向一對多，多對多的高效的數(shù)據(jù)傳輸方式。
對于多播路由而言，數(shù)據(jù)信息從單個或多個源點發(fā)向多個目的點，根據(jù)路由協(xié)議所選擇的路徑發(fā)送，因此，尋找簡單、高效、健壯的多播路由算法是眾多學(xué)者研究的熱點。目前，進(jìn)行多播通信最有效的一種方式是構(gòu)造多播樹，這種方式將參加一個多播組通信的節(jié)點按照生成樹算法構(gòu)造成一棵生成樹，所以多播路由問題也可以看成如何建立生成多播樹的問題。
網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展要求當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)既能傳送常規(guī)的“盡力傳輸(best-effort)”服務(wù)(如mail，ftp等)，也能傳送有一定服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)要求的實時多媒體業(yè)務(wù)。簡單地說，基于QoS約束的多播路由是通過發(fā)現(xiàn)具有某種相關(guān)性能約束的最佳多播樹，來更好地利用網(wǎng)絡(luò)資源以支持應(yīng)用的QoS需求。在大多數(shù)QoS服務(wù)模型中，都把延遲、延遲抖動、丟包率和帶寬作為重要的評價指標(biāo)。
通常的QoS約束多播路由問題有以下幾類帶寬約束多播路由、時延約束多播路由、時延一時延約束多播路由、節(jié)點度數(shù)約束的多播路由問題。它們的目標(biāo)通常是要求多播樹的費(fèi)用最小，因此稱它們?yōu)镼oS約束的Steiner樹問題，這樣的問題通常也是NP完全問題，需要尋求可實用的啟發(fā)式算法。目前典型的時延約束Steiner樹啟發(fā)式算法有KPP算法、BSMA算法、CDKS算法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種將延時和代價綜合加以考慮，對每次加入的最短路徑要求延時約束的一種基于Steiner的QoS約束的多播路由方法(SMRQoS)。MPH(Minimum cost Paths Heruistic)算法是一種典型的無約束Steiner樹啟發(fā)式算法，它所求得的多播樹的總費(fèi)用較優(yōu)。其基本思想是每次把離多播樹代價最小的信宿節(jié)點加入到多播樹中，最終得到準(zhǔn)Steiner樹MPH。
本發(fā)明的技術(shù)方案本發(fā)明的基于Steiner的QoS約束的多播路由方法在NS2平臺下實現(xiàn)，包括單播路由和多播路由，其特征在于采用基于時延約束的方法構(gòu)建共享多播樹，具體如下(1)根據(jù)delay(P(s,t))=Σe∈P(s,t)delay(e)+Σn∈P(s,t)delay(n)≤D]]>求最小時延的路徑樹，若時延不符合約束條件，則與目的節(jié)點協(xié)商約束邊界；式中T(s，M)代表多播樹，其中，M{V-{s}，代表節(jié)點集，s是源節(jié)點；P(s，t)表示從源節(jié)點s到目的節(jié)點t的路徑；函數(shù)delay(e)表示鏈路e上的時延，其中e∈E，E代表鏈路集；函數(shù)delay(n)代表節(jié)點的時延，n∈V代表任意節(jié)點；D代表時延約束值；(2)根據(jù)cost(T(s,M))=Σe∈T(s,M)cost(e)+Σn∈T(s,M)cost(n)]]>求費(fèi)用最小路徑樹，將時延不符合要求的節(jié)點剪除，符合的加入到集合H中；(3)對V屬于H，求樹T中所有節(jié)點的最小時延路徑和最小費(fèi)用路徑集合M；(4)從集合M中找出時延小于時延約束邊界的費(fèi)用最小路徑P；(5)去除環(huán)路；(6)計算H＝H-{v}，T＝T+{p}，VT＝{路徑p上所有節(jié)點}；(7)重復(fù)(3)計算，直到H＝Φ，Φ為空。
本發(fā)明的優(yōu)點經(jīng)仿真結(jié)果分析，從樹費(fèi)用來看，它性能優(yōu)于CDKS算法，從端到端的最大時延和算法復(fù)雜度來看，比KPP與BSMA算法都占優(yōu)勢，可以得出結(jié)論，本發(fā)明的算法是一種時延約束的，具有較低時間復(fù)雜度且樹費(fèi)用適中，并且具有較好擴(kuò)展性的一種Steiner樹算法。


圖1是基于時延約束的共享多播樹構(gòu)建的流程圖。
具體實施例方式
算法數(shù)學(xué)模型描述如下一個網(wǎng)絡(luò)可表示為一個加權(quán)圖G(V，E)中，其中V表示節(jié)點集，E表示連接節(jié)點的通信鏈路集，|V|和|E|分別表示網(wǎng)絡(luò)中連接節(jié)點的通信鏈路集。設(shè)P(s，t)表示從源節(jié)點s到目的節(jié)點t的路徑，T(s，M)表示多播樹，其中，M{V-{s}表示多播樹的端節(jié)點或葉節(jié)點集，函數(shù)delay(e)，cost(e)分別表示鏈路e上的時延和代價，其中e∈E，E代表鏈路集；。
假定多播樹最大時延約束為D，對于給定的一個多播請求R，則基于時延約束的共享多播樹算法就是在圖G中尋找一棵多播樹T，滿足時延約束delay(P(s,t))=Σe∈P(s,t)delay(e)+Σn∈P(s,t)delay(n)≤D,n∈V;]]>假定滿足上述條件的多播樹的集合T，則我們要尋找的多播樹T的代價cost(T(s,M))=Σe∈T(s,M)cost(e)+Σn∈T(s,M)cost(n)]]>最小值。
函數(shù)delay(n)代表節(jié)點的時延，n∈V代表任意節(jié)點；D代表時延約束值；算法思想選擇還沒有加入多播樹的節(jié)點，用Dijkstra算法求出每個節(jié)點的時延集合以及代價集合，選擇離多播樹時延值最小的鏈路，把它加入多播樹，并除去可能存在的環(huán)路。
如圖1，基于時延約束的共享多播樹的具體構(gòu)建方法如下(1)根據(jù)delay(P(s,t))=Σe∈P(s,t)delay(e)+Σn∈P(s,t)delay(n)≤D,n∈V]]>求最小時延的路徑樹，若時延不符合約束條件，則不存在這樣的樹，需要與目的節(jié)點協(xié)商約束邊界；(2)根據(jù)cost(T(s,M))=Σe∈T(s,M)cost(e)+Σn∈T(s,M)cost(n)]]>求費(fèi)用最小路徑樹，將時延不符合要求的節(jié)點剪除，符合的加入到集合H中；(3)對v屬于H，求到樹T中所有節(jié)點的最小時延路徑和最小費(fèi)用路徑集合M；(4)從集合M中找出時延小于時延約束邊界的費(fèi)用最小路徑P；(5)去除環(huán)路；(6)計算H＝H-{v}，T＝T+{p}，VT＝{路徑p上所有節(jié)點}；(7)重復(fù)計算(3)，直到H＝Φ，Φ為空。
使用網(wǎng)絡(luò)仿真平臺NS2進(jìn)行算法的仿真。在NS2平臺上實現(xiàn)一個仿真協(xié)議DelayAgent，該協(xié)議功能是讓路由器獲得QoS指標(biāo)中的時間延遲參數(shù)。
協(xié)議仿真的實現(xiàn)有幾個步驟，主要包括建立新協(xié)議類，然后再讓NS識別新協(xié)議，最后編譯，實現(xiàn)仿真。
(1)首先定義頭文件hdr_delay，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和決定新代理的繼承結(jié)構(gòu)，并建立DelayAgent的類定義。
(2)定義c++代碼和OTcl代碼之間的接口連接模塊，包括DelayPacketClass和DelayClass。
(3)實現(xiàn)DelayAgent類的接收函數(shù)recv()和Tcl命令觸發(fā)函數(shù)command()以及必須的時鐘參量。
(4)改動NS2目錄下packet.h文件的enum packets{}和class p)info{}相應(yīng)部分；改動tcl/lib/ns-1ib.tcl文件。
(5)定義Tcl對象的缺省值；改動tcl/lib/ns-packet.tcl文件，在該文件中為新的分組增加一個入口。
(6)改動Malefile文件，將*.0文件加入到該文件NS2對象文件列表中。
(7)在NS2目錄下運(yùn)行Make Depend和Make，重新編譯NS2。
(8)編號Otcl腳本，運(yùn)行新協(xié)議。
算法執(zhí)行過程的部分偽代碼描述如下設(shè)path＝(u＝v1，v2，...，vi＝v)//檢測回路并消除它for w＝v2to vido{If indegree(w)＝1//存在回路{//得到w在路由樹上的直接上游結(jié)點xx＝get_upnode(w)//刪除鏈路(x，w)delete(x，w))//x是非成員的葉結(jié)點WHILE(x∈V-M AND outdegree(x)＝0){//得到x在路由樹上的直接上游結(jié)點zz＝get_upnode(x)x＝z}//得到w在樹上的所有下游結(jié)點y＝get_downnode(w)//修改所有w的下游結(jié)點的到源結(jié)點的時延update_delay(y))
}//將路徑Path加入到多播樹，并修改相應(yīng)的變量For k＝2 to i do{VT＝VTU{Vk}ET＝ETU{(Vk-i，Vk)}Indegree(Vk)＝1delay(Vk)＝delay(Vk-1)+D(Vk-1，Vk)outdegree(vk-1)＝outdegree(vk-1)+1}最后進(jìn)行了仿真模擬證明了其有效性。
權(quán)利要求
1.一種基于Steiner的QoS約束的多播路由方法，在NS2平臺下實現(xiàn)，包括單播路由和多播路由，其特征在于采用基于時延約束的方法構(gòu)建共享多播樹，具體方法如下(1)根據(jù)delay(P(s,t))=Σe∈P(s,t)delay(e)+Σn∈P(s,t)delay(n)≤D]]>求最小時延的路徑樹，若時延不符合約束條件，則與目的節(jié)點協(xié)商約束邊界；式中T(s，M)代表多播樹，其中，M{V-{s}，代表節(jié)點集，s是源節(jié)點；P(s，t)表示從源節(jié)點s到目的節(jié)點t的路徑；函數(shù)delay(e)表示鏈路e上的時延，其中e∈E，E代表鏈路集；函數(shù)delay(n)代表節(jié)點的時延，n∈V代表任意節(jié)點；D代表時延約束值；(2)根據(jù)cost(T(s,M))=Σe∈T(s,M)cost(e)+Σn∈T(s,M)cost(n)]]>求費(fèi)用最小路徑樹，將時延不符合要求的節(jié)點剪除，符合的加入到集合H中；(3)對V屬于H，求樹T中所有節(jié)點的最小時延路徑和最小費(fèi)用路徑集合M；(4)從集合M中找出時延小于時延約束邊界的費(fèi)用最小路徑P；(5)去除環(huán)路；(6)計算H＝H-{v}，T＝T+{p}，VT＝{路徑p上所有節(jié)點}；(7)重復(fù)(3)計算，直到H＝Φ，Φ為空。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于Steiner的QoS約束的多播路由方法，在NS2平臺下實現(xiàn)，包括單播路由和多播路由，采用基于時延約束的方法構(gòu)建共享多播樹，具體如下(1)根據(jù)
文檔編號H04L12/56GK1731762SQ20051001924
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月5日
發(fā)明者李臘元, 李春林, 許毅, 章昱 申請人:武漢理工大學(xué)