一种时延容忍网络最小代价备份路径方法与流程

本发明属于通信技术领域，涉及一种时延容忍网络备份路径方法，具体涉及一种时延容忍网络最小代价备份路径方法。

背景技术：

在移动自组织网络、无线传感器网络、星际网络等网络中，会经常出现网络断开的现象，导致端到端的路径难以建立，这类网络被称为时延容忍网络。

在时延容忍网络中，数据需要进行多跳传输，即数据包由源节点发送，通过中间节点转发到目的节点。该路径的某一链路或节点发生故障时，可以进行本地路由修复或者重新寻找路由，这将导致路由收敛慢，还可能在路由收敛过程中出现丢包，无法实现数据的可靠传输。

当链路或节点发生故障时，为了可以快速的找到替代路由，目前大多做法是在每对源节点到目的节点间维护两条路径，一条为主路径，另一条为备份路径。当主路径的某一链路或节点发生故障，导致主路径中断时，可以快速切换到备份路径，减少路由收敛时间，提高数据传输的可靠性。

现阶段选择备份路径的方法是在选定主路径后，再选择一条与主路径没有相交链路或相交节点的路径作为备份路径，但某些关键链路或节点会同时出现在多条路径中，导致源、目的节点间根本找不到备份路径，无法实现数据的可靠传输，所以在网络中不能完全找到节点不相交或链路不相交的两条路径，只能尽可能地降低关键链路或节点的重复率。因此，如何保证源、目的节点间存在备份路径，并且主路径和备份路径间拥有最少的重复链路，以提高数据传输的可靠性，是本领域的研究热点。

为了提高数据传输的可靠性，例如，申请公布号为cn108600096a，名称为“一种基于快速重路由的域内节能路由方法”的专利申请，公开了一种基于快速重路由的域内节能路由方法。该方法将网络中的所有链路存储在链表l中，从链表l中取出任意一条链路，向该链路加入至少一个网络中的节点，形成链路的一条备份路径，若备份路径中不包含该链路，则将备份路径放入链表lc中，统计lc中每条链路出现的次数，按照次数进行升序排序，并放在链表m中，然后遍历链表m，关闭次数最低的链路，但其对应的备份路径中的链路不能关闭，直至遍历到最后一条链路为止。该方法为每一链路准备了一条备份路径，保证了当该链路出现故障时，可以通过备份路径继续为网络提供服务的能力，但该方法为了节能关闭了出现次数低的链路，相当于关闭了一些链路的备份路径，降低了整个网络数据传输的可靠性；并且该方法是对每一链路逐一备份的，在选取备份路径时，该备份路径不一定是全局最优的路径。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种时延容忍网络最小代价备份路径方法，用于解决现有技术中存在的数据传输可靠性较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)构建时延容忍网络拓扑结构的快照图g：

(1a)根据时延容忍网络拓扑结构中每条链路的通断信息，以每次链路断开的时刻作为时间节点，将时间范围0～t划分为k个连续时间段t1，t2，…，ti，…，tk，使得网络拓扑在各时段内保持不变，其中，ti表示第i个时间段，1≤i≤k；

(1b)根据各时段网络拓扑中每条链路的通断信息，构建时延容忍网络拓扑结构的快照图g(t)＝{g¹,g²,...,gⁱ,...,g^k}，其中，gⁱ表示ti对应的快照子图，gⁱ＝{nⁱ,eⁱ,cⁱ}，nⁱ表示节点集合，表示ti时段内第α个节点，α≥3，eⁱ表示链路集合，表示ti时段内第r条链路，r≥3，cⁱ表示链路代价集合，表示ti时段内标注在上的代价；

(2)搜索每个快照子图gⁱ中源节点sⁱ到目的节点dⁱ间的最小代价主路径：

(2a)根据业务传输需求，设nⁱ中的源节点为sⁱ、目的节点为dⁱ，sⁱ∈nⁱ，dⁱ∈nⁱ；

(2b)采用dijkstra算法，根据每个快照子图gⁱ，以代价最小为优化目标，计算源节点sⁱ到目的节点dⁱ间的最短路径，并将该最短路径作为ti时段内源节点sⁱ与目的节点dⁱ间的最小代价主路径；

(3)对每个快照子图gⁱ中的链路代价进行更新：

(3a)利用深度优先搜索方法，在每个快照子图gⁱ中搜索源节点sⁱ与目的节点dⁱ间的最大代价无环路径，将路径代价值作为代价惩罚值pⁱ；

(3b)将快照子图gⁱ中主路径经过的放入链表mⁱ内，并遍历快照子图gⁱ中的eⁱ，将与链表mⁱ中的元素进行逐一比对；

(3c)判断链表mⁱ中的元素是否包含若是，则包含在主路径中，并更新上的代价否则，不包含在主路径中，上的代价保持不变，得到更新后的快照子图g^i′；

(4)搜索每个快照子图g^i′中源节点sⁱ到目的节点dⁱ间的最小代价备份路径：

采用dijkstra算法，根据每个更新后的快照子图g^i′，以代价最小为优化目标，计算源节点sⁱ到目的节点dⁱ间的最短路径，并将该最短路径作为ti时段内源节点sⁱ到目的节点dⁱ间的最小代价备份路径。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1.本发明以代价最小为优化目标，利用dijkstra算法计算出源节点到目的节点间两条最短路径，并且对主路径包含的各链路增加代价惩罚值，使两条路径间有最少的重复链路，克服了找不到备份路径，或主路径与备份路径间有过多重复链路的问题，与现有技术相比，有效提高了数据传输的可靠性。

2.本发明通过链路代价来表征使用每条链路所需要付出的代价，以代价最小为优化目标，克服了盲目选择备份路径，而未考虑该路径是否为最佳路径的问题，与现有技术相比，本发明选出的备份路径一定是除主路径外，全局最优的路径。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明实施例中使用的时延容忍网络快照图；

图3是本发明实施例中初始化链路代价后的快照图；

图4是本发明实施例中链路代价更新后的快照图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：

参照图1，本发明包括如下步骤：

步骤1)构建时延容忍网络拓扑结构的快照图g：

步骤1a)根据时延容忍网络拓扑结构中每条链路的通断信息，以每次链路断开的时刻作为时间节点，将时间范围0～t划分为k个连续时间段t1，t2，…，ti，…，tk，使得网络拓扑在各时段内保持不变，其中，ti表示第i个时间段，1≤i≤k；

在本实施例中，将0～t划分为3个连续时间段t1、t2、t3。

步骤1b)根据各时段网络拓扑中每条链路的通断信息，构建时延容忍网络拓扑结构的快照图g(t)＝{g¹,g²,...,gⁱ,...,g^k}，其中，gⁱ表示ti对应的快照子图，gⁱ＝{nⁱ,eⁱ,cⁱ}，nⁱ表示节点集合，表示ti时段内第α个节点，α≥3，eⁱ表示链路集合，表示ti时段内第r条链路，r≥3，cⁱ表示链路代价集合，表示ti时段内标注在上的代价；

本实施例中，构造了如图2所示的快照图g(t)＝{g¹,g²,g³}，在快照子图g¹中，节点集合n¹＝{a¹,b¹,d¹,f¹,h¹,i¹}，链路集合链路代价集合在快照子图g²中，节点集合n²＝{a²,b²,d²,f²,h²,i²}，链路集合链路代价集合在快照子图g³中，节点集合n³＝{a³,b³,d³,h³,i³}，链路集合链路代价集合设每个快照子图的链路代价都为1，如图3所示。

步骤2)搜索每个快照子图gⁱ中源节点sⁱ到目的节点dⁱ间的最小代价主路径：

(2a)根据业务传输需求，设nⁱ中的源节点为sⁱ、目的节点为dⁱ，sⁱ∈nⁱ，dⁱ∈nⁱ；

本实施例中，选取节点集合nⁱ中的aⁱ为源节点，iⁱ为目的节点，表明在各时段为同一源、目的节点计算最小代价主路经和最小代价备份路径，其中i＝1,2,3。

(2b)采用dijkstra算法，根据每个快照子图gⁱ，以代价最小为优化目标，计算源节点sⁱ到目的节点dⁱ间的最短路径，并将该最短路径作为ti时段内源节点sⁱ与目的节点dⁱ间的最小代价主路径，即源节点sⁱ与目的节点dⁱ间的工作路径；

在本实施例中，分别计算三个快照子图中源节点aⁱ到目的节点iⁱ间的最短路径：

在如图3(a)所示的快照子图g¹中，源节点a¹到目的节点i¹间的最短路径为a¹-b¹-d¹-i¹、a¹-f¹-d¹-i¹和a¹-f¹-h¹-i¹，在其中随机选择一条路径作为主路径，本实施例中选择a¹-f¹-d¹-i¹为主路径；

在如图3(b)所示的快照子图g²中，源节点a²到目的节点i²间的最短路径为a²-b²-d²-i²、a²-b²-h²-i²和a²-f²-h²-i²，在其中随机选择一条路径作为主路径，本实施例中选择a²-b²-d²-i²为主路径；

在如图3(c)所示的快照子图g³中，源节点a³到目的节点i³间的最短路径为a³-b³-d³-i³、和a³-b³-h³-i³，在其中随机选择一条路径作为主路径，本实施例中选择a³-b³-d³-i³为主路径。

步骤3)对每个快照子图gⁱ中的链路代价进行更新：

步骤3a)利用深度优先搜索方法，在每个快照子图gⁱ中搜索源节点sⁱ与目的节点dⁱ间的最大代价无环路径，将路径代价值作为代价惩罚值pⁱ；

步骤3a1)以源节点sⁱ作为起始节点，目的节点dⁱ作为终止节点，从sⁱ出发，先访问sⁱ的第一个邻接点，然后访问第一个邻接点的第一个邻接点，直至访问到dⁱ为止，并将访问过的节点放入链表内，然后返回到sⁱ重新出发，对没有访问过的节点进行访问，直到所有的节点都被访问到，并将每轮访问过程中访问的节点依次放入链表内，其中，是指在ti时段内第m轮访问过程中存放节点的链表；

在本实施例中，对于快照子图g¹，将每轮访问过程中访问的节点依次放入链表中，则为a¹-＞b¹-＞d¹-＞i¹，为a¹-＞b¹-＞d¹-＞f¹-＞h¹-＞i¹，为a¹-＞f¹-＞d¹-＞i¹为a¹-＞f¹-＞h¹-＞i¹；

对于快照子图g²，将每轮访问过程中访问的节点依次放入链表中，则为a²-＞b²-＞d²-＞i²，为a²-＞b²-＞h²-＞i²，为a²-＞f²-＞h²-＞i²，为a²-＞f²-＞h²-＞b²-＞d²-＞i²；

对于快照子图g³，将每轮访问过程中访问的节点依次放入链表中，则为a³-＞b³-＞d³-＞i³，为a³-＞b³-＞h³-＞i³。

步骤3a2)每个链表都代表一条无环路径，分别计算每条路径经过链路的链路代价之和，将链路代价之和作为每条路径的代价值，则链路代价之和最大的路径为最大代价无环路径；

本实施例，快照子图g¹中共有4条无环路径，分别为a¹-b¹-d¹-i¹、a¹-b¹-d¹-f¹-h¹-i¹、a¹-f¹-d¹-i¹和a¹-f¹-h¹-i¹，每条路径经过链路的链路代价之和分别为3、5、3、3，即每条路径的代价值分别为3、5、3、3，所以最大代价无环路径为a¹-b¹-d¹-f¹-h¹-i¹；

快照子图g²中共有4条无环路径，分别为a²-b²-d²-i²、a²-b²-h²-i²、a²-f²-h²-i²和a²-f²-h²-b²-d²-i²，每条路径经过链路的链路代价之和分别为3、3、3、5，即每条路径的代价值分别为3、3、3、5，所以最大代价无环路径为a²-f²-h²-b²-d²-i²；

快照子图g³中共有4条无环路径，分别为a³-b³-d³-i³和a³-b³-h³-i³，每条路径经过链路的链路代价之和分别为3、3，即每条路径的代价值分别为3、3，两个链表长度相同，所以最大代价无环路径为a³-b³-d³-i³或a³-b³-h³-i³。

步骤3a3)将每个快照子图gⁱ中最大代价无环路径的路径代价值作为代价惩罚值pⁱ；

在本实施例的快照子图g¹中，最大代价无环路径为a¹-b¹-d¹-f¹-h¹-i¹，该路径代价值为5，即代价惩罚值p¹为5；在快照子图g²中，最大代价无环路径为a²-f²-h²-b²-d²-i²，该路径代价值为5，即代价惩罚值p²为5；在快照子图g³中，最大代价无环路径为a³-b³-d³-i³或a³-b³-h³-i³，路径代价值均为3，即代价惩罚值p³为3。

步骤3b)将快照子图gⁱ中主路径经过的放入链表mⁱ内，并遍历快照子图gⁱ中的eⁱ，将与链表mⁱ中的元素进行逐一比对；

本实施例中，对于快照子图g¹，主路经为a¹-＞f¹-＞d¹-＞i¹，则链表m¹为对于快照子图g²，主路经为a²-b²-d²-i²，则链表m²为对于快照子图g³，主路经为a³-b³-d³-i³，则链表m³为

步骤3c)判断链表mⁱ中的元素是否包含若是，则包含在主路径中，并更新上的代价否则，不包含在主路径中，上的代价保持不变，得到更新后的快照子图g^i′；

对主路径包含的各链路增加代价惩罚值，是为了尽量避免在备份路径构建时对已选链路进行重复选择，主路径与备份路径有过多的重复链路，会降低数据传输的可靠性；

本实施例中，链表m¹包含则链路上的代价更新为6，其余链路上的代价保持1不变，如图4(a)所示；链表m²包含则链路上的代价更新为6，其余链路上的代价保持1不变，如图4(b)所示；链表m³包含则链路上的代价更新为4，其余链路上的代价保持1不变，如图4(c)所示。

步骤4)搜索每个快照子图g^i′中源节点sⁱ到目的节点dⁱ间的最小代价备份路径：

采用dijkstra算法，根据每个更新后的快照子图g^i′，以代价最小为优化目标，计算源节点sⁱ到目的节点dⁱ间的最短路径，并将该最短路径作为ti时段内源节点sⁱ到目的节点dⁱ间的最小代价备份路径；

当主路径上的链路发生故障时，可快速切换到备份路径，同样，以代价最小为优化目标，选择备份路径，克服了现有技术中盲目选择备份路径的问题；

在更新后的快照子图g¹′中，源节点a¹到目的节点i¹间的最短路径为a¹-b¹-d¹-i¹和a¹-f¹-h¹-i¹，在其中随机选择一条路径作为备份路径即可；

在更新后快照子图g²中，源节点a²到目的节点i²间的最短路径为a²-f²-h²-i²，则选择a²-f²-h²-i²作为备份路径；

在更新后快照子图g³中，源节点a³到目的节点i³间的最短路径为a³-b³-h³-i³，则选择a³-b³-h³-i³作为备份路径。