面向负载均衡的IP网络弹性路由层优化方法技术

本发明专利技术公开了一种面向负载均衡的IP网络弹性路由层优化方法，用于解决现有IP网络快速重路由方法链路传输效率低的技术问题。技术方案是首先建立层次化RRL技术体系，其次将RRL生成过程以矩阵的形式表示，建立了一种避免拥塞发生的IP网络RRL结构优化模型，优化目标为最小化平均最短重路由路径和最大链路利用率的加权和，在避免拥塞发生的条件下联合考虑最短重路由路径问题和负载均衡问题，最后采用单亲遗传算法对建立的RRL结构优化模型进行求解，得到了既考虑负载均衡又考虑链路传输效率的RRL优化结果，实现了受损路径的有效快速修复，并克服了MRC快速重路由算法存在的复杂度高、修改拓扑信息等技术问题。

【技术实现步骤摘要】
面向负载均衡的IP网络弹性路由层优化方法
本专利技术涉及一种IP网络弹性路由层优化方法，特别涉及一种面向负载均衡的IP网络弹性路由层优化方法。
技术介绍
文献“KvalbeinA,CicicT,GjessingS.Post-failureroutingperformancewithmultipleroutingconfigurations.”公开了一种IP网络快速重路由方法，即MRC（MultipleRoutingConfigurations）快速重路由方法。该方法采取优化原拓扑权重、创建备份拓扑、优化备份拓扑权重3步实现备份拓扑的生成及负载均衡，当网络发生故障时，直接将受影响的流量转换到备份拓扑中进行传输，实现流量的快速无中断转发。但是，MRC快速重路由算法尚存在以下问题：（1）计算复杂度高。MRC快速重路由算法采用步骤式思路实现备份拓扑的生成及负载均衡，在第1步和第3步均需要采用启发式搜索算法来实现，且第3步中每一个备份拓扑均要采用启发式搜索算法得到新的链路权重，占用计算资源多，步骤复杂。（2）未考虑传输效率问题。MRC生成算法在整个过程中以提高网络的负载均衡度为目的，负载均衡度相对较高，但没有考虑重路由路径是否为最佳路径。当网络流量较少或中等水平时，拥塞发生的概率相对较小，在此情况下，MRC生成算法以负载均衡为唯一标准则会牺牲流量的传输效率，因此该算法仅适用于网络流量繁忙时应用。（3）修改网络拓扑信息。MRC生成算法通过调节链路权重来实现负载均衡，降低了原来链路权重所包含的传输代价、路径长短等信息的比重，且对原拓扑权重的修改不可控，很可能会造成因过多修改权重而导致其他代价增加。
技术实现思路
为了克服现有IP网络快速重路由方法链路传输效率低的不足，本专利技术提供一种面向负载均衡的IP网络弹性路由层优化方法。该方法首先建立层次化RRL技术体系，作为后续优化算法的框架基础，其次将RRL生成过程以矩阵的形式表示，给出了全拓扑矩阵和各弹性路由子层矩阵之间的约束关系，基于此建立了一种避免拥塞发生的IP网络RRL结构优化模型，优化目标为最小化平均最短重路由路径和最大链路利用率的加权和，在避免拥塞发生的条件下联合考虑最短重路由路径问题和负载均衡问题，最后采用单亲遗传算法对建立的RRL结构优化模型进行求解，经过初始编码、适应度计算、单亲繁殖、淘汰个体、竞争选择以及结束判断后，得到了既考虑负载均衡又考虑链路传输效率的RRL优化结果，实现了受损路径的有效快速修复，并克服了MRC快速重路由算法存在的复杂度高、修改拓扑信息等技术问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案：一种面向负载均衡的IP网络弹性路由层优化方法，其特点是包括以下步骤：步骤一、建立层次化RRL技术体系，最底层为RRL技术平台；第二层为路由子层生成算法，用于得到确定的路由子层分配方案；第三层为转发流量的分发方式；第四层为RRL的应用模式；步骤二、RRL定义的矩阵表示。网络IP层拓扑是由节点和链路构成的无向图，记为G(V,E)，其中，V表示顶点的集合，E表示边的集合。若图的顶点个数为n，则表示为一个n×n的矩阵，用D=(dij)n×n表示，其中式中，(i,j)表示连接顶点i和j的一条边。对于带权值的图式中，w(i,j)表示链路(i,j)的权值，矩阵D沿主对角线对称。定义1：若拓扑矩阵DF与D1、D2、…、Dl满足如下关系，且满足矩阵中的元素全部为非零或非∞元素，该条件表示各拓扑子层必须是连通的，n为矩阵的阶数，则矩阵D1、D2、…、Dl所表示的网络拓扑组合为矩阵DF所表示的网络拓扑生成的一组RRL。其中，l为拓扑子层的层数。定义2：最短路径矩阵P=(pij)n×n表示一个n阶图中各顶点间的最短路径，对于无权图，元素pij为顶点i与顶点j之间的最少边数，对于有权图，元素pij为顶点i与顶点j之间最短通路的权值和。步骤三、面向负载均衡的IP网络RRL优化问题描述。（1）给定已知常量。a.网络拓扑信息，包括：节点数n=|V|，链路数|E|，拓扑矩阵b.流量需求矩阵DT。c.链路容量矩阵C。d.故障状态集合F，无故障状态表示为f0，第e个链路故障表示为fe。e.平均最短重路由路径及负载均衡调节权重ωsp、ωlb。f.链路重要度权重表示网络中第e个链路的重要度。由已知常量，根据Dijkstra算法计算得到以下量，将用于目标函数的计算中：a.变量正常状态f0时，链路(i,j)承载节点I到节点J的流量，则否则(i,j)∈E，I、J∈V。b.变量从节点I到节点J的无故障传输路径上，若包含故障状态fe的故障链路，则从节点I到故障链路上游节点Ie的路径上，链路(i,j)包含其中，则否则，c.变量从节点I到节点J的无故障传输路径上，若包含故障状态fe的故障链路，该故障链路下游节点Je到节点J的路径上，链路(i,j)包含其中，则否则，（2）给定决策变量。a.拓扑子层层数l。b.拓扑子层矩阵Dk(Fp)，1≤k≤l，Fp表示该拓扑子层保护的故障状态集合。c.变量故障状态fe时，在保护该故障状态的弹性路由拓扑子层上，链路(i,j)承载节点I到节点J的重路由流量，则否则由决策变量得到：d.故障状态为fe时，平均重路由路径增加值为其中，函数pgt定义如下e.故障状态为fe时，最大链路利用率为（3）建立面向负载均衡的RRL生成优化模型优化问题描述如下：s.t.2≤l≤ξ·|E|，0≤ξ≤1(8)...

【技术保护点】
一种面向负载均衡的IP网络弹性路由层优化方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、建立层次化RRL技术体系，最底层为RRL技术平台；第二层为路由子层生成算法，用于得到确定的路由子层分配方案；第三层为转发流量的分发方式；第四层为RRL的应用模式；步骤二、RRL定义的矩阵表示；网络IP层拓扑是由节点和链路构成的无向图，记为G(V,E)，其中，V表示顶点的集合，E表示边的集合；若图的顶点个数为n，则表示为一个n×n的矩阵，用D=(dij)n×n表示，其中式中，(i,j)表示连接顶点i和j的一条边；对于带权值的图式中，w(i,j)表示链路(i,j)的权值，矩阵D沿主对角线对称；定义1：若拓扑矩阵DF与D1、D2、…、Dl满足如下关系，DF=1l-1Σk=1lDk---(3)且满足矩阵中的元素全部为非零或非∞元素，该条件表示各拓扑子层必须是连通的，n为矩阵的阶数，则矩阵D1、D2、…、Dl所表示的网络拓扑组合为矩阵DF所表示的网络拓扑生成的一组RRL；其中，l为拓扑子层的层数；定义2：最短路径矩阵P=(pij)n×n表示一个n阶图中各顶点间的最短路径，对于无权图，元素pij为顶点i与顶点j之间的最少边数，对于有权图，元素pij为顶点i与顶点j之间最短通路的权值和；步骤三、面向负载均衡的IP网络RRL优化问题描述；（1）给定已知常量；a.网络拓扑信息，包括：节点数n=|V|，链路数|E|，拓扑矩阵b.流量需求矩阵DT；c.链路容量矩阵C；d.故障状态集合F，无故障状态表示为f0，第e个链路故障表示为fe；e.平均最短重路由路径及负载均衡调节权重ωsp、ωlb；f.链路重要度权重表示网络中第e个链路的重要度；由已知常量，根据Dijkstra算法计算得到以下量，将用于目标函数的计算中：a.变量正常状态f0时，链路(i,j)承载节点I到节点J的流量，则否则(i,j)∈E，I、J∈V；b.变量从节点I到节点J的无故障传输路径上，若包含故障状态fe的故障链路，则从节点I到故障链路上游节点Ie的路径上，链路(i,j)包含其中，则否则，Xij,IIe0=0;c.变量从节点I到节点J的无故障传输路径上，若包含故障状态fe的故障链路，该故障链路下游节点Je到节点J的路径上，链路(i,j)包含其中，则否则，Xij,JeJ0=0;（2）给定决策变量；a.拓扑子层层数l；b.拓扑子层矩阵Dk(Fp)，1≤k≤l，Fp表示该拓扑子层保护的故障状态集合；c.变量故障状态fe时，在保护该故障状态的弹性路由拓扑子层上，链路(i,j)承载节点I到节点J的重路由流量，则否则由决策变量得到：d.故障状态为fe时，平均重路由路径增加值为Δse=ΣI=1nΣJ=1npgt(Σi=1nΣj=1n(Xij,IJe·dijk(Fp)-(Xij,IJ0-Xij,IIe0)·dijF))n×n---(4)其中，函数pgt定义如下e.故障状态为fe时，最大链路利用率为ηe=maxi,j(ΣI=1nΣJ=1n(Xij,IJ0+Xij,IJe-Xij,JeJ0)·dIJTcij)---(6)（3）建立面向负载均衡的RRL生成优化模型优化问题描述如下：minωsp·Σe=1|E|ωle·Δse+ρ·ωlb·Σe=1|E|ωle·ηe---(7)s.t.??2≤l≤ξ·|E|，0≤ξ≤1?????(8)DF=1l-1Σk=1lDk---(9)Σi=1n-1(Dk)(i)=(dijk)n×n∩Πi=1nΠj=1ndijk≠0---(10)DF-Dk=(dij(F-k))n×n∩Σi=1nΣj=1ndij(F-k)≤ceil(Σi=1nΣj=1ndijFl)(k=1,2,···,l)---(11)Xij,IJe≤dijk(Fp),∀fe∈Fp---(12)XIi1,IJe·Xi1i2...

【技术特征摘要】
1.一种面向负载均衡的IP网络弹性路由层优化方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、建立层次化RRL技术体系，最底层为RRL技术平台；第二层为路由子层生成算法，用于得到确定的路由子层分配方案；第三层为转发流量的分发方式；第四层为RRL的应用模式；步骤二、RRL定义的矩阵表示；网络IP层拓扑是由节点和链路构成的无向图，记为G(V,E)，其中，V表示顶点的集合，E表示边的集合；若图的顶点个数为n，则表示为一个n×n的矩阵，用D＝(dij)n×n表示，其中式中，(i,j)表示连接顶点i和j的一条边；对于带权值的图式中，w(i,j)表示链路(i,j)的权值，矩阵D沿主对角线对称；定义1：若拓扑矩阵DF与D1、D2、…、Dl满足如下关系，且满足矩阵中的元素全部为非零或非∞元素，该条件表示各拓扑子层必须是连通的，n为矩阵的阶数，则矩阵D1、D2、…、Dl所表示的网络拓扑组合为矩阵DF所表示的网络拓扑生成的一组RRL；其中，l为拓扑子层的层数；定义2：最短路径矩阵P＝(pij)n×n表示一个n阶图中各顶点间的最短路径，对于无权图，元素pij为顶点i与顶点j之间的最少边数，对于有权图，元素pij为顶点i与顶点j之间最短通路的权值和；步骤三、面向负载均衡的IP网络RRL优化问题描述；(1)给定已知常量；a.网络拓扑信息，包括：节点数n＝|V|，链路数|E|，拓扑矩阵b.流量需求矩阵DT；c.链路容量矩阵C；d.故障状态集合F，无故障状态表示为f0，第e个链路故障表示为fe；e.平均最短重路由路径及负载均衡调节权重ωsp、ωlb；f.链路重要度权重表示网络中第e个链路的重要度；由已知常量，根据Dijkstra算法计算得到以下量，将用于目标函数的计算中：a.变量正常状态f0时，链路(i,j)承载节点I到节点J的流量，则否则(i,j)∈E，I、J∈V；b.变量从节点I到节点J的无故障传输路径上，若包含故障状态fe的故障链路，则从节点I到故障链路上游节点Ie的路径上，链路(i,j)包含其中，则否则，c.变量从节点I到节点J的无故障传输路径上，若包含故障状态fe的故障链路，该故障链路下游节点Je到节点J的路径上，链路(i,j)包含其中，则否则，(2)给定决策变量；a.拓扑子层层数l；b.拓扑子层矩阵Dk(Fp)，1≤k≤l，Fp表示该拓扑子层保护的故障状态集合；c.变量故障状态fe时，在保护该故障状态的弹性路由拓扑子层上，链路(i,j)承载节点I到节点J的重路由流量，则否则由决策变量得到：d.故障状态为fe时，平均重路由路径增加值为其中，函数pgt定义如下e.故障状态为fe时，最大链路利用率为(3)建立面向负载均衡的RRL生成优化模型优化问题描述如下：s.t.2≤l≤ξ·|E|，0≤ξ≤1(8)

【专利技术属性】
技术研发人员：孟相如，伍文，任清华，徐有，陈天平，康巧燕，庄绪春，李纪真，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：