一种基于稀疏分光网络的组播路由方法

摘要

本发明提供了一种基于稀疏分光网络的组播路由方法，涉及全光网络中组播路由的建立。本发明利用移动蜂窝网络划分的思想，动态地将全光网络划分若干组播区域，在每个区域中确定一个组播代理用于管理该区域中的组播业务及和目的节点之间的组播连接。组播路由方法分成两阶段：第一阶段是源节点划分组播区域并计算生成初级组播树；第二阶段是组播代理与目的节点建立组播连接形成完整的组播树。两阶段都采用基于Steiner树的组播路由算法。本发明可使源节点中组播树的计算复杂度大大降低，时延减小；从源节点到组播业务的目的节点最多只需要2个波长；单个目的节点的加入或离开只对其所在的组播区域的子组播树有影响，不会影响到整个组播树。

说明书

技术领域：

本发明涉及光网络通信技术中的全光网络的路由技术，尤其是涉及只有部分节点具有分光能力的大型全光网络的组播路由实现方法。

背景技术：

全光网络具有超大带宽、低时延、安全性好等优点，其发展迅速并逐渐取代传统电路网络和光电混合网络而成为主导。基于IP组播技术发展的网络电视、视频会议等宽带组播业务相应地需要搬移到全光网络上进行传输，所以全光网络应当具有组播能力，且由于组播业务请求的动态性要求全光网络具有灵活的组播连接建立和快速的自我保护及恢复能力。ITU-T建议G.8080定义了自动交换光网络(ASON)的体系结构，它包括3个独立的平面：控制平面(CP)、传送平面(TP)和管理平面(MP)。控制平面采用分布式的控制机制并使用GMPLS协议，在光层引入动态交换，因此实现全光网络的组播成为可能。

目前国际标准化组织ITU-T、IETF及OIF等完成了ASON基于点到点(P2P)的各项技术标准和规范的制定，基于这些标准和规范的设备也逐渐用于骨干全光网域。目前ASON中组播业务的实现也是通过建立多条P2P连接来完成。点到多点(P2MP)组播业务的技术相对P2P要复杂得多，目前有很多针对全光网络P2MP组播技术的研究，但还没有制定出相应的标准和规范。

实现全光网络P2MP组播业务的关键在于组播树的创建、嫁接和剪枝。在完全分光(fullsplitting capability)WDM网络中，每个波长路由节点都具有分光能力，如图1所示。完全分光网络中组播路由的计算类似于传统的电路交换网络中的IP组播路由的计算，所以创建组播树比较简单。图1中的两个波长路由节点R都具有分光能力，所以源节点S到目的节点d₁、d₂、d₃和d₄的组播能够用同一波长λ₁实现，节约了波长资源。

由于分光放大设备和波长变换设备都比较昂贵，大多数光网络并非让每个节点都具有分光能力。只有部分节点具有分光能力的网络称为稀疏分光(sparse splitting capability)网络。所以，稀疏分光网络是一种较现实的网络情形。图2是稀疏分光网络的示意图。在稀疏分光网络中，不是所有的光节点都具有分光功能，一棵组播树不一定能包含一个组播业务涉及的所有目的节点，源节点可能需要向几个不同的信道发送数据，这些信道可能不在同一光纤中，也可能不是同一个波长。图2中的两个波长路由中只有R具有分光能力，左侧具有分光能力的波长路由R能够用同一波长λ₁实现到目的端d₁和d₂的组播，而右侧不具有分光能力的波长路由r则需要使用两个不同的波长λ₁和λ₂来建立P2P的连接实现到目的节点d₃和d₄的组播。在稀疏分光网络中，可能出现一棵组播树覆盖不了所有的目的节点，为了节约资源，通常为组播业务计算出一组组播树，形成一个“组播森林”，以便可以包括所有的目的节点。

组播路由算法的目的是减少组播所占用的波长数，降低连接建立时间和信号传输时延。常用的组播路由算法有基于源的组播路由算法和基于Steiner树的组播路由算法，它们都是以源节点为根节点的组播路由算法。基于源的组播路由算法是将目的节点依次加入到组播树中，加入时保证目的节点到组播树的路径最短，成本最小。基于Steiner树的组播路由算法中，目的节点是逐个加入到组播树上，添加节点时，需要找出到这棵树上离节点最近的路径。寻找最短路径的算法是一个复杂的NP-Complete问题，需要使用启发式算法来实现。

在大型的稀疏分光网络中，基于源的组播路由算法和基于Steiner树的组播路由算法可能导致较大时延，组播树计算开销大，且一般情况下组播树的成本还是比较大，增加或删除组播节点时可能导致整个组播树发生改变。所以在对稀疏光网络组播路由计算时，有必要对现有的组播路由算法进行优化研究。

发明内容：

本发明的目的在于提出了一种基于稀疏分光网络的组播路由方法，在大型的全光网络中进行组播业务时，该方法可使生成组播树的时延减小且更节约信道资源。

本发明提出的组播路由方法是基于动态蜂窝式网络划分的思想，建立组播之前把全光网络按照目的节点的分布动态划分成几个较小的组播区域，每个区域中确定一个路由节点作为组播代理(MA，multicast agent)，负责该区域内的组播业务，组播代理是一个能够将一个输入光信号转换成任意波长的多个输出信号的路由节点。源节点计算与组播代理建立连接的路由，形成初级组播树(PMT，primary multicast-tree)。组播代理再计算与目的节点建立组播连接的路由，形成完整组播树(CMT，complete multicast-tree)。

本发明提出的一种基于稀疏分光网络的组播路由方法，包括以下步骤：

(1)源节点根据组播业务的需求计算初级组播树，根据组播业务的目的节点在网络中的密度对网络按照地址距离进行区域划分，并计算确定每个区域中的组播代理。

(2)采用Steiner树组播路由算法，源节点和各个组播区域内的组播代理建立连接，形成一棵初级组播树。

(3)源节点将目的节点的分布信息发送给各个组播代理，通知各个组播代理准备资源与目的节点建立组播连接。

(4)各区域内的目的节点向其所在的组播区域内的组播代理请求组播连接。组播代理可以使用不同的波长与各个目的节点建立P2P的连接，也可以通过具有分光能力的节点使用相同的波长与多个节点建立P2MP连接，从而生成完整组播树。

(5)新的目的节点请求组播业务时，直接向其最近的组播代理发送请求，如果该组播代理没有足够的资源支持新的请求，则目的节点向多个相邻组播区域的组播代理发送组播请求。

上述方法中还具有以下特点：

所述步骤(1)中，网络的区域划分按照地址距离进行，具有相近地址的目的节点划分到同一个区域。同时，考虑到使组播代理的计算负荷，要求限制一个区域内的目的节点容量，如每个区域最多容纳50个目的节点。而确定组播代理时要求组播代理与区域内其他目的节点连接的平均距离最小，从而实现组播代理到达所在组播区域内的所有目的节点的成本最低。

所述步骤(2)中，所有的组播代理都作为源节点的目的节点，源节点与组播代理之间的所有链路上必须要有同一个波长可以使用。

所述步骤(4)中，组播代理作为源节点的镜像，具有源节点同样的组播树计算功能。采用基于Steiner树的组播算法，组播代理与其所在组播区域内的目的节点建立组播树连接。由于经过组播区域划分，每个组播代理负责的同一组播业务的目的节点数目不多，所以组播树的计算不会太复杂，组播延时小。目的节点可以直接采用P2P方式连接在组播代理上，也可以通过具有分光能力的路由节点与组播代理建立连接。由于组播代理可能承载着不同的组播业务，所以在建立组播树时也要保证成本最小，尽量使用组播区域中具有分光能力的节点。组播代理与目的节点之间的所有链路上必须要有同一个波长可以使用。

所述步骤(5)中，每个组播代理可能承载不同的组播业务，所以其资源可能耗尽导致没有空闲资源与新的目的节点建立连接，此时组播代理回复目的节点无法服务的消息，目的节点转而向相邻组播代理请求组播连接。此时如果新的目的节点收到组播代理的连接失败的反馈超过两次，则该节点直接向源节点发送连接请求。

本发明将大型光网络分割成较小的组播区域，源节点与各组播区域内的组播代理建立组播连接，组播代理作为源节点的镜像再与所在区域的目的节点建立组播连接。这样的两层组播树结构能够很好的解决大型光网络组播业务路由计算复杂的问题，源节点对组播树的计算复杂度大幅降低，时延减小；从源节点到组播业务的目的节点最多只需要2个波长；且单个目的节点的加入或离开只对其所在的组播区域的子组播树有影响，不会影响到整个组播树。

附图说明：

图1是完全分光网络的组播树示意图、图2是稀疏分光网络的组播树示意图。图中，S为源节点，d_i为目的节点，R为具有分光能力的路由节点，r为不具有分光能力的路由节点。

图3是基于Steiner树算法的生成树。S为源节点，A、C、D为目的节点，R为具有分光能力的路由节点，r为不具有分光能力的路由节点。

图4是组播区域划分和初级组播树建立图。图中，S为源节点，d为目的节点，R为具有分光能力的路由节点，r为不具有分光能力的路由节点，组播代理MAi为各组播区域中的组播代理。

图5是组播完整树建立图。

具体实施方法：

本发明的组播路由方法的技术原理是：基于动态的蜂窝式网络划分思想，将大型的全光网络划分成较小的组播区域。源节点只负责计算与各个组播区域中的组播代理建立连接的组播路由，在一个组播业务中，组播代理的数目相对目的节点是很少的，所以大大减少源节点的计算量。同时，与目的节点的连接由组播代理负责，当存在组播代理的区域内有目的节点退出组播业务或者有新的目的节点请求加入时，初级组播树不需要改变，只需要改变组播区域内的子组播树。当不属于已划分的区域内的目的节点请求加入，它可以向邻近的区域内的组播代理发出请求，也可以向源节点发送请求。如果不属于已划分的区域内的目的节点较多，则需要源节点重新划分组播区域，重新生成组播树。

这种组播路由方法由两阶段组成，第一阶段是对网络进行动态区域划分，将网络划分成几个小的组播区域，并建立初级组播树；第二阶段是完整组播树的建立。

图4所示的是第一阶段——组播区域划分和初级组播树的建立。根源节点S根据目的节点d的数目及它们在整个网络中的分布情况，将地址距离相近的目的节点划分到一个组播区域中，形成目的节点簇。由于每个组播区域中具有分光功能的路由节点数目是不一样的，所以各个组播区域中的目的节点数不一定相同。每个组播区域的范围大小由目的节点的数目确定，考虑到组播树计算的复杂程度，一个组播区域内的目的节点不能过多。同一个目的节点只能被划分到一个组播区域中，即组播区域之间不存在交集。当目的节点可以被划分到两个组播区域时，具有较多分光路由节点的区域被优先考虑。

确定组播代理时，需要计算组播区域中的每个路由节点到所有的目的节点d的之间的距离D_ij是第i个路由节点到第j个目的节点的距离，从中选择使最小的那个路由节点作为组播代理。当组播区域中的目的节点较多且目的节点在组播区域中随机分布时，组播代理的逻辑期望位置将处于组播区域的中心。这样即使在该组播区域中有新的目的节点加入时，以组播代理为根节点的组播树也是最优的，所以不需要重新计算组播树。

在稀疏分光网络中不是所有的路由节点都具有波长转换能力，可能有些光路上的路由节点都不具有波长转换能力，所以要求在源节点到各个组播代理之间的所有链路上，必须有相同的波长用于建立光路连接。

建立初级组播树采用基于Steiner树的组播算法。因为组播代理的数目较少，所以采用启发式的计算复杂度不会太高，且由于源节点与组播代理之间建立的组播连接在整个组播业务过程中不变，所以只需要计算一次组播树。

图4中的组播树包含两个具有分光能力的路由节点和一个不具有分光能力的路由节点。不具分光能力的路由节点连接两个组播代理，所以需要源节点将组播业务用两个波长λ₁和λ₂进行传送，图中虚线为波长为λ₁的光路，实线是波长为λ₂的光路。源节点与组播代理之间连接所有链路都使用同一波长。

图5所示的是第二阶段——完整组播树的建立。初级组播树建立后，组播代理就可以当作其所在的组播区域内的源节点，目的节点不需要向真正的源节点请求组播业务，只需要向组播代理发送组播请求。

完整组播树的路由计算也采用基于Steiner树的算法，各个组播区域的组播代理负责所在的目的节点的组播建立。组播代理具有波长转换功能，目的节点可以直接连接在组播代理上，也可以通过路由节点与组播代理建立连接。为了节省波长资源，组播代理在计算组播树时，应尽量使用到具有分光能力的路由节点。

图5中，组播代理MA1负责4个目的节点的组播业务，两个节点直接与组播代理MA1连接，另外两个通过不具分光能力的路由节点与组播代理MA1建立连接，所以组播代理1需要提供至少两个可用波长λ₁和λ₂才能建立组播树。组播代理MA2使用同一波长与所负责的4个目的节点建立组播连接。由于组播代理MA2可能承载不同的组播业务，它和源节点建立连接使用的波长λ₁可能被用于其他的组播业务，所以组播代理使用另一波长λ₄与目的节点建立连接。其中两个目的节点使用同一波长的两条链路直接连接在组播代理MA2上，另外两个则通过一个具有分光能力的路由节点与组播代理MA2建立连接。