莫 涵，蘭巨龍，賀 煒

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州450002）

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和廣泛部署，使得以IPTV、網(wǎng)絡(luò)視頻和遠(yuǎn)程教育等為代表的新型多媒體應(yīng)用迅猛發(fā)展，已成為當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)[1]，是互聯(lián)網(wǎng)最為重要的應(yīng)用和核心體驗。組播技術(shù)采用樹狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了一對多或多對多的通信方式，可有效節(jié)約帶寬，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，滿足了多媒體應(yīng)用的傳輸需求。但是，樹狀結(jié)構(gòu)具有兩面性，雖然可以節(jié)約資源，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，一條鏈路或者一個節(jié)點的失效將會導(dǎo)致下游所有組成員節(jié)點無法接收數(shù)據(jù)，影響甚廣。因此，為確保網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡(luò)仍能對多媒體應(yīng)用提供足夠的服務(wù)水平，研究組播快速故障恢復(fù)技術(shù)是十分必要的。

網(wǎng)絡(luò)故障不僅可能發(fā)生在工作路徑，還可能發(fā)生在備份路徑上。現(xiàn)有方案[2，3]多數(shù)通過建立多條備份路徑并設(shè)置優(yōu)先級來解決備份路徑故障的問題，但這樣一來計算復(fù)雜度增加，同時網(wǎng)絡(luò)資源大量浪費。因此，本文提出了一種基于資源影響力的組播快速重構(gòu)機制 （fast multicast reconfigurable scheme based on resource effect degree，REDMRS），旨在實現(xiàn)組播故障快速恢復(fù)。RED－MRS刻畫了不同網(wǎng)絡(luò)資源的重要程度，資源越重要，說明該資源故障對組播樹的影響越大、破壞性越高。在構(gòu)建備份組播樹時，通過加入對資源重要程度的考慮，避免占用重要程度較高的資源，可以構(gòu)建具有容錯能力的備份組播樹，減少備份組播樹出故障的可能性，并均衡資源利用。同時，REDMRS機制采用本地處理方式，直接激活備用父節(jié)點，恢復(fù)速度快。

1 相關(guān)工作

組播快速故障恢復(fù)方法主要分為兩類:被動式，在故障發(fā)生檢測到故障點后，重新尋找和建立新的路徑來完成傳輸服務(wù)，又稱為按需恢復(fù)。該方法不需要預(yù)留資源，但恢復(fù)時間較長，無法滿足時延要求較高的通信需求；主動式，在故障發(fā)生之前，預(yù)先計算備份路徑，并預(yù)留相應(yīng)資源。主動式方法[4]在故障發(fā)生時可實現(xiàn)快速切換，恢復(fù)時間短，但會消耗較多的網(wǎng)絡(luò)資源。顯然，備份路徑的計算時間和資源利用率兩者間互相矛盾。

針對保護對象的不同，組播主動式故障恢復(fù)方法又分為兩種:

（1）局部保護，分別為每一條源到目的節(jié)點的路徑建立保護路徑，包括鏈路保護與路徑保護。

鏈路保護與路徑保護分別借鑒于單播中的鏈路恢復(fù)和路徑恢復(fù)方法。鏈路保護方法為每條鏈路的兩個節(jié)點間預(yù)先建立一條備用路由，若原始組播樹中鏈路出現(xiàn)故障，故障檢測點通過本地恢復(fù)繞過故障鏈路，將數(shù)據(jù)發(fā)送到故障鏈路的下游節(jié)點。路徑保護方法為每個組成員節(jié)點建立一條從源到目的端的備用路徑，要求備用路徑與原始組播樹中從源到目的端的路徑是不相交的。

（2）組播組保護，為整個組播樹建立一個備份樹，主要方法有冗余樹保護和雙樹保護。

冗余樹保護方法[5，6]通過搜索路徑可將網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點連接起來，以計算網(wǎng)絡(luò)中兩棵不相交的樹，其中一棵作為從源到所有組成員節(jié)點的主樹，另一棵是預(yù)先建立的備份冗余樹，使得網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點 （鏈路）失效時，組成員節(jié)點都可通過至少一棵樹連接到源點。冗余樹保護方法不僅可以恢復(fù)主樹中出現(xiàn)的任何節(jié)點或鏈路故障，而且可以恢復(fù)不止一個故障。但構(gòu)建的組播樹太過冗余，包含了網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點。同時，兩樹不相交的情況使得冗余樹方法對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求苛刻，網(wǎng)絡(luò)必須是雙聯(lián)通的，即網(wǎng)絡(luò)任意兩節(jié)點間至少有兩條節(jié)點或鏈路不相交的路徑。

與冗余樹保護方法相比，雙樹保護方法[7]僅計算兩棵連接源到所有組成員節(jié)點的組播樹，一棵作為主樹，另一棵作為備份樹。與鏈路保護和路徑保護方法相比，雙樹保護方法不需要對每條鏈路或是路徑進(jìn)行單獨的管理和維護。雙樹保護方法又分為不相交雙樹和相交雙樹。不相交雙樹要求網(wǎng)絡(luò)是雙聯(lián)通的，且在任意兩節(jié)點間有至少兩條節(jié)點或鏈路不相交的路徑，構(gòu)建起來十分困難。針對不相交備份樹存在構(gòu)建失敗的問題，相交雙樹則在保護能力和構(gòu)建成功率兩者間進(jìn)行了折中，允許部分路徑相交，但不能提供100%的保護。文獻(xiàn)[8]提出可通過共享某些鏈路建立從數(shù)據(jù)源到目的節(jié)點的多條相交路徑來進(jìn)行故障恢復(fù)。同時，文獻(xiàn)[9]證明在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳荒鼙ＷC不相交備份樹一定構(gòu)建成功的情況下，相交備份樹的可靠性高于不相交備份樹。因此，相交雙樹可有效適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，確保為組播數(shù)據(jù)傳輸提供最大限度的保護。

表1給出了常見組播主動式故障恢復(fù)方法的比較?？梢钥闯?，局部保護方法管理和維護代價較高，并且易出現(xiàn)路由環(huán)路，但對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳惶厥庖?。而組播組保護管理和維護開銷較小，但若要實現(xiàn)100%的保護，需要網(wǎng)絡(luò)具有雙聯(lián)通的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時需要建立一個與原始組播樹鏈路、節(jié)點完全不相交的組播樹，實現(xiàn)上非常困難。

表1 組播主動式故障恢復(fù)方法

2 組播快速重構(gòu)機制

本文從如何有效提高備份樹構(gòu)建成功率和容錯能力的角度出發(fā)，提出了一種基于資源影響力的組播快速重構(gòu)機制 （RED－MRS）。RED－MRS定義了資源影響力，反映資源在網(wǎng)絡(luò)中的使用情況，避免備份路徑選取重要程度較大的資源，降低備份樹故障可能性，減少多條備份路徑共存浪費資源的情況，并均衡資源利用。同時，在計算備份樹時，優(yōu)先選擇計算與原始組播樹不相交的備份樹，若不存在不相交備份樹，則引入相交思想，允許備份樹與原始組播樹部分路徑共享，降低網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎?lián)通性要求，提高備份樹構(gòu)建成功率。

RED－MRS主要包括備份樹計算算法和組播樹重構(gòu)機制兩部分。其中，備份樹計算算法利用資源影響力選擇備份路徑，計算備份樹；組播樹重構(gòu)機制用于當(dāng)原始組播樹出現(xiàn)故障時，快速重構(gòu)出備份路徑，恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸。

2.1 相關(guān)定義

現(xiàn)有組播故障恢復(fù)機制沒有對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行區(qū)分對待，在選擇路徑時忽略了資源對備份路徑的影響。為衡量網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點和鏈路在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度，本文首先提出資源影響力的概念，包括節(jié)點影響力和鏈路影響力兩方面。

物理網(wǎng)絡(luò)可看作一個加權(quán)無向圖G＝（V，E），V為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集合，例如路由器和交換機等；E為網(wǎng)絡(luò)鏈路集合，代表連接網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信鏈路。

定義1 節(jié)點容量比 （node capacity ration，NCR）:在網(wǎng)絡(luò)G中，設(shè)節(jié)點ni能提供的最大服務(wù)能力為Cmax（ni），如內(nèi)存、CPU等，C（i）表示節(jié)點ni已消耗資源，則ni節(jié)點容量比為

NCR反映了節(jié)點剩余可用資源的多少，NCR越大，說明節(jié)點可用資源越多，服務(wù)能力越強。

定義2 節(jié)點影響力 （node effect degree，NED）:在網(wǎng)絡(luò)G中，G中最大的節(jié)點度數(shù)為dmax，設(shè)節(jié)點ni的度為di，節(jié)點容量比為NCRt（ni），則ni節(jié)點影響力為NED（i）＝αdi／dmax＋βNCR（i），其中α和β是調(diào)節(jié)因子，且α＋β＝1。

NED（i）反映了節(jié)點ni在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度，α和β則可調(diào)節(jié)節(jié)點度和節(jié)點容量比在節(jié)點影響力中占的比例。NED（i）值越大表示節(jié)點ni在網(wǎng)絡(luò)中越重要，承載的服務(wù)越重。因此，NED（i）值越大說明節(jié)點ni出現(xiàn)故障對網(wǎng)絡(luò)的影響越大，同時節(jié)點ni的后續(xù)承載能力越弱。

定義3 鏈路連接度 （link connection degree，LCD）:在網(wǎng)絡(luò)G中，設(shè)鏈路l（i，j）為連接節(jié)點ni和節(jié)點nj的一條鏈路，則節(jié)點ni和節(jié)點nj的度可以反映鏈路l（i，j）在網(wǎng)絡(luò)中的連接程度，表示為稱為鏈路連接度。

LCD（i，j）越大，說明鏈路l（i，j）出現(xiàn)故障時對節(jié)點ni和節(jié)點nj的影響越大。

定義4 鏈路容量比 （link capacity ration，LCR）:在網(wǎng)絡(luò)G中，設(shè)鏈路l（i，j）能提供的最大服務(wù)能力為Cmax（l（i，j）），如鏈路帶寬等，Ct（l（i，j））表示鏈路l（i，j）已消耗資源，則l（i，j）鏈路容量比為LCR（i，j）＝1－

LCR反映了鏈路剩余資源的多少，LCR越大，說明鏈路可用資源越多，服務(wù)能力越強。

定義5 鏈路影響力 （link effect degree，LED）:在網(wǎng)絡(luò)G中，鏈路l（i，j）的連接度為LCD（i，j），鏈路容量比為LCRt（i，j）， 則l（i，j）鏈 路 影 響 力 為LED（i，j）＝ρLCD（i，j）＋μLCR（i，j），其中ρ和μ是調(diào)節(jié)因子，且ρ＋μ＝1。

LED（i，j）反映了鏈路l（i，j）在網(wǎng)絡(luò)中的重要程度，ρ和μ則可調(diào)節(jié)鏈路連接度和鏈路容量比在鏈路影響力中占的比例。LED（i，j）值越大表示鏈路l（i，j）在網(wǎng)絡(luò)中越重要，承載的服務(wù)越重。因此，LED（i，j）值越大說明鏈路l（i，j）出現(xiàn)故障對網(wǎng)絡(luò)的影響越大，同時鏈路l（i，j）的后續(xù)承載能力越弱。

定義6 資源影響力 （resource effect degree，RED）:綜合考慮節(jié)點影響力和鏈路影響力，可得資源影響力，用式 （1）表示

2.2 備份樹計算算法

現(xiàn)有備份組播樹計算算法通常采用不相交雙樹保護算法，對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎拗戚^大，構(gòu)建成功率不高。文獻(xiàn)[10]分別對節(jié)點不相交和鏈路不相交雙樹進(jìn)行試驗，結(jié)果表明在節(jié)點個數(shù)為100的隨機網(wǎng)絡(luò)中，隨著組成員的增多，平均構(gòu)建成功率逐漸下降，當(dāng)組成員數(shù)目為30時，鏈路不相交雙樹的構(gòu)建成功率為7%，而節(jié)點不相交雙樹構(gòu)建成功率更低，幾乎無法構(gòu)建成功。因此，本文的備份樹計算算法采用如下策略:優(yōu)先選擇計算不相交備份樹；若不存在不相交的備份樹，則允許備份樹與原始組播樹部分相交，共享某些節(jié)點和鏈路。

在計算備份樹時，不僅要考慮代價，還要盡量避免占用影響力較大的資源，以提高備份樹的容錯能力，均衡資源利用。因此，結(jié)合資源影響力，給出備份樹代價函數(shù)，見式 （2）

其中c（n）、c（e）分別代表節(jié)點和鏈路的初始代價。由式 （2）可知，資源影響力越大，占用其資源計算的備份樹代價越高。按照式 （2），備份樹上，源s到每個目的節(jié)點di（di∈D）的備份路徑的代價定義為

同時，為了盡可能減少備份樹與原始組播樹中共享的節(jié)點和鏈路的數(shù)目，則計算備份樹或備份路徑時，原始組播樹上的節(jié)點和鏈路的影響力分別如式 （4）和式 （5）

其中NED（i）和LED（i，j）分別為原始節(jié)點和鏈路的影響力，σ1為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的影響力之和，σ2為網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路的影響力之和，使得組播樹中資源的影響力大于網(wǎng)絡(luò)G中其余任意資源的影響力。

備份樹計算算法見表2。

算法步驟1－2實現(xiàn)初始化，并將備份樹的計算過程分解為組播源到每個目的節(jié)點的路徑計算。步驟3－6利用最短路徑算法計算s到di的最小代價路徑PminC b（s，di）；步驟4在網(wǎng)絡(luò)G中，刪除原始組播樹上的所有中間節(jié)點和鏈路，計算與原始路徑P（s，di）節(jié)點不相交的備份路徑；若步驟4不成功，則步驟5在網(wǎng)絡(luò)G＇中，加入原始組播樹上的中間節(jié)點，計算與原始路徑P（s，di）鏈路不相交的備份路徑；若步驟5不成功，則步驟6在網(wǎng)絡(luò)G中利用最短路徑算法尋找源到每個目的節(jié)點的代價最小路徑，此時允許備份路徑與原始路徑相交。步驟7將計算的備份路徑加入到備份樹中。步驟8比較Tb（s，D）與T（s，D），防止出現(xiàn)原始組播樹與備份樹相同的情況。

表2 備份樹計算算法

2.3 組播樹重構(gòu)機制

當(dāng)原始組播樹中的節(jié)點或者鏈路出現(xiàn)故障時，通過激活故障源子節(jié)點在備份樹上的父節(jié)點，組播樹重構(gòu)機制對原始組播樹進(jìn)行重構(gòu)，激活備用路徑，實現(xiàn)將數(shù)據(jù)流快速切換到可用父節(jié)點。組播樹重構(gòu)機制對故障采用本地處理方式，相比于分布式方式可用性高，恢復(fù)速度快。組播樹重構(gòu)機制見表3。

表3 組播樹重構(gòu)機制

算法步驟1首先發(fā)現(xiàn)故障，定位故障源。步驟2－7說明激活備份路徑的過程:由故障源的子節(jié)點開始，發(fā)起重構(gòu)消息，收到重構(gòu)消息的節(jié)點依次激活備用樹上的父節(jié)點，直到重構(gòu)出備份路徑，故障源的子節(jié)點再次連接到原始組播樹上。

組播樹重構(gòu)機制不僅可處理鏈路故障，也可處理節(jié)點故障。同時，由于事先計算了備份樹，組播樹重構(gòu)機制只需依次重構(gòu)出各故障源子節(jié)點的備份路徑，便可解決多點故障。

3 算法分析與仿真實驗

3.1 實驗設(shè)置

實驗環(huán)境為Intel（R）Core（TM）i7CPU 2.67GHz、RAM 2G的普通PC，通過NS－2仿真軟件實現(xiàn)RED－MRS機制，并與冗余樹方法[5]、不相交雙樹方法[7]和相交雙樹[10]算法進(jìn)行性能比較。為確保算法性能的普適性，本文在Salama拓?fù)渖赡Ｐ蜕线M(jìn)行了改進(jìn)，生成平均節(jié)點度為4的不同大小的隨機網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點個數(shù)在[20，160]之間隨機選擇。同時，隨機生成一個組播組，假定組播組的大小是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目的30%，組播源和目的節(jié)點在拓?fù)渖想S機選擇。

仿真過程中，每條節(jié)點和鏈路的原始代價均被設(shè)置為1，節(jié)點和鏈路的容量比在[0，1]隨機分配。式 （1）中α、β、ρ、μ均取0.5。為了反映更準(zhǔn)確的結(jié)果，仿真共進(jìn)行200次，取所有實驗結(jié)果的平均值。

3.2 恢復(fù)時間

恢復(fù)時間是組播故障恢復(fù)方法的重要指標(biāo)，反應(yīng)了通信中斷的時間，恢復(fù)時間越短，通信中斷的時間越短，對通信的影響越小。

圖1給出了不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下4種算法的平均恢復(fù)時間。從圖中可以看出，RED－MRS所需的平均恢復(fù)時間最短，而冗余樹方法的恢復(fù)時間最長。這是由于冗余樹方法對端到端的路徑進(jìn)行備份，激活過程中，需要依次通知故障節(jié)點以下的所有節(jié)點，導(dǎo)致恢復(fù)時間較長。而RED－MRS只需依次激活備份樹上收到重構(gòu)消息的父節(jié)點，重構(gòu)出備份路徑即可，恢復(fù)過程需要激活的節(jié)點少，時間較短。不相交雙樹方法需要對故障節(jié)點之下的部分中間節(jié)點進(jìn)行操作，恢復(fù)時間比RED－MRS長。相交雙樹方法對故障也采用本地處理方式，但在處理過程中需要在原始父節(jié)點和備份父節(jié)點間進(jìn)行切換，因此恢復(fù)時間比RED－MRS略長。

3.3 組播樹代價

圖1 平均恢復(fù)時間

組播樹代價反應(yīng)了組播傳輸性能，組播樹代價越小，傳輸性能越好。為便于比較，對于恢復(fù)后的組播樹代價按計算，不考慮資源的影響。圖2給出了4種方法法對應(yīng)的故障恢復(fù)后組播樹代價。可以看出，冗余樹方法和不相交雙樹方法的代價基本相同，且高于相交雙樹和RED－MRS，RED－MRS的代價最小。這是由于冗余樹方法和不相交雙樹方法的核心思想較為相似，原始組播樹為最小代價樹，而備份組播樹由于原始組播樹不相交，因此代價較高；相交雙樹方法允許備份樹和原組播樹有一定程度的交集，可以利用原組播樹中的一些路徑，因此備份樹的代價有所降低，但在構(gòu)建原始組播樹時隨機選取節(jié)點使得其代價仍高于RED－MRS；RED－MRS不僅允許備份樹和原組播樹有一定的交集，同時計算時備份樹時盡可能使代價最小，因此代價值最低。

圖2 恢復(fù)后的組播樹代價

3.4 資源影響力

在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目為100個，組成員數(shù)目為30個的條件下，對網(wǎng)絡(luò)中的資源使用情況進(jìn)行測試。圖3給出了執(zhí)行4種方法后，具有不同資源影響力的資源在全部資源中所占的百分比。可以看出，RED＿M(jìn)RS的效果最好，結(jié)果中影響力偏高或者偏低的資源數(shù)目較少，影響力居中的節(jié)點在全部資源中占多數(shù)，較好的實現(xiàn)了資源的均衡利用。冗余樹和不相交雙樹中，高影響力和低影響力的資源都較多，沒有充分發(fā)揮資源的能力，造成資源的浪費。相交雙樹方案由于隨機選擇資源，導(dǎo)致資源利用不均衡，雖然低影響力的資源較少，但高影響力的資源仍然較多。

圖3 不同影響力的資源占全部資源的百分比

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于資源影響力的組播快速重構(gòu)機制RED－MRS，實現(xiàn)了組播故障快速恢復(fù)。RED－MRS刻畫了網(wǎng)絡(luò)資源的重要程度，在計算備份樹的過程中綜合考慮代價及資源影響力，避免備份路徑占用重要程度較大的資源，降低了備份樹故障可能性，并實現(xiàn)了資源的均衡利用。同時，允許備份樹與原始組播樹共享某些節(jié)點或鏈路，有效提高備份樹構(gòu)建成功率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，RED－MRS采用組播樹重構(gòu)機制激活備份路徑，保證了備份路徑的快速重構(gòu)和恢復(fù)。仿真結(jié)果表明，RED－MRS在恢復(fù)時間、組播樹代價和資源利用三方面均優(yōu)于現(xiàn)有方法。

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