李小玲

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，基于云的通信和網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)安全尤為重要。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，一組沒(méi)有交叉的信道或路徑所花費(fèi)的時(shí)間小于在一條路徑上所花費(fèi)的時(shí)間。多路徑傳輸網(wǎng)絡(luò)（MTN）在我們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，如移動(dòng)自組網(wǎng)、基于云的應(yīng)用以及多協(xié)議標(biāo)簽交換網(wǎng)絡(luò)等。然而，MTN很容易受到錯(cuò)誤或網(wǎng)絡(luò)故障的影響，這將極大地影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，甚至有時(shí)會(huì)發(fā)生系統(tǒng)故障。為了使傳輸中數(shù)據(jù)更加安全可靠，有必要對(duì)數(shù)據(jù)傳輸效率進(jìn)行可靠性測(cè)量研究。該文通過(guò)k條不交叉的路徑進(jìn)行并行傳輸，引用SMP-BP算法啟用備份路徑來(lái)確保數(shù)據(jù)安全傳輸，這意味著任何兩條路徑都沒(méi)有相同的鏈路，可以有效保證的數(shù)據(jù)傳輸可靠性。如果有一些故障，可以啟用備用路徑。

關(guān)鍵詞：SMP-BP算法;多路徑傳輸網(wǎng);可靠性;效率;容錯(cuò)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）01-0052-02

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展及相互結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)和種類(lèi)也豐富多彩，如泛在網(wǎng)絡(luò)（Ubiquitous Network），包括無(wú)線廣域網(wǎng)（Wireless Wide Area Network，WWAN）、無(wú)線城域網(wǎng)（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）、無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，WPAN）、移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad Hoc Network，MANET）、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）等[1]。每-種網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)存在有著較大差別，如時(shí)延、帶寬、覆蓋范圍、資費(fèi)等方面。

多路徑傳輸網(wǎng)絡(luò)（MTN）在我們的日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，如移動(dòng)自組網(wǎng)、基于云的應(yīng)用以及多協(xié)議標(biāo)簽交換網(wǎng)絡(luò)等。目前國(guó)內(nèi)、外學(xué)術(shù)界越來(lái)越多地關(guān)注MTN，因?yàn)镸TN是一種新技術(shù)，能有效提高通信網(wǎng)絡(luò)資源利用率。在相同的條件下，整合泛在網(wǎng)絡(luò)的資源并進(jìn)行優(yōu)化利用，在某種程度上對(duì)傳輸?shù)目煽啃院屯掏铝啃阅芊矫娑加兴岣?，卻對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源管理方面的加深難度。而多路徑傳輸資源調(diào)度算法在為每條路徑分配網(wǎng)絡(luò)通信資源，有較大資源不能充分得到使用，故急需對(duì)多路徑傳輸資源調(diào)度算法進(jìn)行優(yōu)化[2]。對(duì)可靠性的測(cè)量進(jìn)行了一些研究。例如，為此提出了一種基于單最小路徑的備份路徑（SMP-BP）算法。SMP-BP使用兩個(gè)單獨(dú)的路徑作為工作耦合，其中最小路徑?jīng)]有交叉作為備份路徑。在SPR（最短路徑恢復(fù)）、PIR（部分信息恢復(fù)）和CIR（完全信息恢復(fù)）網(wǎng)絡(luò)中，支持端到端基于路徑的連接恢復(fù)。如果有任何錯(cuò)誤，備份路徑將被觸發(fā)。將在網(wǎng)絡(luò)中建立具有備份路徑功能的新路徑或路由。

在現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，真正運(yùn)行工作路徑有可能會(huì)出現(xiàn)逐條路徑發(fā)生故障，單靠一條工作路徑發(fā)生故障概率就較大。但是多條工作路徑并行發(fā)生故障概率情況較少，故國(guó)內(nèi)外研究專(zhuān)家在考慮單條工作路徑發(fā)生故障時(shí)怎樣啟用和選擇備用路徑等相關(guān)問(wèn)題[3]。

2 本文研究的具體內(nèi)容

本課題研究是為了使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在單條工作路徑發(fā)生故障情況下仍然能保持一定的可靠性，即提出了一種基于最小路集的單條備用路徑SMP-BP算法。SMP-BP（Single Minimal Path Based Backup Path，簡(jiǎn)稱(chēng)SMP-BP）算法使用兩條不相交的最小路徑作為工作路徑對(duì)，且使用跟工作路徑對(duì)不相交的另一條最小路徑作為備選可用路徑。無(wú)論在任何情況下，出現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中任一條工作路徑發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)快速選擇備用路徑并啟用它，即備用路徑將和另一條發(fā)生故障的工作路徑構(gòu)成一個(gè)新的工作路徑對(duì)，故計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸中仍然有兩條工作路徑對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性傳輸。其主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性測(cè)量進(jìn)行一些研究。例如，為此提出了一種基于單最小路徑的備份路徑（SMP-BP）算法。SMP-BP采用兩個(gè)獨(dú)自的工作路徑作為工作路徑聚合，采用最小路徑即沒(méi)有交叉作為備份路徑。在SPR（Shortest Path Restoration，簡(jiǎn)稱(chēng)SPR）、PIR（Partial Information Restoration，簡(jiǎn)稱(chēng)PIR）和CIR（Complete Information Restoration，簡(jiǎn)稱(chēng)CIR）網(wǎng)絡(luò)中，基于路徑的連接恢復(fù)機(jī)制采用端到端方法。如果有任何錯(cuò)誤，備份路徑將被觸發(fā)。故在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中需要建立備份路徑功能的新路徑或路由勢(shì)在必行。

（2）提出了一種基于單最小路徑的備份路徑SSMP-BP（single-single minimal path based back-up path，簡(jiǎn)稱(chēng)SSMP-BP）改進(jìn)算法。SSMP-BP的設(shè)計(jì)是為了保證當(dāng)?shù)诙窂绞r(shí)數(shù)據(jù)的傳輸。此算法使用兩條互不交叉鏈路作為工作路徑，其中一條與工作路徑非交叉，將視為備用路徑。當(dāng)某條鏈路發(fā)生故障，立即啟用備用路徑，使它成為一個(gè)新的工作路徑達(dá)到正常傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（3）提出多路徑傳輸線路優(yōu)化設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)可靠性測(cè)量等問(wèn)題研究。根據(jù)給定的多源多宿多態(tài)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在滿足成本費(fèi)用約束的條件下，擬出一種網(wǎng)絡(luò)傳輸線配置方法，這種方法能讓線路傳輸達(dá)到最佳可靠性。首先，研究固定的多態(tài)網(wǎng)絡(luò)各源點(diǎn)到各宿點(diǎn)的可靠性;其次，研究基于固定的傳輸線路可靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法來(lái)尋找網(wǎng)絡(luò)可靠性測(cè)量的最優(yōu)解集。

（4）構(gòu)建SMP-BP算法的多路徑傳輸網(wǎng)可靠性測(cè)量研究。若一條工作路徑發(fā)生故障，立即啟用備用路徑，而此刻一條正常網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ髀窂酵瑐溆寐窂揭黄鸾M成一個(gè)新的路徑耦合對(duì)?；诙嗦窂絺鬏斁W(wǎng)絡(luò)可靠性條件限制下去選擇最優(yōu)的工作路徑和備用路徑，對(duì)工作路徑帶寬進(jìn)行合理分配，以達(dá)到多路徑傳輸網(wǎng)可靠性最高和網(wǎng)絡(luò)總構(gòu)建費(fèi)用最小。

3 研究中的關(guān)鍵問(wèn)題

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，終端設(shè)備通常具備多種不同的網(wǎng)絡(luò)接入接口，支持不同的接入技術(shù)。在帶寬充足條件下，采用單一網(wǎng)絡(luò)接入不利于資源利用，手動(dòng)切換接入方式將引起服務(wù)瞬時(shí)的中斷。多路徑傳輸時(shí)延、帶寬的差異引起多路徑傳輸網(wǎng)擁塞控制機(jī)制，因此存在以下問(wèn)題，研究中的關(guān)鍵問(wèn)題假設(shè)如下：

（1）每個(gè)節(jié)點(diǎn)不可能都停止服務(wù)，都有可能造成數(shù)據(jù)包亂序到達(dá)目的地而被認(rèn)為丟包的假象，這是因?yàn)橛|發(fā)不必要的快速重傳機(jī)制而引起的。

（2）每條路徑或鏈路的容量服從隨機(jī)分布，且嚴(yán)格獨(dú)立，若SACK（Selective Acknowledgment，簡(jiǎn)稱(chēng)SACK）確認(rèn)消息亂序到達(dá)目的地，這導(dǎo)致?lián)砣翱诘臒o(wú)規(guī)律擴(kuò)大。

（3）每一對(duì)耦合路徑包含兩條非交叉工作路徑或鏈路。

（4）若輸出流量等于總輸入流量，這樣導(dǎo)致對(duì)接收端亂序進(jìn)行錯(cuò)誤判斷，即導(dǎo)致不必要的SACK流量。

在多路徑傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，隨著應(yīng)用程序和服務(wù)的數(shù)量及其帶寬需求的增加，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包流量不斷增長(zhǎng)，就有必要確定傳輸網(wǎng)絡(luò)吞吐量最大化限制[4]。對(duì)于吞吐量、可靠性和安全性來(lái)講，多路徑路由就顯得非常重要。在多路徑傳輸網(wǎng)絡(luò)中，為了更好地、更有效地利用傳輸網(wǎng)絡(luò)資源，可以利用多路徑傳輸網(wǎng)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能。對(duì)多路徑路由的各種研究都利用每個(gè)出站網(wǎng)絡(luò)鏈路上的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)解決網(wǎng)絡(luò)冗余、擁塞和QoS問(wèn)題。實(shí)時(shí)狀態(tài)將由部署在路由器、擴(kuò)展器、服務(wù)器等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的傳感器捕獲。時(shí)延可以通過(guò)不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的接收時(shí)間和發(fā)送時(shí)間之差來(lái)計(jì)算。

4 采用的技術(shù)路線、創(chuàng)新點(diǎn)及特色

1）創(chuàng)新點(diǎn)

多路徑傳輸網(wǎng)可靠性測(cè)量研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要有如下：

（1）單路徑[（Pk）]網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸正確送到目的地前提是最大容量大于或等于所需容量[dk≥d]。

（2）兩條路徑[（Pi，Pj）]網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸正確送到目的地前提條件是兩條路徑的最大容量之和大于或等于所需容量[di+dj≥d]。通過(guò)單路徑或雙路徑傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性[Pr（S|Pf）]和[Pr（S|PfPg）]的比較，得出以下結(jié)論： [Pr（S|PfPg）≥Pr（S|Pf）]。如果有一條路徑停止服務(wù)，我們可以得到

[PrSMP-BP（S|PbPo，Pk）≥PrDMP-BP（S|PbPo，PiPj）]，

[b，o，k，i，j=1，2，...，m;][b≠o≠k]，[b≠o≠i≠j]。

這意味著SMP-BP的可靠性高，故SMP-BP算法使用較少的備份路徑，達(dá)到更高傳輸網(wǎng)可靠性和數(shù)據(jù)傳輸效率，從而節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源。

2）特色

構(gòu)建下一代互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，多路徑傳輸網(wǎng)作為不二選擇，既能提升傳輸網(wǎng)絡(luò)資源利用率，又能充分合理地使用帶寬，更能提高多路徑傳輸網(wǎng)可靠性。對(duì)當(dāng)前可用路徑的狀態(tài)進(jìn)行捕獲并記錄下來(lái)，周期性更新?tīng)顟B(tài)進(jìn)行跟蹤記錄和檢測(cè)。SMP-BP具有如下特征：

（1）多路徑傳輸網(wǎng)為不同的服務(wù)請(qǐng)求提供不同傳輸路徑。

（2）單路徑數(shù)據(jù)傳輸事件成功的前提是最大容量不小于所需容量。

（3）兩條路徑網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸正確送到目的地前提條件是兩條路徑的最大容量之和大于或等于所需容量，多路徑傳輸網(wǎng)允許為同一種類(lèi)型的服務(wù)請(qǐng)求者提供多條工作路徑或鏈路， 以達(dá)到實(shí)現(xiàn)較好服務(wù)質(zhì)量。

（4）多路徑傳輸網(wǎng)合理規(guī)范使用能充分節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源和提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，進(jìn)而可以提高傳輸網(wǎng)的可靠性。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目是設(shè)計(jì)一個(gè)SMP-BP算法來(lái)提高在單條工作路徑發(fā)生故障的情況下的MTN可靠性測(cè)量，SMP-BP使用兩條非交叉路徑作為工作路徑，其中一條與工作路徑不相交的鏈路作為備用路徑，當(dāng)工作路徑發(fā)生故障不能使用時(shí)，立即啟用備用路徑，并使用另一個(gè)工作路徑來(lái)構(gòu)建新的工作路徑，以達(dá)到正常傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。針對(duì)小型企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)，釆用遍歷算法來(lái)尋找最優(yōu)備用路徑，而對(duì)于中大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，采用遍歷算法就不可取，因?yàn)樾实拖掠趾臅r(shí)，不適合用來(lái)尋找最優(yōu)備用路徑，這也是未來(lái)的研究目標(biāo)之一，在單條工作路徑發(fā)生故障情況下尋找SMP-BP算法的最優(yōu)備用路徑。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王鳳華.多路徑傳輸管理技術(shù)的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2014.

[2] 趙晶，虞志剛，馮旭，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多路徑傳輸時(shí)延優(yōu)化調(diào)度算法研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2018，13（3）：264-271.

[3] 王鳳華，覃晨，張德，等.并發(fā)多路徑傳輸技術(shù)發(fā)展[J].通信技術(shù)，2017，50（8）：1599-1606.

[4] 張錦輝，鄧茜，李振宇.網(wǎng)絡(luò)編碼與多路徑傳輸在互聯(lián)網(wǎng)視頻直播中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2019，46（8）：171-177.

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