翟溪林

(山東農(nóng)業(yè)大學，山東 泰安 271000)

文章基于蟻群算法已有研究成果，提出基于蟻群算法的路由選擇算法，對推動在網(wǎng)絡路由優(yōu)化上蟻群算法的應用具有一定的實際應用價值。

1 路由機制的研究

根據(jù)OpenFlow網(wǎng)絡與傳統(tǒng)網(wǎng)絡互通的情況，需要這樣一種方案來實現(xiàn)OpenFlow網(wǎng)絡層的三層通信，即在OpenFlow控制器中加入路由模塊，在不同OpenFlow網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)不同IP網(wǎng)段間的通信[1-2]。

2 OpenFIow網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

在本網(wǎng)絡中，是利用鏈路層發(fā)現(xiàn)協(xié)議(Link Layer Discovery Protocol，LLDP)，OpenFlow交換機實現(xiàn)與對端的鏈路連接狀況和設備類型信息的周期性地互通，而利用交換機上傳的狀態(tài)信息，OpenFlow控制器便能對每一對端口間的連接情況予以掌握，從而將網(wǎng)絡的所有拓撲狀況獲取。依靠傳輸線，各節(jié)點互相連接是本結(jié)構(gòu)的特點，各節(jié)點與其他兩個及以上節(jié)點相接。可靠性高，結(jié)構(gòu)復雜，不過維護與管理不易。利用OpenFlow技術(shù)可對網(wǎng)絡資源與鏈路流量進行良好的分配，網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

胖樹拓撲結(jié)構(gòu)則是OpenFlow網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中心另一種常見的結(jié)構(gòu)。中心流量改變不小，而且多是傳統(tǒng)的基于樹形的網(wǎng)絡架構(gòu)，收斂比存在上下行間的帶寬，如此易堵塞網(wǎng)絡[3-4]。就樹形傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，胖樹不止一個根節(jié)點，有生長向上的多個左右節(jié)點，通信瓶頸因根節(jié)點而產(chǎn)生，越向上接近根節(jié)點，鏈路占用越大帶寬。故而，就中心網(wǎng)絡且無堵塞的建立，可用這一結(jié)構(gòu)。而下層節(jié)點鏈路帶寬之和，為上層節(jié)點帶寬，為較理想的胖樹結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 胖樹結(jié)構(gòu)示意

胖樹結(jié)構(gòu)具有良好的擴展性，且等分帶寬高、網(wǎng)絡直徑短，是十分典型的多級交換網(wǎng)絡，其分為從下至上的邊緣層、匯聚層和核心層3層。需要注意，從邊緣交換機向上連接，上層不少于兩個交換機與各個邊緣交換機相連，則是依靠鏈路，各層交換機間相連的。而讓邊緣及核心交換機間有均衡的流量，是整個網(wǎng)絡擁塞率減少的關鍵。本結(jié)構(gòu)能提供多條從同一源節(jié)點至目的節(jié)點的路徑，使容錯性較好，路徑多樣化。

3 基于蟻群算法的多路徑路由算法

本章將傳統(tǒng)的路由算法應用到OpenFlow網(wǎng)絡中，針對OpenFlow數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡的多路徑，給出基于蟻群算法的多路徑路由選擇算法。

3.1 蟻群算法原理及模型

蟻群算法的基本原理如下。

根據(jù)自然界螞蟻的尋路特征，螞蟻經(jīng)過每條路徑時留下的信息素有以下特征。

(1)螞蟻對信息素釋放量與路徑長度成反比關系。

(2)螞蟻釋放的信息素有揮發(fā)性，其質(zhì)量濃度會隨著時間變長而下降，從而對螞蟻選路的影響性越低。

由于信息素的影響，螞蟻通過最短路徑上留下的信息素濃度最高，而其他路徑上的長度比最短路徑要長，因此，螞蟻在其他路徑上留下的信息素濃度比最短路徑上的信息素質(zhì)量濃度低，隨著時間變長，信息素揮發(fā)。最終，所有螞蟻都會從最短路徑上經(jīng)過。

3.2 OpenFlow多路徑路由算法

基于蟻群算法，提出多路徑路由算法，整個路由選路過程如圖3所示。

圖3 路由過程

在整個OpenFlow網(wǎng)絡中，當邊緣節(jié)點有數(shù)據(jù)流進入時，控制器中會傳入有關節(jié)點信息，根據(jù)這些信息，控制器對源節(jié)點是否可直接至目的節(jié)點進行檢查，若不行，通過螞蟻進行尋路，最后會把至目的地的全部螞蟻記下，將最短路由即鏈路代價最短路徑篩選出。

4 仿真及分析

上文提出的多路徑算法是一種與OpenFlow數(shù)據(jù)中心相適應基于蟻群算法的路由算法，本章對其進行仿真。

在選擇源節(jié)點至目的節(jié)點的路徑時，基于蟻群算法的原理，經(jīng)對螞蟻選路滿足的條件予以判斷，將對帶寬要求滿足的后續(xù)節(jié)點選出，對下一跳節(jié)點的選擇則依照公式進行，對信息素更新，進行路徑篩選，最后是數(shù)據(jù)發(fā)送。

將這種算法應用在復雜數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡中，能在多路徑下創(chuàng)設合理的路由計算與查找以及將節(jié)點間的最短路徑問題妥善處理。不過，其會引起較長的最短路徑搜索時間，局部最優(yōu)解上也易收斂。為此，將一個條件即帶寬限制加入螞蟻尋路中，進行對帶寬要求滿足的后續(xù)節(jié)點搜索，將最優(yōu)路徑選出。

5 結(jié)語

文章基于OpenFlow網(wǎng)絡路由功能的需求，OpenFlow網(wǎng)絡中實現(xiàn)控制器路由機制的必要性及OpenFlow網(wǎng)絡的兩種不同拓撲結(jié)構(gòu)等基礎上，闡述了基于螞蟻算法的多路徑路由算法的特點、流程，并進行了仿真及分析，由于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中拓撲復雜，不少轉(zhuǎn)發(fā)流量的路徑就控制了流量，網(wǎng)絡有限，且不可利用多條路由進行流量轉(zhuǎn)發(fā)?；贠penFlow的特征，對提出的算法利用控制器加以調(diào)用，對路由集中計算，向多條路徑分配流量并轉(zhuǎn)發(fā)，使網(wǎng)絡鏈路利用率增加。