作者簡介：胡睿乾（1999－），男，山西臨汾人，碩士研究生，主要研究方向為路由算法；耿海軍（1983－），男（通信作者），山西晉中人，副教授，碩導(dǎo)，博士，主要研究方向為軟件定義網(wǎng)絡(luò)、路由算法和網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（ghj123025449@163.com）；宋艷濤（1989－），女，山西臨汾人，副教授，碩導(dǎo)，博士，主要研究方向為圖像處理、醫(yī)學(xué)影像分析．

摘 要：為了維護(hù)路由可用性，需要采取一定的路由保護(hù)策略來防止網(wǎng)絡(luò)故障可能對網(wǎng)絡(luò)造成的影響。因此，提出了一種基于節(jié)點偏序關(guān)系的路由可用性框架，該框架首先利用節(jié)點之間的偏序關(guān)系構(gòu)造有向無環(huán)圖，然后根據(jù)構(gòu)造的有向無環(huán)圖為每個節(jié)點計算備份下一跳節(jié)點。在此框架基礎(chǔ)上，根據(jù)節(jié)點之間的偏序關(guān)系提出了四種路由保護(hù)方法。實驗結(jié)果表明，四種路由保護(hù)算法都擁有較高的故障保護(hù)率，能有效降低故障造成的網(wǎng)絡(luò)中斷，在真實拓?fù)渲泄收媳Ｗo(hù)率可以到達(dá)89.76%，在模擬拓?fù)渲泄收媳Ｗo(hù)率達(dá)到98.995%，幾乎接近100%。

關(guān)鍵詞：路由可用性；網(wǎng)絡(luò)延遲；故障保護(hù)率；備份節(jié)點；路由保護(hù)

中圖分類號：TP309.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001－3695（2023）04－032－1160－05

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2022.08.0431

Abstract：In order to maintain routing availability，it need to adopt certain routing protection strategies to prevent the possible impact of network failures on the network.Therefore，this paper proposed a routing availability framework based on node bias order relationship，which first constructed a directed acyclic graph using the bias order relationship between nodes，and then calculated the backup next-hop node for each node based on the constructed directed acyclic graph.Based on this framework，this paper proposed four routing protection methods based on the biased order relationship between nodes.The experimental results show that all four routing protection algorithms have high fault protection rate and effectively reduce the network disruption caused by faults，which can reach 89.76% in the real topology and 98.995% in the simulated topology，almost close to 100%.

Key words：routing availability；network latency；fail-safe rate；backup node；route protection

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，人們將關(guān)注點從使用的手機逐步轉(zhuǎn)變到追求上網(wǎng)的體驗。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大部分是非實時應(yīng)用，它們對網(wǎng)絡(luò)的要求并不高，而現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大部分是實時應(yīng)用，例如在線游戲、在線視頻、網(wǎng)絡(luò)直播等。如果網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了故障，則會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)暫時性的中斷，影響用戶的上網(wǎng)體驗，因此，實時性應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)的要求很高，需要網(wǎng)絡(luò)提供高可靠性的保證。路由保護(hù)是指保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的路由，讓它們盡量避免受到故障的影響。為了保護(hù)路由，網(wǎng)絡(luò)中存在各種各樣的路由協(xié)議，主要分為兩大類：a）內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（IGP），如RIP—路由信息協(xié)議，屬于早期的動態(tài)路由協(xié)議，它的優(yōu)點是成本低、配置簡單，缺點是可能會導(dǎo)致路由環(huán)路等；b）外部網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP），運行在不同自治系統(tǒng)之間，優(yōu)點是可以實現(xiàn)不同自治系統(tǒng)之間的通信，缺點是成本高、配置復(fù)雜等。盡管網(wǎng)絡(luò)中存在這些路由協(xié)議，但也不可避免地會發(fā)生一些嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)事故，影響人們的上網(wǎng)體驗，干擾社會的正常生活秩序，甚至造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。另外，網(wǎng)絡(luò)層的故障恢復(fù)能力包括在控制平面上和在數(shù)據(jù)平面上，然而這些路由協(xié)議大部分工作在網(wǎng)絡(luò)中的控制平面上，控制平面機制在應(yīng)對故障時反應(yīng)緩慢[1]，故將研究重點放到了數(shù)據(jù)平面的恢復(fù)上。路由協(xié)議在發(fā)生故障時的收斂時間較長，一般在幾秒到幾十秒，而這樣的時間對現(xiàn)實的網(wǎng)絡(luò)需求而言往往是漫長的，面對實時應(yīng)用的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中可以容忍的時間在毫秒級甚至是微秒級乃至更短，收斂時間長可能會導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)包的交付延遲，路由協(xié)議不能及時作出反應(yīng)，會導(dǎo)致傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包丟失[2]，故障修復(fù)后又可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，對網(wǎng)絡(luò)的正常運行產(chǎn)生較大影響。

國內(nèi)外的研究人員提出利用路由保護(hù)策略解決路由故障的問題，主要包括基于逐條轉(zhuǎn)發(fā)和基于非逐條轉(zhuǎn)發(fā)[3]。無環(huán)備選項（loop free alternates，LFA）是廣受歡迎的逐條轉(zhuǎn)發(fā)路由保護(hù)策略，其是用一定的策略讓流量通過備份路徑轉(zhuǎn)發(fā)到目的地，無須改變現(xiàn)有的路由協(xié)議[4]，但有兩個缺點：a）一些流量無法在節(jié)點或鏈路中得到保護(hù)；b）在節(jié)點故障或多故障發(fā)生時可能會導(dǎo)致循環(huán)，且計算開銷比較大[5，6]。Not-Via是經(jīng)典的基于非逐條轉(zhuǎn)發(fā)策略[7]，但其計算復(fù)雜度較高，難以實際部署。多協(xié)議標(biāo)簽交換方案MPLS [8]可以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，但缺乏安全性和靈活性。國內(nèi)外學(xué)者還對軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software-defined network，SDN）中可能發(fā)生的故障設(shè)計了一些解決方案，例如通過將中斷的流量從故障鏈路重新路由到備用路徑上，從而減輕鏈路故障帶來的影響，但缺點是恢復(fù)時間尚不確定，且網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高[9]。

另外，快速重路由（fast reroute，F(xiàn)RR）機制在IP和MPLS網(wǎng)絡(luò)中被廣泛使用，在故障發(fā)生前提前計算恢復(fù)路徑，相比傳統(tǒng)方法更容易部署和擴展，也有著更高的效率和性能[10～12]。從這個角度出發(fā)，解決路由可用性的思路放在了如何提前為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點計算大于等于兩個備份節(jié)點的上面。

現(xiàn)有的路由保護(hù)方案雖然可以在一定程度上避免路由故障帶來的網(wǎng)絡(luò)中斷，但在數(shù)據(jù)恢復(fù)過程中，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)往往可能會產(chǎn)生環(huán)路，這就大大降低了路由的可用性，況且其實現(xiàn)煩瑣、效率低下且成本高昂。為了解決這些問題，需要設(shè)計一種方案來避免數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)循環(huán)且便于部署，而基于節(jié)點偏序關(guān)系的保護(hù)方案可以完美實現(xiàn)以上目的，通過定義節(jié)點之間的偏序關(guān)系，優(yōu)化數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)策略，不僅可以規(guī)避網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的路由環(huán)路，而且其實現(xiàn)簡單，具有良好的應(yīng)用前景。

針對以上分析和研究，本文提出基于節(jié)點偏序關(guān)系的路由可用性框架，重點放在如何提高路由的可用性，進(jìn)而減少網(wǎng)絡(luò)故障所帶來的影響。本文算法側(cè)重于提前為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械拿總€節(jié)點計算盡可能多的備份下一跳節(jié)點，通過設(shè)計不同的方案來尋求最佳的算法性能，與傳統(tǒng)方法相比，路由收斂時間短，故障保護(hù)率較高，進(jìn)而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡[13]，減少故障發(fā)生時的保護(hù)切換時間，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速恢復(fù)[14]。

Ohara等人[15]提出了最大可替代路由算法，受此啟發(fā)，本文提出了基于節(jié)點偏序關(guān)系的路由可用性框架，在路由保護(hù)方面作出的創(chuàng)新點和貢獻(xiàn)如下：

a）與其他路由保護(hù)方案相比，本文的創(chuàng)新點在于提出了基于節(jié)點偏序的路由保護(hù)框架，利用偏序關(guān)系可以更好地處理排序問題這一思想，可以有效避免數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)過程中可能出現(xiàn)的路由環(huán)路，通過設(shè)計不同的節(jié)點選擇規(guī)則來實現(xiàn)節(jié)點偏序關(guān)系，更有利于在實際中的部署和實施。

b）將路由保護(hù)方案與求最短路徑的Dijkstra算法相結(jié)合，使得本文算法在選擇加入的節(jié)點時必須在之前通過Dijkstra算法計算出來的最短路徑集合的節(jié)點中進(jìn)行選擇，這樣保證了選擇節(jié)點的高效，節(jié)約運行成本。

c）在真實拓?fù)浜湍M拓?fù)渖线M(jìn)行了實驗，驗證該路由保護(hù)框架具有較高的故障保護(hù)率和平均備份節(jié)點數(shù)，且該算法較靈活，擴展性強。

DC算法[4]是目前比較受歡迎的一種路由保護(hù)規(guī)則，它的核心是滿足cost（x，d）lt;cost（s，d）的節(jié)點x將作為節(jié)點s的備份下一跳節(jié)點，其中cost（s，d）是指從起始節(jié)點s到目的節(jié)點d的最短路徑上的權(quán)重和，核心式子中的x是起始節(jié)點s的鄰居節(jié)點。為了進(jìn)一步說明本文提出的基于節(jié)點偏序關(guān)系的路由可用性保護(hù)方案取得的良好效果，實驗部分將本文算法與DC算法進(jìn)行比較，通過兩個重要的評價指標(biāo)來說明本文算法的優(yōu)勢。

1 網(wǎng)絡(luò)模型和問題描述

表1是本文用到的一些符號描述。

在該LP模型中，式（6）是要解決的目標(biāo)函數(shù)，式（7）～（12）是約束條件。其中，式（7）說明本文方案針對的是有向無環(huán)圖；式（8）對應(yīng)上述條件式（1），（）是截取方法，里面參數(shù)是以v節(jié)點為目的節(jié)點構(gòu)造的最短路徑樹，里層的∑是對單個節(jié)點到目的節(jié)點的最短路徑樹進(jìn)行截取，外層∑是累加所有節(jié)點到目的節(jié)點的最短路徑樹線段；式（9）和（10）是約束節(jié)點偏序關(guān)系，式（9）說明集合S非空并且里面的節(jié)點都滿足小于的偏序關(guān)系，式（10）是對節(jié)點偏序關(guān)系做進(jìn)一步的解釋；式（11）和（12）是在約束只有滿足條件式（1）（2）的節(jié)點才可以加入到最后的輸出序列中。

2 基于節(jié)點偏序關(guān)系的路由可用性框架

本文框架的大致思路是：首先計算拓?fù)渲幸阅骋稽c為根的最短路徑樹；然后通過循環(huán)遍歷與輸出集合相連的且在其最短路徑樹上的節(jié)點，選擇滿足算法篩查規(guī)則的節(jié)點；最后將其加入到輸出集合中，并按節(jié)點加入集合的順序進(jìn)行編號。

2.1 算法思想

為了達(dá)到路由保護(hù)的目的，一個直觀的想法是提前給每個節(jié)點計算它到目的節(jié)點的最短路徑，然后給每個節(jié)點以它的最短路徑樹為基礎(chǔ)再尋找其他的下一跳節(jié)點，但這會帶來很多問題：a）計算策略需要重新規(guī)劃，而且不能保證路徑可以達(dá)到目的節(jié)點；b）可能產(chǎn)生路由環(huán)路，造成網(wǎng)絡(luò)擁塞和資源的浪費；c）計算開銷大，算法具有很大的不確定性。

因此實現(xiàn)上章LP模型的關(guān)鍵在于要滿足給定的約束條件，它們貫穿在本文算法中，算法的總體思想包括以下幾個步驟：

a）確定初始節(jié)點v0并對后續(xù)可能用到的集合做初始化工作，根據(jù)最短路徑樹截取成最短路徑線段的集合。

b）開始時S={v0}≠，判斷其余節(jié)點與v0節(jié)點構(gòu)成的線段是否在步驟a）計算出來的最短路徑線段集合中，將其加入到備選節(jié)點集合中。

c）在備選節(jié)點集合中選擇滿足算法篩查規(guī)則的節(jié)點，將最優(yōu)的節(jié)點加入到輸出序列S中，同時用另一個集合記錄節(jié)點的下一跳節(jié)點。

d）在輸出節(jié)點中確定節(jié)點的偏序關(guān)系并編號，同時判斷節(jié)點的下一跳節(jié)點是否滿足節(jié)點偏序關(guān)系，最后輸出算法結(jié)果。

通過上述四個步驟可以大致知道算法的運行流程，輸出數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)序列，下面詳細(xì)說明步驟中的兩個重要問題。

問題1 如何確定算法篩查規(guī)則。算法篩查規(guī)則是選擇輸出節(jié)點的關(guān)鍵，由篩查規(guī)則選出滿足算法要求的最優(yōu)節(jié)點。本文首先設(shè)計了一個算法框架，并由此擴展了四種方法用來比較哪個能得到最優(yōu)的篩查結(jié)果。以第一種方案為例，如圖2所示的拓?fù)鋱D，創(chuàng)建空列表S，d為目的節(jié)點，將d加入S集合中。在選擇之后加入的節(jié)點時，要保證：a）是集合S的鄰接節(jié)點；b）滿足最短路徑線段的節(jié)點；c）與S集合相連邊數(shù)最多的節(jié)點。

下面分別在真實拓?fù)浜湍M拓?fù)渲斜容^每個算法在每個拓?fù)渲械钠骄鶄浞莨?jié)點數(shù)的情況，圖3是在真實拓?fù)湎碌谋容^情況。

通過上述五個算法在真實拓?fù)渲械膶嶒灲Y(jié)果可以看出，前四種算法的實驗結(jié)果都要比DC算法性能要好，且它們主要分為以下五類：

a）前四種算法的平均備份節(jié)點數(shù)一樣。圖3（a）中的Atmnet、Belnet2004，圖3（b）中的NJLATA這三個拓?fù)渲校@四個算法的平均備份節(jié)點數(shù)是一樣的。

b）在Sunet拓?fù)渲?，RPP-MTMIN和RPP-MTHMAX算法略微比RPP-MAX和RPP-MTMAX的6.791 67好，為6.875，而DC算法的結(jié)果只有5.458。

c）算法比較結(jié)果為RPP-MTMAX=RPP-MAXgt;RPP-MTMINgt;RPP-MTHMAXgt;DC。在AttMpls和TataNld拓?fù)渲?，RPP-MTMAX和RPP-MAX算法是一樣的，分別是21.8和41.727 94，RPP-MTMIN次之，然后是RPP-MTHMAX，最后是DC算法。

d）算法比較結(jié)果為RPP-MTMAX=RPP-MAXgt;RPP-MTHMAXgt;RPP-MTMINgt;DC。這種情況全部在圖3（b）中的SwitchL3、USLD和TORONTO拓?fù)洹?/p>

e）除了上述四種情況外，剩下的拓?fù)渚鶠镽PP-MTMAX和RPP-MAX算法性能一樣，都優(yōu)于RPP-MTHMAX和RPP-MTMIN的性能，且后兩者性能也一樣，它們四種算法同樣都優(yōu)于第五種DC算法，即RPP-MTMAX=RPP-MAXgt;RPP-MTHMAX=RPP-MTMINgt;DC。圖4是度為4的模擬拓?fù)渲械谋容^結(jié)果，橫坐標(biāo)代表拓?fù)渲械墓?jié)點數(shù)量，總共有五個拓?fù)?，?jié)點數(shù)量分別為20、40、60、80和100。由實驗結(jié)果可以看出，隨著節(jié)點數(shù)量的增加，五種算法的平均備份節(jié)點數(shù)都呈現(xiàn)線性增加。實驗結(jié)果表明，節(jié)點為20時，前四種算法求得的平均備份節(jié)點數(shù)一致，都為18，而DC算法的平均備份節(jié)點數(shù)只有16.85。在拓?fù)涔?jié)點數(shù)分別為40、60、80時，五種算法性能為RPP-MTMAX=RPP-MAXgt;RPP-MTHMAX=RPP-MTMINgt;DC，當(dāng)拓?fù)涔?jié)點為100時，RPP-MTHMAX算出的平均備份節(jié)點數(shù)為94.24，略好于RPP-MTMIN的94.2，RPP-MTMAX和RPP-MAX是最優(yōu)的，為96.87，而DC算法的結(jié)果只有83.31。

隨著拓?fù)涔?jié)點的逐漸遞增，RPP-MTMAX和RPP-MAX與RPP-MTHMAX和RPP-MTMIN的差距逐漸拉開（圖4），因此考慮拓?fù)涓蟮那闆r（圖5）。

圖5結(jié)果表明，在節(jié)點數(shù)量為200，度為2的拓?fù)渲?，這兩類算法的差距是最大的，其中RPP-MTHMAX計算出來的平均備份節(jié)點數(shù)為128.3，略強于RPP-MTMIN的127.815。度為2和4的拓?fù)湓赗PP-MAX和RPP-MTMAX中的比較結(jié)果均是RPP-MTMAXgt;RPP-MAX。由圖5還可以看出，當(dāng)拓?fù)浯笮〔蛔儠r，隨著度數(shù)的增加，RPP-MTMAX和RPP-MAX與RPP-MTHMAX和RPP-MTMIN的差距在很快減小，當(dāng)拓?fù)涠葹?2時，它們之間的差距只有0.17，DC算法結(jié)果最低，為194.075。由圖4、5還可看出，雖然隨著拓?fù)涔?jié)點數(shù)量和節(jié)點度的增加，DC算法所得到的平均備份節(jié)點數(shù)也在不斷增加，但上述四種算法均優(yōu)于DC算法。

3.2.2 故障保護(hù)率

當(dāng)故障發(fā)生時，如果路由器擁有大于或等于兩個下一跳路由器，這樣就稱這個路由器是被保護(hù)的。故障保護(hù)率指的是在一個拓?fù)渲?，被保護(hù)的節(jié)點數(shù)量與總節(jié)點數(shù)量之比。利用之前的真實拓?fù)渑c模擬拓?fù)淅^續(xù)做實驗，比較每個算法的實驗結(jié)果如圖6所示。

圖6（a）（b）是在真實拓?fù)湎碌膶嶒灲Y(jié)果，圖6（c）（d）是在模擬拓?fù)鋵嶒炏碌慕Y(jié)果。兩者結(jié)果都表明，這五個算法中，前四者的運行結(jié)果均優(yōu)于DC算法，且前四個算法大致可以分為兩類，其中RPP-MTMAX和RPP-MAX性能接近，均優(yōu)于第二類算法。第二類算法為RPP-MTHMAX和RPP-MTMIN，它們的性能不如第一類算法，且它們的性能表現(xiàn)在某些拓?fù)渖蠒晕⒂兴煌?。在圖6（c）中，兩類算法隨著拓?fù)涔?jié)點數(shù)量的增多，計算出來的故障保護(hù)率差異也越來越大，而DC算法的結(jié)果都不如這兩類算法，且性能沒有本文算法穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)束語

本文提出了基于節(jié)點偏序關(guān)系的路由可用性框架，通過與DC算法的對比可以看出，該框架可以有效保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點免受故障影響，從而提高路由可用性。實驗部分比較了平均備份節(jié)點數(shù)和故障保護(hù)率兩個指標(biāo)，四種算法均優(yōu)于DC算法，且它們大致可以分為兩類，第一類是RPP-MTMAX和RPP-MAX算法，它們的性能都強于第二類的RPP-MTHMAX和RPP-MTMIN算法。對于模擬拓?fù)湓诙葹?時，隨著拓?fù)涔?jié)點增加到100，這兩類算法差距越來越大。本文RPP-MTMAX和RPP-MAX算法對于中小型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)而言是比較適合的，對于大型網(wǎng)絡(luò)而言四種算法都具有不錯的性能。綜合來看，本文算法通過給節(jié)點編號，避免了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)可能出現(xiàn)環(huán)路的情況，通過算法策略，在盡可能節(jié)約網(wǎng)絡(luò)開銷的情況下，提高節(jié)點應(yīng)對故障的能力。下一步研究的重點將放在本文算法時間復(fù)雜度的優(yōu)化上，另外，如何提高節(jié)點在發(fā)生故障時的應(yīng)變能力，這對于本文算法的改進(jìn)將產(chǎn)生重要影響。

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