基于數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)多拓?fù)渎酚伤惴ㄑ芯颗c分析

李煥(咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，咸陽(yáng) 712000)

基于數(shù)據(jù)通信的網(wǎng)絡(luò)多拓?fù)渎酚伤惴ㄑ芯颗c分析

李煥
(咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，咸陽(yáng) 712000)

近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得多拓?fù)渎酚梢殉蔀榉浅Ｖ匾土餍械膯?wèn)題。在網(wǎng)絡(luò)地理事件中，路由流失發(fā)生后即使穩(wěn)定了也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的影響。對(duì)這項(xiàng)工作涉及的一些問(wèn)題提出了一套算法，使用多拓?fù)渎酚?MTR)預(yù)測(cè)大的地理事件和切換到虛擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少路由的變化可能會(huì)導(dǎo)致連接到一個(gè)新的鏈路狀態(tài)和最短路徑樹(shù)的建立。使用多拓?fù)渎酚?，已?jīng)表明，在地理事件中被丟棄的連接的數(shù)目可以顯著降低，從而降低了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的剩余部分的影響。

多拓?fù)渎酚桑?虛擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 鏈路狀態(tài)

0 引言

分布式計(jì)算系統(tǒng)已經(jīng)成為信息技術(shù)發(fā)展的重要方面?；旧嫌袃深惥W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌何锢硗負(fù)浣Y(jié)構(gòu)和邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)與系統(tǒng)相關(guān)的硬件，包括工作站、遠(yuǎn)程終端、服務(wù)器以及相關(guān)的資產(chǎn)之間的布線[1]。相反，邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?qiáng)調(diào)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)流的表示。物理拓?fù)涠x系統(tǒng)是物理連接的。這意味著通過(guò)實(shí)際的電纜傳輸數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的裝置的排列。

1 幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這8種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。下面對(duì)這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述?；A(chǔ)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不再贅述，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型、總線型、星型、環(huán)型、網(wǎng)狀型、樹(shù)型、混合型、菊花鏈?zhǔn)健?/p>

星型網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)的方式連接到一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)上[2]，如圖1所示。

由該中央節(jié)點(diǎn)向目的節(jié)點(diǎn)傳送信息。網(wǎng)絡(luò)中所有鏈路都正常工作時(shí)網(wǎng)絡(luò)才保持連通，即網(wǎng)絡(luò)可靠性，如式(1)。

RCstar(N)=(e-λt)N-1=e-(N-1)λt

(1)

在環(huán)型拓?fù)渲?，所有的?jié)點(diǎn)或設(shè)備都相互連接成一個(gè)圓，如圖2所示。

圖1 星型拓?fù)?/p>

圖2 環(huán)型拓?fù)?/p>

各節(jié)點(diǎn)通過(guò)環(huán)路接口連在一條首尾相連的閉合環(huán)型通信線路中，環(huán)路中各節(jié)點(diǎn)地位相同，環(huán)路上任何節(jié)點(diǎn)均可請(qǐng)求發(fā)送信息，請(qǐng)求一旦被批準(zhǔn)，便可以向環(huán)路發(fā)送信息[3]。數(shù)據(jù)從一個(gè)設(shè)備傳遞到環(huán)布局的下一個(gè)，直到它到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。使公共傳輸電纜組成環(huán)形連接，數(shù)據(jù)在環(huán)路中只能單向傳輸[5]。對(duì)于有N個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，鏈路數(shù)為N，節(jié)點(diǎn)的度為2，對(duì)于模塊化也比較方便，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)稱[4]。對(duì)于鏈路組成的環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的可靠性，如式(2)。

RCring(N)=(e-λt)N=e-Nλt

(2)

圖3 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被廣泛傳播并被分成許多分支時(shí)，樹(shù)結(jié)構(gòu)最適合，是一種分級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 樹(shù)

在樹(shù)型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不產(chǎn)生回路，每條通路都支持雙向傳輸。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是擴(kuò)充方便、靈活，成本低，易推廣，適合于分主次或分等級(jí)的層次型管理系統(tǒng)[8]。即網(wǎng)絡(luò)可靠性，如式(3)。

RCtree(N)=(e-λt)N-1=e-(N-1)λt

(3)

混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由一個(gè)或多個(gè)互連的兩個(gè)或兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)是基于不同的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)或多個(gè)互連的兩個(gè)或兩個(gè)以上的網(wǎng)絡(luò)是基于相同的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7]，但是，從這樣的互連產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不符合互連網(wǎng)絡(luò)的原始物理拓?fù)涞亩x。一個(gè)主要的缺點(diǎn)是通常比其他網(wǎng)絡(luò)更昂貴，因?yàn)樗昧似浣M件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。它比其他類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要更多布線之間的硬件設(shè)備。混合網(wǎng)絡(luò)很難建立和排除故障。

一個(gè)菊花鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是所有的設(shè)備都是以鏈狀或環(huán)形的方式連接的，如圖6所示。

圖6 菊花鏈拓?fù)?/p>

主控制器連接到從設(shè)備，這反過(guò)來(lái)又連接到另一從設(shè)備，連接到另一個(gè)從設(shè)備，等等。如果該環(huán)在某一特定鏈路上斷開(kāi)，則該傳輸可以通過(guò)反向路徑發(fā)送，從而確保所有節(jié)點(diǎn)在一次故障的情況下總是連接在一起。如果你想在鏈或環(huán)中添加裝置，網(wǎng)絡(luò)將在過(guò)程中下降。這些網(wǎng)絡(luò)的布線一般都是放在開(kāi)放的空間，因此可能更容易受到意外斷開(kāi)了。

更具體地說(shuō)，我們使用多拓?fù)渎酚?MTR)，是為了防止與地理相關(guān)的故障問(wèn)題。簡(jiǎn)單地說(shuō)，在其框架中，我們創(chuàng)建了一系列的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可能是有用的，在網(wǎng)絡(luò)中用于潛在的破壞性事件處理。我們可以通過(guò)增加鏈接權(quán)重在特定的地理區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)中?？偟男Ч菍⒆疃搪窂綐?shù)(SPT)遠(yuǎn)離受影響地區(qū)的拓?fù)?。了解鏈路狀態(tài)路由協(xié)議中的鏈路或節(jié)點(diǎn)故障時(shí)發(fā)生什么是必要的。首先，檢測(cè)鏈路或節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化(如中斷)發(fā)生。其次，受影響的路由器將創(chuàng)建鏈路狀態(tài)廣播LSA發(fā)送給他們的鄰居。此信息將被淹沒(méi)在路由區(qū)域，直到所有路由器具有相同的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)[9]。如果數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)生變化，每個(gè)路由器根據(jù)新的數(shù)據(jù)庫(kù)獨(dú)立地計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑樹(shù)。

如果發(fā)生多個(gè)中斷，可能會(huì)發(fā)生一些事情，上述恢復(fù)過(guò)程有負(fù)面影響。首先，涉及多個(gè)鏈接，鏈接可能會(huì)表現(xiàn)出重復(fù)和間歇性故障導(dǎo)致鏈接的拓?fù)湫袨閇10]。這種行為通常會(huì)導(dǎo)致頻繁的路由變化，導(dǎo)致路由不穩(wěn)定。如果中斷是非常重要的，多個(gè)LSA將淹沒(méi)在網(wǎng)絡(luò)造成的最短路徑優(yōu)先(SPF)計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的重復(fù)運(yùn)行[11]。這是通常被稱為SPF節(jié)流，其可以導(dǎo)致較長(zhǎng)的收斂時(shí)間[12]。

調(diào)制信號(hào)就是把消息信號(hào)加載到高頻電磁波信號(hào)上，高頻電磁波利于傳播而且損耗小，該信號(hào)稱為載波信號(hào)。載波隨著消息信號(hào)改變?nèi)ジ淖?，即調(diào)節(jié)載波的幅度、頻率或相位。調(diào)制后的信號(hào)又稱為已調(diào)信號(hào)，通過(guò)調(diào)制，消息信號(hào)的頻譜被搬移到了更高的頻段上[1]。

2 拓?fù)渖伤惴?/h2>

由于有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括覆蓋多拓?fù)渎酚煞椒?gcMTR)和具體目標(biāo)的多拓?fù)渎酚傻姆椒?gtMTR)。在gcMTR，N的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被創(chuàng)建，每個(gè)可以避免網(wǎng)絡(luò)中的地理區(qū)域。gtMTR方法使用現(xiàn)有的知識(shí)對(duì)特定事件建立一個(gè)拓?fù)涞哪繕?biāo)，它是一個(gè)特定的地理區(qū)域。這里使用的符號(hào)是：G(V,E)：節(jié)點(diǎn)V和邊E(鏈路)的網(wǎng)絡(luò)圖。

N：gcMTR或gtMTR所需的拓?fù)鋽?shù)。

Vi：脆弱區(qū)中心i

Ti：MTR拓?fù)鋓

Dij：Vi與Ti鏈路上最近點(diǎn)之間的距離j

Wij：對(duì)于Ti鏈路j上的鏈路權(quán)重

算法1(gcMTR)創(chuàng)建一組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提供覆蓋整個(gè)網(wǎng)絡(luò)防各種地理事件。避免基于覆蓋計(jì)劃，可以配置一個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)。算法2(gtMTR)利用知識(shí)對(duì)特定事件類型創(chuàng)建專門為某個(gè)事件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。避免基于自定義預(yù)定義的地理事件的位置列表。

為了實(shí)現(xiàn)快速切換過(guò)程中的事件，它將需要路由器維護(hù)，可用于所有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[14]。為了最大限度地減少可以使用在路由器處理的方法。不使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的計(jì)算應(yīng)優(yōu)先低于使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

有3個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)證明的拓?fù)渖伤惴ㄈ鐖D7所示。第一個(gè)是一個(gè)5×5網(wǎng)格，這是用于說(shuō)明目的。圖7a顯示5×5網(wǎng)格拓?fù)?默認(rèn)所有鏈接的權(quán)重的一個(gè))。綠色顯示鏈接權(quán)重。SPT源節(jié)點(diǎn)為4。當(dāng)?shù)乩硎录l(fā)生時(shí)，我們假設(shè)一個(gè)區(qū)域中的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)被刪除。這可能在以一個(gè)最小的方式影響默認(rèn)的SPT，如圖7b所示；路由節(jié)點(diǎn)20和節(jié)點(diǎn)21時(shí)的影響，10，11，15，16被刪除。圖7c，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的脆弱點(diǎn)Vi=(22, 57)，半徑為R=20。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將脆弱點(diǎn)移動(dòng)到樹(shù)的葉子上。然而，當(dāng)節(jié)點(diǎn)1，2，6，7刪除，圖7d表明路由到10，11，12，15，16，17，20，21，22是由SPT變化影響的。顯然，相對(duì)于SPT的主要部分的漏洞是位置的影響。圖7e中顯示的5×5網(wǎng)格與一個(gè)脆弱點(diǎn)生成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Vi=(40，24)，半徑為R=20。

a 默認(rèn)拓?fù)?/p>

b 網(wǎng)絡(luò)與周圍的節(jié)點(diǎn)(22，57)與半徑r=20刪除

c 拓?fù)鋭?chuàng)建Vi=(22，57)與半徑R=20

d 網(wǎng)絡(luò)與周圍的節(jié)點(diǎn)(40，24)與半徑R=20刪除

e 拓?fù)鋭?chuàng)建與Vi=(40，24)與半徑R=20圖7 SPT源= 4，SPT的鏈接是固體，鏈接權(quán)重顯示

使用選定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如表1所示。類似于實(shí)際事件的改進(jìn)。一般來(lái)說(shuō)，值得注意的是，如果事件斷開(kāi)連接的是默認(rèn)SPT的重要組成部分，改善均顯著優(yōu)于如果項(xiàng)目位于SPT的葉子。事件2破壞了默認(rèn)的路徑。被選中的拓?fù)渎酚蛇B接這方面改善斷開(kāi)服務(wù)的數(shù)量顯著。事件中的平均路徑距離，如表2所示。默認(rèn)拓?fù)渲械木嚯x是最短的，在事件或選定拓?fù)渲杏懈嗟倪x項(xiàng)。

表1 在連接中丟失概率事件

表2 平均路徑長(zhǎng)度

3 ATT L1網(wǎng)絡(luò)中評(píng)估

在ATT L1網(wǎng)絡(luò)中，一系列的8種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是以相似的方式作為ATT L1網(wǎng)絡(luò)覆蓋的計(jì)劃。如圖8所示。圖8a顯示了8個(gè)地點(diǎn)的網(wǎng)格(Vi)和半徑(Ri)用于創(chuàng)建覆蓋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖8b顯示ATT L1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?默認(rèn)所有鏈接的權(quán)重= 1)。圖8c顯示事件后的SPT。圖8d通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，而源顯示Vi=(-92，33)，半徑為3.5。圖8e顯示在事件4下源的SPT。在此事件下1，3地區(qū)的節(jié)點(diǎn)和鏈接被刪除。圖8f，通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇源創(chuàng)建的SPT，顯示Vi=(-92，41)，半徑為3.5。

如表3所示。使用事件1的選定拓?fù)涞膶?shí)際連接的百分比增加。發(fā)生這種情況有兩個(gè)原因。首先，選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與該事件的面積不匹配。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇(見(jiàn)圖8a位置(-92,33))為中心的南部明顯為實(shí)際事件的中心。第二，事件本身并沒(méi)有減少兩大分支的SPT，穿越網(wǎng)絡(luò)從東到西。該拓?fù)鋵?shí)際上重新路由連接到事件發(fā)生區(qū)域的北部。這可以在圖8c圖8d觀察到。

a 拓?fù)涓采w計(jì)劃

b 默認(rèn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

c 事件= 1，位置(-89.5 36.6)，半徑為3.8

d 所選擇的拓?fù)銿i=(-92，33)，半徑為3.5

e 事件4，位置=(-90，40)，半徑為3.5

f 所選擇的拓?fù)銿i=(-92，41)，半徑為3.5圖8 ATT L1網(wǎng)絡(luò)，SPT的鏈接是固體，鏈接權(quán)重顯示

同時(shí)在表V，值得注意的是，SPT的一個(gè)主要分支，顯著改善了通過(guò)切換到選定的拓?fù)淦陂g。丟棄的連接數(shù)從20.5%更改為1.2%。其他兩個(gè)事件也表現(xiàn)出顯著的改善。在較大的網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估過(guò)程中，它似乎所選擇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比在事件發(fā)生時(shí)的脆弱點(diǎn)更傾向于進(jìn)一步路由周圍的流量。路徑長(zhǎng)度在選定拓?fù)渲猩蚤L(zhǎng)，如表4所示。

當(dāng)事件大小與拓?fù)浯笮〔灰恢聲r(shí)，使用默認(rèn)拓?fù)浜瓦x定拓?fù)涞倪B接百分比下降[13]。更值得探究的是，當(dāng)事件大小小于拓?fù)浒霃綍r(shí)，性能與匹配的事件大小沒(méi)有大的不同。然而，當(dāng)事件的大小顯著大于拓?fù)浒霃?，性能迅速退化。?dāng)事件小于拓?fù)浒霃綍r(shí)，拓?fù)溆行У乩@過(guò)事件。但是，當(dāng)事件顯著大于拓?fù)浒霃剑負(fù)浣Y(jié)構(gòu)不路由交通從事件的適當(dāng)距離。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，性能下降接近默認(rèn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能[15]。

表3 事件中連接丟失的概率

表4 平均路徑長(zhǎng)度

4 總結(jié)

在本文中，被認(rèn)為是不同類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能和研究。多拓?fù)渎酚?MTR)可以用來(lái)提高性能，這些改進(jìn)是通過(guò)保持額外的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)增加網(wǎng)絡(luò)中的特定區(qū)域的鏈路權(quán)重創(chuàng)建。這具有推動(dòng)該區(qū)域周圍最短路徑樹(shù)的效果，限制節(jié)點(diǎn)在該區(qū)域突然失去服務(wù)時(shí)被斷開(kāi)的連接量。可以創(chuàng)建多個(gè)拓?fù)鋪?lái)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)事件。當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被選中時(shí)，明顯的地理事件已經(jīng)發(fā)生。移至新的SPT導(dǎo)致事件的影響達(dá)到最小化。從本質(zhì)上講，在地理事件中網(wǎng)絡(luò)流失的數(shù)量將會(huì)減少。提出3種算法。兩種算法gcMTR和gtMTR提供的方法來(lái)創(chuàng)建的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋的方法和有針對(duì)性的方法，可以用來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)特定的事件。第三算法指定了一個(gè)方法來(lái)檢測(cè)一個(gè)地理事件，并選擇一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用。

我們計(jì)劃實(shí)施這些算法模擬，以評(píng)估他們?nèi)绾卧谝粋€(gè)更逼真的設(shè)置中執(zhí)行。生成高效的覆蓋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化的大小，數(shù)量和位置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是必要的。本文提供了一些處理拓?fù)湎嚓P(guān)問(wèn)題的分析方法的知識(shí)。在本討論中所涉及的技術(shù)可以適應(yīng)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。這項(xiàng)研究工作也可以進(jìn)一步擴(kuò)展。

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AStudyandAnalysisonComputerNetworkMulti-TopologyRoutingAlgorithmforDataCommunication

Li Huan
(Xianyang Vocational Techical College, Xianyang 712000)

In recent days for computing, multi-topology routing has become very important and popular. During large geographic events in networks, the routing churn that occurs has been shown to cause signifificant impacts the following events, after stabilization. This work addresses some of those problems by proposing a set of algorithms that use multi-topology routing (MTR) to predict large geographic events and switch to virtual topologies. It can reduce the impact of routing changes that can result in dropped connections until a new link state, and the shortest path trees can be established. Using multi-topology routing, we have been able to show that the number of connections that are dropped during a geographic event can be reduced signifificantly, which reduces the impact to the remaining part of the network.

Multi-Topology Routing; Virtual Topologies; Link State

李 煥(1980-)，女，陜西富平人，碩士，講師。研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

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2017.04.28)