基于SMP-BP算法的多路徑傳輸網可靠性測量研究

李小玲

摘要：隨著計算機技術和通信技術的發展，基于云的通信和網絡中數據傳輸，數據安全尤為重要。在進行數據傳輸時，一組沒有交叉的信道或路徑所花費的時間小于在一條路徑上所花費的時間。多路徑傳輸網絡（MTN）在我們的日常生活中得到了廣泛的應用，如移動自組網、基于云的應用以及多協議標簽交換網絡等。然而，MTN很容易受到錯誤或網絡故障的影響，這將極大地影響數據傳輸的效率，甚至有時會發生系統故障。為了使傳輸中數據更加安全可靠，有必要對數據傳輸效率進行可靠性測量研究。該文通過k條不交叉的路徑進行并行傳輸，引用SMP-BP算法啟用備份路徑來確保數據安全傳輸，這意味著任何兩條路徑都沒有相同的鏈路，可以有效保證的數據傳輸可靠性。如果有一些故障，可以啟用備用路徑。

關鍵詞：SMP-BP算法;多路徑傳輸網;可靠性;效率;容錯

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0052-02

1 引言

隨著計算機技術和通信技術的發展及相互結合，網絡接入技術和種類也豐富多彩，如泛在網絡（Ubiquitous Network），包括無線廣域網（Wireless Wide Area Network，WWAN）、無線城域網（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）、無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）、無線個域網（Wireless Personal Area Network，WPAN）、移動自組織網絡（Mobile Ad Hoc Network，MANET）、衛星網絡、無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）等[1]。每-種網絡接入時存在有著較大差別，如時延、帶寬、覆蓋范圍、資費等方面。

多路徑傳輸網絡（MTN）在我們的日常生活中得到了廣泛的應用，如移動自組網、基于云的應用以及多協議標簽交換網絡等。目前國內、外學術界越來越多地關注MTN，因為MTN是一種新技術，能有效提高通信網絡資源利用率。在相同的條件下，整合泛在網絡的資源并進行優化利用，在某種程度上對傳輸的可靠性和吞吐量性能方面都有所提高，卻對網絡資源管理方面的加深難度。而多路徑傳輸資源調度算法在為每條路徑分配網絡通信資源，有較大資源不能充分得到使用，故急需對多路徑傳輸資源調度算法進行優化[2]。對可靠性的測量進行了一些研究。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使用兩個單獨的路徑作為工作耦合，其中最小路徑沒有交叉作為備份路徑。在SPR（最短路徑恢復）、PIR（部分信息恢復）和CIR（完全信息恢復）網絡中，支持端到端基于路徑的連接恢復。如果有任何錯誤，備份路徑將被觸發。將在網絡中建立具有備份路徑功能的新路徑或路由。

在現實計算機網絡中，真正運行工作路徑有可能會出現逐條路徑發生故障，單靠一條工作路徑發生故障概率就較大。但是多條工作路徑并行發生故障概率情況較少，故國內外研究專家在考慮單條工作路徑發生故障時怎樣啟用和選擇備用路徑等相關問題[3]。

2 本文研究的具體內容

本課題研究是為了使計算機網絡在單條工作路徑發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，簡稱SMP-BP）算法使用兩條不相交的最小路徑作為工作路徑對，且使用跟工作路徑對不相交的另一條最小路徑作為備選可用路徑。無論在任何情況下，出現計算機網絡中任一條工作路徑發生故障時，就會快速選擇備用路徑并啟用它，即備用路徑將和另一條發生故障的工作路徑構成一個新的工作路徑對，故計算機網絡傳輸中仍然有兩條工作路徑對數據進行可靠性傳輸。其主要研究內容如下：

（1）對網絡可靠性測量進行一些研究。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采用兩個獨自的工作路徑作為工作路徑聚合，采用最小路徑即沒有交叉作為備份路徑。在SPR（Shortest Path Restoration，簡稱SPR）、PIR（Partial Information Restoration，簡稱PIR）和CIR（Complete Information Restoration，簡稱CIR）網絡中，基于路徑的連接恢復機制采用端到端方法。如果有任何錯誤，備份路徑將被觸發。故在計算機網絡中需要建立備份路徑功能的新路徑或路由勢在必行。

（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，簡稱SSMP-BP）改進算法。SSMP-BP的設計是為了保證當第二路徑失效時數據的傳輸。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。當某條鏈路發生故障，立即啟用備用路徑，使它成為一個新的工作路徑達到正常傳輸網絡數據，從而提高了網絡數據傳輸的可靠性。

（3）提出多路徑傳輸線路優化設計及網絡可靠性測量等問題研究。根據給定的多源多宿多態計算機網絡拓撲結構，在滿足成本費用約束的條件下，擬出一種網絡傳輸線配置方法，這種方法能讓線路傳輸達到最佳可靠性。首先，研究固定的多態網絡各源點到各宿點的可靠性;其次，研究基于固定的傳輸線路可靠性的優化設計算法來尋找網絡可靠性測量的最優解集。

（4）構建SMP-BP算法的多路徑傳輸網可靠性測量研究。若一條工作路徑發生故障，立即啟用備用路徑，而此刻一條正常網絡數據傳輸的工作路徑同備用路徑一起組成一個新的路徑耦合對。基于多路徑傳輸網絡可靠性條件限制下去選擇最優的工作路徑和備用路徑，對工作路徑帶寬進行合理分配，以達到多路徑傳輸網可靠性最高和網絡總構建費用最小。

3 研究中的關鍵問題

隨著計算機技術和通信技術的發展，終端設備通常具備多種不同的網絡接入接口，支持不同的接入技術。在帶寬充足條件下，采用單一網絡接入不利于資源利用，手動切換接入方式將引起服務瞬時的中斷。多路徑傳輸時延、帶寬的差異引起多路徑傳輸網擁塞控制機制，因此存在以下問題，研究中的關鍵問題假設如下：

（1）每個節點不可能都停止服務，都有可能造成數據包亂序到達目的地而被認為丟包的假象，這是因為觸發不必要的快速重傳機制而引起的。

（2）每條路徑或鏈路的容量服從隨機分布，且嚴格獨立，若SACK（Selective Acknowledgment，簡稱SACK）確認消息亂序到達目的地，這導致擁塞窗口的無規律擴大。

（3）每一對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，這樣導致對接收端亂序進行錯誤判斷，即導致不必要的SACK流量。

在多路徑傳輸網絡環境下，隨著應用程序和服務的數量及其帶寬需求的增加，網絡數據包流量不斷增長，就有必要確定傳輸網絡吞吐量最大化限制[4]。對于吞吐量、可靠性和安全性來講，多路徑路由就顯得非常重要。在多路徑傳輸網絡中，為了更好地、更有效地利用傳輸網絡資源，可以利用多路徑傳輸網來提高網絡性能。對多路徑路由的各種研究都利用每個出站網絡鏈路上的傳感器數據來解決網絡冗余、擁塞和QoS問題。實時狀態將由部署在路由器、擴展器、服務器等網絡節點上的傳感器捕獲。時延可以通過不同網絡節點的接收時間和發送時間之差來計算。

4 采用的技術路線、創新點及特色

1）創新點

多路徑傳輸網可靠性測量研究的創新點主要有如下：

（1）單路徑[（Pk）]網絡數據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）]網絡數據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]。通過單路徑或雙路徑傳輸網絡數據，對網絡傳輸可靠性[Pr（S|Pf）]和[Pr（S|PfPg）]的比較，得出以下結論： [Pr（S|PfPg）≥Pr（S|Pf）]。如果有一條路徑停止服務，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，達到更高傳輸網可靠性和數據傳輸效率，從而節約了網絡資源。

2）特色

構建下一代互聯網的關鍵技術之一，多路徑傳輸網作為不二選擇，既能提升傳輸網絡資源利用率，又能充分合理地使用帶寬，更能提高多路徑傳輸網可靠性。對當前可用路徑的狀態進行捕獲并記錄下來，周期性更新狀態進行跟蹤記錄和檢測。SMP-BP具有如下特征：

（1）多路徑傳輸網為不同的服務請求提供不同傳輸路徑。

（2）單路徑數據傳輸事件成功的前提是最大容量不小于所需容量。

（3）兩條路徑網絡數據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，多路徑傳輸網允許為同一種類型的服務請求者提供多條工作路徑或鏈路， 以達到實現較好服務質量。

（4）多路徑傳輸網合理規范使用能充分節約網絡資源和提高網絡的利用率，進而可以提高傳輸網的可靠性。

5 結論

本項目是設計一個SMP-BP算法來提高在單條工作路徑發生故障的情況下的MTN可靠性測量，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，當工作路徑發生故障不能使用時，立即啟用備用路徑，并使用另一個工作路徑來構建新的工作路徑，以達到正常傳輸網絡數據。針對小型企業的網絡，釆用遍歷算法來尋找最優備用路徑，而對于中大型企業網絡，采用遍歷算法就不可取，因為效率低下又耗時，不適合用來尋找最優備用路徑，這也是未來的研究目標之一，在單條工作路徑發生故障情況下尋找SMP-BP算法的最優備用路徑。

參考文獻：

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

[2] 趙晶，虞志剛，馮旭，等.無線傳感器網絡多路徑傳輸時延優化調度算法研究[J].中國電子科學研究院學報，2018，13（3）：264-271.

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

[4] 張錦輝，鄧茜，李振宇.網絡編碼與多路徑傳輸在互聯網視頻直播中的應用研究[J].計算機科學，2019，46（8）：171-177.

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