基于SMP-BP算法的多路径传输网可靠性测量研究

李小玲

摘要：随着计算机技术和通信技术的发展，基于云的通信和网络中数据传输，数据安全尤为重要。在进行数据传输时，一组没有交叉的信道或路径所花费的时间小于在一条路径上所花费的时间。多路径传输网络（MTN）在我们的日常生活中得到了广泛的应用，如移动自组网、基于云的应用以及多协议标签交换网络等。然而，MTN很容易受到错误或网络故障的影响，这将极大地影响数据传输的效率，甚至有时会发生系统故障。为了使传输中数据更加安全可靠，有必要对数据传输效率进行可靠性测量研究。该文通过k条不交叉的路径进行并行传输，引用SMP-BP算法启用备份路径来确保数据安全传输，这意味着任何两条路径都没有相同的链路，可以有效保证的数据传输可靠性。如果有一些故障，可以启用备用路径。

关键词：SMP-BP算法;多路径传输网;可靠性;效率;容错

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）01-0052-02

1 引言

随着计算机技术和通信技术的发展及相互结合，网络接入技术和种类也丰富多彩，如泛在网络（Ubiquitous Network），包括无线广域网（Wireless Wide Area Network，WWAN）、无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）、无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）、无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）、移动自组织网络（Mobile Ad Hoc Network，MANET）、卫星网络、无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）等[1]。每-种网络接入时存在有着较大差别，如时延、带宽、覆盖范围、资费等方面。

多路径传输网络（MTN）在我们的日常生活中得到了广泛的应用，如移动自组网、基于云的应用以及多协议标签交换网络等。目前国内、外学术界越来越多地关注MTN，因为MTN是一种新技术，能有效提高通信网络资源利用率。在相同的条件下，整合泛在网络的资源并进行优化利用，在某种程度上对传输的可靠性和吞吐量性能方面都有所提高，却对网络资源管理方面的加深难度。而多路径传输资源调度算法在为每条路径分配网络通信资源，有较大资源不能充分得到使用，故急需对多路径传输资源调度算法进行优化[2]。对可靠性的测量进行了一些研究。例如，为此提出了一种基于单最小路径的备份路径（SMP-BP）算法。SMP-BP使用两个单独的路径作为工作耦合，其中最小路径没有交叉作为备份路径。在SPR（最短路径恢复）、PIR（部分信息恢复）和CIR（完全信息恢复）网络中，支持端到端基于路径的连接恢复。如果有任何错误，备份路径将被触发。将在网络中建立具有备份路径功能的新路径或路由。

在现实计算机网络中，真正运行工作路径有可能会出现逐条路径发生故障，单靠一条工作路径发生故障概率就较大。但是多条工作路径并行发生故障概率情况较少，故国内外研究专家在考虑单条工作路径发生故障时怎样启用和选择备用路径等相关问题[3]。

2 本文研究的具体内容

本课题研究是为了使计算机网络在单条工作路径发生故障情况下仍然能保持一定的可靠性，即提出了一种基于最小路集的单条备用路径SMP-BP算法。SMP-BP（Single Minimal Path Based Backup Path，简称SMP-BP）算法使用两条不相交的最小路径作为工作路径对，且使用跟工作路径对不相交的另一条最小路径作为备选可用路径。无论在任何情况下，出现计算机网络中任一条工作路径发生故障时，就会快速选择备用路径并启用它，即备用路径将和另一条发生故障的工作路径构成一个新的工作路径对，故计算机网络传输中仍然有两条工作路径对数据进行可靠性传输。其主要研究内容如下：

（1）对网络可靠性测量进行一些研究。例如，为此提出了一种基于单最小路径的备份路径（SMP-BP）算法。SMP-BP采用两个独自的工作路径作为工作路径聚合，采用最小路径即没有交叉作为备份路径。在SPR（Shortest Path Restoration，简称SPR）、PIR（Partial Information Restoration，简称PIR）和CIR（Complete Information Restoration，简称CIR）网络中，基于路径的连接恢复机制采用端到端方法。如果有任何错误，备份路径将被触发。故在计算机网络中需要建立备份路径功能的新路徑或路由势在必行。

（2）提出了一种基于单最小路径的备份路径SSMP-BP（single-single minimal path based back-up path，简称SSMP-BP）改进算法。SSMP-BP的设计是为了保证当第二路径失效时数据的传输。此算法使用两条互不交叉链路作为工作路径，其中一条与工作路径非交叉，将视为备用路径。当某条链路发生故障，立即启用备用路径，使它成为一个新的工作路径达到正常传输网络数据，从而提高了网络数据传输的可靠性。

（3）提出多路径传输线路优化设计及网络可靠性测量等问题研究。根据给定的多源多宿多态计算机网络拓扑结构，在满足成本费用约束的条件下，拟出一种网络传输线配置方法，这种方法能让线路传输达到最佳可靠性。首先，研究固定的多态网络各源点到各宿点的可靠性;其次，研究基于固定的传输线路可靠性的优化设计算法来寻找网络可靠性测量的最优解集。

（4）构建SMP-BP算法的多路径传输网可靠性测量研究。若一条工作路径发生故障，立即启用备用路径，而此刻一条正常网络数据传输的工作路径同备用路径一起组成一个新的路径耦合对。基于多路径传输网络可靠性条件限制下去选择最优的工作路径和备用路径，对工作路径带宽进行合理分配，以达到多路径传输网可靠性最高和网络总构建费用最小。

3 研究中的关键问题

随着计算机技术和通信技术的发展，终端设备通常具备多种不同的网络接入接口，支持不同的接入技术。在带宽充足条件下，采用单一网络接入不利于资源利用，手动切换接入方式将引起服务瞬时的中断。多路径传输时延、带宽的差异引起多路径传输网拥塞控制机制，因此存在以下问题，研究中的关键问题假设如下：

（1）每个节点不可能都停止服务，都有可能造成数据包乱序到达目的地而被认为丢包的假象，这是因为触发不必要的快速重传机制而引起的。

（2）每条路径或链路的容量服从随机分布，且严格独立，若SACK（Selective Acknowledgment，簡称SACK）确认消息乱序到达目的地，这导致拥塞窗口的无规律扩大。

（3）每一对耦合路径包含两条非交叉工作路径或链路。

（4）若输出流量等于总输入流量，这样导致对接收端乱序进行错误判断，即导致不必要的SACK流量。

在多路径传输网络环境下，随着应用程序和服务的数量及其带宽需求的增加，网络数据包流量不断增长，就有必要确定传输网络吞吐量最大化限制[4]。对于吞吐量、可靠性和安全性来讲，多路径路由就显得非常重要。在多路径传输网络中，为了更好地、更有效地利用传输网络资源，可以利用多路径传输网来提高网络性能。对多路径路由的各种研究都利用每个出站网络链路上的传感器数据来解决网络冗余、拥塞和QoS问题。实时状态将由部署在路由器、扩展器、服务器等网络节点上的传感器捕获。时延可以通过不同网络节点的接收时间和发送时间之差来计算。

4 采用的技术路线、创新点及特色

1）创新点

多路径传输网可靠性测量研究的创新点主要有如下：

（1）单路径[（Pk）]网络数据传输正确送到目的地前提是最大容量大于或等于所需容量[dk≥d]。

（2）两条路径[（Pi，Pj）]网络数据传输正确送到目的地前提条件是两条路径的最大容量之和大于或等于所需容量[di+dj≥d]。通过单路径或双路径传输网络数据，对网络传输可靠性[Pr（S|Pf）]和[Pr（S|PfPg）]的比较，得出以下结论： [Pr（S|PfPg）≥Pr（S|Pf）]。如果有一条路径停止服务，我们可以得到

[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]。

这意味着SMP-BP的可靠性高，故SMP-BP算法使用较少的备份路径，达到更高传输网可靠性和数据传输效率，从而节约了网络资源。

2）特色

构建下一代互联网的关键技术之一，多路径传输网作为不二选择，既能提升传输网络资源利用率，又能充分合理地使用带宽，更能提高多路径传输网可靠性。对当前可用路径的状态进行捕获并记录下来，周期性更新状态进行跟踪记录和检测。SMP-BP具有如下特征：

（1）多路径传输网为不同的服务请求提供不同传输路径。

（2）单路径数据传输事件成功的前提是最大容量不小于所需容量。

（3）两条路径网络数据传输正确送到目的地前提条件是两条路径的最大容量之和大于或等于所需容量，多路径传输网允许为同一种类型的服务请求者提供多条工作路径或链路， 以达到实现较好服务质量。

（4）多路径传输网合理规范使用能充分节约网络资源和提高网络的利用率，进而可以提高传输网的可靠性。

5 结论

本项目是设计一个SMP-BP算法来提高在单条工作路径发生故障的情况下的MTN可靠性测量，SMP-BP使用两条非交叉路径作为工作路径，其中一条与工作路径不相交的链路作为备用路径，当工作路径发生故障不能使用时，立即启用备用路径，并使用另一个工作路径来构建新的工作路径，以达到正常传输网络数据。针对小型企业的网络，釆用遍历算法来寻找最优备用路径，而对于中大型企业网络，采用遍历算法就不可取，因为效率低下又耗时，不适合用来寻找最优备用路径，这也是未来的研究目标之一，在单条工作路径发生故障情况下寻找SMP-BP算法的最优备用路径。

参考文献：

[1] 王凤华.多路径传输管理技术的研究[D].北京：北京邮电大学，2014.

[2] 赵晶，虞志刚，冯旭，等.无线传感器网络多路径传输时延优化调度算法研究[J].中国电子科学研究院学报，2018，13（3）：264-271.

[3] 王凤华，覃晨，张德，等.并发多路径传输技术发展[J].通信技术，2017，50（8）：1599-1606.

[4] 张锦辉，邓茜，李振宇.网络编码与多路径传输在互联网视频直播中的应用研究[J].计算机科学，2019，46（8）：171-177.

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