CN110139319A - 高动态时延网络传输时延最小化路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种高动态时延网络传输时延最小化路由方法，旨在以灵活的低开销网络配置控制网络拥塞。本发明通过下述技术方案实现：采用软件定义网络SDN将全网节点分为中心控制节点和普通节点；中心控制节点生成源节点到目的节点的最优路径，通过控制通道下发给普通节点；各普通节点根据邻居发现机制周期性地通过控制通道向中心控制节点反馈节点邻居表信息、自身拓扑连接信息和节点流量状态信息；中心控制节点采取不断迭代的方式得到全网网络视图信息；当有数据包需要转发时，普通节点根据中心控制节点下发的路由表指示完成数据分组转发；中心控制节点根据收集的节点流量信息判断网络是否发生拥塞，以分流绕行的方式分流绕行数据包缓解网络拥塞。

Description

高动态时延网络传输时延最小化路由方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种适用于高速高动态网络环境下解决传输时延和拥塞控制的有效路由方法。

背景技术

随着互联网规模的增加和技术的提高，用户对网络的需求也产生了相应的变化。网络所能提供的服务已经与网络发展初期产生了很大的不同。人们对信息获取需求的不断增加，移动通信技术在无线通信中起到至关重要的作用。自组织网是由一群带有无线收发装置的移动设备组成的多跳自治性网络。无线网络按照广义的结构分类，可以分成有中心网络(Infrastructured Network)和无中心网络(Infrastructureless Network)。常提及的蜂窝移动通信网络就是有中心的，需要基于预设的基站才可以正常运行；无中心网络则是不依赖于任何网络设施、可自行组织的无线移动通信网络，也称为移动自组织网络(MobileAd-hocNetworks，简称MANET)。和有中心网络相比，“动态拓扑”是MANET的本质特点之一，所有节点是自主移动的，由此导致网络的拓扑结构是时刻变化的。网络中不存在固定的基站，所有节点可以在任何时间、任何地点，自主完成组网，节点间也可以直接进行无障碍数据交换，当目的节点不在通信范围内时，还可以借助其它节点通过中继的方式完成通信。因此，MANET网络相比有中心网络具备更强的灵活性、健壮性及抗毁性，具备更大的普及空间。自组织网络和传统网络存在很多不同之处，这些特点导致其实现过程有很多的技术难点和具有挑战性的问题。动态变化的网络拓扑结构是它的一个显著特点，在移动自组网动态变化的网络拓扑结构中，传统路由协议通常是没有考虑这一点的。当网络拓扑结构发生变化后，将导致原拓扑结构大部分内容变得陈旧，若直接使用传统路由协议将需要花费很长的时间才能使网络达到收敛状态，导致协议的路由开销过大，端到端传输时延增加，进而影响数据信息的传输。在高速高动态网络中，由于节点数量较多，相对移动速度较快，直接造成了网络结构的快速变化。在这种情况下，传统的多跳路由协议也不能够满足快速的断链，重新建立连接的要求。必须依赖于物理层以及MAC层的支持，才能够让协议更好的适应高速高动态的网络。

网络延时和抖动是QoS的两个重要参数，对上层应用都有非常重要的影响。网络传输是一个复杂的过程，中间要经过路由器和不同的通信链路，延时是不可避免的，因为数据在通信链路中的传输必须经过一定的时间，每个数据包历经的延时也不一样。对于一个特定的网络路径，网络延时数据包穿越一个或多个网段所经历的时间称为延时。从用户的角度讲，延时即用户发出请求到接收到远端应用***的响应的时间。网络延时主要有传输延时、传播延时、处理延时、排队延时，前三个是固定时延，排队延时是可变时延。排队延时是由网络动态来决定的，网络中的拥塞状况不同，排队延时有很大的变化。基于TCP/IP协议网络传输包括以下处理过程：路由器处理、用户数据单元在网络上传输以及服务器处理过程。传输延时是将所有分组的比特全部传送到线路上所需要的时间，即协议数据单元PDU的第一个比特从端点传送到线路上直到最后一个比特离开端点的这段时间。传输延时与PDU大小及线路上的传送速率有关。一个存储转发机制的网络中，数据包将会产生多次的传输延时，每次将PDU转发下一跳都将产生一次传输延时。一个数据包中的每一个比特被推向通信链路后，该比特向下一跳路由器进行传播，从该通信链路的起点到到达下一跳路由器传输所需要的时间就是传播时延。如果在传输过程中存在不同的数据包延时时间，则存在抖动。抖动是用来描述延时变化的程度，是指分组延时的变化程度，是由于各种延时的变化导致网络中的数据分组到达速率的变化。因此，抖动对于实时性的传输将会是一个重要参数。数据包离开发送端时，按照规则的间隔均匀排列，在通过网络之后，这一均匀的间隔因数据包经历不同的延时大小而遭到破坏，从而产生抖动。抖动的大小取决于数据包的延时时间的差异程度，差异程度越大，则抖动越大。有些多媒体应用，如视频点播的端到端延时约束较小，但是它同时受到抖动和时滞因素的约束。多媒体数据传送不均匀，会造成画面或声音颤抖；存在两个媒体的媒体间抖动时，对应数据包到达时间变化，造成同步的丢失。由于互联网中流量分布的不均衡会导致网络拥塞、网络资源得不到充分有效利用，网络拥塞对其影响往往是致命的。目前,运营商在网络中普遍采用过量提供带宽的方法来减少拥塞的发生，这种方法虽然能够在一定程度上缓解拥塞，但却不能从根本上解决问题。互联网中的流量变化十分复杂，经常会在一个大的时间尺度内波动，因此，过量提供带宽方法造成的结果就是网络中的一部分通信链路将要或者已经发生拥塞，而另外一些通信链路却处于空闲而得不到充分利用，这无疑加大了网络建设的成本。同时，由于互联网业务的迅猛发展导致骨干网中的流量增长过快，网络建设的速度很难跟上流量增长的速度，拥塞仍然不能得到有效避免。

造成上面现象的根本原因是现有的路由协议没有把用户服务质量QoS、网络拓扑和流量分布三者有机结合起来，导致大量流量集中到少数关键路径上，而剩余通信链路却常常处于空闲状态。传统移动自组织网络的路由协议，按驱动方式分可分为按需路由(On-demand Routing Protocol)和按表路由(Table-driven Routing Protocol)两种。按需驱动路由协议又称作反应式路由协议，在此协议中，任何节点都不维护全局路由表，而是仅当数据需要转发时，才开始“按需”进行路径的选择。整个路由过程分为路由查找和路由维护两部分。源节点首先会在网络中通过广播路由请求信息的方式，发起路由查找过程，在找到相应的路径之后，目的节点反馈源节点路由确认信息，收到确认信息后，源节点才开始发送数据分组。按需型路由虽然可以根据“按需”生成“最短路径”，无需存储路由表，节省节点间交互路由表带来的路由开销，但是路由查找、路由维护过程需要花费大量时间，由此造成数据包传输时延较大，不适用于具有低时延需求的业务。此外，当网络结构动态变化时，该协议也会加重路由维护过程产生的开销。较为典型的按需驱动路由协议有AODV、ABR、DSR等。按表驱动路由协议又称作先验式路由协议。相比于按需驱动路由协议，先验式路由协议中的每个节点都会维护一张或多张表格，这些表格包含到达其它节点的路由信息。当有数据发送任务时，只需查询节点路由表，直接按照路由表内容将数据发给对应节点，可以有效降低传输时延。按表驱动路由协议按照设定的时间周期在节点间交互路由信息，或者监测到网络拓扑结构变化时，实时在节点间通过广播的方式更新路由表内容。所以按表型路由协议能够准确反映网络的结构变化，可以实时、准确地更新节点路由表信息，而且时延较小。但是其路由开销较大，容易造成广播风暴。而且如果网络结构变化剧烈，则会频繁触发更新机制，占用大量网络带宽，严重时甚至造成网络拥塞。典型的按表驱动路由协议有DSDV、OLSR、WRP等。另外，按需型和按表型协议均将“最少跳数”作为“最优路径”的选择标准。但是路径跳数少不一定代表路径性能最优。在相同传播介质条件下，节点距离相差越远，信号强度越低，这种情况下，通过中间节点转发往往比直接发送效果更好。另一方面，当跳数最少的路径上某中间节点出现过载时，若继续使用该路径，则会导致大量数据包的丢失和传输时延的急剧增加。

在MANET网络中，尤其是在移动车联网、航空自组织网等高速、高动态无线网络中，节点的移动速度相较于常规网络节点的速度有了明显提升，而节点移动速度的加快会导致网络拓扑结构迅速变化，这种情况下很容易出现节点之间通信链路出现断裂的情况，导致通信失败从而造成节点间通信时延大大增加。因此，MANET传统路由协议明显无法满足高动态无线网络环境下节点间可靠通信的需要，如何设计一种可以适用于高动态无线网络环境的动态路由算法，并且还能有效降低通信时延，将是一个困难与挑战。

发明内容

本发明针对以上问题，提供一种路由准确度更高、网络效率更高、可靠性更高、耗时更少、收敛速度更快的高动态时延网络传输时延最小化的拥塞控制路由方法。

本发明解决其技术问题的技术方案：一种高动态时延网络传输时延最小化路由方法，具有如下技术特征，一种高动态时延网络传输时延最小化路由方法，具有如下技术特征：采用软件定义网络SDN，将全网节点分为对全网网络状态信息进行管理维护的中心控制节点和上报状态信息的普通节点，将网络的控制功能和转发功能进行分离，进而将控制功能全部集中到远程的中心控制节点上，而普通节点只需负责在本地按照中心控制节点生成的转发策略做简单高速的数据转发。中心控制节点基于全局网络状态信息生成源节点到目的节点的最优路径，通过控制通道统一下发给普通节点；各普通节点根据邻居发现机制，周期性地通过数据通道向中心控制节点反馈节点邻居表信息、自身拓扑连接信息和节点流量状态信息。在单业务情况下，中心控制节点基于全局网络视图信息，以传输时延为路径成本函数，构建周期性下发给各普通节点的全局最优路由表。当有数据包需要转发时，普通节点采用邻居发现机制，根据中心控制节点下发的路由表，查找对应到达所需目的节点的“最优路径”，完成数据分组转发。在多业务情况下，普通节点根据不同业务QoS特性，将数据包分为高、中、低三种优先级类型，中心控制节点根据收集的节点流量信息判断网络是否发生拥塞，如果拥塞，启动拥塞控制机制，中心控制节点依据全局视图信息，对拥塞节点生成两两路径间相关性尽可能低的多径路由表，按照数据包优先级分配路径，以分流绕行的方式，缓解网络拥塞。

本发明相较于传统移动自组织网络路由协议，具有如下有益效果。

路由准确度更高。本发明采用软件定义网络思想，将全网节点分为中心控制节点和普通节点，将网络中控制通道和数据通道分离。由逻辑集中的远程中心控制节点对全域网络进行管理和维护，中心控制节点收集全局网络视图信息，以传输时延为路径成本函数，构建全网最优路由表。相比于传统移动自组织路由协议是依靠节点间复杂的交互协商产生的局部拓扑信息生成路由表，路由准确度更高。

路由效率更高。本发明由逻辑集中的中心控制节点对全网网络状态信息进行管理维护，并生成源节点到目的节点的最优路径，统一由控制通道下发给普通节点，不需要在中间节点维持连接所需的状态信息，耗时更少、收敛速度更快，能够保证在自治域边缘节点之间建立最短的转发路径，可以同时满足关键流路径长度和最大带宽利用率两方面的要求。相比传统路由协议，减少节点路由维护所需开销，降低数据包端到端传输时延。并采取拥塞控制机制，减小网络丢包率，避免网络拥塞，具有更好的可行性和实用性，更加适用于高动态网络环境。

灵活性更高。本发明采用在单业务情况下，中心控制节点基于全局视图信息以传输时延为路径成本生成路由表，下发给普通节点完成数据包转发操作；在多业务情况下，中心控制节点根据收集的节点流量信息，根据不同类型数据包QoS要求来优化路由表，采取分流绕行的方式，由中心控制节点根据全网流量信息，判断节点是否发生拥塞，根据数据包优先级，实施拥塞控制策略避免网络拥塞，以灵活的网络配置实现较低的开销，有效控制网络拥塞。

本发明可应用于移动车联网、航空自组网等领域。

附图说明

图1是本发明高动态时延网络角色分配的逻辑架构示意图。

图2是图1节点i多业务情况下拥塞控制示意图。

图3是节点邻居表更新维护示意图。

图4是节点接收邻居报告消息流程图。

图5是节点发送邻居报告消息流程图。

图6是本发明高动态时延网络传输时延最小化路由的工作流程图。

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和要点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

参阅图1、图2。根据本发明，采用软件定义网络(Software Defined Network，SDN)思想，将全网节点分为对全网网络状态信息进行管理维护的中心控制节点和上报状态信息的普通节点，将网络的控制功能和转发功能进行分离，进而将控制功能全部集中到远程的中心控制节点上，而普通节点只需负责在本地按照中心控制节点生成的转发策略做简单高速的数据转发。中心控制节点生成源节点到目的节点的最优路径，通过控制通道统一下发给普通节点。各普通节点根据邻居发现机制，周期性地通过控制通道向中心控制节点反馈节点邻居表信息、自身拓扑连接信息和节点流量状态信息，中心控制节点基于这些信息联合其它控制节点，采取不断迭代的方式，得到全网网络视图信息。在单业务情况下，中心控制节点基于全局网络视图信息，以传输时延为路径成本函数，构建全局最优路由表，周期性下发给各普通节点，当有数据包需要转发时，普通节点采用邻居发现机制，根据中心控制节点下发的路由表，查找对应到达所需目的节点的“最优路径”，完成数据分组转发。在多业务情况下，普通节点根据不同业务QoS特性，将数据包分为高、中、低三种优先级类型，中心控制节点根据收集的节点流量信息判断网络是否发生拥塞，如果拥塞，则立即启动拥塞控制机制，由中心控制节点依据全局视图信息，对拥塞节点生成两两路径间相关性尽可能低的多径路由表，按照数据包优先级分配路径，以分流绕行的方式，缓解网络拥塞。

前述路由表的组成，具体内容包括：目的节点地址(Dest)、下一跳节点地址(NextHop)、路径跳数(Hops)、节点间通信链路路径成本(Cost)、路径序列号(SeqNum)、路径等级标识(Class)、路径建立时间(Time)。为了减轻路由表信息对控制通道带宽的占用，本发明路由表中只包含源节点通往目的节点的下一跳节点地址，不包括路径上所有节点地址。其中，目的节点地址是路径的目的地地址；下一跳节点地址是本节点通往目的节点的下一跳转发节点地址；路径跳数指本节点到目的节点路径需要转发的跳数；节点间通信链路路径成本是以传输时延为路径成本函数构建的，各通信链路中本节点到达目的节点的路径成本总和；序列号为目的节点路径信息标识号，用于反映本条路径的新旧程度，中心控制节点在每次路由更新时，采取序列号自加的方式，序列号数值越大表示本条路径愈新；路径等级标识表征本条路径的优先等级；建立时间表示本条路径的建立时间。

前述多径路由表的构建，中心控制节点依然是以传输时延为路径成本函数来构建的。路径成本函数的表征是采用数据帧在节点间的传输时延。路径成本值越小，表示节点间传输时间越低，效率也就越高，则这条路径更优。中心控制节点根据实时全网视图信息，选择两两路径间相关因子尽可能低的路径作为路径集，再以传输时延为选择标准，从路径集中选出优、良、一般三种等级路径，作为多径路由。相关因子相同时，选择传输时延小的路径。路径相关因子的相关性分为相交和不相交两种类型，对于不相交路径，其相关因子默认为0；对于相交路径，相关因子等于两条路径具有的相同转发节点的数量。因此，路径R_i和R_j的相关因子P_i,j可以表示为

在高动态时延网络传输时延最小化路由的工作流程中，软件定义网络SDN根据各节点功能，初始化网络分配节点角色。各普通节点根据邻居发现机制构建节点邻居表，周期性地通过控制通道向中心控制节点上报反馈节点邻居表信息和节点流量状态强度信息。所述流量状态强度信息是采用节点缓存队列长度来表征。网络在传递数据包的过程中，数据包先进入缓存队列等待节点传输，因此数据包将会经受排队时延。一个特定包的排队时延将取决于先期到达的、正在排队等待向通信链路传输的数据包的数量。如果该队列是空的，并且当前没有其它数据包在传输，则该数据包排队时延为0；如果此时流量很大，并且许多其它分组也在等待传输，则排队时延就会很大。排队时延和数据包丢包率有一定的关系，设a表示数据包到达队列的平均速率(单位pks/s)，R为传输速率(单位bps)，L为分组长度(单位bit)，那么节点的流量强度(trafficintensity)可以表示为La/R。在理想条件下，流量强度越大，排队时延也会越大，但是节点缓存队列的长度是有限的，此时到达的数据包将发现一个很慢的队列，由于已经没有空间存储该数据包，节点将丢弃该数据包，当节点流量强度越大，分组的排队时延就越长，丢弃的数据包也越多。因此，节点缓存队列长度可以在一定程度上表征节点的流量状态信息。

参阅图2。在可选的拥塞控制实施例中，多业务情况下，假设某时刻节点i正在往节点j发送数据包1，此时到达一种更高优先级的数据包2需要节点i发送至j，按照排队原则只有等待先期到达的数据包1投递完毕，才会开始新到达数据包2的传输，当数据包流量强度很大时，数据包2的排队时延就会很高，就会造成节点i拥塞。因此，某时刻节点i正在往节点j发送数据包1，到达更高优先级的数据包2时，数据包2按照排队原则等待先期到达的数据包1投递完毕，才开始新到达数据包2的传输。本实施例采取拥塞控制机制，当中心控制节点感知到节点i的缓存队列长度到达阈值时，按照路径相关性尽可能低的原则，为节点i生成多径路由表，节点i根据多径路由表，按照优先级为数据包1分配良路径(i,1,4,7,j)，为数据包2分配优路径(i,2,5,j)，减缓网络拥塞，提升路由效率。假设网络节点间通信链路中点对点传输采取ACK/NACK应答消息确认机制，通过UE上报的确认信息，当节点接收到某条消息后，就会反馈应答告知收到ACK消息；发射节点收到应答告知收到ACK消息后，才会发送下一条消息，若规定时间内告知没有收到NACK的应答，则隔一段时间，重新发射本条消息。

参阅图3。邻居发现机制是通过节点在本地存储的节点邻居表和节点间交互邻居报告消息来实现邻居节点的发现的。节点邻居表包含了多个邻居节点地址(Address)、接收通信链路质量(RxLm)、发射通信链路质量(TxLm)及节点邻居表安装时间(Time)，其中，接收通信链路质量RxLm指邻居节点发送消息时本地节点接收到的通信链路质量指示；发射通信链路质量TxLm指本地节点发送消息时邻居节点接收到的通信链路质量指示。上述关于节点间通信链路质量指示用节点间数据包一次性传输成功的概率来表征，表征概率计算方式的节点间丢包率e_f：

e_f表示了节点间传输数据包质量情况。其中，N_rx为接收节点正确接收的数据包数量，N_tx为发射节点发送的数据包数量。

邻居报告消息的帧格式主要有：1字节消息类型(MessageType)、2字节的消息源节点地址(SourceAdd)、1字节的邻居个数(Count)、邻居节点地址(Destination)，通信链路质量指示(LinkMetric，简称Lm)。其中，邻居节点地址(Destination)包含各占2字节的Destination 1和Destination 2……Destination n，与对应邻居节点的通信链路质量(Lm)包含各占1字节的通信链路质量Lm-1和Lm-2……Lm-n。邻居报告消息帧格式：

邻居报告消息

邻居报告消息帧格式中的第0字节字段是消息类型(MessageType)，表示此条消息为邻居报告消息；第1～2字节字段是消息源地址(SourceAdd)，表示发送此条消息的节点地址；第3字节字段是邻居个数(Count)，表示此条消息共包含的邻居节点个数；第4～5字节字段是邻居节点1地址(Destination 1)；第6字节字段是与邻居节点1通信链路质量情况(Lm-1)；第7～8字节字段是邻居节点2地址(Destination 2)；第9字节字段是与邻居节点2通信链路质量情况(Lm-2)；后续以此类推。节点间通信链路路径成本由节点间通信链路质量指示决定，且通信链路成本函数为

式中，B_t为数据包大小(单位比特)，r为传输速率(单位比特每秒)，T为分别由节点间距离和底层物理设备决定的信号传播时延和处理时延总和(单位秒)当通信场景一定时，可认为是常值，e_f为节点间丢包率。

网络节点间通信链路的点对点传输总时延X主要由信号处理时延、信号传输时延以及信号传播时延三部分构成，且X满足如下关系。当一次传输就成功接收时，总时延X＝B_t/r+T，此时传输成功概率p＝1-e_f；当两次传输可以成功接收时，X＝2(B_t/r+T)，传输成功概率p＝e_f·(1-e_f)；以此类推，需要N次传输才可以成功接收时，X＝N(B_t/r+T)，传输成功概率p＝(e_f)^N-1(1-e_f)，，则点对点传输总时延的数学期望值

则有

因此，可以得到

由于e_f≤1，因此

化简可以得到因此，以传输时延为路径成本函数的通信链路路径成本可以表示为可见节点间通信链路路径成本由节点间通信链路质量指示决定。设某条路径概率H是由包含若干个子段一系列的节点D₁,D₂,D₃,……,D_L构成的，其中，每个子段包括节点i和节点i+1之间的路径[D_i,D_i+1])，总长度为L的路径H的通信链路总成本可以表示为

参阅图4。每当普通节点接收到网络中其它邻居节点广播的邻居报告消息，或者需要发送自身邻居报告信息时，普通节点就会主动触发节点邻居表的更新维护机制。所以节点邻居表更新维护机制分为节点接收和发送邻居报告消息两种情景。在节点邻居表更新维护过程中，各节点在各自一跳通信范围内周期性广播邻居报告消息，向相邻节点反馈本节点拓扑连接信息。普通节点在接收邻居报告消息过程中，接收节点首先解析该条邻居报告消息，检测本地节点邻居表中Address字段是否有该条报告消息源地址SourceAdd字段内容(参阅图3中步骤①)。若包含，则接收节点继续提取该条邻居报告消息载荷字段；否则，接收节点在本地节点邻居表中新增该消息源节点信息。然后接收节点检测该消息的载荷字段Destination项中是否包含本节点地址(参阅图3中步骤②)。若包含，则接收节点更新本地节点邻居表信息，将该条邻居报告消息中对应的通信链路质量(Lm-i)字段内容放入本节点邻居表中对应的发送此条邻居报告消息的TxLm字段内(Lm-i——>TxLm，参阅图3中步骤③)；否则，直接丢弃该条邻居报告消息。最后，接收节点检测该条邻居报告消息是否是最后一条邻居报告消息，若是则直接结束接收邻居报告消息过程，否则返回到继续解析邻居报告消息。如果接收节点接收到的某条邻居报告消息中显示通信链路质量值Lm-i低于规定的阈值，则判定接收节点和此消息源节点已断开连接，接收节点会将节点邻居表中的对应TxLm字段设置为0，表征两节点已断开连接。

邻居报告消息

参阅图5。在普通节点发送其邻居报告消息过程中。上层应用按照发送周期，发起发送邻居报告消息流程。然后发送节点开始提取本地节点邻居表信息，将本地节点邻居表内容依次填入至邻居报告对应消息载荷字段内。具体过程是：将发送节点的本地地址填入邻居报告消息中的消息源地址SourceAdd字段，表征该条邻居报告消息为本节点发送(图3中步骤a所示)；将其节点邻居表中的所有邻居地址条目内容依次放入到邻居报告消息的邻居节点地址(Destination-i)项中(图3中步骤b所示)；然后分别将节点邻居表中与邻居节点接收通信链路质量RxLm对应的信息放入Lm-i字段内(图3中步骤c所示)。最后，发送节点检测是否是最后一条节点邻居表条目，是则封装邻居报告消息，由底层设备周期性广播至网络中，否则返回继续提取本地节点邻居表信息。

参阅图6。在高动态时延网络传输时延最小化路由的工作流程中。首先初始化网络，普通节点通过邻居发现机制，构建节点邻居表，周期性地通过控制通道向中心控制节点上报节点邻居表和流量强度信息。然后判断时延网络是单业务还是多业务场景。如果是单业务场景，则中心控制节点直接根据普通节点反馈的节点邻居表信息，构建全网传输时延“最优”路由表，周期性下发给普通节点；如果是多业务场景，则中心控制节点还会根据普通节点反馈的节点流量状态强度信息判断是否有节点拥塞。如果中心控制节点判断有节点拥塞，则启动拥塞控制机制，中心控制节点基于实时全局视图信息生成传输时延“最优”多径路由表，普通节点根据数据包优先级，采取分流绕行的方式，缓解网络拥塞。在启动拥塞控制机制后，中心控制节点隔一定时间判断拥塞节点是否恢复正常。若已恢复正常，则整个网络退出拥塞控制机制，后续流程按照单业务场景执行；若尚未恢复，则返回继续执行拥塞控制机制。中心控制节点采取时间触发和事件触发双重机制来保障全局最优路由表的更新，中心控制节点感知网络拓扑结构是否发生变化。若发生变化，则中心控制节点根据最新实时拓扑情况，立即完成路由信息更新；否则，中心控制节点会周期性更新全局路由信息。普通节点根据邻居发现机制，按照路由表指示内容，完成数据包转发，结束路由。

单业务场景下。中心控制节点根据普通节点反馈的节点邻居表信息、拓扑链接信息，构建全网拓扑，生成以传输时延为路径成本函数的全网“最优”单径路由表，然后中心控制节点周期性统一由控制通道下发给普通节点。

多业务场景下。中心控制节点根据普通节点反馈的流量强度信息，判断节点是否发生拥塞。如果拥塞，则将该节点标记为拥塞节点，并启动拥塞控制机制。中心控制节点根据全局视图信息，建立路径间两两相关性尽可能低的路径集，中心控制节点以各路径传输时延为依据，将路径集分为优、良、一般三种路径等级，以此生成多径路由表。普通节点根据不同业务QoS特性，将数据包分为高、中、低三种优先级类型，按照高优先级数据包分配优路径，中优先级数据包分配良路径，低优先级数据包分配一般路径的原则，根据数据包优先级，采取分流绕行的方式，降低丢包率，缓解网络拥塞，提升网络效率。如果网络中不存在拥塞节点，中心控制节点将按照单业务情景处理，根据普通节点反馈节点邻居表信息结果，构建全网传输时延“最优”的单径路由表，并周期性下发给各普通节点。在有节点发生拥塞后，中心控制节点会在一段时间内，判断拥塞节点是否恢复正常，确定流量状态是否小于流量阈值，若小于规定阈值，则解除拥塞控制机制，否则继续执行拥塞控制机制。

前述路由表的更新。中心控制节点采取时间触发和事件触发双重机制来保障全局最优路由表的更新。中心控制节点根据普通节点上报的各网络状态信息，实时监控网络结构是否发生变化。在全网结构未发生变化的正常情况下，中心控制节点采用时间触发更新机制，按照预定时间，根据实时全网状态信息，周期性更新全局路由表。当中心控制节点感知到网络通信链路断开、节点失效、新节点加入等网络拓扑结构发生变化时，则采用事件触发更新机制，根据此时最新网络拓扑情况，立即重新生成路由更新信息，将更新信息下发给相应发生变化的普通节点，并采用目的节点序列号自加的方式来表征路由信息的新旧，普通节点通过比较更新路由包和本地存储路由表序列号的大小完成路由表更新。为减少路由更新对控制信道的过多占用，中心控制节点对事件触发机制的路由更新信息为局部信息，只包括最新改变的路径，对于保持不变的路径不予发送。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变、修改、甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高动态时延网络传输时延最小化路由方法，具有如下技术特征：采用软件定义网络SDN，将网络的控制功能和转发功能分离，将全网节点分为上报状态信息的普通节点和对全网网络状态信息进行管理维护的中心控制节点；各普通节点根据邻居发现机制，周期性地通过数据通道向中心控制节点反馈节点邻居表信息、自身拓扑连接信息和节点流量状态信息；中心控制节点基于全网网络状态信息生成源节点到目的节点的最优路径，通过控制通道统一下发给普通节点；在单业务情况下，中心控制节点基于全局网络视图信息，以传输时延为路径成本函数，构建下发给各普通节点的全局最优路由表；当有数据包需要转发时，普通节点采用邻居发现机制，根据中心控制节点下发的最新路由表，查找对应到达所需目的节点的“最优路径”，完成数据分组转发；在多业务情况下，普通节点根据不同业务QoS特性，将数据包分为高、中、低三种优先级类型，中心控制节点根据收集的节点流量信息判断网络是否发生拥塞，如果拥塞，则中心控制节点启动拥塞控制机制，依据此时全局视图信息，对拥塞节点生成两两路径间相关性尽可能低的多径路由表，按照数据包优先级分配路径，以分流绕行的方式，缓解网络拥塞。

2.根据权利要求1所述的高动态时延网络传输时延最小化路由方法，其特征在于：多业务情况下，节点发送拥塞时，中心控制节点根据实时全网视图信息，选择两两路径间相关因子尽可能低的路径作为路径集，再以传输时延为选择标准，从路径集中选出优、良、一般三种等级路径作为多径路由；相关因子相同时，选择传输时延小的路径。

3.根据权利要求1所述的高动态时延网络传输时延最小化路由方法，其特征在于：邻居发现机制是通过普通节点存储的本地节点邻居表和节点间交互邻居报告消息来实现邻居节点的发现的。

4.根据权利要求3所述的高动态时延网络传输时延最小化路由方法，其特征在于：在邻居报告消息帧格式中，第0字节字段是消息类型(MessageType)，表示此条消息为邻居报告消息；第1～2字节字段是消息源地址(SourceAdd)，表示发送此条消息的节点地址；第3字节字段是邻居个数(Count)，表示此条消息共包含的邻居节点个数；第4～5字节字段是邻居节点1地址(Destination 1)；第6字节字段是与邻居节点1通信链路质量情况(Lm-1)；第7～8字节字段是邻居节点2地址(Destination 2)；第9字节字段是与邻居节点2通信链路质量情况(Lm-2)；后续以此类推。

5.根据权利要求1所述的高动态时延网络传输时延最小化路由方法，其特征在于：路径成本函数的表征是采用数据帧在节点间的传输时延，路径通信链路成本值越小，表示节点间传输时间越低，效率也就越高，则这条路径更优。节点间通信链路成本由节点间通信链路质量指示决定，且通信链路成本函数为

其中，B_t为数据包大小(单位比特)，r为传输速率(单位比特每秒)，T为分别由节点间距离和底层物理设备决定的信号传播时延和处理时延总和(单位秒)，e_f为节点间丢包率，也就是节点间链路质量指示。

6.根据权利要求3所述的高动态时延网络传输时延最小化路由方法，其特征在于：每当本地普通节点接收到网络中其它邻居节点广播的邻居报告消息，或者需要发送自身邻居报告信息时，本地节点就会主动触发节点邻居表的更新维护机制，并将节点邻居表更新维护机制分为节点接收和发送邻居报告消息两种情景。

7.根据权利要求6所述的高动态时延网络传输时延最小化路由方法，其特征在于：本地普通节点在接收邻居报告消息过程中。首先，节点解析该条邻居报告消息，检测本地节点邻居表中是否存在消息源节点信息，是则提取邻居报告消息载荷字段，否则，在本地节点邻居表中新增该消息源节点信息；然后检测该消息的载荷字段Destination项中是否包含本节点地址，是则更新本地节点邻居表信息，将邻居报告消息中对应的通信链路质量(Lm-i)字段内容放入本节点邻居表中对应的发送此条邻居报告消息的Lm-i—>TxLm字段内，否则，直接丢弃该条邻居报告消息；然后本地节点检测该条邻居报告消息是否是最后一条邻居报告消息，若是结束接收邻居报告消息过程，否则返回到开始步骤，继续解析邻居信息。

8.根据权利要求6所述的高动态时延网络传输时延最小化路由方法，其特征在于：在普通节点发送其邻居报告消息过程中。上层应用按照发送周期，发起发送邻居报告消息流程，然后发送节点开始提取本地节点邻居表信息，将本地节点邻居表内容依次填入至邻居报告对应消息载荷字段内。具体过程是：将发送节点的本地地址填入邻居报告消息中的消息源地址SourceAdd字段，表征该条邻居报告消息为本节点发送；将其节点邻居表中的所有邻居地址条目内容依次放入到邻居报告消息的邻居节点地址(Destination-i)项中；然后分别将节点邻居表中与邻居节点接收通信链路质量RxLm对应的信息放入Lm-i字段内。最后，发送节点检测当前邻居表条目是否是最后一条邻居表信息，是则封装邻居报告消息，由底层设备周期性广播至网络中，否则返回继续提取本地邻居表信息。

9.根据权利要求1所述的高动态时延网络传输时延最小化路由方法，其特征在于：在多业务场景，中心控制节点根据普通节点反馈的节点流量状态强度信息判断是否有节点拥塞，如果有节点拥塞，则中心控制节点启动拥塞控制机制，由中心控制节点基于实时全局视图信息生成传输时延“最优”的多径路由表，普通节点根据数据包优先级，采取分流绕行的方式，缓解网络拥塞。中心控制节点隔一段时间，判断拥塞节点是否恢复正常。若已恢复正常，则退出拥塞控制机制，后续流程按照单业务场景执行；若未恢复，则返回继续执行拥塞控制机制。

10.根据权利要求1所述的高动态时延网络传输时延最小化路由方法，其特征在于：中心控制节点采取时间触发和事件触发双重机制来保障全局最优路由表的更新，由中心控制节点来感知网络拓扑结构是否发生变化。若网络结构发生变化，则中心控制节点根据最新实时拓扑情况，立即完成路由信息更新，完成事件触发更新；否则中心控制节点周期性按时间触发机制更新全局路由信息。