網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要問(wèn)題是可生存性(survivability)?？缮嫘允侵赶到y(tǒng)在攻擊、故障、意外事件影響下能夠及時(shí)完成任務(wù)的能力。網(wǎng)絡(luò)的可生存性又稱為網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)能力，用于描述一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)對(duì)節(jié)點(diǎn)或鏈路失效時(shí)的性能。有兩類方法可以提供網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)能力。一種方法稱為被動(dòng)式(reactive)恢復(fù)，又稱為按需(on-demand)恢復(fù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中檢測(cè)到故障時(shí)，繞過(guò)故障的鏈路/節(jié)點(diǎn)，重新尋找新的路由來(lái)完成服務(wù)的恢復(fù)[1]。該方案的主要缺點(diǎn)是恢復(fù)延遲漫長(zhǎng)，不利于很多即時(shí)通信。另一種方法是主動(dòng)式(preactive)恢復(fù)，它預(yù)先計(jì)算兩條不相交的路徑，一條被指定為主路徑,另一條是備用路徑[1]。當(dāng)主路徑因其中的鏈路或節(jié)點(diǎn)故障而失效時(shí)，備份路徑被激活，自動(dòng)成為新的主路徑。對(duì)比于被動(dòng)式恢復(fù)方法，該方法能夠減少恢復(fù)時(shí)間，但在很多情況下，它需要執(zhí)行復(fù)雜的恢復(fù)操作和花費(fèi)較多的網(wǎng)絡(luò)資源。
　組播是一種一對(duì)多的傳輸方式，需要將數(shù)據(jù)同時(shí)從源發(fā)送到一組目的主機(jī)。設(shè)計(jì)組播通信的快速恢復(fù)方案更富有挑戰(zhàn)性，因?yàn)橐粋€(gè)鏈路/節(jié)點(diǎn)的失效將會(huì)影響到很多組播目的主機(jī)。許多文獻(xiàn)都提出了針對(duì)單一節(jié)點(diǎn)/鏈路失效提供保護(hù)的組播主動(dòng)式恢復(fù)方案，這些方案要求計(jì)算從數(shù)據(jù)源到目的地的不相交的多條路徑。目前廣泛受到關(guān)注的兩種保護(hù)方案是：局部保護(hù)方案和組播組保護(hù)方案。兩者的保護(hù)范圍不同，前者是按照單播主動(dòng)式故障恢復(fù)方案將多播樹(shù)中源節(jié)點(diǎn)列目的節(jié)點(diǎn)的路徑抽取出來(lái)，并分別為它們建立保護(hù)路徑；后者則是通過(guò)計(jì)算兩個(gè)鏈路不相交組播樹(shù)，其中一個(gè)作為主要的組播樹(shù)，而另一個(gè)作為備份組播樹(shù)，以整個(gè)組播樹(shù)為保護(hù)對(duì)象。
　以上兩種方案均存在不足：局部保護(hù)方案需要較高的維護(hù)與管理代價(jià)，而且可能出現(xiàn)路由環(huán)路；組播組保護(hù)方案近年來(lái)研究得比較多，然而, 找到兩個(gè)鏈路/節(jié)點(diǎn)不相交的兩棵組播樹(shù)在大型組播通信中是很困難的，甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的。
　針對(duì)現(xiàn)有方案中不相交的多路徑構(gòu)建成功率低下的不足，本文提出一種基于相交多路徑的組播主動(dòng)式恢復(fù)方案。該方案通過(guò)為組播樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)備份父節(jié)點(diǎn)的方式，使得各個(gè)組播組成員通過(guò)多條相交路徑連接到組播源。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，路由可以快速地切換到未受故障影響的父節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而完成組播路由的快速恢復(fù)。
1 背景和相關(guān)工作
　雖然目前對(duì)組播通信的故障恢復(fù)的文獻(xiàn)中很少提及，但其必將成為未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要部分。在常規(guī)的組播中，數(shù)據(jù)流分布在整個(gè)樹(shù)結(jié)構(gòu)上，一個(gè)故障就會(huì)影響到故障點(diǎn)下游的所有組成員。目前組播主動(dòng)式恢復(fù)方案的研究中，有些借鑒單播中鏈路恢復(fù)和路徑恢復(fù)的方案，應(yīng)用于保護(hù)組播樹(shù)中的源到每個(gè)目的地的路徑[2,3],有些利用冗余樹(shù)[4]或者雙樹(shù)[1]方案。圖1給出四種主要的組播主動(dòng)式恢復(fù)方案的實(shí)例。圖中，S是源節(jié)點(diǎn)，實(shí)心的節(jié)點(diǎn)是組播組成員。粗實(shí)線代表缺省樹(shù)中的鏈路，虛線代表在備用路徑的鏈路。不同類型的箭頭表示數(shù)據(jù)流在缺省樹(shù)或激活后的備用路徑中的傳輸方向。
　WU C等[2,3]研究了鏈路保護(hù)和路徑保護(hù)方案。在鏈路保護(hù)中，每條鏈路的兩個(gè)端節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置了一個(gè)備用路由。在路徑保護(hù)中，為每個(gè)目的地計(jì)算一條備用路由，該路徑與組播樹(shù)中從數(shù)據(jù)源到目的地的路徑是節(jié)點(diǎn)不相交的。
　圖1(c)給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的“冗余樹(shù)”(redundant tree)方案[4]的例子。“冗余樹(shù)”方案要求網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種雙連通圖，即任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間至少有兩條節(jié)點(diǎn)不相交或者鏈路不相交的路徑。如果缺省樹(shù)和備用樹(shù)只是鏈路不相交，則它是一棵鏈路不相交的備用樹(shù)；否則，稱其為節(jié)點(diǎn)不相交備用樹(shù)。“冗余樹(shù)”方案提出的算法可以計(jì)算兩棵不相交的組播樹(shù)，使得消除網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)(鏈路)，目的節(jié)點(diǎn)都可通過(guò)至少一棵樹(shù)連接源點(diǎn)。因此，冗余樹(shù)方案可以恢復(fù)缺省樹(shù)中出現(xiàn)的任何鏈路或節(jié)點(diǎn)的故障，并可恢復(fù)不止一個(gè)故障。

   在更近的研究中, FEI A等人提出“雙樹(shù)”(“dual tree”)方案[1]。第二棵樹(shù)是為有容錯(cuò)需求的組成員建立的備用樹(shù)，而不是為了單獨(dú)保護(hù)組播樹(shù)中每一個(gè)鏈路或組成員。圖1(d)就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)不相交備用樹(shù)的示意圖。
2 基于相交多路徑的組播主動(dòng)式恢復(fù)方案
2.1 方案的動(dòng)機(jī)
　上文描述了現(xiàn)有的組播主動(dòng)式恢復(fù)方案，在管理開(kāi)銷和網(wǎng)絡(luò)連通性要求方面對(duì)它們進(jìn)行深入的比較，如表1所示。

　對(duì)每條鏈路/路徑單獨(dú)進(jìn)行保護(hù)的局部保護(hù)方法會(huì)增加管理開(kāi)銷。換句話說(shuō)，它們?cè)诿總€(gè)組播組中單獨(dú)計(jì)算和維護(hù)每一條鏈路、路徑的備份路由。當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，備份路由也需要單獨(dú)的鏈路/路徑的維護(hù)和激活，包括備份路由的計(jì)算成本和恢復(fù)開(kāi)銷(由備份路由激活時(shí)的信息交流引起的)。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有大量的組播組時(shí)，維護(hù)和激活成本變得很高。
   以組播組為單位進(jìn)行保護(hù)的方案在管理開(kāi)銷上少于局部保護(hù)方法，但卻對(duì)網(wǎng)絡(luò)連通性有特殊要求?，F(xiàn)實(shí)的網(wǎng)絡(luò)并不能保證為雙連通網(wǎng)絡(luò)，因此，不相關(guān)雙樹(shù)的構(gòu)建存在失敗的可能性。本研究在節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為100、平均節(jié)點(diǎn)度為4~5的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌S機(jī)拓?fù)涞漠a(chǎn)生見(jiàn)第3節(jié)）的仿真中，針對(duì)不同的組播規(guī)模，分別對(duì)構(gòu)建鏈路不相關(guān)和節(jié)點(diǎn)不相關(guān)的兩棵組播樹(shù)進(jìn)行了100次試驗(yàn)。從仿真結(jié)果（如圖2所示）可以看出，構(gòu)建兩棵不相關(guān)的組播樹(shù)的成功率極為低下：組成員數(shù)目為5時(shí)，鏈路不相關(guān)雙樹(shù)的平均構(gòu)建成功率僅為53%，隨著組成員數(shù)目的增加，平均構(gòu)建成功率逐漸下降，當(dāng)組成員數(shù)目為30時(shí)已降為7%；節(jié)點(diǎn)不相關(guān)雙樹(shù)的情況更為嚴(yán)峻，平均構(gòu)建成功率均低于鏈路不相關(guān)雙樹(shù)，組成員數(shù)目為30時(shí)，節(jié)點(diǎn)不相關(guān)雙樹(shù)幾乎無(wú)法構(gòu)建成功。雖然成功構(gòu)建不相關(guān)雙樹(shù)可以為組播組提供100%的保護(hù)，然而，一旦構(gòu)建失敗，依靠不相關(guān)雙樹(shù)的快速自愈方案的保護(hù)能力瞬間下降為0%。

　現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)可以不再將保護(hù)方式限制于兩個(gè)極端的情況：0%保護(hù)或100%保護(hù)。事實(shí)上，應(yīng)通過(guò)某些共享的鏈路建立從數(shù)據(jù)源到目的地的多條路徑來(lái)提供保護(hù)[5]。如果在這些路徑中的不相交鏈路中有一個(gè)鏈路故障，則方案為組播通信提供了保護(hù)；如果由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉O端情況而無(wú)法找出不相交路徑，方案就不能為其中共享鏈路的故障提供保護(hù)。因此，基于相交多路徑的組播路由可以有效地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，為組播通信提供最大限度的保護(hù)。
2.2 方案的描述
　針對(duì)不相關(guān)雙樹(shù)構(gòu)建成功率低下的問(wèn)題，本文提出一種基于相交多路徑的組播主動(dòng)式恢復(fù)方案。該方案在同一時(shí)刻為組播樹(shù)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)盡可能提供兩個(gè)父節(jié)點(diǎn)（連接不同的鄰居節(jié)點(diǎn)并且使用不同的物理連接）用于接受組播數(shù)據(jù)。通過(guò)這種方式，各個(gè)目的地通過(guò)多條相交路徑連接到組播源，降低了網(wǎng)絡(luò)連通性的要求。另外，節(jié)點(diǎn)可以在路由故障時(shí)本地處理，非?？焖俚貙?shù)據(jù)流切換到仍然可用的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接收。這種本地的處理比任何需要多種原理和多種信息交換的分布式處理要快速許多。
   圖3為基于相交路徑的組播路由的一個(gè)例子。假設(shè)H1是組播通信的數(shù)據(jù)源； H2和H3是兩個(gè)目的主機(jī)。圖中粗線表示本方案建立的相交多路徑。由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞南拗?，有的目的主機(jī)(如H2)可以得到100%保護(hù)，有的主機(jī)(如H3)只能得到部分保護(hù)?？梢钥闯觯嘟欢嗦窂奖ＷC了構(gòu)建成功率并為組播路由提供一定程度的保護(hù)。

　本方案包括相交多路徑構(gòu)建算法與恢復(fù)消息處理算法兩部分。組播通信中所用的組播樹(shù)和備份路徑的計(jì)算采用本方案中的相交多路徑構(gòu)建算法；當(dāng)組播樹(shù)中的路由發(fā)生故障時(shí),備用路徑的激活采用恢復(fù)處理算法。
2.2.1 相交多路徑構(gòu)建算法
　相交多路徑構(gòu)建算法為樹(shù)中節(jié)點(diǎn)提供兩個(gè)父節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)作為缺省父節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)作為備用父節(jié)點(diǎn)。通過(guò)這種方式構(gòu)建組播源到各個(gè)組成員的多條相交路徑。對(duì)于每個(gè)組播組(Si，Gi)，其中，Si為組播源，Gi為組播組成員集合，相交多路徑構(gòu)建算法由節(jié)點(diǎn)Si采用集中式計(jì)算，偽代碼描述如下：
   算法1 相交多路徑構(gòu)建算法
   (1) initialize
   {初始化集合Ni(Si)，記錄所有與Si直連的節(jié)點(diǎn)；初始化鏈路集合R(Si)、節(jié)點(diǎn)集合L(Si)并置為空；}
   (2) for 網(wǎng)絡(luò)中不在Ni(Si)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)Ai(除去組播源Si)
   {檢查Ai是否和Ni(Si)中兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)直連；}
   (3)  if yes
   {隨機(jī)選擇其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為Ai的缺省父節(jié)點(diǎn)，另選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為Ai的備用父節(jié)點(diǎn),將鏈路加入到R(Si)，并將節(jié)點(diǎn)加入到L(Si)；}
   (4) else
   {檢查Ai是否屬于Gi; }
   (5) if yes
   {將Ni(Si)中與Ai直連的節(jié)點(diǎn)作為Ai的父節(jié)點(diǎn)，將鏈路加入到R(Si)，并將節(jié)點(diǎn)加入到L(Si)；}
　end if
       end if
   (6) repeat step2
   {重復(fù)step2，直到Gi中所有節(jié)點(diǎn)都在L(Si)中；}
   (7) delete useless node
   {檢查Ni(Si)中節(jié)點(diǎn)是否存在無(wú)下游節(jié)點(diǎn)且本身不屬于Gi的節(jié)點(diǎn);}
   (8) if yes
   {將節(jié)點(diǎn)從Ni(Si)中移出，并將與之相連的鏈路從R(Si)中移出;}
   end if
2.2.2 恢復(fù)消息處理算法
　當(dāng)組播樹(shù)中的路由發(fā)生故障時(shí)，恢復(fù)消息處理算法由檢測(cè)到故障的子節(jié)點(diǎn)發(fā)起，創(chuàng)建恢復(fù)消息激活備用父節(jié)點(diǎn)。收到恢復(fù)消息的節(jié)點(diǎn)依次激活備用父節(jié)點(diǎn)，直到再次連接到組播樹(shù)中。偽代碼描述如下：
   算法2 恢復(fù)消息處理算法
   (1) if 檢測(cè)到與父節(jié)點(diǎn)的通信故障
   {切換備用父節(jié)點(diǎn)為新的缺省父節(jié)點(diǎn)，并向備用父節(jié)點(diǎn)發(fā)送恢復(fù)消息Restore_message((Si,Gi),address)，其中address為本節(jié)點(diǎn)地址}
   end if
   (2) if 收到Restore_message((Si,Gi),address)
　{檢查本節(jié)點(diǎn)是否處于(Si,Gi)的組播樹(shù)中；}
   (3) if yes
   {將address加入到本節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)集合中，不再向備用父節(jié)點(diǎn)發(fā)送恢復(fù)消息；}
   (4) else
   {將address加入到本節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)集合中，將備用父節(jié)點(diǎn)設(shè)置為缺省父節(jié)點(diǎn)，并向備用父節(jié)點(diǎn)發(fā)送恢復(fù)消息Restore_message((Si,Gi),address),此處address設(shè)置為本節(jié)點(diǎn)地址；}
   end if
   end if
   算法可以處理節(jié)點(diǎn)故障：節(jié)點(diǎn)的故障可以表示為與之直連的鏈路全部發(fā)生故障的情形，受到影響的子節(jié)點(diǎn)不需要判斷故障類型，而只需要通過(guò)備用的父節(jié)點(diǎn)激活備用路徑，恢復(fù)后的路由自然繞過(guò)了故障的節(jié)點(diǎn)。
3 仿真與性能分析
　本文致力于組播路由快速恢復(fù)方案的研究，關(guān)注方案下述幾個(gè)方面的性能：首先是快速，從檢測(cè)到故障到備份路徑被激活的時(shí)間稱作故障恢復(fù)時(shí)間[2]。很顯然，恢復(fù)時(shí)間越短就意味著通信更少的中斷。其次需要關(guān)注的是組播樹(shù)的代價(jià)，包括缺省樹(shù)的代價(jià)和恢復(fù)后組播樹(shù)的代價(jià)兩個(gè)部分。缺省樹(shù)的代價(jià)反映組播傳輸?shù)男阅?，決定本方案是否可行；恢復(fù)后的組播樹(shù)一般比原來(lái)組播樹(shù)有一定代價(jià)的增加，代價(jià)的增加反映了恢復(fù)的質(zhì)量。因此，以平均恢復(fù)時(shí)間、缺省組播樹(shù)的代價(jià)、恢復(fù)后組播樹(shù)的代價(jià)這三個(gè)重要度量作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，將本方案與現(xiàn)有的方案進(jìn)行仿真對(duì)比。
　現(xiàn)有的組播主動(dòng)式恢復(fù)方案與本文提出的相交多路徑方案均是基于路徑備份的思想。在本方案中，備用路徑通過(guò)節(jié)點(diǎn)維護(hù)備用父節(jié)點(diǎn)的方式構(gòu)建，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，恢復(fù)消息一次激活各個(gè)備用父節(jié)點(diǎn)進(jìn)而激活整個(gè)路徑，恢復(fù)的時(shí)間涉及到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的消息處理和父節(jié)點(diǎn)配置。正因如此，在仿真中，用恢復(fù)信息激活備用路徑時(shí)通過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)衡量恢復(fù)時(shí)間。仿真中，每條鏈路的代價(jià)被配置為1，這樣組播樹(shù)的代價(jià)就是樹(shù)中鏈路的總個(gè)數(shù)。

　參考文獻(xiàn)[1]已對(duì)鏈路/路徑保護(hù)方案和“雙樹(shù)”方案在故障恢復(fù)時(shí)間和故障恢復(fù)后組播樹(shù)的代價(jià)增加兩方面進(jìn)行了性能比較。在隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的仿真結(jié)果表明“雙樹(shù)”方案優(yōu)于鏈路/路徑保護(hù)方案。因此，在本文中，除了相交多路徑方案以外，還對(duì)在第1節(jié)介紹的另外2種方案進(jìn)行了仿真：“冗余樹(shù)”方案和“雙樹(shù)”方案。在仿真實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)生成一個(gè)組播組，它由隨機(jī)選擇的一個(gè)組播源節(jié)點(diǎn)和多個(gè)組播組成員節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。三種方案各自計(jì)算缺省組播樹(shù)和備用路徑，記錄缺省樹(shù)的代價(jià)。另外，隨機(jī)選擇組播樹(shù)中的一個(gè)鏈路作為故障鏈路，應(yīng)用三種方案的恢復(fù)過(guò)程?；謴?fù)完成后，記錄恢復(fù)時(shí)間和恢復(fù)后組播樹(shù)的代價(jià)。筆者進(jìn)行了100次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，將所關(guān)注的3個(gè)度量取平均值進(jìn)行比較。
　圖4顯示出網(wǎng)絡(luò)中不同組播規(guī)模下的平均恢復(fù)時(shí)間。其中，“冗余樹(shù)”方案的平均恢復(fù)時(shí)間最長(zhǎng)，它反映了端到端的路徑備份會(huì)顯著延長(zhǎng)激活備份路徑的過(guò)程，因?yàn)楣收宵c(diǎn)首先要通知所有故障點(diǎn)下的目的節(jié)點(diǎn)，然后才進(jìn)行重新連接。本方案平均恢復(fù)時(shí)間稍短于“雙樹(shù)”方案，原因是本方案在出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行本地處理，直接發(fā)起備用路徑的激活過(guò)程，而“雙樹(shù)”方案要對(duì)故障點(diǎn)以下的部分中間路由器和組播組目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作。從需要操作的節(jié)點(diǎn)的數(shù)量來(lái)說(shuō)，本方案遠(yuǎn)小于其他兩種方案，因此，恢復(fù)操作所需的時(shí)間也就非常小。另外，從圖4中可以看出，本方案和“雙樹(shù)”方案的平均恢復(fù)時(shí)間會(huì)隨著組播規(guī)模的增加而降低，但是“冗余樹(shù)”方案則不會(huì)。原因是更密集的組播組會(huì)幫助前兩者發(fā)現(xiàn)備用路徑，而不會(huì)幫助“冗余樹(shù)”方案。

　圖5顯示了缺省組播樹(shù)代價(jià)的對(duì)比。“冗余樹(shù)”方案和“雙樹(shù)”方案的缺省樹(shù)均是最短路徑樹(shù)，因此本方案的缺省樹(shù)代價(jià)略高于前兩者。圖6顯示了恢復(fù)后組播樹(shù)代價(jià)的對(duì)比。在單故障的情況下，三種方案恢復(fù)后的組播樹(shù)都未產(chǎn)生較大的代價(jià)增加。綜合考慮上述三個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)，可以看出，本方案優(yōu)于“冗余樹(shù)”方案和“雙樹(shù)”方案。

　在本文中，探討了組播路由快速恢復(fù)的問(wèn)題，討論了現(xiàn)有的幾種組播主動(dòng)式恢復(fù)方案并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。現(xiàn)有的方案大都基于不相交多路徑來(lái)建立備用路由，然而不相交多路徑卻存在構(gòu)建成功率低的問(wèn)題，一旦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錈o(wú)法滿足不相交多路徑的構(gòu)建，則整個(gè)方案無(wú)法對(duì)組播通信提供保護(hù)。本文提出了自己的組播路由方案，即基于相交多路徑的組播主動(dòng)式恢復(fù)方案。在此方案中，組播樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)維護(hù)主備兩個(gè)父節(jié)點(diǎn)，使得各個(gè)目的地通過(guò)多條相交路徑連接到組播源。另外，節(jié)點(diǎn)在路由故障時(shí)本地處理，快速地將數(shù)據(jù)流切換到仍然可用的備用父節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，該方案構(gòu)建的組播樹(shù)以及故障恢復(fù)后的組播樹(shù)代價(jià)均與現(xiàn)有方案相當(dāng)，但是可以提供更短的恢復(fù)時(shí)間。
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