專利名稱：通信網(wǎng)絡(luò)的制作方法
時常忽略網(wǎng)絡(luò)設(shè)計在提供服務(wù)質(zhì)量(QoS)方面的作用不管使用的帶寬分配策略多么精致，一個設(shè)計糟糕的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)永遠不能與設(shè)計精良的網(wǎng)絡(luò)的性能相提并論。下面展示一種網(wǎng)絡(luò)，其克服與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計相關(guān)的許多問題。這些網(wǎng)絡(luò)具有有限的跳數(shù)(hop count)、相對少的鏈路和網(wǎng)絡(luò)上路由的平均分布。平均路由分布允許路徑選擇(即，路由選擇)算法將業(yè)務(wù)均勻地載入到網(wǎng)絡(luò)上，防止降低性能的網(wǎng)絡(luò)熱點；平均負載分布改善網(wǎng)絡(luò)對故障的響應。因此，這些規(guī)則的部分網(wǎng)狀連接網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)越的性能。首先，分析網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的現(xiàn)有策略及其問題。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的問題通信網(wǎng)絡(luò)是十分復雜的系統(tǒng)，其包括利用許多不同技術(shù)構(gòu)建的物理與邏輯層。網(wǎng)絡(luò)可視作完全物理的(例如，利用管道、光纖和交換設(shè)備構(gòu)建的同步數(shù)字系列(SDH)傳送網(wǎng)絡(luò))、部分物理的、部分邏輯的(例如，利用傳輸/傳送網(wǎng)絡(luò)提供的邏輯鏈路構(gòu)建的一組異步傳送模式(ATM)或互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)交換機)或完全邏輯的(例如，ATM專用網(wǎng)絡(luò)-網(wǎng)絡(luò)接口(PNNI)分層的邏輯節(jié)點和鏈路)。在此多層結(jié)構(gòu)中，每個層需要不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(這理想地應考慮較高和較低層)來考慮不同的設(shè)計目標、約束和技術(shù)限制。在傳送點對點拓撲鏈路時，使用不同的傳輸結(jié)構(gòu)是可能的。例如，這樣的鏈路可以是整個傳輸系統(tǒng)或傳輸系統(tǒng)的一部分、串聯(lián)的幾個傳輸系統(tǒng)或這樣的結(jié)構(gòu)的組合。點對點拓撲鏈路本身也能傳送在一起進行多路復用的許多電路或分組流。
在任何真實的網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)必須在不同的拓撲點上進入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)。盡管可能未特別提到此，但這應假定適用于各種結(jié)構(gòu)。
可能出現(xiàn)其中一些約束表示可以合并拓撲結(jié)構(gòu)的組合以形成更大的網(wǎng)絡(luò)的情況，在這種情況中整個網(wǎng)絡(luò)只有一部分可以構(gòu)成規(guī)則的部分網(wǎng)狀連接網(wǎng)絡(luò)。同樣地，整個網(wǎng)絡(luò)可以包含至一個以上的規(guī)則的部分網(wǎng)狀連接網(wǎng)絡(luò)的示例。
雖然希望網(wǎng)絡(luò)設(shè)計能在網(wǎng)絡(luò)(IP/ATM/公用交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN))的服務(wù)層而不是在傳送層上找到更多的應用，但焦點仍在于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的拓撲結(jié)構(gòu)方面而不在于任何特定實施技術(shù)上。因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為節(jié)點和鏈路的拓撲結(jié)構(gòu)，在所有節(jié)點對之間提供連接。
環(huán)狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)是討論網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的良好起點，這是因為這些網(wǎng)絡(luò)表示所有網(wǎng)絡(luò)中固有的折衷。假定要求網(wǎng)絡(luò)在所有N個節(jié)點對之間傳送恒定的業(yè)務(wù)量C。如果每個節(jié)點連接到每個其他節(jié)點，則結(jié)果是如

圖1a所示的完全網(wǎng)狀網(wǎng)，其具有數(shù)量級為N2的鏈路(即，N(N-1)/2鏈路)。N(N-1)的業(yè)務(wù)流之中的每個業(yè)務(wù)流交換兩次，一次在起始節(jié)點上，以及一次在目的節(jié)點上。每個業(yè)務(wù)流在始發(fā)地與目的地之間具有一個跳躍(其中跳躍定義為經(jīng)歷的鏈路的數(shù)量)。選擇方案是利用N條鏈路將所有的節(jié)點連接成環(huán)狀，如圖1b所示。非相鄰節(jié)點之間的業(yè)務(wù)必須通過插入節(jié)點進行交換并且每個業(yè)務(wù)的平均跳躍數(shù)量與N成比例。必需利用這些節(jié)點與鏈路提供更多的業(yè)務(wù)傳送容量來傳送此轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)。環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)中總的轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)量的大小為N3，如果N為偶數(shù)，轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)量為CN(N/2-1)2；如果N為奇數(shù)，轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)量為CN((N+1)/2-1)((N+1)/2-2)。
這兩者之中哪個更好呢？全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)有效利用其節(jié)點沒有容量用于交換轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)。但是，使用太多的鏈路來實現(xiàn)此目標；鏈路的數(shù)量隨著N而迅速增加，以致于網(wǎng)格只對于小型網(wǎng)絡(luò)是實際的。如果網(wǎng)絡(luò)端口是有限的資源，則網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的最大數(shù)量受端口數(shù)量的限制。環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)更好嗎？在環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)大小不受端口數(shù)量的限制，但是隨著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增加，越來越多的容量必須用于傳送轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)。在這兩種情況下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計未良好設(shè)計環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)具有太多的跳躍；全網(wǎng)狀網(wǎng)具有太多的鏈路。
通過在節(jié)點之間選擇性地增加鏈路以形成圖2所示的具有9個節(jié)點的“隨機部分網(wǎng)格”，能夠設(shè)計具有較好換算特性的網(wǎng)絡(luò)。一般地，每個節(jié)點將連接到至少兩個其他節(jié)點，以保證網(wǎng)絡(luò)在鏈路故障時還能工作，并保證沒有單個節(jié)點故障能將網(wǎng)絡(luò)一分為二。如我們應明白的，隨機部分網(wǎng)格至少在某些方面代表環(huán)狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)之間良好的折衷。特別地，通過改變網(wǎng)格連接程度，能對換性能與成本。
設(shè)計網(wǎng)絡(luò)以努力滿足諸如成本和性能的特定目標本質(zhì)上是困難的最優(yōu)化問題是NP-complete(NP完整)。即，不存在多次查找最佳解決方案的算法。許多技術(shù)(諸如模擬退火或生成算法)能用于查找次優(yōu)但有用的解決方案，并且一些設(shè)計工具采用這些算法或其他的啟發(fā)式。但是，這些方案所具有的主要問題是設(shè)計的質(zhì)量只是與使用的優(yōu)化標準一樣好。選擇實際優(yōu)化標準本身是一個難題。一些約束可以以成本函數(shù)來查找表達式，但由于尋找算法的不充分而不可能找到足夠的解決方案。
分析隨機網(wǎng)狀連接網(wǎng)絡(luò)的性能由于此網(wǎng)絡(luò)的無規(guī)律性而是困難的，這是最好利用計算機來處理的問題。隨機網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的路由分析(這些路由是網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)的函數(shù))幾乎總是表示一些節(jié)點用作“集線器”，集中許多短路由(長度為2或3個跳躍)。因此，在利用幾乎任意的路由選擇協(xié)議裝載時，集線器節(jié)點以及周圍的鏈路變得更有效利用，這是因為每個路由選擇協(xié)議首先將利用較短的路由。換言之，網(wǎng)絡(luò)不使熱點發(fā)展成為不對稱業(yè)務(wù)的結(jié)果而成為網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的結(jié)果。這不出現(xiàn)問題，假定網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為支持不對稱業(yè)務(wù)的話。但是，尤其是當集線器節(jié)點或連接的鏈路出現(xiàn)故障時，節(jié)點或鏈路發(fā)生故障的后果嚴重。
規(guī)則的部分網(wǎng)狀連接網(wǎng)絡(luò)如果能夠找到部分網(wǎng)狀連接的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)(規(guī)則的部分網(wǎng)狀網(wǎng))，則能克服可換算性和集線器問題。如果網(wǎng)絡(luò)是規(guī)則的，從每個節(jié)點來看此網(wǎng)絡(luò)都是相同的，因此沒有節(jié)點能用作集線器。通過保證在所有節(jié)點之間存在全部集合的兩跳路由能夠解決(或至少控制)可換算性問題?？紤]N個節(jié)點的部分連接網(wǎng)絡(luò)，其包含N個交換單元(這不必是節(jié)點本身)。如果每個節(jié)點連接到數(shù)量為N1/2的交換單元，則在一個跳躍中能到達N1/2個不同目的地。如果交換單元本身與N1/2其他節(jié)點連接，則能在兩跳中到達所有的N個節(jié)點。因此網(wǎng)絡(luò)具有總數(shù)為N3/2的鏈路，遠小于完全連接網(wǎng)絡(luò)的N2個鏈路(如果N＝100，N3/2＝1000，N2＝10000)。因為所有的業(yè)務(wù)額外交換一次(現(xiàn)在總共為三次)，所以只需要部署50％的額外交換容量。
尋找部分連接網(wǎng)絡(luò)不是一件容易的任務(wù)。數(shù)學上，這包括尋找具有特定特性的連接矩陣。用A來表示νθb連接矩陣，列舉ν網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和b其他交換元素之間的連接。矩陣A的分量aij是第i節(jié)點與第j個交換元素之間的鏈路數(shù)量。因此矩陣A描述每對節(jié)點與交換元素之間一跳路由的數(shù)量。節(jié)點i與節(jié)點j之間具有兩跳的路由的數(shù)量利用i與中間交換元素k，aik之間的路由的數(shù)量乘以從交換元素K至節(jié)點j，akj所有中間單元上相加的路由的數(shù)量來給出。將該矩陣標記為B并將其元素標記為bkj。即bij=Σkaikakj.]]>這正是矩陣A與它本身的乘積，因此B＝AAT。我們希望加強的兩跳特性以及規(guī)律性是B=AAT=rλ••λλrx••••••••λ•••r=(r-λ)I+λj...(1)]]>其中I是ν×ν識別矩陣，而J是其中的ν×ν矩陣。如果在A的每列中正好具有K個矩陣(即，每個交換元素正好連接到K個節(jié)點)[1，2]，等式(1)是平衡的不完全塊設(shè)計(BIBD)的特殊表達式。RonaldFishar于1920年首次將BIBD用于統(tǒng)計實驗設(shè)計中。自此，BIBD在比賽設(shè)計、編碼和密碼方面具有許多使用，但直到現(xiàn)在才用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。在組合文字中，BIBD時常表示為BIBD(ν，b，r，k)，或由于b與r能從其他參數(shù)中進行決定而表示為2-(v，kλ)設(shè)計，或簡單表示為(v，kλ)設(shè)計。
具有許多方式在通信網(wǎng)絡(luò)中應用BIBD。為了使網(wǎng)絡(luò)更具彈性，λ＞1，因此在任何兩個節(jié)點之間存在一個以上的路由選擇。因為每個路由必須經(jīng)過不同的交換元素，所以這些λ選擇中的每一個選擇是不同的——這些路由不共享公用節(jié)點或鏈路。如果一個路由由于任何原因而變得不可使用，則總是具有至少一個其他的路由能夠使用。
兩層應用星形與方形BIBD的最常應用是將b個交換元素認為是獨立的交換層，這些交換機不構(gòu)成常規(guī)的中繼線或較高層網(wǎng)絡(luò)，這是因為這些交換機未直接連接在一起。術(shù)語“星形節(jié)點”與“方形節(jié)點”用于區(qū)分轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)的b個交換元素和接收源業(yè)務(wù)的v個節(jié)點。所有的BIBD能夠用于這種類型的應用，這是因為這不對BIBD施加對稱限制。特別地，v不等于b，并且矩陣A不必對稱，即，aij不等于aji。
一個示例是v＝b的不對稱(7，4，2)設(shè)計。在圖3中表示描述方形節(jié)點1-7與星形節(jié)點A-G之間連接性的矩陣A以及網(wǎng)絡(luò)示意圖。
此概念具有許多擴展方形節(jié)點可以使用公用組的星形節(jié)點概括為包括許多獨立的邊緣節(jié)點，等等。這種類型的應用的示例將在參考書目[3]中進行討論。
單層應用如果在單層網(wǎng)絡(luò)中使用BIBD，連接矩陣A必須是對稱的，并且ν＝b。對稱矩陣不應與對稱BIBD混淆，對稱BIBD具有不同的數(shù)學定義。A的對角線必須為零，否則節(jié)點將包含至它們自己的重要鏈路。這些約束條件限制了合適的BIBD的數(shù)量。從實用角度考慮，能允許許多不足之外并仍生成高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)。特別地，如果采用在每對節(jié)點之間至少具有一跳或兩跳路由的兩種選擇的矩陣aij+bij＞1能找到不是BIBD的許多好的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。在發(fā)現(xiàn)滿足該標準的許多類別之中，兩種類別特別有用(i)除去對角線的對稱BIBD(這使得網(wǎng)絡(luò)稍有點不規(guī)則，但不會顯著降低網(wǎng)絡(luò)性能)；和(ii)強規(guī)則圖形。具有參數(shù)(ν，K，λ，μ)的強規(guī)則圖形具有ν個節(jié)點而沒有環(huán)路(即，至其本身的鏈路——對角線為零)或在節(jié)點之間沒有多條鏈路，但具有至其他節(jié)點的K條鏈路。矩陣B假定所有重要的兩跳路由為B＝kI+μA+λ(J-I-A) (2)其中I是ν×v單位矩陣，而J是其中的一個ν×ν矩陣，與以前一樣。等式(2)表示在除了具有直接鏈路之外的幾乎任何地方(其中具有μ種兩個跳躍路由的選擇)(以及一個直接路由)都具有兩跳路由的λ種選擇。因為在ν2個的總的兩跳路由之中只有νK個路由具有兩種以上的選擇，所以額外連接的數(shù)量少，并且k與ν1/2或比例。
圖4表示(9，4，1，2)強規(guī)則圖形，在[2]中標記為32。(9，4，1，2)圖形的結(jié)構(gòu)包括3組節(jié)點，每組包括3個節(jié)點的全網(wǎng)格連接，每個節(jié)點另外連接到其他兩個組中的其對方，此結(jié)構(gòu)建議許多明顯的擴展。利用4個節(jié)點的組重復該圖形得到強規(guī)則圖形(16，6，2，2)，這也是(16，6，2)BIBD。同樣地，該模式利用全部為強規(guī)則圖形的5組5節(jié)點等等也能無限擴展。從6組5節(jié)點等中形成非絕對規(guī)則的圖形，但形成具有不同的大多為兩種選擇的兩跳路由的極好通信網(wǎng)絡(luò)。
性能比較因為沒有一種性能度量標準能表征一個網(wǎng)絡(luò)，因此在測量范圍上比較一組網(wǎng)絡(luò)的相對性能。因為與環(huán)狀網(wǎng)和網(wǎng)格網(wǎng)的比較不會揭示任何新東西，所以將具有9、16、25與36個節(jié)點的隨機網(wǎng)狀網(wǎng)和具有相同數(shù)量節(jié)點[4]的部分網(wǎng)狀網(wǎng)進行比較。選擇的部分網(wǎng)狀網(wǎng)是來自參考文獻[2]中的32、42、52和62強規(guī)則圖形。利用建立的商用模擬退火網(wǎng)絡(luò)計劃工具生成隨機網(wǎng)狀網(wǎng)，在均勻業(yè)務(wù)分布[5]上使用最小跳躍路由選擇。設(shè)計所有的網(wǎng)絡(luò)，以便對于每個業(yè)務(wù)需求存在(至少)兩個不同的路徑。通過使轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)不利來控制鏈路的數(shù)量。如果沒有轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)損失，網(wǎng)絡(luò)變成環(huán)狀網(wǎng)；在增加轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)損失時，網(wǎng)絡(luò)變得更像網(wǎng)狀網(wǎng)。
在比較任何兩個網(wǎng)絡(luò)時，為了得到任何明確的結(jié)論，必須進行有關(guān)業(yè)務(wù)分布和網(wǎng)絡(luò)行為(即，使用哪種類型的路由選擇協(xié)議)的假定。為了使這些結(jié)論盡可能通用，假定利用最小跳躍方案來為業(yè)務(wù)選擇路由，同樣利用相等加權(quán)的路由。這對應于鏈路加權(quán)設(shè)置為1的QSPF等價多路徑路由選擇，并且代表許多通用的路由選擇方案[6]。假設(shè)業(yè)務(wù)非平均分布，則所有的節(jié)點對之間存在任何一個單位的業(yè)務(wù)要求量。這簡化分析，但在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時這在缺少有關(guān)業(yè)務(wù)分布的任何信息的情況下也是最小偏差的業(yè)務(wù)分布。業(yè)務(wù)分布的選擇并不影響考慮的主要拓撲設(shè)計問題。
轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)其及分布轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)是網(wǎng)絡(luò)效率的簡單測量方法。對于均勻業(yè)務(wù)分布，轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)分布表示網(wǎng)絡(luò)上的路由分布。圖5a與5b分別表示用于隨機網(wǎng)狀連接和部分連接的9節(jié)點、18鏈路的網(wǎng)絡(luò)的每個節(jié)點上的轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)和每條鏈路上的轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)。
在隨機網(wǎng)狀連接網(wǎng)絡(luò)中，兩個節(jié)點用作集線器，傳送遠比其他節(jié)點(分別為14與10單元)多得多的轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)。
圖6表示每個節(jié)點的平均轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)以及平均轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)及其標準偏差之和，標繪為用于所有網(wǎng)絡(luò)的鏈路數(shù)量的函數(shù)。當鏈路的數(shù)量相等時，平均轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)在隨機網(wǎng)狀連接和部分連接網(wǎng)絡(luò)中是相當?shù)?。這利用效率的此測量來表示隨機網(wǎng)狀連接網(wǎng)絡(luò)與部分網(wǎng)狀連接網(wǎng)絡(luò)一樣好。但是，隨機網(wǎng)狀連接網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)的標準偏差表示業(yè)務(wù)非均勻分布。對于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)，標準偏差為零；完美地分布業(yè)務(wù)。不均勻業(yè)務(wù)分布對于將網(wǎng)絡(luò)作為單獨鏈路來說不是問題，并且能夠相應地指定節(jié)點大小，但在鏈路或節(jié)點發(fā)生故障時由于大量的轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)需要重新選擇路由而產(chǎn)生問題。
節(jié)點和鏈路故障在任何網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點和鏈路總能出現(xiàn)故障。網(wǎng)絡(luò)處理出現(xiàn)故障的鏈路和節(jié)點的能力是其設(shè)計的一個重要部分。考慮在圖7所示的9節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中最繁忙鏈路(虛線所示)出現(xiàn)故障。業(yè)務(wù)繞過故障重新進行路由選擇并計算新的節(jié)點與鏈路占用率。圖7將這些表示為未出現(xiàn)故障狀態(tài)時的負載的成倍增加。
因為轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)不均勻進行分布，所以在規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中需要提供更少的備用容量以便在故障狀態(tài)中傳送業(yè)務(wù)，因此較少的業(yè)務(wù)需要重新選擇路由。圖8中所示的是在所有的節(jié)點或鏈路出現(xiàn)故障(一次一個故障)時隨之而來的節(jié)點與鏈路的容量增加的最壞情況。
圖8能夠用于確定應在節(jié)點和鏈路上使用以保證在出現(xiàn)故障時沒有網(wǎng)絡(luò)擁塞的最壞情況計劃限制。隨機網(wǎng)格連接網(wǎng)絡(luò)中的一些鏈路只能以30％的最大占用率運行，而在規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中該數(shù)值可以從9節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的75％至36節(jié)點網(wǎng)絡(luò)中的83％的范圍內(nèi)變化。在隨機網(wǎng)格連接網(wǎng)絡(luò)中，對于每個節(jié)點和鏈路，必需確定計劃限制；對于規(guī)則網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，這些限制對于所有的節(jié)點和鏈路是固定的。圖9表示支持指定業(yè)務(wù)負載和作為工作節(jié)點與鏈路容量的一部分保存所有可能的故障情況的單個點所要求的總的節(jié)點與鏈路容量。實際部署的容量對于具有相當數(shù)量的鏈路的規(guī)則網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)來說較低，并且甚至對于具有較少鏈路的一些網(wǎng)絡(luò)來說，使網(wǎng)絡(luò)太稀疏時常是錯誤的節(jié)省。
負載平衡和不均勻業(yè)務(wù)分布上述分析可能具有兩個目的均勻業(yè)務(wù)分布的假設(shè)使結(jié)果無效以及負載平衡算法能減小糟糕的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的影響。
規(guī)則的部分連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的主要優(yōu)點在于在網(wǎng)絡(luò)上均勻分布為業(yè)務(wù)選擇路由的一跳和兩跳路由(并且首先利用大多數(shù)的路由選擇算法)。因此，規(guī)則網(wǎng)絡(luò)幾乎不管路由選擇算法如何都將使任何業(yè)務(wù)分布在網(wǎng)絡(luò)中盡可能地均勻擴展。不均勻轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)分布(和集線器節(jié)點的問題)是網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的作用結(jié)果，而不是業(yè)務(wù)分布的作用結(jié)果。
負載平衡算法能改善網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)分布。對于兩個節(jié)點和鏈路，利用簡單的負載平衡算法(以斷開相等長度路由上的連接，找出具有最高利用率的資源，選擇兩者之中最低的路由)表示業(yè)務(wù)能夠在極可能使用的節(jié)點或鏈路上進行平衡。實際上，平衡網(wǎng)絡(luò)中兩個最大的集線器。這在許多相等長度的可選擇路由經(jīng)歷這兩個集線器時不令人驚訝這些是獲得平衡的節(jié)點和鏈路。對于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)來說，因為節(jié)點或鏈路占用率幾乎相等，所以節(jié)點或鏈路平衡算法趨于平衡所有節(jié)點或鏈路上的負載。負載平衡算法能改善網(wǎng)絡(luò)平衡，但在規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中趨于工作更好。試圖保證服務(wù)質(zhì)量(QoS)的算法也趨于在規(guī)則網(wǎng)絡(luò)中工作地更好。QoS算法一般選擇短路徑、檢查能夠支持所要求的服務(wù)并相應地為業(yè)務(wù)選擇路由。只有在此路徑上(假定由于資源消耗)不能保證所請求的QoS時，才選擇替換(較長)路徑，這條較長路徑比較短路徑消耗更多的網(wǎng)絡(luò)資源。如果通過在網(wǎng)絡(luò)上更均勻地載入業(yè)務(wù)能夠延遲QoS算法選擇較長路徑的時間點，則利用給定QoS為業(yè)務(wù)選擇路由的網(wǎng)絡(luò)的最后容量將更高。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)計總是牽涉環(huán)狀網(wǎng)與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)之間成本與性能之間的折衷。在這些極限值之間的接近無限的選擇之中，從BIBD與強規(guī)則圖形中獲得的規(guī)則的部分網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在數(shù)學上是完美的或接近完美。這樣的網(wǎng)絡(luò)具有自然業(yè)務(wù)平衡特性，使之對于類似連接的隨機網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是更優(yōu)選的。建議為了其效率、堅固性和規(guī)則性而使用這些設(shè)計。
遵循上述分析，基于所建議的平衡的不完全塊設(shè)計(BIBD)和類似的關(guān)聯(lián)矩陣的通信網(wǎng)絡(luò)具有許多特性，這些特性使之特別適于在通信網(wǎng)絡(luò)中使用。這些特殊特性為1.所有的節(jié)點利用長度最大為2的路由進行連接。
2.提供多個路由，改善負載平衡和冗余。
網(wǎng)絡(luò)和拓撲結(jié)構(gòu)任何通信網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可以表示為利用鏈路(或邊緣)連接的節(jié)點(或頂點)排列的圖。節(jié)點能代表交換或路由選擇元素或這樣的元素的邏輯集合。鏈路提供節(jié)點之間的點對點連接，并且能代表物理連接(例如，光纖傳輸系統(tǒng))、邏輯連接(例如，虛擬電路)或這樣的邏輯集合。
網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)也能利用連接矩陣來表示。如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點標記為1...N，則連接矩陣是N行與N列的有序陣列；第i行和第j列的輸入項表示第i與第j節(jié)點之間鏈路的數(shù)量。利用C來表示整個矩陣，并且利用Cij來表示行j和列j中的輸入項。下面表示一個示例。C=0100110100010110000010110]]>矩陣C的換位表示為CT并且通過互換行和列索引進行定義CTij＝Cji兩個矩陣C和D的相乘得到E利用下式來表示E＝CD并且利用下面的每個矩陣的元素的運算來定義eij=Σkcikdkj=ΣkcikdjkT]]>網(wǎng)絡(luò)上的路由包括順序經(jīng)歷的一組節(jié)點和路由，路由的長度定義為經(jīng)歷的鏈路的數(shù)量，節(jié)點i與j之間長度為1的路由的數(shù)量利用連接矩陣中的輸入項Cij給出，節(jié)點i與j之間長度為2的路由的數(shù)量通過將從節(jié)點i至任何中間節(jié)點K的路由的數(shù)量乘以從節(jié)點k至節(jié)點j的路由的數(shù)量來給定。這一組數(shù)字能夠?qū)懽骶仃嚕Q之為B。
bij＝∑CikCkj和B＝CCT平衡的不完全塊設(shè)計(BIBD)平衡的不完全塊設(shè)計(BIBD)是源于組合分析的一個概念。BIBD解決在某組限制條件下將對象安排為指定數(shù)量的集合的問題。摘自Marshall Hall(BlaisdelWaltham Mass，1967)的“CombinatorialTheory”的正式描述為A balanced incomplete block design is an arrangement of vdistinct objects into b blocks such that each block contains kdistinct objects，each object occurs in exactly r differentblocks，and every pair of distinct objects ai，ajoccurs togetherin exactlyλblocks(平衡的不完全塊設(shè)計是將ν個不同的對象安排為b個塊，以使每個塊正好包含K個不同的對象，每個對象正好出現(xiàn)在ν個不同的塊中，并且每對不同的對象ai，aj一起出現(xiàn)在正好λ個塊中。)平衡的不完全塊設(shè)計也能夠利用關(guān)聯(lián)矩陣來描述。這是具有ν行和b列的矩陣A，其中，如果a1，......，av是對象和B1，......，Bb是這些塊，則aij＝1，如果a1∈Bjaij＝0，如果 隨后，平衡的不完全塊設(shè)計具有下列特性AAT=rλ...λλr.........λ....r=(r-λ)Iv+λJvrv]]>其中Iv是ν乘以ν單位矩陣，而jv是其中的ν乘v矩陣，附加限制是在A的每列中必須正好具有K項。
不完美的BIBD不完美的BIBD或不完美的網(wǎng)絡(luò)定義為BIBD，其中至少一個拓撲節(jié)點具有丟失或額外的拓撲鏈路。
BIBD和網(wǎng)絡(luò)塊設(shè)計的關(guān)聯(lián)矩陣A能用于連接網(wǎng)絡(luò)中的一些或所有節(jié)點。關(guān)鍵特性為特定子集的連接節(jié)點在該子集的所有不同節(jié)點之間具有λ個最大長度為2的路由。該子集中的連接節(jié)點具有下列特性1.連接性所有的節(jié)點利用λ個長度為2的路由進行連接。(這些節(jié)點也可以利用長度為1的路由和許多更長的路由進行連接)。
2.平衡如果λ＞1，則可以在λ條可利用的不同路由上平衡業(yè)務(wù)。
3.彈性如果路由上的節(jié)點或鏈路出現(xiàn)故障，則可以利用λ-1個等效路由來傳送業(yè)務(wù)。
正是平衡和彈性特性與短路由一起使這些連接模式與網(wǎng)絡(luò)一樣有用。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種部分互聯(lián)的拓撲網(wǎng)絡(luò)，其包括至少6個拓撲節(jié)點，每個拓撲節(jié)點具有至少三個點對點拓撲鏈路，所述拓撲鏈路將此拓撲節(jié)點連接到多個拓撲節(jié)點之中的一些節(jié)點而不是連接到所有節(jié)點，并且其中在任何兩個拓撲節(jié)點之間至少存在一個路由的選擇，而且其中路由的選擇包括在另一拓撲節(jié)點上串聯(lián)連接的兩個點對點拓撲鏈路或這兩個拓撲節(jié)點之間的直接點對點拓撲鏈路。
現(xiàn)在參照附圖利用示例來說明本發(fā)明，其中圖1a表示具有9個節(jié)點的全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；圖1b表示具有9個節(jié)點的環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)；圖2表示具有9個節(jié)點的隨機部分網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)；圖3表示對稱(7，4，2)設(shè)計的兩層應用；圖4表示(9，1，4，2)強規(guī)則圖形；圖5a表示隨機網(wǎng)狀連接的9節(jié)點、18鏈路網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)；圖5b表示部分連接的9節(jié)點、18鏈路網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)；圖6表示作為鏈路數(shù)量函數(shù)的每個節(jié)點的平均轉(zhuǎn)接業(yè)務(wù)；圖7a表示在9節(jié)點隨機部分網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的鏈路出現(xiàn)故障時節(jié)點和鏈路負載的變化；圖7b表示在部分連接的9節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的鏈路出現(xiàn)故障時節(jié)點和鏈路負載的變化；圖8表示任何節(jié)點或鏈路出現(xiàn)單一故障時最壞情況的負載增加；圖9表示將所有單一故障點保留為無故障狀態(tài)的一部分容量所要求的容量增長；圖10表示具有至6個節(jié)點的單一鏈路連接和至所有節(jié)點(16，10，2)的成對雙鏈路連接的16節(jié)點BIBD的連接圖；圖11表示(16，10，6)BIBD的連接模式(連接矩陣)；圖12表示具有至8個節(jié)點的單一鏈路連接和至所有節(jié)點(15，8，4)的四對雙鏈路連接的15節(jié)點BIBD的連接圖；圖13表示(36，14，6)BIBD的連接模式；圖14表示具有至4個節(jié)點的單一鏈路連接和至這4個節(jié)點的單個雙鏈路連接以及至另外4個節(jié)點的兩對雙鏈路連接的9節(jié)點BIBD的連接圖15表示(25，8，3，2)SRG的連接模式；圖16表示(36，10，4，2)SRG的連接模式；圖17表示具有至3個節(jié)點的單一鏈路連接和至另外6個節(jié)點的單個雙鏈路連接的10節(jié)點BIBD的連接圖；圖18表示(50，7，0，1)SRG的連接模式；圖19表示30節(jié)點擴展(25，8，3，2)SRG的連接模式；圖20表示35節(jié)點擴展(25，8，3，2)SRG的連接模式；圖21表示具有截斷對角線的(11，5，2)BIBD的連接模式；圖22表示在截斷之前的(19，10，5)BIBD的連接圖；圖23表示具有截斷對角線的(37，9，2)BIBD的連接圖；圖24表示形成基本節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的(16，6，2)BIBD(這也是強規(guī)則圖形)，其已通過將兩個輔助節(jié)點與每個基本節(jié)點相關(guān)并將每個輔助節(jié)點連接到與其相關(guān)輔助節(jié)點相同的基本節(jié)點進行擴展；圖25表示形成基本節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的(16，6，2)BIBD(這也是強規(guī)則圖形)，其已通過將兩個輔助節(jié)點與每個基本節(jié)點相關(guān)并將每個輔助節(jié)點連接到與其相關(guān)輔助節(jié)點相同的基本節(jié)點進行擴展；圖26表示形成基本節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的(16，6，2)BIBD(這也是強規(guī)則圖形)，其已通過將一個輔助節(jié)點與每個基本節(jié)點相關(guān)并將每個輔助節(jié)點連接到與其相關(guān)輔助節(jié)點相同的基本節(jié)點進行擴展；輔助節(jié)點在其相關(guān)基本節(jié)點連接時也進行連接；圖27表示形成基本節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的(16，6，2)BIBD(這也是強規(guī)則圖形)，其已通過將兩個輔助節(jié)點與每個基本節(jié)點相關(guān)并將每個輔助節(jié)點連接到與其相關(guān)輔助節(jié)點相同的基本節(jié)點進行擴展；輔助節(jié)點在其相關(guān)基本節(jié)點連接時也進行連接；BIBD能以下列方式在網(wǎng)絡(luò)中使用1.完全網(wǎng)絡(luò)最簡單的情況如果BIBD具有矩形、對稱的關(guān)聯(lián)矩陣(ν＝b)，則它能用作網(wǎng)絡(luò)連接矩陣C，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點具有至所有其他節(jié)點的λ個長度為2的路由，它也將具有至某些節(jié)點的長度為1的路由。
2.兩層網(wǎng)絡(luò)任何塊設(shè)計都能用于兩層網(wǎng)絡(luò)中，其中節(jié)點的總數(shù)(N＝ν+b)能劃分為兩類節(jié)點，一類為ν個，另一類為b個(例如，這兩組節(jié)點可以代表PSTN中的Trunk中繼線與本地交換機)，其中ν個節(jié)點的子集之間要求希望的連接特性。(如果BIBD具有矩形對稱關(guān)聯(lián)矩陣，則ATA＝AAT，并且在所有節(jié)點之間保持希望的連接特性)。如下采用N乘N連接矩陣的ν乘b關(guān)聯(lián)矩陣A 給出長度為2的路由的數(shù)量的矩陣B為 并且在要求時在ν節(jié)點的子集之間實現(xiàn)所需要的連接性(AAT)。
3.嵌入的子網(wǎng)ν乘b塊設(shè)計能嵌入為任意的子網(wǎng)，如上所述，以便在不同子組的節(jié)點之間提供需要的λ個長度為2的路由。如果BIBD具有矩形對稱的關(guān)聯(lián)矩陣，則ATA＝AAT，并且在此子網(wǎng)的全部ν+b個節(jié)點之間保持需要的連接性。 因此長度為2的路由的矩陣為 參考文獻[1]′Combinatorial Theory′M.Hall，Jr.，Blaisdell(Waltham Massachusetts)19675 [2]′The CRC Handbook of Combinatorial Designs′，C.J.Colbourn and J.H.Dinitz(Eds)，CRC Press(Boca Raton，F(xiàn)lorida)1996[3]Patent Application No.GB 9912290.5.NetsceneSP，a network planning and design tool which employs simulatedannealing，produced by The Network Design House，London.10 [5]`OSPF Version 2′，John T.Moy，RFC2328，available fromhttp://www.normos.org/iet/rfc/rfc2328.txt.See also OSPF，John T.Moy，AddisonWesley Longman(Reading，Mass.，USA，1998)
權(quán)利要求
1.一種部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，包括至少六個拓撲節(jié)點，其中拓撲節(jié)點是單個物理節(jié)點或一組互連的物理節(jié)點或物理節(jié)點的一部分或一組互連的物理節(jié)點和物理節(jié)點的一部分，每個拓撲節(jié)點具有至少三個點對點拓撲鏈路，將其連接到多個拓撲節(jié)點之中的一些而非全部節(jié)點，和其中在任何兩個拓撲節(jié)點之間具有路由的至少一種選擇，而且其中路由的選擇包括在另一拓撲節(jié)點上串聯(lián)連接的兩個點對點拓撲鏈路或這兩個拓撲節(jié)點之間的直接點對點拓撲鏈路。
2.如權(quán)利要求1所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中每個拓撲節(jié)點是業(yè)務(wù)入口點和/或業(yè)務(wù)出口點。
3.如權(quán)利要求1或2所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中此部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)是較大的拓撲網(wǎng)絡(luò)的一部分。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中點對點拓撲鏈路包括整個傳輸系統(tǒng)或傳輸系統(tǒng)的一部分或串聯(lián)或并聯(lián)連接的幾個傳輸系統(tǒng)。
5.如前面任何一項權(quán)利要求所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中傳輸系統(tǒng)具有多個電路。
6.如權(quán)利要求1、2或3所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中自每個拓撲節(jié)點具有相等數(shù)量的點對點拓撲鏈路。
7.如前面任何一項權(quán)利要求所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中拓撲網(wǎng)絡(luò)利用對稱平衡的不完全塊設(shè)計的應用進行排列，其中對于兩個節(jié)點A與B之間的每個點對點拓撲鏈路，在B與A之間具有相應的點對點拓撲鏈路，并且其中沒有拓撲節(jié)點利用外部環(huán)路連接到它自身。
8.如前面任何一項權(quán)利要求所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中利用強規(guī)則圖形的應用來排列此拓撲網(wǎng)絡(luò)。
9.如前面任何一項權(quán)利要求所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中排列P組的Q個拓撲節(jié)點，使得一組內(nèi)的每個拓撲節(jié)點連接到那個組內(nèi)的每個其他拓撲節(jié)點并連接到其他P-1個組之中的每個組中的正好一個拓撲節(jié)點，其中P與Q大于2，并且P不等于Q。
10.如前面任何一項權(quán)利要求所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中利用對稱平衡的不完全塊設(shè)計的應用來排列此拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中對于兩個節(jié)點A與B之間的每個點對點拓撲鏈路，在B與A之間具有相應的點對點拓撲鏈路，并且其中刪除將拓撲節(jié)點連接到它自身的任何外部環(huán)路。
11.如權(quán)利要求1、2或4所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，連接到具有相等或較少數(shù)量的拓撲節(jié)點的另一類似的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)。
12.如前面任何一項權(quán)利要求所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中沒有拓撲節(jié)點利用外部環(huán)路連接到它自身。
13.如權(quán)利要求1或2所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中(拓撲節(jié)點-1)×選擇＝(點對點拓撲鏈路)2。
14.如權(quán)利要求7所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中具有丟失的拓撲鏈路。
15.如前面任何一項權(quán)利要求所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中此部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)是電信和/或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。
16.如權(quán)利要求1至5之中任何一項權(quán)利要求所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中通過將一個或多個輔助節(jié)點與每個基本節(jié)點相關(guān)來擴展利用強規(guī)則圖形的應用排列的一組基本節(jié)點，其中每個輔助節(jié)點連接到與其相關(guān)的基本節(jié)點相同的基本節(jié)點。
17.如權(quán)利要求16所述的部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)，其中兩個輔助節(jié)點在其相關(guān)基本節(jié)點連接時進行連接。
全文摘要
在具有至少六個拓撲節(jié)點的一種部分互連拓撲網(wǎng)絡(luò)中，拓撲節(jié)點是單個物理節(jié)點或一組互連的物理節(jié)點或物理節(jié)點的一部分或一組互連的物理節(jié)點和物理節(jié)點部分，每個拓撲節(jié)點具有至少三個點對點拓撲鏈路，將其連接到多個拓撲節(jié)點之中的一些而非全部節(jié)點，并且在任何兩個拓撲節(jié)點之間具有路由的至少一種選擇，其中路由的選擇包括在另一拓撲節(jié)點上串聯(lián)連接的兩個點對點拓撲鏈路或這兩個拓撲節(jié)點之間的直接點對點拓撲鏈路。
文檔編號H04L12/54GK1440627SQ0181227
公開日2003年9月3日 申請日期2001年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月3日
發(fā)明者B·詹森, P·布拉東, T·S·馬德爾恩, G·喬平 申請人:馬科尼通訊有限公司