网络多播路由优化与仿真研究

ｎ ｔ ｏｋ ｍｕ ｉａｔｒｕｉｇｐ ｏ ｌｍ ，ｉｉａ ｈ ｒｍｏ ｅ ｓｏ ｇ ｅｕｔ ｎ ｔｅ ｄ ｆｃｓｏ ｌｗ ｃｎ ｅｇ ｎ ｅ ｓ ｅ ｄ ａ ｄ ｅ ｒ ｈ ｃ ｓ ｏ ｔ ｒｂｅ ｗ ｎ ｎｔ ｌｐ ｅｏ ｎ ｈ ￣ａ ｅｒｓ ｌ ｉ ｅｅ ｔ ｆｓ ｏ ｖｒｅ ｃ ｐ ｅ ｎ ｉ ｓ ｈ ｏ
记为 Ｒ（ｏｃ ， ｉ ｂｎ ｗｄｈ ｅ ｙ ｌ ｓ ｊｔ ） 其 中 ｓｕｅ ａ ｍ， ａ ｄ ｉｔ，ｄｌ ，ｏ ， ｉｅ ， ａ ｓ ｔｒ
ｓｕｅ表示路 由请求 的源 节 点 ，ｉ ｏｃ ａｍ表 示 路 由请 求 终 节 点 ，
：
记为 Ａ（ （ ， ，ｏｔａ ｄｌ ， ｓ，ｔ ｒ ， 中 Ｔ Ｓ Ｔ ＳＭ） ｃｓ，ｉ ｅ ｙ ｌ ｓｊｔ ） 其 ｍ， ａ ｏ ｉｅ （，
Ｍ） 表示一棵 多播树 ，ｏｔ ｃｓ表示抗 体的实 际费用 ，ｅ ｙ表示延 ｄｌ ａ 时 ； ｓ 表示丢失率 ， ｔｒ ｌｓ ｏ ｊｔ 表示时延抖动 。 ｉｅ
慢、 局部求精能力差等 缺点 ， 限制其在 多播路 由优 化 中应用 。
人 工免疫算 法采用克 隆变异 机制 保障抗 体具 有随 机性 的多
一
ｌ１ — １
样性 ， 根据亲和力程度更新抗体 ， 具有快 速 的全局搜 索能力 ，
已成为人工智能研究 的热点领域 Ｊ 。
初始信息素分布 ， 然后 通过 采用 蚁群算 法 的并行 性 、 正反馈 机制迅速地 找到 网络 多 播路 由的最 优解 ， 利用 二 者优 势互
第２卷 第ｌ期 ８ Ｏ
文章编号 ：０６— ３８ ２ １ ）０－ １ １ ４ １０ ９ ４ （ ０ １ １ ０ １ 一ｏ
计
算
机
仿
真
２１ ０ ０ 年１月 １
网络 多播 路 由优 化 与仿 真研 究
师 东生
（ 内蒙古科 技大学 信息工 程学院 ， 内蒙古 包头 ０４１ ） １００
摘要 ： 究网络多播路 由优化问题 ， 研 由于网络数据流要求实时性和准确性 ， 而网络多播路 由是 一个多约束 条件的复杂 问题 ， 传统优化算法对其进行求解耗时长 ， 效率低 ， 难以找到最优路 由。为了快速找到最优多播路 由， 提出了一种人 工免疫 一 蚂蚁 算法的多播路 由优化方法。人工免疫 一 蚂蚁算法首先将多播路 由的 目标函数和约束条件作为抗 原 ， 目标函数 的优化解作 为
斯坦利树路 由算法 ， 些算 法是集 中式 的 ， 这 要求 一个 中心节 点来负责 网络路 由 ， 且该 中心节点必须掌 握整个 网络的全部 信息 ， 算复 杂度 太高 ， 率 比较 差 ， 计 效 因此 难 以适应 大 型 网
络 。近几年 ， 随着进化技术 的发展 ， 出现 了遗 传算法 、 粒子 群算法 、 蚁群算 法等启 发式的 网络多播路 由优 化方法 ］ 。遗
２ 抗原编码 。抗原编码采用如下形式 ： ）
ｓ ｃ ｌ ａ ｌａｄｉｈｌ ｄａ ｏｅ ｉ ｕ ｍ ｎｗｄ ｂ ｔ ｅｌ ｙ
态信息并不断更新信息 ， 以及根 据已有信息来 为新 的连 接请
求 选择一条合适 的路 由。 计算机 网络表示为有 向加权 图 Ｇ Ｖ Ｅ ， 其 中 ／ ｍ分 （ ， ）设 ７ ， ，
中图分类号 ： Ｐ９ ．０ Ｔ ３３ ７ 文献标识码 ： Ａ
Ｓｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｎ Ｍ ｕｌｉａ ｔＲｏ ｉ ｍ ｌ ｔｏ ｏ ｔｃ ｓ ｕｔｎｇ Ｏｐｔｍ ｉｉ ｇ ｒｔ ｓ ｉ ｚｎｇ Ａｌ ｏ ｉｈｍ
Ｓ ｎ —ｈｎ ＨＩ Ｄｏ ｇ— ｓ ｅ ｇ
（ｎｏｍ ｔ ｎＩｓｔｔ，ＩｎｒＭ ｎｏ ａＵ ｉ ｒ ｔ ｏ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ， ａｔ ｎ ｅ Ｍｏｇｌ １０ ０ Ｃ ｉａ Ｉｆｒ ａ ｏ ｔｕｅ ｎｅ ｏ ｇｌ ｎｖ ｓｙ ｆ ｉｎｅａｄＴｃ ｎｌ ｙ Ｂ ｏ ｕＩｎｒ ｎ ｏａ０ ４ １ ， ｈ ） ｉ ｎｉ ｉ ｅ ｉ Ｓ ｏ ｏ ｉ ｎ
ｉ ｇ ｄ ｌｙ ｃ ｎ ｔａｎ ｄ ｂ ｎ ｗ ｄ ｅ ｕ ｓ ｔｅ ｍｉ ｉ ｍ ｏ ｔ ｕ ｉ ｇ ｎ ｍｐ ｏ ｅ ｔ ｅ ｎ ｔ ｏ ｋ ｍｕ ｉａ ｔ ｏ ｔ ｇ ｓ － ｎ ｅ ａ ｏ ｓｒ ｉｔａ ａ ｄ ｉ ｔ ｒ ｑ ｅ ｔｈ ｎｍｕ ｃ ｓ ｒ ｔ ，ａ ｄ ｉ ｒ ｖ ｅｗ ｒ ｈ ｃ ｓ ｕ ｎ ｅ ｎ ｈ ｏ ｎ ｈ ｒ ｉ
ｄ ｒ ｃ ｏ ．Ｔ ｅ ｈ ｎ ｏｏ ｙ ａｇ ｒ ｍ ａ ｓ ｄ ｔ ｒ ｄ ｃ ｎ ｐ ａｅ ａ ｔ ｏ ｉ ｓｏ ｔ ｉ ｅ ｅｏ ｒ ｈ ｃ ｓ ｒ ｕ ｉｅ ｔ ｎ ｉ ｈ ｎ ｔ ｅ ａ ｔｃ ｌｎ ｏ ｉ ｌ ｈ ｔ ｗ ￥ｕ ｅ ｐ ｏ ｕ ｅ ａ ｄ ｕ ｄ ｔ ｎ ｉ ｄｅ ｂ ａｎ ｄ ｎ ｔｗ ｋ ｍｕ ｉ ａ ｔ ｏ — ｏ ｂ
ｔ ｇａ ｅａ ｔｅ ， ｎ ｂｅｔ ｅｆｎｔ ｎｏｔ ｚｔ ｎｓｌｔ ｎａ ｅ ｎｉｏｙ ｔｒｕｈａ ｉｃａ ｉ ｕｅａｇｒｈ ｉ ｓ ｎｉ ｎ ａｄｏｊｃ ｖ ｃ ｏ ｐｉ ａｉ ｏ ｉ ８ｔ ｔ ｄ ， ｈｏｇ ｒｆ ｉ ｎ ｈ ｔ ｇ ｉ ｕ ｉ ｍｉ ｏ ｕｏ ｈａ ｂ ｔ ｉ ｌｍｍ ｎ ｏ ｔｍ， ｌ ｉ
传算法和粒子群算法收敛速度慢 ， 寻找满 足约束条 件的最优
路径效率低 ， 一般都 找到次优解 ； 蚁群算法具有很 强的全 局 优化力 、 并行 性 、 自组 织 和 自学 习 能力 ， 解 决 Ｎ 是 Ｐ— Ｃ ｍ ｌｅ问题的有效方法 ， 在网络多播 路 由优 化得 到了广 ｏ ｐｅ ｔ 其 泛 应用 。但 在实 际 应用 中， 群算 法存 在 初期 收 敛速 度 蚁
抗体 ， 通过人工免疫算法生成蚁群算法的初始信息素分布 ， 以多播路 由解的收敛方向 ， 然后利用蚁群算 法产生 和更新抗体求 得多播路 由优化解 。仿真结果表明 ， 相对于其它优化算法 ， 人工免疫 一 蚂蚁算 法该算法 的多播 路 由优化效 率更高 ， 能快 速、
有效地找到多约束条件 的最优多播路 由。 关键词 ： 蚁群算法 ； 多播路 由； 人工免疫算法
１ 抗体编码 。抗体编码采用如下形式 ： ）
２ 网络 多播 路 由问题
网络多播路 由优 化任务 就是从 源 端到 目的端 找到 一条
具有足够资源的树来满足端到端服务 质量 ， 括收集 网络状 包
Ｅ ： ： ：！ｌ ｌ ！ ｌ竺 Ｉ！Ｉ ！ ： 竺！ ： ！ ： ！ ： 竺Ｉ 竺 ： ：
ｍｉａｉｎｍｅｈ ｄ ｉ ｔ ｔｅａｔ ｃａ ｍｍｕ ｅ—ａ ｔ ｇ ｒｔｍ ｏ ｋｔｅｔｒｅ ｕ ｃｉｎａ ｄｃ ｎｔａｎｓｏ ｈｃ ｓ ｏ — ｚｔ ｔｏ ．Ｆｒ ， ｒ ｆ ｉ ｉ ｏ ｓ ｈ ｉ ｌ ｉ ｎ ｎ ｏｉ ｌ ａ ｈ ｔｏ ｈ ａｇ ｔ ｎ ｔ ｎ ｏ ｓｒｉｔ ｆ ｆ ｏ ｍｕ ｉａｔｒｕ
率 等约束条件的数据传输最优路径 。大量研究 表 明， 网络 多
播路 由优化属于 Ｎ Ｐ—Ｃ ｍｐｅ ｏ ｌ ｅ问题 … 。 ｔ 近十几 年来 ， 国内外学 者对 网络多播 路 由优化 问题进行
基金项 目： Ｅ Ｊ Ｅ架构下 中间件的开发与应用研究（ ０ ８ ４４ Ｓ９ ０ ２ ２ ０ ００ Ｍ ０ １ ） 收稿 Ｅ ：００— ２— ０ 修 回 日 ：０ １ ０ １ ｌ ２１ １ ３ 期 期 ２ １ — ３— ９
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ ： ｓ ａ ｃ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｏ ｋ ｍｕ ｔ ａ ｔ ｕ ｎ ｐ ｍｉａｉｎ ｐ ｏ ｌｍｓ ｎ ａ ｔ ｏｏ ｙ ａｇ ｒ ｍ ｎ ｓ ｌｉ ｇ ｔｅ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｅ ｗ ｒ ｌ ｅ ｓ ｒ ｔ ｇｏ ｔ ｚ ｔ ｒ ｂ ｅ ．Ｉ ｎ ｌ ｎ ｌｏ ｔ ｉ ｏｖ ｎ ｈ ｉ ｉ ｏ ｉ ｏ ｃ ｉ ｈ ｈ
ｐ ｏ ｕ ｅ ｎ ｏ ｏ ｙ ａｇ ｒｔｍ ｒｉ ｉ ａｉａｉ ｎ ｐ ｅ ｏ ｎ ｉ ｒ ｕ ｉｎ，ｔ ｏ ｔ ｌｔ ｅ ｓ ｌ ｉｇ ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｏ ｖ ｒｅ ｃ ｒ ｄ ｃ ｄ ａ ｔ ｌ ｎ ｏ ｈ ｆ ｎ ｔ ｚ ｔ ｈ ｒ ｍｏ ｅ ｄ ｓｉ ｔ ｃ ｌ ｉ ｏ ｉ ｌ ｏ ｔｂ ｏ ｏ ｃ ｎｒ ｈ ｏ ｖｎ ｒ ｃ ｓ ｆｃ ｎ ｅｇ ｎ ｅ ｏ
补、 克服不 足。
针对网络多播路 由问题求解存在 的缺陷 ， 根据蚁群 算法
和人工免疫算法优点 ， 本文 提出一种 基于人工 免疫 一蚁 群混 合 算法 （ Ｉ Ａ Ａ—Ａ Ａ） 网络 多播路 由优 化方法 。Ａ Ａ— Ａ Ｃ 的 Ｉ ＡＣ 算 法在前期发挥人工 免疫算 法 的快速 性 、 全局 收敛性 ， 寻找
ｆ ｌ ｎ ｎ ｏｌｃ ｌｏ ｔ ｌｓ ｈ ａ ｅ ｕ ｒ ｒ ｎ ａ ｔ ｃ ａ ａ ｌ ｇ ｉ ｔ ｏ ａ ｐ ｉ ｉ ｍａ ．Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒ ｔ ｏ ｗａ ｄ ａ ｒ ｆ ｉ ｌ ｍｍｕ ｅ—ａ ｔ ｇ ｒｔｍ＇ ｎ ｔ ｏ ｋ ｍｕ ｔ ａ ｔ ｕ ｉｇ ｏ ｔ ｐ ｆ ｉ ｉ ｉ ｎ ｎ ｏ ｈ ｓ ｅ ｒ ｌ ｅ ｓ ｔ ｐ ｉ ｌ ａ ｉ ｗ ｉ ｏ ｒ ｎ —
３ 人工 免疫 一蚁 群算 法 的网络 多播 路 由求解
３ １ 人工 免疫 一蚁群算 法设计 ． 人工免疫 一蚁群 算法 在解 决 网络 多播 路 由优化 问题 中 必须解决 的关键 问题 ：
较 优的可行解 ； 在算 法后 期利 用蚁群 算法 的并行 性 、 反馈 正 性， 使用人工免疫算 法产 生 的较优 可行解 ， 生初 始信 息素 产 分布， 提高 网络多播路 由优 化问题求 解效率。
别 代表节点和链路集合 ， Ｖ＝ ， ， ， ｝ 图 Ｇ中所有 即 … 是 ：
节点组成的集合 ， Ｅ＝｛ ｅ， ｅ ｝ 图 Ｇ中所有 链路 的集 ｅ ， …， 是 合， Ｇ中的边 ｅ ∈Ｅ上对应链路代价 Ｃ 和链路 时延 Ｄ 两个 参数 。Ｃ 反映链路资源 的利用情况 ； ． Ｄ１ ， 是整个链路 的时延 ， 包括排 队时延 、 传输 时延和交换 时延等 。本 文考虑一个 源节 点到多个 目的节点 的优 由问题 。假设信息 由一个 源节点 ｓ