基于群智能算法的IP网络QoS成组多播路由优化研究

Increasingly more internet-applications require multiple multicast trees, while existing multicast routing algorithms aim to establish single multicast tree, that results in multicast trees being likely competitive on some links associated with low-cost and the related forwarding nodes. This project is to simultaneously optimize multiple multicast trees via swarm intelligence-based algorithm in order to avoid link-contention and node-contention. The major difficulties are respectively the low algorithm-efficiency resulted by the large quantity of the infeasible solutions generated by strict constraints and the extremum-drift resulted by the nodes of multicast sessions dynamically participating in or leaving from the multicast routing trees. This project firstly plans to establish an appropriate optimization model for QoS-guaranteed group-multicasting, and then design a hybrid swarm intelligence algorithm possessing both PSO’s fast convergence and AFSA’s good traceability to extremum-drift. After all, the designed algorithm is to be modified for adapting the mechanisms of both IP multicast and application-layer multicast, in order to form a systematic series of swarm intelligence-based solutions to QoS-guaranteed group-multicast routing.

越来越多互联网应用场景同时需要多棵多播树的支持，而已有的多播路由算法只针对单棵多播树的结构进行优化，使得多棵多播树之间易在低代价链路与相关转发节点上产生竞争。本课题以群智能算法作为优化手段，采取同时对多棵多播树进行整体优化的思路来达到避免多播树之间产生节点竞争与链路竞争的目的。优化的主要难点在于，强约束造成的大量非可行解所导致的算法“效率低下”以及多播会话节点动态加入和退出所导致的“极值漂移”。课题首先对QoS成组多播建立合理的优化模型，进而设计一种兼具粒子群算法快速性和鱼群算法极值跟踪性的混合群智能算法对所建立的模型进行求解，最后根据IP多播和应用层多播两种不同实现机制的特点对设计的算法进行改进，形成比较系统的基于群智能的QoS成组多播路由算法方案。

越来越多互联网应用场景要求多个并发多播会话的支持而现有算法仅针对单个多播树的结构进行优化，使多播树之间易在高质量的低代价链路及相关转发节点上产生竞争，从而大幅降低数据传输效率和网络服务质量。课题以此作为研究背景，研究和解决了IP网络中多个多播会话并发时的路由优化问题，主要研究内容包括为问题建立准确合理的优化模型，针对优化模型的特点设计快速有效的基于群智能优化理论的求解算法，以及根据IP网络分别在网络层和应用层上实现多播传输机制的不同特点对建立的优化模型进行修正并对求解算法进行相应的改进。课题采取了同时对多棵多播树进行整体优化的思路，提出了对拓扑结构优化快速有效的求解算法，实现了多个多播会话并发时的路由优化，能够在最小化多个多播树总体传输时延的同时避免多播树之间出现带宽资源的竞争。此外，从提高多播树的“抗毁性”的角度出发，通过对多播树拓扑结构的优化抵消了转发节点频繁离线对数据传输稳定性带来的不利影响，完成了符合实际IP网络中QoS成组多播路由通信的算法设计，开发出了能够有效消除“链路竞争”和提高组播树稳定性的路由优化方案。课题研究成果对于更好地部署与应用QoS成组多播技术提供了有力的方法支持，同时也能够进一步丰富实现视频会议、分群分发等应用的技术手段。