多域光網(wǎng)絡(luò)中采用條件風(fēng)險分離度的生存性策略

趙季紅，曲樺，王力，毛宏寶

(1. 西安郵電學(xué)院 通信工程系，陜西 西安 710061; 2. 西安交通大學(xué) 電信學(xué)院，陜西 西安 710048)

1 引言

隨著通信網(wǎng)的發(fā)展和各種通信技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，使得應(yīng)用不同通信技術(shù)的設(shè)備組成一個獨(dú)立的域，每個服務(wù)提供商也控制一個獨(dú)立的域，因而形成了多域光網(wǎng)絡(luò)[1]。多域光網(wǎng)絡(luò)的形成原因?qū)е缕溆蚺c域之間相對獨(dú)立，域與域的設(shè)備之間不能互操作[2]；同時，考慮到具有高帶寬需求的、動態(tài)的、跨越多個光網(wǎng)絡(luò)域的新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，對多域光網(wǎng)絡(luò)的生存性提出了更高的要求[3～6]。為了增強(qiáng)多域光網(wǎng)絡(luò)的生存性，在多域光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用保護(hù)機(jī)制為業(yè)務(wù)計(jì)算工作路由和保護(hù)路由，當(dāng)工作路由發(fā)生故障后將業(yè)務(wù)倒換到保護(hù)路由上。但是在多域光網(wǎng)絡(luò)中，各個域的拓?fù)浼皫挿峙湫畔⒈幌拗圃趩斡蚍秶鷥?nèi)，只有邊界節(jié)點(diǎn)信息對外部域可見，要讓某個節(jié)點(diǎn)掌握網(wǎng)絡(luò)的全局信息是不現(xiàn)實(shí)的，這種現(xiàn)象被稱作可擴(kuò)展性約束[7]，由于可擴(kuò)展性約束的存在，路由數(shù)據(jù)庫維護(hù)的只是不準(zhǔn)確的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，這就需要應(yīng)用虛鏈路映射技術(shù)生成抽象拓?fù)?，在抽象拓?fù)渖蠎?yīng)用路由算法為業(yè)務(wù)計(jì)算端到端的工作路由和保護(hù)路由，以減少網(wǎng)絡(luò)開銷和運(yùn)營成本。

為了提高網(wǎng)絡(luò)生存性，IETF提出 SRLG[8]約束保護(hù)路由的計(jì)算，保證保護(hù)路由和工作路由物理故障分離，即保護(hù)路由和工作路由不會同時發(fā)生故障，達(dá)到了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)生存性的目的，但是會造成業(yè)務(wù)阻塞率的增加。由于一條鏈路可能屬于多個SRLG，文獻(xiàn)[9, 10]提出用條件故障概率描述屬于同一 SRLG的鏈路發(fā)生故障的概率，文獻(xiàn)[11]提出一種不共享風(fēng)險的路由算法。本文在條件故障概率的基礎(chǔ)上提出條件風(fēng)險分離度（CRDD）定量描述工作路由和保護(hù)路由的故障關(guān)聯(lián)程度，提出一種部分共享風(fēng)險的、基于CRDD的、區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的多域光網(wǎng)絡(luò)生存性策略，該策略首先應(yīng)用基于CRDD的域內(nèi)虛鏈路映射算法生成抽象拓?fù)?，再根?jù)業(yè)務(wù)請求可靠度，應(yīng)用基于CRDD的端到端工作/保護(hù)路由算法在抽象拓?fù)渖嫌?jì)算CRDD滿足其請求可靠度的工作/保護(hù)路由對，達(dá)到在多域光網(wǎng)絡(luò)中區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的目的。

文章安排如下：第2節(jié)給出CRDD的定義，比較基于CRDD計(jì)算保護(hù)路由和SRLG約束下計(jì)算保護(hù)路由的區(qū)別；第3節(jié)研究采用CRDD的區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的多域光網(wǎng)絡(luò)生存性策略，包括基于CRDD的域內(nèi)虛鏈路映射算法和基于 CRDD的端到端工作/保護(hù)路由算法；第4節(jié)對基于CRDD的區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的多域光網(wǎng)絡(luò)生存性策略性能進(jìn)行仿真分析；第5節(jié)總結(jié)全文。

2 條件風(fēng)險分離度

CRDD是為了從數(shù)學(xué)角度定性地描述工作路由和保護(hù)路由的故障關(guān)聯(lián)程度而提出的。CRDD的概念建立在條件故障概率[10]的基礎(chǔ)上，條件故障概率（風(fēng)險概率）是對物理鏈路的故障關(guān)聯(lián)性的定量描述。

定義 鏈路Li的SRLG集合表示為srlgi，P(srlgi)表示鏈路Li的條件故障概率，即風(fēng)險概率。假設(shè)條件故障概率則對于屬于 srlgi的多條鏈路，當(dāng)其中一條鏈路失效時，其他任意一條鏈路不受該故障影響的概率為1-k，即

設(shè)鏈路Li的SRLG集合為srlgi，鏈路Lj的SRLG集合為srlgj，鏈路Li和鏈路Lj的共同SRLG集合為為鏈路 Li的條件故障概率，P(srlgj)為鏈路Lj的條件故障概率，則鏈路Li和鏈路Lj的條件風(fēng)險分離度定義為

設(shè)工作路由和保護(hù)路由所屬SRLG集合為其經(jīng)過的鏈路所屬 SRLG的并集，即工作路由和保護(hù)路由的共同SRLG集合為則工作路由和保護(hù)路由的條件風(fēng)險分離度定義為

應(yīng)用CRDD定義和式（2）分析基于CRDD計(jì)算保護(hù)路由和SRLG約束下計(jì)算保護(hù)路由的區(qū)別，圖1為示例拓?fù)鋱D。

圖1 示例拓?fù)鋱D

設(shè)從節(jié)點(diǎn)1到節(jié)點(diǎn)5的工作路由為1→2→5，不考慮SRLG約束，它的備選保護(hù)路由有4條，分別是：1→3→5，1→3→4→5，1→4→5 和 1→6-→5；如果考慮 SRLG約束，鏈路 1→2、1→4和鏈路 1→3屬于SRLG1，保護(hù)路由1→3→5、1→4→5和1→3→4→5不可用，只有保護(hù)路由1→6→5可用，增加了業(yè)務(wù)的阻塞率。

討論基于CRDD為業(yè)務(wù)計(jì)算保護(hù)路由。備選保護(hù)路由BP1為1→6→5，它經(jīng)過鏈路的SRLG集合為{srlg3, srlg4}；備選保護(hù)路由BP2為1→3→5，它經(jīng)過鏈路的SRLG集合為{srlg1, srlg5}；備選保護(hù)路由 BP3為 1→4→5，它經(jīng)過鏈路的 SRLG 集合為{srlg1, srlg2}。

再根據(jù)不同業(yè)務(wù)選擇 CRDD大于其請求可靠度的工作/保護(hù)路由對。相比SRLG約束，基于CRDD計(jì)算保護(hù)路由為業(yè)務(wù)提供了更多的備選保護(hù)路由，不僅降低了業(yè)務(wù)阻塞率，還達(dá)到了區(qū)分業(yè)務(wù)可靠度建立保護(hù)路由的目的。

3 采用 CRDD的區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的多域光網(wǎng)絡(luò)生存性策略

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型

在多域光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用生存性策略為業(yè)務(wù)請求計(jì)算工作/保護(hù)路由對時，需要抽象多域光網(wǎng)絡(luò)，生成抽象拓?fù)?，在抽象拓?fù)渖嫌?jì)算工作/保護(hù)路由對。

為了區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性，為不同業(yè)務(wù)請求計(jì)算不同可靠性的工作/保護(hù)路由對，本節(jié)提出基于CRDD的區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的多域光網(wǎng)絡(luò)生存性策略。其中信息聚合模塊應(yīng)用基于 CRDD的域內(nèi)虛鏈路映射算法，以CRDD為約束條件，將內(nèi)部光路映射成反映工作光路和保護(hù)光路故障關(guān)聯(lián)程度的域內(nèi)虛鏈路，構(gòu)成抽象拓?fù)洌宦酚赡K應(yīng)用基于CRDD的端到端工作/保護(hù)路由算法區(qū)分業(yè)務(wù)請求可靠度，計(jì)算滿足要求的工作/保護(hù)路由對。

圖2為多域光網(wǎng)絡(luò)分層路由模型[12]。最底層是多域光網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)?，它?個不同的路由控制域(RCD, routing control domain)互聯(lián)構(gòu)成，每一個RCD都由邊界節(jié)點(diǎn)、內(nèi)部節(jié)點(diǎn)及連接這些節(jié)點(diǎn)的物理鏈路組成，每一個RCD不包含其他RCD的任何信息，不使用骨干域進(jìn)行通信，每個 RCD配置一個路由控制器(RC, routing controller)，負(fù)責(zé)完成該域的信息聚合、路由信息分發(fā)、路由計(jì)算等；中間層是由RC1、RC2、RC3、RC4和RC5互聯(lián)形成的互操作控制平面，其中RC1、RC2、RC3、RC4和RC5分別屬于 RCD1、RCD2、RCD3、RCD4和RCD5；頂層是聚合網(wǎng)絡(luò)，是由各域RC在控制平面內(nèi)廣播各自的聚合信息形成的邏輯虛拓?fù)洹?/p>

圖2 基于拓?fù)涑橄蟮亩嘤蚬饩W(wǎng)絡(luò)分層路由模型

3.2 基于CRDD的域內(nèi)虛鏈路映射算法

在基于CRDD的區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的多域光網(wǎng)絡(luò)生存性策略中，需要路由控制器將工作/保護(hù)內(nèi)部光路映射為域內(nèi)虛鏈路，要求生成的域內(nèi)虛鏈路具有可靠性差異，即能夠反映工作/保護(hù)內(nèi)部光路的可靠性差異。

以圖2多域光網(wǎng)絡(luò)為例，它可以表示為D=(N,L)，它由5個相互獨(dú)立的單域構(gòu)成，即m=1,…,5；N(Nm)和 L(Lm)分別表示 D(Dm)的節(jié)點(diǎn)集合和鏈路集合。

為了簡化分析，假設(shè)在單域光網(wǎng)絡(luò)中采用全網(wǎng)格拓?fù)涑橄?，以D3為例，如圖3所示，當(dāng)D3的域內(nèi) RC3完成拓?fù)涑橄蠛?，得?D3的抽象拓?fù)浔硎綝3的邊界節(jié)點(diǎn)集合， C3VIRTUAL表示所有連接邊界節(jié)點(diǎn)的反映穿越該域特征信息的域內(nèi)虛鏈路e的集合。

圖4給出了基于CRDD的域內(nèi)虛鏈路映射算法流程圖，其中應(yīng)用了 Dijkstra-improved算法，Dijkstra-improved算法是使用了雙尺度(P, C)的Dijkstra[13]算法，其中P表示內(nèi)部光路q的條件故障概率，C表示內(nèi)部光路q的代價，C=1/rq，rq為q的剩余帶寬容量?；贑RDD的域內(nèi)虛鏈路映射算法流程如下。

圖3 全網(wǎng)格抽象生成候選內(nèi)部光路組

圖4 基于CRDD的域內(nèi)虛鏈路映射算法流程

Start初始化計(jì)數(shù)器j、k，置為1。

Step1如果j和k的值不相等，說明選定一條虛鏈路（j, k），跳轉(zhuǎn)至Step 2，否則跳轉(zhuǎn)至Step9。

Step2對選定的域內(nèi)虛鏈路，使用 Dijkstraimproved算法得到最穩(wěn)最短內(nèi)部光路候選組 PjSkEL（候選內(nèi)部光路總數(shù) nSjkEL）。使用的尺度標(biāo)準(zhǔn)為（P,C），其中 P(L)表示物理鏈路 L的失效概率，表示物理鏈路L的代價，CLRES表示物理鏈路的剩余帶寬。仍以Dm為例，如圖3所示，4個邊界節(jié)點(diǎn)之間的任意一條虛鏈路都確定了可能的內(nèi)部光路組。

失效概率

條件概率

其中，srlgi表示鏈路 Li的 SRLG；S(q)表示內(nèi)部光路q的SRLG集合，即CS(q1,q2)表示內(nèi)部光路q1和q2的共有SRLG集合，即

Step3通過判定分析虛鏈路（j, k）是否已經(jīng)得到預(yù)期的內(nèi)部光路，若沒有，則轉(zhuǎn)到Step 4；反之，跳轉(zhuǎn)至Step 9。

Step4對域內(nèi)虛鏈路（j, k），在 PjSkEL中搜索工作內(nèi)部光路q，并添加到集合Se中。搜索原則：對（j, k）而言，由于該內(nèi)部光路的選入，新增的與備份虛鏈路的CRDD之和最大，ye1置1時表示內(nèi)部光路 qe1屬于集合 PB，否則置0；i i e1其中 C 是q和 qe1的CRDD，根據(jù)式(2)表示如下

Step5根據(jù)在Step 4中得到的Se搜索q。搜索原則是：該q與已選工作內(nèi)部光路的CRDD之和最大，其中，xe1置1時表示內(nèi)i部光路 qe1i在PWe1中，否則置0，并做如下更新。

Step6搜索備份q。搜索原則是：對域內(nèi)虛鏈路（j, k）而言，由于該內(nèi)部光路的選入，新增的與工作虛鏈路的CRDD之和最大，并做如下更新：

Step7對于集合中的任意 q，沿著q的域內(nèi)物理鏈路序列依次執(zhí)行可用波長向量與運(yùn)算，得到光路q的可用波長向量組。

Step8對集合中的所有 q，求和可用波長出現(xiàn)的次數(shù)，并基于門限Q限制得到最后的內(nèi)部光路可用波長向量；跳轉(zhuǎn)至Step 9。

Step9對k的值加1，轉(zhuǎn)至Step 10。

Step10如果k的值大于該單域的邊界節(jié)點(diǎn)總數(shù)b，則說明已到達(dá)最后一個邊界節(jié)點(diǎn)，跳轉(zhuǎn)至Step 11；否則，跳轉(zhuǎn)至Step 1。

Step11對j的值加1，轉(zhuǎn)至Step 12。

Step12如果 j的值大于該單域的邊界節(jié)點(diǎn)總數(shù) b，則說明已到達(dá)最后一個邊界節(jié)點(diǎn)，該域虛鏈路映射完成；否則，跳轉(zhuǎn)至Step 1。

End沒有搜索到滿足條件的工作/保護(hù)內(nèi)部光路，或者

至此，單域RC完成了域內(nèi)虛鏈路映射，得到相應(yīng)的具有可靠性差異的備選工作/保護(hù)路由。

3.3 基于CRDD的端到端工作/保護(hù)路由算法

當(dāng)所有單域完成拓?fù)涑橄蠛吞撴溌酚成浜?，RC通過域間路由協(xié)議在控制平面內(nèi)廣播聚合信息，形成聚合網(wǎng)絡(luò)。由于聚合網(wǎng)絡(luò)直接關(guān)聯(lián)了域內(nèi)光路和域間物理鏈路，因此基于聚合網(wǎng)絡(luò)的代價計(jì)算是準(zhǔn)確且不失可擴(kuò)展性的?；?CRDD的端到端工作/保護(hù)路由算法的主要思想是：對那些與工作路由經(jīng)過的鏈路具有相同SRLG標(biāo)識的鏈路，并非直接刪除它，而是將其與工作路由的 CRDD作為選路依據(jù)，計(jì)算滿足業(yè)務(wù)可靠性要求的最優(yōu)保護(hù)路由。端到端工作/保護(hù)路由算法如下。

Step1在聚合網(wǎng)絡(luò)上，使用最短通道優(yōu)先算法計(jì)算工作路由p，跳轉(zhuǎn)至Step 2。

Step2對于跨越多域的工作路由 p，根據(jù)式(3)，計(jì)算p的失效概率。

根據(jù)式(4)計(jì)算p的條件故障概率：

Step3基于業(yè)務(wù)可靠性 R，計(jì)算，并且對任意，P(Sj)=0；其中，本質(zhì)上是通過對SRLG進(jìn)行分類處理以優(yōu)化算法，計(jì)算的過程如下。

根據(jù)特定業(yè)務(wù)的可靠性需求，算法需要搜索這樣的工作和保護(hù)路由對：它們同時失效的概率不超過(1-R)，即

由貝葉斯公式得到

聯(lián)系p的條件故障概率公式

因此，滿足了式(12)也就滿足了業(yè)務(wù)可靠性需求。

由上面的分析可知，對于SRLG集合中的srlgi，如果，即當(dāng)工作路由和保護(hù)路由同時關(guān)聯(lián)srlgi時，仍能滿足業(yè)務(wù)可靠性需求，稱該srlgi為不需要考慮風(fēng)險的SRLG集合，否則為需要考慮風(fēng)險的SRLG集合。由此，SRLG集合被分成2類：需要考慮風(fēng)險的srlgi的集合和不需要考慮風(fēng)險的 srlgi的集合在計(jì)算保護(hù)路由時，對于不需要考慮風(fēng)險的 srlgi，其條件風(fēng)險分離度置 1，即對任意

Step4刪除工作路由經(jīng)過的內(nèi)部光路，域間物理鏈路及節(jié)點(diǎn)，使用Dijkstra-improved算法計(jì)算保護(hù)路由。此處，Dijkstra-improved算法使用的雙尺度是（P, C），其中表示內(nèi)部光路q的條件風(fēng)險分離度；內(nèi)部光路q的代價表示為表示內(nèi)部光路q的剩余帶寬容量。

至此，源RC通過在聚合網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行端到端工作/保護(hù)路由算法，向源節(jié)點(diǎn)返回包含端到端工作/保護(hù)路由的響應(yīng)消息，隨后源節(jié)點(diǎn)發(fā)起資源預(yù)留請求。

4 仿真與數(shù)值分析

為了驗(yàn)證多域光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用條件風(fēng)險分離度的生存性策略的性能，以圖2所示多域光網(wǎng)絡(luò)為參考拓?fù)溥M(jìn)行仿真。圖2所示多域光網(wǎng)絡(luò)包含28個節(jié)點(diǎn)和 46條物理鏈路，每條物理鏈路由一對方向相反的單向光纖組成，每根光纖支持8個波長，單域邊界節(jié)點(diǎn)具備波長轉(zhuǎn)換能力。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)鏈路的可靠性隨機(jī)分布在0.8～1.0之間，鏈路的條件故障概率隨機(jī)為 0.1、0.2和 0.5。連接請求表示為R(s, d, B, R)，s和d分別是業(yè)務(wù)請求的源、目的節(jié)點(diǎn)，B為請求帶寬，R是業(yè)務(wù)請求可靠度且隨機(jī)分布在0.85～1.0之間。所有業(yè)務(wù)請求的源、宿節(jié)點(diǎn)對隨機(jī)生成，且連接請求按照平均速率服從參數(shù)為λ的泊松分布獨(dú)立到達(dá)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)，業(yè)務(wù)連接的持續(xù)時間服從均值為1/μ的負(fù)指數(shù)分布，網(wǎng)絡(luò)總負(fù)載為 λ/μ。算法依據(jù)業(yè)務(wù)請求可靠度 R建立光路，如果沒有成功，則連接阻塞，不存在排隊(duì)現(xiàn)象。

在仿真時，對于不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，分別產(chǎn)生106次業(yè)務(wù)連接請求，使用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。

1) 仿真首先研究了所提生存性策略的阻塞率特性。為了更直觀地表現(xiàn)所提策略的優(yōu)勢，同等條件下引入了2種已有技術(shù)：考慮物理分離的多域?qū)哟温酚桑∕HR）算法和未區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的多域風(fēng)險分離（SD）算法。

圖5比較了不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下所提生存性策略和MHR、SD的阻塞率特性，由于所設(shè)計(jì)仿真網(wǎng)絡(luò)每條物理鏈路只支持8個波長，網(wǎng)絡(luò)資源有限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時，導(dǎo)致阻塞率偏高。

圖5 算法的阻塞率性能分析

由圖5可知，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載相同的情況下，所提生存性策略的阻塞率總是介于 SD和 MHR之間，這是因?yàn)橄啾?SD算法，本文所提生存性策略在搜索路由時，并不是直接將那些與工作路由經(jīng)過的鏈路具有相同SRLG標(biāo)識的鏈路刪除，而是基于CRDD選路，這大大增加了可用資源的使用效率，從而提高了建路成功的概率；另一方面，由于MHR算法只考慮了工作/保護(hù)路由的物理分離，所以在計(jì)算保護(hù)路由時獲得了相對較廣的可選網(wǎng)絡(luò)資源，得到了比本文所提生存性策略稍低的阻塞率。

同時，從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較輕的情況下，所提生存性策略的阻塞率非常低，顯示出它的建路能力絲毫不遜于考慮物理分離的MHR算法。

2) 仿真同時也對所提生存性策略區(qū)分可靠性的能力進(jìn)行了研究。圖6統(tǒng)計(jì)了實(shí)際成功建立的工作路由的可靠度分布。

圖6 實(shí)際工作通路的可靠度分析

業(yè)務(wù)連接的請求可靠度在 0.924～0.962之間隨機(jī)取值，由圖6可見，實(shí)際工作路由的可靠度集中分布在 0.991～0.998之間，提高了網(wǎng)絡(luò)生存性，并且對于可靠性要求高的業(yè)務(wù)成功建立的工作路由的可靠度也相對較高，保證了區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的性能指標(biāo)。同時，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，實(shí)際連接的可靠度呈現(xiàn)微弱下降的趨勢，說明當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增大時，對所提生存性策略的影響較為明顯。

5 結(jié)束語

可靠性是衡量網(wǎng)絡(luò)生存性的重要參數(shù)，考慮多域網(wǎng)環(huán)境缺乏完整的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛶挿峙涞男畔?，本文引入CRDD，提出基于CRDD的域內(nèi)虛鏈路映射算法構(gòu)建的抽象拓?fù)?，在抽象拓?fù)渖蠎?yīng)用基于CRDD的端到端工作/保護(hù)路由算法，區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性，為業(yè)務(wù)建立工作/保護(hù)路由對。仿真結(jié)果表明，相比先前的多域光網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)，該策略很好地實(shí)現(xiàn)了區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的目的，有效地降低了網(wǎng)絡(luò)阻塞率，而且能夠提供平均高于業(yè)務(wù)請求6.5%的可靠性。同時，作為區(qū)分業(yè)務(wù)可靠性的的手段，CRDD的概念也可以應(yīng)用在單域光網(wǎng)絡(luò)和多層網(wǎng)絡(luò)中。

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