鄒 虹,鐘 洋
(重慶郵電大學(xué) 重慶高校市級(jí)光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)
基于路徑可用性約束的HOWBAN備份路由策略
鄒 虹,鐘 洋
(重慶郵電大學(xué) 重慶高校市級(jí)光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)
備份路由選取,不僅要考慮路徑的不相關(guān)性,還應(yīng)考慮業(yè)務(wù)恢復(fù)的資源需求以及備份資源利用率。針對(duì)此問(wèn)題,在光無(wú)線(xiàn)混合寬帶接入網(wǎng)的融合架構(gòu)下,確立跨域傳輸路徑可用性與用戶(hù)對(duì)路徑可用性需求之間的匹配關(guān)系,根據(jù)匹配結(jié)果分別在光域和無(wú)線(xiàn)域劃分出2種約束情形,并由此構(gòu)建用于備份路徑選取的條件約束模型,依據(jù)此模型選擇性預(yù)留備份帶寬。以提高異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源利用率為目標(biāo),將帶寬資源劃分為工作帶寬、備份帶寬及空閑帶寬,在共享備份原則下,通過(guò)漸進(jìn)優(yōu)化的方式,按照備份帶寬、空閑帶寬的先后順序,完成對(duì)工作路徑的保護(hù),從而以盡可能少的空閑帶寬消耗來(lái)保障節(jié)點(diǎn)間的連接可用性。數(shù)值結(jié)果表明,提出的策略有效提高了網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)率和備份資源效率。
光無(wú)線(xiàn)混合寬帶接入網(wǎng);備份路由;條件約束模型;漸進(jìn)優(yōu)化
截至目前,業(yè)內(nèi)相關(guān)學(xué)者提出了多種面向HOWBAN的路由策略,文獻(xiàn)[8]通過(guò)增加無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)(access point,AP)的射頻接口和光網(wǎng)絡(luò)單元(optical network unit,ONU)的數(shù)量,憑借跨域資源冗余的方式為工作路由提供故障不相關(guān)的備份保護(hù),然而,在獲取較高生存性的同時(shí)也造成了設(shè)備資源過(guò)度消耗。文獻(xiàn)[9]通過(guò)統(tǒng)計(jì)鏈路平均故障時(shí)間和平均工作時(shí)間,以2者比值量化節(jié)點(diǎn)或鏈路的可用概率,并以此為選路依據(jù),但高帶寬的PON及狀態(tài)時(shí)變的WMN在故障突發(fā)時(shí),無(wú)備份情況下大量的數(shù)據(jù)丟失難以避免。文獻(xiàn)[10]通過(guò)排隊(duì)論計(jì)算鏈路時(shí)延,并以此為成本指標(biāo),結(jié)合最大流最小成本思想,以最大吞吐量為目標(biāo)設(shè)計(jì)低時(shí)延路由策略,然而,此時(shí)延計(jì)算是基于無(wú)重傳無(wú)故障的理想網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。文獻(xiàn)[11]在增加設(shè)備部署的基礎(chǔ)上,為可能發(fā)生的故障提供保護(hù)資源,但隨著業(yè)務(wù)請(qǐng)求愈發(fā)頻繁,需要被保護(hù)的流量持續(xù)上升,在商用環(huán)境下提供1∶1保護(hù)不僅成本效率低下,而且算法的可實(shí)現(xiàn)性難以保證。文獻(xiàn)[12]采取共享備份的方式選取從無(wú)線(xiàn)路由器到OLT的保護(hù)路徑,但光域故障后高帶寬業(yè)務(wù)恢復(fù)需要大量的無(wú)線(xiàn)資源,源節(jié)點(diǎn)重傳時(shí)難以保證獲取相應(yīng)的請(qǐng)求帶寬。
綜上所述,HOWBAN中時(shí)延感知類(lèi)路由策略較多,但僅能在無(wú)故障情況下體現(xiàn)算法的優(yōu)越性,對(duì)突發(fā)情形的適應(yīng)性較差,而鏈路可用性感知類(lèi)策略對(duì)突發(fā)故障的恢復(fù)一般需要耗費(fèi)過(guò)多資源,難以應(yīng)用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)。因此,針對(duì)HOWBAN中故障恢復(fù)問(wèn)題,本文以單鏈路故障為前提,以備份資源的優(yōu)化利用為目標(biāo),依據(jù)工作路徑的連接可用性是否滿(mǎn)足用戶(hù)的差異化需求,建立選取備份路由的條件約束模型,模型中滿(mǎn)足用戶(hù)需求的工作路徑無(wú)備份必要性,遵從盡力而為原則從共享備份資源中選出保護(hù)路徑,對(duì)于需要備份的工作路徑,采取漸進(jìn)優(yōu)化的方式,按照備份帶寬、空閑帶寬的先后次序選出多條保護(hù)路徑,最終,在滿(mǎn)足用戶(hù)的路徑可用性需求前提下,為需要保護(hù)的流量預(yù)留恢復(fù)資源。
傳統(tǒng)的故障不相關(guān)保護(hù)機(jī)制可實(shí)現(xiàn)100%業(yè)務(wù)保護(hù),然而,隨著用戶(hù)的業(yè)務(wù)請(qǐng)求愈發(fā)頻繁,上述理論機(jī)制可實(shí)現(xiàn)性較差且獨(dú)享備份資源與優(yōu)化資源利用的理念相悖。以語(yǔ)音、視頻及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的3段區(qū)分方式難以適應(yīng)用戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商之間的個(gè)性化服務(wù)過(guò)程,而服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)因用戶(hù)需求和資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的不同而各異,基于這種多樣化請(qǐng)求-服務(wù)的協(xié)商結(jié)果,可考慮采取差異化的保護(hù)方式,并且相關(guān)研究表明,對(duì)業(yè)務(wù)保護(hù)的微弱松弛可帶來(lái)全網(wǎng)部分QoS指標(biāo)性能的明顯改善[13]。因此,本文立足于用戶(hù)需求存在差異性的角度分析,對(duì)比業(yè)務(wù)對(duì)路徑可用性需求的門(mén)限值和工作路由可用性的概率計(jì)算值,判斷工作路由的可達(dá)條件是否匹配業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)的指標(biāo)約束,根據(jù)匹配結(jié)果構(gòu)建備份選擇時(shí)的條件約束模型(condition constraint model,CCM),依據(jù)CCM對(duì)匹配失衡的工作路由計(jì)算備份資源。
A(j)=aapi-apj…aapj-onuk·aonuk-olt,
k∈(1,…,K)
(1)
(1)式中:aapi-apj為無(wú)線(xiàn)源節(jié)點(diǎn)到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)多跳路徑的連接可用概率;aapj-onuk為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到ONU的連接可用概率;aonuk-olt為ONU到OLT的連接可用概率。
實(shí)驗(yàn)表明,從分級(jí)旋流器溢流出來(lái)的物料粒度已經(jīng)很細(xì)。旋流器溢流中,大于0.5 mm粒級(jí)只有1.76%,小于320目粒級(jí)的物料占65.82%。由于壓濾機(jī)和沉降過(guò)濾式離心機(jī)的產(chǎn)品去向一致,可以考慮直接采用壓濾機(jī)處理旋流器溢流,這樣可減少一個(gè)工藝環(huán)節(jié),而且工藝流程改變不大??紤]到2臺(tái)西班牙壓濾機(jī)及3臺(tái)SB6400沉降過(guò)濾式離心機(jī)均屬淘汰設(shè)備,另外503、505、506壓濾機(jī)無(wú)吹風(fēng)、壓榨等功能,效率低,確定可供選擇的方案如下:① 增加兩臺(tái)沉降過(guò)濾式離心機(jī);② 改造503、505、506壓濾機(jī),增加吹風(fēng)、壓榨功能,提高設(shè)備處理能力;③ 擴(kuò)建壓濾廠房,增加6臺(tái)壓濾機(jī)及輔助設(shè)施。
(2)
圖1 不同匹配情形下的備份策略Fig.1 Backup strategy under different match situations
(3)
在單鏈路故障前提下,以CCM模型為先決條件,通過(guò)對(duì)備份帶寬和空閑帶寬的合理調(diào)度,優(yōu)化端節(jié)點(diǎn)間的連接可用性,提高用戶(hù)的服務(wù)滿(mǎn)意率,并根據(jù)多級(jí)鏈路權(quán)值選取具有高資源效用的備份路由。為此,本文提出基于CCM的高效備份路由策略(CCM-efficient backup routing policy,CCM-EBRP)。針對(duì)模型中4種代表性案例,設(shè)計(jì)了不同的備份響應(yīng)機(jī)制,分別對(duì)應(yīng)圖1a、圖1b、圖1c、圖1d的4種備份路由方案CE-1,CE-2,CE-3,CE-4。
(4)
(5)
圖1c表明光域子網(wǎng)的路徑可用性低于用戶(hù)請(qǐng)求,因長(zhǎng)距離的高速光傳輸及后端多個(gè)分光器級(jí)聯(lián),可能導(dǎo)致傳輸損耗增加,且鏈路長(zhǎng)度增加故障概率隨之提高,高帶寬的后端光網(wǎng)絡(luò)故障將會(huì)導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)丟失,而饋線(xiàn)光纖部分作為回程的唯一路徑具有不可替代性,一般已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行了1∶1或1∶N保護(hù)。然而,分光器或陣列波導(dǎo)光柵的分配比逐步提高,配線(xiàn)光纖的數(shù)目成倍增加,且地形條件復(fù)雜,冗余保護(hù)機(jī)制的成本過(guò)高,但結(jié)合HOWBAN的網(wǎng)絡(luò)特性,可通過(guò)WMN的自愈功能來(lái)轉(zhuǎn)移PON中的故障業(yè)務(wù),而ONU作為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡節(jié)點(diǎn),可承載PON中的故障業(yè)務(wù)并經(jīng)WMN轉(zhuǎn)移到有備份資源的ONU中。因此,無(wú)線(xiàn)域需要滿(mǎn)足ONU中故障業(yè)務(wù)的帶寬請(qǐng)求,WMN中多條上行業(yè)務(wù)流匯聚到onuj,與其相關(guān)聯(lián)的配線(xiàn)光纖故障后,多條業(yè)務(wù)流需要同時(shí)轉(zhuǎn)移且相互之間不可共享備份資源,那么成功選出onuj的備份路徑的先決條件是其余全部ONU的預(yù)留時(shí)隙之和滿(mǎn)足onuj的工作帶寬需求,如(6)式所示
(6)
(7)
(8)
各路徑的瓶頸帶寬之和為當(dāng)前可用備份資源,當(dāng)滿(mǎn)足條件(9)式時(shí),表明當(dāng)前可用帶寬滿(mǎn)足備份請(qǐng)求,為優(yōu)化空閑資源的使用效率,在保證連接可用的前提下,釋放部分路徑的空閑帶寬。
(9)
(10)
圖1d表明跨域路徑的兩端均不滿(mǎn)足可用性需求,而與圖1b的區(qū)別在于選取備份ONU時(shí)要排除當(dāng)前路徑關(guān)聯(lián)的ONU,且連接到同一ONU的多條路徑在選取備份資源時(shí)不可共享帶寬,因此,在執(zhí)行CE-4時(shí)需要在CE-2的基礎(chǔ)上加入2個(gè)約束條件:當(dāng)前路徑的ONU不可再選;流經(jīng)同一ONU的多個(gè)業(yè)務(wù)不可共享備份資源。針對(duì)HOWBAN的異構(gòu)特性,提出的CCM-EBRP策略能夠結(jié)合用戶(hù)需求對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分類(lèi)保護(hù),既優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量又提高了頻譜資源效率,CCM-EBRP的完整算法流程如圖2所示。
圖2 CCM-EBRP算法流程Fig.2 CCM-EBRP algorithm process
本文采用NS2仿真平臺(tái)對(duì)CCM-EBRP策略進(jìn)行性能驗(yàn)證,仿真拓?fù)浒凑瘴墨I(xiàn)[14]設(shè)定,通過(guò)設(shè)置隨機(jī)的鏈路故障,與文獻(xiàn)[7]的風(fēng)險(xiǎn)感知路由策略(risk aware routing,RAR)及文獻(xiàn)[13]的無(wú)線(xiàn)光聯(lián)合資源分配策略(joint and optical resources allocation,JWORA)進(jìn)行對(duì)比,分析網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化時(shí),3種機(jī)制在平均時(shí)延、吞吐量、故障恢復(fù)及備份資源效率等方面的性能差異。選用隨機(jī)統(tǒng)一模型以體現(xiàn)背景噪聲對(duì)傳輸性能的影響,完成46組故障恢復(fù)模擬,針對(duì)WMN的43個(gè)節(jié)點(diǎn),設(shè)置了43組無(wú)線(xiàn)域故障,每一組包含的故障次數(shù)為不同節(jié)點(diǎn)到ONU的跳數(shù),其余3組為光纖鏈路故障,分別對(duì)應(yīng)3個(gè)ONU,每段鏈路的故障時(shí)刻隨機(jī),分別統(tǒng)計(jì)不同鏈路故障后的恢復(fù)情況,無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)最大負(fù)載2.5 Mbit/s,PON下行速率1 000 Mbit/s,3個(gè)ONU的上行可用帶寬總和100 Mbit/s,仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。仿真結(jié)果如圖3-圖6。
表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameter settings
圖3給出了負(fù)載變化對(duì)業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)延的影響,由圖3可知,CCM-EBRP策略降低了故障業(yè)務(wù)的恢復(fù)時(shí)延。當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載率低于0.3,故障恢復(fù)時(shí)延在(2~5)ms,無(wú)論是否預(yù)設(shè)備份資源,其恢復(fù)過(guò)程基本無(wú)碰撞退避且排隊(duì)時(shí)延很小,3種機(jī)制下的恢復(fù)時(shí)延近似相同。隨著節(jié)點(diǎn)負(fù)載增大,當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載率達(dá)到0.8時(shí),RAR,JWORA,CCM-EBRP的恢復(fù)時(shí)延分別約為50 ms,35 ms,21 ms,RAR算法的RL中僅列舉無(wú)故障鏈路,具體的轉(zhuǎn)發(fā)路徑仍需要計(jì)算且每一跳競(jìng)爭(zhēng)碰撞及重傳均會(huì)增大平均時(shí)延,JWORA為每一次接入請(qǐng)求計(jì)算保護(hù)路徑,預(yù)留的傳輸資源可較快恢復(fù)故障業(yè)務(wù),但基于備份共享的整數(shù)規(guī)劃易導(dǎo)致多業(yè)務(wù)共享一條保護(hù)路徑,ONU故障會(huì)導(dǎo)致無(wú)線(xiàn)域的多條路徑失效,業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)需要競(jìng)爭(zhēng)少量的備份資源,高恢復(fù)時(shí)延主要源于備份資源的競(jìng)爭(zhēng)及節(jié)點(diǎn)處排隊(duì)時(shí)延。CCM-EBRP對(duì)無(wú)線(xiàn)域和光域的故障進(jìn)行區(qū)分,并分別預(yù)留了相應(yīng)的備份帶寬,在面臨單鏈路故障時(shí)可快速完成業(yè)務(wù)恢復(fù)。
圖3 負(fù)載變化對(duì)恢復(fù)時(shí)延的影響Fig.3 Effect of load variation on recovery delay
圖4給出了負(fù)載變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響。由圖4可知,CCM-EBRP策略在保障了業(yè)務(wù)可靠傳輸?shù)那疤嵯?,提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。節(jié)點(diǎn)負(fù)載率低于0.3時(shí),3種機(jī)制的吞吐量均可達(dá)到95%,網(wǎng)絡(luò)處于輕載狀態(tài),業(yè)務(wù)的競(jìng)爭(zhēng)排隊(duì)等因素均對(duì)傳輸?shù)挠绊戄^小,且故障業(yè)務(wù)可快速轉(zhuǎn)移,基本實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)流量的高效吞吐。隨著負(fù)載的逐步提高,CCM-EBRP和JWORA可獲取較高吐吞量,分別接近70 M和60 M,RAR只有不到40 M,因?yàn)镽AR故障后進(jìn)行資源發(fā)現(xiàn)會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞,尤其是ONU故障需要消耗與初始路徑等量的帶寬資源, JWORA預(yù)留備份資源不能滿(mǎn)足全部故障業(yè)務(wù),未被及時(shí)轉(zhuǎn)移的部分故障業(yè)務(wù)暫存于網(wǎng)絡(luò)中等待轉(zhuǎn)發(fā)資源, CCM-EBRP為高帶寬的光域數(shù)據(jù)流進(jìn)行分流轉(zhuǎn)移,可基本實(shí)現(xiàn)流量的快速轉(zhuǎn)移,未被轉(zhuǎn)發(fā)的少量業(yè)務(wù)主要因?yàn)楦哓?fù)載時(shí)的資源競(jìng)爭(zhēng)。
圖5給出了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載變化對(duì)故障恢復(fù)率的影響。由圖5可知,相較其他2種策略,CCM-EBRP策略提升了網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)率。負(fù)載低于0.3時(shí),3種機(jī)制的故障恢復(fù)接近100%,可能恢復(fù)時(shí)延會(huì)有差距,但均能被成功轉(zhuǎn)移。隨著負(fù)載增加,RAR的恢復(fù)效率快速下降,負(fù)載超過(guò)0.8時(shí)的故障恢復(fù)率已不足50%,而相應(yīng)的JWORA和CCM-EBRP的故障恢復(fù)率為58%和80%,CCM-EBRP根據(jù)業(yè)務(wù)需求采取選擇性保護(hù),低負(fù)載時(shí)的已備份資源的相應(yīng)較少,未被保護(hù)的業(yè)務(wù)在面臨突發(fā)故障時(shí),在重路由恢復(fù)資源時(shí)少量業(yè)務(wù)因請(qǐng)求超時(shí)而失敗,隨著負(fù)載提升可共享的備份資源增多,因此對(duì)故障的適應(yīng)性較強(qiáng)。JWORA因較高的備份資源共享率導(dǎo)致多業(yè)務(wù)故障恢復(fù)性能較差,尤其在高負(fù)載時(shí)超出時(shí)延門(mén)限的業(yè)務(wù)會(huì)被丟棄,RAR在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)荷時(shí)進(jìn)行業(yè)務(wù)恢復(fù),不僅面臨多業(yè)務(wù)流對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng),而且單業(yè)務(wù)的每跳傳輸均需要經(jīng)歷排隊(duì)競(jìng)爭(zhēng),導(dǎo)致恢復(fù)時(shí)延大大提高,過(guò)多的待恢復(fù)業(yè)務(wù)被丟棄。
圖4 負(fù)載變化對(duì)吞吐量的影響Fig.4 Effect of load variation on throughput
圖5 負(fù)載變化對(duì)故障恢復(fù)率的影響Fig.5 Effect of load variation on fault recovery rate
圖6給出了負(fù)載變化對(duì)備份資源消耗的影響。如圖6所示,CCM-EBRP降低了備份資源消耗。RAR僅在故障后對(duì)待恢復(fù)業(yè)務(wù)進(jìn)行重路由,因此,對(duì)備份帶寬資源的消耗為零。JWORA通過(guò)整數(shù)線(xiàn)性規(guī)劃為每一次業(yè)務(wù)計(jì)算出同等帶寬的備份資源,但單路徑恢復(fù)需要保證鏈路帶寬滿(mǎn)足業(yè)務(wù)需求,由此導(dǎo)致剩余少量備用帶寬的鏈路無(wú)法被利用,隨著節(jié)點(diǎn)負(fù)載達(dá)到0.8之后,網(wǎng)絡(luò)中備份帶寬無(wú)法再提供共享備份,消耗的備份帶寬總量占35%,而CCM-EBRP加入了業(yè)務(wù)分流機(jī)制,由于網(wǎng)絡(luò)中部分鏈路的剩余備份帶寬不滿(mǎn)足業(yè)務(wù)的備份需求,這部分資源未被其他備份機(jī)制利用,通過(guò)分流保護(hù)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這部分資源的充分利用,數(shù)值結(jié)果表明以28%的備份資源消耗即可完成對(duì)高負(fù)荷下的業(yè)務(wù)保護(hù)。
圖6 負(fù)載變化對(duì)備份資源消耗的影響Fig.6 Effect of load variation on backup resource consumption
本文綜合考慮業(yè)務(wù)對(duì)路徑連接可用性需求和跨域路徑的可連接性間的匹配關(guān)系,建立了備份路由的條件約束模型,為需要備份的工作路由選擇共享備份資源,根據(jù)當(dāng)前帶寬資源的效用狀態(tài)劃分為工作、備份及空閑3類(lèi),預(yù)留備份資源時(shí)以備份和空閑的先后次序,以最大化備份資源利用率為前提,采取分流保護(hù)的方式為工作路徑提供備份。
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s:The National Science Foundation of China(61371097, 61401052, 61271261);The Chongqing Youth Science and Technology Talent Training Program(CSTC2014KJRC-QNRC)
BackuproutingstrategybasedonpathavailabilityconstraintsforHOWBAN
ZOU Hong, ZHONG Yang
Key Laboratory of Optical Communication and Network, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P. R. China)
Backup route selection is not only the issue of selecting the irrelevant paths, but the needs of the resources for recovery and backup resource utilization should be also taken into account. For this problem, the matching relationship between the availability of the cross-domain transmission path and the demand for path availability is established under hybrid optical wireless broadband access networks, two constraints are divided into optical and wireless domains according to the matching result, based on the constructed conditional constraint model the backup bandwidth can be selectively reserved. In order to improve the utilization rate of heterogeneous network resources, the bandwidth is divided into working bandwidth, backup bandwidth and free bandwidth, under the principle of shared backup and incremental optimization, the working path is protected in the order of backup bandwidth and free bandwidth, thereby with minimal free bandwidth consumption can ensure connection availability. Numerical results show that the proposed strategy effectively improves the network fault recovery rate and backup resource efficiency.
hybrid optical wireless broadband access networks; backup route; conditional constraint model; incremental optimization
10.3979/j.issn.1673-825X.2017.06.002
2016-10-20
2017-10-25
鐘 洋 zhongyangmas@163.com
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61371097,61401052,61271261);重慶市青年科技人才培養(yǎng)計(jì)劃(CSTC2014KJRC-QNRC)
TN92
A
1673-825X(2017)06-0717-09
鄒 虹(1970-),女,江西人,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。E-mail:zouhong@cqupt.edu.cn
鐘 洋(1989-),男,安徽人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣鉄o(wú)線(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)。E-mail:zhongyangmas@163.com
(編輯:張 誠(chéng))