異步傳輸模式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計自愈研究

摘 ? 要：在ATM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，自愈是指網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，在不需要人工干預(yù)的情況下，就能很快恢復(fù)維持服務(wù)連貫性。這包括兩個方面：網(wǎng)絡(luò)計劃和運作，其中網(wǎng)絡(luò)計劃包括最佳/接近最佳網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)運作利用分配冗余信道來處理恢復(fù)機制。網(wǎng)絡(luò)的自愈能力可以用存儲率（restoration ratio）來反映，這里采用聚集存儲率（aggregate restoration ratio）， 研究的目的是為了比較基于通路和鏈接恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)自愈能力的不同，以及不同設(shè)計因素對自愈能力的影響。

關(guān)鍵詞：ATM （Asynchronous Transfer Mode） ?ATM網(wǎng)絡(luò)恢復(fù) ?恢復(fù)率 ?聚集恢復(fù)率

中圖分類號：TP393.15 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0126-02

ATM（Asynchronous Transfer Mode）異步傳輸模式，收發(fā)雙方的時鐘可以不同，是以信元為基礎(chǔ)的一種分組交換和復(fù)用技術(shù)。選擇固定長度的短信元作為信息傳輸?shù)膯挝唬欣趯拵Ц咚俳粨Q。通信網(wǎng)絡(luò)是一個按功能區(qū)分并且相互關(guān)聯(lián)的層次化結(jié)構(gòu)，ATM層屬于鏈路層，IP協(xié)議位于網(wǎng)絡(luò)層，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)正在按照IP/ATM/SONET/DWDM發(fā)展， 各層相互關(guān)聯(lián)，下層為上層提供服務(wù)。一旦某層發(fā)生故障，將造成大量信息丟失， 由此應(yīng)有對應(yīng)的恢復(fù)機制，但是如果各層單獨處理恢復(fù)，勢必造成資源浪費?，F(xiàn)在隨著ATM/MPLS、IP over ATM等寬帶網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，原有的ATM骨干網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)被利用，當面臨網(wǎng)絡(luò)故障，ATM網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)是保證服務(wù)質(zhì)量的重要方面。

可以通過概率統(tǒng)計的方法，比對了ATM網(wǎng)絡(luò)中誤碼率對ATM網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性的影響。ATM網(wǎng)絡(luò)傳輸中每幀信元的前5個字節(jié)對可靠性的影響更大。而傳統(tǒng)糾錯編碼方案并沒針對這一點做出改善。

參考文獻[3]已經(jīng)提供了網(wǎng)絡(luò)冗余分配，我的研究是基于文獻[3]的基礎(chǔ)上，用聚集存儲率（aggregate restoration ratio）來探討ATM網(wǎng)絡(luò)的自愈性，尋找相對優(yōu)化的自愈方案。

1 ?AMT網(wǎng)絡(luò)自愈設(shè)計方案

1.1 ATM 網(wǎng)絡(luò)

ATM網(wǎng)絡(luò)集虛電路（Circuit Switch）和包交換（packet Switch）網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，不像IP 包，ATM 傳輸單位信元（cell）固定長度為53 octets （ 前5單位為信息頭，后48為信息體）。 信息在最低層以面向連接的方式傳送，ATM網(wǎng)絡(luò)中，通信雙方必須在通信之前建立虛連接，虛連接分為兩級：虛通道（VP）和虛信道（VC），分別以虛通道標識符（VPI）和虛信道標識符（VCI）來識別，一個VP里面包含一定數(shù)量的VC 。在ATM網(wǎng)絡(luò)中，可以將一個VP/VC，作為一個保護對象，或者將一個區(qū)域內(nèi)的多個節(jié)點的VP/VC進行保護 。

ATM網(wǎng)絡(luò)有很多的優(yōu)點：交叉連接設(shè)備可以連接任意容量的VP，VP/VC連接通路的建立與容量分配獨立，具有豐富靈活快速的操作維護管理信元。能支持不同速率的各種業(yè)務(wù)。

1.2 ATM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案

兩種基本的ATM網(wǎng)絡(luò)自愈技術(shù)是：基于通路 （path-based） 和基于鏈接 （link-based）[2]，在基于通路的方式中，當傳輸鏈路中斷時，建立一條虛通路 （VP） 從發(fā)送者到接收者，VP的帶寬是動態(tài)的，備份用的VP，其初始的帶寬可以為0。相比于物理上冗余的自愈方法，VP方式提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。而基于鏈接自愈，當兩個端點檢測到失效時，兩個端點之間尋找通路。

兩種存儲機制[1]：反應(yīng)存儲（reactive）和預(yù)先計劃（preplanned） 存儲機制。兩種重新配置方法：面向故障（failure-oriented）和全局（global）重配，其中全局重配會將沒有故障的節(jié)點也進行重新配置，這種方法實現(xiàn)簡單但是浪費很多資源。這里我采用預(yù)先計劃存儲和面向故障重配方式。

考慮虛通道端到端Virtual Path End-to-End （VPee） 方案以及兩層網(wǎng)絡(luò)模式：物理網(wǎng)絡(luò)（工作網(wǎng)絡(luò)）和邏輯網(wǎng)絡(luò)（冗余網(wǎng)絡(luò)）。冗余容量（spare capacity）是指安裝在冗余網(wǎng)絡(luò)上用于減少工作網(wǎng)絡(luò)面臨故障時信息的丟失。網(wǎng)絡(luò)拓撲用G（N，L）表示，其中N表示節(jié)點數(shù)，L表示連接數(shù)，（如后面用到的N（20，30））。在[3]中Spare Capacity Requirement （SCR）定義為：

SCR==

從上式可以得出對于一個已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)，工作容量已經(jīng)是一個常量，那么SCR的值實際上就取決于分配的冗余容量。

2 ?網(wǎng)絡(luò)自愈問題量化描述

網(wǎng)絡(luò)自愈問題數(shù)學公式化已經(jīng)在參考文獻[3]中提供，[3]用到了平均存儲率（average restoration ratio）探討網(wǎng)絡(luò)的自愈，也提到了可以用聚集存儲率（aggregate restoration ratio）來衡量，我的研究是在文獻[3]的基礎(chǔ)上以及利用相同的冗余容量設(shè)計SCD （spare capacity design），采用聚集存儲率研究網(wǎng)絡(luò)的自愈力。

不同的冗余設(shè)計方法SCD定義如下：

SCD-1： 每個鏈接冗余容量相同（spare capacity）;

SCD-2： 每個鏈接冗余容量代價相同（spare capacity cost）;

SCD-3： 冗余容量和工作容量成比例（proportional）。

SCD-4：冗余容量和工作容量成反比（inversely proportional）。

Restoration Ratio定義為：

其中表示最大數(shù)量的存儲信息（restored traffic）， ?表示最大數(shù)量的存儲影響信息（restored affected traffic）。s表示網(wǎng)絡(luò)不正常狀態(tài) （S – s0）。

Aggregate Restoration Ratio 表示為：

網(wǎng)絡(luò)的自愈能力可以表現(xiàn)為，在比較低的SCR值上達到一個比較高的聚集存儲率。

3 ?實驗環(huán)境

UNIX 平臺上用 C語言編程，底層利用MINOS （FORTRAN 軟件包）[4] 共同實現(xiàn)復(fù)雜的計算。通過不同方法很多次長時間運行C語言軟件，得到不同冗余設(shè)計方法的大量數(shù)據(jù)，并且分析結(jié)果數(shù)據(jù)。

4 ?實驗結(jié)果分析

4.1 不同SCD方案影響

實驗表明了不同的SCD方案所得到的值， 假定通路恢復(fù)，單鏈接故障，N（20，30）。不管是哪種SCD方案，aggregate restoration ratio （）都會隨著 SCR 從0%快速增加到一特定值后再隨SCR值增加緩慢升高。其中，SCD-1， SCD-2在單鏈接故障情況下能夠滿足100%恢復(fù)率，而SCD-3， SCD-4不能。在相同的SCR值下，SCD-1達到最高的存儲率，SCD-2其次。

4.2 路由策略影響

路由策略影響 （LDP versus APP），N（20，30）網(wǎng)絡(luò)提供了所有可能路徑All Possible Path（APP）vs鏈接不相交路徑Link Disjoint Path（ LDP） 的聚集存儲率。APP的在相同SCR條件下存儲率比LDP要高，這是因為在優(yōu)化計算中，路由的選擇已經(jīng)由APP/LDP決定，APP允許更多更靈活的路由選擇。

4.3 存儲策略影響

存儲策略影響，APP ?N（20，30）網(wǎng)絡(luò)結(jié)果表明了Path Restoration （PR） vs Link Restoration（LR）的聚集存儲率。在相同的SCR條件下，PR的存儲率比LR要高，這是因為在優(yōu)化計算中，PR能夠更靈活地選擇從起點到終點的路由，而LR不能像PR那樣可以更好地共享路由。

4.4 網(wǎng)絡(luò)連接影響

不同網(wǎng)絡(luò)連接對聚集存儲率的影響，兩種網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)相同，鏈接數(shù)差異很大。Aggregate restoration ratio 很快增加到分別是60%（對于稀疏網(wǎng)絡(luò)N（20，30））和50%（對于稠密網(wǎng)絡(luò)N（20，42）），之后隨SCR的增長而緩慢增加。當網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時，稠密網(wǎng)絡(luò)具有較高的存儲量，比較容易恢復(fù)，這是因為相比稀疏網(wǎng)絡(luò)，在稠密網(wǎng)絡(luò)中，比較容易找到存儲路由。

參考文獻

[1] Isaac Woungang， Guangyan Ma（馬光艷）， “Survivable ATM Mesh Networks： Techniques and Performance Evaluation”， Journal of Systems and Software， Elsevier， Oct. 2009.

[2] Isaac Woungang， Guangyan Ma（馬光艷）， “Survivability in Existing ATM-Based Mesh Networks”， In Proc. of the 23rd IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications （AINA-09）， Bradford， U. K（英國）， May， 2009.

[3] Xiong， Y.， Mason， L.， “Restoration Strategies and Spare Capacity Requirements in Self-healing ATM Networks”， IEEE/ACM Trans. on Networking， 7 （1）： 98-110， 1999.

[4] MINOS5.4， http：//www.sce.carleton.ca/faculty/chinneck/minosiis.html （last visited August 2， 2008）.