智能光網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)生存算法①

余 庚, 陳宏意

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院,福建 福州350007)

0 引 言

ASON通過引入多元化的控制網(wǎng)元促使其在應(yīng)對SLA的數(shù)據(jù)時能夠有效控制波長業(yè)務(wù)發(fā)起請求的失效率,但不可避免地面臨波長通道局向資源枯竭或失效的客觀問題。此問題主要描述為當(dāng)用于部署基于SLA波長業(yè)務(wù)的主用波長通道(S)和備用波長通道(P)在某個時隙同時失效的情形下,此SLA業(yè)務(wù)也將同步失效。這引發(fā)了業(yè)界的關(guān)注并展開了一系列與SRLG相關(guān)的研究。

以文獻[1]為代表的啟發(fā)式算法為例,其思想是根據(jù)SRLG的數(shù)量多少給其內(nèi)部的每一條波長通道設(shè)計一個科學(xué)的權(quán)重度。這樣的設(shè)計理念有助于降低時間成本更重要的是能夠使波長業(yè)務(wù)所在的主用通道靈活地脫離多個SRLG管理下的波長通道。但是該算法對于陷阱問題的解決思路并未提及。以文獻[2]為代表的最短路徑算法,其思路是通過對所計算出的K個最短的S通道按照權(quán)重輕重給予排列,然后確定滿足SRLG分離的SLA的S通道以及SLA的P通道。但是該計算機制在應(yīng)對基于海量云數(shù)據(jù)的波長業(yè)務(wù)時k值規(guī)模的線性增加無疑加劇算法在時間上的復(fù)雜度。文獻[3]所倡導(dǎo)的基于CoS的自適應(yīng)局向機制,雖然考慮到了波長通道資源共享陷阱問題卻依舊忽略了SLA的差異性對波長通道資源的個性化需求。基于當(dāng)前主流研究在SLA波長業(yè)務(wù)通道資源問題和陷阱問題上的片面性,通過設(shè)計一種兼顧基于差異化SLA業(yè)務(wù)可靠性需求和算法復(fù)雜度的自愈技術(shù)以改善ASON的穩(wěn)定性。

1 可行性分析

針對上述提及的SRLG[4]做如下定義。首先定義一個由五個網(wǎng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)元1和網(wǎng)元2之間的鏈路記作L1;網(wǎng)元2和網(wǎng)元3之間的鏈路記作L2;網(wǎng)元1和網(wǎng)元3之間的鏈路記作L3;網(wǎng)元3和網(wǎng)元4之間的鏈路記作L4;網(wǎng)元1和網(wǎng)元4之間的鏈路記作L5;網(wǎng)元1和網(wǎng)元5之間的鏈路記作L6;網(wǎng)元4和網(wǎng)元5之間的鏈路記作L7。根據(jù)文獻[2]思想,網(wǎng)元1和網(wǎng)元3之間物理間距最短的L3將被定義為兩個網(wǎng)元之間用于實施波長業(yè)務(wù)的S通道。但是L3和其他的鏈路組合L1&L2,L4&L5等均屬于同一個SRLG。一旦這些鏈路因自然災(zāi)害等原因出現(xiàn)物理故障那么將無法找到一個可行的P通道來替代這些失效的物理S通道。有別于文獻[2]思想,自愈技術(shù)思路則將網(wǎng)元1和網(wǎng)元3間的鏈路組合L1&L2視為兩個網(wǎng)元之間的S通道,鏈路組合L7&L6&L4視為兩個網(wǎng)元之間的P通道。顯而易見,這樣的設(shè)計思路為SLA波長業(yè)務(wù)的承載提供了資源保障。同時通過在特定周期內(nèi)計算出波長業(yè)務(wù)承載的穩(wěn)定性來確定此不同波長業(yè)務(wù)SLA的可靠性參數(shù)。綜上所述,采用不共擔(dān)風(fēng)險理念為ASON實施基于差異化SLA波長業(yè)務(wù)的承載與保護具有科學(xué)的意義。

2 自愈資源模型

假設(shè)現(xiàn)有四個等級的物理資源光纜、光纖、通道、通路位于某一個特定的SRLG。倘若此資源遭遇故障,則兩個光節(jié)點間物理資源上的所有SLA業(yè)務(wù)都將無法正常提供QoS[5]服務(wù)。反之這些物理資源并未同時共享此特定的SRLG,那就意味這次物理資源上的部分SLA業(yè)務(wù)有可能獲得自愈的機會。據(jù)此思路,假定此特定的SRLG內(nèi)存在k條鏈路資源,k=1,2,3...l...k,則此SRLG局向資源存在失效的機會記作B(srlg)=O(k失效|l失效)。

ASON在部署SLA業(yè)務(wù)時并不總是要求ASON必須在遵循SRLG分離的前提下為所有SLA搜索S通道和P通道。研究的自愈技術(shù)主要考慮S和P通道只要能夠為差異化SLA業(yè)務(wù)提供最低的帶寬資源保障即可。故,要保證SLA波長業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性就一定要使S通道和P通道同時遭遇故障而失效的幾率小于SLA波長對鏈路資源的穩(wěn)定性T的要求,可記作B(S,P)≤1-T。將鏈路l的故障幾率和k的故障幾率定義為B(k失效l失效),所提供鏈路l的穩(wěn)定性為T l,于是有由上述方案可行性分析可知,當(dāng)鏈路對隸屬于不同編號的SRLG時鏈路對同時遭遇故障的幾率幾乎為零,然而事實上在ASON部署SLA業(yè)務(wù)時這些鏈路經(jīng)常都途經(jīng)同一個網(wǎng)元節(jié)點。一旦該網(wǎng)元節(jié)點出現(xiàn)故障勢必使同一個SRLG中的鏈路資源完全不可用。如果這里將鏈路資源k和l的SRLG集合設(shè)為S k和S l,那么]}。于是可知,B(P S)應(yīng)小于(1-T)/(1-現(xiàn)把某一個特定編號的SRLG中的一個子集定義為srlg-m,如果每個鏈路所在的SRLG編號是惟一的,當(dāng)只存在兩個(含)以上風(fēng)險鏈路時,那么小于如果每個鏈路所在的SRLG編號是惟一的,當(dāng)只存在一個風(fēng)險鏈路時,那么(1-T l)·B(srlg-m),(S l)∩(S k)=srlg-m小于顯然,當(dāng)ASON中出現(xiàn)了兩個以上的風(fēng)險鏈路時,只要在符合分離原則的條件下使其遵循該表達式就能說明此鏈路完全能夠為差異化[6]的SLA波長業(yè)務(wù)提供具有保障能力的帶寬資源。

為進一步測算鏈路對作為自愈SLA業(yè)務(wù)的適用性,自愈技術(shù)首先為鏈路對定義相應(yīng)的權(quán)重度,以此來獲取差異化SLA對自愈資源的可靠性要求。具體實施過程是在節(jié)點生成SLA波長業(yè)務(wù)時為鏈路對分配權(quán)重評估函數(shù)。假設(shè)鏈路的所有調(diào)度資源為R1,未用調(diào)度資源R2,同時設(shè)計一個常量值α。則對于S通道而言,當(dāng)R2為空時,該鏈路權(quán)重趨于無窮大;反之,該鏈路權(quán)重為R1/2R2。對于P通道而言,當(dāng)R2為空且r∈W時,該鏈路權(quán)重趨于無窮大;當(dāng)(S r)∩(S l)∩(l∈W)為空時,該賦常量值α;對于其他情形,則使該為R1/2R2。但是,當(dāng)某個特定編號的SRLG同時包含了鏈路r和途徑S的其他鏈路,就要重新計算風(fēng)險鏈路是否還可以為差異化SLA業(yè)務(wù)提供保障級的自愈資源要求。

3 自愈過程

自愈差異化SLA業(yè)務(wù)的核心思想是在遵循SRLG分離原則情形下通過評估用于自愈業(yè)務(wù)的鏈路資源對S和P通道的權(quán)重,來實施差異化SLA業(yè)務(wù)的可靠性估算以及克服SRLG陷阱問題帶來的自愈瓶頸。整個自愈技術(shù)的過程如下:

首先,定義一個循環(huán)迭代參數(shù)并賦零值。參照ASON整個網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)下的既有參數(shù)為全網(wǎng)鏈路分配權(quán)重值,直到網(wǎng)中節(jié)點發(fā)起SLA業(yè)務(wù)請求再轉(zhuǎn)入執(zhí)行下一步。其次,當(dāng)循環(huán)迭代參數(shù)為零時,重新計算鏈路的權(quán)重然后根據(jù)迪杰斯特拉思想搜索出W,若搜不到W跳轉(zhuǎn)到前一個步驟。當(dāng)循環(huán)迭代參數(shù)不為零時,則結(jié)合循環(huán)迭代算出來的W通道權(quán)重值再根據(jù)迪杰斯特拉思想搜索出可用的W。然后轉(zhuǎn)入執(zhí)行下一步。如果未能搜索出可用的W,則表示SLA業(yè)務(wù)請求失效,此時要返回執(zhí)行第一個步驟。第三,確定參數(shù)和SLA波長對鏈路資源穩(wěn)定性參數(shù)之間的關(guān)系。如果前者大于后者,返回執(zhí)行第一個步驟;如果前者小于后者,需對W實施自愈。第四,運用P的權(quán)重計算方式計算出鏈路的權(quán)重然后根據(jù)迪杰斯特拉思想搜索出P。并確定和α之間的關(guān)系。如果后者較大即可為P配置自愈資源然后回道第一步初始化;如果后者較小轉(zhuǎn)入執(zhí)行下一個步驟。第五,從P中篩選出權(quán)重為α的沖突鏈路資源。第六,確定參數(shù)和參數(shù)之間的大小關(guān)系。當(dāng)前者較大時,說明鏈路對W和P無法為差異化SLA業(yè)務(wù)提供保障級鏈路資源。此時為任意一個鏈路的工作權(quán)重賦無窮大的值并使得循環(huán)迭代參數(shù)自增一次再返回第二個步驟。當(dāng)前者較小時,說明鏈路對W和P能夠為差異化SLA業(yè)務(wù)提供保障級鏈路資源,可實施自愈資源的調(diào)度并返回執(zhí)行第一個步驟。

4 方案測試

考慮在經(jīng)典的NSFNET網(wǎng)絡(luò)上開展基于差異化SLA業(yè)務(wù)自愈方案(DSS)的測評。假設(shè)每一個差異化SLA業(yè)務(wù)請求均對應(yīng)于一個波,這些波長業(yè)務(wù)均由具備波長變換能力的14個光節(jié)點對發(fā)起。節(jié)點對之間的每個鏈路峰值容量均為16波,鏈路的穩(wěn)定性遵循0.96≤T≤0.98分布。測試中定義該網(wǎng)絡(luò)中的鏈路均只有一個唯一編號的SRLG,且SRLG故障幾率保持在20%,40%,60%。同時設(shè)計了自愈資源使用程度、SLA請求失效率、自愈段數(shù)三個指標(biāo)來考察自愈技術(shù)在應(yīng)對差異化SLA業(yè)務(wù)故障中的貢獻能力。作為對比,選用獨享保護策略(SPS)。該策略要求全網(wǎng)W通道均需有其獨享的唯一的P通道,其他W通道中的SLA波長業(yè)務(wù)無法使用當(dāng)前鏈路對W和P局向資源。兩種算法下的測試數(shù)據(jù)均在執(zhí)行五次循環(huán)迭代計算后統(tǒng)計出平均值而獲取。

圖1 所示曲線走勢表明了DSS方案在處理差異化SLA業(yè)務(wù)連接請求中的優(yōu)勢。之所以呈現(xiàn)這樣走勢,首先出于帶寬資源利用率的考慮,DSS在部署差異化SLA業(yè)務(wù)時并不總是為每一個W通道提供獨享的P資源。DSS方案的思想是首先為這些SLA業(yè)務(wù)提供差異化帶寬需求計算,然后為其尋找一個鏈路對用于保障該差異化SLA業(yè)務(wù)的正常傳輸和故障自愈,進而降低差異化SLA業(yè)務(wù)請求的失效率。即便該鏈路對中的W和P并未保持絕對獨立,DSS方案也可能搜索出適宜的W和P用于響應(yīng)差異化SLA業(yè)務(wù)請求,甚至通過引入循環(huán)計算方法來反復(fù)篩選風(fēng)險鏈路以突破SRLG陷阱的困擾。相對而言,SPS策略采用固化的方式一味地為差異化SLA配置1:1的鏈路資源,這不僅顯著降低帶寬資源利用率同時在重載情形下一旦遭遇SLA業(yè)務(wù)連接中斷,很難從中搜索出與W保持SRLG分離的P資源。因此在此項比較中DSS方案表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。

圖1 差異化SLA請求失效率

圖2 的曲線走勢表明了兩種方案在自愈差異化SLA業(yè)務(wù)請求失效時所涉及的自愈鏈路數(shù)量。由于DSS方案在計算自愈資源P時統(tǒng)籌考慮了那些具有一樣編號的SRLG中的W資源。與此相反,SPS策略則完全不考慮那些具有一樣編號的SRLG中的可用鏈路資源作為自愈選項。毫無疑問前者方案可選擇的資源選項更為豐富。尤其在全網(wǎng)重載的情形下后者可用自愈資源極其有限,需要通過跨越更多的鏈路段繞行更遠的物理距離方可找到適宜的自愈資源P。因此從時間角度來看,DSS方案下較少的自愈段數(shù)決定了該方案的時延代價小得多。

圖2 自愈段數(shù)

圖3 曲線描述的是自愈資源P在兩種機制下的使用情況統(tǒng)計。該指標(biāo)的意義在于測算算法能夠為W資源提供多大數(shù)量的備用P資源,其值由W的段數(shù)和P的段數(shù)相除得來。對于DSS方案而言,其主張在遵循SRLG相對分離的情形下W資源若能符合差異化SLA的承載要求則不啟用自愈資源P。故在響應(yīng)差異化SLA業(yè)務(wù)請求時能夠最小化全網(wǎng)資源的使用程度。DSS方案的這個優(yōu)勢在本項測試中也得到了相應(yīng)的體現(xiàn)。從圖3中曲線走勢不難看出,兩種機制在應(yīng)對相同業(yè)務(wù)量的波長業(yè)務(wù)時SPS策略使用了更多的自愈資源。

圖3 自愈資源使用程度

5 總 結(jié)

圍繞著基于區(qū)分SLA波長業(yè)務(wù)帶寬需求提出一種自愈技術(shù)。該技術(shù)方案兼顧風(fēng)險鏈路陷阱問題和自愈資源代價問題為波長業(yè)務(wù)連接請求提供了科學(xué)的選路機制。數(shù)據(jù)考察表明,所研究的自愈技術(shù)不僅增強了全網(wǎng)的生存性同時降低了全網(wǎng)資源開銷。其動態(tài)自愈能力具有良好的普適性。