超遠(yuǎn)距離光纖通信負(fù)載異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由算法

薛中偉

92941 部隊(duì),遼寧 葫蘆島 125001

當(dāng)通信節(jié)點(diǎn)發(fā)生異常故障時(shí)，為保證芯片正常工作不受負(fù)載干擾，需重新審核處理器的有限競爭功耗，并對面積資源進(jìn)行判斷。已知計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中路由算法已經(jīng)十分普遍，但仍缺少系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)安全繞行體系，這也使得獨(dú)立的芯片的處理過程更加漫長，單獨(dú)的芯片也可以看作是個體路由器，這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)內(nèi)容使得片上功耗比越來越大且難以控制。因此，要在功耗限制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)路由安全繞行要困難得多。為了避免網(wǎng)絡(luò)配置過于復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)，要通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重新審視并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的路由異常節(jié)點(diǎn)，通過設(shè)計(jì)軟故障糾錯碼，重新定制通信協(xié)議和數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，利用糾錯功能實(shí)現(xiàn)故障識別并躲避。

但是，出于安全繞行路由的考慮，對異常節(jié)點(diǎn)識別的過程，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余過高而陷入死鎖的情況，這時(shí)判斷故障內(nèi)容并安全繞行會導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)包丟失，從而使得到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容殘缺。并且，到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包會使得冗余數(shù)據(jù)備份涌入通信網(wǎng)絡(luò)，造成網(wǎng)絡(luò)線路擁堵，讓本就負(fù)載的光纖通信網(wǎng)絡(luò)功耗增加。冗余備份數(shù)據(jù)也會讓鏈路故障的可能性增加，故障電路的增多會進(jìn)一步加劇安全繞行路徑選擇的困境，使得路由芯片面積硬件的開銷增多。

為解決該問題，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者取得一些較為經(jīng)典、可借鑒的研究結(jié)果。文獻(xiàn)[1]提出一種基于蟻群優(yōu)化算法的壞死節(jié)點(diǎn)躲避路由算法。利用蟻群優(yōu)化算法搜索簇首選取和多路徑，在此過程中充分考慮鏈路傳輸能耗,鏈路剩余能量，通信傳輸距離，選取出能夠躲避壞死節(jié)點(diǎn)的多條最優(yōu)路徑，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[2]提出基于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的多路徑QoS 路由算法。整理帶有收發(fā)裝置的移動節(jié)點(diǎn)，并通過組成的臨時(shí)性多跳自組織約束網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)質(zhì)量，但缺少對多路徑路由算法的拓展。文獻(xiàn)[3]通過剩余能量過濾進(jìn)行簇頭選舉的低能耗無線路由算法。根據(jù)全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的基站類型，以簇頭位置及簇頭數(shù)量為根據(jù)改進(jìn)路由算法，計(jì)算剩余能量是否大于全域平均剩余能量。但相關(guān)研究均無法計(jì)算路徑權(quán)值，導(dǎo)致路由算法出現(xiàn)功耗較高問題。除以上研究之外，國內(nèi)外學(xué)者也有典型的光線路由算法問題的解決方案。文獻(xiàn)[4]提出了一般的路由方案遵循最小跳數(shù)和最短距離的方法將流量路由到另一個備份路徑。然而，這種方法可能導(dǎo)致某些鏈路擁塞，而其他鏈路可能有未利用的容量。這也使它越來越難以適應(yīng)更多的連接請求從接入網(wǎng)。因此，文獻(xiàn)[5]以節(jié)點(diǎn)最短路徑為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個精確的算法來解決這個問題，除了考慮距離之外，還考慮了每個鏈路的信道容量。通過對鏈路容量、連接請求和未使用鏈路3 個參數(shù)的仿真，評價(jià)了該算法的性能。但是，該路由算法的優(yōu)化過程較為復(fù)雜，且出現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)時(shí)延明顯問題，導(dǎo)致應(yīng)用難度較大，實(shí)用性不夠理想。

本文采用部署數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)方式，分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，同時(shí)利用多路徑技術(shù)拓展路由算法改進(jìn)路由算法。在多路徑路由算法拓展的基礎(chǔ)上，計(jì)算超遠(yuǎn)距離光纖通信端口負(fù)載路徑權(quán)值，判斷目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)位置，并標(biāo)注突變結(jié)構(gòu)信號。

1 超遠(yuǎn)距離光纖通信負(fù)載異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由算法

1.1 計(jì)算超遠(yuǎn)距離光纖通信端口負(fù)載路徑權(quán)值

為確定目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)的位置，首先要對光纖通信端口負(fù)載路徑權(quán)值計(jì)算，根據(jù)負(fù)載路徑權(quán)值的計(jì)算結(jié)果，對節(jié)點(diǎn)的負(fù)載大小進(jìn)行判斷，從而確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否存在異常，并以此判斷光纖通信線路位置[5]。

要計(jì)算超遠(yuǎn)距離光纖通信端口負(fù)載路徑權(quán)值，先要通過迭代方式對數(shù)據(jù)子類集合劃分。根據(jù)數(shù)據(jù)樣本均值，確定函數(shù)生成最優(yōu)形成路由簇中心[6]。并針對最優(yōu)函數(shù)值的誤差平方和計(jì)算，并以此設(shè)定一體化路由線路的數(shù)據(jù)隨機(jī)矩陣[7]。設(shè)定該隨機(jī)矩陣的負(fù)載特征值均為實(shí)數(shù)，且隨機(jī)矩陣A為N×N矩陣，即AN×N，計(jì)算該矩陣的函數(shù)分布特征譜，其表達(dá)式為

式中：λi(i=1,2,···,N)為 特征值；I為指示函數(shù)，且當(dāng)矩陣行列比恒定不發(fā)生變動時(shí)，該矩陣A的隨機(jī)行數(shù)和列數(shù)趨于無窮大[8]。因此得到該矩陣的表達(dá)式：

根據(jù)矩陣A的表達(dá)式，對該通信端口負(fù)載路徑的特征值分布概率密度計(jì)算，其表達(dá)式為

根據(jù)光線通信端口路徑的特征值平均譜半徑，計(jì)算出及高負(fù)載節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為

式中：Tw為對應(yīng)負(fù)載路徑權(quán)值的窗口寬度，n為連續(xù)采樣截?cái)啻螖?shù)。當(dāng)截?cái)啻螖?shù)n與Tw值相等時(shí)，超遠(yuǎn)距離光纖通信端口負(fù)載路徑權(quán)值達(dá)到最大，對于超出負(fù)載路徑權(quán)值窗口寬度的截?cái)啻螖?shù)部分節(jié)點(diǎn)，判斷為目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)，并確定該部分節(jié)點(diǎn)位置。

1.2 判斷目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)位置

根據(jù)超遠(yuǎn)距離光纖通信端口負(fù)載路徑的權(quán)值，判斷目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)的位置。判斷過程會受到實(shí)際環(huán)境節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的噪聲干擾，因此，要先判斷噪聲和異常數(shù)據(jù)混淆的異常的突變路由結(jié)構(gòu)信號值[9]，如圖1 所示。

圖1 噪聲和異常數(shù)據(jù)混淆的異常突變結(jié)構(gòu)信號值

通過突變路由結(jié)構(gòu)信號值分析影響異常數(shù)據(jù)診斷的噪聲及混淆因素，并對異常數(shù)據(jù)降噪[10]。保存數(shù)據(jù)中的突變信息，將數(shù)據(jù)內(nèi)在屬性中的奇異值分解出來，并通過預(yù)處理降噪，對數(shù)據(jù)內(nèi)突變信息的信噪比提高[11]。從而整理得到適合分解的新的異常數(shù)據(jù)矩陣：

式中：特征矩陣的向量分別表示為v和u，矩陣的特征值表示為 λ，由此得到矩陣特征的權(quán)值向量為uλ=v。根據(jù)特征值總結(jié)特征向量元素，設(shè)定目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)的加權(quán)矩陣為W∈PN×N，并據(jù)此判斷目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的波動范圍，其表達(dá)式為

式中：當(dāng)相鄰的兩節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的關(guān)聯(lián)度aij為1 時(shí)，兩節(jié)點(diǎn)之間具有連接關(guān)系[12]；當(dāng)相鄰的兩節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的關(guān)聯(lián)度aij為0 時(shí)，可對節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j間的向量距離求解，其表達(dá)式為

式中：xi、xj分 別為節(jié)點(diǎn)i、j的橫坐標(biāo)；yi、yj分別為節(jié)點(diǎn)i、j的縱坐標(biāo)。根據(jù)相鄰節(jié)點(diǎn)之間的向量距離，分析目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)位置的特征值的向量元素，可知，當(dāng)矩陣的特征值增大時(shí)，其特征向量距離上一個相鄰節(jié)點(diǎn)的距離也就越遠(yuǎn)[13]。因此，得到目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)的特征存儲時(shí)序。

利用目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)的特征存儲時(shí)序，通過特征向量存儲時(shí)序的延遲變化對異常位置定位[14]。先要定義特征向量的分解值，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j間的向量距離進(jìn)行劃分，同時(shí)計(jì)算異常節(jié)點(diǎn)矩陣的特征值，其表達(dá)式為

式中tr、tw、ts為異常節(jié)點(diǎn)對應(yīng)元素類型的分解值。根據(jù)異常節(jié)點(diǎn)矩陣的特征值，判斷目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)的位置，針對特征值較大的特征向量元素分解[15]。并根據(jù)異常情況概率發(fā)生節(jié)點(diǎn)，鎖定超遠(yuǎn)距離光纖通信線路中的異常位置，針對該目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)位置建立安全繞行分層結(jié)構(gòu)。

2 異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由算法

2.1 繞行分層結(jié)構(gòu)建立

根據(jù)確定的目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)位置，對節(jié)點(diǎn)異常區(qū)域劃分，通過選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，確定安全繞行分層路由的位置，并從分層結(jié)構(gòu)中找尋異常節(jié)點(diǎn)繞行的最佳路徑。先要在確定的目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)位置中找出中繼節(jié)點(diǎn)的位置，并利用多條傳輸線路處理。

分析圖中目標(biāo)異常節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)分布規(guī)律，將中繼節(jié)點(diǎn)的區(qū)域鎖定在安全繞行區(qū)域內(nèi)，并在該區(qū)域內(nèi)截取10 000 m×10 000 m 的正方形，在中心位置設(shè)定通信半徑，并向路由線路區(qū)域內(nèi)供應(yīng)能量[16]。設(shè)計(jì)安全繞行適應(yīng)度函數(shù)公式，并設(shè)定安全繞行適應(yīng)度參數(shù)，利用不同因素的權(quán)重大小，對路由網(wǎng)絡(luò)生存周期驗(yàn)證[17]。并在[0.1,0.9]的區(qū)間范圍內(nèi)依次取值，對安全繞行分層結(jié)構(gòu)的仿真參數(shù)取值規(guī)格設(shè)定，如表1 所示。

表1 安全繞行分層結(jié)構(gòu)的仿真參數(shù)取值規(guī)格

分析表1 中的仿真參數(shù)取值規(guī)格，計(jì)算安全繞行路徑距離值，其表達(dá)式為

式中：d為安全繞行路由節(jié)點(diǎn)間的路徑距離，C為異常節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的加速因子取值。據(jù)此，對單條繞行路徑上的負(fù)載計(jì)算，其表達(dá)式為

按照異常節(jié)點(diǎn)位置對應(yīng)的單條路徑，分別對各路徑上的負(fù)載大小計(jì)算，整理負(fù)載路徑的權(quán)重比，計(jì)算負(fù)載權(quán)重比，其表達(dá)式為

式中Q1、Q2、Q3分別為對應(yīng)路徑的負(fù)載值，以負(fù)載權(quán)重比為依據(jù)建立安全繞行分層結(jié)構(gòu)劃分規(guī)則，據(jù)此建立安全繞行分層結(jié)構(gòu)。

根據(jù)安全繞行分層結(jié)構(gòu)，對節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的路由表的狀態(tài)檢測，并根據(jù)檢測結(jié)構(gòu)構(gòu)建安全繞行分層結(jié)構(gòu)的路徑，以此確定異常節(jié)點(diǎn)繞行的最佳路徑。

2.2 確定異常節(jié)點(diǎn)繞行的最佳路徑

對安全繞行分層結(jié)構(gòu)建立，根據(jù)分層結(jié)構(gòu)檢測前節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的故障距離。當(dāng)出現(xiàn)阻塞故障節(jié)點(diǎn)時(shí)，鎖死被阻塞的數(shù)據(jù)包，并根據(jù)異常節(jié)點(diǎn)類型選擇繞行路由，當(dāng)出現(xiàn)前節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)行列分離的情況，對前節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的側(cè)邊路徑測量[18]。針對繞行路徑在數(shù)據(jù)包與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相對位置確定故障節(jié)點(diǎn)的最佳繞行路徑，路徑選擇表達(dá)式為

式中f(j)、f(i)為確定故障節(jié)點(diǎn)相對位置的左右兩側(cè)函數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)S(f)大于等于相鄰節(jié)點(diǎn)路徑頻率時(shí)，該異常節(jié)點(diǎn)繞行路徑處于待選范圍內(nèi)；當(dāng)出現(xiàn)S(f)小于等于相鄰節(jié)點(diǎn)路徑頻率時(shí)，該異常節(jié)點(diǎn)繞行路徑超出待選范圍，應(yīng)當(dāng)進(jìn)入下一鄰近節(jié)點(diǎn)路徑計(jì)算S(f)值。將該路徑選擇過程整理為圖信號，并檢測該圖信號的異常節(jié)點(diǎn)繞行選擇結(jié)果。判斷異常節(jié)點(diǎn)繞行的最佳路徑圖信號是否處于鄰近節(jié)點(diǎn)路徑待選中，并對異常節(jié)點(diǎn)路由的傳輸方向標(biāo)識[19]。根據(jù)安全繞行路徑的選擇轉(zhuǎn)向環(huán)路對選擇范圍二次限制，針對通道標(biāo)識遞增路線集合制定故障鏈路中的傳遞規(guī)則，根據(jù)異常節(jié)點(diǎn)路徑坐標(biāo)在傳遞規(guī)則中的適用度確定最佳路徑。根據(jù)路徑傳遞適用度計(jì)算光纖通信負(fù)載的強(qiáng)度，并通過制定傳遞規(guī)則中心整合故障鏈路，在通道標(biāo)識遞增路線集合的過程中，針對最佳路徑確定故障鏈路選擇轉(zhuǎn)向環(huán)境，根據(jù)設(shè)定的環(huán)境重新整理分組數(shù)據(jù)，并利用分組數(shù)據(jù)對管線通信負(fù)載異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路徑選擇。至此，完成對超遠(yuǎn)距離光纖通信負(fù)載異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由算法設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)分析

以路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗為指標(biāo)設(shè)計(jì)對比試驗(yàn)，分別使用文獻(xiàn)[1]提出的基于蟻群優(yōu)化算法的壞死節(jié)點(diǎn)躲避路由算法、文獻(xiàn)[2]提出的基于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的多路徑QoS 路由算法、文獻(xiàn)[3] 提出的基于剩余能量過濾簇頭選舉的低能耗無線路由算法與超遠(yuǎn)距離光纖通信負(fù)載異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由算法進(jìn)行安全繞行路徑選擇，驗(yàn)證功耗更小的路由算法。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)開始前，根據(jù)5×5 和7×7 的2D-Mesh 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，從網(wǎng)絡(luò)線路內(nèi)部截取故障節(jié)點(diǎn)信息，同時(shí)利用故障節(jié)點(diǎn)信息修改雙向鏈路參數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)，設(shè)置實(shí)驗(yàn)環(huán)境中最小的數(shù)據(jù)單位為flit。

根據(jù)數(shù)據(jù)flit 的流控單元形式傳輸數(shù)據(jù)包，在端到端時(shí)延通信數(shù)值中插入數(shù)據(jù)接受總量的飽和信息，根據(jù)異常節(jié)點(diǎn)內(nèi)成功傳輸?shù)目偭颗袛嗤掏戮W(wǎng)絡(luò)的線性正相關(guān)，并據(jù)此對內(nèi)部故障節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)延進(jìn)行測量，如圖2 所示。

圖2 內(nèi)部故障節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)延

根據(jù)該內(nèi)部故障節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)延，分別測量規(guī)定時(shí)延范圍內(nèi)路由分組數(shù)據(jù)繞行的功率，根據(jù)功率的大小計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)內(nèi)部故障節(jié)點(diǎn)的負(fù)載大小，進(jìn)而計(jì)算繞行分組數(shù)據(jù)的功耗，整合繞行分組線路，分別對應(yīng)其他線路數(shù)據(jù)，據(jù)此計(jì)算路由分組數(shù)據(jù)繞行的功耗值。

3.2 對比路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗

計(jì)算得到基于蟻群優(yōu)化算法的壞死節(jié)點(diǎn)躲避路由算法、基于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的多路徑QoS 路由算法、基于剩余能量過濾簇頭選舉的低能耗無線路由算法與超遠(yuǎn)距離光纖通信負(fù)載異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗，其表達(dá)式為

式中：H均為帶寬調(diào)度值，M為第S個業(yè)務(wù)流所在的跳數(shù)，u為通信單元總數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同路由算法繞行功耗

分析圖3 中的數(shù)據(jù)可以得出，在測量路由分組數(shù)據(jù)繞行的功耗中，基于蟻群優(yōu)化算法的壞死節(jié)點(diǎn)躲避路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最高為17.3 W，路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最低為13.2 W，在故障節(jié)點(diǎn)選擇路由時(shí)延為450 ms 時(shí)，基于蟻群優(yōu)化算法的壞死節(jié)點(diǎn)躲避路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗開始下降，在選擇路由時(shí)延為640 ms時(shí)，路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗開始上升。

基于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的多路徑QoS 路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最高為17.5 W，路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最低為10.0 W，在故障節(jié)點(diǎn)選擇路由時(shí)延為400～ 600 ms 時(shí)，該算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗上升速率最快。

基于剩余能量過濾簇頭選舉的低能耗無線路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最高為14.0 W，路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最低為6.0 W，在故障節(jié)點(diǎn)選擇路由時(shí)延為0～200 ms 時(shí)，該算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗下降較為明顯，可見線路選擇負(fù)載性能在路由時(shí)延較低時(shí)更好，在選擇路由時(shí)延為600～800 ms 時(shí)，基于剩余能量過濾簇頭選舉的低能耗無線路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗上升速率最快，當(dāng)路由時(shí)延增大時(shí)，路由選擇負(fù)載性能降低。

超遠(yuǎn)距離光纖通信負(fù)載異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最高為11.0 W，路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最低為5.9 W，在故障節(jié)點(diǎn)選擇路由時(shí)延為500 ms 時(shí)，超遠(yuǎn)距離光纖通信負(fù)載異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗開始下降，可見該算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗在時(shí)延較高的情況下性能更好。因此，超遠(yuǎn)距離光纖通信負(fù)載異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由算法更好。

4 結(jié)束語

本文通過研究異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由算法，采用對內(nèi)部故障節(jié)點(diǎn)的平均時(shí)延進(jìn)行限制，降低了異常節(jié)點(diǎn)安全繞行路由分組數(shù)據(jù)的繞行功耗。今后應(yīng)當(dāng)對深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)異常狀態(tài)進(jìn)行識別，同時(shí)對節(jié)點(diǎn)智能定位，判斷異常節(jié)點(diǎn)繞行最佳路徑的識別規(guī)則，并據(jù)此提高安全繞行分層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。