基于覆蓋網(wǎng)絡的災后恢復策略研究綜述

吳之沫，馬琳茹

（中國人民解放軍軍事科學院 系統(tǒng)工程研究院，北京 100039）

0 引言

人們的日常生活離不開網(wǎng)絡提供的各種服務，各行各業(yè)對網(wǎng)絡性能的要求越來越嚴格，網(wǎng)絡規(guī)模和復雜度呈爆炸性增長趨勢。然而，當前的網(wǎng)絡基礎設施面臨著各種各樣的潛在威脅，除了網(wǎng)絡部件自然老化而導致的失效問題，還隨時可能遭遇地震、洪水、颶風等自然災害，以及恐怖襲擊、軍事戰(zhàn)爭等人為災難性事件。即使發(fā)生故障的是一個或幾個網(wǎng)絡部件，其周圍區(qū)域也會由于受到網(wǎng)絡信息流量過載的影響而發(fā)生擁塞，引發(fā)連鎖效應，最終導致相當一部分節(jié)點甚至整個網(wǎng)絡崩潰。因此，及時對網(wǎng)絡故障進行修復至關重要。

為解決現(xiàn)有TCP/IP 體系架構(gòu)服務質(zhì)量提升緩慢、路由故障恢復效率低下以及可擴展性差等問題，科學家們提出使用覆蓋網(wǎng)絡對現(xiàn)有網(wǎng)絡進行系統(tǒng)性、廣泛性、整體性改造。覆蓋網(wǎng)絡是一種整合式互聯(lián)網(wǎng)改進方案，相較于打補丁式的改良式方案與從零開始的革命式方案，其是一種介于二者之間的折中方案［1］，既不會明顯增加網(wǎng)絡復雜性，也無需拋棄現(xiàn)有網(wǎng)絡體系，只需在現(xiàn)有網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的IP 層之上、應用層之下增加一個中間層，采用覆蓋網(wǎng)絡改善當前互聯(lián)網(wǎng)即可。這種對互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的系統(tǒng)性修補可以在保留現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的前提下提供更可靠的服務，為下一代互聯(lián)網(wǎng)設計提供了一種可行性方案。

基于虛擬化傳輸?shù)奶匦裕采w網(wǎng)絡部署時間短、可拓展性強，在災后恢復方面的應用研究呈上升趨勢，目前已被廣泛應用于公路交通網(wǎng)絡［2］、光網(wǎng)絡［3］、相互依存網(wǎng)絡［4］、水下無線傳感器網(wǎng)絡［5］等各個領域。然而，覆蓋網(wǎng)絡在災后恢復中的應用研究尚不成體系，或僅聚焦于單純的故障定位［6］、故障檢測［7］，或側(cè)重于相互依存網(wǎng)絡［4］的災后響應。為此，本文對覆蓋網(wǎng)絡應用于信息網(wǎng)絡災后恢復方面的相關文獻進行整理與總結(jié)，從故障建模和受損網(wǎng)絡連接恢復兩個方面入手，綜述覆蓋網(wǎng)絡災后恢復方法，為相關研究者提供參考。

1 覆蓋網(wǎng)絡容災性研究基礎

1.1 覆蓋網(wǎng)絡發(fā)展歷程

覆蓋網(wǎng)絡本質(zhì)上是一種面向服務的邏輯網(wǎng)絡［8］，其節(jié)點由連接在互聯(lián)網(wǎng)上的部分終端節(jié)點或應用類服務器組成，每條網(wǎng)絡鏈路對應一條或多條物理鏈路。如圖1 所示，覆蓋網(wǎng)絡將二層報文封裝在IP 報文之上，利用成熟的IP 路由協(xié)議進行數(shù)據(jù)分發(fā)，構(gòu)建了一層邏輯拓撲。其網(wǎng)絡拓撲由服務提供商們根據(jù)用戶需求定義，可以在不改變互聯(lián)網(wǎng)基礎設施的前提下提供更可靠、容錯性更好的服務，彌補了傳統(tǒng)網(wǎng)絡路由的缺陷，提高了互聯(lián)網(wǎng)的可擴展性和魯棒性。

Fig.1 Impact of overlay network technology on the Internet hierarchy architecture圖1 覆蓋網(wǎng)絡技術(shù)對互聯(lián)網(wǎng)層次架構(gòu)的影響

早在1974 年，英國學者Duerdoth［9］就提出了覆蓋網(wǎng)絡的概念，不過這個概念最初是應用于電信技術(shù)上。在那個模擬技術(shù)與數(shù)字技術(shù)并存的時期，使用覆蓋網(wǎng)絡作為主干網(wǎng)絡可以在保留原有電話服務的基礎上引入數(shù)字技術(shù)，同時避免高昂的經(jīng)濟成本。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，光纖技術(shù)開始走進大眾視野。1986 年，德國學者提出寬帶通信服務覆蓋網(wǎng)絡［10］，德國郵政公司將覆蓋網(wǎng)絡技術(shù)視為發(fā)展高效集成通用網(wǎng)絡的戰(zhàn)略［11］。自此，覆蓋網(wǎng)絡正式被視為承舊啟新的框架技術(shù)，繼電報網(wǎng)、電話網(wǎng)、綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)之后走進了人們的視線。21 世紀初，覆蓋網(wǎng)絡被應用于可靠多播技術(shù)［12］，充分利用底層網(wǎng)絡拓撲，通過覆蓋樹協(xié)議構(gòu)造了可靠分發(fā)樹，為用戶提供故障容忍的密集帶寬。此后，覆蓋網(wǎng)絡普遍應用于網(wǎng)絡組播技術(shù)。

近年來，覆蓋網(wǎng)絡技術(shù)得到了深入研究和廣泛應用，如以去中心化為特點的對等網(wǎng)絡（Peer to Peer，P2P）常用于文件共享［13-14］、即時通信［15］、協(xié)同處理［16］和流媒體通信［17］領域；內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)（Content Delivery Network，CDN）用于視頻分發(fā)，采用重定向機制縮短了分發(fā)服務器與用戶的距離［18］，不僅可以提高訪問速度，還能緩解網(wǎng)絡擁塞；應用層多播機制通過建立路由器間的多播分發(fā)樹管理成員和分發(fā)數(shù)據(jù)［19］。此外，覆蓋網(wǎng)絡還常用于增強服務質(zhì)量（Quality of Service，QoS）［20］、云計算數(shù)據(jù)中心網(wǎng)［21］、軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）［22］等技術(shù)領域。

覆蓋網(wǎng)絡受到大眾青睞的主要原因是其可以在不改變底層網(wǎng)絡的前提下提供組播、QoS 增強等服務，對下層網(wǎng)絡故障透明，結(jié)構(gòu)多樣化且具有較低的部署成本和部署難度。這些優(yōu)點有效緩解了傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡的僵化問題，精簡和優(yōu)化了網(wǎng)絡整體結(jié)構(gòu)。同時，超節(jié)點的存在使復雜的網(wǎng)絡鏈路變得簡單靈活，具有很好的魯棒性［23］。

1.2 網(wǎng)絡容災性的含義

伴隨科學技術(shù)日新月異的發(fā)展，通信網(wǎng)絡面臨的潛在威脅也越來越極端，一個完備的通信網(wǎng)絡體系必須具備一定的容災能力。從數(shù)學層面來說，網(wǎng)絡容災性可被描述為一個網(wǎng)絡被徹底破壞所需要除掉的節(jié)點數(shù)占總節(jié)點數(shù)的比例，在現(xiàn)實世界中則表現(xiàn)為當局部網(wǎng)絡遭到破壞或網(wǎng)絡服務大規(guī)模損毀時，網(wǎng)絡仍然可以保持關鍵服務正常運行的能力。具有較高容災性的網(wǎng)絡能夠更好地預防和抵御攻擊，并在受到攻擊后快速恢復。

如圖2 所示，圍繞提高容災性這一目標，覆蓋網(wǎng)絡研究工作可以分為兩個方面：一是災難損毀模型建立。合適的損毀模型可以精確描述網(wǎng)絡受損情況，分為確定性損毀模型和概率故障模型兩種；二是受損網(wǎng)絡的連接恢復?？刹捎弥鲃邮奖Ｗo、被動式恢復以及主被動結(jié)合恢復3 種策略，其中主動式保護策略通過提供備份節(jié)點或鏈路，使覆蓋網(wǎng)絡可以迅速切換受損節(jié)點或鏈路，防止由于部分節(jié)點或鏈路失效而造成的大面積癱瘓；被動式恢復策略是指在災難發(fā)生后，即使網(wǎng)絡遭受到外力破壞導致拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化或重組，仍然可以通過重路由等方式使系統(tǒng)恢復正常運作，完成預期主要目標，強調(diào)的是網(wǎng)絡的恢復能力。

Fig.2 Classification of overlay network research work圖2 覆蓋網(wǎng)絡研究工作分類

2 災難損毀故障建模

網(wǎng)絡災后恢復的前提是定位網(wǎng)絡發(fā)生損毀的位置，及時精確地監(jiān)控網(wǎng)絡故障，這就需要對災難損毀故障進行建模。災難損毀模型可以直觀展示災害對網(wǎng)絡的影響，包括受損位置、損毀范圍、癱瘓程度等。然而，由于災難類型多樣，研究人員很難為每一種自然災害和人為損壞建立合適的模型，現(xiàn)有研究多為利用幾何知識建立理論模型，主要分為確定性損毀模型和概率故障模型兩種。

2.1 確定性損毀模型

確定性損毀模型的關鍵在于找到受災區(qū)域，關注的是故障的地理位置，一旦計算出受災區(qū)域，便假設這個區(qū)域中所有的網(wǎng)絡設備全部被損毀，即故障概率為1。2010年，Neumayer 等［24］首次將計算幾何的理論工具應用于網(wǎng)絡容災性研究中，提出一個簡化的二部圖模型。該模型使用線段表示颶風等造成的線性災害，圓形表示地震等造成的區(qū)域性災害，利用多項式時間算法在平面圖模型中識別最壞線切割和最壞圓切割，這是網(wǎng)絡最脆弱的部分，任何在地理位置上與該災害區(qū)域相交的網(wǎng)絡組件均無法正常工作；Stojan 等［25］降低了Neumayer 等研究的復雜性，在其基礎上開發(fā)了一種多項式時間算法，采用橢圓形和多邊形表示網(wǎng)絡失效的脆弱區(qū)域；Tapolcai 等［26］受到二部圖模型的啟發(fā)，提出固定半徑的圓盤破壞模型，以故障點為圓心，認為一定半徑內(nèi)的所有網(wǎng)絡部件均受到了災難影響。考慮到大多數(shù)災難可能并不是均勻分布的，Gour 等［27］在固定半徑的圓盤失效模型中引入邊和路徑脆弱區(qū)的概念，使其適用于失效事件非均勻分布的災難區(qū)域。該模型使用圓盤表示災難損毀區(qū)域，簡單直觀，極大降低了處理區(qū)域性損毀的復雜度，在災后恢復工作中得到廣泛使用。然而，圓盤形災難模型僅適用于區(qū)域性災害，如地震、大規(guī)模殺傷性武器導致的災難，而對于颶風、海嘯、山體滑坡、自然火災等，圓盤模型并不能精確描述。

在實際場景中，受災區(qū)域往往不是呈現(xiàn)出圓盤形、四邊形、線形等規(guī)則形狀。為精確描述災難造成的不規(guī)則傷害，Agrawal 等［28］針對地震造成的損毀，結(jié)合震中位置、震中密度、地震震級和網(wǎng)絡拓撲等要素提出地震風險骨干網(wǎng)絡模型，將地理區(qū)域細分為多個任意形狀的地震帶，表示不同級別的地震風險；同時還提出地震風險最小化節(jié)點遷移方案，使得模型在網(wǎng)絡動態(tài)變化時也能準確描述受損區(qū)域與受損程度。然而，這些關于災難建模的研究均默認網(wǎng)絡在一個平面上，而地球是類球形的，這種計算方式難免有些失真。對于一些小規(guī)模的損毀，這種失真是微不足道的，而對于一個幅員遼闊的國家、大陸甚至大洲，這種映射的誤差將會超過5%。為此，Vass 等［29］通過改進多項式共享風險鏈路組（Shared Risk Link Groups，SRLG）生成技術(shù)，使模型適應球面幾何，生成更精確的SRLG 列表，同時還引入圖密度參數(shù)，使模型同樣適用于不規(guī)則受災區(qū)域。

2.2 概率故障模型

確定性損毀模型雖然直觀，但過于簡化，難以表達真實損毀場景的一些重要特征。事實上，某區(qū)域即使發(fā)生了災害，其網(wǎng)絡組件也未必全部損毀，只是大大增加了發(fā)生故障的概率。網(wǎng)絡損毀的概率與鏈路長度、節(jié)點密度、災害強弱和災害區(qū)域大小均有關系，可采用概率損毀模型進行預測。例如，Vass等［30］假設在災害發(fā)生后區(qū)域網(wǎng)絡平面中會產(chǎn)生一個明顯的故障概率分布，并依據(jù)該假設構(gòu)造了鏈路失效的聯(lián)合概率分布，提出通用概率區(qū)域損毀模型，其中鏈路的累積失效概率取決于鏈路長度以及鏈路與災害的地理鄰近性。針對虛擬網(wǎng)絡的生存性，Oliveira 等［31］提出高度時空相關的多鏈路故障災難模型。由于網(wǎng)絡功能虛擬化（Virtual Network Feature，VNF）基礎設施具有極高的復用度，VNF 網(wǎng)絡中的節(jié)點和鏈路故障具有高度相關性，如果在前一組故障修復前發(fā)生了更多災害，可能會導致多組相關鏈路發(fā)生故障。該文獻還創(chuàng)造性地采用基于網(wǎng)格分區(qū)的方案估計隨機區(qū)域故障下的各種網(wǎng)絡統(tǒng)計指標，網(wǎng)格劃分不僅有助于識別網(wǎng)絡的脆弱區(qū)域，還可以依據(jù)網(wǎng)格對故障發(fā)起適當保護。

表1 對以上災難損毀故障建模方案的基本信息進行了總結(jié)，其中適用網(wǎng)絡為靜態(tài)網(wǎng)絡的方案只能在災難發(fā)生后進行一次建模，而動態(tài)網(wǎng)絡則可以根據(jù)受災區(qū)域的變化進行適應性建模。

Table 1 Disaster damage modeling schemes表1 災難損毀建模方案

3 受損網(wǎng)絡連接恢復

3.1 主動式連接保護策略

建立災難損毀故障模型的目的是為了更加及時有效地恢復受損鏈接。當前應用最為廣泛的網(wǎng)絡連接恢復策略為主動式連接保護策略，主要應用于發(fā)生單鏈路故障或多條獨立鏈路故障的場景，即當網(wǎng)絡遭受不嚴重的破壞，只有個別節(jié)點或鏈路發(fā)生故障之時。研究指出，網(wǎng)絡中70%的故障都是單鏈路故障［32］。在大多數(shù)情況下，任意網(wǎng)絡節(jié)點對之間傳輸數(shù)據(jù)都只選擇路徑最優(yōu)的那一條，如果這條最優(yōu)路徑上的任何一條鏈路發(fā)生了故障，那么該節(jié)點對之間的通信便會中斷。主動式連接保護策略即在災難發(fā)生前為這對節(jié)點設置一條或多條備用路徑，當使用最優(yōu)路徑無法進行通信時，源節(jié)點快速將流量轉(zhuǎn)入次優(yōu)路徑，使得通信業(yè)務得到恢復并實現(xiàn)正常傳輸。

根據(jù)備份原理，主動式連接保護策略又可分為節(jié)點備份方案和鏈路備份方案。在節(jié)點備份方案方面，Zhi 等［33］以節(jié)點度作為評價指標，采用對等覆蓋網(wǎng)絡拓撲自動恢復算法為關鍵節(jié)點的每一條邊選取一個度較小的點作為備用節(jié)點，同時在節(jié)點接收數(shù)據(jù)包時執(zhí)行路徑壓縮算法，以確保網(wǎng)絡拓撲的正確性和連通性，提高網(wǎng)絡傳輸效率；朱國暉等［34］將建立覆蓋網(wǎng)絡的成本與收益納入考量，綜合考慮節(jié)點資源度、接受中心度、網(wǎng)絡收益開銷比、鏈路重要程度等因素建立覆蓋網(wǎng)絡，只有新生成的鏈路所需資源之和小于物理網(wǎng)絡剩余資源時才將鏈路端點納入備用節(jié)點候選集；郝黨科等［35］將大數(shù)據(jù)技術(shù)引入節(jié)點篩選算法，將研究場景設定在高速公路網(wǎng)絡上，利用工程參數(shù)表和大數(shù)據(jù)用戶識別技術(shù)篩選出核心節(jié)點，并由此建立關系庫；然后應用黃金分割搜索算法得出最優(yōu)備份節(jié)點，最終實現(xiàn)了站點故障后網(wǎng)絡的自修復，確保了故障區(qū)域的網(wǎng)絡覆蓋與業(yè)務質(zhì)量。

在面向業(yè)務的覆蓋網(wǎng)絡中可優(yōu)先選擇最佳鏈路恢復故障。例如，Li等［36］將保護能力感知技術(shù)與面向故障避免技術(shù)相結(jié)合以提高虛擬網(wǎng)絡的可靠性。其假設每條鏈路都對應一個失效概率，由此選出需要重點保護的主鏈路，并使用基于馬爾可夫的線性規(guī)劃為每條主鏈路計算備份路徑。為減少預備份所需資源，耿海軍等［37］提出可在每個路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)表中保存和維護最優(yōu)下一跳和次優(yōu)下一跳，當目標節(jié)點的最優(yōu)路徑發(fā)生故障時便自動切換至次優(yōu)下一跳，如此以來大大減小了算法的存儲空間；Hirano 等［38］和Khouangvichit 等［39］認為傳統(tǒng)穩(wěn)健優(yōu)化方案高估了備份鏈路的容量，分別將備份鏈路設計問題描述為具有魯棒優(yōu)化和穩(wěn)健優(yōu)化的混合整數(shù)線性規(guī)劃（Mixed Integer Linear Programming，MILP）問題，以最小化備份資源為目標尋找最優(yōu)備份鏈路；Wang 等［40］以提高備份資源利用率為思路，提出一種基于環(huán)的單鏈路故障恢復方法，根據(jù)節(jié)點重要性與鏈路性能選擇核心節(jié)點并將其連接成共享環(huán)，使所有備份路徑共享該路徑，即每個備份路徑都包含共享環(huán)的一部分。共享環(huán)生成后，根據(jù)故障鏈路的位置處理故障，若故障鏈路不屬于共享環(huán)，就先將受故障影響的數(shù)據(jù)包重定向至環(huán)節(jié)點，然后沿環(huán)傳輸；若故障鏈路屬于共享環(huán)，受故障影響的數(shù)據(jù)包將沿環(huán)以相反方向傳輸。該方法提高了備份的可重用性，降低了備份路由數(shù)；同時為了保證備份路由性能，該方法還會根據(jù)預測負載定期更新環(huán)路。

主動式連接保護策略可以非常高效地恢復網(wǎng)絡連接，這是由于所有路徑的計算工作是預先完成的，故障發(fā)生后只需要進行簡單的路徑切換。然而，為不同故障場景建立不同備份路徑需要較高的部署成本，而且當發(fā)生地震、洪水等大規(guī)模區(qū)域損毀時，主動式連接保護策略提供的多條備份路徑極有可能同時失效。表2 列出了上述主動連接保護策略的優(yōu)點、局限性等基本信息。

3.2 被動式重新尋路策略

被動式重新尋路策略無需提前預留資源，只需要在故障發(fā)生后根據(jù)當前網(wǎng)絡的實時路由狀態(tài)及資源剩余情況計算重路由方案，基于設定的反應機制應對災難損毀。目前關于該策略的研究主要集中在最短路徑計算、故障信息傳播等方面，且多數(shù)研究是依靠覆蓋網(wǎng)絡的虛擬性靈活繞開發(fā)生故障的網(wǎng)絡部件，以保持信息的正常傳輸。例如，張艷梅［41］通過限制網(wǎng)絡拓撲單位時間內(nèi)需要維護的消息數(shù)量，在給定維護代價的基礎上使用自適應搜索的免疫克隆算法求解路由性能最好、物理鏈路重用度最小的備選鏈路，將網(wǎng)絡災后恢復工作轉(zhuǎn)化為多目標約束優(yōu)化問題。從單個角度來看，該方法找到的備選鏈路可能并不是最優(yōu)的，但當同時考慮維護代價、路由性能和物理鏈路負載等多個子目標時，其是最優(yōu)方案。然而與大多數(shù)主動式連接保護策略相同，這種選擇節(jié)點或鏈路的方法難以應對大規(guī)模災難損毀。Zad 等［42］提出一種針對大規(guī)模區(qū)域損毀場景的網(wǎng)絡恢復方法，稱為迭代隨機恢復算法（Iterative Stochastic Recovery，ISR）。該算法將修復成本建模為網(wǎng)絡中每個要素的失效概率函數(shù)，該成本與節(jié)點所在位置有關，旨在恢復連接的同時最小化期望恢復成本。該算法無需使用故障概率先驗知識，解決了在不了解受損節(jié)點確切位置時的網(wǎng)絡恢復問題，但沒有考慮到災難損毀后恢復資源受限的情況。

考慮到發(fā)生故障時覆蓋網(wǎng)絡路由與底層網(wǎng)絡均會發(fā)出報警信號，且會采取各自獨立的重路由機制恢復故障，如果不對二者路由策略的沖突問題加以協(xié)調(diào)控制，將會產(chǎn)生恢復沖突和網(wǎng)絡資源浪費現(xiàn)象。為此，Srinivasan 等［43］提出3 種雙重路由協(xié)調(diào)恢復機制：①為覆蓋網(wǎng)絡的故障恢復設置概率門限；②為網(wǎng)絡故障恢復設置計時器，等待IP層先進行重路由；③為覆蓋網(wǎng)絡與IP 層檢測到的故障時間間隔設置門限。然而以上3 種方式均會增加故障恢復時間，且需要確定是哪一層發(fā)生了故障。為降低選路代價，武照東［44］提出基于不同自治域的雙重路由協(xié)調(diào)機制，按照自治域?qū)收线M行分類，自治域之內(nèi)的覆蓋網(wǎng)絡節(jié)點可以采用內(nèi)部網(wǎng)關協(xié)議（如OSPF 路由協(xié)議、RIP 協(xié)議）選擇路由，而自治域之間需要采用外部網(wǎng)關協(xié)議（如BGP 協(xié)議）使得自治域互聯(lián)。在OSPF 協(xié)議中的Hello 包中加入自治系統(tǒng)（Autonomous System，AS）號，若接收節(jié)點的AS 號與源節(jié)點相同，則為自治域內(nèi)故障，可使用IP 網(wǎng)絡的重路由機制恢復；若AS 號不同，則采用覆蓋網(wǎng)絡的重路由機制恢復，如此以來可以降低網(wǎng)絡抖動次數(shù)，減少恢復時的競爭沖突，實現(xiàn)路由的最優(yōu)恢復。

3.3 主被動結(jié)合的災后恢復策略

主動式保護策略降低了受損網(wǎng)絡恢復時間，但需要大量備份資源；被動式恢復策略更加靈活，但所需恢復時間較長。從網(wǎng)絡全生命周期的視角考慮，將主動式連接保護策略與被動式重新尋路策略緊密結(jié)合起來可對網(wǎng)絡拓撲進行更全面的保護，極大提高其對災難的抵御能力。

覆蓋網(wǎng)絡中最常見的主被動結(jié)合災后恢復策略均在彈性覆蓋網(wǎng)絡（Resilience Overlay Network，RON）的基礎上進行［45］。作為一種應用層路由技術(shù)，RON 節(jié)點采用主動與被動相結(jié)合的方式監(jiān)測內(nèi)部路由的服務質(zhì)量，并依據(jù)這些信息選擇下一跳覆蓋節(jié)點。在生成彈性路由層時需要首先隔離部分鏈路，然后檢查鏈路的連通性并由此生成路由層。理論上來說，當生成的彈性層足夠多、隔離的鏈路組合足夠豐富時便可以恢復所有類型的多鏈路故障。例如，Andersen 等［46］證實了RON 的故障診斷和恢復能力明顯優(yōu)于普通路由，能有效降低數(shù)據(jù)傳輸丟失率和延遲；Iloglu 等［47］對受損后的道路基礎設施網(wǎng)絡進行數(shù)學建模，分別使用基于拉格朗日的求解過程和基于線性松弛的整數(shù)規(guī)劃過程兩種啟發(fā)式算法證明了多重覆蓋的可行性。然而，由于要想獲得好的恢復效果就必須生成足夠多的路由層，導致開銷巨大，傳統(tǒng)的RON 網(wǎng)絡難以大規(guī)模部署，可拓展性較差。此外，RON 的路由表只能覆蓋RON 節(jié)點，對于RON 以外的目的地則無能為力。為此，趙珩等［48］提出基于網(wǎng)絡分塊的主被動相結(jié)合的網(wǎng)絡恢復策略，利用Kmeans 算法將網(wǎng)絡分塊，選取集合中心的節(jié)點作為集合中間節(jié)點，度最大的節(jié)點作為系統(tǒng)覆蓋節(jié)點，如此以來網(wǎng)絡流量在傳輸中便可以借助源路由及時跳過故障區(qū)域，通信網(wǎng)絡的可靠性明顯提升。此外，考慮到災后故障區(qū)域極容易發(fā)生網(wǎng)絡信息擁堵現(xiàn)象，該策略還加入擁塞感知恢復系統(tǒng)，以便實現(xiàn)跳級處理，同時客戶端模塊與覆蓋節(jié)點模塊可保障系統(tǒng)中節(jié)點不會發(fā)生環(huán)路傳輸情況；Zhang 等［49］提出一種用較少備份資源實現(xiàn)故障恢復的方法，根據(jù)鏈路復用度和帶寬利用率兩個指標確定鏈路對故障的影響程度，將其分為3 個具有不同優(yōu)先級的集合，對于具有更低延遲和更高傳輸質(zhì)量要求的鏈路，使用雙路徑恢復策略進行恢復，即為其記錄兩條備份路徑；對于復用度低或?qū)ρ舆t與數(shù)據(jù)包丟失沒有較高需求的鏈路采用反應式恢復策略，該策略的備份路徑是動態(tài)分配的，但不會在故障發(fā)生之前分配恢復路徑所需資源，故障發(fā)生后需要額外的信令建立備份路徑；對于優(yōu)先級居中的鏈路采用單路徑恢復策略，只需預先配置一條備份路徑用于恢復鏈路故障，從而滿足故障切換所需延遲，如果該策略失敗再觸發(fā)反應式恢復策略。以上方法可以在滿足鏈路故障所需恢復延遲的同時降低對預備份資源的需求。

3.4 小結(jié)

主動式連接保護策略通過預先規(guī)劃為重要鏈路預留出冗余資源，在遭遇故障時及時建立保護連接，保證網(wǎng)絡的正常運行。這種方法可以在較短時間內(nèi)恢復故障，預留資源不能被其他業(yè)務共享，會造成網(wǎng)絡資源利用率降低，且靈活性相對較差，若發(fā)生大規(guī)模災害導致冗余鏈路同時損毀，該策略便會失效。被動式重新尋路策略可在故障場景中動態(tài)地為業(yè)務計算路由分配資源，從而恢復通信并提高網(wǎng)絡的生存性。這種方法的關鍵在于根據(jù)故障發(fā)生時刻的網(wǎng)絡現(xiàn)狀以及閑置資源重新規(guī)劃路由，從而實現(xiàn)對故障路由的替代，無需預留冗余資源，大大提高了資源利用率。然而，重新進行路由規(guī)劃需要花費較多時間，因此對故障的恢復速度不及主動式連接保護策略。為提高網(wǎng)絡生存性，目前常在使用主動式連接保護策略的同時通過被動式重新尋路策略對網(wǎng)絡業(yè)務進行保護。

4 結(jié)語

與通用的故障處理思路相同，覆蓋網(wǎng)絡的災后恢復策略同樣是先定位、再恢復，相關研究主要聚焦于災難損毀模型建立和受損網(wǎng)絡連接恢復兩方面。當前對于覆蓋網(wǎng)絡在災后恢復方面的應用研究仍處于探索階段，雖然恢復個別節(jié)點或鏈路故障的方案較為成熟，但面對地震、颶風等自然災害導致的大規(guī)模網(wǎng)絡癱瘓，恢復方案仍存在局限性。在未來研究中應充分考慮災難發(fā)生的隨機性和不確定性，以降低冗余資源需求、縮短故障恢復時間和提高恢復率為目標進一步優(yōu)化覆蓋網(wǎng)絡的災后恢復策略。