恢复时间敏感的光网络混合通路保护算法

2017-06-19鲍宁海苏国庆陈静波

重庆邮电大学学报(自然科学版) 2017年3期

关键词：网络资源利用率链路

鲍宁海，苏国庆，陈静波

(重庆邮电大学，重庆 400065)

恢复时间敏感的光网络混合通路保护算法

鲍宁海，苏国庆，陈静波

(重庆邮电大学，重庆 400065)

针对波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)光网络中双链路失效的抗毁需求，研究并提出一种恢复时间敏感的混合通路保护算法。该算法通过引入业务连接的恢复时间约束，利用专用保护业务切换时间快而共享保护资源利用率高的特点，采用专用通路保护(dedicated path protection，DPP)与共享通路保护(shared path protection，SPP)相结合的方式，解决业务切换时间与网络资源利用率之间的矛盾，根据服务等级协定(service level agreement，SLA)，在网络资源较少的情况下，优先保证高等级业务的保护资源分配，从而为不同等级业务提供灵活的区分业务恢复度的资源配置方案。仿真结果表明，与传统的DPP和SPP相比，恢复时间敏感的混合通路保护算法在满足业务恢复时间门限的前提下，能够在平均恢复时间、网络资源利用率以及业务连接恢复度性能上获得较好地折中。

波分复用(WDM)；光网络；生存性；恢复时间敏感；混合通路保护

0 引言

作为电信骨干网的基础架构，波分复用(wavelength division multiplexing，WDM)光网络的生存性问题一直是通信领域的一个重要研究课题。网络生存性是指当网络发生故障时，仍可维持必要的服务质量的能力[1-2]。针对网络组件失效的抗毁方法主要包括两类：保护(protection)和恢复(restoration)。保护是指在故障发生前为网络中的业务预留保护(备份)资源，当故障发生时，将受损业务切换到预留的保护资源上；恢复是指在网络故障发生后，为受损业务寻找可用资源，并实现业务的恢复。保护技术由于保护资源的事先配置，具有较快的业务恢复速度，但却降低了网络的资源利用率；恢复技术是在故障发生后才寻找和配置可用资源，因此资源利用率较高，但业务恢复时间较长[3]。

传统的通路保护方法主要有两种：专用通路保护(dedicated path protection，DPP)和共享通路保护(shared path protection，SPP)。为简化问题描述，下面以WDM光网络中单链路失效的情况为例，说明传统的通路保护方法与措施。DPP方法中，保护通路上预留的波长资源与光交叉连接(optical cross-connect，OXC)均已配置完成，且被一个业务连接专用和独享。如图1所示，通路a-b-c-d是业务连接(a,d)的工作通路，通路a-e-f-g-d是对应的专用保护通路。当工作通路上的链路b-c失效时，节点b将向源节点a发送告警消息，随后源节点a立即启动业务通路的切换。SPP方法中，某些保护通路在特定条件下可以共享网络中的预留波长资源，但在业务切换前需对相应的OXC进行配置。如图2所示，通路a-b-c-d是业务连接(a,d)的工作通路，a-e-g-d是对应的共享保护通路，通路h-o-p-q是业务连接(h,q)的工作通路，h-e-g-d是对应的共享保护通路。由于a-b-c-d与h-o-p-q2条通路分离，在单链路故障模式下，链路l上的保护资源可以被业务连接(a,d)与(h,q)共享。当工作通路a-b-c-d上的链路b-c失效时，节点b将向源节点a发送告警消息，并由源节点a触发，对保护通路a-b-c-d上所有的OXC进行配置，最后由目的节点d沿配置好的保护通路向a点发送切换指令。

由于DPP具有独占保护资源的特点，业务连接配置消耗的网络资源较大，特别是在网络资源较少时，将会导致大量的业务因缺乏足够的资源而无法建立保护通路。而SPP具有业务切换时间滞后的特点，业务的临时中断时间将出现不同程度的延长，特别是对于高等级的业务连接，将难以保证其相应的服务等级协定(service level agreement，SLA)。而以上任何一种情况的发生，都可能给用户和运营商造成极大的损失。因此，单纯依靠传统的专用保护和共享保护难以解决业务恢复时间和资源利用率矛盾。

图1 专用通路保护示例Fig.1 Dedicated path protection example

图2 共享通路保护示例Fig.2 Shared path protection example

为了解决业务恢复时间与资源利用率之间的矛盾，文献[4]提出一种区分业务等级的共享通路保护算法，通过引入链路门限和链路负载等指标，为网络中的业务连接配置相应的工作通路和共享保护通路，从而为不同等级的业务提供区分可靠性的通路配置，并缩短高等级业务的恢复时间。文献[5]针对单链路故障模型，为网络中的每个业务建立一条工作通路与一条保护通路，根据业务对应的SLA需求，采用DPP或SPP方法配置保护通路，甚至取消配置保护通路，从而满足资源利用率最大化和业务恢复时间最小化的需求。

由于网络中SLA的多样性，不同等级的业务连接在资源利用率、恢复时间上会有不同的要求，需要在资源利用率与恢复时间之间取得良好的折中。此外，考虑到网络中可用资源(如：带宽)的动态变化，也需要对不同等级业务的恢复度(业务带宽的可恢复程度)加以区分，以此减少甚至避免资源配置时可能出现的业务阻塞。因此，本文针对光网络中的双链路失效模型，提出一种恢复时间敏感的混合通路保护方法(recovery-time aware hybrid path protection,RTA-HP)。该方法基于业务连接的恢复时间约束，采用共享通路保护和专用通路保护相结合的方式，为不同SLA等级的业务提供灵活的保护资源配置方案，在满足业务恢复时间门限的前提下，优化网络资源利用率，为业务连接提供区分恢复度的混合通0路保护配置。

1 恢复时间模型

1.1 保护切换过程

为简化问题描述，下面以WDM光网络中单链路失效的情况为例，分析说明在不同保护方法下受损业务的保护切换过程。

图3 保护切换过程示例Fig.3 Protection switching process example

如图3所示，假设一个a到d的业务连接，a为源节点，d为目的节点。恢复过程分为2个步骤：第1步，如果在工作通路上，链路b-c出现故障，则节点b和c将首先检测到该故障，并将故障告警消息分别发送给源节点a和目的节点d。第2步，当源节点a接收到故障告警消息时，触发业务的保护切换过程。

业务的保护切换过程分为两种情况：对于专用保护，如图3a所示，源节点a收到故障告警消息后，沿保护通路a-e-f-g-d向目的节点d发送通知消息。目的节点d接收到该消息之后，原路返回确认消息给源节点a，随后源节点a启动通路切换，完成受损业务的恢复。对于共享保护，如图3b所示，源节点a收到故障告警消息后，沿保护通路a-e-f-g-d向目的节点d发送配置消息，逐级配置该保护通路上的每一个OXC。当目的节点d完成相应配置后，原路返回确认消息给源节点a，随后源节点a启动通路切换，从而完成受损业务的恢复。

1.2 网络模型

给定一个WDM光网络G(N,L)，其中，N为网络中的节点集合，L为网络中的双向链路集合。网络中的每个节点都具有完全的波长转换能力，每条链路具有相同的波长带宽。

假设在网络G中可能出现的故障为随机且独立的单链路故障或双链路故障，并且网络G中所有的节点度数不小于3，即保证任一节点对间至少存在3条链路分离的通路。

1.3 恢复时间模型

在本文的恢复时间模型中，恢复时间定义为从故障发生到业务切换完成所花费的时间。

专用保护的最大业务恢复时间如(1)式所示，共享保护的最大业务恢复时间如(2)式所示。

RTci=FT+(hW-1)×PT+hW×DT+ 2×hB×PT+2×(hB+1)×DT

(1)

RTci=FT+(hW-1)×PT+hW×DT+ 2×hB×PT+2×(hB+1)×DT+hB×CT

(2)

(1)—(2)式中：FT表示故障链路相邻节点发现故障的时间；DT表示消息在一个节点中的处理时间；PT表示消息在一条链路上的传播时间；CT表示节点中OXC的配置时间；hW表示工作通路的跳数；hB表示保护通路的跳数；RTci表示连接ci的最大业务恢复时间。

2 恢复时间敏感的保护配置方案

2.1 混合通路保护方案

本方案中业务连接的保护通路是否能够采用资源共享方案，将取决于2个条件，即：首先根据任意2个业务连接的各通路位置关系，判断相应的保护通路是否满足可共享条件(判断标准采用文献[6]提出的保护资源共享规则)；然后在该共享关系下，计算业务连接的最大恢复时间，并判断是否满足给定的恢复时间门限条件，最终确定该业务连接能否采用共享配置。具体方案步骤如下。

2.2 带宽资源配置方案

为实现带宽资源的最优配置，本方案采用ILP(integer linear program)模型为网络中的所有业务连接分配相应的工作带宽与保护带宽，具体模型设计如下。

输入：

1)G(N,L)：网络G中，N={n}为节点集合，L={l}为双向链路集合；

2)C：业务连接集合{ci或ci′}，1≤i≤|C|，1≤i′≤|C|；

4)W：每条链路的带宽容量，即总波长数；

5)bci(或bci′)：业务连接ci或ci′的工作带宽需求；

6)k(或k′)：连接ci或ci′的业务等级。设k或k′={1,2,3}，其中，1代表普通业务，2代表高级业务，3代表紧急业务；

输出：

3)βk：k类业务的保护带宽分配比例。

目标函数为

(3)

(3)式中：第1项通过最大化各类业务的保护带宽分配比例β1，β2，β3，使各类业务获得更多的保护资源配置，选择适当的权重系数(如：100，70，50)，可在有限的网络资源情况下，优先为高等级业务提供更多的保护资源，并提供更高的业务恢复度保障；第2项，通过在一定程度上限制各链路保护资源Bl的消耗，促进保护资源的共享，以实现总体网络资源的优化。其中，利用网络特性参数W与L调整第1项与第2项间的权重比例，使提高业务恢复度成为优先目标。

约束条件为

∀l∈L,ci∈C

(4)

(4)式保证业务连接ci分配的工作带宽满足原始带宽需求。

0≤β1≤β2≤β3≤1

(5)

(5)式保证高等级业务优先获得较多的保护资源。

i≠i′,k≠k′

(6)

(6)式给出保护资源共享约束。

∀l∈L

(7)

(7)式限定链路l上分配的带宽资源量不超过链路容量。

3 仿真分析

仿真采用美国国家网络图(增加了部分节点的度数，使最小节点度数不小于3)，如图4所示，节点数|N|=24，链路数|L|=46。假设每个节点都具有完全的波长转换能力，每条链路的带宽容量均为W个波长(仿真中W=30,60,90,120,150,180分别代表6种不同的网络带宽容量)，每条链路的长度均设为1(跳)。网络中采用静态业务模型，任意节点对间的业务连接，其带宽需求随机产生(4个至8个波长带宽)，业务等级随机设定且满足紧急业务、高级业务、普通业务的数量比例为1∶3∶6，仿真结果对30组随机业务模型取平均。对比算法采用DPP(2条保护通路均为专用保护，且带宽可降级配置)和SPP(2条保护通路均为共享保护，且带宽可降级配置)。根据文献[5, 7]，设时间参数FT=10 ms，PT=0.5 ms，DT=1 ms，CT=5 ms。取恢复时间门限RT0=50 ms。

图4 美国国家网络图Fig.4 US national network

(8)

(9)

(10)

ART的仿真结果如图5所示，RTA-HP的业务平均恢复时间介于DPP和SPP之间，DPP的恢复时间最短，而SPP的恢复时间最长，甚至超过50 ms的预设门限。这是因为SPP在业务切换前需要对保护通路上的OXC进行配置，使业务恢复时间延长，而DPP无需对OXC进行临时配置，因此，能够获得较快的业务恢复时间。RTA-HP在进行保护资源配置时，引入了恢复时间约束，只有在满足恢复时间门限的情况下，才采用共享配置，因此，能够取得较短的业务恢复时间，且ART性能接近DPP。

图5 不同保护方法的平均恢复时间Fig.5 Average recovery time for various protection methods

SRD的仿真结果如图6所示，SPP的业务可恢复度最高，这是因为SPP的目标是促进资源共享最大化，从而能够获得更多的保护带宽资源。RTA-HP由于部分采用了共享保护配置，因而其SRD性能接近于SPP，并且在网络带宽资源较多时，迅速接近甚至等于SPP，进而获得100%的业务可恢复度。而DPP采用专用的保护资源配置，资源耗费较大，只有在网络资源足够丰富时，才能在SRD指标上接近SPP和RTA-HP。

图6 不同保护方法的业务恢复度Fig.6 Service recovery degree for various protection methods

图7 不同保护方法的资源利用率Fig.7 Resource utilization ratio for various protection methods

RUR的仿真结果如图7所示，3种配置方案的资源利用率均随着链路带宽容量的增加逐渐降低。这是因为网络中的可用资源越多，为保护通路预留的带宽就越充足，从而使得RUR指标降低。其中，SPP通过促进保护资源的共享实现资源利用率的最大化，因此能够获得最优的RUR性能。而RTA-HP的资源利用率介于DPP和SPP之间，这是因为RTA-HP采用的是一种混合通路保护方法，保护资源的消耗量介于SPP和DPP之间，可以认为这是在解决业务恢复时间问题上的一种折中。

对于网络中不同等级的业务，RTA-HP的SRD性能指标如图8所示。仿真数据说明，在保护资源的配置过程中，RTA-HP将优先保证高等级业务的带宽配置需求。并且，随着网络资源的增加，各等级业务的保护带宽容量同时上升并迅速接近工作带宽，进而达到100%保护带宽配置。

图8 RTA-HP保护方法的业务恢复度Fig.8 Service recovery degree for RTA-HP protection method

4 结束语

本文针对传统的SPP与DPP抗毁方法在业务恢复时间与网络资源利用率之间的矛盾，研究并提出一种恢复时间敏感的混合通路保护方法RTA-HP。该方法通过设置业务恢复时间约束，采用SPP与DPP相结合的保护资源混合配置方案，合理提高网络的资源利用率和业务的可恢复度。通过与SPP及DPP的对比仿真发现，RTA-HP在保证业务恢复时间门限的基础上，能够在ART，RUR以及SRD性能上取得较好的折中。

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(编辑：魏琴芳)

s：The National Natural Science Foundation of China (61671092); The Fundamental Science and Frontier Technology Research Project of Chongqing (cstc2016jcyjA0083); The Chongqing City College Innovation Team (KJTD201312)

Recovery-time aware hybrid path protection algorithm in optical networks

BAO Ninghai, SU Guoqing, CHEN Jingbo
(Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P.R. China)

For the requirement of surviving against double-link failures in WDM (wavelength division multiplexing) optical networks, we study and propose a recovery-time aware hybrid path protection algorithm. By introducing a constraint of service connection recovery time, as well as exploiting its characteristics of short service switching time of dedicated protection and high resource utilization ratio of shared protection, the proposed algorithm cooperates the dedicated path protection (DPP) and the shared path protection (SPP) to solve the conflict between the service switching time and the network resource utilization ratio, then, in accordance with the service level agreement (SLA), preferentially assigns protection resource for high-level services under a lack of network resource, so as to provide flexible recovery-degree-differentiated resource deployments for multi-level services. The simulation results indicate that, compared with the traditional DPP and SPP, the recovery-time aware hybrid path protection can meet the requirement of service recovery-time threshold, while achieving a good trade-off among average recovery-time, network resource utilization ratio, and service connection recovery degree.

wavelength division multiplexing (WDM); optical network; survivability; recovery-time aware; hybrid path protection

2016-12-11

2017-04-21 通讯作者：鲍宁海 baonh@cqupt.edu.cn

国家自然科学基金(61671092)；重庆市基础科学与前沿技术研究项目(cstc2016jcyjA0083)；重庆市高校创新团队(KJTD201312)

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.03.005

TN929.11

1673-825X(2017)03-0313-07