最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护策略

刘焕淋 易鹏飞 张明佳 陈 勇



最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护策略

刘焕淋*①易鹏飞①张明佳①陈 勇②

①(重庆邮电大学光纤通信技术与网络重点实验室 重庆 400065)②(重庆邮电大学自动化学院 重庆 400065)

针对弹性光网络中多链路故障100%保护的资源消耗冗余度较高的问题，该文提出一种最小故障风险损失的概率保护(MFRL-PP)策略，在多链路故障时为业务提供高效率的概率保护。在MFRL-PP策略中，该文设计了一个综合考虑链路负载和故障风险的代价函数，为业务选择故障风险小且频谱资源消耗少的概率保护光路。当最小故障风险路径无法传输时，为进一步降低概率保护光路的故障风险损失，该文还设计了一种非对称业务流分流的最小故障风险损失概率保护机制，以便选择故障风险损失最小的分流路径组作为传输光路。同时，在传输光路的频谱分配阶段，提出了基于最大频谱重合度的可用频谱块选择策略，以减少频谱碎片的产生。仿真结果表明所提策略不仅有效地提升了频谱利用率，还较好地实现了带宽阻塞率与故障风险的平衡。

弹性光网络；多链路故障；最小故障风险损失；非对称业务流；带宽阻塞率

1 引言

近年来，随着多媒体业务的飞速发展，如交互式网络电视、视频点播、云服务等新型应用大量涌现，网络流量呈爆炸式增长，网络带宽需求也急剧增加。传统的波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)网络采用固定波长粒度的分配方式会造成带宽资源浪费，使其很难满足未来光网络的带宽需求[1]。基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技术的弹性光网络，可根据传输距离选择不同的调制方式，灵活地分配子载波(12.50 GHz或6.25 GHz)。相比于WDM网络，弹性光网络具有频谱效率高、能耗低等优点，是一种高效的新型光网络架构，成为未来光网络智能化的一个主要方向[2,3]。

在弹性光网络中传输业务时，需要建立一条源到目的节点的光路，再为光路上的每一条链路分配相同的、连续的频隙(Frequency Spectrum, FS)资源，这就是路由与频谱分配(Routing and Spectrum Assignment, RSA)问题。在网络带宽资源有限的情况下，优化网络中的路由与频谱分配过程，提高频谱利用率，能够节约网络带宽资源，降低阻塞率[4,5]。而通信网络中超过80%的信息需要通信光纤链路传输，网络中的链路故障会造成大量的业务中断、数据丢失。同时随着网络规模的不断扩大，网络发生多故障的概率逐渐增大。针对网络中日益严重的多链路故障问题，研究光网络的生存性RSA问题，成为提升光网络抵御多故障能力的重要途径[6,7]。

为解决弹性光网络中的生存性RSA问题，目前已有很多文献提出了生存性RSA策略。光网络中的生存性RSA策略主要分为保护和恢复两种，现有的研究主要集中在保护策略上。在保护策略中，要实现100%的多故障保护，需要消耗大量的带宽资源，造成网络阻塞率过高；另一方面，随着光器件技术的进步，光器件发生故障的概率较小，实施高昂保护开销的100%保护意义和效果不大，因此更具性价比意义的光纤链路故障概率保护策略应运而生。概率保护作为一种特殊的保护策略，能够根据业务差异化的可靠性需求和网络资源情况，灵活地配置带宽资源，为业务提供概率保护，减少保护资源消耗，降低网络阻塞率。文献[8]提出了负载均衡的多链路故障共享保护(Dynamic Load Balancing Shared- Path Protection, DLBSPP)算法，并采用传统的首次命中(First Fit, FF)算法进行频谱分配，但是忽略了频谱碎片问题。文献[9]通过可用性概率分析，选择满足联合故障概率约束的路径来传输业务，使用最小空闲频谱消耗(Minimum Free Spectrum-Block consumption, MFSB)算法来选择保护路径并进行频谱分配，但是在进行可用性分析时直接通过概率计算十分复杂且在联合故障概率计算时关于共享度的使用不够精确。文献[10]通过对可用性与频谱资源消耗的分析，提出了频谱感知的多故障共享保护策略，通过ILP模型对联合故障概率和频谱资源消耗进行联合优化，但是ILP模型构造、求解复杂。文献[11]提出了一种可用性感知的区分保护策略，在业务传输中通过可用性分析切换保护方式以节约频谱资源消耗，但是故障模型只是分析了单链路和双链路故障情况，没有考虑多链路故障问题。文献[12]提出了一种多故障共享路径保护算法，有效地恢复因多故障而引起的多业务中断，提高受损业务的恢复率，但是在频谱分配时共享的资源比较有限。由此可知，在弹性光网络的多链路故障保护研究中，仍存在着许多问题，需要不断改进和创新。

针对弹性光网络中的多链路故障保护问题，本文以降低网络的阻塞率为首要目标，同时考虑避免业务故障风险的激增，首先提出了一种最小故障风险概率保护(Minimum Fault Risk Probability Protection, MFR-PP)策略，为业务优先选择故障风险最小的传输路径。为进一步降低业务的故障风险损失，在此基础上提出了最小故障风险损失的概率保护(Minimum Fault Risk Loss Probability Protection, MFRL-PP) 策略，当最小故障风险路径无法传输时，将业务分割为非对称的业务流，在故障风险损失最小的分流路径组传输，实现业务的最小故障风险损失概率保护，频谱分配时选择频谱重合度最大的可用频谱块来传输业务。

2 最小故障风险概率保护(MFR-PP)策略

2.1故障风险概率保护问题描述

在弹性光网络保护中，高的可靠性保证意味着高的带宽资源消耗，使得网络阻塞率过高。概率保护能在保证业务可靠传输的前提下，灵活地配置带宽资源，实现阻塞率与可靠性的平衡。本文首先提出了一种最小故障风险的概率保护策略，在为业务路由时通过对候选路径进行故障风险评估，选择故障风险最小的路径来传输业务，以此实现对业务的概率保护。首先生成网络拓扑链路故障风险矩阵，根据链路的故障风险设计链路代价函数如式(1)所示。表示链路的故障风险概率，表示链路的代价。

为降低业务的故障风险，通过式(2)，式(3)对候选路径的故障风险进行评估，选择故障风险最小的路径作为传输路径。假设业务所选的路径为,表示路径经过的链路，则当前路径的故障风险可表示为

(2)

(4)

由候选路径故障风险可知，选择路径1的故障风险最小，根据最小故障风险概率保护目标，业务LR(0, 3, 200 Gbps)优先选路径1(0-3)作为传输路径，实现对业务的概率保护。

2.2 最小故障风险的概率保护(MFR-PP)策略过程

步骤 1 从等待路由的业务队列中，取第个业务请求寻找具有最小故障风险概率保护功能的传输路径；

步骤3 使用式(1)更新光网络中的链路代价，根据Dijkstra算法计算业务源到目的节点的条候选传输路径；并根据式(3)和式(4)评估每条候选路径的故障风险程度，按故障风险程度从小到大对条候选路径进行排序，令表示第条传输路径，初始值取1，转步骤4；

图1 网络拓扑及业务候选路径示意图

步骤7 算法结束。

3 最小故障风险损失的概率保护(MFRL-PP)策略

为业务选择最小故障风险的路径作为传输路径，可能导致网络负载不均衡产生瓶颈链路。且随着负载的增大，满足频谱约束的最小故障风险路径很难被选到，业务只能退而选故障风险较大的路径进行传输。此时业务在所选的故障风险较大的路径上传输，会导致业务风险损失较大。因此，为降低网络发生多故障时的业务损失，本文又提出基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护策略。

3.1基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护问题描述

在基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护策略中，首先综合考虑网络中的频谱资源使用状况、链路的故障风险概率和业务的频谱资源消耗，设计了路由选择时的链路代价函数，如式(5)所示。链路的代价函数值越小，表明链路的空闲频谱越多，链路的故障风险越小。更新链路的代价函数后，使用Dijkstra算法计算条候选路径，并通过上述的故障风险评估模型评估每条候选路径的故障风险。优先选择故障风险最小的路径进行传输，若最小故障风险路径上无足够的可用频谱资源，则依据故障风险程度低的路径传输多的业务的原则，设计了式(6)将业务分解为非对称业务流，如图2(a)所示，非对称业务流分别在两条光路上传输，如图2(b)所示。设计式(7)来评估采用最小故障风险路径传输时的业务故障风险损失。采用非对称业务流传输时，通过式(8)来评估业务的故障风险损失，选择故障风险损失最小的分流路径组来传输业务，实现最小故障风险损失的概率保护。由于随着传输路径的增多，所消耗的保护频隙会增多，所以本文最多只将业务分割为2个子业务。

(6)

综上所述，为实现业务的最小故障风险损失概率保护，业务传输可分为两种情况，第1种情况是直接使用故障风险最小的路径进行传输，此时业务损失的大小可以通过式(7)进行评估，业务损失为

第2种情况是，最小故障风险路径无法传输时，业务采用非对称分流进行传输，划分业务为大小为和的非对称业务流，分别在分流路径和上传输，, 分别表示对应的路径故障风险。当网络大规模故障时，业务发生损失又可以细分为3种，一是分流路径发生故障，此时业务损失约为，二是分流路径发生故障，此时业务损失约为，三是两条分流路径同时故障，此时业务损失约为。

业务的路由确定后，需要在满足频谱一致性、连续性的前提下在光路由上分配频谱资源。首先根据链路频谱资源使用情况找出满足请求带宽要求的可用频谱块集合。分别计算当前每个可用频谱块如果被使用后的频谱重合度，选择重合度最大的频谱块来承载业务，使光路的频谱碎片最小化。设和分别表示业务第个子业务流的首、尾频隙索引值，,分别表示路径上第个频谱块的首、尾索引值；表示第个频谱块被占用后的频谱重合度，定义频谱重合度的计算如式(9)所示。

(9)

假设业务选择的分流路径组如图2(b)所示，所选的2条分流光路分别为和，每条分流路径上所需的频隙数分别为4 FS和2 FS。路径的频谱资源使用情况分别如图3(a), 3(b)所示，则可通过式(9)计算每个可用频谱块被占用后的频谱重合度，如 表1所示。

表1频谱重合度计算表

分流路径频谱块频隙索引值业务所需频隙数频谱重合度 Ws,1AFS块11, 2, 3, 441 Ws,1AFS块26, 7, 8, 9, 1044/5 Ws,2AFS块12, 3, 422/3 Ws,2AFS块27, 8, 9, 1022/4

根据选路径上频谱重合度最大的频谱块进行频谱分配的原则，路径1-3-4-2选择频谱重合度大的频谱块(频谱索引值为1, 2, 3, 4)承载业务，分配的频隙索引值为1, 2, 3, 4；同理，路径1-5-6-2选择频谱重合度大的频谱块(频谱索引值为2, 3, 4)承载业务，分配的频隙索引值为2, 3，结果如图3所示。

3.2基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护(MFRL-PP)策略过程

步骤3 使用式(5)更新网络中的链路代价，运行Dijkstra算法计算源到目的节点的条候选传输路径；并根据式(3)和式(4)评估每条候选路径的故障风险程度，按故障风险程度从小到大对条候选路径进行排序，令表示第条候选传输路径，初始值取1，转步骤4；

步骤10 算法结束。

4 算法仿真结果分析

4.1仿真参数设置

为了验证算法的性能，将本文所提的MFR-PP算法、MFRL-PP算法分别与DLBSPP算法[8]、MFSB[9]算法进行了对比，性能指标为带宽阻塞率，频谱利用率和业务平均故障风险。仿真中使用14个节点、21条链路的NSFNET网络，及15个节点、28条链路的BELLCORE网络。

4.2 仿真结果分析

图4显示了4种算法在两种不同网络场景中带宽阻塞率随负载的变化情况。从图4可以看出，本文所提的MFRL-PP算法获得了最低的带宽阻塞率。主要是因为在选择路由时综合考虑了故障风险与业务频谱资源消耗，并采用了非对称业务流方法，在频谱分配时通过频谱重合度的计算选择合适的频谱块来减少频谱碎片，降低了带宽阻塞率。MFSB, DLBSPP算法需要配置保护路径，消耗了额外的频谱资源来提升业务传输的可靠性，导致其阻塞率最高。MFR-PP算法优先选择故障风险小的路径来传输业务，但是会因频谱约束条件而绕路，所以其阻塞率略高于MFRL-PP算法。相同负载下，NSFNET网络的阻塞率要高于BELLCORE网络，主要是因为BELLCORE网络节点平均度数较大，因此业务更容易成功传输。

图5显示了4种算法在两种不同网络场景中业务平均故障风险随负载的变化情况，可以看出，本文所提的MFRL-PP算法获得了较低的业务平均故障风险，实现了阻塞率与业务故障风险更好的平衡。主要是因为MFRL-PP算法优先选择故障风险最低的路径进行传输，在故障风险最低路径无法传输时，通过故障风险评估将业务进行非对称分流，降低了业务的故障风险。而MFSB, DLBSPP算法分别采用了不同的保护策略，所以故障风险较小。随着负载增大，MFR-PP算法所选路径故障风险会增大，所以平均故障风险最高。在负载相同时，NSFNET网络的平均故障风险要高于BELLCORE网络，主要是因为BELLCORE网络节点平均度数较大，业务更容易选到故障风险小的路径。

图6分析了4种算法在两种不同网络环境中不同负载下频谱资源利用率的变化情况，可以看出，本文所提的MFRL-PP算法获得了最高的频谱资源利用率。主要原因是MFRL-PP算法在故障风险最低路径无法传输时进行了非对称分流，充分利用了频谱资源，并且通过评估频谱块的频谱重合度来分配频隙，减少了频谱碎片，提高了频谱资源利用率。而MFSB, DLBSPP算法为了确保业务的可靠性而选择故障风险低的路径，可能造成资源消耗不均匀，频谱碎片过多，因此频谱利用率较低。MFR-PP算法通过故障风险来选路，频谱利用率位于几者之间。在相同负载下，NSFNET网络的频谱资源利用率要高于BELLCORE网络，主要是因为BELLCORE网络链路数较多，业务更容易选到跳数少的路径，节约了频谱资源消耗。

5 结束语

本文主要研究了弹性光网络中的多链路故障保护问题，提出MFR-PP与MFRL-PP算法提高多链路故障时的概率保护性能和频谱资源利用率。设计了一个综合考虑链路负载和故障风险的代价函数来计算候选光路，当最小故障风险光路无法传输时，通过故障风险评估，选择基于非对称业务流的最小故障风险损失分流路径组进行路由，并选择频谱重合度最大的空闲频谱块来传输业务，实现了概率路由保护。本文算法不仅有效地降低了业务的带宽阻塞率，提高了频谱利用率，还避免了业务故障风险性能的恶化，更好地实现阻塞率与可靠性的平衡。工业生产与信息化的融合是大势所趋，本文的研究结论对降低网络的故障风险和保护开销，提高光网络中日趋紧张的频谱资源的利用率具有重要指导意义，对推动新的数据业务在未来光网络中应用和高频谱效率路由保护至关重要。

图4不同负载下带宽阻塞率的对比

图5不同负载下业务平均故障风险的对比

图6不同负载下频谱资源利用率的对比

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Multi-link Failure Probability Protection Strategy Based on Minimum Fault Risk Loss in Elastic Optical Networks

LIU Huanlin①YI Pengfei①ZHANG Mingjia①CHEN Yong②

①(,,400065,)②(,,400065,)

Due to the high resource redundancy of full protection for request’s multi-link failure in elastic optical networks, the strategy of Minimum Fault Risk Loss Probability Protection (MFRL-PP) is proposed to protect the request with high spectrum-efficiency. In the MFRL-PP, a link cost function integrated considering the link payload and fault risk is designed to choose the protection lightpath, which has minimum fault risk and consumes a small amount of spectrum resource. When the minimum fault risk lightpath is unavailable for shortage of idle spectrum resource, for further reducing the failure risk of the probability protection lightpath, a minimum fault risk loss probability protection mechanism for the non-symmetrical flow is designed to split the flow into two sub-flows for easily selecting the protection branch lightpath with the minimum fault risk loss. Moreover, in the phase of spectrum allocation for the lightpath, for reducing the number of spectrum fragmentations, a spectrum allocation strategy based on the maximum spectrum coincidence degree is put forward to allocate spectrum resource. The simulation results indicate that the proposed MFRL-PP algorithm can improve the spectrum utilization, and provide a better tradeoff between the bandwidth blocking probability and fault risk degree.

Elastic optical networks; Multi-link failure; Minimum fault risk loss; Non symmetrical traffic flow; Bandwidth blocking probability

TN929.11

A

1009-5896(2017)08-1819-07

10.11999/JEIT161159

2016-10-28；

改回日期：2017-03-17；

2107-04-25

刘焕淋 liuhl2@sina.com

国家自然科学基金(61275077)，重庆市教委基金(KJ1400421)，重庆市科委基础与前沿研究项目(2015jcyjA40024)

The National Natural Science Foundation of China (61275077), The Scientific Research Fund of Chongqing Municipal Commission (KJ1400421), The Basic and Frontier Research Program of Chongqing (2015jcyjA40024)

刘焕淋： 女，1970年生，教授，研究方向为光通信技术与未来网络.

易鹏飞： 男，1991年生，硕士生，研究方向为光网络生存性.

张明佳： 男，1992年生，硕士生，研究方向为光网络生存性.

陈 勇： 男，1963年生，教授，研究方向为光通信技术、传感检测与自动化技术.