CN101330344A - 一种波分复用网中单链路故障的子通路保护方法 - Google Patents

Abstract

一种波分复用网中单链路故障的子通路保护方法，属于光网络通信技术领域，包括以下步骤：(1)为网络拓扑中的每个节点对寻找满足保护切换时间约束的路径作为工作通路；接着，为每条工作通路寻找满足保护切换时间约束且链路分离的保护通路；(2)将网络拓扑映射成虚拓扑；(3)在虚拓扑中为到达的业务请求寻找虚通路，接着，在虚通路中的每条虚链路中寻找资源消耗最少的工作通路和保护通路。本发明考虑了保护资源共享、保护切换时间约束的子通路保护机制，以提高资源利用率，减少阻塞率，并有效减少网络消耗时间，即最短路径搜索算法的使用次数。

Description

一种波分复用网中单链路故障的子通路保护方法

技术领域

本发明属于光网络通信技术领域，特别涉及一种波分复用(WDM)网中单链路故障的子通路保护方法。

背景技术

近几年，由于互联网业务的爆炸性增长，引发了对高速传输网络的研究。波分复用(WDM)技术能充分利用光纤中的巨大带宽资源，因而得到广泛利用。由于每根光纤中波长通道的传输速率可高达吉比特量级，光纤链路失效将会导致大量业务中断，因此必须对WDM光网络进行保护设计。传统的针对WDM网中光纤链路失效均考虑以单链路失效为主，但随着WDM光网络规模和复杂性的逐渐增长，对光纤链路失效的切换时间以及网络业务的计算时间的要求也越来越高，在这种条件下，链路失效的可能性越来越高。如在视频电话时，如果数据在网络中消耗地时间过多会造成视频时延即语音、图像不同步，轻则使视频电话不流畅，重则导致电话中断。因此，光网络中保护切换时间及网络消耗时间条件下的保护问题已经得到了广泛关注。

针对保护切换时间及网络消耗时间条件下的生存性问题，仅有部分研究考虑了保护切换时间的折中问题，而未考虑在不同保护切换时间下的阻塞率问题，以及网络消耗时间问题。因此这类研究未能解决实际网络问题。

在介绍WDM光网络中针对基于保护切换时间和时间复杂度的子通路保护方法之前，作如下一些定义：

链路：相邻两个节点之间的一段光纤；

工作通路：发生业务往来的任意两个节点之间的数据传输路径；

保护通路：为某一工作通路备用的数据传输路径；

单链路失效：指同一时间段内，WDM光网络中有且只有一条链路发生失效(比如：断裂)；

保护切换时间：为子通路上链路失效的时刻起到保护通路配置完毕开始承载业务量的时刻止。

链路分离：不同通路(无论是工作通路还是保护通路)之间不共享任一链路。

目前针对单链路故障保护的方法主要有：通路保护、子通路保护及链路保护。由于通路保护更适合当前的网路框架，故大量研究都针对通路保护。所谓通路保护，就是为WDM网络中任意两个节点之间需要进行数据传输时建立一条工作通路和保护通路，且工作通路和保护通路必须在物理光纤链路上分离。如图7所示，为WDM网络中两个节点a和e之间建立一条工作通路a-b-c-d-e和保护通路a-g-e。正常情况下，业务数据在工作通路上传输；当整个WDM网络出现某段光纤链路失效(比如：断裂)而使得某一工作通路不通，业务数据可以切换到该工作通路的保护通路上传输。通路保护又可再细分为专用通路保护(DPP)和共享通路保护(SPP)。DPP和SPP的不同之处在于：DPP不允许任何保护通路之间共享链路中相同的波长资源；SPP则允许不同的保护通路共享链路中相同的波长资源，前提是这些保护通路各自对应的工作通路是链路分离的。如图7所示，为WDM网络中两个节点a和c之间建立一条工作通路a-b-c和保护通路a-f-d-c；为WDM网络中两个节点d和e之间建立一条工作通路d-e和保护通路d-c-h-e。可见，节点a和c之间的保护通路a-f-d-c和节点d和e之间的保护通路d-c-h-e经过了相同链路d-c。采用DPP方法，链路d-c中需要分配两个波长资源；而采用SPP方法，链路d-c中只需要分配一个波长资源，这是因为节点a和c之间的保护通路a-f-d-c对应的工作通路a-b-c与节点d和e之间的保护通路d-c-h-e对应的工作通路d-e是链路分离的，所以节点a和c之间的保护通路a-f-d-c与节点d和e之间的保护通路d-c-h-e可共享链路d-c中相同的波长资源。由于可共享链路中相同的波长资源，SPP的资源利用率和阻塞率性能均优于DPP，故SPP的应用较DPP广泛。但SPP也存在缺陷，即没有考虑保护切换时间的约束，而保护切换时间作为网络性能的重要指标是不可忽略的。保护切换时间越短，表明故障恢复越快。

所谓子通路保护(SSP)，就是将每个业务连接请求对应的工作通路划分为n段，每段经过的链路数为m，称为子通路；然后为每条子通路各自计算一条链路分离的子保护通路，从而满足保护切换时间的要求。如图4所示，为WDM网络中两个节点a和f之间建立一条工作通路a-b-c-d-f，并将工作通路分为2段子通路，分别为a-b-c和c-d-f。然后为子通路a-b-c寻找子保护通路a-e-h-c，为子通路c-d-f寻找子保护通路c-g-i-f。

由于每条工作可能被划分为多条子通路，SSP算法解决保护切换时间约束问题，但缺陷也很明显，因为需要运行多次路径选择算法(如：Dijsktra算法)计算多条子保护通路，因此算法耗时增加，时间复杂度较大。

发明内容

为了解决现有技术的不足之处，本发明提供了一种新的WDM网中单链路故障的子通路保护方法.

本发明采用的技术方案是，包括以下步骤：

(1)为网络拓扑中的每个节点对寻找满足保护切换时间约束的路径作为工作通路；接着，为每条工作通路寻找满足保护切换时间约束且链路分离的保护通路；

(2)将网络拓扑映射成虚拓扑；

(3)在虚拓扑中为到达的业务请求寻找虚通路，接着，在虚通路中的每条虚链路中寻找资源消耗最少的工作通路和保护通路。

所述的工作通路，在保护切换时间约束下，利用k路由为网络拓扑中的所有节点对寻找k条路径作为工作通路；所述的链路分离的保护通路，利用k路由为每个节点对中的每条工作通路寻找k条链路分离的保护通路；所述的保护通路是工作通路备用的数据传输路径，所述的链路分离指：不同通路之间不共享任一链路；所述的保护切换时间指：工作通路上链路失效的时刻起到保护通路配置完毕开始承载业务量的时刻止。

所述的虚拓扑，通过预先为网络拓扑中的节点对寻找满足保护切换时间约束的路径作为工作通路及链路分离的保护通路，将网络拓扑映射成虚拓扑；虚拓扑即是由已找到工作通路及链路分离的保护通路的节点对构成的逻辑拓扑。

所述的虚链路，是在网络拓扑中已找到工作通路及链路分离的保护通路的节点对；所述的虚通路是由若干虚链路组成的路径。

其中：

链路：相邻两个节点之间的一段光纤；

工作通路：发生业务往来的任意两个节点之间的数据传输路径；

保护通路：为某一工作通路备用的数据传输路径；

单链路失效：指同一时间段内，WDM光网络中有且只有一条链路发生失效(比如：断裂)；

保护切换时间：为子通路上链路失效的时刻起到保护通路配置完毕开始承载业务量的时刻止。

链路分离：不同通路(无论是工作通路还是保护通路)之间不共享任一链路。

将网络拓扑抽象成虚拓扑，指将将网络拓扑映射成虚拓扑。假设节点对(a，d)之间存在满足保护切换时间约束的工作通路a-c-b和保护通路a-f-d，节点对(d，b)之间存在满足保护切换时间约束的工作通路d-e-b和保护通路d-g-b，则可在虚拓扑G′中节点对(a′，d′)和(d′，b′)之间分别增加一条直连边。

虚拓扑的建立过程如图1所述，它是利用k路由为网络拓扑中的所有节点对(x，y)寻找k条路径作为工作通路；再利用k路由为每个节点对的每条工作通路寻找k条链路分离的保护通路。然后，将网络拓扑中的所有节点映射到另一个拓扑中，构成虚拓扑。

在虚拓扑中为到达的业务请求寻找工作通路和保护通路：当业务请求R(a，b)到达，本方法只需在G′上寻找一条虚通路a′-d′-b′，其中a′-d′段和d′-b′段均是满足保护切换时间要求的路径对。

本发明的有益效果是：在现有网状WDM网SSP方法的基础上，提出了一种新的WDM网中单链路故障的子通路保护方法，称为虚拓扑保护(Virtual Topology Protection，VTP)方法，以解决WDM光网络中在单链路失效时满足保护切换时间及网络消耗时间要求的问题。VTP考虑了保护资源共享、保护切换时间约束的子通路保护机制，以提高资源利用率，减少阻塞率，并有效减少网络消耗时间，即最短路径搜索算法的使用次数。从表1中看出，传统的SPP与提出的VTP比较中，在保护切换时间约束下，传统的SPP为业务链接建立的路径因为不满足保护切换时间而被阻塞，而新提出的VTP由于预先通过离线方式为每个节点对计算满足保护切换时间要求的路径，并映射到虚拓扑上，因而阻塞较小。

表1传统的SPP方法与提出的VTP方法比较结果

从表2中看出，SSP与提出的VTP比较中，对于一个给定的网络拓扑，预先寻路可以通过离线计算一次完成进行。因此，VTP算法在虚拓扑中为每个业务请求计算满足约束时间的路对只需要运行一次Dijkstra’s算法，与传统的SSP算法相比，减少Dijkstra’s算法的使用次数，从而降低了计算消耗的时间。

表2SSP方法与提出的VTP方法比较结果

本发明的一个实施例如图3所示，对业务请求R(a，b)，SPP算法找到工作通路a-c-d-e-b，保护通路a-f-d-g-b，但由于工作通路和保护通路太长，不满足保护切换时间要求，因此业务被阻塞。而VTP算法在虚拓扑G′上可找到一条虚通路a′-d′-b′，其中a′-d′段对应工作通路a-c-b和保护通路a-f-d，d′-b′段对应工作通路d-e-b和保护通路d-g-b，显然a′-d′和d′-b′段均是满足保护切换时间要求的路径对，因此业务能建立连接。因此，在保护切换时间约束的条件下，VTP算法的阻塞率低于SPP算法。

此外，对于一个给定的网络拓扑，预先寻路可以通过离线计算一次完成进行。因此，VTP算法在虚拓扑中为每个业务请求计算满足约束时间的路对只需要运行一次Dijkstra’s算法，与传统的SSP算法相比，减少Diikstra’s算法的使用次数，从而降低了计算消耗的时间。如图3，对业务请求R(a，b)，SSP首先运行一次Dijkstra’s算法找到工作通路a-c-d-e-b，再运行一次Dijkstra’s算法找到保护通路a-f-d-g-b。但由于工作通路和保护通路太长，不满足保护切换时间要求，因此SSP从节点d处把工作通路分成两端a-c-d和d-e-b，并为每段分别运行一次Dijstra’s算法找到保护子保护通路a-f-d和d-g-b。因此，为了找到满足保护切换时间要求的路径对，SSP需要运行4次Dijkstra’s算法。而在VTP中，由于路径对已经预先离线找到并映射到了虚拓扑中，因此VTP只需在虚拓扑中运行1次Dijkstra’s算法就可找到虚通路a′-d′-b′。可见，VTP算法的时间复杂度低于SSP算法，网络消耗时间也将明显减少。。

综上所述，我们能够清楚地看到VTP比传统的SPP具有更小的阻塞率，比SSP具有更低的时间复杂度，更少的网络消耗时间。

附图说明

图1虚拓扑说明图；

图2VTP方法的业务流程图；

图3SPP和VTP的保护示意图；

图4子通路保护示意图；

图5美国国家网络US测试拓扑图；

图6保护切换时间约束下SPP与VTP的性能图；

图7SPP和DPP说明图；

图8SSP与VTP的时间复杂度性能图。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步描述：

为了方便地描述本发明的内容，首先对下列符号和术语进行定义

j：一根双向光纤链路；

W：每根光纤上的波长资源数W＝w_j+f_j+r_j；

CR_n：编号为n的业务请求；

|Ω|：取值为集合Ω中的元素个数；

cost_j：在计算工作通路时链路j的代价值；

cost_j′：在计算保护通路时链路j的代价值；

C_j：链路j的基本代价，由多因素决定，如：链路的物理长度、建设费用等。

C_j ^*：链路的当前代价，由C_j以及当前网络状态决定。

w_j：链路j上已用的工作波长总数。

f_j：链路j剩余的空闲波长总数。

r_j：链路j上预留的备份波长总数。

CR_n：第n个连接请求。

CR_T：已经成功建立连接的请求

P_n：链接请求CR_n的工作通路。

P_T：链接请求CR_T的工作通路。

B_n：链接请求CR_n的保护通路。

B_T：链接连接CR_T的保护通路。

Dijkstra算法：寻找网络中任意两点间的最短路径的算法

k路由：一种为网络中任意两点寻找n条不同的最短路径的算法

v_e ^j：工作路径经过链路e且保护路径经过链路j的业务请求的集合

W_P_j ^e：工作通路经过链路e而保护通路经过链路j的业务请求的数量

工作波长资源：被工作通路占用的波长资源；

预留波长资源：不同保护通路之间共享的波长资源；

K_p ^x，y：节点对(x，y)之间的工作通路集合。

K_p ^x，y[i]：K_p ^x，y中第i条工作通路， $1\≤i\≤\left|K_p^{x,y}\right|.$

K_p ^x，y：节点对(x，y)之间与K_p ^x，y[i]链路分离的保护通路集合。

K_b，i ^x，y[j]：K_b，i ^x，y中第j条保护通路， $1\≤j\≤\left|K_{b,i}^{x,y}\right|.$

G′：G抽象成的虚拓扑。

R(a，b)：源点为a宿点为b的业务请求。

(a′，b′)：节点对(a，b)在虚拓扑中对应的虚节点对。

如图1，图中解释了虚拓扑的具体建立过程。

1)为网络拓扑中的每个节点对寻找满足保护切换时间约束的路径作为工作通路；接着，为每条工作通路寻找满足保护切换时间约束且链路分离的保护通路；

2)将网络拓扑映射成虚拓扑；

3)在虚拓扑中为到达的业务请求寻找虚通路，接着，在虚通路中的每条虚链路中寻找资源消耗最少的工作通路和保护通路。

如图2所述，本发明的业务流程图，该方法的实现步骤为：

步骤1：初始化网络各节点和链路。

步骤2：根据式

${\cos t}_j=\left\{\begin{array}{c}\&infin;,\mathrm{IF}{f}_j+r_j<v_j\\ 1,\mathrm{IF}{f}_j+r_j>v_j\mathrm{AND}{r}_j<v_j\\ 0.1,\mathrm{IF}{r}_j\&GreaterEqual;v_j\end{array}\right.---\left(1\right)$

调整链路代价，其中，f_j表示链路j剩余的空闲波长总数。r_j表示链路j上预留的备份波长总数。|v_j|表示链路j所需要预留的波长的数量， $\left|{\mathrm{\&nu;}}_j\right|=\max \left\{\right|{\mathrm{\&nu;}}_j^e\left|\right|\&ForAll;e\&Element;p_n\},$ 它表示链路j需要的预留资源；其中 ${\mathrm{\&nu;}}_j^e=\left\{{\mathrm{CR}}_i\right|(e\&Element;p_i)\&cap;(j\&Element;b_i),\&ForAll;i\&le;n\}.$ 根据该式计算网络中源节点到宿节点之间所有可能的路径的链路代价，找出其中代价最小且波长资源共享度最高的路径作为该业务请求的工作通路的保护通路。该式能起到提高波长资源利用率的作用，因为不需要分配新的预留波长资源的链路(即满足r_j≥v_j的链路)，其链路代价较小。采用最小代价算法选路时，保护通路通过这些链路的机会越大，这样，新占用的资源就较少，从而提高资源利用率。

然后，在保护切换时间约束下，利用k路由为网络拓扑中的所有节点对(x，y)寻找k条路径作为工作通路，构成集合K_p ^x，y；再利用k路由为K_p ^x，y中的每条工作通路 $K_p^{x,y}\left[i\right](1\&le;i\&le;|K_p^{x,y}\left[i\right]\left|\right)$ 寻找k条链路分离的保护通路，构成集合K_b，i ^x，y。然后，将拓扑图G抽象成虚拓扑图G′。

步骤3：等待业务R(a，b)到达。若到达，执行步骤4；否则，更新网络状态，继续等待。

步骤4：在G′中利用Dijkstra’s算法为业务R(a，b)寻找一条虚通路a′-x′-y′-b′(x′和y′为某虚节点)。若找到可用路径，执行步骤5；否则，更新网络状态，返回步骤3。

步骤5：为a′-x′-y′-b′上的虚链路(a′，x′)、(x′，y′)和(y′，b′)所对应的K_p ^a′，x′、K_p ^x′，y′和K_p ^y′，b′寻找资源消耗最少的工作通路 $k_p^{a^{\&prime;},x^{\&prime;}}\left[i\right](1\&le;i\&le;|K_p^{a^{\&prime;},x^{\&prime;}}\left|\right),$ $K_p^{x^{\&prime;},y^{\&prime;}}\left[j\right](1\&le;j\&le;|K_p^{x^{\&prime;},y^{\&prime;}}\left|\right)$ 和 $K_p^{y^{\&prime;},b^{\&prime;}}\left[s\right](1\&le;s\&le;|K_p^{y^{\&prime;},b^{\&prime;}}\left|\right).$ 然后，分别为K_p ^a′，x′[i]、K_p ^x′，y′[j]和k_p ^y′，b′[s]所对应的K_b，i ^a′，x′、K_b，j ^x′，y′和K_b，s ^y′，b′中寻找在共享保护条件下资源消耗最少的保护通路 $K_{b,i}^{a^{\&prime;},x^{\&prime;}}\left[m\right](1\&le;m\&le;|K_{b,i}^{a^{\&prime;},x^{\&prime;}}\left|\right),$ $K_{b,j}^{x^{\&prime;},y^{\&prime;}}\left[n\right](1\&le;n\&le;|K_{b,j}^{x^{\&prime;},y^{\&prime;}}\left|\right)$ 和 $K_{b,s}^{y^{\&prime;},b^{\&prime;}}\left[u\right](1\&le;u\&le;|K_{b,s}^{y^{\&prime;},b^{\&prime;}}\left|\right).$ 执行步骤6。

步骤6：接受该业务请求，记录下此时的工作通路、保护通路和资源占用情况，同时更新网络状态，返回到步骤3。

经过以上步骤的处理，就可以实现在WDM网中基于保护切换时间和时间复杂度的子通路保护方法。

对此，对于VTP实现的效果，该方法在美国国家网络US网络拓扑(如附图5)中做了测试，测试结果如图6所示，我们可以很明显的看到，SPP(Y)和VTP(Y)中的Y表示保护切换时间约束值，单位微妙(μs)。从图6可以看出：在保护切换时间约束为4500μs时，SPP的阻塞率BR值比VTP的阻塞率BR值大得多，表明前者的阻塞率比后者高得多。这是因为约束时间较小4500μs，导致SPP中被阻塞的业务增加，而VTP作为一种特殊的子通路保护，通过预先寻路以及在虚拓扑中寻找虚通路可以较好地解决这个问题。当保护切换时间约束为7000μs时，VTP的阻塞率BR值几乎零，而SPP的阻塞率BR值仍然较大，这表明只要当保护切换时间为某一合适值时，VTP算法能很好地解决SPP中由于不满足保护切换时间约束而导致的阻塞问题，这是VTP算法的优越之处。

另外，如图8所示，我们可以很明显的看到，与SSP比较，VTP明显减少了Dijkstra’s算法的使用次数，即节省了30％-50％的Dijkstra’s算法使用次数，从而降低了计算消耗的时间。也就是说，VTP具有较低的时间复杂度。

本发明的创新点：1)通过预先找路，能找到满足保护切换时间要求的多个路径对，能较好地解决传统SPP算法不满足保护切换时间约束而造成业务阻塞的问题。2)此外，对于一个给定的网络拓扑，预先寻路可以通过离线计算一次完成进行。因此，VTP算法在虚拓扑中为每个业务请求计算满足约束时间的路对只需要运行一次Dijkstra’s算法，与传统的SSP算法相比，减少Dijkstra’s算法的使用次数，从而降低了计算消耗的时间。

Claims (4)

1、一种波分复用网中单链路故障的子通路保护方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)为网络拓扑中的每个节点对寻找满足保护切换时间约束的路径作为工作通路；接着，为每条工作通路寻找满足保护切换时间约束且链路分离的保护通路；

(2)将网络拓扑映射成虚拓扑；

(3)在虚拓扑中为到达的业务请求寻找虚通路，接着，在虚通路中的每条虚链路中寻找资源消耗最少的工作通路和保护通路。

2、按照权利要求1所述的一种波分复用网中单链路故障的子通路保护方法，其特征在于步骤(1)中所述的工作通路，在保护切换时间约束下，利用k路由为网络拓扑中的所有节点对寻找k条路径作为工作通路；所述的链路分离的保护通路，利用k路由为每个节点对中的每条工作通路寻找k条链路分离的保护通路；所述的保护通路是工作通路备用的数据传输路径，所述的链路分离指：不同通路之间不共享任一链路；所述的保护切换时间指：工作通路上链路失效的时刻起到保护通路配置完毕开始承载业务量的时刻止。

3、按照权利要求1所述的一种波分复用网中单链路故障的子通路保护方法，其特征在于步骤(2)中所述的虚拓扑，通过预先为网络拓扑中的节点对寻找满足保护切换时间约束的路径作为工作通路及链路分离的保护通路，将网络拓扑映射成虚拓扑；虚拓扑即是由已找到工作通路及链路分离的保护通路的节点对构成的逻辑拓扑。

4、按照权利要求1所述的一种波分复用网中单链路故障的子通路保护方法，其特征在于步骤(3)中所述的虚链路，是在网络拓扑中已找到工作通路及链路分离的保护通路的节点对；所述的虚通路是由若干虚链路组成的路径。

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