CN101383759B - 一种光网络中划分管理区域的保护方法 - Google Patents

Abstract

一种光网络中划分管理区域的保护方法，属于光网络通信技术领域，包括以下步骤：(1)对给定的单域物理拓扑进行初始化，(2)根据单域的不同保护方式建立不同的子虚拓扑，所有单域虚拓扑通过边界节点连接，组成多域虚拓扑；(3)当业务请求到达时，在虚拓扑图上通过路径选择函数找路；若源宿节点在相同域中，则在直接在该域中虚源宿结点对之间寻找虚路由。若源宿节点在不同域中，则在在多域中的虚源宿结点对之间寻找虚路由。本发明的有益效果：不仅能将多域光网络抽象成虚拓扑图来解决跨域路由问题，还考虑了不同域中有区分的专用保护、共享保护及无保护情况。

Description

一种光网络中划分管理区域的保护方法 

技术领域

本发明属于光网络通信技术领域，特别涉及一种光网络中划分管理区域的保护方法。 

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网中的保护机制均大多针对规模较小的单域光网络，在实际中，随着网络规模的不断扩大，光网络采用了分级结构，即可以根据某种准则(如：根据不同网络运营商的管理范围)把网络划分成若干个域，每个域是一个独立的路由和恢复区域。由于网络结构、管理和控制平面的不同，适用于单域光网络的保护机制不能直接应用到多域光网络中。因此，一种多域光网络中的区分保护问题已经得到了广泛关注。 

针对多域光网络中的保护问题，有部分研究考虑了多域聚合信息的共享路径保护算法，提出了一种域内分段的保护算法，有部分研究提出了一种逐跳路由的跨域保护路由算法。但这些算法均假设每个域具有相同的保护需求。而实际上，由于不同的运营商管理不同的域，每个运营商都有不同的服务标准，所提供的保护需求服务也是不同的。因此，有必要研究不同域提供不同保护需求的情况，即考虑有区分的保护服务。 

发明内容

为了解决现有技术的不足之处，本发明提供了一种划分管理区域的保护方法。 

针对多域光网络作如下一些定义： 

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)； 

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。 

物理拓扑：由实际网络中存在的链路构成的网络结构 

虚拓扑：由实际拓扑，按照一定的运算法则抽象而成的网络结构。 

一种光网络中划分管理区域的保护方法，包括以下步骤：

(1)对给定的单域物理拓扑进行初始化，建立单域VTG(虚拓扑)，所述的虚拓扑由物理拓扑映射而成的网络结构，初始化的过程就是将所有给定的物理拓扑映射成虚拓扑。 

(2)根据单域不同的保护方式建立不同的子虚拓扑图，各个子虚拓扑图通过边界节点连接，组成多域虚拓扑图；(不同区域的选择是依据不同的运营商提供的方式不同，比如移动公司、联通公司和铁通公司，各自提供不同的方式，从而形成不同的区域) 

a)如果单域提供的是共享保护或专用保护服务，则为单域中的每个节点对寻找K个路径对，其中每个路径对包含一条工作路径和一条链路分离的保护路径，其中共享保护对应的是共享的工作通路和共享的保护路径，专用保护对应的是专用的工作通路和专用的保护路径；b)如果单域提供的是无保护服务，则为单域中的每个节点对寻找K条工作路径，若K大于或者等于1，则寻找路径成功。无保护服务对应的是无保护的工作路径。若某个结点对之间的路径对或路径寻找成功，则在单域虚拓扑中相应虚节点对之间增加一条虚链路； 

(3)当业务请求到达时，在虚拓扑图上通过路径选择函数找路；若源宿节点在相同域中，则直接在该域VTG中虚源宿结点对之间寻找虚路由；若源宿节点在不同域中，则在多域VTG中的虚源宿结点对之间寻找虚路由；找到虚路由之后，根据负载均衡和资源共享条件，将虚路由上的每条虚链路映射为较优的路径对或路径。 

所述的在虚拓扑图上通过路径选择函数找路，如果域内采用共享保护，则根据以下式子为虚链路选择路径或者路径对，则虚链路l’所对应的第t个路径对或路径的选择函数f(l′，t)如下： 

$\mathrm{hh}(l\′,t)=\underset{\∀j\∈P_1(l\′,t)}{\mathrm{\Σ}}{c}_j^{*}---\left(3\right)$

$\mathrm{sh}(l\′,t)=\underset{\∀j\∈P_2(l\′,t)}{\mathrm{\Σ}}{c}_j^{**}---\left(4\right)$

f(l′，t)＝γ×hh(l′，t)+σ×sh(l′，t)     (7) 

如果域内采用专用保护或无保护时，则根据以下式子为虚链路选择路径或者路径对，则虚链路l’所对应的第t个路径对或路径的选择函数f(l′，t)如下： 

$\mathrm{hh}(l\′,t)=\underset{\∀j\∈P(l\′,t)}{\mathrm{\Σ}}{c}_j^{*}---\left(5\right)$

sh(l′，t)＝0                               (6) 

f(l′，t)＝γ×hh(l′，t)+σ×sh(l′，t)    (7) 

式中：P(l′，t)为虚链路l’所对应的第t个路径对或路径，其中P₁(l′，t)表示虚链路l’所对应的第t个工作路径，P₂(l′，t)表示虚链路l’所对应的第t个保护路径，在无保护中，P₂(l′，t)为空，hh(l′，t)为虚链路l所对应的第t个路径对或路径的负载均衡参数，sh(l′，t)为虚链路l’所对应的第t个路径对或路径的资源共享参数，γ，σ均为一个小于1的正数， 

表示链路代价， 

为另一状态的链路代价 

式(1)中fw_j：链路j剩余的空闲波长总数，c_j：链路j的基本代价，w为每根光纤上的可用波长集；α为一个常数； 

式(2)中，β为小于1的正数， 

rbw_j为链路j上预留的备份波长总数， 

为工作路经过链路e且保护路经过链路j的业务的集合，L为双向链路集。 

本发明的保护方法——DDP的具体算法步骤描述如下： 

步骤1：根据物理网络G(N，L，W，D)，初始化虚拓扑VTG。 

若域D内采用的是共享保护方式，转到步骤2； 

若域D内采用的是专用保护方式，转到步骤2； 

若域D内采用的是无保护方式，转到步骤3。 

步骤2：采用K路由为域D中的每个节点对建立M(0≤M≤K)个路径对，每个路径对包含一条工作路径和一条链路分离的保护路径。若M≥1，则在VTG中相应节点对之间增加一条虚链路；若M＝0，则VTG中相应节点对之间无直连的虚链路。 

令D＝D-1。若D＝0，转到步骤4；否则，转到步骤1。 

步骤3：采用K路由为域D中的每个节点对建立M(0≤M≤K)条工作路径。若M＞1，则在VTG中相应节点对之间增加一条虚链路；若M＝0，则VTG中相应节点对之间无直连的虚链路. 

令D＝D-1。若D＝0，转到步骤4；否则，转到步骤1。 

步骤4：随机生X(X＞0)次业务请求。 

步骤5：若X＝0，算法结束；否则，执行步骤6。 

步骤6：若业务的源宿节点对(s，d)位于同一个区域中，转到步骤7；否则，转到步骤8。 

步骤7：在(s，d)所在单域VTG中，为(s′，d′)计算一条虚路由。 

当虚路由计算成功时，若域内采用共享保护，则根据式(3)、(4)和(7)为虚路由上每条虚链路选择路径对或路径；若域内采用专用保护或无保护，则根据式(5)、(6)和(7)为虚路由上每条虚链路选择路径对或路径。若每条虚链路均成功找到了路径对或路径，则接受该业务请求，更新当前网络状态，令X＝X-1，转到步骤5；否则，阻塞该业务请求，令X＝X-1，转到步骤9。 

当虚路由计算失败，阻塞该业务请求，令X＝X-1，转到步骤9。 

步骤8：在多域VTG中，为(s′，d′)计算一条虚路由。 

当虚路由计算成功时，对其上的每条虚链，若所在域内采用共享保护，则根据式(3)、                      (4)和(7)为虚链路选择路径对或路径；若所在域内采用专用保护或无保护，则根据式(5)、(6)和(7)为虚链路选择路径对或路径。若每条虚链路均成功找到了路径对或路径，则接受该业务请求，更新当前网络状态，令X＝X-1，转到步骤5；否则，阻塞该业务请求，令X＝ X-1，转到步骤9。 

当虚路由计算失败，阻塞该业务请求，令X＝X-1，转到步骤9。 

步骤9：更新VTG，将不可用的路径对或路径从对应的虚链路映射中删除。转到步骤5。 

路径选择 

当在VTG中计算一条虚路由后，由于虚路由上的每条虚链路可能对应了多个可用的物理路径对或路径，因此存在选择较优路径对或路径的问题。本文在路径选择时，考虑了路径的负载均衡和资源共享性能。 

1)负载均衡 

为了实现负载均衡，应该尽量避免业务过于集中在某些链路上而导致这些链路上的可用资源消耗过快，从而使得阻塞率增加。因此，应该尽量使路径不选择这些业务过于集中经过的链路。可采用式(1)来衡量路径上的链路代价，从而实现在选择路径时尽可能考虑负载均衡。 

式(1)中，fw_j：链路j剩余的空闲波长总数，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。W为某一光纤中波长总数；α为一个常数(仿真中取2时效果较佳)。用式(1)设置路径上的链路代价，等效于排除了没有足够资源的链路(通过设置链路代价为+∞实现)。同时，剩余资源较少的链路则相应的链路代价较高。这样，能尽量避免选择经过这些链路的路径，从而可尽量选择负载较为均衡的路径。 

2)资源共享 

为提高资源利用率，在共享保护中选择保护路径时，可根据式(2)设置链路代价。 

式(2)中，β为小于1的正数(仿真中取值为0.1)， 

表示链路j需要预留的保护资源。从式(2)中可看出，有足够预留资源(即rbw_j≥v_j)的链路具 有较低的代价。因此，选择经过这些链路的保护路径，将不需要再为其分配新的预留资源，故资源利用率得到了提高。 

3)路径选择函数 

假设P(l′，t)为虚链路l’所对应的第t个路径对或路径，其中P₁(l′，t)表示工作路径，P₂(l′，t)表示保护路径。在无保护中，P₂(l′，t)为空。hh(l′，t)为虚链路l’所对应的第t个路径对或路径的负载均衡参数，sh(l′，t)为虚链路l’所对应的第t个路径对或路径的资源共享参数。 

在共享保护中，hh(l′，t)和sh(l′，t)分别定义如下： 

$\mathrm{hh}(l^{\′},t)=\underset{\∀j\∈P_1(l^{\′},t)}{\mathrm{\Σ}}{c}_j^{*}---\left(3\right)$

$\mathrm{sh}(l^{\′},t)=\underset{\∀j\∈P_2(l^{\′},t)}{\mathrm{\Σ}}{c}_j^{**}---\left(4\right)$

在专用保护和无保护中，hh(l′，t)和sh(l′，t)分别定义如下： 

$\mathrm{hh}(l^{\′},t)=\underset{\∀j\∈P(l^{\′},t)}{\mathrm{\Σ}}{c}_j^{*}---\left(5\right)$

sh(l′，t)＝0                (6) 

综合考虑负载均衡和资源共享，则虚链路l’所对应的第t个路径对或路径的选择函数定如 

f(l′，t)＝γ×hh(l′，t)+σ×sh(l′，t)        (7) 

其中，γ，σ均为一个小于1的正数(仿真中取值分别为0.2和0.8)。根据式(7)检查虚链路l’所对应的所有路径对或路径，选出f(l′，t)值最小的第t个路径对或路径，即负载均衡和资源共享综合性能最好的路径对或路径。若f(l′，t)值为无穷大，则表示当前选择的路径对或路径不可用。 

本发明的有益效果是：在现有网状WDM网SPP，DPP，以及NP的方法的基础上，提出了一种新的区分域保护(Differentiated Domain Protection，DDP)算法以解决多域光网络中的生存性问题。DDP不仅能将多域光网络抽象成虚拓扑图(Virtual Topology Graph，VTG)来解决跨域路由问题，还考虑了不同域中有区分的专用保护、共享保护及无保护情况。仿真结果表明，与传统算法比较。DDP不仅具有折中的性能，还具有较优的资源利用率。从由图3可知，DDP的阻塞率介于DP和SP之间。这主要是因为DDP考虑了不同域的区分保护需求，即综 合考虑了SP、DP和NP情况，因此其资源利用率具有折中的性能，介于SP和DP之间。由图4可知，DDP的资源利用率低于DP和SP。这主要是因为DDP考虑了不同域的区分需求，并采用不同的保护策略，从而降低了业务的阻塞率。 

附图说明

图1本发明的一个实施例的物理拓扑和虚拓扑的映射过程示意图； 

图2一种使用此方法的网络测试图； 

图3(a)为三种方法在图2中测试的阻塞率性能比较图，(b)为另一情况下三种方法在图2中测试的阻塞率性能比较图； 

图4(a)为三种方法在图2中测试的资源利用率比较图；(b)为另一情况下三种方法在图2中测试的资源利用率比较图； 

图5为本发明的具体工作流程图； 

图6(a)本发明的工作流程图，(b)传统的多域解决示意图； 

图7(a)共享和专用保护方式的虚拓扑形成流程图； 

(b)无保护方式的虚拓扑形成流程图； 

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步描述： 

本方法考虑了三种区域的保护方式：共享保护，专用保护以及无保护。 

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 

给定网络拓扑G(N，L，W，D)，其中N为节点集，L为双向链路集，W为每根光纤上的可用波长集，D为多个域的集合。本文假设每个业务请求的带宽为一个波长粒度，每个节点具有全波长变换的能力。各个域可采用的保护方式有共享保护(SP)、专用保护(DP)及无保护(NP)。在VTG中计算最短路径的算法采用Dijkstra’s算法。文中一些重要的符号如下： 

a：网络中的物理节点。 

a′：虚拓扑图中与a对应的虚节点。 

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。 

链路j的代价，由c_j以及当前网络状态决定。 

pw_j：链路j上已用的工作波长总数。 

fw_j：链路j剩余的空闲波长总数。 

rbw_j：链路j上预留的备份波长总数。 

CR_n：第n个业务连接请求。 

P_n：业务请求CR_n的工作路径。 

B_n：业务请求CR_n.的保护路径。 

工作路经过链路e且保护路经过链路j的业务的集合。 

|Ω|：集合Ω中的元素数目。 

本发明采用K(K＞＝1)路由，对给定的单域物理拓扑进行初始化，建立单域VTG。如果单域提供的是共享保护或专用保护服务，则为单域中的每个节点对寻找K个路径对，其中每个路径对包含一条工作路径和一条链路分离的保护路径。如果单域提供的是无保护服务，则为单域中的每个节点对寻找K条工作路径。若某个结点对之间的路径对或路径寻找成功，则在单域VTG中相应虚节点对之间增加一条虚链路。所有单域VTG通过边界节点连接，组成多域VTG。 

当业务请求到达时，若源宿节点在相同域中，则在直接在该域VTG中虚源宿结点对之间寻找虚路由。若源宿节点在不同域中，则在在多域VTG中的虚源宿结点对之间寻找虚路由。找到虚路由之后，根据负载均衡和资源共享条件，将虚路由上的每条虚链路映射为较优的路径对或路径。 

由于抽象VTG可通过离线方式完成，故这里不考虑计算VTG的时间复杂度。对每个业务请求而言，DDP算法的时间复杂度主要取决于使用Dijkstra’s算法的次数。运行一次Dijkstra’s其算法复杂度约为o(|N|²)。在VTG中，DDP中只需要运行一次Dijkstra’s算法就可完成虚路由的计算。因此，DDP的时间复杂度约为o(|N|²)。 

本发明的一个实施例的物理拓扑和虚拓扑的映射过程示意图如图1所示，域1、域2和域3分别采用有区分的专用保护、无保护和共享保护，斜线节点表示边界节点。当K＝1时，在物理拓扑中，节点a和节点b之间存在路径对，即工作路径a-e-b和保护路径a-f-b；节点b和节点c之间存在工作路径b-g-c；节点c和节点d之间存在路径对，即工作路径c-i-d和保护路径c-j-d。因此，在对应的VTG中，节点a’和节点b’之间、节点b’和节点c’之间、及节点c’和节点d’之间均存在一条虚链路。当业务请求(a，d)到达时，可在VTG中计算一条跨域 虚路由a’-b’-c’-d’，其中，虚链路a’-b’、b’-c’和c’-d’均可映射为相应的路径对或工作路径，从而实现有区分的跨域保护路由。 

DDP不仅具有折中的性能，还具有较优的资源利用率。对此，对于DDP实现的效果，该方法在图2所示的网络中做了测试，测试结果如图3，图4所示。图2的网络有3个域，每个域采用不同的保护策略，即域1采用专用保护(DP)，域2采用无保护(NP)，域3采用共享保护(SP)。假设每条链路为一根双向传输的光纤，每根光纤可支持的波长数为36或24个。假设网络节点有完全波长变化能力。到达业务请求的源宿节点在所有节点对之间随机选择。仿真时取每条链路的基本代价为1。仿真比较了本文所提出的DDP算法、传统SP算法及传统DP算法的阻塞率和资源利用率性能。阻塞率定义为被阻塞的业务数与到达业务总数的比值。资源利用率定义为备份波长总数与工作波长总数的比值。 

从图3我们可以很明显的看到，DDP的阻塞率介于DP和SP之间。这主要是因为DDP考虑了不同域的区分保护需求，即综合考虑了SP、DP和NP情况，因此其资源利用率具有折中的性能，介于SP和DP之间。由图4可知，DDP的资源利用率低于DP和SP。这主要是因为DDP考虑了不同域的区分需求，并采用不同的保护策略，从而降低了业务的阻塞率。图6(a)为本发明的工作流程图， 

(1)对给定的单域物理拓扑进行初始化，将物理拓扑映射成虚拓扑，建立单域虚拓扑； 

(2)根据单域的不同保护方式建立不同的子虚拓扑，单域虚拓扑通过边界节点连接，组成多域虚拓扑； 

如果单域提供的是共享保护或专用保护服务，则为单域中的每个节点对寻找K个路径对，其中每个路径对包含一条工作路径和一条链路分离的保护路径； 

如果单域提供的是无保护服务，则为单域中的每个节点对寻找K条工作路径，若某个结点对之间的路径对或路径寻找成功，则在单域虚拓扑中相应虚节点对之间增加一条虚链路； 

(3)当业务请求到达时，在虚拓扑图上通过路径选择函数找路；若源宿节点在相同域中，则直接在该域虚拓扑中虚源宿结点对之间寻找虚路由，若源宿节点在不同域中，则在多域虚拓扑中的虚源宿结点对之间寻找虚路由，找到虚路由之后，根据负载均衡和资源共享条件，将虚路由上的每条虚链路映射为路径对或路径。 

本发明在现有WDM网络考虑单链路失效的SPP方法以及区分区域保护的基础上，本发明提出了一种新的区分域保护(Differentiated Domain Protection，DDP)算法以解决多域光网络中的生存性问题。DDP不仅能将多域光网络抽象成虚拓扑图(Virtual Topology Graph，VTG)来解决跨域路由问题，还考虑了不同域中有区分的专用保护、共享保护及无保护情况。仿真结果表明，与传统算法比较。DDP不仅具有折中的性能，还具有较优的资源利用率。 

Claims (1)

1.一种光网络中划分管理区域的保护方法，其特征是包括以下步骤：

(1)对给定的单域物理拓扑进行初始化，将物理拓扑映射成虚拓扑，建立单域虚拓扑；

(2)根据单域不同的保护方式建立不同的子虚拓扑图，各个子虚拓扑图通过边界节点连接，组成多域虚拓扑图；

如果单域提供的是共享保护或专用保护服务，则为单域中的每个节点对寻找K个路径对，其中每个路径对包含一条工作路径和一条链路分离的保护路径；

如果单域提供的是无保护服务，则为单域中的每个节点对寻找K条工作路径，若某个结点对之间的路径对或路径寻找成功，则在单域虚拓扑中相应虚节点对之间增加一条虚链路；

(3)当业务请求到达时，在虚拓扑图上通过路径选择函数找路；若源宿节点在相同域中，则直接在该域虚拓扑图中虚源宿结点对之间寻找虚路由，若源宿节点在不同域中，则在多域虚拓扑图中的虚源宿结点对之间寻找虚路由，找到虚路由之后，根据负载均衡和资源共享条件，将虚路由上的每条虚链路映射为路径对或路径；

所述的在虚拓扑图上通过路径选择函数找路，如果域内采用共享保护，则虚链路l’所对应的第t个路径对或路径的选择函数f(l′，t)如下：

$\mathrm{hh}(l^{\′},t)=\underset{\∀j\∈P_1(l^{\′},t)}{\mathrm{\Σ}}{c}_j^{*}---\left(3\right)$

$\mathrm{sh}(l^{\′},t)=\underset{\∀j\∈P_2(l^{\′},t)}{\mathrm{\Σ}}{c}_j^{**}---\left(4\right)$

f(l′，t)＝γ×hh(l′，t)+σ×sh(l′，t)    (7)

如果域内采用专用保护或无保护时，虚链路l’所对应的第t个路径对或路径的选择函数f(l′，t)如下：

$\mathrm{hh}(l^{\′},t)=\underset{\∀j\∈P(l^{\′},t)}{\mathrm{\Σ}}{c}_j^{*}---\left(5\right)$

sh(l′，t)＝0                               (6)

f(l′，t)＝γ×hh(l′，t)+σ×sh(l′，t)    (7)

式中：P(l′，t)为虚链路l’所对应的第t个路径对或路径，其中P₁(l′，t)表示虚链路l’所对应的第t个工作路径，P₂(l′，t)表示虚链路l’所对应的第t个保护路径，在无保护中，P₂(l′，t)为空，hh(l′，t)为虚链路l’所对应的第t个路径对或路径的负载均衡参数，sh(l′t)为虚链路l’所对应的第t个路径对或路径的资源共享参数，γ，σ均为一个小于1的正数，表示链路代价，

为另一状态的链路代价

式(1)中，fw_j：链路j剩余的空闲波长总数，c_j：链路j的基本代价，w为每根光纤上的可用波长集；α为一个常数；

式(2)中，β为小于1的正数，

rbw_j为链路j上预留的备份波长总数，

为工作路经过链路e且保护路经过链路j的业务的集合，L为双向链路集。

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