CN101552934A - 基于pce回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径建立方法，该方法采用路径计算单元PCE计算跨域的可靠性路径，主要体现在通过设定门限值及对某些域增设保护路径以改进PCE的回溯递归算法；及在一组给定的相级联的域中建立满足可靠性限制的虚拟路径树的方法。现有的可靠性约束路径计算一般是先计算一条源端到目的端的最可靠路径，然后再对某些域增设保护路径增大端到端路径可靠性，以满足其可靠性要求。本发明通过改进PCE的回溯递归算法，在建立满足可靠性限制的虚拟路径树的同时，依据可靠门限确定是否建立保护路径，且最终由源端PCE来选取一条满足可靠性限制且代价最小的跨域路径。

Description

基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法

技术领域

本发明涉及通信网络领域，具体涉及光互联网中跨域可靠性路径的计算及其算法。

背景技术

近年，网络用户与规模都大幅增长，路径的构建已不仅仅限于域内的路径计算，高效的跨域、跨AS(自治系统)的路径计算方法愈发迫切；同时，用户对通信网络信道连接的可靠性、连接抖动、传输时延等QoS要求越来越高，在端到端的跨域路径建立时需要综合考虑这些约束条件。

现有的跨域可靠性路径计算方法大多是通过边界节点运用IGP-OSPF协议来计算域内路径，运用BGP协议来计算域间的路径，再对某些域建立保护路径来实现满足某种可靠性要求的跨域路径计算。但由于域间的拓朴不可见，域间的管理策略不同等因素，跨域的路径计算涉及到的问题较多较复杂。

IETF路径计算单元(Path Computation Element，PCE)工作组定义了基于PCE的MPLS/GMPLS网络跨域路径计算模式。在基于PCE的网络体系结构中，将路径计算功能分列出来专用于实现路径计算。基于PCE的路径计算模式有利于解决传统方法不能解决的问题。例如：现有的Internet模式在网络域之间没有流量工程信息交换，无法提供基于流量工程的路径计算能力；而基于PCE的模式由于PCE之间的发现协议和通信协议可以交换流量工程信息，因而能提供基于流量工程的路径计算能力。同时在PCE完成链路计算以后，PCE可以向PCC(Path Computation Client)返回一条或者多条路径；如果路径计算失败，PCE将向PCC返回尽可能多的关于失败原因的反馈信息，其中包含不能满足的约束信息，便于在下一次的路径计算时适当放宽这个约束条件并得到可行的路径计算结果。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法。该构建方法解决如何运用PCE来实现满足可靠性限制且代价最小的跨域路径计算。具体体现在运用路径计算单元PCE所具有的跨域协作能力，在保持域之间的拓朴机密性条件下，计算源端到目的端的一条或多条松驰路径；同时运用部分保护策略来提高某些域的可靠性，并在满足可靠性的限制下，实现路径代价最小。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法。其特征在于，主要通过设定门限值及对某些域增设保护路径来改进基于PCE的回溯递归算法。门限值的设定包括边界节点门限与保护路径门限：保护路径门限主要用来判决和保证所计算的域路径段的可靠性满足要求；边界节点门限是用来判决域的某个入口边界节点到目的端的路径的可靠性是否满足要求。若满足则建立这一路径；否则去除该入口边界节点，不建立其到目标端的路径。由此，建立以目标端为根的虚拟路径树，并在满足可靠性前提下，由源端的路径计算单元选择一条代价最小的跨域路径。

按照本发明所提供的基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法，其特征在于，具体步骤如下：

①对于一组相级联的域D₁，D₂，……D_n，假设域D_i的入口边界节点同时为域D_i-1的出口边界节点，连接域D_i-1和域D_i；源节点和目的节点分别在域D₁和D_n中，用BN_ex ^k(i)代表域D_i的第k个出口边界节点；BN_en ^k(i)代表域D_i的第k个入口边界节点，路径计算客户发送路径计算请求至源域D₁的PCE(1)。PCE(1)通过通信协议把路径计算请求正向逐域传递直到目的端所在域D_n的PCE(n)。根据路径计算请求，由PCE(n)运用Dijkstra算法或线性规划理论计算从目的节点到域D_n的所有入口边界节点BN_en ^k(n)的可靠路径，并形成一棵以目的节点为根，BN_en ^k(n)为叶的虚拟可靠路径树。PCE(n)向PCE(n-1)反向发送一路径计算请求，并把计算所得的虚拟可靠路径树加入这一路径计算请求。如此递归，每个域的PCE都把计算结果虚拟树逐级向上一级PCE传递，直到源域的PCE(1)。最终，由PCE(1)根据虚拟可靠路径树选择一条满足客户可靠性要求的端到端路径。

②假设域D₁，D₂，……D_n中，每个域中的路径可靠性为Ri，则整条路径的可靠性是

用符号r_jk ^x(i)表示BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)的第x条路径的可靠性度量(x＝1，表示该路径为BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)的首选路径；x＝2，3…，则作为BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)的保护路径)。此外，用符号r_j(i)表示BN_en ^j(i)到目的节点路径的可靠性度量；符号R_bn表示边界节点门限；R_p表示保护路径门限；VSPT(i)表示以域D_i的BN_en ^j(i)为树叶的虚拟可靠路径树。在计算虚拟可靠路径树时，若域D_i中BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的可靠性r_jk ^x(i)小于保护路径门限R_p，则建立BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的保护路径，且该保护路径与原路径不相交；若BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)通过建立保护路径其可靠性仍小于R_p，则计算树叶BN_en ^j(i)到根的路径可靠性r_j(i)。如果r_j(i)小于边界节点门限R_bn，则不建立BN_en ^j(i)到目标节点的路径；若r_j(i)满足门限R_bn，则建立BN_en ^j(i)到目的节点的路径。最后，通过回溯递归运算，实现虚拟可靠路径树的建立。

按照本发明所提供的基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法，其特征在于，基于PCE的回溯递归算法通过建立目的节点到域D_i的所有入口边界节点的虚拟最短路径树。以距离为度量条件，对于每个入口边界节点都可以存在其到目的节点的最短路径。由于并非每个入口边界节点都能满足可靠性约束条件，需对入口边界节点进行选取从而减少计算量和流量工程库的信息交换量。该入口边界节点选取原则如下：以R作为边界节点可靠性门限值约束条件，边界节点选取需满足r_j(i)≥R。

按照本发明所提供的基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法，其特征在于，运用如下2种可靠性分配方法来计算保护路径门限值R_p：

①等分配法，假设所有域的可靠性都相等，由不等式 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_i\≥R,$ 可推出可靠范围为 $R_i\≥\sqrt[n]{R},$ 也即：域D_i中BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的可靠性r_jk ^x(i)要大于或等于

否则，需为其建立保护路径。

②关联法：根据已计算域的可靠性动态调整未计算域的可靠性，已计算域D_nD_n-1…D_i+1的可靠性，分别为R_nR_n-1…R_i+1。假设D₁…D_i的可靠性相等，则不等式 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_i\≥R$ 可变为 ${R_i}^{\left(i\right)}\×\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_j\≥R,$ 进而推出 $R_i\≥\sqrt[i]{R/\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_j},$ 即保护路径门限值R_p为 $\sqrt[i]{R/\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_j}.$

本发明的有益效果：本发明借助PCE间的相互通信、相互协作机制，及在保持域间拓朴机密性的条件下，PCE所具备的拓朴可视能力。改进基于PCE的回溯递归算法并用于建立一棵满足可靠性要求的虚拟路径树，由此提供多种端到端可靠性路径选择。同时，通过设定边界节点门限和保护路径门限，降低了各PCE的计算复杂度。本发明提供了一种简便易行的用于光互联网最佳可靠跨域路径计算的计算方法。

附图说明

图1路径计算单元的协作机制；

图2基于PCE的回溯递归算法实现跨域路径计算流程图；

图3简单网络模型及跨域路径计算实例；

图4满足可靠性限制的虚拟路径树的建立流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

1.基于PCE的回溯递归算法简介：

在一组序列已知的域中，如D₁，D₂，……D_n，假设域D_i的入口边界节点同时为域D_i-1的出口边界节点；源节点和目的节点分别在域D₁和D_n中。

BN_ex ^k(i)代表域D_i的第k个出口边界节点；

BN_en ^k(i)代表域D_i的第k个入口边界节点。

基于PCE的回溯递归算法运用PCE间的相互协作机制，如图1所示，路径计算客户发送路径计算请求给源域D₁的PCE(1)，PCE(1)通过通信协议把路径计算请求逐域传递直到目的域D_n的PCE(n)。根据路径计算请求，PCE(n)运用Dijkstra算法或线性规划理论计算从目的节点到域D_n的所有入口边界节点BN_en ^k(n)的最短路径，由此构建一棵以目的节点为根，BN_en ^k(n)为叶的虚拟最短路径树。PCE(n)然后向PCE(n-1)发送一路径计算请求，并把计算所得的虚拟最短路径树加入这一路径计算请求。每个域的PCE都把计算结果虚拟树连同计算路径请求一并向上一级PCE传递，直到源域的PCE(1)。PCE(1)根据虚拟最短路径树选择一条满足客户所需的端到端路径。如图3所示，(a)图简单网络模型中，节点4，5，10为边界节点，节点4和5连接域1和域2，节点10连接域2和域3。(c)图是通过基于PCE的回溯递归算法建立的虚拟最短路径树。通过PCE的相互协作，把两节点间的摘要或抽象信息传递给上一级的PCE，即上一级的PCE只知道两点间的最短距离，无需知晓其内部的详细拓朴结构。

2.改进基于PCE的回溯递归算法实现跨域可靠性路径计算

本发明通过改进基于PCE的回溯递归算法来实现跨域的可靠性路径计算。通过引入边界节点门限与保护路径门限来实现满足可靠性的虚拟路径树的计算。

假设域D₁，D₂，……D_n中，每个域中的路径可靠性为Ri，则整条级联各域的端到端路径的可靠性是

由于0＜Ri≤1，级联后的端到端路径的可靠性不一定满足可靠性要求。例如，若n＝10，Ri＝0.99(0≤i≤9)，则 $\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\Π}}}\mathrm{Ri}=0.904.$ 通过为各域D_i增加相并联的保护路径，以增大其可靠性Ri值，进而增大端到端路径的可靠性。

如以上所分析，对于跨域路径的建立，如果存在某域的单条路径达不到可靠性要求，则需为该域建立其保护路径，使其满足可靠性要求；若仍不能满足可靠性限制，则该请求无法实现而被拒绝或反馈给路径计算客户路径建立失败的原因。如图2(b)所示，为节点4到节点10的路径建立保护路径，使域2中节点4到节点10路径段的可靠性增大，从而满足可靠性要求。

以下是一些符号的定义：

r_jk ^x(i)表示BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)的第x条路径的可靠性；若x＝1，则该路径为BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)的首选路径，若x＝2，3…，则作为BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)的保护路径。

r_j(i)表示BN_en ^j(i)到目的节点路径的可靠性；

R_bn表示边界节点门限；

R_p表示保护路径门限；

VSPT(i)表示以域D_i的BN_en ^j(i)为树叶的虚拟可靠性路径树。

在计算虚拟可靠性路径树时，引进边界节点门限R_bn和保护路径门限R_p。域D_i中BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的可靠性r_jk ^x(i)小于保护路径门限R_p，则建立BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的保护路径(与原路径不相交)。如图3(b)中，域2中的入口边界节点4到出口边界节点10间的路径，原路径为4-6-8-10，若其可靠性小于R_p，为其建立保护路径4-7-9-10。若BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)通过建立保护路径其可靠性仍小于R_p，则计算树叶BN_en ^j(i)到根的路径可靠性r_j(i)。如果r_j(i)小于边界节点门限R_bn，则不予考虑BN_en ^j(i)到目标节点的路径。若r_j(i)满足门限R_bn，则建立BN_en ^j(i)到目的节点的路径。通过回溯递归运算，实现虚拟可靠性路径树的建立，如图4所示，其中m1为入口边界节点BN_en ^j(i)数目，m2为出口边界节点BN_ex ^k(i)数目。

3.R_bn与R_p值的计算：

基于PCE的回溯递归算法建立目的节点到域D_i的所有入口边界节点的虚拟最短路径树，以距离为度量条件，对于每个入口边界节点都可以存在其到目的节点的最短路径。由于并非每个入口边界节点都满足可靠性约束条件，同时也为了减少计算量和流量工程库的信息交换量，采用如下原则选择入口边界节点。

若R为边界节点的可靠性门限值，则域D_i的入口边界节点需满足r_j(i)≥R，即边界节点门限R_bn为R。

运用如下2种可靠性分配方法来计算保护路径门限值R_p：

(1)等分配法，假设所有域的可靠性都相等，由不等式 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_i\≥R,$ 可推出可靠范围为 $R_i\≥\sqrt[n]{R},$ 也即：域D_i中BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的可靠性r_jk ^x(i)要大于或等于

否则，需为其建立保护路径。

(2)关联法：根据已计算域的可靠性动态调整未计算域的可靠性，已计算域D_nD_n-1…D_i+1的可靠性，分别为R_nR_n-1…R_i+1。假设D₁…D_i的可靠性相等，则不等式 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_i\≥R$ 可变为 ${R_i}^{\left(i\right)}\×\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_j\≥R,$ 进而推出 $R_i\≥\sqrt[i]{R/\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_j},$ 即保护路径门限值R_p为 $\sqrt[i]{R/\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{R}_j}.$

4.域D_i中BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的建模计算

假设单个域为图G＝(V，E)，V为网络的节点集，E为网络的链路集。

其中，V＝(V₁，V₂，……V_n)，l_ij表示V_iV_j间的链路，

且用二元组<r_ij，c_ij>来表示这一链路的属性，r_ij表示从节点i到节点j链路的可靠性，c_ij则表示这两点的链路代价。则可通过如下的数学模型来表示BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的计算：

$\min C=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{\mathrm{ij}}\&times;l_{\mathrm{ij}}$                           ①

$\underset{i=1,j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{r}_{\mathrm{ij}}{l}_{\mathrm{ij}}\&GreaterEqual;\sqrt[n]{R}$                           ②

对不等式②两边取以e为底的对数，则可变化为：

$\min C=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{c}_{\mathrm{ij}}\&times;l_{\mathrm{ij}}$                          ③

$\underset{i=1,j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{l}_{\mathrm{ij}}\&times;\ln r_{\mathrm{ij}}\&GreaterEqual;\frac{1}{n}\ln R$                          ④

以最小代价为目标函数，可靠性为约束条件的线性规划问题，可通过0-1规划理论来计算得到，或启发式算法来实现路径的计算。

以上步骤是本发明中实现跨域可靠性路径计算的主要问题。本发明中假设在某一可靠性限制下，计算跨域的最小代价路径，在基于PCE的MPLS/GMPLS网络结构，通过设定边界节点门限和保护路径门限，改进基于PCE的回溯递归算法来建立虚拟可靠性路径树。建立以可靠性为约束条件，最小代价为目标函数的路径计算数学模型，最终实现基于可靠性限制的且代价最小的跨域路径计算。

Claims (4)

1、一种基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法，其特征在于，主要通过设定门限值及对某些域增设保护路径以改进基于PCE的回溯递归算法，门限值的设定包括边界节点门限及保护路径门限，其中保护路径门限主要用来判决和保证所计算的域的路径段的可靠性满足要求，边界节点门限是用来判决域的某个入口边界节点到目的端的路径的可靠性是否满足要求：若满足则建立所述路径；否则去除该入口边界节点，不建立其到目的端的路径；由此建立以目标端为根的虚拟可靠路径树，并在满足可靠性前提下，由源端的路径计算单元选择一条代价最小的跨域路径。

2、根据权利要求1所述的基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法，其特征在于，具体步骤如下：

①给定一组相级联的域D₁，D₂，……D_n，并假设：源节点和目的节点分别在域D₁和D_n中；域D_i的入口边界节点同时为域D_i-1的出口边界节点；BN_ex ^k(i)代表域D_i的第k个出口边界节点；BN_en ^k(i)代表域D_i的第k个入口边界节点；

②首先，路径计算客户发起路径计算请求至源域D₁的PCE(1)，PCE(1)通过路径计算通信协议把请求逐域传递直到目的域D_n的PCE(n)。根据路径计算请求，PCE(n)运用Dijkstra算法等计算从目的客户到域D_n的所有入口边界节点BN_en ^k(n)的可靠路径，这样就形成了一棵以目的节点为根，BN_en ^k(n)为叶的反向虚拟可靠路径树；

③然后，PCE(n)向PCE(n-1)发送一路径计算请求，并把计算所得的虚拟可靠路径树加入这一路径计算请求；每个域的PCE都把计算结果连同请求一并逐级反向传递，直到源域的PCE(1)。PCE(1)依据虚拟可靠路径树，选择一条满足服务质量要求的端到端路径；

④假设域D₁，D₂，……D_n中，每个域中的路径可靠性为Ri，则整条路径的可靠性是

用r_jk ^x(i)表示BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)的第x条路径的可靠性：若x＝1，则该路径为BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)的首选路径；若x＝2，3...，则作为BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)的保护路径；用r_j(i)表示BN_en ^j(i)到目的节点路径的可靠性；R_bn表示边界节点门限；R_p表示保护路径门限；VSPT(i)表示以域D_i的BN_en ^j(i)为树叶的虚拟可靠路径树；

⑤在计算虚拟可靠路径树时：若域D_i中BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的可靠性r_jk ^x(i)小于保护路径门限R_p，则建立BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的保护路径，且该保护路径与原路径不相交；若BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)通过建立保护路径其可靠性仍小于R_p，则计算树叶BN_en ^j(i)到根的路径可靠性r_j(i)；若r_j(i)小于边界节点门限R_bn，则不建立BN_en ^j(i)到目的节点的路径；若r_j(i)满足门限R_bn，则建立BN_en ^j(i)到目的节点的路径，并通过回溯递归运算，实现虚拟可靠路径树的建立。

3、根据权利要求2所述的基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法，其特征在于，基于PCE的回溯递归算法通过建立目的节点到域D_i的所有入口边界节点的虚拟最短路径树，以距离为度量条件，对于每个入口边界节点都存在其到目的节点的最短路径，而以可靠性为约束条件，并非每个入口边界节点都满足条件，需对某些域的路径段增设保护路径及对入口边界节点进行选取，通过设定可靠门限值以减少计算量与流量工程库的信息交换量，路径计算客户以路径可靠性R为约束条件，也即满足 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{R}_i\&GreaterEqual;R,$ 其中，R_i表示域D_i的路径可靠性，则根到BN_en ^j(i)的路径的可靠性r_j(i)必须大于门限R，否则经过BN_en ^j(i)节点的路径都无效。

4、根据权利要求2所述的基于PCE回溯递归的光互联网跨域可靠性路径计算方法，其特征在于，运用如下2种可靠性分配方法来计算保护路径门限值R_p：

①等分配法：假设所有域的可靠性都相等，由不等式 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{R}_i\&GreaterEqual;R,$ 可推出可靠范围为 $R_i\&GreaterEqual;\sqrt[n]{R},$ 也即：域D_i中BN_en ^j(i)到BN_ex ^k(i)路径段的可靠性r_jk ^x(i)要大于或等于域值

否则，需为其建立保护路径；

②关联法：根据已计算域的可靠性动态调整未计算域的可靠性，已计算域D_nD_n-1…D_i+1的可靠性，分别为R_nR_n-1…R_i+1，假设D₁…D_i的可靠性相等，则不等式 $\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{R}_i\&GreaterEqual;R$ 可变为 $R_i^{\left(i\right)}\&times;\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{R}_j\&GreaterEqual;R,$ 进而推出 $R_i\&GreaterEqual;\sqrt[i]{R/\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\&Pi;}}}{R}_j},$ 即保护路径门限值R_p为

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