CN103490810B - 一种波长转换范围受限的光组播动态p圈2跳段保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在波长转换范围受限的基于2跳段的光组播动态P圈段保护方法，属于网络保护技术领域。该方法首先通过回溯式的深度优先搜索算法为网络寻找所有环路；然后对组播树进行路径分段并寻找链路分离的路径段，通过对路径段的保护就可以保证组播中的所有节点和链路的生存性问题；最后通过环路的波长资源利用率得到效率最高的P圈，并在波长转换范围受限的条件下对组播请求建立组播树和寻找P圈保护。本发明采用的在波长转换范围受限的基于2跳段的光组播动态P圈段保护方法，可以有效的解决在光网络中动态组播业务的生存性问题，减少组播业务和P圈所使用的网络中的波长资源。

Description

一种波长转换范围受限的光组播动态P圈2跳段保护方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种用于解决光组播网络中波长转换范围受限的动态组播业务的节点链路故障的2跳段P圈保护方法。

技术背景

随着光网络技术的发展，光网络中单点发送、多点接收的光组播应用越来越多，光网络带宽的消耗和拥塞发生快速增加，随着光纤传输容量的逐渐增大，一旦某一节点或者链路发生故障可能会导致多个目的节点不能接收数据，会有大量业务丢失，提高光网络组播的生存性成为光网络面临的重要问题。目前对于光网络生存性的保证主要有2种措施，网络保护和网络恢复。保护是指事先为业务预留保护资源，当故障发生时，业务可以通过备用资源承载。恢复是指并不事先为业务预留保护资源，当故障发生后，再动态地寻找网络中可用资源来承载那些受故障影响的业务。相比而言，网络保护方法具有较短的业务恢复时间，但需耗费较多的冗余资源；而网络恢复方法具有较好的资源利用率，但故障恢复时间长，且不能提供完全可靠保护。

近几年的研究表明：P圈保护是在网络中预配置的保护环，在网络保护中使用了较少的波长资源，有着传统环保护的优点，同时还能对跨接链路进行保护，提高了保护范围。对与传输容量日益增大的组播网络是一种有效的生存保证手段。在光网络中，波长是很稀缺的资源，使用越多资源开销就越大，P圈通常是以最小化波长使用量为目标在网络中通过预先计算和预先配置的环状连接实现节点和链路同时保护。传统分段保护方法多是通过预先为业务分配备用保护资源来防止所有可能出现的故障，这种保护方式优点是恢复速度快、生存性好，对静态业务的保护可以取得较好的效果，缺点是无法适应网络中业务的动态变化。在现有的对光网络组播生存性的研究中，由于网络故障的不确定性，所以一般假设网络中每个节点都具有全波长转换能力，这就需要使用到全波长转换器。目前光域的全波长转换器技术复杂且价格昂贵，因此，真正投入到市场的产品很少，实现方法还处于实验室水平和理论研究阶段，现实中的网络多数配置有限范围转换的波长转换器。本发明提出了一种基于波长转换范围受限的2跳段的P圈保护方法实现的光网络动态组播业务节点故障和链路故障的保护。

发明内容

针对现有的保护对象只针对节点故障或链路故障，且保护方式多针对静态业务的现状。本发明设计了一种基于波长转换范围受限的2跳段的P圈段保护方法，该方法包括：用一种回溯式的深度优先搜索寻找无向网络的所有环路，用启发式算法对组播路由树进行分段并基于有效P圈的组播2跳段保护。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：提出一种波长转换范围受限的2跳

段光组播动态P圈段保护方法，包括：对到达光网络输入节点的光组播请求，

根据光网络中可用波长带宽资源及拓扑关系，为网络寻找所有环路；对组播

树进行路径分段并寻找链路分离的路径段；通过环路的波长资源利用率得到

效率最高的P圈，对组播请求建立组播树和寻找P圈保护。

一种回溯式的深度优先搜索算法寻找有向网络的所有环路包括：将光网络抽象为包括光网络中的节点集合V和节点对之间的光纤链路集合E的无向图G(V,E)，网络中的节点用数字1,2,3，...，m标号表示。设置变量u=1，对应u表示图G中节点1，建立节点序号表示的网络环路队列{u}，采用深度优先搜索算法，查找节点u的下游邻居节点w，若图G中存在节点w，w∈[1,m]且w≠u，就将节点w加入环路队列得到{u，w}，再遍历节点环路队列节w的所有出流链路，如果某条链路指向的下一节点v不在环路队列且v≠u，就扩展环路队列得到{u，w，v}，进入下一层深度优先搜索；如果节点v=u，则当前环路队列表示从节点u到v是一个环路，输出该环路，然后在上面的环路队列中回溯删除节点w，返回上层寻找与上游节点u邻接的其它节点再深度优先搜索。找到所有包含点u的环，清空环路队列，令节点序号u加1，重复上述回溯深度优先搜索过程，找到包括新节点u的所有环路，再清空队列。依此类推，直到将u=m，找到所有节点的所有环路为止。

进一步在光网络组播路由树进行分段保护的2跳段P圈保护。根据网络拓扑及源到所有目的节点组播请求建立一棵链路代价最小的组播树，定义一个路径段集合簇C_i，存储所有2跳段和1跳段；在组播树的所有路径段集合中寻找与集合簇C_i中的路径段链路分离的路径段X，将该路径段X存储在集合C_i中，并在路径段集合中删除该路径段X，直到路径段集合为空，得到链路分离段集合簇{C_i}。

因为一个链路或者节点故障意味着包含该链路或者节点的所有路径段的故障，所以2个路径段能使用同一个P圈进行保护的条件是它们彼此是链路分离的。一个2跳段包含2条输出链路和它们的中间节点，对每个2跳段进行保护就可以达到整个组播业务的节点和链路故障保护。该保护方法的过程为：

步骤1：在光组播业务传输中，根据网络拓扑及源到所有目的节点组播请求建立一棵链路代价最小的组播树。在这棵组播树中，每条源节点到目的节点的路径中，除源和目的节点外，路径上其它中间节点及其关联的2条链路就称为一个2跳段，找出组播树图中每条源到目的节点路径上所有这样的2跳段，并存在一个集合中；并将与源节点和目的关联的链路存储在另一个1跳链路集合中。比较上述集合中的2跳段，合并集合中相同的2跳段。定义一个路径段集合，存储所有2跳段和1跳段。

步骤2：设置一个变量i，初始化置i=1，定义一个集合簇C_i用于步骤1中得到路径段集合中链路相互分离的段，初始化集合簇C_i，在得到的路径段集合中，随机选择一条路径段X，若该路径段与C_i集合中的路径段链路分离，则将该路径段X存储在集合C_i中，并在路径段集合中删除该路径段；继续在路径段集合中随机选择另一条路径段，按上述方法与集合C_i比较是否链路分离，若是，在C_i集合中存储该路径段并在路径段集合中删除该路径段；

否则，在路径段集合中标记该路径段，对路径段集合中未标记路径段，继续比较是否与集合C_i中路径段链路分离，直到路径段集合中所有路径段被标记或为空集，如果路径段集合为空集，算法结束；如果路径段集合非空，则变量i加1，并取消路径段中已经标记路径段的标记符号，重复上述步骤，将路径段中链路分离的路径存储在新集合C_i中；依此类推，直到路径段集合为空。

对到来的组播业务进行波长路由分配，判断网络中已经存在的P圈在波长信道可以倒换的范围内保护该组播树的部分，将此部分所有环路集合作为P圈备选集合，计算每个备选P圈环路对链路分离段集合簇{C_i}中任意集合C_i的波长资源利用率；选择波长资源利用率最大对应的P圈保护该链路分离段集合；对集合簇{C_i}中所有链路分离段集合继续计算波长资源利用率，直到所有链路分离段集合找到对应的P圈。

判断网络中已经存在的P圈在波长信道可以倒换的范围内保护该组播树的部分(第一个到来的业务不用判断)，将第1部分得到的所有环路集合作为P圈备选集合，计算每个备选P圈环路对第2部分得到的未被保护的组播树分成的链路分离段集合簇{C_i}中任意个集合C_i的波长资源利用率。其中，波长资源利用率指集合C_i中所有路径段跳数总和与P圈环路跳数的比值。选择波长资源利用率最大对应的P圈保护该链路分离段集合，然后对未被P圈保护的链路分离段集合C_i继续计算P圈的波长资源利用率，直到所有链路分离段集合找到对应的P圈。由于出现故障时需要将业务倒换到P圈上重新传输，所以要把P圈在波长转换范围受限的条件下进行波长路由分配，即在业务波长信道可以倒换的范围内对P圈波长路由分配。

本发明基于波长转换范围受限的2跳段的P圈保护方法实现的光网络动态组播业务节点故障和链路故障的保护。该方法首先通过回溯式的深度优先搜索算法为网络寻找所有环路；然后对组播树进行路径分段并寻找链路分离的路径段，通过对路径段的保护就可以保证组播中的所有节点和链路的生存性问题；最后通过环路的波长资源利用率得到效率最高的P圈，并在波长转换范围受限的条件下对组播请求建立组播树和寻找P圈保护。本发明可以有效的解决在光网络中动态组播业务的生存性问题，减少组播业务和P圈所使用的网络中的波长资源。能够解决网络故障的不确定性带来光域的全波长转换器技术复杂且价格昂贵的问题，实现技术简单，大幅度降低成本。

附图说明

图1环路计算算法流图；

图2组播树链路分离段流程图；

图3组播树分段示意图；

图4 P圈及2跳段P圈保护示意图；

图5分层图模型示意图；

图6分层图模型中基于P圈有效性的动态组播段保护算法流程图。

具体实施方式

本发明设计的用于解决光网络组播中节点链路故障的2跳段P圈保护方法，包括3个过程：用改进的回溯式深度优先搜索算法寻找有向图所有环路，组播业务进行分段和在波长分层图模型中基于P圈波长资源利用率的动态组播段保护。对到达光网络输入节点的光组播请求，首先根据光网络中可用波长带宽资源及拓扑关系，使用回溯式深度优先算法对该网络拓扑求所有环路；在网络拓扑中，根据源和目的节点关系寻找一棵路径代价最小的组播树，然后在组播树图中，从源节点到每个目的节点的路径进行分段，找出链路分离的各路径段；最后，对各路径段通过在网络的波长分层图结构中选择最大波长资源利用率的P圈保护动态组播请求。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

传统深度优先搜索算法虽然能找出从源节点到全部目的节点的所有组播路径，但是不能找到所有网络的环路。而本发明所提出的改进回溯式深度优先搜索算法在找到路径后使用节点回溯方法寻找环路，保证能找到网络中存在的所有环路。首先，网络拓扑抽象成的有向图G(V，E)，V为节点集合，E为链路集合，对图G的节点随机编号，用数字1，2，3...N，则图G节点数为N；然后，按节点编号顺序，先对节点1进行回溯式深度优先搜索，搜索到和节点1相同时说明找到一条环路，算法输出该环路；同时，算法返回环路的上一节点继续搜索包括节点1的其它所有环路，此时包含节点1的环路全部被找到；在图G中删除节点1及与节点1关联的所有边，在残余图G中对下一节点2继续上述搜索过程，找到所有包括节点2的环路，并在残余图G中删除节点2及与节点2关联的所有边，依此类推，找到所有节点的所有环路为止。回溯式深度优先搜索环路的算法步骤如下：

Step1：读入网络拓扑G（V，E），对网络G的节点进行数字编号，N为网络节点数，则节点编号分别是1，2...N，设变量i=1，i为节点编号计数器；

Step2：按照节点编号顺序访问网络G的节点，设环路起始节点为V₀，且V₀=i；

Step3：在遍历网络G的节点V₀的邻接节点，存入集合W中；

Step4：判断邻接节点集合W是否空集，如果W为空集，则算法跳转Step8；

Step5：在节点集合W中任意选取一节点k，k∈W，则（V₀，k）∈E，判断节点k是否为图G中某环的起点？若不是，算法跳转Step7；

Step6：判断节点k是否等于i，即判断是否能成环？若是，则输出这个环路；否则，算法跳转Step8；

Step7：搜索节点k的下一个邻接节点v，令V₀=v，算法返回Step3；

Step8：算法返回k节点所在路径的上一节点，用符号u表示；

Step9：判断u是否等于节点i？若不是，算法跳转Step12；

Step10：在图G中删除节点i和与节点i关联的所有链路，并令i=i+1；

Step11：判断i是否等于N，即判断是否所有节点全部遍历，若是，算法结束；

Step12：令V₀=u，算法返回Step3。

根据组播业务请求，在网络G在建立一棵最小链路代价的组播树，通过对组播树进行路径分段，解决了组播业务中的节点保护和链路保护问题。算法首先找出组播树的所有路径段，并将链路分离路径段存入集合C_i中，i为链路分离段集合的序号；在路径段集合中找出所有的2跳路径段，如果2个路径段之间有公共链路，则该2个2跳段称为2跳交迭路径段，如果以2跳路径段为单位进行保护就可以实现该2跳段的中间节点和2条链路的生存性，在2跳路径段中找出所有的2跳交迭路径段。附图2为用启发式算法寻找组播树的链路分离段的方法。

Step1：设C_i为链路分离段集合，C_i=φ，组播树的所有路径用集合X表示；

Step2：任选一条路径段c存入C_i，并从X中删除c；

Step3：任选集合X的工作段x，并标记x，如果x与C_i中所有路径段都链路分离，把路径段x加入C_i，并从X中删除路径段x；

Step4：检查集合X中是否有未标记的工作段，若有，则跳转Step3；

Step5：令i=i+1；判断X是否为空集？若是，算法结束；

Step6：将集合X中已标记的路径段取消标记，算法跳转Step3。

附图3为组播请求对应的最小组播树路径分段示意图。在图3中，实线图表示组播树，虚线所示为路径段的示意图，S为组播树图的源节点，d为目的节点集合，其他数字为组播树的中间节点，对每条从源节点S到d的路径按2跳进行路径分段，不足2跳段的路径的就称为单链路。在光组播网络中用路径分段的方法并以段为单位组播请求进行保护，只要确保这些路径段被保护，那么就可以保证除源节点和目的节点以外的组播请求路径上所有节点和链路都被保护。

附图4为P圈及2跳段P圈保护示意图，图4（a）为P圈保护示意图，黑色粗实线表示在网络中选择的一个P圈；图4（b）为跨接段保护示意图，虚线为故障路径段，带双箭头黑色粗实线为保护路径，从该图可以看出，P圈可以为跨接链路提供2条保护路径；图4（c）为圈上路径段保护示意图，虚线为故障段，双带箭头黑色粗实线为保护路径，从该图可以看出，P圈可以为圈上段提供1条保护路径。

附图5为对网络构造的波长分层网络图。在波长分层网络图模型中，基于P圈波长资源利用率的动态组播段保护算法需要先对网络进行波长分层，假设网络的物理拓扑用G(V，E，W)表示，其中V=(V₁，V₂，...V_N)表示节点集，网络中的节点数为N，E=(e₁，e₂，...e_L)表示链路集合，链路数为L，λ={λ₁，λ₂...λ_w}表示每条光纤可用的波长集合，可用的波长信道总数为W。因此，将物理拓扑G(V，E，W)复制W次，形成W个波长分层图，则波长分层图的可用波长分别为λ₁，λ₂，...，λ_w，网络G的所有节点也被复制W次，节点V_i在波长分层图中分别用V_i ¹，V_i ²...V_i ^w表示，网络G中的所有链路也被复制W次，链路e_i在波长分层图中分别用e_i ¹，e_i ²，...，e_i ^W，表示。图5（a）一个网络拓扑示意图，节点为V₁、V₂、V₃、V₄、V₅，假设每光纤链路的波长信道数为W，则此网络的波长分层网络图5（b）所示。

附图6为分层图模型中基于P圈有效性的动态组播段保护算法流程图。利用波长分层图模型进行路由和波长分配计算时，只需依次在W个波长分层图上查找源、目的节点之间的可用路径，在波长转换器的可转换距离内查找组播业务路由和可以容纳P圈的波长信道。每一个波长分层图可看作是一个简单的单波长信道网络拓扑，当在某个波长分层图计算一条可用路径时，此波长分层图对应的波长即为可用路径分配的波长，则路由计算和波长分配过程结束，业务请求成功建立。若在W个波长分层图，均未查找到组播请求的可用路径，则该业务请求被阻塞。波长分层图模型仅需要一次路径计算过程，就可同时实现路由计算和波长分配，算法更简单，并且网络阻塞率较低。

基于P圈波长资源利用率的动态组播路径段保护算法首先对请求的组播业务进行波长路由分配，若网络中没有可用的波长信道，则释放网络中存在的P圈波长资源，并对组播业务请求重新路由；判断网络中已经存在的P圈是否可以保护该组播业务请求，若可以保护，则选择已有的P圈对其进行保护；否则，计算网络中存在的每个环路波长资源利用率，并在波长转换范围内选择波长资源利用率最高的环路作为新的P圈对该组播树的路径段进行保护，判断该组播路径段是否完全被保护？若未被完全保护，则继续选择波长利用率次高的环路作为新的P圈对未被保护的组播路径进行保护，依此类推，直到所有组播路径段都保护为止。附图6为基于P圈波长资源利用率的动态组播段保护算法流程图，找出波长利用率最高的P圈以便重复利用同时保护每个到来业务的节点和链路。

Step1：组播请求业务网络，在第一个波长分层图中路由该组播请求，若失败，则依波长序号在下一个波长分层图中路由该组播请求，若搜索完所有波长分层图还是不能路由该组播请求，则释放网络中所有的P圈并重新路由组播请求，并跳转Step4；

Step2：将Step1路由得到的组播树进行路径分段，在波长转换器转换距离受限的范围内寻找可以保护该组播树的已存在的P圈，如果组播请求路径能完全被保护，则接受该组播请求，算法结束；

Step3：找出该组播树中未被保护的路径段；

Step4：找出波长资源利用率最高的P圈，判断该P圈是否能完全保护该组播请求，若是，则接受组播请求；否则，继续寻找波长资源利用率次高的P圈是否能保护该组播请求，依此类推，若所有P圈都不能完全保护该组播请求，网络就阻塞该组播请求。

Claims (2)

1.一种波长转换范围受限的动态光组播P圈保护方法，其特征在于，包括：对到达光网络输入节点的光组播请求，根据光网络中可用波长带宽资源及拓扑连接关系，在波长分层的网络中建立最小代价的光组播树，并在波长分层网络中查找光组播树的可保护P圈，若没有已存在的可用P圈，则查找波长分层光网络所有组播树的环路，准备构造备选P圈和为组播请求选择一个P圈；对所有组播树进行路径交迭段并寻找它的链路分离路径段，根据2跳交迭段和1跳交迭段构造备选保护P圈；通过计算备选P圈的波长资源利用率，选择利用率最高的作为保护P圈，实现对动态到达组播请求的保护；

所述对所有组播树进行路径交迭段并寻找它的链路分离路径段具体包括：根据波长分层网络及源到所有目的节点组播请求建立一棵链路代价最小的组播树，定义一个路径段集合簇C_i，存储所有2跳交迭段和1跳交迭段；在组播树的所有路径交迭段集合中寻找与集合簇C_i中的路径段链路分离的路径段X，将该路径段X存储在集合C_i中，并在路径段集合中删除该路径段X，直到路径段集合为空，得到链路分离段集合簇{C_i}。

2.根据权利要求1所述的方法，特征在于，所述通过计算备选P圈的波长资源利用率，选择利用率最高的作为保护P圈，实现对动态到达组播请求的保护具体包括：对到来的组播业务进行波长路由分配，判断光网络中已经存在的P圈在波长信道可以变换的范围内是否能保护该组播树的部分，将此部分所有环路集合作为P圈备选集合，计算每个备选P圈对链路分离段集合簇{C_i}中任意集合C_i的波长资源利用率；选择波长资源利用率最大对应的P圈保护该链路分离段集合；对集合簇{C_i}中所有链路分离段集合继续计算波长资源利用率，直到所有链路分离段集合找到对应的P圈保护。