CN104468355A - 可靠性约束条件下的路由选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及路由选择领域，具体涉及可靠性约束条件下的路由选择方法。该方法包括：获取步骤：获取拓扑信息；分析步骤：根据所述拓扑信息进行节点设备及光缆链路的可靠性分析；选取步骤：根据可靠性分析结果，以带宽资源利用率为主度量，为不同类型的业务选取各自的最短路径形成最短路径列表；确定步骤：针对不同业务类型，根据该类型业务的分布状况，依据业务均衡度和路径可靠性对所述最短路径列表进行检验比较，按业务要求选取可靠性最高的最短路径。本发明在考虑网络带宽资源利用率的同时，引入节点及链路的可靠性约束条件，在选取最短路径的同时，满足业务对路径可靠性的要求。

Description

可靠性约束条件下的路由选择方法

技术领域

本发明涉及路由选择领域，具体而言，涉及可靠性约束条件下的路由选择方法。

背景技术

路由选择策略是用来寻找从源节点到目的节点之间的最佳路径的方法。在网络规模不断扩大，网络业务迅速增加的今天，好的路由策略是解决网络拥塞、保证服务质量和保障网络可持续发展的重要技术之一。

路由算法使用多种不同的度量标准去决定最佳路径。复杂的路由算法可能采用多种度量来选择路由，通过一定的加权运算，将它们合并为单个的复合度量作为寻径的标准。通常所使用的度量包括路径长度、时延、跳数、带宽、负载、通信成本等。理想的路由算法必须保证其正确性、稳定性和公平性，能够适应网络拓扑和通信量的变化，在保证最佳的同时尽量简单。

目前典型的最优路由算法包括最短路径法、扩散法、基于流量的路由选择算法、距离矢量路由选择算法、链路状态路由选择算法及分级路由选择算法等。最短路径法适用于网络拓扑和通信量相对稳定的网络，主要考虑两个节点间的跳数、地理距离、延时等因素，对网络通信量变化的适应性不好。扩散法适用于通信量较小的网络，当网络通信量比较大时，很容易造成网络拥塞。基于流量的路由选择算法可以获得网络时延最短的路径，但需要事先网络的拓扑结构、每条链路的容量及业务量的大小，比较适合拓扑结构和通信量比较稳定的网络。距离矢量算法(Bellman-Ford算法)要求每个路由器发送其路由表全部或部分信息，但仅发送到邻近结点上；链路状态算法发送路由信息到所有节点，但仅发送器路由表中描述其自身链路状态的部分，因此收敛速度较距离矢量算法更快，但要求硬件本身具有更强的计算能力和更多的内存空间，因此链路状态算法将会在实现时代价更高。分级路由选择算法常用于互联网路由中。

公网中多存在带宽紧张、带宽不足及常出现异常突发流量等问题，路由选择算法中除考虑跳数和时延外，重点考虑路由的可用带宽是否满足要求。专用光传输网的情况则不同。一方面，专用光网络，如电力通信传输网所传送的业务具有鲜明的行业特色，不同业务对传输网在实时性、可靠性及安全性方面的要求各不相同，其中有些业务，如继电保护、稳定控制信号、调度电话等业务除了要求高实时性之外，对通道可靠性要求也非常高；另一方面，专用光网络中带宽资源相对公网不是很紧张，因此重点需要考虑的不是是否有足够的带宽资源，而是带宽资源利用率及网络负载是否均衡。这些问题，特别是路由可靠度，在现有的路由算法中未有体现。

同时考虑带宽利用率和网络时延两方面的性能要求，提出能够尽可能使网络流量均衡分布的路由算法，大大提高了带宽利用率，但都只从跳数的角度考虑路径时延及可靠性，未深入研究设备及链路的运行可靠性在最优路径选取时所产生的影响，而这一点对于要求高可靠性的业务来说也是一个重要的度量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可靠性约束条件下的路由选择方法，以解决路由选择受多种可靠性约束条件影响的问题。

本发明实施例提供了一种可靠性约束条件下的路由选择方法，包括：

获取步骤：获取拓扑信息；

分析步骤：根据所述拓扑信息进行节点设备及光缆链路的可靠性分析；

选取步骤：根据可靠性分析结果，以带宽资源利用率为主度量，为不同类型的业务选取各自的最短路径形成最短路径列表；

确定步骤：针对不同业务类型，根据该类型业务的分布状况，依据业务均衡度和路径可靠性对所述最短路径列表进行检验比较，按业务要求选取可靠性最高的最短路径。

在一些实施例中，优选为，所述拓扑信息包括：传输网络物理拓扑、逻辑拓扑及基础数据信息；所述基础数据信息包括：设备类型、设备速率等级、光缆类型及长度、已有业务种类、已有业务数量及已有业务路由信息。

在一些实施例中，优选为，所述业务种类包括以下任一种或多种：电网自动化业务、安全稳定业务、继电保护业务。

在一些实施例中，优选为，所述节点设备可靠性分析＝设备指标×第一权重；所述设备指标包括以下一种或多种：设备配置、设备运行状态、设备运行时间。

在一些实施例中，优选为，所述设备配置包括以下一种或多种：冗余配置、电源系统；所述电源系统包括以下一种或多种：电源冗余配置、蓄电池质量；所述设备运行状态包括以下一种或多种：设备运行环境、板卡年均失效次数；所述设备运行环境包括以下一种或多种：是否按规定定期除尘、接地电阻；所述设备运行时间包括：投运年限。

在一些实施例中，优选为，所述光缆链路可靠性分析＝光缆链路指标×第二权重；所述光缆链路指标包括以下一种或多种：光缆长度、光缆年发生外力破坏次数、光缆运行年限。

在一些实施例中，优选为，所述选取步骤包括：从源节点到目的节点的左右路径中，以公式(1)计算节点i与j之间的光缆链路的带宽利用率；按照Dijkstra算法计算源节点到目的节点的最短路径，并记录得到的所有所述最短路径；按所述带宽利用率对所有最短路径进行排序，并标记所有所述最短路径的跳数；所述公式(1)为：其中，BU_ij为节点i与j之间光缆链路ij的已占用带宽资源；C_ij为节点i与j之间光缆链路ij的容量。

在一些实施例中，优选为，所述确定步骤包括：针对最短路径列表中的各所述光缆链路的带宽利用率对拓扑网络进行可靠性标度，标度值为该光缆链路的BO_ij×10³；确定所述最短路径列表中的各所述光缆链路网络负载均衡度D(BO)；确定所述最短路径列表中的各所述光缆链路业务均衡度D(S₁)，S₁为某一种业务类型；利用综合代价函数公式(5)中不同度量的权值，获取特定约束条件下的可靠性最高的最短路径，所述公式(5)： $C=K_1\×\frac{1}{1+\mathrm{\Δn}}+K_2\×D\left(\mathrm{BO}\right)+K_3\×D\left(S_i\right)+K_4\×R,$ 其中，K_i≥0,i＝1～4为加权系数，Δn表示路径列表中每条路径跳数相对最短路径跳数的跳数差；R表示该路径的可靠性指数。

在一些实施例中，优选为，所述网络负载均衡度D(BO)的计算步骤包括：从所述最短路径列表中的各选定路径所包含的光缆链路上减去所需业务总类占用带宽，重新计算光缆链路的带宽利用率，并利用公式(2)求所有光缆链路的带宽利用率均值，所述公式(2)为：其中，L为拓扑网络中的光缆链路总数；

利用公式(3)计算所述最短路径列表中的各选定路径的光缆链路带宽利用率相对均值的偏差值D(BO)，利用偏差值D(BO)表征网络负载均衡度；所述公式(3)： $D\left(\mathrm{BO}\right)=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{[{\mathrm{BO}}_l-E\left(\mathrm{BO}\right)]}^2}{L}.$

在一些实施例中，优选为，所述光缆链路业务均衡度D(S₁)的计算方式为：

公式(4)：其中，S_1l为第l条光缆链路上承载所述所需业务S₁的数量，E(S₁)为拓扑网络各光缆链路承载S₁业务的均值，L表示拓扑网络中的光缆链路总数。

本发明实施例提供的可靠性约束条件下的路由选择方法，与现有技术相比，提出的可靠性约束条件下的路由选择策略，充分考虑了专用光传输网承载业务的特点，对实时性、可靠性要求高的业务，在考虑网络带宽资源利用率的同时，引入节点及链路的可靠性约束条件，在选取最短路径的同时，满足业务对路径可靠性的要求。而且，在路由选取中引入了业务均衡度作为其中一个度量，让某种类型的业务在网络中尽量均衡分布，这样可以避免网络故障时，由于某种类型业务在网络中过于集中而导致业务大量中断或需要迂回到备用路由而对网络整体性能造成的影响。总之，本发明提出的路由选择算法使用运行统计数据对设备和光缆的可靠性进行评估，评估结果可随运行情况的变化动态更新，真实反映节点可靠性的真实情况，为路由选取提供有效、可靠的参考数据。

附图说明

图1为本发明一个实施例中中获取的网络拓扑图；

图2为本发明按带宽利用率标度图1中的网络拓扑图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例结合附图对本发明做进一步的详细描述。

考虑到目前路由选择中受多种可靠性约束条件因素影响的问题，本发明提供了一种可靠性约束条件下的路由选择方法。

该路由选择方法，包括：

获取步骤：获取拓扑信息；

分析步骤：根据所述拓扑信息进行节点设备及光缆链路的可靠性分析；

选取步骤：根据可靠性分析结果，以带宽资源利用率为主度量，为不同类型的业务选取各自的最短路径形成最短路径列表；

确定步骤：针对不同业务类型，根据该类型业务的分布状况，依据业务均衡度和路径可靠性对所述最短路径列表进行检验比较，按业务要求选取可靠性最高的最短路径。

与现有技术相比，提出的可靠性约束条件下的路由选择策略，充分考虑了专用光传输网承载业务的特点，对实时性、可靠性要求高的业务，在考虑网络带宽资源利用率的同时，引入节点及链路的可靠性约束条件，在选取最短路径的同时，满足业务对路径可靠性的要求。而且，在路由选取中引入了业务均衡度作为其中一个度量，让某种类型的业务在网络中尽量均衡分布，这样可以避免网络故障时，由于某种类型业务在网络中过于集中而导致业务大量中断或需要迂回到备用路由而对网络整体性能造成的影响。总之，本发明提出的路由选择算法使用运行统计数据对设备和光缆的可靠性进行评估，评估结果可随运行情况的变化动态更新，真实反映节点可靠性的真实情况，为路由选取提供有效、可靠的参考数据。

下面结合附图1说明本发明的实现过程：

附图1是本实施例中获取的网络拓扑图。

步骤1：获取网络拓扑信息及基础资料信息。

如图1所示，网络包含8个传输节点设备，12条光缆链路。假设各节点均为155M设备。网络中共有36条业务，其中有8条电网自动化业务，10条安全稳定业务，12条继电保护业务，6条其他业务。各节点、各链路承载业务种类及数量分布如表1、表2所示。

表1节点承载业务种类及数量

表2光缆承载业务种类及数量

表2中的l_ij表示节点i与j之间的光缆链路。

步骤2：通过基础信息及运行数据，计算设备及光缆的可靠性。

通过对设备、光缆可靠性影响因素的分析，结合国家电网公司颁发的《电网调度系统安全生产保证能力评估(网、省调部分)》和《国家电网公司十八项电网重大反事故措施(试行)》，经过大量现场调研，得到表3、表4所示的节点设备及光缆的可靠性评价体系。

表3节点设备可靠性评价指标

表4光缆可靠性评价指标

通过收集到的基础数据和现场运行数据，根据表3和表4的指标体系得到各节点设备和光缆各项指标的相应分值，计算设备及光缆链路的可靠性，结果如表5所示。

表5节点设备和光缆可靠性计算结果

步骤3：以带宽利用率为主度量，遍历从源节点到目的节点的所有路径，并记录所有路径的跳数及带宽资源利用率。

用BO_ij表示节点i与j之间的光缆链路的带宽利用率，

${\mathrm{BO}}_{\mathrm{ij}}=\frac{{\mathrm{BU}}_{\mathrm{ij}}}{C_{\mathrm{ij}}}---\left(1\right)$

其中，公式(1)中的分子、分母分别表示节点i、j之间的链路ij的已占用带宽资源和链路的容量。计算结果如表2所示。

从源节点出发，按照Dijkstra算法计算源节点至目的节点的最短路径，并记录所有可能路径，按带宽利用率对路径进行排序，并标记所有路径的跳数。

步骤4：计算每条路径的可靠性和业务均衡度，结合路径跳数和网络负载均衡度形成综合代价函数，根据不同类型业务对性能参数的不同要求，设定代价函数中不同度量的权值，获得特定约束条件下的最优路径。

首先用各链路的带宽利用率对网络进行标度，如附图2所示，图中的标度值为该链路的BO_ij×10³。

假设需要从节点1至节点6开通一条继电保护业务。按Dijkstra算法计算源节点至目的节点的最短路径，并保存这几条互不相交的路径信息，如表6所示。

表6节点1至节点6的最短路径列表

从选定路径所包含的链路上减去该业务占用带宽，重新计算涉及链路的带宽占用率。对所有链路的带宽利用率求均值，可得

$E\left(\mathrm{BO}\right)=\frac{\mathrm{\Σ}{\mathrm{BO}}_{\mathrm{ij}}}{L}---\left(2\right)$

其中L表示网络中的链路总数。

用各链路带宽利用率相对均值的偏差程度D(BO)表征网络负载均衡度，该度量反应全网带宽资源占用情况的均衡程度，D(BO)越小，说明网络负载均衡度越好，带宽利用率越高。

$D\left(\mathrm{BO}\right)=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{[{\mathrm{BO}}_l-E\left(\mathrm{BO}\right)]}^2}{L}---\left(3\right)$

基于特定类型的业务S₁，按式(4)定义其业务均衡度，

$D\left(S_1\right)=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{[s_{1l}-E\left(S_1\right)]}^2}{L}---\left(4\right)$

其中，s_1l表示第l条链路上承载S₁业务的数量，E(S₁)为全网各链路承载S₁业务的均值，L表示网络中的链路总数。D(S₁)值越小，说明该类型业务在全网分布越均衡，这样可以避免同一类型业务在网络中分布过于集中，当某个节点或链路发生故障时造成大量业务同时受影响的情况发生。同理可计算其他种类业务分布的均衡度。

定义综合代价函数为

$C=K_1\×\frac{1}{1+\mathrm{\Δn}}+K_2\×D\left(\mathrm{BO}\right)+K_3\×D\left(S_i\right)+K_4\×R---\left(5\right)$

其中，K_i≥0,i＝1～4为加权系数，用来确定路径选取时各分度量代价函数对路径选择的影响程度，默认情况下均可取1值，即认为各项参数对路由的选取同等重要。当某种业务对其中一项或几项度量特别敏感时，也可忽略其他度量的影响，将相应的权值设为0值。这样可以针对不同业务的特点和要求进行最优路由的选取。式(5)中的Δn表示路径列表中每条路径跳数相对最短路径跳数的跳数差；R表示该路径的可靠性指数。各项度量的计算结果如表7所示。若按跳数，2号路径为最优，若从可靠性、负载均衡度和业务均衡度的角度考虑，1号路径为最优。

表7最短路径对应各度量值的计算结果

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可靠性约束条件下的路由选择方法，其特征在于，包括：

获取步骤：获取拓扑信息；

分析步骤：根据所述拓扑信息进行节点设备及光缆链路的可靠性分析；

选取步骤：根据可靠性分析结果，以带宽资源利用率为主度量，为不同类型的业务选取各自的最短路径形成最短路径列表；

确定步骤：针对不同业务类型，根据该类型业务的分布状况，依据业务均衡度和路径可靠性对所述最短路径列表进行检验比较，按业务要求选取可靠性最高的最短路径。

2.如权利要求1所述的可靠性约束条件下的路由选择方法，其特征在于，所述拓扑信息包括：传输网络物理拓扑、逻辑拓扑及基础数据信息；所述基础数据信息包括：设备类型、设备速率等级、光缆类型及长度、已有业务种类、已有业务数量及已有业务路由信息。

3.如权利要求2所述的可靠性约束条件下的路由选择方法，其特征在于，所述业务种类包括以下任一种或多种：电网自动化业务、安全稳定业务、继电保护业务。

4.如权利要求1所述的可靠性约束条件下的路由选择方法，其特征在于，

所述节点设备可靠性分析＝设备指标×第一权重；

所述设备指标包括以下一种或多种：设备配置、设备运行状态、设备运行时间。

5.如权利要求4所述的可靠性约束条件下的路由选择方法，其特征在于，

所述设备配置包括以下一种或多种：冗余配置、电源系统；所述电源系统包括以下一种或多种：电源冗余配置、蓄电池质量；

所述设备运行状态包括以下一种或多种：设备运行环境、板卡年均失效次数；所述设备运行环境包括以下一种或多种：是否按规定定期除尘、接地电阻；

所述设备运行时间包括：投运年限。

6.如权利要求1所述的可靠性约束条件下的路由选择方法，其特征在于，

所述光缆链路可靠性分析＝光缆链路指标×第二权重；

所述光缆链路指标包括以下一种或多种：光缆长度、光缆年发生外力破坏次数、光缆运行年限。

7.如权利要求1所述的可靠性约束条件下的路由选择方法，其特征在于，所述选取步骤包括：

从源节点到目的节点的左右路径中，以公式(1)计算节点i与j之间的光缆链路的带宽利用率；

按照Dijkstra算法计算源节点到目的节点的最短路径，并记录得到的所有所述最短路径；

按所述带宽利用率对所有最短路径进行排序，并标记所有所述最短路径的跳数；

所述公式(1)为：

其中，BU_ij为节点i与j之间光缆链路ij的已占用带宽资源；C_ij为节点i与j之间光缆链路ij的容量。

8.如权利要求7所述的可靠性约束条件下的路由选择方法，其特征在于，所述确定步骤包括：

针对最短路径列表中的各所述光缆链路的带宽利用率对拓扑网络进行可靠性标度，标度值为该光缆链路的BO_ij×10³；

确定所述最短路径列表中的各所述光缆链路网络负载均衡度D(BO)；

确定所述最短路径列表中的各所述光缆链路业务均衡度D(S₁)，S₁为某一种业务类型；

利用综合代价函数公式(5)中不同度量的权值，获取特定约束条件下的可靠性最高的最短路径，所述公式(5)： $C=K_1\×\frac{1}{1+\mathrm{\Δn}}+K_2\×D\left(\mathrm{BO}\right)+K_3\×D\left(S_i\right)+K_4\×R,$ 其中，K_i≥0,i＝1～4为加权系数，Δn表示路径列表中每条路径跳数相对最短路径跳数的跳数差；R表示该路径的可靠性指数。

9.如权利要求8所述的可靠性约束条件下的路由选择方法，其特征在于，

所述网络负载均衡度D(BO)的计算步骤包括：

从所述最短路径列表中的各选定路径所包含的光缆链路上减去所需业务总类占用带宽，重新计算光缆链路的带宽利用率，并利用公式(2)求所有光缆链路的带宽利用率均值，所述公式(2)为：其中，L为拓扑网络中的光缆链路总数；

利用公式(3)计算所述最短路径列表中的各选定路径的光缆链路带宽利用率相对均值的偏差值D(BO)，利用偏差值D(BO)表征网络负载均衡度；所述公式(3)： $D\left(\mathrm{BO}\right)=\frac{\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{[{\mathrm{BO}}_l-E\left(\mathrm{BO}\right)]}^2}{L}.$

10.如权利要求9所述的可靠性约束条件下的路由选择方法，其特征在于，所述光缆链路业务均衡度D(S₁)的计算方式为：

公式(4)：其中，S_1l为第l条光缆链路上承载所述所需业务S₁的数量，E(S₁)为拓扑网络各光缆链路承载S₁业务的均值，L表示拓扑网络中的光缆链路总数。