CN106656312A - 平均节点度较高的光分组交换网络多链路故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平均节点度较高的光分组交换网络多链路故障保护方法，包括下列步骤：将符合要求的源‑目的节点对分为一组；当数据包到达源节点时，源节点复制数据包，得到数据包的N‑1个副本；之后源节点将数据包通过源节点和目的节点之间的主路径传输向目的节点，并将N‑1个副本传输向源节点相连的N‑1个中继节点；每个中继节点中存在进行编码的两个节点对对应的缓存器来缓存未进行网络编码的数据包，当数据包的一个副本到达中继节点时：(a)如果对应编码的节点对无缓存的副本，数据包的副本被存储在缓存器中；如果缓存器已满，则丢弃数据包的副本；(b)如果对应编码的节点对有缓存中的副本，则中继节点读取缓存最久的数据包副本，和新到达的数据包副本进行网络编码，并将此数据包传输向目的节点。

Description

平均节点度较高的光分组交换网络多链路故障保护方法

技术领域

本发明涉及一种在平均节点度较高的光核心网络中的双路径故障保护机制。该方法使用网络编码,可以提供额外的路径进行数据传输，在出现多链路故障时保证数据的正常传输。本发明涉及了光网络中的链路故障保护方法及网络编码技术，属于通信技术领域。

背景技术

随着网络技术的发展与业务种类的不断增加，因特网的规模不断扩大，网络流量以指数速度递增，这些都对网络带宽、传输速度，节点处理能力、网络稳定性提出了更高的要求。全光网络被认为是未来可以满足高速增长的带宽需求的网络。在光网络中，每个波长承载的传输容量可高达吉比特每秒，因此网络故障(如链路断裂、节点故障等)会导致大量业务的中断，从而带来不可估量的巨大经济损失。因此，光网络的抗毁技术已经成为一个研究热点。抗毁策略主要包括保护和恢复两大类。保护策略是指预先为业务分配好保护资源，同时使用正常资源和保护资源传输数据包的多个副本，当网络中出现故障的链路小于数据包传输的副本个数，则数据包可以正常传输，网络可以正常工作。恢复是指并不事先为业务分配预留的保护资源，当故障发生后，再动态地寻找网络中富余资源来承载受故障影响的业务。由于保护策略可满足实时业务的需求，因此很多研究是基于保护策略的。

光分组交换网络中，保护策略的基本思路是提供额外的保护路径，使用此路径传输数据包的副本。例如在1+1路径保护方法中，源节点和目的节点间存在1条主路径和1条保护路径，主路径和保护路径之间没有相同的链路。源节点新接收到数据包时，复制此数据包，之后通过主路径(根据某种方法计算出的最优路径)传输此数据包，同时通过额外的1条保护路径传输此数据包的副本。一般地，此数据包及其副本中的任意一个到达目的节点则该数据包传输成功。当网络中出现1条故障链路时，此方法可以保障网络中业务的正常传输。1+N路径保护方法可以保证网络中出现N条故障链路时网络可以正常工作。在此方法中，源节点和目的节点间存在1条主路径和N条保护路径，源节点新接收到数据包时，通过主路径和保护路径传输此数据包的1+N个副本，目的节点接收到任意一个副本则数据包传输成功。但是路径保护的方法产生了冗余的数据包，使得网络中的流量增加了N倍，尤其是当N较大时，很容易造成网络堵塞。

网络编码技术可以减少冗余的数据包，其基本思路是将两个属于不同的源-目的节点对的数据包副本进行编码，得到一个新的数据包。简单的编码方式可以如表1所示，将两个数据包对应的比特位按表1的规则进行相加，这样新的数据包的字节数是进行编码的两个原始数据包的字节数总和的一半，可以减少网络中一半的冗余数据量。具体实施方法如图1所示，节点A和节点B为源节点，节点C为目的节点，节点R为中继节点。节点A与节点C、节点B与节点C、节点A与节点R、节点B与节点R、节点R与节点C之间分别存在路径010、011、012、013和014。当数据包1到达节点A时，节点A沿路径010将此数据包传输向目的节点C，同时沿路径012将数据包1的副本发送给中继节点R。中继节点R中分别建立A-C节点对的缓存空间和B-C节点对的缓存空间。当数据包1的副本到达节点R时，节点R将检查B-C节点对的缓存空间，此时为空，因此节点R将数据包1的副本存储在A-C节点对的缓存空间中。当数据包2到达节点B时，节点B沿路径011将此数据包传输向目的节点C，同时沿路径013将数据包2的副本发送给中继节点R。当数据包2的副本到达节点R时，节点R将检查A-C节点对的缓存空间，此时缓存空间中有数据包1的副本，节点R从缓存空间中读取数据包1的副本，与数据包2的副本进行网络编码，得到数据包1+2，并将此数据包沿路径014传输向目的节点C。目的节点C接收到数据包1、数据包2、数据包1+2中的任意两个，可以正常工作。

发明内容

本发明旨在提供一种多链路故障保护方法，适用于平均节点度较高的光分组网络。在网络中同时有多条链路出现故障的情况下可以保证网络中数据的正常传输。相比于传统的1+N路径保护方法，由于所有保护数据均使用网络编码技术产生，因此网络中产生的冗余数据被大大减少。技术方案如下：

一种平均节点度较高的光分组交换网络多链路故障保护方法，包括下列步骤：

(1)将符合要求的源-目的节点对分为一组，要求如下：

1)分组中包含N个节点对时，可在N-1条链路出现故障时确保分组中的节点对正常工作；

2)分组中的所有节点对目的节点相同；

3)分组的所有源节点两两之间都有相同的邻居节点，邻居节点作为中继节点，一个包含N个节点对的分组有N*(N-1)/2个中继节点；

4)源节点和目的节点之间的路径称为主路径，源节点经过中继节点与目的节点之间的路径称为中继路径，分组中所有主路径及中继路径之间没有共同的链路，每个中继节点与两个源节点相连，中继节点负责将不同源节点传输过来的两个数据包进行网络编码；

(2)当数据包到达源节点时，源节点复制数据包，得到数据包的N-1个副本；之后源节点将数据包通过源节点和目的节点之间的主路径传输向目的节点，并将N-1个副本传输向源节点相连的N-1个中继节点；

(3)每个中继节点中存在进行编码的两个节点对对应的缓存器来缓存未进行网络编码的数据包，当数据包的一个副本到达中继节点时：

(a)如果对应编码的节点对无缓存的副本，数据包的副本被存储在缓存器中；如果缓存器已满，则丢弃数据包的副本；

(b)如果对应编码的节点对有缓存中的副本，则中继节点读取缓存最久的数据包副本，和新到达的数据包副本进行网络编码，并将此数据包传输向目的节点；

(4)目的节点接收到源节点与中继节点传输来的原始数据包(N个)和进行过网络编码的数据包(N*(N-1)/2)中的任意N-1个，则可通过解码得到所有的数据包，这个分组可以正常工作。

本发明中，每个新到达源节点的数据包被复制N次，这N个副本将被发送向不同的中继节点进行编码。每个中继节点连接两个源节点，中继节点将2个源节点传输过来的数据包进行网络编码得到新的数据包，并将新得到的数据包传输向目的节点。目的节点接收到一个数据包和其经过编码的新数据包时，可以通过解码得到进行编码的另一个数据包。一个数据包与其N个副本中的任意一个到达目的节点则这个数据包正常传输，因此网络中出现N条故障链路时不会影响传输。在多链路故障的情况下可以保证网络的正常传输；由于保护数据均采用网络编码技术，可以大大减少分组网络中的冗余数据。

附图说明

图1不同源节点相同目的节点的节点对网络编码示意图

图2光交换核心网络示意图

图3数据包传输过程示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:

在如图2所示的光交换核心网络中，有13个节点和30条链路，网络平均节点度为4.6。在此网络中，考虑节点E为目的节点，其他节点为源节点，则网络中共有12个不同的节点对。在此网络中，以N＝3为例，具体说明如何确保双链路故障时的正常传输。为了确保双链路故障，则分组中需要有3个节点对，则网络中的节点对可以组成4组，如表2所示，每个分组可以独立传输其数据包，因此下面以分组1为例对后面的技术方案进行说明。

表2网络分组示意

分组1	节点对A-E	节点对C-E	节点对G-E
				分组2	节点对B-E	节点对D-E	节点对F-E
分组3	节点对M-E	节点对K-E	节点对I-E
				分组4	节点对H-E	节点对J-E	节点对L-E

分组1中包含3个节点对：A-E、C-E和G-E。其中节点A和C拥有共同的邻居B，节点A和G拥有共同的邻居D，节点G和C拥有共同的邻居F，因此节点B、D和F作为分组1中的节点对的中继节点。其中节点B将两个分别属于节点对A-E和C-E的数据包按表1所示规则进行编码，其中节点F将两个分别属于节点对G-E和C-E的数据包按表1所示规则进行编码，其中节点D将两个分别属于节点对A-E和G-E的数据包按表1所示规则进行编码。

表1简单的网络编码规则，将两个数据对应的比特进行相加

数据1	数据2	新的到的数据
			0	0	0
0	1	1
			1	0	1
1	1	0

如图3所示，节点A、C和G收到3个新到达的数据包数据包1、数据包2和数据包3，三个数据包的目的节点均为E。

源节点A接受到数据包1，复制此数据包，之后将数据包1沿链路007传输向目的节点E，并将数据包1的副本分别延链路001和链路006传输向中继节点B和D。

源节点C接受到数据包2，复制此数据包，之后将数据包2沿链路009传输向目的节点E，并将数据包2的副本分别延链路002和链路003传输向中继节点B和F。

源节点G接受到数据包3，复制此数据包，之后将数据包3沿链路011传输向目的节点E，并将数据包3的副本分别延链路004和链路005传输向中继节点F和D。

中继节点B接收到源节点A传输过来的数据包1的副本和源节点G传输过来的数据包3的副本，按照表1的规则进行编码，得到数据包1+2，并将此新的数据包沿链路008传输向目的节点E。

中继节点D接收到源节点A传输过来的数据包1的副本和源节点G传输过来的数据包3的副本，按照表1的规则进行编码，得到数据包1+3，并将此新的数据包沿链路012传输向目的节点E。

中继节点F接收到源节点C传输过来的数据包2的副本和源节点G传输过来的数据包3的副本，按照表1的规则进行编码，得到数据包2+3，并将此新的数据包沿链路010传输向目的节点E。

下面以节点A所连链路为例，解释链路故障对分组1网络的影响。

当网络中仅有1条链路故障时，例如：链路007故障(主路径发生故障)，则目的节点E可通过接收到的数据包2和数据包1+2通过表1所示规则反向解码得到数据包1，则分组1网络可正常工作；链路006故障(中继路径发生故障)，则目的节点E可正常收到3个数据包，分组1网络正常工作。

当网络中出现2条故障链路时，可分为5种情况：(1)2条主路径故障：例如链路007和链路009故障，目的节点E可以收到4个数据包：数据包3、数据包1+2、数据包1+3和数据包2+3，则节点E通过表1所示规则反向解码可以得到数据包1和数据包2，分组1网络正常工作；(2)1条主路径和1条中继路径故障：例如链路007和链路006发生故障，目的节点E可以收到4个数据包：数据包2、数据包3、数据包1+2和数据包2+3，则节点E通过表1所示规则反向解码可以得到数据包1，分组1网络正常工作；(3)2条中继路径故障：例如链路006和链路001故障，此时目的节点E可正常收到3个数据包，分组1网络正常工作；(4)1条中继路径故障：例如链路006和链路005故障，此时目的节点E可正常收到3个数据包，分组1网络正常工作；(5)链路013-030中出现两条故障链路，对分组1网络无影响。因此网络中任意2条链路故障对网络的正常传输无影响。

当网络中出现3条或3条以上故障链路时，在如下情况下可正常工作：

(1)如果所有的故障链路在分组1网络中只影响到了3条主路径和3条中继路径中的任意1条或2条，则分组1网络可以正常工作；

(2)如果所有的故障链路在分组1网络中影响到了3条中继路径，但对3条主路径无影响，则分组1网络可以正常工作；

(3)如果所有的故障链路在分组1网络中影响到了1条主路径及2条中继路径，但任意源节点所连3条路径中至少有1条正常工作，例如A-E节点对的主路径(链路007)故障、节点A、C到E的中继路径(包括链路001、002和008)故障和节点C、G到E的中继路径(包括链路003、004和010)故障，此时目的节点E可接收到数据包2、数据包3和数据包1+3，则节点E通过表1所示规则利用数据包3和数据包1+3反向解码可以得到数据包1，分组1网络可以正常工作；

(4)如果所有的故障链路在分组1网络中影响到了2条主路径及1条中继路径，例如A-E节点对的主路径(链路007)故障、C-E节点对的主路径(链路009)故障，和节点C、G到E的中继路径(包括链路003、004和010)故障，此时目的节点E可接收到数据包3，数据包1+3和数据包1+2，则节点E通过表1所示规则利用数据包3和数据包1+3反向解码先得到数据包1，之后利用数据包1和数据包1+2再次进行解码得到数据包2，分组1网络可以正常工作。

Claims (1)

1.平均节点度较高的光分组交换网络多链路故障保护方法，包括下列步骤：

(1)将符合要求的源-目的节点对分为一组，要求如下：

1)分组中包含N个节点对时，可在N-1条链路出现故障时确保分组中的节点对正常工作；

2)分组中的所有节点对目的节点相同；

3)分组的所有源节点两两之间都有相同的邻居节点，邻居节点作为中继节点，一个包含N个节点对的分组有N*(N-1)/2个中继节点；

4)源节点和目的节点之间的路径称为主路径，源节点经过中继节点与目的节点之间的路径称为中继路径，分组中所有主路径及中继路径之间没有共同的链路，每个中继节点与两个源节点相连，中继节点负责将不同源节点传输过来的两个数据包进行网络编码。

(2)当数据包到达源节点时，源节点复制数据包，得到数据包的N-1个副本；之后源节点将数据包通过源节点和目的节点之间的主路径传输向目的节点，并将N-1个副本传输向源节点相连的N-1个中继节点；

(3)每个中继节点中存在进行编码的两个节点对对应的缓存器来缓存未进行网络编码的数据包，当数据包的一个副本到达中继节点时：

(a)如果对应编码的节点对无缓存的副本，数据包的副本被存储在缓存器中；如果缓存器已满，则丢弃数据包的副本；

(b)如果对应编码的节点对有缓存中的副本，则中继节点读取缓存最久的数据包副本，和新到达的数据包副本进行网络编码，并将此数据包传输向目的节点；

(4)目的节点接收到源节点与中继节点传输来的原始数据包(N个)和进行过网络编码的数据包(N*(N-1)/2)中的任意N-1个，则可通过解码得到所有的数据包，这个分组可以正常工作。