CN107040306A - 一种灾难状态下维持业务可靠性等级的光网络抗毁算法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种灾难状态下维持业务可靠性等级的光网络抗毁算法，属于通信网技术领域。该算法针对大规模灾难(如：地震等)对光网络造成的严重损毁，在动态概率损毁模型的基础上，为不同等级的业务连接提供区分可靠性的恢复和(或)保护配置。根据不同业务等级设定相应的可靠性门限，利用启发式算法对灾难中的受损业务连接(中断的或暂未中断但可靠性低于门限的业务连接)进行重路由和/或保护路由计算，根据不同等级业务的原始带宽需求和灾后话务突发期的带宽增配需求，利用MILP(混合整数线性规划)模型进行网络带宽资源的最优分配，从而在维持业务可靠性等级的基础上，降低业务连接的中断率和话务损失率。

Description

一种灾难状态下维持业务可靠性等级的光网络抗毁算法

技术领域

本发明属于通信网技术领域。具体涉及一种灾难状态下维持业务可靠性等 级的光网络抗毁算法。

背景技术

光网络因其巨大的传输容量和超高的传输速率，已成为当前分布最广泛的 通信网基础架构，同时也是最易受到大规模灾难影响的电信骨干网络。大规模 灾难(如：地震，海啸，飓风，以及大规模杀伤性武器等)可能造成光网络的 严重损毁，导致大量的业务中断和数据丢失。因此，近年来对灾难状态下光网 络抗毁机制的研究已受到业内广泛的关注。

光网络的抗毁机制通常可分为两类：保护(Protection)和恢复(Restoration)。保护是指在故障发生前为网络中的业务连接预留保护(备份)资源，当故障发 生时，将受损业务切换到预留的保护资源上；恢复是指在网络故障发生后，为 受损的业务连接寻找可用资源，并实现业务的恢复。保护机制由于资源的预先 配置，业务恢复速度快，但资源利用率较低；恢复机制是在故障发生后临时寻 找和配置可用资源，因此，资源利用率高，但业务恢复速度较慢。

现有针对灾难损毁光网络的抗毁技术主要采用确定性模型和概率模型模拟 网络状态和损毁程度，均属于静态损毁模型，缺乏对灾难事件发生发展过程的 准确描述，在此基础上提出的抗毁方案可能难以有效解决灾难扩散，灾难核心 位置偏移，以及二次灾难等对网络造成的影响。

本发明针对大规模灾难事件(如：地震等)对光网络造成的严重损毁，在 动态概率损毁模型的基础上，为不同等级的业务连接提供区分可靠性的恢复和 (或)保护配置。根据不同业务等级设定相应的可靠性门限，利用启发式算法 对受损业务连接(中断的或暂未中断但可靠性低于门限的业务连接)进行重路 由和/或保护路由计算，根据不同等级业务的原始带宽需求和灾后话务突发期的 带宽增配需求，利用MILP模型进行网络带宽资源的最优分配，从而在维持业务 可靠性等级的基础上，降低业务连接的中断率和话务损失率。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种维持业务可靠性等级，减 少业务中断率和话务损失率的方法。本发明的技术方案如下：

1、一种灾难状态下维持业务可靠性等级的光网络抗毁算法，在灾难事件 发生前，网络G(N,L)中的每个业务连接c均由一条带宽为的工作通路P_c ^w构 成，其可靠性R_c均大于或等于相应业务等级的可靠性门限S_k，N代表网络中所 有节点的集合，L代表网络中所有双向链路的集合，k为业务连接c的业务等级， K＝{1,2,…,k}，k值越大表示业务等级越高，且有S₁＜S₂＜…＜S_k，其特征在 于，光网络抗毁算法包括以下步骤：

101、当大规模灾难事件对网络造成严重损毁即光纤链路出现断裂或可靠 性下降时，将网络中的受损业务连接放入集合C_d，所述受损业务包括中断的业 务连接和暂未中断但可靠性低于门限S_k的业务连接，未受损业务连接放入集合 C_s；

102、利用启发式算法对集合C_d中的业务连接进行重路由和/或保护路由计 算；

103、根据不同等级业务的原始带宽需求，利用MILP混合整数线性规划模 型I进行网络带宽资源的最优分配；对于灾后话务突发期的带宽增配需求，利用 MILP混合整数线性规划模型II进行网络带宽资源的最优分配；

104、在步骤103所述的带宽资源分配完成后，如果或λ′_c＜b_c，则可在 话务分配时征用部分保护带宽或全部保护带宽，与工作通路上分配的带宽一起 承载所需的工作话务，以降低灾损网络的话务损失率，其中，λ_c为业务连接c在 工作通路上实际分配的带宽，λ′_c为业务连接c在灾后话务突发期分配的工作带 宽，为业务连接c的原始带宽需求，b_c为业务连接c在灾后话务突发期的带宽 需求。

进一步的，所述步骤102利用启发式算法对集合C_d中的业务连接进行重路 由和/或保护路由计算包括步骤：

1)释放受损业务连接集合C_d中业务连接的带宽资源，更新网络资源状态；

2)更新全网的链路代价c_l，如式(4)所示，其中，r_l为链路l的可靠性，w_l为链路l上的工作带宽，W为链路l上的总带宽容量，并设权重系数m为大于1的 正整数；

3)对集合C_d中的业务连接按业务等级k降序排列，并依次对每一业务连接 做如下操作：利用Dijkstra算法为当前业务连接寻找一条最小代价路作为工作 通路，并计算工作通路可靠性如果此时该业务连接的可靠性如果则再次利用Dijkstra算法为该业务连接寻找一条与链路分离的最 小代价路作为保护通路，计算该保护通路可靠性此时该业务连接的可靠 性

进一步的，所述步骤103针对原始带宽需求的资源分配MILP模型I的目 标函数为：

公式(5)包含两部分：第一部分用 于最大化各等级受损业务的带宽分配，第二部分(α₃+0.1α₂+0.01α₁)用于最大化 不同等级业务的最小带宽恢复度门限。权重系数{1，0.1，0.01}用于区分不同等 级业务的带宽分配优先级；

约束条件为：

公式(6)给定不同等级业务连接分配的工作带宽范围，其中，λ_c表示受损 业务连接c在原始带宽需求下分配的工作带宽，α_k表示k类业务连接的最小带宽 恢复度门限，为业务连接c的原始带宽需求；

β_c＝λ_c,c∈C_p (7)

公式(7)确保在保护通路上分配的带宽与相应的工作通路带宽一致，其中， β_c为业务连接c分配的保护通路带宽；

0≤α₁≤α₂≤α₃≤1 (8)

公式(8)确定不同等级业务连接的最小带宽恢复度关系及取值范围；

公式(9)为链路容量约束，即链路l上分配的带宽资源不超过链路l上的带 宽总量。

进一步的，所述步骤103原始带宽需求的资源分配完成后，将MILP模型I 中的输出变量λ_c作为MILP模型II的输入变量，针对灾后话务突发期的带宽增 配MILP模型II的目标函数为：

公式(10)用于最大化各等级业务的带宽分配，其中，λ′_c为灾后话务突发 期业务连接c分配的工作带宽，权重系数{1，0.1，0.01}用于区分不同等级业务 的带宽增配优先级；

约束条件为：

公式(11)给定集合C_s中业务连接分配的工作带宽范围；

λ_c≤λ′_c≤b_c，c∈C_d (12)

公式(12)给定集合C_d中业务连接分配的工作带宽范围；

β_c′＝λ′_c,c∈C_p (13)

公式(13)确保在保护通路上分配的带宽与相应的工作通路带宽一致，其 中，β_c′为灾后话务突发期业务连接c分配的保护通路带宽；

公式(14)为链路容量约束，即链路l上分配的带宽资源不超过该链路的带 宽总量。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明算法针对地震等大规模灾难对光网络造成的严重损毁，在动态概率 损毁模型的基础上，为不同等级的业务连接提供区分可靠性的恢复和(或)保 护配置。根据不同的业务等级设定相应的可靠性门限，利用启发式算法对受损 业务连接(中断的或暂未中断但可靠性低于门限的业务连接)进行重路由和/或 保护路由计算，根据不同等级业务的原始带宽需求和灾后话务突发期的带宽增 配需求，利用MILP(混合整数线性规划)模型进行网络带宽资源的最优分配， 从而在维持业务可靠性等级的基础上，降低业务连接的中断率和话务损失率。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例灾难状态下维持业务可靠性等级的光网络抗毁算法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

其中，设|K|＝3，K＝{1,2,3}，k＝1表示普通业务，k＝2表示高级业务，k＝3 表示紧急业务。

本发明内容所涉及的概念和模型如下：

1.网络模型

光网络G(N,L)中，N表示网络中所有节点的集合，L表示网络中所有链路 的集合，C为网络中所有业务连接的集合。假设网络中的每个节点都具有完全的 波长转换能力，每条链路都具有相同的带宽容量W。定义链路l(∈L)的可靠性为 r_l∈[0,1)，当灾难事件发生时，涉灾区域及周边地区的链路可靠性r_l将发生相应 变化。

2.业务可靠性分析

假设网络中任意一条通路的可靠性为R，则R的计算如式(1)所示。当业 务连接c(∈C)只有一条工作通路时，该业务连接的可靠性R_c定义如式(2)所示； 当业务连接c包含一条工作通路和一条保护通路时，该业务连接的可靠性R_c定义 如式(3)所示。其中分别表示工作通路和保护通路的可靠性，其计算 方法同式(1)。

3.本发明技术方案如下：

在灾难事件发生前，网络G(N,L)中的每个业务连接c均由一条带宽为的 工作通路构成，其可靠性R_c均大于或等于相应业务等级的可靠性门限s_k。当 大规模灾难事件(如：地震等)对网络造成严重损毁(光纤链路出现断裂或可 靠性下降)时，将网络中的受损业务连接(中断的和暂未中断但可靠性低于门 限s_k的业务连接)放入集合C_d，未受损业务连接放入集合C_s。

具体方案如下：

1.路由方案

利用启发式算法对集合C_d中的业务连接进行重路由和/或保护路由计算。

1)释放集合C_d中业务连接的带宽资源，更新网络资源状态；

2)更新全网的链路代价c_l，如式(4)所示。其中，w_l为链路l上的工作带 宽，W为链路l上的总带宽容量，并设权重系数m为大于1的正整数；

3)对集合C_d中的业务连接按业务等级k降序排列，并依次对每一业务连接 做如下操作：利用Dijkstra算法为当前业务连接寻找一条最小代价路作为工作 通路，并计算该工作通路可靠性如果此时该业务连接的可靠性 如果则再次利用Dijkstra算法为该业务连接寻找一条与链路 分离的最小代价路作为保护通路，计算该保护通路可靠性此时该业务连 接的可靠性

2.资源分配方案

根据不同等级业务的原始带宽需求和灾后话务突发期的带宽增配需求，分 别利用MILP(混合整数线性规划)模型I和MILP(混合整数线性规划)模型 II进行网络带宽资源的最优分配；

输入：

·L：双向链路集合{l}；

·C：业务连接集合{c}，不包括源、宿节点损毁的业务连接，1≤c≤|C|；

·C_k：k类业务连接集合，设：C₁为普通业务连接集合，C₂为高级业务连接集合， C₃为紧急业务连接集合，

·C_s：未受损业务连接集合，

·C_d：受损业务连接集合，

·C_p：配置保护通路的业务连接集合，

·C_l：经过链路l的业务连接集合，

·W：每条链路的带宽容量，设带宽单位为波长；

·业务连接c的原始带宽需求；

·b_c：业务连接c在灾后话务突发期的带宽需求；

·k：业务等级。设k＝{1,2,3}，其中，1代表普通业务，2代表高级业务，3 代表紧急业务；

输出：

·λ_c：受损业务连接c在原始带宽需求下分配的工作带宽，c∈C_d；

·λ′_c：业务连接c在灾后话务突发期分配的工作带宽，c∈C；

·α_k：k类业务连接的最小带宽恢复度门限；

·β_c：集合C_p中业务连接c分配的保护通路带宽；

·β_c′：在灾后话务突发期，集合C_p中业务连接c分配的保护通路带宽。

1)针对原始带宽需求的资源分配MILP模型I

目标函数：

公式(5)包含两部分：第一部分用于最大化各等级受损业务的带宽分配， 第二部分用于最大化不同等级业务的最小带宽恢复度门限。权重系数{1，0.1， 0.01}用于区分不同等级业务的带宽分配优先级。

约束条件：

公式(6)给定不同等级业务连接分配的工作带宽范围。

β_c＝λ_c,c∈C_p (7)

公式(7)确保在保护通路上分配的带宽与相应的工作通路带宽一致。

0≤α₁≤α₂≤α₃≤1 (8)

公式(8)确定不同等级业务连接的最小带宽恢复度关系及取值范围。

公式(9)为链路容量约束，即链路l上分配的带宽资源不超过链路l上的带 宽总量。

2)针对灾后话务突发期的带宽增配MILP模型II

原始带宽需求下的资源分配完成后，针对灾后话务突发期的带宽增配，将 MILP模型I中的输出变量λ_c作为MILP模型II的输入变量。

目标函数：

公式(10)用于最大化各等级业务的带宽分配，权重系数{1，0.1，0.01}用 于区分不同等级业务的带宽增配优先级。

约束条件：

公式(11)给定集合C_s中业务连接分配的工作带宽范围。

λ_c≤λ′_c≤b_c，c∈C_d (12)

公式(12)给定集合C_d中业务连接分配的工作带宽范围。

β_c′＝λ′_c,c∈C_p (13)

公式(13)确保在保护通路上分配的带宽与相应的工作通路带宽一致。

公式(14)为链路容量约束，即链路l上分配的带宽资源不超过该链路的带 宽总量。

在带宽配置完成后，对于具有保护通路的业务连接，如果(或λ′_c＜b_c)， 则可在话务分配时征用部分或全部保护带宽，与工作通路上分配的带宽一起承 载所需的工作话务，以降低灾损网络的话务损失率。

一种灾难状态下维持业务可靠性等级的光网络抗毁算法，在灾难事件发生 前，网络G(N,L)中的每个业务连接c均由一条带宽为的工作通路构成， 其可靠性R_c均大于或等于相应业务等级的可靠性门限S_k，N代表网络中所有节 点的集合，L代表网络中所有双向链路的集合，k为业务连接c的业务等级， K＝{1,2,…,k}，k值越大表示业务等级越高，有S₁<S₂<…<S_k，其光网络抗 毁算法包括以下步骤：

101、当大规模灾难事件对网络造成严重损毁即光纤链路出现断裂或可靠 性下降时，将网络中的受损业务连接放入集合C_d，所述受损业务包括中断的业 务连接和暂未中断但可靠性低于门限S_k的业务连接，未受损业务连接放入集合 C_s；

102、利用启发式算法对集合C_d中的业务连接进行重路由和/或保护路由计 算：

1)释放集合C_d中业务连接的带宽资源，更新网络资源状态；

2)更新全网的链路代价c_l，令其中，l表示链 路，l∈L，r_l表示链路的可靠性，w_l表示链路l已占有的带宽资源，W为链路l上 的总带宽容量，权重系数m为大于1的正整数；

3)对集合C_d中的业务连接按业务等级k降序排列，并依次对C_d中的每一业 务连接做如下操作：利用Dijkstra算法为当前业务连接寻找一条最小代价路作 为工作通路，并计算工作通路可靠性如果此时该业务连接的可靠 性如果则再次利用Dijkstra算法为该业务连接寻找一条与链 路分离的最小代价路作为保护通路，并计算该保护通路可靠性此时该业 务连接的可靠性

103、根据不同等级业务的原始带宽需求和灾后话务突发期的带宽增配需 求，分别利用MILP模型I和MILP模型II进行网络带宽资源的最优分配：

1)MILP模型I以

为目标函数，为 集合C_d中的业务连接分配工作带宽资源，配置方法如公式：为集合C_d中存在保护通路的业务连接分配保护带宽资源，配置方法如公式：β_c＝λ_c。 其中，λ_c为业务连接c在工作通路上实际分配的带宽，β_c为业务连接c在保护通 路上分配的带宽，为业务连接c的原始工作带宽需求，α_k为k类业务连接在其 工作通路上的带宽分配比例，有1≤α₁≤α₂≤α₃≤0；

2)在完成1)后，如果网络中出现灾后话务激增的情况(如：抢险救灾、 灾情咨询等突发话务)，则采用MILP模型II，以为 目标函数，为未受损集合C_s中的业务连接增配工作带宽，增配方法如公式 为受损集合C_d中的业务连接增配工作带宽和保护带宽，增配方法如 公式：λ_c≤λ′_c≤b_c，β_c＝λ′_c(MILP模型I中的输出变量λ_c作为MILP模型II的输 入变量)，其中，λ′_c为业务连接c在灾后话务突发期分配的工作带宽，为业务 连接c的原始带宽需求，b_c为业务连接c在灾后话务突发期的带宽需求。

104、在步骤103所述的带宽分配完成后，对于具有保护通路的业务连接， 如果(或λ′_c＜b_c)，则可在话务分配时征用部分或全部保护带宽，与工作通 路上分配的带宽一起承载所需的工作话务，以降低灾损网络的话务损失率。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范 围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或 修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种灾难状态下维持业务可靠性等级的光网络抗毁算法，在灾难事件发生前，网络G(N,L)中的每个业务连接c均由一条带宽为的工作通路P_c ^w构成，其可靠性R_c均大于或等于相应业务等级的可靠性门限S_k，N代表网络中所有节点的集合，L代表网络中所有双向链路的集合，k为业务连接c的业务等级，K＝{1,2,…,k}，k值越大表示业务等级越高，且有S₁＜S₂＜…＜S_k，其特征在于，光网络抗毁算法包括以下步骤：

101、当大规模灾难事件对网络造成严重损毁即光纤链路出现断裂或可靠性下降时，将网络中的受损业务连接放入集合C_d，所述受损业务包括中断的业务连接和暂未中断但可靠性低于门限S_k的业务连接，未受损业务连接放入集合C_s；

102、利用启发式算法对集合C_d中的业务连接进行重路由和/或保护路由计算；

103、根据不同等级业务的原始带宽需求，利用MILP混合整数线性规划模型I进行网络带宽资源的最优分配；对于灾后话务突发期的带宽增配需求，利用MILP混合整数线性规划模型II进行网络带宽资源的最优分配；

104、在步骤103所述的带宽资源分配完成后，如果或λ′_c＜b_c，则可在话务分配时征用部分保护带宽或全部保护带宽，与工作通路上分配的带宽一起承载所需的工作话务，以降低灾损网络的话务损失率，其中，λ_c为业务连接c在工作通路上实际分配的带宽，λ′_c为业务连接c在灾后话务突发期分配的工作带宽，为业务连接c的原始带宽需求，b_c为业务连接c在灾后话务突发期的带宽需求。

2.根据权利要求1所述的灾难状态下维持业务可靠性等级的光网络抗毁算法，其特征在于，所述步骤102利用启发式算法对集合C_d中的业务连接进行重路由和/或保护路由计算包括步骤：

1)释放受损业务连接集合C_d中业务连接的带宽资源，更新网络资源状态；

2)更新全网的链路代价c_l，如式(4)所示，其中，r_l为链路l的可靠性，w_l为链路l上的工作带宽，W为链路l上的总带宽容量，并设权重系数m为大于1的正整数；

3)对集合C_d中的业务连接按业务等级k降序排列，并依次对每一业务连接做如下操作：利用Dijkstra算法为当前业务连接寻找一条最小代价路作为工作通路，并计算该工作通路可靠性如果此时该业务连接的可靠性如果则再次利用Dijkstra算法为该业务连接寻找一条与链路分离的最小代价路作为保护通路，计算该保护通路可靠性此时该业务连接的可靠性

3.根据权利要求1或2所述的灾难状态下维持业务可靠性等级的光网络抗毁算法，其特征在于，所述步骤103针对原始带宽需求的资源分配MILP模型I的目标函数为：

公式(5)包含两部分：第一部分用于最大化各等级受损业务的带宽分配，第二部分(α₃+0.1α₂+0.01α₁)用于最大化不同等级业务的最小带宽恢复度门限，权重系数{1，0.1，0.01}用于区分不同等级业务的带宽分配优先级；

约束条件为：

公式(6)给定不同等级业务连接分配的工作带宽范围，其中，λ_c表示受损业务连接c在原始带宽需求下分配的工作带宽，α_k表示k类业务连接的最小带宽恢复度门限，为业务连接c的原始带宽需求；

β_c＝λ_c,c∈C_p (7)

公式(7)确保在保护通路上分配的带宽与相应的工作通路带宽一致，其中，β_c为业务连接c分配的保护通路带宽；

0≤α₁≤α₂≤α₃≤1 (8)

公式(8)确定不同等级业务连接的最小带宽恢复度关系及取值范围；

公式(9)为链路容量约束，即链路l上分配的带宽资源不超过链路l上的带宽总量。

4.根据权利要求3所述的灾难状态下维持业务可靠性等级的光网络抗毁算法，其特征在于，所述步骤103原始带宽需求的资源分配完成后，将MILP模型I中的输出变量λ_c作为MILP模型II的输入变量，针对灾后话务突发期的带宽增配MILP模型II的目标函数为：

公式(10)用于最大化各等级业务的带宽分配，其中，λ′_c为灾后话务突发期业务连接c分配的工作带宽，权重系数{1，0.1，0.01}用于区分不同等级业务的带宽增配优先级；

约束条件为：

公式(11)给定集合C_s中业务连接分配的工作带宽范围；

λ_c≤λ′_c≤b_c，c∈C_d (12)

公式(12)给定集合C_d中业务连接分配的工作带宽范围；

β′_c＝λ′_c,c∈C_p (13)

公式(13)确保在保护通路上分配的带宽与相应的工作通路带宽一致，其中，β′_c为灾后话务突发期业务连接c分配的保护通路带宽；

公式(14)为链路容量约束，即链路l上分配的带宽资源不超过该链路的带宽总量。