CN107493130B - 一种数据中心网络中链路可生存性保护的方法 - Google Patents

一种数据中心网络中链路可生存性保护的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种数据中心网络中链路可生存性保护的方法，包括：数据中心网络拓扑中的任意节点要么有2个分支在圈上，要么没有分支在圈上的定义，定义预置圈为利用网络中链路的空闲带宽预先形成的环，规定每个圈集中只允许一个圈被保留并用作预置圈；采用斥圈法从所有圈集中找出预置圈；预先分配给预置环的光波束，给每个预置圈分配合适的预置带宽，满足100％链路保护同时使预置圈的总代价最小；当某条链路损坏时，立即根据如下预定的倒换动作建立新的通路：当预置圈上的某条链路失效后，直接切换到圈的另一侧继续进行传输；当横跨在预置圈上的某条跨接链路失效后，直接切换到跨接链路分割的圈的任一侧继续进行传输。

Description

一种数据中心网络中链路可生存性保护的方法
技术领域
本发明涉及一种数据中心网络中链路可生存性保护的方法。
背景技术
数据中心是云服务的支撑平台。随着云服务的快速发展，数据中心的规模越来越庞大，导致系统功耗过高。如果采用光纤来替换传统的电缆连接，数据中心的总功耗可以节省70％以上，因此采用光连接的数据中心成为未来技术发展的主要方向，为高性能、大容量、节能的数据中心提供了一个可行的解决方案。然而，一旦数据中心节点间的光纤链路断裂或失效，就会导致业务数据的大量丢失，从而极大的影响数据中心的服务质量。例如，一根包含40个波长通道的光纤，每个通道的传输速率按照常规的 10Gbps进行计算，如果该光纤被切断，则会导致几十亿路通信受到影响。而数据中心网络中的链路可生存性保护指网络中的链路发生任何故障后，能够快速找到替代路径使受影响的业务倒换到其它的空闲资源上，重新建立通信。通过网络自身具备的自愈能力使用户几乎感觉不到故障的发生，从而减少因故障造成的经济损失和社会影响。可见链路可生存性保护对数据中心网络而言意义重大。
目前，数据中心网络最常用的链路保护机制是预置圈，它是一种基于环结构的保护方案，利用空闲资源预先设置的环形通道来实现数据中心网络中链路的快速保护，它区别于其他如增强环法、单向环双重覆盖法等。传统的预置圈算法需要首先通过枚举圈来形成一个候选集，然后通过整数线性规划 ILP(Integer Linear Program)约束从候选集中找出一组预置圈。此算法的缺点在于，当网络的尺寸不断增大时，不仅候选集的枚举需要耗费大量的时间，而且ILP的解空间的约束值呈指数增长。因此恢复时间比较长，不能及时实现网络中链路的可生存性保护。尤其是对数据中心网络而言，由于网络的高速率、高带宽特性，对恢复时间要求比较严格。
故此，本发明提出了一种预置圈一次性快速形成的方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有环结构保护方案的不足，提供一种数据中心网络中链路可生存性保护的方法。本发明通过圈定义、斥圈法构建ILP约束，从而快速得出一批合适的预置圈来实现数据中心网络中链路可生存性保护方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种数据中心网络中链路可生存性保护的方法，它包括如下步骤：
S1：数据中心网络拓扑中的任意节点要么有2个分支在圈上，要么没有分支在圈上的定义，每次形成一组不相邻的圈集CSj，规定形成J组CSj，j∈{1，2，...，J}，定义预置圈为利用网络中链路的空闲带宽预先形成的环，J也表示规定的预置圈的最大数目，且规定每个圈集中只允许一个圈被保留并用作预置圈；
S2：采用斥圈法从所有圈集中找出J个预置圈，实现步骤为：
S21：将圈上的分支定义成向量，CSj中各个圈上的每个分支(u，v)最多只有一个方向，用u→v,或者v→u来表示；
S22：将每个圈上向量u→v，节点u定义为头，节点v定义为尾，给每个节点都临时标上压强值p，第j个圈集节点u的压强定义为
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000021
第j个圈集节点v的压强制定义
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000022
θ是一个二进制变量，当向量u→v 属于第j个圈集上链路时
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000023
否则
Figure DEST_PATH_GDA00014570818300000211
向量v→u也是同样道理；斥圈法要求尾的压强值一定要高于头的压强值,其约束条件为：
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000026
其中α表示压强值增加的幅度；
S23：若同一圈上两个向量的尾节点相同，则这个尾节点被叫做翻转节点；若同一个圈上两个向量的头节点相同，则这个头节点被叫做根节点；只有当圈上存在一对根节点-翻转节点时，圈上所有向量的压强值都遵守尾高于头的约束，否则在圈上的某些向量头尾节点会有压强冲突，舍弃网络拓扑中有压强冲突的圈得出J个预置圈；
S3：预先分配给预置环的光波束，给每个预置圈分配合适的预置带宽，满足100％链路保护同时使预置圈的总代价最小；
S4：当某条链路损坏时，立即根据如下预定的倒换动作建立新的通路：当预置圈上的某条链路失效后，直接切换到圈的另一侧继续进行传输；当横跨在预置圈上的某条跨接链路失效后，直接切换到跨接链路分割的圈的任一侧继续进行传输。
其中，步骤S3的约束条件为：
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000024
此约束为使预置圈的总代价最小，其中cuv代表链路(u，v)添加单位预置带宽的代价；
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000025
此约束为使链路实现100％保护，其中
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000027
代表链路(u，v) 出现故障时，可被第j个圈保护时
Figure DEST_PATH_GDA00014570818300000210
否则
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000029
luv代表链路(u，v)上的流量
本发明的实质性特点是：首先提出一个圈定义来寻找圈集，然后通过斥圈法在圈集中选出一批合适的预置圈。由于不需要枚举圈而是直接通过前面提出的圈定义和斥圈法构建ILP约束来解预置圈，因此随着网络尺寸的增大，此方案的ILP解空间的约束值呈线性增长，这可以显著减小恢复时间。同时考虑了在100％链路保护同时使预置圈的总代价最小，降低网络建设和运营的成本。有益效果是：
(1)提出的圈定义、斥圈法能快速、高效的寻找到一组合适的圈，实现业务的快速保护；
(2)在实现链路100％保护同时使预置圈的总代价最小；
(3)每个预置圈都只对其圈上链路和跨接边提供保护，一旦故障发生，可以立即按照预定的倒换动作建立新的通路，免除了信令控制，因此操作十分简单，也容易实现。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为圈上向量、电压、翻转与根节点示意图。其中(a)圈集中的一个预置圈；(b)节点v处有翻转；(c)节点u处有翻转；(d)节点r压强有冲突；
图3为预置圈保护圈上链路的示意图；其中(a)正常工作时；(b)失效后；
图4为预置圈保护跨界边的示意图；其中(a)正常工作时；(b)失效后；
图5为运用快速预置圈设计实现链路的可生存性保护示意图；其中(a)数据中心网络拓扑；(b)预置圈设计。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
图2展示了圈上向量、压强、翻转与根节点定义的示意图，图3、4分别展示了预置圈保护圈上链路和跨接链路的示意图，图5给了一个节点为10，链路为26的数据中心网络拓扑，以及每条链路上的流量，应用快速预置圈设计实现链路的可生存性保护，以下给出其ILP过程的具体实现方式：
为了将所要解决的问题公式化，我们首先根据网络参数和已知条件，定义如下表1所示的符号表示量：
表1快速预置圈设计中ILP常量定义
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000031
另外，为了构建ILP，根据快速预置圈的设计思路，需要定义如下表2所示的符号变量：
表2快速预置圈设计中ILP变量定义
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000032
根据上面的定义的符号变量，我们构建如下的ILP问题：
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000033
s.t.
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000035
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000036
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000037
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000041
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000044
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000042
Figure DEST_PATH_GDA0001457081830000043
其中式(1-1)为目标函数，要求使所有预置圈的总代价最小。约束式(1-2)表示在预置圈中的每个链路(u，v)只能用u→v或者v→u中的一个方向来表示。约束式(1-3)使用向量来定义圈集，规定网络中的每个节点在圈上的向量只能有2个或0个。约束式(1-4)使网络中的每个链路都满足100％的保护。约束式(1-5)规定在每个预置圈中都只能有一个根节点。约束式(1-6)规定只有根节点才可以作为多个向量的头，而其它的节点最多只能是一个向量的头，因此确保了每个预置圈中只能有一对根节点 -翻转节点。约束式(1-7)规定尾向量的压强值比头向量的大。约束式(1-8)规定若一个链路能够被预置圈保护，那么它的两个节点必须都在此圈上。

Claims (2)

1.一种数据中心网络中链路可生存性保护的方法，它包括如下步骤：
S1：数据中心网络拓扑中的任意节点要么有2个分支在圈上，要么没有分支在圈上，每次形成一组不相邻的圈集CSj，规定形成J组CSj，j∈{1，2，...，J}，定义预置圈为利用网络中链路的空闲带宽预先形成的环，J也表示规定的预置圈的最大数目，且规定每个圈集中只允许一个圈被保留并用作预置圈；
S2：采用斥圈法从所有圈集中找出J个预置圈，实现步骤为：
S21：将圈上的分支定义成向量，CSj中各个圈上的每个分支(u，v)最多只有一个方向，用u→v,或者v→u来表示；
S22：将每个圈上向量u→v，节点u定义为头，节点v定义为尾，给每个节点都临时标上压强值p，第j个圈集节点u的压强定义为
Figure FDA0002269369960000011
第j个圈集节点v的压强定义为
Figure FDA0002269369960000012
θ是一个二进制变量，当向量u→v属于第j个圈集上链路时
Figure FDA0002269369960000013
否则
Figure FDA0002269369960000014
向量v→u也是同样道理；斥圈法要求尾的压强值一定要高于头的压强值,其约束条件为：
Figure FDA0002269369960000015
其中α表示压强值增加的幅度；
S23：若同一圈上两个向量的尾节点相同，则这个尾节点被叫做翻转节点；若同一个圈上两个向量的头节点相同，则这个头节点被叫做根节点；只有当圈上存在一对根节点-翻转节点时，圈上所有向量的压强值都遵守尾高于头的约束，否则在圈上的某些向量头尾节点会有压强冲突，舍弃网络拓扑中有压强冲突的圈得出J个预置圈；
S3：预先分配给预置环的光波束，给每个预置圈分配合适的预置带宽，满足100％链路保护同时使预置圈的总代价最小；
S4：当某条链路损坏时，立即根据如下预定的倒换动作建立新的通路：当预置圈上的某条链路失效后，直接切换到圈的另一侧继续进行传输；当横跨在预置圈上的某条跨接链路失效后，直接切换到跨接链路分割的圈的任一侧继续进行传输。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3的约束条件为：
Figure FDA0002269369960000016
此约束为使预置圈的总代价最小，其中cuv代表链路(u，v)添加单位预置带宽的代价；
Figure FDA0002269369960000017
此约束为使链路实现100％保护，其中
Figure FDA00022693699600000110
代表链路(u，v)出现故障时，可被第j个圈保护时
Figure FDA0002269369960000018
否则
Figure FDA0002269369960000019
luv代表链路(u，v)上的流量。
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