CN108260033B - 一种多域光网络安全组播波长分配方法及系统 - Google Patents

一种多域光网络安全组播波长分配方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多域光网络安全组播波长分配方法及系统，引入带内串扰攻击传播半径ICAPR的概念，用来定量描述了光网络的带内串扰攻击传播的最坏情况的程度，然后在此基础上将多个组播请求的波长分配问题转化为经典指派问题，通过匈牙利方法对该问题进行求解。该方法可在多项式时间内获得安全性较高的波长分配方案，同时可降低连接阻塞率和提高系统波长资源的利用率。

Description

一种多域光网络安全组播波长分配方法及系统
技术领域
本发明属于光网络技术领域，涉及一种多域光网络安全组播波长分配方法及系统。
背景技术
当前，互联网技术发展日新月异，光网络的应用也越来越广泛，其规模也在不断的增大，具有分层分域结构特征的智能光网络ASON开始被广泛应用。但是透明光网络中使用的主要部件存在较多的弱点，如光纤中的衰减和非线性效应，特别是光放大器的增益竞争以及开关中的串扰，一旦发生故障或有恶意信号进行攻击就可能会导致多个连接的中断，使得大量数据丢失或损坏。恶意用户可以利用这些漏洞创建针对服务质量(QoS)恶化或服务拒绝，流量分析或窃听实现恶意的物理层攻击，从而严重损害网络的正常运行。此外，由于没有光-电-光(OEO)转换，网络中的中间节点不能告知传输通信量，这使得恶意信号可能通过网络传播而不能被有效检测。因此，在组播路由和波长分配(MC-RWA，MulticastRouting and Wavelength Assignment)中，如何保证数据传输的安全性是实现光层组播的关键问题。一般我们将该问题分为路由子问题和波长分配子问题，如果在光网络中波长分配不当，将会引起阻塞率升高以及网络容量降低等衍生问题。
根据处理组播连接请求数的不同，我们把MC-RWA方法分为以下两种类型：基于单个组播请求和多个组播请求的MC-RWA方法。单个组播请求的MC-RWA方法的主要目标是实现其自身的优化，而在多个组播请求的MC-RWA问题中，我们不但需要考虑满足单个组播的需求，并且需要考虑对整个光网络的影响，对组播请求组合实现最优化。
许多文献介绍了基于多组播请求的MC-RWA波长分配问题的解决方法，现有方法中的基于整数线性规划的基于ILP的整数方法，在波长利用率和方面相比于其他波长分配方法有明显优势，但是该方法并未考虑为光网络提供足够的安全性保护；现有的将组播波长分配子问题描述为顶点着色问题，但是该方法仅考虑了节点只有预先给定的静态业务的情形；基于IRES策略的波长分配方法，该方法根据预定时间段内到达各等级业务的比例不同更新各等级业务的预留波长数,并与引入不同等级业务剩余波长率后的改进ERLH方法相结合，能够使方法在波长分配时兼顾考虑相应等级业务的网络资源使用情况，可以有效降低网络阻塞率,使资源得以更为充分的利用，但是并未考虑在多域环境下运行的情况；高功率光串扰约束的IRC_RWA方法，能够将光交换机中发生的串扰的危害减轻到最低，在面临攻击情况下，在阻塞率上具有优于经典方法的性能，但是在多层多域光网络环境中，由于域间业务量多于域内业务量，串扰攻击对于域间和域内链路的影响则区别很大。因此，文献中介绍的组播波长分配方法需要经过修改才可以应用到多域光网络。
在多组播请求未预先给定情况下，可根据优化目标将组播波长分配方法分为以下两类：波长使用数量最小化与网络容量最大化。由于这些波长分配方法以逐个的形式处理多个同时到达的组播请求，因此这很难在静态业务和动态业务同时存在的多组播请求光网络中获得整体最优的波长分配方案。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种多域光网络安全组播波长分配方法，该方法可在多项式时间内获得安全性较高的波长分配方案，同时可降低连接阻塞率和提高系统波长资源的利用率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多域光网络安全组播波长分配方法，包括以下步骤：
步骤一，无向赋权图G中包括多个原有的组播树，获取无向赋权图G中的所有的可用波长；给定k个新加入的组播树；
步骤二，计算无向赋权图G中可用波长的波长使用率；
步骤三，将所有计算得到的波长使用率由高到低进行排序，选取前k个波长使用率对应的波长作为待分配波长；
步骤四，针对每一个待分配波长，求该待分配波长与每个新加入的组播树的ICAPR值；所有ICAPR值形成ICAPR矩阵，ICAPR矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的ICAPR矩阵序号；其中，待分配波长与新加入的组播树的ICAPR值的计算方法如下：
待分配波长用λ表示，新加入的组播树用t表示；
选取使用该待分配波长λ的原有的组播树，统计新加入的组播树t和使用该待分配波长λ的原有的组播树之间的能够被攻击的所有分支链路的数量，将该数量作为该待分配波长λ和新加入的组播树t之间的ICAPR值；
步骤五，对ICAPR矩阵采用匈牙利方法进行处理，得到波长分配矩阵，波长分配矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的序号，波长分配矩阵中的元素1对应的行号表示的待分配波长即为分配给元素1对应的列号表示的组播树的波长。
具体地，所述步骤二中的计算无向赋权图G中可用波长的波长使用率，具体方法如下：
每个组播树对应一个T域，T域内包括多个链路；每个T域中包括一个cPCE，利用cPCE统计得到其对应T域内的TE信息，该TE信息包括T域内所有链路上的可用波长；
pPCE根据TE信息，统计无向赋权图G中的每个可用波长对应的链路；统计每个可用波长所对应的链路包含的组播树的数量，该组播树的数量除以总的原有的组播树的个数，即为该可用波长的波长使用率。
具体的，所述步骤四中的统计新加入的组播树t和使用该待分配波长λ的原有的组播树之间的能够被攻击的所有分支链路的数量，方法如下：
统计一次攻击光路的数量，一次攻击光路指的是新加入的组播树t的所有分支链路；
获取新加入的组播树t与使用该待分配波长λ的原有的组播树的共享节点，统计共享节点下游的二次攻击光路的数量，二次攻击光路指的是能够被一次攻击光路攻击的分支链路；
统计能够被二次攻击光路攻击的三次攻击光路的数量；以此类推，统计能够被N-1次攻击光路攻击的N次攻击光路的数量,N次攻击光路中的末端节点不再有分支链路；
统计一次攻击光路至N次攻击光路中所有攻击光路的数量，作为该待分配波长λ和新加入的组播树t之间的ICAPR值。
本发明的另一个方面提供一种多域光网络安全组播波长分配系统，包括以下模块：获取可用波长模块、计算波长使用率模块、获取待分配波长模块、计算ICAPR矩阵模块和波长分配模块，其中，
获取可用波长模块，用于实现以下功能：
无向赋权图G中包括多个原有的组播树，获取无向赋权图G中的所有的可用波长；给定k个新加入的组播树；
计算波长使用率模块，用于实现以下功能：
计算无向赋权图G中可用波长的波长使用率；
获取待分配波长模块，用于实现以下功能：
将所有计算得到的波长使用率由高到低进行排序，选取前k个波长使用率对应的波长作为待分配波长；
计算ICAPR矩阵模块，用于实现以下功能：
针对每一个待分配波长，求该待分配波长与每个新加入的组播树的ICAPR值；所有ICAPR值形成ICAPR矩阵，ICAPR矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的ICAPR矩阵序号；其中，待分配波长与新加入的组播树的ICAPR值的计算方法如下：
待分配波长用λ表示，新加入的组播树用t表示；
选取使用该待分配波长λ的原有的组播树，统计新加入的组播树t和使用该待分配波长λ的原有的组播树之间的能够被攻击的所有分支链路的数量，将该数量作为该待分配波长λ和新加入的组播树t之间的ICAPR值；
波长分配模块，用于实现以下功能：
对ICAPR矩阵采用匈牙利方法进行处理，得到波长分配矩阵，波长分配矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的序号，波长分配矩阵中的元素1对应的行号表示的待分配波长即为分配给元素1对应的列号表示的组播树的波长。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：本发明引入带内串扰攻击传播半径ICAPR的概念，用来定量描述了光网络的带内串扰攻击传播的最坏情况的程度，然后在此基础上将多个组播请求的波长分配问题转化为经典指派问题，通过匈牙利方法对该问题进行求解。该方法可在多项式时间内获得安全性较高的波长分配方案，同时可降低连接阻塞率和提高系统波长资源的利用率。
附图说明
图1是不同方法下得到的ICAPR值；
图2是不同方法下得到的平均ICAPR值；
图3是场景TS2中方法使用波长数与平均ICAPR的关系；
图4是场景TS5中方法使用波长数与平均ICAPR的关系。
下面结合附图和具体实施方式对本发明的方法作进一步详细地解释和说明。
具体实施方式
本发明方法的目标是通过给新加入的组播树分配合理的波长实现尽量减少带内串扰攻击传播的最大范围。定义网络的带内串扰攻击传播的最坏情况的度量，即某一光路(LPi)能够受到带内串扰攻击传播的干扰信号影响的光路的最大数量，称之为带内串扰攻击传播半径ICAPR(Inband crosstalk attack propagation radius)。
本发明的基于ICAPR的多域光网络安全组播波长分配方法，包括以下步骤：
步骤一，无向赋权图G中包括多个原有的组播树，获取无向赋权图G中的所有的可用波长；给定k个新加入的组播树；
给定无向赋权图G＝(V,E)；V是无向赋权图G中所有的节点，E是无向赋权图的边；无向赋权图反应了所有原有的组播树之间的拓扑关系；新加入的组播树形成组播树集合T＝{T1,T2,…,Ti,…,Tk}，其中，Ti表示第i个新加入的组播树。
步骤二，计算无向赋权图G中可用波长的波长使用率。
每个组播树对应一个T域，T域内包括多个链路；每个T域中包括一个cPCE(子路径计算单元)，利用cPCE统计得到其对应T域内的TE信息，该TE信息包括T域内所有链路上的可用波长；
无向赋权图G中包括一个pPCE(父路径计算单元)，pPCE(父路径计算单元)能够根据TE信息，统计无向赋权图G中的每个可用波长对应的链路；统计每个可用波长所涉及的链路包含的组播树的数量，该组播树的数量除以总的原有的组播树的个数，即为该可用波长的波长使用率。
步骤三，对所有计算得到的波长使用率由高到低进行排序，选取前k个波长使用率对应的波长作为待分配波长。
若选择出来的波长为不可用波长，不可用波长指的是该波长与新加入的组播树与原有的组播树的共享链路上的波长发生冲突，则去除该波长，在排序后的波长使用率中选择第k+1个波长使用率对应的波长作为重新选择的待分配波长。
步骤四，针对每一个待分配波长，求该待分配波长与每个新加入的组播树的ICAPR值；所有ICAPR值形成ICAPR矩阵，ICAPR矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的序号；其中，待分配波长与新加入的组播树的ICAPR值的计算方法如下：
待分配波长用λ表示，新加入的组播树用t表示；
选取使用该待分配波长λ的原有的组播树，统计新加入的组播树t和使用该待分配波长λ的原有的组播树之间的能够被攻击的所有分支链路的数量，将该数量作为该待分配波长λ和新加入的组播树t之间的ICAPR值；
具体地，统计新加入的组播树t和使用该待分配波长λ的原有的组播树之间的能够被攻击的所有分支链路的数量，方法如下：
统计一次攻击光路的数量，一次攻击光路指的是新加入的组播树t的所有分支链路；
获取新加入的组播树t与使用该待分配波长λ的原有的组播树的共享节点，统计共享节点下游的二次攻击光路的数量，二次攻击光路指的是能够被一次攻击光路攻击的分支链路；
统计能够被二次攻击光路攻击的三次攻击光路的数量；以此类推，统计能够被N-1次攻击光路攻击的N次攻击光路的数量,N次攻击光路中的末端节点不再有分支链路。
统计一次攻击光路至N次攻击光路中所有攻击光路的数量，作为该待分配波长λ和新加入的组播树t之间的ICAPR值。
步骤五，对ICAPR矩阵采用匈牙利方法进行处理，得到波长分配矩阵，波长分配矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的序号，波长分配矩阵中的元素1对应的行号表示的待分配波长即为分配给元素1对应的列号表示的组播树的波长。
本发明的另一个方面还提供一种多域光网络安全组播波长分配系统，包括以下模块：获取可用波长模块、计算波长使用率模块、获取待分配波长模块、计算ICAPR矩阵模块和波长分配模块，其中，
获取可用波长模块，用于实现以下功能：
无向赋权图G中包括多个原有的组播树，获取无向赋权图G中的所有的可用波长；给定k个新加入的组播树；
计算波长使用率模块，用于实现以下功能：
计算无向赋权图G中可用波长的波长使用率；
获取待分配波长模块，用于实现以下功能：
将所有计算得到的波长使用率由高到低进行排序，选取前k个波长使用率对应的波长作为待分配波长；
计算ICAPR矩阵模块，用于实现以下功能：
针对每一个待分配波长，求该待分配波长与每个新加入的组播树的ICAPR值；所有ICAPR值形成ICAPR矩阵，ICAPR矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的ICAPR矩阵序号；其中，待分配波长与新加入的组播树的ICAPR值的计算方法如下：
待分配波长用λ表示，新加入的组播树用t表示；
选取使用该待分配波长λ的原有的组播树，统计新加入的组播树t和使用该待分配波长λ的原有的组播树之间的能够被攻击的所有分支链路的数量，将该数量作为该待分配波长λ和新加入的组播树t之间的ICAPR值；
波长分配模块，用于实现以下功能：
对ICAPR矩阵采用匈牙利方法进行处理，得到波长分配矩阵，波长分配矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的序号，波长分配矩阵中的元素1对应的行号表示的待分配波长即为分配给元素1对应的列号表示的组播树的波长。
实施例
给定一个光网络的无向赋权图G＝(V,E)，W＝(λ1,λ2,…,λw)表示整个光网络的波长集合，
Figure GDA0002524000690000101
表示链路(Vi,Vj)上当前可用波长的集合，其中有5个组播请求{ri(si,Di)|i＝1,2,…,5}同时到来，出于降低成本及计算复杂度的考虑，假设当前光网络无波长转换条件，对于所有给定的k个波长分配请求，在固定路由条件下，本实施例方法的目标是：为5个组播树T＝{T1,T2,…,T5}分配5个波长，并且尽可能降低串扰攻击潜在影响，使连接阻塞率尽可能低，即ICAPR值最小。
在串扰攻击模型已经建立的基础上，根据组播需求通过计算得到矩阵(1)所示的ICAPR矩阵，通过本发明的方法，得出矩阵(2)中最优的波长分配方案：
Figure GDA0002524000690000111
Figure GDA0002524000690000112
为了证明MD_ICAPR方法能够有效减小带内串扰攻击的潜在危害，降低多域光网络阻塞率，选取了基于全网波长使用情况的Most-Used方法和基于局部波长使用情况的First-Fit方法这两种被广泛应用的动态组播MC-RWA方法与本发明的方法(MD_ICAPR)进行比较。
仿真了在波长数目和组播请求数目不断变化的条件下，本发明方法、Most-Used方法和First-Fit方法在组播会话连接阻塞率与串扰约束性能。其中，会话连接阻塞率是指仅当该组播请求中源节点到全部目的节点都建立连接的情形下，组播请求才会实现，否则视为连接阻塞。
图1的仿真结果为不同场景下三种方法得到的ICAPR。其中本发明的方法在TS1-TS8(不同的测试场景)得到的ICAPR均为最低。因此在不同的测试场景中，本发明的方法与Most-Used方法和First-Fit相比，能够有效降低光网络串扰攻击的潜在风险，下表为不同的测试环境：
模拟测试中使用的环境
Figure GDA0002524000690000121
图2的仿真结果为三种方法在TS1-TS8中的平均ICAPR。其中本发明的方法在不同测试环境下的平均ICAPR均为最低。因此在不同的测试场景中MD_ICAPR方法在提升光网络安全性上均优于其它两种方法，能够有效降低单个组播树潜在串扰攻击风险。
为了进一步了解本方法在波长利用率和ICAPR之间的平衡性，即本发明的方法的多目标方法的实现情况，本发明对图1的密集光网络TS2和图2的稀疏光网络TS5测试场景中三种方法的表现进行了再次仿真，根据Most-Used方法、First-Fit方法和本发明方法(MD_ICAPR)获得的仿真结果，分析总的波长数与平均ICAPR之间的关系，即资源利用率和安全性之间的平衡。结果如图3和图4所示。
从图3和图4中可以看出，MD_ICAPR方法(本发明的方法)具有良好的性能表现，与Most-Used方法相比，使用类似或相同数量的波长，本发明方法(MD_ICAPR)能够显著降低每个组播树ICAPR的平均值。与First-Fit方法相比，本发明方法(MD_ICAPR)能够得到更低的平均ICAPR，且使用的波长较少。

Claims (4)

1.一种多域光网络安全组播波长分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，无向赋权图G中包括多个原有的组播树，获取无向赋权图G中的所有的可用波长；给定k个新加入的组播树；
步骤二，计算无向赋权图G中可用波长的波长使用率；
步骤三，将所有计算得到的波长使用率由高到低进行排序，选取前k个波长使用率对应的波长作为待分配波长；
步骤四，针对每一个待分配波长，求该待分配波长与每个新加入的组播树的ICAPR值，所述ICAPR是指带内串扰攻击传播半径；所有ICAPR值形成ICAPR矩阵，ICAPR矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的ICAPR矩阵序号；其中，待分配波长与新加入的组播树的ICAPR值的计算方法如下：
待分配波长用λ表示，新加入的组播树用t表示；
选取使用该待分配波长λ的原有的组播树，统计新加入的组播树t和使用该待分配波长λ的原有的组播树之间的能够被攻击的所有分支链路的数量，将该数量作为该待分配波长λ和新加入的组播树t之间的ICAPR值；
步骤五，对ICAPR矩阵采用匈牙利方法进行处理，得到波长分配矩阵，波长分配矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的序号，波长分配矩阵中的元素1对应的行号表示的待分配波长即为分配给元素1对应的列号表示的组播树的波长。
2.如权利要求1所述的多域光网络安全组播波长分配方法，其特征在于，所述步骤二中的计算无向赋权图G中可用波长的波长使用率，具体方法如下：
每个组播树对应一个T域，T域内包括多个链路；每个T域中包括一个cPCE，利用cPCE统计得到其对应T域内的TE信息，该TE信息包括T域内所有链路上的可用波长；
所述T域是每个组播树对应链路集合，cPCE是子路径计算单元，pPCE是父路径计算单元，TE信息是流量工程路径信息；
pPCE根据TE信息，统计无向赋权图G中的每个可用波长对应的链路；统计每个可用波长所对应的链路包含的组播树的数量，该组播树的数量除以总的原有的组播树的个数，即为该可用波长的波长使用率。
3.如权利要求1所述的多域光网络安全组播波长分配方法，其特征在于，所述步骤四中的统计新加入的组播树t和使用该待分配波长λ的原有的组播树之间的能够被攻击的所有分支链路的数量，方法如下：
统计一次攻击光路的数量，一次攻击光路指的是新加入的组播树t的所有分支链路；
获取新加入的组播树t与使用该待分配波长λ的原有的组播树的共享节点，统计共享节点下游的二次攻击光路的数量，二次攻击光路指的是能够被一次攻击光路攻击的分支链路；
统计能够被二次攻击光路攻击的三次攻击光路的数量；以此类推，统计能够被N-1次攻击光路攻击的N次攻击光路的数量,N次攻击光路中的末端节点不再有分支链路；
统计一次攻击光路至N次攻击光路中所有攻击光路的数量，作为该待分配波长λ和新加入的组播树t之间的ICAPR值。
4.一种多域光网络安全组播波长分配系统，其特征在于，包括以下模块：获取可用波长模块、计算波长使用率模块、获取待分配波长模块、计算ICAPR矩阵模块和波长分配模块，其中，
获取可用波长模块，用于实现以下功能：
无向赋权图G中包括多个原有的组播树，获取无向赋权图G中的所有的可用波长；给定k个新加入的组播树；
计算波长使用率模块，用于实现以下功能：
计算无向赋权图G中可用波长的波长使用率；
获取待分配波长模块，用于实现以下功能：
将所有计算得到的波长使用率由高到低进行排序，选取前k个波长使用率对应的波长作为待分配波长；
计算ICAPR矩阵模块，用于实现以下功能：
针对每一个待分配波长，求该待分配波长与每个新加入的组播树的ICAPR值，所述ICAPR是指带内串扰攻击传播半径；所有ICAPR值形成ICAPR矩阵，ICAPR矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的ICAPR矩阵序号；其中，待分配波长与新加入的组播树的ICAPR值的计算方法如下：
待分配波长用λ表示，新加入的组播树用t表示；
选取使用该待分配波长λ的原有的组播树，统计新加入的组播树t和使用该待分配波长λ的原有的组播树之间的能够被攻击的所有分支链路的数量，将该数量作为该待分配波长λ和新加入的组播树t之间的ICAPR值；
波长分配模块，用于实现以下功能：
对ICAPR矩阵采用匈牙利方法进行处理，得到波长分配矩阵，波长分配矩阵中的行号表示待分配波长的序号，列号表示组播树的序号，波长分配矩阵中的元素1对应的行号表示的待分配波长即为分配给元素1对应的列号表示的组播树的波长。
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