CN108683579A - 一种动态链路故障保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态链路故障保护方法，包括：交换机在工作中一定时间内会积累流量矩阵，通过适应算法重配置矩阵：构建网络拓扑，由于拓扑中存在交换机，当交换机的配置发生改变时，网络拓扑也发生改变；预置环是提前在网络拓扑中预留一条环形链路，从J组环集中可以找到所在网络拓扑中最大的预置环的数量为J；采用斥环法，从J组环集中找到J个预置环；给每个预置环分配合适带宽，满足链路的完全保护，并且最小化预置环的总代价，采用整数线性规划可得到预置环；采用斥环法，寻求相应合适的预置环，所有网络拓扑的预置环形成一个集合称为形成网络规划调度方案。

Description

一种动态链路故障保护方法

技术领域

本发明涉及一种动态链路保护方法，可在高性能计算支撑平台下适用。

背景技术

在高性能计算平台中，数据规模庞大，系统功耗高。采用光纤代替传统电缆是未来技术发展的主要方向。然而如果计算平台中光纤链路故障，由于光纤传输效率极高，即使是极短的时间内也会造成大量数据的丢失，所以在高性能计算平台中设计一种在网络链路发生故障时，快速高效找到替代路径的保护措施是十分必要的。通过这种保护措施，使网络具备一定的自我修复能力，可以减少故障所造成的经济损失及社会影响。

将高性能计算支撑平台下的设备/服务器看作节点、链路看作边，构建一个网络拓扑。高性能计算平台中最适合的链路保护措施是预置环，利用空闲资源预先设定环形通道实现对高性能计算平台中链路的快速保护。高性能平台中存在TOR的布线方式，即每个服务器机柜的上端部署1-2台两台接入交换机，由于交换机的配置是会更改的，每种配置对应一种网络拓扑，如果对每种拓扑都预置环占用资源，那么会造成资源被过多占用的情况。因此需要考虑一种针对每个拓扑都有对应的预置环，且在该预置环生效时，其他预置环所占用的资源都被释放，这种动态的调用使网络利用率增高，传输更加灵活。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态、高效的链路保护方案。通过配置矩阵、环定义、预置环、斥环法构建约束，可以快速、高效的得出最合适当前网络拓扑的一批预置环，从而对链路进行动态保护。本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种动态链路故障保护方法，包括以下步骤：

(1)交换机在工作中一定时间内会积累一个N×N的流量矩阵C(T)，其最大总行数不超过T，即在一段时间内交换机i入口到j出口所积累的流量对应于流量矩阵中的c_ij；根据对流量矩阵进行分解，分解成多个时隙以及相对应的交换机重配置所形成的配置矩阵，设为取底符号，表示不超过x的整数中最大的一个，为取顶符号，表示不小于x的整数中最小的一个，通过下面的适应算法重配置配置矩阵：

(a)计算重配置数量δ为重配置开销，即对λN下取整，若令N_s＝N+1；

(b)构建一个N×N的矩阵Q＝{q_ij}满足

和

(c)从Q中构造一个双边多重图G_Q，Q的行和列转换为G_Q中的左右两个顶点A、B，每个入口q_ij∈Q转变为q_ij边缘链接顶点i∈A和j∈A，找到G_Q的最小边缘渲染，至少得到N_S-N个着色，这样在同一个顶点上的边事件有不同的着色，让每个顶点都依次分别进行着色；

(d)对于G_Q的边缘着色中特定的着色，通过在P_n中设置相应的入口为1，其他入口为0，来构造来自于该着色边缘的配置P_n；所以设置权重为重复(d)对于每一个G_Q中的边缘着色构造其对应的配置；

(e)找到任何N个不重叠的配置P_n,n∈{N_s-N+1,...,N_s}，并为每个N配置设置相应的权重能够得到至少N_s个重配置和相应的权重；

(2)以设备为节点、链路为边构建网络拓扑，由于拓扑中存在交换机，当交换机的配置发生改变时，网络拓扑也发生改变；包含一个节点的环和完全不包含该节点的环组成一个环集，设网络拓扑中存在J个节点，那么可以形成J组环集；

(3)预置环是提前在网络拓扑中预留一条环形链路，从J组环集中可以找到所在网络拓扑中最大的预置环的数量为J；采用斥环法，从J组环集中找到J个预置环，其具体实现过程如下：

(a)将环上的分支定义为向量，环集CS_j中任意两个节点间的链路(u，v)最多只有一个方向，采用u→v，定义节点u为头，节点v为尾，以此类推；

(b)对于u→v的向量，给链路内经过的每个节点都临时标上电压值P，属于第j个环集的节点v的电压定义为节点u的电压定义为斥环法中规定尾部电压值高于头部电压值；

(c)一条边的两个节点都在环上，但这条边不是组成环的边，那么这条边称为跨接边；同一环内两个向量的尾节点相同，则这个尾节点称为翻转节点；同一环内两个向量的头节点相同，则这个头结点称为根节点；只有当同一个环中这两者都存在时，环上所有向量的电压值遵守尾高头低的约束，否则环上可能会有电压冲突；

(4)给每个预置环分配合适带宽，满足链路的完全保护，并且最小化预置环的总代价，采用整数线性规划可得到预置环；

(5)所有根据适应算法得到的配置矩阵，所生成的网络拓扑都采用斥环法，寻求相应合适的预置环，所有网络拓扑的预置环形成一个集合称为形成网络规划调度方案；当采用一种拓扑结构时，根据其余拓扑形成的预置环所占用的资源在此时都将释放，可以自由进行数据的交换；当某条链路损坏时，可根据预先制定的方式建立新的通路：

(a)当某条链接失效后，由于该链路一定在某个预置环中，可直接切换到环的对侧继续进行传输；

(b)当某条在预置环中的跨接边失效后，直接切换到该边所分割的环的任意一侧的链路进行传输。

本发明的实质性特点是：首先根据交换机积累的流量矩阵，采用适应算法进行流量矩阵进行分解，形成多组时隙及相应交换机配置的配置矩阵，即不同的时隙中有不同的网络拓扑；然后提出环、环集、预置环、斥环法的定义，过滤出所有网络拓扑所适合的预置环，形成网络规划调度方案；在不同的网络拓扑下，采用相应的预置环，释放当前未采用的网络拓扑的预置环所占用的资源。其优点为：

(1)提出配置矩阵，提出所有可能出现的网络拓扑结构，细化每种拓扑所需的预置环；

(2)实现完全链路保护且最小化预置环代价；

(3)当故障发生时，每个预置环都可对其环上的链路和跨接边进行保护。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为采用适应算法对流量矩阵进行分解示意图；

图3为双边多向图示意图以及着色示意图；

图4为环向量、电压、翻转节点和根节点示意图。其中(a)环集中的一个预置环；(b)节点v为翻转节点；(c)节点r为根节点，节点u为翻转节点；(d)节点r电压有冲突；

图5采用预置环实现链路的动态保护示意图。其中(a)为高性能平台下的网络拓扑；(b)为预置环的放置。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于以下描述。

对流量矩阵进行分解的适应算法如下：

输入：N×N的流量矩阵C(T)＝{c_ij}，其最大总行数不超过T,重配置开销为δ。

Step1：计算N_s。若使用N_s＝N+1代替。

Step2：计算矩阵Q的系数。构建一个N×N的矩阵Q＝{q_ij}满足

和

Step3：渲染Q。从Q中构造一个双边多重图G_Q,Q的行和列转换为G_Q中的两个顶点A、B，每个入口q_ij∈Q转变为q_ij边缘链接顶点i∈A和j∈A，找到G_Q的最小边缘渲染，至少得到N_S-N个着色，这样在同一个顶点上的边事件有不同的着色，设置1→n。

Step4：调度系数矩阵Q。对于G_Q的边缘着色中特定的着色，通过在P_n中设置相应的入口为1(P_n中其他入口为0)来构造来自于该着色边缘的配置P_n。所以设置权重为且n+1→n。重复步骤四对每一个G_Q中的所有边缘着色。

Step5：调度剩余矩阵R。找到任何N个不重叠的配置P_n,n∈{N_s-N+1,...,N_s}，并为每个N配置设置相应的权重

输出：至少N_s个重配置和相应的权重

根据网络参数和已知条件，定义如下表的常量和变量：

根据定义的符号变量，采用整数线性规划求解：

其中,1.1为目标函数，为最小化预置环的总代价；约束1.2为在(u,v)链路中只能有一个方向；约束1.3为；约束1.4为网络拓扑中的每个节点都受保护；约束1.5规定每个预置环中只有一个根节点；约束1.6表示只有根节点才能作为多个向量的头，确保每个预置环内只有一对根节点和翻转节点；约束1.7规定尾电压大于头电压；约束1.8规定，若一条链路可以被预置环保护，那么这条链路两端的节点都必须在环上。

Claims (1)

1.一种动态链路故障保护方法，包括以下步骤：

(1)交换机在工作中一定时间内会积累一个N×N的流量矩阵C(T)，其最大总行数不超过T，即在一段时间内交换机i入口到j出口所积累的流量对应于流量矩阵中的c_ij；根据对流量矩阵进行分解，分解成多个时隙以及相对应的交换机重配置所形成的配置矩阵，设为取底符号，表示不超过x的整数中最大的一个，为取顶符号，表示不小于x的整数中最小的一个，通过下面的适应算法重配置配置矩阵：

(a)计算重配置数量δ为重配置开销，即对λN下取整，若令N_s＝N+1；

(b)构建一个N×N的矩阵Q＝{q_ij}满足

和

(c)从Q中构造一个双边多重图G_Q，Q的行和列转换为G_Q中的左右两个顶点A、B，每个入口q_ij∈Q转变为q_ij边缘链接顶点i∈A和j∈A，找到G_Q的最小边缘渲染，至少得到N_S-N个着色，这样在同一个顶点上的边事件有不同的着色，让每个顶点都依次分别进行着色；

(d)对于G_Q的边缘着色中特定的着色，通过在P_n中设置相应的入口为1，其他入口为0，来构造来自于该着色边缘的配置P_n；所以设置权重为重复(d)对于每一个G_Q中的边缘着色构造其对应的配置；

(e)找到任何N个不重叠的配置P_n,n∈{N_s-N+1,...,N_s}，并为每个N配置设置相应的权重能够得到至少N_s个重配置和相应的权重；

(2)以设备为节点、链路为边构建网络拓扑，由于拓扑中存在交换机，当交换机的配置发生改变时，网络拓扑也发生改变；包含一个节点的环和完全不包含该节点的环组成一个环集，设网络拓扑中存在J个节点，则形成J组环集；

(3)预置环是提前在网络拓扑中预留一条环形链路，从J组环集中找到所在网络拓扑中最大的预置环的数量为J；采用斥环法，从J组环集中找到J个预置环，其具体实现过程如下：

(a)将环上的分支定义为向量，环集CS_j中任意两个节点间的链路(u，v)最多只有一个方向，采用u→v，定义节点u为头，节点v为尾，以此类推；

(b)对于u→v的向量，给链路内经过的每个节点都临时标上电压值P，属于第j个环集的节点v的电压定义为节点u的电压定义为斥环法中规定尾部电压值高于头部电压值；

(c)一条边的两个节点都在环上，但这条边不是组成环的边，那么这条边称为跨接边；同一环内两个向量的尾节点相同，则这个尾节点称为翻转节点；同一环内两个向量的头节点相同，则这个头结点称为根节点；只有当同一个环中这两者都存在时，环上所有向量的电压值遵守尾高头低的约束，否则环上可能会有电压冲突；

(4)给每个预置环分配合适带宽，满足链路的完全保护，并且最小化预置环的总代价，采用整数线性规划得到预置环；

(5)所有根据适应算法得到的配置矩阵，所生成的网络拓扑都采用斥环法，寻求相应合适的预置环，所有网络拓扑的预置环形成一个集合称为形成网络规划调度方案；当采用一种拓扑结构时，根据其余拓扑形成的预置环所占用的资源在此时都将释放；当某条链路损坏时，可根据预先制定的方式建立新的通路：

(a)当某条链接失效后，由于该链路一定在某个预置环中，直接切换到环的对侧继续进行传输；

(b)当某条在预置环中的跨接边失效后，直接切换到该边所分割的环的任意一侧的链路进行传输。