WO2020132765A1 - Un método de tolerancia a la falla para cualquier conjunto de fallas simultáneas de enlaces en redes ópticas wdm dinámicas con restricción de continuidad de longitud de onda - Google Patents

Un método de tolerancia a la falla para cualquier conjunto de fallas simultáneas de enlaces en redes ópticas wdm dinámicas con restricción de continuidad de longitud de onda Download PDF

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WO2020132765A1
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Reinaldo Antonio VALLEJOS CAMPOS
Nicolás Alonso JARA CARVALLO
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Universidad Técnica Federico Santa María
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Definitions

  • the present invention relates to the field of routing in optical networks, more particularly to routing in optical networks with restriction of wavelength continuity and in particular presents a method to determine a set of secondary routes that allow users to be connected in failure case of any set of links in the network.
  • a major problem that needs to be solved to design WDM optical networks is ensuring that the network can still provide its streaming service after the failure of one or more of its links.
  • the solution to this problem is to provide the necessary infrastructure to quickly reestablish communications between all source-destination node pairs affected by these link failures. This type of mechanism is known as fault tolerance.
  • the fault tolerance mechanisms are significantly affected by the presence (or not) of the wavelength conversion capability at the optical nodes. This means that if a node receives an incoming signal at a certain wavelength, then the node may (or may not) transmit the signal on any output channel but using a different wavelength.
  • wavelength conversion technology is not yet fully available. Therefore, real optical networks have a wavelength continuity restriction, that is, when an end-to-end communication is made between any pair of nodes, the route that connects them must use the same wavelength in each route link. This invention focuses on the case of non-conversion.
  • the 1 + 1 method is also scalable to provide tolerance to K> 1 simultaneous failures.
  • K + 1 complementary disjoint routes must be found, one to be designed as the main route and the remaining K as secondary routes.
  • a necessary and sufficient condition (allowing this schema to work) is that the graph defined by the set of nodes and links is connected (K + 1).
  • this method requires a large number of cycles (for example, hundreds of cycles for the pan-European COST 239 1-node network, as shown in "Multiple failure survivability in WDM networks with p- cycles ", by D. Schupke, in Circuits and Systems, 2003. ISCAS Proceedings of the 2003 International Symposium, volume 3, pages III - 866 - III - 869 vol.3, May 2003), which is impractical from several points of view.
  • US Patent 9,246,627 B2 by Ankitkumar et. al. describes a method to simultaneously resolve routing and fault-tolerant wavelength assignment in dynamic optical networks with wavelength continuity constraints.
  • child routes can be dedicated or shared.
  • Dedicated alternative routes are obtained based on the 1 + 1 approach;
  • the shared route protection method is used to obtain the shared child routes.
  • This method allows dealing with multiple link or node failures. The main idea is to provide fault tolerance to those users who need a higher quality of service with dedicated protection, while the other user can share resources to gain fault tolerance.
  • This method does not quantify the required number of wavelengths on each network link, and therefore cannot guarantee any quality of service requirement.
  • This invention presents a novel method of determining the set of additional routes, called secondary routes, that are used to keep each user connected in the event that any set of simultaneous link failures occurs. Furthermore, the number of wavelengths available on each link in the network is calculated in such a way that the probability of blocking of each connection is less than a predetermined threshold (which is a network design parameter), despite the occurrence of any set of simultaneous link failures More specifically, it presents a fault tolerance method for any set of network link failure scenarios, where a failure scenario is comprised of a set of simultaneous link failures in dynamic optical network wavelength division multiplexing (WDM) that have wavelength continuity constraints.
  • WDM dynamic optical network wavelength division multiplexing
  • the present invention presents a computer-implemented method for granting fault tolerance to a dynamic wavelength division multiplexing (WDM) optical network that has wavelength continuity restrictions characterized in that it comprises the steps of:
  • failure scenario corresponds to a subset of links or nodes in a failed state
  • the method is characterized in that said computing device obtains a set of failure scenarios, and in that the steps of:
  • the method is characterized in that said step of calculating, by means of said computing device and for each user of said network whose primary route uses any of said links in a state of failure corresponding to said failure scenario, a new cheaper route understands the steps of:
  • the method is characterized in that it additionally comprises the step of calculating, by said computational device, a capacity of the links in said new topology, said capacity of the links corresponding to the minimum number of wavelengths in each link allowing, for each user, its blocking probability to be less than a threshold blocking probability.
  • said capacity of the links is obtained by executing the method described in the article "Blocking Evaluation and Wavelength Dimensioning of Dynamic WDM Networks without Wavelength Conversion” published by Jara et.al., in Journal of Optical Communications and Networking, vol. 9, no. 8, pp. 625-634, 2017.
  • the method is characterized in that it comprises the step of obtaining, by said computational device, a capacity for each link of the original network topology, where to obtain the capacity corresponding to a link of the original network, said computing device searches for the maximum capacity of said link between the different failure scenarios and in the original scenario.
  • FIG. 1 is a diagram that describes, generally, the type of environment in which the invention is implemented, identifying the main subsystems involved in its operation.
  • FIG. 2 is a diagram describing the provider network topology in FIG. one.
  • FIG. 3A is a diagram describing the structure of the network topology information system in FIG. one.
  • FIG. 3B is a diagram describing a table for storing the node information in FIG. two.
  • FIG. 3C is a diagram describing a table for storing the link information in FIG. two.
  • FIG. 4A is a diagram describing the structure of the user information system in FIG. one.
  • FIG. 4B is a diagram describing a table for storing the network user information belonging to the user database in FIG. 4A.
  • FIG. 5A is a diagram describing the primary route information and link capacity system in FIG. one.
  • FIG. 5B is a diagram describing the link capacity tables, stored in the primary route and link capacity database of FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a diagram describing the primary route tables, stored in the primary route and link capacity database of FIG. 5A.
  • FIG. 6A is a diagram describing the structure of the failure scenario information system of FIG. one.
  • FIG. 6B is a diagram describing the failure scenario table, stored in the failure scenario database in FIG. 6A.
  • FIG. 7A is a diagram describing the structure and functional components of the secondary route calculation and dimensioning system in FIG. one.
  • FIG. 7B is a diagram describing the temporary link capacity table, calculated during the execution of the invention, and stored in the secondary route and link capacity database of FIG. 7A.
  • FIG. 7C is a diagram describing the link capacity table, calculated and stored in the secondary route and link capacity database of FIG. 7A.
  • FIG. 7D is a diagram describing the secondary route tables calculated and stored in the secondary route and link capacity database of FIG. 7A.
  • the operation of the secondary routes method can be executed in environment 100 as presented in FIG. 1.
  • the configuration may be composed of a provider network 1 10, the structure of which is stored in a topology information system 120. It may also contain a user information system 130, which contains: the set of users (pair of nodes origin-destination) used by the provider's network 1 10, the traffic load of each user and the maximum blocking probability (QoS) accepted by each user.
  • the secondary route calculation and dimensioning system 170 in charge of calculating the secondary routes and the capacity of the links to support a given set of link failure scenarios, stored in the failure scenario information system 150.
  • the secondary route calculation and dimensioning system 170 also uses the primary route and initial link capacity information of provider network 1 10, stored in the primary route and link capacity information system 140.
  • the calculation system of secondary routes and dimensioning 170 can send or receive information from other systems, using communication system 160.
  • a network node 210 can be any type of optical network without wavelength conversion capability (i.e., an optical cross-connect OXC).
  • the network topology information system 120 can be a server or a network device inside or outside the provider 1 network 10.
  • the network topology information system 120 can be constituted by an input interface 310 that receives a request or data from the communication system 160, which is processed by a processor 320, and stored in a topology database 330.
  • the topology database 330 includes the node information 210 and the link information 220 of the network from provider 1 10, using a table to store nodes 350 and links 360, as described in Figs. 3B and 3C, respectively.
  • the network topology information system 120 can send messages using exit interface 340.
  • the user information system 130 may be a server or a network device outside of the provider's network 1 10 and may be comprised of an input interface 410 that receives requests or information from the communication system 160. This information is processed by processor 420 and may be stored in user database 430. User database 430 contains all user data (node pairs) from provider network 1 10, and the traffic load associated with each of them, which are stored in user table 450, as shown in FIG. 4B. To interact with other systems and devices, user information system 130 can send messages using its exit interface 440.
  • the primary route information and link capacity system 140 may be a server or a network device outside the provider's network 1 10 and may be comprised of an input interface 510 that receives requests or information from the communication system 160.
  • This information is processed by processor 520 and can be stored in the primary route information and link capacity database 530.
  • the primary route information and link capacity database 530 contains all the primary routes of the users. (node pairs), stored in a primary route table 560 as presented in FIG. 5C, and the capacity of the links in the provider network 1 10, stored in the link capacity table 550, as shown in FIG. 5B.
  • the primary route and link capacity system 140 can send messages using the outgoing interface 540.
  • the failure scenario information system 150 can be a server or a network device outside the provider's network 110 and can be composed of an input interface 610 that receives requests or information from the communication system 160. This information is processed by processor 620 and can be stored in failure scenario database 630.
  • the failure scenario database contains a set of failure scenarios, stored in a failure scenario table 650, as shown in Figure 6B. To interact with other systems and devices, failure scenario information system 130 can send messages using exit interface 640.
  • the secondary routing and sizing system 170 may be a server or computing device with the ability to communicate with other devices, eg, a desktop or laptop, outside the provider's network 1 10.
  • the system Secondary route calculation and dimensioning 170 can be composed by an input interface 710, which accepts requests or information from the communication system 160. During the execution of the secondary route method, the secondary route calculation and dimensioning 170 can request: network topology data from network topology information system 120; user data to the user information system 130; primary routes and link capacity to the primary route information system and link capacity 140; and failure scenario information links to failure scenario information system 150.
  • Said data is stored in the device's own databases, either: the topology database 720 with the topology data; the 730 user database, with user data; the primary route and link capacity database 740, with the primary route and link capacity data; and the 750 failure scenario database, with the failure scenario data.
  • the link costing module 760 removes the links included in the failure situation and recalculates the cost of the remaining links using data from: the topology database 720, the user database 730 and the database of primary routes and link capacity 740, to calculate each cost associated with the link.
  • the secondary route calculator 770 identifies all affected users in each failure scenario and calculates a secondary route for each affected user using a cheaper route algorithm (i.e., Dijkstra). All calculated sub-routes are stored in the secondary route and link capacity database 800, as a secondary route table 850, as described in FIG. 7D.
  • the lock calculator 780 uses the secondary routes of the users affected by the failure situation (from the secondary routes and link capacity database 800) , and the primary routes of unaffected users (from the primary routes and link capacity database 740), to calculate the blocking probability of each user.
  • the 790 capacity calculator then calculates the capacity of all the links associated with each failure scenario, making sure that each user's blocking probability, calculated by the 780 blocking calculator, does not exceed the maximum blocking probability for each user obtained from user database 730.
  • the calculated link capacities associated with the failure scenario are stored in the database link capacity time table 810, in a link capacity time table 830, as shown in FIG. 7B.
  • the secondary routes and calculated link capacity associated with each failure scenario, stored in the secondary route and link capacity database 800, can be delivered to any other system or device using the 590 exit interface.
  • Communication system 160 can be any network system that allows connecting two or more devices, such as the cellular network, the public land mobile network (PLMN), a second generation network (2G), a third generation network (3G) , a fourth generation (4G), a long-term evolution network (LTE), a fifth generation (5G), a code division multiple access (CDMA) network, a global system for mobile communication networks (GSM) , a general radio service package (GPRS)), a local area network (LAN), a wide area network (WAN), a metropolitan area network (MAN), an ad hoc network, an intranet, the Internet, a fiber optic based network, a satellite network, a television network, or a mixture of one or more of these systems.
  • PLMN public land mobile network
  • 2G second generation network
  • 3G third generation network
  • 4G fourth generation
  • LTE long-term evolution network
  • 5G fifth generation
  • CDMA code division multiple access
  • GSM global system for mobile communication networks
  • GPRS general radio service package
  • the fault tolerance method runs on child route 100, and its operation is described below:
  • Network topology information system 120 obtains network topology information from provider 1 10 by storing it in topology database 720.
  • the user information system 130 obtains the user information (traffic load and minimum quality of service threshold) from the provider network 110 storing it in the user database 430.
  • the primary route and link capacity information system 140 obtains the link capacity and route information from the provider network 1 10, storing them in the primary route and link capacity database 740.
  • the failure scenario information system 150 obtains the information on the anticipated failure scenarios from the Providers 1 10 and stores them in the failure scenario database 750.
  • Secondary route calculator 770 retrieves the failure scenarios (faulty link set in the network topology) from the scenario database code 750.
  • the secondary route calculator 770 selects the first failure scenario from the database of failure scenarios 750.
  • the link cost calculator 760 creates a new topology identical to the original, but removes all considered links in fault state. For each affected user in the chosen failure scenario: a.
  • the secondary route calculator 770 selects one of the affected users.
  • the link cost calculator 760 calculates, for each link in the new topology, a new cost.
  • the cost of the link is equal to the sum of the traffic loads of the primary routes (those not affected in the failure scenario) that pass through said link, plus the traffic load of all the secondary routes already calculated in the current failure scenario (that is, those stored in secondary route table 850) that use that link.
  • the secondary route calculator 770 calculates a new, cheaper route for the affected user. To do this, the secondary route calculator 770 uses the new topology obtained in step 7 and the cost calculated in step 8b.
  • Secondary route calculator 770 adds the secondary (alternative) route associated with the affected user and the failure scenario in secondary route table 850.
  • Capacity calculator 790 sizes and stores, in temporary link capacity table 830, the capacity of all links in the new topology.
  • the method To dimension the link wavelengths, the method must guarantee a minimum quality of service for each user stored in the user database 430. To evaluate the dimensioning and the probability of blocking of each user, the method can be used " Blocking Evaluation and
  • the Secondary Route Calculator 770 removes the failure scenario from the 750 failure scenario database.
  • Steps 6, 7, 8, 9, and 10 are repeated until there are no more failure scenarios in the failure scenario database 750.
  • the maximum capacity calculated and stored in the link capacity temporary table 830 is selected, storing them in the link capacity table 850. To obtain this maximum, For each network link, the dimensions obtained in all failure scenarios and the case without failure are compared. The largest dimensioning of each link is stored in the link capacity table 840.

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Abstract

En esta invención, se propone un nuevo método para resolver el problema de tolerancia a fallos. Este nuevo enfoque obtiene todas las rutas secundarias asignadas a cada posible conexión (usuario). Las rutas secundarias reemplazan a las principales cuando estas últimas se ven afectadas por al menos un fallo, lo que mantiene a los usuarios conectados mientras, para cada conexión, haya al menos una ruta con enlaces operativos para llegar a sus nodos de destino. En este nuevo enfoque, se resuelve el caso general de un conjunto arbitrario de fallas de enlace simultáneas. El método también evalúa el número de longitudes de onda W ℓ para cada enlace ℓ de la red, de modo que la probabilidad de bloqueo de cualquier solicitud de conexión de un usuario c determinado sea menor que un umbral predefinido β c , a pesar de la posible aparición del escenario de fallo.

Description

UN MÉTODO DE TOLERANCIA A LA FALLA PARA CUALQUIER CONJUNTO DE FALLAS SIMULTÁNEAS DE ENLACES EN REDES ÓPTICAS WDM DINÁMICAS CON RESTRICCIÓN DE CONTINUIDAD DE LONGITUD DE ONDA
CAMPO DE APLICACIÓN
La presente invención se relaciona al campo del enrutamiento en redes ópticas, más particularmente con el enrutamiento en redes ópticas con restricción de continuidad de longitud de onda y en particular presenta un método para determinar un conjunto de rutas secundarias que permitan mantener a los usuarios conectados en caso de fallas de cualquier conjunto de enlaces en la red.
ESTADO DE LA TÉCNICA
Un problema importante que debe resolverse para diseñar redes ópticas WDM es garantizar que la red aún pueda proporcionar su servicio de transmisión después de la falla de uno o más de sus enlaces. La solución a este problema consiste en proporcionar la infraestructura necesaria para restablecer rápidamente las comunicaciones entre todos los pares de nodos origen-destino afectados por estas fallas de enlace. Este tipo de mecanismo se conoce como tolerancia a fallos.
La frecuencia de aparición de fallos de enlace es a menudo significativa. Por ejemplo, en “Unavailability Analysis of Long-Haul Networks", M. To y P. Neusy, IEEE JSAC, vol. 12, enero de 1994, pp. 100-109, informa las medidas del tiempo medio entre fallas de aproximadamente 367 año / km. Esto explica por qué las fallas en los enlaces pueden afectar significativamente el rendimiento de las redes. Por ejemplo, en una red de 26,000 km de largo como NSFNet, hay un promedio de corte de fibra cada 5 días. Además, se ha encontrado que la frecuencia con la que se producen dos fallas simultáneas en la red es lo suficientemente alta como para ser tenida en cuenta en el proceso de diseño. Por ejemplo, en “Capacity Efficiency and Restorability of Path Protection and Rerouting in WDM Networks Subject to Dual Failures”, DA Schupke, R- G. Prinz, Photonic NetWork Communications, pp. 191 -207, 2004, se ha informado que la probabilidad de que ocurran dos fallas simultáneas en una red como NSFNet es aproximadamente 0.0027 (un tiempo de inactividad de aproximadamente 24 horas por año en promedio), lo que además de la alta tasa de transmisión de este tipo de redes, implica una pérdida inaceptable para el operador si el evento sucede
Los elementos anteriores justifican la necesidad de proporcionar una metodología eficiente para la tolerancia a fallas múltiples, que debería garantizar (con una cierta garantía probabilística) comunicaciones exitosas entre todos los usuarios de la red, a pesar de la ocurrencia de fallas en algunos de los enlaces y al menor costo posible en cuanto a la infraestructura de red.
Los mecanismos de tolerancia a fallas se ven significativamente afectados por la presencia (o no) de la capacidad de conversión de longitud de onda en los nodos ópticos. Esto significa que si un nodo recibe una señal entrante en una longitud de onda determinada, entonces el nodo puede (o no) transmitir la señal en cualquier canal de salida pero utilizando una longitud de onda diferente. Sin embargo, la tecnología de conversión de longitud de onda no está completamente disponible todavía. Por lo tanto, las redes ópticas reales tienen una restricción de continuidad de longitud de onda, es decir, cuando se realiza una comunicación de extremo a extremo entre cualquier par de nodos, la ruta que los conecta debe usar la misma longitud de onda en cada enlace de ruta. Esta invención se centra en el caso de no conversión.
Los métodos de tolerancia a fallos propuestos hasta ahora generalmente se han dedicado a encontrar rutas alternativas que consideren la falla de un solo enlace. Esto significa que un enlace bidireccional falla, afectando las conexiones con las rutas que pasan a través del enlace fallido en ambas direcciones (enlace ascendente y enlace descendente). Entonces, el número de longitudes de onda en la red se dimensiona para tolerar esta situación. Sin embargo, como ya se señaló, la probabilidad de que se produzcan dos o más fallas simultáneas a menudo es lo suficientemente alta, lo que hace que sea útil considerar este evento en el diseño de la red. Además, algunos estudios han considerado otros casos especiales importantes de fallas, como las restricciones de riesgo de desastres y los escenarios de grupos de riesgo compartido. Las restricciones de riesgo de desastres consideran las posibles interrupciones del servicio en caso de un desastre natural o un ataque dirigido. Por otro lado, Shared-Risk-Group (SRG) considera la posibilidad de que algunas fibras se coloquen físicamente juntas, incluso si conectan diferentes nodos ópticos. Este escenario los hace a todos responsables de cortes físicos, ya que se pueden cortar al mismo tiempo.
Siguiendo los conceptos y métodos explicados anteriormente, a continuación se describen las principales patentes existentes y la investigación sobre tolerancia a fallas en redes ópticas WDM dinámicas con restricciones de continuidad de longitud de onda. Una de las formas más frecuentes que se consideran para abordar la tolerancia a fallas simple y doble, llamada "1 + 1 ", se puede encontrar en "Survivable WDM mesh networks", de Ramamurthy et. al., publicada en Lightwave Technology, Journal of, 21 ( 4): 870-883, 2003. En esta técnica, una ruta secundaria está asociada con cada una de las rutas primarias, con la restricción de que no comparten ningún enlace, y la información se transmite simultáneamente a través de ambas. Para dimensionar el número de longitudes de onda de cada enlace (tarea que generalmente se realiza mediante simulación), cada ruta secundaria se considera simplemente como otra ruta de red con una carga igual a la principal correspondiente. El método 1 + 1 también es escalable para proporcionar tolerancia a K > 1 fallas simultáneas. En este caso, para cada conexión, se deben encontrar K + 1 rutas disjuntas complementarias, una para ser diseñada como la ruta principal y las K restante como rutas secundarias. Observe que una condición necesaria y suficiente (que permita que este esquema funcione) es que la gráfica definida por el conjunto de nodos y enlaces está conectada (K + 1 ).
Otra estrategia se describe en "Capacity Efficiency and Restorability of Path Protection and Rerouting in WDM Networks Subject to Dual Failures" por Schupke y Prinz, Photonic NetWork Communications, 8 (2): 191 -207, 2004., donde se propone una técnica de enrutamiento para proporcionar tolerancia a fallos al compartir los recursos de la red. Este método se conoce como "Protección de ruta compartida" (SPP). En este método, los recursos adicionales (longitudes de onda) asignados a las rutas secundarias pueden ser compartidos por diferentes conexiones, y se asignan solo cuando ocurre una falla. Este método se puede ejecutar de dos maneras diferentes. El primero consiste en ejecutar el algoritmo fuera de línea, donde las rutas se calculan antes de la operación de la red (SPP fuera de línea). La segunda forma es la implementación en línea (SPP en línea). En este último caso, el método se ejecuta cada vez que hay un error de enlace de red. En el modo en línea del SPP, las rutas principales se especifican antes de que la red esté en funcionamiento, pero para encontrar nuevas rutas a las conexiones afectadas, se deben ejecutar nuevamente cada vez que se produzcan uno o más errores simultáneos. Por esta razón, decimos que este es un enfoque proactivo y reactivo al mismo tiempo.
En "Optimal Configuration of p-Cycles in WDM Networks", por D. Schupke et.al., en IEEE International Conference on Communications, páginas 2761-2765, 2002, se utiliza un método de tolerancia a fallas llamado "p-ciclo", permitiendo compartir recursos a través de rutas secundarias fijas que tienen una forma cíclica. Estas rutas se comparten entre varias rutas principales. Un problema con este enfoque es que la aplicabilidad de la idea depende en gran medida del tamaño de la red, lo que introduce un retraso adicional excesivo para una conexión en estado de protección en redes grandes. Además, para realizar una tolerancia a fallos múltiples, este método requiere una gran cantidad de ciclos (por ejemplo, cientos de ciclos para la red COST 239 paneuropea de 1 1 nodos, como se muestra en "Múltiple failure survivability in WDM networks with p-cycles", por D. Schupke, en Circuits and Systems, 2003. ISCAS Proceedings of the 2003 International Symposium, volumen 3, páginas III - 866 - III - 869 vol.3, mayo de 2003), lo cual es poco práctico desde varios puntos de vista.
La patente US 9,246,627 B2 por Ankitkumar et. al., describe un método para resolver simultáneamente el enrutamiento y la asignación de longitud de onda con tolerancia a fallas en redes ópticas dinámicas con restricciones de continuidad de longitud de onda. En este enfoque, las rutas secundarias pueden ser dedicadas o compartidas. Las rutas alternativas dedicadas se obtienen en base al enfoque 1 + 1 ; Mientras tanto, el método de protección de ruta compartida se utiliza para obtener las rutas secundarias compartidas. Este método permite enfrentar múltiples fallos de enlace o nodo. La idea principal es proporcionar tolerancia a fallas a aquellos usuarios que necesitan una mayor calidad de servicio con una protección dedicada, mientras que el otro usuario puede compartir los recursos para obtener tolerancia a fallas. Este método no cuantifica el número necesario de longitudes de onda en cada enlace de red, por lo que no puede garantizar ningún requisito de calidad de servicio.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN
Esta invención presenta un método novedoso para determinar el conjunto de rutas adicionales, llamadas rutas secundarias, que se utilizan para mantener a cada usuario conectado en los casos en que ocurra cualquier conjunto de fallas de enlace simultáneas. Además, el número de longitudes de onda disponibles en cada enlace de la red, se calcula de tal manera que la probabilidad de bloqueo de cada conexión es inferior a un umbral predeterminado (que es un parámetro de diseño de red), a pesar de la aparición de cualquier conjunto de enlaces simultáneos fallas Más específicamente, presenta un método de tolerancia a fallas para cualquier conjunto de escenarios de fallas de enlaces de red, donde un escenario de falla está compuesto por un conjunto de fallas de enlace simultáneas en redes ópticas dinámicas de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) que tienen restricciones de continuidad de longitud de onda.
La presente invención presenta un método implementado por computadora para otorgar tolerancia a fallos a una red óptica de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) dinámica que tiene restricciones de continuidad de longitud de onda que se caracteriza porque comprende los pasos de:
obtener, mediante un dispositivo computacional, una topología de dicha red, en donde dicha red se representa mediante un grafo g =
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compuesta por un conjunto, , de nodos interconectados por un conjunto, £, de enlaces;
obtener, mediante dicho dispositivo computacional, un conjunto de usuarios de dicha red, en donde un usuario se define como un par de nodos, origen y destino, y una carga de tráfico asociada a dicho usuario;
obtener, mediante dicho dispositivo computacional, un conjunto de rutas primarias cada ruta primaria que corresponde a un usuario, y un conjunto de capacidades, cada capacidad que corresponde a un enlace de dicho conjunto de enlaces;
obtener, mediante dicho dispositivo computacional, un escenario de fallo, dicho escenario de fallo corresponde a un subconjunto de enlaces o nodos en estado de fallo;
generar, mediante dicho dispositivo computacional, una segunda topología que corresponde a la topología de dicha red en donde se eliminan los enlaces en estado de fallo correspondientes a dicho escenario de fallo;
calcular, mediante dicho dispositivo computacional y para cada usuario de dicha red cuya ruta primaria utiliza alguno de dichos enlaces en estado de fallo correspondientes a dicho escenario de fallo, una nueva ruta más barata; y
almacenar, mediante dicho dispositivo computacional, dichas rutas más baratas como rutas secundarias, correspondientes a dicho conjunto de usuarios en dicho escenario de fallo, en una base de datos.
En una realización preferida, el método se caracteriza porque dicho dispositivo computacional obtiene un conjunto de escenarios de fallo, y porque los pasos de:
generar, mediante dicho dispositivo computacional, una segunda topología que corresponde a la topología de dicha red en donde se eliminan los enlaces en estado de fallo correspondientes a dicho escenario de fallo;
calcular, mediante dicho dispositivo computacional y para cada usuario de dicha red cuya ruta primaria utiliza alguno de dichos enlaces en estado de fallo correspondientes a dicho escenario de fallo, una nueva ruta más barata; y
almacenar, mediante dicho dispositivo computacional, dichas rutas más baratas como rutas secundarias, correspondientes a dicho conjunto de usuarios en dicho escenario de fallo, en una base de datos, se ejecutan para cada escenario de fallo perteneciente a dicho conjunto de escenarios de fallo.
En otra realización preferida, el método se caracteriza porque dicho paso de calcular, mediante dicho dispositivo computacional y para cada usuario de dicha red cuya ruta primaria utiliza alguno de dichos enlaces en estado de fallo correspondientes a dicho escenario de fallo, una nueva ruta más barata comprende los pasos de:
seleccionar, mediante dicho dispositivo computacional, uno de dichos usuarios cuya ruta primaria utiliza alguno de los enlaces en estado de fallo;
calcular, mediante dicho dispositivo computacional, un costo para cada enlace en dicha nueva topología, dicho costo que se define como la suma de las cargas de tráfico de las rutas primarias que utilizan dicho enlace y las cargas de tráfico de las rutas secundarias que utilizan dicho enlace;
obtener, mediante dicho dispositivo computacional, una nueva ruta más barata para dicho usuario seleccionado, utilizando dicha nueva topología y los costos de cada enlace; y
repetir los pasos anteriores hasta que se ha obtenido una ruta más barata para todos los usuarios cuya ruta primaria utiliza alguno de los enlaces en estado de fallo.
En una realización preferida adicional, el método se caracteriza porque comprende, adicionalmente, el paso de calcular, mediante dicho dispositivo computacional, una capacidad de los enlaces en dicha nueva topología, dicha capacidad de los enlaces que corresponde al número de longitudes de onda mínimo en cada enlace que permite, para cada usuario, que su probabilidad de bloqueo sea menor que una probabilidad de bloqueo umbral. En una realización más preferida, el método se caracteriza porque dicha capacidad de los enlaces se obtiene mediante la ejecución del método descrito en el artículo “Blocking Evaluation and Wavelength Dimensioning of Dynamic WDM Networks without Wavelength Conversión’’ publicado por Jara et.al., en Journal of Optical Communications and Networking, vol. 9, no. 8, pp. 625-634, 2017. En otra realización más preferida, el método se caracteriza porque comprende el paso de obtener, mediante dicho dispositivo computacional, una capacidad para cada enlace de la topología de red original, en donde para obtener la capacidad correspondiente a un enlace de la red original, dicho dispositivo computacional busca el máximo de capacidad de dicho enlace entre los diferentes escenarios de fallo y en el escenario original.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS FIG. 1 es un diagrama que describe, de manera general, el tipo de entorno en el que se implementa la invención, identificando los principales subsistemas involucrados en su operación.
FIG. 2 es un diagrama que describe la topología de la red del proveedor en la FIG. 1.
FIG. 3A es un diagrama que describe la estructura del sistema de información de topología de red en la FIG. 1.
FIG. 3B es un diagrama que describe una tabla para almacenar la información de nodos en la FIG. 2.
FIG. 3C es un diagrama que describe una tabla para almacenar la información de enlaces en la FIG. 2.
FIG. 4A es un diagrama que describe la estructura del sistema de información de usuarios en la FIG. 1.
FIG. 4B es un diagrama que describe una tabla para almacenar la información de usuarios de la red que pertenece a la base de datos del usuario en la FIG. 4A. FIG. 5A es un diagrama que describe el sistema de información de rutas primarias y capacidad de enlaces en la FIG. 1.
FIG. 5B es un diagrama que describe las tablas de capacidad de enlaces, almacenadas en la base de datos de rutas primarias y capacidad de enlaces de la FIG. 5A. FIG. 5C es un diagrama que describe las tablas de rutas primarias, almacenadas en la base de datos de rutas primarias y capacidad de enlaces de la FIG. 5A.
FIG. 6A es un diagrama que describe la estructura del sistema de información de escenarios de fallo de la FIG. 1.
FIG. 6B es un diagrama que describe la tabla de escenarios de fallo, almacenada en la base de datos de escenarios de fallo en la FIG. 6A.
FIG. 7A es un diagrama que describe la estructura y los componentes funcionales del sistema de cálculo de rutas secundarias y dimensionamiento en la FIG. 1.
FIG. 7B es un diagrama que describe la tabla temporal de capacidad de enlaces, calculadas durante la ejecución de la invención, y almacenadas en la base de datos de rutas secundarias y capacidad de enlaces de la FIG. 7A.
FIG. 7C es un diagrama que describe la tabla de capacidad de enlaces, calculadas y almacenadas en la base de datos de rutas secundarias y capacidad de enlaces de la FIG. 7A.
FIG. 7D es un diagrama que describe las tablas de rutas secundarias calculadas y almacenadas en la base de datos de rutas secundarias y capacidad de enlaces de la FIG. 7A.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La operación del método de rutas secundarias se puede ejecutar en el entorno 100 como se presenta en la FIG. 1. La configuración puede estar compuesta por una red del proveedor 1 10, cuya estructura se almacena en un sistema de información de topología 120. También puede contener un sistema de información de usuarios 130, que contiene: el conjunto de usuarios (par de nodos origen-destino) que utiliza la red del proveedor 1 10, la carga de tráfico de cada usuario y la máxima probabilidad de bloqueo (QoS) aceptada por cada usuario. Además, posee el sistema de cálculo de rutas secundarias y dimensionamiento 170, encargado de calcular las rutas secundarias y la capacidad de los enlaces para soportar un conjunto dado de escenarios de falla de enlaces, almacenados en el sistema de información de escenarios de fallos 150. Para hacer este cálculo, el sistema de cálculo de rutas secundarias y dimensionamiento 170 también utiliza la información de rutas primarias y de capacidad de enlaces inicial de la red del proveedor 1 10, almacenada en el sistema de información de rutas primarias y capacidad de enlaces 140. El sistema de cálculo de rutas secundarias y dimensionamiento 170 puede enviar o recibir información desde otros sistemas, utilizando el sistema de comunicación 160.
La red del proveedor 1 10 es una red óptica, modelada como un grafo mediante un grafo Q = X,£) compuesta por un conjunto, X, de nodos 210 interconectados por un conjunto, L, de enlaces de fibra o multifibra óptica 220. Un nodo de red 210 puede ser cualquier tipo de red óptica sin capacidad de conversión de longitud de onda (es decir, un OXC de conexión cruzada óptica).
El sistema de información de topología de red 120 puede ser un servidor o un dispositivo de red dentro o fuera de la red del proveedor 1 10. El sistema de información de topología de red 120 puede estar constituido por una interfaz de entrada 310 que recibe una solicitud o datos del sistema de comunicación 160, que es procesado por un procesador 320, y almacenada en una base de datos de topología 330. La base de datos de topología 330 incluye la información de nodos 210 y la información de enlaces 220 de la red del proveedor 1 10, utilizando una tabla para almacenar los nodos 350 y los enlaces 360, como se describe en las Fig.3B y 3C, respectivamente. Para comunicarse con otros sistemas o dispositivos, el sistema de información de topología de red 120 puede enviar mensajes utilizando la interfaz de salida 340.
El sistema de información de usuarios 130 puede ser un servidor o un dispositivo de red fuera de la red 1 10 del proveedor y puede estar compuesto por una interfaz de entrada 410 que recibe solicitudes o información del sistema de comunicación 160. Esta información es procesada por el procesador 420 y puede almacenarse en la base de datos de usuarios 430. La base de datos de usuarios 430 contiene todos los datos de usuarios (pares de nodos) de la red del proveedor 1 10, y la carga de tráfico asociada a cada uno de ellos, que se almacenan en la tabla de usuarios 450, como se muestra en la figura FIG. 4B. Para interactuar con otros sistemas y dispositivos, el sistema de información de usuarios 130 puede enviar mensajes utilizando su interfaz de salida 440. El sistema de información de rutas primarias y capacidad de enlaces 140 puede ser un servidor o un dispositivo de red fuera de la red del proveedor 1 10 y puede estar compuesto por una interfaz de entrada 510 que recibe solicitudes o información del sistema de comunicación 160. Esta información es procesada por el procesador 520 y puede ser almacenada en la base de datos de información de rutas primarias y capacidad de enlaces 530. La base de datos de información de rutas primarias y capacidad de enlaces 530 contiene todas las rutas primarias de los usuarios (pares de nodos), almacenadas en una tabla de rutas primarias 560 como se presenta en la FIG. 5C, y la capacidad de los enlaces en la red del proveedor 1 10, almacenada en la tabla de capacidad de enlaces 550, como se muestra en la figura FIG. 5B. Para interactuar con otros sistemas y dispositivos, el sistema de rutas primarias y capacidad de enlaces 140 puede enviar mensajes utilizando la interfaz de salida 540.
El sistema de información de escenarios de fallo 150 puede ser un servidor o un dispositivo de red fuera de la red del proveedor 110 y puede estar compuesto por una interfaz de entrada 610 que recibe solicitudes o información del sistema de comunicación 160. Esta información es procesada por el procesador 620 y puede almacenarse en la base de datos de escenarios de fallo 630. La base de datos de escenarios de fallo contiene un conjunto de escenarios de fallo, almacenados en una tabla de escenarios de fallo 650, como se muestra en la Figura 6B. Para interactuar con otros sistemas y dispositivos, el sistema de información de escenarios de fallo 130 puede enviar mensajes utilizando la interfaz de salida 640.
El sistema de cálculo de rutas secundarias y dimensionamiento 170 puede ser un servidor o un dispositivo informático con la capacidad de comunicarse con otros dispositivos, por ejemplo, una computadora de escritorio o una computadora portátil, fuera de la red del proveedor 1 10. El sistema de cálculo de rutas secundarias y dimensionamiento 170 se puede componer mediante una interfaz de entrada 710, que acepta solicitudes o información desde el sistema de comunicación 160. Durante la ejecución del método de rutas secundarias, el sistema de cálculo de rutas secundarias y dimensionamiento 170 puede solicitar: datos de topología de red al sistema de información de topología de red 120; datos de los usuarios al sistema de información de usuarios 130; rutas primarias y capacidad de enlaces al sistema de información de rutas primarias y capacidad de enlaces 140; e información de escenarios de fallo de enlaces al sistema de información de escenarios de fallo 150. Dichos datos se almacenan en las bases de datos propias del dispositivo, ya sea en: la base de datos de topología 720 con los datos de topología; la base de datos de usuarios 730, con los datos de usuarios; la base de datos de capacidad de enlaces y rutas primarias 740, con los datos de capacidad de enlaces y rutas primarias; y la base de datos de escenarios de fallos 750, con los datos de los escenarios de fallos. Para cada escenario de fallo almacenado en la base de datos de escenarios de fallo 750, el módulo de cálculo de costos de enlace 760 elimina los enlaces incluidos en la situación de fallo y vuelve a calcular el costo de los enlaces restantes utilizando datos de: la base de datos de topología 720, la base de datos de usuarios 730 y la base de datos de rutas primarias y capacidad de enlaces 740, para calcular cada costo asociado al enlace.
El calculador de rutas secundarias 770 identifica a todos los usuarios afectados en cada escenario de fallo y calcula una ruta secundaria para cada usuario afectado utilizando un algoritmo de ruta más barata (es decir, Dijkstra). Todas las rutas secundarias calculadas se almacenan en la base de datos de rutas secundarias y capacidad de enlaces 800, como una tabla de rutas secundarias 850, como se describe en la FIG. 7D. Para cada escenario de fallo almacenado en la base de datos de escenarios de fallo 750, el calculador de bloqueo 780 usa las rutas secundarias de los usuarios afectados por la situación de fallo (de la base de datos de rutas secundarias y capacidad de enlaces 800), y las rutas primarias de los usuarios no afectados (de la base de datos de rutas primarias y capacidad de enlaces 740), para calcular la probabilidad de bloqueo de cada usuario. Luego, el calculador de capacidad 790, calcula la capacidad de todos los enlaces asociados a cada escenario de falla, asegurándose de que la probabilidad de bloqueo de cada usuario, calculada por el calculador de bloqueo 780, no supere la probabilidad de bloqueo máxima para cada usuario que se obtiene desde la base de datos de usuarios 730. Las capacidades de enlaces calculadas, asociadas al escenario de fallo, se almacenan en la base de datos temporal de capacidad de enlaces 810, en una tabla temporal de capacidad de enlaces 830, como se muestra en la FIG. 7B. Las rutas secundarias y la capacidad de enlaces calculadas asociadas a cada escenario de fallo, almacenadas en la base de datos de rutas secundarias y capacidad de enlaces 800, pueden entregarse a cualquier otro sistema o dispositivo utilizando la interfaz de salida 590.
El sistema de comunicación 160 puede ser cualquier sistema de red que permita conectar dos o más dispositivos, como la red celular, la red móvil pública terrestre (PLMN), una red de segunda generación (2G), una red de tercera generación (3G), una cuarta generación (4G), una red de evolución a largo plazo (LTE), una quinta generación (5G), una red de acceso múltiple por división de código (CDMA), un sistema global para redes de comunicaciones móviles (GSM), un paquete general de servicios de radio (GPRS) ), una red de área local (LAN), una red de área amplia (WAN), una red de área metropolitana (MAN), una red ad hoc, una intranet, Internet, una red basada en fibra óptica, una red satelital, red de televisión, o una mezcla de uno o más de estos sistemas.
El método de tolerancia a fallos se ejecuta en la ruta secundaria 100, y su funcionamiento se describe a continuación:
1. El sistema de información de topología de red 120 obtiene la información de topología de la red del proveedor 1 10 almacenándola en la base de datos de topología 720.
2. El sistema de información de usuarios 130 obtiene la información de los usuarios (carga de tráfico y umbral mínimo de calidad de servicio) de la red del proveedor 110 almacenándola en la base de datos de usuarios 430.
3. El sistema de información de rutas primarias y capacidad de enlaces 140 obtiene la información de capacidad de enlaces y rutas de la red del proveedor 1 10, almacenándolas en la base de datos de rutas primarias y capacidad de enlaces 740.
4. El sistema de información de escenarios de fallo 150, obtiene la información de los escenarios de fallo previstos desde la red de proveedores 1 10 y los almacena en la base de datos de escenarios de fallo 750. El calculador de rutas secundarias 770 obtiene los escenarios de fallo (conjunto de enlaces en estado de falla en la topología de la red) desde la base de datos de escenarios de fallo 750. El calculador de rutas secundarias 770, selecciona el primer escenario de fallo de la base de datos de escenarios de fallo 750. El calculador de costos de enlaces 760 crea una nueva topología idéntica a la original, pero elimina todos los enlaces considerados en estado de falla. Para cada usuario afectado en el escenario de falla elegido: a. El calculador de rutas secundarias 770 selecciona uno de los usuarios afectados. b. El calculador de costos de enlace 760 calcula, para cada enlace en la nueva topología, un nuevo costo. El costo del enlace es igual a la suma de las cargas de tráfico de las rutas primarias (las no afectadas en el escenario de fallo) que pasan a través de dicho enlace, más la carga de tráfico de todas las rutas secundarias ya calculadas en el escenario de fallo actual (es decir, aquellas almacenadas en la tabla de rutas secundarias 850) que usan dicho enlace. c. El calculador de rutas secundarias 770 calcula una nueva ruta más barata para el usuario afectado. Para hacer esto, el calculador de rutas secundarias 770 usa la nueva topología obtenida en el paso 7 y el costo calculado en el paso 8b. d. El calculador de rutas secundarias 770 agrega la ruta secundaria (alternativa) asociada con el usuario afectado y el escenario de fallo en la tabla de rutas secundarias 850. El calculador de capacidad 790 dimensiona y almacena, en la tabla temporal de capacidad de enlaces 830, la capacidad de todos los enlaces en la nueva topología. Para dimensionar las longitudes de onda del enlace, el método debe garantizar una calidad de servicio mínima para cada usuario almacenado en la base de datos de usuarios 430. Para evaluar el dimensionamiento y la probabilidad de bloqueo de cada usuario, se puede utilizar el método " Blocking Evaluation and
Wavelength Dimensioning of Dynamic WDM Networks without Wavelength Conversión " por Jara et.al., en Journal of Optical Communications and Networking, vol. 9, no. 8, pp. 625-634, 2017., o cualquier otro método disponible en la literatura.
10. El calculador de rutas secundarias 770, elimina el escenario de falla de la base de datos de escenarios de fallo 750.
1 1. Se repiten los pasos 6, 7, 8, 9 y 10, hasta que no haya más escenarios de fallo en la base de datos de escenarios de fallo 750.
12. Para cada enlace de red almacenado en la base de datos de topología 720, se selecciona la capacidad máxima calculada y almacenada en la tabla temporal de capacidad de enlaces 830, almacenándolas en la tabla de capacidad de enlaces 850. Para obtener dicho máximo, para cada enlace de red, se comparan los dimensionamientos obtenidos en todos los escenarios de fallo y el caso sin fallo. El mayor dimensionamiento de cada enlace se almacena en la tabla de capacidad de enlaces 840.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un método implementado por computadora para otorgar tolerancia a fallos a una red óptica de multiplexación por división de longitud de onda (WDM) dinámica que tiene restricciones de continuidad de longitud de onda, CARACTERIZADO porque comprende los pasos de:
obtener, mediante un dispositivo computacional, una topología de dicha red, en donde dicha red se representa mediante un grato g = (JV\£) compuesta por un conjunto, JNT, de nodos interconectados por un conjunto, £, de enlaces;
obtener, mediante dicho dispositivo computacional, un conjunto de usuarios de dicha red, en donde un usuario se define como un par de nodos, origen y destino, y una carga de tráfico asociada a dicho usuario;
obtener, mediante dicho dispositivo computacional, un conjunto de rutas primarias cada ruta primaria que corresponde a un usuario, y un conjunto de capacidades, cada capacidad que corresponde a un enlace de dicho conjunto de enlaces;
obtener, mediante dicho dispositivo computacional, un escenario de fallo, dicho escenario de fallo corresponde a un subconjunto de enlaces o nodos en estado de fallo;
generar, mediante dicho dispositivo computacional, una segunda topología que corresponde a la topología de dicha red en donde se eliminan los enlaces en estado de fallo correspondientes a dicho escenario de fallo;
calcular, mediante dicho dispositivo computacional y para cada usuario de dicha red cuya ruta primaria utiliza alguno de dichos enlaces en estado de fallo correspondientes a dicho escenario de fallo, una nueva ruta más barata; y almacenar, mediante dicho dispositivo computacional, dichas rutas más baratas como rutas secundarias, correspondientes a dicho conjunto de usuarios en dicho escenario de fallo, en una base de datos.
2. El método de la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque dicho dispositivo computacional obtiene un conjunto de escenarios de fallo, y porque los pasos de:
generar, mediante dicho dispositivo computacional, una segunda topología que corresponde a la topología de dicha red en donde se eliminan los enlaces en estado de fallo correspondientes a dicho escenario de fallo;
calcular, mediante dicho dispositivo computacional y para cada usuario de dicha red cuya ruta primaria utiliza alguno de dichos enlaces en estado de fallo correspondientes a dicho escenario de fallo, una nueva ruta más barata; y
almacenar, mediante dicho dispositivo computacional, dichas rutas más baratas como rutas secundarias, correspondientes a dicho conjunto de usuarios en dicho escenario de fallo, en una base de datos,
se ejecutan para cada escenario de fallo perteneciente a dicho conjunto de escenarios de fallo.
3. El método de la reivindicación 1 o 2, CARACTERIZADO porque dicho paso de calcular, mediante dicho dispositivo computacional y para cada usuario de dicha red cuya ruta primaria utiliza alguno de dichos enlaces en estado de fallo correspondientes a dicho escenario de fallo, una nueva ruta más barata comprende los pasos de:
seleccionar, mediante dicho dispositivo computacional, uno de dichos usuarios cuya ruta primaria utiliza alguno de los enlaces en estado de fallo;
calcular, mediante dicho dispositivo computacional, un costo para cada enlace en dicha nueva topología, dicho costo que se define como la suma de las cargas de tráfico de las rutas primarias que utilizan dicho enlace y las cargas de tráfico de las rutas secundarias que utilizan dicho enlace;
obtener, mediante dicho dispositivo computacional, una nueva ruta más barata para dicho usuario seleccionado, utilizando dicha nueva topología y los costos de cada enlace; y
repetir los pasos anteriores hasta que se ha obtenido una ruta más barata para todos los usuarios cuya ruta primaria utiliza alguno de los enlaces en estado de fallo.
4. El método de la reivindicación 1 o 2, CARACTERIZADO porque comprende, adicionalmente, el paso de calcular, mediante dicho dispositivo computacional, una capacidad de los enlaces en dicha nueva topología, dicha capacidad de los enlaces que corresponde al número de longitudes de onda mínimo en cada enlace que permite, para cada usuario, que su probabilidad de bloqueo sea menor que una probabilidad de bloqueo umbral.
5. El método de la reivindicación 4, CARACTERIZADO porque dicha capacidad de los enlaces se obtiene mediante la ejecución del método descrito en el artículo“Blocking Evaluation and Wavelength Dimensioning of Dynamic WDM Networks without Wavelength Conversión " publicado por Jara et.al., en Journal of Optical Communications and Networking, vol. 9, no. 8, pp. 625-634, 2017.
6. El método de la reivindicación 4, CARACTERIZADO porque comprende el paso de obtener, mediante dicho dispositivo computacional, una capacidad para cada enlace de la topología de red original, en donde para obtener la capacidad correspondiente a un enlace de la red original, dicho dispositivo computacional busca el máximo de capacidad de dicho enlace entre los diferentes escenarios de fallo y en el escenario original.
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