CN101026482A - Wdm光网络中基于共享风险链路组的网络保护方法 - Google Patents

Abstract

提出了一种在具有共享风险链路组(Share Risk Link Group，SRLG)限制的WDM网络环境下基于共享风险链路组限制的共享资源保护方法，该方法包括以下步骤：反复调用传统的Dijkstra算法为新到业务请求计算备选工作路由集合；基于备选工作路由集合，根据网络中资源的实时使用情况，动态调整全网链路的链路权重值，从而得到最优的保护路由；以及使用首次命中(First－Fit，FF)策略为已经计算好的工作路由和保护路由分配波长资源。

Description

WDM光网络中基于共享风险链路组的网络保护方法

技术领域

本发明涉及一种波分复用(WDM)网络的保护方法，更具体地说，涉及一种基于共享风险链路组(SRLG)限制的WDM网络的共享保护方法。

背景技术

近年来，为了适应网络业务流量的大幅增加，骨干网普遍采用了容量大、可靠性高的波分复用(Wavelength-Division Multiplexing，WDM)技术，从而推动了Internet的迅猛发展，并使WDM技术也跻身为下一代网络的核心技术。WDM技术带来了更高的传输速率，更大的网络容量，同时，网络的拓扑结构也日趋复杂化。因此，一旦网络出现故障，将导致严重的破坏和影响。因此，网络的保护方法成为现今通信行业关注的焦点。

在WDM网络中，当网络发生故障以后，对WDM网络的故障进行恢复的网络恢复的策略可被分为两种：一种称为保护模式，另外一种称为恢复模式。

保护模式在网络规划的时候已经为网络中的所有业务预先计算出保护路由和保护资源，一旦网络中某一条链路或者某一个节点发生故障，受故障影响的业务将被自动地倒换到预先计算的保护路由上，这样，可以保证网络的恢复速度很快，且业务不受到故障的任何影响。具体的保护方法可以分为：1+1保护，1∶1保护以及M∶N保护。1+1保护使用“并发优收”的方式，在业务的源、宿之间建立两条路由并为这两条路由分配资源，业务的目的节点根据信号的优劣选择一路信号作为其工作路由，一旦该工作路由上的某一条链路或者节点发生故障，业务的目的节点可以自动地倒换到另外一条路由上。M∶N保护是指使用N条保护路由来保护M条工作路由，在故障发生前，N条保护路由上的资源可以被一些低等级的业务占用，一旦网络发生故障，受影响的业务立即倒换到这N条保护路由上，其中1∶1保护只是M∶N保护的特例情况。

恢复模式是指在网络发生故障以后，网络根据当前的资源使用情况动态地为受故障影响的业务建立一条恢复路由并分配资源。在恢复模式中，有两种策略：预置重路由恢复策略和和动态重路由恢复策略。预置重路由策略是在故障发生前，为工作路由预先计算一个端到端恢复路径，并预先交换信令来预留资源。对于源节点和目的节点，同时建立工作路径和恢复路径，但此时，恢复路径未被完全启用，不能承载业务，在故障发生以后，需要激活这个恢复路径以承载受影响的业务。对于动态重路径恢复策略，在故障发生前，恢复路径不被预先建立，一旦发生故障，就利用信令实时地建立恢复路径。如果当前的工作路径再次出现故障，则可再次建立重路由。恢复路径的计算取决于故障信息、网络路由策略和网络拓扑信息等。

根据网络资源的使用情况，网络恢复的方法可以分为共享资源的保护恢复和专有资源的保护恢复。共享资源的保护恢复是指用于为业务分配的保护资源不能再被其他业务所使用，而反之，该保护资源还可以被其他业务的保护路由所使用，则称为专有资源的保护恢复。

随着最近几年骨干网络规模的不断扩展，很多链路在特定的条件下，存在相同的故障风险，例如，几条光纤捆绑于同一条光缆沟中，一旦光缆沟遭到人为地破坏，这些光纤将同时处于故障状态。针对这一情况，IETF提出了共享风险链路组(Shared Risk Link Group，SRLG)的概念。共享风险链路组是一种支持多路由的新型链路属性，其定义一组链路共享同一物理资源。在WDM网络中，共享同一光纤、或者共用同一光缆的光纤、或者连接到同一节点的光纤的波长信道都可被看作一个共同的SRLG来处理。SRLG的信息可通过物理链路的路由信息自动地导出，也可通过网络管理者进行配置。网络管理者可通过指定不同链路属于哪一个或者哪几个SRLG标识来满足不同可靠性的要求。

在考虑SRLG问题的时候，需要主要区分SRLG的陷阱(trap)问题。SRLG的陷阱问题可以分为两种：

(1)SRLG真陷阱(SRLG true trap)：这是由于网络拓扑结构的不完善而造成的，由于这种情况是任何方法都不能解决的，因此称之为真陷阱。

(2)SRLG可避免陷阱(SRLG avoidable trap)：SRLG可避免陷阱是因为网络中存在某些缺陷。例如，网络资源分配的不合理、新到请求工作路由计算的不完善都可以造成方法进入到一个无限循环的过程中。要避免这种情况，就要从方法的本身出发，通过一些特定的策略提高算法的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在基于共享风险链路组(SRLG)限制的基础上，使用备选路由集合而得到工作路由的方法。该方法可用于具有共享风险链路组限制的网络中。

本发明的另一目的在于当计算保护路由的时候，引入波长平面的概念，在传统路由和波长分配问题中，通常都是先进行路由计算在进行波长分配，这样得到的结果并没有充分考虑网络中资源使用的实际情况。在该方法中，每一个波长都对应着一个波长平面，在该波长平面中，根据每条链路上该波长资源的使用情况来动态调整每条链路的权重，从而根据新得到的链路权重来计算保护路由。

根据本发明的第一方面，提供一种基于备选路由集合基础上计算工作路由的方法。备选工作路由集合是指通过在原有网络拓扑上，重复调用Dijkstra算法，进行路由的预计算，从而得到任意两点之间的K条路由，由所述K条路由可以构成一个备选工作路由集合。每当有新业务到达的时候，通过查找以上得到的备选路由集合可以得到其对应的K条路由信息。

根据本发明的第一方面，当新业务到达以后，需要对与该业务有关的K条路由按照某种策略进行排序，在计算保护路由的时候，优先考虑最符合要求的那条工作路由。

根据本发明另一方面，在计算保护路由的时候，引入了波长平面的概念，即在路由计算之前，根据网络资源的实时使用情况进行链路权重的状态调整，这样可以保证未来的资源分配的时候可以得到最优的结果。

在工作路由确定以后，从最小波长平面开始，动态地调整网络拓扑中所有链路的权重值。对于某一个波长λ_f来说，根据以下几个条件来修改链路权重：

i如果该链路已经被工作路由AP_i，j ^t所使用，则该链路权重被设定为无穷大。

ii如果该链路所对应的SRLG标识与工作路由AP_i，j ^t所对应的SRLG标识重复，则该链路权重被设定为无穷大。

iii如果该链路上所有光纤中的波长λ_f均已被用来作为工作波长，则该链路权重被设定为无穷大。

附图说明

通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其他目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1示出根据本发明实施例的DKW方法的流程图

图2示出根据本发明实施例的DKW方法选路的示意图

图3示出Dijkstra算法的流程图

图4示出First-Fit算法的流程图

图5示出美国自然科学基金会网络拓扑图

图6A示出类教育网网络拓扑图

图6B示出带SRLG限制的类教育网网络拓扑图

图7示出在NSFnet上阻塞率的仿真结果

图8A示出不带SRLG限制的类教育网阻塞率仿真图

图8B示出带SRLG限制的类教育网阻塞率仿真图

图9示出带SRLG限制的类教育网的链路负载均衡度仿真结果结果

图10示出带SRLG限制的类教育网的资源占用比率仿真结果

具体实施方式

通过参照下面对示例性的非限定性的实施例和附图的详细描述，本发明的优点和特征以及实现本发明的方法可更易于理解。然而，本发明可以以多种不同的形式来实施，而不应被解释为受限于在此阐释的实施例。此外，提供这些实施例从而该公开将是彻底的和完全的，并将完整地将本发明的构思传达给本领域技术人员，本发明将仅由所附权利要求定义。在说明书中，相同的标号始终指示相同的部件。

针对基于共享风险链路组限制的共享保护方法问题，在本专利中，设计了一种方法。

基于SRLG限制的共享保护方法一般来说，是指在网络规划阶段为新到业务建立两条路由，一条用于工作，另外一条用于保护，这两条路由是完全基于SRLG不相关，即所使用的SRLG组是完全不同的。对于此类问题，需要考虑以下两个方面内容：

(1)同一个连接请求的工作路径和保护路径必须SRLG分离；

(2)共享链路上同一资源(如波长)的保护通道对应的工作路径之间必须SRLG分离。

满足这两个条件的方法可以被称为基于SRLG限制的共享保护方法。

参考图1，其中示出了第一个共享保护方法的步骤流程图(DKW，DynamicK-Shortest Paths on Wavelength Plane)。该方法基于重复调用经典的Dijkstra算法在网络拓扑上计算出由K条路由组成的备用工作路由集合，从中选择一个最佳的作为新到业务的工作路由。此外，在计算保护路由的过程中，引入波长平面(Wavelength Plane)的概念，每一个波长形成一个单独的波长平面，在所有波长平面中，选择一个最佳的平面，基于此波长平面中计算保护路由。

在步骤S101根据网络的输入情况，收集网络中的节点信息和链路信息，并根据这些信息生成特定的链表，在以后的计算中，一旦涉及网络拓扑结构的信息，则调用该链表。在步骤S102根据网络共享风险链路组的输入情况，生成含有共享风险链路组的网络拓扑结构链表。在步骤S103中，当有新业务到达的时候，记录该业务的源节点信息和目的节点信息，节点信息可以是每一个节点的节点编号，并将该业务的所有状态进行初始化，即该业务状态为未分配资源的状态。

在步骤S104中，根据在步骤S101、S102、S103所得到的网络节点、链路信息以及业务信息反复调用Dijkstra算法为新到业务计算出K条最短路由，并将所述的K条最短路由组成备选路由集合。在备选路由集合中，所述的K条最短路由可以是基于节点相关的，也可以是基于链路相关的。

Dijkstra算法是传统的在全网中计算两点之间最短路由的算法。图3是示出了一个经典的Dijkstra算法流程图。

在步骤S105中，基于不同的策略，对在步骤S104中所计算的在源节点和目的节点之间的K条工作路由进行排序，并依次用不同的工作路由来计算在源节点和目的节点之间的保护路由。基于计算的结果来得到最优的保护路由。

在本方法中采用如下策略来得到最优的保护路由：

对于任意第t(1＜t＜K)条路由AP_i，j ^t，AP_i，j ^t含义为节点i和节点j之间的第t条路由。AP_i，j ^t的权重可以定义为：

$\left|{\mathrm{AP}}_{i,j}^t\right|=H_{i,j}^t/{\mathrm{SH}}_{i,j}^t$ 公式(1)

其中H_i，j ^t为节点i和节点j之间第t条路由的跳数，SH_i，j ^t为节点i和节点j之间第t条路由所包含的SRLG标识的数目。

根据公式(1)可以计算出所有备选路由的权重值，并按照其权重大小对所述备选路由进行重新排队，记为{AP_i，j ^t，AP_i，j ²，AP_i，j ³...AP_i，j ^K}，其中所述K条工作路由的权重满足： $\left|{\mathrm{AP}}_{i,j}^1\right|>\left|{\mathrm{AP}}_{i,j}^2\right|>\left|{\mathrm{AP}}_{i,j}^3\right|...>\left|{\mathrm{AP}}_{i,j}^K\right|$ 公式(2)

图2示出了根据本发明的DKW方法选路的示意图，假设业务源节点为节点0，目的节点为节点3，因此该业务一共包含三条备选工作路由，如表1。

表1

编号	工作路由	跳数	SRLG跳数	路由权重
					路由1	节点0-节点3	1	3	0.33333
路由2	节点0-节点1-节点3	2	4	0.5
					路由3	节点0-节点2-节点4-节点3	3	3	1

由表1可以知，虽然路由3的跳数比其他两个备选路由跳数要多，但是按照公式(1)得出的路由权重最小，因此，在备选路由集合中，路由3的优先级是最高的。这种选路策略就是优先考虑那些包含SRLG标识组最少的工作路由，只有选择包含SRLG标识组最少的工作路由，在未来得到保护路由的可能性是最大的。

在步骤S106中，为业务源节点i和目的节点j之间的第t条备选工作路由AP_i，j ^t，使用首次命中(Fitst-Fit，FF)策略为AP_i，j ^t分配波长λ_w，工作波长记录为λ_work＝λ_w。如果在S106中没有找到可用的工作波长，则跳转到步骤S107。如果找到了可用的工作波长，则跳转到步骤S108。

首次命中(First-Fit，FF)策略是经典的资源分配策略，在图4示出了首次命中策略的流程图。

在步骤S107中，t＝t+1，即在备选工作路由集合中选择下一条路由，其后，跳转到S104，对下一个备选路由进行计算。

在步骤S108中引入了波长平面的概念。以零到最大波长数目对相应的波长平面进行编号，具体地说将0分配给波长平面0，将1分配给波长平面1等等。在工作路由确定以后，从最小波长平面开始，动态地调整网络拓扑中所有链路的权重值。对于某一个波长λ_f来说，根据以下几个条件来修改链路权重：

i如果该链路已经被在业务源节点i和目的节点j之间的第t条工作路由AP_i，j ^t所使用，则该链路权重被设定为无穷大。

ii如果该链路所对应的SRLG标识与在业务源节点i和目的节点j之间的第t条工作路由AP_i，j ^t所对应的SRLG标识重复，则该链路权重被设定为无穷大。

iii如果该链路上所有光纤中的波长λ_f均已被用来作为工作波长，则该链路权重被设定为无穷大。

对于节点i和节点j之间的链路，其权重|L_i，j|设定为：

公式(3)

在DKW方法中，之所以引入了波长平面的概念是由于，传统路由和波长分配(RWA)算法都是先路由计算再进行资源分配，因此，在分配资源的时候很少能考虑到当时网络资源的使用情况。本发明所引入的波长平面概念，就是在路由计算之前，根据网络资源的实时使用情况进行链路权重的状态调整，这样可以保证未来的资源分配的时候可以得到最优的结果。

当链路权重更新完毕以后，在步骤S109中，调用Dijkstra算法来计算工作路由AP_i，j ^t所对应的保护路由BP_i，j ^t。

在步骤S110中，判断所得到的保护路由BP_i，j ^t是否为空，如果为空就意味着在该波长平面上没有找到所需要的保护路由，则跳转步骤S111，到下一个波长平面继续寻找保护路由。如果不为空，则代表已经为该业务找到了其对应的保护路由，其对应的波长为保护波长，即λ_protect＝λ_f，跳转步骤S113。

当没有找到保护路由的时候，进入到步骤S111，f＝f+1，即跳转到下一个波长平面继续寻找保护路由。

在步骤S112中，如果现在的该波长平面编号f大于链路中的最大波长数目F，则代表着网络中已经没有任何可用的资源了，即该业务被阻塞，并跳转步骤S114。

当为该业务成功分配工作波长和保护波长以后，进行到步骤S113，更新业务状态，将业务状态设置为已成功分配资源，并刷新全网链路状态，最后跳转步骤S103，等待下一个新业务的到达。

在步骤S114中，更新业务状态，该业务状态设置为阻塞状态，并跳转步骤S103，等待下一个新业务的到达。

下面是关于DKW方法时间复杂度的分析：

DKW方法引入了备选路由集合策略，虽然可以最大限度地挖掘网络中的潜在资源信息，但是却是以牺牲算法时间为代价的。考虑到KSP路由表是在网络预路由计算中形成的，与新到连接请求无关，因此，在每一次仿真中，只要网络拓扑不改变，计算一次备选路由路由即可，因此，DKW方法的时间复杂度为o(K²+KW)，其中K代表备选路由的数目，w是波长总数。

对DKW方法仿真结果的分析：

为了说明所提出的DKW方法的性能，针对图5、图6(A)、图6(B)示出了三种网络拓扑进行了仿真，图5是美国国家自然科学基金网络，其中包含了14个节点和21条链路。图6(A)是不带SRLG限制的类教育网络拓扑原型，其中包含了9个节点和16条链路，图6(B)图是带SRLG限制的网络拓扑，其中，除了原有的9个节点和16条链路以外，还包含了12个共享风险链路组标识，有的共享风险链路组只包含一条链路(如s1)，但有的共享风险链路组却包含了多条链路(如s9).

在本仿真过程中，假设全网总的连接请求到达率为β，服从泊松分布，持续时间服从均值1/μ的指数分布，即全网总负载为β/μ爱尔兰。令所有请求的源、宿节点按均匀分布的方式在所有节点中产生，且连接请求的带宽均为一个波长。本仿真所用的WDM网络拓扑节点没有波长变换能力，每条双向链路上有8根光纤，每根光纤中含8个波长。

为了更详细地说明仿真的结果，我们引入了另外一种目前非常普遍的基于共享风险链路组限制的共享保护方法，即使用D算法进行工作路由和保护路由的计算，FF策略进行波长分配，本方法成为Normal方法。

从网络业务的阻塞率角度出发，图7、图8(a)、图8(b)显示出了在NSFnet、不带SRLG限制的类教育网、带SRLG限制的类教育网三个网络拓扑上的阻塞率仿真曲线。仿真中所使用的业务强度是从200爱尔兰到290爱尔兰。从这三条仿真曲线中可以明显地看到，相比Normal方法，DKW方法由于才选路和波长分配的时候，引入了一些策略，因此可以给网络性能带来明显地改变，可在一定程度上降低网络的阻塞率，阻塞率的降低幅度大约在10％到20％左右。

从网络资源使用情况角度出发，为了描述链路之间负载容量的差异化程度，引入了网络链路负载平衡函数：

$c=\frac{N\left|l_{\max }\right|}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i}$ 公式(3-1)

其中l_i代表第i条链路的负载，l_max代表N条链路中负载最大值。

由公式(3-1)可以看到，c越小，则说明网络中每条链路的负载越平衡。网络负载的平衡对于未来新到业务的选路和资源分配是非常有意义的。

图9中的仿真曲线主要针对全网链路负载均衡度进行的仿真，关于链路负载均衡的计算公式参考公式(3-1)。

图10中的仿真曲线是从网络资源使用角度得出的。纵轴的网络资源使用率被定义为，工作波长和保护波长的总和在所有波长中的百分比。当网络资源使用率越高，则说明网络资源的使用情况越好。DKW方法通过K条最短路由的计算，充分挖掘了网络中的潜在资源。

本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变形和修改。

Claims (9)

1、一种在WDM光网络中基于共享风险链路组(SRLG)限制的共享资源保护方法，该方法包括以下步骤：

反复调用Dijkstra算法为新到业务请求计算最短路由，并将计算得到的最短路由组成备选工作路由集合；

在该备选工作路由集合中对所有工作路由进行排序；以及

根据所述备选工作路由集合的排序结果来计算保护路由。

2、如权利要求1所述的方法，其中，计算最短路由的步骤包括以下步骤：

收集网络的节点信息和链路信息，并根据所收集到的节点信息和链路信息为节点和链路进行编号，并将所有链路的链路权重设置为特定值；

根据新到业务请求，收集业务源节点和目的节点的信息，其中，业务源节点和目的节点的信息包括源节点编号和目的节点编号；

根据业务的源节点信息和目的节点信息，重复调用传统的Dijkstra算法，得到该业务的最短路由。

3、如权利要求1所述的方法，其中，对工作路由进行排序的步骤包括以下步骤：在备选工作路由集合中，根据每条工作路由中所包含的共享风险链路组的个数对所有工作路由进行排序。

4、如权利要求1所述的方法，其中，计算保护路由的步骤包括以下步骤：

根据备选工作路由的排序结果，为新到业务连接指定一条工作路由，并为该工作路由分配工作资源；以及

调用Dijkstra算法计算保护路由。

5、如权利要求3所述的方法，其中，所述排序方法是升序排序方法。

6、如权利要求3所述的方法，其中，所述排序方法是降序排序方法。

7、如权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：

如果工作资源分配不成功，则指定下一条工作路由，并为其分配资源；以及

如果工作资源分配成功，则基于不同的波长平面，更新全网所有链路的链路权重。

8、如权利要求4所述的方法，还包括以下步骤：

如果保护路由计算不成功，则指定下一条工作路由；以及

如果保护路由计算成功，则该波长平面所对应的波长编号被确定为该业务的保护资源。

9、如权利要求7所述的方法，其中，更新全网所有链路的链路权重包括以下步骤：

如果该链路已经被工作路由所使用，则将该链路权重设定为无穷大；

如果该链路所对应的SRLG标识与工作路由所对应的SRLG标识重复，则将该链路权重设定为无穷大；

如果该链路上所有光纤中的波长均已被用来作为工作波长，则将该链路权重设定为无穷大；以及

如果该链路不满足以上条件，则将该链路权重设定为特定值。

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