CN108337043B - 多层sdn光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机网络通信技术领域，更具体地，涉及一种多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法，在多层SDN光网络提出一种更优的网络故障恢复方法，使得网络在某条链路或某个节点出现故障时，在恢复途径故障链路上业务的同时考虑到可能出现区域故障的问题，提出一种结合SDN技术的故障恢复新策略。该策略引入SDN统一控制平台，以及一种改进路由选择和频谱计算算法，并在最终选择备用路径时考虑路径生存度的概念，衡量这条备用路径发生区域故障的概率。本发明可以有效的避免节点配置竞争和频谱竞争，大大缩短恢复过程所用时间，以及考虑到区域故障和链路复用的情况，极大的提高故障恢复的成功率。

Description

多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法

技术领域

本发明涉及计算机网络通信技术领域，更具体地，涉及一种多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法。

背景技术

随着IP数据服务带宽需求的增加，IP服务的不确定性和不可预测性，人们不再满足于传统的波分复用(WDM)网络。传统的WDM网络认为波长有固定大小的最小的粒度，由于当前互联网和视频服务的***式增长，互联网服务的多样性大大增加，这导致WDM网络难以适应不同粒度的服务请求，从而导致了低频谱利用率，对带宽分配的需求变得越来越迫切，人们需要一个新的光纤网络架构来管理传统的WDM网络提供的带宽容量。新的光纤网络架构应该能够合理地分配频谱，而且还可以根据不同的租户提供不同的QoS服务，在这种情况下，弹性光网(EON)正从传统的光纤网络中演化而来，在当前通信网络的传输区段中，EON和WDM的不同之处是，EON可以根据服务需求动态地分配频谱，作为下一代光纤传输网络，网络运营商更想知道如何确保网络的稳定性以及恢复策略。由于EON和WDM的不同，WDM的恢复机制不能直接部署到EON。因此，我们需要一种新的动态恢复策略。

为了了解现有技术的发展状况，对已有的论文和专利进行了检索、比较和分析，筛选出如下与本发明相关度比较高的技术信息：

专利号为201010619965.0的专利《一种网络恢复方法和装置》，该方法为当网络的光层出现故障后，获取网络的网络状态和可用资源；可用资源包括光层和IP层的空闲资源、以及出现故障的光层LSP中的完好资源和与LSP对应的IP链路中的完好资源；根据网络状态，利用可用资源计算新的光层LSP的路径信息、相应的IP链路以及与IP链路的首末节点对应的配置信息；通知新的光层LSP的首节点按照新的光层LSP的路径信息建立光层LSP；当光层LSP成功建立后，通知与光层LSP对应的IP链路的首末节点建立IP链路，并向首末节点下发与其对应的配置信息。通过利用可用资源计算新的光层LSP和相应的IP链路，提高了IP及光网络的连通性。此方法通过分布式的方法在故障发生后重现建立备用路径，对相关节点的配置并不是一步到位，虽然可以实现恢复故障中断的网络，但是没有考虑到节点配置竞争的问题，在恢复时间上没有优化。

专利号为201710224247.5的专利《基于中心节点主控的树型拓扑网络恢复方法》，主要解决现有技术对树型拓扑网络因掉电故障或重启后不能快速恢复网络的问题。其实现步骤为：首先，中心节点通过本地广播发送网络恢复命令报文；然后，各级从属节点收到来自自身所从属于的上级节点的网络恢复命令报文后，向其回复网络恢复响应报文，并继续通过本地广播发送网络恢复命令报文直至末级中继节点；最后，由末级中继节点开始逐级汇总和上报网络恢复信息，直至到达中心节点，完成网络恢复。本发明利用中心节点主动发起网络恢复并对各级中继节点进行逐级恢复和汇总，实现了网络的快速恢复，减少了恢复网络通信的时间，可应用于各种通信的局域网和接入网领域。该方法讨论了树形拓扑网络故障中断后的恢复问题，将节点分层配置，但根本上还是一种分布式恢复的方案，没有对恢复时间进行优化。

专利号为200810184150.7的专利《网络恢复》，该发明公开了一种在故障发生后恢复传输网的两个节点之间的活动通道的方法，包括以下步骤：确定一条通过网络的替代通道；和建立一种涉及出故障的活动通道和替代通道的通道保护。如果在分层网络中，在较低层和较高层并发恢复故障通道，则能很容易地回复较高网络层中的恢复动作。该专利对可能出现故障的通道建立备用通道，在该通道出现故障时，可以利用备用通道直接恢复，这虽然大大减少恢复时间，但是对资源的消耗过大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法，可以有效的避免节点配置竞争和频谱竞争，大大缩短恢复过程所用时间。

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：一种多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法，其中，包括以下步骤：

S1.基于SDN对弹性光网络进行网络架构建模，在基础物理设备之上设置一层虚拟网络资源层，将获得的网络资源抽象化并提供给上层使用；在虚拟网络资源上层设置SDN控制器，在SDN控制器之上设置路径计算单元和流量工程数据库；

S2.将网络故障发生后的动态恢复过程分为信息传输阶段和备用路径计算单元，在信息传输阶段，在传统的网络架构上加入SDN统一控制平台；在备用路径计算单元，在传统路由选择和频谱分配算法的基础上增加路径级联度计算和路径生存性计算。

进一步地，所述的路径级联度计算方法包括以下步骤：

S211.利用可能调整的状态数量

和可能提供状态的链接带宽b_k计算平均带宽

S212.第i载波途径的链接的连接能力τ为：

式中，

为相邻子载波可改变的频谱占用状态数量；

S213.链路l上的频谱占用向量e_l为：

式中，F代表自载波的数量；

S214.整条路径的频谱占用向量e_R为：

其中，R代表链路；

S215.不同链路上的e_l可以组成向量空间Sp，定义向量空间的平均向量为

其中，n_l代表不同链路的数量；

S216.计算路径级联度D_R：

式中，e_R表示整条路径的频谱占用向量，

为不同链路上的频谱占用向量组成的向量空间的平均向量，cov(X,Y)为求两随机变量X,Y协方差，D(X)为X的方差，E(X)为X的期望，公式如下：

cov(X,Y)＝E(XY)-E(X)E(Y)，

进一步地，所述的路径生存性的计算步骤包括：

S221.定义链路l₁和链路l₂之间的距离

为：

式中，

代表链路l₁和l₂的中点m₁和m₂之间的距离；

S222.链路L＝{l₁,l₂…l_l}组成的路径P_i和任意链路α之间的距离

为：

式中，l_i为组成路径P_l的不同链路段，其中i∈[1,l]，l表示组成路径P_l的链路数量。

S223.当链路α由于某些原因故障中断，参数

和常数β可以用来表示路径P_l的生存性，β定义为故障参数，

代表路径R_l可能发生故障的概率：

S224.备用路径Rl可以正常工作的概率

为：

进一步地，所述的故障恢复方法具体包括：

S31.网络某处节点或链路出现故障；

S32.故障节点的相邻节点向故障节点发送消息超时，得到某处节点不可达信息，将不可达信息和请求计算备用路径信息发送给SDN控制平台；

S33.SDN控制器收到相关信息之后，更新网络最新的拓扑结构，并将节点计算备用路径的请求提交给路经计算单元，路经计算单元读取出最新的网络拓扑结构，利用S2步骤提出的改进的路由选择和频谱分配算法计算备用路径；

S34.SDN接收到路径计算单元给出的几条路径，将信息流分割成多条，分别分配到不同的路径上，在分配频谱时，保留每条路径上的需求的GB值，并返回信息给相关的请求节点；其中，GB为一个链路上防护频带宽度；

S35.SDN控制平台通知新的备用路径涉及到的相关节点，一次性完成对节点的配置。

进一步地，所述的S33步骤包括：

S331.路径计算单元读取出网络拓扑结构，并选出前k个有最短延迟并满足延迟差DD阈值的路径将其存储为候选路径，其中，DD为同路径间的延迟差别；

S332.对S331步骤的侯选路径，将需要备用路径的业务流量分配到候选路径上，在分配连续的频谱时检查是否遵循连续性和邻接性约束，如果满足连续性和邻接性约束，则分配成功，返回备用路径信息请求节点，结束过程；

S333.如果不能满足连续性和邻接性约束，即路径上没有可用的连续资源时，路径计算单元分别计算出候选路径的路径级联度，并筛选出满足阈值约束的路径再次存储为新的候选路径；

S334.考虑到备用路径需要具有区域故障容忍的要求，路径计算单元在发生故障链路或节点的基础上，计算出这些新的候选路径的生存性，筛选出生存性最强的前几条路径返回给SDN控制平台。

与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法，结合SDN控制器并提出改进的路由选择和频谱分配算法，可以有效的避免节点配置竞争和频谱竞争，大大缩短恢复过程所用时间，以及考虑到区域故障和链路复用的情况，极大的提高故障恢复的成功率。

附图说明

图1为本发明实施例仿真拓扑示意图。

图2为本发明实施例恢复失败率对比示意图。

图3为本发明实施例恢复时间对比示意图

具体实施方式

一种多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法，其中，包括以下步骤：

S1.基于SDN对弹性光网络进行网络架构建模，在基础物理设备之上设置一层虚拟网络资源层，将获得的网络资源抽象化并提供给上层使用；在虚拟网络资源上层设置SDN控制器，在SDN控制器之上设置路径计算单元和流量工程数据库；

S2.将网络故障发生后的动态恢复过程分为信息传输阶段和备用路径计算单元，在信息传输阶段，在传统的网络架构上加入SDN统一控制平台；在备用路径计算单元，在传统路由选择和频谱分配算法的基础上增加路径级联度计算和路径生存性计算。

在本发明中，首先基于SDN对弹性光网络进行建模，在基础物理设备之上设置一层虚拟网络资源层，将能获得网络资源抽象化并提供给上层使用，在虚拟网络资源层上是SDN控制器，可以调配虚拟网络资源层提供的虚拟网络资源，在SDN控制器之上则分别是路径计算单元(PCE)和流量工程数据库(TED)。在这个架构中，SDN控制器可以通过虚拟网络资源层掌握整个网络的状态，并为路径计算单元和流量工程数据库提供需要的数据完成必要的计算。

完成网络架构建模之后，为了更细致的讨论本方案策略，将网络故障发生后的动态恢复过程分为两个阶段讨论，分别为信息传输阶段和备用路径计算阶段。信息传输阶段指的是故障刚发生时故障信息在网络上的传播以及备用路径计算后备用路径信息在网上的传播，因为这两个的过程使用同样的方式，所以合并为同一个阶段考虑；备用路径计算阶段是SDN控制器接收到请求备用路径的信息后，发送消息给路径计算单元，在路径计算单元内利用网络信息计算备用路径的阶段。

在信息传输阶段，本发明在传统的网络架构上加入SDN统一控制平台，可以有效的避免恢复过程中可能会出现的节点配置竞争以及频谱竞争，且可在备用路径计算时间相同时有效缩短完整故障恢复的所用时间。例如，因为某一链路出现故障时，该条链路上承载的所有流量都需要计算备用路径来恢复业务，假设原本途径故障链路的有两条业务流量，如果此时采用的是传统的恢复机制，则这两条业务流量的起始点都要发起计算备用路径的请求，并在计算完成后，沿着备用路径发送信息建立一条新的承载业务的备用路由，而倘若此两条业务流量计算的备用路径途径某一段相同路径或是相同节点就极易触发节点配置竞争和频谱竞争，如业务1先计算出备用路径，业务2后计算出备用路径，在业务2沿着备用路径配置信息时，途径与业务1共同的链路和节点就需要等待该链路节点在完成配置业务1的备用路径后才能继续配置业务2的备用路径，这就是节点配置竞争和频谱竞争，当出现节点配置竞争和频谱竞争时，由于其中某一条或某几条业务的备用路径配置出现了等待的情况，无疑会增加整个恢复过程的耗时。而在本方案中，引入SDN统一控制平台，业务1和业务2在检测到路径中断时都将请求计算备用路径的信息发送给SDN控制器，SDN控制器通过虚拟网络资源层获取网络整体状态并将相关信息发送给路径计算单元为业务1和业务2请求新的备用路径，并在备用路径计算完成后，将信息直接发送给相关的节点，这个信息包含最终的节点配置信息，也就是说涵盖了业务1和业务2两天业务备用路径的配置信息，这样就可以有效避免节点配置竞争和频谱竞争情况的出现。

在第二个阶段备用路径计算阶段中，本方案在传统路由选择和频谱分配算法的基础上增加考虑路径级联度和路径生存性。

具体地，路径级联度计算方法包括以下步骤：

S211.利用可能调整的状态数量

和可能提供状态的链接带宽b_k计算平均带宽

S212.第i载波途径的链接的连接能力τ为：

式中，

为相邻子载波可改变的频谱占用状态数量；

S213.链路l上的频谱占用向量e_l为：

式中，F代表自载波的数量；

S214.整条路径的频谱占用向量e_R为：

其中，R代表链路；

S215.不同链路上的e_l可以组成向量空间Sp，定义向量空间的平均向量为

其中，n_l代表不同链路的数量；

S216.计算路径级联度D_R：

式中，e_R表示整条路径的频谱占用向量，

为不同链路上的频谱占用向量组成的向量空间的平均向量，cov(X,Y)为求两随机变量X,Y协方差，D(X)为X的方差，E(X)为X的期望。

另外，路径生存性的计算步骤包括：

S221.定义链路l₁和链路l₂之间的距离

为：

式中，

代表链路l₁和l₂的中点m₁和m₂之间的距离；

S222.链路L＝{l₁,l₂…l_l}组成的路径P_l和任意链路α之间的距离

为：

式中，l_i为组成路径P_l的不同链路段，其中i∈[1,l]，l表示组成路径P_l的链路数量。

S223.当链路α由于某些原因故障中断，参数

和常数β可以用来表示路径P的生存性，β定义为故障参数，

代表路径R_l可能发生故障的概率：

S224.备用路径Rl可以正常工作的概率

为：

在一些实施例中，故障恢复方法具体包括：

S31.网络某处节点或链路出现故障；

S32.故障节点的相邻节点向故障节点发送消息超时，得到某处节点不可达信息，将不可达信息和请求计算备用路径信息发送给SDN控制平台；

S33.SDN控制器收到相关信息之后，更新网络最新的拓扑结构，并将节点计算备用路径的请求提交给路经计算单元，路经计算单元读取出最新的网络拓扑结构，利用S2步骤提出的改进的路由选择和频谱分配算法计算备用路径；

S34.SDN接收到路径计算单元给出的几条路径，将信息流分割成多条，分别分配到不同的路径上，在分配频谱时，保留每条路径上的需求的GB值，并返回信息给相关的请求节点；其中，GB为一个链路上防护频带宽度；

S35.SDN控制平台通知新的备用路径涉及到的相关节点，一次性完成对节点的配置。

其中，S33步骤包括：

S331.路径计算单元读取出网络拓扑结构，并选出前k个有最短延迟并满足延迟差DD阈值的路径将其存储为候选路径，其中，DD为同路径间的延迟差别；

S332.对S331步骤的侯选路径，将需要备用路径的业务流量分配到候选路径上，在分配连续的频谱时检查是否遵循连续性和邻接性约束，如果满足连续性和邻接性约束，则分配成功，返回备用路径信息请求节点，结束过程；

S333.如果不能满足连续性和邻接性约束，即路径上没有可用的连续资源时，路径计算单元分别计算出候选路径的路径级联度，并筛选出满足阈值约束的路径再次存储为新的候选路径；

S334.考虑到备用路径需要具有区域故障容忍的要求，路径计算单元在发生故障链路或节点的基础上，计算出这些新的候选路径的生存性，筛选出生存性最强的前几条路径返回给SDN控制平台。

实施例

本发明在虚拟网络拓扑上仿真实验结果，该仿真是在14个节点和21个链路的网络上进行，如图1所示。我们假设链路容量设置为128个频谱槽，并在相邻的信道之间增加一个频谱槽保护带宽为12.5GHz。在网络中出现故障时，DD约束的阈值被设定为128ms，每个节点请求的流量从2个到8个子载波随机分布。此外，请求重建光路的请求遵循泊松分布。

本发明从两个方面来分析提出的恢复机制的性能，从故障中恢复所用时间，以及恢复成功率，在不同网络负载的情况下分析，本方案的恢复时间恢复失败率并与传统恢复机制相对比，仿真结果分别如图2和图3所示。

在图2中，基于SDN/改进的RSA和基于GMPLS/RSA的传统恢复的两条曲线在网络负载增加的情况下具有相同的增长趋势。随着网络负载的增加，两种方法都增加了恢复失效率。但在相同的网络负载情况下，所提出的方案的失败率比传统的方案要低得多。

在图3中显示，随着网络负载的增加，本方案的恢复时间仍然较低且稳定，而传统的时间则要高得多。当网络负载增加时，传统模式的恢复时间也会增加。因此，本发明的修复方案比传统的方案具有更好的性能。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.基于SDN对弹性光网络进行网络架构建模，在基础物理设备之上设置一层虚拟网络资源层，将获得的网络资源抽象化并提供给上层使用；在虚拟网络资源上层设置SDN控制器，在SDN控制器之上设置路径计算单元和流量工程数据库；

S2.将网络故障发生后的动态恢复过程分为信息传输阶段和备用路径计算单元，在信息传输阶段，在传统的网络架构上加入SDN统一控制平台；在备用路径计算单元，在传统路由选择和频谱分配算法的基础上增加路径级联度计算和路径生存性计算；其中，所述的路径级联度计算方法包括以下步骤：

S211.利用可能调整的状态数量

和可能提供状态的链接带宽b_k计算平均带宽

S212.第i载波途径的链接的连接能力τ为：

式中，

为相邻子载波可改变的频谱占用状态数量；

S213.链路l上的频谱占用向量e_l为：

式中，F代表自载波的数量；

S214.整条路径的频谱占用向量e_R为：

其中，R代表链路；

S215.不同链路上的e_l可以组成向量空间Sp，定义向量空间的平均向量为

其中，n_l代表不同链路的数量；

S216.计算路径级联度D_R：

式中，e_R表示整条路径的频谱占用向量，

为不同链路上的频谱占用向量组成的向量空间的平均向量，cov(X,Y)为求两随机变量X,Y协方差，D(X)为X的方差，E(X)为X的期望。

2.根据权利要求1所述的多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法，其特征在于，所述的路径生存性的计算步骤包括：

S221.定义链路l₁和链路l₂之间的距离

为：

式中，

代表链路l₁和l₂的中点m₁和m₂之间的距离；

S222.链路L＝{l₁,l₂…l_l}组成的路径P_L和任意链路α之间的距离

为：

式中，l_i为组成路径P_l的不同链路段，其中i∈[1,l]，l表示组成路径P_l的链路数量；

S223.当链路α由于某些原因故障中断，参数

和常数β可以用来表示路径P_l的生存性，β定义为故障参数，

代表路径R_l可能发生故障的概率：

S224.备用路径R_l可以正常工作的概率

为：

3.根据权利要求2所述的多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法，其特征在于，所述的故障恢复方法具体包括：

S31.网络某处节点或链路出现故障；

S32.故障节点的相邻节点向故障节点发送消息超时，得到某处节点不可达信息，将不可达信息和请求计算备用路径信息发送给SDN控制平台；

S33.SDN控制器收到相关信息之后，更新网络最新的拓扑结构，并将节点计算备用路径的请求提交给路经计算单元，路经计算单元读取出最新的网络拓扑结构，利用S2步骤提出的改进的路由选择和频谱分配算法计算备用路径；

S34.SDN接收到路径计算单元给出的几条路径，将信息流分割成多条，分别分配到不同的路径上，在分配频谱时，保留每条路径上的需求的GB值，并返回信息给相关的请求节点；其中，GB为一个链路上防护频带宽度；

S35.SDN控制平台通知新的备用路径涉及到的相关节点，一次性完成对节点的配置。

4.根据权利要求3所述的多层SDN光网络中具有区域故障容忍的故障恢复方法，其特征在于，所述的S33步骤包括：

S331.路径计算单元读取出网络拓扑结构，并选出前k个有最短延迟并满足延迟差DD阈值的路径将其存储为候选路径，其中，DD为同路径间的延迟差别；

S332.对S331步骤的侯选路径，将需要备用路径的业务流量分配到候选路径上，在分配连续的频谱时检查是否遵循连续性和邻接性约束，如果满足连续性和邻接性约束，则分配成功，返回备用路径信息请求节点，结束过程；

S333.如果不能满足连续性和邻接性约束，即路径上没有可用的连续资源时，路径计算单元分别计算出候选路径的路径级联度，并筛选出满足阈值约束的路径再次存储为新的候选路径；

S334.考虑到备用路径需要具有区域故障容忍的要求，路径计算单元在发生故障链路或节点的基础上，计算出这些新的候选路径的生存性，筛选出生存性最强的前几条路径返回给SDN控制平台。

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