最小故障風險損失的彈性光網絡多鏈路故障概率保護策略

劉煥淋 易鵬飛 張明佳 陳 勇

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最小故障風險損失的彈性光網絡多鏈路故障概率保護策略

劉煥淋*①易鵬飛①張明佳①陳 勇②

①(重慶郵電大學光纖通信技術與網絡重點實驗室 重慶 400065)②(重慶郵電大學自動化學院 重慶 400065)

針對彈性光網絡中多鏈路故障100%保護的資源消耗冗余度較高的問題，該文提出一種最小故障風險損失的概率保護(MFRL-PP)策略，在多鏈路故障時為業務提供高效率的概率保護。在MFRL-PP策略中，該文設計了一個綜合考慮鏈路負載和故障風險的代價函數，為業務選擇故障風險小且頻譜資源消耗少的概率保護光路。當最小故障風險路徑無法傳輸時，為進一步降低概率保護光路的故障風險損失，該文還設計了一種非對稱業務流分流的最小故障風險損失概率保護機制，以便選擇故障風險損失最小的分流路徑組作為傳輸光路。同時，在傳輸光路的頻譜分配階段，提出了基于最大頻譜重合度的可用頻譜塊選擇策略，以減少頻譜碎片的產生。仿真結果表明所提策略不僅有效地提升了頻譜利用率，還較好地實現了帶寬阻塞率與故障風險的平衡。

彈性光網絡；多鏈路故障；最小故障風險損失；非對稱業務流；帶寬阻塞率

1 引言

近年來，隨著多媒體業務的飛速發展，如交互式網絡電視、視頻點播、云服務等新型應用大量涌現，網絡流量呈爆炸式增長，網絡帶寬需求也急劇增加。傳統的波分復用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)網絡采用固定波長粒度的分配方式會造成帶寬資源浪費，使其很難滿足未來光網絡的帶寬需求[1]。基于正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)技術的彈性光網絡，可根據傳輸距離選擇不同的調制方式，靈活地分配子載波(12.50 GHz或6.25 GHz)。相比于WDM網絡，彈性光網絡具有頻譜效率高、能耗低等優點，是一種高效的新型光網絡架構，成為未來光網絡智能化的一個主要方向[2,3]。

在彈性光網絡中傳輸業務時，需要建立一條源到目的節點的光路，再為光路上的每一條鏈路分配相同的、連續的頻隙(Frequency Spectrum, FS)資源，這就是路由與頻譜分配(Routing and Spectrum Assignment, RSA)問題。在網絡帶寬資源有限的情況下，優化網絡中的路由與頻譜分配過程，提高頻譜利用率，能夠節約網絡帶寬資源，降低阻塞率[4,5]。而通信網絡中超過80%的信息需要通信光纖鏈路傳輸，網絡中的鏈路故障會造成大量的業務中斷、數據丟失。同時隨著網絡規模的不斷擴大，網絡發生多故障的概率逐漸增大。針對網絡中日益嚴重的多鏈路故障問題，研究光網絡的生存性RSA問題，成為提升光網絡抵御多故障能力的重要途徑[6,7]。

為解決彈性光網絡中的生存性RSA問題，目前已有很多文獻提出了生存性RSA策略。光網絡中的生存性RSA策略主要分為保護和恢復兩種，現有的研究主要集中在保護策略上。在保護策略中，要實現100%的多故障保護，需要消耗大量的帶寬資源，造成網絡阻塞率過高；另一方面，隨著光器件技術的進步，光器件發生故障的概率較小，實施高昂保護開銷的100%保護意義和效果不大，因此更具性價比意義的光纖鏈路故障概率保護策略應運而生。概率保護作為一種特殊的保護策略，能夠根據業務差異化的可靠性需求和網絡資源情況，靈活地配置帶寬資源，為業務提供概率保護，減少保護資源消耗，降低網絡阻塞率。文獻[8]提出了負載均衡的多鏈路故障共享保護(Dynamic Load Balancing Shared- Path Protection, DLBSPP)算法，并采用傳統的首次命中(First Fit, FF)算法進行頻譜分配，但是忽略了頻譜碎片問題。文獻[9]通過可用性概率分析，選擇滿足聯合故障概率約束的路徑來傳輸業務，使用最小空閑頻譜消耗(Minimum Free Spectrum-Block consumption, MFSB)算法來選擇保護路徑并進行頻譜分配，但是在進行可用性分析時直接通過概率計算十分復雜且在聯合故障概率計算時關于共享度的使用不夠精確。文獻[10]通過對可用性與頻譜資源消耗的分析，提出了頻譜感知的多故障共享保護策略，通過ILP模型對聯合故障概率和頻譜資源消耗進行聯合優化，但是ILP模型構造、求解復雜。文獻[11]提出了一種可用性感知的區分保護策略，在業務傳輸中通過可用性分析切換保護方式以節約頻譜資源消耗，但是故障模型只是分析了單鏈路和雙鏈路故障情況，沒有考慮多鏈路故障問題。文獻[12]提出了一種多故障共享路徑保護算法，有效地恢復因多故障而引起的多業務中斷，提高受損業務的恢復率，但是在頻譜分配時共享的資源比較有限。由此可知，在彈性光網絡的多鏈路故障保護研究中，仍存在著許多問題，需要不斷改進和創新。

針對彈性光網絡中的多鏈路故障保護問題，本文以降低網絡的阻塞率為首要目標，同時考慮避免業務故障風險的激增，首先提出了一種最小故障風險概率保護(Minimum Fault Risk Probability Protection, MFR-PP)策略，為業務優先選擇故障風險最小的傳輸路徑。為進一步降低業務的故障風險損失，在此基礎上提出了最小故障風險損失的概率保護(Minimum Fault Risk Loss Probability Protection, MFRL-PP) 策略，當最小故障風險路徑無法傳輸時，將業務分割為非對稱的業務流，在故障風險損失最小的分流路徑組傳輸，實現業務的最小故障風險損失概率保護，頻譜分配時選擇頻譜重合度最大的可用頻譜塊來傳輸業務。

2 最小故障風險概率保護(MFR-PP)策略

2.1故障風險概率保護問題描述

在彈性光網絡保護中，高的可靠性保證意味著高的帶寬資源消耗，使得網絡阻塞率過高。概率保護能在保證業務可靠傳輸的前提下，靈活地配置帶寬資源，實現阻塞率與可靠性的平衡。本文首先提出了一種最小故障風險的概率保護策略，在為業務路由時通過對候選路徑進行故障風險評估，選擇故障風險最小的路徑來傳輸業務，以此實現對業務的概率保護。首先生成網絡拓撲鏈路故障風險矩陣，根據鏈路的故障風險設計鏈路代價函數如式(1)所示。表示鏈路的故障風險概率，表示鏈路的代價。

為降低業務的故障風險，通過式(2)，式(3)對候選路徑的故障風險進行評估，選擇故障風險最小的路徑作為傳輸路徑。假設業務所選的路徑為,表示路徑經過的鏈路，則當前路徑的故障風險可表示為

(2)

(4)

由候選路徑故障風險可知，選擇路徑1的故障風險最小，根據最小故障風險概率保護目標，業務LR(0, 3, 200 Gbps)優先選路徑1(0-3)作為傳輸路徑，實現對業務的概率保護。

2.2 最小故障風險的概率保護(MFR-PP)策略過程

步驟 1 從等待路由的業務隊列中，取第個業務請求尋找具有最小故障風險概率保護功能的傳輸路徑；

步驟3 使用式(1)更新光網絡中的鏈路代價，根據Dijkstra算法計算業務源到目的節點的條候選傳輸路徑；并根據式(3)和式(4)評估每條候選路徑的故障風險程度，按故障風險程度從小到大對條候選路徑進行排序，令表示第條傳輸路徑，初始值取1，轉步驟4；

圖1 網絡拓撲及業務候選路徑示意圖

步驟7 算法結束。

3 最小故障風險損失的概率保護(MFRL-PP)策略

為業務選擇最小故障風險的路徑作為傳輸路徑，可能導致網絡負載不均衡產生瓶頸鏈路。且隨著負載的增大，滿足頻譜約束的最小故障風險路徑很難被選到，業務只能退而選故障風險較大的路徑進行傳輸。此時業務在所選的故障風險較大的路徑上傳輸，會導致業務風險損失較大。因此，為降低網絡發生多故障時的業務損失，本文又提出基于非對稱業務流的最小故障風險損失概率保護策略。

3.1基于非對稱業務流的最小故障風險損失概率保護問題描述

在基于非對稱業務流的最小故障風險損失概率保護策略中，首先綜合考慮網絡中的頻譜資源使用狀況、鏈路的故障風險概率和業務的頻譜資源消耗，設計了路由選擇時的鏈路代價函數，如式(5)所示。鏈路的代價函數值越小，表明鏈路的空閑頻譜越多，鏈路的故障風險越小。更新鏈路的代價函數后，使用Dijkstra算法計算條候選路徑，并通過上述的故障風險評估模型評估每條候選路徑的故障風險。優先選擇故障風險最小的路徑進行傳輸，若最小故障風險路徑上無足夠的可用頻譜資源，則依據故障風險程度低的路徑傳輸多的業務的原則，設計了式(6)將業務分解為非對稱業務流，如圖2(a)所示，非對稱業務流分別在兩條光路上傳輸，如圖2(b)所示。設計式(7)來評估采用最小故障風險路徑傳輸時的業務故障風險損失。采用非對稱業務流傳輸時，通過式(8)來評估業務的故障風險損失，選擇故障風險損失最小的分流路徑組來傳輸業務，實現最小故障風險損失的概率保護。由于隨著傳輸路徑的增多，所消耗的保護頻隙會增多，所以本文最多只將業務分割為2個子業務。

(6)

綜上所述，為實現業務的最小故障風險損失概率保護，業務傳輸可分為兩種情況，第1種情況是直接使用故障風險最小的路徑進行傳輸，此時業務損失的大小可以通過式(7)進行評估，業務損失為

第2種情況是，最小故障風險路徑無法傳輸時，業務采用非對稱分流進行傳輸，劃分業務為大小為和的非對稱業務流，分別在分流路徑和上傳輸，, 分別表示對應的路徑故障風險。當網絡大規模故障時，業務發生損失又可以細分為3種，一是分流路徑發生故障，此時業務損失約為，二是分流路徑發生故障，此時業務損失約為，三是兩條分流路徑同時故障，此時業務損失約為。

業務的路由確定后，需要在滿足頻譜一致性、連續性的前提下在光路由上分配頻譜資源。首先根據鏈路頻譜資源使用情況找出滿足請求帶寬要求的可用頻譜塊集合。分別計算當前每個可用頻譜塊如果被使用后的頻譜重合度，選擇重合度最大的頻譜塊來承載業務，使光路的頻譜碎片最小化。設和分別表示業務第個子業務流的首、尾頻隙索引值，,分別表示路徑上第個頻譜塊的首、尾索引值；表示第個頻譜塊被占用后的頻譜重合度，定義頻譜重合度的計算如式(9)所示。

(9)

假設業務選擇的分流路徑組如圖2(b)所示，所選的2條分流光路分別為和，每條分流路徑上所需的頻隙數分別為4 FS和2 FS。路徑的頻譜資源使用情況分別如圖3(a), 3(b)所示，則可通過式(9)計算每個可用頻譜塊被占用后的頻譜重合度，如 表1所示。

表1頻譜重合度計算表

分流路徑頻譜塊頻隙索引值業務所需頻隙數頻譜重合度 Ws,1AFS塊11, 2, 3, 441 Ws,1AFS塊26, 7, 8, 9, 1044/5 Ws,2AFS塊12, 3, 422/3 Ws,2AFS塊27, 8, 9, 1022/4

根據選路徑上頻譜重合度最大的頻譜塊進行頻譜分配的原則，路徑1-3-4-2選擇頻譜重合度大的頻譜塊(頻譜索引值為1, 2, 3, 4)承載業務，分配的頻隙索引值為1, 2, 3, 4；同理，路徑1-5-6-2選擇頻譜重合度大的頻譜塊(頻譜索引值為2, 3, 4)承載業務，分配的頻隙索引值為2, 3，結果如圖3所示。

3.2基于非對稱業務流的最小故障風險損失概率保護(MFRL-PP)策略過程

步驟3 使用式(5)更新網絡中的鏈路代價，運行Dijkstra算法計算源到目的節點的條候選傳輸路徑；并根據式(3)和式(4)評估每條候選路徑的故障風險程度，按故障風險程度從小到大對條候選路徑進行排序，令表示第條候選傳輸路徑，初始值取1，轉步驟4；

步驟10 算法結束。

4 算法仿真結果分析

4.1仿真參數設置

為了驗證算法的性能，將本文所提的MFR-PP算法、MFRL-PP算法分別與DLBSPP算法[8]、MFSB[9]算法進行了對比，性能指標為帶寬阻塞率，頻譜利用率和業務平均故障風險。仿真中使用14個節點、21條鏈路的NSFNET網絡，及15個節點、28條鏈路的BELLCORE網絡。

4.2 仿真結果分析

圖4顯示了4種算法在兩種不同網絡場景中帶寬阻塞率隨負載的變化情況。從圖4可以看出，本文所提的MFRL-PP算法獲得了最低的帶寬阻塞率。主要是因為在選擇路由時綜合考慮了故障風險與業務頻譜資源消耗，并采用了非對稱業務流方法，在頻譜分配時通過頻譜重合度的計算選擇合適的頻譜塊來減少頻譜碎片，降低了帶寬阻塞率。MFSB, DLBSPP算法需要配置保護路徑，消耗了額外的頻譜資源來提升業務傳輸的可靠性，導致其阻塞率最高。MFR-PP算法優先選擇故障風險小的路徑來傳輸業務，但是會因頻譜約束條件而繞路，所以其阻塞率略高于MFRL-PP算法。相同負載下，NSFNET網絡的阻塞率要高于BELLCORE網絡，主要是因為BELLCORE網絡節點平均度數較大，因此業務更容易成功傳輸。

圖5顯示了4種算法在兩種不同網絡場景中業務平均故障風險隨負載的變化情況，可以看出，本文所提的MFRL-PP算法獲得了較低的業務平均故障風險，實現了阻塞率與業務故障風險更好的平衡。主要是因為MFRL-PP算法優先選擇故障風險最低的路徑進行傳輸，在故障風險最低路徑無法傳輸時，通過故障風險評估將業務進行非對稱分流，降低了業務的故障風險。而MFSB, DLBSPP算法分別采用了不同的保護策略，所以故障風險較小。隨著負載增大，MFR-PP算法所選路徑故障風險會增大，所以平均故障風險最高。在負載相同時，NSFNET網絡的平均故障風險要高于BELLCORE網絡，主要是因為BELLCORE網絡節點平均度數較大，業務更容易選到故障風險小的路徑。

圖6分析了4種算法在兩種不同網絡環境中不同負載下頻譜資源利用率的變化情況，可以看出，本文所提的MFRL-PP算法獲得了最高的頻譜資源利用率。主要原因是MFRL-PP算法在故障風險最低路徑無法傳輸時進行了非對稱分流，充分利用了頻譜資源，并且通過評估頻譜塊的頻譜重合度來分配頻隙，減少了頻譜碎片，提高了頻譜資源利用率。而MFSB, DLBSPP算法為了確保業務的可靠性而選擇故障風險低的路徑，可能造成資源消耗不均勻，頻譜碎片過多，因此頻譜利用率較低。MFR-PP算法通過故障風險來選路，頻譜利用率位于幾者之間。在相同負載下，NSFNET網絡的頻譜資源利用率要高于BELLCORE網絡，主要是因為BELLCORE網絡鏈路數較多，業務更容易選到跳數少的路徑，節約了頻譜資源消耗。

5 結束語

本文主要研究了彈性光網絡中的多鏈路故障保護問題，提出MFR-PP與MFRL-PP算法提高多鏈路故障時的概率保護性能和頻譜資源利用率。設計了一個綜合考慮鏈路負載和故障風險的代價函數來計算候選光路，當最小故障風險光路無法傳輸時，通過故障風險評估，選擇基于非對稱業務流的最小故障風險損失分流路徑組進行路由，并選擇頻譜重合度最大的空閑頻譜塊來傳輸業務，實現了概率路由保護。本文算法不僅有效地降低了業務的帶寬阻塞率，提高了頻譜利用率，還避免了業務故障風險性能的惡化，更好地實現阻塞率與可靠性的平衡。工業生產與信息化的融合是大勢所趨，本文的研究結論對降低網絡的故障風險和保護開銷，提高光網絡中日趨緊張的頻譜資源的利用率具有重要指導意義，對推動新的數據業務在未來光網絡中應用和高頻譜效率路由保護至關重要。

圖4不同負載下帶寬阻塞率的對比

圖5不同負載下業務平均故障風險的對比

圖6不同負載下頻譜資源利用率的對比

[1] ZHOU Hui, MAO Shiwen, and AGRAWAL P. Optical powerallocation for adaptive transmissions in wavelength-divisionmultiplexing free space optical networks[J]. Digital, 2015, 1(3): 171-180. doi: 10.1016/j.dcan.2015.09.004.

[2] LEZAMA F, CASTANON G, SARMIENTO A M,. Differential evolution optimization applied to the routing and spectrum allocation problem in flexgrid optical networks[J]., 2016, 31(1): 129-146. doi: 10.1007/s11107-015-0558-3.

[3] 劉煥淋, 歲蒙, 徐一帆, 等. 基于距離自適應和有效共享路徑感知的光疏導方法[J].電子與信息學報, 2015, 37(8): 1955-1970. doi: 10.11999/JEIT141442.

LIU Huanlin, SUI Meng, XU Yifan,. A method of optical grooming for distance-adaptive and effective sharing path-aware[J].&, 2015, 37(8): 1955-1970. doi: 10.11999/ JEIT141442.

[4] 劉煥淋, 徐一帆, 陳勇, 等. 基于頻譜感知的業務分割-合并的彈性光網絡資源分配策略[J]. 電子與信息學報, 2016, 38(4): 892-898. doi: 10.11999/JEIT150842.

LIU Huanlin, XU Yifan, CHEN Yong,. Spectrum-aware traffic split-merge resource allocation strategy for elastic optical networks[J].&, 2016, 38(4): 892-898. doi: 10.11999/JEIT150842.

[5] ZHANG Zhenrong, XIAO Mei, WU Minghou,. Adaptive subcarrier-distribution algorithm for routing and spectrum allocation in OFDM-based elastic optical networks[J]., 2014, 28(3): 225-231. doi: 10.1007/s11107-014-0446-2.

[6] LIU Huanlin, LI Ruiyan, CHEN Yong,. Resource efficiency improved approach for shared path protection in EONs[J]., 2017, 33(1): 19-25. doi: 10.1007/s11107-016-0612-9.

[7] 鮑寧海, 劉翔, 張治中, 等. WDM節能光網絡中的抗毀保護算法研究[J]. 重慶郵電大學學報(自然科學版), 2012, 24(3): 278-282. doi: 10.3979/j.issn.1673-825X.2012.03.002.

BAO Ninghai, LIU Xiang, ZHANG Zhizhong,. Survival protection algorithm in WDM energy-efficient optical network[J].(), 2012, 24(3): 278-282. doi: 10.3979/j.issn.1673-825X.2015.03.002.

[8] CHEN Bowen, ZHANG Jie, ZHAO Yongli,. Multi-link failure restoration with dynamic load balancing in spectrum-elastic optical path networks[J]., 2012, 18(1): 21-28. doi: 10.1016/j.yofte.2011. 10.002.

[9] CHEN Bowen, ZHANG Jie, ZHAO Yongli,. Spectrum- block consumption for shared-path protection with joint failure probability in flexible bandwidth optical networks[J].&, 2014, 13(4): 49-62. doi: 10.1016/j.osn.2014.01.001.

[10] CHEN Bowen, ZHANG Jie, ZHAO Yongli,. Spectrum-aware survivable strategies with failure probability constraints under static traffic in flexible bandwidth optical networks[J]., 2014, 32(24): 4823-4836. doi: 10.1109/JLT.2014.2366557.

[11] CHEN Xiaoliang, TORNATORE M, ZHU Shilin,. Flexible availability-aware differentiated protection in software-defined elastic optical networks[J]., 2015, 33(18): 3872-3882. doi: 10.1109/ JLT.2015.2456152.

[12] ZHANG Jie, Lü Chunhui, ZHAO Yongli,. A novel shared-path protection algorithm with correlated risk against multiple failures in flexible bandwidth optical networks[J]., 2012, 18(6): 532-540. doi: 10.1016/ j.yofte.2012.09.002.

[13] SCARAFICCI R A and FONSECA N L S D. Alternative routing and zone-based spectrum assignment algorithm for flexgrid optical networks[C]. IEEE International Communications Conference, Sydney, Australia, 2014: 3295-3300. doi: 10.1109/ICC.2014.6883829.

Multi-link Failure Probability Protection Strategy Based on Minimum Fault Risk Loss in Elastic Optical Networks

LIU Huanlin①YI Pengfei①ZHANG Mingjia①CHEN Yong②

①(,,400065,)②(,,400065,)

Due to the high resource redundancy of full protection for request’s multi-link failure in elastic optical networks, the strategy of Minimum Fault Risk Loss Probability Protection (MFRL-PP) is proposed to protect the request with high spectrum-efficiency. In the MFRL-PP, a link cost function integrated considering the link payload and fault risk is designed to choose the protection lightpath, which has minimum fault risk and consumes a small amount of spectrum resource. When the minimum fault risk lightpath is unavailable for shortage of idle spectrum resource, for further reducing the failure risk of the probability protection lightpath, a minimum fault risk loss probability protection mechanism for the non-symmetrical flow is designed to split the flow into two sub-flows for easily selecting the protection branch lightpath with the minimum fault risk loss. Moreover, in the phase of spectrum allocation for the lightpath, for reducing the number of spectrum fragmentations, a spectrum allocation strategy based on the maximum spectrum coincidence degree is put forward to allocate spectrum resource. The simulation results indicate that the proposed MFRL-PP algorithm can improve the spectrum utilization, and provide a better tradeoff between the bandwidth blocking probability and fault risk degree.

Elastic optical networks; Multi-link failure; Minimum fault risk loss; Non symmetrical traffic flow; Bandwidth blocking probability

TN929.11

A

1009-5896(2017)08-1819-07

10.11999/JEIT161159

2016-10-28；

改回日期：2017-03-17；

2107-04-25

劉煥淋 liuhl2@sina.com

國家自然科學基金(61275077)，重慶市教委基金(KJ1400421)，重慶市科委基礎與前沿研究項目(2015jcyjA40024)

The National Natural Science Foundation of China (61275077), The Scientific Research Fund of Chongqing Municipal Commission (KJ1400421), The Basic and Frontier Research Program of Chongqing (2015jcyjA40024)

劉煥淋： 女，1970年生，教授，研究方向為光通信技術與未來網絡.

易鵬飛： 男，1991年生，碩士生，研究方向為光網絡生存性.

張明佳： 男，1992年生，碩士生，研究方向為光網絡生存性.

陳 勇： 男，1963年生，教授，研究方向為光通信技術、傳感檢測與自動化技術.