異步傳輸模式網絡設計自愈研究

摘 ? 要：在ATM網絡設計中，自愈是指網絡發生故障時，在不需要人工干預的情況下，就能很快恢復維持服務連貫性。這包括兩個方面：網絡計劃和運作，其中網絡計劃包括最佳/接近最佳網絡設計，網絡運作利用分配冗余信道來處理恢復機制。網絡的自愈能力可以用存儲率（restoration ratio）來反映，這里采用聚集存儲率（aggregate restoration ratio）， 研究的目的是為了比較基于通路和鏈接恢復網絡自愈能力的不同，以及不同設計因素對自愈能力的影響。

關鍵詞：ATM （Asynchronous Transfer Mode） ?ATM網絡恢復 ?恢復率 ?聚集恢復率

中圖分類號：TP393.15 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（c）-0126-02

ATM（Asynchronous Transfer Mode）異步傳輸模式，收發雙方的時鐘可以不同，是以信元為基礎的一種分組交換和復用技術。選擇固定長度的短信元作為信息傳輸的單位，有利于寬帶高速交換。通信網絡是一個按功能區分并且相互關聯的層次化結構，ATM層屬于鏈路層，IP協議位于網絡層，現代網絡正在按照IP/ATM/SONET/DWDM發展， 各層相互關聯，下層為上層提供服務。一旦某層發生故障，將造成大量信息丟失， 由此應有對應的恢復機制，但是如果各層單獨處理恢復，勢必造成資源浪費。現在隨著ATM/MPLS、IP over ATM等寬帶網絡的快速發展，原有的ATM骨干網絡繼續被利用，當面臨網絡故障，ATM網絡的快速恢復是保證服務質量的重要方面。

可以通過概率統計的方法，比對了ATM網絡中誤碼率對ATM網絡傳輸可靠性的影響。ATM網絡傳輸中每幀信元的前5個字節對可靠性的影響更大。而傳統糾錯編碼方案并沒針對這一點做出改善。

參考文獻[3]已經提供了網絡冗余分配，我的研究是基于文獻[3]的基礎上，用聚集存儲率（aggregate restoration ratio）來探討ATM網絡的自愈性，尋找相對優化的自愈方案。

1 ?AMT網絡自愈設計方案

1.1 ATM 網絡

ATM網絡集虛電路（Circuit Switch）和包交換（packet Switch）網絡的優點，不像IP 包，ATM 傳輸單位信元（cell）固定長度為53 octets （ 前5單位為信息頭，后48為信息體）。 信息在最低層以面向連接的方式傳送，ATM網絡中，通信雙方必須在通信之前建立虛連接，虛連接分為兩級：虛通道（VP）和虛信道（VC），分別以虛通道標識符（VPI）和虛信道標識符（VCI）來識別，一個VP里面包含一定數量的VC 。在ATM網絡中，可以將一個VP/VC，作為一個保護對象，或者將一個區域內的多個節點的VP/VC進行保護 。

ATM網絡有很多的優點：交叉連接設備可以連接任意容量的VP，VP/VC連接通路的建立與容量分配獨立，具有豐富靈活快速的操作維護管理信元。能支持不同速率的各種業務。

1.2 ATM網絡設計方案

兩種基本的ATM網絡自愈技術是：基于通路 （path-based） 和基于鏈接 （link-based）[2]，在基于通路的方式中，當傳輸鏈路中斷時，建立一條虛通路 （VP） 從發送者到接收者，VP的帶寬是動態的，備份用的VP，其初始的帶寬可以為0。相比于物理上冗余的自愈方法，VP方式提高了網絡資源的利用率。而基于鏈接自愈，當兩個端點檢測到失效時，兩個端點之間尋找通路。

兩種存儲機制[1]：反應存儲（reactive）和預先計劃（preplanned） 存儲機制。兩種重新配置方法：面向故障（failure-oriented）和全局（global）重配，其中全局重配會將沒有故障的節點也進行重新配置，這種方法實現簡單但是浪費很多資源。這里我采用預先計劃存儲和面向故障重配方式。

考慮虛通道端到端Virtual Path End-to-End （VPee） 方案以及兩層網絡模式：物理網絡（工作網絡）和邏輯網絡（冗余網絡）。冗余容量（spare capacity）是指安裝在冗余網絡上用于減少工作網絡面臨故障時信息的丟失。網絡拓撲用G（N，L）表示，其中N表示節點數，L表示連接數，（如后面用到的N（20，30））。在[3]中Spare Capacity Requirement （SCR）定義為：

SCR==

從上式可以得出對于一個已經存在的網絡，工作容量已經是一個常量，那么SCR的值實際上就取決于分配的冗余容量。

2 ?網絡自愈問題量化描述

網絡自愈問題數學公式化已經在參考文獻[3]中提供，[3]用到了平均存儲率（average restoration ratio）探討網絡的自愈，也提到了可以用聚集存儲率（aggregate restoration ratio）來衡量，我的研究是在文獻[3]的基礎上以及利用相同的冗余容量設計SCD （spare capacity design），采用聚集存儲率研究網絡的自愈力。

不同的冗余設計方法SCD定義如下：

SCD-1： 每個鏈接冗余容量相同（spare capacity）;

SCD-2： 每個鏈接冗余容量代價相同（spare capacity cost）;

SCD-3： 冗余容量和工作容量成比例（proportional）。

SCD-4：冗余容量和工作容量成反比（inversely proportional）。

Restoration Ratio定義為：

其中表示最大數量的存儲信息（restored traffic）， ?表示最大數量的存儲影響信息（restored affected traffic）。s表示網絡不正常狀態 （S – s0）。

Aggregate Restoration Ratio 表示為：

網絡的自愈能力可以表現為，在比較低的SCR值上達到一個比較高的聚集存儲率。

3 ?實驗環境

UNIX 平臺上用 C語言編程，底層利用MINOS （FORTRAN 軟件包）[4] 共同實現復雜的計算。通過不同方法很多次長時間運行C語言軟件，得到不同冗余設計方法的大量數據，并且分析結果數據。

4 ?實驗結果分析

4.1 不同SCD方案影響

實驗表明了不同的SCD方案所得到的值， 假定通路恢復，單鏈接故障，N（20，30）。不管是哪種SCD方案，aggregate restoration ratio （）都會隨著 SCR 從0%快速增加到一特定值后再隨SCR值增加緩慢升高。其中，SCD-1， SCD-2在單鏈接故障情況下能夠滿足100%恢復率，而SCD-3， SCD-4不能。在相同的SCR值下，SCD-1達到最高的存儲率，SCD-2其次。

4.2 路由策略影響

路由策略影響 （LDP versus APP），N（20，30）網絡提供了所有可能路徑All Possible Path（APP）vs鏈接不相交路徑Link Disjoint Path（ LDP） 的聚集存儲率。APP的在相同SCR條件下存儲率比LDP要高，這是因為在優化計算中，路由的選擇已經由APP/LDP決定，APP允許更多更靈活的路由選擇。

4.3 存儲策略影響

存儲策略影響，APP ?N（20，30）網絡結果表明了Path Restoration （PR） vs Link Restoration（LR）的聚集存儲率。在相同的SCR條件下，PR的存儲率比LR要高，這是因為在優化計算中，PR能夠更靈活地選擇從起點到終點的路由，而LR不能像PR那樣可以更好地共享路由。

4.4 網絡連接影響

不同網絡連接對聚集存儲率的影響，兩種網絡的節點數相同，鏈接數差異很大。Aggregate restoration ratio 很快增加到分別是60%（對于稀疏網絡N（20，30））和50%（對于稠密網絡N（20，42）），之后隨SCR的增長而緩慢增加。當網絡出現故障時，稠密網絡具有較高的存儲量，比較容易恢復，這是因為相比稀疏網絡，在稠密網絡中，比較容易找到存儲路由。

參考文獻

[1] Isaac Woungang， Guangyan Ma（馬光艷）， “Survivable ATM Mesh Networks： Techniques and Performance Evaluation”， Journal of Systems and Software， Elsevier， Oct. 2009.

[2] Isaac Woungang， Guangyan Ma（馬光艷）， “Survivability in Existing ATM-Based Mesh Networks”， In Proc. of the 23rd IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications （AINA-09）， Bradford， U. K（英國）， May， 2009.

[3] Xiong， Y.， Mason， L.， “Restoration Strategies and Spare Capacity Requirements in Self-healing ATM Networks”， IEEE/ACM Trans. on Networking， 7 （1）： 98-110， 1999.

[4] MINOS5.4， http：//www.sce.carleton.ca/faculty/chinneck/minosiis.html （last visited August 2， 2008）.