基于監(jiān)測樹的高速鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)故障定位研究

周 洋，孫 強(qiáng)

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

近年來高速鐵路發(fā)展十分迅速，截至2019年，我國高速鐵路運(yùn)營里程已近三萬公里，成為世界上高速鐵路運(yùn)營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。高速鐵路光傳送網(wǎng)作為高速鐵路的神經(jīng)中樞，承載著包括鐵路列車控制、調(diào)度指令等重要信息以及大量的視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，其正常運(yùn)營是保障鐵路安全運(yùn)行、列車安全行車的基礎(chǔ)。而由于波分復(fù)用技術(shù)的發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)中單根光纖可傳輸超過100個波長，每個波長可工作在40、100 Gbit/s甚至400 Gbit/s[1]。目前鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)骨干層主要使用40×100 Gbit/s OTN系統(tǒng)，匯聚層中鐵路局多按照40×10 Gbit/s波分系統(tǒng)設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)中所承載業(yè)務(wù)量的不斷上升對網(wǎng)絡(luò)可靠性提出了更高的要求。一旦網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)光纖損壞或折斷等故障，期間會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)丟失，對業(yè)務(wù)的傳輸產(chǎn)生極大影響，輕則造成列車控制系統(tǒng)降級運(yùn)行，重則造成列車中途停車，嚴(yán)重影響高速鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障時，必須在規(guī)定的保護(hù)切換時間內(nèi)完成切換動作，減少因故障對列車行車所帶來的負(fù)面影響。而故障定位是實施保護(hù)切換的基礎(chǔ)，快速、準(zhǔn)確的故障定位是保證高速鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)營的前提。

目前對于光傳送網(wǎng)絡(luò)中的故障定位研究主要集中在鏈路故障方向。據(jù)統(tǒng)計，在較大規(guī)模的光傳送網(wǎng)中，多鏈路故障的發(fā)生概率在0.1%左右[2]，網(wǎng)絡(luò)中絕大多數(shù)鏈路故障情況為單鏈路故障，因此本文主要對網(wǎng)絡(luò)中單鏈路故障進(jìn)行討論。主流的單鏈路故障定位方案主要可以分為兩類：一是通過網(wǎng)絡(luò)的上層協(xié)議等技術(shù)實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)故障鏈路的定位[3-4]。文獻(xiàn)[3]通過使用開放路徑最短優(yōu)先協(xié)議(Open Shortest Path First, OSPF)實現(xiàn)故障鏈路的定位。文獻(xiàn)[4]通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流，推斷故障鏈路，實現(xiàn)對可疑鏈路集合的故障定位。但應(yīng)用此類方案進(jìn)行故障定位往往需要較高的定位時間，難以滿足高速鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)恢復(fù)時間要求。同時過多的告警信號很容易引發(fā)警告風(fēng)暴，造成網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量進(jìn)一步下降，使得故障定位變得更為復(fù)雜。二是通過在物理層光域設(shè)置專用的監(jiān)測器實現(xiàn)鏈路故障定位[5-6]。該方案的基本思想是通過在光域設(shè)置多個信號監(jiān)測器，對指定信號進(jìn)行監(jiān)測。當(dāng)特定監(jiān)測器無法收到指定監(jiān)測信號后，表明該監(jiān)測信號所經(jīng)過的鏈路出現(xiàn)故障，監(jiān)測器立即向網(wǎng)絡(luò)管理層發(fā)送告警信息。多個監(jiān)測器的告警信息組成告警序列，利用編碼的思想，使得網(wǎng)絡(luò)中的每條鏈路都擁有互不相同的告警碼。當(dāng)鏈路出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡(luò)管理層根據(jù)告警碼，便可定位故障鏈路。該方案雖使用了多個監(jiān)測器，增加了建設(shè)成本，但可以迅速、準(zhǔn)確地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中鏈路故障的定位，適用于對可靠性要求較高的網(wǎng)絡(luò)。基于該基本思想，研究人員提出了監(jiān)測環(huán)(Monitoring Cycle, M-cycle)[7-8]、監(jiān)測跡(Monitoring Trail, M-trail)[9-13]和監(jiān)測樹(Monitoring Tree, M-tree)[14-15]多種方案，相對于M-cycle和M-trail，M-tree可減少網(wǎng)絡(luò)故障定位中的監(jiān)測成本，同時可以完成故障鏈路的準(zhǔn)確定位。如何設(shè)計監(jiān)測方案，以最低的監(jiān)測成本實現(xiàn)故障鏈路的監(jiān)測是本文研究的重點(diǎn)。

本文基于光域設(shè)置監(jiān)測器以實現(xiàn)故障定位的思想，提出基于度與距離的監(jiān)測器分配算法(Degree and Distance Based Monitor Allocation, DDMA)設(shè)計M-tree監(jiān)測方案。通過多個隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潋炞CDDMA性能，并利用DDMA為高速鐵路骨干層光傳送網(wǎng)絡(luò)設(shè)計鏈路故障監(jiān)測方案。

1 相關(guān)工作

為了實現(xiàn)光域的故障定位，最簡單直觀的方法便是在每一條鏈路的兩端節(jié)點(diǎn)處分別設(shè)置激光器與監(jiān)測器。一旦監(jiān)測器無法收到激光器所發(fā)出的信號，便判定該鏈路出現(xiàn)故障。然而此方法所需激光器與監(jiān)測器數(shù)量較大，硬件成本過高，難以在實際中應(yīng)用。為減少激光器與監(jiān)測器的數(shù)量，文獻(xiàn)[7-8]研究了監(jiān)測環(huán)M-cycle方案。M-cycle通過在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置多個監(jiān)測環(huán)路，多個激光器發(fā)出監(jiān)測信號，經(jīng)過不同的環(huán)路后回到對應(yīng)的監(jiān)測器，方案設(shè)計時盡量保證每條鏈路都被互不相同的一組監(jiān)測環(huán)路經(jīng)過。當(dāng)任意一條鏈路出現(xiàn)故障時，所有經(jīng)過該鏈路的監(jiān)測環(huán)都被中斷，對應(yīng)監(jiān)測環(huán)便會在監(jiān)測器處產(chǎn)生告警信息，網(wǎng)管層收集到告警信息后便可以推斷出故障鏈路。雖然M-cycle可降低網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)測器數(shù)量，但由于監(jiān)測信號必須是環(huán)路的限制，可能存在無法準(zhǔn)確定位故障鏈路的情況，為克服該缺點(diǎn)，研究人員提出并研究了監(jiān)測跡M-trail[9-13]概念。相較于M-cycle方案，M-trail中監(jiān)測信號所經(jīng)過的鏈路不必是環(huán)路，多個監(jiān)測信號經(jīng)過特定路徑傳送至監(jiān)測器，方案設(shè)計更為靈活。網(wǎng)管層收集所有監(jiān)測器的告警信息，當(dāng)某一鏈路出現(xiàn)故障時，根據(jù)告警信息便可定位故障鏈路。M-trail實現(xiàn)故障鏈路監(jiān)測的核心是保證每條鏈路都被一組互不相同的監(jiān)測信號經(jīng)過的前提下，盡量減少監(jiān)測信號所經(jīng)過的鏈路數(shù)和監(jiān)測器的數(shù)量，即降低監(jiān)測代價。文獻(xiàn)[9]基于整數(shù)線性規(guī)劃方法設(shè)計M-trail，可以得到理論上的最優(yōu)解，但需要較久的算法運(yùn)行時間。文獻(xiàn)[10]提出RCA+RCS算法設(shè)計M-trail，但該算法存在一定隨機(jī)性，性能表現(xiàn)不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[11]提出一種啟發(fā)式監(jiān)測器分配算法MTA，可以在較短時間內(nèi)實現(xiàn)M-trail的設(shè)計。文獻(xiàn)[12]基于MTA算法，提出輪盤賭選擇RWS+MTA算法，進(jìn)一步降低M-trail方案中所需的監(jiān)測代價，并通過利用高速鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)多個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵λ惴ㄟM(jìn)行仿真驗證。文獻(xiàn)[13]基于“組”Group的概念設(shè)計M-trail，一個組內(nèi)的鏈路出現(xiàn)故障時，所需要的保護(hù)切換動作相同，因此當(dāng)鏈路故障發(fā)生時，只需定位故障鏈路所處的組，保證做出正確的保護(hù)切換動作即可。

M-trail方案雖然可以實現(xiàn)鏈路故障定位，但為了保證每條鏈路被互不相同的監(jiān)測信號經(jīng)過，需要占用多個監(jiān)測波長以傳輸監(jiān)測信號，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時，所占用的監(jiān)測波長較多，降低了網(wǎng)絡(luò)容量，方案所需監(jiān)測代價較高。為減少網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測波長的占用，降低監(jiān)測代價，研究人員提出了監(jiān)測樹M-tree[14-15]概念。M-tree方案利用網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的多播能力，實現(xiàn)只使用一個激光器，同時網(wǎng)絡(luò)中每條鏈路只被一個監(jiān)測信號經(jīng)過便可完成網(wǎng)絡(luò)中的鏈路故障定位。圖1(a)所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在?jié)點(diǎn)4處設(shè)置激光器，向節(jié)點(diǎn)5處發(fā)送監(jiān)測信號。節(jié)點(diǎn)5將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)1、6，節(jié)點(diǎn)1、6收到信號后分別轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)2、4和節(jié)點(diǎn)2、3，節(jié)點(diǎn)3收到由節(jié)點(diǎn)6轉(zhuǎn)發(fā)的信號后，再次將信號轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)1、5，由此實現(xiàn)所有鏈路的監(jiān)測信號覆蓋。在多個鏈路的末端設(shè)置監(jiān)測器(圖中實心箭頭處，即A、B、C、D和E)，便可以實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡(luò)的鏈路監(jiān)測。簡而言之，M-tree方案等同于將網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)滢D(zhuǎn)換為樹形結(jié)構(gòu)，見圖1(b)。當(dāng)監(jiān)測器無法收到監(jiān)測信號時，產(chǎn)生告警碼‘1’并立即發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)管理控制器。例如：當(dāng)鏈路(1,2)故障，監(jiān)測器B會產(chǎn)生告警信息，此時控制器收到告警碼為[01000]；當(dāng)鏈路(5,6)出現(xiàn)故障，監(jiān)測器C、D、E會產(chǎn)生告警碼[00111]。

圖1 M-tree方案示例

鏈路告警碼如表1所示，表中最后一列將一組告警碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)字以方便區(qū)分。不同鏈路所對應(yīng)告警碼均不相同，在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡(luò)控制器便可根據(jù)不同告警碼迅速定位故障鏈路。為實現(xiàn)M-tree的設(shè)計，文獻(xiàn)[14]基于整數(shù)線性規(guī)劃，利用數(shù)學(xué)理論對M-tree 進(jìn)行設(shè)計，但由于過多的約束條件導(dǎo)致運(yùn)算時間長，無法迅速求解。文獻(xiàn)[15]提出一種監(jiān)測器位置搜索(Monitor Location Searching, MLS)啟發(fā)式算法，在對M-tree進(jìn)行擴(kuò)展時，優(yōu)先選擇節(jié)點(diǎn)度(即節(jié)點(diǎn)所連接的鏈路數(shù)量)大的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測信號，但部分情況下仍存在監(jiān)測器浪費(fèi)的情況。

表1 告警碼表格

為方便描述M-tree方案，引入“入鏈路”和“出鏈路”概念。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)收到監(jiān)測信號并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)時，將監(jiān)測信號傳輸至該節(jié)點(diǎn)的鏈路定位為入鏈路，該節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測信號至下一個節(jié)點(diǎn)的鏈路為出鏈路。例如圖1(a)中，當(dāng)鏈路(6,3)為入鏈路時，鏈路(3,1)和(3,5)便為出鏈路，但將鏈路(5,6)看作入鏈路時，則鏈路(6,2)和(6,3)便為出鏈路。“葉子節(jié)點(diǎn)”指M-tree中，位于樹形結(jié)構(gòu)的末端的節(jié)點(diǎn)，例如圖1(b)中節(jié)點(diǎn)4、2、1、5和2，因M-tree是將原始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞纸鉃闃湫谓Y(jié)構(gòu)，因此某個節(jié)點(diǎn)可能多次作為葉子節(jié)點(diǎn)?！叭~子鏈路”指M-tree結(jié)構(gòu)中連接葉子節(jié)點(diǎn)的鏈路，葉子鏈路作為入鏈路時，不存在任何一條出鏈路，例如圖1(b)中鏈路(1,4)和(3,1)等。

2 基于度與距離的監(jiān)測器分配算法

鏈路故障的準(zhǔn)確定位，本質(zhì)上是為每一條鏈路分配一個唯一的告警碼，故障定位的監(jiān)測代價由占用監(jiān)測波長數(shù)量與監(jiān)測器/激光器的數(shù)量決定。在M-tree方案中，每條鏈路只會被經(jīng)過一次，所占用監(jiān)測波長為固定值(等于鏈路數(shù)量)，且只需要一個激光器。因此在M-tree方案中，最重要的問題是如何利用最少數(shù)量的監(jiān)測器實現(xiàn)故障鏈路的監(jiān)測，以降低監(jiān)測代價。

2.1 最少監(jiān)測器數(shù)量

在M-tree設(shè)計中，若某條入鏈路所對應(yīng)出鏈路的數(shù)量小于2時，則該入鏈路末端應(yīng)設(shè)置監(jiān)測器，否則無法實現(xiàn)故障鏈路的準(zhǔn)確定位。例如圖2中，入鏈路e1只有一條出鏈路e2，若A處不設(shè)置監(jiān)測器時，鏈路e1與鏈路e2出現(xiàn)故障時，有且僅有監(jiān)測器B產(chǎn)生告警信號，此時便無法準(zhǔn)確定位故障鏈路。相反，入鏈路e3處存在多條出鏈路，當(dāng)鏈路e3出現(xiàn)故障時，只有C、D、E三個監(jiān)測器產(chǎn)生告警信號，此告警碼只對應(yīng)鏈路e3，因此鏈路e3處無需設(shè)置監(jiān)測器。因此，若在M-tree方案設(shè)計時，可以保證除葉子鏈路外其他入鏈路均有多條出鏈路，此時可使用最少數(shù)量的監(jiān)測器實現(xiàn)鏈路故障監(jiān)測。

圖2 監(jiān)測器位置示例

為使得M-tree中監(jiān)測器數(shù)量最低，每一條入鏈路對應(yīng)的出鏈路的數(shù)量仍需要討論。當(dāng)每一條入鏈路選擇k(k>1)條出鏈路時，M-tree包含有1+k+k2+…+kn-1條鏈路，其中n(n≥1)表示M-tree結(jié)構(gòu)中樹的深度(設(shè)根節(jié)點(diǎn)深度為0，如圖2所示)。此時僅需在M-tree所有葉子鏈路處設(shè)置監(jiān)測器，便可以實現(xiàn)對所有鏈路的監(jiān)測。設(shè)網(wǎng)絡(luò)中共有E條鏈路，為

(1)

(2)

2.2 基于度與距離的監(jiān)測器分配算法

基于上節(jié)分析，為降低監(jiān)測器的數(shù)量，在監(jiān)測樹構(gòu)造過程中DDMA算法首先在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行滿二叉樹的M-tree構(gòu)造。但由于實際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的限制，不一定滿足所有鏈路均能被二叉樹覆蓋，此時再將剩余鏈路依次加入至M-tree中，直至完成所有鏈路的監(jiān)測。對于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)度小于3的節(jié)點(diǎn)，與其相連的鏈路數(shù)小于3，監(jiān)測信號到達(dá)該節(jié)點(diǎn)需要占用一條鏈路，此時無法為其選擇2條或更多的出鏈路，由上節(jié)可知，無論如何都需要在該節(jié)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測器以實現(xiàn)故障鏈路的準(zhǔn)確監(jiān)測。但如果該節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)，設(shè)置激光器發(fā)送監(jiān)測信號，則無需為其設(shè)置監(jiān)測器，可降低監(jiān)測器數(shù)量。因此在滿二叉樹的構(gòu)造過程中，DDMA算法首先選擇節(jié)點(diǎn)度最低的節(jié)點(diǎn)設(shè)置激光器，發(fā)送監(jiān)測信號至其鄰居節(jié)點(diǎn)。在為每一條入鏈路選擇出鏈路時，向相鄰節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)度數(shù)大、節(jié)點(diǎn)之間距離遠(yuǎn)的兩個節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測信號，構(gòu)成2條出鏈路。對DDMA算法進(jìn)行詳細(xì)描述，為方便起見，首先列出算法所需變量符號及其含義。

G=(V,E)：網(wǎng)絡(luò)G由節(jié)點(diǎn)集合V和鏈路集合E組成，其中V={vi:i=1,2,3,…，n}，E={el:l=1,2,3,…，m}；

Gnew←G(vi,vj)：在網(wǎng)絡(luò)G中刪除鏈路(vi,vj)，記為網(wǎng)絡(luò)Gnew；

DG：節(jié)點(diǎn)度數(shù)組，DG(v1,v2,…)=[2,3,…]表示節(jié)點(diǎn)v1,v2節(jié)點(diǎn)度為2, 3；

DT：節(jié)點(diǎn)間最短路徑跳數(shù)矩陣；

MF：監(jiān)測器狀態(tài)數(shù)組，當(dāng)其元素mfi=1時，表示在節(jié)點(diǎn)vi處設(shè)置監(jiān)測器，接收由出鏈路發(fā)送至節(jié)點(diǎn)vi的信號，反之為0；

NBNi：節(jié)點(diǎn)vi的鄰居節(jié)點(diǎn)集合；

STN：等待尋找出鏈路的節(jié)點(diǎn)集合，STN(i)表示集合中第i個元素；

EDN：所尋找的出鏈路的末端節(jié)點(diǎn)集合，EDN(i)表示集合中第i個元素；

MTree：最終的M-tree方案，為3列矩陣，每一行的第一列表示監(jiān)測信號傳輸鏈路的源節(jié)點(diǎn)，第二列表示宿節(jié)點(diǎn)，第三列為依次遞增的序號，表示當(dāng)前宿節(jié)點(diǎn)的深度。

DDMA算法詳細(xì)步驟如下：

Step1輸入網(wǎng)絡(luò)G，確定激光器位置以及監(jiān)測信號發(fā)送的鏈路。

Step1.1 計算網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的度DG，選擇節(jié)點(diǎn)度數(shù)最小的一個節(jié)點(diǎn)vi，若多個節(jié)點(diǎn)的度相同，則隨機(jī)選擇一個，在該節(jié)點(diǎn)設(shè)置激光器，STN={vi}，Gnew←G；

Step1.2 計算NBNi和DG(NBNi)，并對DG(NBNi)進(jìn)行排序，選擇度最大的節(jié)點(diǎn)vj，EDN={vj}；

Step1.3 選擇鏈路el=(vi,vj)做為激光器發(fā)送監(jiān)測信號的鏈路，i=1，將el加入監(jiān)測樹中，MTree←[MTree;vi,vj,i]，Gnew←Gel。

Step2判斷Gnew中是否存在鏈路，存在則跳轉(zhuǎn)至Step3，否則跳轉(zhuǎn)至Step6。

Step3擴(kuò)展監(jiān)測樹結(jié)構(gòu)，增加監(jiān)測樹所覆蓋的鏈路。

Step3.1i←i+1，計算DG(EDN)，并對其進(jìn)行排序，如果DG(EDN)中的最大值小于2，跳轉(zhuǎn)至Step4，否則繼續(xù)；

Step3.2 對于EDN中節(jié)點(diǎn)度小于2的節(jié)點(diǎn)vk，在該節(jié)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測器mfk=1，并將該節(jié)點(diǎn)從EDN中刪除，將EDN集合賦給STN，STN←EDN，清空EDN，EDN=?；

Step3.3 對于STN中每一個節(jié)點(diǎn)STN(i)，計算NBNSTN(i)和DG(NBNSTN(i))，對DG(NBNSTN(i))進(jìn)行排序，選擇節(jié)點(diǎn)度最大的兩個節(jié)點(diǎn)，如果僅有一種選擇，將兩個節(jié)點(diǎn)vm,vn加入至EDN，如果存在多種選擇組合，計算DT(NBNSTN(i))，選擇鄰居節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)度最大，且距離最遠(yuǎn)(使用最短路徑計算距離，且不經(jīng)過節(jié)點(diǎn)STN(i))的兩個節(jié)點(diǎn)vm,vn加入至EDN，MTree←[MTree;STN(i),vm,i;STN(i),vn,i],Gnew←Gem,en，其中em=(STN(i),vm)，en=(STN(i),vn)；

Step3.4 跳轉(zhuǎn)至Step2。

Step4在EDN中每個節(jié)點(diǎn)處均設(shè)置監(jiān)測器，mfi=1，其中vi∈EDN。

Step5隨機(jī)選擇網(wǎng)絡(luò)Gnew中一條鏈路el，將el加入監(jiān)測樹中，并將el末端節(jié)點(diǎn)添加至EDN中，Gnew←Gnewel，跳轉(zhuǎn)至Step2。

Step6輸出監(jiān)測樹方案MTree以及監(jiān)測器的位置信息。

DDMA算法流程見圖3。

圖3 DDMA算法流程

2.3 DDMA算法示例

圖4給出高速鐵路骨干層光傳送網(wǎng)絡(luò)二號環(huán)的簡化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中含有?jié)點(diǎn)18個(以數(shù)字表示)，鏈路共27條。利用DDMA算法為二號環(huán)設(shè)計M-tree方案如圖4中虛線所示，實心箭頭表示監(jiān)測器設(shè)置位置。激光器設(shè)置于節(jié)點(diǎn)1處，其鄰居節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)3度最大，因此首先將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)3。節(jié)點(diǎn)3在其鄰居節(jié)點(diǎn)中尋找兩個度最大且相互距離最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)4和8，向其轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測信號。節(jié)點(diǎn)4將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)1和6；節(jié)點(diǎn)8鄰居節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)9、14度較大，因此將監(jiān)測信號轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點(diǎn)9和14，如圖4中橙色虛線所示。此時節(jié)點(diǎn)9鄰居節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)11、14和15度均為3(計算節(jié)點(diǎn)度時刪掉已經(jīng)被監(jiān)測信號經(jīng)過的鏈路)，但節(jié)點(diǎn)11與節(jié)點(diǎn)14之間距離較遠(yuǎn)，因此節(jié)點(diǎn)9選擇將監(jiān)測信號發(fā)送至節(jié)點(diǎn)11和14，如圖4中紅色點(diǎn)劃線所示。如此反復(fù)直至所有鏈路均被監(jiān)測信號經(jīng)過，如圖4中藍(lán)色點(diǎn)線所示，完成M-tree的設(shè)計。

圖4 骨干層二號環(huán)M-tree方案設(shè)計

3 算法仿真與結(jié)果

為驗證DDMA算法性能，利用該算法在不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎略O(shè)計M-tree方案，計算所需要的監(jiān)測器數(shù)量，統(tǒng)計不同鏈路下DDMA算法設(shè)計M-tree方案所需要的運(yùn)行時間。

圖5 不同算法所需監(jiān)測器數(shù)量對比

由圖5可看出，在不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎翫DMA算法所設(shè)計的M-tree方案所需的監(jiān)測器數(shù)量與理論最低數(shù)量接近。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中鏈路數(shù)為55時，DDMA所需監(jiān)測器數(shù)量超過理論最低值7%，其他情況下均低于7%。較MLS算法，DDMA最大可以節(jié)省約11%的監(jiān)測器數(shù)量(對應(yīng)鏈路數(shù)量95處)。

由2.1節(jié)可知，當(dāng)入鏈路可以找到兩條出鏈路時，M-tree設(shè)計可以最大限度降低監(jiān)測器數(shù)量，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中平均節(jié)點(diǎn)度較大時，M-tree所需監(jiān)測器數(shù)量應(yīng)更接近于理論最小值。為進(jìn)一步驗證DDMA在不同節(jié)點(diǎn)度網(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)，在平均節(jié)點(diǎn)度為2.5、3和3.5的網(wǎng)絡(luò)中，利用DDMA與MLS算法設(shè)計M-tree方案，所需要監(jiān)測器數(shù)量見圖6。

圖6 不同節(jié)點(diǎn)度所需監(jiān)測器數(shù)量

在鏈路數(shù)大于50的網(wǎng)絡(luò)中，平均節(jié)點(diǎn)度為2.5時，DDMA所設(shè)計M-tree方案所需監(jiān)測器數(shù)量超過理論最低值20%～25%，低于MLS算法5%～9%；平均節(jié)點(diǎn)度為3時，DDMA所需監(jiān)測器超過理論值5%～10%，低于MLS算法5%～8%；當(dāng)平均節(jié)點(diǎn)度為3.5時，DDMA所需監(jiān)測器數(shù)量不超過理論值5%，低于MLS算法5%～8%。DDMA算法在節(jié)點(diǎn)度較低的網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)較差，其原因是節(jié)點(diǎn)度較低的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫螤钇蛴诃h(huán)形網(wǎng)，而環(huán)形網(wǎng)絡(luò)難以分解為樹形結(jié)構(gòu)，不適合使用M-tree方案實現(xiàn)鏈路故障的監(jiān)測。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中平均節(jié)點(diǎn)度大于3.5時，DDMA算法所需監(jiān)測器數(shù)量十分接近理論最低值。而目前鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)中骨干層網(wǎng)絡(luò)也逐漸向網(wǎng)狀網(wǎng)演進(jìn)，鏈路數(shù)不斷增加，網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點(diǎn)度隨之上升，未來也更加適合使用M-tree實現(xiàn)故障監(jiān)測。同時匯聚層與接入層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓訌?fù)雜，使用M-tree方案也可以降低其故障監(jiān)測成本。

為了進(jìn)一步驗證M-tree方案在鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)中的表現(xiàn)，針對當(dāng)前高速鐵路骨干層中一號環(huán)、二號環(huán)、三號環(huán)和四號環(huán)的網(wǎng)絡(luò)簡化拓?fù)?，使用DDMA算法為其設(shè)計M-tree監(jiān)測方案，所需監(jiān)測器數(shù)量見圖7。在四大環(huán)中，DDMA算法所設(shè)計M-tree方案均可以用接近理論最低的監(jiān)測器數(shù)量實現(xiàn)鏈路的故障監(jiān)測，其中一號環(huán)、三號環(huán)和四號環(huán)所需監(jiān)測器數(shù)量超過理論最低值1個，二號環(huán)中超過理論最低值2個。DDMA算法與MLS表現(xiàn)基本相同，但參考圖 5、圖6仿真結(jié)果，隨著未來高速鐵路骨干層網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化，其鏈路數(shù)量增加后，DDMA可獲得更優(yōu)的監(jiān)測方案。

圖7 骨干層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌璞O(jiān)測器

文獻(xiàn)[12]中提出使用M-trail監(jiān)測方案實現(xiàn)高速鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)的鏈路故障監(jiān)測，其理論所需監(jiān)測器與激光器數(shù)量為2×log2「E+1?，但其所需的監(jiān)測波長較多，影響網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的傳輸。M-tree監(jiān)測方案雖使用了更多的監(jiān)測器，但降低了所占用監(jiān)測波長的數(shù)量。本文利用監(jiān)測代價[9]對比M-trail和M-tree兩種監(jiān)測方案，監(jiān)測代價表示為：λ·(NMN+NLD)+WLS，其中NMN、NLD分別代表監(jiān)測器和激光器的數(shù)量，WLS代表占用波長數(shù)，λ為可調(diào)節(jié)系數(shù)，調(diào)節(jié)監(jiān)測器和激光器代價與波長資源代價的比值。監(jiān)測代價綜合考慮監(jiān)測方案中所使用的監(jiān)測器、激光器和占用監(jiān)測波長的數(shù)量，以評估當(dāng)前監(jiān)測方案的性能，結(jié)果見圖8。M-trail監(jiān)測方案理論所占用波長資源[10]可表示為

(3)

其中

(4)

由圖8可看出，當(dāng)λ=2時，M-tree方案相比M-trail方案可節(jié)省約30%監(jiān)測代價，當(dāng)λ=3時，M-tree可降低20%左右監(jiān)測代價，而當(dāng)λ=4時，M-tree可降低10%左右監(jiān)測代價。高速鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)骨干層四大環(huán)中，M-trail與M-tree實現(xiàn)鏈路故障監(jiān)測所需監(jiān)測代價如表2所示，其中M-trail監(jiān)測代價為理論最低值，M-tree監(jiān)測代價為DDMA算法所得結(jié)果。綜上所述，相對于M-trail方案，DDMA算法所設(shè)計M-tree監(jiān)測方案可有效降低網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)測成本。

圖8 M-tree(DDMA)與M-trail所需監(jiān)測代價對比

表2 骨干層四大環(huán)所需監(jiān)測代價

圖9給出不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎翫DMA算法的運(yùn)行時間，本次仿真基于MATLAB，使用Intel?CoreTMi5-4590處理器，4 GB內(nèi)存。圖中可見隨著網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)增加，DDMA算法運(yùn)行時間近似線性增加，在100條鏈路的網(wǎng)絡(luò)中，DDMA耗時0.169 s可得到M-tree監(jiān)測方案，此時MLS耗時0.153 s。

圖9 DDMA算法運(yùn)行時間

4 結(jié)束語

本文研究了M-tree監(jiān)測方案在高速鐵路光傳送網(wǎng)路中的鏈路故障定位方法，提出了DDMA算法設(shè)計M-tree監(jiān)測方案。在對M-tree進(jìn)行擴(kuò)展時，向節(jié)點(diǎn)度最大且相互之間距離最遠(yuǎn)的兩個節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測信號，以降低M-tree所需的監(jiān)測器數(shù)量，進(jìn)而降低監(jiān)測代價。將DDMA算法應(yīng)用于高速鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)骨干層網(wǎng)絡(luò)，為其設(shè)計鏈路監(jiān)測方案，所需監(jiān)測器數(shù)量均接近理論最小值。通過利用大量隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行仿真驗證，結(jié)果表明，本文所提出DDMA算法在設(shè)計M-tree時，所使用監(jiān)測器數(shù)量不超過理論最低值7%，相對于現(xiàn)有M-trail監(jiān)測方法，可以節(jié)省20%～30%的監(jiān)測代價。同時隨著網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)量增加，DDMA算法所需時間近似線性增長，運(yùn)行所需時間較短，對高速鐵路光傳送網(wǎng)絡(luò)的故障監(jiān)測具有一定參考意義。