多鏈路定位技術(shù)在大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)故障檢測中的應用

摘 要：研究提出一種多鏈路故障定位算法，以解決通信網(wǎng)絡(luò)中復雜的鏈路故障定位問題。研究對當前的鏈路故障定位算法進行分析，對多鏈路故障定位問題中使用自適應探測技術(shù)的可能性進行探討，采用一種基于2個探測站之間進行端到端測量的多鏈路故障定位算法。通過隨機生成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與真實網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行實驗驗證。結(jié)果顯示，在隨機生成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，提出的算法具有0.90的成功定位率、1 050元的探測成本。在真實網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，算法的最高成功定位率為0.98。最低探測成本為28元。研究提出的多鏈路故障定位算法具有更高的成功定位率、更低的探測成本。

關(guān)鍵詞：多鏈路；通信；故障；定位；自適應；探測

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0147-04

Application of multilink localization algorithm in faultlocation of large scale communication networks

HUANG Yuanhang，ZHANG Hanyi，DU Qinghua，JIA Dachang，XU Zheng（State Grid Wuxi Power Supply Company of Jiangsu Electric Power Co.，Ltd.，Wuxi 214000，Jiangsu China）

Abstract：A multilink fault localization algorithm was proposed to solve the complex link fault location problem incommunication networks. In this paper，the current link fault location algorithm is analyzed，and the possibility ofusing adaptive detection technology in multi-link fault location problem is discussed，and a multi-link fault locationalgorithm based on end-to-end measurement between two detection stations is adopted. The randomly generated net?work topology is verified by experiments with the real network topology. The results showed that the proposed algo?rithm had a successful localization rate of 0.90 and a detection cost of 1 050 yuan in the randomly generated net?work topology. In a real network topology，the highest successful localization rate of the algorithm was 0.98. The min?imum detection cost was 28 yuan. The results indicate that the proposed multi link fault location algorithm has ahigher success rate and lower detection cost.

Key words：multilink；communication；fault；positioning；adaptive；detect

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)已成為當今社會信息交換和資源共享的主要支柱。然而，這種進步和網(wǎng)絡(luò)的擴展不可避免地帶來了一系列復雜的挑戰(zhàn)，包括通信網(wǎng)絡(luò)中多鏈路故障定位的問題，以及潛在成本和信息丟失的風險 [1-3] 。因此，尋找網(wǎng)絡(luò)故障定位的優(yōu)化解決方案以防止大量信息和經(jīng)濟損失已變得至關(guān)重要。研究強調(diào)了當前大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)中故障鏈路定位的必要性 [4-5] 。探討自適應探測策略的多鏈路故障定位（MNFL）算法的可能性，提出基于端到端測量的多鏈路故障定位新算法的知識應用體系結(jié)構(gòu)，為解決網(wǎng)絡(luò)故障定位問題提供了新的視角。研究將自適應探測技術(shù)與端到端測量方法相結(jié)合，使得該算法具有較高的定位成功率和較低的探測成本，為相關(guān)研究開辟了新的途徑。并通過實證研究和仿真實驗驗證了該方法在實際應用中的有效性。

1 大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)中多鏈路故障定位算法

1. 1 鏈路指標識別與故障定位

在大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣葘νㄐ沛溌烦掷m(xù)造成負荷，進而導致鏈路故障的出現(xiàn) [6] 。為深入分析鏈路故障檢測與定位，研究將原始網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為無相連通圖，并以式（1）進行表示。

式中： V 表示節(jié)點集； E 表示鏈路集。鏈路狀態(tài)識別依賴探針在探測路徑上收集測量值，而這一過程需要在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上布設(shè)探測站 [7-9] 。探測路徑可以呈現(xiàn)環(huán)狀，允許探測點多次經(jīng)過相同節(jié)點，但不允許多次經(jīng)過相同鏈路。鏈路識別主要包括鏈路指標和鏈路故障定位，核心在于探測站的設(shè)置和探測路徑的規(guī)劃。目前，針對端到端鏈路探測，存在一種最少監(jiān)視器布置算法，通過圖分割技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)拓撲劃分為多個子圖，實現(xiàn)有效監(jiān)測。在鏈路故障定位中，研究采用隨機游走算法，在2個探測站之間進行隨機游走，以確定最優(yōu)探測路徑 [10] 。該算法生成的多條探測路徑形成路徑集合，若集合中包含故障鏈路，便能直接定位故障。因此在算法中，將探測路徑與鏈路之間的關(guān)系以分離矩陣表示，并記作 M ，矩陣中數(shù)據(jù)均有鏈路狀態(tài)組成?？赏ㄟ^圖2對隨機游走算法思想進行表示。

圖2（a）中，研究給定的探測站節(jié)點為節(jié)點1與節(jié)點5，通過隨機游走算法能生成如式（2）的探測路徑。

{p 1 （1-3-2-5） p 2 （1-2-5） p 3 （1-2-3-5）p 4 （1-4-3-5） p 5 （1-4-5） p 6 （1-3-4-5） （2）

式中：數(shù)字表示探測站節(jié)點； p 表示探測路徑。圖2（b）中，探測路徑與鏈路之間的聯(lián)系是由分離矩陣進行表示，矩陣由數(shù)字“1”和“0”組成，這些數(shù)組分別表示經(jīng)過或不經(jīng)過當前鏈路的狀態(tài)。將探針發(fā)送至上述路徑中，則能對任意單個鏈路故障進行定位 [11-12] 。

1. 2 多鏈路故障定位算法構(gòu)建

在多鏈路故障定位中，大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)的故障定位是主要難點，因為網(wǎng)絡(luò)中的鏈路數(shù)量多且復雜，相較于節(jié)點探測，定位難度更大 [13-15] 。雖然每個節(jié)點易于覆蓋，但鏈路的覆蓋則相對困難，因此一些研究為提高鏈路探測覆蓋率而增加開銷，導致探測成本上升。由于通信網(wǎng)絡(luò)故障具有強隨機性，研究需要在有利于故障探測的節(jié)點上布設(shè)探測站，并減少探測站數(shù)量，以降低探測開銷 [16-18] 。為此，研究提出了一種基于自適應探測策略的多鏈路故障定位算法，通過優(yōu)化探測路徑選擇，每次探測結(jié)果更新，從而確保鏈路的覆蓋率得到提升。鏈路根據(jù)狀態(tài)可分為三類形式，其分別為正常鏈路集，并記作 L n ；故障鏈路集，并記作 L f ；可疑鏈路集，并記作 L s 。路故障定位的探測路徑選擇算法流程開始時，通信網(wǎng)絡(luò)中的所有鏈路狀態(tài)均為待探測。為確保每條鏈路都能被探測，未被探測的鏈路成為優(yōu)先目標。探測路徑的選擇根據(jù)目標鏈路與探測節(jié)點之間的公共點數(shù)量進行分類，具體流程如下：公共點數(shù)量為2時，可以直接將目標鏈路設(shè)置為探測路徑；公共點數(shù)量為1時，將探測路徑分為2段，第一段為非公共節(jié)點與探測站之間的最短路徑；第二段為目標鏈路的路徑；公共點數(shù)量為0時，需計算所有探測節(jié)點到目標鏈路的最短路徑，并與目標鏈路結(jié)合，最終選擇距離最短的方案作為探測路徑。通過這種方式，確保鏈路得到有效覆蓋。研究采用上述算法進行探測路徑分析，研究設(shè)置一個包含網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具體如圖2所示。

圖2中，研究設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖包含了10個節(jié)點與15條鏈路。在圖2（a）中，鏈路與探測站節(jié)點存在2個公共節(jié)點，因此算法以此探測路徑作發(fā)送探針確定鏈路狀態(tài)。圖2（b）中，鏈路與節(jié)點之間只存在一個公共節(jié)點，算法計算鏈路端點到探測站節(jié)點的最短路徑，然后選擇 p 36 （3-8-6） 路徑發(fā)送探針，利用探針對 l 38 （3-8） 與 l 86 （8-6） 的狀態(tài)進行評估判斷。圖2（c）則表示沒有公共部分，即不存在公共邊也不存在公共點，因此說明探測站節(jié)點不在鏈路上，此 時 分 別 計 算 各 點 之 間 的 最 短 路 徑 ，將p 36 （3-2-4-6） 作為探測路徑發(fā)送探針，則可對3條鏈路進行故障檢測。

2 大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)故障定位中多鏈路定位算法的應用

2. 1 隨機網(wǎng)絡(luò)拓撲實驗

為驗證提出的多鏈路故障定位算法的有效性，通過BA無標度網(wǎng)絡(luò)進行仿真實驗，檢測該算法在隨機網(wǎng)絡(luò)拓撲上的性能。采用MATLAB軟件進行BA無標度網(wǎng)絡(luò)模擬，該網(wǎng)絡(luò)隨機生成鏈路數(shù)量為300～1 200，平均節(jié)點度為3的網(wǎng)絡(luò)拓撲。實驗通過成功定位率、探測成本以及探測路徑長度作為衡量算法性能的指標，并且每次實驗均進行20次重復試驗后取其平均值。最后研究采用當前現(xiàn)有的遞歸見證位置算法進行對比分析，2種算法的成功定位率與探測成本結(jié)果如圖3所示。

圖3（a）表示不同鏈路故障率下的成功定位率結(jié)果，研究生成的網(wǎng)絡(luò)平均度為 3，鏈路數(shù)量為500與1 000。從結(jié)果可以看出，在相同鏈路數(shù)量的情況下，研究提出的算法相較于RWL算法具有更高成功定位率，鏈路故障率不超過0.04時，2種算法之間的成功定位率差距較?。绘溌饭收下食^0.04時，2種算法之間的成功率差距在0.05左右。

圖3（b）表示不同鏈路故障率下的探測成本，探測成本是在相同鏈路故障率下進行的，此時鏈路故障率的設(shè)置為0.1。研究提出的算法與RWL算法的探測成本均與鏈路數(shù)數(shù)量成正比，在鏈路數(shù)量為300時，RWL方法的探測成本為300元，研究提出的算法探測成本為250元；在鏈路數(shù)量為1 200時，RWL方法的探測成本為1750元，研究提出的算法探測成本為1050元。

2. 2 真實網(wǎng)絡(luò)拓撲的性能分析

研究采用8種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來驗證兩種算法在真實網(wǎng)絡(luò)拓撲上的性能，8種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)信息分別來自阿德萊德大學開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集和華盛頓大學的火箭燃料項目中的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。實驗采用成功定位率、探測成本與故障區(qū)段定位三種指標對模型性能進行驗證，將故障率設(shè)置為0.1。研究將提出的方法、RWL、貪婪故障定位（GFL）在真實網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)上的成功定位率結(jié)果如表1所示，不同算法的探測成本結(jié)果如表2所示。

表1、表2結(jié)果中，反映出研究提出算法具有較好的綜合性能。研究選取AS3257與GEANT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行故障區(qū)段定位，其結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在AS3257 與GEANT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)區(qū)域中，研究提出算法的通信網(wǎng)絡(luò)故障區(qū)段定位更接近實際定位位置；RWL算法的定位精度與實際定位位置稍遠；GFL算法的定位精度不穩(wěn)定，具有較大的誤差。研究使用算法的可行性在上述實驗中已得到驗證，并在真實通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中具有較好的應用效果，因此該方法可用于對大規(guī)模通信網(wǎng)絡(luò)的故障定位。

3 結(jié)語

針對現(xiàn)有的鏈路故障定位在多鏈路故障中存在的局限性，提出一種基于MNFL的算法。該方法以一種自動探測路徑的方式生成鏈路中的最佳探測路徑，并對該路徑中的鏈路進行識別，在下一次探測路徑的選擇時，根據(jù)當前故障定位結(jié)果對新探測路徑進行自適應調(diào)整。研究通過仿真實驗與對比實驗對提出算法的可行性進行驗證，實驗結(jié)果顯示，MNFL算法較RWL算法的成功率差距能達到0.05；探測成本差距能達到700元；通信路徑差距能達到16 Hops。在真實網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的檢驗中，研究提出算法的成功定位率達到0.98；探測成本最低28元。提出的算法能成功提高鏈路故障的定位成功率，相較于現(xiàn)有的方法具有更低的探測成本，該方法更能滿足實際應用的需求。

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