专利名称：延迟和共用风险链路组约束下优化节点睡眠的路径保护的制作方法
技术领域：
在延迟和共用风险链路组(SRLG)约束下快速寻找一组工作、备用路径，在使组合路径的端到端延迟和总可靠性满足服务质量要求的前提下，优化网络中节点睡眠的路径保护方法属于互联网路由技术领域，尤其涉及在可靠性参数约束下降低网络中节点能量消耗的绿色节能网络领域。
背景技术：
近年来，网络规模和能力的扩展导致网络中设备的能量消耗不断增大(参考文献Towards Green Broadband Access Networks, P.Chowdhury, Μ. Tornatore, S.Sarkar, and B. Mukher jee, GL0BEC0M, 2009 IEEE，pp. 1-6，2009.)。为了应对这种趋势，“绿色网络，，(参考文献Greening of the Internet,Μ. Gupta and S. Singh, in Proc. ACM SIGC0MM, Vancouver, BC, Canada, Aug. 2003.)的观念逐渐被应用于新一代网络的研究与规划中以降低其能量消耗。其中，使用最为广泛的策略是允许网络中的部分节点在自身处于低数据流量状态时关闭数据收发设备，进入睡眠状态。此时，网络中需要路过该节点的数据被其上游节点的队列缓存，直到正处于睡眠的节点被重新唤醒之后，才被送回链路中继续传输。 因此，上述节点睡眠机制在节约能量的同时，所需要付出的代价是以引入节点睡眠延迟的方式增加数据的端到端总延迟，以及减少了路由算法计算路径时可供选择(即处于清醒状态)的中间节点数量。在只需要计算单条路径的传统路由方式下，上述缺陷通常不会造成路由阻塞率的显著上升。这是因为单条路径对网络资源的需求资源较小，网络中可用的节点资源的减少对其影响不大。只要在路径选择时，将节点的睡眠延迟作为路径代价的一部分，避开可能引入较大睡眠延迟的节点，数据仍然可以在满足延迟的约束下正常传输(参考文献An average velocity-based routing protocol with low end-to-end delay for wireless sensor networks, S. C. Choi, S. L. Gong, and J. W. Lee, Communications Letters，IEEE， vol. 13，pp. 621-623，2009)。然而随着数据传输可靠性在网络中日益得到重视，单条路径的可靠性往往不能满足现代注重可生存性的网络的要求。因此路由算法需要以路径保护的方式计算出由1条工作路径和1条或多跳备用路径组成的路径组合(参考文献=Subpath protection for scalability and fast recovery in optical WDM mesh networks,C. Ou, H. Zang, N. K. Singhal, K. Zhu, L. H. Sahasrabuddhe, R. A. MacDonald, and B. Mukher jee, IEEE J. Sel. Area Commun.，vol. 22，pp. 1859-1875，2004.)。并且为了使组合以后路径的总可靠性满足要求，需要保证工作路径与备用路径之间有足够的分离度，其对网络中可用资源的需求远大于传统的单路径路由方法。特别是WDM网络中为了避免被共用的高速光纤链路故障(参考文献SurvivabIe WDM mesh networks, S. Ramamurthy, L. Sahasrabuddhe, and B. Mukherjee, IEEE/0SA J Lightwave Technol, vol. 21, pp. 870-883, Apr.2003.)导致参与共用的多条路经同时失效(即共用风险链路组SRLG风险)，进一步要求路径之间不仅链路分离，还要共用风险链路组(SRLG)分离，这就对网络中可供选择的节点数量以及端到端延迟提出了更要的要求。此时，绿色网络节点睡眠机制造成的可用节点资源减少， 将可能严重影响到组合路径计算的成功率，从而使路由的阻塞率大幅上升。虽然此前一些路径保护方法中提出的使用局部备用路径取代完整备用路径、并且在备用路径之间允许共用部分链路的方法(参考文献:A novel survivable routing algorithm with partial shared-risk link groups (SRLG)-disjoint protection based on differentiated reliability constraints in WDMoptical mesh networks,L. Guo and L. M. Li,J. Lightw. Technol.，vol. 25，pp. 1410-1415，Jun. 2007.)可以在一定程度上缓解上述矛盾。但是其主要目标是解决网络链路资源不足的问题，对于可用节点也同样不足的网络的效果不够理想，并且有较大的不确定性。所以在必要时，路径保护方法不得不唤醒一部分正处于睡眠状态的节点，来减低路由请求因为没有足够的网络资源保证组合路径总可靠性而被阻塞的概率。但这样做又会引入另一个问题，除了长时间处于清醒状态，节点频繁的在不同状态之间转换也会消耗可观的时间与能量(参考文献Routing and Scheduling for Energy and Delay Minimization in the Powerdown Model, M. Andrews,A.Fernandez Anta,L. Zhang, and W. Zhao, INFOCOM, 2010 Proceedings IEEE, pp. 1-5,2010.)。据现有报道，尚未有延迟、 SRLG约束下的路径保护方法，能够在降低路由请求阻塞率与优化节点睡眠(包括网络中睡眠节点的平均比例、和节点状态转换的平均次数)之间取得较好的平衡。所以本发明的目的在于提供一种在共用风险链路组约束下快速寻找一组工作、备用路径，在使组合路径总可靠性满足服务质量要求的前提下，通过增加网络中睡眠节点的比例，和减少节点在不同状态之间的转换次数，尽可能优化网络中节点睡眠。为了进一步解释上述内容，下面给出几个重要的定义1、绿色网络中节点的睡眠机制及其造成的睡眠/唤醒延迟给定由N个节点和E条链路构成的网络G (N，E)。网络中任意节点u拥有清醒与睡眠两种状态，当节点处于清醒状态时，路过该节点的数据被无延迟的转发往下游链路端口 ； 当节点处于睡眠状态时，数据被缓存在其上游节点的队列中，直到该节点被唤醒才能继续传输，因此该节点会对路径上传输的数据造成睡眠延迟。对于实际网络，当数据开始在一条路径上传输，在到达这条路经上某个正在睡眠的节点之前，实际上已经经历了此前一段路径造成的延迟，所以这个睡眠节点实际导致的睡眠延迟delsl_—dyma[u]为该节点预计的唤醒时间减去当前时间(即该节点自身的睡眠延迟delslrap[u])，再扣除掉此前源节点S到该睡眠节点u的路径延迟时间del (Ps_u)以后的数值。当该节点自身的睡眠延迟Clelsleep[u]小于此前链路的延迟del(Ps_u)时，该数值为O。显然，上述睡眠延迟是一个动态数值，当同一个睡眠节点处在不同路径、或同一条路径的不同位置时，其造成的睡眠延迟的数值是不同的。
当网络需要立即唤醒其中的某个睡眠节点时，该节点从当前时刻，直到处于完全
正常工作的状态，也需要一段时间，即造成了唤醒延迟。与上述睡眠延迟实际数值的计算方法(公式1)完全相同，可以看到该唤醒延迟Clelawake dyma[u]的动态数值也是用其自身的唤醒延迟Clelawake[u]扣除此前路径延迟获得。2、延迟、SRLG约束下的链路代价网络中任意连接节点a与b的链路a —b的基本代价包括其自身延迟 de Ibasie (a — b)和自身可靠性 re Ibasie (a — b)。在实际的路由计算中，链路的实际延迟被计为其自身延迟与其末端节点造成的睡眠延迟(或唤醒延迟)的和。当其末端节点处于清醒状态时，睡眠延迟的数值为0.
权利要求
1.在延迟和共用风险链路组约束下优化节点睡眠的路径保护方法，其特征在于包含以下2个主要步骤计算可行的候选路径使用基于非线性路径代价的k最短路径算法(因为本方法需要在求得的路径中进行挑选，所以k最短路径算法中每个节点缓存的候选路径数量k > 1)，计算源节点S到目的节点D之间的可行路径；在路径计算中，链路的实际延迟被计为其自身延迟与其末端节点造成的睡眠延迟或唤醒延迟的和；链路的实际共用风险链路组(以下简称 SRLG)可靠性被计为其自身可靠性和与其所属的共用风险链路组处于非故障状态的概率的积；路径中睡眠节点实际导致的睡眠延迟和唤醒延迟被计为该节点继续完成剩余的睡眠后被唤醒和立即中断睡眠直接被唤醒，直到能正常工作的时间减去当前时间，再扣除数据从源节点S到该睡眠节点路径上的延迟时间以后的数值；将路径计算获得的所有满足延迟和 SRLG可靠性约束的候选路径，按照单条路径SRLG可靠性大小降序排列；从候选路径中选择工作、备用路径将排序后的可行路径中的第一条作为候选的工作路径；其他路径作为候选的备用路径；依次检查每条候选的备用路径，确定其是否与候选的工作路径端到端SRLG分离如果是，则计算并记录该路径占用的节点和链路资源；如果不是，则检验其与候选的工作路径的组合路径的SRLG可靠性是否满足约束；若满足约束， 则计算并记录该路径占用的节点和链路资源；如果不满足约束，继续检查下一条候选的备用路径；当所有候选的备用路径都已经检查完毕后，若发现至少一条与候选的工作路径端到端SRLG分离或能使组合路径满足SRLG约束的备用路径，则选取其中占用的节点和链路资源最少的一条，将候选的工作路径与挑选出的备用路径分别作为路径保护的工作路径与备用路径的结果输出；否则，由于组合路径的总可靠性无法通过单条保护路径满足约束要求，故采用多条路径或局部路径的保护方法；依次计算每条候选的备用路径与候选的工作路径的组合路径的SRLG总可靠性与组合路径占用的总链路和节点资源的比值，选取其中比值最大的一条候选备用路径与工作路径进行组合(其中，对于每条候选备用路径与候选工作路径SRLG分离的部分，计算其总可靠性与原先候选工作路径该部分可靠性的比值，将候选工作路径该部分中每条链路可靠性的数值乘以上述比值，重新计算候选工作路径的端到端SRLG可靠性，作为组合路径的SRLG总可靠性)；重复上述过程，直到组合路径的SRLG 总可靠性满足约束，或所有已经被选中的备用路径占用的总链路和节点资源超过候选的工作路径，或所有候选的备用路径都已被选中；若最终的组合路径的SRLG总可靠性满足约束，将候选的工作路径与挑选出的备用路径分别作为路径保护的工作路径与备用路径的结果输出；否则，将候选的工作路径改为它在路径列表上的下一条路径，重复上述路径挑选过程，直到选出满足要求的从S到D的工作路径与备用路径，或列表上所有路径都已经作为候选工作路径被使用过。
2.如权利要求1所述的方法，其中从候选路径中选择工作路径、备用路径的步骤，在计算路径占用的链路资源时，路径占用链路的总代价为其经过的各条链路的代价的和；路径独占链路上一个此前从未被使用的波长时，该链路代价数值为1除以该链路上剩余波长的数量(鼓励路径使用剩余波长资源多的链路，以避免某些链路成为流量的瓶颈)；当路径与其他已经存在的路径共享某条链路时，该链路代价数值为1乘以其他路径所属的工作路径的总故障概率，再除以该链路上剩余波长的数量(鼓励路径与其他被使用概率较小的备用路径共享链路，以减少其所属的工作路径同时损坏时，因争抢备用路径的链路发生的冲突)。
3.如权利要求1所述的方法，其中从候选路径中选择工作、备用路径的步骤，在计算路径唤醒的睡眠节点时，路径唤醒节点的总代价为其唤醒的各个节点的代价的和；正处于清醒状态，无需被唤醒的节点代价为0 ；路径需要唤醒网络中一个此前从未被其他路径共享的节点时，代价数值为1加上1除以该节点的出度(即该节点连接的链路数量，出度大说明该节点在网络拓扑中处于核心的位置，因此有较大的可能在此后其它路由请求的路径计算中被使用，本方法鼓励路径唤醒这样的节点，以减少其它的路由请求进一步唤醒额外的睡眠节点，从而减少需要被唤醒的节点总数和对节点的唤醒次数、降低整个网络的能量消耗)；当路径与其他已经存在的路径共享某个节点时，代价数值为1除以参与共享的路径数量，加上1除以该节点的出度(被共享次数越高表示该节点的唤醒会避免更多路由请求唤醒额外的睡眠节点，本方法鼓励路径唤醒这样的节点，原因同上)。
全文摘要
本发明公开了一种在延迟和共用风险链路组约束下优化绿色网络中节点睡眠的路径保护方法。该方法在路径计算中考虑了睡眠节点之前路径延迟对该节点造成的睡眠或唤醒延迟的影响，提高路径端到端延迟计算精度。对获得的路径进行选择时使用的代价函数不仅保证组合路径的可靠性符合约束，还通过对路径占用网络链路、节点资源的计算，鼓励保护路径之间共享链路和睡眠节点资源，从而增加了网络中睡眠节点的比例，减少了对睡眠节点的唤醒次数。该方法复杂度接近传统的基于k最短路径计算的路径保护方法，且对于网络的数据流量的变化有很强的适应性，表现出优异且稳定的性能。
文档编号H04L12/24GK102325088SQ201110266879
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月9日 优先权日2011年9月9日
发明者刘兴春, 刘阳, 郑铮 申请人:北京航空航天大学