一种最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护方法与流程

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护方法。

背景技术：

近年来，随着多媒体业务的发展，大量涌现出交互式网络电视、视频点播、云计算与网格计算、高清实时视频通信等应用，网络流量呈爆炸式增长，对网络带宽的需求急剧增加。传统的光传输技术需在传输过程中进行光-电-光转换，由于受到电域带宽瓶颈限制，同时物理损耗随着传输速率增大变得越来越严重，使其很难满足未来光网络的带宽需求。与此同时，互联网应用的快速发展也要求未来网络为越来越多的业务提供大容量且容量可变的灵活服务。在此背景下，拥有超大通信容量的光网络必然成为未来网络体系中传输技术的重要组成部分。传统的波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)光网络是对离散的波长信道(50GHz或100GHz)进行操作，而新型的弹性光网络在物理层实现了亚波长的交换粒度，可以对光谱进行更细粒度的分配。因此弹性光网络因其灵活栅格的带宽分配方式以及高效的频谱利用率等优点引起了学术界和工业界的广泛关注，成为未来光网络智能化的一个方向。弹性光网络打破了WDM网络的固定波长分配机制，具有频谱效率高、能耗低等特点，是一种高效的新型光网络架构。

通信网络中超过80％的信息在光网络中传输，网络中光纤链路故障会造成大量的业务中断、数据丢失，造成灾难性后果，对网络性能影响很大。在实际生活中，由于负载不均匀、自然灾害和人为因素等状况存在，网络发生故障是不可避免的。因此，网络运营商需要实施生存性方案来确保业务请求的服务可靠性。同时，随着网络规模的增大，业务种类的增多，在频谱资源有限而网络流量持续剧增的当下，优化光网络中的路由与频谱分配过程，提高频谱资源利用率是唯一的解决方式。弹性光网络中路由与频谱分配(Routing and Spectrum Assignment，RSA)方法的研究将为提高光纤通信网络的频谱资源利用率、网络吞吐量提供一种可行的建设方案。综上所述，研究弹性光网络中的生存性RSA问题十分重要。现有的生存性RSA策略一般采用100％保护来确保业务传输的可靠性，同时在频谱分配时采用首次命中的频谱分配方式。这种生存性路由频谱分配策略比较适用于单链路故障环境，不适用多链路故障的网络环境，因为要实现100％的多故障保护，需要消耗大量的保护资源，造成网络阻塞率过高；另一方面，需要消耗大量的光器件，代价高昂。同时，随着请求连接动态的建立和释放，首次命中的频谱分配方式可能产生大量的频谱碎片，使得网络中的频谱资源离散化而不足以传输后续业务，造成网络阻塞率过大。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护方法，用于降低网络中的带宽阻塞率，减小网络的故障风险损失。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护方法，采用基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护方法选出故障风险损失最小的分流路径组作为请求的传输路径，包括以下步骤：

步骤1：将候选的概率保护路径组合成分流路径组，并根据分流路径组中每条分流路径的故障风险程度将业务进行非对称分流；

步骤2：评估每个分流路径组的最大故障风险损失，选择故障风险损失最小的分流路径组作为传输路径。

进一步，所述步骤1具体通过以下方式实现：

将候选路径进行两两组合得到分流路径组，加入到分流路径组集合中，并根据分流路径组中每条分流路径的故障风险程度将业务进行非对称分流，并记录每个分流路径组的相关信息；所述相关信息包括每个分流路径组中每条分流路径的故障风险概率、所需的频隙数、经过的链路信息。

进一步，所述步骤2具体通过以下方式实现：

检查每个分流路径组中每条分流路径的频谱资源使用情况，找出所有的空闲频谱块，剔除最大空闲频谱块大小不满足分流路径所需频隙数的分流路径组，更新分流路径组集合；

如果分流路径组集合为空，则阻塞该业务；如果分流路径组集合不为空，则评估每个分流路径组的最大故障风险损失，选择最大故障风险损失最小的分流路径组作为传输路径，为业务提供概率保护。

进一步，所述方法还包括选择频谱重合度最大的可用频谱块进行频谱分配。

进一步，所述选择频谱重合度最大的可用频谱块通过基于频谱重合度的频谱分配方法实现，具体包括以下步骤：

步骤3：根据已确定的路由路径，选出该路由路径上所有的可用频谱块；所述可用频谱块为路径上在满足频谱一致性和连续性约束下，大于业务所需频隙数的空闲频谱块；

步骤4：从该频谱块上频隙索引值最小的频隙开始进行频谱分配，分配业务所需的频隙数。

进一步，所述可用频谱块通过以下方法选择：计算每个可用频谱块被当前业务占用后的频谱重合度，选择频隙重合度最大的可用频谱块，若存在多个频谱重合度最大的可用频谱块，则选频隙索引值最小的频谱块。

进一步，所述频谱重合度通过以下方法计算：

其中，表示路径上的第n个可用频谱块，分别表示业务LR第i个业务流占用该频谱块后，所分配频隙的首尾频隙索引值，表示路径上第n个可用频谱块的起始索引值，表示路径上第n个可用频谱块的终止索引值，FSD_n表示第n个可用频谱块被当前业务占用后的频谱重合度。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护方法，通过基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护方法降低网络的阻塞率和业务的故障风险损失，实现网络阻塞率与可靠性的平衡，并且通过基于频谱重合度的频谱分配方法进一步提升网络的频谱资源利用率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为网络拓扑及候选路径示意图；

图2为光纤链路上各频隙的使用示意图；

图3为一种最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护方法流程图；

图4为基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护方法流程图；

图5为基于非对称业务流的分流路径组示意图；

图6为分流路径组的频隙使用及频谱分配示意图；

图7为基于频谱重合度的频谱分配方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护方法，在为业务请求路由时，以链路故障风险为链路权重，用最小代价的方法计算多条候选概率保护光路，并评估路径的故障风险，优先选择故障风险最小的路径对业务提供高效率的概率保护。在最小故障风险路径无法传输时，采用基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护方法选出故障风险损失最小的分流路径组作为请求的传输路径，具体包括：将候选概率保护光路两两组合成分流路径组，并根据分流路径组中每条分流路径的故障风险程度将业务进行非对称分流；具体通过以下方式实现，将候选路径进行两两组合得到分流路径组，加入到分流路径组集合中，并根据分流路径组中每条分流路径的故障风险程度将业务进行非对称分流，并记录每个分流路径组的相关信息，所述相关信息包括每个分流路径组中每条分流路径的故障风险概率、所需的频隙数、经过的链路信息。评估每个分流路径组的故障风险损失，选用故障风险损失最小的分流路径组来传输业务，对业务进行概率保护；具体通过以下方式实现：检查每个分流路径组中每条分流路径的频谱资源使用情况，找出所有的空闲频谱块，剔除最大空闲频谱块大小不满足分流路径所需频隙数的分流路径组，更新分流路径组集合；如果分流路径组集合为空，则阻塞该业务；如果分流路径组集合不为空，则评估每个分流路径组的最大故障风险损失，选择最大故障风险损失最小的分流路径组作为传输路径，为业务提供概率保护。

在为请求分配频谱资源时，采用基于频谱重合度的频谱分配方法选择频谱重合度最大的可用频谱块进行频谱分配，预先定义一个频谱重合度指标，并计算传输路径上每个可用频谱块被当前业务占用后的频谱重合度，选取频谱重合度最大的频谱块来进行频谱分配以减少频谱碎片，避免网络中的频谱资源离散化以提高后续请求传输的成功率，具体通过以下方式实现：根据已确定的路由路径，选出该路由路径上所有的可用频谱块；所述可用频谱块为路径上在满足频谱一致性和连续性约束下，大于业务所需频隙数的空闲频谱块；从该频谱块上频隙索引值最小的频隙开始进行频谱分配，分配业务所需的频隙数。所述可用频谱块通过以下方法选择：计算每个可用频谱块被当前业务占用后的频谱重合度，选择频隙重合度最大的可用频谱块，若存在多个频谱重合度最大的可用频谱块，则选频隙索引值最小的频谱块。本发明提供的一种最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护方法可以降低网络中的带宽阻塞率，减小网络的故障风险损失。

实施例：

如附图1所示网络拓扑，假设有一个业务请求为LR(0,3,60Gb/s)，以光纤链路的故障风险为链路代价，如附图1中链路上所标的数字。通过Dijkstra计算3条候选概率保护路由，现有3条候选路径分别为Path 1(0-3)、Path 2(0-1-2-3)、Path 3(0-5-4-3)。结合该实例说明本发明所述方法中的基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护方法。

当网络发生大规模故障时，光路上传输的业务会发生丢失，业务的故障风险损失可通过公式(1)进行评估，TR_LR表示业务的速率，F(x)表示业务所选路径x的故障风险概率。

Q＝TR_LR×F(x) (1)

首先评估3条候选路径的故障风险。由公式(1)可知，为使业务的故障风险损失最小，在业务的速率不变的情况下，需要为业务选择故障风险最小的传输路径实现概率保护。因此需要对3条候选保护路由进行故障风险评估，如公式(2)、(3)和(4)所示。

假设业务所选的路径为x，k表示路径x经过的链路，则当前业务所选传输路径的故障风险可表示为：

公式(2)中F(x)表示路径x的故障风险概率，p_k表示路径所经过的链路k的故障风险概率。在网络发生多链路故障时，为准确、快速地评估业务的故障风险，提出了改进的故障风险评估模型，通过取对数将乘法运算转化为加法，如公式(3)所示。再通过推导运算，可得出路径x的改进故障风险概率F(x)，如公式(4)所示。

通过上述方法进行候选路径的故障风险评估，得到3条候选路径的故障风险，再根据不同调制格式对应的最大传输距离，得到三条路径所选的最高调制格式，如表1所示。

表1候选路径故障风险评估及路径调制格式表

由表1可知，三条候选路径的故障风险分别为0.030、0.060、0.090，依据上述的业务选择故障风险最小的路径的原则，业务优先选择路径Path 1(0-3)，再结合所选的调制格式计算业务在该路径上传输所需的频隙数，如公式(5)所示。

N_LR＝TR_LR/(p_m×B_FS)+GB (5)

其中TR_LR表示业务的传输速率，则业务所需的频隙数为N_LR，p_m为调制等级为m时的频谱效率，B_FS为单个频隙的带宽，一般取12.5Ghz，GB为保护带宽，一般取1FS。

通过计算可以得到业务在路径Path 1上传输所需频隙数为3+1＝4FS，若在Path2和Path 3上传输，所需频隙数为5+1＝6FS。

如附图2所示网络中的频谱资源使用情况，可知，路径Path 1、Path 2上最大的空闲频谱块只有3个频隙，不满足业务需求，Path3上最大空闲频隙块有6个频隙(频隙索引值为4，5，6，7，8，9)。因此，路径Path 1和Path 2上的空闲频谱不满足业务需求，不能作为传输路径，而Path3上最大空闲频隙块有6个频隙，可以满足业务需求，因此业务只能选择Path 3作为传输路径，此时业务的故障风险损失，由公式(1)计算可得：60Gb/s×0.090＝5.40Gb/s，网络故障时业务损失过大，网络中业务的传输质量和可靠性难以保证，因此将业务进行非对称分流。

以附图1所示的网络拓扑及业务所选的候选路径，继续以上面所提到的业务请求为例，业务LR(0,3,60Gb/s)的最小故障风险路径Path 1(0-3)因路径上无足够的可用频隙而不可用。因此，在业务到来时，首先判定故障风险最小的路径上是否有足够的可用频隙来承载业务，若有，则直接选该路径传输业务，若没有，则将该业务进行非对称分流。随着分流路径的增多，所消耗的保护频隙会增多，所以本发明最多只将业务分为2个非对称业务流。具体操作如下：将候选路径两两组合得到分流路径组，并加入到分流路径组集合PATH_LR中，得到PATH_LR＝{(Path 1,Path 2),(Path 1,Path 3),(Path 2,Path 3)}，例如(Path 1,Path 2)表示该分流路径组由分流路径Path 1和Path 2组成。并根据分流路径组中每条分流路径的故障风险程度将业务划分为非对称业务流，具体方法如公式(6)所示：

公式(6)划分业务TR_LR为非对称业务分流和和分别表示分流光路径1和光路2上所需传输的非对称业务流大小。P_i表示分流路径i的故障风险，TR_LR表示业务LR的大小。根据路径及所选的调制格式，由此可通过公式(6)计算出上述分流业务组中每个分流路径上需要传输的非对称业务流大小，及每条路径上所需的频隙数，如下表2所示。

表2非对称业务流分流表

如附图2所示的网络中的频谱资源使用情况，分流路径组(Path 2，Path 3)中分流路径Path2需要4个频隙，而该路径上最大空闲频谱块只有3个可用频隙(索引值为2,3,4)，不满足业务的需求，因此该分流路径组被剔除。业务采用非对称业务流进行传输，选择故障风险损失最小的分流路径组作为概率保护路径。分流路径组的故障风险损失评估，具体操作如下：划分业务TR_LR为大小为和的非对称业务流，分别在分流路径m和n上传输，P_m、P_n分别表示对应的路径故障风险。当网络大规模故障时，业务的故障风险损失又可以细分为3种，一是分流路径P_m发生故障，此时业务损失为二是分流路径P_n发生故障，此时业务可能的损失为三是两条分流路径同时故障，此时业务损失为则采用非对称业务流传输时，业务损失为：

Q＝max{q₁,q₂,q₃} (7)

根据公式(7)求出每个分流路径组的最大故障风险损失后，选择故障风险损失最小的分流路径组。综上，通过计算得到，分流路径组(Path 1,Path2)的故障风险损失分别为2.4Gb/s，(Path1,Path 3)的故障风险损失分别为2.7Gb/s。因此业务选择分流路径组(Path1,Path2)时故障风险损失最小，为2.4Gb/s，相比原方案的5.4Gb/s，业务的故障风险损失降低了3Gb/s，因此业务选分流路径组(Path 1,Path2)进行传输。综上所述，对于上述请求，业务采用分流路径组传输，所选分流路径组的两条分流路径为Path 1(0-3)、Path2(0-1-2-3)。

下面将结合附图3对本发明的最小故障风险损失的弹性光网络多链路故障概率保护方法进行更为详细的介绍，具体流程可分为下面几个步骤：

S1：从业务队列中取出待服务的业务请求，为该业务寻找具有最小故障风险损失概率保护功能的传输路径；释放已经传输结束的业务占用的频谱资源，更新光网络的频谱资源占用情况，并将其从业务队列中删除，转至S2；

S2：以光纤链路的故障风险概率作为链路代价，使用Dijkstra算法计算该请求源节点和目的节点之间的前K条最短路径，K为网络平均节点度数向下取整，转至S3；

S3：通过公式(4)评估K条候选路径的故障风险，按故障风险程度从小到大的顺序对K条候选路径进行排序，转S4；

S4：选取故障风险最小的路径，根据其路径长度选择最高的可行调制等级，可行调制等级是指满足该路径长度约束的调制等级，根据公式(5)计算业务所需频隙数，转S5；

S5：采用基于频隙重合度频谱分配策略查询第k条路径的可用频谱块，一旦找到可用频谱块，将该路径选为请求的传输路径，转至S6，否则，转至S7；

S6：在该路由路径上，使用基于频谱重合度的频谱分配方法进行频谱分配，转S1；

S7：采用基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护方法选出故障风险损失最小的分流路径组作为请求的传输路径，转至S8，若找不到传输路径，则直接阻塞该业务，转Step1；

S8：在该分流路径组的每条分流路径上，使用基于频谱重合度的频谱分配方法进行频谱分配，转S1。

下面将结合附图4对基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护方法进行详细的说明，具体流程可分为下面几个步骤：

S101:从K条候选路径中，按路径标号k从小到大的顺序将对应的路径进行两两组合，得到个分流路径组，并加入到分流路径组集合PATH_LR中，根据公式(6)将业务进行非对称业务分流，得到每个分流路径组中每条分流路径上所需的带宽资源；

S102:根据每条分流路径长度，选择该分流路径最高的可行调制等级，根据公式(5)计算每个分流路径组中每条分流路径上所需的频隙数；

S103:根据基于频隙重合度频谱分配方法查询每个分流路径组中每条分流路径上的可用频谱块，若某个分流路径组中存在找不到可用频谱块的分流路径，则将该分流路径组从PATH_LR中删除；

S104:采用公式(7)计算PATH_LR中每个分流路径组的最大故障风险损失，选择故障风险损失最小的分流路径组作为业务请求的传输路径，记录分流路径组的相关信息。

上述的基于非对称业务流的最小故障风险损失概率保护方法虽然能一定程度的降低网络的阻塞率和业务的故障风险损失，实现网络阻塞率与可靠性的平衡，但是随着业务请求连接动态的建立与释放，网络中会产生频谱碎片，降低网络的频谱资源利用率。针对这种情况，本发明提出了一种基于频谱重合度的频谱分配方法进一步提升网络的频谱资源利用率，在传输路由确定后，通过选择频谱重合度最大的可用频谱块进行频谱分配，使得网络中的频谱资源更加整合，减少频谱碎片，提高后续请求频谱分配的成功率。

以附图5所示为例，一个从1到2的业务请求，采用分流路径组传输实现概率保护，第一条分流路径分别为1-3-4-2，需要4FS，第二条分流路径是1-5-6-2，需要2FS。首先，分别计算两条分流路径上的可用频谱块，具体操作如下：检查路径上的频谱资源使用情况，若传输路径是分流路径组，则分别检查两条分流路径的频谱资源使用情况，将路径上各条链路的频隙使用状况分别用N(N为每条光纤上的频隙数)位的二进制数组表示为代表其中链路l上第i个频隙的使用情况，表示该频隙空闲，表示该频隙被使用，通过对传输路径上每条链路的FS_l进行与运算，从而得到路径上满足频谱一致性的频谱块；再找出路径上所有大于或等于该业务所需频隙数的连续(满足频谱连续性约束)的空闲频谱块，作为可用频谱块。

如附图6所示的分流路径组的频谱资源使用情况，该业务的第一条分流路径1-3-4-2上经过运算后可以得到2个候选的可用频谱块，即频隙索引值分别为(1,2,3,4)、(6,7,8,9,10)；路径1-5-6-2上经过运算后可以得到2个候选的可用频谱块，即(2,3,4)、(7,8,9,10)。为了避免频谱碎片化，在频谱分配时首先定义一个频谱重合度，用来选择频谱碎片小的可用频谱块。路径上的第n个可用频谱块用表示，表示路径上第n个可用频谱块的终止索引值，表示路径上第n个可用频谱块的起始索引值。分别表示业务LR第i个业务流占用该频谱块后，所分配频隙的首尾频隙索引值。FSD_n表示第n个可用频谱块被当前业务占用后的频谱重合度，计算如公式(8)所示，在路由路径上，选择频谱重合度最大的可用频谱块来分配频隙。

继续上述业务请求，假设业务选择的分流路径组如图5所示，路径的频谱资源使用情况如附图6所示，每个可用频谱块的频谱重合度计算如下表3所示。

表3频谱重合度计算表

根据选择频谱重合度最大的可用频谱块进行频谱分配的原则，由表3可知，路径1-3-4-2选索引值为(1,2,3,4)的频谱块时频谱重合度最大，因此，路径1-3-4-2选择频谱重合度最大的频谱块(频谱索引值为1,2,3,4)来承载业务，分配的频隙索引值为(1,2,3,4)；同理，路径1-5-6-2选择频谱重合度高的频谱块(频谱索引值为2,3,4)承载业务，分配的频隙索引值为(2,3)。

下面将结合附图7对本发明的第二部分-基于频谱重合度的频谱资源分配策略流程进行详细的说明，具体流程可分为下面几个步骤：

S201：检查路径上每条链路的频谱资源使用情况，若传输路径是分流路径组，则分别检查两条分流路径的频谱资源使用情况，转S202；

S202：将路径上表示的各条链路频隙使用状况分别用N(N为每条光纤上的频隙数)位的二进制数组表示为代表其中链路l上第i个频隙的使用情况，表示该频隙空闲，表示该频隙被使用，通过对传输路径上每条链路的FS_l进行与运算，从而得到路径上满足频谱一致性的频谱块，转S203；

S203：找出路径上所有大于或等于该业务所需频隙数的连续(满足频谱连续性约束)的空闲频谱块，作为可用频谱块，转S204；若为分流路径组，则分别找出每条分流路径上所有大于或等于该路径上所需频隙数的空闲频谱块，作为每条分流路径的可用频谱块，转S205；

S204：计算所有可用频谱块的频谱重合度，选择频谱重合度最大的频谱块来分配频隙，若存在多个频谱重合度最大的频谱块，则选频隙索引值最小的一块，在该频谱块上，从频隙索引值最小的频隙的开始分配，直到分配完业务所需的频隙数；

S205：依次取出分流路径组中的每条分流路径，计算该路径上所有可用频谱块的频谱重合度，选择频谱重合度最大的频谱块来分配频隙，若存在多个频谱重合度最大的频谱块，则选频隙索引值最小的一块，在该频谱块上，从频隙索引值最小的频隙的开始分配，直到分配完该分流路径所需的频隙数。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。