一种适用于电力多播通信业务的P圈保护方法与流程

本发明属于电力系统通信技术领域，具体涉及一种适用于电力多播通信业务的p圈保护方法。

背景技术：

当前，中国电力通信网骨干传输网光缆总长度已达115.8万公里，110kv以上电压等级变电站光纤覆盖率达到100％，正逐步扩展延伸至35kv变电站。随着智能电网建设的不断深入，电力光纤通信网承载的如管理信息化业务、视频会议和远程视频培训等多播通信业务也越来越多，电网业务逐渐呈现出“宽带化、网络化、ip化、多元化”的趋势。由于电力系统有着极强的行业特殊性，一旦承载电力业务的通信网的光缆因蓄意攻击，施工或自然灾害等因素而断裂，将对整个网络的业务流产生重大影响，并可能造成巨大的经济损失甚至安全事故。电力通信网对可靠性和实时性的要求极高，一般都为工作业务预留了保护通道，以保证在故障发生后受到影响的工作业务能够快速得到保护。但电力光通信网现有的1+1/1:1/m:n保护和区段保护方案仅适用于单故障线性保护，保护资源的复用度较低。随着电力光通信网从环网逐步升级为更具健壮性的网状网，如何更加合理地为工作业务配置保护资源从而提高波长利用率、降低网络阻塞率已成为新的研究课题。

p圈是近年来引起广泛关注的一种光网络生存性技术，它通过在网状网中预先配置一系列圈的连接来保护工作链路。p圈兼具环网保护的快速倒换性(50ms内)和网状保护的高效性，能为圈上链路提供1条保护路径，为跨接链路提供2条保护路径，可有效降低网络中的资源冗余，提高通信资源利用率。

当前，p圈应用于电力光纤通信网业务保护主要都是针对单播业务设计的。与单播业务不同，多播业务有多个信宿，其业务流比单播业务更密集，且链路之间相互关联，这使得其保护方案与单播业务有所不同。电力通信网中国典型的多播业务通信架构多为省公司，地市公司，地调电厂/变电站，数据中心和县公司构成的树形通信结构。该业务模型的信息流向为省公司、地市公司和地调变电站等逐层传送，其中大部分信息流沿树型通信结构采用点到多点的方式传送，少量信息通过地市公司分为多个信息流。此外，随着电网数据中心快速建设部署，以及云平台、高清视频分发等各种新业务的广泛应用，电网智能化水平将持续提升，点对多点光多播技术在电力光通信网中将得到越来越多的应用。因此，如何针对多播业务进行有效保护是亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种适用于电力光纤通信网中电力多播通信业务，能够对多播路由进行保护的p圈保护方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种适用于电力多播通信业务的p圈保护方法，用于对电力光纤通信网中多播业务的通信链路进行保护，所述适用于电力多播通信业务的p圈保护方法包括以下步骤：

步骤1：输入所述电力光纤通信网对应的网络拓扑g＝(v,e,w)，其中v表示所述电力光纤通信网中的节点集合，e表示所述电力光纤通信网中的链路集合，w表示所述电力光纤通信网的链路容量矩阵；

步骤2：等待多播业务请求r＝{s,d}，其中s表示所述多播业务请求r的源节点，d表示所述多播业务请求r的目的节点集合，d＝{d1,d2,…,dn}；

步骤3：所述多播业务请求r到达后，以链路已用容量作为链路的路由权值，利用prim算法生成所述多播业务请求r对应的多播树t；判断所述多播树t是否可用，若其包含的所有链路上的空闲容量都不为零，则所述多播树t可用，执行步骤4，否则阻塞所述多播业务请求r，转向步骤2；

步骤4：利用p圈复用算法判断所述多播树t能否被所述电力光纤通信网中已配置的p圈保护，若能，则接受所述多播业务请求r，转向步骤6，否则执行步骤5；

步骤5：利用启发式p圈生成算法搜索可用于保护所述多播树t的圈p，判断所述圈p是否可用，若所述圈p经过的链路的空闲容量均不为零，则接受所述多播业务请求r同时返回所述圈p，执行步骤6，否则阻塞所述多播业务请求r，转向步骤2；

步骤6：更新所述电力光纤通信网的空闲容量和路由权值，统计所述电力光纤通信网中的资源的使用情况，然后转向步骤2。

所述步骤3中，通过以下步骤实现“利用prim算法生成所述多播业务请求r对应的多播树t”：

步骤301：在所述网络拓扑g中搜索从所述源节点s分别到所述目的节点集合d中各目的节点的最短路径，并从所产生的一组路径中选择最短的一条路径；

依据所选择的路径分别更新所述多播树t、所述目的节点集合d、所述网络拓扑g，将所选择的路径加入所述多播树t中，并从所述目的节点集合d中删除所选择的路径对应的目标节点，从所述网络拓扑g中删除所选择的路径上的链路；

步骤302：针对更新后的所述目的节点集合d、所述网络拓扑g重复步骤301，得到另一条所选择的路径，并依据另一条所选择的路径分别再次更新所述多播树t、所述目的节点集合d、所述网络拓扑g；

获取再次更新后的所述多播树t中所有路径经过的节点集合nt；

步骤303：在所述网络拓扑g中搜索所述目的节点集合d中各所述目的节点分别到所述节点集合nt中各个节点的最短路径得到路径组，从所述路径组中选择最短的一条路径加入所述多播树t中，从所述目的节点集合d中删除所选择的最短的一条路径对应的目标节点，从所述网络拓扑g中删除所选择的最短的一条路径上的链路；

步骤304：重复步骤303，直至所述目的节点集合d为空，则返回所述多播树t。

所述步骤4中，通过以下步骤实现“利用p圈复用算法判断所述多播树t能否被所述电力光纤通信网中已配置的p圈保护”：

步骤401：设置循环变量i＝1，获取所述网络拓扑g中已配置的p圈的数量s；

步骤402：判断i≤s是否成立，若是则执行步骤403，若否则p圈复用失败；

步骤403：判断第i个已配置的p圈pi是否包含所述多播树t中所有目标节点，若包含则执行步骤404，否则令i＝i+1，转向步骤402；

步骤404：判断所述多播树t与所述第i个已配置的p圈pi已经保护的多播树之间是否存在相同的链路，若不存在相同的链路，则p圈复用成功，接受所述多播树t并返回第i个已配置的p圈pi，结束p圈复用算法，否则令i＝i+1，转向步骤402。

所述步骤5中，通过以下步骤实现“利用启发式p圈生成算法搜索可用于保护所述多播树t的圈p”：

步骤501：获取所述多播业务请求r的目的节点集合d，设置循环变量j＝1，取目的节点dj为初始节点；

步骤502：令dj＝d-dj，gj＝g；在所述gj中分别搜索所述初始节点dj到dj中各所述目的节点的最短路径构成最短路径集，从所述最短路径集中选择最短路径pjk，最短路径pjk的另一端点为目标节点dk，从dj中删除所述最短路径pjk对应的目的节点dk，从gj中删除最短路径pjk；

步骤503：判断dj是否为空集，若dj不是空集，则执行步骤504，否则转向步骤506；

步骤504：在gj中分别搜索初始节点dj到dj中各目的节点的最短路径构成最短路径集，并在其中选择最短路径pjl，所述最短路径pjl的另一端点为目标节点dl；在gi中分别搜索目标节点dk到dj中各目的节点的最短路径构成最短路径集，并在其中选择最短路径pkm，所述最短路径pkm的另一端点为目标节点dm；

步骤505：比较路径pjl的跳数和路径pkm的跳数：若路径pjl的跳数小于路径pkm的跳数，则将路径pjk和路径pjl合并为路径plk，从dj中删除目的节点dl，从gj中删除路径pjl，将dl赋给dj；若最短路径pjl的跳数大于最短路径pkm的跳数，则将路径pjk和路径pkm合并为路径pjm，从dj中删除目的节点dm，从gj中删除路径pkm，将dm赋给dk；若最短路径pjl的跳数等于最短路径pkm的跳数，则将路径pjk、路径pjl合并为路径和路径pkm合并为路径plm，从dj中删除目的节点dl、dm，从gj中删除路径pjl、路径pkm，将dl赋给dj、将dm赋给dk；然后转向步骤503；

步骤506：获取经步骤503至步骤505后产生的连接所述节点集合d中所包含的所有目的节点的第一路径的两个端点，计算两个所述端点之间的最短路径作为第二路径，将所述第一路径和所述第二路径合并而构成完整的圈p*，然后执行步骤507；

步骤507：令j＝j+1，判断j≤n是否成立，若成立则转向步骤502，否则执行步骤508；

步骤508：从步骤501至步骤507所产生的n个圈p*中选择跳数最短的作为圈p并返回。

所述步骤3中，所述链路已用容量为链路的初始容量与空闲容量的差值。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明是针对电力光纤通信网中的多播通信业务提出的一种考虑容量均衡的基于p圈保护方法(p-cyclebasedmulticastprotectingwithcapacitybalance,pcmp)。pcmp改进了传统的prim算法，对电力多播业务路由进行优化，并针对改造后的多播路由提出了一种高效的保护资源配置方案。与传统的流p圈保护方案不同，本发明所提方案只需覆盖多播请求的目的节点，同时可通过复用网络中已配置的保护资源为新加入的业务提供保护。本发明所提出的多播保护方法能够显著降低电力通信网中保护资源的冗余度和阻塞率。

附图说明

附图1为本发明的pcmp方法的实施流程图。

附图2为本发明的pcmp方法的保护原理示意图。

附图3为本发明的pcmp方法中p圈复用原理示意图。

附图4为更新网络中链路的空闲容量和权值的示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种在电力光纤通信网的控制系统中实现的用于对电力光纤通信网中多播业务的通信链路进行保护的p圈保护方法，即针对电力光纤通信网中的多播通信业务提出的一种考虑容量均衡的基于p圈保护方法(p-cyclebasedmulticastprotectingwithcapacitybalance,pcmp)，其流程如附图1所示，包括以下步骤：

步骤1：向电力光纤通信网的控制系统输入该电力光纤通信网对应的网络拓扑g＝(v,e,w)，其中v表示电力光纤通信网中的节点集合，e表示电力光纤通信网中的链路集合，w表示电力光纤通信网的链路容量矩阵。

步骤2：等待多播业务请求r＝{s,d}，其中s表示多播业务请求r的源节点，d表示多播业务请求r的目的节点集合，d＝{d1,d2,…,dn}，n为大于1的正整数。

步骤3：多播业务请求r到达后，以链路已用容量作为链路的路由权值，利用prim算法生成多播业务请求r对应的多播树t。

链路已用容量为链路的初始容量与空闲容量(自由容量)的差值，则“以链路已用容量作为链路的路由权值”具体指，在路由时，以每条链路上初始容量减去空闲容量作为用最短路径算法进行寻路时的权值，即

上式中，c(i,j)表示链路i-j的路由权值(已用容量)，w(i,j)表示链路i-j的初始容量，f(i,j)表示链路i-j的空闲容量。

通过以下步骤实现“利用prim算法生成多播业务请求r对应的多播树t”：

步骤301：在网络拓扑g中搜索从源节点s分别到目的节点集合d中各目的节点的最短路径，并从所产生的一组路径(n条路径)中选择最短的一条路径，这里所选择的路径为psx，其另一端对应的目的节点为dx。

依据所选择的路径psx分别更新多播树t、目的节点集合d、网络拓扑g，将所选择的路径psx加入多播树t中，并从目的节点集合d中删除所选择的路径对应的目标节点dx，从网络拓扑g中删除所选择的路径psx上的链路。

步骤302：针对步骤301中更新后的目的节点集合d、网络拓扑g重复步骤301，得到另一条所选择的路径，即再次在网络拓扑g中搜索从源节点s分别到目的节点集合d中各目的节点的最短路径，并从所产生的一组路径(n-1条路径)中选择最短的一条与路径psx相分离的路径，这里所选择的路径为psy，其另一端对应的目的节点为dy。然后依据另一条所选择的路径psy分别再次更新多播树t、目的节点集合d、网络拓扑g，将所选择的路径psy加入多播树t中，并从目的节点集合d中删除所选择的路径对应的目标节点dy，从网络拓扑g中删除所选择的路径psy上的链路。

获取再次更新后的多播树t中所有路径经过的节点集合nt。

步骤303：在网络拓扑g中搜索目的节点集合d中各目的节点分别到节点集合nt中各个节点的最短路径得到路径组，更新多播树t、目的节点集合d、网络拓扑g，从路径组中选择最短的一条路径加入多播树t中，从目的节点集合d中删除所选择的最短的一条路径对应的目标节点，从网络拓扑g中删除所选择的最短的一条路径上的链路。

步骤304：重复步骤303，直至目的节点集合d为空，则返回多播树t。

生成多播树t后，判断多播树t是否可用，若多播树t包含的所有链路上的空闲容量都不为零，则多播树t可用，执行步骤4，否则阻塞多播业务请求r，转向步骤2。

步骤4：利用p圈复用算法判断多播树t能否被电力光纤通信网中已配置的p圈保护。

通过以下步骤实现“利用p圈复用算法判断多播树t能否被电力光纤通信网中已配置的p圈保护”：

步骤401：设置循环变量i＝1，获取网络拓扑g中已配置的p圈的数量s；

步骤402：判断i≤s是否成立，若是则执行步骤403，若否则p圈复用失败，即无已配置的p圈；

步骤403：判断第i个已配置的p圈pi是否包含多播树t中所有目标节点，若包含则执行步骤404，否则令i＝i+1，转向步骤402；

步骤404：判断多播树t与第i个已配置的p圈pi已经保护的多播树之间是否存在相同的链路，若不存在相同的链路，则p圈复用成功，即多播树t能够被电力光纤通信网中已配置的p圈pi保护，接受多播树t并返回第i个已配置的p圈pi，结束p圈复用算法，否则令i＝i+1，转向步骤402。

通过以上步骤判断出多播树t能够被电力光纤通信网中已配置的p圈保护后，则接受多播业务请求r，转向步骤6，否则多播树t不能被电力光纤通信网中已配置的任何一个p圈保护，执行步骤5。

步骤5：利用启发式p圈生成算法搜索可用于保护多播树t的圈p。

通过以下步骤实现“利用启发式p圈生成算法搜索可用于保护多播树t的圈p”：

步骤501：获取初始的多播业务请求r的目的节点集合d，设置循环变量j＝1，取目的节点dj为初始节点；

步骤502：令dj＝d-dj，gj＝g；在gj中分别搜索初始节点dj到dj中各目的节点的最短路径构成最短路径集，从最短路径集中选择最短路径pjk，最短路径pjk的另一端点为目标节点dk，从dj中删除最短路径pjk对应的目的节点dk，从gj中删除最短路径pjk；

步骤503：判断dj是否为空集，若dj不是空集，则执行步骤504，否则转向步骤506；

步骤504：在gj中分别搜索初始节点dj到dj中各目的节点的最短路径构成最短路径集，并在其中选择最短路径pjl，最短路径pjl的另一端点为目标节点dl；

在gi中分别搜索目标节点dk到dj中各目的节点的最短路径构成最短路径集，并在其中选择最短路径pkm，最短路径pkm的另一端点为目标节点dm；

步骤505：比较路径pjl的跳数和路径pkm的跳数：若路径pjl的跳数小于路径pkm的跳数，则将路径pjk和路径pjl合并为路径plk，从dj中删除目的节点dl，从gj中删除路径pjl，将dl赋给dj；若最短路径pjl的跳数大于最短路径pkm的跳数，则将路径pjk和路径pkm合并为路径pjm，从dj中删除目的节点dm，从gj中删除路径pkm，将dm赋给dk；若最短路径pjl的跳数等于最短路径pkm的跳数，则将路径pjk、路径pjl合并为路径和路径pkm合并为路径plm，从dj中删除目的节点dl、dm，从gj中删除路径pjl、路径pkm，将dl赋给dj、将dm赋给dk；然后转向步骤503；

通过以上步骤503至步骤505，可以由初始的路径pjk开始，逐次向其两侧延伸，从而最终构成一条连接节点集合d中所包含的所有目的节点的路径，称之为第一路径；

步骤506：获取经步骤503至步骤505后产生的连接节点集合d中所包含的所有目的节点的第一路径的两个端点，计算两个端点之间的最短路径作为第二路径，将第一路径和第二路径合并而构成一个完整的圈p*，然后执行步骤507；

步骤507：令j＝j+1，判断j≤n是否成立，若成立则转向步骤502，否则执行步骤508；j循环完成后，可以获得n个圈p*；

步骤508：从步骤501至步骤507所产生的n个圈p*中选择跳数最短的作为圈p并返回。

获得圈p后，判断圈p是否可用，若圈p经过的链路的空闲容量均不为零，则接受多播业务请求r同时返回圈p，执行步骤6，否则阻塞多播业务请求r，转向步骤2。

步骤6：更新电力光纤通信网的空闲容量和路由权值，统计电力光纤通信网中的资源的使用情况，然后转向步骤2。

pcmp的基本原理是：首先根据多播请求r构建一棵多播树t，t满足从源节点出发至少存在两条链路分离路径的条件。然后，搜索一个最短p圈，将多播树t的所有目的节点连接起来成为一个圈，完成对多播树t上各链路的保护。

图2为上述pcmp的保护原理示意图，在图2中，多播请求r＝{1；5，7，8}，其中节点1是源节点，节点5，7，8是目的节点。通过改进多播树算法为r生成的多播树t如图中粗黑实线所示；为多播树t配置的保护p圈为p:5-6-7-8-5，如图中粗黑虚线所示。播树t上存在2条链路分离的路径，即1-5和1-4-6，可供多播业务从源节点s(节点1)流入圈p。当网络中发生故障时，用相同的圈p就能实现对整个多播树的保护。例如，如果多播树t上的链路1-5出现故障，节点5将失去多播信号，但仍可通过链路1-4-6-5进行恢复，这里恢复路径1-4-6-5充分利用了未受影响的工作链路1-4-6和p圈上配置的保护链路6-5。

图3为步骤4中p圈复用原理示意图。

p圈复用的基本原理是：在已配圈中可搜索到圈p，使得新到多播请求r的目的节点全部位于圈p上，且新多播树与原来受圈p保护的多播树无相同链路。

设网络中已有的多播请求rold＝{1；5，7，8}，其对应的多播树为told，即图3中的粗黑所示的的tree1，told对应的保护p圈为p：5-6-7-8-5，即图3中粗黑虚线所示。当新多播请求rnew＝{3；5，7，8}，其对应的多播树tnew，即图3中双点划线所示的tree2，加入到网络后，由于rnew的所有目的节点均位于圈p上，且tnew与told没有相同链路，因此圈p可以保护tnew，从而实现了保护资源的复用，即同一p圈保护多个多播树。之所以限制同一个单位圈p保护的多播树之间没有相同链路，是因为若多播树之间存在相同链路l，则当l发生故障后，经过l的所有多播树的通信连接都会中断，都需要圈p提供倒换路径，但单位圈p只占有一个波长的带宽，无法为多个业务提供倒换通道。

图4为步骤6中更新链路权值示意图。设光纤l上共有w个波长，分别为λ1至λw，其中一部分波长用于承载工作业务，记为wl^λ；一部分用于配置保护业务，记为plλ；剩余的波长为空闲容量，记为fl^λ。经典路由算法以物理距离或代价为链路的权值进行路由，每条链路的权值固定不变，可能导致某些光纤上的容量过早耗尽而某些光纤上的容量几乎未被使用的情况发生，即容量使用的不均衡性，从而使网络阻塞率升高。而本方案中，为了均衡容量的使用，在生成多播树t和p圈时以w-fl^λ为链路权值，即链路已用容量作为链路权值，能够优先使用空闲容量多的链路，从而均衡网络中各链路容量的使用，降低阻塞率。

本发明所提保护方法首先对prim算法进行改进以生成与多播请求r对应的优化多播树t，然后设计了启发式p圈生成算法将多播树t的目的节点连接为圈以保护整棵多播树t，最后通过复用网络中配置的p圈提高波长利用率。在多播树t和p圈的生成过程中还采用了容量均衡策略以平衡网络中链路容量的使用。本发明够显著降低电力通信网的冗余度和阻塞率，提高波长利用率。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。