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1 引言
隨著網(wǎng)絡和多媒體技術(shù)的發(fā)展，人們對網(wǎng)絡帶寬的要求越來越大，另一方面，由于光電轉(zhuǎn)換速度的限制，光纖的傳輸能力又沒有得到充分的利用，于是WDM技術(shù)在光纖網(wǎng)上的應用得到蓬勃的發(fā)展。進入新千年，有些長途主干線路新設的地下光纜將包含100根新型單模光纖，而每對光纖加密集波分多路復用(DWDM)系統(tǒng)可達100路波長，每路波長的數(shù)據(jù)傳輸速率達10Gb/s，每對光纖能夠同時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率達1Tb/s,面對如此巨大的數(shù)據(jù)傳輸率，當光纖網(wǎng)某一部件出現(xiàn)故障時，如何高效快速地恢復，是保證網(wǎng)絡服務質(zhì)量的重要問題。
波分多路復用光網(wǎng)易受元件故障的影響，光纜被切斷，節(jié)點失效，波長復用期/解復用器出現(xiàn)故障均會引起嚴重的后果，因而WDM光網(wǎng)應有完備的抗故障措施，也就是說當故障出現(xiàn)時，網(wǎng)絡應具有對通信進行重新路由和網(wǎng)絡重建的能力，即故障的恢復能力。網(wǎng)絡的故障恢復既可以在光層提供也可以在較高層的客戶層提供，它們各有優(yōu)缺點。在光層提供的故障恢復具有恢復時間短，資源利用率高，協(xié)議透明性的優(yōu)點。本文主要談論單鏈路故障模型(single link failure model)下在光通道層對網(wǎng)絡故障的恢復問題。
2 恢復方法的分類
當一條鏈路發(fā)生故障時，與它相鄰接的節(jié)點能夠通過監(jiān)視鏈路上能量的強弱來發(fā)現(xiàn)故障。發(fā)現(xiàn)故障后，有不同的恢復策略。
恢復策略主要分為兩大類：主動恢復方法(proactive)和被動(reactive)恢復方法。
被動恢復方法是最簡單的，當一條光路(lightpath)出現(xiàn)故障后，尋找一條新光路以繞過故障的過程才開始進行。這種方法在系統(tǒng)沒有故障時開銷很低，單不能保證恢復成功，在分布式控制協(xié)議的情況下，同時為不同的失效光路進行恢復的嘗試可能因為沖突要重復好幾次才會成功，從而導致網(wǎng)絡流量的增加和恢復時間的延長。
主動式恢復可以克服以上缺點，在這種方法中，用標記符標明備用光路(backup pash)的同時，相應的設備光路的資源被預留，從而使主光路出現(xiàn)故障時備用光路隨時可用，使故障恢復率達到100%。
主動恢復方法包括：
*備用專用預留方法 每一條光路均有一條專用的備用光路。它的優(yōu)點是恢復時間短，因為它在建立主光路的同時分配了備用路徑，但它保留了過多的資源，也不被看好，本文不做重點介紹。
*備用復用 如果兩主光路在鏈路上是分離的，那么它們不會同時失效(在單鏈路故障模型的條件下)，因而它們的備用光路可以共享一個波長通道(wavelength channel)，能使資源利用率得以提高。
*主/備用復用 這種技術(shù)允許一個波長通道被一個主光路和一個或多個備用光路所共享，在動態(tài)業(yè)務量的環(huán)境下，可以進一步的提高資源利用率，降低客戶請求的阻塞率，但恢復保證率下降。
主動恢復方法和被動恢復方法又可以進一步分為基于鏈路(link-based)的和基于路徑(path-based)的方法。基于路徑的方法采用源、目的端節(jié)點之間重新路由，而基于鏈路的方法則是把通過失敗元件的業(yè)務量在失效元件的兩個鄰接節(jié)點間重新路由。
在基于鏈路的方法中，當一條鏈路出現(xiàn)故障時，經(jīng)過這條鏈路的主光路在這條鏈路兩端的節(jié)點之間選擇一條新的路徑以繞過失效鏈路。這條新的路徑與主光路的沒有失效的工作部分形成一條備用路徑。在波長選擇的網(wǎng)絡中因為主光路的一部分被保存下來，所以備用光路必須采用與主光路相同的波長，這樣備用路徑的選擇受到了限制，而且當一個節(jié)點失效時，這種方法實現(xiàn)起來十分困難，因而不被看好。在基于路徑的方法中，一條備用路徑不再保留主光路的工作部分，因而可用與主光路不同的波長，使資源利用率得以提高。
3 靜態(tài)業(yè)務量的光路恢復
下面我們來談論滿足靜態(tài)業(yè)務量的需求的可恢復的WDM網(wǎng)絡的設計方法。給定一個需求集和它們的主光路，網(wǎng)絡的恢復設計的目的是為所有的主光路尋找備用光路并使所需的容量最小。容量是以單光纖網(wǎng)中的波長數(shù)和多光纖網(wǎng)的光纖數(shù)來衡量的。
3.1 多光纖網(wǎng)的恢復設計
多光纖網(wǎng)的恢復設計有兩種方案，即虛波長通路(virtual wavelength path)和波長通路(wavelenth path)，它們都是以節(jié)點具有波長轉(zhuǎn)換功能為前提的，這兩個方案都是主動的、基于路徑的、與故障無關(guān)的，采用了備用復用技術(shù)，虛波長通路在不同的鏈路上可采用不同的波長。每條鏈路對應著一個加權(quán)函數(shù)Wi，經(jīng)過鏈路i的路徑數(shù)量Pi對每根光纖上的平均波長數(shù)取模得到遺留波長數(shù)Ci(即在鏈路i上最后一條光纖上要利用的波長數(shù)),當Ci=0時，Wi=1/Pi;否則，Wi=1/Ci。
虛波通路方案采用一種迭代算法，這種算法以主光路組成的網(wǎng)絡開始，首先初始化備用路徑選擇：鏈路的失效被一條一條地考慮，當一條鏈路失效時，加權(quán)函數(shù)被使用。第二步，備用光路優(yōu)化：鏈路的失效再一次被逐條考慮，當一條鏈路失效時，它上面的主光路被相應的備用光路所替代，在網(wǎng)絡中搜尋看是否存在一條新的光路用來替代初始備用光路能減少對光纖總數(shù)的需求。
波長通路方案采用與虛波通路類似的算法。第一步初始化，即備用光路選用與它主光路相同的波光。第二步優(yōu)化時可采用兩種方法——(1)新的備用光路選擇與主光路相同的波長；(2)新的備用光路可選擇不同的波長，這種方法更靈活，但需要客戶層的協(xié)作。
3.2 波長轉(zhuǎn)換的單光纖網(wǎng)的恢復設計
下面是一種采用與故障無關(guān)的波長轉(zhuǎn)換單光纖網(wǎng)的恢復設計方法，它的目的是使所需的加權(quán)波長數(shù)最小。考慮到單節(jié)點和單鏈路失效，下列要求必須滿足；僅當主光路失效時，備用光路的波長才會被使用；主/備用光路在選擇鏈路時應相分離。
這種方法采用啟發(fā)式算法，恢復問題被分成獨立的子集，每個子集對應著一個需求，對應著一個需求的主/備光路對被賦予一個代價值。具體實現(xiàn)有兩種：(1)從一個需求的初始可行解法開始，可用作主光路的候選路徑按代價的升序排列，對于每條候選主光路，選擇一條最好的路徑作為備用光路，這一過程繼續(xù)下去直到主/備用光路對的代價值不再改善。對每一個需求應用上述過程，最終形成對初始問題的解法。(2)從每個滿足需求的分離的、最短的主/備用光路對開始，對每個連續(xù)需求，先確定主光路，再選擇最好的備用光路。這兩種算法在一些隨機網(wǎng)絡的模擬實現(xiàn)顯示，第一種算法比第二種算法性能稍好，兩種算法都優(yōu)于基于最短路徑的算法，并可以通過備用復用的技術(shù)進一步提高它們的性能。
4 動態(tài)業(yè)務量的光路恢復
與靜態(tài)業(yè)務量不同，動態(tài)業(yè)務量的光路故障恢復要求計算簡單的算法，算法的目標是選擇最好的主/備用光路對以改善網(wǎng)絡的阻塞性能(阻塞性能指的是連接請求被阻塞的可能性)，也就是說利用固定的資源提供盡可能多的恢復光路。下面介紹兩種為動態(tài)業(yè)務量提供路由的算法，它們均是主動式、與故障無關(guān)的、基于路徑的方法。
4.1 基于備用光路復用的路由算法
這種算法采用一種更替路由的方法。首先為每一個節(jié)點計算一個候選路徑集，一個源、目的節(jié)點的候選路徑應是鏈路分離的。當一個新的連接請求到達時，最小代價的主/備用光路對被選擇。這一對光路所需求的空閑通道應是最少的。一條波長通道如果既沒有被主光路又沒有被備用光路使用，則它是空閑的。當一條波長通道已經(jīng)被一條或多條備用光路使用，則它也能被一條新的備用光路使用，而不需要新的空閑的波長通道，因而不需要多余的
代價。這個算法的目標是確保為一條新光路提供路由時，網(wǎng)絡進入的一個新狀態(tài)使網(wǎng)絡的總的空閑通道數(shù)量最大。
對每一條鏈路的每一條波長通道，算法都維持一張鏈路表。某鏈路的每條波長通道的鏈路表是由經(jīng)過這條波長通道的所有備用光路所對應的主光路所使用的鏈路的集合。一條新的備用光路可以使用某條波長通道的條件是它的主光路沒有使用這條波長通道的鏈路表中的任何一條鏈路。備用光路的波長分配有兩種方法：(1)采用與主光路相同的波長；(2)采用任何波長。第一種方法計算起來較簡單，但阻塞性能不好。
4.2 主/備用復用地路由算法
這種算法的目標是在允許恢復保證率降低的情況下提高阻塞性能。這里，一條波長通道能被一條主光路和一條或多條備用光路共享，當然對應這些備用光路的主光路就失去了恢復能力。一條新光路的建立可能導致一條鏈路上不可恢復的光路平均數(shù)量的增加，如果這個值超過了某個預先確定的門檻值，這條新光路就不允許建立起來，對應的連接請求被阻塞。選擇合適的門檻值可以較好地兼顧恢復保證率和阻塞率。
這種算法的關(guān)鍵是在允許的光路中如何為連接請求選擇出一代價最小的主/備用光路對。光路對代價的計算方法是用這對光路使用的空閑波長通道數(shù)加上它們所經(jīng)過的主/備用通道的數(shù)目再與一個懲罰性因子相乘。如何計算因新光路對的建立而引起的不可恢復的光路數(shù)目呢？當一條新的備用光路經(jīng)過當前被一條主光路使用的波長通道時，只有這條新建的光路不可恢復，可是當新建的主光路經(jīng)過一條為其他備用光路所預留的波長通道時，不可恢復光路數(shù)的計算就比較復雜。一個直接的解法是記錄每一條通道上的備用光路所對應的主光路的標識符和可恢復狀態(tài)，這就需要大量的存儲區(qū)和復雜算法，為此可用一個計算簡單的啟發(fā)方式方法去進行估測。這個啟發(fā)方式方法只需分別知道在一條通道上復用的備用光路、其主光路使用鏈路及跟蹤持續(xù)到下一條鏈路的備用光路的條數(shù)。
5 結(jié)束語
在以上討論的幾種方法中，基于鏈路的恢復方法比基于路徑的恢復方法有較短的恢復時間，但資源利用率較低。與故障有關(guān)的、基于路徑的主動恢復方法比與故障無關(guān)的方法有較高的資源利用率，但很復雜。利用備用復用技術(shù)比專用備用路徑資源預留的恢復方法在性能上有顯著的提高，而在動態(tài)業(yè)務量的情況下，主/備用光路復用復用技術(shù)又可以進一步提高資源利用率，但導致恢復保證率下降。在當前的技術(shù)條件下，由于受光電轉(zhuǎn)換速度的影響，以較低的資源利用換取簡單的算未能和短的恢復時間是值得的。目前SONET采用的自愈環(huán)(SHR)非常成功，這是因為簡單的控制和快速的服務恢復，因此WDM技術(shù)與環(huán)型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和結(jié)合是很有前景的。
