WDM光纖網(wǎng)故障地光路恢復(fù)策略

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用得到蓬勃的發(fā)展。進(jìn)入新千年，有些長(zhǎng)途主干線路新設(shè)的地下光纜將包含100根新型單模光纖，而每對(duì)光纖加密集波分多路復(fù)用(DWDM)系統(tǒng)可達(dá)100路波長(zhǎng)，每路波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)10Gb/s，每對(duì)光纖能夠同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率達(dá)1Tb/s,面對(duì)如此巨大的數(shù)據(jù)傳輸率，當(dāng)光纖網(wǎng)某一部件出現(xiàn)故障時(shí)，如何高效快速地恢復(fù)，是保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的重要問題。

波分多路復(fù)用光網(wǎng)易受元件故障的影響，光纜被切斷，節(jié)點(diǎn)失效，波長(zhǎng)復(fù)用期/解復(fù)用器出現(xiàn)故障均會(huì)引起嚴(yán)重的后果，因而WDM光網(wǎng)應(yīng)有完備的抗故障措施，也就是說當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有對(duì)通信進(jìn)行重新路由和網(wǎng)絡(luò)重建的能力，即故障的恢復(fù)能力。網(wǎng)絡(luò)的故障恢復(fù)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(diǎn)。在光層提供的故障恢復(fù)具有恢復(fù)時(shí)間短，資源利用率高，協(xié)議透明性的優(yōu)點(diǎn)。本文主要談?wù)搯捂溌饭收夏Ｐ?single link failure model)下在光通道層對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的恢復(fù)問題。

2 恢復(fù)方法的分類

當(dāng)一條鏈路發(fā)生故障時(shí)，與它相鄰接的節(jié)點(diǎn)能夠通過監(jiān)視鏈路上能量的強(qiáng)弱來發(fā)現(xiàn)故障。發(fā)現(xiàn)故障后，有不同的恢復(fù)策略。

恢復(fù)策略主要分為兩大類：主動(dòng)恢復(fù)方法(proactive)和被動(dòng)(reactive)恢復(fù)方法。

被動(dòng)恢復(fù)方法是最簡(jiǎn)單的，當(dāng)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(jìn)行。這種方法在系統(tǒng)沒有故障時(shí)開銷很低，單不能保證恢復(fù)成功，在分布式控制協(xié)議的情況下，同時(shí)為不同的失效光路進(jìn)行恢復(fù)的嘗試可能因?yàn)闆_突要重復(fù)好幾次才會(huì)成功，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量的增加和恢復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)。

主動(dòng)式恢復(fù)可以克服以上缺點(diǎn)，在這種方法中，用標(biāo)記符標(biāo)明備用光路(backup pash)的同時(shí)，相應(yīng)的設(shè)備光路的資源被預(yù)留，從而使主光路出現(xiàn)故障時(shí)備用光路隨時(shí)可用，使故障恢復(fù)率達(dá)到100%。

主動(dòng)恢復(fù)方法包括：

*備用專用預(yù)留方法 每一條光路均有一條專用的備用光路。它的優(yōu)點(diǎn)是恢復(fù)時(shí)間短，因?yàn)樗�在建立主光路的同時(shí)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(diǎn)介紹。

*備用復(fù)用 如果兩主光路在鏈路上是分離的，那么它們不會(huì)同時(shí)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(gè)波長(zhǎng)通道(wavelength channel)，能使資源利用率得以提高。

*主/備用復(fù)用 這種技術(shù)允許一個(gè)波長(zhǎng)通道被一個(gè)主光路和一個(gè)或多個(gè)備用光路所共享，在動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)量的環(huán)境下，可以進(jìn)一步的提高資源利用率，降低客戶請(qǐng)求的阻塞率，但恢復(fù)保證率下降。

主動(dòng)恢復(fù)方法和被動(dòng)恢復(fù)方法又可以進(jìn)一步分為基于鏈路(link-based)的和基于路徑(path-based)的方法�；�于路徑的方法采用源、目的端節(jié)點(diǎn)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(wù)量在失效元件的兩個(gè)鄰接節(jié)點(diǎn)間重新路由。

在基于鏈路的方法中，當(dāng)一條鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，經(jīng)過這條鏈路的主光路在這條鏈路兩端的節(jié)點(diǎn)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(zhǎng)選擇的網(wǎng)絡(luò)中因?yàn)橹鞴饴返囊徊糠直槐４嫦聛�，所以備用光路必須采用與主光路相同的波長(zhǎng)，這樣備用路徑的選擇受到了限制，而且當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，這種方法實(shí)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(zhǎng)，使資源利用率得以提高。

3 靜態(tài)業(yè)務(wù)量的光路恢復(fù)

下面我們來談?wù)摑M足靜態(tài)業(yè)務(wù)量的需求的可恢復(fù)的WDM網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法。給定一個(gè)需求集和它們的主光路，網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(fù)設(shè)計(jì)

多光纖網(wǎng)的恢復(fù)設(shè)計(jì)有兩種方案，即虛波長(zhǎng)通路(virtual wavelength path)和波長(zhǎng)通路(wavelenth path)，它們都是以節(jié)點(diǎn)具有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能為前提的，這兩個(gè)方案都是主動(dòng)的、基于路徑的、與故障無關(guān)的，采用了備用復(fù)用技術(shù)，虛波長(zhǎng)通路在不同的鏈路上可采用不同的波長(zhǎng)。每條鏈路對(duì)應(yīng)著一個(gè)加權(quán)函數(shù)Wi，經(jīng)過鏈路i的路徑數(shù)量Pi對(duì)每根光纖上的平均波長(zhǎng)數(shù)取模得到遺留波長(zhǎng)數(shù)Ci(即在鏈路i上最后一條光纖上要利用的波長(zhǎng)數(shù)),當(dāng)Ci=0時(shí)，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(luò)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(dāng)一條鏈路失效時(shí)，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(dāng)一條鏈路失效時(shí)，它上面的主光路被相應(yīng)的備用光路所替代，在網(wǎng)絡(luò)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(duì)光纖總數(shù)的需求。

波長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)；(2)新的備用光路可選擇不同的波長(zhǎng)，這種方法更靈活，但需要客戶層的協(xié)作。

3.2 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的單光纖網(wǎng)的恢復(fù)設(shè)計(jì)

下面是一種采用與故障無關(guān)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換單光纖網(wǎng)的恢復(fù)設(shè)計(jì)方法，它的目的是使所需的加權(quán)波長(zhǎng)數(shù)最小。考慮到單節(jié)點(diǎn)和單鏈路失效，下列要求必須滿足；僅當(dāng)主光路失效時(shí)，備用光路的波長(zhǎng)才會(huì)被使用；主/備用光路在選擇鏈路時(shí)應(yīng)相分離。

這種方法采用啟發(fā)式算法，恢復(fù)問題被分成獨(dú)立的子集，每個(gè)子集對(duì)應(yīng)著一個(gè)需求，對(duì)應(yīng)著一個(gè)需求的主/備光路對(duì)被賦予一個(gè)代價(jià)值。具體實(shí)現(xiàn)有兩種：(1)從一個(gè)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(jià)的升序排列，對(duì)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(duì)的代價(jià)值不再改善。對(duì)每一個(gè)需求應(yīng)用上述過程，最終形成對(duì)初始問題的解法。(2)從每個(gè)滿足需求的分離的、最短的主/備用光路對(duì)開始，對(duì)每個(gè)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(jī)網(wǎng)絡(luò)的模擬實(shí)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(fù)用的技術(shù)進(jìn)一步提高它們的性能。

4 動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)量的光路恢復(fù)

與靜態(tài)業(yè)務(wù)量不同，動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)量的光路故障恢復(fù)要求計(jì)算簡(jiǎn)單的算法，算法的目標(biāo)是選擇最好的主/備用光路對(duì)以改善網(wǎng)絡(luò)的阻塞性能(阻塞性能指的是連接請(qǐng)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(fù)光路。下面介紹兩種為動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)量提供路由的算法，它們均是主動(dòng)式、與故障無關(guān)的、基于路徑的方法。

4.1 基于備用光路復(fù)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(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算一個(gè)候選路徑集，一個(gè)源、目的節(jié)點(diǎn)的候選路徑應(yīng)是鏈路分離的。當(dāng)一個(gè)新的連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，最小代價(jià)的主/備用光路對(duì)被選擇。這一對(duì)光路所需求的空閑通道應(yīng)是最少的。一條波長(zhǎng)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(dāng)一條波長(zhǎng)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(zhǎng)通道，因而不需要多余的
 

代價(jià)。這個(gè)算法的目標(biāo)是確保為一條新光路提供路由時(shí)，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入的一個(gè)新狀態(tài)使網(wǎng)絡(luò)的總的空閑通道數(shù)量最大。

對(duì)每一條鏈路的每一條波長(zhǎng)通道，算法都維持一張鏈路表。某鏈路的每條波長(zhǎng)通道的鏈路表是由經(jīng)過這條波長(zhǎng)通道的所有備用光路所對(duì)應(yīng)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(zhǎng)通道的條件是它的主光路沒有使用這條波長(zhǎng)通道的鏈路表中的任何一條鏈路。備用光路的波長(zhǎng)分配有兩種方法：(1)采用與主光路相同的波長(zhǎng)；(2)采用任何波長(zhǎng)。第一種方法計(jì)算起來較簡(jiǎn)單，但阻塞性能不好。

4.2 主/備用復(fù)用地路由算法

這種算法的目標(biāo)是在允許恢復(fù)保證率降低的情況下提高阻塞性能。這里，一條波長(zhǎng)通道能被一條主光路和一條或多條備用光路共享，當(dāng)然對(duì)應(yīng)這些備用光路的主光路就失去了恢復(fù)能力。一條新光路的建立可能導(dǎo)致一條鏈路上不可恢復(fù)的光路平均數(shù)量的增加，如果這個(gè)值超過了某個(gè)預(yù)先確定的門檻值，這條新光路就不允許建立起來，對(duì)應(yīng)的連接請(qǐng)求被阻塞。選擇合適的門檻值可以較好地兼顧恢復(fù)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(qǐng)求選擇出一代價(jià)最小的主/備用光路對(duì)。光路對(duì)代價(jià)的計(jì)算方法是用這對(duì)光路使用的空閑波長(zhǎng)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(gè)懲罰性因子相乘。如何計(jì)算因新光路對(duì)的建立而引起的不可恢復(fù)的光路數(shù)目呢？當(dāng)一條新的備用光路經(jīng)過當(dāng)前被一條主光路使用的波長(zhǎng)通道時(shí)，只有這條新建的光路不可恢復(fù)，可是當(dāng)新建的主光路經(jīng)過一條為其他備用光路所預(yù)留的波長(zhǎng)通道時(shí)，不可恢復(fù)光路數(shù)的計(jì)算就比較復(fù)雜。一個(gè)直接的解法是記錄每一條通道上的備用光路所對(duì)應(yīng)的主光路的標(biāo)識(shí)符和可恢復(fù)狀態(tài)，這就需要大量的存儲(chǔ)區(qū)和復(fù)雜算法，為此可用一個(gè)計(jì)算簡(jiǎn)單的啟發(fā)方式方法去進(jìn)行估測(cè)。這個(gè)啟發(fā)方式方法只需分別知道在一條通道上復(fù)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(fù)方法比基于路徑的恢復(fù)方法有較短的恢復(fù)時(shí)間，但資源利用率較低。與故障有關(guān)的、基于路徑的主動(dòng)恢復(fù)方法比與故障無關(guān)的方法有較高的資源利用率，但很復(fù)雜。利用備用復(fù)用技術(shù)比專用備用路徑資源預(yù)留的恢復(fù)方法在性能上有顯著的提高，而在動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)量的情況下，主/備用光路復(fù)用復(fù)用技術(shù)又可以進(jìn)一步提高資源利用率，但導(dǎo)致恢復(fù)保證率下降。在當(dāng)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(jiǎn)單的算未能和短的恢復(fù)時(shí)間是值得的。目前SONET采用的自愈環(huán)(SHR)非常成功，這是因?yàn)楹?jiǎn)單的控制和快速的服務(wù)恢復(fù)，因此WDM技術(shù)與環(huán)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和結(jié)合是很有前景的。