（电路与系统专业论文）基于空闲容量分配的路由算法研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

爨索郏毫大学蔽磅究生学篷论文揍要 摘要 通信网络技术的蓬勃发展和数字技术的全面采用，推动着向下一代宽带综合网络的发 展。目前通信网络己成为现代信息社会最重要的基础设施。主干网络达到了每秒几十个吉 比特的速度，带宽瓶颈已得到了很大的缓解，已有能力提供综合业务，即不仅仅限于数据， 还包括语音、视频等的传送。在这样一种高速、多业务的网络中出现任何故障都会造成巨 大的影噙和损失，因此，当前对于网络生存性的研究较之转统鼹络更加迫切。网络良好的 生存性关乎两个重要的方面：生存性策略的实施和空闲容量的分配。正是基于此，本文将 针对空闲容量分配问题进行研究。 本文首先介绍空闲容量分配( s c a ，s p a r ec a p a c i t ya l l o c a t i o n ) 的研究现状及意义；比较 全面地介绍网络生存性概念和生存性技术：给如故障的恢复过程，为不同的恢复方法进行 分类，对预留和动态分配资源徽简单分辑；分析讨论路由傈护方法的故障关联，并解决陷 阱拓扑问题。然后，介绍几种比较成熟的s c a 算法并给出分别适用于单链路故障和任意故 障的s c a 模型。最后提出连续可存活路i 耋( s s r ，s u c c e s s i v es u r v i v a b l er o u t i n g ) 算法，针对 链路失效情况，对s s r 算法和其它算法进行仿真并对性能进行比较。结果表明：s s r 算法 是一种能很好解决空闲容量分配问题的近似算法，可以获得近似最优的冗余度和快速的计 算时间。 关键字：生存性：空闲容量分配；连续可存活路盘算法；m p l s 溺络；陷阱拓扑；链路失 效； 堂塞塑皇奎茎至圭翌耋竺兰堡垒兰 a b s t r a c t 苎望翌 t h ef l o u r i s h i 稳gd e v e l 印m 嘲o fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g ya n d f u n y 踟p t l 。稳。重 d i g i t a lt e c l m 0 1 0 9 yp r o m o t ec u r r e n tn e t w o r k t on e x tg e n e r a t i o nb r o a d b a n dc o m p 。e h e n s l v e n 咖破c 髓e n t l y m 撩疵c a t i o nn e t w o r ki s t h em o s ti m p o r t a n ti n 蠹a s 锄c 锄羚o fm o 琏潍 i n f o 珊【a t i o ns o c i e t y b a c k b o n en e t w o r kr e a c h e st h es p e e do f d e c a d e sg b i t sw h i c hg r e a t l yr e l a x e s b a n d w i d t hb o t t l e n e c l ( ，i t sa b l et o a f f o r di n t e g r a t e ds e r v i c e ，t h a ti st os a y , t h e n e 雠。俄c 组 掀m s p o nd a 诅，v o i c e ，v i d e of r e q u e n c ya n ds oo n 。i ns u c h ah i g hs p e e d ，m u l t i _ s e r v i c en e 铆o r k ，a n y f a u l tc a nc a u s eg r e a ti n f l u e n c ea n dl o s s 。h e n c e ，c o m p a r i n gw i t h t r a d i t i o n a ln e t w o r k ，t h es 协蚵。士 粥t w o r ks u “i v a b i l 姆b e c o m e sm o r ei m p o r t a n t a n du r g e n t g o o ds u r v i v a b i l i t yo fn e t w o r k i n c l u d e s m di m p o r t a n ta s p e c t s ，i m p l e m e n t s u r v i v a b i l i t y s t r a t e g y a n da l l o c a t es p a r e c a p a c i t y 。b a s e do ni t , a l l o 饿o no fs p a r e 唧a c 诹i s s 觚i e 出 。 f i r s t l v ，w i mt h ei n t r o i d u c t i o no ft h ea c t u a l i t ya n dm e a n i n g o fs p a r ec a p a c i t ya l l o c a t i o n , t h i s 嘲e r 妣盎赋sn e t w o r ks u r v i v a b i l i t yc o n c e p t i o n , s u r v i v a b i l i t y t e c h n o l o g yi nd e t a i l s ；p r e s e n t s r c s t o r a t i o np r o c e s so ff a u l t ，c l a s s i f i e s d i f f e r e n tr e s t o r a t i o nm e t h o d s ，a n a l y s e sr e s 荆a t i o n a n d 如僦羹e a 呈l yd i 鲥坟妞r e s o l i r c cs i m p l y ；a n d d i s c u s s e st h ef a u l t 羚l 湖峭o f 鞫呶p 勰文1 0 n m e m o d ，a n ds o l v e st r a pt o p o l o g y t h e n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e saf e w c o m p a r a t i v e l ym a t u r es c a 越建砷融sa n ds c am o d e l s ，w h i c ha d a p tt os i n g l e l i n kf a u l ta n da r b i t r a r yf a u 廷搅s p e c t i v e l y l l a s t l v s u c c e s s i v es u r v i v a b l er o u t i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c e o ft h e 龄r 砖鼙硪她漱i 纛酝i 蝴e 。a l g o r i t h mi sc o m p a r e dw h e n l i n kf a i l u r eo 渊毛融烈据i 媳1 c a 专e 粼 s s ra l g o r i t h mi s a n a p p r o x i m a t ea l g o r i t h m w h i c hc a l lw e l ls o l v es p a r ec a p a c l t y a l l o c a t i o n a c 毯e v en e a ro p r i m a lr e d u n d a n c ya n ds h o r tc o m p u t i n g t i m e k e y w 。一s ：s u r v i v a b i l i t y ；s p a r ec a p a c i t y a l l 。c a t i o n ；s u c c e s s i v es u r v i v a b l e 勋u t i n ga l 鲥溉； m u l t i p l e p r o t o c o ll a b e ls w i t c hn e t w o r k ；t r a pt o p o l o g y ；l i n kf a i l u r e ； 鬻衷帮奄大学诿磷究生学饺论文 续略语 a p s b b e r g a g m p l s i l p l m p l o s 毛s p m p l s n p n p c n p h o a m 0 x c p m 己 p s l r a f t r s v p 臂腑 s a s c a s c i s d h s h r s p i 缩略语 a u t o m a t i cp r o t e c t i o ns w i t c h i n g自动保护倒换 b r a n c h & b o u n d分支与限度 e x p l i c i tr o u t e 显式路由 g e n e t i ca l g o r i t h m遗传算法 g e n e r a l i z e dm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g 通用多协议标签交换 i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g 整数线性规划法 l i n km a n a g e m e n tp r o t o c o l 链路管理协议 l o s to f s i g n a l 电信号丢失 l a b e ls w i t c hp a t h标签交换路径 m u l t i p l ep r o t o c o ll a b e ls w i t c h多协议标签交换 n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l菲确定多项式 n p c o m p l e t e 非确定多项式完全 n p h a r d非确定多项式困难 o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e 操作、管理和维护 o p t i c a lc r o s sc o n n e c t光交叉连接 p a t hm e r g el s r 路径汇聚节点 p a t hs w i t c hl s r路径切换节点 r e s o u r c ea g g r e g a t i o nf a u l tt o l e r a n c e容错资源抢占 r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l资源预留协议 r o u t i n gw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t路由和波长分配 s i m u l a t e da n n e a l i n g模拟退火 s p a r ec a p a c i t ya l l o c a t i o n 空闲容量分配 s h a r i n gw i t hc o m p l e t er o u t i n gi n f o r m a t i o n完全路由信息共享 s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y 问步数字体系 s e l fh e a l i n gr i n g自愈环 s h a r i n gw i t hp a r t i a lr o u t i n gi n f o r m a t i o n部分路由信息共享 1 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 s r s r l g s s r t e t s s u r v i v a b l er o u t i n g s h a r e dr i s kl i n kg r o u p s s u c c e s s i v es u r v i v a b l er o u t i n g t r a f f i ce n g i n e e r 1 a b us e a r c h i v 可存活路由 共享风险链路集 连续可存活路由 流量工程 禁忌搜索 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京塞电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 虢蜷各咩嗍：业旷 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信患研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 豁哞一名：秘嘲碰好 露褒郄电大学颈圭磷究生学篷论文第一章缝论 第一章绪论 1 1 空闲容量分配的研究现状及意义 在当今社会，通信可以说已经融入了我们这个社会的经济生活的各个方面。因此现在 的社会对信息的依赖性越来越强，面基前主于网络达到? 每移几十个吉比特的速度，带宽 瓶颈己得到了很大地缓解，已有能力提供综合业务，即不仅仅限于数据，还包括语音、视 频等的传送。在这样一种高速、多业务的网络中溺现任何故障都会造成巨大的影响和损失， 因此，当前对于网络生存性的研究较传统网络更加迫切。网络生存性【l 】l f 2 】是指网络在遭受 备种故障时仍维持可接受的业务质量的能力，它属于网络完整性的一部分。为了改善现有 霹络的服务质量，也为了更科学地建设来来的网络，加大网络建设的投资是不可避免的。 因而，对于通信运营者来说，如何在通信网质量和建设、维护费用之间找到一个平衡点无 疑是一个值得考虑的问题。 对网络生存性研究具有深远的意义。首先，生存性网络可以给国家和个人挽回巨大的 经济损失，避免社会经济的动荡不安。其次，随着中国加入世贸组织后国内电信市场的逐 渐开放，透信业的竞争越来越激烈，从蕊具有生存性的网络对一个网络运营商来说极其重 要，因为网络运营商能否提供可靠的通信，已经与其商业信誉、综合竞争力等密切相关。 再次，随着入们生活水平的提高，社会经济生活及个人的嗣常生活越来越依赖于通信网络， 只有智能的会自动恢复的信息网才能满足人们的高质量的生活需求。所以，网络的生存性 问题是我们首先要考虑的问题之一。 在藤络的生存性策略中，霹络的空阑容量分配( s c a ，s p a r ec a p a c i t ya l l o c a t i o n ) 是一个 至关重要的问题，如何合理有效地分配网络的空闲容量、减少投资是网络规划和运营部门 最为关心的问题，并直接决定着生存性策略的实用价值。网络良好的生存性关乎两个重要 的方面：生存性策略的实施和空阑容量的分配。网络中空闲容量的分配算法就是研究如何 以最少的空闲容量来满足网络对故障恢复的要求。正是基于此，本文将主要针对空闲容量 分配问题遴行研究。 空闲容量分配【3 】就是为网络分配空闲容量，以备发生故障时，利用光交叉连接( o x c ， o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ) 等设备连接空阑的容量来重构网络以及恢复业务。网络容量的分配情 况直接影响到网络的恢复率，对于恢复时间也有一定的影响。空闲容量的占有率越高，网 络的自愈能力越强f 4 j f 5 】；但网络的成本也越高。因此，如何合理地分配网络的空闲容量， i 鬻索郎毫大攀矮圭褒究生学位论文第一章缝论 使之既能满足恢复性能的要求，又能最大限度地节约成本，是一个最优化问题。空闲容量 与成本及恢复率之间的关系曲线如图1 1 所示。我们追求的是霾标成本c ( s ) 越小，恢复率 r ( s ) 越高。 图l - 1 空闲资源配置优化的目的 因两，无论燕从满足社会需求还是从运营者皇身利益出发，通信网络系统豹空阑容量 分配的问题都应该得到重视。空闲容量分配算法般应用于网状网络，使用纯数学编程技 术或者启发式的技术，来确定为所有流量的备份路径分褥芒空闲容量。广泛使用多商品流模 型来公式化空闲容量分配问题。 空闲容量分配算法在各种网络中都有其实现方法，如s o n e t s d h 6 州】，a t m 1 2 1 问题 w d m 1 3 拼】豢li p m p l s 5 】等。然焉，这些整数飙划闯题的路径流规划阀题是n p 。困难阌题 ( n p h a r d ) 【9 】【1 2 】【16 1 。文献【1 7 】进一步证明了s c a 是n p 完全问题洲p c o m p l e t e ) 。n p 完全问 题是非特定多项式烈玢问题中的一类，这类问题至今没有找到多项式时闻算法 ( p o l y n o m i a l t i m ea l g o r i t h m ) 。目前，大家都在寻求该问题的近似多项式时间算法。随着网 络规模的不断扩大，算法的搜索空间不断增大，这些算法也很难扩展到很多现实的网络环 境中去。为了有效地熊决这闻题，人们提出了各种各样的启发式算法( h e u r i s t i c a l g o r i t l 埘) 【1 8 1 ，它们通常都是基于概率转移原理，按照预定的规则在解空间中尽可能地快速 搜索出符合要求的最优解。从理论上讲，只要这些算法搜索完全部解空间，问题的最优解 总能找到，但这种全遍历方法需要消耗大量的搜索时间，从而陷入了与整数线性规划法( i l p , i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) 相同的困境。i l p 是种线性优化方法，目标是使某个线性函 数最大化或最小化，其约募条件是一系列关于鸯限个整数变量的线性方程。这种方法的缺 点是计算复杂，可扩展性差。鉴于实际工程应用往往需要的是相对最优解( 也就是次最优 解) ，这样，算法只需要遍历部分解空闻并选择其中性能最优者作为问题的优化解。豳此 2 瓷塞郯宅大学矮圭磅究生学篷论文第一零续论 可以看出：启发式算法能够有效地压缩问题的搜索解空间，明显加快了优化解的搜索速度， 缩短了缀合优化闯题熬求解时间。遗传舞法、模拟退火算法、禁忌搜索算法以及人工聿孛经 网络是目前求解组合优化问题的最常用算法，它们并称为当代四大启发式算法【1 9 】，在备类 工程应用领域中发挥了重要的作用。 然丽，上述赓发式算法大多数都是集中式的。在这些算法中，依然存在消息的传递时 间过长的问题。从故障通知控制中心分发恢复消息的时间问题和如何尽量节省资源使用， 是我们必须解决的两个润题。利用合理的分布式的空闲容量分配算法可以有效地解决时间 问题和部分资源分配的问题。 d o v r o l i s 提出一个分布式计划，即容镨资源抢占( r a f t , r e s o u r c ea g g r e g a t i o nf a u l t t o l e r a n c e ) t 2 0 。资源预留协议( r s v p , r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) t 2 1 】从电路交换中借鉴方 法，以提供端到端的特定业务保障。r a f t 是一种基于r s v p 协议的集成服务生存性恢复方 法。在这种方案璺，生存性流有条由r s v p 扩展建立的备纷路径，流恢复也是由保留带 宽所保证的。文献【1 2 提出另一种渐近的路由算法，用于提前计划a t m 网络中的虚链接。 每条流将单独路由它的备份路径。路由算法使用的链路度量是一个没有考虑分享空闲容量 的渐近值。文献【1 6 】介绍了两种动态的恢复路由计划，称为部分路由信息共享( s p i ，s h a r i n g w i t hp a r t i a lr o u t i n gi n f o r m a t i o n ) 和完全路由信息共享( s c i ，s h a r i n gw i t hc o m p l e t er o u t i n g i n f o r m a t i o n ) 。在s p i 中，傻用渐近的链路费用丞数来 吉计空闲资源的约简，用最短路径算 法路由得备份路径。s p i 是简单和快速的，但是不提供近似最优解。而s c i 算法需要知道基 于每条流的信息，在实际中，是不可能的。由于上述方法只适用于单链路失效，且性能不 是很好。因此需要提出一种性能优越而且可以适用于任意失效的算法。 尽管空闲容量分配算法在各种网络中都有其实现方法，为便于说明，本文主要集中于 m p l s 或m p l s 的楣关应用。然丽，所提算法并不局限予m p s 网络，在其它要求动态提 供可恢复带宽的网络中也是同样可以应用的。 1 2 本文主要工作 本人所做的工作，概括起来有以下几项内容： 1 ) 对保护和恢复进行详细地分析比较。 2 ) 改进增大路径算法并给麓蜜算法解决陷辨拓扑阀题，以分别保护链路故障和节点 故障。 3 ) 描述两种s c a 模型，分别适用于单链路故障及任意故障的情况。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 4 ) 提出一种路径恢复的共享容量算法，即连续可存活路由( s s r ，s u c c e s s i v e s u r v i v a b l er o u t i n g ) 算法。 5 ) 将s s r 算法和其它几种算法进行仿真比较。 6 ) 结合实际网络，对规划宽带生存性网络提出了几点建议。 1 3 论文组织结构 本文组织结构如下： 第一章绪论。介绍了空闲容量分配的研究现状和必要性以及本文的主要工作。 第二章介绍生存性概念，生存性技术，故障的恢复过程，为不同的恢复方法进行分 类。分析讨论路由保护方法的故障关联，改进增大路径算法并给出图算法解决陷阱拓扑问 题。 第三章针对空闲容量分配算法进行问题描述和算法复杂度分析，并介绍评价几种已 有的s c a 算法。 第四章对s c a 模型进行分类，描述两种分别适用于单链路故障和任意故障的s c a 模 型。 第五章给出s s r 算法流程，寻找备份路径的过程以及针对空闲预备矩阵的同步进行 讨论分析。 第六章针对链路失效情况，对s s r 算法和其它算法进行仿真并比较分析。五六章是 本文工作的重点。最后，总结全文，提出今后的研究方向。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章网络生存性技术 2 1 生存性概念 第二章网络生存性技术 网络生存性【2 2 】可定义为：网络经受各种故障后仍能维持可接受的业务质量的能力，属 于网络完整性的一部分。网络的生存能力也就是网络发生故障时，仍可继续提供服务的能 力。尽管网络的故障不可避免，但通过对网络故障的快速检测、定位和恢复却可以使网络 更为可靠。 评估网络生存性能的主要技术指标【2 3 j 有： 1 ) 恢复时间：是指以一定的恢复率为目标，恢复网络所需要的时间。它是与恢复率 紧密相关的，这是一项最为直接、最能体现生存性技术效果的衡量指标。因为对于网络用 户来说，所在意和所能感觉到的就是网络提供的业务质量，而恢复时间的长短将直接影响 业务的服务质量和网络的稳定性。恢复时间不仅与所采用的恢复技术有关，还与恢复算法， 消息的传送和处理时间有关。 2 ) 冗余资源：是指为了实施网络生存性技术在网络中必须提前预留的备用资源，以 便保护发生故障的链路和节点。冗余资源虽然对于用户是不可见的，但它直接影响运营商 建设网络和运营网络的成本，在市场竞争日益激烈的今天，降低成本是所有企业生存的根 本，所以减少冗余资源是网络优化的一个重要目标。 3 ) 恢复率：是指网络发生故障时所能恢复的业务占所有受损业务的比例，它反映的 是生存性技术的效率。一般情况下，冗余资源越多，恢复时问越短，恢复率也就越高。如 果允许的恢复时间越长，恢复率也就越高。如果网络有足够的冗余资源，恢复率可能接近 或达到1 0 0 。 4 ) 健壮性：是指经历过一次网络故障后，网络再次承受故障的能力，它主要是衡量 生存性技术的可持续性。其中，恢复时间和冗余资源是两个最常用的评价指标。 网络生存性理想的目标是：对于给定的网络拓扑，在最短的时间内使故障获得最大的 恢复，同时保证最大的资源利用率。然而同时实现所有这些要求的难度很大，所以需要根 据业务或用户需求以及网络本身的特点，相应地采取一种或多种生存性策略来提高网络的 生存性指标。 网络生存性设计的主要内容包括【2 4 】： 防护：从网络的规划、安装、路由选择开始，就注意尽可能地避免不安全因素。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章网络生存性技术 环形网的生存性比线形网优越得多，而网状网的生存性就更高。 迅速检测：故障发生后如何快速发现并定位是网络生存性设计的基础，检测时间 应在毫秒量级或更低。 鲁棒性的自愈设计：包括拓扑结构、自愈算法、协议确定、执行逻辑等。网络鲁 棒性是指系统参数和结构变化时系统能否在一定误差范围内维持原有功能。 人工修复、更换硬件等。网络设计应方便故障后的人工修复等操作，故障定位尽 量准确。 复原能力：故障排除后，将资源返还原系统。网络可采用人工复原，或由网管中 心控制自动复原。复原时网络各节点应注意协调一致。这一点是必要的，否则难以应付未 来不断出现的故障，造成连锁反应。 其中，鲁棒性的自愈设计和复原能力这两项是生存性网络研究的主要热点问题。 威胁网络生存性的因素主要有以下几个： 1 ) 网络节点故障。节点故障使通过它的相关业务都将受到影响。而且，随着光电子 和微电子技术的不断进步，系统集成度的不断提高，网络中的节点数量在逐步相对减少的 同时，而业务种类和流量却在不断增加。因此，一旦网络节点发生故障，网络受到损害的 程度也在日益增长。 2 ) 光纤故障。光纤是在i p w d m 网络业务的最有效载体，由其构成的网络也在朝着 多波长、高速率和大芯束的方向发展。如果这种网络的链路光纤遭到无论是人为的还是自 然的破坏都将造成非常严重的后果。 3 ) 网络遭受人为攻击故障。这种故障多为i p 及其以上层面和基于w e b 的网管系统有 关。攻击者可以通过某种网络协议缺陷来攻击网络的路、节点或时钟，并使之失效。这个 问题严格讲是个网络安全问题，但是客观上某条链路或某个节点受到攻击时，该链路或节 点上所承载的业务是需要保护的，且不论电信级的i p 业务，就是一般的i p 业务也需要“尽 力而为”。 4 ) 通信软件缺陷故障。尽管这种情况出现的概率很小，但是由于软件测试的不可遍 历性，又决定了这种情况出现的必然性。 5 ) 自然灾害与人为因素故障。自然灾害是指地震、洪水、火灾、大风等现象，而人 为因素包括挖掘和盗窃等情况，这些都将导致光纤断裂和网络节点被破坏。显然，减少因 各种因素使通信中断所造成的经济损失和社会影响，实现信息业务全程全网安全、高效传 送，不断适应人类对通信的依赖强度，则是提高网络生存性的不竭动力。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章网络生存性技术 2 2 生存性技术 传统的网络生存性技术包括两个方面：生存性网络的设计和恢复【25 1 。这两个方面互为 补充，并且共同应用在网络中，以获得发生故障时无缝的业务操作。 生存性设计是把生存性策略考虑在内，以便降低一个故障状态集合对网络的影响。s c a 是在网络拓扑设计好了以后，网络生存性设计的主要部分。它可以保证在故障发生时，有 足够的物理和逻辑上的容量去恢复并重路由流量。例如，给定一个s o n e t s d h 的网状网 络拓扑，一般的流量需求问题是，有多少空闲容量可以被分配，在何处分配以便抵抗一个 特定的故障状态的集合( 如任何单链路的丢失) 。网状网不是特指完全网状拓扑的网络， 但至少应该是两两连接的【2 6 】【2 7 1 。当考虑单链路失效时，要求两两链路连接。即任意节点对 间至少有两条链路不相交的路径。链路不相交指备份路径不可以使用工作路径上的链路。 为了保护单节点失效，要求两两节点连接。即任意节点对间至少有两条节点不相交的路径。 节点不相交指备份路径不可以使用工作路径上的中间节点。 提出网络生存性技术是为了保证在发生失效时，仍能进行无缝的通讯服务。适用于各 种骨干传输网，如s o n e t s d h ，a t m 和w d m 。然而包交换网络逐渐代替或覆盖了电路交 换骨干网。包交换网路用m p l s 或g m p l s 提供更好的带宽粒度管理和连接类型。包交换 是在军队的高强度通信设备的要求下产生的。最初的包交换目的，是为了能够在经常变化 的网络拓扑中，提供动态的路由。另_ 个好处是无连接网络中，建立虚连接进行通信。物 理上，包交换网络是建立在电路交换网络上的。包交换网络的另一优点是非常低的网络费 用。随着因特网的不断发展，因特网的q o s 逐渐成为了一个主要的网络课题。服务的生存 性，作为骨干流量的一个关键要求，已成为快速提供服务的焦点。因此，网络生存性的研 究非常重要。 最近的s c a 问题进展，主要集中在多协议标签交换( m p l s ，m u l t i p l ep r o t o c o ll a b e l s w i t c h ) 骨干网络流量工程中的故障控制上。m p l s 可以用来支持高级的生存性需求，可以 加强i p 网络的可靠性。和i p 网络不同的是，m p l s 网络建立类似于v p v c a t m 的标签 交换路径( l s p , l a b e ls w i t c hp a t h ) 。m p l s 网络允许预先建立用于保护工作l s p 的备份l s p ， 从而获得比i p 网络更好的切换时间和其它生存性能，如图2 1 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章网络生存性技术 备份l s p ，- - - - 。- 。- 。- - - - - - 。- 。_ - - - ， ，。 i p s lp m l 图2 - 1工作路径和备份路径 通常的方法是在建立工作l s p 时，就建立给它作保护的备份l s p 。不是所有的备份路 径都从l s p 的入口节点( i n g r e s sn o d e ) 开始，到l s p 的出口节点( e g r e s sn o d e ) 结束。备份路 径可以只为路径的一部分作保护。路径切换节点( p s l ，p a t hs w i t c hl s r ) 是备份路径的源节 点，路径汇聚节点( p m l ，p a t hm e r g el s r ) 是目的节点。这样，l s p 的显式路由( e r ，e x p l i c i t r o u t e ) 就被用来建立静态路由。l s p 可以得到第二条拥有较低级别的流量工程( t e ，t r a f f i c e n g i n e e r ) 优先级的l s p ，或者同一l s p 中第二条e r 的保护。这两种方法都可以在不同故 障状态下，通过共享容量，有效地减少空闲容量的需求，并且能保证完全地业务恢复。 在网络恢复阶段，把受影响的流量重路由到拥有设计阶段所提供的足够空闲容量的备 份路径上。与不预留空闲容量的生存性网络相比，预留容量不仅可以保证业务恢复，而且 也可以最小化故障影响的时间和范围。在骨干传输网中，这是很重要的。在高速的包交换 网络中，这样的业务保证是特别重要的，否则预定流量在恢复期间的积累可能引发拥塞 【2 8 1 【2 9 1 。预先规划空闲容量可以减轻甚至避免拥塞。但是，保留额外的空闲容量也增加了网 络的冗余，增加了正常操作中的业务拒绝率。同时，预留的备份路径还必须对所有故障状 态做出优化，而不是只针对某一种故障状态做出优化。尽管这两种方法在可恢复的保证上 存在差异，资源预留和重路由是同样重要的。这两种结构在处理故障时都需要空闲的资源。 因此，对于网络的生存性技术来说，怎样分配空闲资源就成为了一个很尖锐的问题。 因此，生存性网络设计中应主要考虑，在一个给定的生存性级别上，如何提供有效的 空闲容量预留。生存性级别可以看作是故障流量的恢复率。通常用1 0 0 生存性级别。通 过备份路径容量上的一些比例参数处理部分生存性级别。 网络冗余度是指空闲容量和工作容量的比值。它很大程度上取决于网络的拓扑和它使 用的空闲容量分配算法。比如，在网状类型的网络中，因为工作路径一般是最短路径，所 需要的保留备份路径的冗余度一般也等于或者大于1 0 0 。然而，通过在不同的备份路径 间共享预留的空闲容量可以降低冗余度，称为共享路径恢复。自愈环( s h r ，s e l fh e a l i n g r i n 2 ) 拓扑拥有1 0 0 的冗余度【3 0 】【3 l 】。它与上面的定义并不相同，它在不知业务请求的情况 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二苹网络生存性技术 下分配“冗余度”。环不使用最短跳路由流量，不能最小化工作容量和空闲容量。从利用 率的角度来看，环状网络不如网状网络。这个空闲容量分配方案很容易在非重叠网络中得 到实现。故障状态包括所有同时发生的网络设备或者组成部分。对故障状态的分析应该从 最简单的单链路故障开始考虑，然后扩展到任意故障的情况。 2 3 故障的恢复过程 2 3 1 故障的分类 网络故障按照故障的表现方式可分为软故障和硬故障【3 2 1 。按照故障的位置可分为节点 故障和链路故障。 硬故障是指中断传输信道的意想不到的突发事件，如光纤断裂、收发单元失效事件等。 软故障是指逐步减低传输质量的事件，如光纤损耗增大等。硬故障对网络业务影响巨大， 但处理方便。软故障对网络业务的影响比较小，但出现几率高，且不容易发现，故障定位 也比硬故障难。节点故障是由于节点中器件的故障以及人为因素的影响导致在网络中的节 点的发射机、接收机或相关设备产生故障。链路故障是由于自然因素和人为因素的影响， 导致链路切断或性能劣化，使得网络的链路产生故障，影响传输的业务。敷设在室外的线 路，由于受外界环境影响大、距离长、分布广、维护人员相对较少等原因，是通信网中最 容易出现故障的地方。 网络的生存性使得网络能够在发生故障的情况下维持一定等级的业务。网络生存性技 术通过一个完整的过程实现。当业务流通过的路径上发生了故障时，故障恢复须经历以下 步骤：故障检测、故障定位、故障通知、故障恢复。 2 3 2 故障检测、故障定位和故障通知 故障检测和故障定位是网络各项生存性技术的基础。故障检测在恢复程序里是非常重 要的。故障检测分为软故障检测和硬件故障检测。软故障检测多是通过协议来完成，比如 超时等，速度较慢，一般为秒级别。物理层的硬件故障检测就是检测信号丢失或者物理码 错误，速度很快，s d h 系统对光信号丢失的检测可以达到1 0 0 u s 以内。 如果发生了故障，只有快速地检测到故障，才能进行后续故障定位、故障通知等恢复 动作。网络中的各种故障检测机制可分为：硬件故障检测机制，检测信号质量：软件故障 检测机制：在信号流中插入控制消息。文献 2 4 】介绍了一些常见故障类型的检测方法：电 9 露窳郏毫丈掌矮磅究妻芝学蕴论文第二搴弼终生存瞧援术 信号丢失( l o s ，l o s to fs i g n a l ) ，操作、管理和维护( o a m ，o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o na n d m a i n t e n a n c e ) 流。此外，还有基于通用多协议标签交换( g m p l s ，g e n e r a l i z e dm u l t i 。p r o t o c o l l a b e ls w i t c h i n g ) 协议框架下的链路管理协议( l m p , l i n km a n a g e m e n tp r o t o c 0 1 ) 实现的故障检 测，以及基于h e l l o 和k e e p a l i 。 在发现故障盾，尽快分清故障类型、准确确定故障位置是网络保护至关重要的一步， 也是网络尽快修复的必要条件。幽于网络中一处发生故障，多个相关的节点和监测点均要 发生告警，扶面故障定位困难。隧前典型的故障定位机制有人工测试法、通路相关性分析 法和中心控制节点分析法。 故障通知1 3 3 1 怒指在一个节点检测到故障后，必须通过信令消息通知网络的其它节点以 采取合适的恢复动作。这些信令消息根据层网终技术的特点可以有多种实现方式，它可以 是同步数字体系( s d h ，s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 网络中的自动保护倒换( a p s ， a u t o m a t i cp r o t e c t i o ns w i t c h i n g ) 消息，也可以是i p m p l s 霹络中的l s p 错误信令昶通知消 息，或者智能光网络中的g m p l s 故障通知消息等。 2 3 3 故障恢复策略一保护和恢复 故障恢复策略可以分为：保护和恢复【3 4 1 。保护和恢复均是在网络故障条件下，使受损 的业务得以重新运行的具体措施。两者均需要重新选择其它路e l j 来代替故障路豳，但就其 具体实旌方式丽言，保护秘恢复方法又各有不同。 网络保护策略作为一种由底层网络提供的生存性技术，可以优先预防普通故障对业务 的影响。保护策略是与瘸络拓扑结构息息相关的种特定豹快速羧复技术。保护策略是指 利用节点间预先分配的资源使受影响的业务不间断，即幽一条工作路径失效时，利用备用 设备的倒换，使工作信号通过保护路径维持正常传输。在s d h 中也被称为a p s 。保护往 往处于本地网元或远端网元的控制下，无需外部网管系统的介入，保护倒换时阅很短，但 备用资源无法在网络范围内共享，资源利用率低。在i t u t 建议中，对于符合一定条件的 网络和保护措施，保护倒换一般要求在5 0 m s 内完成。傺护对拓孝 结构没有过于严格的要 求，可以在点对点系统中实现，也可以在复杂网络中实现，典型的保护方案是环型网络的 保护，因为环型网络具有舀愈性。保护策略的恢复时间一般比恢复策略的恢复时间短，而 后者资源利用率较高。 网络的保护策略可以分为：专用保护和共享保护。专用保护是指针对某一特定的路径 有其专魇的保护路径；共享保护是指几条路径共用一条或多条备用的保护路径。 i o 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章网络生存性技术 恢复策略是指利用节点间可用的任何容量( 包括预留的专用空闲备用容量、网络专用 的容量乃至低优先级业务可释放的额外容量) 使受影响的业务不间断，实质是在网络中动 态地寻找失效路由的替代路由( 恢复路由算法) 。恢复通常采用集中控制方式，需要外部 网管系统介入，时间较慢，恢复响应不确定，业务恢复时间可能长达数秒至分钟量级，这 是恢复机制的主要缺点。要准确地知道故障点的位置，其实质是在网络中寻找失效路由的 替代路由，因而恢复算法与网络选路算法相同。网络恢复可以利用节点之间可用的任何容 量，因而可大大节省备用资源，但是恢复倒换由外部网络操作系统控制，具有相对较长的 网络计算时间。恢复在对拓扑结构的要求是网络的连通性要好，常用于网状网拓扑结构的 网络中。 网络恢复按照保留备份的空闲资源的时间，可分为预先为备份路径保留资源和在故障 发生后，即时分配空闲资源。按照重路由的位置可分为路径恢复，链路恢复和混合恢复。 路径恢复和链路恢复，如图2 2 所示。 工作路径备份路径 - - - - - - - - - 图2 - 2 路径恢复和链路恢复 路径恢复中，在建立工作路径的同时，也为它建立一条具有相同i n g r e s s 和e g r e s s 的 保护路径。当路径失效发生时，它以端到端的方式逐个恢复失效的路径，存在多个同时执 行恢复过程的控制节点对，该方案的缺点是业务倒换涉及整条工作路径和保护路径上的所 有节点，需要多种信令消息的传递确认，步骤较复杂，速度比较慢，时间长于链路保护： 优点在于可以全局优化资源分配，提高网络资源的利用率。 链路恢复是指在发生故障的相邻节点间重新选路。链路恢复是以链路为基础的，主要 是为故障链路寻找替代路由，对故障链路上的所有业务实现统一恢复。这种恢复方式主要 南京邮电大学硕士珂f 究生学位论文 第二章网络生存性技术 采用本地检测机制，为故障区段上经过的业务重新选路。当一条链路发生故障的时候，在 故障链路的两个端点之间就会重新建立一条路径，而不需要考虑业务源节点和目的节点的 情况，这条路径和原业务路径未受故障影响的部分共同组成恢复路径。这个做法非常简单， 它仅仅是在原路径上打了个补丁。此方案的优点是链路失效时的重路由只限于局部范围 内，无需通知源节点和目的节点并导致整条路径的业务倒换。当网络较大时，业务恢复速 度比路径恢复方案更快。链路恢复的主要缺点是由于变更路由，恢复过程存在着路由重复 的浪费现象，以及因无法对故障路径进行判断而只能好坏路径一起动作，降低了网络恢复 容量的效率。 从恢复机制的角度来看，两种方法各有所长。一般来说，在不共享备份容量的情况下， 路径恢复比链路恢复需要更少的空闲保留容量p5 1 。但是，路径恢复在应用到有多节点参与 的恢复程序中，就变得比较复杂。它的速度也比链路恢复要慢。此外，路径恢复还需要释 放失效设备上游和下游的工作容量( 被影响流量路径上没有发生故障的容量) 。 一种特别的情况是混合恢复，它是指在端节点和故障节点之间进行重新选路，折中了 恢复速度和资源使用率，这是对以上二者的折中方案。这些方法有不同的特性，可以被应 用于不同的场合。选取哪一种技术取决于对恢复速度、空闲容量的利用率和重选路由决策 复杂程度的折中和权衡。 为提高网络的生存性，往往采用保护和恢复折中的办法，既要保证故障情况下的时效 性，同时又要保证网络资源的合理化利用，要求采用在一定的约束下为工作路径预先选择 好的保护路径，这就