彈性光網(wǎng)絡(luò)中生存性問題研究

【摘要】 這篇文章我們研究了彈性光網(wǎng)絡(luò)中生存性問題?；诠蚕砺窂奖Ｗo和p-圈保護我們分別設(shè)計了兩種保護算法，仿真結(jié)果表明基于共享路徑保護能提供更高的資源利用率和較慢的恢復(fù)速率。而基于p-圈的保護可以提供更高的恢復(fù)速率，但是其資源利用率低于共享路徑保護。

【關(guān)鍵詞】 彈性光網(wǎng)絡(luò) 生存性問題 共享路徑保護 p-圈保護

一、引言

如今，基于光正交頻分復(fù)用的彈性光網(wǎng)絡(luò)由于其高效的頻譜利用率已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注[1]。不同于傳統(tǒng)的將信號調(diào)制在單個50或100GHz波長信道上的波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)，彈性光網(wǎng)絡(luò)可以使用連續(xù)的子載波信道（12.5GHz或者更小），從而實現(xiàn)彈性的帶寬分配和更高的數(shù)據(jù)傳輸。

在此之前，彈性光網(wǎng)絡(luò)中的路由和頻譜分配問題已得到廣泛研究[2-7]。然后，這些工作都沒考慮到網(wǎng)絡(luò)的生存性問題。正如我們所知，由于光網(wǎng)絡(luò)中（尤其是彈性光網(wǎng)絡(luò)）的超高數(shù)據(jù)速率，任何一根光纖的折斷都將造成極大的數(shù)據(jù)和資金損失。因此，在彈性光網(wǎng)絡(luò)中研究生存性問題迫在眉睫[8，9]。

二、彈性光網(wǎng)絡(luò)中生存性問題

首先我們將給出彈性光網(wǎng)絡(luò)中生存性問題的定義。我們用G（V，E）表示一個彈性光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中V表示節(jié)點集，E表示鏈路集。

一個連接請求表示為LR（s， d， n），s和d分別為源節(jié)點和目的節(jié)點，n表示請求所需要的帶寬（n個子載波）。我們假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中沒有配備光/電/光轉(zhuǎn)換器，因此，為每一個請求分配的子載波必須連續(xù)且在整條路徑上保持一致[3]。彈性光網(wǎng)絡(luò)中提供生存性保障要求我們在單鏈路失效的前提下，能提供百分之百的恢復(fù)能力，并且消耗最少的冗余資源。這個部分中我們將分別設(shè)計兩種基于路徑保護和基于鏈路保護的生存性方案。

1、共享路徑保護

在共享路徑保護方案中，運營商為每一個連接請求計算兩條不共邊的路徑分別作為工作路徑和保護路徑，并在兩條路徑上分配相同的頻譜資源，其中工作路徑用于傳輸數(shù)據(jù)，保護路徑用于當(dāng)發(fā)生鏈路失效時恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)工作路徑失效時，保護路徑被啟用，使得連接不會被打斷。

為了提高資源利用率，該方案允許請求之間共享保護資源。若有兩條不共邊的工作路徑1和2，在單鏈路失效的前提下兩個請求不可能同時被打斷，在同一時刻，最多只有一個請求需要被恢復(fù)。

因此，當(dāng)兩個連接的備用路徑經(jīng)過相同的邊，我們允許它們可以共享一份的備用資源。雖然這種方案具有較高的資源利用率，但是它卻擁有較長的錯誤恢復(fù)時間。由于允許資源共享，所有的備用路徑上的資源僅僅是預(yù)留而未進行交換結(jié)構(gòu)的配置，當(dāng)發(fā)生鏈路失效時，失效鏈路端節(jié)點首先檢測到失效并通過信號通知源目的節(jié)點，隨后再進行中間節(jié)點的交換結(jié)構(gòu)配置和傳輸恢復(fù)。這些過程使得恢復(fù)過程復(fù)雜而緩慢。

2、預(yù)配置圈保護

由于共享路徑保護恢復(fù)時延大，我們又提出了一種基于鏈路的預(yù)配置圈保護（p-圈）方案。在使用p-圈的彈性光網(wǎng)絡(luò)中，運營商為每個請求的工作路徑上的每條鏈路配置p-圈，以實現(xiàn)完全保護。

如圖1所示，給出了一個使用p-圈保護的例子。工作路徑1-2-5上的鏈路1-2和2-5都由p-圈1-6-5-4-3-2-1保護。1-2成為圈上邊，當(dāng)其發(fā)生失效時，圈上的1-6-5-4-3-2被啟用。

邊2-5雖然不在圈上，但其兩個端節(jié)點都在圈上，被稱為跨邊，當(dāng)其發(fā)生失效時，圈上的2-1-6-5段被啟用。p-圈既能保護圈上邊，又能保護跨邊，因此其同樣具有很高的資源利用率。

同時需要注意到，由于p-圈具有局部保護的特性，我們不僅在p-圈預(yù)留帶寬資源，而且可以在所有p-圈上的交換節(jié)點實現(xiàn)交換結(jié)構(gòu)的預(yù)配置。

當(dāng)發(fā)生鏈路失效時，失效鏈路的兩個端節(jié)點檢測到失效并做局部流量切換即可，而不需要復(fù)雜的信號通知和中間交換節(jié)點的重新配置。因此，基于p-圈的保護方案具有快速恢復(fù)能力。

在彈性光網(wǎng)絡(luò)中，由于p-圈的保護特點以及我們假設(shè)網(wǎng)絡(luò)不具備頻譜轉(zhuǎn)換能力，p-圈上預(yù)留的資源必須與其所保護的鏈路上的資源完全一致。

在我們的算法中，我們動態(tài)的為每一個連接選擇保護效率最高的圈，直到該連接的所有鏈路都受到保護。這里，保護效率被定為被保護的工作資源量與預(yù)留的冗余資源量的比值。

三、仿真結(jié)果

這一段我們將給出并分析仿真結(jié)果，進而驗證我們算法的有效性。我們使用14節(jié)點NSFNET拓?fù)渥鳛榉抡嫱負(fù)?。我們假設(shè)子載波的帶寬為12.5GHz，使用BPSK調(diào)制方式，每根光纖可以容納358個子信道。我們考慮均勻流量模型，請求的到達(dá)速率服從泊松分布，請求的持續(xù)時間服從負(fù)指數(shù)分布，每個連接請求所需的子信道數(shù)量在區(qū)間[3，10]上服從均勻分布。

圖2給出了兩種算法在不同的負(fù)載條件下的請求阻塞率?？梢钥闯?，共享路徑保護始終具有較低的阻塞率，說明其具有更好的帶寬利用率，在相同的資源下可以服務(wù)更多的請求。p-圈保護阻塞率較高，這是因為彈性光網(wǎng)絡(luò)中要求圈所用譜必須與工作路徑保持一致，這就加大了圈被復(fù)用的難度。

另外一方面，由于動態(tài)的配置和撤銷圈，導(dǎo)致頻譜碎片化成都加劇，這也是導(dǎo)致p-圈帶寬利用率低的一個主要原因。

然而，我們同樣需要知道，p-圈保護相對于共享路徑保護擁有更快的恢復(fù)速度。除了共享路徑保護需要復(fù)雜的信號過程，恢復(fù)時間很大程度上取決與發(fā)生失效時有多少個交換節(jié)點需要重新配置（一般情況下，每個節(jié)點配置通常需要50ms）。由于只需要端節(jié)點參與恢復(fù)，p-圈保護重配置節(jié)點數(shù)始終為2，而通過仿真我們得到共享路徑保護平局需要重新配置節(jié)點數(shù)為3.75。可以看出，p-圈擁有更快的恢復(fù)速度。

四、結(jié)論

本文研究了彈性光網(wǎng)絡(luò)中的保護機制，并分別基于共享路徑保護和p-保護設(shè)計兩種有效的保護算法。仿真結(jié)果表明共享路徑保護具有更高的資源利用率但是操作復(fù)雜、恢復(fù)速率慢。

p-保護資源利用率低于共享路徑保護，但是其實現(xiàn)簡單，具有很快的恢復(fù)速率。結(jié)果同樣顯示了在保護算法設(shè)計中資源利用率和恢復(fù)速率的一種折中。

參 考 文 獻(xiàn)

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