彈性光網(wǎng)絡(luò)的多故障生存性虛擬映射方法分析

葉志祥 羅海林 劉全 徐正亞 楊宗銘

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2107-5042-6202

摘 ?要：尋求合理的彈性光網(wǎng)絡(luò)多故障生存性虛擬映射方法，能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的使用性能?；诖?，該文針對多故障條件下存在的巨量寬帶容量損失問題，通過建立相應(yīng)的災(zāi)難模型，構(gòu)建出了一種蟻群優(yōu)化虛擬網(wǎng)絡(luò)映射算法，同時，圍繞多故障條件下虛擬網(wǎng)絡(luò)映射鏈路問題，提出了可靠性感知業(yè)務(wù)異化虛擬協(xié)同映射算法，分析了彈性光網(wǎng)絡(luò)的多故障生存性虛擬映射方法構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：彈性光網(wǎng)絡(luò) 虛擬映射 虛擬網(wǎng)絡(luò) 蟻群優(yōu)化

中圖分類號：G250.72文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A???文章編號：1672-3791（2021）06（b）-0016-04

Analysis of Virtual Mapping Method for Multi-fault Survivability in Resilient Optical Networks

YE Zhixiang¹LUO Hailin²LIU Quan¹XU Zhengya¹YANG Zongming¹

（1.Yunnan Power Grid Co.，?Ltd.，?Baoshan Power Supply Bureau;

2.Yunnan Power Grid Co.，?Ltd.，?Electric Power Dispatch Control Center， Baoshan， Yunnan?Province， 678000 China）

Absrtact： To find a reasonable virtual mapping method for multi-fault survivability of resilient optical networks can optimize the performance of network systems. Based on this， this paper proposes an ant colony optimization （ACO） virtual network mapping algorithm to solve the problem of huge loss of broadband capacity under multi-fault conditions， to solve the problem of mapping links in multi-fault virtual networks， a virtual cooperative mapping algorithm based on reliability-aware service dissimilation is proposed.

Key Words：?Elastic optical network; Virtual mapping; Virtual network; Ant colony optimization

彈性光網(wǎng)絡(luò)是一種借助光正交頻分復(fù)用技術(shù)構(gòu)建出的網(wǎng)絡(luò)體系，其具有帶寬分配粒度細(xì)、靈活等優(yōu)勢。運(yùn)用該網(wǎng)絡(luò)并借助相應(yīng)的生存性虛擬映射方法，能夠在光纖鏈路出現(xiàn)故障的情況下，有效解決巨量帶寬容量損失的問題，改善網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用性能，因此，應(yīng)對彈性光網(wǎng)絡(luò)的虛擬映射展開深入分析，并尋求合理的虛擬映射方法應(yīng)用方案，以提升彈性光網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行水平，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作的發(fā)展。

1分析背景

1.1彈性光網(wǎng)絡(luò)的提出

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)背景下，為了緩解帶寬資源緊張的問題，人們研發(fā)出了WDM技術(shù)，即傳統(tǒng)的波分復(fù)用技術(shù)，該技術(shù)雖然極大地提高了光纖資源的利用率，但WDM網(wǎng)絡(luò)本身缺乏靈活性，帶寬資源分配不合理，影響了該技術(shù)的實施效果。為此，相關(guān)人員以解決技術(shù)缺陷為目的，研發(fā)出了正交頻分復(fù)用技術(shù)，即OFDM技術(shù)，并運(yùn)用該技術(shù)構(gòu)建出了彈性光網(wǎng)，總體架構(gòu)見圖1，實現(xiàn)了彈性光網(wǎng)的提出。從整體上來看，彈性光網(wǎng)相較于傳統(tǒng)的WDM網(wǎng)絡(luò)，其在實際運(yùn)用中呈現(xiàn)出了帶寬調(diào)整靈活、頻譜資源利用率、調(diào)制自適應(yīng)，且具有良好的可擴(kuò)展的優(yōu)勢。目前，所提出的彈性光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)參數(shù)如表1。

1.2網(wǎng)絡(luò)虛擬化的產(chǎn)生背景與應(yīng)用

自互聯(lián)網(wǎng)被推行應(yīng)用以來，開啟了各行各業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的局勢，這直接造成了原有互聯(lián)網(wǎng)框架難以承載當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營業(yè)務(wù)，并形成了資源稀缺的問題。在此背景下，人們?yōu)榻鉀Q上述問題，提出了網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)。該技術(shù)的原理為，通過將底層物理網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行虛擬化處理，將網(wǎng)絡(luò)資源轉(zhuǎn)化成為一種“可切片”的資源，再屏蔽底層資源細(xì)節(jié)，使上層業(yè)務(wù)可以直接基于該“可切片”的資源實現(xiàn)運(yùn)行，由此為各項網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供充足的虛擬資源，改善原有互聯(lián)網(wǎng)框架存在的缺陷。在網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用中，首先，用物理資源構(gòu)建出的虛擬資源，并將其存放的資源池中，當(dāng)接到服務(wù)申請時，光網(wǎng)絡(luò)即可根據(jù)服務(wù)需求，從該資源池中提取相應(yīng)的虛擬資源，并用這些資源組成一個虛擬光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，供網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)服務(wù)用，由此實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的應(yīng)用^[1]。

2彈性光網(wǎng)絡(luò)的多故障生存性虛擬映射方法分析

2.1基于蟻群優(yōu)化的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射方法分析

2.1.1災(zāi)難評估模型建設(shè)

由于虛擬資源是用底層物理資源轉(zhuǎn)化而成的，所以當(dāng)人為或自然因素引起的災(zāi)難對底層物理設(shè)施造成破壞時，彈性光網(wǎng)絡(luò)中的鏈路、節(jié)點(diǎn)也會被損壞，導(dǎo)致其所承載業(yè)務(wù)難以正常運(yùn)行。為此，需要采用生存性虛擬映射的方式，充分利用未被損壞的虛擬光網(wǎng)絡(luò)，以保證業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)行。其中，災(zāi)難是引發(fā)多故障問題的原因，而生存性虛擬映射需要結(jié)合故障破壞情況進(jìn)行，因此，在具體虛擬映射方法的確立上，必須先設(shè)置一個災(zāi)難評估模型作為算法的運(yùn)算背景，模擬多故障場景，然后利用蟻群優(yōu)化法，找出最優(yōu)的映射方案，由此實現(xiàn)生存性虛擬映射方案的確立。

最后，由于災(zāi)害條件下，故障A的發(fā)生不是必然的，僅是存在一定幾率，因此，還要確立災(zāi)難條件下，故障發(fā)生的概率函數(shù)。在此過程中，可以設(shè)該函數(shù)為P_A（f），且P_A（f）∈[0，1]，f∈F，由此可以得出：

2.1.2蟻群優(yōu)化算法的底層鏈路評估函數(shù)設(shè)計

待上述災(zāi)難評估模型建設(shè)完成后，需將其融入到蟻群優(yōu)化算法中，構(gòu)建出一個新的底層鏈路評估函數(shù)。在此過程中，災(zāi)難評估模型的主要作用是評估出災(zāi)難條件下，網(wǎng)絡(luò)故障概率，為蟻群優(yōu)化算法的運(yùn)行提供依據(jù)條件，使蟻群優(yōu)化運(yùn)算結(jié)果能夠達(dá)到預(yù)期的寬帶容量損失最小的效果^[4]?；诖?，底層鏈路評估函數(shù)可以被設(shè)計為：

2.1.3啟發(fā)性信息和信息素濃度更新公式設(shè)計

待底層算法函數(shù)設(shè)計完畢后，即可按照蟻群優(yōu)化法，構(gòu)建出該算法所需的啟發(fā)性信息公式，以及信息濃度更新公式^[5]。其中，在啟發(fā)性信息公式設(shè)計中，需假設(shè)所有物理節(jié)點(diǎn)，均為所分析虛擬節(jié)點(diǎn)的備選物理節(jié)點(diǎn)，再以目標(biāo)函數(shù)的模式，算出每個虛擬節(jié)點(diǎn)映射的啟發(fā)式信息值，此過程，即可作為即將被映射的虛擬鏈路代價公式運(yùn)算過程，由此可得出，啟發(fā)性信息公式為：

其中，L_ij為虛擬鏈路集合、Con（Map（l_v））為帶寬資源消耗量。信息濃度更新公式則為，每完成一次迭代，信息素的更新過程，可以根據(jù)上述論述，將該公式設(shè)置為：

其中，ρ為信息素?fù)]發(fā)因子、n為虛擬節(jié)點(diǎn)。此后，結(jié)合上述公式，即可得出蟻群優(yōu)化法下的生存性虛擬網(wǎng)絡(luò)映射算法流程，如圖2。

2.2基于可靠性感知的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射方法分析

2.2.1虛擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可靠性理論評估模型建設(shè)

為了保證虛擬網(wǎng)絡(luò)映射后，業(yè)務(wù)運(yùn)行的穩(wěn)定性，必須讓鏈路得以被映射到滿足其運(yùn)行要求的物理工作路徑上。為此，需要計算鏈路無法正常傳輸?shù)母怕?，由此即可得出其在運(yùn)行業(yè)務(wù)期間的可靠性，而業(yè)務(wù)運(yùn)行所需的所有鏈路均可靠，才能認(rèn)定該業(yè)務(wù)的可靠，也就是說，在多故障場景下，只有讓所有的故障鏈路均被映射到可靠的物理工作路徑上，才能保證業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行^[6]。在此過程中，可以先評估鏈路的可靠性，然后為可靠性不滿足需求的鏈路設(shè)置相應(yīng)的物理保護(hù)路徑，這樣即便出現(xiàn)故障，該鏈路依然能夠通過物理保護(hù)路徑繼續(xù)支持業(yè)務(wù)運(yùn)行，同時，也能消除1+1模式對頻譜資源的浪費(fèi)^[7]。為此，需建立鏈路可靠性評估模型，然后根據(jù)該評估模型得出的運(yùn)算結(jié)果，來判斷是否進(jìn)行物理保護(hù)路徑映射。在可靠性評估模型建設(shè)中，需先列出單位物理光徑可靠性計算函數(shù)，再基于此，設(shè)計出保護(hù)物理路徑以及工作路徑一起出現(xiàn)故障的概率公式。而在彈性光網(wǎng)絡(luò)中，各個業(yè)務(wù)共享保護(hù)資源，且多故障條件下，可能會存在多條故障鏈路，此時，就會產(chǎn)生多個虛擬鏈路均需要該保護(hù)資源，未爭搶到保護(hù)資源的鏈路則不能繼續(xù)正常工作。因此，出于對此情況的考慮，還要設(shè)計此情況的概率公式。最終將上述公式進(jìn)行整合得出虛擬鏈路可靠性公式^[8]。

2.2.2節(jié)點(diǎn)重要性度量公式設(shè)計

當(dāng)可靠性模型運(yùn)算結(jié)果表明，需要進(jìn)行保護(hù)物理鏈路映射后，還要為虛擬節(jié)點(diǎn)，選擇合適的物理節(jié)點(diǎn)，以確保鏈路映射順利完成。在此過程中，映射成功的前提是該物理節(jié)點(diǎn)具備足夠的重要性，因此，在可靠性模型建設(shè)完畢后，還要設(shè)計一個重要性度量公式，以評估備選用物理節(jié)點(diǎn)的重要性，最終選擇合適的物理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行映射。在度量公式設(shè)計中，由于每條鏈路的可靠性不相同，所以該物理節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)擁有足夠的計算資源、帶寬資源，才能有效滿足映射需求，增強(qiáng)映射方案的合理性^[9]。

2.2.3業(yè)務(wù)差異化保護(hù)方法確立

映射的主要目的是保證業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，因此在映射過程，必須考慮業(yè)務(wù)的實際運(yùn)行需求，才能使映射效果達(dá)到預(yù)期。為此，應(yīng)針對業(yè)務(wù)需求，制定差異化的保護(hù)方法，通過構(gòu)建映射方案運(yùn)算結(jié)果差異化的保護(hù)函數(shù)，將差異化映射功能嵌入到映射方案設(shè)計算法中，由此使映射方法的制定更加準(zhǔn)確，增強(qiáng)映射效果。在此過程中，需要以減少頻譜消耗、保證映射到的物理鏈路故障率低為目的，設(shè)計一個用于選擇保護(hù)路徑的代價函數(shù)。但應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)彈性光網(wǎng)絡(luò)生存性映射的需求，所選擇的保護(hù)路徑應(yīng)具備99%以上的可靠性，以確保映射后，虛擬鏈路能夠正常傳輸，深入優(yōu)化映射方法制定效果^[10]。

2.2.4聯(lián)合頻譜分配方法確立

在映射過程中，需要對頻譜資源進(jìn)行合理分配，以在充分利用頻譜資源的基礎(chǔ)上，有效支持映射的成功完成。在此過程中，可以考慮運(yùn)用首末端匹配相聯(lián)合的FLF頻譜分配方法。在該方法下，頻譜分區(qū)中工作部分、保護(hù)部分是相互分離的，工作者可以為工作、保護(hù)部分分別構(gòu)建相應(yīng)的代價函數(shù)，以衡量映射時，這兩部分所需的頻譜資源量，然后基于此進(jìn)行分配，這樣不僅能夠保證頻譜分配的合理性，還可以提高映射的成功率。此外，將該代價函數(shù)運(yùn)用到算法設(shè)計中，也能實現(xiàn)對頻譜用量的考慮，并通過根據(jù)該函數(shù)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行映射路徑選擇，來避免頻譜資源的浪費(fèi)，提高虛擬映射方案設(shè)計效果。

3結(jié)語

綜上所述，增強(qiáng)虛擬映射方法的落實效果，能夠促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)工作的發(fā)展。在彈性光網(wǎng)的運(yùn)行中，借助科學(xué)的虛擬映射方法，可以在故障情況下，最小化物理路徑的帶寬容量損失，緩解帶寬阻塞的問題，使網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)能夠得到保障，從而深入優(yōu)化各類相關(guān)信息技術(shù)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

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作者簡介：葉志祥（1979—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電網(wǎng)管理和運(yùn)維。