彈性光網絡中生存性問題研究

【摘要】 這篇文章我們研究了彈性光網絡中生存性問題。基于共享路徑保護和p-圈保護我們分別設計了兩種保護算法，仿真結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速率。而基于p-圈的保護可以提供更高的恢復速率，但是其資源利用率低于共享路徑保護。

【關鍵詞】 彈性光網絡 生存性問題 共享路徑保護 p-圈保護

一、引言

如今，基于光正交頻分復用的彈性光網絡由于其高效的頻譜利用率已經受到廣泛的關注[1]。不同于傳統的將信號調制在單個50或100GHz波長信道上的波分復用網絡，彈性光網絡可以使用連續的子載波信道（12.5GHz或者更小），從而實現彈性的帶寬分配和更高的數據傳輸。

在此之前，彈性光網絡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絡的生存性問題。正如我們所知，由于光網絡中（尤其是彈性光網絡）的超高數據速率，任何一根光纖的折斷都將造成極大的數據和資金損失。因此，在彈性光網絡中研究生存性問題迫在眉睫[8，9]。

二、彈性光網絡中生存性問題

首先我們將給出彈性光網絡中生存性問題的定義。我們用G（V，E）表示一個彈性光網絡拓撲，其中V表示節點集，E表示鏈路集。

一個連接請求表示為LR（s， d， n），s和d分別為源節點和目的節點，n表示請求所需要的帶寬（n個子載波）。我們假設網絡中沒有配備光/電/光轉換器，因此，為每一個請求分配的子載波必須連續且在整條路徑上保持一致[3]。彈性光網絡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能力，并且消耗最少的冗余資源。這個部分中我們將分別設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據，保護路徑用于當發生鏈路失效時恢復數據傳輸。當工作路徑失效時，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。

因此，當兩個連接的備用路徑經過相同的邊，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留而未進行交換結構的配置，當發生鏈路失效時，失效鏈路端節點首先檢測到失效并通過信號通知源目的節點，隨后再進行中間節點的交換結構配置和傳輸恢復。這些過程使得恢復過程復雜而緩慢。

2、預配置圈保護

由于共享路徑保護恢復時延大，我們又提出了一種基于鏈路的預配置圈保護（p-圈）方案。在使用p-圈的彈性光網絡中，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，當其發生失效時，圈上的1-6-5-4-3-2被啟用。

邊2-5雖然不在圈上，但其兩個端節點都在圈上，被稱為跨邊，當其發生失效時，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-圈預留帶寬資源，而且可以在所有p-圈上的交換節點實現交換結構的預配置。

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

在彈性光網絡中，由于p-圈的保護特點以及我們假設網絡不具備頻譜轉換能力，p-圈上預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留的冗余資源量的比值。

三、仿真結果

這一段我們將給出并分析仿真結果，進而驗證我們算法的有效性。我們使用14節點NSFNET拓撲作為仿真拓撲。我們假設子載波的帶寬為12.5GHz，使用BPSK調制方式，每根光纖可以容納358個子信道。我們考慮均勻流量模型，請求的到達速率服從泊松分布，請求的持續時間服從負指數分布，每個連接請求所需的子信道數量在區間[3，10]上服從均勻分布。

圖2給出了兩種算法在不同的負載條件下的請求阻塞率。可以看出，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更多的請求。p-圈保護阻塞率較高，這是因為彈性光網絡中要求圈所用譜必須與工作路徑保持一致，這就加大了圈被復用的難度。

另外一方面，由于動態的配置和撤銷圈，導致頻譜碎片化成都加劇，這也是導致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速度。除了共享路徑保護需要復雜的信號過程，恢復時間很大程度上取決與發生失效時有多少個交換節點需要重新配置（一般情況下，每個節點配置通常需要50ms）。由于只需要端節點參與恢復，p-圈保護重配置節點數始終為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點數為3.75。可以看出，p-圈擁有更快的恢復速度。

四、結論

本文研究了彈性光網絡中的保護機制，并分別基于共享路徑保護和p-保護設計兩種有效的保護算法。仿真結果表明共享路徑保護具有更高的資源利用率但是操作復雜、恢復速率慢。

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

參 考 文 獻

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