基于QoS約束的電力通信網服務故障恢復算法

謝小軍，卓文合

(國網安徽省電力公司信息通信分公司，安徽 合肥 230061)

0 引言

智能電網業務對網絡帶寬、延遲、可靠性提出了不同的要求[1-2]。鏈路故障恢復已成為當前研究的重點[3-7]。文獻[3]～文獻[5]提高了備份鏈路的可靠性。文獻[6]提出了服務質量(quality of service,QoS)約束的鏈路故障多備份路徑恢復算法。文獻[7]提出了滿足QoS 約束的自適應調整多路徑路由。但是，當前研究不能保證鏈路故障發生時智能電網業務的隔離性，也未能有效實現故障恢復時網絡服務商損失最小化。網絡虛擬化技術在保障業務隔離性和QoS方面具有較大優勢[8-12]。本文基于網絡虛擬化技術，提出了網絡虛擬化環境下電力通信網服務故障管理模型和QoS約束的電力通信服務故障恢復算法。通過性能分析和仿真試驗，證明了本文算法在電力通信服務故障恢復能力、電力通信基礎網絡收益方面取得了較好的效果。

1 服務故障管理模型

本文提出的網絡虛擬化環境下電力通信網服務故障管理模型如圖1所示。

該模型包括電力通信網基礎設施層(power communication infrastructure，PCI)、服務故障管理平臺層、電力通信服務層(power communication service，PCS)。電力通信網基礎設施層創造和管理電力通信基礎網絡。PCS根據電力通信業務的需求，租用電力通信網基礎設施層的底層網絡資源，為用戶提供差異性服務。服務故障管理平臺包括資源抽象與映射、故障監測與恢復兩個模塊。資源抽象與映射模塊實現底層網絡資源的抽象，以及底層網絡資源與PCS的映射。故障監測與恢復模塊監測底層網絡的運行狀況。當監測到底層網絡資源發生故障時，利用資源抽象和映射模塊識別底層網絡與PCS的映射關系，并根據PCS的QoS要求，對PCS進行故障恢復。

網絡虛擬化環境下，當底層網絡發生故障時，可以通過動態遷移技術實現PCS的故障恢復。所以，PCS具有更好的故障容忍能力。在進行PCS故障恢復時，如果底層網絡的備份資源充足，可以通過動態遷移實現所有PCS的故障恢復。但是，當底層網絡的備份資源不足或者備份資源也發生故障時，會存在PCS恢復失敗的可能。失敗的主要原因包括：需要重新分配的PCS資源需求多于備份的底層網絡可用資源，或者備份的底層網絡資源的QoS不能滿足PCS對資源的QoS要求。當進行PCS故障恢復時，如果備份資源不能滿足全部PCS的故障恢復需求，就需要盡量減少因PCS故障恢復失敗而導致底層網絡服務商的損失。為解決此問題，本文提出了基于QoS約束的電力通信網服務故障恢復算法。

2 QoS約束的電力通信網服務故障恢復算法

2.1 問題描述

網絡虛擬化環境下，在電力通信基礎網絡構成的無向圖上，承載多個電力通信業務網，每個電力通信業務網承載多個PCS。

網絡虛擬化環境下電力通信網如圖2所示。

圖2 電力通信網示意圖

(1)

為了實現電力通信基礎網絡服務商的損失最小化，需要從通信故障影響到的PCS的范圍、時長、后果等方面進行分析，從而確定PCS恢復的優先級，并按照此優先級進行故障恢復。

2.2 高優先級PCS風險值的因素分析

通過對PCS故障恢復和減少電力通信基礎網絡損失的相關因素分析，本文將網絡特性、服務重要度作為求解PCS風險值的依據。

(2)

服務重要度主要與服務的價值相關。為了更加方便、準確地衡量服務的重要程度，本文采用服務等級進行衡量。一般來說，電力通信基礎網絡的服務按優先級依次可以分為鉑金服務、金牌服務、銀牌服務、銅牌服務等幾種類型。服務等級越高，提供的資源QoS越好，服務價格也越高。例如，某地區范圍內的100 MB的電力通信服務的定價為：鉑金服務=100 Unit、金牌服務=80 Unit、銀牌服務=60 Unit、銅牌服務=40 Unit。基于此，不同的PCS會根據服務在延遲、故障恢復時限等方面的要求，選擇不同的服務。本文定義服務不可用的損失為SL，用式(3)計算。式(3)表示服務i不可用的損失SLi為服務價格的兩倍乘以服務的不可用時長。T表示服務i故障發生直到故障修復的時間長度。

SLi=2SpricegT

(3)

通過上述分析，將網絡特性、服務重要度作為求解風險值的依據[13]，可以計算事故風險值。因事故風險后果、事故發生概率、服務重要度的取值范圍差別較大，需要首先進行歸一化處理。所以，第i個PCS發生故障的風險值Ri的計算方法如式(4)所示。由式(4)的定義可知，PCS的風險值Ri越大，越需要盡快恢復故障。

(4)

2.3 算法步驟

基于QoS約束的電力通信網服務故障恢復算法的具體步驟如下。首先求解電力通信基礎網絡故障影響到的各個PCS的風險值；然后根據各個PCS的風險值，采用縮放和舍入后的電力通信基礎網絡Gτ(Vτ,Eτ)求解滿足PCS的QoS要求的電力通信基礎網絡拓撲，恢復影響到的PCS。QoS約束的電力通信網服務故障恢復算法步驟如下。

②求解PCSi的可行的后備路徑的數量BUi；

③使用式(3)求解PCSi不可用的損失SLi；

④使用式(4)計算PCSi的風險值Ri。

(4)對電力通信基礎網絡G′(V,E)進行縮放和舍入，從而對原圖進行化簡，得到Gτ(Vτ,Eτ)。

①根據電力通信服務和電力通信基礎網絡的映射關系，求解出當前PCSi對應的電力通信基礎網絡拓撲Gτ(Vτ,Eτ)的起始點s、終止點d。

(6)更新電力通信基礎網絡和電力通信服務的映射關系。

算法步驟(1)中，使用G′(V,E)為電力通信基礎網絡G(V,E)鏈路e∈E發生故障后的電力通信基礎網絡拓撲;算法步驟(4)中，基于文獻[14]中的方法求解；算法步驟(5)的①中，根據電力通信服務和電力通信基礎網絡的映射關系，求解當前PCSi對應的電力通信基礎網絡拓撲，可以參考文獻[15]。

3 算法可行性分析

定理1：當故障后的電力通信基礎網絡的鏈路性能指標滿足電力通信服務的鏈路QoS要求時，算法至少可以找到一條用于恢復電力通信服務故障的路徑。

證明如下。

定理2：算法可以通過恢復盡可能多的PCS，實現電力通信基礎網絡的損失最小化。

證明：根據事故風險后果、事故發生概率、服務重要度，進行歸一化計算，求解第i個PCS發生故障后出現的風險值。所以，當Ri>Ri+1時，優先恢復Ri的PCS。這不但可以體現高服務等級的鏈路優先恢復，而且可以確保先恢復的電力通信服務的路徑有較少的后備鏈路，從而確保有較多后備路徑的電力通信服務也可以實現路徑恢復、電力通信基礎網絡的收益最大化，進而實現電力通信基礎網絡的損失最小化。

4 仿真過程

4.1 評價指標

為了驗證本文提出的基于QoS約束的電力通信服務故障恢復算法性能，本文從PCS故障恢復率、電力通信基礎網絡的收益、故障恢復的時長三個方面進行分析。PCS故障恢復率、電力通信基礎網絡的收益的定義如下。

①PCS故障恢復率。

(5)

②電力通信基礎網絡的收益R。

(6)

4.2 試驗環境搭建

與網絡虛擬化相關文獻[8-12]類似，本文使用GT-ITM[16]工具生成網絡虛擬化環境下的電力通信基礎網絡和電力通信服務的拓撲。生成含200～600個節點的電力通信基礎網絡拓撲，鏈路的初始帶寬設置為10 GB。以100 MB為單位進行分配，并設置鏈路的占用率閾值為60%。對應的電力通信服務分為鉑金服務(傳輸時延1 ms)、金牌服務(傳輸時延3 s)、銀牌服務(傳輸時延5 ms)、銅牌服務(傳輸時延7 ms)四類，各類服務的定價分別為鉑金服務價格為10 Unit、金牌服務價格為8 Unit、銀牌服務價格為6 Unit、銅牌服務價格為4 Unit。電力通信基礎網絡資源的先驗故障概率和條件概率隨機產生，分別在[0.001,0.01]和(0,1)內均勻分布。

電力通信服務的生成方面，從電力通信基礎網絡中選取20%的節點作為源節點。對于每個源節點，隨機選擇1個節點作為目的節點。在每對源宿節點之間，提出的帶寬需求服從指數分布。帶寬平均值為500 MB，使用最短路徑算法生成路由，模擬一個端到端的PCS，并使用均勻分布，從四種服務中選擇一種服務。

4.3 與現有算法比較

為了驗證本文提出的基于QoS約束的PCS故障恢復算法的性能，將本文的算法與隨機PCS恢復算法VNRbR、基于服務類型的PCS恢復算法VNRbST進行了比較。

三個算法的PCS故障恢復率曲線如圖3所示。

圖3 PCS故障恢復率曲線

由圖3可知，當電力通信基礎網絡規模增大時，三個算法的PCS故障恢復能力變化不大。其主要原因是PCS的生成與電力通信基礎網絡的規模成正比。當電力通信基礎網絡規模增大時，PCS申請的電力通信基礎網絡的資源也相應增加。三個算法的PCS故障恢復率區別如下：使用VNRbRV算法恢復PCS時，PCS故障恢復率優于VNRbR算法和VNRbST算法；VNRbR算法的恢復能力優于VNRbST算法的恢復能力。這是因為VNRbRV算法考慮了事故發生概率、事故風險值、后備鏈路數量等電力通信基礎網絡的特性。

三個算法的電力通信基礎網絡收益曲線如圖4所示。

圖4 電力通信基礎網絡收益曲線

由圖4可知，隨著電力通信基礎網絡規模的增加，三種算法對應的電力通信基礎網絡的收益都逐漸增加。VNRbRV算法的電力通信基礎網絡的收益最大。VNRbST算法的收益略優于VNRbR算法。相比于VNRbST算法，VNRbRV算法不但考慮了服務類型，優先恢復重要的高價值服務，而且具有較好的恢復能力。所以，VNRbRV算法的電力通信基礎網絡收益最大。

三個算法的PCS故障恢復時長曲線如圖5所示。

圖5 PCS故障恢復時長曲線

由圖5可知，當電力通信基礎網絡規模增大時，承載的PCS增多；當電力通信基礎網絡發生故障時，需要恢復的PCS增多，所以算法恢復的時間變長。VNRbR算法的故障恢復時長最短。因為VNRbR算法隨機恢復PCS，不需要對待恢復的PCS進行排序。VNRbRV算法故障恢復時長大于VNRbST算法的故障恢復時長。因為VNRbST算法僅在判斷服務的優先級之后進行恢復。VNRbRV算法需要判斷網絡架構和服務類型，花費的時間較長。

5 結束語

隨著智能電網研究和應用的快速發展，電力通信網在電力行業中的作用越來越重要。在電力通信網絡運行中[16]，鏈路故障是網絡中較為普遍的現象。本文基于網絡虛擬化技術，提出了網絡虛擬化環境下電力通信網服務故障管理模型，并基于此模型提出了QoS約束的電力通信服務故障恢復算法。該算法以保障業務QoS為目標，在滿足業務隔離和業務QoS要求的情況下，實現了網絡故障導致電力通信基礎網絡損失最小化的目標。仿真試驗證明了本文算法在電力通信服務故障恢復率、電力通信基礎網絡的收益方面取得了較好的效果。