基于分層路徑計算單元與雙矩陣博弈的多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播專用保護算法

陳 浩，吳啟武，李 芳，姜靈芝

(1.武警工程大學 研究生大隊, 西安 710086； 2.武警工程大學 裝備管理與保障學院，西安 710086；3.武警工程大學 信息工程學院，西安 710086)(*通信作者電子郵箱chenhaoyan14@163.com)

0 引言

隨著主干光網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，整體多域化特征越來越明顯; 同時，光層組播是一種高效的點對多點或者多點對多點業(yè)務的通信模式。組播業(yè)務根據(jù)組播請求需求可以分為靜態(tài)和動態(tài)組播兩種: 靜態(tài)組播業(yè)務是指預先知道網(wǎng)絡的全局狀態(tài)，網(wǎng)絡系統(tǒng)對一組請求統(tǒng)一調(diào)度，沒有實時性要求; 動態(tài)組播業(yè)務是指組播請求隨機到達，具有實時性，并在請求存續(xù)期間對保護能力有一定要求，通常需要逐個請求進行保護配置。光網(wǎng)絡生存性是指當光網(wǎng)絡系統(tǒng)出現(xiàn)故障或惡意攻擊時，能夠通過各種手段維持服務或者恢復業(yè)務[1]。光網(wǎng)絡生存性技術一般分為保護和恢復，其中保護技術可分為點對點保護、環(huán)狀網(wǎng)保護和網(wǎng)狀網(wǎng)保護。專用保護屬于點對點保護，是指為光網(wǎng)絡上的業(yè)務路徑配置一條專門的保護路徑，一旦發(fā)生故障可以直接切換至保護路徑，快速恢復業(yè)務傳輸。組播1+1保護指對光組播業(yè)務實施專用保護，利用兩條路徑同時傳輸相同業(yè)務，確保任意時刻有一條路徑上的業(yè)務實現(xiàn)正常傳輸。

針對多域光網(wǎng)絡靜態(tài)保護，國內(nèi)外的研究人員提出各種優(yōu)化方案。文獻[2]的配置方式使其具備生存能力，能夠消耗較少的波長為組播請求提供保護，但是在復雜拓撲上運行時間顯著增加, 而且作者并未考慮阻塞率這一重要評價指標。文獻[3]提出在組播樹中應用單播1+1保護的理念，利用邏輯或以及允許中間節(jié)點合并輸入流來解決瞬時故障，從而提高成本效率, 為此提出了兩種啟發(fā)式算法，分別為最小路徑對啟發(fā)式(Minimum Path-Pair Heuristic, MPPH)算法、最小路徑和最小路徑對啟發(fā)式(Minimum Path Heuristic + Minimum Path-Pair Heuristic, MPH+MPPH)算法。在雙倍資源消耗的情況下保障了網(wǎng)絡不中斷，但是本文僅僅設想了靜態(tài)組播業(yè)務流量，并沒有結(jié)合算法予以分析說明，而且是在單域環(huán)境中的組播保護，沒有涉及復雜的多域網(wǎng)絡。文獻[4]提出了一個結(jié)合應用層和光層的雙層優(yōu)化問題，在光層提供了一個專用路徑保護，但是作者僅僅設想了靜態(tài)單播業(yè)務需求的優(yōu)化問題，并沒有針對靜態(tài)組播業(yè)務的生存能力進行優(yōu)化。文獻[5]基于網(wǎng)絡運營商和用戶之間非合作型競爭建立博弈論模型，并針對靜態(tài)業(yè)務進行仿真，但是當優(yōu)質(zhì)鏈路被哄搶時運營商的價格策略不能及時調(diào)整會導致阻塞率上升。

對于動態(tài)組播保護：文獻[6]提出了一種多播多域?qū)Ｓ帽Ｗo(Multicast Multi-domain Dedicated Protection, MMDP)啟發(fā)式算法，動態(tài)更新域內(nèi)路徑對，提升基于多域邏輯拓撲的域間路由的成功率；文獻[7]基于用戶對光網(wǎng)絡服務質(zhì)量(Quality of Service, QoS)需求、支付費用和網(wǎng)絡供應商的利潤、網(wǎng)絡負載均衡等因素設計了博弈路由和博弈保護機制。針對動態(tài)業(yè)務設計了波分復用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)多域光網(wǎng)絡單播和組播保護算法，但是當業(yè)務強度增大后，共享保護的比例增大，算法的效用函數(shù)下降。文獻[8]提出了包含多個QoS參量的多域網(wǎng)絡模型，結(jié)合菌群優(yōu)化思想提出兩種混合保護算法，分別是域內(nèi)子路徑保護(Intra-domain Sub-path Protection, ISP)算法和域間端到端保護(Inter-domain End-to-end Protection, IEP)算法，ISP算法有更好的資源利用率、更低的阻塞率和更高的運營商效用，但是ISP算法設想域間鏈路有額外專用保護路徑，避開了域間鏈路保護優(yōu)化問題；文獻[9-10]針對多域光網(wǎng)絡組播業(yè)務，基于路徑計算單元 (Path Computation Element, PCE)架構提出了一種多域最小代價路徑啟發(fā)式(Multi-Domain Minimum-cost Path Heuristic, MDMPH)算法，能夠計算出代價較小的組播樹，并比較了3種基于PCE的組播方案，但是二者都未考慮組播業(yè)務生存能力，僅在組播樹生成上具有一定意義。

綜合以上研究發(fā)現(xiàn)，針對多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播業(yè)務的專用保護進行的研究僅僅局限在備份路徑的優(yōu)化，忽視了組播樹和備份樹聯(lián)合優(yōu)化問題。多數(shù)結(jié)合博弈論思想的文獻中，基于用戶和運營商的對立關系進行博弈并將結(jié)果作為鏈路的權值，生成組播樹后計算保護路徑，易造成備份樹成本過大，所以本文結(jié)合分層PCE架構和雙矩陣博弈思想，在靜態(tài)環(huán)境下綜合考慮組播樹和組播保護樹的資源平衡，提出了一種多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播專用保護算法，提高組播業(yè)務的生存能力。

1 基于分層PCE的多域光網(wǎng)絡組播模型

PCE是網(wǎng)絡中負責路徑計算的結(jié)構單元，計算處理能力強大，是多域光網(wǎng)絡中路徑計算問題的常用解決方案[10]。本文采用分層式PCE架構方案，由一個pPCE(parent-PCE)和多個cPCE(child-PCE)構成，如圖1所示。給定3個域的多域光網(wǎng)絡G=(14,27)和一個組播請求R={1;3,6,13}，即源節(jié)點為V1，目的節(jié)點為V3、V6、V13，則處理請求R建立組播路徑的步驟如下：

① 首先源節(jié)點V1查看本域內(nèi)拓撲信息，發(fā)現(xiàn)只有目的節(jié)點V3在本域內(nèi)則計算源節(jié)點V1至目的節(jié)點V3的路徑，發(fā)送給pPCE。

② 根據(jù)cPCE的路由信息，目的節(jié)點V6和V13不在域1即Domain 1內(nèi)，則源節(jié)點向cPCE1發(fā)送跨域路徑計算請求，然后cPCE1轉(zhuǎn)發(fā)給pPCE。由pPCE首先向各域cPCE廣播剩余目的節(jié)點地址，確定目的節(jié)點V6和V13所在域即Domain 2和Domain 3，然后pPCE計算一條從源節(jié)點到目的節(jié)點的光路，并向域1、域2和域3的cPCE發(fā)送算路指令，即要求計算各域內(nèi)源節(jié)點到邊界節(jié)點的光路、進邊界節(jié)點和出邊界節(jié)點間光路、邊界節(jié)點與目的節(jié)點間路徑。

③ 各相關cPCE完成的光路計算后提交pPCE，由pPCE記錄路由合并全部路徑段，得到多條橫跨各域的路徑，然后基于約束條件選擇最優(yōu)路徑，將最終結(jié)果發(fā)送各cPCE。

④ 各cPCE收到來自pPCE的最終結(jié)果后，開始波長分配, 即完成了跨域路徑的計算。

⑤ 至此多域光網(wǎng)絡的組播樹路徑計算結(jié)束。

本文采用分層PCE架構設計，增加了pPCE與cPCE的層級結(jié)構，統(tǒng)一對光域進行管理，能夠在保護域內(nèi)隱私信息的同時，滿足多域光網(wǎng)絡組播業(yè)務需求。

圖1 分層PCE架構

2 多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播保護算法

2.1 定義與假設

博弈論主要研究公式化的激勵結(jié)構間的相互作用，是研究具有斗爭或競爭性質(zhì)現(xiàn)象的數(shù)學理論和方法，是競爭環(huán)境下的多人決策理論[11-12]。基于博弈論的多域光網(wǎng)絡研究大多利用用戶和運營商之間的零和關系，對光網(wǎng)絡中的鏈路賦予權值，結(jié)合啟發(fā)式算法進行路徑計算。本文基于分層PCE結(jié)構和雙矩陣博弈思想對多域光網(wǎng)絡保護機制進行研究，提出了一種多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播專用保護算法。兩個用戶通過競爭獲得鏈路的使用權，以得到一對聯(lián)合評價最優(yōu)的路徑對的方式建立組播樹和組播保護樹。

定義1 定義多域光網(wǎng)絡G′(V,E)，其中Vs、Vd∈V，V是網(wǎng)絡中節(jié)點的集合V={V1,V2,…,Vn}。節(jié)點Vi和節(jié)點Vj間的鏈路表示為eij，E是網(wǎng)絡中鏈路的集合E={eij|i,j∈{1,2,…,n}}。定義集合K代表光路徑(K由鏈路eij組成)記為K={eij|i,j∈N*}，其中N*是正整數(shù)集。

定義2 博弈G=[N,S,P]，其三要素為局中人、策略集和收益集。局中人是參與博弈并在博弈中追求自身利益最大化的決策主體。本文有兩個局中人分別為用戶U1和用戶U2，用戶U1和用戶U2都是理性的，期望在多域光網(wǎng)絡中尋找到最好的光路徑。

定義3 策略集是博弈中局中人的行動規(guī)則，以指導局中人在博弈中每一個階段的行動。設用戶U1有m個策略，其策略集為A={a1,a2,…,am}；用戶U2有n個策略，其策略集為B={b1,b2,…,bn}；用戶的策略代表用戶從源節(jié)點至目的節(jié)點之間尋找到的光路徑。對任意節(jié)點間的鏈路，兩個用戶都有{占用，不占用}兩種選擇，將集合A和B稱為用戶U1和用戶U2的純策略集。定義用戶U1的混合策略集為:

X=

用戶U2的混合策略集為:

Y=

定義5 定義用戶U1和用戶U2的鏈路占用度分別為S1和S2。當同一條鏈路既被用戶U1占用又被用戶U2占用時，令S1=1，S2=1；當同一條鏈路只被用戶U1占用時，令S1=1，S2=0；當同一條鏈路只被用戶U2占用時，令S1=0，S2=1；當同一條鏈路既沒有被用戶U1占用又沒有被用戶U2占用時，令S1=0，S2=0。

本文設計的多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播專用保護算法的優(yōu)化目標是：在滿足組播用戶QoS和一定資源利用的情況下，最大化用戶U1和用戶U2混合策略效用之和，使得多域光網(wǎng)絡最小化組播樹和組播保護樹的結(jié)構均衡。用數(shù)學模型可以表示如下：

Mij+Nij→min {Mij+Nij}

(1)

Cij+Dij→min {Cij+Dij}

(2)

s.t.costCij≥costDij

(3)

delayCij≥delayDij

(4)

berCij≤berDij

(5)

costCij+costDij<2costmax

(6)

上述約束條件表示為用戶U1選擇的組播樹成本不小于用戶U2選擇的組播樹成本，用戶U1的組播樹時延不小于用戶U2的組播樹時延，用戶U1的誤碼率不大于用戶U2的誤碼率，用戶U1和用戶U2的組播樹成本之和小于網(wǎng)絡中鏈路總成本的兩倍。

2.2 算法描述

組播樹專用保護方案可以分為三種：一是為每個目的節(jié)點建立通道級專用保護路徑；二是為組播樹中任意節(jié)點間的鏈路建立專用保護鏈路; 三是將組播樹上的路徑分為若干段，基于各分段建立專用路徑保護。針對靜態(tài)環(huán)境下多域光網(wǎng)絡組播請求規(guī)劃問題，結(jié)合分層PCE架構和雙矩陣博弈思想，采用通道級專用保護方案，本文提出一種多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播專用保護算法，稱為SMDP(Static Multicast Dedicated Protection)算法。算法旨在生成鏈路不相交的組播樹和組播保護樹，在靜態(tài)環(huán)境下預先配置組播請求的專用保護方案。算法主要步驟描述如下：

輸入為多域光網(wǎng)絡拓撲G′(V,E,W)和一組靜態(tài)組播請求R={R1,R2,…,Rk}；輸出為組播工作樹T和組播保護樹P。

步驟1 對于多域光網(wǎng)絡G′(V,E,W)，設定初始值costeij=0，delayeij=0，bereij=0，i=1,j=1，Set1={}，定義Distance1(i,j)為用戶U1中節(jié)點Vi至Vj之間的路徑長度，Distance2(i,j)為用戶U2中節(jié)點Vi至Vj之間的路徑長度。其中1≤i≤n，1≤j≤n。定義VLmi為組播請求Rm的第i個葉節(jié)點，集合Mm={VLmi|i=1,2,…,n}為組播請求Rm的葉節(jié)點集合，1≤m≤k。給定組播請求集合R={R1,R2,…,Rk}，定義生成的組播樹T={T1,T2,…,Tk}，以及組播保護樹P={P1,P2,…,Pk}。

步驟2 初始化多域光網(wǎng)絡的拓撲信息并進行拓撲聚合。

步驟3 對于組播請求Rm，將Rm的源節(jié)點Vsm作為該請求的組播樹根節(jié)點，計入組播樹Tm和組播保護樹Pm，若某條鏈路權值W=∞，則認定該鏈路不可用。

步驟4 對于葉節(jié)點VLmi，根節(jié)點所在域cPCE判斷該葉節(jié)點是否在本域內(nèi)，是，轉(zhuǎn)步驟5；不是，轉(zhuǎn)步驟6。

步驟5U1和U2分別進行尋路，博弈開始。

5.1) 對于U1，域內(nèi)cPCE利用Dijkstra算法計算從源節(jié)點到目的節(jié)點之間的一條或多條路徑，將其距離置于集合Set1中并計算路徑成本代價選擇最優(yōu)路徑，將最優(yōu)路徑賦值于Distance1(sm,Lmi)。

5.2) 對于U2，域內(nèi)的cPCE利用Floyd算法計算從源節(jié)點到目的節(jié)點的最優(yōu)路徑并賦值于Distance2(sm,Lmi)。

5.3) 根據(jù)U1和U2的路徑選擇得出路徑策略集A和B，并計算所有效用函數(shù)Cij、Dij、Mij、Nij。就路徑中每一段鏈路的使用權進行博弈，從而得出最優(yōu)的路徑對。判斷S1·S2=0是否成立，若滿足S1·S2=0，轉(zhuǎn)步驟7；若不滿足，轉(zhuǎn)5.4)。

5.4) 當S1·S2=1，計算并比較效用函數(shù)Cij和Dij，收益高者占用該鏈路，對于另一個用戶則令該鏈路權值W=∞并重新尋路，如果是U1重新尋路轉(zhuǎn)5.1)，如果是U2重新尋路轉(zhuǎn)5.2)。

步驟6 若不在同一個域，源節(jié)點所在域的cPCE向pPCE發(fā)送請求，pPCE廣播并找到目的節(jié)點所在域。

6.1) 對于U1，pPCE利用Dijkstra算法計算從源節(jié)點所在域到目的節(jié)點所在域之間的域間路徑，發(fā)送指令給各域cPCE計算域內(nèi)路徑，最終將整體路徑距離置于集合Set1中。對于集合Set1中的所有元素，各域cPCE計算域內(nèi)最優(yōu)路徑賦值于Distance1(sm,Lmi)。

6.2) 對于U2，pPCE利用Floyd算法計算從源節(jié)點所在域到目的節(jié)點所在域之間的域間路徑，發(fā)送指令給各域cPCE計算域內(nèi)路徑，將計算出的路徑賦值于Distance2(sm,Lmi)。

6.3) 根據(jù)用戶U1和用戶U2的路徑選擇得出路徑策略集A和B，并計算所有效用函數(shù)Cij、Dij、Mij、Nij。就路徑中每一段鏈路的使用權進行博弈，從而得出最優(yōu)的路徑對。判斷S1·S2=0是否成立，若滿足S1·S2=0，轉(zhuǎn)步驟7；若不滿足，轉(zhuǎn) 6.4)。

6.4) 當S1·S2=1，計算并比較效用函數(shù)Cij和Dij，收益高者占用該鏈路，對于另一個用戶則令該鏈路權值W=∞，如果是U1重新尋路轉(zhuǎn)6.1)，如果是U2重新尋路轉(zhuǎn)6.2)。

步驟7 判斷i

7.1)對所有葉節(jié)點至組播樹的聯(lián)合路徑對進行比較，取評價最優(yōu)的葉節(jié)點VLmi，將其U1和U2對應最優(yōu)策略所得路徑分別添加至組播樹Tm和組播保護樹Pm中，然后在集合Mm中刪去該葉節(jié)點。判斷集合Mm是否為空，如果是，轉(zhuǎn)步驟8；如果不是，令i=1，轉(zhuǎn)步驟4。

步驟8 對于組播請求Rm，其組播樹Tm和組播保護樹Pm構造完畢。判斷m

步驟9 算法結(jié)束，輸出T和P。

2.3 算法分析

證明 首先介紹納什均衡存在性定理,在N個參與者的標準式博弈G=[N,S,P]，如果N是有限的，且對每個參與者的策略空間S中的純策略Si是有限的，則博弈至少存在一個純策略納什均衡(或者混合策略)。而本文中采用基于混合策略的雙矩陣博弈，且給定的多域光網(wǎng)絡包含固定節(jié)點數(shù)量，用戶對于每一段鏈路只有{占用，不占用}兩種選擇，所以純策略集是一定的，所以本文設計的SMDP算法一定存在納什均衡點。

其次，用戶U1和U2的混合策略集X和Y是A和B中的有界閉凸集，故C=X*Y是A∪B中的有界閉凸集。?(x,y)∈X×Y=C，定義映射f(x,y)=(x′,y′)如下：

i=1,2,…,m

j=1,2,…,n

定理2 SMDP算法的時間復雜度為O(mkn3)。

證明 假定多域光網(wǎng)絡中共有n個節(jié)點，有m個葉節(jié)點，有k個組播請求。則Dijkstra算法的時間復雜度為O(n2)，F(xiàn)loyd算法的時間復雜度為O(n3)。對于k個組播請求，m個葉節(jié)點，從步驟4～7每個葉節(jié)點至少重復一次，從步驟3～7每個組播請求至少重復一次，而用戶U1計算路徑的時間復雜度為O(mkn2)，用戶U2計算路徑的時間復雜度為O(mkn3)，所以SMDP算法的時間復雜度為O(mkn3+mkn2)，即SMDP算法時間復雜度為O(mkn3)。

定理3 SMDP算法能夠?qū)崿F(xiàn)多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播專用保護。

證明 SMDP算法能夠解決多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播專用保護機制的配置問題。分層PCE架構用于全局拓撲信息的調(diào)度計算，雙矩陣博弈通過競爭關系生成鏈路不相交的組播樹和組播保護樹。在博弈中兩個用戶就鏈路的使用權進行競爭，尋找納什均衡點確保路徑分配的最優(yōu)化，促進了網(wǎng)絡結(jié)構的優(yōu)化利用; 然后將博弈產(chǎn)生的兩條路徑分別用于生成組播樹和組播保護樹，以實現(xiàn)組播業(yè)務的通道級專用保護，預先配置能夠解決合理分配工作樹和保護樹的網(wǎng)絡資源問題，避免工作樹與保護樹的代價相差較大, 所以SMDP算法能夠?qū)崿F(xiàn)多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播專用保護。

2.4 SMDP算法實例

給定如圖2所示的多域光網(wǎng)絡G=(19，50)，經(jīng)過拓撲聚合后的多域光網(wǎng)絡拓撲如圖3所示。

圖2 基于PCE架構的多域光網(wǎng)絡

在靜態(tài)環(huán)境下對其運用SMDP算法所得組播樹保護方案進行實例說明。給定組播請求R1={1;5,7,12}，R2={8;10,12,18}，R3={16;1,2,7,8,10,19}。首先處理組播請求R1，判斷目的節(jié)點是否在域1內(nèi)，如果是，cPCE1直接計算路徑開始博弈；如果不是，cPCE1向pPCE發(fā)送請求，在虛擬拓撲圖中統(tǒng)一計算域間路徑并向各域cPCE發(fā)送指令，各域cPCE計算各自域內(nèi)路徑，而后進行博弈，所得組播樹T1和組播保護樹P1,如圖4(a)所示，其中組播樹T1由路徑1- 5和1- 6- 7- 11- 12構成，組播保護樹P1由路徑1- 4- 5- 9- 7和1- 4- 5- 9- 10- 12構成。然后處理組播請求R2，在拓撲圖中刪去組播樹T1的路徑，所得組播樹T2和組播保護樹P2如圖4(b)所示，其中組播樹T2由路徑8- 12和8- 10- 13- 18構成，組播保護樹P2由路徑8- 9- 10- 12和8- 9- 15- 18構成。最后處理組播請求R3，在拓撲圖中刪去組播樹T2的路徑，所得組播樹T3和組播保護樹P3如圖4(c)所示，其中組播樹T3由路徑16- 19、16- 3- 2- 1、16- 3- 2- 5- 9- 8- 7和16- 3- 2- 5- 9- 8- 10構成，組播保護樹P3由路徑16- 17- 19、16- 17- 18- 15- 5- 4- 2、16- 17- 18- 15- 5- 4- 1、16- 17- 18- 13- 10、16- 17- 18- 13- 8和16- 17- 18- 13- 7構成。可以看出在靜態(tài)環(huán)境下組播請求保護樹的部分路徑可以共享，只要為鏈路預置足夠帶寬，可實現(xiàn)組播請求的專用保護。

圖3 虛擬拓撲

圖4 組播請求

3 實驗與分析

本文采用光通信仿真軟件(VPI transmission Maker，VPI)設計多域光網(wǎng)絡系統(tǒng)驗證SMDP算法的保護性能，選擇OPP算法、組播1+1算法與SMDP算法進行比較。如圖5所示，本文搭建了雙向連接的多域光網(wǎng)絡系統(tǒng)，即如圖3所示多域光網(wǎng)絡的VPI系統(tǒng)圖，另外在圖5的基礎上去除一條連接方向得到單向連接的無保護機制的多域光網(wǎng)絡VPI系統(tǒng)圖。圖7中為3個域的多域光網(wǎng)絡，其中域1內(nèi)為節(jié)點3、5和6，域2內(nèi)為節(jié)點7、9和13，域3內(nèi)為節(jié)點15、16和18。節(jié)點間為雙向連接，增加了保護機制的可用路徑。

圖5 VPI系統(tǒng)

3.1 參數(shù)設置

圖5的系統(tǒng)采用了TxExtModLaser、FiberNLS、WDM_MUX_N_1_Ideal、Fork、Powermeter、AmpSysOpt、SignalAnalyzer和Const等模塊。由于本文針對靜態(tài)環(huán)境下組播業(yè)務分配進行研究，PCE相關結(jié)構并未在系統(tǒng)中顯示，而是由節(jié)點代替其一部分功能。本文設置故障模塊并設定衰減值，當衰減值達30 dBm 以上認為該鏈路故障。另外，系統(tǒng)中的光纖長度不一隨機設置。系統(tǒng)主要參數(shù)設置如表1所示。

表1 參數(shù)設置

3.2 實驗結(jié)果分析

3.2.1 無保護機制系統(tǒng)實驗結(jié)果

圖6(a)為無保護機制的多域光網(wǎng)絡系統(tǒng)正常運行時的光譜圖，圖中4種頻率的光信號可用于至少4個組播請求。當鏈路遭受故障時，所得光譜圖如圖6(b)所示，光信號整體功率值衰減30 dBm, 其中中心頻率為192.9 THz。由于實驗中設置的故障模塊只針對功率進行衰減，默認衰減達30 dBm則不能滿足正常業(yè)務傳輸需求，故此時接收端不能正常接收業(yè)務。

圖6 故障前后無保護機制的多域光網(wǎng)絡系統(tǒng)光譜圖

3.2.2 基于SMDP算法的系統(tǒng)實驗結(jié)果

圖7(a)為基于SMDP算法的多域光網(wǎng)絡系統(tǒng)的光譜圖，建立組播工作樹和組播專用保護樹; 當組播樹上的路徑發(fā)生故障所得光譜圖如圖7(b)所示。一旦檢測到發(fā)生故障，迅速切換至組播保護樹將業(yè)務流傳輸?shù)绞芄收嫌绊懙娜~節(jié)點。從圖7可以看出，無論是光譜形狀還是光譜的功率與故障前系統(tǒng)的相似度達99%以上，所以業(yè)務可以繼續(xù)傳輸，該系統(tǒng)也實現(xiàn)了對故障路徑的保護，保證了組播業(yè)務的正常傳輸。

圖7 故障前后基于SMDP算法的多域光網(wǎng)絡系統(tǒng)光譜圖

3.2.3 算法比較

本文對最優(yōu)路徑對(OPP)算法，SMDP算法和組播1+1算法進行性能比較，其中OPP算法是指對組播業(yè)務的每個目的節(jié)點建立單播路徑對連接，而組播1+1算法旨在建立兩個鏈路不相交的組播樹，然后同時提供兩路相同的業(yè)務用于接收端的擇優(yōu)接收。

圖8為在不同數(shù)量的葉節(jié)點下運行OPP算法、SMDP算法以及組播1+1算法所得的成本，以光纖長度(單位m)為單位。由于OPP算法建立發(fā)送端到各接收端的路徑對所以成本相對較高；而SMDP算法作為一種專用保護算法，利用博弈論的競爭關系對組播1+1算法的尋路過程進行優(yōu)化，以最優(yōu)路徑對的形式構造兩個組播樹代替重復尋找組播樹，從而較組播1+1算法而言提高了效率、降低了成本。

圖8 三種算法的成本對比

圖9是對于不同數(shù)目的組播請求，在靜態(tài)環(huán)境下進行路徑分配所占用的鏈路資源利用率的比較。其中面對同樣組播請求數(shù)，SMDP算法構造的組播保護樹之間可以共享鏈路從而資源的利用率得到提高，而其他兩個算法都旨在生成不相交的路徑對，所以SMDP算法表現(xiàn)相對最好。同時隨著組播請求數(shù)的增加，網(wǎng)絡資源利用率也逐漸增加。

圖9 三種算法的資源利用率

4 結(jié)語

隨著光網(wǎng)絡大規(guī)模發(fā)展，再加上各運營商隱私保護需求更加強烈，多域光網(wǎng)絡生存能力變得更加重要。針對靜態(tài)環(huán)境下多域光網(wǎng)絡組播請求配置的復雜性，對其保護方案進行研究。本文基于分層PCE架構和雙矩陣博弈思想，設計了一種多域光網(wǎng)絡靜態(tài)組播專用保護算法，生成鏈路不相交的組播工作樹與保護樹。實驗結(jié)果表明，該算法提高了多域光網(wǎng)絡靜態(tài)環(huán)境下組播業(yè)務的生存能力，平衡了組播工作樹和保護樹的資源消耗，提高了資源利用率。在以后的研究中，將著重對動態(tài)環(huán)境下組播業(yè)務的生存能力進行研究。