面向業務感知的共享鏈路保護策略研究

魏 勇 ，王旭蕊，趙 煒，孟 顯，袁欣雨

(1.國網河北省電力有限公司 信息通信分公司，石家莊 050021； 2. 天津大學，天津 300072)

0 引 言

彈性光網絡被視為下一代光傳輸網絡主流解決方案[1-4]。彈性光網絡的關鍵特性是用更精細的頻譜隙(Frequency Slot，FS)代替固定的信道間隔，因此光信道可以根據實際需要跨越不同數量的FS[5-6]。

隨著光網絡容量的發展，任何故障引起的網絡中斷都會造成嚴重的后果。例如2017年亞馬遜的云網絡在短短5小時內發生故障，造成1.5億美元的損失。因此，在規劃光網絡系統架構中，必須考慮鏈路故障時的網絡生存性策略[7]。然而，現有的研究工作并未考慮對網絡中業務提供差異化的保護。在通信網絡中，優質服務(Premium Service，PS)業務占比較少，大部分是常規業務，即盡力而為(Best Effort, BE)的業務[8]。PS業務通常要求傳輸層提供快速保護，而BE業務則可在發生故障時丟棄。傳統方法對這兩種類型的業務都采用相同的保護策略，造成資源過度配置。

本文提出一種基于業務感知和診斷的共享鏈路保護策略，為服務質量等級不同的業務提供差異化保護服務以提高頻譜利用率。

1 研究現狀

專用路徑1+1保護策略在實踐中最早被廣泛應用。該保護策略具有較短的恢復時間和高可靠性，但需要消耗大量的頻譜資源[9]。文獻[10]中提出了基于帶寬壓縮的專用路徑保護整數線性規劃(Integer Linear Programming, ILP)模型，將帶寬壓縮技術用于專用路徑頻譜資源，在保證可靠性的前提下可有效節省網絡頻譜資源。由于相同波長的工作和保護路徑之間共享一個轉發器，保護通道的頻譜資源依然不允許共享，增加了網絡的保護開銷；為了減少專用路徑保護策略所消耗的頻譜資源,文獻[11]提出了一種業務和功率感知的路由方案，根據每小時的業務情況調整保護路徑速率；文獻[12]在保護路徑中引入了信號重疊技術，該技術將兩個信號疊加在一起，以提高頻譜效率，但需要對兩個重疊信號進行復雜的功率控制；文獻[13]提出了一種靈活的區分保護機制，可以在不同的路徑保護方案(如無保護、共享路徑保護和1+1保護)之間進行切換，以適應不同的服務可用性。

2 業務感知的優先共享鏈路保護策略

根據通信網的業務需求特點，本文提出了基于業務感知的優先共享鏈路保護策略。

2.1 區分業務

常用的光轉發器無法區分業務類型,而柔性光轉發器可以區分PS和BE業務。因為柔性光轉發器中的光電調制器采用偏振分多路復用-正交相移鍵控(Polarization Division Multiplex Quadrature Phase Shift Keying，PDM-QPSK)，可以復用多個業務。因此，柔性光轉發器可以根據不同業務的權重提供差異化的頻率分配，從而提高共享保護鏈路的頻譜效率。

2.2 基于柔性光轉發器的共享鏈路保護方案

假設在一個波長上有5個FS，其中，兩個FS被用于傳輸BE業務，3個FS被用于傳輸PS業務。如圖1所示，當檢測到光纖斷開時，工作路徑1中使用的載波波長(激光器1)被切換到保護路徑兩中的另一波長(激光器2)，而2個FS的BE業務被丟棄。

圖1 柔性光轉發器工作示意圖

波長的變化會觸發柔性光轉發器內部的被動重路由，無需重新配置波長選擇開關，恢復時間保持在幾十毫秒內。而常規波長選擇開關的重新配置對于單個信道來說至少需要1 s，對于所有信道來說需要幾秒[14]。

2.3 區分業務服務質量的差異化保護方案

在優先共享鏈路保護策略的基礎上，本文提出了一種差異化保護方案，其核心工作機制流程如圖2所示。

圖2 優先共享鏈路保護策略的流程圖

(1) 獲取通信網的網絡狀態。網絡狀態包括通信網的拓撲結構、工作鏈路、頻譜帶寬和柔性光轉發器的配置信息。

(2) 判斷工作鏈路是否正常。在正常情況下，柔性光轉發器處于工作鏈路；在檢測到鏈路故障后，柔性光轉發器切換至共享保護鏈路。

(3) 獲取網絡故障后的拓撲結構和各條鏈路的頻譜使用狀態。

(4) 根據業務的優先級和請求頻率，重排業務請求。

(5) 重新配置柔性光轉發器。由于柔性光轉發器是以更高精細度的FS而不是信道切換，因此高優先級的PS業務可以快速配置到共享保護鏈路中的保護信道。在這個切換過程中，光轉發器以較低的波特率工作，節省共享保護鏈路的頻譜帶寬，降低網絡阻塞率。

(6) 更新網絡中所有鏈路的頻譜使用情況，返回(4)，為下個時刻的業務進行共享保護信道的配置，直到所有業務請求都被處理完畢。

3 問題描述

通過在彈性光網絡中引入業務感知保護策略，最大限度地提高頻譜利用效益，本文提出了具有業務感知保護模型。該模型以物理網絡拓撲結構、業務需求集合和優質業務量占比為約束條件，以最小化頻譜利用率為目標，給出了具有保護業務區分的最優路由和頻譜分配。

3.1 網絡定義

網絡物理拓撲定義為G={V,E,D},式中，V為網絡中所有節點的集合，V={v1,v2,v3,…}；E為所有光纖鏈路的集合，E={e1,e2,e3,…}，光纖鏈路為雙向傳輸，|E|為網絡鏈路的總數；D={d1,d2,d3,…}為業務集合，|D|為網絡中業務的總數；第d個業務為d(s,r,c)，s為起始節點，r為目的節點，c為業務d的信道數。

3.2 ILP模型

優化目標：

式(1)的目標是最小化頻譜使用數量。式中：δe,f為布爾型變量，如果光鏈路e上FSf被占用，則δe,f為1，否則δe,f為0；F={f1,f2,f3,…}為光鏈路中FS集合。假設所有的鏈路中具有相同的FS數。

約束條件：

式(2)和(3)確保了業務集合D={d1，d2，d3，…}中的每一個業務的工作和保護信道不重疊。鏈路上任何一個信道只能用作一個業務的工作或保護信道，以避免不同業務之間的沖突。

與傳統的保護方式不同，由于網絡具有業務感知的保護策略，根據業務保護量的比例，網絡中保護FS少于工作FS的數量，可靈活調整保護FS的數量。

“十二五”時期，我國面臨著經濟發展方式轉型、產業結構升級的緊迫任務，經濟發達地區應該走在前列.經濟發達地區在國內直至國際上具有一定影響力的傳統產業將如何發展，是這些地區面臨的問題.梳理發展傳統產業的理論基礎，借鑒國際經驗，分析傳統產業發展現狀，有利于厘清我國特別是經濟發達地區傳統產業今后的發展趨向.

式(4)和(5)保證每一個業務從起始點到目的點過程中找到所需的工作和保護信道。

式(6)規定了工作和保護信道間的鏈路分離條件。

式中，wc，f為一個布爾型變量，如果信道c包含f，則wc，f為1，否則為0。式(7)給出了FS唯一性的約束條件。

式中，γf也是一個開關變量，如果f被占用，則γf為1，否則為0。式(8)是FS占用的定義。

本文采用CPLEX 軟件求解上述ILP模型。CPLEX軟件是目前世界上頂尖的求解線性規劃、整數規劃和某些非線性規劃的軟件。CPLEX設計的理念是在最小的用戶介入下快速地求解大型復雜問題[15]。求解步驟如下：

步驟1：將節點、鏈路和工作信道等參數，目標函數和約束條件輸入到CPLEX軟件的cplexmilp求解器中，并對業務需求以工作信道和保護信道為軸線的網絡進行初始化；

步驟2：對網絡規模進行初始化并適當調整其大小，將業務d的初始下邊界值設置成d0，以CPLEX對模型進行求解；

步驟3：當模型的求解過程完成后，得到的結果就是最優解，之后轉到步驟5；當不存在可行解時，則轉到步驟4；

步驟4：對業務d的參數進行適當調節，再將此參數加1后，繼續實施求解計算；

步驟5：求解成功后得到的結果就是最優解，跳轉到步驟6；如果不存在可行解，則跳轉到步驟4，以此完成模型的第一次求解過程；

步驟6：輸出最優解，算法結束。

4 仿真結果及性能分析

為了評估業務感知保護策略的性能，本文采用COST239網絡結構(該網絡包含11個節點和52條單向光纖鏈路)進行數值仿真評估，如圖3所示。假設網絡中業務流量為均勻流量，在網絡中的各節點之間隨機發起業務。

仿真中模擬了高、中和低負載3種業務場景。其中，在低負載業務場景中隨機初始化有15個業務的需求；在中負載業務場景中隨機初始化有30個業務的需求；在高負載業務場景中隨機初始化有45個業務的需求。假設網絡容量是無限的，因此，所有的業務需求都得到滿足。

圖3 COST239網絡拓撲

如表1所示，采用偏振復用正交相移鍵控(Polarization-multiplexed Quadrature Phase Shift Keying，PM-QPSK)調制格式，其光信號傳輸受限距離約為3 500 km，可滿足各類型業務需求而不受鏈路物理距離的限制。

表1 基于PM-QPSK調制的業務感知保護策略

根據不同業務負載程度，對不同的業務保護策略進行仿真分析。表2所示為平均頻譜利用率的仿真結果。整體而言，無論在何種負載情況下，減少業務保護量的比例都可減少FS的使用數。由表2可知，從傳統情況下的1+1保護下降到1+0.75保護可以顯著節省頻譜資源。但從1+0.5保護下降到1+0.25保護的頻譜節省效率不如從1+1保護下降到1+0.75保護。這說明保護量和頻譜使用量是一個復雜關系，下面將進一步分析。

表2 不同業務感知保護策略下的平均FS使用數

圖4所示為在不同網絡負載情況下，業務感知保護策略和傳統1+1保護策略的相對頻譜節省率。由圖可知，當采用1+0.75保護策略時，在低負載業務場景和中負載業務場景可獲得更大的頻譜資源節省率。當采用1+0.5保護和1+0.25保護策略時，低負載業務場景下比中、高負載場景下更有效果，其相對節省率均在7%以上。特別地，在低負載業務場景下，采用1+0.25保護策略，可以獲得高達38%的頻譜資源節省率。

圖4 相對頻譜節省率

圖5～7分別對低、中以及高負載情況下，20個業務時序內的FS使用量進行了統計。

圖5 低負載情況下不同保護策略的FS使用量

圖6 中負載情況下不同保護策略的FS使用量

圖7 高負載情況下不同保護策略的FS使用量

圖5所示為低負載場景下FS使用量。整體而言，頻譜平均使用量隨著保護量的降低(從1+1保護降低到1+0.75保護，更進一步降低到1+0.5保護)而降低，但是，這種節省并不總是成立。例如，當策略從1+0.5下降到1+0.25時，業務3～5和業務11的FS使用量并沒有節省。在如圖6所示的中負載場景下以及如圖7所示的高負載場景下，也能得到相似的結論。原因是，本文所提區分服務的共享鏈路保護算法在數學模型上是一個ILP問題。而ILP問題已經被證明無法在多項式級時間復雜度內求得最優解。因此，本文通過CPLEX軟件求解的FS分配解不一定是最優解，導致無法確保隨著保護量的降低，FS使用量也一定降低。

5 結束語

相對于傳統的1+1保護策略，本文提出一種基于業務感知和診斷的共享鏈路保護策略，對PS和BE業務提供差異化保護服務。本文所提的差異化保護策略可以提升頻譜利用率、減少網絡擁塞和運營成本。