基于路径可用性约束的HOWBAN备份路由策略

邹 虹，钟 洋

(重庆邮电大学 重庆高校市级光通信与网络重点实验室，重庆 400065)

基于路径可用性约束的HOWBAN备份路由策略

邹 虹，钟 洋

(重庆邮电大学 重庆高校市级光通信与网络重点实验室，重庆 400065)

备份路由选取，不仅要考虑路径的不相关性，还应考虑业务恢复的资源需求以及备份资源利用率。针对此问题，在光无线混合宽带接入网的融合架构下，确立跨域传输路径可用性与用户对路径可用性需求之间的匹配关系，根据匹配结果分别在光域和无线域划分出2种约束情形，并由此构建用于备份路径选取的条件约束模型，依据此模型选择性预留备份带宽。以提高异构网络资源利用率为目标，将带宽资源划分为工作带宽、备份带宽及空闲带宽，在共享备份原则下，通过渐进优化的方式，按照备份带宽、空闲带宽的先后顺序，完成对工作路径的保护，从而以尽可能少的空闲带宽消耗来保障节点间的连接可用性。数值结果表明，提出的策略有效提高了网络故障恢复率和备份资源效率。

光无线混合宽带接入网；备份路由；条件约束模型；渐进优化

0 引 言

截至目前，业内相关学者提出了多种面向HOWBAN的路由策略，文献[8]通过增加无线节点(access point，AP)的射频接口和光网络单元(optical network unit，ONU)的数量，凭借跨域资源冗余的方式为工作路由提供故障不相关的备份保护，然而，在获取较高生存性的同时也造成了设备资源过度消耗。文献[9]通过统计链路平均故障时间和平均工作时间，以2者比值量化节点或链路的可用概率，并以此为选路依据，但高带宽的PON及状态时变的WMN在故障突发时，无备份情况下大量的数据丢失难以避免。文献[10]通过排队论计算链路时延，并以此为成本指标，结合最大流最小成本思想，以最大吞吐量为目标设计低时延路由策略，然而，此时延计算是基于无重传无故障的理想网络环境。文献[11]在增加设备部署的基础上，为可能发生的故障提供保护资源，但随着业务请求愈发频繁，需要被保护的流量持续上升，在商用环境下提供1∶1保护不仅成本效率低下，而且算法的可实现性难以保证。文献[12]采取共享备份的方式选取从无线路由器到OLT的保护路径，但光域故障后高带宽业务恢复需要大量的无线资源，源节点重传时难以保证获取相应的请求带宽。

综上所述，HOWBAN中时延感知类路由策略较多，但仅能在无故障情况下体现算法的优越性，对突发情形的适应性较差，而链路可用性感知类策略对突发故障的恢复一般需要耗费过多资源，难以应用于实际网络。因此，针对HOWBAN中故障恢复问题，本文以单链路故障为前提，以备份资源的优化利用为目标，依据工作路径的连接可用性是否满足用户的差异化需求，建立选取备份路由的条件约束模型，模型中满足用户需求的工作路径无备份必要性，遵从尽力而为原则从共享备份资源中选出保护路径，对于需要备份的工作路径，采取渐进优化的方式，按照备份带宽、空闲带宽的先后次序选出多条保护路径，最终，在满足用户的路径可用性需求前提下，为需要保护的流量预留恢复资源。

1 条件约束模型

传统的故障不相关保护机制可实现100%业务保护，然而，随着用户的业务请求愈发频繁，上述理论机制可实现性较差且独享备份资源与优化资源利用的理念相悖。以语音、视频及数据业务的3段区分方式难以适应用户与网络运营商之间的个性化服务过程，而服务质量(quality of service，QoS)因用户需求和资费标准的不同而各异，基于这种多样化请求-服务的协商结果，可考虑采取差异化的保护方式，并且相关研究表明，对业务保护的微弱松弛可带来全网部分QoS指标性能的明显改善[13]。因此，本文立足于用户需求存在差异性的角度分析，对比业务对路径可用性需求的门限值和工作路由可用性的概率计算值，判断工作路由的可达条件是否匹配业务请求时的指标约束，根据匹配结果构建备份选择时的条件约束模型(condition constraint model，CCM)，依据CCM对匹配失衡的工作路由计算备份资源。

A(j)=aapi-apj…aapj-onuk·aonuk-olt,

k∈(1,…,K)

(1)

(1)式中：aapi-apj为无线源节点到无线网关多跳路径的连接可用概率；aapj-onuk为网关节点到ONU的连接可用概率；aonuk-olt为ONU到OLT的连接可用概率。

实验表明，从分级旋流器溢流出来的物料粒度已经很细。旋流器溢流中，大于0.5 mm粒级只有1.76%，小于320目粒级的物料占65.82%。由于压滤机和沉降过滤式离心机的产品去向一致，可以考虑直接采用压滤机处理旋流器溢流，这样可减少一个工艺环节，而且工艺流程改变不大。考虑到2台西班牙压滤机及3台SB6400沉降过滤式离心机均属淘汰设备，另外503、505、506压滤机无吹风、压榨等功能，效率低，确定可供选择的方案如下：① 增加两台沉降过滤式离心机；② 改造503、505、506压滤机，增加吹风、压榨功能，提高设备处理能力；③ 扩建压滤厂房，增加6台压滤机及辅助设施。

(2)

图1 不同匹配情形下的备份策略Fig.1 Backup strategy under different match situations

2 基于CCM的备份路由策略

2.1 权值q的多级量化

(3)

2.2 CCM-EBRP策略

在单链路故障前提下，以CCM模型为先决条件，通过对备份带宽和空闲带宽的合理调度，优化端节点间的连接可用性，提高用户的服务满意率，并根据多级链路权值选取具有高资源效用的备份路由。为此，本文提出基于CCM的高效备份路由策略(CCM-efficient backup routing policy，CCM-EBRP)。针对模型中4种代表性案例，设计了不同的备份响应机制，分别对应图1a、图1b、图1c、图1d的4种备份路由方案CE-1，CE-2，CE-3，CE-4。

(4)

(5)

图1c表明光域子网的路径可用性低于用户请求，因长距离的高速光传输及后端多个分光器级联，可能导致传输损耗增加，且链路长度增加故障概率随之提高，高带宽的后端光网络故障将会导致大量的数据丢失，而馈线光纤部分作为回程的唯一路径具有不可替代性，一般已经对其进行了1∶1或1∶N保护。然而，分光器或阵列波导光栅的分配比逐步提高，配线光纤的数目成倍增加，且地形条件复杂，冗余保护机制的成本过高，但结合HOWBAN的网络特性，可通过WMN的自愈功能来转移PON中的故障业务，而ONU作为异构网络的过渡节点，可承载PON中的故障业务并经WMN转移到有备份资源的ONU中。因此，无线域需要满足ONU中故障业务的带宽请求，WMN中多条上行业务流汇聚到onuj，与其相关联的配线光纤故障后，多条业务流需要同时转移且相互之间不可共享备份资源，那么成功选出onuj的备份路径的先决条件是其余全部ONU的预留时隙之和满足onuj的工作带宽需求，如(6)式所示

(6)

(7)

(8)

各路径的瓶颈带宽之和为当前可用备份资源，当满足条件(9)式时，表明当前可用带宽满足备份请求，为优化空闲资源的使用效率，在保证连接可用的前提下，释放部分路径的空闲带宽。

(9)

(10)

图1d表明跨域路径的两端均不满足可用性需求，而与图1b的区别在于选取备份ONU时要排除当前路径关联的ONU，且连接到同一ONU的多条路径在选取备份资源时不可共享带宽，因此，在执行CE-4时需要在CE-2的基础上加入2个约束条件：当前路径的ONU不可再选；流经同一ONU的多个业务不可共享备份资源。针对HOWBAN的异构特性，提出的CCM-EBRP策略能够结合用户需求对业务进行分类保护，既优化了网络服务质量又提高了频谱资源效率，CCM-EBRP的完整算法流程如图2所示。

图2 CCM-EBRP算法流程Fig.2 CCM-EBRP algorithm process

3 数值分析

本文采用NS2仿真平台对CCM-EBRP策略进行性能验证，仿真拓扑按照文献[14]设定，通过设置随机的链路故障，与文献[7]的风险感知路由策略(risk aware routing，RAR)及文献[13]的无线光联合资源分配策略(joint and optical resources allocation，JWORA)进行对比，分析网络负载变化时，3种机制在平均时延、吞吐量、故障恢复及备份资源效率等方面的性能差异。选用随机统一模型以体现背景噪声对传输性能的影响，完成46组故障恢复模拟，针对WMN的43个节点，设置了43组无线域故障，每一组包含的故障次数为不同节点到ONU的跳数，其余3组为光纤链路故障，分别对应3个ONU，每段链路的故障时刻随机，分别统计不同链路故障后的恢复情况，无线节点最大负载2.5 Mbit/s，PON下行速率1 000 Mbit/s，3个ONU的上行可用带宽总和100 Mbit/s，仿真参数设置如表1所示。仿真结果如图3-图6。

表1 仿真参数设置Tab.1 Simulation parameter settings

图3给出了负载变化对业务恢复时延的影响，由图3可知，CCM-EBRP策略降低了故障业务的恢复时延。当节点负载率低于0.3，故障恢复时延在(2～5)ms，无论是否预设备份资源，其恢复过程基本无碰撞退避且排队时延很小，3种机制下的恢复时延近似相同。随着节点负载增大，当节点负载率达到0.8时，RAR，JWORA，CCM-EBRP的恢复时延分别约为50 ms，35 ms，21 ms，RAR算法的RL中仅列举无故障链路，具体的转发路径仍需要计算且每一跳竞争碰撞及重传均会增大平均时延，JWORA为每一次接入请求计算保护路径，预留的传输资源可较快恢复故障业务，但基于备份共享的整数规划易导致多业务共享一条保护路径，ONU故障会导致无线域的多条路径失效，业务恢复时需要竞争少量的备份资源，高恢复时延主要源于备份资源的竞争及节点处排队时延。CCM-EBRP对无线域和光域的故障进行区分，并分别预留了相应的备份带宽，在面临单链路故障时可快速完成业务恢复。

图3 负载变化对恢复时延的影响Fig.3 Effect of load variation on recovery delay

图4给出了负载变化对网络吞吐量的影响。由图4可知，CCM-EBRP策略在保障了业务可靠传输的前提下，提高了网络吞吐量。节点负载率低于0.3时，3种机制的吞吐量均可达到95%，网络处于轻载状态，业务的竞争排队等因素均对传输的影响较小，且故障业务可快速转移，基本实现对全网流量的高效吞吐。随着负载的逐步提高，CCM-EBRP和JWORA可获取较高吐吞量，分别接近70 M和60 M，RAR只有不到40 M，因为RAR故障后进行资源发现会进一步导致网络拥塞，尤其是ONU故障需要消耗与初始路径等量的带宽资源， JWORA预留备份资源不能满足全部故障业务，未被及时转移的部分故障业务暂存于网络中等待转发资源， CCM-EBRP为高带宽的光域数据流进行分流转移，可基本实现流量的快速转移，未被转发的少量业务主要因为高负载时的资源竞争。

图5给出了网络负载变化对故障恢复率的影响。由图5可知，相较其他2种策略，CCM-EBRP策略提升了网络故障恢复率。负载低于0.3时，3种机制的故障恢复接近100%，可能恢复时延会有差距，但均能被成功转移。随着负载增加，RAR的恢复效率快速下降，负载超过0.8时的故障恢复率已不足50%，而相应的JWORA和CCM-EBRP的故障恢复率为58%和80%，CCM-EBRP根据业务需求采取选择性保护，低负载时的已备份资源的相应较少，未被保护的业务在面临突发故障时，在重路由恢复资源时少量业务因请求超时而失败，随着负载提升可共享的备份资源增多，因此对故障的适应性较强。JWORA因较高的备份资源共享率导致多业务故障恢复性能较差，尤其在高负载时超出时延门限的业务会被丢弃，RAR在网络高负荷时进行业务恢复，不仅面临多业务流对资源的竞争，而且单业务的每跳传输均需要经历排队竞争，导致恢复时延大大提高，过多的待恢复业务被丢弃。

图4 负载变化对吞吐量的影响Fig.4 Effect of load variation on throughput

图5 负载变化对故障恢复率的影响Fig.5 Effect of load variation on fault recovery rate

图6给出了负载变化对备份资源消耗的影响。如图6所示，CCM-EBRP降低了备份资源消耗。RAR仅在故障后对待恢复业务进行重路由，因此，对备份带宽资源的消耗为零。JWORA通过整数线性规划为每一次业务计算出同等带宽的备份资源，但单路径恢复需要保证链路带宽满足业务需求，由此导致剩余少量备用带宽的链路无法被利用，随着节点负载达到0.8之后，网络中备份带宽无法再提供共享备份，消耗的备份带宽总量占35%，而CCM-EBRP加入了业务分流机制，由于网络中部分链路的剩余备份带宽不满足业务的备份需求，这部分资源未被其他备份机制利用，通过分流保护则可以实现对这部分资源的充分利用，数值结果表明以28%的备份资源消耗即可完成对高负荷下的业务保护。

图6 负载变化对备份资源消耗的影响Fig.6 Effect of load variation on backup resource consumption

4 结束语

本文综合考虑业务对路径连接可用性需求和跨域路径的可连接性间的匹配关系，建立了备份路由的条件约束模型，为需要备份的工作路由选择共享备份资源，根据当前带宽资源的效用状态划分为工作、备份及空闲3类，预留备份资源时以备份和空闲的先后次序，以最大化备份资源利用率为前提，采取分流保护的方式为工作路径提供备份。

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s：The National Science Foundation of China(61371097, 61401052, 61271261)；The Chongqing Youth Science and Technology Talent Training Program(CSTC2014KJRC-QNRC)

BackuproutingstrategybasedonpathavailabilityconstraintsforHOWBAN

ZOU Hong， ZHONG Yang

Key Laboratory of Optical Communication and Network, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, P. R. China)

Backup route selection is not only the issue of selecting the irrelevant paths, but the needs of the resources for recovery and backup resource utilization should be also taken into account. For this problem, the matching relationship between the availability of the cross-domain transmission path and the demand for path availability is established under hybrid optical wireless broadband access networks, two constraints are divided into optical and wireless domains according to the matching result, based on the constructed conditional constraint model the backup bandwidth can be selectively reserved. In order to improve the utilization rate of heterogeneous network resources, the bandwidth is divided into working bandwidth, backup bandwidth and free bandwidth, under the principle of shared backup and incremental optimization, the working path is protected in the order of backup bandwidth and free bandwidth, thereby with minimal free bandwidth consumption can ensure connection availability. Numerical results show that the proposed strategy effectively improves the network fault recovery rate and backup resource efficiency.

hybrid optical wireless broadband access networks; backup route; conditional constraint model; incremental optimization

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.06.002

2016-10-20

2017-10-25

钟 洋 zhongyangmas@163.com

国家自然科学基金资助项目(61371097,61401052,61271261)；重庆市青年科技人才培养计划(CSTC2014KJRC-QNRC)

TN92

A

1673-825X(2017)06-0717-09

邹 虹(1970-)，女，江西人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为移动通信网络。E-mail:zouhong@cqupt.edu.cn

钟 洋(1989-)，男，安徽人，硕士研究生，主要研究方向为光无线混合网络。E-mail:zhongyangmas@163.com

(编辑：张 诚)