WDM光纤网故障地光路恢复策略

1 引言

随着网络和多媒体技术的发展，人们对网络带宽的要求越来越大，另一方面，由于光电转换速度的限制，光纤的传输能力又没有得到充分的利用，于是WDM技术在光纤网上的应用得到蓬勃的发展。进入新千年，有些长途主干线路新设的地下光缆将包含100根新型单模光纤，而每对光纤加密集波分多路复用(DWDM)系统可达100路波长，每路波长的数据传输速率达10Gb/s，每对光纤能够同时传输的数据速率达1Tb/s,面对如此巨大的数据传输率，当光纤网某一部件出现故障时，如何高效快速地恢复，是保证网络服务质量的重要问题。

波分多路复用光网易受元件故障的影响，光缆被切断，节点失效，波长复用期/解复用器出现故障均会引起严重的后果，因而WDM光网应有完备的抗故障措施，也就是说当故障出现时，网络应具有对通信进行重新路由和网络重建的能力，即故障的恢复能力。网络的故障恢复既可以在光层提供也可以在较高层的客户层提供，它们各有优缺点。在光层提供的故障恢复具有恢复时间短，资源利用率高，协议透明性的优点。本文主要谈论单链路故障模型(single link failure model)下在光通道层对网络故障的恢复问题。

2 恢复方法的分类

当一条链路发生故障时，与它相邻接的节点能够通过监视链路上能量的强弱来发现故障。发现故障后，有不同的恢复策略。

恢复策略主要分为两大类：主动恢复方法(proactive)和被动(reactive)恢复方法。

被动恢复方法是最简单的，当一条光路(lightpath)出现故障后，寻找一条新光路以绕过故障的过程才开始进行。这种方法在系统没有故障时开销很低，单不能保证恢复成功，在分布式控制协议的情况下，同时为不同的失效光路进行恢复的尝试可能因为冲突要重复好几次才会成功，从而导致网络流量的增加和恢复时间的延长。

主动式恢复可以克服以上缺点，在这种方法中，用标记符标明备用光路(backup pash)的同时，相应的设备光路的资源被预留，从而使主光路出现故障时备用光路随时可用，使故障恢复率达到100%。

主动恢复方法包括：

*备用专用预留方法 每一条光路均有一条专用的备用光路。它的优点是恢复时间短，因为它在建立主光路的同时分配了备用路径，但它保留了过多的资源，也不被看好，本文不做重点介绍。

*备用复用 如果两主光路在链路上是分离的，那么它们不会同时失效(在单链路故障模型的条件下)，因而它们的备用光路可以共享一个波长通道(wavelength channel)，能使资源利用率得以提高。

*主/备用复用 这种技术允许一个波长通道被一个主光路和一个或多个备用光路所共享，在动态业务量的环境下，可以进一步的提高资源利用率，降低客户请求的阻塞率，但恢复保证率下降。

主动恢复方法和被动恢复方法又可以进一步分为基于链路(link-based)的和基于路径(path-based)的方法。基于路径的方法采用源、目的端节点之间重新路由，而基于链路的方法则是把通过失败元件的业务量在失效元件的两个邻接节点间重新路由。

在基于链路的方法中，当一条链路出现故障时，经过这条链路的主光路在这条链路两端的节点之间选择一条新的路径以绕过失效链路。这条新的路径与主光路的没有失效的工作部分形成一条备用路径。在波长选择的网络中因为主光路的一部分被保存下来，所以备用光路必须采用与主光路相同的波长，这样备用路径的选择受到了限制，而且当一个节点失效时，这种方法实现起来十分困难，因而不被看好。在基于路径的方法中，一条备用路径不再保留主光路的工作部分，因而可用与主光路不同的波长，使资源利用率得以提高。

3 静态业务量的光路恢复

下面我们来谈论满足静态业务量的需求的可恢复的WDM网络的设计方法。给定一个需求集和它们的主光路，网络的恢复设计的目的是为所有的主光路寻找备用光路并使所需的容量最小。容量是以单光纤网中的波长数和多光纤网的光纤数来衡量的。

3.1 多光纤网的恢复设计

多光纤网的恢复设计有两种方案，即虚波长通路(virtual wavelength path)和波长通路(wavelenth path)，它们都是以节点具有波长转换功能为前提的，这两个方案都是主动的、基于路径的、与故障无关的，采用了备用复用技术，虚波长通路在不同的链路上可采用不同的波长。每条链路对应着一个加权函数Wi，经过链路i的路径数量Pi对每根光纤上的平均波长数取模得到遗留波长数Ci(即在链路i上最后一条光纤上要利用的波长数),当Ci=0时，Wi=1/Pi;否则，Wi=1/Ci。

虚波通路方案采用一种迭代算法，这种算法以主光路组成的网络开始，首先初始化备用路径选择：链路的失效被一条一条地考虑，当一条链路失效时，加权函数被使用。第二步，备用光路优化：链路的失效再一次被逐条考虑，当一条链路失效时，它上面的主光路被相应的备用光路所替代，在网络中搜寻看是否存在一条新的光路用来替代初始备用光路能减少对光纤总数的需求。

波长通路方案采用与虚波通路类似的算法。第一步初始化，即备用光路选用与它主光路相同的波光。第二步优化时可采用两种方法——(1)新的备用光路选择与主光路相同的波长；(2)新的备用光路可选择不同的波长，这种方法更灵活，但需要客户层的协作。

3.2 波长转换的单光纤网的恢复设计

下面是一种采用与故障无关的波长转换单光纤网的恢复设计方法，它的目的是使所需的加权波长数最小。考虑到单节点和单链路失效，下列要求必须满足；仅当主光路失效时，备用光路的波长才会被使用；主/备用光路在选择链路时应相分离。

这种方法采用启发式算法，恢复问题被分成独立的子集，每个子集对应着一个需求，对应着一个需求的主/备光路对被赋予一个代价值。具体实现有两种：(1)从一个需求的初始可行解法开始，可用作主光路的候选路径按代价的升序排列，对于每条候选主光路，选择一条最好的路径作为备用光路，这一过程继续下去直到主/备用光路对的代价值不再改善。对每一个需求应用上述过程，最终形成对初始问题的解法。(2)从每个满足需求的分离的、最短的主/备用光路对开始，对每个连续需求，先确定主光路，再选择最好的备用光路。这两种算法在一些随机网络的模拟实现显示，第一种算法比第二种算法性能稍好，两种算法都优于基于最短路径的算法，并可以通过备用复用的技术进一步提高它们的性能。

4 动态业务量的光路恢复

与静态业务量不同，动态业务量的光路故障恢复要求计算简单的算法，算法的目标是选择最好的主/备用光路对以改善网络的阻塞性能(阻塞性能指的是连接请求被阻塞的可能性)，也就是说利用固定的资源提供尽可能多的恢复光路。下面介绍两种为动态业务量提供路由的算法，它们均是主动式、与故障无关的、基于路径的方法。

4.1 基于备用光路复用的路由算法

这种算法采用一种更替路由的方法。首先为每一个节点计算一个候选路径集，一个源、目的节点的候选路径应是链路分离的。当一个新的连接请求到达时，最小代价的主/备用光路对被选择。这一对光路所需求的空闲通道应是最少的。一条波长通道如果既没有被主光路又没有被备用光路使用，则它是空闲的。当一条波长通道已经被一条或多条备用光路使用，则它也能被一条新的备用光路使用，而不需要新的空闲的波长通道，因而不需要多余的
 

代价。这个算法的目标是确保为一条新光路提供路由时，网络进入的一个新状态使网络的总的空闲通道数量最大。

对每一条链路的每一条波长通道，算法都维持一张链路表。某链路的每条波长通道的链路表是由经过这条波长通道的所有备用光路所对应的主光路所使用的链路的集合。一条新的备用光路可以使用某条波长通道的条件是它的主光路没有使用这条波长通道的链路表中的任何一条链路。备用光路的波长分配有两种方法：(1)采用与主光路相同的波长；(2)采用任何波长。第一种方法计算起来较简单，但阻塞性能不好。

4.2 主/备用复用地路由算法

这种算法的目标是在允许恢复保证率降低的情况下提高阻塞性能。这里，一条波长通道能被一条主光路和一条或多条备用光路共享，当然对应这些备用光路的主光路就失去了恢复能力。一条新光路的建立可能导致一条链路上不可恢复的光路平均数量的增加，如果这个值超过了某个预先确定的门槛值，这条新光路就不允许建立起来，对应的连接请求被阻塞。选择合适的门槛值可以较好地兼顾恢复保证率和阻塞率。

这种算法的关键是在允许的光路中如何为连接请求选择出一代价最小的主/备用光路对。光路对代价的计算方法是用这对光路使用的空闲波长通道数加上它们所经过的主/备用通道的数目再与一个惩罚性因子相乘。如何计算因新光路对的建立而引起的不可恢复的光路数目呢？当一条新的备用光路经过当前被一条主光路使用的波长通道时，只有这条新建的光路不可恢复，可是当新建的主光路经过一条为其他备用光路所预留的波长通道时，不可恢复光路数的计算就比较复杂。一个直接的解法是记录每一条通道上的备用光路所对应的主光路的标识符和可恢复状态，这就需要大量的存储区和复杂算法，为此可用一个计算简单的启发方式方法去进行估测。这个启发方式方法只需分别知道在一条通道上复用的备用光路、其主光路使用链路及跟踪持续到下一条链路的备用光路的条数。

5 结束语

在以上讨论的几种方法中，基于链路的恢复方法比基于路径的恢复方法有较短的恢复时间，但资源利用率较低。与故障有关的、基于路径的主动恢复方法比与故障无关的方法有较高的资源利用率，但很复杂。利用备用复用技术比专用备用路径资源预留的恢复方法在性能上有显著的提高，而在动态业务量的情况下，主/备用光路复用复用技术又可以进一步提高资源利用率，但导致恢复保证率下降。在当前的技术条件下，由于受光电转换速度的影响，以较低的资源利用换取简单的算未能和短的恢复时间是值得的。目前SONET采用的自愈环(SHR)非常成功，这是因为简单的控制和快速的服务恢复，因此WDM技术与环型网络拓扑结构和结合是很有前景的。