一种基于网络编码的WDM网络专有分段保护方法

摘要

本发明请求保护一种基于网络编码的专有分段保护方法，涉及光通信技术领域。本发明针对现有保护方法无法兼顾故障倒换时间和耗费资源的特点，提出了一种新的分段保护方法，该方法以端到端路径上节点之间共用波长数量为指标，动态地确定路径上需要保护的部分，并以最短路径算法为其建立一条备用路径以保护此段上的多个工作路径，同时，采用资源回收机制防止过度消耗网络资源。通过备用路径传输，以较低的资源开销实现了单条备用路径对多条工作路径的专有保护。该方法无需等待故障路径的恢复，有效地降低了故障倒换时间，同时合理地控制了保护过程所消耗的网络资源。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及光波分复用网络中的故障保护方法。

背景技术

波分复用技术(WDM)以其传输容量大，对高层协议和应用技术适应性强，以及易于扩展等优点而备受青睐。利用WDM传输技术的光传送网被认为是下一代高速广域骨干网的最具竞争力的选择。保护和恢复是两种WDM网络中经常采用的生存性机制，在网络故障后，恢复机制寻找可用网络资源并且通过重路由使业务绕过故障网元，故障恢复时间长，常常不能满足光网络毫秒级故障恢复时间的要求。保护机制是与网络拓扑结构息息相关的一种特定的快速生存性技术，通过提前为业务分配备用资源的方式，防止可能出现的网络故障。

根据所保护网元的范围保护方法可以分为3类：1.链路保护：工作光路设计过程中，针对该路径上的每条链路准备一条避开该链路的备用路由，并且预留相应的备用波长。当某条链路失效时，所有经过它的工作光路直接在此链路附近寻找备用路由和备用波长，从而绕过失效部分而无需源-目的节点参与，工作光路上未失效的部分保持原状。2.路径保护：源节点建立到达目的节点工作光路，同时也建立相应的端到端的备用通路，并且预留相应的资源。当端到端路径上的中间链路出现故障时，源节点收到故障告警信息之后，将所传输的业务倒换到备份路径上传输；3.分段保护：将端到端路径划分为多个较小单元，即段，并寻找相应的资源建立备用路径为每个段提供保护。与通道保护相比，分段保护方式的主要优点是缩小了恢复的范围，只有与故障发生处相对应的保护段被激活，分段保护方式并不为每条链路都提供一个保护段，因而它比起链路保护又具有更高的资源利用率，但是，该方式没有考虑工作路径上数据传输的情况，仍然难以满足多媒体业务带宽和服务质量的要求。

此外，根据备用路径上资源的使用情况可以将保护方法分为两类，分别为共享保护和专有保护。共享保护属于故障告警信息触发策略，具有相同源节点和目的节点的多个工作网元之间使用相同的备份网元，若所需要保护的网元出现故障，则将其所承载的业务倒换到备份网元，即1∶1方式，这种方式下所消耗的网络资源较少，但是，由于大量波长已经占用，当该段路径上发生故障后，所建立的保护路径跳数相对较长，所耗费的传输延迟以及倒换延迟都将显著地增加所承载业务的端到端延迟。故障告警信息需要在反向路径上传输，增加了故障倒换时间；而专有保护方法中，每个网元都有相应的备份网元，不能互相共享，即1+1方式，倒换时间较短，业务的可用性得到保障，但是所耗费的网络资源较多。资源有限性导致为此段路径提供专有保护将会严重地浪费网络资源。

当前网络中所承载的多媒体业务呈爆炸式增长，对带宽和服务质量的要求随之上升。缩短故障倒换时间并降低资源消耗是保护方法所面临的主要问题，上述现有技术中的保护机制均无法兼顾两个方面问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：针对现有技术中WDM网络保护方法需要尽量降低故障倒换时间，同时节省所耗费网络资源的特点，提出一种基于网络编码的专有段保护方法，根据当前网络资源耗费情况，动态地确定需要保护的网元，采用单条路径对多个工作路径进行专有保护，近似实现零倒换时间，同时极大地降低网络资源消耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：当节点接收到新到达的连接请求之后，对该连接所对应的端到端路径上其它节点波长使用情况进行更新，获得本地节点与中间节点之间共用波长数量。当共用波长数量较多，超过保护门限值时，则表明多个端到端连接经过该段路径，与路径上其它部分(段)相比较，此段路径较为重要，需对其提供保护。

当节点之间的共用波长数超过预先设定的保护门限值之后，则以本地节点为源节点、所对应的中间节点为目的节点，采用最短路径算法为此段路径建立一条备用路径，建立保护段，备用路径的源节点为段首节点，而目的节点为段尾节点。完成保护段的建立之后，段首节点将段内所有工作路径上传输的数据以网络编码的方式沿着备用路径发送至段尾。具体包括如下步骤：

根据系统中节点可用波长数量预先设置保护门限值N，本地节点根据连接请求更新路由表中本地节点和目的节点及其中间节点所使用的波长连接数量；判断本地节点所使用的波长连接数量C_L是否超过预先设定的保护门限值；若没有超过N，本地节点与目的节点之间直接传输数据；若超过N，遍历所有中间节点集合D，进一步逐个判断新连接的端到端路径上各个中间节点C_Di的波长连接数量是否超过保护门限值N，将波长连接数量超过N的对应节点加入到备选段节点集合S；遍历所有备选段节点集合S，找出所有共用波长数量，计算本地节点L与备选段节点集合S中元素的共用波长数量，根据共用波长数量建立共用波长列表W；遍历列表W寻找其中的最大元素CW(即最大共用波长数量)，将其所对应的节点ID设置为Index，比较CW与保护门限值N，若最大共用波长数量超过保护门限N，则以本地节点为源节点，Index为目的节点，以最短路径算法建立对应的备用路径B_p，建立包括工作路径和备用路径的保护段；将建立保护段的发起节点为段首节点，终止节点为段尾节点，段首节点对段内所有工作路径上的数据进行线性编码，并在工作路径和备用路径上传输线性编码后的数据；如保护段工作路径正常，直接将数据转发到目的节点，如保护段内工作路径出现故障，发送故障信息到段尾节点，段尾节点解析备用路径上传输的数据，并通过备用路径继续向目的节点转发线性编码后的数据。

更进一步，源节点对建立的当前保护段进行检测，判断当前网络状态下，保护段中工作路径数量与保护门限值之间的关系，若保护段中工作路径数量低于保护门限值，则连接拆除之后，无需对原有保护段中的网元提供保护，段首节点发送信令通知段尾节点保护段拆除，完成资源回收。拆除端到端连接后，路径上各个中间节点处所占用的波长数量随之发生变化，进而节点之间共同使用波长数量也将发生变化。采用该方法，保护倒换时间即为段尾节点解码时间，可以实现近似零故障保护倒换时间。

本发明提出的基于网络编码的专有段保护方法，当段内的某个工作路径出现故障的时候，段尾节点根据接收到的其他工作路径的编码消息，获得故障路径上所传输的数据，及时倒换，该特征随着网络负载的逐渐增加将会表现得更加明显，有利于扩展。根据当前网络资源耗费情况，动态地确定需要保护的网元，采用单条路径对多个工作路径进行专有保护，近似实现零倒换时间，同时极大地降低网络资源消耗。

附图说明

图11+N分段保护建立流程图

具体实施方式

网络编码是融合了路由和编码的信息交换技术，是在网络中的各个节点上对各条信道上收到的信息进行线性或者非线性的处理，然后转发给下游节点，中间节点作为编码器或信号处理器的角色。通过网络编码，信息的传输效率得到了有效的提高。本发明提出的分段专有保护方法充分利用了网络编码特性，节点动态地、有选择性地为端到端路径中重要的网元提供保护。与端到端专有保护方法相比，本发明提出的方法只针对部分路径提供保护，此外，在保护段内还能够实现采用单条备用路径为多条工作路径提供专有保护，从而保障网络在发生故障时，实现近似零保护倒换时间，显著地减少了用于保护过程的网络资源；与共享保护方法相比，极大地缩短故障倒换时间。

此外，网络中的连接动态到达，持续时间也并不相同，因此，在连接持续时间内，各个节点处波长占用数量也将发生变化。为了有效地避免浪费网络资源，本申请设计了动态资源回收机制。在端到端连接拆除之后，节点比较原端到端路径上的共用波长数量和保护门限值，若低于保护门限值，则拆除保护路径，进一步降低网络资源开销。如图1所示为1+N分段保护建立流程图，具体包括如下步骤：

Step1：根据系统中节点可用波长数量预先设置保护门限值N，根据系统要求，保护门限值的设置可不超过网络中节点平均可用波长数量，也可设为最高可用波长数量或最低可用波长数量。当接收到一个新的连接请求之后，节点更新路由表中所对应各个中间节点的波长使用数量。本地节点根据连接请求更新路由表中本地节点和目的节点及其中间节点所使用的波长连接数量。

Step2：判断本地节点所使用的波长连接数量C_L是否超过预先设定的保护门限值N，若波长连接数量没有超过N，则表明工作路径上所承载的连接数量较少，不需要耗费网络资源为其提供保护，可以按照无保护的方式继续传输。如波长连接数量超过N，则工作路径上所承载的连接数量较多，建立专用保护段对其提供保护，执行Step3。

Step3：遍历所有中间节点集合D，逐一判断新连接的端到端路径上各个中间节点C_Di的连接数量是否超过预先设定的保护门限值N(其中D_i表示第i个中间节点)，若没有超过，则表明这些中间节点转发所承载的连接数量较少，如超过保护门限值N，将该节点作为重要网元，并将超过保护门限值的对应节点加入到备选段节点集合S中，S中的元素包括共用波长数量等信息。

Step4：比较本地节点L与备选段节点集合S，计算本地节点L与备选段节点集合S中元素的共用波长数量，遍历所有备选段节点集合S，找出所有共用波长数量，建立节点与共用波长数量之间的关系表(共用波长列表)，将查找的结果存储在共用波长列表W中，其中，列表W包含节点ID以及波长占用数量，列出共用波长的节点所对应的波长占用数量。WDM网络中，各个节点被多个端到端连接所使用，波长占用数量表明节点所承载业务情况，节点之间共同使用波长数量直观地反映了此段路径的重要性，对于重要路径需要加强保护。

Step5：节点之间路径所共用的波长数量表明该段路径的重要程度，共用波长数量越大，表明此段路径发生故障后对网络的影响越大，为了避免过多的网络资源消耗，对作为重要网元的节点，限定每个节点(共用波长数量大的)在端到端路径上建立一个保护段。建立保护段具体包括，遍历列表W寻找表中的最大元素CW(即最大共用波长数量CW＝max{W₁，W₂，W₃.......})，将其所对应的节点ID设置为Index，如节点k，Index＝k，比较CW与保护门限值N，若最大共用波长数量超过保护门限N，则以本地节点为源节点(Source赋予原节点)，Index对应的节点为目的节点(Dest赋予Index节点)，以最短路径算法建立从源节点到该目的节点之间路径对应的备用路径B_p，该备用路径为源节点到目的节点之间所有工作路径提供保护，建立包括工作路径和备用路径的专用保护段，该保护段中备用路径可为多条工作路径提供保护。

Step6：将建立保护段的发起节点设置为段首节点，终止节点设置为段尾节点。段首节点对段内所有工作路径上的数据进行线性编码，并在工作路径和备用路径上传输线性编码后的数据。线性编码方式可不采用固定的方式，如可采用异或方式等对工作路径P_i上的数据进行线性编码，还可采用其他本领域技术人员熟知的方式对数据进行线性编码。在网络运行过程中，如保护段工作路径正常，直接通过工作路径将数据转发到目的节点，如保护段内工作路径P_i出现故障，将故障信息发送到段尾节点，段尾节点接收到故障信息，根据所接收的备用路径上的数据信息，解析路径P_i上传输的数据，并通过备用路径继续向目的节点转发线性编码后的数据，此种方式下，保护倒换时间即为段尾节点解码时间，这种方法可以实现近似零故障保护倒换时间。同样的方法该备用路径可为多个工作路径提供保护。

端到端连接拆除之后，路径上各个中间节点处所占用的波长数量随之发生变化，进而节点之间共同使用波长数量也将发生变化。源节点对当前所建立的保护段进行检测，判断当前网络状态下，保护段中工作路径数量与保护门限值之间的关系，若保护段中工作路径数量低于保护门限值，则连接拆除之后，无需对原有保护段中的部分网元提供保护，段首节点发送信令通知段尾节点拆除保护段，完成资源回收，如保护段中工作路径数量高于保护门限值，保持保护段的建立，继续通过保护段实施对工作路径的保护，直到保护段中工作路径数量低于保护门限值，拆除保护段。