单链路故障的一种1+N保护策略

陈虹宇

(重庆工商职业学院电子信息工程学院，重庆 400000)

在传统的网络中，网络节点(路由器、交换机等)只对数据进行路由、转发或复制，很难达到网络的最大传输容量。2000年，Ahlswede等［1］基于网络信息流提出了网络编码的思想，其基本思想是在网络节点引入编码融合功能，网络节点对接收到的多个数据分组进行编码后再以多点传送方式(组播)转发出去，不同于传统网络节点的简单存储和转发操作。目的结点收到数据后依据相应的编码系数进行解码恢复原始数据。通过允许网络中间节点进行编码，可以达到网络最大流传输理论的上界。

网络编码概念的提出使原先分立于物理层的“编码”与网络层的“路由”得到了有机地统一。同时，其显著的技术优势也已被应用到网络其他重要方面的研究，如在保障网络链路数据传输的可靠性、安全性，以及提高网络带宽的利用效率等。特别地，随着Internet的迅猛发展，以及移动互联网，高清视频点播、高速宽带上网和云计算等高宽带应用的不断兴起，基于IP的数据业务量爆炸式增长。据统计，IP业务流量年平均增长率达到50%以上。按此计算，6 a后的网络带宽需求将是当前网络的10倍以上［2，3］，这就对传统的光网络提出了新的容量、功能和性能上的需求，也为其发展提供了新的机遇和强大的驱动力量。超高速、超大容量、动态灵活的全光互联网是未来光网络发展的方向。如何提高光网络的生存性能，即提高网络的抗毁性，同时，最大程度地提高网络带宽、波长资源的利用率，已成为光网络通信研究的重要问题之一。目前，网络编码已被国际学术界和业界认定为解决网络传输问题的重要手段［4，5］。

1 网络编码在光组播中的应用

近年来，IPTV、视频点播、视频会议、数字电视、远程教育和远程医疗等业务需求的快速增长，这类多目的节点通信需求的增长和全光网技术的发展，使光层组播(multicast)技术成为人们关注和研究的热点。在IP over WDM网络结构下网络组播可分为3种模式:IP组播、基于光路(light path)的组播和直接在WDM层采用分光技术(Light splitting)实现的组播(光层组播)［6-8］。

在IP组播模式下，依然采用基于IP的逐跳复制转发方法，光层仅在IP路由器之间提供点到点的单播光信道。在基于light path的模式下，利用light path构造的虚拓扑，将数据流直接由源沿一条light path以单路由跳(single IP router-hop)的方式发向各个目的接收点。由于从源到每个目的点仅有单个路由跳，减少了不必要的光-电-光转换，提高了转发效率且保证了业务质量。但是，这种基于光路的组播模式是采用单播光路实现的光组播模拟，网络带宽使用效率低。在光层实现的光层组播则利用某些光器件(如分光器)的组播(分光)能力直接在光层以“光树”的形式实现组播，网络波长资源(波长信道)使用效率较高。

图1是传统光层组播与基于网络编码的光组播的比较，其中 S 为源节点、T1、T2 为目的接收节点，1、2、3、4 为中间节点。假设各链路无差错、无时延，图1(a)中各边的容量为2个波长容量，由最大流最小割定理可知:从源节点S到目的接收节点T1、T2最大传播速率不可能超过4个波长容量。

图1(b)是一个典型的单会话型光组播，光组播树源节点和目的节点之间只有唯一的一条光路进行数据传输，此时每个接收节点(T1、T2)接收数据所达到的最大传送速率为1个波长容量。采取如图1(c)所示的多会话型光组播可提高网络组播速率，图1(c)中每个会话建立一条源节点和目的节点之间的光路。此时每个接收节点(T1、T2)接收数据所达到的最大传送速率为均为3个波长容量，但仍小于由最大流最小割定理确定的最大传播速率4个波长容量。因此，传统的单会话型光组播和多会话型光组播都不能最大限度地利用网络传输能力，提高网络组播效率。

图1 传统组播与基于网络编码的组播

为了改善传统光组播性能，可将网络编码的思想应用到光组播中。如图1(d)所示，通过允许中间节点2对收到的数据a和c，b和d分别进行编码(异或)操作，其编码后产生新的数据分别表示为a⊕c和b⊕d。由此，原来传输的4个波长容量的数据压缩为2个，然后分别在两个光路上发送到目的接收节点T1和T2。T1和T2通过另外两条链路传来的数据a、b和c、d分别进行解码(异或)操作，从而恢复出原始发端数据。对节点T1，当收到数据a、b、a⊕ c、b⊕d后，它可以通过解码得到数据c、d，即:c=a⊕(a⊕c)、d=b⊕(b⊕b4)。同样地，节点T2也可以从数据c、d、a⊕c、b⊕d中解码得到数据a、b。

显然地，采用网络编码后，接收节点T1和T2均可接收到数据a、b、c，d，从而达到了网络的最大传播速率4个波长容量。除此外，采用网络编码后，可达到网络负载均衡。例如:图1(b)中传统单会话型光组播使用了网络中的4条链路，闲置了另外5条链路，使得网络中的链路带宽资源占用不平衡;而图1(d)中采用网络编码的光组播算法则均衡地利用了网络中的全部9条链路。

通过上述分析可以得出，在光组播中应用网络编码，能提高组播速率，实现组播最大容量，并能实现网络负载均衡。

2 网络编码在光网络抗毁性中的应用

网络的抗毁性即生存性(Network Survivability)泛指网络在经受各种网络故障时链路，节点失效，仍能维持可接受的业务质量的能力。在WDM光网络中，一根光纤可以支持成百上千个波长信道，而每个波长的传输速率每秒钟可达几十吉比特，一根光纤的失效将会导致大量业务的中断。相比传统的IP层客户所采用的恢复机制，如传统IP网络采取的“重路由”恢复机制，光层的恢复机制技术具有速度快、灵活、透明、恢复简单、可靠性高以及成本低等优点。所以WDM光网络的生存性问题成为了当前研究的热点问题［9］。

WDM光网络的生存性技术可以分为保护(Protection)和恢复(Restoration)两大类。保护是指事先为业务预留保护资源，当故障发生时，业务可以切换到备用资源上承载［6-9］。恢复是指并不事先为业务预留保护资源，当故障发生后，再动态地寻找网络中的空闲资源来承载那些受故障影响的业务。从保护资源(备份资源)的使用情况来分，WDM网络中的保护机制可以分为专用保护(dedicated protection)和共享保护(shared protection)。在专用保护中，保护路上的备份资源(波长)被保护路所独享，专用保护可分为1+1和1∶1两种方式。在1+1保护方式中，源节点通过工作路和保护路同时向目的节点发送数据，目的节点则采用择优接收的方式从工作路和保护路选择一路信号接收。1+1保护方式中，只需要目的节点检测到信号质量劣化就可以立即完成保护倒换，其保护切换时间短。在1∶1保护中，源节点和目的节点之间也存在着两条事先建立好的路径:一条为工作路径，一条为保护路径。但在网络正常运转的情况下，仅利用工作路径传送业务;只有当工作路径出现故障时，才通过一定的信令过程将业务切换到保护路径上传输。相比1+1保护方式，1∶1保护方式的保护切换时间较长。对于1∶N保护而言，保护路径可以被N条工作路径所共享，当工作路径出现故障时，该工作路径上的业务通过一定的信令过程将业务切换到保护路径上传输。相比1+1、1∶1保护，1∶N保护方式资源利用率高。

3 网络编码的1+N保护算法

基于传统的1∶1保护、1+1保护、1∶N保护，美国Ahmed E.Kamal基于网络编码提出了1+N共享保护机制［10］。基于网络编码的1+N保护具有保护切换时间短、资源利用率高的优点，其基本思想如下:

如图2中的网络模型所示，网络中有3条单向连接的工作通路和一条保护通路，保护路径保护3条工作路径。源节点 Sj(j=1，2，3)同时发送相应的数据单元 sj(j=1，2，3)至对应的目的节点Dj(j=1，2，3)和节点A。3个源节点发送至A节点的数据单元在A节点处通过模二加进行线性组合，然后A节点将模二加之和sum1=s1⊕s2⊕s3发送至另一节点X。目的节点Dj除在对应的工作通路上接收对应源节点Sj发送来的数据单元sj之外，并将接受到的数据单元sj发送给B节点。所有目的节点发送至B节点的数据单元在B节点处通过模二加进行线性组合，然后B节点将模二加之和sum2=s1⊕s2⊕s3发送至节点X(此过程中的节点A、B、X可能是网络中的同一节点或不同节点)。节点A、B、X是否是网络中的同一节点或不同节点是由各源节点之间、各目的节点之间的位置所决定的。

图2 基于网络编码的1+N保护

节点X将节点A发送来的模二加之和sum1与节点B发送来的模二加之和sum2再进行模二加，并将线性组合sum1⊕sum2回送给各目的节点Dj。当整个网络运行正常时，线性组合sum1⊕sum2等于0。当网络中有一链路发生故障失效时，例如S2至D2的工作通路上有一链路发生故障，此时D2节点将接收不到S2节点发送来的数据单元S2，因此其传送给节点B的数据单元的值为0。节点X从节点B处接收到的数据为sum2=s1⊕s3，然后节点X再将线性组合sum1⊕sum2(等于s2)回送给D2。这样虽然节点D2在工作通路上接收不到s2发送来的数据，但其可通过保护通路接收到恢复的数据，实现了网络的抗毁性。与1+1保护相比此保护方法用一条保护通路保护N条工作通路，节省了昂贵的保护资源，提高了网络资源利用率;与1∶N保护相比，当网络中工作通路发生故障时，该保护方法不必通过信令过程将工作路径上的业务切换到保护路径上传输，因此其保护切换时间较短。

4 结束语

本文主要对网络编码的原理，网络编码在光组播中的应用及其在光网络抗毁性中应用研究进行了描述和分析，重点介绍了网络编码在光层组播中的算法和1+N保护算法。在光网络中还可利用网络编码在信息处理和融合上的优势，将其应用到光网络的故障定位机制中，可使从单个信源发出的信息经过不同的探测通路后得到不同的处理。网络编码的理论创新具有普遍意义，应用前景十分广阔，自其提出以来，网络编码理论在信息论、编码、通信网络、网络交换理论、无线通信、计算机科学、密码学、矩阵论等研究领域都受到人们的普遍关注。

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