弹性光网络的多故障生存性虚拟映射方法分析

叶志祥 罗海林 刘全 徐正亚 杨宗铭

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2107-5042-6202

摘  要：寻求合理的弹性光网络多故障生存性虚拟映射方法，能够优化网络系统的使用性能。基于此，该文针对多故障条件下存在的巨量宽带容量损失问题，通过建立相应的灾难模型，构建出了一种蚁群优化虚拟网络映射算法，同时，围绕多故障条件下虚拟网络映射链路问题，提出了可靠性感知业务异化虚拟协同映射算法，分析了弹性光网络的多故障生存性虚拟映射方法构建。

关键词：弹性光网络 虚拟映射 虚拟网络 蚁群优化

中图分类号：G250.72文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2021）06（b）-0016-04

Analysis of Virtual Mapping Method for Multi-fault Survivability in Resilient Optical Networks

YE Zhixiang¹LUO Hailin²LIU Quan¹XU Zhengya¹YANG Zongming¹

（1.Yunnan Power Grid Co.， Ltd.， Baoshan Power Supply Bureau;

2.Yunnan Power Grid Co.， Ltd.， Electric Power Dispatch Control Center， Baoshan， Yunnan Province， 678000 China）

Absrtact： To find a reasonable virtual mapping method for multi-fault survivability of resilient optical networks can optimize the performance of network systems. Based on this， this paper proposes an ant colony optimization （ACO） virtual network mapping algorithm to solve the problem of huge loss of broadband capacity under multi-fault conditions， to solve the problem of mapping links in multi-fault virtual networks， a virtual cooperative mapping algorithm based on reliability-aware service dissimilation is proposed.

Key Words： Elastic optical network; Virtual mapping; Virtual network; Ant colony optimization

彈性光网络是一种借助光正交频分复用技术构建出的网络体系，其具有带宽分配粒度细、灵活等优势。运用该网络并借助相应的生存性虚拟映射方法，能够在光纤链路出现故障的情况下，有效解决巨量带宽容量损失的问题，改善网络系统使用性能，因此，应对弹性光网络的虚拟映射展开深入分析，并寻求合理的虚拟映射方法应用方案，以提升弹性光网络运行水平，促进网络建设工作的发展。

1分析背景

1.1弹性光网络的提出

在网络技术背景下，为了缓解带宽资源紧张的问题，人们研发出了WDM技术，即传统的波分复用技术，该技术虽然极大地提高了光纤资源的利用率，但WDM网络本身缺乏灵活性，带宽资源分配不合理，影响了该技术的实施效果。为此，相关人员以解决技术缺陷为目的，研发出了正交频分复用技术，即OFDM技术，并运用该技术构建出了弹性光网，总体架构见图1，实现了弹性光网的提出。从整体上来看，弹性光网相较于传统的WDM网络，其在实际运用中呈现出了带宽调整灵活、频谱资源利用率、调制自适应，且具有良好的可扩展的优势。目前，所提出的弹性光网络技术参数如表1。

1.2网络虚拟化的产生背景与应用

自互联网被推行应用以来，开启了各行各业网络化的局势，这直接造成了原有互联网框架难以承载当前的网络运营业务，并形成了资源稀缺的问题。在此背景下，人们为解决上述问题，提出了网络虚拟化技术。该技术的原理为，通过将底层物理网络资源进行虚拟化处理，将网络资源转化成为一种“可切片”的资源，再屏蔽底层资源细节，使上层业务可以直接基于该“可切片”的资源实现运行，由此为各项网络业务提供充足的虚拟资源，改善原有互联网框架存在的缺陷。在网络虚拟化技术的应用中，首先，用物理资源构建出的虚拟资源，并将其存放的资源池中，当接到服务申请时，光网络即可根据服务需求，从该资源池中提取相应的虚拟资源，并用这些资源组成一个虚拟光网络拓扑，供网络业务服务用，由此实现网络虚拟化技术的应用^[1]。

2弹性光网络的多故障生存性虚拟映射方法分析

2.1基于蚁群优化的虚拟网络映射方法分析

2.1.1灾难评估模型建设

由于虚拟资源是用底层物理资源转化而成的，所以当人为或自然因素引起的灾难对底层物理设施造成破坏时，弹性光网络中的链路、节点也会被损坏，导致其所承载业务难以正常运行。为此，需要采用生存性虚拟映射的方式，充分利用未被损坏的虚拟光网络，以保证业务的稳定运行。其中，灾难是引发多故障问题的原因，而生存性虚拟映射需要结合故障破坏情况进行，因此，在具体虚拟映射方法的确立上，必须先设置一个灾难评估模型作为算法的运算背景，模拟多故障场景，然后利用蚁群优化法，找出最优的映射方案，由此实现生存性虚拟映射方案的确立。

最后，由于灾害条件下，故障A的发生不是必然的，仅是存在一定几率，因此，还要确立灾难条件下，故障发生的概率函数。在此过程中，可以设该函数为P_A（f），且P_A（f）∈[0，1]，f∈F，由此可以得出：

2.1.2蚁群优化算法的底层链路评估函数设计

待上述灾难评估模型建设完成后，需将其融入到蚁群优化算法中，构建出一个新的底层链路评估函数。在此过程中，灾难评估模型的主要作用是评估出灾难条件下，网络故障概率，为蚁群优化算法的运行提供依据条件，使蚁群优化运算结果能够达到预期的宽带容量损失最小的效果^[4]。基于此，底层链路评估函数可以被设计为：

2.1.3启发性信息和信息素濃度更新公式设计

待底层算法函数设计完毕后，即可按照蚁群优化法，构建出该算法所需的启发性信息公式，以及信息浓度更新公式^[5]。其中，在启发性信息公式设计中，需假设所有物理节点，均为所分析虚拟节点的备选物理节点，再以目标函数的模式，算出每个虚拟节点映射的启发式信息值，此过程，即可作为即将被映射的虚拟链路代价公式运算过程，由此可得出，启发性信息公式为：

其中，L_ij为虚拟链路集合、Con（Map（l_v））为带宽资源消耗量。信息浓度更新公式则为，每完成一次迭代，信息素的更新过程，可以根据上述论述，将该公式设置为：

其中，ρ为信息素挥发因子、n为虚拟节点。此后，结合上述公式，即可得出蚁群优化法下的生存性虚拟网络映射算法流程，如图2。

2.2基于可靠性感知的虚拟网络映射方法分析

2.2.1虚拟网络业务可靠性理论评估模型建设

为了保证虚拟网络映射后，业务运行的稳定性，必须让链路得以被映射到满足其运行要求的物理工作路径上。为此，需要计算链路无法正常传输的概率，由此即可得出其在运行业务期间的可靠性，而业务运行所需的所有链路均可靠，才能认定该业务的可靠，也就是说，在多故障场景下，只有让所有的故障链路均被映射到可靠的物理工作路径上，才能保证业务的正常运行^[6]。在此过程中，可以先评估链路的可靠性，然后为可靠性不满足需求的链路设置相应的物理保护路径，这样即便出现故障，该链路依然能够通过物理保护路径继续支持业务运行，同时，也能消除1+1模式对频谱资源的浪费^[7]。为此，需建立链路可靠性评估模型，然后根据该评估模型得出的运算结果，来判断是否进行物理保护路径映射。在可靠性评估模型建设中，需先列出单位物理光径可靠性计算函数，再基于此，设计出保护物理路径以及工作路径一起出现故障的概率公式。而在弹性光网络中，各个业务共享保护资源，且多故障条件下，可能会存在多条故障链路，此时，就会产生多个虚拟链路均需要该保护资源，未争抢到保护资源的链路则不能继续正常工作。因此，出于对此情况的考虑，还要设计此情况的概率公式。最终将上述公式进行整合得出虚拟链路可靠性公式^[8]。

2.2.2节点重要性度量公式设计

当可靠性模型运算结果表明，需要进行保护物理链路映射后，还要为虚拟节点，选择合适的物理节点，以确保链路映射顺利完成。在此过程中，映射成功的前提是该物理节点具备足够的重要性，因此，在可靠性模型建设完毕后，还要设计一个重要性度量公式，以评估备选用物理节点的重要性，最终选择合适的物理节点进行映射。在度量公式设计中，由于每条链路的可靠性不相同，所以该物理节点应当拥有足够的计算资源、带宽资源，才能有效满足映射需求，增强映射方案的合理性^[9]。

2.2.3业务差异化保护方法确立

映射的主要目的是保证业务的正常运行，因此在映射过程，必须考虑业务的实际运行需求，才能使映射效果达到预期。为此，应针对业务需求，制定差异化的保护方法，通过构建映射方案运算结果差异化的保护函数，将差异化映射功能嵌入到映射方案设计算法中，由此使映射方法的制定更加准确，增强映射效果。在此过程中，需要以减少频谱消耗、保证映射到的物理链路故障率低为目的，设计一个用于选择保护路径的代价函数。但应当注意，根据弹性光网络生存性映射的需求，所选择的保护路径应具备99%以上的可靠性，以确保映射后，虚拟链路能够正常传输，深入优化映射方法制定效果^[10]。

2.2.4联合频谱分配方法确立

在映射过程中，需要对频谱资源进行合理分配，以在充分利用频谱资源的基础上，有效支持映射的成功完成。在此过程中，可以考虑运用首末端匹配相联合的FLF频谱分配方法。在该方法下，频谱分区中工作部分、保护部分是相互分离的，工作者可以为工作、保护部分分别构建相应的代价函数，以衡量映射时，这两部分所需的频谱资源量，然后基于此进行分配，这样不仅能够保证频谱分配的合理性，还可以提高映射的成功率。此外，将该代价函数运用到算法设计中，也能实现对频谱用量的考虑，并通过根据该函数运算结果进行映射路径选择，来避免频谱资源的浪费，提高虚拟映射方案设计效果。

3结语

综上所述，增强虚拟映射方法的落实效果，能够促进网络体系建设工作的发展。在弹性光网的运行中，借助科学的虚拟映射方法，可以在故障情况下，最小化物理路径的带宽容量损失，缓解带宽阻塞的问题，使网络业务运行状态能够得到保障，从而深入优化各类相关信息技术运行的稳定性。

参考文献

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作者简介：叶志祥（1979—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电网管理和运维。