本发明属于光网络组网规划领域,具体涉及一种空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法设计。
背景技术:
1、随着全球化和信息化进程的加速,互联网已成为现代社会的关键基础设施。根据最新的思科全球ip流量预测报告,到2024年,全球互联网用户数量不断增长,平均数据传输速度也显著提升,达到了每秒上百兆比特。这一增长主要得益于大数据应用的广泛普及,包括但不限于远程医疗、在线教育及视频流媒体服务等。这些服务不仅改变了人们的工作和生活方式,也极大地推动了数据流量的增加。随着远程工作、虚拟现实娱乐和智能家居设备的普及,互联网通信活动显著增加,更加凸显了网络的核心地位。特别是在大型活动直播、高清视频会议和实时在线协作平台的日益普及下,网络流量需求达到了前所未有的水平。然而,这种流量的激增也进一步暴露了现有光纤网络在容量限制和需求不确定性方面的问题。
2、这种需求的快速增长对网络的可靠性提出了新的挑战。传统的网络基础设施已经难以应对高密度、高流量的现代通信需求,导致了延迟增加和服务中断的问题。因此,为了满足日益增长的带宽需求和高可靠性的网络服务,研发满足大规模数据传输的网络技术变得尤为迫切。针对现有网络容量上限和路由灵活性的局限,空分复用技术和弹性光网络技术被提出作为应对这一挑战的解决方案。空分复用技术通过使用多芯光纤或单模光纤束实施,不仅大幅增加了光通信的容量,而且相比传统的波分复用技术,提供了更高的空间通道利用率。此外,弹性光网络利用可变频谱切片技术,提供了12.5ghz的灵活频谱窗口,能够根据实际带宽需求动态配置频谱资源,形成具有不同传输容量的光通道,从而支持更高容量和更灵活的光纤传输系统。
3、然而,尽管空分复用技术和弹性光网络技术为克服光网络的传统限制提供了强大工具,但其实施也带来了新的挑战,尤其是在保证网络可靠性方面。空分复用技术的引入虽然增加了传输容量,但同时也引入了诸如核间串扰这样的问题,这限制了信号的最大传输距离,并可能影响网络的整体性能。此外,网络的复杂度随着技术的进步而增加,导致更多类型的网络故障可能发生,例如核心故障、节点故障等,这些问题不仅加剧了网络设计的复杂性,同时也增加了网络运维的难度。
4、网络的复杂性增加导致故障类型多样化,此外,随着大数据应用的普及和用户行为的多变性,网络流量需求的不确定性显著增加。这种需求的不确定性及其对网络资源的压力,使得现有的网络保护策略难以有效应对突发的高流量事件或故障恢复,导致服务中断或性能下降。因此,确保网络的高可靠性和稳定性面临严峻挑战。
5、在这种情况下,如何设计一个鲁棒的网络保护策略,以有效应对各种潜在故障和流量需求的不确定性,成为确保空分复用弹性光网络可靠性的关键。
技术实现思路
1、针对空分复用弹性光网络存在的网络故障以及业务需求的不确定性导致网络服务中断、传输质量下降等问题,本发明提出了一种鲁棒性网络保护方法设计。该方法能够在量化业务需求不确定性的情况下,针对不同种类的网络故障,合理地设计业务请求的工作路径和保护路径、光纤链路核心以及频谱资源分配。
2、本发明采用的技术方案包括以下几个关键步骤:首先,定义网络拓扑和业务请求矩阵,分析各个业务请求的源点、宿点及需求大小。然后,在该网络拓扑下建立一个业务请求工作路径的路由与资源分配模型,并提出一个旨在最小化工作路径最大使用频谱索引的优化问题。接着,根据工作路径的分配结果,考虑业务需求的不确定性,针对任一网络故障建立业务请求保护路径的路由与资源分配模型,并提出旨在最小化保护路径所需预留频谱总数和最大预留频谱索引的优化问题。最后,执行数据仿真,对比分析结果,具体步骤如下:
3、s1、首先,提供网络拓扑和业务请求矩阵,分析各个业务请求的源点、宿点以及需求大小。
4、s2、建立混合整数线性规划模型,为所有业务请求进行工作路径的路由、光纤核心和频谱资源分配。
5、s3、在保证所有业务请求的工作光路可达的前提下,提出了最小化工作路径最大使用频谱索引的问题。
6、s4、根据工作路径的分配结果,运用伽马鲁棒优化技术量化业务需求的不确定性,分析四种网络故障,并建立相应的混合整数线性规划模型,为所有业务请求进行保护路径的路由、光纤核心和频谱分配。
7、s5、在保证所有业务请求的保护光路可达的前提下,提出最小化保护路径所需预留频谱总数和最大预留频谱索引的问题。
8、s6、根据提出的混合整数线性规划模型进行数据仿真,在不同的网络拓扑、不同的业务请求矩阵、不同数量级的参数γ以及需求大小的变化范围下,对比分析不同网络故障下网络整体所需预留的频谱资源,分析导致该差异的具体原因。
9、s4中针对空分复用弹性光网络中存在的四种主要网络故障,本发明详细制定了建立保护路径时所需预留的频谱资源约束,具体如下:
10、a1、当网络遭遇单一光纤链路核心故障时,该核心的故障会导致通过该核心的所有工作路径断连。为此,依据特定的约束来计算因某一核心故障所需预留的频谱总数:
11、
12、a2、当网络遭遇单一网络节点故障时,会导致通过该节点的所有工作路径断连。为此,依据特定的约束来计算因某一节点故障所需预留的频谱总数:
13、
14、a3、当网络遭遇单一网络链路故障时,会导致通过该节点(包括该链路上的所有核心和两端的节点)的所有工作路径断连。为此,依据特定的约束来计算因某一链路故障所需预留的频谱总数:
15、
16、a5、当网络遭遇单一共享风险链路组故障时,会导致通过该链路组(包括属于该链路组的所有链路)的所有工作路径的断连。为此,依据特定的约束来计算因某一共享风险链路组故障所需预留的频谱总数:
17、
18、s4中针对空分复用弹性光网络中存在的四种主要网络故障,本发明在设计保护路径时考虑其间频谱不重叠的方案具体如下:
19、b1、当任意两个请求的工作路径通过同一光纤链路核心,并且该光纤链路核心发生故障时,如果这两个请求的保护路径通过同一链路上的相同核心,则必须保证为它们分配的频谱不能重叠。
20、b2、当任意两个请求的工作路径通过同一网络节点,并且该节点发生故障时,如果这两个请求的保护路径通过同一链路上的相同核心,则必须保证为它们分配的频谱不能重叠。
21、b3、当任意两个请求的工作路径通过同一网络链路,并且该链路发生故障时,如果这两个请求的保护路径通过同一链路上的相同核心,则必须保证为它们分配的频谱不能重叠。
22、b4、当任意两个请求的工作路径通过同一共享风险链路组,并且该共享风险链路组(光缆)发生故障时,如果这两个请求的保护路径通过同一链路上的相同核心,则必须保证为它们分配的频谱不能重叠。
23、s4中针对空分复用弹性光网络中存在的四种主要网络故障,本发明在建立保护路径时应用了伽马鲁棒优化技术以应对业务需求的不确定性。本发明在建立保护路径时应用了伽马鲁棒优化技术以应对业务需求的不确定性。以单一节点故障(a2)为例,其中为工作路径输出的结果参数,在考虑业务需求不确定性时,该约束可改写如下:
24、
25、
26、给定已知的向量η*和参数约束改写后的不确定部分可以用以下形式表示:
27、
28、引入布尔变量zr,函数f(η*,γ)可以被定义为以下的线性问题(经松弛处理后):
29、
30、subjectto
31、
32、对该线性问题求对偶后,可以得到改写约束的线性版本如下:
33、
34、0≤π.
35、本发明的有益效果:本发明提出的空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法,旨在增强网络在面对多样化和不可预测的网络故障时的应对能力。通过细致的保护规划,本方法能有效预防空分复用弹性光网络系统中可能出现的各种网络故障,如核心故障、节点故障及链路故障等。此外,本方法特别考虑了共享风险链路组故障的影响,确保在发生任何故障时,网络能够迅速恢复,保障关键数据传输的连续性和可靠性,从而显著提高了网络的整体稳定性。更进一步,本发明通过引入伽马鲁棒优化技术,针对未来网络流量可能的爆炸性增长,提前规划和优化网络资源分配。这种优化技术不仅满足当前的流量需求,还适应未来流量增长带来的挑战,特别是在高峰时段或突发事件导致的流量激增情况。伽马鲁棒优化使网络设计者能够根据业务需求的不确定性调整网络配置,如动态调节频谱分配和路由选择,从而保持网络性能在高效率水平运行,确保即使在极端条件下也不会出现网络拥塞或性能下降。
1.一种空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法设计,其特征在于,通过综合分析不同网络拓扑条件下的路由决策、保护路径配置及频谱资源分配,针对可能出现的多样化网络故障和业务需求的不确定性进行优化,以增强网络的整体鲁棒性。该方法利用科学的数学建模技术精确定义了空分复用弹性光网络中的路由、核心与频谱分配问题,并通过应用创新的优化模型来配置业务流的网络路径、核心选择及频谱使用,从而确保网络在面对多种潜在故障和不确定的业务需求时能够保持连续运行和维持高服务质量。
2.根据权利要求1所述的一种空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法设计,其特征在于,该方法进一步精细化不同类型的网络故障处理,并考虑业务需求的不确定性,从而提升网络路由和资源配置的合理性与科学性。该方法具体包括:
3.根据权利要求2所述的一种空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法设计,其特征在于,网络拓扑被定义为包含|v|个节点和|e|条链路的双向无环有向图g。其中每条链路由n条单模光纤组成的纤束c作为传输媒介以实现空分复用技术。若干条纤束链路组成的光缆被称为共享风险链路组,整个网络拓扑分为u个共享风险链路组。此外,网络中的业务请求矩阵被定义为r,其中各个请求r∈r,r={sr,dr,tr}由源点sr、宿点dr和需求大小tr组成的集合来表示。网络中的故障类型x共分为四类:核心故障、节点故障、链路故障以及共享风险链路组故障。基于单模光纤束(smf)的空分复用弹性光网络下的路由、核心和频谱分配问题被定义为rssa(routing,space,and spectrumassignment)问题。rssa问题的求解目标是在考虑唯一且单一网络故障情况下,最小化已使用的最大频谱索引(工作路径)和所需的预留频谱总数(保护路径),为每个业务请求分配一条保护路径。
4.根据权利要求2所述的一种空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法设计,其特征在于,伽马鲁棒优化技术被应用于处理因业务需求不确定性导致的问题。单个业务请求r的需求不确定性被定量描述为并据此调整解决方案的保守性水平,以确保空分复用光网络保护系统在面对多变的需求时能够维持其高度的鲁棒性和响应能力。
5.根据权利要求3所述的一种空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法设计,其特征在于,在具体实现上,由于联合解决工作路径和保护路径决策问题的复杂性较高,该问题被分解为一个二阶段优化问题。具体步骤包括:
6.根据权利要求4所述的一种空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法设计,其特征在于,参数γ被定义为取值范围为[0,|r|]的常数。根据参数γ的设定,所有的业务请求r中最多存在个请求被允许需求大小变化,并且存在单个请求tq(q∈r\q),其需求大小的变化范围为参数γ定义了业务需求的不确定性,通过修改原用于决定工作路径和保护路径的混合整数线性规划模型中关于请求需求tr的所有约束并对其进行重新求解。
7.根据权利要求5所述的一种空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法设计,其特征在于,给定固定的网络拓扑以及业务请求矩阵,在某一网络故障下,通过迭代求解工作路径以及保护路径配置的混合整数线性规划模型,直至两个阶段的各自问题的优化目标—最小化已使用的最大频谱索引和最小化所需的预留频谱总数不再变化(迭代次数一般设置为50次)。
8.根据权利要求6所述的一种空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法设计,其特征在于,参数γ的大小设置可以反映业务需求的不确定性。考虑两种极端情况,当|γ|=0时,意味着所有业务的需求大小都是确定的;而当|γ|=|r|时,意味着所有业务的需求大小都是不确定的。通过设置不同数量级的参数γ以及需求大小的变化范围在不同网络拓扑下比较需求确定和不确定两种情况下的网络保护所需预留的总频谱资源。
9.根据权利要求7所述的一种空分复用弹性光网络的鲁棒性网络保护方法设计,其特征在于,通过设置不同的业务请求数量,在不同网络拓扑下比较工作路径所使用的最大频谱索引和保护路径所需预留的最大频谱索引之间的差异。与此同时,在不同种类的网络故障下比较网络所需的预留频谱总数之间的区别。