第四节 网络编码的分段保护机制
一、网络编码的分段保护机制的原理
一种基于网络编码的动态专有分段保护机制，与传统分段保护机制对业务进行逐段完全保护的方法不同,该机制通过动态感知网络负载状况及时发现影响网络可靠性的关键链路,进而对多个关键链路组成的工作段实施重点保护。利用网络编码技术,网络仅需要较少的保护资源即可对关键链路上的各波长业务进行有效的保护。
二、WDM 光网络分段保护的意义
随着WDM 光网络传输速率向100Gbps演进，WDM 光网络的生存性设计成为制约网络发展的重要因素。WDM 光网络的生存性技术主要分为保护技术和恢复技术两类[21]。根据保护范围的不同，保护技术可以分为通道保护、链路保护和分段保护三种。1)通道保护：源节点建立到达目的节点的工作通道，同时建立端到端备用通道，并且预留相应的网络资源。工作通道故障时业务可以倒换到备用通道上传输。2)链路保护：针对工作通道上的每条链路准备一条避开该链路的备用通道，并预留相应的备用波长。当某条链路失效时，所有经过它的工作通道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节点和目的节点参与，工作通道上未失效的部分保持原状。3)分段保护：将端到端工作通道划分为多个较小单元即段，并为每个段建立备用通道提供保护。工作通道上划分出的每个单元称为工作段(Working Segment, WS)，而每个工作段所对应的备用通道称为备用段(Backup Segment, BS)。当工作通道的某个工作段发生故障时，只有故障发生处的备用段被激活，而工作通道上其他工作段仍保持原状。
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12345 (a) 链路保护 (b) 通道保护
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(c) 交迭段保护 (d) 非交迭段保护
图2.5 通道、链路、分段保护对比图
分段保护技术又可以进一步分为交迭段(Overlapped Segment)保护和非交迭段(Non-overlapped Segment)保护两种方式。交迭段保护方式中的各工作段之间可以存在相同的链路或者节点，而非交迭段保护方式则要求不同工作段之间首尾相连，不能包含相同的链路。图2.5(c)和2.5d)分别为交迭段保护和非交迭段保护示例。其中工作通道为(1-2-3-4-5)，交迭段保护方式将工作通道划分为(1-2-3-4)和(2-3-4-5)两个工作段，并建立(1-4)和(2-5)两个备用段进行保护。从图上可见两个保护段上包含相同的链路(2-3)和(3-4)。而如果采用非交迭段保护方式，工作通道将被划分为(1-2-3)和(3-4-5)两个首尾相连的工作段，分别用(1-3)和(3-5)两个备用段进行保护。
从上面的示例可以看出，交迭段保护方式与非交迭段保护方式的主要区别在 于工作链路是否可以受到多于一个备份段的保护。虽然两者都可以对工作段上的 链路 (如链路2-3)提供保护，但是交迭段保护方式还可以对工作段上的节点(如节点3)提供保护，因此，交迭段保护方式的故障生存能力要优于非交迭段保护方式，但缺点是需要耗费更多的网络资源。
分段保护技术通过使用多个备份段来为整条端到端工作通道提供保护，与通道保护技术相比，其优点是缩小了故障恢复范围，当链路或节点发生故障时，只有故障点对应的备用段被激活，因此能够缩短业务恢复时间。另外，由于并不是为工作通道上的每条链路都提供一个备用段，因而分段保护技术和链路保护技术相比具有更高的资源利用率。总体而言，分段保护技术综合了通道保护技术的高资源利用率以及链路保护技术的快速业务恢复两个特点，因此针对WDM光网络的分段保护技术进行研究具有重要意义。
三、WDM光网络分段保护的研究现状
(一)、专有和共享分段保护技术
根据备用段上资源使用方式的不同，分段保护可以分为专有分段保护(dedicated shared protection，DSP)方法和共享分段保护(segment shared
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protection , SSP)方法两类[23]。专有分段保护方法的备用段使用专有保护技术来分配保护资源，即采用备用段预留资源为工作段独占的1+1保护方式，其保护资源不能被其他备用段使用。这种保护方法具有较快的倒换速度，但资源利用率不高。而共享分段保护方法的备用段保护资源可以被多个工作段同时使用，即1：N保护方式[25]，因此能够提高资源利用率，节约网络资源。但是由于需要进行故障检测和告警信息传递，并且需要业务重新传送，因此需要额外增加大量的业务恢复时间。
目前已有大量文献对分段保护方法进行研究。基于分域的思想，提出一种基于较短跳数的启发式算法，将工作通道划分为几个相互重叠并且跳数相同的保护域，然后为每个域中的工作段建立SRLG分离的备用段。这种保护方法虽然减少了通道保护的范围，但由于没有考虑备用段的资源分配情况，因此阻塞率较高。提出一种类似的分域方法对光网络进行分割，将大型WDM光网络先分为较小的域，然后将穿过多个域的工作通道在每个域内划分为多个工作段，每个域为工作段在域内建立备用段。通过限制备用段的范围，路由计算复杂度有所降低。域内的资源仅分配给该域使用，可以实现资源的快速分配，并且具有较短的恢复时间。
早期的文献并没有提出分段保护的数学模型和代数方法[27]。针对这一问题，提出了一种PROMISE共享分段保护算法，通过使用整数线性规划算法和启发式算法来建立数学模型确定工作段和对应的备用段。该算法在为工作通道确定工作分段时就充分考虑网络是否能为该工作段对应的备用段预留网络资源，以此提高保护成功率。在PROMISE方法的基础上，进一步提出了一种级联多元路由(CDR)分段保护方法。该方法由整数线性规划算法和启发式算法组成，其优化目标是查找代价和最小的工作段和备用段组合，从而减少路由计算时间，简化分段算法的复杂性。然而， PROMISE方法和CDR方法的分段设计并不完善，因此针对如何对工作通道进行合理分段，并计算相应的备用段提出了一种递归式子通道保护算法。该算法首先将工作通道的合理设计归纳为四项条件，然后设计算法来优化选择分段的起始节点和终止节点，使得建立的工作段满足上述的四项条件。经过仿真验证该算法具有较低的业务恢复时间，并且算法更加灵活。与先前对整个工作通道提供分段保护的思想不同，以连接可靠性为指标提出一种部分分段的新颖
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保护思路。该文献指出，在满足生存性要求的前提下，可以仅对工作通道的重要工作段提供保护，从而有效降低资源使用量和业务恢复时间。
在设计保护机制时，针对不同业务的服务质量问题，一种通用分段保护(GSP)方法。该方法具有两个特点：1)动态考虑业务请求到达时的资源分配问题，根据资源可用情况将工作通道动态划分为多个交迭工作段，并设计了相应的启发式算法来实现。2）针对不同业务的服务质量要求不同，根据保护倒换时间这一重要指标设计不同的保护策略，保证重要业务的业务恢复时间最小。提出方法的通用性还在于，该方法不仅可以用于WDM光网络，还可以应用于MPLS网络，同时能对单节点和单链路故障提供保护。在GSP方法的基础上，文献[72]进一步提出了两种改进方法，即基于可用性限制的通用分段保护(AC-GSP)方法和基于共享技术的可用性限制通用分段保护(SDAC-GSP)方法。前者提高了通用分段保护中可用备用段的数目，而后者提高了备用段的共享度，以便有效降低网络阻塞率。另外，综合专有和共享分段保护方法，结合区分服务模型，介绍了一种对分段保护可用资源进行有效评估的方法，并提出了相应的代数表达式。文献分别对非交迭和交迭两种分段方式在资源可用性方面给出了代数分析公式。
在考虑SRLG限制的保护设计中，常常出现保护通道因为不能满足SRLG分离的限制条件而无法建立的情况，称之为\陷阱\。针对在分段保护中如何减少陷阱的问题，提出了一种两分段保护算法[28]，该算法证明在大多数情况下，仅需要两个工作段即可对整个工作通道提供有效的保护，进而提出了如何设计两分段的保护算法，进一步将SRLG约束和交迭段保护方式进行综合研究，指出交迭段保护在设计时必须考虑以下两点限制条件：1)同一业务请求的工作段和备用段应该
是SRLG不相关的，2)若多个备用段对应的工作段均是SRLG分离的，则这些备用段应该尽量共享网络资源。针对上述条件，该文献提出一种SRLG分离的交迭段共享保护算法。该算法具有较低的阻塞率和较高的业务恢复成功率。
通过对上述文献的分析可以发现，虽然与通道保护和链路保护两种保护方法相比，分段保护方法在资源利用率和业务恢复时间两个方面能够获得有效的性能折中。但是，不同的分段保护方法在资源利用率、业务恢复时间以及阻塞率上存在着差别。并且，分段保护方法在设计时还要综合考虑SRLG分离、业务质量要
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求等因素，才能充分发挥分段保护方法的性能优势。
（二）、分段保护技术面临的挑战
WDM光网络的发展呈现出两个较为明显的趋势，一是单纤传输速率越来越高，目前单纤已经可以支持Tbps的传输速率，二是业务种类越来越多，语音、视频等多媒体业务的集中传输使得网络业务动态变化特性明显。随着容量的提升和业务的多样性，WDM光网络的生存性设计也面临着巨大的挑战，分段保护方法虽然能够在一定程度上减少保护资源消耗，但仍面临着以下的不足。
1、波长使用代价与保护开销之间存在矛盾：
对通信网络而言，如此高速的传输系统发生任何故障即使时间很短都将造成大量的数据丢失，因此必须采取有效措施减少数据损失；从经济学角度而言，WDM光网络的每根光纤都包含了用户所需的大量信息，因此具有极大的用户效用价值，一旦发生故障将造成巨大的经济损失，势必要采取保护措施对网络进行保护。但是，现有的保护方法通常需要占用大量的光纤波长资源，直接减少了用于正常业务传输的资源数量，不仅加剧了网络的拥塞状况，而且严重影响运营商经济效益的提升。 因此，目前的保护技术在波长使用代价和保护开销之间存在着矛盾。
2、静态业务保护方法与动态业务特性之间存在矛盾：
现有的分段保护方法多是通过提前为业务分配备用保护资源来防止所有可能出现的故障，这种保护方式虽然具有较高的恢复成功率，但是从本质上看均属于静态保护方法，即使设计了不同的业务需求矩阵，也仅仅是将业务划分成不同类型，并不能完全适应网络动态变化的情况。这些保护方法针对小型WDM光网络具有比较好的效果，对于大型WDM光网络，由于节点多，业务随机性大，网络业务负载变化存在诸多不确定性的因素。不仅如此，随着多媒体业务的迅猛发展，WDM光网络业务流量的突发性越来越明显，仅靠单一的静态保护方法显然已经无法解决业务流量激增所带来的问题。
因此，静态分段保护方法已经无法适应WDM光网络的发展需要，必须设计 一种与动态业务变化相适应的动态分段保护方法。
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