專利名稱：延遲和共用風險鏈路組約束下優(yōu)化節(jié)點睡眠的路徑保護的制作方法
技術領域：
在延遲和共用風險鏈路組(SRLG)約束下快速尋找一組工作、備用路徑，在使組合路徑的端到端延遲和總可靠性滿足服務質(zhì)量要求的前提下，優(yōu)化網(wǎng)絡中節(jié)點睡眠的路徑保護方法屬于互聯(lián)網(wǎng)路由技術領域，尤其涉及在可靠性參數(shù)約束下降低網(wǎng)絡中節(jié)點能量消耗的綠色節(jié)能網(wǎng)絡領域。
背景技術：
近年來，網(wǎng)絡規(guī)模和能力的擴展導致網(wǎng)絡中設備的能量消耗不斷增大(參考文獻Towards Green Broadband Access Networks, P.Chowdhury, Μ. Tornatore, S.Sarkar, and B. Mukher jee, GL0BEC0M, 2009 IEEE，pp. 1-6，2009.)。為了應對這種趨勢，“綠色網(wǎng)絡，，(參考文獻Greening of the Internet,Μ. Gupta and S. Singh, in Proc. ACM SIGC0MM, Vancouver, BC, Canada, Aug. 2003.)的觀念逐漸被應用于新一代網(wǎng)絡的研究與規(guī)劃中以降低其能量消耗。其中，使用最為廣泛的策略是允許網(wǎng)絡中的部分節(jié)點在自身處于低數(shù)據(jù)流量狀態(tài)時關閉數(shù)據(jù)收發(fā)設備，進入睡眠狀態(tài)。此時，網(wǎng)絡中需要路過該節(jié)點的數(shù)據(jù)被其上游節(jié)點的隊列緩存，直到正處于睡眠的節(jié)點被重新喚醒之后，才被送回鏈路中繼續(xù)傳輸。 因此，上述節(jié)點睡眠機制在節(jié)約能量的同時，所需要付出的代價是以引入節(jié)點睡眠延遲的方式增加數(shù)據(jù)的端到端總延遲，以及減少了路由算法計算路徑時可供選擇(即處于清醒狀態(tài))的中間節(jié)點數(shù)量。在只需要計算單條路徑的傳統(tǒng)路由方式下，上述缺陷通常不會造成路由阻塞率的顯著上升。這是因為單條路徑對網(wǎng)絡資源的需求資源較小，網(wǎng)絡中可用的節(jié)點資源的減少對其影響不大。只要在路徑選擇時，將節(jié)點的睡眠延遲作為路徑代價的一部分，避開可能引入較大睡眠延遲的節(jié)點，數(shù)據(jù)仍然可以在滿足延遲的約束下正常傳輸(參考文獻An average velocity-based routing protocol with low end-to-end delay for wireless sensor networks, S. C. Choi, S. L. Gong, and J. W. Lee, Communications Letters，IEEE， vol. 13，pp. 621-623，2009)。然而隨著數(shù)據(jù)傳輸可靠性在網(wǎng)絡中日益得到重視，單條路徑的可靠性往往不能滿足現(xiàn)代注重可生存性的網(wǎng)絡的要求。因此路由算法需要以路徑保護的方式計算出由1條工作路徑和1條或多跳備用路徑組成的路徑組合(參考文獻=Subpath protection for scalability and fast recovery in optical WDM mesh networks,C. Ou, H. Zang, N. K. Singhal, K. Zhu, L. H. Sahasrabuddhe, R. A. MacDonald, and B. Mukher jee, IEEE J. Sel. Area Commun.，vol. 22，pp. 1859-1875，2004.)。并且為了使組合以后路徑的總可靠性滿足要求，需要保證工作路徑與備用路徑之間有足夠的分離度，其對網(wǎng)絡中可用資源的需求遠大于傳統(tǒng)的單路徑路由方法。特別是WDM網(wǎng)絡中為了避免被共用的高速光纖鏈路故障(參考文獻SurvivabIe WDM mesh networks, S. Ramamurthy, L. Sahasrabuddhe, and B. Mukherjee, IEEE/0SA J Lightwave Technol, vol. 21, pp. 870-883, Apr.2003.)導致參與共用的多條路經(jīng)同時失效(即共用風險鏈路組SRLG風險)，進一步要求路徑之間不僅鏈路分離，還要共用風險鏈路組(SRLG)分離，這就對網(wǎng)絡中可供選擇的節(jié)點數(shù)量以及端到端延遲提出了更要的要求。此時，綠色網(wǎng)絡節(jié)點睡眠機制造成的可用節(jié)點資源減少， 將可能嚴重影響到組合路徑計算的成功率，從而使路由的阻塞率大幅上升。雖然此前一些路徑保護方法中提出的使用局部備用路徑取代完整備用路徑、并且在備用路徑之間允許共用部分鏈路的方法(參考文獻:A novel survivable routing algorithm with partial shared-risk link groups (SRLG)-disjoint protection based on differentiated reliability constraints in WDMoptical mesh networks,L. Guo and L. M. Li,J. Lightw. Technol.，vol. 25，pp. 1410-1415，Jun. 2007.)可以在一定程度上緩解上述矛盾。但是其主要目標是解決網(wǎng)絡鏈路資源不足的問題，對于可用節(jié)點也同樣不足的網(wǎng)絡的效果不夠理想，并且有較大的不確定性。所以在必要時，路徑保護方法不得不喚醒一部分正處于睡眠狀態(tài)的節(jié)點，來減低路由請求因為沒有足夠的網(wǎng)絡資源保證組合路徑總可靠性而被阻塞的概率。但這樣做又會引入另一個問題，除了長時間處于清醒狀態(tài)，節(jié)點頻繁的在不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換也會消耗可觀的時間與能量(參考文獻Routing and Scheduling for Energy and Delay Minimization in the Powerdown Model, M. Andrews,A.Fernandez Anta,L. Zhang, and W. Zhao, INFOCOM, 2010 Proceedings IEEE, pp. 1-5,2010.)。據(jù)現(xiàn)有報道，尚未有延遲、 SRLG約束下的路徑保護方法，能夠在降低路由請求阻塞率與優(yōu)化節(jié)點睡眠(包括網(wǎng)絡中睡眠節(jié)點的平均比例、和節(jié)點狀態(tài)轉(zhuǎn)換的平均次數(shù))之間取得較好的平衡。所以本發(fā)明的目的在于提供一種在共用風險鏈路組約束下快速尋找一組工作、備用路徑，在使組合路徑總可靠性滿足服務質(zhì)量要求的前提下，通過增加網(wǎng)絡中睡眠節(jié)點的比例，和減少節(jié)點在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換次數(shù)，盡可能優(yōu)化網(wǎng)絡中節(jié)點睡眠。為了進一步解釋上述內(nèi)容，下面給出幾個重要的定義1、綠色網(wǎng)絡中節(jié)點的睡眠機制及其造成的睡眠/喚醒延遲給定由N個節(jié)點和E條鏈路構成的網(wǎng)絡G (N，E)。網(wǎng)絡中任意節(jié)點u擁有清醒與睡眠兩種狀態(tài)，當節(jié)點處于清醒狀態(tài)時，路過該節(jié)點的數(shù)據(jù)被無延遲的轉(zhuǎn)發(fā)往下游鏈路端口 ； 當節(jié)點處于睡眠狀態(tài)時，數(shù)據(jù)被緩存在其上游節(jié)點的隊列中，直到該節(jié)點被喚醒才能繼續(xù)傳輸，因此該節(jié)點會對路徑上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)造成睡眠延遲。對于實際網(wǎng)絡，當數(shù)據(jù)開始在一條路徑上傳輸，在到達這條路經(jīng)上某個正在睡眠的節(jié)點之前，實際上已經(jīng)經(jīng)歷了此前一段路徑造成的延遲，所以這個睡眠節(jié)點實際導致的睡眠延遲delsl_—dyma[u]為該節(jié)點預計的喚醒時間減去當前時間(即該節(jié)點自身的睡眠延遲delslrap[u])，再扣除掉此前源節(jié)點S到該睡眠節(jié)點u的路徑延遲時間del (Ps_u)以后的數(shù)值。當該節(jié)點自身的睡眠延遲Clelsleep[u]小于此前鏈路的延遲del(Ps_u)時，該數(shù)值為O。顯然，上述睡眠延遲是一個動態(tài)數(shù)值，當同一個睡眠節(jié)點處在不同路徑、或同一條路徑的不同位置時，其造成的睡眠延遲的數(shù)值是不同的。
當網(wǎng)絡需要立即喚醒其中的某個睡眠節(jié)點時，該節(jié)點從當前時刻，直到處于完全
正常工作的狀態(tài)，也需要一段時間，即造成了喚醒延遲。與上述睡眠延遲實際數(shù)值的計算方法(公式1)完全相同，可以看到該喚醒延遲Clelawake dyma[u]的動態(tài)數(shù)值也是用其自身的喚醒延遲Clelawake[u]扣除此前路徑延遲獲得。2、延遲、SRLG約束下的鏈路代價網(wǎng)絡中任意連接節(jié)點a與b的鏈路a —b的基本代價包括其自身延遲 de Ibasie (a — b)和自身可靠性 re Ibasie (a — b)。在實際的路由計算中，鏈路的實際延遲被計為其自身延遲與其末端節(jié)點造成的睡眠延遲(或喚醒延遲)的和。當其末端節(jié)點處于清醒狀態(tài)時，睡眠延遲的數(shù)值為0.
權利要求
1.在延遲和共用風險鏈路組約束下優(yōu)化節(jié)點睡眠的路徑保護方法，其特征在于包含以下2個主要步驟計算可行的候選路徑使用基于非線性路徑代價的k最短路徑算法(因為本方法需要在求得的路徑中進行挑選，所以k最短路徑算法中每個節(jié)點緩存的候選路徑數(shù)量k > 1)，計算源節(jié)點S到目的節(jié)點D之間的可行路徑；在路徑計算中，鏈路的實際延遲被計為其自身延遲與其末端節(jié)點造成的睡眠延遲或喚醒延遲的和；鏈路的實際共用風險鏈路組(以下簡稱 SRLG)可靠性被計為其自身可靠性和與其所屬的共用風險鏈路組處于非故障狀態(tài)的概率的積；路徑中睡眠節(jié)點實際導致的睡眠延遲和喚醒延遲被計為該節(jié)點繼續(xù)完成剩余的睡眠后被喚醒和立即中斷睡眠直接被喚醒，直到能正常工作的時間減去當前時間，再扣除數(shù)據(jù)從源節(jié)點S到該睡眠節(jié)點路徑上的延遲時間以后的數(shù)值；將路徑計算獲得的所有滿足延遲和 SRLG可靠性約束的候選路徑，按照單條路徑SRLG可靠性大小降序排列；從候選路徑中選擇工作、備用路徑將排序后的可行路徑中的第一條作為候選的工作路徑；其他路徑作為候選的備用路徑；依次檢查每條候選的備用路徑，確定其是否與候選的工作路徑端到端SRLG分離如果是，則計算并記錄該路徑占用的節(jié)點和鏈路資源；如果不是，則檢驗其與候選的工作路徑的組合路徑的SRLG可靠性是否滿足約束；若滿足約束， 則計算并記錄該路徑占用的節(jié)點和鏈路資源；如果不滿足約束，繼續(xù)檢查下一條候選的備用路徑；當所有候選的備用路徑都已經(jīng)檢查完畢后，若發(fā)現(xiàn)至少一條與候選的工作路徑端到端SRLG分離或能使組合路徑滿足SRLG約束的備用路徑，則選取其中占用的節(jié)點和鏈路資源最少的一條，將候選的工作路徑與挑選出的備用路徑分別作為路徑保護的工作路徑與備用路徑的結果輸出；否則，由于組合路徑的總可靠性無法通過單條保護路徑滿足約束要求，故采用多條路徑或局部路徑的保護方法；依次計算每條候選的備用路徑與候選的工作路徑的組合路徑的SRLG總可靠性與組合路徑占用的總鏈路和節(jié)點資源的比值，選取其中比值最大的一條候選備用路徑與工作路徑進行組合(其中，對于每條候選備用路徑與候選工作路徑SRLG分離的部分，計算其總可靠性與原先候選工作路徑該部分可靠性的比值，將候選工作路徑該部分中每條鏈路可靠性的數(shù)值乘以上述比值，重新計算候選工作路徑的端到端SRLG可靠性，作為組合路徑的SRLG總可靠性)；重復上述過程，直到組合路徑的SRLG 總可靠性滿足約束，或所有已經(jīng)被選中的備用路徑占用的總鏈路和節(jié)點資源超過候選的工作路徑，或所有候選的備用路徑都已被選中；若最終的組合路徑的SRLG總可靠性滿足約束，將候選的工作路徑與挑選出的備用路徑分別作為路徑保護的工作路徑與備用路徑的結果輸出；否則，將候選的工作路徑改為它在路徑列表上的下一條路徑，重復上述路徑挑選過程，直到選出滿足要求的從S到D的工作路徑與備用路徑，或列表上所有路徑都已經(jīng)作為候選工作路徑被使用過。
2.如權利要求1所述的方法，其中從候選路徑中選擇工作路徑、備用路徑的步驟，在計算路徑占用的鏈路資源時，路徑占用鏈路的總代價為其經(jīng)過的各條鏈路的代價的和；路徑獨占鏈路上一個此前從未被使用的波長時，該鏈路代價數(shù)值為1除以該鏈路上剩余波長的數(shù)量(鼓勵路徑使用剩余波長資源多的鏈路，以避免某些鏈路成為流量的瓶頸)；當路徑與其他已經(jīng)存在的路徑共享某條鏈路時，該鏈路代價數(shù)值為1乘以其他路徑所屬的工作路徑的總故障概率，再除以該鏈路上剩余波長的數(shù)量(鼓勵路徑與其他被使用概率較小的備用路徑共享鏈路，以減少其所屬的工作路徑同時損壞時，因爭搶備用路徑的鏈路發(fā)生的沖突)。
3.如權利要求1所述的方法，其中從候選路徑中選擇工作、備用路徑的步驟，在計算路徑喚醒的睡眠節(jié)點時，路徑喚醒節(jié)點的總代價為其喚醒的各個節(jié)點的代價的和；正處于清醒狀態(tài)，無需被喚醒的節(jié)點代價為0 ；路徑需要喚醒網(wǎng)絡中一個此前從未被其他路徑共享的節(jié)點時，代價數(shù)值為1加上1除以該節(jié)點的出度(即該節(jié)點連接的鏈路數(shù)量，出度大說明該節(jié)點在網(wǎng)絡拓撲中處于核心的位置，因此有較大的可能在此后其它路由請求的路徑計算中被使用，本方法鼓勵路徑喚醒這樣的節(jié)點，以減少其它的路由請求進一步喚醒額外的睡眠節(jié)點，從而減少需要被喚醒的節(jié)點總數(shù)和對節(jié)點的喚醒次數(shù)、降低整個網(wǎng)絡的能量消耗)；當路徑與其他已經(jīng)存在的路徑共享某個節(jié)點時，代價數(shù)值為1除以參與共享的路徑數(shù)量，加上1除以該節(jié)點的出度(被共享次數(shù)越高表示該節(jié)點的喚醒會避免更多路由請求喚醒額外的睡眠節(jié)點，本方法鼓勵路徑喚醒這樣的節(jié)點，原因同上)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在延遲和共用風險鏈路組約束下優(yōu)化綠色網(wǎng)絡中節(jié)點睡眠的路徑保護方法。該方法在路徑計算中考慮了睡眠節(jié)點之前路徑延遲對該節(jié)點造成的睡眠或喚醒延遲的影響，提高路徑端到端延遲計算精度。對獲得的路徑進行選擇時使用的代價函數(shù)不僅保證組合路徑的可靠性符合約束，還通過對路徑占用網(wǎng)絡鏈路、節(jié)點資源的計算，鼓勵保護路徑之間共享鏈路和睡眠節(jié)點資源，從而增加了網(wǎng)絡中睡眠節(jié)點的比例，減少了對睡眠節(jié)點的喚醒次數(shù)。該方法復雜度接近傳統(tǒng)的基于k最短路徑計算的路徑保護方法，且對于網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量的變化有很強的適應性，表現(xiàn)出優(yōu)異且穩(wěn)定的性能。
文檔編號H04L12/24GK102325088SQ201110266879
公開日2012年1月18日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權日2011年9月9日
發(fā)明者劉興春, 劉陽, 鄭錚 申請人:北京航空航天大學