通訊網路路徑回復機制與備援頻寬配置之研究

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告

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※ 通訊網路路徑回復機制與備援頻寬配置之研究 ※

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計畫類別：□個別型計畫 □整合型計畫

ˇ

計畫編號：NSC 90－2416－H－009－016－

執行期間：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日

計畫主持人：羅濟群

共同主持人：

計畫參與人員：莊秉文

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

執行單位：國立交通大學資訊管理研究所

中 華 民 國

91 年 10 月 11 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

通訊網路路徑回復機制與備援頻寬配置之研究

Path Restoration and Spare Capacity Allocation for Communications Network

計畫編號：NSC 90-2416-H-009-016

執行期限：90 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日

主持人：羅濟群

國立交通大學資訊管理研究所

計畫參與人員：莊秉文

國立交通大學資訊管理研究所

一、中文摘要 在高速網路中，為了避免傳輸服務因 網路障礙受到影響，可利用網路回復機制 做為解決方案；此外，備援頻寬的備置亦 是保障網路存活度的重要因素。本研究著 重於網狀網路的網路回復機制進行探討， 特別針對動態的傳輸需求，提出適當的備 援頻寬保留與准許控制以保障網路存活 度，並進行必要的數值運算以驗證該解決 方案的效能。本研究的成果可做為保障動 態傳輸需求之網路存活度的參考。 關鍵詞：備援頻寬保留、網路存活度 Abstract

In high-speed networks, a network failure such as an optical link cut can cause a large loss of data. We survey the restoration schemes for mesh-like networks. First, we emphasize on restoration mechanism, backup capacity reservation, and survivability admission control issues. Then we make computational experiments on these mechanisms. Finally, we conclude our results for suggestion and future researches.

Keywords: Backup Capacity Reservation,

Survivability 二、計畫緣由與目的 隨著網路傳輸技術的進步，網路的障 礙管理在近幾年來以慢慢受到重視。多數 針對網路回復機制與備援頻寬備置的相關 研究集中於靜態的網路設計問題，而較少 著眼於保障動態傳輸需求的備援頻寬保留 問題。因此本研究特別針對動態的傳輸需 求，提出保障其網路存活度的解決方案， 期能作為建構可回復式網路時的參考。 本研究計劃的目的，在於提供傳輸頻 寬較大的高速網路中，保障動態傳輸需求 之存活度的解決方案。首先我們以網路回 復機制為出發點，提出適當且有效的網路 回復機制，並設計對應的備援頻寬保留與 准許控制機制，用以保障動態傳輸服務在 單一連線障礙發生時，具有 100%的存活 度；備援路徑的選擇與備援頻寬的使用效 能直接相關，除了提出有效節省備援頻寬 的路由方法外，對於多重障礙發生的狀況 下，我們亦提出適當的備援路徑選擇方法 以提高網路存活度。最後我們進行必要的 數值運算來驗證相關解決方案的有效性與 效能；本研究中所提出的相關機制與研究 方法，期能提供國內外相關領域作為參考。 三、結果與討論 本年度的研究計劃中，我們規劃探討 網狀網路的網路回復機制，並針對動態傳

輸需求提出保障網路活度的解決方案，並 已獲得顯著的研究成果。網路回復機制與 障礙管理的相關議題在近年來慢慢受到重 視，本研究首先針對相關的回復機制進行 探討，選擇適當且有效的回復機制；我們 特別針對備援頻寬保留的問題進行研究； 為了保障動態傳輸服務的存活度，本研究 提出對應的備援頻寬保留機制與准許控制 機制等做為解決方案。 (一)網路回復機制的探討 網路回復的主要精神在於將受影響的 傳輸服務轉換至不同的傳輸路徑，其方式 可分類為連線回復(link restoration)與路徑 回復(path restoration)，其中路徑回復多半 能夠滿足連線回復的需求並具有較高的效 能。在回復機制方面，W. D. Grover 學者所 提出動態搜尋回復路徑的方法，可解決多 種障礙類型並且具有較大的彈性；而 R. Kawamura 則提出事先安排備援路徑的回 復機制，能在既定的障礙類型下有效保障 網路存活度，並提供快速的路徑回復。 A. Gersht 學者針對網路的動態傳輸需 求提出網路回復機制與備援頻寬備置的架 構。如圖 1 所示，適當的傳輸路徑與備援 路徑在傳輸需求發生前先行搜尋，在傳輸 需求發生時，准許控制機制依照網路狀態 驗證網路頻寬與相關資源是否足夠保障該 需求的存活度，並從眾多的傳輸路徑與備 援路徑中選擇適當的路徑組合供傳輸需求 使用與備援；備援頻寬必須事先保留以保 障網路存活度，而當障礙發生時，事先安 排的備援路徑與已保留的備援頻寬可有效 且迅速回復受影響的傳輸服務。 在本研究的規劃下，動態傳輸需求利 用A. Gersht 所提出的架構與 R. Kawamura 的備援路徑回復機制可有效保障存活度並 提供快速的路徑回復，我們進一步探討相 關機制作為整體性的解決方案。 圖1 動態傳輸需求之路徑回復與頻寬保留架構 (二)備援頻寬的配置與保留 備援頻寬是網路回復機制是否能有效 進行的重要因素。備援頻寬的配置是靜態 的網路設計問題，為已知的傳輸服務提供 足夠的備援頻寬，增加的備援頻寬必須事 先設置於適當的連線上；對於動態的傳輸 服務，由於動態新增頻寬較為費時且困 難，如何從已存在的頻寬中保留足夠的備 援頻寬，才是保障存活度的方法。 無論是備援頻寬的配置或保留，一味 地備置大量的備援頻寬亦是提高成本與浪 費資源的作法。就一般狀況而言，備援頻 寬的備置問題可使用線性規劃模式來找尋 對於回復既定網路障礙類型的最佳解。本 研究針對備援頻寬保留問題規劃出整數規 劃模式，對於具有 L 條連線的網路，保障 所有傳輸服務 f p所需在連線i 保留的備援 頻寬xi以及選擇的備援路徑αpq如下：

∑

= L i i x 1 min subject to

∑∑

= = ≥ ⋅ ⋅ − P p Q q pq pq ij p i p f x 1 1 0 ) ( δ α , 1≤ i ≤L,1≤ j ≤L; (δijpq當傳輸路徑p 經過連線 j 且其備 援路徑q 經過連線 i 為 1；反之為 0) 1 1 =

∑

= p Q q pq α , 1≤ p ≤P; xi ≤ si , 1≤ i ≤L; (si表連線i 上未使用的頻寬) xi is an integer; αpq _{= 0 or 1, 1≤ p ≤P, 1≤ q ≤Q}P_. (αpq_{當傳輸路徑p 選擇備援路徑 q 作} 為其預設的回復路徑為1；反之為 0) □

雖然上面所述之整數規劃模式能夠用 以找尋備援頻寬保留的最佳解，但由於該 模式本屬於難解 NP-hard 問題，除了在實 驗階段用來驗證備援頻寬保留機制的效能 外，並不適於在網路運作時動態尋解。 (三)備援頻寬保留機制與准許控制機制 本研究以 A. Gersht 所提出的網路回 復機制與架構為基礎，提出相關機制，包 括備援頻寬保留、備援路徑選擇方式、以 及保障網路存活度的准許控制等，成為完 整的解決方案，茲分述於下： A. 備援頻寬保留 為了保障傳輸服務在單一連線障礙下 具有 100%的存活度，並有效使用備援頻 寬，我們利用所謂的備援相關矩陣記錄每 條連線對於每個障礙所需提供的最低備援 頻寬，並保留該頻寬來保障網路存活度。 由於在單一連線障礙下，障礙不會同時發 生，因此不同的備援路徑可以共享其所需 的備援頻寬。假設 eij表備援相關矩陣的元 素，動態記錄著連線j 發生障礙時連線 i 所 需要的最小備援頻寬，因此連線i 所需要保 留的備援頻寬xi如下所示： ij j i e x =max , j=1,...,i−1,i+1,...,n. 使用備援相關矩陣進行備援頻寬的保留能 有效保障網路存活度並節省網路資源，更 適用於一般網狀網路。 B. 備援路徑選擇 本研究運用前面所提出的備援相關矩 陣，分別針對網路資源的效能與網路存活 度作為考量，提出兩種備援路徑選擇方式： 最小成本(min-cost)選擇 為了節省備援頻寬，對於新的傳輸需 求，可選擇所需保留的備援頻寬量為最小 之路徑作為其預先配置的備援路徑。假設 新需求的傳輸路徑已知，對於每個備援路 徑q，可先計算使用該備援路徑後各連線 i 所需要的備援頻寬 xi*，而備援頻寬保留成

本(backup capacity reservation cost, BCRC) 可定義為：

∑

∈ − = q q b b b x x BCRC B B ( ) * _. (Bq表備援路徑q 所經過的連線集合) 在頻寬足夠的條件下，具有最小 BCRC 之 路徑將指派給新傳輸需求作為備援路徑。 當傳輸需求之傳輸路徑可透過本路徑 選擇機制來決定，頻寬保留成本亦可將傳 輸路徑所需要的頻寬納入考量(combined min-cost)，而具有最小成本的傳輸路徑與 備援路徑組合將指派給新的傳輸需求。 最小期望值(min-expectation)選擇 相對於最小成本的備援路徑選擇，最 小期望值的選擇方式目的在於提高多重障 礙發生時的網路存活度。為了提高網路存 活度，對於每個備援路徑，可計算出障礙 發生時無法回復之傳輸服務期望值，而具 有最小期望值的路徑則選派給新的傳輸需 求。以兩條連線之多重障礙為例，當備援 路徑 q 無法回復時，同時受影響而無法回 復的傳輸服務期望值為：

∑ ∑

∈ ∈ + + = q p q b w bw wb p bw f e P e B W B (( ) ) E . (Wp表傳輸路徑 p 的連線集合，Pbw 表連線b 與 w 同時障礙的機率) 若是傳輸路徑的選擇亦可透過本選擇 機制決定，具有最小期望值的傳輸路徑與 備 援 路 徑 組 合 將 指 派 給 新 的 傳 輸 需 求 (combined min-expectation)。 C. 保障網路存活度的准許控制機制 本研究提出適當的准許控制機制，將 相關的備援頻寬保留機制與備援路徑選擇 方式進行整合；本准許控制機制首先對於 備援相關矩陣進行初始化動作，對於新的 傳輸需求，根據不同的路徑選擇方式指派 新的傳輸路徑與備援路徑，並驗證網路頻 寬是否足夠進行傳輸頻寬與備援頻寬的保 留。其運作流程如圖2 所示：

圖2 保障網路存活度之准許控制機制運作流程 (四)實驗與分析 本研究針對若干網路拓樸(見圖 3)進 行數值模擬與分析，以驗證相關機制之有 效性與效能；為了檢驗實驗結果與比較不 同的路徑選擇機制，我們定義評量參數如 下： 1.平均備援頻寬使用量(ABCC)：為所有連 線所保留的備援頻寬總量除以接受的傳 輸需求數量。 2.網路存活度(NS)：模擬所有單一連線障 礙、2 條連線障礙、3 條連線障礙的存活 度平均值。 為了比較不同的路徑選擇機制，我們 同時使用隨選機制(random)作為比較，相關 的實驗數據如表一。由實驗結果得知，運 用備援相關矩陣能在一般網狀網路下有效 進行備援頻寬保留，並保障單一連線障礙 下具有100%的網路存活度。而在備援路徑 選擇的效能上，最小成本的備援路徑選擇 具有最小的平均備援頻寬使用量，同時也 能接受較多的傳輸需求；而最小期望值的 備援路徑選擇能在多重障礙發生時保持較 高的網路存活度。當傳輸路徑可同時透過 路徑選擇機制選取時(如 combined min-cost 與combined min-expectation 機制)，多半能 夠產生更佳的效能。

(a) Type A (b) Type B

圖3 實驗網路拓樸 表一 備援路徑選擇機制的比較 (a) Type A (b) Type B 本研究所提出機制能在極短時間內指 派備援路徑並進行准許控制，是保障動態 傳輸需求之存活度的有效解決方案，本研 究的路徑選擇機制在大部分的狀況下都優 於隨選機制以及其他常見的路由機制(如 最短路徑)，由於網路的成本效能以及網路 存活度多半難以兼顧，依照需求選擇適當 的路徑選擇機制才是最佳的實作考量。 四、計畫成果自評 目前國內外對於網路回復機制與備援 頻寬備置的相關研究，多半是針對靜態的 傳輸服務回復或集中於網路設計階段的頻 寬配置問題，本研究特別針對動態傳輸需 求，規劃出適當的回復機制、備援頻寬保 留、准許控制機制等，並根據不同的需求 設計適當的備援路徑選擇機制；如同本計 畫初期的規劃，我們以保障網路存活度的 准許控制機制為核心，使用快速且有效的 備援頻寬保留機制與備援路徑選擇方式， 作為保障動態傳輸需求之存活度的整體解 決方案。本研究的研究方法與相關成果對 於相關領域的研究與實作，提供可行的方 針與參考。 五、參考文獻

[1] Chi-Chun Lo and Bin-Wen Chuang, “An Adaptive Survivability Admission Control Mechanism Using Backup VPs for Self-Healing ATM Networks,” Proc. ISCC, 2002.