本發明屬于光纖通信和光信號可靠傳輸，涉及共享備份路徑保護和頻譜碎片感知業務可靠光路傳輸方法。

背景技術：

1、在數字化時代，隨著物聯網、5g移動業務、高清視頻通話等大帶寬需求應用的出現，導致互聯網業務呈指數級增長，使得有限的網絡資源變得更加緊缺，光網絡需要不斷提高靈活、動態的傳輸能力，以適應復雜多變的網絡，如何提高網絡資源利用率變得刻不容緩。彈性光網絡(elastic?optical?networks,eons)能夠根據不同業務的帶寬需求動態地進行頻譜資源分配，從而提高資源分配的靈活性和利用率，被認為是提高網絡資源利用率的有效解決方案。

2、在eons的業務傳輸過程中，eons受到的物理層造成的損傷在所難免，如自然災害導致的故障、人為意外切斷網絡光纖等會造成傳輸鏈路故障，任何光路的故障都可能導致大量數據丟失或服務中斷，因此，業務可靠傳輸的研究問題是至關重要的。即使保障了業務的可靠傳輸，但是還得考慮業務傳輸的資源合理分配。由于eons中業務請求是動態建立和終止的，光路也是動態建立和釋放的，從而導致鏈路中會出現不連續的資源碎片，會直接影響頻譜資源的利用和網絡性能，也會導致頻譜資源的浪費，后續業務常常很難利用這些碎片化的頻隙，網絡中的頻譜利用率將會惡化，所以，在資源分配時，應該確保分配的資源既要滿足業務帶寬需求，還要避免產生額外的碎片，從而有效降低業務的阻塞概率。

3、在eons遭遇鏈路故障后可以通過保護和恢復的方法來保障業務繼續傳輸，但恢復方法需要為業務重新找到路徑并分配資源，消耗時間過長，因此，采用保護方法會大大減少消耗時間。在保護方法中，根據保護資源是否可共享，可分為專用路徑保護和共享備份路徑保護，共享備份路徑保護允許在多個保護光路之間共享備份資源，相比于專用路徑保護，共享備份路徑保護更能節省資源，采用該方法還可以大大節省資源消耗。資源分配階段，可以重點關注資源碎片問題，有效提高業務的成功傳輸率。采用碎片感知方法，碎片感知方案是在資源分配時通過防止傳入業務請求的碎片來減少頻譜碎片的產生，這其中的重點是碎片度量的設計，其需要考慮各種因素，比如要考慮各種尺寸的碎片、碎片數等；在基于共享備份路徑保護的eons中，除了工作路徑的碎片度量，還得考慮備份路徑上的資源共享與資源碎片。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明的目的在于提供一種共享備份路徑保護和頻譜碎片感知業務可靠光路傳輸方法，用于保障業務的可靠傳輸。

2、為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、針對彈性光網絡中業務會因鏈路故障造成數據丟失、業務的頻譜資源分配易造成頻譜碎片的問題，提出了一種共享備份路徑保護和頻譜碎片感知業務可靠光路傳輸方法。在該算法中，基于共享備份路徑保護方法，權衡業務路徑的故障概率與路徑資源數目，設計路徑組合的路徑代價函數用以確定業務傳輸路徑。采用一種動態頻譜分區方法，使得業務工作路徑和備份路徑可以采用不同的資源分配方法，還可以使得業務充分利用已有資源區的資源，避免了過多碎片的產生。資源分配方面，提出了工作資源中碎片感知的頻譜窗(spectrum?window,sw)分配公式，備份資源中碎片與備份資源共享感知的頻譜窗分配公式，都旨在減少網絡中頻譜碎片的產生。最后，在發生鏈路故障時，提出一種故障應對方法，用以盡可能地恢復業務。該方法具體包括以下步驟：

4、s1：初始化網絡業務請求、網絡拓撲、鏈路故障概率，鏈路資源平分為三部分作為初始頻譜分區方案，保護頻隙gb＝1頻隙，cf＝12.5ghz，設α1、α2、ω1、ω2，k＝3，轉至s2；

5、s2：業務r(s,d,b)到達，根據業務的源節點s、目的節點d以及傳輸速率b值，得到業務的工作路徑集與備份路徑集；根據業務的路徑故障概率、路徑跳數、路徑資源、路徑調制格式計算業務的工作路徑與備份路徑組合的路徑代價函數，升序放入集合pcost，選擇其中最小值對應的路徑組合，作為該業務的工作路徑與備份路徑，計算業務所需的頻隙數目，轉至s3；

6、s3：在選擇的路徑上檢查是否有滿足業務速率要求的可用頻譜塊，在所選路徑上創建滑動頻譜窗，若有可用頻譜塊，針對業務工作路徑和不可共享備份資源的備份路徑，計算各個頻譜窗的路徑碎片率，選擇采用路徑碎片率最小值對應的頻譜窗位置分配業務的工作路徑資源，針對業務可共享備份資源的備份路徑，計算各個頻譜窗的頻譜適配度函數，選擇采用頻譜適配度函數最大值對應的頻譜窗位置分配業務的備份路徑資源，業務工作路徑與備份路徑資源能成功分配，則轉至s5，否則，阻塞業務，結束算法；若無可用頻譜塊，轉至s4；

7、s4：若選擇的路徑上沒有滿足業務要求的空閑頻譜塊，根據該業務的路徑資源占用情況和路徑平均故障概率執行動態頻譜分區方法，執行完后結合網絡其余鏈路作為新的網絡頻譜分區方案，轉至s3進行業務資源分配；

8、s5：當業務的工作路徑與備份路徑資源均分配成功，業務成功傳輸直至結束，結束算法；當業務工作路徑發生鏈路故障時，激活該業務的備份路徑進行傳輸，若業務無法切換到備份路徑，則采用重路由的故障應對方法，用以恢復業務。

9、進一步地，所述s2中業務工作路徑與備份路徑選擇方法，具體包括以下步驟：

10、s201：根據彈性光網絡拓撲、業務的源節點s、業務的目的節點d，執行k最短路徑算法為業務找到k條最短工作路徑，存入候選工作路徑集pw中，其中，k＝3，轉至s202；

11、s202：針對每一條工作路徑pwi，網絡拓撲中暫時刪去該工作路徑，得到新彈性光網絡拓撲，在該拓撲上再執行k最短路徑算法，得到一條與工作路徑鏈路不相交的備份路徑，存入候選備份路徑集pb，最終得到k對工作路徑與備份路徑組合，轉至s203；

12、s203：根據業務的路徑故障概率、路徑跳數、路徑空閑資源、路徑調制等級計算業務的工作路徑與備份路徑組合的路徑代價函數升序存入集合pcost，轉至s204；

13、路徑組合的路徑代價函數計算公式為：

14、

15、上式中，表示某一業務r所選工作路徑pwi與備份路徑pbi的路徑組合的路徑代價函數；hoppwi表示工作路徑pwi的跳數；hoppbi表示備份路徑pbi的跳數；α1為路徑權重系數，α2為可靠性權重系數，滿足α1+α2＝1；mpwi表示工作路徑pwi的調制等級；mpbi表示備份路徑pbi的調制等級；表示工作路徑pwi上空閑頻隙數目；表示備份路徑pbi上空閑頻隙數目；r(r)表示業務r的可靠性；

16、其中，業務r的可靠性計算公式為：

17、r(r)＝1-p(pwi,pbi)-p(pwi)

18、上式中，p(pwi,pbi)表示工作路徑與備份路徑的同時故障導致業務傳輸失敗的概率；p(pwi)表示工作路徑故障，備份路徑正常時導致業務傳輸失敗的概率；

19、其中，工作路徑與備份路徑的同時故障導致業務傳輸失敗的概率計算公式為：

20、

21、上式中，pwi表示業務r的某一工作路徑；pbi表示業務r的某一備份路徑；pa,b表示工作路徑上鏈路(a,b)的故障概率；pm,n表示備份路徑上鏈路(m,n)的故障概率；

22、其中，工作路徑故障，備份路徑正常時導致業務傳輸失敗的概率計算公式為：

23、

24、上式中，ns表示與當前業務競爭備份資源的業務數目；

25、s204：選擇集合pcost中最小值對應的路徑組合，作為業務的工作路徑與備份路徑，轉至s205；

26、s205：計算得到業務工作路徑所需頻隙數nwi和備份路徑所需頻隙數nbi。

27、業務所需頻隙數通過以下方式計算：

28、

29、上式中，b表示業務所需帶寬(gbps)；cf為單位頻隙帶寬，取值為12.5ghz；m為調制等級；gb為保護頻隙，取值為1頻隙；

30、調制等級與調制格式之間的關系為：

31、

32、進一步地，所述s3分配業務路徑資源，具體包括以下步驟：

33、s301：若業務工作路徑的工作資源區可用頻譜塊不小于業務工作路徑所需頻隙數nwi，即在所選路徑上創建滑動頻譜窗，計算各個頻譜窗的路徑碎片率，選擇采用路徑碎片率最小值對應的頻譜窗位置分配業務的工作路徑資源，轉至步驟s202；否則，業務工作路徑資源分配失敗；

34、路徑碎片率公式通過以下方式實現：

35、

36、其中，ψswi表示路徑資源中左從往右數的第i個頻譜窗的路徑碎片率；表示路徑工作資源區中空閑頻譜塊的數目；表示路徑工作資源區中第i個空閑頻譜塊的頻隙數目；表示路徑工作資源區中最小的空閑頻譜塊的頻隙數目；

37、s302：若業務備份路徑的備份資源區可用頻譜塊不小于業務備份路徑所需頻隙數nbi，即在所選路徑上創建滑動頻譜窗，對于可共享備份資源的業務的備份路徑，計算各個頻譜窗的頻譜適配度函數，選擇采用頻譜適配度函數最大值對應的頻譜窗位置分配業務的備份路徑資源，對于不可共享備份資源的業務的備份路徑，計算各個頻譜窗分配后的路徑碎片率，選擇采用路徑碎片率最小值對應的頻譜窗位置分配業務的工作路徑資源，轉至步驟s203；否則，業務備份路徑資源分配失敗；

38、路徑頻譜適配度函數公式具體通過以下方式實現：

39、

40、其中，表示路徑資源中從右往左數的第i個頻譜窗的頻譜適配度函數；sfsol表示共享備份資源后業務總共占用的頻隙數目；表示路徑備份資源區中空閑頻譜塊的數目；表示路徑備份資源區中第i個空閑頻譜塊的頻隙數目；

41、s303：若業務的工作路徑和備份路徑資源均分配成功，業務成功傳輸，轉至s5，否則，業務傳輸失敗，阻塞業務。

42、進一步地，所述s4中動態頻譜分區方法，具體包括以下步驟：

43、s401：若業務r無法找到可用資源，將對無法找到可用資源的資源區進行擴展操作，其余資源區不進行資源區擴展，轉至s402；

44、s402：得到業務r的工作路徑鏈路數目nw與備份路徑鏈路數目nb，計算r的工作路徑和備份路徑的鏈路平均故障概率，轉至s403；

45、工作路徑的鏈路平均故障概率公式具體通過以下方式實現：

46、

47、其中，表示業務r工作路徑pwi的鏈路平均故障概率；

48、備份路徑的鏈路平均故障概率公式具體通過以下方式實現：

49、

50、其中，表示業務r備份路徑pbi的鏈路平均故障概率；

51、s403：聯合考慮業務的鏈路資源情況資源占用情況和鏈路平均故障概率，分別計算工作資源區衡量函數和備份資源區衡量函數，轉至s404；

52、工作資源區衡量函數具體通過以下方式實現：

53、

54、其中，θw為工作資源區衡量函數；ω1為資源權重系數，ω2為故障概率權重系數，滿足ω1+ω2＝1；nw表示工作路徑鏈路數目；表示r工作路徑上鏈路(a,b)的工作資源區占用的頻隙數；和分別表示r工作路徑上鏈路(a,b)的工作資源區與備份資源區的頻隙總數；

55、備份資源區衡量函數具體通過以下方式實現：

56、

57、其中，θb為備份資源區衡量函數；nb表示備份路徑鏈路數目；表示r備份路徑上鏈路(m,n)的備份資源區占用的頻隙數；

58、s404：當θw≥θb時，r的工作與備份路徑的各個鏈路的工作資源區容量增加，工作資源區向右擴展，公共資源區1/3的資源被合并為工作資源區，計算結果向上取整，轉至s405；

59、工作資源區容量擴展的計算方式具體通過以下方式實現：

60、

61、其中，表示新頻譜分區方案中業務r的路徑上的第i個鏈路的工作資源區的頻隙總數；分別表示原頻譜分區方案中業務r的路徑上的第i個鏈路的工作資源區、公共資源區的頻隙總數；

62、s405：當θw＜θb時，r的工作與備份路徑的各個鏈路的備份資源區容量增加，備份資源區向左擴展，占用公共資源區1/3的資源合并為備份資源區，計算結果向上取整，轉至s406；

63、備份資源區容量擴展的計算方式具體通過以下方式實現：

64、

65、其中，表示原頻譜分區方案中業務r的路徑上的第i個鏈路的備份資源區的頻隙總數；fslib'分別表示新頻譜分區方案中業務r的路徑上的第i個鏈路的備份資源區的頻隙總數；

66、s406：已調整的鏈路結合網絡中其余未調整的鏈路，作為新的網絡頻譜分區方案，轉至s3。

67、進一步地，所述s5中故障應對方法，具體包括以下步驟：

68、s501：當業務的工作路徑與備份路徑資源均分配成功，業務可正常傳輸直至結束，業務傳輸成功，算法結束，否則，轉至s502；

69、s502：當業務的工作路徑發生了鏈路故障，激活該業務的備份路徑，用以保障業務的正常傳輸，轉至s503；

70、s503：不能激活備份路徑的業務選擇pcost中的第二個的所對應的路徑組合，執行重路由。