异步传输模式网络设计自愈研究
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摘 要：在ATM网络设计中，自愈是指网络发生故障时，在不需要人工干预的情况下，就能很快恢复维持服务连贯性。这包括两个方面：网络计划和运作，其中网络计划包括最佳/接近最佳网络设计，网络运作利用分配冗余信道来处理恢复机制。网络的自愈能力可以用存储率（restoration ratio）来反映，这里采用聚集存储率（aggregate restoration ratio）， 研究的目的是为了比较基于通路和链接恢复网络自愈能力的不同，以及不同设计因素对自愈能力的影响。
关键词：ATM （Asynchronous Transfer Mode） ATM网络恢复 恢复率 聚集恢复率
中图分类号：TP393.15 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）02（c）-0126-02
ATM（Asynchronous Transfer Mode）异步传输模式，收发双方的时钟可以不同，是以信元为基础的一种分组交换和复用技术。选择固定长度的短信元作为信息传输的单位，有利于宽带高速交换。通信网络是一个按功能区分并且相互关联的层次化结构，ATM层属于链路层，IP协议位于网络层，现代网络正在按照IP/ATM/SONET/DWDM发展， 各层相互关联，下层为上层提供服务。一旦某层发生故障，将造成大量信息丢失， 由此应有对应的恢复机制，但是如果各层单独处理恢复，势必造成资源浪费。现在随着ATM/MPLS、IP over ATM等宽带网络的快速发展，原有的ATM骨干网络继续被利用，当面临网络故障，ATM网络的快速恢复是保证服务质量的重要方面。
可以通过概率统计的方法，比对了ATM网络中误码率对ATM网络传输可靠性的影响。ATM网络传输中每帧信元的前5个字节对可靠性的影响更大。而传统纠错编码方案并没针对这一点做出改善。
参考文献[3]已经提供了网络冗余分配，我的研究是基于文献[3]的基础上，用聚集存储率（aggregate restoration ratio）来探讨ATM网络的自愈性，寻找相对优化的自愈方案。
1 AMT网络自愈设计方案
1.1 ATM 网络
ATM网络集虚电路（Circuit Switch）和包交换（packet Switch）网络的优点，不像IP 包，ATM 传输单位信元（cell）固定长度为53 octets （ 前5单位为信息头，后48为信息体）。 信息在最低层以面向连接的方式传送，ATM网络中，通信双方必须在通信之前建立虚连接，虚连接分为两级：虚通道（VP）和虚信道（VC），分别以虚通道标识符（VPI）和虚信道标识符（VCI）来识别，一个VP里面包含一定数量的VC 。在ATM网络中，可以将一个VP/VC，作为一个保护对象，或者将一个区域内的多个节点的VP/VC进行保护 。
ATM网络有很多的优点：交叉连接设备可以连接任意容量的VP，VP/VC连接通路的建立与容量分配独立，具有丰富灵活快速的操作维护管理信元。能支持不同速率的各种业务。
1.2 ATM网络设计方案
两种基本的ATM网络自愈技术是：基于通路 （path-based） 和基于链接 （link-based）[2]，在基于通路的方式中，当传输链路中断时，建立一条虚通路 （VP） 从发送者到接收者，VP的带宽是动态的，备份用的VP，其初始的带宽可以为0。相比于物理上冗余的自愈方法，VP方式提高了网络资源的利用率。而基于链接自愈，当两个端点检测到失效时，两个端点之间寻找通路。
两种存储机制[1]：反应存储（reactive）和预先计划（preplanned） 存储机制。两种重新配置方法：面向故障（failure-oriented）和全局（global）重配，其中全局重配会将没有故障的节点也进行重新配置，这种方法实现简单但是浪费很多资源。这里我采用预先计划存储和面向故障重配方式。
考虑虚通道端到端Virtual Path End-to-End （VPee） 方案以及两层网络模式：物理网络（工作网络）和逻辑网络（冗余网络）。冗余容量（spare capacity）是指安装在冗余网络上用于减少工作网络面临故障时信息的丢失。网络拓扑用G（N，L）表示，其中N表示节点数，L表示連接数，（如后面用到的N（20，30））。在[3]中Spare Capacity Requirement （SCR）定义为：
SCR==
从上式可以得出对于一个已经存在的网络，工作容量已经是一个常量，那么SCR的值实际上就取决于分配的冗余容量。
2 网络自愈问题量化描述
网络自愈问题数学公式化已经在参考文献[3]中提供，[3]用到了平均存储率（average restoration ratio）探讨网络的自愈，也提到了可以用聚集存储率（aggregate restoration ratio）来衡量，我的研究是在文献[3]的基础上以及利用相同的冗余容量设计SCD （spare capacity design），采用聚集存储率研究网络的自愈力。
不同的冗余设计方法SCD定义如下：
SCD-1： 每个链接冗余容量相同（spare capacity）;
SCD-2： 每个链接冗余容量代价相同（spare capacity cost）; SCD-3： 冗余容量和工作容量成比例（proportional）。
SCD-4：冗余容量和工作容量成反比（inversely proportional）。
Restoration Ratio定义为：
其中表示最大数量的存储信息（restored traffic）， 表示最大数量的存储影响信息（restored affected traffic）。s表示网络不正常状态 （S – s0）。
Aggregate Restoration Ratio 表示为：
网络的自愈能力可以表现为，在比较低的SCR值上达到一个比较高的聚集存储率。
3 实验环境
UNIX 平台上用 C语言编程，底层利用MINOS （FORTRAN 软件包）[4] 共同实现复杂的计算。通过不同方法很多次长时间运行C语言软件，得到不同冗余设计方法的大量数据，并且分析结果数据。
4 实验结果分析
4.1 不同SCD方案影响
实验表明了不同的SCD方案所得到的值， 假定通路恢复，单链接故障，N（20，30）。不管是哪种SCD方案，aggregate restoration ratio （）都会随着 SCR 从0%快速增加到一特定值后再随SCR值增加缓慢升高。其中，SCD-1， SCD-2在单链接故障情况下能够满足100%恢复率，而SCD-3， SCD-4不能。在相同的SCR值下，SCD-1达到最高的存储率，SCD-2其次。
4.2 路由策略影响
路由策略影响 （LDP versus APP），N（20，30）网络提供了所有可能路径All Possible Path（APP）vs链接不相交路径Link Disjoint Path（ LDP） 的聚集存储率。APP的在相同SCR条件下存储率比LDP要高，这是因为在优化计算中，路由的选择已经由APP/LDP决定，APP允许更多更灵活的路由选择。
4.3 存储策略影响
存储策略影响，APP N（20，30）网络结果表明了Path Restoration （PR） vs Link Restoration（LR）的聚集存储率。在相同的SCR条件下，PR的存储率比LR要高，这是因为在优化计算中，PR能够更灵活地选择从起点到终点的路由，而LR不能像PR那样可以更好地共享路由。
4.4 网络连接影响
不同网络连接对聚集存储率的影响，两种网络的节点数相同，链接数差异很大。Aggregate restoration ratio 很快增加到分别是60%（对于稀疏网络N（20，30））和50%（对于稠密网络N（20，42）），之后随SCR的增长而緩慢增加。当网络出现故障时，稠密网络具有较高的存储量，比较容易恢复，这是因为相比稀疏网络，在稠密网络中，比较容易找到存储路由。
参考文献
[1] Isaac Woungang， Guangyan Ma（马光艳）， “Survivable ATM Mesh Networks： Techniques and Performance Evaluation”， Journal of Systems and Software， Elsevier， Oct. 2009.
[2] Isaac Woungang， Guangyan Ma（马光艳）， “Survivability in Existing ATM-Based Mesh Networks”， In Proc. of the 23rd IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications （AINA-09）， Bradford， U. K（英国）， May， 2009.
[3] Xiong， Y.， Mason， L.， “Restoration Strategies and Spare Capacity Requirements in Self-healing ATM Networks”， IEEE/ACM Trans. on Networking， 7 （1）： 98-110， 1999.
[4] MINOS5.4， http：//www.sce.carleton.ca/faculty/chinneck/minosiis.html （last visited August 2， 2008）.
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