謝小軍，卓文合

(國網(wǎng)安徽省電力公司信息通信分公司，安徽 合肥 230061)

0 引言

智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬、延遲、可靠性提出了不同的要求[1-2]。鏈路故障恢復(fù)已成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)[3-7]。文獻(xiàn)[3]～文獻(xiàn)[5]提高了備份鏈路的可靠性。文獻(xiàn)[6]提出了服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)約束的鏈路故障多備份路徑恢復(fù)算法。文獻(xiàn)[7]提出了滿足QoS 約束的自適應(yīng)調(diào)整多路徑路由。但是，當(dāng)前研究不能保證鏈路故障發(fā)生時(shí)智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的隔離性，也未能有效實(shí)現(xiàn)故障恢復(fù)時(shí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商損失最小化。網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)在保障業(yè)務(wù)隔離性和QoS方面具有較大優(yōu)勢[8-12]。本文基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，提出了網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下電力通信網(wǎng)服務(wù)故障管理模型和QoS約束的電力通信服務(wù)故障恢復(fù)算法。通過性能分析和仿真試驗(yàn)，證明了本文算法在電力通信服務(wù)故障恢復(fù)能力、電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)收益方面取得了較好的效果。

1 服務(wù)故障管理模型

本文提出的網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下電力通信網(wǎng)服務(wù)故障管理模型如圖1所示。

該模型包括電力通信網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施層(power communication infrastructure，PCI)、服務(wù)故障管理平臺(tái)層、電力通信服務(wù)層(power communication service，PCS)。電力通信網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施層創(chuàng)造和管理電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。PCS根據(jù)電力通信業(yè)務(wù)的需求，租用電力通信網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施層的底層網(wǎng)絡(luò)資源，為用戶提供差異性服務(wù)。服務(wù)故障管理平臺(tái)包括資源抽象與映射、故障監(jiān)測與恢復(fù)兩個(gè)模塊。資源抽象與映射模塊實(shí)現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)資源的抽象，以及底層網(wǎng)絡(luò)資源與PCS的映射。故障監(jiān)測與恢復(fù)模塊監(jiān)測底層網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況。當(dāng)監(jiān)測到底層網(wǎng)絡(luò)資源發(fā)生故障時(shí)，利用資源抽象和映射模塊識(shí)別底層網(wǎng)絡(luò)與PCS的映射關(guān)系，并根據(jù)PCS的QoS要求，對PCS進(jìn)行故障恢復(fù)。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下，當(dāng)?shù)讓泳W(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，可以通過動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)實(shí)現(xiàn)PCS的故障恢復(fù)。所以，PCS具有更好的故障容忍能力。在進(jìn)行PCS故障恢復(fù)時(shí)，如果底層網(wǎng)絡(luò)的備份資源充足，可以通過動(dòng)態(tài)遷移實(shí)現(xiàn)所有PCS的故障恢復(fù)。但是，當(dāng)?shù)讓泳W(wǎng)絡(luò)的備份資源不足或者備份資源也發(fā)生故障時(shí)，會(huì)存在PCS恢復(fù)失敗的可能。失敗的主要原因包括：需要重新分配的PCS資源需求多于備份的底層網(wǎng)絡(luò)可用資源，或者備份的底層網(wǎng)絡(luò)資源的QoS不能滿足PCS對資源的QoS要求。當(dāng)進(jìn)行PCS故障恢復(fù)時(shí)，如果備份資源不能滿足全部PCS的故障恢復(fù)需求，就需要盡量減少因PCS故障恢復(fù)失敗而導(dǎo)致底層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商的損失。為解決此問題，本文提出了基于QoS約束的電力通信網(wǎng)服務(wù)故障恢復(fù)算法。

2 QoS約束的電力通信網(wǎng)服務(wù)故障恢復(fù)算法

2.1 問題描述

網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下，在電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無向圖上，承載多個(gè)電力通信業(yè)務(wù)網(wǎng)，每個(gè)電力通信業(yè)務(wù)網(wǎng)承載多個(gè)PCS。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下電力通信網(wǎng)如圖2所示。

圖2 電力通信網(wǎng)示意圖

(1)

為了實(shí)現(xiàn)電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商的損失最小化，需要從通信故障影響到的PCS的范圍、時(shí)長、后果等方面進(jìn)行分析，從而確定PCS恢復(fù)的優(yōu)先級，并按照此優(yōu)先級進(jìn)行故障恢復(fù)。

2.2 高優(yōu)先級PCS風(fēng)險(xiǎn)值的因素分析

通過對PCS故障恢復(fù)和減少電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)損失的相關(guān)因素分析，本文將網(wǎng)絡(luò)特性、服務(wù)重要度作為求解PCS風(fēng)險(xiǎn)值的依據(jù)。

(2)

服務(wù)重要度主要與服務(wù)的價(jià)值相關(guān)。為了更加方便、準(zhǔn)確地衡量服務(wù)的重要程度，本文采用服務(wù)等級進(jìn)行衡量。一般來說，電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)按優(yōu)先級依次可以分為鉑金服務(wù)、金牌服務(wù)、銀牌服務(wù)、銅牌服務(wù)等幾種類型。服務(wù)等級越高，提供的資源QoS越好，服務(wù)價(jià)格也越高。例如，某地區(qū)范圍內(nèi)的100 MB的電力通信服務(wù)的定價(jià)為：鉑金服務(wù)=100 Unit、金牌服務(wù)=80 Unit、銀牌服務(wù)=60 Unit、銅牌服務(wù)=40 Unit?；诖?，不同的PCS會(huì)根據(jù)服務(wù)在延遲、故障恢復(fù)時(shí)限等方面的要求，選擇不同的服務(wù)。本文定義服務(wù)不可用的損失為SL，用式(3)計(jì)算。式(3)表示服務(wù)i不可用的損失SLi為服務(wù)價(jià)格的兩倍乘以服務(wù)的不可用時(shí)長。T表示服務(wù)i故障發(fā)生直到故障修復(fù)的時(shí)間長度。

SLi=2SpricegT

(3)

通過上述分析，將網(wǎng)絡(luò)特性、服務(wù)重要度作為求解風(fēng)險(xiǎn)值的依據(jù)[13]，可以計(jì)算事故風(fēng)險(xiǎn)值。因事故風(fēng)險(xiǎn)后果、事故發(fā)生概率、服務(wù)重要度的取值范圍差別較大，需要首先進(jìn)行歸一化處理。所以，第i個(gè)PCS發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)值Ri的計(jì)算方法如式(4)所示。由式(4)的定義可知，PCS的風(fēng)險(xiǎn)值Ri越大，越需要盡快恢復(fù)故障。

(4)

2.3 算法步驟

基于QoS約束的電力通信網(wǎng)服務(wù)故障恢復(fù)算法的具體步驟如下。首先求解電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)故障影響到的各個(gè)PCS的風(fēng)險(xiǎn)值；然后根據(jù)各個(gè)PCS的風(fēng)險(xiǎn)值，采用縮放和舍入后的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)Gτ(Vτ,Eτ)求解滿足PCS的QoS要求的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，恢?fù)影響到的PCS。QoS約束的電力通信網(wǎng)服務(wù)故障恢復(fù)算法步驟如下。

②求解PCSi的可行的后備路徑的數(shù)量BUi；

③使用式(3)求解PCSi不可用的損失SLi；

④使用式(4)計(jì)算PCSi的風(fēng)險(xiǎn)值Ri。

(4)對電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)G′(V,E)進(jìn)行縮放和舍入，從而對原圖進(jìn)行化簡，得到Gτ(Vτ,Eτ)。

①根據(jù)電力通信服務(wù)和電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系，求解出當(dāng)前PCSi對應(yīng)的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰τ(Vτ,Eτ)的起始點(diǎn)s、終止點(diǎn)d。

(6)更新電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和電力通信服務(wù)的映射關(guān)系。

算法步驟(1)中，使用G′(V,E)為電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)G(V,E)鏈路e∈E發(fā)生故障后的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?算法步驟(4)中，基于文獻(xiàn)[14]中的方法求解；算法步驟(5)的①中，根據(jù)電力通信服務(wù)和電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的映射關(guān)系，求解當(dāng)前PCSi對應(yīng)的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可以參考文獻(xiàn)[15]。

3 算法可行性分析

定理1：當(dāng)故障后的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的鏈路性能指標(biāo)滿足電力通信服務(wù)的鏈路QoS要求時(shí)，算法至少可以找到一條用于恢復(fù)電力通信服務(wù)故障的路徑。

證明如下。

定理2：算法可以通過恢復(fù)盡可能多的PCS，實(shí)現(xiàn)電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的損失最小化。

證明：根據(jù)事故風(fēng)險(xiǎn)后果、事故發(fā)生概率、服務(wù)重要度，進(jìn)行歸一化計(jì)算，求解第i個(gè)PCS發(fā)生故障后出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)值。所以，當(dāng)Ri>Ri+1時(shí)，優(yōu)先恢復(fù)Ri的PCS。這不但可以體現(xiàn)高服務(wù)等級的鏈路優(yōu)先恢復(fù)，而且可以確保先恢復(fù)的電力通信服務(wù)的路徑有較少的后備鏈路，從而確保有較多后備路徑的電力通信服務(wù)也可以實(shí)現(xiàn)路徑恢復(fù)、電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的收益最大化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的損失最小化。

4 仿真過程

4.1 評價(jià)指標(biāo)

為了驗(yàn)證本文提出的基于QoS約束的電力通信服務(wù)故障恢復(fù)算法性能，本文從PCS故障恢復(fù)率、電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的收益、故障恢復(fù)的時(shí)長三個(gè)方面進(jìn)行分析。PCS故障恢復(fù)率、電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的收益的定義如下。

①PCS故障恢復(fù)率。

(5)

②電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的收益R。

(6)

4.2 試驗(yàn)環(huán)境搭建

與網(wǎng)絡(luò)虛擬化相關(guān)文獻(xiàn)[8-12]類似，本文使用GT-ITM[16]工具生成網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和電力通信服務(wù)的拓?fù)洹Ｉ珊?00～600個(gè)節(jié)點(diǎn)的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，鏈路的初始帶寬設(shè)置為10 GB。以100 MB為單位進(jìn)行分配，并設(shè)置鏈路的占用率閾值為60%。對應(yīng)的電力通信服務(wù)分為鉑金服務(wù)(傳輸時(shí)延1 ms)、金牌服務(wù)(傳輸時(shí)延3 s)、銀牌服務(wù)(傳輸時(shí)延5 ms)、銅牌服務(wù)(傳輸時(shí)延7 ms)四類，各類服務(wù)的定價(jià)分別為鉑金服務(wù)價(jià)格為10 Unit、金牌服務(wù)價(jià)格為8 Unit、銀牌服務(wù)價(jià)格為6 Unit、銅牌服務(wù)價(jià)格為4 Unit。電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源的先驗(yàn)故障概率和條件概率隨機(jī)產(chǎn)生，分別在[0.001,0.01]和(0,1)內(nèi)均勻分布。

電力通信服務(wù)的生成方面，從電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中選取20%的節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)。對于每個(gè)源節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)選擇1個(gè)節(jié)點(diǎn)作為目的節(jié)點(diǎn)。在每對源宿節(jié)點(diǎn)之間，提出的帶寬需求服從指數(shù)分布。帶寬平均值為500 MB，使用最短路徑算法生成路由，模擬一個(gè)端到端的PCS，并使用均勻分布，從四種服務(wù)中選擇一種服務(wù)。

4.3 與現(xiàn)有算法比較

為了驗(yàn)證本文提出的基于QoS約束的PCS故障恢復(fù)算法的性能，將本文的算法與隨機(jī)PCS恢復(fù)算法VNRbR、基于服務(wù)類型的PCS恢復(fù)算法VNRbST進(jìn)行了比較。

三個(gè)算法的PCS故障恢復(fù)率曲線如圖3所示。

圖3 PCS故障恢復(fù)率曲線

由圖3可知，當(dāng)電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時(shí)，三個(gè)算法的PCS故障恢復(fù)能力變化不大。其主要原因是PCS的生成與電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模成正比。當(dāng)電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時(shí)，PCS申請的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的資源也相應(yīng)增加。三個(gè)算法的PCS故障恢復(fù)率區(qū)別如下：使用VNRbRV算法恢復(fù)PCS時(shí)，PCS故障恢復(fù)率優(yōu)于VNRbR算法和VNRbST算法；VNRbR算法的恢復(fù)能力優(yōu)于VNRbST算法的恢復(fù)能力。這是因?yàn)閂NRbRV算法考慮了事故發(fā)生概率、事故風(fēng)險(xiǎn)值、后備鏈路數(shù)量等電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的特性。

三個(gè)算法的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)收益曲線如圖4所示。

圖4 電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)收益曲線

由圖4可知，隨著電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加，三種算法對應(yīng)的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的收益都逐漸增加。VNRbRV算法的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的收益最大。VNRbST算法的收益略優(yōu)于VNRbR算法。相比于VNRbST算法，VNRbRV算法不但考慮了服務(wù)類型，優(yōu)先恢復(fù)重要的高價(jià)值服務(wù)，而且具有較好的恢復(fù)能力。所以，VNRbRV算法的電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)收益最大。

三個(gè)算法的PCS故障恢復(fù)時(shí)長曲線如圖5所示。

圖5 PCS故障恢復(fù)時(shí)長曲線

由圖5可知，當(dāng)電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時(shí)，承載的PCS增多；當(dāng)電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，需要恢復(fù)的PCS增多，所以算法恢復(fù)的時(shí)間變長。VNRbR算法的故障恢復(fù)時(shí)長最短。因?yàn)閂NRbR算法隨機(jī)恢復(fù)PCS，不需要對待恢復(fù)的PCS進(jìn)行排序。VNRbRV算法故障恢復(fù)時(shí)長大于VNRbST算法的故障恢復(fù)時(shí)長。因?yàn)閂NRbST算法僅在判斷服務(wù)的優(yōu)先級之后進(jìn)行恢復(fù)。VNRbRV算法需要判斷網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和服務(wù)類型，花費(fèi)的時(shí)間較長。

5 結(jié)束語

隨著智能電網(wǎng)研究和應(yīng)用的快速發(fā)展，電力通信網(wǎng)在電力行業(yè)中的作用越來越重要。在電力通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中[16]，鏈路故障是網(wǎng)絡(luò)中較為普遍的現(xiàn)象。本文基于網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，提出了網(wǎng)絡(luò)虛擬化環(huán)境下電力通信網(wǎng)服務(wù)故障管理模型，并基于此模型提出了QoS約束的電力通信服務(wù)故障恢復(fù)算法。該算法以保障業(yè)務(wù)QoS為目標(biāo)，在滿足業(yè)務(wù)隔離和業(yè)務(wù)QoS要求的情況下，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)損失最小化的目標(biāo)。仿真試驗(yàn)證明了本文算法在電力通信服務(wù)故障恢復(fù)率、電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的收益方面取得了較好的效果。