趙 珩，苗 堃，白繼武，李 頌，趙 倩，范爭爭

(國網(wǎng)河南省電力公司濟(jì)源供電公司，河南 濟(jì)源 454650)

0 引 言

覆蓋網(wǎng)絡(luò)的源路由連接方式結(jié)合了主動連接保護(hù)與被動重路由兩種策略的優(yōu)勢，有效解決了主動式保護(hù)中無法適用于區(qū)域損毀場景問題，避免了被動重路由恢復(fù)時間受限的局限。Neumayer[1]運用信息計算機技術(shù)與數(shù)學(xué)幾何工具完成了區(qū)域損毀的模型建構(gòu)，確定了網(wǎng)絡(luò)損毀中最為脆弱的位置。在計算幾何理論的幫助下，運用圓形區(qū)域與線段標(biāo)志顯現(xiàn)了災(zāi)后損毀區(qū)域的具體化。王振東[2]通過設(shè)計一種改進(jìn)差分進(jìn)化算法實現(xiàn)了無限傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋率的有效提升，節(jié)點設(shè)計中通過因子結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)了函數(shù)模型優(yōu)化。羅杰超等[3]針對高速公路救援點設(shè)置與選址問題進(jìn)行了專項分析，從全局角度構(gòu)建了覆蓋網(wǎng)絡(luò)救援點選址模型，并集合救援點與路網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)計算了各個路段的救援響應(yīng)時間，最終建立了常駐救援點與備勤救援點。金石等[4]為提升用戶體驗感受，基于無定形無限覆蓋網(wǎng)絡(luò)的信道特性與基礎(chǔ)理論內(nèi)容，結(jié)合外部環(huán)境與系統(tǒng)動態(tài)資源實現(xiàn)了多層重疊覆蓋與費力結(jié)合控制，大大提升了用戶層面上下行接入模式的解耦特性。Wang等[5]依據(jù)災(zāi)后區(qū)域特征提出了通信區(qū)域損毀模型，通信網(wǎng)絡(luò)鏈路存在發(fā)生故障的概率，損毀故障概率與網(wǎng)絡(luò)鏈路的長度、災(zāi)害區(qū)域范圍大小存在直接關(guān)系，通信網(wǎng)絡(luò)的損毀程度會隨著破壞強度的遞減而減弱。Agarwal等[6]提出,假設(shè)在災(zāi)害發(fā)生后，區(qū)域網(wǎng)絡(luò)平面中會產(chǎn)生一個明顯的故障概率分布，在區(qū)域災(zāi)后區(qū)域中每個地理區(qū)位中分布著不同的故障概率，依據(jù)假設(shè)內(nèi)容，為了提升災(zāi)后網(wǎng)絡(luò)故障概率計算水平提出了統(tǒng)一區(qū)域損毀模型。Zheng等[7]提出了一種響應(yīng)式重路由算法(Reliable Transaction Router,RTR)，是目前比較高效的一種災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)算法，RTR算法恢復(fù)中包含兩個階段:第一階段為發(fā)送探測包，探測包可以迅速包圍故障區(qū)域傳輸，收集遇到的故障鏈路信息；第二階段為源節(jié)點收回，根據(jù)探測包信息可以獲取最短的故障連接路徑。謝小軍等[8]提出了QoS約束的電力通信網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)算法，實現(xiàn)了電力通信網(wǎng)絡(luò)因鏈路故障導(dǎo)致電力通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)損失最小化的目標(biāo)。張鋒等[9]考慮到變結(jié)構(gòu)耗散網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)算法，無法便捷操作特殊隔離設(shè)備，通過加入系統(tǒng)虛擬開關(guān)的方式提出了變結(jié)構(gòu)耗散網(wǎng)絡(luò)理論故障恢復(fù)改進(jìn)算法，滿足了對特殊設(shè)備操作的需求。黃潮[10]提出了一種基于功率譜密度估計的云計算環(huán)境下海量光纖通信故障數(shù)據(jù)挖掘算法，通過去除冗余干擾可對時頻域中進(jìn)行功率譜密度特征提取，實現(xiàn)故障數(shù)據(jù)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解與故障特征聚類，提高了故障數(shù)據(jù)定位挖掘能力。

本文應(yīng)用覆蓋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了災(zāi)后大規(guī)模通信損毀連接恢復(fù)策略。結(jié)合現(xiàn)有主動式連接保護(hù)與被動重路由連接的優(yōu)勢與技術(shù)不足，引用覆蓋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計思路提出了災(zāi)后網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)系統(tǒng)，覆蓋網(wǎng)絡(luò)通信恢復(fù)系統(tǒng)通過提前設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)鏈路代理節(jié)點可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速重構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的靈活性。

1 landmark與源節(jié)點結(jié)合的區(qū)域通信損毀恢復(fù)策略

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中單一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與landmark連接，若系統(tǒng)源節(jié)點與單一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間出現(xiàn)故障，源節(jié)點會在源路由配合下最短時間以網(wǎng)絡(luò)流量方式將故障信息傳遞到中間節(jié)點，節(jié)點尋路過程中不需要知道具體的故障區(qū)域位置與大小信息。覆蓋網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都與landmark具有通信聯(lián)系，源節(jié)點會以源路由方式將流量發(fā)送到最佳的landmark，再由landmark進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)并迅速匹配到相對應(yīng)的節(jié)點。

覆蓋網(wǎng)絡(luò)通信恢復(fù)系統(tǒng)中l(wèi)andmark與源節(jié)點的運作流程如圖1所示。

圖1 覆蓋網(wǎng)絡(luò)通信恢復(fù)系統(tǒng)中l(wèi)andmark與源節(jié)點運作流程

圖1中的l1和l2作為系統(tǒng)中間節(jié)點，若區(qū)域損毀問題出現(xiàn)在n2和n3網(wǎng)絡(luò)鏈路位置，src與dst間的默認(rèn)路由便會直接中斷。覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的src會獲取到與l2的故障后也會直接斷開，此時，src仍可通過l2將網(wǎng)絡(luò)流量重路由傳送到dst。系統(tǒng)中單個landmark的受損并不會影響到整個覆蓋網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，通過其他備用路徑仍可恢復(fù)src與dst間的網(wǎng)絡(luò)連接，故障的出現(xiàn)并不會直接中斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)流量的傳遞?；诟采w網(wǎng)絡(luò)與源路由系統(tǒng)設(shè)計中包含兩條互通的連接傳輸路徑。以l1和l2分別作為中間節(jié)點的傳輸路徑可分別完成src到dst的網(wǎng)絡(luò)流量傳輸?；诟采w網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的系統(tǒng)新路徑長度為

(1)

1.1.1 landmark選取策略

系統(tǒng)中間節(jié)點的選取直接關(guān)系了覆蓋網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)策略的運作性能。本文借助k-mean算法將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分塊處理，將所有系統(tǒng)節(jié)點處理轉(zhuǎn)變?yōu)閗個集合，S={Si|1≤i≤k}，獲取網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點距離之和的最小值。最小值計算如下：

(2)

Input:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰=(V,E),V中的所有節(jié)點坐標(biāo)

Output:含有k個landmark的集合L

begin

L←?

初始化每個集合的中心點位置，C={ci|1≤i≤k}

C←隨機選擇的k個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

repeat

將V中的每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配到對應(yīng)的集合中，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點離對對應(yīng)集合的中心點距離最近(即所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配到k個集合中去)，使得Si={xp|d(xp,ci)≤d(xp,cj),?1≤j≤k}

until每個集合的中心點位置不在變化；

forall theC的所有元素do

找到在Si中度最大的節(jié)點x

L←LU{x}

returnL

從理論角度而言，k-mean算法的運行復(fù)雜度隨著節(jié)點數(shù)的增加會出現(xiàn)指數(shù)倍的增長[11]。但應(yīng)用k-mean算法劃分運算是在系統(tǒng)中間節(jié)點選取前進(jìn)行的，導(dǎo)致k-mean算法的復(fù)雜程度并不會直接對覆蓋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)恢復(fù)策略的效果產(chǎn)生直觀影響。

1.1.2 通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)路徑選取

應(yīng)用覆蓋網(wǎng)絡(luò)與源路由進(jìn)行通信快速恢復(fù)時，系統(tǒng)源節(jié)點會直接調(diào)用路徑探測數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)直接推送到landmark中，中間節(jié)點接收到探測數(shù)據(jù)包會將數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)發(fā)到系統(tǒng)中的各個節(jié)點上，源節(jié)點與landmark傳輸中使用標(biāo)準(zhǔn)的SPR(Sharp Proactive Routing)協(xié)議。系統(tǒng)目的節(jié)點接收到探測數(shù)據(jù)包后會在最短時間內(nèi)傳輸送回響應(yīng)結(jié)果。源節(jié)點會統(tǒng)一篩選全部返回的響應(yīng)結(jié)果數(shù)據(jù)，依據(jù)系統(tǒng)適用性建立通信網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)備選路徑集合，源節(jié)點同時會計算所有備選路徑的時延，選取集合中時延最短的路徑作為網(wǎng)絡(luò)重路由路徑。備選路徑節(jié)點的時延越短，維護(hù)其到landmark的成本越低。災(zāi)后區(qū)域大規(guī)模通信損毀時，運用上述算法選取合適數(shù)量的中間節(jié)點可實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的快速恢復(fù)。

1.2 快速恢復(fù)策略性能分析

1.2.1 仿真內(nèi)容

以仿真實驗檢驗通信快速恢復(fù)策略性能，以隨機拓?fù)渑c真實拓?fù)錇榉抡鎸嶒灮A(chǔ)，運用LEMON Graph Library庫拓?fù)渖善餍纬呻S機拓?fù)?，運用Rocketfuel數(shù)據(jù)庫生成獲取真實拓?fù)洹ｋS機拓?fù)渑c真實拓?fù)湫畔?nèi)容如表1所示。

表1 隨機拓?fù)渑c真實拓?fù)浠拘畔?nèi)容

仿真性能分析中以傳達(dá)性衡量通信系統(tǒng)故障連接的成功率，系統(tǒng)故障連接恢復(fù)的指標(biāo)測量公式為

(3)

式中:#of recovered paths為可通過快速恢復(fù)策略成功進(jìn)行的通信網(wǎng)絡(luò)連接；#of recoverable paths為災(zāi)后區(qū)域通信故障出現(xiàn)后所有被破壞的網(wǎng)絡(luò)連接中可恢復(fù)的連接，兩者比值為仿真實驗中系統(tǒng)的實際傳達(dá)率。傳達(dá)率與網(wǎng)絡(luò)連接源節(jié)點及目的節(jié)點有著直接關(guān)系，若故障后兩個階段仍能實現(xiàn)連接則可恢復(fù)，若源節(jié)點與目的節(jié)點無法連接則無法恢復(fù)。嚴(yán)重的災(zāi)害后會導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)故障不可恢復(fù)概率增加。

以恢復(fù)路徑長短作為衡量恢復(fù)性能指標(biāo)之一。系統(tǒng)快速恢復(fù)路徑過程會導(dǎo)致恢復(fù)中資源消耗量增加，路徑長度計算公式為

(4)

1.2.2 性能結(jié)果分析

仿真實驗中測試了不同中間節(jié)點數(shù)量下快速恢復(fù)流量的實際比例，恢復(fù)比例與landmark數(shù)量間的關(guān)系如圖2所示，隨機拓?fù)渑c真實拓?fù)涞膌andmark測試結(jié)果如圖2(a)與圖2(b)所示。

(a)隨機拓?fù)?/p>

(b)真實拓?fù)鋱D2 恢復(fù)比例與landmark數(shù)量間的關(guān)系

由圖2可知，隨機拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)仿真實驗中，當(dāng)節(jié)點數(shù)量達(dá)到3個時，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)系統(tǒng)提升明顯；節(jié)點數(shù)量超過3個時，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)比例并未發(fā)生明顯提升，仿真結(jié)果表明少量的landmark，4～5個節(jié)點或拓?fù)淇偨Y(jié)點的1%數(shù)量即可保證系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有較高的恢復(fù)能力。真實拓?fù)浞抡鎸嶒灲Y(jié)果中，同樣在節(jié)點數(shù)量達(dá)到3個時，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)比例達(dá)到60%以上，隨著節(jié)點數(shù)量增加，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)強度增益并不明顯，因此保持少量的landmark即可達(dá)到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)效果。

網(wǎng)絡(luò)路徑長度大小結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，覆蓋網(wǎng)絡(luò)與原路由連接快速恢復(fù)系統(tǒng)(Fast Landmark System of Original Route Connection，F(xiàn)LSR)結(jié)果在Random結(jié)果之上，表明系統(tǒng)快速恢復(fù)中可選取到比Random4路徑長度更短的恢復(fù)路徑,但FLSR算法的恢復(fù)路徑明顯比Path Splicing的路徑長度值大。

圖3 不同算法恢復(fù)路徑長度值情況

在驗證FLSR系統(tǒng)在災(zāi)后區(qū)域損毀快速恢復(fù)性能的同時，驗證分析災(zāi)后多鏈路故障場景下系統(tǒng)的恢復(fù)效果。在隨機拓?fù)渑c真實拓?fù)渲蟹謩e配置故障概率，在拓?fù)渖系拿織l鏈路e∈E分配一個故障概率pe，且拓?fù)渲胁煌溌烦霈F(xiàn)通信故障的概率獨立存在，以平均故障概率代表拓?fù)滏溌分谐霈F(xiàn)故障的期望鏈路數(shù)量。平均故障概率公式如下：

(5)

經(jīng)過仿真分析驗證，覆蓋網(wǎng)絡(luò)與源路由快速恢復(fù)系統(tǒng)在災(zāi)后區(qū)域獨立多鏈路場景下有著顯著作用。

由圖4可知，F(xiàn)LSR在獨立多鏈路故障場景下效果顯著，若Random-4拓?fù)渲杏?%鏈路出現(xiàn)故障時，覆蓋網(wǎng)絡(luò)與源路由快速恢復(fù)系統(tǒng)可實現(xiàn)90%的快速恢復(fù)，性能較佳。

圖4 獨立多鏈路故障場景恢復(fù)對比

2 信息爆炸下網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)策略

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

覆蓋網(wǎng)絡(luò)與源路由快速恢復(fù)策略應(yīng)在保證性能兼具災(zāi)后區(qū)域現(xiàn)實問題，提升快速恢復(fù)系統(tǒng)的響應(yīng)速度、可靠性與便捷性。依據(jù)災(zāi)后區(qū)域通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)要求與現(xiàn)實問題，我們提出了基于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的單跳原路由策略，選取最短恢復(fù)路徑，設(shè)計了一種災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)急救系統(tǒng)(Post-disaster Communication Network Recovery Emergency System,PES)。PES系統(tǒng)應(yīng)用需要在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刑崆芭渲么矸?wù)器。網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)急救系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)恢復(fù)時，路徑為節(jié)點0到節(jié)點12。PES系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)用例如圖5所示。

圖5 PES網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)用例圖

圖5中，節(jié)點0設(shè)置為源節(jié)點，其中目的節(jié)點為節(jié)點12，系統(tǒng)恢復(fù)中源節(jié)點會經(jīng)由節(jié)點5、節(jié)點10、節(jié)點11最終至目的節(jié)點12。圖5中多邊形陰影區(qū)域為系統(tǒng)中受災(zāi)難影響的故障區(qū)域。故障損毀了系統(tǒng)中節(jié)點10及其附近的網(wǎng)絡(luò)流量鏈路，節(jié)點10相互連接距離最近的節(jié)點8與節(jié)點11并未因災(zāi)害發(fā)生故障。故障出現(xiàn)后節(jié)點10所在位置在短時間內(nèi)會出現(xiàn)信息爆炸現(xiàn)象，同時節(jié)點10附近的節(jié)點8與節(jié)點11 也會受到影響而出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)信息流量過載問題。為了避免信息過載制約通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，不應(yīng)使用圖5中虛線所框選的區(qū)域。運用系統(tǒng)中的代理服務(wù)器l1與l2，災(zāi)后區(qū)域故障中產(chǎn)生的流量可以通過代理服務(wù)器以新的路徑進(jìn)行傳輸。結(jié)合PES系統(tǒng)中源節(jié)點與目的節(jié)點，可確定流量重新傳輸?shù)穆窂介L度為

(6)

式中:li與lj為PES系統(tǒng)中的代理服務(wù)器，略過故障位置及附近節(jié)點進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量重傳需要進(jìn)行多跳代理，以保證源節(jié)點s傳送到目的節(jié)點t。

網(wǎng)絡(luò)流量傳輸中系統(tǒng)會主動選取可用傳輸路徑，若傳輸中出現(xiàn)路徑阻塞，則會直接丟棄無用流量轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。快速恢復(fù)中選用擁塞感知路由可防止故障區(qū)域網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定狀態(tài)的影響，保證系統(tǒng)的連通性，可以最大程度地降低網(wǎng)絡(luò)流量路徑傳送中的鏈路壓力；多跳代理方式可在路徑堵塞后及時判斷選擇新的節(jié)點路徑。本文基于勢能路由策略[12]，提出了覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點擁塞感知的轉(zhuǎn)發(fā)算法：

(7)

式中:Vd(υ)為節(jié)點到系統(tǒng)目的節(jié)點的距離，Vc(υ)為故障節(jié)附近節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載情況。

同樣基于勢能路由策略，結(jié)合災(zāi)后故障快速恢復(fù)系統(tǒng)需求提出了網(wǎng)絡(luò)流量驅(qū)動力。與路徑距離和路徑負(fù)載相對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)流量驅(qū)動力計算公式如下：

(8)

(9)

式中:Fd(υ,ω)的存在可保證快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)路徑中不出現(xiàn)回環(huán)，F(xiàn)c(υ,ω)是覆蓋網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建擁塞感知路由的主要驅(qū)動力。擁塞感知路由算法(算法2)偽代碼如下：

nbrd(υ)←?

forall theω∈nbr(υ)do

ifFd(υ,ω)>0 then

nbrd(υ)←nbrd(υ)∪ω

forall theω∈nbrd(υ)do

找到驅(qū)動力Fc(υ,ω)最大的鄰居節(jié)點ω

將流量轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點ω

2.2 PES系統(tǒng)實現(xiàn)

應(yīng)用覆蓋網(wǎng)絡(luò)與源路由技術(shù)，考慮到災(zāi)后區(qū)域故障損毀后信息爆炸增長現(xiàn)象設(shè)計的PES系統(tǒng)由覆蓋節(jié)點與客戶端兩個模塊構(gòu)成。災(zāi)后故障損毀快速恢復(fù)中若成功應(yīng)用PES系統(tǒng)，需解決覆蓋節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)問題。現(xiàn)有解決方案為在系統(tǒng)應(yīng)用層通過添加自定義頭部信息完成數(shù)據(jù)包處理[13]，系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)會依據(jù)添加的頭部信息確定流量后序跳轉(zhuǎn)節(jié)點。此方法雖實現(xiàn)了覆蓋節(jié)上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，但所有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)都需經(jīng)協(xié)議處理，系統(tǒng)時延過長。

本文基于netfilter框架提出了覆蓋網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的新方式。在netfilter框架下用戶可主動進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包修改與刪除等操作，系統(tǒng)IP層也可對轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包改動，netfilter框架下的數(shù)據(jù)處理工作更加高效。

PES系統(tǒng)快速恢復(fù)運行框架如圖6所示。

圖6 PES系統(tǒng)運行基本框架

PES系統(tǒng)客戶端模塊中由故障檢測子模塊與轉(zhuǎn)發(fā)自模塊構(gòu)成。客戶端啟動開始運行PES系統(tǒng)后，故障子模塊同時啟動，工作中以TCP/IP子協(xié)議控制報文協(xié)議回顯請求包進(jìn)行路徑探測。系統(tǒng)客戶端可設(shè)置故障檢測的路徑探測時間間隔，路徑探測中若子模塊未收取到響應(yīng)信息，客戶端模塊系統(tǒng)將直接判定系統(tǒng)路徑中出現(xiàn)了故障。客戶端模塊會借助Linux系統(tǒng)中的Iptables防火墻工具將數(shù)據(jù)包發(fā)送至轉(zhuǎn)發(fā)子模塊中，信息收取后轉(zhuǎn)發(fā)子模塊將有序進(jìn)行修改數(shù)據(jù)包，確保數(shù)據(jù)流中的連接信息可全部傳輸?shù)絇ES系統(tǒng)重傳數(shù)據(jù)包中，系統(tǒng)覆蓋節(jié)點可按照數(shù)據(jù)內(nèi)容將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。上述流程為PES系統(tǒng)運行框架中的第2步。考慮到PES系統(tǒng)運行中的額外流量負(fù)載，僅通過源節(jié)點與目的地址中進(jìn)行連接。

PES系統(tǒng)覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊由鄰近檢測子模塊與轉(zhuǎn)發(fā)器構(gòu)成。應(yīng)用PES系統(tǒng)進(jìn)行快速恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)時擁塞感知路由需要及時捕獲鄰近節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息，覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊中的鄰近檢測子模塊主要承擔(dān)此項工作，模塊運行中覆蓋節(jié)點會主動與鄰近節(jié)點交換負(fù)載信息，附近節(jié)點的負(fù)載信息通過UDP封裝進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。覆蓋節(jié)點接收到重路由數(shù)據(jù)包后會借助Iptables工具將數(shù)據(jù)傳送到轉(zhuǎn)發(fā)器子模塊，并確定數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點。

覆蓋網(wǎng)絡(luò)與源路由網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)系統(tǒng)應(yīng)用中應(yīng)考慮到系統(tǒng)適用性與低成本性。災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)損毀后必然會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量短期內(nèi)爆炸性增加，此時應(yīng)充分考慮到系統(tǒng)擴充代理的重要性。系統(tǒng)需要借助擴展代理方式提升網(wǎng)絡(luò)流量的負(fù)載能力。在PES系統(tǒng)基礎(chǔ)上提出了代理節(jié)點擴展算法(算法3)，偽代碼如下：

Input:鄰接矩陣A(G)、G的拉普拉斯矩陣L(G)和候選集E

Output:最優(yōu)負(fù)載結(jié)果eij=St

begin

循環(huán)，第t(t≥1)次循環(huán)

若Ecard(St)=1或t>[lb(ξ/ε)]，跳出循環(huán)

S+={φ},S-={φ}

對St中信息進(jìn)行二分運算

foru=1 to card(St) do

iff(M)>0 theneij→S+

elseeij→S-

M=(L+U)/2

t=t+1 return

2.3 PES系統(tǒng)實用性檢驗

2.3.1 仿真實驗設(shè)定

(1)PES系統(tǒng)仿真實驗拓?fù)溥x取隨機拓?fù)渑c真實拓?fù)?。隨機拓?fù)溆蒐EMON Graph Library庫的拓?fù)渖善麟S機生成。仿真實驗選擇美國本土的CONUS為真實拓?fù)鋪碓?，隨機拓?fù)浔蝗看罱ㄔ贓mulab平臺中，并全部隨機均勻分布于區(qū)域上。本次仿真實驗選取隨機拓?fù)渲械?0個節(jié)點隨機拓?fù)渑c真實拓?fù)浠拘畔⑷绫?所示。

表2 兩類拓?fù)浠拘畔?/p>

(2)應(yīng)用Totem工具箱中的Gravity模型為隨機拓?fù)渑c真實拓?fù)涮峁┝髁啃枨蟆＿x取確定性區(qū)域損毀模型表示區(qū)域損毀對網(wǎng)絡(luò)的實際影響。以圓形范圍區(qū)域表示災(zāi)后區(qū)域損毀的實際影響范圍，地震自然災(zāi)害的一般損毀范圍可達(dá)90 km。仿真實驗中將隨機拓?fù)涔收蠀^(qū)域影響范圍半徑設(shè)置為40 km，真實拓?fù)涔收蠀^(qū)域影響范圍設(shè)置為86 km。

(3)PES系統(tǒng)性能評估中選取了網(wǎng)絡(luò)流量恢復(fù)比例指標(biāo)、路徑長度與跳數(shù)指標(biāo)、收斂時間指標(biāo)。為突出PES系統(tǒng)的實際性能，與響應(yīng)式重路由算法進(jìn)行對比。

2.3.2 仿真實驗結(jié)果分析

(1)覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量情況

覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量直接影響了PES系統(tǒng)性能，若系統(tǒng)中覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量過低，單個節(jié)點信息處理工作量將會顯著增加，PES系統(tǒng)可能會出現(xiàn)信息負(fù)載現(xiàn)象，網(wǎng)絡(luò)周邊鏈路也會出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，快速恢復(fù)系統(tǒng)的應(yīng)用性能極大下降。觀察不同覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量下PES系統(tǒng)的恢復(fù)性能，對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 覆蓋網(wǎng)絡(luò)不同節(jié)點數(shù)量對PES系統(tǒng)性能的影響

由圖7不同覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量下PES系統(tǒng)恢復(fù)性能對比結(jié)果可知，當(dāng)覆蓋節(jié)點數(shù)量為達(dá)到拓?fù)涔?jié)點總數(shù)的20%時，PES系統(tǒng)具有非常高的恢復(fù)比例。

(2)PES系統(tǒng)與響應(yīng)式重路由算法性能對比

圖8為兩類不同策略恢復(fù)流量比例，兩類系統(tǒng)隨機拓?fù)渑c真實拓?fù)涞男阅軐Ρ热鐖D8(a)和(b)所示。

(a)兩類系統(tǒng)隨機拓?fù)湫阅軐Ρ?/p>

(b)兩類系統(tǒng)真實拓?fù)湫阅軐Ρ葓D8 兩類系統(tǒng)隨機拓?fù)渑c真實拓?fù)涞男阅軐Ρ?/p>

由圖8可知，兩類系統(tǒng)性能對比中，隨著兩類網(wǎng)絡(luò)的流量需求不斷增加，兩類系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載性能發(fā)生了顯著變化，流量矩陣的比值從原始的1倍速提升到了5倍速。RTR系統(tǒng)隨著流量比例的增加系統(tǒng)快速恢復(fù)性能逐漸下降，并且下降趨勢不斷增加，在流量比例提升到測試最大值后期恢復(fù)性能僅為初始性能的20%。隨機拓?fù)渑c真實拓?fù)浞抡鏈y試結(jié)果表明，響應(yīng)式重路由算法無法在災(zāi)后區(qū)域通信故障中實現(xiàn)系統(tǒng)的快速恢復(fù)，系統(tǒng)無法滿足故障區(qū)域短時間信息爆炸所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量擁塞處理需求。而本文提出的PES系統(tǒng)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息的顯著提升雖有所下降，但系統(tǒng)仍保持著較高的信息處理能力，PES系統(tǒng)通過多路徑方式可有效避免單一路徑的網(wǎng)絡(luò)擁堵，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，系統(tǒng)在災(zāi)后區(qū)域通信故障快速恢復(fù)中可發(fā)揮積極作用，滿足災(zāi)后通信故障處理的需求。

PES系統(tǒng)在不同拓?fù)湎碌穆窂介L度大小如圖9所示,災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)路徑經(jīng)過的覆蓋節(jié)點跳數(shù)如圖10所示。

圖9 不同拓?fù)湎翽ES系統(tǒng)路徑長度大小

圖10 災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)路徑經(jīng)過的覆蓋節(jié)點跳數(shù)

由圖9可知，PES系統(tǒng)在不同拓?fù)湎掠?5%的網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)路徑小于1.8。PES系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)中重路由數(shù)據(jù)包通過主動探測會避開災(zāi)后故障區(qū)域與系統(tǒng)堵塞區(qū)域，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)包從源節(jié)點傳遞到目的節(jié)點會經(jīng)過較長且比較復(fù)雜的路徑完成恢復(fù)工作。

災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)路徑經(jīng)過覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點跳數(shù)與網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)時間密切相關(guān)。借助Emulab平臺進(jìn)行仿真實驗中，發(fā)現(xiàn)單一覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理單一數(shù)據(jù)包的時間處于0.3～0.5 ms。通信網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)中所經(jīng)過的覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點跳數(shù)越多，總體時間會不斷增加，系統(tǒng)運行中源節(jié)點至目的節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)時延也會明顯增加，影響快速恢復(fù)速度。由圖10可知，仿真測試重路經(jīng)過的覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點跳數(shù)以1～2個為主，根據(jù)重路由覆蓋網(wǎng)絡(luò)節(jié)點跳數(shù)，可基本判斷出系統(tǒng)數(shù)據(jù)包傳送時間處于1 ms以內(nèi)，快速恢復(fù)速度較快。

3 結(jié) 論

本文綜合災(zāi)后區(qū)域通信故障問題，應(yīng)用覆蓋網(wǎng)絡(luò)與源路由提出了災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)連接恢復(fù)策略，結(jié)合了傳統(tǒng)主動式與被動式網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)策略的優(yōu)勢。 基于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)快速恢復(fù)策略具有顯著優(yōu)勢:一是系統(tǒng)應(yīng)用有效的中間節(jié)點算法選取區(qū)域位置中分布最為合理的中間節(jié)點，通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)策略可快速選取新的傳輸路徑，網(wǎng)絡(luò)流量在傳輸中可借助源路由可及時跳過故障區(qū)域，通信網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)可靠性明顯提升；二是考慮到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)中災(zāi)后故障區(qū)域極容易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)信息擁堵現(xiàn)象，在新恢復(fù)策略系統(tǒng)上加入了擁塞感知恢復(fù)系統(tǒng)，構(gòu)建了PES系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建與覆蓋網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，在災(zāi)后通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生損毀故障后，系統(tǒng)可實現(xiàn)跳級處理，系統(tǒng)中客戶端模塊與覆蓋節(jié)點模塊可保障系統(tǒng)中節(jié)點不會發(fā)生環(huán)路傳輸情況。仿真實驗表明系統(tǒng)在災(zāi)后故障處理與系統(tǒng)恢復(fù)中均具有顯著作用。