一种基于流聚合与拥塞避免的SDN快速故障恢复方案

针对主动式故障恢复方案会忽略备份路径的TCAM存储资源消耗和故障恢复后的拥塞问题，提出一种基于流聚合与拥塞避免的SDN快速故障恢复方案FACAR。FACAR是一种具有拥塞感知、低存储开销的主动式快速故障恢复方案，将通过同一链路的流视作一个或几个聚合流，并为这些聚合流提前配置保护路径。将FACAR方案形式化表示为一个整数线性规划问题，然后提出一种基于贪心的启发式算法ILP-FACAR以求解最少配置备份转发规则的数量。实验结果表明，FACAR可以满足单链路故障后的快速恢复需求，而且相比于其他故障恢复方法，FACAR可以保证在故障恢复后的网络中无链路拥塞问题，且大大减少了备份流规则的TCAM资源消耗。     

面向软件定义车联网的链路故障快速恢复方法

针对软件定义车联网（SDIV）的车-路实时查询类通信场景中单链路故障的问题，提出一种面向SDIV的链路故障快速恢复方法，综合考虑了链路恢复过程时延和恢复后路径的传输时延。首先，对故障恢复时延建模，将最小化时延的优化目标转化为0-1整数线性规划问题。然后，分析该问题，力图最大化复用已有计算结果，并根据不同情况提出两种算法：在流表更新时延相对路径传输延迟不可被忽略的情况下，提出基于拓扑划分的路径恢复算法（PRA-TP）；在流表更新时延相对路径传输延迟较小可被忽略的情况下，提出基于单链路搜索的路径恢复算法（PRA-SLS）。实验结果表明，相较于Dijkstra算法，PRA-TP的计算时延和路径恢复时延分别降低25%和40%,PRA-SLS的计算时延降低60%，可实现快速的汽车端的信息传输单链路故障恢复。     

基于拥塞及内存感知的SD-WAN故障恢复

在软件定义广域网(SD-WAN)中, 链路故障会导致大量丢包, 严重时会引起部分网络瘫痪. 现有的流量工程方法通过在数据平面提前安装备份路径能够加快故障恢复过程, 但在资源受限的情况下难以适应各种网络故障情况, 从而使恢复后的网络性能下降. 为了保证网络在故障恢复之后的性能并减少备份资源的消耗, 本文提出一种基于拥塞及内存感知的主动式故障恢复方案(CAMA), 不仅能够将受影响数据流进行快速重定向, 还能实现负载均衡避免恢复后潜在的链路拥塞. 实验结果表明, 与已有方案相比, CAMA能有效利用备份资源, 在负载均衡上有较好的性能, 且仅需少量备份规则即可覆盖所有单链路故障情况.     

基于逐跳方式的单链路故障保护算法

当网络中的某条链路出现故障时,互联网部署的域内路由协议需要重新收敛,在收敛过程中经过该链路的报文将会被丢弃。针对该问题,IETF(the Internet Engineering Task Force)提出了快速重路由保护框架,利用该框架可以有效地解决网络中单链路故障造成的报文丢失问题,然而该方案并不能完全保护网络中所有可能的单链路故障。基于该框架研究者提出了一种基于隧道的解决方案,该方案虽然可以提供100%的单链路故障保护,但是需要辅助机制的协助,开销较大,难以实际部署。因此,提出了一种基于逐跳方式的针对单链路故障的全保护方案,该方案可以解决网络中任意的单链路故障造成的报文丢失问题。     

LEO/MEO卫星网络基于动态路由策略的链路故障检测

卫星通信将成为未来个人通信系统的一个重要组成部分．LEO和MEO(low／medium earth orbiting)是卫星个人通信网络(S—PCN)的首选．针对使用星际链路ISL(intersatellite links)的LEO和MEO卫星系统，本文提出一种基于动态路由策略的卫星个人通信网络的链路故障检测方法，该方法适用于面向连接且采用基于ATM路由算法的卫星网络．该算法通过构建离散时间动态虚拓扑图(DT—DVTG)(discrete—time dynamic virtual topology graph)管理卫星能够自主地、实时地检测(identification)出最可能出现故障的链路范围，并通过快速的，自主的测试可精确定位故障链路．通过在卫星网络上的仿真表明，具有实时性、自主性、精确性且可能不占用或只占用很少的额外带宽．     

基于节点和链路容量的无线传感器网络级联故障研究

无线传感器网络的级联故障模型主要侧重于节点容量对网络性能的研究,忽略了链路容量的影响,从而导致流量指标无法正确反映无线传感器网络的汇聚特征.鉴于此,本文建立了一种受节点容量和链路容量限制的无线传感器网络级联故障模型.首先,根据新的流量指标"方向介数"重新定义了网络负载;其次,通过构建网络级联抗毁性模型,使故障节点可在一定时间延迟后从故障状态恢复.最后,提出了一种路由恢复机制,可以有效改善网络级联故障的抗毁性,并进行了仿真对比测试.结果表明:本文提出的方法可以帮助故障网络在较短时间内得到恢复,使网络状态更加稳定.     

基于扩展有限状态机模型的故障检测

提出了基于扩展有限状态机的故障检测模型和检测算法。该模型对软件中的故障进行了形式化定义和描述,检测算法对故障模型中的状态变迁进行缩减,检测故障模型的部分状态变迁,进而可以有效缓解状态空间过大而引起的时间和空间效率问题,从而最大限度地发现被测系统中的故障;最后给出了一个简单协议来加以分析和验证。实验表明,该算法可以快速准确地定位软件中故障发生的位置。     

基于软件定义网络的卫星网络容错路由机制

鉴于卫星网络对安全性和应对故障的能力有很高的要求，引入了软件定义网络（SDN）技术，在网络中放置中央控制器来增强网络对故障的应对能力。首先，基于SDN的思想设计了一种卫星网络模型，计算了三层轨道上卫星运行的参数并构建星座；然后，采用分层路由的方法，设计了一种针对卫星网络的容错路由机制；最后，在Mininet平台上进行了仿真实验，将容错路由算法（FTR）的实验结果与基于链路感知的星间路由算法（LRSR）和多层卫星网络路由算法（MLSR）的实验结果进行了对比。对比结果表明，在网络中无损坏节点和链路的情况下，FTR的路由总延时比LRSR平均降低了6.06%，说明了引入SDN集中控制的有效性；FTR的丢包率比同样以最小延时为目标的MLSR降低了25.79%，说明了在网络模型中为中轨道（MEO）卫星设计临时存储路由机制的有效性。而当网络中节点和链路的失效情况比较严重时，FTR的路由总延时比LRSR降低了3.99%，比MLSR降低了19.19%；其丢包率比LRSR降低了16.94%，比MLSR降低了37.95%，说明了FTR的容错有效性。实验结果验证了基于SDN的卫星网络路由机制具有更好的容错能力。     

基于着色树优化的网络并发链路故障快速恢复方法

为了实现网络并发链路故障的快速恢复,提出一种基于改进人工鱼群算法着色树优化的故障快速恢复方法.首先从备份拓扑构造、着色树生成及流量转发三个方面分析整体恢复方案,在此基础上,建立着色树的生成模型并利用人工鱼群算法对其进行优化以进一步提高其性能,引入变异操作有效解决寻优陷入局部僵局的问题.仿真实验表明,该恢复方案不仅提高了网络在并发链路失效情况下的故障恢复能力,同时在恢复路径及路由备份方面也具有较强的性能.     

基于分时的LEO卫星网络非对称路由算法

提出了一种基于分时的LEO卫星网络非对称路由算法A-DTRA（asymmetric discrete time based routing algorithm）。针对网络节点在各时间片内的链路连接状态,该算法通过中心节点两次广播来获取一跳邻节点信
　　息及其邻节点的邻居节点信息,从而完成了链路检测,得到每个时间片内的有向虚拟拓扑图。通过使用备份路由和路由表压缩机制实现了非对称链路上分组转发的可靠性,失效节点处理的及时性以及星上节点开销的低耗性。通过仿真分析可知,该算法具有较好的数据包转发率和端到端时延性能。此外,利用非对称链路可提高网络的连通性能,该算法适用于存在非对称链路的LEO卫星网络。     

低故障恢复开销的软件定义网络控制器布局算法

控制器部署技术是软件定义网络的重要研究方向。现有控制器布局技术更多地关注节点故障时网络的鲁棒性布局方法,缺乏对连边故障情况下的灾备分析。为了解决这个问题,建立了一种低故障恢复开销软件定义网络控制器布局模型,该模型针对连边故障进行设计,并利用基于模拟退火思想的算法进行求解。仿真结果表明,该模型及算法在尽量少地损失网络时延代价的同时,有效降低了控制路径出现故障时网络的故障恢复开销。     

Fast reroute from single link and single node failures for IP multicast

The rise in multicast implementations has seen with it an increased support for fast failure recovery from link and node failures. Most recovery mechanisms augment additional services to existing protocols causing excessive overhead, and these modifications are predominantly protocol-specific. In this paper, we develop a multicast failure recovery mechanism that constructs protocol independent fast reroute paths to recover from single link and single node failures. We observe that single link failure recovery in multicast networks is similar to recovering unicast traffic, and we use existing unicast recovery mechanisms for multicast traffic. We construct multicast protection trees that provide instantaneous failure recovery from single node failures. For a given node x, the multicast protection tree spans all its neighbors and does not include itself. Thus, when the node fails, the neighbors of the node are connected through the multicast protection tree instead of node x, and forward the traffic over the multicast protection tree for the duration of failure recovery. The multicast protection trees are constructed a priori, without the knowledge of the multicast traffic in the network. Based on simulations on three realistic network topologies, we observe that the multicast protection trees increase the routing table size only by 38% on average and the path length between any source–destination pair by 13% on average.     

一种改进的IP网络多故障快速恢复算法

随着网络承载数据量的不断增加和实时业务的迅速发展,要求网络故障的恢复时间越来越短,而传统路由协议收敛时间过长,已不能满足其要求,并且多故障同时发生的情况也在增多,这些都影响了IP网络的稳定运行,严重时甚至会造成一定的经济损失。提出一种改进的IP网络多故障情况下的快速恢复算法,可以用少量的备份拓扑应对同时发生的多个链路和节点故障。与传统算法相比,有效节省了网络存储资源,增强了网络的可扩展性,具有良好的实用价值。     

Network protection codes: Providing self-healing in autonomic networks using network coding

Agile recovery from link failures in autonomic communication networks is essential to increase robustness, accessibility, and reliability of data transmission. However, this must be done with the least amount of protection resources, while using simple management plane functionalities. Recently, network coding has been proposed as a solution to provide agile and cost efficient self-healing against link failures, in a manner that does not require data rerouting, packet retransmission, or failure localization, hence leading to simple control and management planes. To achieve this, separate paths have to be provisioned to carry encoded packets, hence requiring either the addition of extra links, or reserving some of the resources for this purpose.In this paper we introduce self-healing strategies for autonomic networks in order to protect against link failures. The strategies are based on network coding and reduced capacity, which is a technique that we call network protection codes (NPC). In these strategies, an autonomic network is able to provide self-healing from various network failures affecting network operation. Also, network protection codes are extended to provide self-healing from multiple link failures in autonomic networks. Although this leads to reducing the network capacity, the network capacity reduction is asymptotically small in most cases of practical interest. We provide implementation aspects of the proposed strategies, derive bounds and show how to construct network protection code. The paper also develops an Integer Linear Program formulation to evaluate the cost of provisioning connections using the proposed strategies, and uses results from this formulation to show that it is more resource efficient than 1 + 1 protection. A simulation study to evaluate the recovery times, and the buffering requirements due to network coding is also conducted using the OPNET simulator.     

Building Edge-Failure Resilient Networks

We consider the design of resilient networks that are fault tolerant against link failures. Resilience against link failures can be built into the network by providing backup paths, which are used in the eventuality of an edge failure occurring on a primary path in the network. We consider several network design problems in this context; these problems are motivated by the requirements of current high-speed optical networks. In all the following problems the objective is to provide resilience in networks while minimizing the cost incurred. The main problem under consideration in this paper is that of backup allocation: this problem takes as its input an already provisioned primary network and a parameter k, and allocates backup capacity on the edges of the underlying network so that all the demand can be routed even in the presence of k edge failures. We also consider a variant of this problem where the primary network has a tree topology, and it is required that the restored network retains a tree topology. We then address the problem of simultaneous primary and backup allocation: we are given specifications of the traffic to be handled, and the goal is to provision both the primary as well as the backup network. Finally, we investigate a single-commodity problem motivated by a pragmatic scenario in which the primary network is not known in advance and demands between source--sink pairs arrive online.     

基于苯环结构的WSNs单向链路故障检测算法

在无线传感器网络（ WSNs）中提出的许多路由算法因其真实应用场景下存在大量单向链路而使其性能大幅降低,甚至无法正常工作。对此如何在WSNs中实现准确、高效能单向链路故障检测成为一个重要的研究课题。针对这种情况提出了一种基于Hello报文的单向链路故障检测（ ALFD-H）算法,该算法充分利用WSNs组成的苯环网络模型,由苯环中心节点发起周期检测信号来完成单向链路故障检测。通过苯环中心节点处理故障单向链路来控制报文数量降低网络资源的消耗,并且提高了网络的连通性和可扩展性。通过NS2仿真实验结果表明：ALFD-H相较传统检测算法采用了苯环网络模型,减少了用于故障检测的能量消耗,从而大大延长了节点的工作时间和网络的生命周期。     

分布式卫星链路仿真系统的设计与实现

随着卫星网络技术的发展,对于卫星组网协议的研究越来越多。由于卫星设计生产周期长、费用高,设计构建可控制、可重现的仿真实验环境是一种重要的协议研究手段。本文提出了一种面向卫星星座的天基无线网络链路仿真系统的分布式体系结构,对卫星通信中带宽、时延和误码率三个重要参数进行了仿真,解决了分布式链路仿真中的虚拟多链路、链路属性建模等关键技术,并且实现了一套原型系统,对其链路仿真能力进行了验证。     

网络可存活生成树的快速恢复算法

如何应对网络链接失效是具有挑战性的问题之一,通常采用包含两棵生成树的可存活连接来预防链接失效。由于网络数据传输速率的高速增长,当两棵生成树的共享链接失效时,可存活连接中的生成树将全部失效。针对可存活连接中共享链接的失效提出了一种快速恢复算法,该算法通过搜索失效链接的可替换链接集,将失效概率最小的链接加入原可存活连接中的生成树,生成新的可存活连接。实验结果表明,该算法能够在显著降低恢复时间和时间复杂度的情形下,同时保证可存活连接的存活度接近当前网络的最优存活度。当网络节点数在10～100变化时,提出的算法比现有算法在恢复时间上的平均优化高达34.42%,同时在存活度上的误差不超过1%。     

考虑失效恢复的组合服务性能建模与分析

互联网环境下运行的组合服务易受到资源故障和组件失效影响而导致失效.已有的失效恢复措施在提高服务可用性的同时也会对服务的性能产生负面影响.为了对失效可恢复情况下的组合服务性能进行量化,通过综合组合服务失效类型和恢复策略,给出一种考虑失效恢复的组合服务性能分析模型.采用排队Petri网(queueing Petri net,简称Qn)描述组合服务的失效发生及其恢复处理过程,重点研究实施重试和替换策略的服务运行情况.详细描述了考虑失效恢复的服务节点和链路QPN模型的内部结构,在此基础上,通过服务交互机制构建组合服务分散执行的性能模型.最后,采用QPME工具仿真和比较不同失效发生率、失效类型分布和恢复策略下组合服务模型的性能表现.结果表明,该方法能够定量分析失效恢复对组合服务性能的影响,有助于指导不确定网络环境下的信息服务系统失效恢复策略实施方案的设计.