[论文解读] Recovery from Link Failures in Networks with Arbitrary Topology via Diversity Coding

Serhat Nazim Avci, Xiaoyan Hu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2011

Advanced Optical Network Technologies参考文献 7被引用 5

一句话总结

本文提出了一种无消息反馈、无需重路由的无中断、低时延方法——多样性编码，用于在任意网络拓扑中恢复单链路故障。通过将任意拓扑映射为高效的多样性编码组，该方法实现了亚50毫秒的恢复时间（最低达0.9毫秒），且所需备用容量极少，显著优于源重路由和p-cycles在恢复速度和恢复质量（QoR）指标上的表现。

ABSTRACT

Link failures in wide area networks are common. To recover from such failures, a number of methods such as SONET rings, protection cycles, and source rerouting have been investigated. Two important considerations in such approaches are the recovery time and the needed spare capacity to complete the recovery. Usually, these techniques attempt to achieve a recovery time less than 50 ms. In this paper we introduce an approach that provides link failure recovery in a hitless manner, or without any appreciable delay. This is achieved by means of a method called diversity coding. We present an algorithm for the design of an overlay network to achieve recovery from single link failures in arbitrary networks via diversity coding. This algorithm is designed to minimize spare capacity for recovery. We compare the recovery time and spare capacity performance of this algorithm against conventional techniques in terms of recovery time, spare capacity, and a joint metric called Quality of Recovery (QoR). QoR incorporates both the spare capacity percentages and worst case recovery times. Based on these results, we conclude that the proposed technique provides much shorter recovery times while achieving similar extra capacity, or better QoR performance overall.

研究动机与目标

• 解决在具有任意拓扑的广域网中实现快速、高效且可扩展的链路故障恢复的迫切需求。
• 在实现低于50毫秒恢复时间阈值（语音和实时应用的关键指标）的前提下，最小化备用容量需求。
• 开发一种避免消息反馈和动态重路由的方法，以实现无中断恢复。
• 通过统一的恢复质量（QoR）指标，将多样性编码与传统技术（如源重路由和p-cycles）进行对比。
• 证明多样性编码在多种网络拓扑中均能实现更优的恢复时间与备用容量效率表现。

提出的方法

• 该方法将任意网络拓扑映射为基本多样性编码拓扑组，以实现高效的故障恢复。
• 采用一种设计算法，在最小化备用容量的同时确保可从任意单链路故障中完全恢复。
• 通过源节点的预规划编码实现恢复，无需信令或动态重路由。
• 该方法利用擦除编码原理，将数据编码至多条路径，使接收端可通过本地解码实现快速恢复。
• 恢复时间建模为 RT_dc = F + 2·D + PD，其中 F 为传播延迟，D 为解码延迟，PD 为路径延迟差。
• 引入了一种恢复质量（QoR）指标，综合备用容量百分比（SCP）与最坏情况恢复时间（RT）以评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 多样性编码是否能在无需消息反馈或重路由的情况下，实现对任意网络拓扑中单链路故障的无中断恢复？
• RQ2 在不同网络拓扑中，多样性编码的备用容量需求与源重路由和p-cycles相比如何？
• RQ3 多样性编码的恢复时间性能相对于传统技术如何，特别是在实时应用所要求的50毫秒阈值以下的表现？
• RQ4 在不同网络场景下，恢复质量（QoR）指标如何对多样性编码、源重路由和p-cycles进行排序？
• RQ5 多样性编码是否能保持低恢复时间，而不论网络规模或流量分布如何，而基于重路由的方法则不能？

主要发现

• 在美国长途网络中，多样性编码实现了9.5毫秒的恢复时间（C值为0.5–10毫秒），而源重路由为79.7–155.7毫秒，p-cycles为59.6–78.6毫秒，全部低于50毫秒阈值。
• 在合成网络中，多样性编码的恢复时间仅为0.9毫秒，而源重路由为5.7–53.2毫秒，p-cycles为2.8–21.8毫秒，表现出近10倍的性能提升。
• 在合成网络中，多样性编码实现了最低的备用容量百分比（81%），优于源重路由（100%）和p-cycles（85%）。
• 在所有三个测试网络中，多样性编码在所有C值下均取得了最佳QoR得分，且由于无重路由延迟，QoR表现与C值无关。
• 当仅有一个目的地且应用延迟均衡时，多样性编码的恢复时间可降低至约300微秒，接近真正的无中断恢复。
• 所提方法在恢复速度和备用容量效率方面始终优于源重路由和p-cycles，所有测试场景下的QoR结果均更有利于多样性编码。