《IEEE Transactions on Nanotechnology》：Link Weight Design Adopting Traffic-Engineering Links Based on Preventive Start-Time Optimization Against Link Failures
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本文针对IP网络中链路故障导致的拥塞问题，提出了一种结合流量工程（TE）链路的预防性启动时间优化（PSO-TE）链路权重设计模型。该模型在OSPF协议框架下，通过引入逻辑TE链路增强路由灵活性，在考虑所有单物理链路故障场景下优化链路权重，以最小化最坏情况网络拥塞比。数值结果表明，PSO-TE较传统PSO、SO-TE、ER-OPT、ICW及TPR等方法能有效降低拥塞比，且无需新增物理链路资源，为提升网络容错性与流量工程效能提供了实用方案。
在当今互联网协议（IP）网络中，随着流媒体视频、在线会议和云服务等应用的普及，网络流量的多样性和规模急剧增长，对网络服务质量提出了更高要求。然而，网络中的链路故障（如光纤断裂或物理接口问题）时有发生，可能导致严重的网络拥塞和服务中断。传统链路状态路由协议（如OSPF和IS-IS）通过最短路径优先算法确定数据包转发路径，其性能高度依赖于链路权重的设置。尽管已有研究提出了多种链路权重优化策略，如启动时间优化（SO）、运行时优化（RO）和预防性启动时间优化（PSO），但在应对链路故障时仍存在局限性。SO在故障发生后保持初始权重，可能导致非最优路由和拥塞；RO虽能动态调整权重，但频繁更新会引起网络不稳定。PSO通过在网络启动时预防性地优化权重，以最小化所有可能故障场景下的最坏情况拥塞比，平衡了稳健性与稳定性，但仅考虑物理链路，路由灵活性受限。
为了进一步提升网络在故障情况下的性能，研究人员开始探索引入流量工程（Traffic Engineering, TE）链路。TE链路是逻辑上的直连链路，用于连接非相邻节点，可在不增加物理资源的前提下扩展路由选择空间。然而，如何将TE链路有效融入PSO框架，联合优化物理链路与TE链路的权重，以应对单链路故障，仍是一个未充分探索的问题。为此，本研究提出了一种名为PSO-TE的链路权重设计模型，旨在通过引入TE链路增强OSPF网络的路由灵活性，从而更有效地降低单物理链路故障下的网络拥塞比。
本研究采用Tabu搜索启发式算法确定链路权重，通过构建包含物理链路和TE链路的扩展网络图G'(V,E')，在考虑所有单物理链路故障模式（含无故障场景）下，优化链路权重集合W，以最小化最坏情况网络拥塞比R(W)。TE链路的引入遵循两种策略：首先选择流量需求最高的m对非相邻节点部署TE链路；其次为每对节点选择最多k条路径（不限于最小跳数路径），以降低物理链路重叠度。算法通过迭代调整权重、标记瓶颈链路及更新禁忌表，搜索最优权重配置。
研究结果表明，PSO-TE能显著降低最坏情况网络拥塞比。在多个网络拓扑（如Network(a)-(e)）上的仿真显示，PSO-TE的拥塞比均低于PSO（无TE链路）、SO-TE、逆容量加权（ICW）和两阶段路由（TPR）等基线方法。例如，在Network(b)中，PSO-TE的最坏情况拥塞比为0.704，较PSO（无TE链路）的1.000降低了29.6%。同时，PSO-TE在拥塞控制方面接近理想路由优化（ER-OPT）的性能，但避免了ER-OPT需配置全网格隧道的可扩展性问题。此外，研究还发现，通过调整TE链路数量（M和K），可进一步优化性能，但计算复杂度随之增加。
在讨论部分，作者强调了PSO-TE在现有OSPF框架下的实用性：TE链路可通过RSVP-TE协议实现，无需修改路由协议或硬件。研究还探讨了将PSO-TE扩展至多故障场景、整合网络状态感知路由等未来方向。总之，PSO-TE为网络运营商提供了一种低成本、高效益的容错流量工程解决方案，通过逻辑链路增强路由灵活性，显著提升了网络在故障条件下的稳健性。
