彈性光網(wǎng)絡(luò)頻譜資源一致性及流量疏導(dǎo)策略研究

2014-12-24 22:14:16王偉朱紅

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2014年12期

王偉+朱紅

摘要：為了降低彈性光網(wǎng)絡(luò)的阻塞率，提高網(wǎng)絡(luò)的性能和效率，并對(duì)未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃部署提供可靠數(shù)據(jù)，進(jìn)行了在不同情況下針對(duì)彈性光網(wǎng)絡(luò)性能出現(xiàn)阻塞狀況時(shí)的數(shù)據(jù)模擬，包含光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在不同狀態(tài)下鏈接傳輸信息時(shí)所使用的彈性光網(wǎng)絡(luò)鏈接性能。結(jié)果表明曲線(xiàn)類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)鏈接具有更好的平衡負(fù)載能力，同時(shí)也降低了彈性光網(wǎng)絡(luò)在使用過(guò)程中的阻塞率。

關(guān)鍵詞：彈性光網(wǎng)絡(luò);頻譜一致性;鏈路權(quán)重;流量疏導(dǎo)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP316 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2014）12-00-03

0 ?引 ?言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了數(shù)據(jù)量的幾何級(jí)增長(zhǎng)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的多樣性與靈活性，這就要求光傳送網(wǎng)能適應(yīng)寬帶化、多樣化、動(dòng)態(tài)化的業(yè)務(wù)需求并具有高效的、靈活的按需分配帶寬的機(jī)制以及快速通道分配的能力，以提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行性能。在傳統(tǒng)的波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)（WSON）中，波長(zhǎng)是最小的交換粒度，在建光路時(shí)無(wú)法根據(jù)帶寬的實(shí)際需求為業(yè)務(wù)靈活地分配可用帶寬資源，使得網(wǎng)絡(luò)資源無(wú)法得到有效的利用。近年來(lái)，提出了一種頻譜切片彈性光網(wǎng)絡(luò)（SLICE，本文簡(jiǎn)稱(chēng)彈性光網(wǎng)絡(luò)），光路帶寬可根據(jù)流量和用戶(hù)需求進(jìn)行一定的擴(kuò)展或收縮，提高了頻譜資源的利用效率[1-4]。

本文首先介紹了彈性光網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，隨后對(duì)彈性光網(wǎng)絡(luò)中的頻譜資源一致性約束及流量疏導(dǎo)策略進(jìn)行了闡述，最后通過(guò)仿真對(duì)不同鏈路權(quán)重方案下以及不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)情況下網(wǎng)絡(luò)的阻塞率性能進(jìn)行了分析對(duì)比，并根據(jù)仿真結(jié)果，我們對(duì)未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃部署提出了建設(shè)性的意見(jiàn)。

1 ?彈性光網(wǎng)絡(luò)概述

與波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)相比，彈性光網(wǎng)絡(luò)是將網(wǎng)絡(luò)頻譜資源細(xì)化分割為更小的粒度單元，一般被稱(chēng)為頻隙。對(duì)于不同帶寬需求的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，彈性光網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)業(yè)務(wù)需求分配一定數(shù)量的連續(xù)的頻隙資源[5]。

當(dāng)100 GbE技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后，人們過(guò)多關(guān)注的是光傳送網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的100 GbE接口，傳統(tǒng)的波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)在資源不充足的時(shí)候仍要為每一條光路徑分配一個(gè)波長(zhǎng)資源來(lái)承載客戶(hù)信號(hào)，但是也許一個(gè)波長(zhǎng)碎片就能夠滿(mǎn)足消費(fèi)者承載小粒度業(yè)務(wù)的需求，從而浪費(fèi)了大量的帶寬資源。而彈性光網(wǎng)絡(luò)則可以把高速數(shù)據(jù)帶寬分割成多個(gè)低速數(shù)據(jù)通道，提供有效的子波長(zhǎng)連接業(yè)務(wù)即為波長(zhǎng)碎片業(yè)務(wù)提供一種新的機(jī)制（如圖1所示），使網(wǎng)絡(luò)資源得到更有效的利用，同時(shí)可以允許成本有效的分級(jí)帶寬業(yè)務(wù)的預(yù)置[6]。

圖1 ?波分與彈性光網(wǎng)絡(luò)頻譜分配對(duì)比

隨著高速業(yè)務(wù)的發(fā)展，消費(fèi)者需要200 Gb/s、300 Gb/s乃至更高的帶寬來(lái)傳輸業(yè)務(wù)，通常網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商最先考慮的是核心網(wǎng)絡(luò)資源利用率的問(wèn)題。彈性光網(wǎng)絡(luò)則可以實(shí)現(xiàn)層一鏈路匯聚，即將多個(gè)低速信號(hào)通道匯聚成高速超級(jí)通道，實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸[7-9]。

在彈性光網(wǎng)絡(luò)中，光路帶寬根據(jù)流量和用戶(hù)需求而擴(kuò)展或收縮，它的特別之處在于頻譜資源的分割和聚合、多數(shù)據(jù)速率的高效分配和已分配資源的彈性變化，它緩解了當(dāng)前波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)尷尬的帶寬問(wèn)題。由于彈性光網(wǎng)絡(luò)可以提供比光分組交換（OPS）更粗的交換粒度，可以作為目前還不成熟的OPS技術(shù)的折中選擇。

2 ?頻譜一致性約束與頻譜可變光節(jié)點(diǎn)

除了連續(xù)性、不重疊等約束條件，與傳統(tǒng)的波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似，如果光通路經(jīng)過(guò)的光節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)換，彈性光網(wǎng)絡(luò)還需要滿(mǎn)足頻隙資源一致性約束，即在光通路經(jīng)過(guò)的光鏈路上，應(yīng)采用相同的頻隙資源，如果在該路徑上找不到連續(xù)一致的頻隙資源，就會(huì)造成當(dāng)前業(yè)務(wù)阻塞。

對(duì)于具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的光節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，光通路經(jīng)過(guò)該節(jié)點(diǎn)時(shí)，則可以進(jìn)行信號(hào)解調(diào)與再調(diào)制，進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)換，如果光通路上所有的節(jié)點(diǎn)均具有頻譜轉(zhuǎn)換功能，則光通路在經(jīng)過(guò)的各鏈路上就可以不必采用相同的頻隙資源，這樣，可以避免資源碎片，在一定程度上提高建路靈活性，降低業(yè)務(wù)阻塞率。當(dāng)然，具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的光節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜，成本較高，而且也會(huì)對(duì)光路造成一定的延時(shí)。

本文將對(duì)全部節(jié)點(diǎn)不具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的網(wǎng)絡(luò)、部分節(jié)點(diǎn)具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的網(wǎng)絡(luò)以及全部具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的網(wǎng)絡(luò)在不同的流量疏導(dǎo)策略下的業(yè)務(wù)阻塞率性能進(jìn)行分析對(duì)比，從而得出一些直觀性的結(jié)論，供網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際部署提供參考。

3 ?光網(wǎng)絡(luò)中的流量疏導(dǎo)策略

為了避免網(wǎng)絡(luò)流量集中到少數(shù)鏈路資源上而導(dǎo)致后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)流量再經(jīng)過(guò)該鏈路時(shí)由于資源不夠而造成阻塞，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用一定的流量疏導(dǎo)策略來(lái)避免此種情況的發(fā)生，通常是根據(jù)鏈路上的資源占用情況來(lái)設(shè)定每個(gè)鏈路的權(quán)重，權(quán)重值一般隨鏈路可用資源的減少而增加，這樣在選路時(shí)采用最小權(quán)重選路算法，會(huì)在一定程度上避開(kāi)負(fù)載過(guò)重的鏈路，達(dá)到負(fù)載均衡的效果。

有關(guān)鏈路的權(quán)重與鏈路剩余資源的關(guān)系，我們總結(jié)了如下三種方案：

（1）曲線(xiàn)型權(quán)重方案：鏈路權(quán)重跟鏈路剩余資源成反比關(guān)系，該方案在鏈路資源較充足時(shí)，鏈路權(quán)重隨鏈路資源占用量增長(zhǎng)的較慢，隨著鏈路資源被占用的越多，鏈路權(quán)重的增長(zhǎng)速度逐漸提高。

（2）線(xiàn)性權(quán)重方案：鏈路權(quán)重跟鏈路被占用的資源成線(xiàn)性關(guān)系。

（3）閾值型線(xiàn)性權(quán)重方案：鏈路被占用資源超過(guò)閾值之前保持恒定，在超過(guò)閾值之后與被占用資源成線(xiàn)性關(guān)系。該方案是考慮在鏈路資源較充足時(shí)，是否可以不增加鏈路的權(quán)重，而只有鏈路資源的占用達(dá)到一定程度時(shí)才增加，在仿真部分我們可以看到，該方案并不是一種理想的方案。

（a）曲線(xiàn)型權(quán)重方案 ? ? ? ? ? ?（b）線(xiàn)性權(quán)重方案 ? ? ? ? ?（c）閾值型線(xiàn)性權(quán)重方案

圖2 ?權(quán)重方案對(duì)比示意圖

4 ?阻塞率性能仿真分析

我們編寫(xiě)了C程序，對(duì)上文所述不同權(quán)重方案下、不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型情況下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的阻塞率性能進(jìn)行了仿真。仿真基于NSFNet網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如圖3所示。為了分析方便，我們假設(shè)每條鏈路上的可用頻隙資源個(gè)數(shù)為40，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)請(qǐng)求為單向，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)類(lèi)型共有4類(lèi)，占用的頻隙個(gè)數(shù)分別為1、2、3、4，其中業(yè)務(wù)到達(dá)率服從泊松分布，業(yè)務(wù)持續(xù)時(shí)間和業(yè)務(wù)類(lèi)型均服從均勻分布。

圖3 ?NSFNet網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

我們首先對(duì)以下三種場(chǎng)景下，不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的阻塞情況進(jìn)行了仿真：

（1）全部節(jié)點(diǎn)不具有頻譜轉(zhuǎn)換功能（曲線(xiàn)型權(quán)重方案：Curve-No，線(xiàn)性權(quán)重方案Linear-No）;

（2）部分節(jié)點(diǎn)具有頻譜轉(zhuǎn)換功能：我們選取了3、5、7、8、13五個(gè)節(jié)點(diǎn)為具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的節(jié)點(diǎn)（曲線(xiàn)型權(quán)重方案：Curve-5，線(xiàn)性權(quán)重方案Linear-5）;

（3）全部節(jié)點(diǎn)均具有頻譜轉(zhuǎn)換功能（曲線(xiàn)型權(quán)重方案：Curve-All，線(xiàn)性權(quán)重方案Linear-All）。

在以上三種場(chǎng)景下采用曲線(xiàn)型鏈路權(quán)重方案與線(xiàn)性權(quán)重方案的仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，方案（3）的阻塞率比方案（1）明顯要低，但是方案（2）依然獲得了較低的阻塞率，雖然它只選擇了5個(gè)節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行頻譜轉(zhuǎn)換，但是其阻塞率性能卻與方案（3）接近。因此，在網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際部署中，可以根據(jù)需要選擇性的部署具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而不必要全部部署，從而降低成本，減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

圖4 ?曲線(xiàn)型權(quán)重方案阻塞率 ? ? ? ? 圖5 ?線(xiàn)性權(quán)重方案阻塞率

此外，我們對(duì)上文所述三種鏈路權(quán)重方案下的網(wǎng)絡(luò)阻塞情況進(jìn)行了仿真，對(duì)于閾值型線(xiàn)性權(quán)重方案，分別選取了10、18、25（Threshold10-No，Threshold18-No，Threshold25-No）三個(gè)閾值，如圖6所示。從圖中可以看出，對(duì)于不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，曲線(xiàn)型鏈路權(quán)重方案的阻塞率性能都要優(yōu)于線(xiàn)性鏈路權(quán)重方案和閾值型鏈路權(quán)重方案，而閾值型線(xiàn)性權(quán)重方案的阻塞率性能要低于線(xiàn)性鏈路權(quán)重方案，而且閾值越高，性能越差。通過(guò)仿真對(duì)比，我們推薦曲線(xiàn)型鏈路權(quán)重方案。

圖6 ?不同鏈路權(quán)重方案阻塞率

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本文對(duì)彈性光網(wǎng)絡(luò)中的頻隙資源一致性約束及負(fù)載均衡策略進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，曲線(xiàn)型鏈路權(quán)重方案具有較好的負(fù)載均衡能力，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)阻塞率較低。而對(duì)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型的選擇，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的若干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)具有頻譜轉(zhuǎn)換功能即可得到較好的阻塞率性能，因此可以根據(jù)需要選擇性的部署，這樣一方面可以保證網(wǎng)絡(luò)較低的阻塞率，同時(shí)可以降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，降低網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的傳輸延時(shí)。

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