光網(wǎng)絡中基于瓶頸鏈路優(yōu)先的升級策略

黃 沖，劉逢清

（南京郵電大學光電工程學院，南京 210023）

光網(wǎng)絡中基于瓶頸鏈路優(yōu)先的升級策略

黃 沖，劉逢清

（南京郵電大學光電工程學院，南京 210023）

針對固定柵格WDM（波分復用）光網(wǎng)絡頻譜利用率低的缺點，需對網(wǎng)絡使用靈活柵格技術進行升級，提出了基于瓶頸鏈路優(yōu)先的升級策略。文章定義了瓶頸鏈路，提出兩種基于瓶頸鏈路的升級策略：鏈路密度策略和擁塞鏈路策略，并對這兩種策略進行仿真，仿真結果顯示兩種策略都能夠降低帶寬阻塞率。鏈路密度策略的帶寬阻塞率降低程度取決于所取閾值的不同，而擁塞鏈路策略能有效地降低帶寬阻塞率。

波分復用網(wǎng)絡；靈活柵格；瓶頸鏈路；帶寬阻塞率

0 引 言

近年來，視頻點播、高清電視等高帶寬業(yè)務不斷涌現(xiàn)，IP業(yè)務量呈指數(shù)增長［1］，這就要求運營商提供一個高頻譜利用率、低阻塞、具有成本效益并且可擴展的網(wǎng)絡體系?，F(xiàn)有WDM（波分復用）網(wǎng)絡遵循ITU-T G.694.1標準，將頻譜資源劃分成一系列間隔為50 GHz的頻隙［2］，這種固定柵格技術能夠較好地支持低速業(yè)務（如10 Gbit/s）；對于高速業(yè)務，則需采用反向復用技術將其分解成多個低速業(yè)務，更容易消耗網(wǎng)絡頻譜資源。此外，固定柵格也會造成頻譜的浪費，這是因為50 GHz的頻譜粒度對于低速業(yè)務（10 Gbit/s）太大。為了更好地支持高速業(yè)務，文獻［3］提出了SLICE（頻譜分割彈性光網(wǎng)絡），經(jīng)過幾年的發(fā)展，形成了一整套稱作靈活柵格的技術。靈活柵格技術采用波長可變轉(zhuǎn)發(fā)器、波長可變光交叉連接器和高級調(diào)制技術，將頻譜劃分為更小的頻隙（例如12.5 GHz、25 GHz），通過一系列連續(xù)頻隙的組合，可以有效地支持高速業(yè)務。它不僅繼承了WDM網(wǎng)絡的優(yōu)點，而且極大地提高了頻譜利用率。

靈活柵格技術的部署只需要對現(xiàn)有WDM網(wǎng)絡進行相應的軟硬件升級［4］，無需重建網(wǎng)絡。文獻［5］預計現(xiàn)有WDM網(wǎng)絡容量將在2019年耗盡，考慮到成本效益，逐步向靈活柵格網(wǎng)絡升級是一個明智的選擇。由于網(wǎng)絡流量分布的不均勻性，網(wǎng)絡中一些鏈路會出現(xiàn)較大流量，成為網(wǎng)絡擴容的瓶頸。本文重點研究網(wǎng)絡中的瓶頸鏈路，優(yōu)先升級這些鏈路，以達到降低阻塞率、提升網(wǎng)絡容量的目的。

1 瓶頸鏈路升級策略

在實際網(wǎng)絡中，由于網(wǎng)絡拓撲多數(shù)情況下是不規(guī)則的，這會導致業(yè)務路由時有些擁塞鏈路被選中的概率較高，使得它們成為網(wǎng)絡瓶頸的概率增大，因此應該重點關注這些鏈路。LD（鏈路密度）是表征整個網(wǎng)絡對一條鏈路的依賴性。假設（s，d）是一對源-目的節(jié)點，（i，j）表示任意兩個相鄰節(jié)點i、j之間的鏈路l，整個網(wǎng)絡共有N條鏈路，共有M個（s，d），使用K最短路由算法可以得到K個M×N矩陣，每個矩陣的元素L定義如下：將網(wǎng)絡中所有（s，d）節(jié)點對的K個矩陣求和即可得到網(wǎng)絡中所有鏈路的LD矩陣，矩陣對應位置（i，j）就是鏈路l的LD值，矩陣可表示為

LD的大小很大程度上決定了該鏈路是否會成為網(wǎng)絡的瓶頸鏈路。LD值越大，越有可能成為未來限制網(wǎng)絡容量的瓶頸鏈路。可以設置LD閾值來判斷一條鏈路是否是瓶頸鏈路，大于或等于LD閾值的鏈路可以定義為瓶頸鏈路。

根據(jù)LD值來確定網(wǎng)絡中的瓶頸鏈路只是對網(wǎng)絡的預期，瓶頸鏈路還與網(wǎng)絡的流量分布有著很大的關系。網(wǎng)絡中實際的業(yè)務量變化很大，有些LD值小于LD閾值的鏈路可能會有幾個大帶寬業(yè)務通過，帶寬資源消耗嚴重，很有可能出現(xiàn)阻塞，這些擁塞鏈路也是網(wǎng)絡中的瓶頸，也需要優(yōu)先被考慮進行升級；當鏈路帶寬資源被占用達到95%以上時，也認為此鏈路是瓶頸鏈路。

基于以上定義的兩種瓶頸鏈路，本文提出兩種升級策略：（1）LD策略。當LD大于或等于LD閾值時，此鏈路將作為瓶頸鏈路被升級；（2）擁塞鏈路策略。當帶寬資源消耗達到95%時，此鏈路將作為瓶頸鏈路被升級。

對瓶頸鏈路的升級涉及到網(wǎng)絡節(jié)點結構的變化。老式OXC（光交叉連接）采用微機電波長選擇開關，只需要將這些微機電開關替換為LCoS-WSS（硅基液晶波長選擇開關），就可以構成BV-OXC（帶寬可變光交叉連接），從而支持靈活柵格技術。對于需要升級的鏈路兩端節(jié)點，需要將原有的收發(fā)器替換為支持靈活柵格技術的BV-T（帶寬可變光收發(fā)器）。由于升級的節(jié)點處在固定柵格鏈路與靈活柵格鏈路之間，頻譜一致性不能保證，所以節(jié)點處還需要引進波長轉(zhuǎn)換器。本文的重點不在于中間節(jié)點的結構，因此不再贅述。

2 仿真與數(shù)值分析

仿真使用的網(wǎng)絡拓撲圖是NSFNET（美國國家科學基金網(wǎng)），如圖1所示，共有14個節(jié)點，21條鏈路。

圖1 NSFNET拓撲

由于我們關注的是骨干網(wǎng)，業(yè)務量相對穩(wěn)定，所以采用靜態(tài)流量矩陣進行仿真。假設每條鏈路總的帶寬資源為4 200 GHz，在固定柵格情況下可劃分為84個50 GHz頻隙，在靈活柵格下可劃分為336 個12.5 GHz頻隙。每個（s，d）（s＜d）之間隨機產(chǎn)生≤3個業(yè)務。為了預測未來網(wǎng)絡容量使用情況，引入400 Gbit/s和1 Tbit/s業(yè)務，在固定柵格情況下，采用反向復用的方法支持這兩種速率的業(yè)務。網(wǎng)絡中的業(yè)務類型有10、40、100和400 Gbit/s以及1 Tbit/s。在固定柵格WDM網(wǎng)絡中使用直接調(diào)制方法，在靈活柵格WDM網(wǎng)絡中使用PM-16QAM（偏振復用16階正交幅度調(diào)制）。業(yè)務路由采用K最短路由算法，K取3。對業(yè)務進行降序排列，優(yōu)先對高速業(yè)務采用首次命中算法進行頻譜分配，保證業(yè)務占用頻譜的連續(xù)性，分別保證業(yè)務在固定柵格鏈路上和在靈活柵格鏈路上的頻譜一致性。BBR（帶寬阻塞率）定義為

式中，t為總的阻塞帶寬；T為網(wǎng)絡中業(yè)務所需要的總帶寬。

根據(jù)計算得到網(wǎng)絡中所有鏈路的LD，設定不同的LD閾值，統(tǒng)計得出瓶頸鏈路的數(shù)量如表1所示。在3種流量分布情況下，對LD策略進行仿真。3種流量分布比例見表2。

表1 超過LD閾值的鏈路數(shù)量

表2 業(yè)務比例

設定不同的LD閾值，按表2所示的業(yè)務比例進行仿真，采用100個隨機生成靜態(tài)業(yè)務量矩陣進行平均，結果如圖2所示。由圖可知，隨著升級鏈路數(shù)量的增多，BBR持續(xù)下降。升級鏈路數(shù)為0時，即為固定柵格WDM網(wǎng)絡的BBR。當升級鏈路數(shù)≥19時，網(wǎng)絡中不存在未被服務的業(yè)務。然而，LD升級策略只是一個靜態(tài)的策略，鏈路升級與否僅決定于有多少源-目的節(jié)點對的最短路由經(jīng)過此鏈路，而網(wǎng)絡中真實業(yè)務量分布對其沒有影響。LD策略可以給網(wǎng)絡服務供應商提供參考，在圖2中可以看出，在升級鏈路數(shù)分別為4、8、11和15時，網(wǎng)絡BBR有較大的下降，由表1可知，它們對應的LD閾值分別為52、42、40和39。

圖2 不同LD閾值下網(wǎng)絡BBR

圖3 不同升級方案的網(wǎng)絡BBR

選取以上4個閾值，在不同網(wǎng)絡總業(yè)務量的情況下，分別對LD策略和擁塞鏈路策略進行仿真，結果如圖3所示。由圖可知，擁塞鏈路策略可以有效地降低網(wǎng)絡BBR，這是因為它與網(wǎng)絡負載有很強的關聯(lián)性，需要監(jiān)測鏈路的帶寬資源使用情況。在實際情況下，擁塞鏈路的升級是一個動態(tài)的過程，隨著網(wǎng)絡業(yè)務量的增大，鏈路會逐漸成為擁塞鏈路，這意味著需要隔一段時間升級一條擁塞鏈路，這無疑會增加運營商維護成本。與擁塞鏈路策略相比，LD策略不需要監(jiān)測鏈路帶寬資源的使用情況，可以根據(jù)不同階段的網(wǎng)絡情況選取LD閾值，一次性升級必要的鏈路，以滿足當前階段網(wǎng)絡的阻塞率要求。例如，當網(wǎng)絡總業(yè)務量達到80 Tbit/s時，選取LD閾值為52、42、40和39，BBR分別下降了10.53%、19.76%、37.05%和53.23%。網(wǎng)絡運營商通過評估網(wǎng)絡現(xiàn)階段的狀況選取LD閾值，以降低網(wǎng)絡BBR，滿足當前網(wǎng)絡的需求。圖3還表明，當LD閾值為39時，兩種策略的BBR降低表現(xiàn)十分接近。綜上所述，LD策略是更好的網(wǎng)絡升級策略。

3 結束語

本文重點研究從固定柵格WDM光網(wǎng)絡向靈活柵格光網(wǎng)絡逐步升級的策略，提出了兩種升級策略，并基于14個節(jié)點、21條鏈路的NSFNET進行了仿真。結果顯示，兩種策略都能有效地降低網(wǎng)絡BBR，但LD策略優(yōu)于擁塞鏈路策略。

［1］ Gerstel O，Jinno M，Lord A，et al.Elastic Optical Networking：A New Dawn for the Optical Layer［J］. IEEE Communications Magazine，2012，50（2）：12-20.

［2］ ITU-T G.694.1-2012，Spectral Grids for WDM Applications：DWDM Frequency Grid［S］.

［3］ Jinno M，Takara H，Kozicki B，et al.Spectrum-efficient and scalable elastic optical path network：architecture，benefits，and enabling technologies［J］.IEEE Communications Magazine，2009，47（11）：66-73.

［4］ Ruiz M，Velasco L，Lord A，et al.Planning Fixed to Flexgrid Gradual Migration：Drivers and Open Issues ［J］.IEEE Communications Magazine，2014，52（1）：70-76.

［5］ Mayoral A，Gonzalez O.Migration Steps towards Flexi-Grid networks［C］//Proc Future Network and Mobile Summit.Lisbon，Portugal：European Commission，2013：1-9.

The Strategy of Bottleneck Links Upgrade First in Optical Networks

HUANG Chong，LIU Feng-qing
（School of Optoelectronic Engineering，Nanjing University of posts&Telecommunications，Nanjing 210023，China）

In order to solve the inefficient spectrum utilization problem in fixed-grid WDM networks，an upgrading scheme is proposed to upgrade the bottleneck links from fixed grid to flex grid networks.The paper defines the concept of bottleneck links，and proposes two strategies：the Link Density（LD）strategy and the congestion strategy.Numerical results show that the Bandwidth Blocking Rate（BBR）is reduced by the two strategies.The LD strategy performs different BBR reduction depending on different thresholds and the congestion strategy can effectively reduce the BBR.

WDM networks；flex grid；bottleneck link；BBR

TN915

A

1005-8788（2016）03-0004-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.002

2015-12-14

區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金資助項目（2015GZKF03006）

黃沖（1990-），男，江蘇徐州人。碩士研究生，主要從事固定柵格光網(wǎng)絡向靈活柵格光網(wǎng)絡逐步升級的研究工作。

劉逢清，副教授。E-mail：liufq@njupt.edu.cn