一種光波復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的最小代價啟發(fā)式優(yōu)化算法

梅勇，趙煒，鐘成，蘇漢

(1 國網(wǎng)河北省電力公司信息通信分公司，石家莊 050021；2 國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021）

一種光波復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的最小代價啟發(fā)式優(yōu)化算法

梅勇1，趙煒1，鐘成2，蘇漢2

(1 國網(wǎng)河北省電力公司信息通信分公司，石家莊 050021；2 國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021）

本文從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的角度，提出最小代價啟發(fā)式算法用來減少基于密集光波復(fù)用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多層光傳輸網(wǎng)資本支出。比較了透明的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃開銷和不透明的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃開銷，同時與多層交換對比，并且進(jìn)行實驗仿真驗證得出所提出的多層規(guī)劃可以通過更少的開銷得到更高通信容量的服務(wù)。

光傳輸網(wǎng)；密集光波復(fù)用；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；啟發(fā)式算法

1 引言

集成光傳輸網(wǎng)交換技術(shù)可以為光纖網(wǎng)絡(luò)的虛擬化帶來經(jīng)濟(jì)和運(yùn)營上的收益。光傳輸網(wǎng)交換技術(shù)將客戶端和密集光波復(fù)用線路接口分離開，通過確保密集光波復(fù)用鏈路一直保持運(yùn)行，盡可能地使得帶寬全部被利用上。光傳輸網(wǎng)交換網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步吸納了該策略，允許流量被匯集到中間節(jié)點(diǎn)，并且流向未被充分利用的線路路由[1]。最近的一些研究工作提出了針對密集光波復(fù)用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）、IP和光傳輸網(wǎng)絡(luò)的多層次優(yōu)化來減少網(wǎng)絡(luò)的CAPEX資本支出。在文獻(xiàn)[2]中提出了一種在所有層上創(chuàng)建虛擬鏈路的多層路由策略。

本文提出了一種方法，可以有效減少基于密集光波復(fù)用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多層光傳輸網(wǎng)資本支出。

2 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化

光傳輸網(wǎng)交換允許多個客戶端被約束到統(tǒng)一容器，并且通過單波長的形式進(jìn)行發(fā)送?；诿芗獠◤?fù)用的光傳輸網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以用兩種架構(gòu)實現(xiàn)[3]：密集光波復(fù)用網(wǎng)絡(luò)上增加獨(dú)立的光傳輸網(wǎng)轉(zhuǎn)換，其中光傳輸網(wǎng)轉(zhuǎn)換和密集光波復(fù)用用短暫光路實現(xiàn)互聯(lián)，從而進(jìn)一步導(dǎo)致連續(xù)的光纖互聯(lián)； 消除光纖互聯(lián)的光傳輸網(wǎng)-密集光波復(fù)用系統(tǒng)。本文提出一種綜合的方法。假設(shè)如下：

(1)網(wǎng)絡(luò)中同時擁有光傳輸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和密集光波復(fù)用設(shè)備；

(2)本文的光傳輸網(wǎng)客戶端流量聚合僅針對ODU4接口單元的情況而言；

(3)光客戶端和光傳輸網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)通過背板連接；

(4)密集光波復(fù)用節(jié)點(diǎn)是由一個轉(zhuǎn)發(fā)器、基于OXC的ROADM、功率和前置放大器構(gòu)成的；

田總，能掙到錢才是最為重要的，機(jī)會難得啊，你再考慮考慮。說著，高潮遞給田卓一支香煙，又幫她點(diǎn)著。田卓抽煙的姿勢很優(yōu)雅，抽著煙思索的表情更是楚楚可憐。高潮吐了一口濃濃的煙氣，在氤氳的煙霧中，他越發(fā)感覺田卓就是霧里的一朵怒放的玫瑰。霧里看花，讓高潮捉摸不透花兒的真實面目，讓高潮覺得自己和田卓之間，或許永遠(yuǎn)只能是隔岸相望的兩塊擬人化的石頭。

(5)可變帶寬轉(zhuǎn)發(fā)器[4]的數(shù)據(jù)傳輸速率默認(rèn)為100 Gbit/s和200 Gbit/s。

光傳輸網(wǎng)客戶端通信流量請求在源和目的光傳輸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間實現(xiàn)，并且被集中到ODU4容器。集中了源光傳輸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的ODU4容器穿過基層鏈接到達(dá)密集光波復(fù)用節(jié)點(diǎn)層。密集光波復(fù)用層的轉(zhuǎn)換器完成了滿足ITU-T波長的電光（E-O）轉(zhuǎn)換。密集光波復(fù)用層的ROADM將波長路由到密集光波復(fù)用上的目的節(jié)點(diǎn)。功率放大器和前置放大器彌補(bǔ)光纖和節(jié)點(diǎn)的缺失[5]。

2.1 成本計算模型

對于一個需要遍歷密集光波復(fù)用系統(tǒng)上光傳輸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的請求，和成本相關(guān)的參數(shù)以及每個組件的標(biāo)準(zhǔn)化成本如表1所示。創(chuàng)建一條滿足光傳輸網(wǎng)請求的光鏈路所需要的開銷成本，可以由公式1表示推得。

d是請求的業(yè)務(wù)通信流量，單位用Gbit/s表示，n是滿足請求所需的波長數(shù)目。N是密集光波復(fù)用網(wǎng)絡(luò)交叉節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，W是光纖中提供支持的波長總數(shù)目，本文中默認(rèn)將其設(shè)為80。Cfc是一個波長遍歷通過光交叉連接（OXC）、前置放大器以及功率放大器的成本花費(fèi)。由于我們假定底板相互連接，所以C光傳輸網(wǎng)t和Coc的值為零。一個利用密集光波復(fù)用網(wǎng)絡(luò)上現(xiàn)有光鏈路實現(xiàn)的光傳輸網(wǎng)請求所需要的成本支出，可以由公式3表征。

CVirtual=2d×Ce+d+Cs×N （3）給定輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屯ㄐ帕髁亢?，接下來目?biāo)就是盡量地減少密集光波復(fù)用接口的數(shù)目，我們可以通過高效利用光傳輸網(wǎng)層交換和轉(zhuǎn)發(fā)能力來實現(xiàn)。相關(guān)優(yōu)化主要從透明交換網(wǎng)絡(luò)和非透明交換網(wǎng)絡(luò)對比分析兩個角度進(jìn)行。

表1 相關(guān)使用到的資源的歸一化成本

2.2 啟發(fā)式算法

該算法包括5個模塊，每個模塊都具有特定的功能，其流程如圖1所示。

圖1 啟發(fā)式算法的實現(xiàn)流程圖

輸入階段包括一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌撏負(fù)浒?層（密集光波復(fù)用）的光纖連接節(jié)點(diǎn)集和輸入通信流量矩陣。通信流量業(yè)務(wù)矩陣包含光傳輸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的請求。每個光傳輸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都和一個密集光波復(fù)用節(jié)點(diǎn)相連接。多層拓?fù)溆梢粚σ贿B接的光傳輸網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和密集光波復(fù)用節(jié)點(diǎn)對、與密集光波復(fù)用節(jié)點(diǎn)互聯(lián)的光纖鏈路構(gòu)成。在這個階段光傳輸網(wǎng)層上沒有邏輯連接存在。當(dāng)光路徑被動態(tài)創(chuàng)建時，邏輯連接才由多層交換執(zhí)行模塊動態(tài)創(chuàng)建。

第二階段是最短路徑計算階段，它在密集光波復(fù)用拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)了K最短路徑算法，使用第一階段的輸入來獲取源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的K最短路徑。

第三階段是放大器裝置和光信噪比計算階段。我們設(shè)定在每個密集光波復(fù)用節(jié)點(diǎn)上使用的放大器型號是EDFA24和EDFA17，這是基于密集光波復(fù)用節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)，例如節(jié)點(diǎn)的度、跨度損失和塊損失。為了簡單起見，本文忽略其他的非線性損失。第二階段計算得到的源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)對的K最短路徑，被安排用來降低每條鏈路的光信噪比計算值。

第四階段是多層交換的執(zhí)行階段，如圖2所示。該階段實現(xiàn)了基于密集光波復(fù)用網(wǎng)絡(luò)的光傳輸網(wǎng)端對端的通信流量請求。一個時間點(diǎn)上，一個請求被取出并通過拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)被路由。一開始的時候光傳輸網(wǎng)層上不存在連接鏈路，因此最初的業(yè)務(wù)流量通過密集光波復(fù)用層來實現(xiàn)路由。每進(jìn)行一次路由通過，密集光波復(fù)用層上就會產(chǎn)生一條光路。因此一條對應(yīng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的鏈路由此被創(chuàng)建。接著，剩下的請求將并不需要創(chuàng)建新的光路，就可以通過現(xiàn)有的光傳輸網(wǎng)鏈接被路由轉(zhuǎn)發(fā)?；诘仁?和3，最終可以計算得到最小成本支出。在模擬仿真中，可以觀察發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)情況下，由于節(jié)點(diǎn)之間最短光路徑光傳輸網(wǎng)鏈接的形成和創(chuàng)建，相鄰節(jié)點(diǎn)間的業(yè)務(wù)流量請求，剛開始的解決方案會更加理想。然后非相鄰節(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)請求，會按照通信規(guī)模量降序排列的方式被路由實現(xiàn)。隨后，對光傳輸網(wǎng)虛擬鏈路的剩余容量進(jìn)行更新。多層交換可以有效地利用光路徑的剩余容量，可以做到減少所使用的波長數(shù)目，從而也減少使用轉(zhuǎn)發(fā)器的數(shù)目。

圖2 多層交換執(zhí)行模塊流程圖

3 仿真和分析

30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（圖3）被用于測試本文提出的啟發(fā)式算法。我們考慮提出的啟發(fā)式算法在不透明光網(wǎng)絡(luò)和透明光網(wǎng)絡(luò)上性能效果的對比。在不透明光網(wǎng)絡(luò)中，所有的業(yè)務(wù)流量都要在每一跳上經(jīng)過光-電-光（O-E-O）的轉(zhuǎn)換過程，這確保了光路被有效地填充。而透明光網(wǎng)絡(luò)中的端對端光路徑是為所有請求而創(chuàng)建的。因此在透明網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)流量疏導(dǎo)只會在終端發(fā)生。

30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。網(wǎng)絡(luò)中的鏈路距離對于所有的鏈接相同。通信流量假定是對稱的，并且每個階段以15%的增長率增加。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜土髁烤仃嚤惠斎氲絾l(fā)式算法中。在源和目的節(jié)點(diǎn)之間，我們找出了高達(dá)十條的最短路徑（K=10）。多層交換執(zhí)行模塊輸入端接口引入了所有的光信噪比計算得到的最短路徑，并且在每個請求都被實現(xiàn)后，所有的物理鏈路和邏輯鏈路容量也會進(jìn)行再次更新。

例如光信噪比會對從18號源節(jié)點(diǎn)到20號目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑進(jìn)行計算排序，要實現(xiàn)流量速率為40Gbit/s的請求，并且模塊三輸出，如表2所示。

圖3 30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

表2 18號源節(jié)點(diǎn)到20號目的節(jié)點(diǎn)的光信噪比計算排序路徑

多層交換執(zhí)行模塊檢查在兩個節(jié)點(diǎn)間是否存在足夠容量的現(xiàn)有虛擬鏈路可以滿足請求。如果存在，請求將會通過虛擬鏈路被路由。從表3中看出，18-17-16-20路徑的鏈路容量大于請求容量，因此該路徑被多層交換執(zhí)行模塊選中。被選中的路徑在每個連接鏈路上的可用容量如表3所示。

表3 18號源節(jié)點(diǎn)到20號目的節(jié)點(diǎn)光傳輸網(wǎng)虛擬鏈路上的剩余有效容量

實現(xiàn)請求所使用的波長數(shù)目為零，因此所需的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)目也是零。這是因為請求是通過使用在密集光波復(fù)用層已經(jīng)被創(chuàng)建的光路徑虛擬剩余容量實現(xiàn)的。如果請求的實現(xiàn)是通過建立一條新的光路徑，我們可以從表2得知所耗費(fèi)的成本為92.55。同時通過虛擬光傳輸網(wǎng)鏈路實現(xiàn)請求所需的成本是9.6，因此多層交換執(zhí)行模塊通過選擇可行的光信噪比路徑達(dá)到了滿足請求同時優(yōu)化成本的目的。

能夠支持每波長100 Gbit/s和200 Gbit/s速率的帶寬可變轉(zhuǎn)換器被用在光學(xué)層。每個流量階段，所有請求都是通過配置100 Gbit/s轉(zhuǎn)發(fā)器的啟發(fā)式算法優(yōu)化實現(xiàn)。圖4對透明和不透明情況下的網(wǎng)絡(luò)方案進(jìn)行對比。

我們從圖4推知，在低流量情況下，不透明網(wǎng)絡(luò)所請求的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量最少，相應(yīng)地轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)也最少。但是隨著流量的增長，所需要的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量不斷增加，光—電—光轉(zhuǎn)換所需成本會變得越來越高。因此在光層中設(shè)置旁路是個更好選項。在透明網(wǎng)絡(luò)中由于對波長容量的低填充使用，從而進(jìn)一步導(dǎo)致了對轉(zhuǎn)發(fā)器的低效利用。顯然多層優(yōu)化綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，從而實現(xiàn)優(yōu)化減少轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量。使用100 Gbit/s轉(zhuǎn)發(fā)器不同交換階段的歸一化成本如圖5所示，它也表明低流量情況下，不透明網(wǎng)絡(luò)成本開銷最低，并且隨著流量增長，多層交換優(yōu)化更經(jīng)濟(jì)。

圖4 配備100 Gbit/s轉(zhuǎn)發(fā)器的30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中各流量階段對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量分析

我們對配備200Gbit/s轉(zhuǎn)發(fā)器的30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相似分析對比。結(jié)果再次表明不透明交換網(wǎng)絡(luò)在低流量情景下，所需轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)量最少，并且隨著網(wǎng)絡(luò)流量的增長，多層交換的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢會越發(fā)明顯。

4 結(jié)論

盡管密集光波復(fù)用網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)的各種光傳輸網(wǎng)協(xié)議提供了許多管理和控制層面的效益，但整體網(wǎng)絡(luò)的資本性支出（CAPEX）還可以在設(shè)計階段通過同時規(guī)劃多層次網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)優(yōu)化。針對業(yè)務(wù)流量的多層交換在透明網(wǎng)絡(luò)交換和不透明網(wǎng)絡(luò)交換之間結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，找到了折衷的方案。本文提出的多層交換主要解決了兩個問題：帶寬的合理分配管理以及轉(zhuǎn)發(fā)器的利用不足。有時候為了減少網(wǎng)絡(luò)功耗會關(guān)閉若干轉(zhuǎn)發(fā)器，從而導(dǎo)致流量變低并且被交換集中到一些鏈路上。這種情況下也可以應(yīng)用多層交換方法解決問題。

圖5 100 Gbit/s轉(zhuǎn)發(fā)器30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中各流量階段采用不同交換方式的歸一化成本分析

光信噪比會給出選定的端對端光鏈路的可行性和可靠性給出保證。該方法會得到可靠的端對端服務(wù)，因為它所選中的光路必須是光學(xué)可行的。另外因為它使用的是一條現(xiàn)有的光鏈路，所以對于利用虛擬光傳輸網(wǎng)鏈路實現(xiàn)需求也是可靠的。

本文提出的啟發(fā)式算法采用了多層交換的思路把多個層級匯集在一起，并且對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃，進(jìn)而提供了可靠的服務(wù)，實現(xiàn)對資源的高效利用?；诿芗獠◤?fù)用網(wǎng)絡(luò)的光傳輸網(wǎng)多層交換適用于城域網(wǎng)絡(luò)，以及高流量需求的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)。

[1] A． Schmitt， “Integrated OTN Switching Virtualizes Optical Networks，”Infonetics Research， FI-02022 Nokia Siemens Networks Finland， White Paper， June 2012．

[2] 李允博．光傳送網(wǎng)(OTN)技術(shù)的原理與測試[M]．人民郵電出版社，2013，4．

[3] 金明嘩．密集光波復(fù)用技術(shù)原理與應(yīng)用[M]．電子工業(yè)出版社，2004．1．

[4] R． Huelsermann et al．“Cost modeling and evaluation of capital expen-ditures in optical multilayer networks，”Journal Of Optical Networking，vol． 7， no． 9， pp． 814 833， 2008．

[5] Interfaces for the Optical Tr2ansport Network (OTN)， ITU-T Recommendation Std． G．709/Y．1331， 02/2012．

A minimum cost heuristic optimization algorithm based on dense wavelength division multiplexing network

MEI Yong1, ZHAO Wei1, ZHONG Cheng2, SU Han2
(1 State Grid Hebei Company Information and Telecommunications Branch, Shijiazhuang 050000, China; 2 State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiazhuang 050000, China)

In the past decade, the network traffic has achieved great growth. Although the fiber optic network provides high bandwidth pipe, but the client traffi c is still low bit rate. Therefore, it is very important for low data rate client to use the high-capacity channel provided by DWDM layer. From the point of view of network planning, this paper presented a minimum cost heuristic algorithm used to reduce the capital expenditure of multilayer OTNlayer, based on DWDMnetwork architecture. We compared the cost of transparent network planning and opaque network planning.And we conducted experiments and simulations, then draw the conclusion that the proposed multilevel programming can obtain highercapacity communications services through less cost.

OTN; DWDM; network planning; heuristic algorithm

TN915

A

1008-5599（2016）11-0076-05

2016-09-28