彈性光網(wǎng)絡(luò)頻譜資源一致性及流量疏導(dǎo)策略研究

引言

移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展帶來了數(shù)據(jù)量的 幾何級增長和數(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制以及快速通道分配的能力，以提 升整個網(wǎng)絡(luò)的運行性能。在傳統(tǒng)的波長交換光網(wǎng)絡(luò)(WSON)中, 波長是最小的交換粒度，在建光路時無法根據(jù)帶寬的實際需 求為業(yè)務(wù)靈活地分配可用帶寬資源，使得網(wǎng)絡(luò)資源無法得到有 效的利用。近年來，提出了一種頻譜切片彈性光網(wǎng)絡(luò)(SLICE， 本文簡稱彈性光網(wǎng)絡(luò))，光路帶寬可根據(jù)流量和用戶需求進行 一定的擴展或收縮，提高了頻譜資源的利用效率［1一氣

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

1彈性光網(wǎng)絡(luò)概述

與波長交換光網(wǎng)絡(luò)相比，彈性光網(wǎng)絡(luò)是將網(wǎng)絡(luò)頻譜資源 細化分割為更小的粒度單元，一般被稱為頻隙。對于不同帶 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］o

當100 GbE技術(shù)標準化后，人們過多關(guān)注的是光傳送網(wǎng) 經(jīng)濟的100 GbE接口，傳統(tǒng)的波長交換光網(wǎng)絡(luò)在資源不充足 的時候仍要為每一條光路徑分配一個波長資源來承載客戶信 號，但是也許一個波長碎片就能夠滿足消費者承載小粒度業(yè) 務(wù)的需求，從而浪費了大量的帶寬資源。而彈性光網(wǎng)絡(luò)則可 以把高速數(shù)據(jù)帶寬分割成多個低速數(shù)據(jù)通道，提供有效的子 波長連接業(yè)務(wù)即為波長碎片業(yè)務(wù)提供一種新的機制(如圖1所 示),使網(wǎng)絡(luò)資源得到更有效的利用，同時可以允許成本有效 的分級帶寬業(yè)務(wù)的預(yù)置間。

甘 可變帶寬光系統(tǒng)

圖1波分與彈性光網(wǎng)絡(luò)頻譜分配對比

隨著高速業(yè)務(wù)的發(fā)展，消費者需要200 Gb/s、300 Gb/s 乃至更高的帶寬來傳輸業(yè)務(wù)，通常網(wǎng)絡(luò)運營商最先考慮的是核 心網(wǎng)絡(luò)資源利用率的問題。彈性光網(wǎng)絡(luò)則可以實現(xiàn)層一鏈路 匯聚，即將多個低速信號通道匯聚成高速超級通道，實現(xiàn)大 容量數(shù)據(jù)傳輸贋］。

在彈性光網(wǎng)絡(luò)中，光路帶寬根據(jù)流量和用戶需求而擴展 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，它緩解了當前波長 交換光網(wǎng)絡(luò)尷尬的帶寬問題。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

除了連續(xù)性、不重疊等約束條件，與傳統(tǒng)的波長交換光 網(wǎng)絡(luò)類似，如果光通路經(jīng)過的光節(jié)點不能進行頻譜轉(zhuǎn)換，彈 性光網(wǎng)絡(luò)還需要滿足頻隙資源一致性約束，即在光通路經(jīng)過 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，就會造成當前業(yè)務(wù)阻塞。

對于具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的光節(jié)點來說，光通路經(jīng)過該節(jié) 點時，則可以進行信號解調(diào)與再調(diào)制，進行頻譜轉(zhuǎn)換，如果 光通路上所有的節(jié)點均具有頻譜轉(zhuǎn)換功能，則光通路在經(jīng)過 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。 當然，具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的光節(jié)點實現(xiàn)起來較復(fù)雜，成本較高, 而且也會對光路造成一定的延時。

本文將對全部節(jié)點不具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的網(wǎng)絡(luò)、部分節(jié) 點具有頻譜轉(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)阻塞率性能進行分析對比, 從而得出一些直觀性的結(jié)論，供網(wǎng)絡(luò)的實際部署提供參考。

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)過該鏈路時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設(shè)定每個鏈路的權(quán)重，權(quán)重值一 般隨鏈路可用資源的減少而增加，這樣在選路時采用最小權(quán) 重選路算法，會在一定程度上避開負載過重的鏈路，達到負 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：

曲線型權(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，鏈路權(quán)重隨鏈路資源占 用量增長的較慢，隨著鏈路資源被占用的越多，鏈路權(quán)重的 增長速度逐漸提高。

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

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

4阻塞率性能仿真分析

我們編寫了 C程序，對上文所述不同權(quán)重方案下、不同 的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型情況下，對網(wǎng)絡(luò)的阻塞率性能進行了仿真。仿 真基于NSFNet網(wǎng)絡(luò)拓撲，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數(shù)為40，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)請求為 單向，網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)類型共有4類，占用的頻隙個數(shù)分別為1、2、3、 4,其中業(yè)務(wù)到達率服從泊松分布，業(yè)務(wù)持續(xù)時間和業(yè)務(wù)類型 均服從均勻分布。

我們首先對以下三種場景下，不同網(wǎng)絡(luò)負載時網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的 阻塞情況進行了仿真:

全部節(jié)點不具有頻譜轉(zhuǎn)換功能(曲線型權(quán)重方案: Curve-No，線性權(quán)重方案 Linear-No)；

部分節(jié)點具有頻譜轉(zhuǎn)換功能：我們選取了 3、5、7、 8、13五個節(jié)點為具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的節(jié)點(曲線型權(quán)重方案： Curve-5，線性權(quán)重方案Linear-5)；

全部節(jié)點均具有頻譜轉(zhuǎn)換功能(曲線型權(quán)重方案: Curve-All，線性權(quán)重方案 Linear-All)。

在以上三種場景下采用曲線型鏈路權(quán)重方案與線性權(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個節(jié)點可進行頻譜轉(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，而不必要全部部署，從而降低成本，減少網(wǎng)絡(luò)延時。

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

5結(jié)語

本文對彈性光網(wǎng)絡(luò)中的頻隙資源一致性約束及負載均衡 策略進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，曲線型鏈路權(quán)重方案 具有較好的負載均衡能力，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)阻塞率較低。而對于網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點類型的選擇，當網(wǎng)絡(luò)中的若干關(guān)鍵節(jié)點具有頻譜轉(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。

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