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(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［1一氣

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］o

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)承載客戶信 號(hào)，但是也許一個(gè)波長(zhǎng)碎片就能夠滿足消費(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(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(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：

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(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。

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(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。

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。

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:

全部節(jié)點(diǎn)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(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)(曲線型權(quán)重方案： Curve-5，線性權(quán)重方案Linear-5)；

全部節(jié)點(diǎn)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(chǎng)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(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)。

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(guò)仿真對(duì)比，我們推薦曲線型鏈路權(quán)重方案。

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)。

20211223_61c45d8b17d6f__彈性光網(wǎng)絡(luò)頻譜資源一致性及流量疏導(dǎo)策略研究