CN106911393B - 共享光路合并的任多播业务路由最小频谱光树生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于共享光路合并的任多播业务路由最小频谱光树生成方法，属于光纤通信技术领域，该方法主要用于弹性光互联数据中心网络的任多播业务路由传输。本方法首先设计了光树传输的频谱消耗代价值，提出了一种最小频谱光树生成方法，通过综合考虑新加入树枝对于光树最大长度和调制等级选择的影响，使业务选择频谱消耗代价最小的光树传输；然后本发明设计了光森林链路共享度公式，设计一种基于链路共享度的光森林合并光树机制，当有业务服务结束释放足够资源时，将满足条件的光森林传输业务重配置到已结束业务所释放的光树资源上传输。本发明能够明显降低弹性光互联数据中心网络的业务带宽阻塞率和频谱碎片，提高网络的频谱利用率。

Description

共享光路合并的任多播业务路由最小频谱光树生成方法

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种共享光路合并的任多播业务路由最小频谱光树生成方法。

背景技术

近年来，随着云计算、大规模科学计算(如天气预报、平行设计、天体物理和气候模型)、以数据为中心的计算(高能物理和天文学)、交互式TV和3D游戏、电子科研等的崛起和不断发展，数据中心间带宽需求不断增加。Cisco公司2013年5月的研究报告指出：2018年时全球的IP请求将超过1.4ZB的门槛，全球的IP请求在过去的五年中以超过四倍的速度增长，在后续的五年中还会高速增长。到目前为止全球有超过500000个数据中心，每年以32％的速度增长。随着数据中心网络规模不断的增大和流量的不断增长，数据中心间业务呈现高带宽和高动态等特点。带宽资源需求的增长，势必会对有限的带宽资源造成严峻的挑战，因此，满足数据中心大数据服务的传输性能需求，成为数据中心光互联网络一个亟需解决的问题。传统的基于波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术的光网络带宽分配粒度比较粗糙，通常为50GHz或者100GHz，不适应数据中心网络中灵活的多粒度业务请求，造成大量的带宽资源浪费和业务阻塞。基于光正交频分复用(Optical OrthogonalFrequency Division Multiplexing，O-OFDM)技术，NTT公司的M.Jinno等人于2009年提出了一种带宽分配更加灵活的光网络—弹性光网络(Elastic Optical Networks，EONs)，传输容量能够达到Tb/s,带宽分配粒度最小为12.5GHz。弹性光网络凭借其超大容量、高带宽、高能效和灵活性等优势，成为一种强大的物理层技术有效地支持数据中心网络之间的互联，弹性光互联数据中心也成为弹性光网络一个重要的应用场景。

在弹性光互联数据中心网络中，对于云计算、大规模科学计算、交互式TV、3D游戏、电子科研等业务，单个数据中心已经不能满足要求，一个业务往往需要多个数据中心协同处理。任多播(Manycast)具有单个源节点，多个动态目的节点，能够从多个候选目的节点中根据网络资源情况选择最合适的几个目的节点服务请求，很好地支撑了数据中心网络的发展。对于任多播，研究者们已经做了许多研究，但大多数研究是研究WDM网络中任多播路由频谱分配问题，已经不能满足数据中心网络发展的需求，因此研究弹性光互联数据中心间任多播业务的路由频谱分配问题具有非常重要的意义。

在弹性光网络中，基本问题是路由频谱分配问题，即当业务动态到达后，网络根据业务请求的源目的节点和资源状况，为业务计算合适的路径和调制等级，并根据调制等级和业务大小分配恰当的频谱资源。对于任多播业务，也主要包括路由和频谱分配两个阶段。在路由阶段，由于任多播具有多个目的节点，为了将业务从源节点传输到各目的节点，需要建立以源节点为根、以各目的节点为树叶的光树。针对光树建立问题，目前研究存在新树枝在加入光树的过程中，仅考虑新加入树枝的最优，没有考虑树枝加入到子光树后对整棵光树调制等级和频谱消耗总数等的影响，树枝加入到子光树后，会使整棵光树的最大长度变长，业务在光树上传输时会使用较低的调制等级，从而消耗较多的频谱资源，因此非常有必要设计新的光树生成方法。在频谱分配阶段，由于弹性光网络频谱连续性和一致性限制，整棵光树需要满足频谱连续性和一致性，并且根据光树最大长度来确定整棵光树的调制等级，根据频谱资源情况和业务大小来选择合适的频谱块传输业务。在任多播业务动态到达与离开，光树不断建立与拆除的过程中，会使路径的频谱呈现碎片化，这些较小的、孤立不连续的频谱碎片，不能被后续的业务所利用。当负载较重时，任多播业务通过光树传输很难找到可用资源，从而使业务阻塞，使网络阻塞率增加，降低网络性能。因此，如何降低频谱碎片和带宽阻塞率，提高频谱利用率，对于弹性光互联数据中心网络的发展具有非常重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种共享光路合并的任多播业务路由最小频谱光树生成方法，用于降低网络中的带宽阻塞率和频谱碎片，提高频谱利用率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种共享光路合并的任多播业务路由最小频谱光树生成方法，在该方法中，设计了光树传输的频谱消耗代价值，通过综合考虑新加入树枝对于光树最大长度和调制等级选择的影响，使业务选择频谱消耗代价最小的光树传输；

该方法具体包括以下步骤：

步骤1：将候选目的节点按照业务所需目的节点数进行分组并标号，依次计算源节点到每组目的节点的光树，生成候选光树；

步骤2：评估每棵生成光树的频谱消耗代价值，选择频谱消耗代价值最小的光树作为传输路径。

进一步，所述步骤1具体通过以下方式实现：在每棵候选光树计算过程中，首先计算源节点到该组目的节点中第一个目的节点的最短路径形成子光树，再依次将该组目的节点中剩余目的节点加入到子光树中；在剩余目的节点加入到子光树过程中，计算目的节点到已生成子光树上各节点的最短路径，选择使子光树频谱消耗代价值最小的最短路径作为新树枝加入到子光树中。

进一步，在步骤2中，所述频谱消耗代价值F表示为光树传输业务时所消耗的频谱资源数目；在光树生成阶段由于未传输业务，计算频谱消耗代价值时的业务速率设为100Gb/s，当光树生成后，在频谱分配阶段传输业务时，其值为业务带宽请求。

进一步，在该方法中还采用了基于链路共享度的光森林合并光树机制，设计了光森林链路共享度值，所述链路共享度(Link-sharing spectrum consumption，LSC)表示为光森林中共同链路消耗的频谱数占光森林消耗频谱总数的百分比，当LSC越大，表明光森林共同链路上消耗的频谱资源越多，将LSC较大的光森林合并到光树上传输，能够减少频谱资源的消耗；当有业务服务结束释放足够资源时，将满足条件的光森林传输业务重配置到已结束业务所释放的光树资源上传输；

具体包括以下步骤：

步骤3：计算通过光森林传输业务的链路共享度值；

步骤4：选择与已服务完业务具有相同源节点，需要频谱资源小于释放资源，并且链路共享度最低的光森林重配置到已结束业务所释放的光树资源上传输。

本发明的有益效果在于：本发明设计了一种基于共享光路合并的任多播路由中最小频谱光树生成方法，通过一种最小频谱光树生成方法，综合考虑新加入树枝对于光树最大长度和调制等级选择的影响，使业务选择频谱消耗代价最小的光树传输，并且通过一种基于链路共享度的光森林合并光树机制，当有业务服务结束释放足够资源时，将满足条件的光森林传输业务重配置到已结束业务所释放的光树资源上传输，对降低弹性光互联数据中心网络的带宽阻塞率和频谱碎片，提高网络的频谱利用率具有重要意义。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为弹性光互联数据中心网络；

图2为光树生成方法例子；

图3为光树分割为光森林例子；

图4为最小频谱光树生成和共享光路合并的方法总流程图；

图5为最小频谱光树生成方法流程图；

图6为基于链路共享度的光森林合并光树机制流程图；

其中：图2(a)显示的是最短路径任多播光树生成方法，图2(b)显示的是频谱有效任多播光树生成方法，图2(c)显示的是最小频谱光树生成方法；图3(a)显示的是最优光树及频谱资源，图3(b)显示的是光树传输业务频谱资源分配，图3(c)显示的是2棵子树光森林传输，图3(d)显示的是3棵子树光森林传输。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种基于共享光路合并的任多播路由中最小频谱光树生成方法，在为业务请求路由时，以频谱消耗代价值为权重，采用最小频谱光树生成方法，

步骤1：首先将候选目的节点按照业务所需要目的节点数进行分组并标号，依次计算源节点到每组目的节点的光树，生成候选光树；在每棵候选光树计算过程中，首先计算源节点到该组目的节点中第一个目的节点的最短路径形成子光树，再依次将该组目的节点中剩余目的节点加入到子光树中；在剩余目的节点加入到子光树过程中，计算目的节点到已生成子光树上各节点的最短路径，选择使子光树频谱消耗代价值最小的最短路径作为新树枝加入到子光树中；

然后评估每棵生成光树的频谱消耗代价值，选择频谱消耗代价值最小的光树作为传输路径；当候选光树生成后，优选频谱消耗代价值最小的光树进行FF(First-Fit)方法的频谱分配。如果业务通过光树传输业务，网络中没有足够的频谱资源时，将光树分割为具有几棵较小子光树的光森林独立传输，选择较高的调制等级，减少频谱消耗，降低带宽阻塞率。在将光树分割为光森林传输时，优先将光树分割为子光树较少的光森林进行传输，如果较少子光树光森林无法传输，再通过子光树较多的光森林传输。如果业务通过光森林无法传输，则业务阻塞。

当有业务服务结束释放足够资源时，采用一种基于链路共享度的光森林合并光树机制，首先计算森林传输业务的链路共享度值，选择与已服务完业务具有相同源节点，需要频谱资源小于释放资源，并且链路共享度最低的光森林重配置到已结束业务所释放的光树资源上传输，减少光森林传输时子光树间共享光路上频谱资源的消耗，从而进一步减少频谱资源消耗，降低网络带宽阻塞率，提高频谱利用。

实施例：

如附图1所示为弹性光互联数据中心网络，为本发明的应用场景。弹性光互联数据中心网络的物理拓扑为G(V,E)，V代表节点集合，网络中每个节点都具有BV-WXC(Bandwidth-Variable Wavelength-Cross-Connect)，能够使信号上下路和对信号进行交换转发，E代表链路集合，任意一个链路最大带宽容量用B来表示。网络中有固定的几个数据中心，来为业务提供服务，每个数据中心与网络中的交换节点有本地连接，连接数据中心的交换节点为V_DC。

一个任多播请求可表示为R(s,D_c,k,b)，其中源节点为s，D_c＝{d₁,d₂,...,d_c}为一系列候选目的节点，即数据中心，c为数据中心数目，即c＝|V_DC|，k为服务业务所需要的数据中心数目，满足k≤c，带宽请求为b，以频谱为单位，记为FS(Frequency Slots)。任多播(Manycast)是任播(Anycast)和多播(Multicast)的一般形式，与任播相比，具有多个动态的目的节点，当k＝1时，R为任播；与多播相比，其多个目的节点不是提前已知，而是根据网络中的资源情况动态选出，当k＝c时，R为多播。

由于任多播的目的节点是根据网络中的资源情况，动态的从多个候选目的节点中选出的，因此，当一个任多播业务R(s,D_c,k,b)产生时，首先根据业务所需目的节点数目k将D_c中的候选目的节点进行分组并编号，每组k个目的节点，并将每组目的节点保存在集合D中，如公式1所示；然后再分别建立从源节点到D中每组目的节点的候选光树，共棵，这是因为从c个候选目的数据中心选出k个为业务服务，光树的生成与目的节点加入子光树的顺序有关。

D＝{(d₁,d₂,...,d_k-1,d_k),(d₁,d₂,...,d_k-1,d_k+1),...(d_c-k+1,d_c-k+2,...,d_c-1,d_c)} (1)

为了在光树生成阶段选出最优树枝加入到光树当中，以及在频谱分配阶段从m棵候选光树中选择最优的光树来传输业务，需要对光树代价进行精确度量，本发明设计了光树频谱消耗代价值F。F表示为光树传输业务时所消耗的频谱资源数目。值得注意的是，在光树生成阶段由于未传输业务，计算频谱消耗代价值时的业务速率设为100Gb/s，当光树生成后，在频谱分配阶段传输业务时，其值为业务带宽请求。

下面将结合附图2对本发明的最小频谱光树生成方法举例说明，为了能够清楚的说明当前光树生成方法中存在的问题，以及突出本发明所提方法的优越性。当一个任多播业务R(0,{1,2,5,7,8},4,50)从源节点0发出时，根据最短路径任多播光树生成方法、频谱有效任多播光树生成方法和最小频谱光树生成方法，以源节点为根、以各个目的节点为树叶的最优光树分别如附图2所示，三种方法建立的光树分别为：T₁＝{0→1,0→1→3→5,0→3→2,0→4→9→8}，T₂＝{0→1,1→2,1→3→5,5→4→9→8}，T₃＝{0→1,1→2,1→3→5,0→4→9→8}，三棵光树最大长度分别为1800KM、3200KM和1800KM，由表1得调制等级分别为QPSK、BPSK和QPSK，业务在三棵光树上传输时所需的频谱分别为F₁＝27FS、F₂＝35FS、F₃＝21FS。与最短路径任多播光树生成方法相比，最小频谱光树生成方法能够减少共享光路上频谱的消耗；与频谱有效任多播光树生成方法相比，最小频谱光树生成方法能够减少光树的最大长度，从而使用较高的调制等级，减少频谱资源的使用。

在弹性光互联数据中心网络中，光树的频谱分配阶段需要满足连续性和一致性限制。当光树T较大时，光树的最大长度比较大，整棵光树使用的调制等级就较低，从而消耗更多的频谱资源；此外，光树比较大时，链路数目也比较多，频谱碎片较严重，很难找到满足频谱连续性和一致性约束的资源，使业务阻塞，增加带宽阻塞率。在多播的研究当中，当网络负载较大，业务通过光树传输无法找到合适资源时，采用子光树传输策略，从而使业务成功传输，降低网络带宽阻塞率。本发明将子树策略思想引入到任多播的研究当中，并进行改进，当业务通过光树传输没有合适资源时，将光树分割为具有多棵较小子光树的光森林传输业务。当将光树分割为光森林时，由于子光树较小，因此每棵子光树在单独满足频谱连续性和一致性限制时，可以使用更高的调制等级和更少的频谱资源，从而使业务成功传输，降低带宽阻塞率和频谱碎片。

如附图3所示光树分割为光森林例子。当一个带宽需求为50Gb/s的任多播业务R从源节点0发出时，最优光树及频谱资源使用情况如图3(a)所示。光树最大的长度为2100KM，光树使用的最高调制等级为BPSK，使用的频隙数为5FS。如图3(b)所示，采用光树传输时网络中没有足够的可用资源，因此会造成业务阻塞，从而增加网络的带宽阻塞率。此时，如图3(c)和(d)所示，对于光树传输是频谱碎片的频谱资源，当采用光森林进行传输，由于子光树最大长度变短，能够使用更高的调制等级和更少的频谱资源，从而在降低频谱碎片和频谱资源消耗的同时，增加业务成功传输的机率，降低网络的带宽阻塞率。如图3(d)所示，当光树分割为光森林传输时，在共享光路上，不同子树需要使用不同的频谱资源，会使共享光路上使用的频谱资源增加，且会使共享光路成为光森林成功传输的瓶颈，因此在光树分割为光森林传输时，优先将光树分割为子光树较少的光森林。

当网络中频谱资源碎片化程度较高，业务通过光树传输没有可用资源时，将光树分割为光森林，能够在降低频谱碎片和频谱资源消耗的同时，增加业务成功传输的机率，降低网络的带宽阻塞率。当光森林中子光树间有共同链路时，在共享光路上不同子光树需要占用不同的频谱资源，会使共享光路上使用的频谱资源增加，且会使共享光路成为光森林成功传输的瓶颈。为了解决上述光森林传输中存在的问题，本发明提出了基于链路共享度的光森林合并光树机制，当有业务R'服务结束释放足够资源时，将满足条件的光森林传输业务R_i重配置到R'所释放的光树资源上传输，进而减少光森林传输时子光树间共享光路上频谱资源的消耗。

为了评价光森林中子光树间共享光路程度，本发明提出了计算链路共享程度的链路共享度(Link-sharing spectrum consumption，LSC)公式，表示为光森林中共同链路消耗的频谱数占光森林消耗频谱总数的百分比。当LSC越大，表明光森林共同链路上消耗的频谱资源越多，将LSC较大的光森林合并到光树上传输，能够减少频谱资源的消耗。

下面将结合附图4对本发明的一种最小频谱光树生成和共享光路合并的方法流程进行更为详细的介绍，具体流程可分为下面几个步骤：

S1：判断新事件的类型，如果新事件是新业务R到达，跳到步骤S2，否则新事件是业务R'服务完离开，则跳到步骤S8；

S2：执行最小频谱光树生成方法，生成m棵候选光树，计算每棵光树的频谱消耗代价值F，并根据F值将候选光树由小到大进行排序；

S3：根据FF方法优先选F值最小的光树进行频谱分配；

S4：判断光树频谱分配是否成功，如果成功，则跳到步骤S1，否则跳到步骤S5；

S5：优先选F值最小的光树分割为N棵子光树的森林T_i ^N，2≤N≤k，根据T_i ^N中每棵子光树的最大长度和频谱资源情况选择合适的调制格式和频谱资源进行频谱分配；

S6：判断T_i ^N频谱分配是否成功，如果成功，则将光森林T_i ^N保存到集合ST中，并跳到步骤S1，否则业务阻塞；

S7：判断所有业务是否传输完成，如果未传输完成，跳到步骤S1，否则方法结束；

S8：执行基于链路共享度的光森林合并光树机制。

下面将结合附图5对本发明步骤S2中的最小频谱光树生成方法流程进行详细的说明，具体流程可分为下面几个步骤：

S101:根据业务R所需目的节点数目k将D_c中候选目的节点分成组，并编号，依次存入集合D中；

S102:依次从D中取出一组目的节点放入到集合G中，并将该组目的节点从D中删除；

S103:用Dijkstra方法计算源节点s到G中第一个目的节点d_i的最短路径p_i，并将p_i加入到子光树T_s中，将p_i上各节点加入到集合G'，将d_i从G中删除；

S104:从G中选择节点d_i'，依次计算d_i'到G'中各节点的最短路径p_i'，并将p_i'依次加入到子光树T_s中，生成多棵候选子光树T_s'，清空集合G'；

S105:计算各候选子光树T_s'的频谱消耗代价值F，并按F值从小到大进行排序；

S106:选择F值最小的候选子光树T_s'，更新子光树，令T_s＝T_s'，将更新后子光树T_s上各节点加入到集合G'中，将d_i'从集合G中删除；

S107:判断集合G是否为空，如果G≠φ，跳到步骤S104，否则跳到步骤S108；

S108:将子光树T_s加入到光树集合Tree中，令T_s＝0；

S109:判断集合D是否为空，如果D≠φ，跳到步骤S102，否则跳到中步骤S2；

下面将结合附图6对本发明步骤S8中的基于链路共享度的光森林合并光树机制流程进行详细的说明，具体流程可分为下面几个步骤：

S201：判断服务完业务R'是否为通过光树进行传输业务，如果是，则跳到步骤S202，否则将R'从集合ST中删除，释放资源，并跳到步骤S1；

S202：判断集合ST是否为空，如果ST≠φ，则跳到步骤S203，否则跳到步骤S1；

S203：计算集合ST中各光森林的链路共享度值LSC，并按LSC从大到小排序；

S204：优选LSC较大的光森林，如果则将光森林中传输业务T_i重配置到R'释放光树资源中传输，并跳到步骤S1；如果没有合适的T_i进行重配置，则跳到步骤S1。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种共享光路合并的任多播业务路由最小频谱光树生成方法，其特征在于：在该方法中，设计了光树传输的频谱消耗代价值，通过综合考虑新加入树枝对于光树最大长度和调制等级选择的影响，使业务选择频谱消耗代价最小的光树传输；

该方法具体包括以下步骤：

步骤1：将候选目的节点按照业务所需目的节点数进行分组并标号，依次计算源节点到每组目的节点的光树，生成候选光树；

步骤2：评估每棵生成光树的频谱消耗代价值，选择频谱消耗代价值最小的光树作为传输路径；当候选光树生成后，优选频谱消耗代价值最小的光树进行频谱分配；如果业务通过光树传输业务，网络中没有足够的频谱资源时，将光树分割为具有几棵较小子光树的光森林独立传输，选择较高的调制等级；

所述步骤1具体通过以下方式实现：在每棵候选光树计算过程中，首先计算源节点到该组目的节点中第一个目的节点的最短路径形成子光树，再依次将该组目的节点中剩余目的节点加入到子光树中；在剩余目的节点加入到子光树过程中，计算目的节点到已生成子光树上各节点的最短路径，选择使子光树频谱消耗代价值最小的最短路径作为新树枝加入到子光树中；

在步骤2中，所述频谱消耗代价值表示为光树传输业务时所消耗的频谱资源数目；在光树生成阶段由于未传输业务，计算频谱消耗代价值时的业务速率设为100Gb/s，当光树生成后，在频谱分配阶段传输业务时，其值为业务带宽请求；

在该方法中还采用了基于链路共享度的光森林合并光树机制，设计了光森林链路共享度值，所述链路共享度(Link-sharing spectrum consumption，LSC)表示为光森林中共同链路消耗的频谱数占光森林消耗频谱总数的百分比，当LSC越大，表明光森林共同链路上消耗的频谱资源越多，将LSC较大的光森林合并到光树上传输；当有业务服务结束释放足够资源时，将满足条件的光森林传输业务重配置到已结束业务所释放的光树资源上传输；

具体包括以下步骤：

步骤3：计算通过光森林传输业务的链路共享度值；

步骤4：选择与已服务完业务具有相同源节点，需要频谱资源小于释放资源，并且链路共享度最低的光森林重配置到已结束业务所释放的光树资源上传输。