王偉+朱紅

摘 要：為了降低彈性光網(wǎng)絡的阻塞率，提高網(wǎng)絡的性能和效率，并對未來光網(wǎng)絡的規(guī)劃部署提供可靠數(shù)據(jù)，進行了在不同情況下針對彈性光網(wǎng)絡性能出現(xiàn)阻塞狀況時的數(shù)據(jù)模擬，包含光網(wǎng)絡節(jié)點在不同狀態(tài)下鏈接傳輸信息時所使用的彈性光網(wǎng)絡鏈接性能。結(jié)果表明曲線類型的網(wǎng)絡鏈接具有更好的平衡負載能力，同時也降低了彈性光網(wǎng)絡在使用過程中的阻塞率。

關鍵詞：彈性光網(wǎng)絡;頻譜一致性;鏈路權重;流量疏導

中圖分類號：TP316 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2014）12-00-03

0 ?引 ?言

移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術的發(fā)展帶來了數(shù)據(jù)量的幾何級增長和數(shù)據(jù)業(yè)務的多樣性與靈活性，這就要求光傳送網(wǎng)能適應寬帶化、多樣化、動態(tài)化的業(yè)務需求并具有高效的、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)絡的運行性能。在傳統(tǒng)的波長交換光網(wǎng)絡（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)務靈活地分配可用帶寬資源，使得網(wǎng)絡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（SLICE，本文簡稱彈性光網(wǎng)絡），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[1-4]。

本文首先介紹了彈性光網(wǎng)絡的特點，隨后對彈性光網(wǎng)絡中的頻譜資源一致性約束及流量疏導策略進行了闡述，最后通過仿真對不同鏈路權重方案下以及不同網(wǎng)絡節(jié)點情況下網(wǎng)絡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)絡的規(guī)劃部署提出了建設性的意見。

1 ?彈性光網(wǎng)絡概述

與波長交換光網(wǎng)絡相比，彈性光網(wǎng)絡是將網(wǎng)絡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)絡業(yè)務，彈性光網(wǎng)絡可根據(jù)業(yè)務需求分配一定數(shù)量的連續(xù)的頻隙資源[5]。

當100 GbE技術標準化后，人們過多關注的是光傳送網(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)務的需求，從而浪費了大量的帶寬資源。而彈性光網(wǎng)絡則可以把高速數(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)務即為波長碎片業(yè)務提供一種新的機制 （如圖1所示），使網(wǎng)絡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)務的預置[6]。

圖1 ?波分與彈性光網(wǎng)絡頻譜分配對比

隨著高速業(yè)務的發(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，通常網(wǎng)絡運營商最先考慮的是核心網(wǎng)絡資源利用率的問題。彈性光網(wǎng)絡則可以實現(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[7-9]。

在彈性光網(wǎng)絡中，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)絡尷尬的帶寬問題。由于彈性光網(wǎng)絡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、部分節(jié)點具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的網(wǎng)絡以及全部具有頻譜轉(zhuǎn)換功能的網(wǎng)絡在不同的流量疏導策略下的業(yè)務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)絡的實際部署提供參考。

3 ?光網(wǎng)絡中的流量疏導策略

為了避免網(wǎng)絡流量集中到少數(shù)鏈路資源上而導致后續(xù)的網(wǎng)絡流量再經(jīng)過該鏈路時由于資源不夠而造成阻塞，網(wǎng)絡應采用一定的流量疏導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定每個鏈路的權重，權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。

有關鏈路的權重與鏈路剩余資源的關系，我們總結(jié)了如下三種方案：

（1）曲線型權重方案：鏈路權重跟鏈路剩余資源成反比關系，該方案在鏈路資源較充足時，鏈路權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，鏈路權重的增長速度逐漸提高。

（2）線性權重方案： 鏈路權重跟鏈路被占用的資源成線性關系。

（3）閾值型線性權重方案：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。

（a）曲線型權重方案 ? ? ? ? ? ?（b） 線性權重方案 ? ? ? ? ?（c）閾值型線性權重方案

圖2 ?權重方案對比示意圖

4 ?阻塞率性能仿真分析

我們編寫了C程序，對上文所述不同權重方案下、不同的網(wǎng)絡節(jié)點類型情況下，對網(wǎng)絡的阻塞率性能進行了仿真。仿真基于NSFNet網(wǎng)絡拓撲，如圖3所示。為了分析方便，我們假設每條鏈路上的可用頻隙資源個數(shù)為40，網(wǎng)絡業(yè)務請求為單向，網(wǎng)絡的業(yè)務類型共有4類，占用的頻隙個數(shù)分別為1、2、3、4，其中業(yè)務到達率服從泊松分布，業(yè)務持續(xù)時間和業(yè)務類型均服從均勻分布。

圖3 ?NSFNet網(wǎng)絡拓撲

我們首先對以下三種場景下，不同網(wǎng)絡負載時網(wǎng)絡業(yè)務的阻塞情況進行了仿真：

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

（2）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（曲線型權重方案：Curve-5，線性權重方案Linear-5）;

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

在以上三種場景下采用曲線型鏈路權重方案與線性權重方案的仿真結(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)絡節(jié)點，而不必要全部部署，從而降低成本，減少網(wǎng)絡延時。

圖4 ?曲線型權重方案阻塞率 ? ? ? ? 圖5 ?線性權重方案阻塞率

此外，我們對上文所述三種鏈路權重方案下的網(wǎng)絡阻塞情況進行了仿真，對于閾值型線性權重方案，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)絡負載，曲線型鏈路權重方案的阻塞率性能都要優(yōu)于線性鏈路權重方案和閾值型鏈路權重方案，而閾值型線性權重方案的阻塞率性能要低于線性鏈路權重方案，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重方案。

圖6 ?不同鏈路權重方案阻塞率

5 ?結(jié) ?語

本文對彈性光網(wǎng)絡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，曲線型鏈路權重方案具有較好的負載均衡能力，網(wǎng)絡業(yè)務阻塞率較低。而對于網(wǎng)絡節(jié)點類型的選擇，當網(wǎng)絡中的若干關鍵節(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)絡較低的阻塞率，同時可以降低網(wǎng)絡部署成本，降低網(wǎng)絡業(yè)務的傳輸延時。

參考文獻

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[9] Gaoxi Xiao， Chlamtac I. Analysis of blocking probability for distributed lightpath establishment in WDM optical networks[J]. Transactions on Networking， 2005， 13（1）：187-197.

圖2 ?權重方案對比示意圖

4 ?阻塞率性能仿真分析

我們編寫了C程序，對上文所述不同權重方案下、不同的網(wǎng)絡節(jié)點類型情況下，對網(wǎng)絡的阻塞率性能進行了仿真。仿真基于NSFNet網(wǎng)絡拓撲，如圖3所示。為了分析方便，我們假設每條鏈路上的可用頻隙資源個數(shù)為40，網(wǎng)絡業(yè)務請求為單向，網(wǎng)絡的業(yè)務類型共有4類，占用的頻隙個數(shù)分別為1、2、3、4，其中業(yè)務到達率服從泊松分布，業(yè)務持續(xù)時間和業(yè)務類型均服從均勻分布。

圖3 ?NSFNet網(wǎng)絡拓撲

我們首先對以下三種場景下，不同網(wǎng)絡負載時網(wǎng)絡業(yè)務的阻塞情況進行了仿真：

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

（2）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（曲線型權重方案：Curve-5，線性權重方案Linear-5）;

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

在以上三種場景下采用曲線型鏈路權重方案與線性權重方案的仿真結(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)絡節(jié)點，而不必要全部部署，從而降低成本，減少網(wǎng)絡延時。

圖4 ?曲線型權重方案阻塞率 ? ? ? ? 圖5 ?線性權重方案阻塞率

此外，我們對上文所述三種鏈路權重方案下的網(wǎng)絡阻塞情況進行了仿真，對于閾值型線性權重方案，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)絡負載，曲線型鏈路權重方案的阻塞率性能都要優(yōu)于線性鏈路權重方案和閾值型鏈路權重方案，而閾值型線性權重方案的阻塞率性能要低于線性鏈路權重方案，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重方案。

圖6 ?不同鏈路權重方案阻塞率

5 ?結(jié) ?語

本文對彈性光網(wǎng)絡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，曲線型鏈路權重方案具有較好的負載均衡能力，網(wǎng)絡業(yè)務阻塞率較低。而對于網(wǎng)絡節(jié)點類型的選擇，當網(wǎng)絡中的若干關鍵節(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)絡較低的阻塞率，同時可以降低網(wǎng)絡部署成本，降低網(wǎng)絡業(yè)務的傳輸延時。

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圖2 ?權重方案對比示意圖

4 ?阻塞率性能仿真分析

我們編寫了C程序，對上文所述不同權重方案下、不同的網(wǎng)絡節(jié)點類型情況下，對網(wǎng)絡的阻塞率性能進行了仿真。仿真基于NSFNet網(wǎng)絡拓撲，如圖3所示。為了分析方便，我們假設每條鏈路上的可用頻隙資源個數(shù)為40，網(wǎng)絡業(yè)務請求為單向，網(wǎng)絡的業(yè)務類型共有4類，占用的頻隙個數(shù)分別為1、2、3、4，其中業(yè)務到達率服從泊松分布，業(yè)務持續(xù)時間和業(yè)務類型均服從均勻分布。

圖3 ?NSFNet網(wǎng)絡拓撲

我們首先對以下三種場景下，不同網(wǎng)絡負載時網(wǎng)絡業(yè)務的阻塞情況進行了仿真：

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

（2）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（曲線型權重方案：Curve-5，線性權重方案Linear-5）;

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

在以上三種場景下采用曲線型鏈路權重方案與線性權重方案的仿真結(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)絡節(jié)點，而不必要全部部署，從而降低成本，減少網(wǎng)絡延時。

圖4 ?曲線型權重方案阻塞率 ? ? ? ? 圖5 ?線性權重方案阻塞率

此外，我們對上文所述三種鏈路權重方案下的網(wǎng)絡阻塞情況進行了仿真，對于閾值型線性權重方案，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)絡負載，曲線型鏈路權重方案的阻塞率性能都要優(yōu)于線性鏈路權重方案和閾值型鏈路權重方案，而閾值型線性權重方案的阻塞率性能要低于線性鏈路權重方案，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重方案。

圖6 ?不同鏈路權重方案阻塞率

5 ?結(jié) ?語

本文對彈性光網(wǎng)絡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，曲線型鏈路權重方案具有較好的負載均衡能力，網(wǎng)絡業(yè)務阻塞率較低。而對于網(wǎng)絡節(jié)點類型的選擇，當網(wǎng)絡中的若干關鍵節(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)絡較低的阻塞率，同時可以降低網(wǎng)絡部署成本，降低網(wǎng)絡業(yè)務的傳輸延時。

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