王汝言，高毅爽，陳霄

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帶有區(qū)分保護(hù)的虛擬化FiWi網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸機(jī)制

王汝言1,2，高毅爽1,2，陳霄1,2

（1. 重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065；2. 重慶郵電大學(xué)光通信與網(wǎng)絡(luò)重點實驗室，重慶 400065）

針對用戶對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的差異化可靠性需求，提出一種帶有區(qū)分保護(hù)的虛擬化光無線融合網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸機(jī)制。以用戶需求的保護(hù)質(zhì)量及所能夠支付的費用作為條件，通過恢復(fù)概率進(jìn)行多等級保護(hù)質(zhì)量的量化，靈活地分配備份保護(hù)資源；利用等級服務(wù)區(qū)分算法篩選滿足業(yè)務(wù)保護(hù)質(zhì)量等級的保護(hù)路徑，降低業(yè)務(wù)阻塞以及不受保護(hù)的業(yè)務(wù)數(shù)量，提高業(yè)務(wù)保護(hù)質(zhì)量。結(jié)果表明所提機(jī)制在平均收益開銷比和底層網(wǎng)絡(luò)資源開銷等指標(biāo)上具有較高優(yōu)勢，在滿足用戶可靠性需求的同時，能夠為用戶提供更靈活的虛擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

光無線融合網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)虛擬化；可靠性；區(qū)分保護(hù)

1 引言

隨著用戶對高速數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)的需求日益增長，傳統(tǒng)無線接入方式已無法滿足用戶不斷增長的帶寬需求，移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的迅速普及導(dǎo)致高容量的光纖接入方式無法保障接入的靈活性[1]。低成本、高帶寬的光網(wǎng)絡(luò)與高移動性、高靈活性的無線網(wǎng)絡(luò)的有效結(jié)合為下一代接入網(wǎng)提供了合理可行的解決方案[2]。光無線（FiWi，fiber-wireless）融合接入網(wǎng)由前端無線網(wǎng)狀網(wǎng)（WMN，wireless mesh network）和后端無源光網(wǎng)絡(luò)（PON，passive optical network）組成[3]，具有PON的高帶寬、低損耗、傳輸穩(wěn)定和WMN的易部署、支持移動性等優(yōu)點，能夠以更加靈活的方式為用戶提供更高質(zhì)量的接入服務(wù)。然而，隨著用戶規(guī)模不斷擴(kuò)大，不同用戶的身份背景、使用目的和經(jīng)濟(jì)狀況不同，用戶對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的使用，尤其是服務(wù)可靠性保護(hù)方面呈現(xiàn)差異化的需求[4]。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中對用戶需求差異化的定義，可將網(wǎng)絡(luò)中的用戶分為3類。第一類用戶對業(yè)務(wù)的實時性要求較高，需要服務(wù)提供商（SP，service provider）提供高質(zhì)量的服務(wù)保護(hù)，同時愿意支付相應(yīng)的報酬作為交換。第二類用戶對業(yè)務(wù)實時性要求相對較低，在保證數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)那闆r下，可以接受一定的服務(wù)延遲。因此對服務(wù)的保護(hù)質(zhì)量（QoP，quality of protection）沒有第一類用戶高，同時希望降低一定的支付費用。第三類用戶由于業(yè)務(wù)不重要或經(jīng)濟(jì)不允許等原因，不想支付保護(hù)費用，且愿意忍受服務(wù)的數(shù)據(jù)損壞或中斷。對于這3類用戶的不同需求，SP如何將其同時映射到融合網(wǎng)絡(luò)中，并為其分配合理的網(wǎng)絡(luò)資源來滿足不同用戶的不同需求，成為FiWi融合接入網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸?shù)囊淮笱芯繜狳c。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸功能和控制功能解耦合，使多個相互獨立的虛擬網(wǎng)絡(luò)可共存于相同基礎(chǔ)設(shè)施，因此，利用虛擬化技術(shù)可在FiWi網(wǎng)絡(luò)中將多等級業(yè)務(wù)映射在不同虛擬網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)有效隔離。同時，利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化高效的資源分配機(jī)制，可以在保證服務(wù)質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)底層資源的最優(yōu)化使用。網(wǎng)絡(luò)虛擬化中虛擬網(wǎng)絡(luò)映射問題是網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)實現(xiàn)的一個關(guān)鍵步驟[6]。目前，虛擬網(wǎng)絡(luò)可靠映射方法通常是基于冗余資源的保護(hù)。文獻(xiàn)[7]提出了一種全備份保護(hù)方法，通過對鏈路采用全備份保護(hù)，使網(wǎng)絡(luò)可靠性得到了保障。文獻(xiàn)[8]提出了一種備份資源池共享機(jī)制，通過備份資源共享實現(xiàn)保障網(wǎng)絡(luò)可靠，同時減少備份資源占用。文獻(xiàn)[9]以最小資源消耗為目標(biāo)提出一種節(jié)點和鏈路遷移與重映射算法。通過將故障節(jié)點和鏈路進(jìn)行重映射保障網(wǎng)絡(luò)的可靠性。以上機(jī)制在一定程度上提高了業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃裕蛔阒幵谟谒岱桨覆⑽磳I(yè)務(wù)進(jìn)行區(qū)分，沒有考慮到實際場景中不同業(yè)務(wù)間的差異性及對可靠性的不同要求。從充分利用網(wǎng)絡(luò)可用資源的角度出發(fā)，文獻(xiàn)[10]提出了QoP的概念，通過參數(shù)形式表示網(wǎng)絡(luò)故障時業(yè)務(wù)需要提供的保護(hù)資源比例，然而其僅考慮了帶寬約束，而虛擬網(wǎng)映射需要考慮節(jié)點和鏈路雙重約束。文獻(xiàn)[11]在虛擬網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上提出了區(qū)分業(yè)務(wù)等級的QoP，但只是將業(yè)務(wù)保護(hù)按比例進(jìn)行區(qū)分，并沒有對業(yè)務(wù)進(jìn)行有效的劃分。

目前，F(xiàn)iWi網(wǎng)絡(luò)中的可靠傳輸機(jī)制主要依賴業(yè)務(wù)無差別的設(shè)備級備份方式，或從服務(wù)等級區(qū)分的角度考慮業(yè)務(wù)級的可靠傳輸，但服務(wù)等級區(qū)分相對粗糙，造成因備份資源分配不合理而導(dǎo)致的資源浪費問題。因此，F(xiàn)iWi網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)可靠傳輸機(jī)制并不適用于虛擬化FiWi網(wǎng)絡(luò)中，其主要原因在于，傳統(tǒng)可靠傳輸機(jī)制無法利用虛擬化的資源集中管理優(yōu)勢對拓?fù)渎窂胶凸?jié)點資源進(jìn)行最優(yōu)分配，雖然生存性得到保障，但使備份資源在主鏈路無故障的情況下長期處于閑置狀態(tài)，降低了資源利用率。

為解決以上問題，本文提出一種帶有區(qū)分保護(hù)的虛擬化FiWi融合網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸機(jī)制。首先，根據(jù)用戶需求的QoP及能夠支付的費用，設(shè)計出基于恢復(fù)概率的靈活區(qū)分保護(hù)的策略。然后，提出一種靈活等級服務(wù)區(qū)分算法（FLSDA，flexible level service differentiated algorithm）選擇滿足業(yè)務(wù)QoP需求的保護(hù)路徑，所提算法利用廣度優(yōu)先搜索樹尋找映射節(jié)點。最后，利用帶有靈活QoP策略的遺傳算法求解鏈路映射方案，進(jìn)而完成保護(hù)路徑映射，最小化網(wǎng)絡(luò)開銷，為用戶提供更靈活的虛擬網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)方案。

2 問題描述與網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 業(yè)務(wù)保護(hù)等級劃分

近年來，針對鏈路故障的共享備份保護(hù)方案中，大多是針對全網(wǎng)業(yè)務(wù)提高資源利用率、網(wǎng)絡(luò)可靠性的方案，忽略了業(yè)務(wù)多樣性所引發(fā)的服務(wù)質(zhì)量需求差異化問題。隨著業(yè)務(wù)種類的增多，業(yè)務(wù)優(yōu)先級的劃分也成為一種必然的趨勢。然而，目前針對業(yè)務(wù)優(yōu)先級的劃分大多將實時要求較高的語音、視頻等業(yè)務(wù)定義為非彈性服務(wù)，設(shè)置為較高的優(yōu)先級，將對時延不敏感的WWW/E-mail等業(yè)務(wù)定義為彈性服務(wù)，設(shè)置為較低優(yōu)先級[12]，很少從用戶角度根據(jù)所愿意支付的費用和對保護(hù)質(zhì)量的需求對業(yè)務(wù)實現(xiàn)有效的區(qū)分保護(hù)。針對以上問題，本文從用戶角度出發(fā)，利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化全局視角和資源集中管理的優(yōu)勢，根據(jù)業(yè)務(wù)要求的QoP，靈活地為業(yè)務(wù)提供不同等級的恢復(fù)概率，減小統(tǒng)一備份方案與差異化業(yè)務(wù)不適配造成的資源浪費。所提方案中首先利用多路徑在WMN中并行傳輸業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU，optical network unit）處進(jìn)行匯聚；其次，利用光域的高帶寬及高可靠性，在PON側(cè)進(jìn)行單鏈路傳輸。WMN中主路徑采用多路徑傳輸，備份路徑在考慮用戶需求的QoP及所能夠支付的費用的前提下，通過恢復(fù)概率進(jìn)行多等級保護(hù)質(zhì)量的量化，更加靈活地為其分配備份保護(hù)資源。所提策略的QoP等級通過傳輸鏈路的平均可恢復(fù)概率確定，不同業(yè)務(wù)的QoP方案如下。

通過以上靈活的等級劃分，服務(wù)提供商可根據(jù)用戶需求更加有效地分配保護(hù)資源，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率進(jìn)而提高收益的目的。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

FiWi網(wǎng)絡(luò)虛擬化的過程就是將網(wǎng)絡(luò)中的物理資源抽象成虛擬資源的過程，通過抽象物理節(jié)點和鏈路ID、位置、功能屬性、非功能屬性等資源，屏蔽FiWi網(wǎng)絡(luò)中光域和無線域拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鏈路帶寬等網(wǎng)絡(luò)性能的差異。圖1為融合網(wǎng)絡(luò)虛擬化的整體架構(gòu)。為了屏蔽光域和無線域網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，本節(jié)將虛擬化FiWi分為3層：基礎(chǔ)設(shè)施層（InF, infrastructure）、虛擬化管理層（VM, virtual manager）以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層（SP, service provider）。該模型把基礎(chǔ)設(shè)施層中PON和WMN的物理資源抽象成虛擬資源，形成虛擬資源層，以便虛擬資源管理器（VRM，virtual resource manager）將抽象化的資源集中化管理。這些抽象的虛擬資源繼承了底層設(shè)備的物理屬性，包括帶寬、容量、存儲空間等資源。在虛擬化管理層，VRM根據(jù)服務(wù)提供商的虛擬請求對虛擬資源進(jìn)行分配。SP在虛擬網(wǎng)絡(luò)上為用戶提供個性化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，用戶需求的業(yè)務(wù)完成后，VRM釋放該VN占用的網(wǎng)絡(luò)資源，等待SP的再一次虛擬資源請求，進(jìn)而完成FiWi網(wǎng)絡(luò)的虛擬化。

圖1 融合網(wǎng)絡(luò)虛擬化模型

本文以滿足業(yè)務(wù)不同QoP保護(hù)需求為目標(biāo)，對區(qū)分QoP的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射問題進(jìn)行混合規(guī)劃建模。首先對虛擬網(wǎng)絡(luò)請求及底層物理網(wǎng)絡(luò)的模型和文中所用的符號、變量進(jìn)行說明，如表1所示。

表1 符號及變量說明

由于虛擬網(wǎng)絡(luò)共享底層物理網(wǎng)絡(luò)，不同保護(hù)等級的業(yè)務(wù)對應(yīng)的虛擬節(jié)點映射在同一個物理節(jié)點上，因此，物理節(jié)點剩余處理能力為該節(jié)點總處理能力與已經(jīng)映射到該節(jié)點上的業(yè)務(wù)占用的處理能力之差，如式(2)所示。

進(jìn)而，物理鏈路的可用帶寬表示為

SP負(fù)責(zé)接收業(yè)務(wù)請求，當(dāng)有業(yè)務(wù)到達(dá)時，SP根據(jù)業(yè)務(wù)特點及QoP需求生成面向虛擬化管理層的虛擬網(wǎng)絡(luò)資源請求，虛擬網(wǎng)管理層根據(jù)虛擬網(wǎng)請求組建虛擬網(wǎng)絡(luò)，然后將組建好的虛擬網(wǎng)絡(luò)反饋給SP。最后，通過開放的編程接口將虛擬網(wǎng)絡(luò)映射到物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。

3 帶有區(qū)分保護(hù)的傳輸機(jī)制

3.1 路徑QoP等級量化

本文在WMN中利用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行多路徑傳輸，因此鏈路狀態(tài)互相獨立，由此可知，業(yè)務(wù)可恢復(fù)概率為各鏈路可恢復(fù)概率的期望值，如式(8)所示。

3.2 目標(biāo)函數(shù)

3.3 基于路徑恢復(fù)概率的QoP策略

對于規(guī)模較大的虛擬化FiWi網(wǎng)絡(luò)，本文提出一種靈活的服務(wù)等級區(qū)分算法用于業(yè)務(wù)可靠傳輸。該算法通過構(gòu)建廣度優(yōu)先搜索樹[13]尋找映射節(jié)點，通過遺傳算法尋找鏈路映射方案，給定底層物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛶в蠶oP保護(hù)需求的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生時，所提策略要能夠保障不同用戶的QoP需求，同時最小化網(wǎng)絡(luò)開銷。

算法1 多路徑映射策略偽代碼

10) end for

11) end for

15) end if

17) end for

20) end function

由于遺傳算法采用種群搜索，可實現(xiàn)信息交互、全局解空間搜索，更符合網(wǎng)絡(luò)虛擬化的全局化管理方式，并且，遺傳算法中只考慮輸入輸出關(guān)系的黑箱式操作可簡化虛擬網(wǎng)映射關(guān)系復(fù)雜度。本文利用遺傳算法選擇備份路徑，提供滿足業(yè)務(wù)QoP需求的備份資源，保證業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃?。根?jù)遺傳算法的執(zhí)行流程和業(yè)務(wù)區(qū)分保護(hù)設(shè)計映射的求解要求，本文通過如下步驟來實現(xiàn)算法得出優(yōu)化方案。

1) 編碼模式

2) 創(chuàng)建初始群體

圖2 染色體結(jié)構(gòu)

3) 確定適應(yīng)值函數(shù)

4) 遺傳操作

遺傳操作的意義是通過遺傳法則隨機(jī)地改變?nèi)后w中的個體，進(jìn)而在可行解得范圍中盡快地搜索到問題的最優(yōu)解[16]。

圖3 備份路徑選擇過程

本文所提算法FLSDA的區(qū)分QoP的備份鏈路映射策略的偽代碼如算法2所示。

算法2 區(qū)分QoP備份鏈路選擇策略偽代碼

4) while stop condition do not meet do

10) else

14) else

16) end if

17) end if

19) end for

27) else

30) else

33) end if

34) end if

35) end if

36) end for

39) end while

3.4 算法復(fù)雜度分析

本文所提靈活等級服務(wù)區(qū)分算法主要由多路徑映射及區(qū)分QoP備份鏈路選擇算法組成，下面對算法復(fù)雜度進(jìn)行具體分析。

在多路徑映射過程中，首先，在節(jié)點分配過程中使用廣度優(yōu)先搜索算法，其算法時間復(fù)雜度為(+)，其中，為物理節(jié)點的數(shù)量，為節(jié)點間鏈路數(shù)量。根據(jù)處理能力將虛擬節(jié)點和物理節(jié)點進(jìn)行模糊匹配，經(jīng)典模糊匹配的最優(yōu)時間復(fù)雜度為(lb)。因此，節(jié)點選擇過程的整體時間復(fù)雜度為(lb)。其次，在鏈路映射過程中，使用計算最小開銷的方法尋找滿足條件的路徑集合，經(jīng)過分析可知，最其整體時間復(fù)雜度為((lb))。根據(jù)上述分析，可得本文多路徑映射算法的整體時間復(fù)雜度為((lb) ((lb)))。

綜上所述，本文所提靈活等級服務(wù)區(qū)分算法復(fù)雜度的最高指數(shù)形式為常值，即為多項式時間。

4 數(shù)值結(jié)果分析

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆蒅T-ITM工具隨機(jī)產(chǎn)生[19]，本文的主要仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

4.1 不同QoP等級的網(wǎng)絡(luò)資源開銷

為驗證本文所提算法FLSDA的性能，首先對FLSDA的網(wǎng)絡(luò)資源開銷進(jìn)行驗證。考慮到節(jié)點處理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于虛擬節(jié)點請求，且節(jié)點失效的概率較小，本文仿真中的網(wǎng)絡(luò)資源開銷以鏈路帶寬資源開銷為依據(jù)進(jìn)行驗證。在不同網(wǎng)絡(luò)請求量U下，網(wǎng)絡(luò)資源開銷與QoP等級的關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯霎?dāng)U一定時，隨著QoP等級的增大，網(wǎng)絡(luò)資源開銷也隨之增大。這是因為當(dāng)QoP等級相同時，隨著請求數(shù)量的增大網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致故障的概率也會增大，因此需要更多的備份資源；QoP等級增大，備份資源的比例隨之增大，因此帶寬開銷隨之增大。

圖4 不同QoP等級的網(wǎng)絡(luò)資源開銷

4.2 不同算法的網(wǎng)絡(luò)資源開銷

圖5 不同算法的網(wǎng)絡(luò)資源開銷

4.3 虛擬網(wǎng)絡(luò)故障修復(fù)率

圖6 虛擬網(wǎng)絡(luò)故障修復(fù)率

4.4 虛擬網(wǎng)絡(luò)請求接受率

采用備份路徑構(gòu)造傳輸算法能夠使虛擬網(wǎng)絡(luò)獲得較高的故障修復(fù)率，但由于備份資源占用了大量的網(wǎng)絡(luò)可用資源，導(dǎo)致用于傳輸業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)資源減少。圖7是3種算法的虛擬網(wǎng)絡(luò)請求接受率對比。由圖可知FLSDA的網(wǎng)絡(luò)請求接受率相比PBPA平均高出7%，相比FBPA平均高出16%。這是因為FBPA采用全備份保護(hù)，由圖5的網(wǎng)絡(luò)資源開銷可以看出對于相同的網(wǎng)絡(luò)請求，F(xiàn)BPA需要的網(wǎng)絡(luò)資源最多，因此，其接受率最小。相比于PBPA，F(xiàn)LSDA采用多路徑傳輸，能更充分地利用網(wǎng)絡(luò)可用資源，因此其網(wǎng)絡(luò)請求接受率最大。

圖7 虛擬網(wǎng)絡(luò)請求接受率

4.5 平均收益開銷比

為了分析算法的網(wǎng)絡(luò)效益，本文分別對3種算法的收益開銷比進(jìn)行仿真分析，其中收益指用戶所支付的費用，表示為

開銷指網(wǎng)絡(luò)分配給用戶網(wǎng)絡(luò)資源的開銷，表示為

圖8 平均收益開銷比

5 結(jié)束語

本文針對網(wǎng)絡(luò)用戶不同QoP需求的網(wǎng)絡(luò)虛擬化映射問題進(jìn)行了研究，提出一種帶有區(qū)分保護(hù)的FiWi網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸機(jī)制，并設(shè)計了一種基于恢復(fù)概率區(qū)分QoP的啟發(fā)式算法對該問題進(jìn)行求解。算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可恢復(fù)概率定義鏈路的QoP等級，然后依據(jù)用戶需求的QoP及所能夠支付的費用，通過遺傳算法為其靈活地分配備份保護(hù)資源。實驗結(jié)果表明算法在平均收益開銷比和底層網(wǎng)絡(luò)資源開銷等指標(biāo)上具有較高優(yōu)勢，從而在滿足用戶QoP需求，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的同時，為用戶提供更靈活的虛擬網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。

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Reliable transmission mechanism with differentiated protection in virtualized fiber-wireless access network

WANG Ruyan1,2, GAO Yishuang1,2, CHEN Xiao1,2

1. School of Communication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China 2. Key Laboratory of Optical Communication and Network, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

In view ofthe different reliability requirements of network service, a reliable transmission mechanism with differentiated protection was proposed in virtualized fiber-wireless access network. The quality of protection required by users and the fees that can be paid were used as a prerequisite. The backup protection resources were flexibly allocated by quantifying the multi-level protection quality with the probability of recovery. Then, for reducing traffic congestion and the unprotected services, the level service differentiation algorithm was used to choose protection link which was satisfied with the level of protection quality. The results show the proposed mechanism has more advantages in terms of long-term benefit-to-cost ratio and underlying network resource overhead, and provides users with a more flexible virtual network transmission while satisfying users’ reliability requirements.

integrated fiber-wireless access network, network virtualization, reliability, differentiated protection

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2019069

2018?08?28；

2019?02?22

國家自然科學(xué)基金資助項目（No.61771082）；重慶市高校創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)計劃基金資助項目（No.CXTDX201601020）

The National Natural Science Foundation of China (No.61771082), Chongqing Funded Project of Chongqing University Innovation Team Construction (No.CXTDX201601020)

王汝言（1969?），男，湖北浠水人，博士，重慶郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向為泛在網(wǎng)絡(luò)多媒體信息處理等。

高毅爽（1995? ），男，四川廣元人，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向為光無線融合網(wǎng)絡(luò)。

陳霄（1991? ），男，河北邯鄲人，重慶郵電大學(xué)碩士生，主要研究方向為光無線融合網(wǎng)絡(luò)。