揭水平1，江云飛，符小東3，陳伯文

(1. 中天通信技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226400； 2. 蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；3. 中天寬帶技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226463)

0 引 言

近年來，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用服務(wù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求呈現(xiàn)出激增態(tài)勢，造成網(wǎng)絡(luò)能耗也急劇上升，容易造成網(wǎng)絡(luò)資源效率和能源效率降低，使網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。據(jù)估計(jì)，截至2020年，互聯(lián)網(wǎng)骨干基礎(chǔ)設(shè)施的能源消耗將大約占用20%的網(wǎng)絡(luò)總體使用能源[1]。近年來，更高線速率(例如：100和400 Gbit/s)的光傳輸設(shè)備得到逐步應(yīng)用[2]，利用新型光傳輸設(shè)備可進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量，并在滿足業(yè)務(wù)帶寬需求的同時(shí)，提高能耗效率。文獻(xiàn)[3]考慮了支持40和100 Gbit/s線速率的光傳輸設(shè)備，提出了一種距離自適應(yīng)的多層流量疏導(dǎo)方法，這種方法有效提高了網(wǎng)絡(luò)能耗效率。

由于不同的業(yè)務(wù)流量需求，部分低帶寬需求的連接請(qǐng)求可能由于占用高線速率通道而造成網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源浪費(fèi)，造成網(wǎng)絡(luò)能耗升高。因此，為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源和能耗，頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)需要支持不同的線速率，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中不同粒度的業(yè)務(wù)帶寬需求，并為這些連接請(qǐng)求配置對(duì)應(yīng)線速率的IP路由器和相應(yīng)的光傳輸設(shè)備。通過靈活地切分連接請(qǐng)求的帶寬、合理地配置網(wǎng)絡(luò)的傳輸設(shè)備，在IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中，本文提出了一種基于混合線速率網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置的節(jié)能方法(Energy-Efficient Approach Based on Mixed-Line-Rate Equipment Configuration, MLRA)，以提高頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中的能耗效率和網(wǎng)絡(luò)資源效率。

1 網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述

IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)模型被定義為G(I,N,E,F)，其中，I={i1,i2,i3,…,i|I|}為一組IP路由；N={n1,n2,n3,…,n|N|}為一組光交換節(jié)點(diǎn)；E={e1,e2,e3,…,e|E|}為一組光纖鏈路；F={f1,f2,f3,…,f|F|}為每條光纖鏈路中可用頻譜間隙的集合，|I|、|N|、|E|和|F|分別為頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中IP路由的數(shù)量、光交換節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、光纖鏈路的數(shù)量以及每條光纖鏈路中可用頻譜間隙的數(shù)量。每個(gè)連接請(qǐng)求為cr(s,d,BR,t)∈CR， 其中，s和d分別為連接請(qǐng)求的源點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)；BR和t分別為連接請(qǐng)求所需的頻譜間隙數(shù)目和持續(xù)時(shí)間；CR為連接請(qǐng)求的總體集合。

在IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中，為了有效地提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源利用效率和降低網(wǎng)絡(luò)的能耗，需要盡可能地減少網(wǎng)絡(luò)能耗設(shè)備(IP路由端口、光轉(zhuǎn)發(fā)器和光再生器)的數(shù)量，同時(shí)選擇合理的方法來配置網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于每個(gè)連接請(qǐng)求，不同的配置方式會(huì)產(chǎn)生數(shù)量不同的能耗：根據(jù)連接請(qǐng)求的源點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)，利用K條最短路徑算法選擇合適的工作路徑；根據(jù)連接請(qǐng)求的帶寬需求，選擇對(duì)應(yīng)線速率的光學(xué)設(shè)備來傳輸業(yè)務(wù)，例如，在本文中主要采用支持40和100 Gbit/s線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；建立光通道后，分配每個(gè)連接請(qǐng)求的頻譜資源，頻譜資源在分配過程中需要遵循頻譜連續(xù)性和頻譜一致性的雙重約束條件。所以，每個(gè)連接請(qǐng)求的總能耗為

2 頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中MLRA

2.1 基于混合線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置方法

在傳統(tǒng)IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中，用戶可以根據(jù)連接請(qǐng)求的帶寬需求粒度的大小選擇合適的頻譜資源，以建立業(yè)務(wù)傳輸光通道，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的最佳配置。然而，在連接請(qǐng)求建立的過程中，傳統(tǒng)IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)只會(huì)選擇單一線速率來承載網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量，導(dǎo)致部分網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的資源不能被充分利用，這樣會(huì)不可避免地造成大量頻譜資源以及網(wǎng)絡(luò)端口的嚴(yán)重浪費(fèi)。若采用混合線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，既可以靈活地分配連接請(qǐng)求的帶寬需求，又能使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的資源得到最大程度的利用，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。本文主要采用線速率為TR1=40 Gbit/s和TR2=100 Gbit/s的IP路由端口、光轉(zhuǎn)發(fā)器以及光再生器來承載連接請(qǐng)求的帶寬需求，這里線速率40和100 Gbit/s的光通道占用的頻帶寬度分別為25.0和37.5 GHz，光再生器的最大傳輸距離分別為1 800和1 700 km。這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗參數(shù)[4]如表1所示，在線速率為40 Gbit/s的條件下，IP路由端口、光轉(zhuǎn)發(fā)器以及光再生器的功率分別為264.6、159.0和225.0 W；而在線速率為100 Gbit/s的情況下，它們的功率依次是453.6、260.0和450.0 W。

表1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗參數(shù)表

式中，n為支持線速率TR2的光通道的數(shù)量。例如，若一條連接請(qǐng)求的帶寬需求為140 Gbit/s，則這個(gè)帶寬請(qǐng)求可以被分為40和100 Gbit/s，這樣可以分別使用一組線速率40 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和一組線速率100 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來完成信號(hào)的傳輸。

2.2 IP 融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中MLRA

為了降低IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)阻塞率，提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源效率和能源效率，通過采用混合線速率的業(yè)務(wù)帶寬承載方式，提出了MLRA，具體步驟如下：

步驟1：IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)初始化。初始化網(wǎng)絡(luò)G(I,N,E,F)，生成一組連接請(qǐng)求CR。

步驟2：K條最短路徑的獲取。對(duì)于每一條連接請(qǐng)求cr(s,d,BR,t)，采用K條最短路徑算法計(jì)算從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間的K條候補(bǔ)工作路徑。

步驟3：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置方法。把連接請(qǐng)求的帶寬需求切分成恰當(dāng)?shù)幕旌暇€速率進(jìn)行傳輸，即BR′=m×TR1+n×TR2，m和n為分割后線速率TR1和TR2各自的數(shù)目(具體的線速率切割模型如式(2)所示)，再為這些線速率配置容量合適的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

步驟4：最小光再生器數(shù)目的計(jì)算。以這條工作路徑中的源和目的節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，重新建立一個(gè)計(jì)算再生器數(shù)目的臨時(shí)拓?fù)洌涸谶@條工作路徑中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)，若節(jié)點(diǎn)的傳輸距離小于連接請(qǐng)求采用線速率的最大傳輸距離，則這個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)建立連接鏈路，并設(shè)置權(quán)值為1個(gè)單位長度，由此形成計(jì)算再生器數(shù)目的臨時(shí)拓?fù)洌焕米疃搪窂剿惴?，在臨時(shí)拓?fù)渲杏?jì)算得到一條權(quán)值最小的路徑，這條路徑的節(jié)點(diǎn)數(shù)記為n0，路徑中間的節(jié)點(diǎn)(除去源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn))即為設(shè)置光再生器的點(diǎn)。因此配置的光再生器的數(shù)量為n0-2。

步驟5：光通道的建立與頻譜資源的分配。在連接請(qǐng)求選擇工作路徑后，利用計(jì)算得出的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置方法來配置對(duì)應(yīng)的IP路由端口、光轉(zhuǎn)發(fā)器以及光再生器，以承載連接請(qǐng)求的帶寬需求。根據(jù)混合線速率組合BR′=m×TR1+n×TR2，依次為這些線速率分配頻譜資源：利用首次命中法，從最低頻譜間隙編號(hào)查找到最高頻譜間隙編號(hào)，查找合適的頻譜資源以建立光通道；同一光通道內(nèi)，頻譜資源的占用需滿足頻譜一致性和頻譜連續(xù)性約束條件。當(dāng)查找到所有可用的頻譜資源后，為該連接請(qǐng)求分配頻譜資源，則這個(gè)連接請(qǐng)求建立成功；若找不到合適的頻譜資源，則該連接請(qǐng)求阻塞。

步驟6：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的更新。根據(jù)頻譜資源的占用情況實(shí)時(shí)更新IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，并計(jì)算該連接請(qǐng)求的總能耗；對(duì)于剩下的連接請(qǐng)求，重復(fù)步驟2～5。

IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中MLRA流程圖如圖1所示。

圖1 IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中MLRA流程圖

2.3 傳統(tǒng)的節(jié)能方案描述

為了有效評(píng)估IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中MLRA的性能，本文引入一種基于單線速率網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置的傳統(tǒng)方法(Traditional Approach Based on Single-Line-Rate Equipment Configuration, SLRA)，并考慮兩種線速率，即40和100 Gbit/s。這種傳統(tǒng)方法與MLRA的步驟基本相同，但步驟3是不一樣的。在傳統(tǒng)方法中，在對(duì)每一個(gè)連接請(qǐng)求的帶寬需求切分時(shí)，是按照單線速率來進(jìn)行切分。在光通道的建立與頻譜資源分配時(shí)，也是按照單線速率建立光通道和頻譜資源分配。把所有連接請(qǐng)求都分配到IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)時(shí)，計(jì)算出傳統(tǒng)方法的能耗效率。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真條件設(shè)置與評(píng)價(jià)指標(biāo)

本次仿真實(shí)驗(yàn)采用的是美國國家基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)(National Science Foundation Network，NSFNET)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒?4個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和21條鏈路；同時(shí)每條鏈路被分割成100個(gè)頻譜間隙，每個(gè)頻譜間隙的帶寬是12.5 GHz，并且每條鏈路都是雙向的。連接請(qǐng)求的總數(shù)為10 000。對(duì)于每一條連接請(qǐng)求，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)服從均勻分布；帶寬需求在40～200 Gbit/s間均勻分布；連接請(qǐng)求的到達(dá)時(shí)間間隔服從到達(dá)率為λ(s,d)的泊松分布，連接請(qǐng)求的持續(xù)時(shí)間滿足負(fù)指數(shù)分布μ(s,d)，它們的比值為業(yè)務(wù)量Erl:λ(s,d)/μ(s,d)。在計(jì)算K條最短路徑時(shí)，K的值取3。

圖2 NSFNET拓?fù)鋱D

為了更好地評(píng)估IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中MLRA的性能，需要對(duì)所提MLRA方法與SLRA方法進(jìn)行比較。對(duì)于SLRA，本文只考慮兩種不同的線速率，即40 Gbit/s(SLRA_40)和100 Gbit/s(SLRA_100)。對(duì)于MLRA和SLRA，本文的性能評(píng)估主要考慮在網(wǎng)絡(luò)阻塞率、平均能耗和網(wǎng)絡(luò)連接配置3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。網(wǎng)絡(luò)阻塞率是指被拒絕的連接請(qǐng)求數(shù)目與連接請(qǐng)求總數(shù)的比值；平均能耗則為所有建立成功的連接請(qǐng)求單位時(shí)間內(nèi)每條鏈路所消耗的能量；而網(wǎng)絡(luò)連接配置是指在同一業(yè)務(wù)量下完成連接請(qǐng)求所需的各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)目。

3.2 仿真結(jié)果與分析

(1) 網(wǎng)絡(luò)阻塞率。不同業(yè)務(wù)負(fù)載下3種不同的節(jié)能方法的網(wǎng)絡(luò)阻塞率如圖3(a)所示。與SLRA_40和SLRA_100相比，MLRA可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載壓力較低時(shí)，MLRA的阻塞率比起其他兩種傳統(tǒng)方法呈明顯的下降趨勢；隨著負(fù)載壓力的增大，SLRA_40、SLRA_100和MLRA的阻塞率都增大，與SLRA_40和SLRA_100相比，雖然MLRA上升速度更快，但是總比他們小，說明MLRA能夠有效減少阻塞率。當(dāng)業(yè)務(wù)量為180 Erl時(shí)，MLRA的阻塞率相較于SLRA_40和SLRA_100有了較大降低(分別降低了99.3%和95.8%)。這是因?yàn)?，若是采用單一線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建設(shè)連接請(qǐng)求，在只采用40 Gbit/s線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況下，建立的每一個(gè)光通道需要25.0 GHz的頻帶寬度(而100 Gbit/s線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只需占用37.5 GHz的頻帶寬度)，頻譜資源效率較低；在只采用100 Gbit/s線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的情況下，由于連接請(qǐng)求的實(shí)際帶寬需求很可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于100 Gbit/s，使得光通道內(nèi)的頻譜資源并未得到充分利用，造成部分頻譜資源的浪費(fèi)，進(jìn)而導(dǎo)致SLRA的網(wǎng)絡(luò)阻塞率升高。然而，MLRA采用混合線速率網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置方法，靈活切分連接請(qǐng)求的帶寬需求，既考慮了頻譜資源的使用效率，也避免了大量頻譜資源的浪費(fèi)，使其阻塞率與SLRA_40和SLRA_100相比有了明顯降低。

圖3 不同業(yè)務(wù)負(fù)載下3種方法的對(duì)比

(2) 平均能耗。不同業(yè)務(wù)負(fù)載下3種不同節(jié)能方法的平均能耗如圖3(b)所示。與SLRA_40和SLRA_100相比，MLRA的平均能耗有了大幅度地降低，分別降低了約35%和20%。其中，在業(yè)務(wù)量為180 Erl的情況下，相比于SLRA_40和SLRA_100，MLRA的平均能耗分別下降了32.1%和18.4%，平均能耗效率得到明顯的改善。這是由于，在SLRA_40中, 40 Gbit/s線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功耗超過100 Gbit/s線速率設(shè)備功耗的一半，連接請(qǐng)求的帶寬需求超過40 Gbit/s，則需要多個(gè)40 Gbit/s線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，此時(shí)1個(gè)100 Gbit/s線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備所消耗的能源遠(yuǎn)低于2個(gè)或3個(gè)40 Gbit/s線速率的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所以SLRA_40的能源效率較低；在SLRA_100中，連接請(qǐng)求的帶寬需求可能會(huì)低于100 Gbit/s，這相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還可以容納部分流量，實(shí)際上無需使用100 Gbit/s的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所以造成了能源的浪費(fèi)；而MLRA能夠保證能源效率。因此，在降低能耗方面，與SLRA相

比，MLRA具有明顯的優(yōu)勢。

(3) 網(wǎng)絡(luò)連接配置。表2所示為在業(yè)務(wù)量為180 Erl時(shí)每單位Erl下網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求建立成功的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置情況。由表可知，相較于傳統(tǒng)的SLRA，MLRA明顯減少了IP端口數(shù)、光轉(zhuǎn)發(fā)器數(shù)和光再生器數(shù)的使用，即減少了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的使用數(shù)目。因此， MLRA能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)的能耗。

表2 業(yè)務(wù)量為180 Erl時(shí)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置情況

4 結(jié)束語

在IP融合頻譜靈活光網(wǎng)絡(luò)中，為了有效解決網(wǎng)絡(luò)的能耗與頻譜效率問題，提出了MLRA。為了方便比較，引入了傳統(tǒng)的SLRA，并考慮了兩種不同線速率，即40和100 Gbit/s，也就是SLRA_40和SLRA_100。仿真結(jié)果表明，與SLRA_40和SLRA_100相比較，本文所提出的MLRA通過靈活的切分連接請(qǐng)求的帶寬、配置合適的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)阻塞率，同時(shí)也提高了網(wǎng)絡(luò)能源效率，減少了網(wǎng)絡(luò)能耗。