劉煥淋,譚明明,任 杰,陳 勇,邱 艷,胡俊嶺

(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) 自動(dòng)化學(xué)院,重慶 400065)

0 引 言

近年來(lái),視頻會(huì)議、在線學(xué)習(xí)和云存儲(chǔ)等多樣化帶寬需求的新興互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起,正悄然改變著人們的生活方式[1-2]。同時(shí),大量的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用程序,如云計(jì)算、網(wǎng)格計(jì)算等用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)成為光網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(internet protocol, IP)流量爆炸性增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素[3-5]。為了確保服務(wù)質(zhì)量,這些應(yīng)用程序以具有確定開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間特性的可調(diào)度請(qǐng)求(scheduled lightpath demands, SLD)傳輸耐延遲的服務(wù),成為光網(wǎng)絡(luò)中IP流量的重要組成部分[6]。為了滿足這些多樣化新興業(yè)務(wù)的靈活帶寬需求,彈性光網(wǎng)絡(luò)(elastic optical networks, EONs)技術(shù)的提出解決了傳統(tǒng)的波分復(fù)用由于其固定的頻譜柵格特性而造成的頻譜浪費(fèi)的問(wèn)題,使彈性光網(wǎng)絡(luò)成為極具前景的新興光骨干網(wǎng)技術(shù)[7]。

EONs技術(shù)帶來(lái)了靈活的資源分配和高效的頻譜利用率,但由于連接請(qǐng)求動(dòng)態(tài)建立和釋放光路所引發(fā)的頻譜-時(shí)間資源碎片問(wèn)題影響了EONs頻譜利用率的提高[8]。同時(shí),可調(diào)度請(qǐng)求的時(shí)間特性使EONs的頻譜-時(shí)間碎片問(wèn)題更加嚴(yán)重,為了減少頻譜-時(shí)間的資源碎片率,設(shè)計(jì)有效的路由頻譜分配(routing and spectrum allocation, RSA)算法是提高彈性光網(wǎng)絡(luò)資源利用率的重要手段。

解決頻譜碎片問(wèn)題的方法主要有碎片整理[9-11]和碎片感知[12-13]資源分配方法。碎片整理是對(duì)當(dāng)前已占用的頻譜資源重新配置,大多數(shù)碎片整理方法可以分為主動(dòng)型和被動(dòng)型。在主動(dòng)型碎片整理策略中,不考慮網(wǎng)絡(luò)連接是否存在阻塞,在一定時(shí)間周期后定期進(jìn)行頻譜碎片整理操作[10],其主要目標(biāo)是優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的頻譜資源;在被動(dòng)型碎片整理策略中,需要設(shè)計(jì)一定碎片整理觸發(fā)條件,如基于業(yè)務(wù)連接阻塞觸發(fā)的頻譜碎片整理方法,即當(dāng)前頻譜資源下無(wú)法為連接請(qǐng)求提供足夠的資源[11]。

碎片感知資源分配方法是在連接請(qǐng)求到來(lái)前根據(jù)碎片度量公式對(duì)當(dāng)前頻譜資源占用情況進(jìn)行預(yù)分配,以便為后續(xù)連接請(qǐng)求保留盡可能多的頻譜資源[12]。文獻(xiàn)[13]提出了一種多路徑碎片感知路由頻譜分配算法,該算法定義了頻域的頻譜資源塊,采用碎片感知方法為每個(gè)連接請(qǐng)求預(yù)先選擇產(chǎn)生頻譜碎片較小的頻譜資源塊,其目的是改善阻塞率性能,但當(dāng)路由可用頻譜資源無(wú)法滿足請(qǐng)求所需帶寬時(shí),該請(qǐng)求直接被阻塞,頻譜利用率較低。

在EONs中,考慮交換節(jié)點(diǎn)端口數(shù)據(jù)速率與光纖鏈路上頻譜資源可用情況,在端口配置頻譜切片機(jī)也可以在頻域一定程度上松弛頻譜分配的連續(xù)性約束,減少頻譜碎片的產(chǎn)生,但在節(jié)點(diǎn)中配置頻譜切片機(jī)技術(shù)復(fù)雜,成本代價(jià)昂貴[14]。文獻(xiàn)[15]提出了基于三級(jí)頻譜切片交換節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的路由頻譜分配算法,但是在頻譜資源分配策略上對(duì)于頻譜切片機(jī)的切片準(zhǔn)則沒(méi)有進(jìn)行準(zhǔn)確的劃分,且仿真網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)單一,在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲锌赏卣剐圆粡?qiáng)。

對(duì)于確定開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間特性的可調(diào)度請(qǐng)求已有文獻(xiàn)進(jìn)行了頻譜-時(shí)間資源分配算法研究。文獻(xiàn)[16]提出混合可調(diào)度請(qǐng)求和即時(shí)請(qǐng)求的路由頻譜和時(shí)間分配算法,能對(duì)頻譜-時(shí)間資源進(jìn)行專有分區(qū),將請(qǐng)求劃分為不同的頻譜資源區(qū)域和持續(xù)時(shí)間資源區(qū)域,但對(duì)于具有開(kāi)始時(shí)間滑動(dòng)窗口的可調(diào)度請(qǐng)求難以滿足其時(shí)間靈活性;文獻(xiàn)[17]提出一個(gè)流量均衡二維頻譜-時(shí)間路由頻譜分配(traffic balancing based RSA in bandwidth and time domain, TBRSA-BT)算法,將可調(diào)度請(qǐng)求時(shí)域分布視為具有周期特性,在一個(gè)周期內(nèi)時(shí)域被分為工作時(shí)間和非工作時(shí)間,進(jìn)行時(shí)域滑動(dòng)和位移,在頻譜-時(shí)間2個(gè)維度達(dá)到流量均衡,但是工作時(shí)間和非工作時(shí)間窗口劃分具有地域特殊性;文獻(xiàn)[18]提出空-時(shí)-頻最小化串?dāng)_的路由頻譜纖芯和時(shí)間分配算法,并提出針對(duì)單芯光纖未考慮芯間串?dāng)_的最小資源消耗的路由頻譜和時(shí)間分配(minimize resource consumption based routing, spectrum and time allocation , MR-RSTA)算法,該算法根據(jù)可調(diào)度請(qǐng)求的所需帶寬和持續(xù)時(shí)間,劃分頻譜資源和時(shí)間資源窗口,減少頻譜-時(shí)間資源的消耗,但該算法未考慮在節(jié)點(diǎn)配置頻譜切片機(jī),不能充分利用頻譜-時(shí)間的碎片資源實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的傳輸。

結(jié)合可調(diào)度請(qǐng)求的時(shí)間特性和大帶寬的需求,對(duì)彈性光網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)優(yōu)化光節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和頻譜-時(shí)間資源碎片的研究較少,尤其是在動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)場(chǎng)景下,更加靈活的請(qǐng)求分布增加了資源分配的難度,傳統(tǒng)靜態(tài)業(yè)務(wù)模型和資源分配算法也不再適用。因此,論文提出一個(gè)基于頻譜切片的可調(diào)度請(qǐng)求路由頻譜和時(shí)間分配(routing spectrum and time allocation for scheduled lightpath demands based on spectrum slicing, SS-RSTA)算法。在路由選擇階段,基于K條最短路徑(K-shortest paths,KSP)算法篩選出候選路徑集合,并根據(jù)綜合情況考慮路徑長(zhǎng)度、路徑上碎片率和節(jié)點(diǎn)可用頻譜切片機(jī)數(shù)量的路徑權(quán)重值對(duì)候選路徑集合排序;在資源分配階段,采用鏈路碎片感知方法為可調(diào)度請(qǐng)求選擇可用的頻譜-時(shí)間資源窗口;當(dāng)資源分配失敗時(shí),使用頻譜切片準(zhǔn)則將原可調(diào)度請(qǐng)求從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)切分為多個(gè)帶寬子部分,提高請(qǐng)求成功傳輸概率的同時(shí)將分配資源產(chǎn)生的頻譜-時(shí)間碎片最小化,提升頻譜利用率,降低業(yè)務(wù)的帶寬阻塞率。

1 系統(tǒng)模型

1.1 基于頻譜切片的EONs節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

彈性光網(wǎng)絡(luò)中基于頻譜切片的節(jié)點(diǎn)架構(gòu)如圖1所示,包括3個(gè)模塊:頻譜選擇開(kāi)關(guān)(spectrum selective switch, SSS)、光交換模塊(optical switch)和頻譜切片機(jī)(Slicer)。

圖1 基于頻譜切片的節(jié)點(diǎn)架構(gòu)Fig.1 Node architecture based on spectrum slicing

SSS與輸入端口和輸出端口分別連接,并根據(jù)EONs控制器的決定為每個(gè)頻譜切片器選擇頻率梳。D個(gè)頻譜切片器以節(jié)點(diǎn)共享的方式與光交換模塊連接,形成共享反饋型頻譜切片模塊。在節(jié)點(diǎn)配置頻譜切片機(jī),當(dāng)資源分配失敗時(shí),將原可調(diào)度請(qǐng)求進(jìn)行頻譜切分,從而放松頻譜連續(xù)性的約束[19-20]。

1.2 業(yè)務(wù)模型

設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為G(N,E,F),其中,N和E分別表示節(jié)點(diǎn)集合和鏈路集合,F為每條光纖鏈路所包含的頻隙集合;可調(diào)度請(qǐng)求表示為di(s,d,b,st,ht,dt),其中,s,d分別表示可調(diào)度請(qǐng)求di的源目的節(jié)點(diǎn)對(duì),b為可調(diào)度請(qǐng)求帶寬需求,st,ht,dt分別表示可調(diào)度請(qǐng)求的開(kāi)始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。

根據(jù)可調(diào)度請(qǐng)求源目的節(jié)點(diǎn)對(duì)s,d,使用KSP算法得出請(qǐng)求候選路徑集合,以及業(yè)務(wù)帶寬需求b,計(jì)算出請(qǐng)求所需頻隙數(shù)量,即

(1)

(1)式中:b表示請(qǐng)求帶寬需求;bfs為每頻隙帶寬,大小為12.5 GHz;m為調(diào)制格式對(duì)應(yīng)的調(diào)制等級(jí);FG為保護(hù)頻隙數(shù)。

圖2 候選頻譜資源窗口示意圖Fig.2 Candidate spectrum resource window

可調(diào)度請(qǐng)求在傳輸過(guò)程中時(shí)域分配的時(shí)隙必須是連續(xù)的,且等于請(qǐng)求持續(xù)時(shí)間ht,根據(jù)可調(diào)度請(qǐng)求的開(kāi)始時(shí)間st和結(jié)束時(shí)間dt,搜尋候選路由鏈路可用的時(shí)間資源,得到可用候選時(shí)間資源窗口(TWj)集合,如圖3所示。

圖3 候選時(shí)間資源窗口示意圖Fig.3 Candidate time resource window

在頻譜和時(shí)間資源分配階段,根據(jù)圖2和圖3得到的候選頻譜-時(shí)間資源窗口作為可調(diào)度請(qǐng)求的候選資源窗口。

2 SS-RSTA算法

本文基于頻譜切片的EONs節(jié)點(diǎn)架構(gòu),根據(jù)可調(diào)度請(qǐng)求,資源分配可分為2個(gè)階段: ①當(dāng)可用資源充足時(shí),在路由選擇階段采用KSP算法選擇K條候選路徑;在頻譜-時(shí)間分配階段,采用鏈路資源碎片感知方法為可調(diào)度請(qǐng)求選擇路徑碎片率最小值對(duì)應(yīng)的頻譜-時(shí)間資源窗口;②當(dāng)資源分配失敗時(shí),在路由選擇階段,設(shè)計(jì)綜合考慮路徑長(zhǎng)度、路徑的資源碎片率和節(jié)點(diǎn)配置的可用切片機(jī)數(shù)目的路徑權(quán)重值計(jì)算公式,并根據(jù)路徑權(quán)重值降序排列原K條候選路徑,存入新的候選路徑集合;在頻譜-時(shí)間分配階段,使用頻譜切片準(zhǔn)則將原可調(diào)度請(qǐng)求切分為多個(gè)子帶寬請(qǐng)求,增加可調(diào)度請(qǐng)求頻譜分配成功的概率,提高資源碎片的利用率。

本文設(shè)計(jì)的綜合考慮路徑長(zhǎng)度、路徑的資源碎片率和節(jié)點(diǎn)配置的可用切片機(jī)數(shù)目的路徑權(quán)重值計(jì)算方法為

(2)

(2)式中:Wp表示候選路徑P的路徑權(quán)重值;α,β,γ分別為離差標(biāo)準(zhǔn)化后的路徑長(zhǎng)度Lp,歸一化路徑碎片率NFRp和可用頻譜切片機(jī)數(shù)目SLav的權(quán)重系數(shù),且α+β+γ=1。本文通過(guò)試錯(cuò)法,設(shè)定提高頻譜-時(shí)間碎片利用率為目標(biāo)進(jìn)行不斷試驗(yàn)和消除誤差,確定α,β,γ的取值[21]。

候選路徑Pi的資源碎片率的計(jì)算公式為

(3)

(3)式中,PFRSWi,TWj表示將業(yè)務(wù)分配在候選路徑Pi的頻譜-時(shí)間資源窗口{SWi,TWj}的資源碎片率;MPFR表示候選路徑Pi的資源碎片的最大值。

(4)

(4)式中:Kp表示候選路徑Pi的空閑頻譜塊數(shù)目;fp,k表示第kp個(gè)空閑頻譜資源窗口所包含的頻隙數(shù)。

MPFR表示為

(5)

(5)式中,N為包含頻隙數(shù)。最大路徑碎片率示意圖如圖4所示,即候選路徑Pi包含N個(gè)頻隙的資源碎片率PFR的最大值。

圖4 最大路徑碎片率示意圖Fig.4 Schematic of maximum path fragmentation ratio

若在當(dāng)前路徑Pi中沒(méi)有滿足可調(diào)度請(qǐng)求所需的頻隙,即頻譜分配失敗,則采用頻譜切片準(zhǔn)則,將原請(qǐng)求所需帶寬切片為多個(gè)子帶寬請(qǐng)求,增加可調(diào)度請(qǐng)求頻譜分配成功的概率,提高網(wǎng)絡(luò)的頻譜-時(shí)間資源碎片的利用率。其中,頻譜切片準(zhǔn)則的終止條件表示為

(6)

(6)式表示業(yè)務(wù)依次從候選路徑的頻譜碎片集合中選擇多個(gè)空閑頻譜資源窗口,當(dāng)M個(gè)空閑頻譜窗口之和大于等于可調(diào)度請(qǐng)求所需的頻隙數(shù)目,則結(jié)束頻譜切片操作。此目的是在滿足請(qǐng)求頻譜資源分配的基礎(chǔ)上,盡可能少地使用頻譜切片機(jī)。

算法1SS-RSTA算法

輸入:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰(N,E,F),可調(diào)度請(qǐng)求di(s,d,b,st,ht,dt);

已經(jīng)79歲高齡的東莞市交通運(yùn)輸局原副局長(zhǎng)盧銳平對(duì)當(dāng)年經(jīng)歷記憶猶新：“廣深高速公路的集資模式，成為后來(lái)省內(nèi)其他高速公路建設(shè)紛紛效仿的樣板，當(dāng)年參與廣深項(xiàng)目的交通人才，被全國(guó)各地高速公路建設(shè)工程搶奪，廣深高速公路被稱為中國(guó)高速公路的‘黃埔軍?！！?/p>

輸出:輸出業(yè)務(wù)傳輸?shù)穆酚?頻譜-時(shí)間資源窗口和更新可用切片機(jī)數(shù)量SLav。

步驟1 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G(N,E,F)中節(jié)點(diǎn)度數(shù)的平均值,記為D,為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置數(shù)目為D的頻譜切片機(jī),轉(zhuǎn)步驟2。

步驟3 依次判斷候選路徑Pi是否有滿足可調(diào)度請(qǐng)求di所需的連續(xù)空閑頻譜-時(shí)間資源窗口,若滿足,轉(zhuǎn)步驟5;否則,執(zhí)行步驟4。

步驟4 采用頻譜切片準(zhǔn)則為業(yè)務(wù)選擇頻譜-時(shí)間資源窗口:

步驟4-1:檢查候選路徑Pi的頻譜占用情況,將路徑Pi中空閑頻譜資源窗口所包含的頻隙數(shù)從大到小依次降序排列在集合{b1,b2,…,bk}中,轉(zhuǎn)步驟4-2;

步驟4-3:根據(jù)(3)式計(jì)算頻譜切分后候選路徑Pi的資源碎片率,若有資源碎片率相同的多個(gè)候選頻譜資源窗口,則使用首次命中(FirstFit,FF)頻譜分配策略,為可調(diào)度請(qǐng)求分配頻譜窗口和滿足業(yè)務(wù)時(shí)間需求時(shí)間窗口,轉(zhuǎn)步驟7。

步驟7 輸出業(yè)務(wù)選擇的路由、頻譜-時(shí)間資源窗口,更新節(jié)點(diǎn)的可用切片機(jī)數(shù)量SLav。

SS-RSTA算法示例如圖5所示。圖5a為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G(N,E,F),節(jié)點(diǎn)集合N中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目為6,鏈路集合E中的鏈路數(shù)目為9,每鏈路包含頻隙數(shù)為10 FSs,時(shí)隙數(shù)為10 TSs;網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)間數(shù)值表示路徑長(zhǎng)度值,每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置3個(gè)頻譜切片機(jī),為簡(jiǎn)單起見(jiàn),設(shè)候選路徑K=1;可調(diào)度請(qǐng)求d1(A,D,b,4,3,6)和d2(A,C,b,4,4,7)。

在圖5a中,根據(jù)(1)式計(jì)算請(qǐng)求d1和d2所需頻隙數(shù)分別為4 FSs和2 FSs;由KSP算法得到請(qǐng)求d1的候選路徑為A-D,圖5b表示候選路徑A-D的頻譜-時(shí)間資源占用情況。根據(jù)SS-RSTA算法,首先根據(jù)鏈路的頻譜-時(shí)間占用情況,發(fā)現(xiàn)候選路徑A-D沒(méi)有滿足請(qǐng)求所需的空閑頻譜-時(shí)間資源窗口,若不使用頻譜切片準(zhǔn)則為業(yè)務(wù)分配資源,則業(yè)務(wù)將被阻塞;若執(zhí)行SS-RSTA算法的頻譜切片準(zhǔn)則分配資源,對(duì)候選路由路徑A-D從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)上采用頻譜切片準(zhǔn)則;將候選路徑A-D的空閑頻譜-時(shí)間資源窗口從大到小排序在集合{(SW8-9,TW4-6),(SW5,TW4-6),(SW1-2,TW4-6)}中;利用(6)式,節(jié)點(diǎn)A到節(jié)點(diǎn)D分別使用一個(gè)頻譜切片機(jī),將原可調(diào)度請(qǐng)求d1切分為2個(gè)頻譜-時(shí)間窗口,即頻譜-時(shí)間資源窗口{(SW1-2,TW4-6),(SW8-9,TW4-6)},則可調(diào)度請(qǐng)求d1頻譜分配成功。

同理,采用KSP算法,得到可調(diào)度請(qǐng)求d2的候選路徑為A-B-C,圖5c表示候選路徑A-B-C的頻譜-時(shí)間資源占用情況。根據(jù)SS-RSTA算法,首先統(tǒng)計(jì)路由A-B-C頻譜-時(shí)間占用情況,將候選路徑A-B-C滿足請(qǐng)求所需的空閑頻譜-時(shí)間資源窗口保存在集合{(SW1-2,TW4-7),(SW7-8,TW4-7),(SW8-9,TW4-7)}中;使用(3)式計(jì)算上述不同候選頻譜-時(shí)間資源窗口的路徑A-B-C的資源碎片率,其值分別為NFRSW1-2,TW4-7=0.013,NFRSW7-8,TW4-7=0.12,NFRSW8-9,TW4-7=0.12;選擇路徑資源碎片率最小值對(duì)應(yīng)的頻譜-時(shí)間資源窗口,即{(SW1-2,TW4-7)},分配給可調(diào)度請(qǐng)求d2。

圖5 候選路徑A-B-C的頻譜-時(shí)間資源占用情況Fig.5 Spectrum-time resource occupation of candidate path A-B-C

3 仿真分析

3.1 仿真環(huán)境及評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了驗(yàn)證本文所提SS-RSTA算法的性能,選擇的對(duì)比算法分別為基準(zhǔn)算法(K shortest paths-first fit, KSP-FF)[22]、TBRSA-BT算法[17]和MR-RSTA算法[18],性能指標(biāo)為帶寬阻塞率和頻譜利用率。

仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示, 包含14個(gè)節(jié)點(diǎn)、21條鏈路的國(guó)家科學(xué)基金網(wǎng)(national science foundation network,NSFNET)以及24個(gè)節(jié)點(diǎn)、43條鏈路的美國(guó)網(wǎng)絡(luò)(united states of America network,USNET)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)度數(shù)的平均值記為D,為每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置數(shù)目為D的頻譜切片機(jī),每條光纖鏈路包含360個(gè)頻隙,每頻隙帶寬大小為12.5 GHz,保護(hù)頻隙FG的數(shù)目為1,候選路徑集合數(shù)目K=3,路徑權(quán)重系數(shù)α=0.3,β=0.4,γ=0.3[21]?？烧{(diào)度請(qǐng)求流量大小在50、100、200和400 Gbit/s之間均勻分布,可調(diào)度請(qǐng)求到達(dá)率服從參數(shù)為λ的泊松分布,持續(xù)時(shí)間服從參數(shù)為τ的負(fù)指數(shù)分布,仿真中可調(diào)度請(qǐng)求數(shù)目為106,仿真結(jié)果的置信區(qū)間為95%,誤差率在5%以內(nèi)。

圖6 仿真網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.6 Simulation network topology

帶寬阻塞率和頻譜利用率的計(jì)算式分別為

(7)

(8)

(7)—(8)式中:BRblock為所有阻塞業(yè)務(wù)的總帶寬;BRtotal為所有傳輸業(yè)務(wù)的總帶寬;τ為業(yè)務(wù)平均持續(xù)時(shí)間;NFS是每條鏈路的頻隙數(shù);Nlink是網(wǎng)絡(luò)中的鏈路數(shù);clock是仿真時(shí)間。

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下4種算法的帶寬阻塞率性能,如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn),帶寬阻塞率隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加而逐漸增加,本文所提SS-RSTA算法獲得最低的帶寬阻塞率,基準(zhǔn)算法KSP-FF的帶寬阻塞率最高。這是因?yàn)楸疚乃酳S-RSTA算法采用基于頻譜切片的節(jié)點(diǎn)架構(gòu)和鏈路碎片感知方法將頻譜-時(shí)間碎片的影響降到最低,當(dāng)資源分配失敗時(shí),采用頻譜切片準(zhǔn)則將可調(diào)度請(qǐng)求切分為多個(gè)子帶寬請(qǐng)求,增加了可調(diào)度請(qǐng)求頻譜分配成功的概率,避免了系統(tǒng)出現(xiàn)瓶頸鏈路。對(duì)比算法TBRSA-BT的性能略優(yōu)于算法MR-RSTA,這是由于TBRSA-BT算法在節(jié)點(diǎn)架構(gòu)上也考慮了配置頻譜切片機(jī),但頻譜切片準(zhǔn)則采用均分策略,沒(méi)有綜合考量當(dāng)前候選路由的頻譜-時(shí)間資源狀態(tài),因此,帶寬阻塞率性能相較于本文算法較差。相比于NSFNET網(wǎng)絡(luò),USNET網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點(diǎn)度數(shù)更高,具有更高的網(wǎng)絡(luò)連通度,所以在相同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下,USNET網(wǎng)絡(luò)不易發(fā)生阻塞,其帶寬阻塞率較低。

圖7 不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下帶寬阻塞率的對(duì)比Fig.7 Bandwidth blocking probability under different traffic loads

4種算法在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下的頻譜利用率性能如圖8所示。其中,本文所提的SS-RSTA算法在2種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎露极@得了最高的頻譜利用率,對(duì)比算法TBRSA-BT獲得了次優(yōu)的頻譜利用率,基準(zhǔn)算法KSP-FF的頻譜利用率最低。這是因?yàn)?本文所提SS-RSTA算法考慮了可調(diào)度請(qǐng)求的頻譜-時(shí)間特性。針對(duì)資源無(wú)法滿足可調(diào)度請(qǐng)求的情況,在選路階段,綜合考慮了候選路徑的資源碎片率和可用頻譜切片機(jī)數(shù)量;在頻譜-時(shí)間資源分配階段,使用頻譜切片準(zhǔn)則,將可調(diào)度請(qǐng)求切片為多個(gè)子帶寬,并結(jié)合鏈路資源碎片度量公式,為可調(diào)度請(qǐng)求選取多個(gè)空閑頻譜-時(shí)間資源窗口滿足業(yè)務(wù)需求,且產(chǎn)生最少的頻譜-時(shí)間資源碎片,提高頻譜-時(shí)間碎片資源的利用率。

圖8 不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下頻譜利用率的對(duì)比Fig.8 Spectrum utilization under different traffic loads

4 總結(jié)與展望

4.1 工作總結(jié)

論文針對(duì)彈性光網(wǎng)絡(luò)中可調(diào)度請(qǐng)求的時(shí)間特性造成網(wǎng)絡(luò)頻譜-時(shí)間資源碎片化的問(wèn)題,提出了SS-RSTA算法。算法定義了可調(diào)度請(qǐng)求的候選頻譜-時(shí)間資源窗口,并根據(jù)候選路徑的資源狀態(tài),得出候選資源窗口集合;在資源分配階段,當(dāng)候選路徑可用資源不滿足可調(diào)度請(qǐng)求所需頻隙數(shù),則對(duì)該請(qǐng)求執(zhí)行從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的頻譜切片操作,提高可調(diào)度請(qǐng)求資源分配成功的概率,減少頻譜-時(shí)間碎片的產(chǎn)生。仿真結(jié)果表明,本文所提算法能提高碎片化的頻譜-時(shí)間窗口的資源利用率,降低業(yè)務(wù)的帶寬阻塞率。隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展和可調(diào)度請(qǐng)求業(yè)務(wù)的增長(zhǎng),有效的資源分配方法可以提高彈性光網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力和服務(wù)質(zhì)量。

4.2 未來(lái)展望

本文重點(diǎn)研究了彈性光網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)沖突調(diào)度和頻譜-時(shí)間碎片化解決問(wèn)題,提出了基于頻譜切片的可調(diào)度請(qǐng)求路由頻譜和時(shí)間分配算法,提高了頻譜利用率,降低了業(yè)務(wù)的帶寬阻塞率。隨著業(yè)務(wù)量增長(zhǎng),碎片頻譜的有效利用能增加業(yè)務(wù)成功傳輸概率;同時(shí),隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模化發(fā)展,未來(lái)的業(yè)務(wù)傳輸路由和資源分配可以考慮節(jié)能需求,提高頻譜切片機(jī)的能效。后續(xù)工作中可綜合考慮網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗和本文所提優(yōu)化指標(biāo),提高業(yè)務(wù)成功傳輸概率的同時(shí)改善網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗。