CN100361445C - 一种用于波分复用光网络的综合业务疏导方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于波分复用光网络中的综合业务疏导方法；它是通过建立同时结合了波分复用网状光网络中的虚拓扑设计、路由和波长分配问题的疏导图模型，在疏导图模型上进行运算，找到合适的疏导路径。对于业务请求，则通过疏导图模型中建立的光路链路进行疏导，可以在很大程度上节约光收发器资源，降低成本。本发明同时解决了路由和波长分配问题，并采取了动态调整链路权重的手段随时动态调整全网链路权重，能够很好地促使网络达到负载均衡，有效地解决波分复用光网络中的业务疏导问题，大幅度地提高网络的疏导性能。

Description

一种用于波分复用光网络的综合业务疏导方法

技术领域

该发明属于通信系统中的业务疏导领域，特别涉及WDM网状光网络中的动态业务疏导技术。

技术背景

随着网络业务量的爆炸性增长以及高性能的WDM光网络设备(如光交叉连接器OXC、光分插复用器OADM，见图2)的出现，波分复用技术成为下一代骨干网络的核心技术。

由于WDM网络中每个波长可提供高达上吉比特(如OC-48、OC-192、OC-768)的传输容量。然而在实际应用中，很多业务的通信速率与一个波长上的可通速率相比常是较低的，例如OC-1、OC-3、OC-12(51.84Mb/s、155.52Mb/s、622.08Mb/s)。显然，为每个低速业务提供一个专用波长，资源利用率低且不经济。并且由于光纤中波长数目的限制、网络节点中光收发器数目的限制(一个光路的建立需要在其两个终点各使用一个光收发器)等，不可能为每个业务连接建立端到端的独立光路连接。因此为了提供细粒度的速率或带宽需求，同时降低网络建设成本和运营成本，提高网络性能，需要为这些低速业务有效地建立端到端的连接。疏导(grooming)技术可以解决这个问题。

网络中的疏导技术即有效地将低速业务流“疏导”(groom)高容量的波长上去传输。“疏导”源于复用(multiplexing)和捆绑(bundling)，即将多个低速业务汇集到高容量的传输单元上传输，是用来描述传输系统中有效利用容量的优化设计问题。在光网络中不同的域可以使用不同复用技术实现疏导：

(1)空分复用(space-division multiplexing，SDM)技术：将物理空间分区以达到提高传输系统的容量。例如，将多根光纤捆绑到一根光缆上，或者多个光缆作为一个链路连接网络中相邻两节点。

(2)频分复用(frequency-division multiplexing，FDM)技术：将频谱分成不重叠的一系列独立的通道。光网络中的波分复用WDM或者密集波分复用DWDM技术即是采用了FDM技术。

(3)时分复用(time-division multiplexing，TDM)技术：在时域内将带宽分成固定长度的时隙(slot)。使用TDM技术，多路信号只要在时间上不重叠可以共享一个波长。

(4)动态统计复用技术：在IP/MPLS over WDM的体系结构中，一个WDM波长通道可以被多个IP业务流通过“虚电路”方式共享。

在WDM光网络中业务疏导(traffic grooming)技术是指利用TDM技术有效地将低速业务流汇聚到高速的波长通道/光路中传输。而如何将多个波长疏导到一根光纤中传输有被称为Lambda疏导(Lambda grooming)(见文献T.Cinkler.Traffic and/spl lambda/grooming.Network，IEEE，vol.17，no.2，pp.16-21，2003)。

现在许多商用的OXC设备都开始支持业务疏导功能。一个典型的支持业务疏导的网络节点OXC设备由三部分组成(见图1)：一个波长交换矩阵(λXC)、-个低速疏导矩阵和一组可调谐光收发器。网络节点连接输入光纤和输出光纤；输入光纤中的波长通道可以直接通过波长交换矩阵交换到输出光纤上的相应波长通道(节点不具有波长变换能力时，只能交换到相同的波长通道上去)，或者交换至光收发器转变成电信号进入低速疏导矩阵，属于本地的业务则交换至低速业务数据流端口，非本地业务又通过光相应光收发器进入波长交换矩阵交换至相应端口的相应波长上去。也就是说，输入光纤中的某波长通道中不含有本地业务则可以直接通过波长交换矩阵到输出光纤，即采用所谓的光旁路技术；具有本地业务上/下(adding/dropping)的波长通道通过光收发器下到电域内进入到低速疏导矩阵进行处理，显然网络节点处可以上/下路的光路数目受限于可调谐光收发器的数目。图1所示节点具有3个光收发器，因此该节点可以作为3条双向光路的端点。由于波长变换器件相对来说比较昂贵，假设网络节点不具有光域内的波长变换能力。

业务疏导问题可以如此描述：给定一个网络配置，包括物理链路、每个网络节点的光收发器数目、每根光纤的波长数目以及波长容量，业务疏导就是为一组具有各种低速带宽粒度的业务连接建立请求建立光路以有效地安排下这些连接请求，同时优化网络的性能。业务疏导就是将低速业务连接(或者业务流)汇聚到一个波长上传输，低速业务流可以通过一条光路到达目的网络节点(单跳业务疏导，single-hop traffic grooming)，也可以通过多跳光路到达目的(多跳业务疏导，Multi-hop traffic grooming)。

业务量疏导是通用多协议标记交换(GMPLS)中一项关键技术，已经引起了业界的广泛关注与研究。由于环网具有很强的自愈能力，很多网络是采用环形结构来组网的，前几年业务量疏导研究主要基于SDH/WDM环网的。近一年来，由于网状结构能够提供快速和有效的容量配置现已成为长距离骨干网的主要组网方式，并且具有更好地抗毁能力。网状网中的业务量疏导成为关注的热点。

如何为低速业务流在WDM网络中寻找路由建立端到端的连接，是一个极其复杂的问题。目前，业务量疏导技术通常被分为四个子问题，而他们之间并不一定是独立的：1.确定包含有光路的虚拓扑结构。2.基于物理拓扑在光路中路由。3.对光路进行波长分配。4.在虚拓扑上进行路由。由于虚拓扑设计和波长路由分配(RWA)问题已经被证实为NP难题，所以网状网中的业务量疏导问题仍然是NP难题。

解决网状网中的业务量疏导问题的一种方法是将这四个子问题分开解决，作为独立的四个子问题单独解决，这也是目前使用最多的方法。比如，先确定虚拓扑，然后进行波长和路由分配，最后才对业务请求进行路由。虽然这样做可以使问题变的简单，而且在各个子问题上都有一定程度地改善，但是前提必须是这些子问题都必须是相互独立的。事实上，这四个子问题并不一定是相互独立的，对其中一个问题的解决也可能会影响对另一个问题的解决。同时，对一个子问题的优化并不一定能对整个问题有优化作用。另外一个最重要的是，使用这种对单个问题单独处理的方法必须预知全网业务到达的状况，针对所有业务量进行优化配置，即静态业务分析，这一点无法实用于动态业务分析的要求，所以目前现有的WDM网状网中的业务疏导算法不能真正投入实际应用。

发明内容

本发明的目的是提出了一种适用于波分复用(简称WDM)网状网中的新业务量疏导方法——用于波分复用光网络中的综合业务量疏导方法(IntegratedGrooming Algorithm，IGA)。采用本发明方法，可以有效地解决波分复用光网络中的业务量疏导问题，大幅度地提高波分复用光网络的业务量疏导性能。

首先，我们给出一种新的疏导图模型，定义为G(N，L，W，T)，其中N和L分别表示物理网络中所包含的节点数和光纤链路数，W表示一根光纤上的可用波长数，T表示每个节点的可用光收发器个数。该疏导图模型包含了每个节点可用光收发器数目信息，以及光纤上波长通道信息以及每个波长带宽使用信息。该图图的具体构造如下：

疏导图模型是一个具有(|W|+1)×|N|个节点和|W|+1个平面的多层图(见图4)。第1层到第W层分别对应于|W|个波长平面，第|W|+1层称为虚拓扑层，或称为虚拓扑平面，将每个波长平面标记为λ_i平面，其中i＝1，2，3...|W|。物理拓扑中的每个节点m，在每个波长平面中被复制1次，记为V_m ⁱ，在虚拓扑平面内也被复制1次，记为节点m。疏导图模型中各个节点间的链路取决于网络物理以拓扑以及当前状态。

波长链路：如果物理拓扑G_p中节点对(i，j)间存在光纤链路，并且波长k空闲，则在波长平面λ_k中存在波长链路(V_i ^k，V_j ^k)，其容量为波长容量C，代价为物理链路代价。波长链路在疏导图中用黑色的实线表示。

光路链路：如果节点对(m，n)存在一条光路，则在虚拓扑平面上节点对(m，n)间存在一条光路链路，其容量为剩余可用带宽。光路链路在疏导图中用黑色的粗体虚线表示。

虚链路：如果节点i处至少还有一个未使用光收发器，则在疏导图中一共有|W|个带宽为无穷的链路连接i和V_i ^k＝(1，2，...，|W|)，这种链路称为虚链路。在疏导图中用黑色的虚线表示。

虚拓扑层节点边上的斜体数字代表该节点处当前未被使用的光收发器数目。

疏导图模型将网络中的IP层和WDM层各种可用信息都纳入了疏导图模型。

本发明提供的一种用于波分复用光网络中的综合业务量疏导方法，其特征是包括下面步骤：

第一步：初始化疏导图G

首先将疏导图的模型定义为G(N，L，W，T)，其中N和L分别表示物理网络中所包含的节点数和光纤链路数，W表示一根光纤上的可用波长数，T表示每个节点的可用光收发器个数；该疏导图模型包含了每个节点可用光收发器数目信息，以及光纤上波长通道信息以及每个波长带宽使用信息；疏导图的具体结构如下：

疏导图模型是一个具有(|W|+1)×|N|个节点和|W|+1个平面的多层图，第1层到第W层分别对应于|W|个波长平面，第|W|+1层称为虚拓扑层，或称为虚拓扑平面；将每个波长平面标记为λ_i平面，其中i＝1，2，3...|W|；物理拓扑中的每个节点m，在每个波长平面中被复制1次，记为V_m ⁱ，在虚拓扑平面内也被复制1次，记为节点m；疏导图模型中各个节点间的链路取决于网络物理以拓扑以及当前状态；

波长链路：如果物理拓扑G_p中节点对(i，j)间存在光纤链路，并且波长k空闲，则在波长平面λ_k中存在波长链路(V_i ^k，V_j ^k)，其容量为波长容量C，代价为物理链路代价；

光路链路：如果节点对(m，n)存在一条光路，则在虚拓扑平面上节点对(m，n)间存在一条光路链路，其容量为剩余可用带宽；

虚链路：如果节点i处至少还有一个未使用光收发器，则在疏导图中一共有|W|个带宽为无穷的链路连接i和V_i ^k(k＝1，2，...，|W|)，这种链路称为虚链路；

虚拓扑层节点上需要记录该节点处当前未被使用的光收发器数目；根据原始状态下的网络物理拓扑信息，构造疏导图模型，具体构造方式为：每个波长平面的拓扑结构与物理网络拓扑结构保持一致，在虚拓扑层中只保留与物理拓扑结构中相一致的节点，此时虚拓扑层无光路链路；

第二步：所有的网络节点均等待业务连接请求，业务请求标记为r(s，d，b)，其中s和d分别表示该业务请求的源节点和目的节点，b表示该业务请求的带宽；

如果节点检测到当前请求为连接建立请求，跳转至第三步；

如果节点检测到当前请求为连接释放请求，跳转至第四步；

第三步：针对业务请求r(s，d，b)，在第一步中构造的疏导图模型中计算该业务请求的疏导路径

根据业务请求r(s，d，b)的带宽需求b对疏导图进行剪裁，具体做法是将疏导图中凡是可用带宽小于业务请求带宽b的链路删除，得到可用疏导图G’，此时图中的所有链路，包括波长链路和光路链路，都能提供足够的带宽；在G’中使用最短路径算法，从虚拓扑平面上的源节点s开始寻找到目的节点d的最短路径；如果没有找到路径，则拒绝此连接请求r(s，d，b)；如果找到，记录该最短路径，标记为path，该最短路径path可能是光路链路、波长链路和虚链路的组合；然后把找到的最短路径path按照其经过的链路类型进行分段，将分段后得到的每段路径标记为路段，要求同一路段中的所有链路均为同种类型，即只可能为波长链路，光路链路，虚链路三者中的一种，且相邻路段中的链路类型不能相同；

针对最短路径path中不同类型的路段进行不同的处理：

(1).对于在最短路径path上采用同一波长平面内的连续波长链路的路段，判断该段首尾两端点处是否有足够多的光收发器，如果没有，则拒绝该连接请求r(s，d，b)；如果有，则在最短路径path经过的波长链路上为业务请求r(s，d，b)分配带宽资源，在虚拓扑平面新建光路链路，修改疏导图G，详细步骤如下：

a.在波长平面内找到上述波长链路路段的首尾节点V_i ^k和V_J ^k，然后在虚拓扑平面上找到与之对应的节点i和j，添加光路链路连接节点i和节点j，新建的光路链路权重设为其实际通过的波长链路的权重之和，同时在相应波长平面内删除被这个光路链路使用的波长链路；

b.新建光路链路两个端点处的光收发器数目减1，如果数目变为0，则删去于此节点相连的所有虚链路；

c.在新建的光路链路上为业务请求分配带宽资源，即将光路链路的可用带宽值设为一个波长容量与该业务请求r(s，d，b)带宽b的差；

(2).对于在path上采用光路链路的路段，则在该光路链路上为该业务分配带宽资源，此过程将不会使用额外的光收发器；

(3).对于在path上采用虚链路的路段，由于虚链路空闲带宽为无穷，不做任何处理；

跳转至第五步；

第四步：释放业务请求r(s，d，b)所占资源

(1)释放该光路链路上业务r(s，d，b)所占用的带宽资源；

(2)删去没有携带任何业务流的光路链路，在相应的波长平面上添加此光路链路使用的波长链路，同时此光路端节点处的光收发器数目加1；如果此时端节点的光收发器数目变为1，则添加所有波长平面内与此节点相连的虚链路；

跳转至第五步；

第五步：对全网所有链路的权重进行了均衡动态调整；具体调整方法如下：

(1)对于波长链路，按照下述公式对其权重进行调整：

${\mathrm{COST}}_p^{\′}={\mathrm{COST}}_p\×C\×\frac{\max \mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}$

其中COST_p′为调整后的波长链路权重，COS_p为初始状态下的波长链路权重，常数C为扩展因子，maxλ为当前网络中具有最多可用波长数的那条波长链路的可用波长数，λ为当前波长链路的可用波长数；

(2)对于虚链路，按照下述公式对其权重进行调整：

${\mathrm{COST}}_v^{\′}={\mathrm{COST}}_v\×\frac{\max \mathrm{TR}}{\mathrm{TR}}$

其中COST_v′为调整后的虚链路权重，COST_v为初始状态下的虚链路权重，maxTR为当前网络中具有可用光收发器最多的节点的光收发器个数，TR为当前节点的可用光收发器个数；

(3)对于可疏导光路，按照下述公式对其权重进行调整：

${\mathrm{COST}}_L^{\′}={\mathrm{COST}}_L\×\frac{\max B}{B}$

其中COST_L′为调整后的可疏导光路权重，COST_L为该条可疏导光路建立时的权重，即该光路实际通过的波长链路权重之和，maxB为虚拓扑中具有最大可用带宽的疏导光路的带宽值，B为当前可疏导光路的可用带宽值；

上述权重调整结束后，跳转至第二步；

按照上述步骤，就可以实现波分复用光网络中的综合业务量疏导。

需要说明的是

1.在上述过程的第三步的步骤(2)中，我们采用了现有的光路链路对业务请求进行疏导，该步骤不需要耗费额外的光收发器资源，这与现有技术相比，能在很大程度上节约光收发器资源，降低成本。

2.在第五步进行的动态调整链路权重的原因是：

由于网络中光收发器和波长资源都是有限的，在计算路由时若只考虑光收发器，那么可能造成这样一种情况：为某一个请求建立连接而消耗了非常多的的波长资源(即绕了很长的路)；而只考虑波长资源则可能消耗了过多的光收发器。这两种情况都有可能使得网络不能容纳本可以容纳的业务。通过上述动态调整权重的策略后，可以将节点可用的光收发器个数和链路可用波长资源越少的链路权重调大，因此在路由时经过此链路或节点的可能性就会降低，即可以有效避开容易造成网络阻塞的“繁忙地区”，因此可以进一步提高业务量疏导的性能，降低网络的阻塞率。

本发明的实质是：它通过建立同时结合了波分复用网状光网络中的虚拓扑设计、路由和波长分配问题的疏导图模型，在疏导图模型上进行运算，找到合适的疏导路径。对于业务请求，则通过疏导图模型中建立的光路链路进行疏导，可以在很大程度上节约光收发器资源，降低成本。本发明同时解决了路由和波长分配问题，并采取了动态调整链路权重的手段随时动态调整全网链路权重，能够很好地促使网络达到负载均衡，有效地解决波分复用光网络中的业务量疏导问题，大幅度地提高网络的疏导性能。

本发明方法可以用于解决具有波长变换器的波分复用光网络的业务量疏导问题，为解决波分复用光网络的业务量疏导问题提供有效的技术手段。

附图说明

图1现有的网络节点模型；

图2现有的网络节点设备：

其中(a)表示光交叉连接器OXC，图中λ₁，λ₂......λ_n分别表示波长1，2...n的n个不同波长的光信号。

(b)表示光分插复用器OADM，图中λ₁，λ₂......λ_n分别表示在光分插复用器中输入和输出的n个不同波长的光信号，λ₁，λ₂......λ_m则表示在光分插复用器中上路和下路的m个不同波长的光信号，m＝n。

图3一个典型的物理拓扑结构，图中数字1，2...5分别表示5个网络节点，并且每个节点都具有一个光交叉连接器OXC。

图4本文中针对图3的物理拓扑所构造的疏导图模型(初始状态)：

图中V₁ ¹，V₂ ¹，V₃ ¹，V₄ ¹，V₅ ¹分别表示在λ₁波长平面上对应物理拓扑节点的5个节点，V₁ ²，V₂ ²，V₃ ²，V₄ ²，V₅ ²分别表示在λ₂波长平面上对应物理拓扑节点的5个节点，虚拓扑平面中方框内的正体数字1，2...5分别表示虚拓扑平面上对应物理拓扑节点的5个节点。虚拓扑平面中方框旁边的斜体数字2表示该节点的可用光收发器个数，此时所有节点的可用光收发器个数均为2。图中实线表示波长链路，虚线表示虚链路。

图5本文在疏导图中进行运算的示意过程：

其中5-a为完成第一个业务请求运算后的疏导图状态；

5-b为完成第二个业务请求运算后的疏导图状态；

5-c为完成第三个业务请求运算后的疏导图状态；

5-d为释放第一个业务请求后的疏导图状态；

在上述a，b，c，d四个疏导图中，V₁ ¹，V₂ ¹，V₃ ¹，V₄ ¹，V₅ ¹分别表示在λ₁波长平面上对应物理拓扑节点的5个节点，V₁ ²，V₂ ²，V₃ ²，V₄ ²，V₅ ²分别表示在λ₂波长平面上对应物理拓扑节点的5个节点，虚拓扑平面中方框内的正体数字1，2...5分别表示虚拓扑平面上对应物理拓扑节点的5个节点。虚拓扑平面中方框旁边的斜体数字0，1，2表示该节点的可用光收发器个数。图中实线表示波长链路，虚线表示虚链路。虚拓扑平面中的黑色粗体虚线(

)表示光路链路。

图6意大利国家网络模型(Italian Network)示意图；

图7平均每个节点光收发器个数VS平均阻塞率的性能分析图；

图8平均每个节点光收发器个数VS平均每个业务传输的物理距离的性能分析图。

图9是本发明流程图

具体实施方式

该综合业务疏导算法可用于处理波分复用WDM网状网中动态业务到达请求。我们以一个简单的网络(图3)为例说明该算法具体实施方法。为了简单起见，我们假设网络中所有节点均不具有波长转换器。每个网络节点配备一个光交叉连接器OXC，每个光交叉连接器OXC又包含了两个光收发器，即两个光发射器和两个光接收器(虚拓扑层边上的斜体数字代表该节点当前未被使用的光收发器数目)，每条链路由一对方向相反的单向光纤组成，每根光纤中的可用波长数设为2。图4为该网络对应疏导图模型的初始状态，由于目前还没有建立任何光路，所以在虚拓扑平面中没有光路链路。

当第一个连接请求r(2，5，b₁)达到时，b₁假设为一个波长容量的四分之三，根据综合业务疏导算法在疏导图中找到一条通路2-V₂ ¹-V₁ ¹-V₅ ¹-5。现在描述业务信号的具体传输过程：业务信号通过节点2的光交叉连接器OXC的低速疏导矩阵上路，进入电域，完成业务信号的电-光转换，再通过使用一个新的光发射器进入波长交换矩阵，此过程耗费节点2的一个光收发器，然后业务信号(光信号)被交换到波长λ₁信道中进行传输。业务信号经过波长链路V₂ ¹-V₁ ¹到达节点2的光交叉连接器OXC，由于节点2检测到该业务信号不属于自己，所以节点2将该业务信号旁路掉了。当业务信号通过波长链路V₁ ¹-V₅ ¹到达节点5时，由于节点5检测到该业务信号属于自己，所以节点5的波长交换矩阵将使用一个新的光接收器将业务信号下路到低速疏导矩阵，此过程耗费节点5的一个光收发器，业务信号在节点5的低速疏导矩阵中完成了光-电转换后被移交本地处理。

根据综合业务疏导算法，我们对疏导图进行了如下处理：(1)删除该业务信号通过的波长链路V₂ ¹-V₁ ¹和V₁ ¹-V₅ ¹，在虚拓扑面内建立一条光路链路连接节点2和5(见图5-a中黑色粗体虚线2-5)，设置这条光路链路的可用带宽为四分之一个波长容量(一个波长容量减该业务请求带宽)。(2)节点2和节点5的可用光收发器个数都减少1。(3)最后根据我们上述提出的三个公式动态调整全网链路权重。得到新的疏导图，见图5-a。

第二个连接请求r(2，3，b₂)到达时，b₂假设为半个波长容量，假设前面的连接请求还没有释放，通过综合业务疏导算法找到一条通路2-V₂ ¹-V₃ ¹-3。现在描述业务信号的具体传输过程：业务信号进入节点2的光交叉连接器OXC的低速疏导矩阵后，完成了信号的电-光转换，再通过一个新的光发射器(此过程耗费节点2的一个光收发器)进入到波长交换矩阵，然后被交换到波长λ₁信道进行传输。业务信号经过波长链路V₂ ¹-V₃ ¹到达目的节点3，节点3的光交叉连接器OXC检测到该信号属于自己，于是节点3在波长交换矩阵中使用一个新的光接收器将该业务信号(光信号)下路到低速疏导矩阵(耗费节点3的一个光收发器)，完成信号的光-电转换后将信号移交本地处理。

根据综合业务疏导算法更新疏导图：(1)删除业务信号所路经的波长链路V₂ ¹-V₃ ¹，并在虚拓扑平面上增加新的光路链路2-3(见图5-b中黑色粗体虚线2-3)，设置该光路链路的可用带宽为半个波长容量(一个波长容量减该业务请求容量)。(2)节点2和3各自的可用光收发器个数都减1，由于节点2的可用光收发器个数变为0，删除与节点2相连的所有虚链路。(3)最后根据上述提出的三个公式动态调整全网链路权重。得到新的疏导图，见图5-b。

第三个连接请求r(2，5，b₃)到达时，b₃假设为半个波长容量。假设前面的连接请求还没有释放，通过综合业务疏导算法计算出一条通路2-3-V₃ ¹-V₄ ¹-4-V₄ ²-V₅ ²-5。现在描述业务信号的具体传输过程：业务信号在节点2的光交叉连接器OXC上通过使用一个正在工作的光发射器(第二个连接请求建立时使用的，该光发射器同时也在对第二个连接请求进行处理)进入到波长交换矩阵，完成信号的电-光转换后，通过已建立的光路链路2-3进行业务量疏导(实际通过的路径为波长链路V₂ ¹-V₃ ¹)，该步骤不会消耗新的光收发器。当业务信号到达节点3时，通过节点3的一个新的光接收器下路到低速疏导矩阵，完成信号的光-电-光转换后，再通过使用一个新的光发射器重新进入波长交换矩阵，进入波长λ₁信道进行传输。业务信号通过波长链路V₃ ¹-V₄ ¹到达节点4的光交叉连接器OXC，节点4使用的一个新的光接收器将业务信号下到低速疏导矩阵，完成信号的光-电转化，又通过一个新的光发射器将信号送入波长交换矩阵交换到另一个波长λ2信道中进行传输。此过程相当于完成了信号从λ₁到λ₂的波长转换。业务信号通过波长链路V₄ ²-V₅ ²进行传输并到达目的节点5，由于节点5检测到该业务信号属于自己，所以在节点5的波长交换矩阵中将消耗一个新的光接收器把业务信号下到低速疏导矩阵，最后完成信号的光-电转换后将业务信号移交本地处理。

根据综合业务疏导算法更新疏导图：(1)删除业务信号经过的波长链路V₃ ¹-V₄ ¹和V₄ ²-V₅ ²，在虚拓扑上建立相应光路链路3-4和4-5，两条光路的可用带宽均设为半个波长容量(一个波长容量减去该业务请求带宽)。(2)在原有光路链路2-3上为该业务分配带宽资源，光路2-3的可用带宽由原来的半个波长容量减少为0。(3)节点3和节点5的可用光收发器个数均减1，节点4的可用光收发器个数减2，于是这三个节点的可用光收发器个数都为零，删除与这三个节点相连的所有虚链路。(4)根据上述提出的三个公式动态调整全网链路权重。最后得到新的疏导图，见图5-c。

现在，我们来说明一下释放资源的过程。如果在图5-c的状态下，第一个业务请求r(2，5，b₁)释放。首先在可疏导光路2-5上释放带宽资源，即光路2-5的工作带宽减b₁(b₁为四分之三个波长容量)，由原来的四分之三个波长容量变为0。由于光路链路2-5上的工作带宽为0，删除这条光路链路，恢复该光路所对应的实际波长链路，即在疏导图中重新加入两条波长链路V₂ ¹-V₁ ¹和V₁ ¹-V₅ ¹，同时更新光路2-5两个端点的光收发器个数(各自加1)，即释放节点2和5上的光收发器资源。又由于这两个节点上的光收发器个数从0变为1，所以恢复这两个节点上相关的所有虚链路，即在疏导图中重新添加与节点2和节点5相连的所有虚链路。得到新的疏导图，见图5-d。

为了说明该算法在实际网络中的性能，我们采用了计算机仿真的方法。我们选择了一个实际的网络结构：意大利国家网络(Italian Network)结构，见图6。

我们作如下假设：1)网络节点不具有波长变换能力，每个节点的光收发器数目为T。2)每条链路由一对方向相反的单向光纤组成，每个波长的容量为OC-48。3)所有连接请求r(s，d，b)均为双向业务，到达请求的源、宿节点在所有节点对中随机选定，带宽b为OC-1的整数倍，不妨设在U[1，24]均匀分布。4)连接建立请求按照平均速率服从参数β的泊松分布到达，即全网总的到达率为β。所建连接的持续时间服从均值1/μ的指数分布(本文假设μ＝1)。对于每个连接建立请求，如果建立不成功，则拒绝该请求(一旦拒绝，就立即丢弃，即无等待队列)。5)每个业务请求不能分拆成几个部分在不同的路径上传输。6)每次试验通过动态产生10⁵个业务连接建立请求。比较了网络节点收发器数目对全网性能的影响。

我们定义了两个体现网络主要性能的指标：

1.平均阻塞率：被阻塞的业务请求个数与总的业务请求数的比值。

2.平均每个业务的传输距离：成功建立的业务连接所实际通过的平均物理距离(公里)。

通过性能分析，我们可以发现网络中可用波长数，平均每个节点的光收发器个数，业务到达率三个因素对网络的性能有直接的影响。随着网络中可用波长数的增加，阻塞率下降，当波长数增加到一定程度后，组塞率下降将不再明显，原因是此时光收发器数目限制了能够建立光路的数目。所以，在光收发器数目一定的时候，过多的波长数并不能进一步降低阻塞率，提高性能。在波长数一定时，随着节点光收发器个数的增多，阻塞率下降，同样，当收发器个数增加到一定程度后，阻塞率下降将不再明显，原因是此时波长数成为了主要限制因素。所以，在波长数一定的时候，过多的光收发器也不能进一步降低阻塞率。另外，在其他条件一样的情况下，业务到达率越高，阻塞率也越高。

在实际情况中，由于光收发器成本较高，我们单独比较了平均每个节点光收发器的数量对性能的影响情况(在可用波长数为16，业务到达率β＝100的条件下)，得到了图7和图8。从性能分析图中可以看到该算法性能比较理想。

Claims (1)

1、本发明提供的一种用于波分复用光网络中的综合业务疏导方法，其特征是它包括下面步骤：

第一步：初始化疏导图G

首先将疏导图的模型定义为G(N，L，W，T)，其中N和L分别表示物理网络中所包含的节点数和光纤链路数，W表示一根光纤上的可用波长数，T表示每个节点的可用光收发器个数；该疏导图模型包含了每个节点可用光收发器数目信息，以及光纤上波长通道信息以及每个波长带宽使用信息；疏导图的具体结构如下：

疏导图模型是一个具有(|W|+1)×|N|个节点和|W|+1个平面的多层图，第1层到第W层分别对应于|W|个波长平面，第|W|+1层称为虚拓扑层，或称为虚拓扑平面；将每个波长平面标记为λ_i平面，其中i＝1，2，3...|W|；物理拓扑中的每个节点m，在每个波长平面中被复制1次，记为V_m ⁱ，在虚拓扑平面内也被复制1次，记为节点m；疏导图模型中各个节点间的链路取决于网络物理以拓扑以及当前状态；

波长链路：如果物理拓扑G_p中节点对(i，j)间存在光纤链路，并且波长k空闲，则在波长平面λ_k中存在波长链路(V_i ^k，V_j ^k)，其容量为波长容量C，代价为物理链路代价；

光路链路：如果节点对(m，n)存在一条光路，则在虚拓扑平面上节点对(m，n)间存在一条光路链路，其容量为剩余可用带宽；

虚链路：如果节点i处至少还有一个未使用光收发器，则在疏导图中一共有|W|个带宽为无穷的链路连接i和V_i ^k(k＝1，2，...，|W|)，这种链路称为虚链路；

虚拓扑层节点上需要记录该节点处当前未被使用的光收发器数目；

根据原始状态下的网络物理拓扑信息，构造疏导图模型，具体构造方式为：每个波长平面的拓扑结构与物理网络拓扑结构保持一致，在虚拓扑层中只保留与物理拓扑结构中相一致的节点，此时虚拓扑层无光路链路；

第二步：所有的网络节点均等待业务连接请求，业务请求标记为r(s，d，b)，其中s和d分别表示该业务请求的源节点和目的节点，b表示该业务请求的带宽；

如果节点检测到当前请求为连接建立请求，跳转至第三步；

如果节点检测到当前请求为连接释放请求，跳转至第四步；

第三步：针对业务请求r(s，d，b)，在第一步中构造的疏导图模型中计算该业务请求的疏导路径

根据业务请求r(s，d，b)的带宽需求b对疏导图进行剪裁，具体做法是将疏导图中凡是可用带宽小于业务请求带宽b的链路删除，得到可用疏导图G’，此时疏导图G’中的所有链路都能提供足够带宽；在G’中使用最短路径算法，从虚拓扑平面上的源节点s开始寻找到目的节点d的最短路径；如果没有找到路径，则拒绝此连接请求r(s，d，b)；如果找到，记录该最短路径，标记为path，该最短路径path可能是光路链路、波长链路和虚链路的组合；然后把找到的最短路径path按照其经过的链路类型进行分段，将分段后得到的每段路径标记为路段，要求同一路段中的所有链路均为同种类型，即只可能为波长链路，光路链路，虚链路三者中的一种，且相邻路段中的链路类型不能相同；

针对最短路径path中不同类型的路段进行不同的处理：

(1).对于在最短路径path上采用同一波长平面内的连续波长链路的路段，判断该段首尾两端点处是否有足够多的光收发器，如果没有，则拒绝该连接请求r(s，d，b)；如果有，则在最短路径path经过的波长链路上为业务请求r(s，d，b)分配带宽资源，在虚拓扑平面新建光路链路，修改疏导图G，详细步骤如下：

a.在波长平面内找到上述波长链路路段的首尾节点V_i ^k和V_j ^k，然后在虚拓扑平面上找到与之对应的节点i和j，添加光路链路连接节点i和节点j，新建的光路链路权重设为其实际通过的波长链路的权重之和，同时在相应波长平面内删除被这个光路链路使用的波长链路；

b.新建光路链路两个端点处的光收发器数目减1，如果数目变为0，则删去于此节点相连的所有虚链路；

c.在新建的光路链路上为业务请求分配带宽资源，即将光路链路的可用带宽值设为一个波长容量与该业务请求r(s，d，b)带宽b的差；

(2).对于在path上采用光路链路的路段，则在该光路链路上为该业务分配带宽资源，此过程将不会使用额外的光收发器；

(3).对于在path上采用虚链路的路段，由于虚链路空闲带宽为无穷，不做任何处理；

跳转至第五步；

第四步：释放业务请求r(s，d，b)所占资源

(1)释放该光路链路上业务r(s，d，b)所占用的带宽资源；

(2)删去没有携带任何业务流的光路链路，在相应的波长平面上添加此光路链路使用的波长链路，同时此光路端节点处的光收发器数目加1；如果此时端节点的光收发器数目变为1，则添加所有波长平面内与此节点相连的虚链路；

跳转至第五步；

第五步：对全网所有链路的权重进行了均衡动态调整；具体调整方法如下：

(1)对于波长链路，按照下述公式对其权重进行调整：

${\mathrm{COST}}_p^{\′}={\mathrm{COST}}_p\×C\×\frac{\max \mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}}$

其中COST_p′为调整后的波长链路权重，COST_p为初始状态下的波长链路权重，常数C为扩展因子，maxλ为当前网络中具有最多可用波长数的那条波长链路的可用波长数，λ为当前波长链路的可用波长数；

(2)对于虚链路，按照下述公式对其权重进行调整：

${\mathrm{COST}}_v^{\′}=\mathrm{COS}{T}_v\×\frac{\max \mathrm{TR}}{\mathrm{TR}}$

其中COST_v′为调整后的虚链路权重，COST_v为初始状态下的虚链路权重，maxTR为当前网络中具有可用光收发器最多的节点的光收发器个数，TR为当前节点的可用光收发器个数；

(3)对于可疏导光路，按照下述公式对其权重进行调整：

${\mathrm{COST}}_L^{\′}={\mathrm{COST}}_L\×\frac{\max B}{B}$

其中COST_L′为调整后的可疏导光路权重，COST_L为该条可疏导光路建立时的权重，即该光路实际通过的波长链路权重之和，maxB为虚拓扑中具有最大可用带宽的疏导光路的带宽值，B为当前可疏导光路的可用带宽值；

上述权重调整结束后，跳转至第二步；

按照上述步骤，就可以实现波分复用光网络中的综合业务疏导。

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