CN101699803B - 一种基于分布式多层多域光网络的域间路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于分布式多层多域光网络的域间路由方法，其应用范围为多层多域光网络以及自动交换光网络(ASON，automatic switch optical network)。此方法的主要特征是，在全网拓扑抽象(full-mesh topology abstraction)基础上改进解决了虚拟链路的代价和可用波长数问题以及在域间路由算法中将路径最大可用波长数与K最短路径算法相结合，降低了域间由于缺少可用波长而导致的阻塞的概率，从而降低了全网的业务阻塞率。

Description

一种基于分布式多层多域光网络的域间路由方法

技术领域

本发明属于多层多域光网络的路由选择和波长分配领域，尤其适用于网络规模中等且网络边界节点没有波长变换器的多层多域光网络。

背景技术

多层多域光网络的路由技术分为域内路由和域间路由，域内路由是为源节点和目的节点都在同一个域内的业务分配路径，域间路由是为跨越多个域的业务分配路径。光网络的路由优化一直着眼于降低业务阻塞率。在光网络中，通过路由算法为业务计算一条路径之后要为业务分配一条相同的波长，这就是所谓的波长连续性限制。如果计算出来的路径中没有可用的相同波长，则业务就会阻塞。因此在研究路由算法时也会考虑到波长。

研究域间路由技术首先要研究拓扑抽象机制，然后再研究路由算法。传统的拓扑抽象机制有三种：单节点抽象(simple node abstraction，如图2所示)、全网抽象(full-mesh abstraction，如图3所示)、星型抽象(star abstraction，如图4所示)。单节点抽象是将一个域拓扑抽象成一个节点，保留域间链路。这种方法最简单，算法复杂度低，但将一个域抽象成一个节点后为路由算法提供的信息很少，故业务阻塞率比较高。全网抽象保留域内的所有边界节点以及边界节点之间的链路，如果两边界节点在实际拓扑中有直接相连的链路，即经过一跳连接的链路，则在拓扑抽象图中保留此链路；如果两边界节点在实际拓扑抽象图中没有直接相连的链路，则在拓扑抽象图中建立一条虚拟链路。与单节点抽象机制相比，全网抽象机制可以在拓扑抽象图中提供更多域内信息，更好的为路由算法服务，从而降低业务阻塞率，但同时也增加了算法的复杂度。星型抽象机制也是保留所有的边界节点，但与全网抽象不同的是，它并没有保留边界节点之间的链路，而是增加一个虚拟节点，并为每个边界节点到虚拟节点之间建立一条虚拟链路。在现有的研究中多采用全网抽象机制或在全网拓扑抽象基础上改进，本文也是在全网拓扑抽象基础上改进。

对于路由算法，域内路由算法的研究已经很成熟，域间路由算法也有不少人研究，但与域内路由算法相比较，域间路由算法还有待进一步研究。前人采用的域间路由算法大都是基于最短路径算法或K最短路径算法。Q.liu在光DWDM网络的分层域间路由这篇文章中采用全网拓扑抽象机制并利用K最短路径算法在拓扑抽象图中为业务计算路径。T.Saad，以及H.Mouftah在光WDM网络的域间波长路由这篇文章中提出了一种最短路径优先(MSPF，Multi-domain Shortest Path First)的路由算法，它是基于最短路径算法的。由此可以看出，前人研究的域间路由算法都是基于最短路径的，而跨越多个域的业务经常由于没有可用的波长而阻塞，因此要降低域间阻塞率就要在路由算法中引入可用波长数或波长使用率。

发明内容

本发明的目的是提供一种为在多层多域光网络内进行域间通信时的业务计算路径的域间路由方法。在光网络中，业务经常由于波长连续性限制而受到阻塞，域间通信更是如此。域间通信经常由于缺少可用的相同波长而导致业务阻塞。为解决这个问题，降低域间阻塞率，本发明提出一种新型的多层多域光网络域间路由算法，此路由算法是基于改进的全网拓扑抽象基础上的。此算法是在拓扑抽象图中为业务计算一条优化的路径，将K最短路径算法与路径最大可用波长数相结合，在进行路径计算时考虑路径最大的可用波长数，具体步骤如下：

(1)、用全网拓扑抽象机制对全网拓扑图进行拓扑抽象，即只保留每个域的所有边界节点，故拓扑抽象图由所有边界节点以及边界节点之间的链路组成。如果第i个域的任意两个边界节点v_i ^j和v_i ^k在实际网络拓扑图中有直接链路，则在拓扑抽象图中此链路保持不变；如果两个边界节点在实际网络拓扑图中没有直接链路，则在拓扑抽象图中建立一条虚拟链路来连接此两节点。

(2)、在全网拓扑抽象基础上改进以解决虚拟链路的代价和可用波长数问题。在拓扑抽象图中，对连接任意两边界节点v_i ^j和v_i ^k的链路，我们假定m(l)为链路的代价以及w(l)为链路可用波长数，也就是空闲波长数。如果两个边界节点在实际网络拓扑图中有直接链路，则我们定义此链路的代价为1，即m(l)的值为1，w(l)的值与实际拓扑图中此链路的可用波长数一致，即保持不变。对于连接v_i ^j和v_i ^k的虚拟链路，我们定义m(l)和w(l)的值由v_i ^j和v_i ^k在实际拓扑图中的具有可用波长数的最短路径决定，即在有可用波长数的所有路径中选择代价最小的路径，如果有相同的最小代价的路径，则选择可用波长数多的路径。m(l)的值就等于选择的路径的跳数，w(l)的值就等于选择的路径中的可用波长数。

(3)、对于拓扑抽象图，p是从源节点到目的节点的一条路径，P^*是从源节点到目的节点所有路径的集合，利用K最短路径算法计算出K条代价小的路径。

(4)、计算K条路径的固定代价L，L＝∑_l∈pm(l)，即L的值为此路径中所有链路的m(l)的值之和。

(5)、计算K条路径的最大可用波长数。由于波长连续性限制，为业务分配波长时，一条路径的所有链路必须有相同的波长，故每条路径的最大可用波长数即可用波长数的最大值M为min_l∈p[w(l)]。

(6)、计算K条路径对应的C(p)值。 $C\left(p\right)=\left\{\begin{array}{cc}L+N/{\mathrm{\α}\min }_{l\∈p}\left[w\left(l\right)\right]& {\min }_{l\∈p}\left[w\left(l\right)\right]\≠0\\ \∞& {\min }_{l\∈p}\left[w\left(l\right)\right]=0\end{array}\right.,$ 其中min_l∈p[w(l)]为路径p的最大可用波长数，N为每条路径的初始波长数。α是一常数，可以在仿真时按照网络情况设定一特定值。在仿真时可以比较不同α值所对应的业务阻塞率，最终选择一合适的α值。

(7)、选择对应的C(p)的值最小的路径，如果此路径分配不成功，继续在剩余可达路径中搜索对应的C(p)的值最小的路径。重复以上过程直至找到一条可用路径。

上述方法有以下特点：

1)、在第二步中，采用了改进的全网拓扑抽象机制，解决了拓扑抽象后虚拟链路的代价和可用波长数问题，为路由算法做准备。

2)、在第七步的路由算法中引入了路径最大可用波长数，将路径最大可用波长数与K最短路径算法相结合，在计算路径时考虑到路径的可用波长，尽量选择有可用波长的路径。

3)、在第七步的路由算法中引入了α这个因子，我们可以根据网络状态的不同设置不同的α值，并通过仿真选择合适的α使阻塞率达到较低的水平。

附图说明

图1为多层多域光网络的模型。其中第0层为物理拓扑层，第1层为路由层。CD1、CD2、CD3代表3个控制域，S1、S2、S3分别是CD1、CD2、CD3中的speaker节点，负责收集各自域内的拓扑抽象信息并将这些拓扑抽象信息上传到上一层，以及接收上一层下传的其它域的拓扑抽象信息。N1、N2、N3分别与S1、S2、S3相对应。S1收集CD1的拓扑抽象信息并上传到第1层的N1，S2收集CD2的拓扑抽象信息并上传到第1层的N2，S3收集CD3的拓扑抽象信息并上传到第1层的N3。

图2为一个单域物理拓扑图。图中域内共有8个节点，其中节点1、3、7、8为边界节点，节点2、4、5、6为域内节点。

图3为图2经全网拓扑抽象后的图。全网拓扑抽象图保留了物理拓扑图中的所有边界节点。节点3与节点8、节点7与节点8在物理拓扑中有直接链路，故在全网抽象图中保留了这条链路。其它边界节点之间没有直接链路，故在全网抽象图中为它们建立虚拟链路。

图4为图2经星型拓扑抽象后的图。星型抽象图保留了物理拓扑中的所有边界节点。与全网抽象不同的是，星型抽象并没有保留边界节点之间的链路，也没用为边界节点建立虚拟链路，而是增加了一虚拟节点，并分别为虚拟节点到边界节点间建立虚拟链路。

图5是改进的全网拓扑抽象机制的算法流程图。改进的全网拓扑抽象机制是在全网拓扑抽象机制基础上加以改进，解决了抽象后虚拟链路的代价和可用波长问题，提出了计算虚拟链路的代价和可用波长数的方法，为新的路由算法做准备。

图6是在图2的物理拓扑图基础上标注了每条链路的可用波长。

图7是图6经拓扑抽象后的图，链路的标注是此链路的代价和可用波长，第一个数为此链路的代价，第二个数代表此链路的可用波长数。节点1到节点3之间没有直接链路，故搜索有可用波长的最短路径。节点1经过节点2到节点3只有两跳，代价最小，但这跳路径没有可用波长，故继续搜索三跳的路径。路径1-4-2-3代价是3且有一个可用波长，故此条路径为节点1到节点3的有可用波长的最短路径，则抽象图中连接节点1和节点3的虚拟链路的代价是3，可用波长数是1。节点1到节点8之间的最短路径是3跳，且有2条这样的路径，但路径1-4-6-8有2个可用波长而路径1-4-7-8只有1个可用波长，故选择路径1-4-6-8，则抽象图中连接节点1到节点8的虚拟链路代价是3，可用波长数是2。按照以上方法可求得其它虚拟链路的代价和可用波长数。

图8为本发明提出的新型域间路由算法的流程图。

具体实施方式

本发明的适用范围为多层多域光网络或自动交换光网络，在网络规划中不使用波长变换器。使用波长变换器后，波长分配问题就变得简单，但现在波长变换技术还不成熟，波长变换器的照价很昂贵，故使用起来代价很高，所以本发明适用的网络规划中不使用波长变换器。

通常我们用一个加权连通图G_i(V_i，L_i)来表示一个单域网络，它代表第i个域。V_i是所有节点的集合，L_i是所有链路的集合。G′_i(V′_i，L′_i)表示G_i(V_i，L_i)的拓扑抽象图，V_i′就是物理拓扑图中所有边界节点的集合，L_i′就是所有边界节点之间链路的集合，包括实际链路和虚拟链路。在网络的拓扑结构中，如果两个光节点之间有边相连，这条边代表两条平行链路，分别提供两个方向的通信，且通信的性能和花费完全相同。由于光网络传播速度快，故节点之间链路的代价就用跳数来度量而不是采用距离来度量。在一次通信请求中，用S表示源节点，用D表示目的节点。域间路由就是要为源节点所在域的出口节点到目的节点所在域的入口节点之间分配一条可用路径。

域间路由研究分为两部分的研究：拓扑抽象机制和路由算法。本发明在进行拓扑抽象时采用全网抽象机制，并在此基础上改进。全网拓扑抽象机制就是保留所有的边界节点以及边界节点之间的链路。当任意两边界节点v_i ^j和v_i ^k在物理拓扑中有直接相连的链路时，则在拓扑抽象时保留此链路，而且链路代价和可用波长数保持不变。当两边界节点v_i ^j和v_i ^k在物理拓扑中没有直接相连的链路时，则在拓扑抽象时为此两节点建立一条虚拟链路，虚拟链路的代价和可用波长数由v_i ^j和v_i ^k在物理拓扑中有可用波长的最短路径决定。假设v_i ^j和v_i ^k在物理拓扑中有n条路径，则我们将n条路径按K最短路径算法排序，排出第1最短路径直至第n最短路径。然后从第1最短路径开始搜索，核对其是否有可用波长，如果第1最短路径有可用波长，则虚拟链路的代价与第1最短路径的跳数相同，虚拟链路的可用波长与第1最短路径的可用波长数相同，如果有两条以上的第1最短路径且都具有可用波长，则选择可用波长数多的路径；如果第1最短路径没有相同的可用波长，则继续搜索第2最短路径，检查其是否有可用波长，如此循环，直至找到有可用波长的最短路径。

拓扑抽象后，抽象图中各链路之间的代价和可用波长数都已确定。设p是源节点到目的节点之间的一条路径，P^*是从源节点到目的节点所有路径的集合。设L是每条路径的代价，则L＝∑_l∈pm(l)，即L是这条路径中所有链路的代价之和。由于计算好路径后，要为业务分配一个相同的波长，只有路径中所有链路都有相同的波长时，波长才会分配成功，故一条路径的最大可用波长数为路径中所有链路的可用波长数的最小值，即一条路径的可用波长数的最大值为min_l∈p[w(l)]。本发明定义C(p)为选路时采用的度量函数，根据每条路径C(p)的值来选路。， $C\left(p\right)=\left\{\begin{array}{cc}L+N/{\mathrm{\α}\min }_{l\∈p}\left[w\left(l\right)\right]& {\min }_{l\∈p}\left[w\left(l\right)\right]\≠0\\ \∞& {\min }_{l\∈p}\left[w\left(l\right)\right]=0\end{array}\right.,$ 其中min_l∈p[w(l)]≠0，α≥1。如果min_l∈p[w(l)]＝0，说明此路径中某些链路没有可用波长，故此路径也没有可用波长，则业务通过此路径时会阻塞。C(p)与L成正比，与路径最大可用波长数成反比。路径代价越小，路径最大可用波长数越大，C(p)的值越小。在选择路径时优先选择C(p)值最小的路径，故本算法选出的路径是代价比较小可用波长比较多的路径。

拓扑抽象后，路由算法可以描述如下：

(1)、初始化拓扑抽象图中每条链路的代价和可用波长数，即m(l)的值和w(l)的值。

(2)、接收到业务请求后，核对是链路建立请求还是链路拆除请求，如果是链路建立请求，则转向(3)，如果是链路拆除请求，则转向(1)。

(3)、搜索拓扑图中源节点到目的节点之间的所有路径，即搜索路径集合P^*。

(4)、用K最短路径算法计算出集合P^*固定代价L最小的K条路径，并计算此K条路径的最大可用波长数。

(5)、根据网络状态设定一个特定的α值并计算每条路径的C(p)的值。

(6)、为业务分配路径，选择C(p)值最小的路径，如果此路径分配不成功，则选择C(p)值次小的路径，如此循环直至找到可用路径。

(7)、为业务分配路径后，重新设定每条链路的可用波长数。

Claims (1)

1.一种基于分布式多层多域光网络的域间路由方法，其特征在于：在全网拓扑抽象机制基础上加以改进解决了拓扑抽象后虚拟链路的代价和可用波长数问题，并在域间路由算法中将路径最大可用波长数与K最短路径算法相结合，具体步骤如下：

步骤一、用全网拓扑抽象机制对物理拓扑图进行拓扑抽象，得到拓扑抽象图，拓扑抽象图由所有边界节点以及边界节点之间的链路组成；如果第i个域的任意两个边界节点 和 在实际网络拓扑图中有直接链路，则在拓扑抽象图中此链路保持不变，如果此两边界节点在实际网络拓扑图中没有直接链路，则在拓扑抽象图中建立一条虚拟链路来连接此两节点；

步骤二、在全网拓扑抽象基础上改进以解决虚拟链路的代价和可用波长数问题，在拓扑抽象图中，对连接任意两边界节点 和 的链路l，m(l)为链路的代价以及w(l)为链路可用波长数；如果此两个边界节点 和 在实际网络拓扑图中有直接链路，则m(l)的值为1，w(l)的值与实际拓扑图中此链路的可用波长数一致；对于连接边界节点 和 的虚拟链路，m(l)和w(l)的值由 和 在实际拓扑图中的有可用波长的所有路径中代价最小的路径决定，m(l)的值等于所选择的路径的跳数，w(l)的值等于所选择的路径的可用波长数；如果有相同的最小代价的路径，则选择可用波长数多的路径；

步骤三、对于拓扑抽象图，从源节点到目的节点之间的一条路径p，从源节点到目的节点之间的所有路径的集合P^*，利用K最短路径算法计算出K条固定代价最小的路径，其中每条路径的固定代价为L＝∑_l∈pm(l)，K值在仿真时自行设定；

步骤四、计算K条路径的最大可用波长数，由于波长连续性限制，为业务分配波长时，一条路径的所有链路必须有相同的波长，每条路径的最大可用波长数M为min_l∈p[w(l)]；

步骤五、计算K条路径对应的C(p)的值，分别计算K条路径的C(p)值， 其中min_l∈p[w(l)]为路径p的最大可用波长数，N为每条路径的初始波长数，α是一常数，在仿真时按照网络情况设定一特定值，在仿真时比较不同α值所对应的业务阻塞率，最终选择一合适的α值；

步骤六、选择对应的C(p)的值最小的路径，如果此路径分配不成功，继续在剩余路径中搜索对应的C(p)的值最小的路径，直至找到一条可用路径。

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