CN102158410B - 用于光轨网络的最轻承载光轨资源分配系统 - Google Patents

Abstract

一种用于光轨网络的最轻承载光轨资源分配系统，包括：标签值计算模块，用以计算数据请求节点的标签值bid_i；第一分配因子计算模块，用以计算判断新到请求的优先级是否高于正在占用光轨的节点的优先级的第一分配因子W_j；光轨资源分配控制模块，用以根据计算标签值bid_i和第一分配因子W_j，若有光轨j使得条件W_j＞0成立，且满足这一条件的光轨数目为1，将该条光轨分配给新到的请求；若满足这一条件的光轨数目大于1，看是否有bid_H，j＝0的光轨存在，有则选择W_j值最大的光轨，将该条光轨分配给新到的请求。本发明能有效实现光轨网络中光轨资源分配、满足光轨网络业务实时性要求、提高光轨资源利用率。

Description

用于光轨网络的最轻承载光轨资源分配系统

技术领域

本发明属于光纤通信网络领域中的波长分配问题，适用于对光轨网络中的请求分配最优光轨，满足业务实时性要求和网络资源充分利用的场合。

背景技术

随着Internet中以点到点（peer to peer）技术和视频流（videostreaming）技术为代表的新型业务的广泛应用，以及光纤传输技术、交换技术以及光电子器件技术的长足进展，使得可由多个用户共享一条光路容量的光轨网络技术具有越来越明显的竞争优势。光轨网络中数据的传输是通过光轨来进行的，光轨性能的好坏直接影响着整个网络的性能，因此关于单条光轨资源分配方面的研究较多。但是在实际光轨网络中，一条光纤链路中往往同时存在多条光轨，当业务请求到达时，链路中的多条光轨该如何分配才能最好的满足网络需求呢？这一问题是影响光轨网络整体性能的关键问题。

由于光轨网络是近年来提出的新型光通信网络结构，目前该领域研究主要集中在单条光轨的建立、取消、扩展、压缩，控制协议，资源分配等方面，涉及一条光纤链路中多条光轨资源分配方面的研究非常少。与本发明最接近的现有技术是一种单条光轨网络的技术方案（Ashwin Gumaste and Imrich Chlamtac，Light-trails:an optical solutionfor IP transport，vol.3，No.5，pp261-281，2004）。主要涉及单条光轨网络的结构、控制协议、光学特性、网络性能分析和评估。因此并不能解决当业务请求到达时，链路中的多条光轨该如何分配才能最好地满足网络需求的问题。

另一方面，在波分复用光网络中，有两种算法常用来分配波长资源，即随机选择算法和FF（First-Fit）算法。随机选择分配算法的核心思想是首先搜索所有可用来分配的资源，然后找出所有空闲资源，再从中随机选择一个空闲资源用来支配。FF算法的核心思想是将可用资源按照一定的顺序进行排列，对新到达的请求每次按照排列好的顺序选择空闲资源。如果借鉴上述两种算法来解决光轨资源分配问题，则发现均有很大的缺陷。首先，这两种算法均具有一定的盲目性，没有考虑业务的实时性和每条光轨上的负载量，可能会导致某一条光轨上的负载过重，而产生大量丢包现象，不能很好的凸显光轨网络在数据传输方面的优势。其次，如果只是将负载集中在某几条光轨上，则会导致已有的空闲光轨拆除，当业务量变大时，剩下的光轨没法完成疏导任务而产生丢包。特别是有大量实时性业务的到来时，重新建立光轨会产生建立时延，不能及时进行疏导。鉴于此，根据光轨动态建立和拆除的特性，在光轨分配问题上，应该考虑充分利用每一条已有光轨，而不是将业务集中在某几条光轨上。因此，需要研究一种好的光轨分配技术来满足网络需求。

发明内容

为了克服已有技术中无法实现光轨网络中光轨资源分配、无法满足光轨网络业务实时性要求、光轨资源利用率较低的不足，本发明提供一种有效实现光轨网络中光轨资源分配、满足光轨网络业务实时性要求、提高光轨资源利用率的用于光轨网络的最轻承载光轨资源分配系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于光轨网络的最轻承载光轨资源分配系统，所述光轨网络包括一条包含N条单向光轨的光纤链路，N>1，且N为自然数，其中一条单向光轨包含M个节点，M≥3，且M为自然数；在每个节点处都有一个用来存放光轨信息的本地数据库；所述光轨资源分配系统包括：

标签值计算模块，用以计算数据请求节点的标签值bid_i，标签值bid_i计算采用设定不同的权值的方式，标签值计算公式如下：

${\mathrm{bid}}_i=a*\frac{t_i}{T_i}+b*\frac{l_{\mathrm{sd}}}{M},$ 0<a<1,0<b<1,a+b=1

其中，T_i表示请求业务的最大等待时延，i代表光总线上的不同节点，t_i表示从服务的第一个包到达的时刻开始已经等待的时延；l_sd表示一次数据传输请求成功时，源节点与目的节点之间活动节点的数目，M表示该条光总线的总节点数，a和b为加权因子；

第一分配因子计算模块，用以计算判断新到请求的优先级是否高于正在占用光轨的节点的优先级的第一分配因子W_j，其计算公式为：W_j=bid_i-bid_H,j，其中，光轨j表示光纤链路中的任意一条可用光轨，bid_H,j表示上一时刻抢占到光轨j上资源的节点的标签值；

光轨资源分配控制模块，用以依照以下分配策略执行分配过程：

步骤1：有请求到达数据请求节点时，计算标签值bid_i，并搜索光轨本地数据库，寻找所有可直达光轨，如果只有一条可直达光轨，将该条光轨分配给新到的请求；否则执行步骤2；

步骤2：为每一条可直达光轨计算第一分配因子W_j，对于j=1,…,N，若有光轨j使得条件W_j>0成立，且满足这一条件的光轨数目为1，将该条光轨分配给新到的请求；若满足这一条件的光轨数目大于1，则执行步骤3；

步骤3：搜索光轨j本地数据库，查询这些满足条件的光轨在上一时刻传输的信息的优先级情况，看是否有bid_H,j=0的光轨存在，有则选择W_j值最大的光轨，将该条光轨分配给新到的请求。

进一步，所述光轨资源分配系统还包括：

光轨负载比例计算模块，用以计算反应新到请求对光轨上的负载量的影响程度的光轨负载比例P_j，计算公式为：其中，D_j表示可直达光轨j上已有的负载量大小，D_i表示节点i处新到请求的容量大小，D_i+D_j表示当光轨j分配给新到请求后，光轨j上的总负载量；

负载调整因子计算模块，用以计算负载调整因子T_j，计算公式为：

其中，n表示上一时刻竞争到光轨资源的节点的个数，c表示光轨容量；

负载均衡因子计算模块，用以计算反应光轨上的负载情况的负载均衡因子F_j，计算公式为：F_j=P_j+T_j；

第二分配因子计算模块，用以计算第二分配因子Q_j，计算公式为：

Q_j=（1-W_j）+ε*F_j

其中，ε表示权重因子，取值范围[0，1]；

在所述光轨资源分配控制模块中，如果步骤2中，没有光轨j使得条件W_j>0成立，或者步骤3中，没有bid_H,j=0的光轨存在；为每条满足条件的光轨计算第二分配因子Q_j，并将计算得到的Q_j值按照升序排列，选取Q_j值最小的光轨，将该条光轨分配给新到的请求。

再进一步，所述光轨资源分配系统还包括：网络吞吐量评价模块，用以计算单位时间内网络接收的数据量；网络负载均衡度评价模块，用以计算光纤链路中所有光轨承载的数据流量大小的方差。

本发明的技术构思为：提出了一种最轻承载光轨分配策略，所述新型光轨分配策略由一条包含N条光轨的光纤链路；标签值计算模块；第一分配因子计算模块；光轨负载比例计算模块，负载调整因子计算模块，负载均衡因子计算模块，第二分配因子计算模块；请求到达后具体的分配过程；网络吞吐量和负载均衡度评价方案共同组成。

本发明的有益效果主要表现在：1、能改善光轨网络中数据传输的时延要求。2、并能促使业务均衡的分布在各条光轨上，减少网络阻塞。3、同时还能充分利用已有光轨，减少了光轨建立和拆除的次数，提高网络资源的利用率。

附图说明

图1是本发明在包含6条光轨的光纤链路中，网络的吞吐量模拟计算结果示意图，其中横坐标表示网络负载，纵坐标表示网络吞吐量，FF算法表示现有的首次命中算法，LL-LTA算法表示本发明最轻承载光轨资源分配系统的算法。

图2是本发明在包含6条光轨的光纤链路中，网络负载均衡度模拟计算结果示意图，其中横坐标表示请求的次数，纵坐标表示负载均衡度，FF算法表示现有的首次命中算法，LL-LTA算法表示本发明最轻承载光轨资源分配系统的算法。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

一种基于光轨网络的最轻承载光轨分配系统，包括一种用于光轨网络的最轻承载光轨分配方案，包括一条包含N条单向光轨的光纤链路，N>1，且N为自然数。其中一条单向光轨包含M个节点，M≥3，且M为自然数；在每个节点处都有一个用来存放光轨信息的本地数据库；网络业务请求分为语音类型、视频类型、文件类型三种。最轻承载光轨分配系统还包括：

标签值（bid_i）计算模块，计算数据请求节点的标签值，来判断该节点的优先级，标签值计算采用设定不同的权值的方式，标签值计算公式如下：

${\mathrm{bid}}_i=a*\frac{t_i}{T_i}+b*\frac{l_{\mathrm{sd}}}{M},$ 0<a<1,0<b<1,a+b=1

其中T_i表示请求业务的最大等待时延，i代表光总线上的不同节点，t_i表示从服务的第一个包到达的时刻开始已经等待的时延；

反应了数据是否急于发送。l_sd表示一次数据传输请求成功时，源节点与目的节点之间活动节点的数目（包括源节点与目的节点在内），M表示该条光总线的总节点数，

反应了，一次光连接中，活动节点占总节点数的比例，比例值越大，表明一次光连接中，光轨上活动节点的数目越多，空闲节点数目越少，光总线活跃度就越高，即光总线的利用率越高，被缩短或者拆除的概率越小。调整a和b的取值，可以得到不同需要时的标签值，本实施例取a=0.65，b=0.35。

第一分配因子（W_j）计算模块，用来判断新到请求的优先级是否高于正在占用光轨的请求的优先级。计算公式为：W_j=bid_i-bid_H,j。即新到请求的标签值与光轨j上正在传输的信息的标签值之差。其中光轨j表示节点处光纤链路中的任意一条可用光轨。bid_H,j表示光轨j上正在传输的信息的标签值。W_j值越大，表明信息的优先级越高，则信息在光轨j上竞争到资源的概率越大。

光轨资源分配控制模块，用以依照以下分配策略执行分配过程：

步骤1：有请求到达数据请求节点时，计算标签值bid_i，并搜索光轨本地数据库，寻找所有可直达光轨，如果只有一条可直达光轨，将该条光轨分配给新到的请求；否则执行步骤2；

步骤2：为每一条可直达光轨计算第一分配因子W_j，对于j=1,…,N，若有光轨j使得条件W_j>0成立，且满足这一条件的光轨数目为1，将该条光轨分配给新到的请求；若满足这一条件的光轨数目大于1，则执行步骤3；

步骤3：搜索光轨j本地数据库，查询这些满足条件的光轨在上一时刻传输的信息的优先级情况，看是否有bid_H,j=0的光轨存在，有则选择W_j值最大的光轨，将该条光轨分配给新到的请求。

本实施例的一种最轻承载光轨分配系统，由一条包含N条光轨的光纤链路和一个光轨本地数据库；标签值计算模块；第一分配因子计算模块；光轨负载比例计算模块，负载调整因子计算模块，负载均衡因子计算模块，第二分配因子计算模块；请求到达后具体的分配过程；网络吞吐量、负载均衡度和时延抖动评价方案共同组成。

所述光轨本地数据库主要记录节点处光轨的建立、拆除情况和使用情况，当光纤链路中新建或拆除一条光轨时，则会在光轨本地数据库中添加或删除一条光轨记录。当某个节点竞争到光轨资源时，光轨本地数据库会记录竞争到资源的请求的优先级等参数。光轨本地数据库中记录的信息主要用于查询是否有直达光轨，并比较新到请求的标签值和占用该条光轨的节点的标签值。

所述有请求到达的节点，先在光轨本地数据库中搜索所有可直达光轨。并计算请求的标签值。

所述三种网络业务请求：语音类型、视频类型、文件类型，分别表示三种不同实时性要求的业务。其中语音类型实时性要求最高，视频类型次之，文件类型最低。

所述光轨资源分配控制模块，执行步骤如下：

步骤1：有请求到达节点时，节点计算标签值bid_i，并搜索光轨本地数据库，寻找到可直达光轨。如果只有一条可直达光轨，将该条光轨分配给新到的请求。否则执行步骤2。

步骤2：为每一条可直达光轨计算第一分配因子W_j。对于j=1,…,N，若有j使得W_j>0成立，且满足这一条件的光轨数目为1，将该条光轨分配给新到的请求。若满足这一条件的光轨数目大于1，则执行步骤3。

步骤3：搜索光轨本地数据库，查询这些满足条件的光轨在上一时刻传输的数据的信息。看是否有bid_H,j=0的光轨存在，有则选择W_j值最大的光轨，将该条光轨分配给新到的请求。

所述网络吞吐量评价准则具体定义为单位时间内网络接收的数据量。网络吞吐量=某段时间网络接收到的比特/这段时间。单位：Gbit/s。网络吞吐量与网络状况有很大关系，它反映了网络的阻塞程度，网络资源是否充分利用等。吞吐量越大，表明网络状况越好，网络整体性能越高。

所述网络负载均衡度评价准则具体定义为光纤链路中所有光轨承载的数据流量大小的方差。它反应网络中每一条光轨上的负载量是否均衡。网络负载均衡可以减少网络阻塞，从而减少网络丢包率。并且还可以减少光轨被拆除的概率，充分利用已有光轨，使得网络不用总是处于光轨建立和拆除状态而浪费大量的时间。因此，网络负载均衡度越小越好。

实施例2

本实施例的资源分配系统还包括：

光轨负载比例（P_j）计算模块，用以反应新到请求对光轨上的负载量的影响程度。计算公式为：

即当光轨j分配给新到请求后，光轨上原有负载量占总负载量的比例。比例越大，表明光轨上的负载越重。其中D_j表示可直达光轨j上已有的负载量大小。D_i表示节点i处新到请求的容量大小。D_i+D_j表示当光轨j分配给新到请求后，光轨j上的总负载量。

负载调整因子（T_j）计算模块，由于新到的请求可能会导致光轨上原有请求的丢失，因此需要一个调整因子，使得负载均衡的同时减小丢包率。负载调整因子用上一时刻竞争到光轨资源的请求的平均容量占整个光轨容量的比例来表示。计算公式为：

其中n表示上一时刻竞争到光轨资源的节点的个数，C表示光轨容量。负载调整因子反应了光轨上业务信息的均值大小。如果上一时刻光轨j上的业务信息均值越小，则新请求到达时，可能影响到的数据包就越少，因此丢包率就会越小。

负载均衡因子（F_j）计算模块，反应光轨上的负载情况。计算公式为：F_j=P_j+T_j。即光轨负载比例与负载调整因子的和。F_j值越大表明光轨负载越重，因此在请求到达时，优先分配F_j值较小的光轨。

第二分配因子（Q_j）计算模块，在第一分配因子分配光轨失败的情况下，调用第二分配因子。计算公式为：Q_j=（1-W_j）+ε*F_j。其中ε表示权重因子。它在[0，1]之间取合适的值，用于增强分配的准确性。通常ε取值为0.8。从上式可以看出，Q_j因子主要由两大部分组成：信息优先级和光轨负载均衡因子。当信息优先级越高，光轨负载量越小时，Q_j值越小，此时信息在该条光轨上成功传输的概率越大。Q_j值越小越好。

在所述光轨资源分配控制模块中，如果步骤2中，没有光轨j使得条件W_j>0成立，或者步骤3中，没有bid_H,j=0的光轨存在；为每条满足条件的光轨计算第二分配因子Q_j，并将计算得到的Q_j值按照升序排列，选取Q_j值最小的光轨，将该条光轨分配给新到的请求。

本实施例中网络拓扑包含8个网络交换节点。每条光纤链路中包含8个波长，其中包含2条控制信道和6条数据信道，单波长容量为10Gbit/s。所有节点都不具备波长转换能力。网络中光轨的最大可容纳节点数目为5。业务到达时间服从泊松分布，且均匀的分布在网络中的各个节点上。评价网络吞吐量，得到附图1所示结果。可见最轻承载光轨分配方案的网络吞吐量较高。

本实施例的其他方案均与实施例1相同。

实施例3

本实施例中的参数与实施例2相同，评价网络负载均衡度，得到附图2所示结果。可见最轻承载光轨分配方案的负载分配较均衡。

本实施例的其他结构和工作过程均与实施例1相同。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种用于光轨网络的最轻承载光轨资源分配系统，所述光轨网络包括一条包含N条单向光轨的光纤链路，N>1，且N为自然数，其中一条单向光轨包含M个节点，M≥3，且M为自然数；在每个节点处都有一个用来存放光轨信息的本地数据库；其特征在于：所述光轨资源分配系统包括：

标签值计算模块，用以计算数据请求节点的标签值bid_i，标签值bid_i计算采用设定不同的权值的方式，标签值计算公式如下：

${\mathrm{bid}}_i=a*\frac{t_i}{T_i}+b*\frac{l_{\mathrm{sd}}}{M},$ 0<a<1,0<b<1,a+b=1

其中，T_i表示请求业务的最大等待时延，i代表光总线上的不同节点，t_i表示从服务的第一个包到达的时刻开始已经等待的时延；l_sd表示一次数据传输请求成功时，源节点与目的节点之间活动节点的数目，M表示该条光总线的总节点数，a和b为加权因子；

第一分配因子计算模块，用以计算判断新到请求的优先级是否高于正在占用光轨的节点的优先级的第一分配因子W_j，其计算公式为：W_j=bid_i-bid_H,j，其中，光轨j表示光纤链路中的任意一条可用光轨，bid_H,j表示上一时刻抢占到光轨j上资源的节点的标签值；

光轨资源分配控制模块，用以依照以下分配策略执行分配过程：

步骤1：有请求到达数据请求节点时，计算标签值bid_i，并搜索光轨本地数据库，寻找所有可直达光轨，如果只有一条可直达光轨，将该条光轨分配给新到的请求；否则执行步骤2；

步骤2：为每一条可直达光轨计算第一分配因子W_j，对于j=1,…,N，若有光轨j使得条件W_j>0成立，且满足这一条件的光轨数目为1，将该条光轨分配给新到的请求；若满足这一条件的光轨数目大于1，则执行步骤3；

步骤3：搜索光轨j本地数据库，查询这些满足条件的光轨在上一时刻传输的信息的优先级情况，看是否有bid_H,j=0的光轨存在，有则选择W_j值最大的光轨，将该条光轨分配给新到的请求。

2.如权利要求1所述的用于光轨网络的最轻承载光轨资源分配系统，其特征在于：所述光轨资源分配系统还包括：

光轨负载比例计算模块，用以计算反应新到请求对光轨上的负载量的影响程度的光轨负载比例P_j，计算公式为：

其中，D_j表示可直达光轨j上已有的负载量大小，D_i表示节点i处新到请求的容量大小，D_i+D_j表示当光轨j分配给新到请求后，光轨j上的总负载量；

负载调整因子计算模块，用以计算负载调整因子T_j，计算公式为：

其中，n表示上一时刻竞争到光轨资源的节点的个数，c表示光轨容量；

负载均衡因子计算模块，用以计算反应光轨上的负载情况的负载均衡因子F_j，计算公式为：F_j=P_j+T_j；

第二分配因子计算模块，用以计算第二分配因子Q_j，计算公式为：

Q_j=（1-W_j）+ε*F_j

其中，ε表示权重因子，取值范围[0，1]；

在所述光轨资源分配控制模块中，如果步骤2中，没有光轨j使得条件W_j>0成立，或者步骤3中，没有bid_H,j=0的光轨存在；为每条满足条件的光轨计算第二分配因子Q_j，并将计算得到的Q_j值按照升序排列，选取Q_j值最小的光轨，将该条光轨分配给新到的请求。

3.如权利要求1或2所述的用于光轨网络的最轻承载光轨资源分配系统，其特征在于：所述光轨资源分配系统还包括：

网络吞吐量评价模块，用以计算单位时间内网络接收的数据量；

网络负载均衡度评价模块，用以计算光纤链路中所有光轨承载的数据流量大小的方差。

Images