CN103067289B - 一种自适应动态多播业务的疏导方法和节点系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应动态多播业务的疏导方法和节点系统，属于网络通讯技术领域。系统包括光层和电域层，该系统的疏导方法首先分析WDM光网络中传输业务的几种方法，根据不同的优化目标提出了两种多播业务疏导策略：最小化使用节点收发器数目策略和最小化使用节点疏导端口数策略。由于在不同时刻，网络资源都在发生变化，通过设定一个阈值参数，来判断该时刻哪种资源为稀有资源，从而选择合适的疏导策略来完成新业务的传输。本发明采用的自适应动态业务疏导方法，可以有效地解决WDM光网络中动态多播业务疏导问题，大幅度地提高WDM光网络的业务疏导性能，降低业务阻塞率，提高网络吞吐量。<!--1-->

Description

一种自适应动态多播业务的疏导方法和节点系统

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及WDM网状光网络中的动态多播业务疏导技术。

背景技术

由于波分复用(wavelengthdivisionmultiplex,WDM)和密集波分复用(densewavelengthdivisionmultiplexing,DWDM)光纤技术的成熟和应用为通信网络信息传输提供了巨大的带宽和容量，目前每个波长信道的传输容量已经达到了10Gbps(OC-192)，甚至40Gbps(OC-768)。但我们现有用户的各种应用的需求带宽仅为OC-1、OC-3或OC-12，所以单波长带宽的高粒度与实际业务带宽的低粒度之间的差异，使得为每个低速业务请求建立一个光路连接，资源利用率低且不经济，并且在WDM网络中每条光纤链路中所包含的波长数目以及网络中每个节点内部所配备的光收发器是有限的，所以也就不能满足为每个业务请求都建立一条直接的光路。因此，为了解决存在的这些矛盾，更好的利用有限的网络资源，从而在WDM光网络中提出了业务量疏导技术(trafficgrooming)。根据低速业务连接请求的状态，可以分为静态业务疏导和动态业务疏导。静态业务疏导是已知所有的低速业务请求，并将这些低速业务请求构成业务需求矩阵，为此业务需求矩阵计算路由并分配波长，以满足某些约束条件，并达到某些优化指标。这种计算可以是离线(off-line)处理的，即不需要实时的计算。静态业务疏导实质是一个特殊虚拓扑设计问题，即为己知低速业务流建立合理的光路，形成最优的逻辑拓扑(虚拓扑)，疏导各个低速业务流。动态业务疏导中，低速业务请求随机、顺序的到达网络，要求进行实时疏导、路由与波长分配(GRWA，Grooming，RoutingandWavelengthAssignment)计算，并且每个连接在网络中维持一段时间，业务传输完成后将被拆除。动态业务疏导的目标是实时有效地选择疏导路由，并合理分配有限的网络资源，降低业务阻塞概率。

随着数字广播、物联网和云计算应用需求的增长，网络中点到多点、多点到单点和多点到多点的组播应用越来越多，网络带宽的消耗和拥塞发生快速增加，使网络资源日趋紧张。需要寻找一种有效的动态多播业务疏导方法来提高网络资源利用率，降低业务阻塞率。

针对动态多播业务疏导，引入了光树的概念，它使得网络中的每个节点同时具备了多个逻辑邻节点，减少了业务的传输跳数，提高了网络资源利用率。之前对于动态多播业务疏导的研究，提出了多种启发式算法，但是这些算法都没有考虑节点疏导端口数的限制，并且在不同时刻，网络中每个节点的疏导能力都不同，网络资源都是在动态变化的。

发明内容

针对现有的动态多播疏导方法没有考虑节点疏导端口数约束，并且没有考虑网络资源的动态改变的问题，本发明提供了一种自适应动态多播业务疏导方法，可以有效地解决WDM光网络中动态多播业务疏导问题，大幅度提高WDM光网络的业务疏导性能。

本发明采用如下的技术方案，一种自适应动态多播业务的疏导方法，包括如下步骤：

构建一个具有多播分光和疏导能力的节点系统，包括用于信号分光和交换的光层、用于低速业务疏导的电域层；当节点系统收到连接请求，根据当前网络状态以及新到请求所需的带宽构造网络的辅助图，辅助图中包含已存在的光树和光路，以及空闲的波长链路边，构建时删去带宽粒度小于请求所需的带宽粒度的波长链路边；统计源节点处的光发送器个数和疏导端口个数，并计算光发送器个数和疏导端口个数的比值α，将α值与疏导端口阈值TH比较，当α≥TH,选择最小化使用节点收发器策略，若α<TH,选择最小化使用节点疏导端口策略；根据所选定的策略分配波长信道容量、节点光收发器数和节点疏导端口数。

一种自适应动态多播业务的节点系统，包括光层和电域层，所述光层包括若干解复用器、波长交换单元和分光器，电域层包括电疏导矩阵、若干光收/发器和可调谐光收/发器；输入光纤首先经过解复用器分成若干个独立的波长通道，然后直接通过波长交换单元交换到输出光纤上的相应波长通道，并经过复用器输出；可调谐光收/发器连接光层和电域层的电疏导矩阵，当有低速业务请求时，由可调谐光接收器转换到电疏导矩阵疏导后由可调谐光发送器发送回光层。新业务想直接通过新建一条新光树来完成传输时，则在源节点通过消耗一个光发送器进入波长交换单元，选择一个合适的空闲波长在网络中进行传输，当到达相应的目的节点时，消耗一个光接收器完成新业务的传输。

节点系统还包括上路接口和下路接口，当新业务通过疏导操作来完成传输，则在源节点通过上路接口进入电疏导矩阵，当已有业务在电疏导矩阵中完成疏导操作，到达相应的目的节点时，若经过电疏导矩阵疏导后需要下路的业务则通过下路接口进行下路到目的节点。

光组播交换节点结构中包含了节点光收发器（图1中的Rx/Tx）和疏导矩阵中的疏导端口（图1中的R/T），各种疏导方法消耗光收发器和疏导端口情况如下，1）单跳疏导：是同源同目的节点集的业务，相当于在源节点进行捆绑操作，不需要消耗疏导端口和节点光收发器；2）多跳疏导是将新到达业务请求通过已建立的多棵光树来完成传输，请求的源节点、目的节点以及满足条件的第二棵光树的源节点都需要消耗疏导端口；3）混合疏导是建立一条连接新到请求源节点和已有光树的源节点的光路，通过已有光树和新建光路来完成新业务的传输，已有光树必须满足其目的节点集和新请求的目的节点集相同，此方法源节点消耗发送器、已有光树的源节点消耗接收器和疏导端口，请求目的节点消耗疏导端口；4）扩展光树是扩展已有光树的目的节点以满足到达请求的所有目的节点，满足已有光树源节点和新请求源节点相同，新请求的目的节点集包含已有光树的目的节点集，此方法源节点和已有光树的目的节点消耗疏导端口，扩展的目的节点消耗接收器；5）直接新建光树是新建一棵连接源节点和所有目的节点的光树，此方法源节点消耗发送器，目的节点消耗接收器；6）允许冗余目的节点的单跳疏导是将新到请求疏导到已有光树上，此光树的源节点与新到请求的源节点相同，目的节点集包含新到请求的目的节点集（在此只允许冗余的目的节点个数只能为1个），与单跳疏导类似，不需要消耗疏导端口和发送器，实际上是牺牲波长带宽资源来节约节点收发器，但是冗余目的节点会接收到不需要的信息。

根据以上几种方法消耗网络资源的情况，针对不同的优化目标提出了2种多播疏导策略：最小化使用节点收发器策略和最小化使用节点疏导端口策略。

更具体地，上述最小化使用节点收发器策略，当一个多播连接请求到达，按以下步骤为其寻找一条传输路径完成多播请求的传输，其思想是按使用节点收发器个数由少到多的顺序依次来选择合适策略来完成：1）检查能否通过单跳疏导完成传输，不能就继续下一步；2）检查能否将新到请求疏导到允许冗余目的节点的光树上，不能就继续下一步；3）检查能否通过多跳疏导完成，不能就继续下一步；4）检查能否通过混合疏导完成新到请求业务的传输，不能就继续下一步；5）检查能否通过扩展已有光树来完成新到请求业务的传输，不能就继续下一步；6）直接新建一棵连接源节点和目的节点的光树，如果无法完成则此请求被阻塞。

更具体地，上述最小化使用节点疏导端口策略，当一个多播连接请求到达，按以下步骤为其寻找一条传输路径完成多播请求的传输，其思想是按使用节点疏导端口数由少到多的顺序依次来选择合适策略来完成：1）当一个多播连接请求到达时，检查能否通过单跳疏导完成传输，不能就继续下一步；2）检查能否将新到请求疏导到允许冗余目的节点的光树上，不能就继续下一步；3）直接新建一棵连接源节点和目的节点的光树，不能就继续下一步；4）检查能否通过扩展光树来完成新到请求业务的传输，不能就继续下一步；5）检查能否通过多跳疏导完成新到请求业务的传输，不能就继续下一步；6）检查能否通过混合疏导完成，如果还不能完成新到请求业务的传输，则此请求将被阻塞。

本发明涉及的一种自适应动态多播业务疏导方法，在以往算法考虑的约束条件基础上，加入考虑节点疏导端口数目的约束，并且能够根据当前的网络资源使用情况来选择合适的疏导策略，完成多播请求业务的传输。这种方法能够提高网络吞吐量，降低业务阻塞率。

附图说明

图1为具有多播功能的光组播交换节点结构；

图2为六种不同完成多播业务传输的示意图；图中已有请求：请求1为节点A到节点集{C,E}，请求2为节点G到节点{A}，请求3为节点H到节点集{F,G}，新到请求：请求4为节点A到节点集{C,E}，请求5为节点G到节点集{C,E}，请求6为节点I到节点集{A,G}，请求7为节点H到节点集{A,G}，请求8为节点H到节点集{C,F,G}，请求9为节点H到节点集{C,G}；

图3为一个实际网络的物理拓扑图；

图4为根据图3网络构造的分层辅助图；

图5为最小化使用节点收发器个数疏导策略流程图；

图6为最小化使用节点疏导端口数疏导策略流程图；

图7为自适应动态多播业务疏导算法流程图。

具体实施方式

在光网络中，实现业务传输一般有下面6种方法：1.单跳疏导是同源同目的节点集的业务，相当于在源节点进行捆绑操作，不需要消耗疏导端口和节点光收发器；2.多跳疏导是将新到达业务请求通过已建立的多棵光树来完成传输，请求的源节点、目的节点以及满足条件的第二棵光树的源节点都需要消耗疏导端口；3.混合疏导是建立一条连接新到请求源节点和已有光树的源节点的光路，通过已有光树和新建光路来完成新业务的传输，已有光树必须满足其目的节点集和新请求的目的节点集相同，此方法源节点消耗发送器、已有光树的源节点消耗接收器和疏导端口，请求目的节点消耗疏导端口；4.扩展光树是扩展已有光树的目的节点以满足到达请求的所有目的节点，满足已有光树源节点和新请求源节点相同，新请求的目的节点集包含已有光树的目的节点集，此方法源节点和已有光树的目的节点消耗疏导端口，扩展的目的节点消耗接收器；5.直接新建光树是新建一棵连接源节点和所有目的节点的光树，此方法源节点消耗发送器，目的节点消耗接收器；6.允许冗余目的节点的单跳疏导是将新到请求疏导到已有光树上，此光树的源节点与新到请求的源节点相同，目的节点集包含新到请求的目的节点集，与单跳疏导类似，不需要消耗疏导端口和发送器，实际上是牺牲波长带宽资源来节约节点收发器，但是冗余目的节点会接收到不需要的信息。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为具有多播疏导功能的节点结构，此结构具有两级波长交换单元2、若干分光器3、若干解复用器1、一个电疏导矩阵4以及若干个光收/发器Tx/Rx和可调谐光收/发器T/R。信号的分光和交换在光层处理，低速业务的疏导由电疏导矩阵在电域中实现。输入光纤和输出光纤通过此网络节点连接；每个输入光纤首先经过解复用器分成若干个独立的波长通道，这些波长通道能直接通过波长交换单元交换到输出光纤上的相应波长通道(无波长转换器)，并经过解复用器输出。

从附图1可以看出，包含两级波长交换单元，完成波长交换的功能；若干个分光器完成组播的功能；Tx和Rx分别代表节点的光收/发器，其个数固定，当新建光路或光树时，在源节点就必须消耗一个光发送器Tx，然后进入到一级波长交换单元中，选择一个合适的波长进行传输，如果在光树的某些中间节点需进行分支操作，那么在此分支节点处就要通过分光器3进行分光处理，然后再通过二级波长交换单元分别送往不同的下一个相邻节点，当到达了目的节点处，就需要消耗一个接收器Rx，进行业务的下路接收。所以，如果要新建一棵光树，那么必须保证源节点有空闲的发送器Tx，目的节点有空闲的接收器Rx。

图中R、T分别代表节点内部配备的可调谐光收/发器，连接光域和电域，其数值代表了节点的疏导能力，每一对R，T代表一个疏导端口。当其值为零时，也就代表此节点的所有疏导端口都被占用，无法再为低速业务请求进行疏导操作。当一个新到达的业务，要通过多跳疏导、混合疏导或扩展光树与已有业务一起疏导完成传输时，在某些节点（前面分析各种疏导策略时已说明）通过电疏导矩阵的上路接口（add）进入到电疏导矩阵中，已有的业务通过疏导入端口（R）进入到电疏导矩阵中，在电疏导矩阵中两种业务进行疏导操作，然后通过疏导出端口（T）进入到交换单元中进行传输，当到达了目的节点时，此业务通过疏导入端口R进入到电疏导矩阵中，然后需要下路的业务通过电疏导矩阵的下路接口（drop）进行下路，到达目的节点。可以看出，如果要进行疏导操作，必须保证节点内部配备的可调谐光收发器不为零。

附图2为六种不同完成多播业务传输方法的示意图。在此例中假设每个波长信道的带宽容量足够大,不会发生带宽容量不够的情况。并且每个请求的服务时间足够长，即下一个业务请求到达，已有的业务请求都还在网络中进行传输。从图中可以看出，网络中当前已有的连接有，请求1{A;C,E}：代表业务请求是从源节点A去往目的节点C和E，请求2{G;A}，请求3{H;F,G}同理。当请求4{A;C,E}到达，就可以将其疏导到已有请求1的光树上通过单跳疏导完成传输，此时不需要消耗任何的光收发器和疏导端口。当请求5{G;C,E}到达，由于请求5的源节点与请求2的相同，请求5的目的节点与请求1的相同，并且请求1的源节点在请求2的目的节点集中。所以可以通过已有业务请求1和请求2的多跳疏导来完成请求5的业务传输，此时，源节点G，目的节点C,E以及第二棵光树的源节点A都需要消耗一个疏导端口。当请求6到达，由于在当前网络中，找不到与其具有相同源节点或目的节点的光树，所以直接新建一棵连接源目的节点的光树，此时，源节点I需要消耗一个光发送器，目的节点A,G分别消耗一个光接收器。当请求7到达，由于它和请求6具有相同的目的节点，但源节点不同，所以新建一棵连接请求7源节点H到请求6源节点I的光路，通过这条新建光路和已有请求6光树这种混合疏导来完成，此时源节点H消耗一个光发送器，已有光树的源节点H消耗一个接收器以及一个疏导端口，目的节点A,G分别消耗一个疏导端口。当请求8到达，由于它和请求3的源节点相同，并且它的目的节点集包含请求3的目的节点。所以可以通过扩展请求3的光树来完成请求8的传输，此时，源节点H，目的节点F,G分别消耗一个疏导端口，目的节点C消耗一个光接收器。当请求9到达，由于它和请求8的源节点相同，并且它的目的节点集包含在请求8的目的节点集内。所以请求9可以通过允许冗余目的节点的单跳疏导将其路由到请求8的光树上来完成传输，此时，不需要消耗任何的光收发器和疏导端口。

附图3为一个网络的物理拓扑图，表示一个9个节点的网络，图中标号1-9分别代表9个节点，中间的连线代表它们之间有链路连接。

附图4为根据图3网络构造的辅助图，为了简单说明起见，假设一根光纤中只包含2个波长，节点光收发器数目为2，节点疏导端口数为2，其物理拓扑结构如图3所示，将物理上的一个节点分成逻辑上的多个节点，根据图3构造的分层辅助图如图4所示，包含|W|个（在此为2个）波长分层平面和一个虚拟平面，虚拟平面旁门括号里面的数字分别代表节点的剩余空闲收发器数和疏导端口数，例如（2,2），代表此节点还有2个剩余的空闲光收发器，2个空闲的疏导端口。当为一个业务新建一棵光树，使用最小代价算法在各波长分层平面上寻找一棵光树，然后选择代价最小的那棵光树完成业务传输。当建立好了光树后，就映射到虚拟平面上，虚拟平面上只记录此请求的源节点和目的节点及其所经过的链路，然后在链路上显示剩余空闲的波长带宽资源。此辅助图的作用主要是用来寻找满足各项约束条件的光树和光路的。当一个新的请求到达时，首先统计出源节点的空闲收发器个数和空闲疏导端口个数，然后再计算它们的比值α=源节点疏导端口个数/源节点发送器个数，将α值与疏导端口阈值TH（此阈值通过仿真验证来得到）比较，当α≥TH,选择最小化使用节点收发器策略，若α<TH,选择最小化使用节点疏导端口策略。当选定了合适的疏导策略后，在使用6种疏导方法时就可以在辅助图上进行寻路。两种策略中的6种疏导方法如何实现参照附图2的讲解。

最小化使用节点收发器个数疏导策略的流程图如附图5所示。只要当前节点有空闲的疏导端口，则优先使用疏导策略来完成新到请求的传输，此疏导策略的主要思想是尽量少用节点光收发器。当一个连接请求到达，步骤1中首先检查能否找到源节点和目的节点都相同的光树通过单跳疏导来完成新请求的传输，如果找到了，则完成新业务的传输，否则，继续下一步；步骤2中检查能否找到一条已有光树，它们的源节点相同，目的节点都被包含在已有光树的目的节点集中。如果找到了，则就通过允许冗余目的节点的单跳疏导来完成传输。否则，继续下一步；步骤3检查能否在已有业务中找到2棵光树，通过多跳疏导来完成新业务传输，如果可以，则完成新业务传输。否则，继续下一步；步骤4检查在已有光树中是否有目的节点相同的光树，通过新建一条连接新请求源节点和已有光树源节点的光路，能否然后通过混合疏导来完成。如果可以，则完成新业务传输。否则，继续下一步；步骤5检查能否在已有的业务中，找到一条源节点相同，新业务的目的节点包含已有光树目的节点的光树，如果找到，就通过扩展已有光树来完成业务传输。否则，继续下一步；步骤6是否能够通过直接新建一棵连接源节点和所有目的节点的光树来完成新业务的传输。如果可以，则完成新业务传输，否则，此新连接请求被阻塞。

最小化使用节点疏导端口数疏导策略流程图如附图6所示。只要当前节点有空闲收发器并且网络有可用波长信道，则新建一条直接连接新到请求源和所有目的节点的光树，此疏导策略的主要思想是尽量少用疏导端口。当一个连接请求到达，步骤1中首先检查能否找到源节点和目的节点都相同的光树通过单跳疏导来完成新请求的传输，如果找到了，则完成新业务的传输，否则，继续下一步；步骤2中检查能否找到一条已有光树，它们的源节点相同，目的节点都被包含在已有光树的目的节点集中。如果找到了，则就通过允许冗余目的节点的单跳疏导来完成传输。否则，继续下一步；步骤3是否能够通过直接新建一棵连接源节点和所有目的节点的光树来完成新业务的传输。如果可以，则完成新业务传输。否则，继续下一步；步骤4检查能否在已有的业务中，找到一棵源节点相同，新业务的目的节点包含已有光树目的节点的光树，如果找到，就通过扩展已有光树来完成业务传输。否则，继续下一步；步骤5检查能否在已有业务中找到2棵光树，通过多跳疏导来完成新业务传输，如果可以，则完成新业务传输。否则，继续下一步；步骤6检查在已有光树中是否有目的节点相同的光树，通过新建一条连接新请求源节点和已有光树源节点的光路，能否然后通过混合疏导来完成。如果可以，则完成新业务传输。否则，此新连接请求被阻塞。

在附图5、附图6两种疏导策略的基础上自适应动态多播疏导算法流程图如附图7所示。动态多播业务请求可以表示为r(s,D,b,△T)：s请求源节点，D请求目的节点集合，b请求所需的带宽粒度，△T此请求的服务时间。算法具体步骤描述如下：算法开始，步骤1：检查是否有请求到达（包括到达事件或离开事件），如果有，继续下一步；否则，算法结束，统计各项仿真指标。步骤2：等待请求到达，若是连接请求，转至步骤3，若是释放请求，转至步骤6。步骤3：根据当前网络状态以及新到请求的所需带宽构造辅助图，图中包含已存在的光树和光路，以及空闲的波长链路边，删去容量小于b的波长链路边。步骤4：计算源节点s处的光发送器个数和疏导端口个数，计算它们的比值α=源节点疏导端口个数/源节点发送器个数。将α值与疏导端口阈值TH（阈值的选取，是根据资源的最初配置情况，通过仿真来选取一个最优值）做比较，当α≥TH,选择最小化使用节点收发器策略，若α<TH,选择最小化使用节点疏导端口策略；如果此业务能够被成功传输，则继续下一步；否则，业务被阻塞，恢复步骤3中删除的链路边，跳转至步骤1。步骤5：资源分配，根据所选定的疏导策略，分配相应资源,更新网络资源信息（波长信道容量、节点光收发器，节点疏导端口数）。步骤6：释放资源，根据业务占用的网络资源情况，释放资源，更新相应资源信息，跳转至步骤1。

Claims (3)

1.一种自适应动态多播业务的疏导方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建一个具有多播分光和疏导能力的节点系统，包括用于信号分光和交换的光层、用于低速业务疏导的电域层；

当节点系统收到连接请求，根据当前网络状态以及新到请求所需的带宽构造网络的辅助图，所述辅助图中包含已存在的光树和光路，以及空闲的波长链路边，构建时删去带宽粒度小于请求所需的带宽粒度的波长链路边；

统计源节点处的光发送器个数和疏导端口个数，并计算光发送器个数和疏导端口个数的比值α，将α值与疏导端口阈值TH比较，当α≥TH,选择最小化使用节点收发器策略，若α<TH,选择最小化使用节点疏导端口策略；

根据所选定的策略分配波长信道容量、节点光收发器数和节点疏导端口数。

2.根据权利要求1所述一种自适应动态多播业务的疏导方法，其特征在于：所述最小化使用节点收发器策略具体为：1）当一个多播连接请求到达时，检查能否通过单跳疏导完成传输，不能就继续下一步；2）检查能否将新到请求疏导到允许冗余目的节点的光树上，不能就继续下一步；3）检查能否通过多跳疏导完成，不能就继续下一步；4）检查能否通过混合疏导完成新到请求业务的传输，不能就继续下一步；5）检查能否通过扩展已有光树来完成新到请求业务的传输，不能就继续下一步；6）直接新建一棵连接源节点和目的节点的光树，如果无法完成则此请求被阻塞。

3.根据权利要求1所述一种自适应动态多播业务的疏导方法，其特征在于：所述最小化使用节点疏导端口策略具体为：1）当一个多播连接请求到达时，检查能否通过单跳疏导完成传输，不能就继续下一步；2）检查能否将新到请求疏导到允许冗余目的节点的光树上，不能就继续下一步；3）直接新建一棵连接源节点和目的节点的光树，不能就继续下一步；4）检查能否通过扩展光树来完成新到请求业务的传输，不能就继续下一步；5）检查能否通过多跳疏导完成新到请求业务的传输，不能就继续下一步；6）检查能否通过混合疏导完成，如果还不能完成新到请求业务的传输，则此请求将被阻塞。