CN103236983A - 基于长路优先的光组播路由波长代价联合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路由方法，请求保护光组播网络中一种解决光网络最小光组播代价与最少波分使用量的联合优化方法。提出以最长路径优先的方法解决光组播树中违反分光约束节点的重路由方法，解决了光组播路由代价较小时波长使用量较大或波长使用量较小时路由代价过大的问题。通过控制反映光纤链路代价与波长使用带来的代价比值，实现了波长使用量最少和光组播路由总代价最小的长路优化光组播路由联合优化方法，解决了链路代价和波长使用量的双参数控制的最小光组播路由总代价的优化问题，降低了光组播路由中波长数的使用。本发明采用的光组播路由代价和最小波长使用联合优化，有利于提高光组播网络的波长资源利用率，减小光组播路由总代价。

Description

基于长路优先的光组播路由波长代价联合优化方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及一种用于解决光组播网络的波长分配与路由选择的联合优化方法。

背景技术

随着光网络技术的发展，光网络中单点发送、多点接收，多点资源提供、单点搜索，多点发送、多点接收的光组播应用越来越多，光组播路由建立消耗光网络的波长资源迅速增加。不同于计算机网络中组播请求的建立方式，光组播路由的建立不仅需要为源到所有目的节点构造一棵组播树，还需要考虑一些光域的特殊约束条件，如波长连续性和独立性约束、分光器配置约束、波长转换器配置约束等。因此，光组播路由问题就是在满足若干约束条件下构建覆盖源和所有目的节点的组播树并为其分配波长，这个问题已经被证明为NP-Complete问题。因此，如何在有限的光波长资源网络中为组播业务请求选择合适的路径及分配波长很大程度上影响着网络资源的合理利用、管理和控制，也影响着光组播性能。

对光组播路由优化问题的研究，许多研究者提出了解决光组播路由问题的方法，如：研究者Ali和Geogun研究了在光网络中寻找最小代价光迹的组播路由算法，但是对于相同的组播业务请求，建立光迹路由的代价要高于建立树状路由的代价；有研究者提出在具有稀疏分光能力的网络中构造包含多棵光树的“光森林”以满足组播业务请求的路由算法，并给出了建立光森林的4个集中式算法，但并未考虑优化组播路由的代价；有研究者提出一种以最小化波长使用数为目标的QoS组播路由算法，此算法能够在一定的时延约束下为光组播业务请求建立路由并分配波长；还有研究者提出了一种分布式光组播路由算法，一体化解决了路由和波长分配问题，同时优化了组播树的代价，等等。然而上述方法仅单一的以最小化组播路由代价或者波长使用量为优化目标，并未将组播路由代价与波长使用量综合起来考虑，因此它们为组播业务请求所建立的路由不是代价过高就是消耗波长资源量过大。

在光网络中，光组播路由树的代价要考虑由于光纤链路使用的代价和波长通道分配带来的额外代价相加而成，其中，波长分配的代价需要折算到光组播路由的总代价中，这样的最小代价光组播路由优化问题是多参数联合优化问题，是一个典型的NP难问题。

发明内容

针对现有光组播路由方法要么波长使用量过多、要么组播路由代价过大的问题，本发明采用折中优化波长使用量和组播树代价的策略，以同时最小化组播路由代价和波长使用量为目标提出了基于启发式算法的波长与代价联合优化(Joint Optimization ofWavelength and Cost,JOWC)的光组播路由优化方法：基于长路优先(LongPathFirst,LPF)的波长代价联合优化方法。该方法计算的组播路由代价包括光纤链路代价和波长分配的代价，得到的最小代价光组播树综合反映了最小光组播代价和最少波长使用量的联合优化结果。本发明提出的方法是：考虑光组播路由波长连续性约束条件及交换节点无波长转换器的情况，首先通过最短路径算法构造一棵最小代价组播树；然后检查组播树T是否满足分光约束，如果满足约束条件则算法终止；否则，就对违反分光约束的网络节点进行长路优先的新波长分配重路由操作，直至最终求得的光组播树满足分光约束且总代价最小。在重路由过程中，我们在目标函数中引入组播树链路代价与波长使用数目的比值作为控制参数δ，则光组播树的总代价等于光纤链路代价与分配使用波长数倍乘δ值。控制参考δ值，选择合适的光纤链路代价与波长分配使用代价的比值，控制在重路由过程中能够根据光网络的波长资源建立路由，实现同时兼顾组播树代价与波长使用量的优化目标。其中，长路优先策略对违反分光约束的节点进行重路由的具体过程是：首先为距离源节点较远的目的节点寻找最小代价路径，优先解决较长路径的重路由问题。由于长路优先策略能够在一定程度上减小组播树的代价。

构造一棵最小代价组播树具体为：对波长分层网络G_k使用最短路径算法计算源到每个目的节点的最小代价路径，合并相同的链路构成最小代价组播树T。寻找替代的重路由进一步包括：对不满足分光约束的组播树T，根据组播树T源节点的度数degree(s)，将T划分为degree(s)棵子树，对于每棵子树，确定该子树中距离源节点最远且所在路径代价最大的那个目的节点Far(v_i)、路径P¹(s,Far(v_i))、边集Edge(P¹(s,Far(v_i))，同时确定源到任意一棵子树的目的节点Far(v_i)的最小代价路径，从波长分层网络G_k中删去与之对应的边集Edge(P^k(s,Far(v_i))得到子图G’_k，重新确定边集Live(Far(v_i))，构建需要重路由的目的节点集合UNREACH，若UNREACH为空，则输出重路由后的光组播树。使重路由需求的波长使用量最小具体包括：选择UNREACH中距离源节点最远的目的节点v，对于任意一颗子树T(v_i)，i=1,2,…,degree(s)，根据其目的节点Far(v_i)，为其构造一个子图SG，其中SG={G’_j,G’_j∪Live(Far(v_i))，j=1,2,…,k+1}；在degree(s)个SG中寻找到v的最小代价路径P(s,v)，并将该路径分配至当前波长网络G_j。

本发明设计的一种基于长路优先的光组播路由最小波长代价联合优化方法，基于启发方法解决光组播网络中最小代价光组播树的构造和最少波长使用量的联合优化问题，引入控制参数δ使光组播重路由过程中组播树代价与波长使用量被控制在一个合适范围这内，优先解决长路径的重路由和波长分配问题，以上方法既解决了最少波长带宽分配问题，又解决了光组播树路由最小代价约束的优化问题。

附图说明

图1基于启发式方法的长路优先波长代价联合优化光组播路由方法流程图

图2长路优化波长代价联合优化光组播路由示意图（W=1，δ=4）

图3基于分光约束的光组播重路由示意图

具体实施方式

本发明设计一种考虑光网络无波长转换器，考虑波长连续性约束的基于长路优先的光组播路由最小代价和最少波长使用量的联合优化方法，包括：用最短树算法计算一棵满足组播要求的最小代价光组播树；对光组播路由上违反分光约束的网络节点使用启发式算法设计长路优先波长分配方法重路由。

考虑光网络节点无波长转换器，因此任意一条源到目的节点的路径所经过的所有链路必须使用同一波长，并且所有共享同一链路的源到目的节点的路径必须使用不同的波长对到达光网络输入节点的光组播请求的条件下，本发明最小代价和最少波长使用量光组播路由联合优化方法的具体实施过程是：首先用最短树算法计算一棵最小代价的光组播树，然后检查这棵光组播树各节点是否满足分光约束条件，如果满足分光约束条件，则算法终止，满足可用波长分配的最小代价的光组播路由找到；否则，就对光组播树上违反分光约束的网络节点寻找替代的重路由。

重路由寻找过程包括：为距离源节点较远的目的节点寻找避开分光约束节点的源-宿最小代价路径，优先解决较长路径的重路由问题，在确定具体使用哪条重路由时，根据控制参数权衡和比较替代的重路由后光组播代价与波长使用量的比值，使重路由能够根据光网络的波长资源情况建立路由，实现同时兼顾组播树代价与波长使用量的优化目标。

当对所有违反分光约束的网络节点完成重路由后，得到满足光组播分光约束的最小代价和最少波长使用量的光组播路由，实现光组路由最小代价和最少波长使用量的联合优化目标。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。附图1为基于启发式方法的长路优先波长代价联合优化光组播路由方法流程图。

LPF-JOWC方法的特点是采用长路优先策略对违反分光约束的光网络=G(V,E,W,c)节点进行重路由，其中V为网络节点集合，E为网络光纤链路集合，W为网络链路的波长集合，C为链路代价集合。在LPF-JOWC方法中，首先为距离源节点路径最远的目的节点计算最小代价路径，优先解决距离源节点距离最远的目的节点的路由选择问题。

首先通过最短路径树(ShortestPathTree,SPT)算法计算光网络抽象图G=G(V,E,w,c)的一棵最小代价组播树T，然后检查组播树T是否满足分光约束，如果满足则算法终止；否则对违反分光约束的节点进行重路由直至最终求得的组播树满足分光约束。

其中，长路优先(LongPathFirst)体现在两点：对于组播树T中的每个子树，首先为距离源节点最远且所在路径代价最大的目的节点进行路由；对违反分光约束的目的节点进行重路由时，优先为距离源节点最远的目的节点路由。

为了方便LPF-JOWC方法和过程的描述，表1首先给出了一些变量定义。

表1：LPF-JOWC方法中默认变量定义

根据上述定义，图G(V,E,W,c)，W是网络的波长数，G_k表示图G的第k层波长网络。初始化控制参数δ值。选择合适的控制参数δ值，均衡反映光纤链路代价与波长使用数比值关系。基于启发式方法实现光组播路由最小代价和最少波长使用量联合优化方法的具体流程图1所示，具体的步骤如下：

步骤1：令波长分层网络G_k=G，对G_k首先使用SPT算法计算源到每个目的节点的最小代价路径，然后合并相同的链路构成最小代价组播树T。判断组播树T是否满足分光约束，如果满足，则算法终止并输出最优组播树；否则，转步骤2。

步骤2：根据组播树T源节点的度数将T划分为degree(s)棵子树，每棵子树记为T(v_i)，i=1,2,…,degree(s)。对于每棵子树，确定该子树中距离源节点最远且所在路径代价最大的那个目的节点Far(v_i)、路径P¹(s,Far(v_i))、边集Edge(P¹(s,Far(v_i))，同时确定源到每棵子树的目的节点Far(v_i)的最小代价路径。

从G_k中删去边集Edge(P^k(s,Far(v_i))得到子图G’_k，重新确定边集Live(Far(v_i))，构建需要重路由的目的节点集合UNREACH。若UNREACH集合为空，则输出重路由后的光组播树；否则，执行步骤3。

步骤3：选择UNREACH中距离源节点最远的目的节点，设为v。对于每棵子树T(v_i)，i=1,2,…,degree(s)，目的节点Far(v_i)，为其构造一个子图SG，其中SG={G’_j,G’_j∪Live(Far(v_i))，j=1,2,…,k+1}，其中，G’_j代表从波长分层网络G_j中删去从源节点到任意一棵子树的目的节点Far(v_i)的最小代价路径边后剩余的子图。

步骤4：在degree(s)个SG中寻找到v的最小代价路径P(s,v)。若路径P(s,v)经过UNREACH中的其它目的节点{v₁,v₂,…,v_k}，则该路径代价值c(P(s,v))=c(P(s,v))－c(P(s,v₁))－…－c(P(s,v_k))。如果能够找到多条可达路径，选择其中代价值最小的那条路径并将该路径分配至当前波长网络G_j；若路径P^j(s,v)使用了第k+1层波长网络，即当j=k+1时，则路径代价需要增加控制参数δ与波长使用量的乘积值，通过波长转换器使用成本代价不同设置不同的δ值折算波长使用等效的路径代价。从G’_j中删除边集Edge(P(s,v))，UNREACH中删除目的节点v及路径P(s,v)所经过的其它目的节点，同时更新Live(Far(v_i))。否则，令k=k+1，若k≤W，返回步骤1；若k>W，则中止并返回错误，其中，k为层数。

以图2为例说明LPF-JOWC算法的具体执行过程。图2中，W=1，组播请求r(s,{1,2,3,4,5,6})，δ=4。首先算法执行步骤1得到最小代价组播树T如图2(a)所示最小代价组播树T（W=1），由于组播树T不满足分光约束，因此需要为目的节点1和3进行重路由。T可划分为3棵子树T(7)、T(8)和T(10)，相应的每棵子树中距离源节点最远且代价最大的目的节点分别为2、6和4。执行步骤2的操作后，得到子图G₁’=G₁－Edge(s,2)－Edge(s,6)－Edge(s,4)以及需要重路由的目的节点集合UNREACH={1,3}，如图2(b)所示得到G’₁。UNREACH集合中目的节点3距离源s最远，因此，先对目的节点3进行重路由：在子图G₁’中找到的最小代价路径为P¹(s,3)=s→9→13→3，c(P¹(s,3))=15；如图2(c)为子图G₁’∪Live(Far(7))，在子图G₁’∪Live(Far(7))中找到目的节点2的最小代价扩展路径P¹(2,3)=2→11→3，c(P¹(2,3))=9；在G₂中得到的最小代价路径为P²(s,3)=s→7→14→3，c(P²(s,3))=7+δ=11。显然扩展路径P¹(2,3)的代价最小，因此目的节点3被路由到G₁。同理可以得到目的节点1的最小代价路径P¹(3,1)=3→13→1，c(P¹(3,1))=3。最终求得的满足分光约束的光组播树如图2(d)中的粗线条所示满足分光约束的总代价最小光组播树(W=1，δ=4)，波长使用数目为1。

图3是光网络在组播路由中分光约束条件的示意图。在光网络G(V,E,W,c)中，除源节点外的所有节点均使用代价较低的分光续传TaC（Tap and Continue）节点模型，因此对于每层波长网络上所建立的组播路由，除源节点外的所有节点的度数必须小于等于2。在图3中，给定一个七个节点的网络加权图和一个组播请求r(s,D)=r(s,(3,4,7))，图G中的每条链路上的数字表示其链路代价，执行最小代价光组播树算法所得的最小代价光组播树在图中用粗线条标识，由于在此光组播树的中间节点2的度数超过了2，违反了分光约束，因此需要对目的节点3或4通过当前波长网络的扩展路径或者新波长网络进行重路由。

Claims (5)

1.一种光组播路由方法实现最小光组播代价和最少波长使用量的联合优化方法，其特征在于，通过最短路径算法构造一棵最小代价组播树；检查组播树T是否满足分光约束条件，对不满足分光约束条件的网络节点进行长路优先的新波长分配重路由操作寻找替代的重路由，使重路由需求的波长使用量最小，直至求得的光组播树满足分光约束且总代价最小。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，寻找重路由进一步包括，为距离源节点最远的目的节点寻找避开分光约束节点的源-宿最小代价路径。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构造一棵最小代价组播树具体为：对波长分层网络G_k使用最短路径算法计算源到每个目的节点的最小代价路径，合并相同的链路构成最小代价组播树T。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，寻找替代的重路由进一步包括：对不满足分光约束的组播树T，根据组播树T源节点的度数degree(s)，将T划分为degree(s)棵子树，对于每棵子树，确定该子树中距离源节点s最远且所在路径代价最大的那个目的节点Far(v_i)、路径P¹(s,Far(v_i))、边集Edge(P¹(s,Far(v_i))，同时确定源到任意一棵子树的目的节点Far(v_i)的最小代价路径，从波长分层网络G_k中删去与之对应的边集Edge(P^k(s,Far(v_i))得到子图G’_k，重新确定边集Live(Far(v_i))，构建需要重路由的目的节点集合UNREACH，若UNREACH为空，则输出重路由后的光组播树。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，使重路由需求的波长使用量最小具体包括：选择UNREACH中距离源节点最远的目的节点v，对于任意一颗子树T(v_i)，i=1,2,…,degree(s)，根据其目的节点Far(v_i)，为其构造一个子图SG，其中SG={G’_j,G’_j∪Live(Far(v_i))，j=1,2,…,k+1}；在degree(s)个SG中寻找到v的最小代价路径P(s,v)，并将该路径分配至当前波长网络G_j。其中，G’_j代表从波长分层网络G_j中删去从源节点到任意一棵子树的目的节点Far(v_i)的最小代价路径边后剩余的子图。

Images