CN103501197B - 一种疏导节点个数最少化的多播业务疏导方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种疏导节点个数最少化的多播业务疏导方法，属于网络通讯技术领域。该方法研究了一种综合考虑节点代价和节点度数的最小代价最大节点度数节点疏导能力排序，优先考虑节点代价，其次考虑节点度数作为节点疏导能力的排序。然后，设计了多播业务在稀疏疏导节点网络中进行业务疏导传输的过程。最后，将网络的网络阻塞率性能指标作为是否去掉节点疏导能力依据，通过设定网络性能恶化的允许范围上界值，逐个减少网络中具有疏导能力的节点个数，达到在可控网络阻塞率条件下配置最少网络疏导节点个数的目标。本发明能够在不明显降低网络阻塞率性能的条件下，减少疏导节点的使用个数，大大降低网络的建设成本。

Description

一种疏导节点个数最少化的多播业务疏导方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，具体涉及WDM网状光网络中的一种疏导节点个数最少化多播业务疏导方法。

技术背景

通常对WDM光网络中业务疏导的研究，都是假设网络中的所有节点都具有疏导能力。而具有疏导功能的节点包含一个疏导单元。因此，具有疏导功能节点的代价远大于不具有疏导功能节点的代价。所以，在实际的WDM骨干网中，不可能为网络中的每个节点都配置成具有疏导功能的节点。这样，网络中的节点可分为2类，一类是具有疏导能力的节点，称为疏导节点，可以完成低速业务的交换和疏导功能；另一类为普通节点，称为无疏导能力节点，只能完成业务的交换功能，不能完成低速业务的疏导传输，这样的网络就称为稀疏疏导网络。然而，在稀疏疏导网络中，由于部分节点不能进行低速业务的疏导传输，这样就会造成网络资源不能合理的利用，使网络性能下降。所以，如何选择疏导节点并且如何在不明显降低网络性能的条件下尽量少用疏导节点是一个值得研究的问题。

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多播应用越来越多，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多播业务疏导方法来提高网络资源利用率，降低网络阻塞率。

针对多播业务疏导，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。由于以往的研究对象都是针对全疏导网络，这样会造成网络的建设成本非常高，而且有研究表明，当网络中配备的疏导节点个数过多时，并不能大幅度提高网络的性能，所以对稀疏疏导网络进行研究非常有必要。

发明内容

由于网络中配备具有疏导能力的节点个数过多时对网络性能改善并不明显，并且具有疏导能力的节点相比无疏导能力的节点代价更高，所以如何合理选择尽量少的疏导节点对网络的建设具有很大的实用意义和经济价值。

本发明所要解决的技术问题是，如何合理配备网络中疏导节点个数，达到提高网络性能的作用。

本发明采用如下的技术方案，一种疏导节点个数最少化的多播业务疏导方法，包括节点最小代价最大度数的疏导节点排序，基于稀疏疏导节点网络的多播业务传输，基于网络阻塞率约束的最少疏导节点个数选择。

计算出网络中所有n个多播请求的最低网络阻塞率P₀；根据节点最小代价最大度排序方法对节点的疏导能力进行从大到小的排序，确定网络在多播请求下可以劣化的网络阻塞率上限值P_k；按节点的疏导能力排序顺序逆向去掉网络中该节点疏导能力，得到的网络为稀疏疏导网络；依次在网络中去掉节点的业务疏导能力，每去掉一个节点疏导能力后，计算网络在多播业务请求下的实际网络阻塞率P_i；如果P_i小于等于P_k，继续向网络中添加配置下一个无疏导能力节点，直到网络阻塞率P_i大于P_k值，恢复最后加入的无疏导能力节点的疏导能力，使成为有疏导能力的疏导节点，输出当前网络的无疏导能力节点集合和有疏导能力节点集合。

节点最小代价最大度数的疏导节点排序具体包括，根据网络中各节点关联链路及各输出链路代价总和计算各节点的代价值，按照代价值由小到大作为疏导能力节点的排列顺序。若多个节点的代价相同，则比较这些节点的度数，度数最大的节点担任疏导节点的优先级最高，排序在这几个节点的最前面，依此类推。若多个节点的代价和节点度数都相同，则几个节点疏导能力随机排序。按此排序规则，排在最前面的节点具有担任疏导节点的最高优先级，排在最后面的节点选择作疏导节点的优先级最低。

基于稀疏疏导节点网络的多播业务传输包括，网络中不同类型的节点疏导能力不同，根据多播业务源和目的节点的不同，分为下面4种情况，请求源节点和目的节点都为疏导节点，源节点为疏导节点目的节点为无疏导能力节点，源节点为无疏导能力节点目的节点为疏导能力节点，源目的节点都为无疏导能力节点。

当新业务请求的源节点为具有疏导能力的节点时，按照以下传输方式进行业务疏导传输：单跳疏导→多跳疏导→混合疏导→扩展光树→新建光树；当新业务请求的源节点为不具有疏导能力的节点时，按照如下传输方式进行业务疏导传输：单跳疏导→新建光树。根据公式：P_k=P₀*K计算业务请求阻塞率劣化的上限值P_k，其中，K为允许网络性能恶化的容限值。当一个多播业务到达，如果此业务的源节点为无疏导能力节点，在已建的光树中，寻找能否通过单跳疏导、或混合疏导、或直接新建光树完成业务疏导传输，如能完成，该业务请求被成功传输到目的节点；如果此业务的源节点为有疏导能力节点，在已建的光树中，寻找能否通过单跳疏导、或通过多跳疏导和混合疏导完成业务疏导传输，如不能，扩展光树或直接新建光树完成业务疏导传输。

基于网络阻塞率约束的网络最少疏导节点个数的选择具体包括，通过设定一个业务请求阻塞率上界值，用符号P_k表示，代表网络中允许的网络性能最大恶化值。假定网络所有节点初始化时都具有疏导功能，采用节点最小代价最大度数策略，向网络中依次去掉一些不满足最小代价最大度数的节点的疏导能力，再计算当前业务请求下的网络阻塞率，并用符号P_i表示，当P_i≥P_k时，停止去掉节点的疏导能力，并删除最后一次去掉节点的疏导能力，即恢复最后一次去掉疏导能力节点的疏导能力。

网络最少节点个数选择方法属于网络阻塞率约束的迭代方法，主要是通过设定一个允许网络性能恶化的阻塞率上界值P_k，将网络中由于疏导节点减少使网络阻塞率增加是否达到最坏值P_k作为选择去掉疏导能力的约束条件，通过逐渐减少网络中疏导节点个数，以达到最小化网络疏导节点个数实现减小网络建设成本的目的。

本发明首先提出一种最小代价最大节点度数方法评价疏导节点的疏导性能，并根据节点最小代价最大节点度数值对节点疏导能力进行排序；通过网络阻塞率约束的迭代方法依次去掉疏导节点排序中最后面节点的弱疏导能力节点的疏导能力，即成为无疏导能力节点；计算多播请求时的网络阻塞率，比较此阻塞率是否低于网络允许的劣化阻塞率值P_k来决定是否去掉网络中一些节点的疏导能力成为无疏导能力节点。随着迭代次数的增加，网络中满足阻塞率条件下具有疏导能力的节点数目越来越少，这种方法能够保证网络性能恶化在允许的可控上界值范围内，实现网络中疏导节点个数的最少化，从而实现网络建设成本的降低。

附图说明

图1具有疏导能力的节点结构；

图2不具有疏导能力的节点结构；

图3稀疏网络中多播业务传输流程图；

图4疏导节点个数最少的选择方法流程图。

具体实施方式

在光网络中，实现多播业务传输一般有下面几种方法：

1.单跳疏导：当一个新多播业务到达，如果此业务的源节点和目的节点与当前网络中已有的某个多播业务源节点和目的节点完全相同，则可以通过单跳疏导来完成，单跳疏导针对的是同源同目的节点的业务，相当于在源节点通过TDM技术复用到同一个波长上，不需要消耗额外的疏导端口和节点光收发器；

2.多跳疏导：将新到达的多播业务请求通过当前网络中已经建立的多棵光树来完成传输，此时新业务的源节点与网络中已有的第一棵光树源节点相同，与已有的第二棵光树的目的节点相同，并且第二棵光树的源节点在第一棵光树的目的节点集中，因为第一棵光树中会有一些目的节点接收到冗余的信息，通常设定第一棵光树只寻找目的节点不超过2个的光树。此种疏导方式中新到请求的源节点、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：新建一条连接新到业务请求源节点和网络中已有光树源节点的光路，需为此光路分配合适的波长，此时新到请求的目的节点与找到的网络中已有光树的目的节点相同但源节点不同。新到业务请求通过已有光树和新建的光路来完成疏导传输，此种疏导方式中新到请求源节点消耗发送器、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：扩展网络中已建立光树的目的节点以满足到达新到达业务请求的所有目的节点，此时必须满足已有光树源节点和新到达业务请求源节点相同，新到达业务请求的目的节点集包含已有光树的目的节点集，此方法新到达业务请求源节点和已有光树的目的节点都需要消耗疏导端口，扩展的目的节点需消耗光接收器；

5.直接新建光树：新建一棵连接源节点和所有目的节点的光树，并分配合适的可用波长，此方法中新到达业务请求源节点消耗发送器，目的节点消耗接收器。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图1为具有疏导功能的节点结构，此结构包括1个具有2级光波长交换单元的波长交换模块、根据总体多播业务目的节点期望值配置相应个数的分光器和放大器、一个电疏导矩阵以及根据网络资源变化配置相应个数的可调谐光收发器。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与网络节点的输入/输出输出端口连接；每根输入光纤首先经过解复用器（DEMUX）分成W个独立的波长通道，这些波长通道能直接通过波长交换模块交换到输出光纤上的相应波长通道，并经过复用器（MUX）复用到相应的输出光纤输出。

从附图1可以看出，波长交换模块中包含了2级波长交换单元，分别为OpticalSwitch1和OpticalSwitch2，主要完成2级波长交换的功能；分光器完成多播的功能；Tx代表节点的光发送器，Rx代表节点的光接收器，其个数根据网络资源的配置情况来相应设定，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OpticalSwitch1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进行分光处理，然后再通过OpticalSwitch2分别送往不同的下一个相邻网络节点，当到达了目的节点处，就需要消耗一个光接收器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光发送器Tx，且目的节点有空闲的光接收器Rx。

从附图2可以看出，此节点结构与图1相比，缺少低速业务疏导单元，其他结构都相同。这种节点对小粒度的业务不能进行单独交换，无法完成疏导传输，这种结构中建立的光树或光路中所传输的业务都是具有相同源和目的节点的业务，可以看出这样的节点对于小粒度业务的疏导操作约束条件更多，满足条件的业务请求更少，所以在网络中如何选择疏导节点对于网络的性能影响很大。无疏导能力的节点结构简单，有利于降低网络的建设成本。

附图3详细描述了稀疏疏导网络中多播业务的传输方法，过程如下：

步骤1：当一个多播业务到达，如果此业务的源节点为无疏导能力节点，跳转至步骤2，否则是疏导能力节点，转至步骤3；

步骤2：在当前网络已有业务所建的光树中，寻找能否通过单跳疏导完成，如果成功则转至步骤4；不能完成，则能否通过混合疏导完成，此时必须满足已建光树的源节点具有疏导能力，成功传输则转至步骤4；否则，则为此业务请求直接新建一棵满足条件的光树，此时源节点必须有可用光发送器，目的节点必须有可用光接收器，并且有可用的波长信道资源。如果成功新建一棵光树，转至步骤4，否则转至步骤5；

步骤3：在已建的光树中，寻找能否通过单跳疏导完成，如果可以则转至步骤4；不行，则寻找能否通过多跳疏导和混合疏导完成，成功传输则转至步骤4，否则选择扩展光树策略，成功传输转至步骤4，否则，则选择直接新建光树策略，成功新建转至步骤4，否则转至步骤5；在多跳疏导方式中，寻找到的第一棵目的节点相同源节点不同的光树，此光树的源节点必须为具有疏导能力节点，否则不能够通过多跳疏导来完成。在混合疏导方式中，同样在寻找到的目的节点相同，源节点不同的光树中，此光树的源节点必须为具有疏导能力节点并且有可用的光接收器，并且此请求的源节点必须有空闲的光发送器，只有满足所有的这些条件，才能够成功的通过混合疏导方式完成传输。在扩展光树策略中，必须满足扩展分支节点为具有疏导能力节点，否则不能够完成；

步骤4：此多播业务连接请求被成功传输到目的节点；

步骤5：此多播业务连接请求被网络阻塞。

如附图4所示一种疏导节点个数最少化选择方法流程图，包括：

最小代价最大节点度数排序节点疏导能力，计算网络阻塞率P0，设置阻塞率劣化上限值Pk；按疏导能力排序节点顺序逆向去掉网络G中该节点疏导能力，并计算网络阻塞率Pi,判断Pi是否小于等于Pk，如是，删除最后一次去掉节点的疏导能力，输出当前网络所有无疏导能力节点集合。选择方法的过程如下：

步骤1：初始化网络，假设网络中的所有节点都配置为具有疏导能力节点，先设网络有多个多播请求，多播请求数目用n表示，在给定网络拓扑和资源的情况下计算出n个多播请求的最低网络阻塞率，用符号P₀表示，n的值越大，计算出的理想P₀值越准确；

步骤2：根据节点最小代价最大度方法对节点的疏导能力进行从大到小的排序。确定网络在多播请求下可以劣化的网络阻塞率上界值P_k，其中，P_k=P₀*K，K为允许网络性能劣化的容限值，如K=1.1，代表允许网络阻塞率性能劣化10%；并计算出网络允许劣化的网络阻塞率上界值P_k=P₀*K；

步骤3：设定一个变量i，且i=1，代表此时网络中有1个无疏导能力节点，这个节点就是步骤2中排序的最后一个节点，去掉其疏导能力得到。此时的网络就为稀疏疏导网络，通过图3所示的多播业务传输方法计算出当前网络的实际业务请求网络阻塞率，用符号P_i表示。比较P_i与P_k的关系，如果P_i的值小于P_k，转至步骤4，否则转至步骤5；

步骤4：将变量i的值加1，代表继续向网络中添加配置下一个在无疏导能力节点，即在节点排序中倒数第i个节点的疏导能力去掉成为无疏导能力节点，重复步骤3的操作，直到网络阻塞率P_i大于P_k值，转至步骤5；

步骤5：恢复最后加入的无疏导能力节点的疏导能力，使成为有疏导能力的疏导节点，算法结束，输出网络的无疏导能力节点集合和有疏导能力节点集合。

该方法首先研究了一种综合考虑节点代价和节点度数的最小代价最大节点度数节点疏导能力排序方法，优先考虑节点代价，其次考虑节点度数作为节点疏导能力的排序方法。然后，设计了多播业务在稀疏疏导节点网络中进行业务疏导传输的过程。最后，基于最小代价最大节点度排序方法设计了一种网络阻塞率约束的疏导节点个数最少化的选择方法，此方法是将网络的网络阻塞率性能指标作为是否去掉节点疏导能力依据，通过设定网络性能恶化的允许范围上界值，逐个减少网络中具有疏导能力的节点个数，达到在可控网络阻塞率条件下配置最少网络疏导节点个数的目标。本发明采用的疏导节点个数最少化选择方法，能够在不明显降低网络阻塞率性能的条件下，减少疏导节点的使用个数，大大降低网络的建设成本。

Claims (4)

1.一种疏导节点个数最少化的多播业务疏导方法，其特征在于，计算出网络中所有n个多播请求的最低网络阻塞率P₀；根据节点最小代价最大度数的疏导节点排序方法对节点的疏导能力进行从大到小的排序，确定网络在多播请求下可以劣化的网络阻塞率上限值P_k；按节点的疏导能力排序顺序逆向去掉网络中该节点疏导能力，得到的网络为稀疏疏导网络；依次在网络中去掉节点的业务疏导能力，每去掉一个节点疏导能力后，计算网络在多播业务请求下的实际网络阻塞率P_i；如果P_i小于等于P_k，继续向网络中添加配置下一个无疏导能力节点，直到网络阻塞率P_i大于P_k值，恢复最后加入的无疏导能力节点的疏导能力，使其成为有疏导能力的疏导节点，输出当前网络的无疏导能力节点集合和有疏导能力节点集合；

节点最小代价最大度数的疏导节点排序具体包括，根据网络中各节点关联链路及各输出链路代价总和计算各节点的代价值，按照代价值由小到大作为疏导能力节点的排列顺序；若多个节点的代价相同，则比较这些节点的度数，度数最大的节点担任疏导节点的优先级最高，排序在这几个节点的最前面，依此类推；若多个节点的代价和节点度数都相同，则几个节点疏导能力随机排序；按此排序规则，排在最前面的节点具有担任疏导节点的最高优先级，排在最后面的节点选择作疏导节点的优先级最低。

2.根据权利要求1所述的多播业务疏导方法，其特征在于，当新业务请求的源节点为具有疏导能力的节点时，按照以下传输方式进行业务疏导传输：单跳疏导→多跳疏导→混合疏导→扩展光树→新建光树；当新业务请求的源节点为不具有疏导能力的节点时，按照如下传输方式进行业务疏导传输：单跳疏导→新建光树。

3.根据权利要求1所述的多播业务疏导方法，其特征在于，根据公式：P_k＝P₀*K计算业务请求阻塞率劣化的上限值P_k，其中，K为允许网络性能恶化的容限值。

4.根据权利要求1所述的多播业务疏导方法，其特征在于，当一个多播业务到达，如果此业务的源节点为无疏导能力节点，在已建的光树中，寻找能否通过单跳疏导、或混合疏导、或直接新建光树完成业务疏导传输，如能完成，该业务请求被成功传输到目的节点；如果此业务的源节点为有疏导能力节点，在已建的光树中，寻找能否通过单跳疏导、或通过多跳疏导和混合疏导完成业务疏导传输，如不能，扩展光树或直接新建光树完成业务疏导传输。