CN105007223A - 一种基于光层次架构的光网络动态多播路由波长分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光层次架构的光网络多播路由和波长分配方法。本方法将改进的边消除光层次算法(Edge？Removal？Light-Hierarchy，简称ERLH算法)引入光网络的动态多播路由和波长分配中，在选择目的节点并将对应最短路径加入光层次时，综合考虑路径的代价和路径中剩余波长数以及全网的剩余波长总数，根据网络当前资源占用情况动态地选择路径；进一步提出新的权重设定方式和动态调节选路策略，使加入光层次的路径分布在距离最短、负载最小以及剩余波长数和代价比值最大的路径上，以充分合理利用网络资源，降低光网络的阻塞率。

Description

一种基于光层次架构的光网络动态多播路由波长分配方法

技术领域

本发明涉及一种光网络动态多播路由和波长分配方法，尤其涉及一种基于光层次架构的光网络动态多播路由和波长分配方法，属于光通信技术领域。

背景技术

光网络是由网络节点和连接节点的多波长光纤链路构成。波分复用技术(WDM)可以在一根光纤中同时传输若干不同波长的光信号，具有技术方案成熟和易于扩展等特点，是目前充分利用光纤带宽和提升系统容量最常用的方法之一。

路由和波长分配(RWA)是WDM光网络中设计和优化的核心问题之一，主要是指在光网络中为从源节点到目的节点的连接请求选择合适的路由，并给该路由分配合适的波长。多播是一种点到多点的通信方式，光网络中建立的点到多点波长信道称为光树，WDM光网络中的多播RWA问题即建立点到多点的光树。在全分光WDM网络中，所有节点均可以分光，建立一个多播会话只需一个光树，称为Steiner问题。与普通的RWA问题相比，建立多播树光网络中存在包括稀疏分光器配置约束、波长连续性约束、能量损伤约束等约束问题。由于分光器价格昂贵，且会带来额外损耗，波长转换也会引入额外的代价，技术实现相对复杂，因此研究稀疏分光器配置和零波长转换器配置下的WDM光网络中的多播RWA问题具有更好的应用价值。在稀疏分光器配置约束和波长连续性配置约束下的WDM光网络中RWA算法包括重路由到源、重路由到任何节点、仅限成员、成员优先等。相关文献表明：以上四种经典算法中，成员优先算法较好的控制阻塞率，综合性能最优[Xijun Zhang,John Wei,Chunming Qiao.Constrained MulticastRouting in WDM Networks with Sparse Light Splitting[J].IEEE/OSA Journal of LightwareTechnology,2000:18(12):1917-1927]。

稀疏分光配置下的WDM网络可以看作一个无向图G(V,E,c,W)。V代表图G的定点集。每个节点v∈V，v是MI节点(不可多播节点)或MC节点(可多播节点)。

V＝{v|v＝MI or v＝MC}                (4)

E代表图G的边集，与网络中节点间的光纤链路相对应。W表示每根光纤支持的波长数。每条边e∈E都关联一个代价函数C(e)。由于目标是最小化波长信道的使用，因此代价函数C(e)可以定义如下：

C(e)＝1,e∈E                     (5)

考虑一个多播会话ms(s,D)，且应满足以下限制：(1)波长连续性限制，即在没有波长转换器的条件下，一个光架构(例如光树或光层次)的所有链路必须使用相同的波长；(2)区别波长限制，两个光树若有相交则必须使用不同的波长；(3)稀疏分光限制。请求建立一个完成从源s到所有目的节点集合D的多播会话的光架构的集合(例如光树)。不失一般性，假设在一个多播会话中有K＝|D|个目的节点，建立该多播会话ms(s,D)需要k个光架构(例如光树或光层次)LS_i(s,D_i)，其中i∈[1,k]，1≤k≤K≤N-1。考虑网络资源的最佳利用，总代价应该最小。因此，一个多播会话的总代价可以由建立该多播会话的所有光架构的代价和计算得出

$C\left(ms\left(s,D\right)\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}C\left({\mathrm{LT}}_i\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\underset{e\∈{\mathrm{LT}}_i}{\Σ}C\left(e\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}\underset{e\∈{\mathrm{LT}}_i}{\Σ}1---\left(6\right)$

在稀疏分光配置的WDM光网络中，由于MI节点不能作为分支节点，因此光树架构被认为是充分利用波长信道数即最小化总代价的最佳方案。交叉对开关(CPS)的出现使得一个度数大于等于4的节点能被访问两次。通过利用不同的输入输出端口对，一个4度MI节点在一个光架构中能连接两个继承节点。同时为了实现交叉对交换，该MI节点也应该连接两个前驱节点。这样一个4度MI节点能被访问两次，多播架构将不再是光树，而是光层次，因为可能有环存在。

考虑一个多播会话ms(s,D)，在光层次中，由于一个MI节点可能被遍历两次，而在子层次中用过的边不能被用在同样的光层次中。因此，当建立多播会话的光层次时，子层次中已使用的边对于遍历剩余的目的节点无用。可用边消除光层次算法来计算光层次：即为计算光层次，在每一次迭代中找出与当前光层次LH_k最近的目的节点d_i，将图G_i中该最短路径(d_i,c_i)加入到当前光层次LH_k(c_i为d_i与当前光层次的最佳连接点)；然后将最短路径(d_i,c_i)中的边从图G_i中删除生成新的图G_i+1，同时更新MC_SET(图G_i中MC节点的集合)。在下一次迭代中，计算图G_i+1中的最短路径并找出与当前光层次最近的目的节点。由于是稀疏分光配置，类似光树架构，一个多播会话可能需要建立多个光层次。由于交叉对开关的使用，使得一个4度MI节点可能被访问两次，已经证明在稀疏分光配置网络中，光层次多播架构比光树多播架构能更能充分利用波长信道[Fen Zhou,Miklos Molnar,Bernard Cousin.Is Light-tree Structure Optimalfor Multicast Routing in Sparse Light Splitting WDM Networks[J],In Proc.18thInternational Conference on Computer Communications and Networks,San Francisco,USA,2009.]。因此，光层次多播架构是稀疏分光网络中的最佳多播路由方案。

传统的边消除光层次算法中，每一次迭代时总选择离当前光层次最近的目的节点，并将对应的最短路径加入该光层次。选择最近目的节点时只考虑了路径的代价，导致后期某些路径的代价可能不是最小的，但波长资源却很丰富，某些最短路径上可能不存在可分配的波长，却仍选择该链路加入光层次，从而产生链路拥塞及波长资源的浪费。因此，若用边消除光层次算法解决RWA问题，需要针对传统边消除光层次算法进行改进，在选择目的节点并将对应最短路径加入光层次时，把路径的代价和路径中波长资源同时考虑进来作为约束。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对引入克服边消除光层次算法建立光层次解决RWA问题时，由于未考虑链路中的波长资源而产生链路拥塞和波长资源的浪费，提出一种基于光层次架构的光网络动态多播路由和波长分配方法。

本发明的思路是在选择距离光层次最近的目的节点，并将其对应的最短路径加入光层次时，不是仅将代价最小的路径加入光层次[Fen Zhou,Molnar,M.,Cousin,B.Light-Hierarchy:Cost-Efficient Structure for Multicast Routing in WDM Mesh Networks[J],Computers and Communications(ISCC),DOL 10,2010,pp.611-616]，而是综合考虑路径的代价和路径中剩余波长数以及全网的剩余波长总数，并提出新的权重设定方式。据此可以动态地调节选路策略：当网络中剩余的波长资源较丰富时增大选择最短路径的概率，网络中剩余波长数较小时增大选择路径中剩余波长数大的概率。通过新的权重函数计算出的值最大的路径加入光层次，使得加入该光层次的路径分布在距离最短、负载最小以及剩余波长数和代价比值最大的路径上。

传统的边消除光层次算法在选择路径加入光层次时采用公式(7)进行计算：

$C\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d_i,c_i\left)\right)\underset{d\∈D,c\∈MC\_SET}{\min }C\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d,c\left)\right)---\left(7\right)$

式中，函数C()是路径的代价。本发明是在边消除光层次算法(ERLH)基础上进行改进，具体而言，本发明采取以下技术方案：

利用边消除光层次算法进行多播路由和波长分配，在选择路径加入光层次时采用公式(1)进行计算：

$P\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d_i,c_i\left)\right)=\underset{d\∈D,c\∈MC\_SET}{max}P\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d,c\left)\right)---\left(1\right)$

式中，D表示目的节点的集合，MC_SET表示第i次更新后的拓扑图G_i中MC节点的集合，(d,c)表示c到d的最短路径，其中P()是权重函数，其表述如下：

$P\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d,c))=N_w/N_c^{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

式中，表示路径的代价，N_c越大说明路径经过的跳数越多，N_c越小说明路径经过的跳数越少；N_w表示路径的剩余波长数，即路径上各段链路的最小剩余波长数，N_w越大表示网络中剩余波长数越多，即路径的拥挤程度越小；如果N_w越小表示网络中剩余波长资源越少。α为影响因子，它由整个网络中剩余波长总数决定，通过改变α的值，就可以实现不同的选路策略，选取不同的路由。

在选择路径加入光层次时，本发明改进的边消除光层次算法的选路策略是当网络中剩余波长总数较大时，应增大短路径的选择，即应通过调整α增大权重函数P()中路径的波长信道数N_c的影响；当网络中剩余波长总数较小时，应增大小负载链路的选择，即应通过调整α增大权重函数P()中路径剩余波长数N_w的影响。这样可以充分的利用网络资源，合理地分配网络资源，不是仅根据路径的代价或剩余波长数进行路由选择，降低了网络阻塞率。

下面给出α的设定：

α＝9.8R_w+0.2    0≤R_w≤1                      (3)式中R_w是网络的剩余波长率，R_w等于网络中剩余波长数和网络总波长数的比值。影响因子α被设定为关于网络的剩余波长率R_w的连续函数，可以根据网络中剩余波长数实时动态地调节选路策略。

算法的框架如下：

1-1)利用Dijkstra算法计算出所有d∈D到c∈MC_SET的最短路径根据网络中剩余波长数和网络总波长数的比值R_w通过公式(3)计算出α值，再通过公式(2)计算出路径的权重，最后通过公式(1)计算出最佳路径加入光层次，若计算出的最优光路不止一条，则选择具有离源节点s最近的连接点的那条路径；

1-2)将1-1)选出的最优光路的目的节点d_i从D中去除，将目的节点和最优光路中的MC节点加入MC_SET，若连接点c_i是MI节点则从MC_SET中去除，最后把1-1)选出的最优光路中的链路从图G_i中去除；

1-3)若有目的节点可以连接到当前光层次，i←i+1并跳转1-1)，否则，跳转1-4)；

1-4)给光层次LH_k分配波长；

1-5)若目的节点D为空集，则多播会话建立完毕，否则，k←k+1，i←1并跳转1-1)。

将改进的边消除光层次算法(ERLH算法)引入光网络的动态多播路由和波长分配中，在选择目的节点并将对应最短路径加入光层次时，综合考虑路径的代价和路径中剩余波长数以及全网的剩余波长总数，根据网络情况动态地选择路径；进一步提出新的权重设定方式，动态调节选路策略，将加入光层次的路径分布在最短、负载最小以及剩余波长数和代价比值最大的路径上，以充分合理利用网络资源，降低了光网络的阻塞率。

附图说明

图1为本发明的光网络动态多播路由波长分配方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1为本光网络动态多播路由波长分配方法的流程图,利用边消除光层次算法进行多播路由和波长分配，在选择路径加入光层次时采用公式(1)进行计算：

$P\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d_i,c_i\left)\right)=\underset{d\∈D,c\∈MC\_SET}{max}P\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d,c\left)\right)---\left(1\right)$

式中，D表示目的节点的集合，MC_SET表示第i次更新后的拓扑图G_i中MC节点的集合，表示c到d的最短路径，其中P()是权重函数，其表述如下：

$P\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d,c))=N_w/N_c^{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

式中，表示路径的代价，N_c越大说明路径经过的跳数越多，N_c越小说明路径经过的跳数越少；N_w表示路径的剩余波长数，即路径上各段链路的最小剩余波长数，N_w越大表示网络中剩余波长数越多，即路径的拥挤程度越小；如果N_w越小表示网络中剩余波长资源越少。α为影响因子，它由整个网络中剩余波长总数决定，通过改变α的值，就可以实现不同的选路策略，选取不同的路由。

在选择路径加入光层次时，将改进的边消除光层次算法的选路策略是当网络中剩余波长总数较大时，应增大短路径的选择，即应通过调整α增大权重函数P()中路径的波长信道数N_c的影响；当网络中剩余波长总数较小时，应增大小负载链路的选择，即应通过调整α增大权重函数P()中路径剩余波长数N_w的影响。这样可以充分的利用网络资源，合理地分配网络资源，不是仅根据路径的代价或剩余波长数进行路由选择，降低了网络阻塞率。

下面给出α的设定：

α＝9.8R_w+0.2    0≤R_w≤1              (3)

式中R_w是网络的剩余波长率，R_w等于网络中剩余波长数和网络总波长数的比值。影响因子α被设定为关于网络的剩余波长率R_w的连续函数，可以根据网络中剩余波长数实时动态地调节选路策略。

若考虑多播会话ms(s,D₀)，该多播路由和波长分配方法的具体实现步骤如下：

Step1：初始化网络，设置所有波长信道均为空闲状态；

Step2：判断是否有业务到达，若有，跳转Step3，若否，继续等待；

Step3：多播业务初始化，k←1，D←D₀；

Step4：初始化光层次LH_k＝{s}，图G_i←G，MC_SET←{s}；

Step5：利用Dijkstra算法计算出所有d∈D到c∈MC_SET的最短路径根据网络中剩余波长数和网络总波长数的比值R_w通过公式(3)计算出α值，再通过公式(2)计算出路径的权重，最后通过公式(1)计算出最佳路径加入光层次，若计算出的最优光路不止一条，则选择具有离源节点s最近的连接点的那条路径；

Step6：将Step5选出的最优光路的目的节点d_i从D中去除，将目的节点和最优光路中的MC节点加入MC_SET，若连接点c_i是MI节点则从MC_SET中去除，最后把Step5选出的最优光路中的链路从图G_i中去除；

Step7：判断是否有目的节点可以连接到当前光层次，若有，i←i+1并跳转Step5，若否，跳转Step8；

Step8：给光层次LH_k分配波长；

Step9：若目的节点D为空集，则多播会话建立完毕，否则，k←k+1，i←1并跳转Step4。

Claims (1)

1.一种基于光层次架构的光网络动态多播路由波长分配方法，其特征在于，利用边消除光层次算法进行多播路由和波长分配，在选择路径加入光层次时采用公式(1)进行计算：

$P\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d_i,c_i\left)\right)=\underset{d\∈D,c\∈MC\_SET}{\max }P\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d,c\left)\right)---\left(1\right)$

式中，D表示目的节点的集合，MC_SET表示第i次更新后的拓扑图G_i中MC节点的集合，表示c到d的最短路径，其中P()是权重函数，其表述如下：

$P\left({\mathrm{SP}}_{G_i}\right(d,c))=N_w/N_c^{\mathrm{\α}}---\left(2\right)$

式中，表示路径的代价，N_c越大说明路径经过的跳数越多，N_c越小说明路径经过的跳数越少，路径越短；N_w表示路径的剩余波长数，即路径上各段链路的最小剩余波长数，N_w越大表示网络中剩余波长数越多，即路径的拥挤程度越小；如果N_w越小则表示网络中剩余波长资源越少；α为影响因子，由整个网络中剩余波长总数决定，通过改变α的值，就可以实现不同的选路策略，选取不同的路由；α值通过如下方式设定影响因子：

α＝9.8R_w+0.2  0≤R_w≤1    (3)

式中R_w是网络的剩余波长率，R_w等于网络中剩余波长数和网络总波长数的比值。影响因子α被设定为关于网络的剩余波长率R_w的连续函数，可以根据网络中剩余波长数实时动态地调节选路策略；

算法的框架如下：

1-1)利用Dijkstra算法计算出所有d∈D到c∈MC_SET的最短路径根据网络中剩余波长数和网络总波长数的比值R_w通过公式(3)计算出α值，再通过公式(2)计算出路径的权重，最后通过公式(1)计算出最佳路径加入光层次，若计算出的最优光路不止一条，则选择具有离源节点s最近的连接点的那条路径；

1-2)将1-1)选出的最优光路的目的节点d_i从D中去除，将目的节点和最优光路中的MC节点加入MC_SET，若连接点c_i是MI节点则从MC_SET中去除，最后把1-1)选出的最优光路中的链路从图G_i中去除；

1-3)若有目的节点可以连接到当前光层次，i←i+1并跳转1-1)，否则，跳转1-4)；

1-4)给光层次LH_k分配波长；

1-5)若目的节点D为空集，则多播会话建立完毕，否则，k←k+1，i←1并跳转1-1)。