CN105430538B - 一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法，属于光通信技术领域。本发明方法包括如下步骤：一、将整个网络拓扑结构进行子拓扑图的划分，将子拓扑图信息进行存储；二、业务请求到达，接收到消息的子控制器判断该请求的源、目的节点是否属于子控制器管理的单域，是，则由该子控制器完成域内RSA过程；否则，则通知根控制器处理该请求；三、根控制器分析请求的源节点和目的节点所在域，并调用子拓扑图完成域间的RSA过程，并将计算结果下达给各子控制器完成分段建路过程，最终完成整个连接请求的建立过程。本发明提供的方法能够以更加优化的全局视野统一管理、配置网络资源，在降低网络阻塞率、时延的同时达到节能的作用。

Description

一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法

技术领域

本发明涉及一种用于多域软件定义灵活光网络中的RSA(Routing and SpectrumAssignment，路由和频谱分配)方法，特别是涉及一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法，属于光通信技术领域。

背景技术

软件定义网络(Software Defined Network,SDN)具备较强的可编程能力，采用统一控制机制和集中策略，满足光网络统一、灵活、集成的智能化控制需求。将SDN技术引入光网络形成软件定义光网络(Software Defined Optical Network,SDON)，考虑到光网络特殊的控制需求，需要在SDN的基础上进行拓展，以满足光网络对网元节点传输能力的灵活配置以及对业务带宽按需调度的需求，从而提高网络资源利用率。

期刊“A multi-domain control scheme for diffserv QoS and energy savingconsideration in software-defined flexible optical networks”采用分布式控制架构，仅仅凭借PCE(路径计算单元)所在域的本地拓扑信息工作，建立域间连接时，首先需要确定每个域的边界节点，然后本地控制器遍历所有的边界节点进行最短路径计算并选择性能最好(跳数最少、路径最短)的边界节点作为分段路由的源、目的节点。该方案时延较大，计算过程比较复杂，且各个控制器之间需要扩展东西接口完成相互间的通信。

期刊“Field demonstration of datacenter resource migration via multi-domain software defined transport networks with multi-controllercollaboration”提出了三种多控制器协作完成多域路由和频谱资源分配的方案，控制器驱动方案(ConDS)与上述文献提到的方案性质差别不大，云驱动方案(ClDS)方案对ConDS方案进行了改进，对于边界节点、域间链路以及各个域内所有的虚拟链路进行存储，连接请求到来时，根据为每个域分配的源、目的节点信息，各自完成路径选择和计算，最后将分段路由汇聚形成完整的路径；由于ClDS方案随机地选择的边界节点，子控制器仍然缺乏对全局信息的掌控，因此会导致较高的阻塞率。另外，ClDS方案忽略了环路路由存在的可能性。动态优化下的云驱动方案(ClDS-DO)方案弥补ClDS方案对于全局掌控能力的缺陷，通过发送查询消息获取全局的节点尤其是边界节点信息，发挥了总体掌控的优势，在域间信息高度可见的情况下完成带有约束条件的跨域路径计算和资源分配。但该方法是在全网拓扑资源的基础上计算路径，容易占用多个子控制器和单域资源，不利于实现节能和降低阻塞率的目的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种可根据划分的子拓扑图在路由和频谱资源分配过程中分配不同光路资源的域间路由方法。本发明采用SDN分层控制的网络架构有效屏蔽各厂商设备以及各域网络之间的细节差异，从而更完善地支持跨域的流量工程；本发明基于子拓扑图的域间路由方案以更加优化的全局优化策略，完成域间服务的资源配置，降低其域间连接的阻塞率、能耗及网络时延，从整体上提升了SDON的网络性能。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法，包括以下步骤：

步骤1：根据整个光网络拓扑的实际结构进行子拓扑图划分，并将划分的子拓扑图信息进行存储；所述的光网络包括多个单域、多个子控制器和一个根控制器，每个单域包括一个或多个节点且每个单域对应设置有一个子控制器；

步骤2：源节点接收到业务请求并通知其对应的子控制器，该子控制器判断该业务请求的目的节点是否属于其管理的单域，如果属于其管理的单域，则通过该子控制器的路径计算单元进行该业务请求的路由和资源分配过程，结束本流程；否则，该子控制器通知光网络的根控制器处理该业务请求，执行步骤3；

步骤3：根控制器判断该业务请求的源节点和目的节点分别属于哪个单域，根据源节点和目的节点所在的单域调用子拓扑图信息，然后通过根控制器的路径计算单元进行该业务请求的路由和资源分配过程，执行步骤4；

步骤4：根控制器将路由和资源分配结果传递给该路由对应的各子控制器，各子控制器根据根控制器计算的路由和资源分配结果分别完成域内和域间的路由和频谱资源分配；

步骤5：各子控制器之间采用相互协作的方式进行分段的建路过程，最终为业务请求分配完整的路由和频谱资源。

其中，步骤1所述的根据整个光网络拓扑的实际结构进行子拓扑划分，具体为：判断整个光网络内任意两个单域之间是否存在域间链路，存在域间链路的两个单域，则划分为一个子拓扑；不存在域间链路的两个单域，则添加一个或多个单域构成一个子拓扑，使得不存在域间链路的两个单域能联通。

其中，子拓扑的个数n与单域的个数m存在如下关系：其中，C表示组合。

其中，所述的添加的单域个数以业务请求的路径经历的单域个数最少为原则。

其中，所述的子拓扑划分信息为跨域连接请求的源节点和目的节点所属单域及另外添加的单域中的节点和链路资源；所述的跨域连接请求为源节点和目的节点不在同一单域的业务请求。

其中，步骤1所述的将子拓扑图进行存储具体为：将子拓扑图划分信息存储在光网络的全局流量工程数据库中。

其中，步骤2和步骤3所述的路径计算单元进行该业务请求的路由和资源分配过程，具体包括步骤：

步骤21：根据该业务请求对误码率的需求将该业务请求映射到高等级业务和低等级业务中；

步骤22：路径计算单元为该业务请求计算出K条路径后，分别计算第一条至第K条路径的Q值并存储，将K条路径中的Q值不小于预设阈值的路径分别计算其能耗值，执行步骤23；若K条路径中所有路径的Q值均小于预设阈值，则结束本流程；其中，K为大于1的自然数；

步骤23：为高等级业务的业务请求，选择Q值最大的路径；为低等级业务的业务请求，选择能耗值最小的路径；

步骤24：使用首次命中算法为该业务请求分配频谱资源，若有可用资源，则建立连接，该业务请求的路由和资源分配成功；若无可用资源，则该路径阻塞，结束本流程。

其中，所述的步骤22中能耗值的计算公式为：

其中，E_p为能耗值，p为总的节点数，e_n为节点n每Gbps的能源消耗；b_p为已建立路径的带宽；l_ij为节点i和节点j之间的链路长度；Λ为放大参数；E_EDFA为光纤放大器的能耗。

本发明相比背景技术的有益效果在于：

(1)本发明采用分层的控制架构，网络架构示意图如图1所示，实现了控制器对全局视图更加优化的把握和管理，统一配置网络资源；

(2)本发明通过对光网络进行子拓扑图的划分，既有利于分层控制架构管理网络资源，又能够大幅降低网络阻塞率和时延，同时能达到节能的作用，从整体上提高网络的性能。

附图说明

图1是本发明的基于FlowBroker的分层控制网络架构示意图；

图2是本发明的基于光网络子拓扑图的域间路由方法流程图；

图3是本发明实施例14节点的NSF网络拓扑结构中子拓扑图划分方式一示意图；

图4是本发明实施例14节点的NSF网络拓扑结构中子拓扑图划分方式二示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图2是本发明的一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：在到达光网络的业务请求到来之前，根据整个光网络域拓扑的实际结构进行子拓扑图的划分，并将划分的子拓扑图信息存储在全局的流量工程数据库(Global TED)中；所述的光网络包括多个单域、多个子控制器和一个根控制器，每个单域包括一个或多个节点且每个单域对应设置有一个子控制器；

由于跨域连接请求更容易被阻塞，导致连接建立失败，因此划分子拓扑图时，考虑到网络的阻塞率一般将整个网络拓扑每两个存在域间链路的单域划分为一个子拓扑，如果两个单域之间不存在域间链路，则添加一个或多个单域构成一个子拓扑，使得不存在域间链路的两个单域能联通。这样划分的依据主要是由于域间服务容易阻塞，连接请求的路径经历的域个数越少，其阻塞率越低。

每个子拓扑图负责为两种跨域连接请求提供物理层的拓扑信息，即，跨域连接请求的源节点和目的节点分别属于子拓扑图中的两个单域。如：子拓扑domain13负责处理域13和域31的连接请求。注意子拓扑不属于虚拟拓扑，它是对实际物理拓扑的一种重新规划。

本发明以14节点的NSF网络拓扑结构为例，整体光网络由三个单域即domain1、domain2、domain3组成，域间业务共有6种类型，即域12、域21、域13、域31、域23、域32的跨域业务。实际情况中，域13的请求连接可经过域1、域2、域3和域1、域3两个方案，这种情况下选择第二种方案网络阻塞率会更低，若域1和域3之间没有域间链路，则采用第一种方案。因此，子拓扑的个数n与单域的个数m存在如下的数学关系：

根据公式该14节点的NSF网络拓扑最少可划分为3个子拓扑，即domain12、domain23、domain13。子拓扑图domain12负责处理域12、域21的跨域连接请求；子拓扑图domain13负责处理域13、域31的跨域连接请求；子拓扑图domain23负责处理域23、域32的跨域连接请求。注意不同的划分方式对于网络性能的影响不同。一般情况而言，子拓扑图划分越细致，为连接请求分配的路径所经过的域就会相对较少，会有更佳的节能效果，阻塞率和时延也会相对较小。

图3和图4是本发明实施例14节点的NSF网络拓扑结构中子拓扑图划分方式示意图。第一种直接采用domain1和domain3作为处理域13和域31跨域连接请求的子拓扑，第二种则扩大了子拓扑图domain13的规模，将三个单域作为domain13的子拓扑(这种划分方法一般应用于domain1和domain3两个单域之间不存在域间链路的情况下)，再进行选路时，域间路由有可能存在于域1和域3之间，也有可能存在于域1、域2和域3之间，若采用了后者的域间路由，则该跨域连接请求的阻塞率、时延、能耗都会相对较高。

步骤2：源节点接收到业务请求并通知其对应的子控制器，该子控制器判断该业务请求的目的节点是否属于其管理的单域，如果属于其管理的单域，则通过该子控制器的路径计算单元(PCE单元)进行该业务请求域内的路由和资源分配(RSA)过程，结束本流程；否则，该子控制器通过Vertical Controller协议通知光网络的根控制器处理该业务请求，执行步骤3；

源节点对应的子控制器的PCE单元进行该业务请求的路由和资源分配过程时考虑物理层损伤和能耗、服务区分等多参数的影响，具体过程为：

步骤21：根据该业务请求对误码率的需求将该业务请求映射到高等级业务和低等级业务中；

步骤22：路径计算单元为该业务请求计算出K条路径后，分别计算第一条至第K条路径的Q值并存储，将K条路径中的Q值不小于预设阈值的路径分别计算其能耗值，执行步骤23；若K条路径中所有路径的Q值均小于预设阈值，则结束本流程；其中，K为大于1的自然数；

其中，能耗值的计算公式为：

其中，E_p为能耗值，p为总的节点数，e_n为节点n每Gbps的能源消耗；b_p为已建立路径的带宽；l_ij为节点i和节点j之间的链路长度；Λ为放大参数；E_EDFA为掺饵光纤放大器的能耗。

Q值的计算包括ASE、XPM、FWM和OXC等物理损伤因素。

步骤23：为高等级业务的业务请求，选择Q值最大的路径；为低等级业务的业务请求，选择能耗值最小的路径；

步骤24：使用首次命中算法为该业务请求分配频谱资源，若有可用资源，则建立连接，该业务请求的路由和资源分配成功；若无可用资源，则该路径阻塞，结束本流程。

步骤3：根控制器判断该业务请求的源节点和目的节点分别属于哪个单域，确定后根控制器根据源节点和目的节点所在域调用相应的子拓扑信息并由内置的PCE单元计算出完整的跨域路由和频谱分配方案，执行步骤4；

PCE单元完成域间的RSA过程时同样考虑损伤、能耗和服务区分等多参数的影响，具体过程同步骤2。

步骤4：根控制器将路由和资源分配结果通过Vertical Controller协议(或者PCEP协议)传递给该路由对应的各子控制器，各子控制器的PCE单元根据路由和资源分配结果分别完成域内和域间的建路和频谱资源分配；

步骤5：各子控制器之间通过PCEP协议进行通信，采用相互协作的方式进行分段的建路过程，最终为业务请求分配完整的路由和频谱资源。

Claims (7)

1.一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：根据整个光网络拓扑的实际结构进行子拓扑图划分，并将划分的子拓扑图信息进行存储；所述的光网络包括多个单域、多个子控制器和一个根控制器，每个单域包括一个或多个节点且每个单域对应设置有一个子控制器；所述的子拓扑的个数n与单域的个数m存在如下关系：其中，C表示组合；

步骤2：源节点接收到业务请求并通知其对应的子控制器，该子控制器判断该业务请求的目的节点是否属于其管理的单域，如果属于其管理的单域，则通过该子控制器的路径计算单元进行该业务请求的路由和资源分配过程，结束本流程；否则，该子控制器通知光网络的根控制器处理该业务请求，执行步骤3；

步骤3：根控制器判断该业务请求的源节点和目的节点分别属于哪个单域，根据源节点和目的节点所在的单域调用子拓扑图信息，然后通过根控制器的路径计算单元进行该业务请求的路由和资源分配过程，执行步骤4；

步骤4：根控制器将路由和资源分配结果传递给该路由对应的各子控制器，各子控制器根据根控制器计算的路由和资源分配结果分别完成域内和域间的路由和频谱资源分配；

步骤5：各子控制器之间采用相互协作的方式进行分段的建路过程，最终为业务请求分配完整的路由和频谱资源。

2.根据权利要求1所述的一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法，其特征在于：步骤1所述的根据整个光网络拓扑的实际结构进行子拓扑划分，具体为：判断整个光网络内任意两个单域之间是否存在域间链路，存在域间链路的两个单域，则划分为一个子拓扑；不存在域间链路的两个单域，则添加一个或多个单域构成一个子拓扑，使得不存在域间链路的两个单域能联通。

3.根据权利要求2所述的一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法，其特征在于：所述的添加的单域个数以业务请求的路径经历的单域个数最少为原则。

4.根据权利要求2所述的一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法，其特征在于：所述的子拓扑划分信息为跨域连接请求的源节点和目的节点所属单域及另外添加的单域中的节点和链路资源；所述的跨域连接请求为源节点和目的节点不在同一单域的业务请求。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法，其特征在于：步骤1所述的将子拓扑图进行存储具体为：将子拓扑图划分信息存储在光网络的全局流量工程数据库中。

6.根据权利要求1所述的一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法，其特征在于：步骤2和步骤3所述的路径计算单元进行该业务请求的路由和资源分配过程，具体包括步骤：

步骤21：根据该业务请求对误码率的需求将该业务请求映射到高等级业务和低等级业务中；

步骤22：路径计算单元为该业务请求计算出K条路径后，分别计算第一条至第K条路径的Q值并存储，将K条路径中的Q值不小于预设阈值的路径分别计算其能耗值，执行步骤23；若K条路径中所有路径的Q值均小于预设阈值，则结束本流程；其中，K为大于1的自然数；

步骤23：为高等级业务的业务请求，选择Q值最大的路径；为低等级业务的业务请求，选择能耗值最小的路径；

步骤24：使用首次命中算法为该业务请求分配频谱资源，若有可用资源，则建立连接，该业务请求的路由和资源分配成功；若无可用资源，则该路径阻塞，结束本流程。

7.根据权利要求6所述的一种基于光网络子拓扑图的域间路由方法，其特征在于：所述的步骤22中能耗值的计算公式为：

其中，E_p为能耗值，p为总的节点数，e_n为节点n每Gbps的能源消耗；b_p为已建立路径的带宽；l_ij为节点i和节点j之间的链路长度；Λ为放大参数；E_EDFA为光纤放大器的能耗。