CN107465966B - 一种用于光网络的拓扑重构控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光网络的拓扑重构控制方法，包括：1)获取光网络为各个网络节点之间的线路所提供的带宽，以生成当前带宽矩阵；2)获取应用场景中各个网络节点之间的负载要求，以生成需求矩阵；3)对所述当前带宽矩阵与所述需求矩阵进行比较，若所述当前带宽矩阵不满足所述需求矩阵，则执行拓扑重构。

Description

一种用于光网络的拓扑重构控制方法

技术领域

本发明涉及光互连网络，尤其涉及光互连网络的拓扑重构。

背景技术

近年来互联网产业飞速发展，不断推出新的网络应用，使得互联网用户数量快速增多；云计算产业的兴起与发展，广大企业将业务部署至私有或公有云计算集群，应用部署的集中使得数据中心规模不断增长。大型数据中心承载着大数据处理、互联网应用、云计算、科学计算等多种不同类型的应用，现有数据中心使用固定单一的互连网络结构来实现高拓展性，但很难高效地满足多种通信特征的需求和灵活的带宽分配。

针对这种问题，目前比较高效的解决办法就是针对互联网的连接进行“拓扑重构”，即对于不同的应用场景，根据其自身的流量负载特征，改变原有的网络连接结构，构造更适合于自身的流量负载特征的拓扑。在传统的电域交换技术中，受限于物理线路的连接结构，很难实现对拓扑结构的重构。而随着近年来光传输和光交换技术的快速发展，针对由阵列波导光栅路由器(Arrayed Waveguide Grating Router，AWGR)、MEMS光开关、可调谐收发模块(Tunable TRXs)以及光纤等光器件互连而成的光网络进行拓扑重构逐渐成为了研究的关注点。在一些研究中发现，利用光路的高带宽、低延迟和灵活性等特性，可以实现在不改变原有物理连接的基础上，进行拓扑重构，即实现从源拓扑变换到目的拓扑的过程。在光网络中，通过交换机或路由器等器件、它们之间的链路、以及交换机或路由器的端口构成了所述光网络的拓扑结构。与传统电交换网络不同的是，在光网络中可以通过调整各个节点之间的流量，使得光网络表现出性能上的差异以实现对光网络的拓扑重构。在执行拓扑重构时，当前状况下的拓扑被称作为当前拓扑(或源拓扑)，需要通过变换来实现的拓扑被称作为目的拓扑。

针对已有的一些研究，可以将上述针对光网络的拓扑重构分为两类，即静态拓扑重构和动态拓扑重构。其中，静态拓扑重构指的是，源拓扑经过重新配置，先断掉源拓扑中存在但在目的拓扑中不存在的链路，然后增添目的拓扑中存在但在源拓扑中不存在的链路。相比之下，动态拓扑重构指的是，源拓扑经过一系列中间拓扑并最终变换成为目的拓扑。在拓扑重构的过程中，通过将数据路由到两个相邻拓扑的交集上，以减少丢包率。

然而，在现有的拓扑重构方案中，无论是静态拓扑重构还是动态拓扑重构，均存在以下待改善之处。大多数现有技术并无法保证能够快速、无间断、有序地实现拓扑重构的过程。这是由于，在不同的应用场景中，网络对各个区域的流量负载也会存在不同的需求，然而大多数的现有技术并未考虑针对不同的网络需求来选取恰当的目的拓扑，而非优选的目的拓扑往往难以使得重构过程向着有益于整个网络的吞吐、延迟的方向发展。并且，大多数的现有技术的重构准备时间相对较长，例如现有动态拓扑重构的中间拓扑的计算占据了大多数的准备时间，致使难以快速地实现拓扑重构，在重构过程中为网络资源的使用带来了不必要的浪费。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于光网络的拓扑重构控制方法，包括：

1)获取光网络为各个网络节点之间的线路所提供的带宽，以生成当前带宽矩阵；

2)获取应用场景中各个网络节点之间的负载要求，以生成需求矩阵；

3)对所述当前带宽矩阵与所述需求矩阵进行比较，若所述当前带宽矩阵不满足所述需求矩阵，则执行拓扑重构。

优选地，根据所述方法，其中步骤2)包括：

2-1)统计应用场景中各个网络节点之间的负载，以确定所述负载要求；

2-2)根据所述负载要求确定各个网络节点之间需要的带宽，以作为用于生成需求矩阵的数据。

优选地，根据所述方法，其中步骤3)包括：

3-1)计算所述当前带宽矩阵与所述需求矩阵之间的差异；

3-2)将所述差异与设定的阈值进行比较，若所述差异超过设定的阈值，则针对所述需求矩阵匹配目的拓扑以执行拓扑重构。

优选地，根据所述方法，其中步骤3-2)包括：

计算所述需求矩阵与存储的每一个拓扑结构的带宽矩阵之间的差异，并根据计算获得的结果，选择所述目的拓扑。

优选地，根据所述方法，其中步骤3-2)还包括：

若在存储的带宽矩阵中存在多个与所述需求矩阵之间的差异小于设定的阈值的带宽矩阵，则从其中选择差异最小的一个带宽矩阵所对应的拓扑结构作为所述目的拓扑；

若存储的每一个拓扑结构与所述需求矩阵直接的差异均大于设定的阈值，则在线地生成符合所述需求矩阵的拓扑结构，以作为所述目的拓扑。

优选地，根据所述方法，其中步骤3-2)包括：

在线地生成符合所述需求矩阵的拓扑结构，以作为所述目的拓扑。

优选地，根据所述方法，其中所述当前带宽矩阵和/或所述需求矩阵采用第x行第y的元素表示网络节点x和网络节点y之间的通信特征。

优选地，根据所述方法，其中所述通信特征为峰值带宽和/或平均带宽和/或设定阈值的带宽，或者为归一化的峰值带宽和/或平均带宽和/或设定阈值的带宽。

优选地，根据所述方法，其中还包括：

4)利用重构算法计算出光网络的当前拓扑和所述目的拓扑之间的中间拓扑，比较所述中间拓扑分别与当前拓扑和所述目的拓扑之间的差异，以确定物理链路的增删序列以及与所述中间拓扑相对应的路由；

5)根据所述物理链路的增删序列以及与所述中间拓扑相对应的路由，依照在删除链路前变更路由并且在增加链路后变更路由的原则执行对光网络的拓扑重构。

一种用于光网络的拓扑重构控制装置，包括：

用于获取光网络为各个网络节点之间的线路所提供的带宽，以生成当前带宽矩阵的通信特征提取模块；

用于获取应用场景中各个网络节点之间的负载要求，以生成需求矩阵的拓扑探知模块；

用于对所述当前带宽矩阵与所述需求矩阵进行比较，若所述当前带宽矩阵不满足所述需求矩阵，则执行拓扑重构的重构评估与判决模块。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

根据本发明的方法可以由针对性地根据光网络应用场景中的负载要求来判断是否需要对当前光网络的拓扑结构进行重构，通过对各个节点上实际的负载进行统计能够准确地判断应用场景中各个节点之间实际需求的带宽，减少在不必执行拓扑重构的情况下实施拓扑重构而造成资源浪费，并且可以通过调整设置的阈值的大小来控制是否需要实施拓扑重构的标准的严格程度。此外，在需要实施拓扑重构的情况下，本发明可以利用离线的数据库和/或在线地确定满足应用场景中的负载要求的目的拓扑，兼顾了计算目的拓扑的时效性和准确性。并且，在执行拓扑重构的操作时，按照“删除链路前变更路由，增加链路后变更路由”，可以保证拓扑重构的有序、无间断地进行。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的光网络的拓扑重构的场景图；

图2是根据本发明的一个实施例的拓扑重构控制器的模块图；

图3 包括图3 （ a ）、图3 （ b ）和图3 （ c ），图3(a)和图3(b)示出了常用的两种拓扑结构的示意图，图3(c)以实线示出了当前拓扑结构并且以虚线示出了执行拓扑重构的中间拓扑，其中 A-F表示6个不同的节点；

图4是根据本发明的一个实施例的针对网络的拓扑重构的方法流程；

图5是根据本发明的一个实施例的当前带宽矩阵；

图6 包括图6 （ a ） 和图6 （ b ），图6(a)和图6(b)是根据本发明的实施例的两种不同的需求矩阵。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种用于光网络的拓扑重构方法及装置，能够快速、无间断、有序地实现拓扑重构。

图1示出了根据本发明的一个实施例的光网络的拓扑重构的场景图。参考图1，其中包括：1个光空间交换机11，所述光空间交换机连接有6 个光波长交换机12，每个光波长交换机均通过与其对应的虚拟边缘交换机 (vSwitch)13连接至3个对应的服务器14；在图1中所示出的6个vSwitch 13被分别标注为节点A-F；根据本发明的拓扑重构控制器15与所述光空间交换机11、与各个光波长交换机12以及各个vSwitch 13均连接(在图中未示出全部连接线)，以统计各个网络节点A-F的负载、探知当前状态下的拓扑连接状态、判断是否需要执行拓扑重构并在需要执行拓扑重构的情况下匹配出恰当的目的拓扑、并通过配置光波长交换机12、光空间交换机11和vSwitch 13来实现拓扑重构。

为了方便阐述本发明提出的用于光网络的拓扑重构方法，本发明提供了一种用于实现所述方法的拓扑重构控制器的模块示意图。参考图2，根据本发明的一个实施例，所述拓扑重构控制器包括：通信特征提取模块1、拓扑探知模块2、重构评估与判决模块3、拓扑匹配模块4、离线拓扑参数库5、重构计算模块6、快速无间断重构控制模块7、光链路控制模块8和路由控制模块9。

其中，通信特征提取模块1，用于提取应用场景的负载和/或网络延迟的统计数据，确定各个节点之间需要的带宽，并根据所述需要的带宽确定需求矩阵，通过矩阵的形式来反应出所述应用场景涉及的各个网络节点之间需要的带宽。例如，矩阵的第A行B列的元素的大小表示在节点A和节点B之间所需要的峰值带宽，由于节点A和节点B之间的带宽需求是相互的，因此上述峰值带宽的大小与第B行A列的元素一致。在本发明中可以采用任意现有技术来实现所述负载统计，例如可以采用现有的MPI 应用中的IPM(IntegratedPerformance Monitoring for High Performance Computing)工具分析出所述应用场景涉及的各个网络节点之间的通信特征，得到各个网络节点之间所需求的带宽的大小。可以理解，在所述需求矩阵中可以采用诸如峰值带宽、平均带宽、设定阈值的带宽等通信特征来表示矩阵中的元素，只有所采用的通信特征能够反映出各个网络节点之间的流量需求即可。并且，为了方便计算、简化根据本发明的方法的复杂度，在所述矩阵还可以采用归一化的通信特征来表示矩阵中的元素，例如将每 10Mb的带宽记作“1”并且采用整数来表示矩阵中的元素。

拓扑探知模块2，用于探知光网络当前的拓扑连接状态和/或路由信息，从而确定整个光网络为各个网络节点之间的线路提供的带宽，并根据所获得的所述提供的带宽确定当前带宽矩阵，通过矩阵的形式来反应出在当前状况下光网络为各个网络节点之间所实际提供的带宽。如背景技术中所介绍地，光网络的拓扑重构并不受限于原有物理连接方式，因此在本发明中，可以利用软件定义网络(Software Defined Network,SDN)的设计思想，来探知光网络的拓扑连接状态和/或路由信息，例如获取可控的光交换器件及其控制接口信息、定时监测各个链路的状态信息并更新当前的拓扑连接状态、以及定时地根据最新的拓扑连接状态生成当前带宽矩阵，并且还可以通过交换器件的流表来获得整个网络的路由信息。与通信特征提取模块1相类似地，在拓扑探知模块2中也可以采用诸如峰值带宽、平均带宽、设定阈值的带宽等通信特征、以及归一化的通信特征来表示矩阵中的元素。

重构评估与判决模块3，用于对通过通信特征提取模块1所确定的需求矩阵与通过拓扑探知模块2所确定的当前带宽矩阵进行比较，从而判断出所述当前带宽矩阵是否满足需求矩阵，若所述当前带宽矩阵无法满足需求矩阵则认为需要确定一个目标拓扑以执行拓扑重构。可以理解，当所述当前带宽矩阵中的各个元素均大于所述需求矩阵中对应的元素，或者所述当前带宽矩阵中的大多数元素均大于所述需求矩阵中对应的元素，则可以认为当前光网络中的网络节点之间实际提供的带宽满足对应的需要的带宽，当前带宽矩阵满足需求矩阵。在本发明中，可以通过计算带宽矩阵与需求矩阵的差值两者之间的差异性，来判断当前带宽矩阵是否满足需求矩阵，例如计算出带宽矩阵与需求矩阵的差异值，若所述差异值大于设定的阈值则认为当前带宽矩阵不满足需求矩阵。在本发明中，还可以通过比较评估重构过程的代价与收益，来判决是否需要执行拓扑重构，例如对于延迟敏感型的应用，我们可以通过适当地改变阈值来改变执行拓扑重构的条件。比方说，我们可以将重构过程的代价定义为中间拓扑的个数，或者从原有拓扑变换成目的拓扑需要删除和增加的链路数目之和，将重构过程的受益定义为需要删除和增加的链路数目之和。假如，一个节点A到节点C之间的带宽需求为100Mb/s，如果在原有拓扑上A需要两跳来到达C，则消耗整个网络的资源为100Mb/s*2＝200Mb/s，而通过拓扑变换，在目的拓扑中，A可以直接到达C，则只需要消耗100Mb/s的带宽，即对于整个网络来说，通过这样的拓扑重构可以收益100Mb的带宽。

离线拓扑参数库5，用于存储常用的拓扑结构、和/或常用拓扑结构所对应的带宽矩阵，以在需要执行拓扑重构时，即所述当前带宽矩阵不满足所述需求矩阵时，提供用于与所述需求矩阵进行比较的常用拓扑结构所对应的带宽矩阵。这里，希望通过所述比较来确定能够满足所述需求矩阵的拓扑结构，以作为执行拓扑重构时的目的拓扑。所述常用的拓扑结构可以例如是超算中心中常见的Torus、HyperX等拓扑机构，图3(a)、(b)示出了两种常见的拓扑连接方式，其中在两个节点之间以实线表示有直接的链路连接，在两个节点之间未连线则表示没有直接的链路连接。并且，优选地，离线拓扑参数库5还可以存储重构计算模块6在计算过程中所产生的中间拓扑与路由信息，以减少重构过程中重构算法运算量，使得加快整个重构过程的快速完成，针对重构计算模块6的介绍将在下文中详细描述。

拓扑匹配模块4，其用于在重构评估与判决模块3确定需要执行拓扑重构的情况下，根据由通信特征提取模块1而确定的需求矩阵，匹配出能够满足所述需求矩阵的目的拓扑。优选地，拓扑匹配模块4包括匹配度评估模型子模块41和在线自适应拓扑匹配子模块42。其中，匹配度评估模型子模块41，用于评估所述需求矩阵与已存储在离线拓扑参数库5中的各个拓扑结构的匹配度，选取匹配度最高或较高的拓扑结构作为目的拓扑，如若离线拓扑参数库中已存的拓扑结构匹配度都低于设定的阈值，则由在线自适应拓扑匹配子模块42在线生成目的拓扑。在线自适应拓扑匹配子模块42，用于根据应用的需求矩阵，结合当前的光网络物理约束，例如每个节点的端口数目约束，按照应用的需求矩阵中由高到低的带宽需求，依次增加网络节点间的连接关系生成目的拓扑，所述生成的目的拓扑可以用于补充和完善离线拓扑参数库5。例如，可以采用Zhang D等人在2015 年发表于EuropeanConference on Optical Communication中的Enabling traffic optimized topologyreconstruction with the optical switching based small world data centernetwork所提出的The Traffic Adaptive Topology Construction的算法以在线地生成符合需求矩阵的目的拓扑。

在执行匹配的过程中，可以由匹配度评估模型子模块41将所述需求矩阵与离线拓扑参数库5中存储的常用拓扑结构所对应的带宽矩阵进行匹配，并将匹配成功的带宽矩阵所对应的拓扑结构作为目的拓扑，若无法成功匹配则利用在线自适应拓扑匹配子模块42通过网络在线地寻找用于匹配的其他拓扑结构以将匹配成功的拓扑结构作为目的拓扑。

在本发明中，在通过拓扑匹配模块4在线地匹配目的拓扑之前执行在离线拓扑参数库5中匹配目的拓扑的原因在于，常用的经典拓扑结构已经具有成熟的路由算法，优先选择经典拓扑结构一方面可以加快确定目的拓扑的速度，另一方面也可以取得相对理想的路由算法。

重构计算模块6，用于利用重构算法计算出当前拓扑和目的拓扑的中间拓扑，对比各中间拓扑与前后拓扑的差异以计算出物理链路的增删序列与各中间拓扑对应的路由，例如将所述路由关系存储作为链路增删及路由变更序列。所述重构算法可以采用任意恰当的用于实现拓扑重构中对中间拓扑进行计算的现有技术，例如Zhao Y等人在2015年在Dynamic Topology Management in Optical Data Center Networks.Journal ofLightwave Technology中提出的TMA算法。优选地，重构计算模块6还用于检测每个中间拓扑的连通情况，确保重构过程的无间断快速运行。并且，在本发明中还可以将计算中间拓扑的链路增删及路由变更序列时所获得的中间结果离线地存储在离线拓扑参数库5中，提高整个变换过程的速度。

应当理解，这里的重构计算模块6属于用于实现动态拓扑的模块，对于仅用于实现静态拓扑的方法的装置而言，无需设置此模块。

光链路控制模块8，用于将链路增删序列转换为物理层光模块能够识别的控制信号，例如通过改变光的波长和入射角度来进行转换。

路由控制模块9，用于根据快速无间断控制模块提供的路由变更序列，改变各交换器件的路由表，所采用的控制协议优选地采用OpenFlow协议。

快速无间断重构控制模块7，用于根据所述链路增删及路由变更序列协同光链路控制模块8和路由控制模块9，控制整个重构过程的链路增删与路由改变交叉同步进行。快速无间断重构控制模块7在执行链路增删和路由时可以遵循以下原则：在删除链路之前，迁移此链路上的路由信息；在增加链路之后，再分配路由到此链路。由此通过链路增删和路由改变的交叉同步进行，达到整个重构过程的无间断进行。

下面将通过一个具体的实施例，结合上述拓扑重构控制器，详细介绍根据本发明的用于光网络的拓扑重构的方法，参考图4，所述方法包括：

步骤210：由拓扑重构控制器中的拓扑探知模块2探知光网络当前的拓扑连接状态和/或路由信息，从而确定整个光网络为各个网络节点之间的线路提供的带宽，并根据所获得的所述提供的带宽确定当前带宽矩阵，通过矩阵的形式来反应出在当前状况下光网络为各个网络节点之间所实际提供的带宽。这里可以采用SDN的方式来确定当前带宽矩阵中的元素的大小。

假设，光网络当前的拓扑连接状态为图3(a)所示出的拓扑结构，并且所示出的具有连接关系的各个节点之间提供的最大带宽均为100Mb，则可以生成如图5所示出的当前带宽矩阵。可以看到，在图3(a)中，节点A与节点B、D、F连接，对应地在图5所示出的矩阵中，第A行B列与第B 行A列的元素均为100，以表示节点A和节点B之间所实际提供的带宽为 100Mb，类似地，第A行D列与第D行A列的元素均为100，第A行F 列与第F行A列的元素也均为100；并且在图3(a)中，节点A和其本身、以及节点C、E均不存在连接关系，则对应于图5所示出的矩阵，其中第 A行A列、第A行C列、第C行A列、第A行E列、第E行A列的元素均为0。

可以看到在图5示出的当前带宽矩阵反应了节点之间的拓扑连接状态以及实际提供给各个链路的带宽量，在当前带宽矩阵中的数据以矩阵中的对角线为对称轴，并且对角线上的元素均为0以表示节点不会与其自身存在拓扑连接关系。因此在本发明的优选实施方式中，可以通过步骤210计算并存储如当前带宽矩阵中左下侧的三角中(或右上侧三角中)所包含的元素大小，直至实际使用所述当前带宽矩阵进行计算的步骤中还原出完整的当前带宽矩阵。在此步骤210中，可以仅计算获得用于确定所述当前带宽矩阵的元素大小即可，而不必生成完整的当前带宽矩阵。

步骤220：由拓扑重构控制器中的通信特征提取模块1提取应用场景的负载统计数据，确定各个节点之间需要的带宽，并根据所述需要的带宽确定需求矩阵，通过矩阵的形式来反应出所述应用场景涉及的各个网络节点之间需要的带宽。除进行统计之外，这里还可以人为地设定各个节点之间的负载要求。图6(a)和图6(b)示出了两种可能的需求矩阵，与图5所示出的当前带宽矩阵类似地，在图6(a)和图6(b)中以x行y列的元素(或y 行x列的元素)表示节点x和节点y之间所需要的带宽大小。

在实际的应用场景中，所得到的需求矩阵中的元素的大小可能均小于所述当前带宽矩阵中对应位置的元素(即当前拓扑连接状态下光网络实际提供给节点之间的带宽)，如图6(a)；所得到的需求矩阵中的元素的大小也可能大于光网络所实际提供的带宽，如图6(b)所示。因此，可以在随后的步骤中，通过对例如在图5中所示出的当前带宽矩阵与例如在图6中所示出的需求矩阵进行比较，从而判断实际提供的带宽是否足以满足光网络各个节点之间中对带宽的需求。

步骤230：由拓扑重构控制器中的重构评估与判决模块3对通过通信特征提取模块1所确定的需求矩阵与通过拓扑探知模块2所确定的当前带宽矩阵进行比较，从而判断出所述当前带宽矩阵是否满足需求矩阵，若所述当前带宽矩阵无法满足需求矩阵则认为需要确定一个目标拓扑以执行拓扑重构。若所述当前带宽矩阵可以满足所述需求矩阵，则可以返回步骤 210，例如每间隔一设定时间重新探测当前光网络中各个节点之间的拓扑连接状态和/或路由信息。

在本发明的一个实施例中，将例如在图5中所示出的当前带宽矩阵中的每一个元素与例如在图6中所示出的需求矩阵中对应位置的元素进行大小上的比较，若当前带宽矩阵中的每个元素均大于需求矩阵中对应位置的元素，则认为当前带宽矩阵可以满足所述需求矩阵，否则则认为需要在随后的步骤中确定一个目标拓扑以执行拓扑重构。以图6(a)为例，其中的每个元素均小于当前带宽矩阵中对应位置的元素，则可以返回步骤210，等待一段时间后重新探测当前光网络中各个节点之间的拓扑连接状态和/或路由信息。相对地，若需求矩阵为图6(b)中所示出的，则认为当前带宽矩阵无法满足所述需求矩阵，若不执行拓扑重构则可能会造成对应节点之间的负载过大、处理效率相对较低、丢包现象频繁发生的情况，因而需要执行拓扑重构。这样的实施方式其判断过程相对简单，并且判断的结果能够兼顾每个节点路径之间的负载。

在本发明的又一个实施例中，可以利用在步骤210和步骤220中获得的当前带宽矩阵和需求矩阵的矩阵属性，采用适当的算法来评估他们之间的差异程度，若所述差异程度超过设定的阈值则认为当前带宽矩阵无法满足所述需求矩阵，需要执行拓扑重构。例如，需求矩阵中每个元素表示某节点(例如A)到另一节点(例如C)需要的带宽为10Mb/s，对当前拓扑结构，存在从节点A到节点C的路由，即A—B—C，那么为了满足A到 C的带宽需求，则A—B以及B—C都需要占用10Mb/s。这里可以在当前带宽矩阵对应于A—B以及B—C的元素中分别减去10Mb/s，若所获得的元素大于0Mb/s，则说明当前带宽矩阵中的该链路可以满足从节点A到节点C的路由。类似地，可以针对需求矩阵中每个链路，对当前带宽矩阵中的元素执行上述减法，以判断当前带宽矩阵能否满足所述需求矩阵。这里，还可以根据应用的需求设置一个余量阈值，例如定义每条链路最少还需要留10％的带宽，若当前带宽矩阵在执行完上述减法后的余量小于10％则判断为当前带宽矩阵中的该链路无法满足需求矩阵。

利用上述步骤210-230则可以实现执行拓扑重构前期步骤，即针对应用场景实际的负载状况判断是否需要执行拓扑重构。通过上述步骤可以减少在不必执行拓扑重构的情况下实施拓扑重构而造成资源浪费，并且可以通过调整在步骤230中设置的阈值的大小来控制是否需要实施拓扑重构的标准的严格程度。

步骤240：由拓扑重构控制器中的拓扑匹配模块4对离线拓扑参数库 5中所存储的针对每一个拓扑结构的带宽矩阵与例如在图6中示出的所述需求矩阵进行匹配，选择其中匹配度最高或较高(或差异度最小或较小) 的拓扑结构作为目的拓扑。

在步骤240中还可以通过设置阈值的方式由匹配度评估模型子模块41 进行匹配，例如选择与所述需求矩阵差异度小于设定的阈值的带宽矩阵所对应的拓扑结构，或者从差异度小于设定的阈值的多个带宽矩阵所对应的拓扑结构中选择差异度最小的一个作为目的拓扑；若离线拓扑参数库5中的每一个拓扑结构所对应的带宽矩阵与所述需求矩阵差异度均大于设定的阈值，则可以在随后的步骤中通过在线自适应拓扑匹配子模块42在线地(即实时地通过计算)确定符合匹配度要求的拓扑结构作为目的拓扑。

步骤250：由拓扑重构控制器中的拓扑匹配模块4中的在线自适应拓扑匹配子模块42在线地生成符合例如在图6中示出的所述需求矩阵的拓扑结构，具体方法如下。首先，在不超过各个节点度数的前提下，将需求矩阵中的数据按照降序排列以依次构建直接连接关系；若在构建时针对某个节点达到了节点度数的限制，则在已添加的连接关系中选择没有被度数限制的节点，构建二级连接关；循环上述做法，直至构建出完整的拓扑结构，以将所获得的拓扑结构作为目的拓扑。

以图1所示出的应用场景为例，各个节点的度数限制为3，即每个边缘交换机最多与其它三个边缘交换机相连。假设需求矩阵如图6(b)所示，则利用上述方法步骤，可以计算出如图3(b)所示出的符合所述需求矩阵的目的拓扑结构。此时，目的拓扑结构可以提供的带宽矩阵正好满足需求矩阵。优选地，还可以将计算得到的目的拓扑结构和/或所述目的拓扑的带宽矩阵存储至离线拓扑参数库5中，以扩充所述离线拓扑参数库5。若在随后时刻的计算中需要满足类似的需求矩阵时，可以直接查询离线拓扑参数库，减少计算量，使得整个拓扑重构控制过程能够快速地完成。

在本发明的一些实施例中，还可以不执行上述步骤240而直接执行步骤250中的在线生成符合所述需求矩阵的拓扑结构。

至此，本发明通过上述步骤确定了是否需要根据应用场景的需求来实施拓扑重构、以及在需要实施拓扑重构的情况下如何确定恰当的目的拓扑。下面将继续介绍根据本发明的实施例的用于实施针对光网络的拓扑重构的具体步骤，应当理解上述步骤210-230或上述步骤210-240或上述步骤210-250或步骤210-230、250可以与任意现有的针对光网络的静态或动态拓扑重构方案相结合而不限于本发明所提供的以下具体实施例。

步骤260：由拓扑重构控制器中的重构计算模块6利用重构算法计算出当前拓扑和目的拓扑的中间拓扑，对比各中间拓扑与前后拓扑的差异以计算出物理链路的增删序列与各中间拓扑对应的路由。所述路由关系可以存储作为链路增删及路由变更序列。并且，在此步骤中，还可以由重构计算模块6检测每个中间拓扑的连通情况，确保重构过程的无间断快速运行。

在步骤260中，可以使用现有的拓扑重构算法，例如采用TMA算法计算重构过程的中间拓扑和链路增删序列，并且计算每个重构中间拓扑的路由。

在本实施方式中，利用在Zhao Y等人与2015年发表于Journal of LightwaveTechnology的Dynamic Topology Management in Optical Data Center Networks中提供的TMA算法，计算重构过程的中间拓扑结构如图 3(c)所示。以采用TMA算法针对如图1所示出的应用场景为例，表1 示出了中间拓扑上的路由信息，其中Source代表源交换机，Sink代表目的交换机，Route代表从源交换机到目的交换机的路由。参考表1，以第一列为例，源交换机A到目的交换机C的路由为A直接到C，以第三列为例，源交换机A到目的交换机E的路由为经由C再到达E。通过上述TMA 算法比较原拓扑与中间拓扑，可以得到如表2示出的链路增删序列，参考表2，其中第一行表示需要删除的链路，第二行表示需要增加的链路。通过采用TMA算法比较比较中间拓扑与目的拓扑，可以得到如表3示出的链路增删序列。表2和表3均可被用于存储作为链路增删及路由变更序列。

表1中间拓扑路由信息表

Source

A

A

A

B

B

B

C

C

D

Sink

C

D

E

D

E

F

E

F

F

Route

A→C

A→D

A→C→E

B→D

B→E

B→F

C→E

C→F

D→B→F

步骤270：在获得了例如表2和/或表3所示出的链路增删及路由变更序列后，由拓扑重构控制器中的快速无间断重构控制模块7控制路由控制模块9和/或光链路控制模块8以保证整个重构过程的链路增删与路由改变交叉同步进行，其中由光链路控制模块8将链路增删序列转换为物理层光模块能够识别的控制信号，由路由控制模块9根据快速无间断控制模块提供的路由变更序列，改变各交换器件的路由表。

在步骤270中可以按照“删除链路前变更路由，增加链路后变更路由”的原则进行拓扑重构，以保证拓扑重构的有序进行。

通过上述实施例可以看出，本发明可以获得以下有益的效果：

根据本发明的方法可以由针对性地根据光网络应用场景中的负载要求来判断是否需要对当前光网络的拓扑结构进行重构，通过对各个节点上实际的负载进行统计能够准确地判断应用场景中各个节点之间实际需求的带宽，减少在不必执行拓扑重构的情况下实施拓扑重构而造成资源浪费，并且可以通过调整设置的阈值的大小来控制是否需要实施拓扑重构的标准的严格程度。此外，在需要实施拓扑重构的情况下，本发明可以利用离线的数据库和/或在线地确定满足应用场景中的负载要求的目的拓扑，兼顾了计算目的拓扑的时效性和准确性。并且，在执行拓扑重构的操作时，按照“删除链路前变更路由，增加链路后变更路由”，可以保证拓扑重构的有序、无间断地进行。

需要说明的是，上述实施例中介绍的各个步骤并非都是必须的，本领域技术人员可以根据实际需要进行适当的取舍、替换、修改等。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管上文参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种用于光网络的拓扑重构控制方法，包括：

1)获取光网络为各个网络节点之间的线路所实际提供的带宽，以生成当前带宽矩阵；

2)获取应用场景中各个网络节点之间的负载要求，以生成需求矩阵；

3)对所述当前带宽矩阵与所述需求矩阵进行比较，若所述当前带宽矩阵不满足所述需求矩阵，则执行拓扑重构，其包括；

确定满足所述需求矩阵的一个拓扑结构，作为执行拓扑重构的目的拓扑，利用重构算法计算出光网络的当前拓扑和所述目的拓扑之间的中间拓扑，比较所述中间拓扑分别与当前拓扑和所述目的拓扑之间的差异，以确定物理链路的增删序列以及与所述中间拓扑相对应的路由；以及

根据所述物理链路的增删序列以及与所述中间拓扑相对应的路由，交叉同步地进行链路增删以及路由改变以将所述当前拓扑变更为中间拓扑并继而将中间拓扑变更为所述目的拓扑，其中所述交叉同步遵循在删除链路前变更路由并且在增加链路后变更路由的原则。

2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤2)包括：

2-1)统计应用场景中各个网络节点之间的负载，以确定所述负载要求；

2-2)根据所述负载要求确定各个网络节点之间需要的带宽，以作为用于生成需求矩阵的数据。

3.根据权利要求2所述的方法，其中步骤3)包括：

3-1)计算所述当前带宽矩阵与所述需求矩阵之间的差异；

3-2)将所述差异与设定的阈值进行比较，若所述差异超过设定的阈值，则针对所述需求矩阵匹配目的拓扑以执行拓扑重构。

4.根据权利要求3所述的方法，其中步骤3-2)包括：

计算所述需求矩阵与存储的每一个拓扑结构的带宽矩阵之间的差异，并根据计算获得的结果，选择所述目的拓扑。

5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤3-2)还包括：

若在存储的带宽矩阵中存在多个与所述需求矩阵之间的差异小于设定的阈值的带宽矩阵，则从其中选择差异最小的一个带宽矩阵所对应的拓扑结构作为所述目的拓扑；

若存储的每一个拓扑结构与所述需求矩阵直接的差异均大于设定的阈值，则在线地生成符合所述需求矩阵的拓扑结构，以作为所述目的拓扑。

6.根据权利要求3所述的方法，其中步骤3-2)包括：

在线地生成符合所述需求矩阵的拓扑结构，以作为所述目的拓扑。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中所述当前带宽矩阵和/或所述需求矩阵采用第x行第y的元素表示网络节点x和网络节点y之间的通信特征。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述通信特征为峰值带宽和/或平均带宽和/或设定阈值的带宽，或者为归一化的峰值带宽和/或平均带宽和/或设定阈值的带宽。

9.一种用于光网络的拓扑重构控制装置，包括：

用于获取光网络为各个网络节点之间的线路所实际提供的带宽，以生成当前带宽矩阵的通信特征提取模块；

用于获取应用场景中各个网络节点之间的负载要求，以生成需求矩阵的拓扑探知模块；

用于对所述当前带宽矩阵与所述需求矩阵进行比较，若所述当前带宽矩阵不满足所述需求矩阵，则执行拓扑重构的重构评估与判决模块；

用于利用重构算法计算出光网络的当前拓扑和目的拓扑之间的中间拓扑，比较所述中间拓扑分别与当前拓扑和所述目的拓扑之间的差异，以确定物理链路的增删序列以及与所述中间拓扑相对应的路由的模块，其中，所述目的拓扑是指满足所述需求矩阵的一个拓扑结构；以及

用于根据所述物理链路的增删序列以及与所述中间拓扑相对应的路由，交叉同步地进行链路增删以及路由改变以将所述当前拓扑变更为中间拓扑并继而将中间拓扑变更为所述目的拓扑，其中所述交叉同步遵循在删除链路前变更路由并且在增加链路后变更路由的原则的模块。

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