CN108282707A - 光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法，用于解决现有方法中无法感知网络流量及时延状况，以及网络时延高和吞吐低的问题。实现步骤为：初始化候选输出端口集合avail_port；判断集合中候选端口数量及空闲状态；当两候选端口均被占用，计算该两端口处理时延预测值TP₁、TP₂和拥塞差值率k；根据k与拥塞差值率门限值K的大小比较选择输出端口；当两候选端口仅一个空闲，选定该空闲端口为输出端口；当两端口均空闲，根据上一跳传输方向选择输出端口；当仅有一端口，定其为输出端口。本发明采用拥塞预测，使建链分组在选择路径时考虑网络流量、拥塞，以路径转弯次数降低通信损耗，可用于实现拥塞感知，降低网络时延，提高通信可靠性和吞吐。

Description

光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种光片上网络路径计算，具体是一种光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法，可用于芯片上IP核间的数据传输的路径选择，实现基于光电路交换的光片上网络中IP核之间高效率的数据传输，同时保持低时延低损耗的数据通信。

背景技术

随着信息领域业务通信需求的不断增长，处理器芯片上IP核的数目也在不断地增加。传统的基于电互连的片上网络在能耗、时延、带宽和串扰等方面已经无法满足当前片上网络的通信需求。通过将芯片上众多的IP核进行光互连的光片上网络由于具有高带宽，低功耗，低时延和低电磁干扰的优势，可以有效解决电片上网络的诸多技术难题。因此，基于光互连的光片上网络已经成为信息领域片上多核互连的关键技术。

由于低成本、高效率的光缓存器件的缺失以及光信号在逻辑处理技术的不成熟,传统的光电路交换机制凭借其快的传输速度、不需片上光缓存、信息分组传输可靠等优点，被广泛应用于光片上网络。在光电路交换中,源节点和目的节点之间的通信需要独享链路资源，随着网络负载的增加,网络会出现严重的阻塞，使网络性能急剧下降。光片上网络路径计算方法为通信过程中产生的分组选择传输路径，极大地影响了光片上网络的性能，是光片上网络的关键技术之一。通过合理设计拥塞感知的路径计算方法可以避开网络拥塞，以实现处理器核间的高效通信，提高网络性能。

维序路径计算方法是最具代表性的光片上网络路径计算方法，并在现有的经典二维mesh或torus光片上网络结构中被广泛采用。该路径计算方法仅与源、目的IP核的位置有关，只能为每个分组计算一条确定的路径，该方法无法感知网络的流量、拥塞以及时延状况，使得网络为分组选择的路径不能最优化地使用网络资源，造成网络通信的冲突及拥塞，时延、吞吐性能降低。因此随着芯片内 IP核数量的不断增多，基于光电路交换的核间通信产生的冲突与阻塞变得十分严重，维序路由的使用导致更高的通信时延和低的吞吐。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种能够感知网络中流量时延状况、利用端口历史拥塞状况预测端口拥塞时延的光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法。

发明是一种光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法，其特征在于，包括有如下步骤：

(1)初始化候选输出端口集合avail_port：首先提取光电路交换条件下的光片上网络中本地节点的地址(x_local,y_local)，其中x_local代表本地节点在光电路交换条件下光片上网络中的x轴坐标值，y_local代表本地节点在光电路交换条件下光片上网络中的y轴坐标值，本地节点接收到新的建链分组时，提取本建链分组的源节点地址(x_current,s,y_current,s)与目的节点地址(x_current,d,y_current,d)，用集合avail_port 表示光电路交换条件下的候选输出端口集合，比较本地节点与本建链分组目的节点的相对位置，将满足条件的端口加入光电路交换条件下的候选输出端口集合，光电路交换条件下的光片上网络中的输出端口分别有东端口、西端口、北端口、南端口和本地端口，分别对应光电路交换条件下的光片上网络中的不同输出路径；

(2)判断候选输出端口集合avail_port中候选输出端口的候选输出端口数量及候选输出端口空闲状态；

(3)若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在两个候选输出端口且均被占用，执行步骤(4)，若光电路交换条件下的候选输出端口集合 avail_port中存在两个候选输出端口且均是空闲的，执行步骤(7)，若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在两个候选输出端口且仅有一个候选输出端口空闲，则选择该空闲的候选输出端口作为输出端口，路径计算结束，执行步骤(8)；若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在一个候选输出端口，则选择该候选输出端口作为输出端口，路径计算结束，执行步骤(8)；

(4)计算两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、 TP₂：分别计算光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、TP₂，其计算方法相同，步骤如下：

4a)设定候选输出端口处理时延预测值和网络拥塞引起的等待时延：设TP_P代表光电路交换条件下的本建链分组进入第P个候选输出端口时可能需要等待被发送的时间，即候选输出端口处理时延预测值，这里P为候选输出端口的序号，取值仅有两个，1和2，设PC_P代表第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值，即因网络拥塞引起的等待时延；

4b)计算第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P：

利用候选输出端口处理时延历史值DL，第P个候选输出端口缓存处的待发送的建链分组数当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的待发送的第j个建链分组无拥塞传输时延j是当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组的序号，计算光电路交换条件下的第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P；

4c)计算第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P：

获取当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组数当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的第i个建链分组无拥塞传输时延i是当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组的序号，计算光电路交换条件下的第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P；

(5)计算光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k：设k为候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率，通过光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、TP₂计算得出光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k；

(6)根据拥塞差值率k与拥塞差值率门限值K的大小比较选择输出端口：设拥塞差值率门限值K，K为可调参数，在0到1内取值，0≤K≤1，若k大于等于K，则选择候选输出端口处理时延预测值小的端口作为光电路交换条件下的输出端口，路径计算结束，执行步骤(8)；若k小于K，则执行步骤(7)；

(7)选择该建链分组原本的传输方向：若该建链分组上一跳沿着x轴负方向传输，则输出端口为西端口，执行步骤(8)；若该建链分组上一跳沿着x轴正方向传输，则输出端口为东端口，执行步骤(8)；若该建链分组上一跳沿着y轴正方向传输，则输出端口为北端口，执行步骤(8)；若该建链分组上一跳沿着y 轴负方向传输，则输出端口为南端口，执行步骤(8)；若分组上一跳从IP核节点传输到本地节点，则随机选择两个候选输出端口中的一个候选输出端口作为分组的输出端口，执行步骤(8)；

(8)输出计算所得本建链分组的光电路交换条件下的光片上网络路径输出端口，该输出端口会对应下一跳节点的输入端口，光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法结束。

本发明解决现有光电路交换条件下的光片上网络路径选择方法中存在的网络阻塞严重、对网络状态不感知，以及网络时延吞吐性能低的问题，同时保持通信低损耗。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

第一，由于本发明采用非确定性的路径计算方法，因此相同源节点与目的节点之间的建链分组在选择通信路径时，现有技术仅能选择一个路径，而本发明可选择多个不同的路径，多个不同的路径为建链分组的提供高的路径多样性，在维序路径选择方法中，当该方法选择出的唯一的路径遭遇阻塞时，数据包会拥堵在拥塞区域，导致分组时延变高，而本发明中高的路径多样性可以为建链分组提供绕过拥塞区域的其他的空闲或非拥堵的传输路径，通过本发明选择的路径，分组绕过网络拥塞区域，使用网络中其他空闲的网络资源，整个网络的拥塞得以缓解，网络的数据传输效率也得以提高。

第二，由于本发明采用拥塞预测的方法，设计候选端口的候选端口拥塞时延预测，并以此为依据，使分组在选择不同通信路径时考虑不同候选端口的候选端口拥塞时延预测值，由此分组可以感知网络流量及时延状况，并选择流量低、时延低的数据传输路径，以有效提高网络中每个分组的时延性能与通信效率，从而提高整个光片上网络的通信效率及吞吐量，降低了网络的通信时延，使得本发明具有高吞吐、低时延以及高的通信效率。

第三，由于本发明选择路径时不仅考虑网络流量及时延状况，同时考虑路径中的转弯次数，选择路径时尽可能选择转弯次数少的路径，由此得到实现低时延且低通信损耗的路径，可以有效地降低光交换机制条件下光片上网络的通信损耗，使得本发明具有低的通信损耗。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

实施例1

现有光电路交换机制条件下的光片上网络中最常使用的路径选择方法为维序路径选择方法，二维情况下包括XY路径选择方法和YX路径选择方法，虽然逻辑简单，现有的光电路交换机制条件下的光片上网络中路径选择方法大都是基于此方法，然而，随着光片上网络日益增加的数据通信需求，现有光电路交换机制条件下光片上网络的维序路径选择方法已不能满足其网络通信需求，并为网络提供高吞吐和低时延等性能，为此本发明展开了研究与创新，提出一种光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法，参见图1，包括有如下步骤：

(1)初始化候选输出端口集合avail_port：首先提取光电路交换条件下的光片上网络中本地节点的地址(x_local,y_local)，其中x_local代表本地节点在光电路交换条件下光片上网络中的x轴坐标值，y_local代表本地节点在光电路交换条件下光片上网络中的y轴坐标值，本地节点接收到新的建链分组时，提取本建链分组的源节点地址(x_current,s,y_current,s)与目的节点地址(x_current,d,y_current,d)，用集合avail_port 表示光电路交换条件下的候选输出端口集合，比较本地节点与本建链分组目的节点的相对位置，将满足条件的端口加入光电路交换条件下的候选输出端口集合，光电路交换条件下的光片上网络中的输出端口分别有东端口、西端口、北端口、南端口和本地端口，分别对应光电路交换条件下的光片上网络中的不同输出路径。

本发明中，若x_local>x_current,d且y_local＞y_current,d，则将西端口和南端口加入候选输出端口集合avail_port；若x_local>x_current,d且y_local<y_current,d，则将西端口和北端口加入候选输出端口集合avail_port；若x_local<x_current,d且y_local>y_current,d，则将东端口和南端口加入候选输出端口集合avail_port；若x_local<x_current,d且 y_local<y_current,d，则将东端口和北端口加入候选输出端口集合avail_port；若 x_local＝x_current,d且y_local>y_current,d，则将南端口加入候选输出端口集合avail_port；若x_local＝x_current,d且y_local<y_current,d，则将北端口加入候选输出端口集合 avail_port；若x_local>x_current,d且y_local＝y_current,d，则将西端口加入候选输出端口集合avail_port；若x_local<x_current,d且y_local＝y_current,d，则将东端口加入候选输出端口集合avail_port；若x_local＝x_current,d且y_local＝y_current,d，则将本地端口加入候选输出端口集合avail_port。

本发明中，这种候选输出端口集合的初始化方法使分组在光电路交换条件下的光片上网络中的遵循最短路径选择，最短路径选择可使分组在光电路交换条件下的光片上网络的传输时实现传输损耗最小化，使得本发明在考虑网络中拥塞及分组时延的情况下，实现低损耗传输。

(2)判断候选输出端口集合avail_port中候选输出端口的候选输出端口数量及候选输出端口空闲状态。

本发明中，候选输出端口集合的初始化是基于最短路径选择方法，因此，在二维光片上网络中，本发明初始化后的候选输出端口集合avail_port中候选输出端口的数量为1个或2个，空闲状态可能为空闲或被占用两种状态。

(3)若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在两个候选输出端口且均被占用，执行步骤(4)，若光电路交换条件下的候选输出端口集合 avail_port中存在两个候选输出端口且均是空闲的，执行步骤(7)，若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在两个候选输出端口且仅有一个候选输出端口空闲，则选择该空闲的候选输出端口作为输出端口，执行步骤(8) 路径计算结束；若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在一个候选输出端口，则选择该候选输出端口作为输出端口，执行步骤(8)路径计算结束。

本发明中，若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在两个候选输出端口且均被占用，则分组发送到两个候选输出端口时，都会排队并等待处理，即产生候选端口的端口处理时延，根据本发明，为了使分组选择端口处理时延低的候选输出端口，需通过计算得出两个被占用的候选端口的端口处理时延预测值，并据此选择处理时延预测值低的端口作为输出端口进行数据传输。使得分组在光电路交换条件下的光片上网络中低拥塞低时延的传输。若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在两个候选输出端口且均是空闲的，则可知，分组选择这两个输出端口，都不需要等待被处理，即分组发送到这两个输出端口的传输时延都低，在时延都低的情况下，考虑选用传输损耗低的路径作为分组传输路径，在光片上网络中，路径转弯次数越少，路径传输损耗越低，在两个候选端口的传输时延都低的情况下，本发明选用与上一跳传输方向相同的方向所对应的候选输出端口作为分组的输出端口进行数据传输，即若分组上一跳选择的传输方向为西方向，则选择西端口作为分组的输出端口进行数据传输，若分组上一跳选择的传输方向为东方向，则选择东端口作为分组的输出端口进行数据传输，若分组上一跳选择的传输方向为北方向，则选择北端口作为分组的输出端口进行数据传输，若分组上一跳选择的传输方向为南方向，则选择南端口作为分组的输出端口进行数据传输，若分组上一跳从IP核节点传输到本地节点，则随机选择两个候选输出端口中的一个候选输出端口作为分组的输出端口进行数据传输。若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在两个候选输出端口且仅有一个候选输出端口空闲，则可知空闲的候选输出端口的传输时延低，因此为实现分组在光电路交换条件下的光片上网络中低拥塞、低时延的传输，选择该空闲的候选输出端口作为输出端口进行数据传输。若候选输出端口集合 avail_port中存在一个候选输出端口R，其中R的值可为东端口、南端口、西端口、北端口或本地端口，因为要遵循最短路径传输，因此只能选择该输出端口传输进行数据传输。

(4)计算两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、 TP₂：分别计算光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值，一个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、另一个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₂，两个端口的处理时延预测值计算方法相同，计算步骤如下：

本发明中，通过步骤3已获得光电路交换条件下的本建链分组的候选输出端口集合avail_port，且其中存在两个被占用的候选输出端口，设定本建链分组发送到这两个被占用的候选输出端口后，可能需要的等待被处理的时间分别为TP₁和TP₂，并利用接下来的步骤计算一个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁和另一个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₂。这两个值包含了两个被占用的候选端口的时延信息，利用这两个值为光电路交换条件下的本建链分组选择低时延路径。直接把端口的处理时延预测融入到了光电路交换条件下的光片上网络路径选择方案中。

4a)设定候选输出端口处理时延预测值和网络拥塞引起的等待时延：设TP_P代表光电路交换条件下的本建链分组进入第P个候选输出端口时可能需要等待被发送的时间，即候选输出端口处理时延预测值，这里P为候选输出端口的序号，取值仅有两个，1和2，设PC_P代表第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值，即因网络拥塞引起的等待时延。

4b)计算第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P：

获取第P个候选输出端口当前正在服务的建链分组在该输出端口等待的处理时延，即当前正在服务的建链分组从存入第P个候选输出端口开始到从第P个候选输出端口发出结束为止的时间，记为DL，代表候选输出端口处理时延历史值，设表示当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的待发送建链分组数，根据光电路交换机制的特性，的取值为1到3，表示当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的待发送的第j个建链分组在网络无拥塞状态下成功到达目的节点完成数据传输并完成拆链所需的时间，j是当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P 个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组的序号，简练的说，是第P个候选输出端口缓存处的待发送的第j个建链分组无拥塞传输时延值，利用候选输出端口处理时延历史值DL，第P个候选输出端口缓存处的待发送的建链分组数当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的待发送建链分组无拥塞传输时延值共同计算光电路交换条件下的第 P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P。具体是将当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的个待发送建链分组的无拥塞传输时延值进行连加后，再与候选输出端口处理时延历史值DL进行差运算。

本发明通过预测光电路交换条件下的光片上网络的候选输出端口集合 avail_port中的两个被占用的候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值，以感知网络中的拥塞状况和时延状况，为分组选择低时延的传输路径，从而实现拥塞感知的光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法。

4c)计算第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P：

获取当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组数当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的第i个建链分组无拥塞传输时延i是当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组的序号，计算光电路交换条件下的第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P。具体是将当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的个建链分组无拥塞传输时延进行连加后，再与光电路交换机制条件下的建链分组在第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值 PC_P进行和运算。

本发明通过预测光电路交换条件下的光片上网络的候选输出端口集合 avail_port中的两个被占用的候选输出端口的候选端口处理时延预测值，以获取网络中的流量状况和时延状况，并以此分别精确描述本建链分组可能在两个被占用的候选输出端口等待的处理时延，以此为依据，为分组选择低时延的传输路径，从而实现拥塞感知的光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法。

(5)计算光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k：设k为候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率，通过光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、TP₂共同计算得出光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k。具体是将一个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁与另一个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₂进行差运算并取绝对值，再选择出一个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁与另一个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₂两个值的最大值，再将差的绝对值除以两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值中的最大值，再将结果与100％做乘运算，根据具体计算方法可得拥塞差值率k的结果范围为 0≤k≤1。

本发明通过设计光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k这一参数，为后续的步骤中同时考虑候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值与候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值的带来的损耗值做了基础。

(6)根据拥塞差值率k与拥塞差值率门限值K的大小比较选择输出端口：设拥塞差值率门限值K，K为可调参数，在0到1内取值，0≤K≤1，K＝0时表示只考虑传输时延不考虑传输损耗的特例，K＝1时表示仅在能提高一倍的光电路交换条件下光片上网络的时延性能时考虑传输时延，其他情况均考虑传输损耗的特例，本例中K＝0。若k大于等于K，说明要选择处理时延预测值小的候选输出端口，因此选择候选输出端口处理时延预测值小的端口作为光电路交换条件下的输出端口，路径计算结束，执行步骤(8)。若k小于K时，当K≠0时，说明选择处理时延预测值小的候选输出端口为建链分组带来的时延的优化较低，因此选择低损耗的候选输出端口为建链分组带来较高的损耗的优化，则执行步骤 (7)。而当K＝0时，因为拥塞差值率k的结果范围为0≤k≤1，所以不存在k小于K的情况，只存在k等于K的情况。当k＝K＝0时表示本建链分组的候选输出端口集合avail_port中两个被占用的候选输出端口具有相同的处理时延预测值，当k＝K＝1时表示本建链分组的候选输出端口集合avail_port中两个被占用的候选输出端口其中一个候选输出端口的处理时延预测值为0，即其中一个候选输出端口无处理时延。

本发明中，在步骤(5)已通过计算得出光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k，其结果范围为0≤k≤1。本发明通过利用拥塞差值率k在低时延通信与低损耗通信两个不同目标中进行权衡考虑，若计算得出的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k值较大，表示本建链分组发送到本建链分组的候选输出端口集合avail_port中两个被占用的候选输出端口的等待处理时延值相差较大，选择候选输出端口处理时延预测值低的候选输出端口对本建链分组可能的等待处理时延性能的提升较明显，在选择路径时则选择候选输出端口处理时延预测值低的候选输出端口，实现低拥塞低时延通信。若计算得出的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k值较小，表示本建链分组发送到本建链分组的候选输出端口集合avail_port中两个被占用的候选输出端口的等待处理时延值相差较小，选择候选输出端口处理时延预测值低的候选输出端口对本建链分组可能的等待处理时延性能的提升不明显，因此就算在选择路径时选择候选输出端口处理时延预测值低的候选输出端口，也难以明显地提高光电路交换条件下光片上网络的时延性能，因此在选择路径时选择该建链分组原本的传输方向对应的候选输出端口，实现低损耗通信。本例K＝0表示即使选择候选输出端口处理时延预测值低的候选输出端口难以明显地提高光电路交换条件下光片上网络的时延性能，也要选择候选输出端口处理时延预测值低的候选输出端口，即该特例只考虑传输时延不考虑传输损耗。

本发明通过对比光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k与拥塞差值率门限值K，将候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值与候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值的带来的损耗值同时考虑，使得本方法可以同时考虑时延目标与损耗目标，并可根据自身的应用需求调节拥塞差值率门限值K，以灵活调节两个目标的权重。

(7)选择该建链分组原本的传输方向：若该建链分组上一跳沿着x轴负方向传输，则输出端口为西端口，执行步骤(8)。若该建链分组上一跳沿着x轴正方向传输，则输出端口为东端口，执行步骤(8)。若该建链分组上一跳沿着y轴正方向传输，则输出端口为北端口，执行步骤(8)。若该建链分组上一跳沿着y 轴负方向传输，则输出端口为南端口，执行步骤(8)。若分组上一跳从IP核节点传输到本地节点，则随机选择两个候选输出端口中的一个候选输出端口作为分组的输出端口，执行步骤(8)。

本发明中，为了减小光电路交换条件下光片上网络中建链分组传输路径中的转弯次数，以实现低损耗的数据传输，本发明选择该建链分组原本的传输方向，即选用与上一跳传输方向相同的方向所对应的候选输出端口作为分组的输出端口进行数据传输，传输方法为：若分组上一跳选择的传输方向为西方向即沿着x 轴负方向传输，则选择西端口作为分组的输出端口进行数据传输，若分组上一跳选择的传输方向为东方向即沿着x轴正方向传输，则选择东端口作为分组的输出端口进行数据传输，若分组上一跳选择的传输方向为北方向即沿着y轴正方向传输，则选择北端口作为分组的输出端口进行数据传输，若分组上一跳选择的传输方向为南方向即沿着y轴负方向传输，则选择南端口作为分组的输出端口进行数据传输，若分组上一跳从IP核节点传输到本地节点，则随机选择两个候选输出端口中的一个候选输出端口作为分组的输出端口进行数据传输。

(8)输出计算所得本建链分组的光电路交换条件下的光片上网络路径输出端口，该输出端口会对应下一跳节点的输入端口，芯片上IP核间的数据传输的路径选择完成，光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法结束。

由于本发明利用节点端口的历史拥塞值进行节点端口拥塞预测，使建链分组在选择输出端口时考虑了网络流量及时延状况，从根本上可得到低时延的路径，使得分组在光交换机制条件下的光片上网络传输时的拥塞情况有效地减小，本发明的计算方案可以感知在光交换机制条件下的光片上网络的流量、拥塞及时延。

实施例2

光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法同实施例1，步骤4b)中所述的计算光电路交换条件下的第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值 PC_P，计算公式为：

其中，P表示候选输出端口的序号，DL表示候选输出端口处理时延历史值，表示当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的待发送建链分组数，表示当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P 个候选输出端口缓存处的待发送的第j个建链分组无拥塞传输时延，j表示当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的待发送建链分组序号，

本发明中，在计算第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P的过程中，主要的思路是，当前状态下第P个候选输出端口正在服务的建链分组在该输出端口等待的处理时延历史值DL以及当前状态下第P个候选输出端口正在服务的建链分组被该节点的第P个候选输出端口收到时第P个候选输出端口缓存处的个待发送建链分组在网络无拥塞状态下成功到达目的节点完成数据传输并完成拆链所需的时延值之和，通过将上述的当前状态下第P个候选输出端口正在服务的建链分组在该输出端口等待的处理时延历史值DL减去第P个候选输出端口缓存处的个待发送建链分组在网络无拥塞状态下成功到达目的节点完成数据传输并完成拆链所需的时延值之和，即可得到第P个候选输出端口的候选端口在收到当前状态下第P个候选输出端口正在服务的建链分组时的第P个候选输出端口的候选端口拥塞历史时延值，该第P个候选输出端口的候选端口拥塞历史时延值即为本发明中光电路交换机制条件下的建链分组在第P 个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P。

第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P的计算是本发明的关键创新点之一，通过这一计算步骤，本发明以感知网络中的拥塞状况和时延状况，为分组选择低时延的传输路径，实现拥塞感知的光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法。

实施例3

光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法同实施例1-2，步骤4c)中所述的计算光电路交换条件下的第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P，计算公式如下：

其中，表示当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组数，表示当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的第i 个建链分组无拥塞传输时延，PC_P表示第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值，i表示当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组序号，

本发明中，参见图1，第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P可分为两部分，第一部分为光电路交换机制条件下的光片上网络因网络拥塞产生的第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P，第二部分为当前状态下第P个候选输出端口的候选输出端口缓存处的个待发送建链分组在光电路交换机制条件下的光片上网络中无拥塞传输时延的总和。第一部分的时延值PC_P已通过本发明中的步骤4b)计算得出。第二部分的时延值即为当前状态下第P个候选输出端口的候选输出端口缓存处的个待发送建链分组无拥塞情况下传输完成对该链路的占用时间，通过光电路交换机制条件下的光片上网络的基本时延计算方法可得第二部分的时延值。第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P的计算是本发明的关键创新点之一，通过这一计算步骤，本发明不仅考虑光电路交换机制条件下的光片上网络不同候选输出端口因网络拥塞产生的拥塞时延，同时考虑不同候选输出端口的候选输出端口缓存处的待发送建链分组的处理时间。将光电路交换机制条件下的光片上网络中的本建链分组在本建链分组的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口处可能需要等待的处理时延进行更精确的计算，以得到更精确的第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P。通过利用本发明步骤(4)计算得到的第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P，使本发明在光电路交换机制条件下的光片上网络中为本建链分组选择低拥塞低时延的路径，从而在光电路交换机制条件下的光片上网络中实现低拥塞和低时延的数据传输。

本发明以获取网络中的流量状况和时延状况，并以此分别精确描述本建链分组可能在两个被占用的候选输出端口等待的处理时延，以此为依据，为分组选择低时延的传输路径，实现拥塞感知的光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法。

分组的通信时延计算公式如下：

Latency＝T_transmission+T_E/O+T_O/E+T_waiting

其中，T_transmission表示分组的传输时延，T_E/O表示分组的电光转换时延，T_O/E表示分组的光电转换时延，T_waiting表示分组在遇到拥塞时的等待网络中路由节点处理的时延，对同一个分组来说，不论使用维序路径计算方法还是本发明的方法， T_transmission、T_E/O、T_O/E三个时延值是相同的，因此只需比较在遇到拥塞时的等待网络中路由节点处理的时延T_waiting，因为维序路径计算方法的路径只有一条，因此，使用维序路径计算方法产生的在遇到拥塞时的等待网络中路由节点处理的时延T_{waiting_维序}，是不受维序路径计算方法控制的，因此，该值会根据固定路径上的流量状况变化，而使用本发明的方法产生的在遇到拥塞时的等待网络中路由节点处理的时延T_{waiting_本发明}，是受本发明的计算方法控制的，本发明总会选择使时延值T_{waiting_本发明}最小的路径传输分组，因此本发明选择的路径的等待时延总是小于或等于维序路径计算方法选择的路径的时延，从而降低网络每个建链分组的总的通信时延，通过本发明选择的路径，分组绕过网络拥塞区域，使用网络中其他空闲的网络资源，整个网络的拥塞得以缓解，网络的数据传输效率也得以提高。

实施例4

光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法同实施例1-3，步骤(5)中所述的通过光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、TP₂计算得出光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k，计算公式如下：

其中，TP₁表示候选输出端口集合avail_port中的第一个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值，TP₂表示候选输出端口集合avail_port中的第二个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值。

本发明中，通过设计计算光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port 中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k，以确定一个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁与另一个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₂这两个时延预测值相差的程度，若两个时延预测值相差较小，即表示本建链分组发送到本建链分组的候选输出端口集合 avail_port中两个被占用的候选输出端口的等待处理时延值相差较小，选择等待处理时延值小的候选输出端口对本建链分组可能的等待处理时延性能的提升较低，若两个时延值相差较大，即表示本建链分组发送到本建链分组的候选输出端口集合avail_port中两个被占用的候选输出端口的等待处理时延值相差较大，选择等待处理时延值小的候选输出端口作为最终输出端口，对本建链分组可能的等待处理时延性能的提升较高。

实施例5

光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法同实施例1-4，步骤(6)根据拥塞差值率k与拥塞差值率门限值K的大小比较选择输出端口：设拥塞差值率门限值K，K为可调参数，在0到1内取值，0≤K≤1，K＝1时表示只考虑传输损耗不考虑传输时延的特例，本例中K＝1。K＝1表示只有当两个被占用的候选输出端口的其中一个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值为0时，才选择候选输出端口处理时延预测值小的候选端口作为光电路交换条件下的输出端口，其他情况则选择分组原本的传输方向对应的候选端口进行数据传输，即该特例仅在能提高100％的光电路交换条件下光片上网络的时延性能时考虑传输时延，其他情况均考虑传输损耗。若k大于等于K，说明要选择处理时延预测值小的候选输出端口，因此选择候选输出端口处理时延预测值小的端口作为光电路交换条件下的输出端口，路径计算结束，执行步骤(8)。若k小于K时，说明选择处理时延预测值小的候选输出端口为建链分组带来的时延的优化较低，因此选择低损耗的候选输出端口为建链分组带来较高的损耗的优化，则执行步骤(7)。而因为此例中K＝1，拥塞差值率k的结果范围为0≤k≤1，所以不存在k大于K的情况，只存在k等于K的情况。当k＝K＝1时表示本建链分组的候选输出端口集合avail_port中两个被占用的候选输出端口其中一个候选输出端口的处理时延预测值为0，即其中一个候选输出端口无处理时延。

实施例6

光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法同实施例1-5，步骤(6)设拥塞差值率门限值K，K为可调参数，在0到1内取值，0≤K≤1，K＝1时表示只考虑传输损耗不考虑传输时延的特例，本例中K＝0.5。K＝0.5表示仅当候选输出端口处理时延预测值低的候选输出端口，相比候选输出端口处理时延预测值低的候选输出端口可提高50％的光电路交换条件下光片上网络的时延性能时，才会选择候选输出端口处理时延预测值低的对应的候选端口进行数据传输，即该特例同时考虑传输损耗和考输时延。若k大于等于K，说明要选择处理时延预测值小的候选输出端口，因此选择候选输出端口处理时延预测值小的端口作为光电路交换条件下的输出端口，路径计算结束，执行步骤(8)。若k小于K时，说明选择处理时延预测值小的候选输出端口为建链分组带来的时延的优化较低，因此选择低损耗的候选输出端口为建链分组带来较高的损耗的优化，则执行步骤(7)。

简而言之，本发明公开的一种光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法，用于解决现有方法中无法感知网络流量及时延状况，以及网络时延高和吞吐低的问题。实现步骤为：初始化候选输出端口集合avail_port；判断集合中候选端口数量及空闲状态；当两候选端口均被占用，计算该两端口处理时延预测值 TP₁、TP₂和拥塞差值率k；根据k与拥塞差值率门限值K的大小比较选择输出端口；当两候选端口仅一个空闲，选定该空闲端口为输出端口；当两端口均空闲，根据上一跳传输方向选择输出端口；当仅有一端口，定其为输出端口。本发明采用拥塞预测，使建链分组在选择路径时考虑网络流量、拥塞，以路径转弯次数降低通信损耗，可用于实现拥塞感知，降低网络时延，提高通信可靠性和吞吐。

Claims (4)

1.一种光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法，其特征在于，包括有如下步骤：

(1)初始化候选输出端口集合avail_port：首先提取光电路交换条件下的光片上网络中本地节点的地址(x_local,y_local)，其中x_local代表本地节点在光电路交换条件下光片上网络中的x轴坐标值，y_local代表本地节点在光电路交换条件下光片上网络中的y轴坐标值，本地节点接收到新的建链分组时，提取本建链分组的源节点地址(x_current,s,y_current,s)与目的节点地址(x_current,d,y_current,d)，用集合avail_port表示光电路交换条件下的候选输出端口集合，比较本地节点与本建链分组目的节点的相对位置，将满足条件的端口加入光电路交换条件下的候选输出端口集合，光电路交换条件下的光片上网络中的输出端口分别有东端口、西端口、北端口、南端口和本地端口，分别对应光电路交换条件下的光片上网络中的不同输出路径；

(2)判断候选输出端口集合avail_port中候选输出端口的候选输出端口数量及候选输出端口空闲状态；

(3)若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在两个候选输出端口且均被占用，执行步骤(4)，若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在两个候选输出端口且均是空闲的，执行步骤(7)，若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在两个候选输出端口且仅有一个候选输出端口空闲，则选择该空闲的候选输出端口作为输出端口，路径计算结束，执行步骤(8)；若光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中存在一个候选输出端口，则选择该候选输出端口作为输出端口，路径计算结束，执行步骤(8)；

(4)计算两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、TP₂：分别计算光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、TP₂，其计算方法相同，步骤如下：

4a)设定候选输出端口处理时延预测值和网络拥塞引起的等待时延：设TP_P代表光电路交换条件下的本建链分组进入第P个候选输出端口时可能需要等待被发送的时间，即候选输出端口处理时延预测值，这里P为候选输出端口的序号，取值仅有两个，1和2，设PC_P代表第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值，即因网络拥塞引起的等待时延；

4b)计算第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P：

利用候选输出端口处理时延历史值DL，第P个候选输出端口缓存处的待发送的建链分组数当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的待发送的第j个建链分组无拥塞传输时延j是当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组的序号，计算光电路交换条件下的第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P；

4c)计算第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P：

获取当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组数当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的第i个建链分组无拥塞传输时延i是当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组的序号，计算光电路交换条件下的第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P；

(5)计算光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k：设k为候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率，通过光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、TP₂计算得出光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k；

(6)根据拥塞差值率k与拥塞差值率门限值K的大小比较选择输出端口：设拥塞差值率门限值K，K为可调参数，在0到1内取值，0≤K≤1，若k大于等于K，则选择候选输出端口处理时延预测值小的端口作为光电路交换条件下的输出端口，路径计算结束，执行步骤(8)；若k小于K，则执行步骤(7)；

(7)选择该建链分组原本的传输方向：若该建链分组上一跳沿着x轴负方向传输，则输出端口为西端口，执行步骤(8)；若该建链分组上一跳沿着x轴正方向传输，则输出端口为东端口，执行步骤(8)；若该建链分组上一跳沿着y轴正方向传输，则输出端口为北端口，执行步骤(8)；若该建链分组上一跳沿着y轴负方向传输，则输出端口为南端口，执行步骤(8)；若分组上一跳从IP核节点传输到本地节点，则随机选择两个候选输出端口中的一个候选输出端口作为分组的输出端口，执行步骤(8)；

(8)输出计算所得本建链分组的光电路交换条件下的光片上网络路径输出端口，该输出端口会对应下一跳节点的输入端口，光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法结束。

2.根据权利要求1中所述的光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法，其特征在于：步骤4b)中所述的计算光电路交换条件下的第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值PC_P，计算公式为：

其中，P表示候选输出端口的序号，DL表示候选输出端口处理时延历史值，表示当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的待发送建链分组数，表示当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的待发送的第j个建链分组无拥塞传输时延，j表示当前正在被服务的建链分组被该节点收到时第P个候选输出端口缓存处的待发送建链分组序号，

3.根据权利要求1中所述的光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法，其特征在于：步骤4c)中所述的计算光电路交换条件下的第P个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP_P，计算公式如下：

其中，表示当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组数，表示当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的第i个建链分组无拥塞传输时延，PC_P表示第P个候选输出端口的候选端口拥塞时延预测值，i表示当前状态第P个候选输出端口的输出端口缓存处的待发送的建链分组序号，

4.根据权利要求1中所述的光电路交换条件下的光片上网络路径计算方法，其特征在于：步骤5)中所述的通过光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值TP₁、TP₂计算得出光电路交换条件下的候选输出端口集合avail_port中的两个被占用的候选输出端口的拥塞差值率k，计算公式如下：

其中，TP₁表示候选输出端口集合avail_port中的第一个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值，TP₂表示候选输出端口集合avail_port中的第二个候选输出端口的候选输出端口处理时延预测值。