CN108900436B - 一种基于可重构的ofdm数据中心光网络的租户带宽预留方法 - Google Patents

一种基于可重构的ofdm数据中心光网络的租户带宽预留方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了是一种基于可重构的OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)数据中心光网络的带宽预留方法，该方法是在已知光链路的频谱容量、服务时间和租户请求的前提下进行的。针对已知的租户请求进行整数线性规划建模，目标是最大网络吞吐量；该方法受到链路服务时间约束、链路频谱容量约束和链路频谱时间积约束；该方法保证租户请求是个矩形，且互不相交，还受到请求选择性约束。该发明实现简单，能够给租户提供保证的带宽，提供可预见的服务质量。

Description

一种基于可重构的OFDM数据中心光网络的租户带宽预留方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，是一种基于可重构的OFDM(orthogonal frequencydivision multiplexing)数据中心光网络的带宽预留方法。该方法主要针对数据中心内部的租户请求，给租户提供保证的预留带宽，且最大化网络的吞吐量。
背景技术
随着全球网络流量的指数增长，数据中心承载着许多集群计算的应用业务，正在面临着带宽需求增大的巨大压力。目前的数据中心大多采用电交换，由于电交换的传输速率是有限的，这些电数据中心不能满足巨大的流量需求。
相对于电交换，光交换是一种提高网络容量的理想技术，这是由于光交换能够提供巨大的传输容量。近些年来，一些科研单位和高校提出了许多光/电混合或全光交换的光数据中心网络(c-through,Helios,OSA等)，这些网络的目标是高吞吐量，低延时和低能耗。尽管上述光数据中心采用WDM(wavelength division multiplexing)技术进一步提高网络容量，但是由于WDM严格的交换粒度，导致了网络容量利用效率过低。
幸运的是，OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)能够给租户(企业组织、服务提供商、个人等)提供细粒度且灵活的带宽分配。因此，对于光数据中心而言，OFDM也是一种非常理想的复用技术。
数据中心的基本功能是给多个租户提供共享资源。尽管电数据中心和光数据中心都在追求高带宽，但是，目前的云提供商不给租户提供保证的带宽。每个租户都包含了许多任务，租户的服务质量依赖于最后一个任务的完成时间。由于不同租户的许多任务竞争共享的网络带宽，以致同一个租户的许多任务的运行时间的变化幅度很大。这些变化的网络性能导致租户的服务质量是不可预测的，且严重阻碍了云的适用性，即支持依赖于可预见服务质量的业务，比如面向用户的web应用、平行的数据应用和科学计算应用。为了解决该问题，在电数据中心，Hitesh Ballani等人提出了带宽预留的方法，能够给租户提供保证的带宽，可以给租户提供可预见的服务质量。
在骨干网中，光路具有固定的预留带宽和持续时间，能够给租户提供保证的带宽。所以在OFDM数据中心光网络中，光路也能够给租户提供保证的带宽，提供可预见的服务质量。但是骨干网和OFDM数据中心光网络不一样。骨干网分为静态场景和动态场景。我们只考虑在动态场景下，骨干网和OFDM数据中心光网络的不同。一是，在骨干网中，租户的请求不是预先知道的，是随机到达的；而在OFDM数据中心光网络中，租户的请求是预先知道的，这是由于该网络只提供点对点的通信，到达的请求在网络中等待,直到它们链路的建立，所以租户的请求是已知的。二是，在骨干网中，租户的请求只能在其到达时分配带宽资源，而在OFDM数据中心光网络中，网络需要重构来应对流量的变化(重构时间，也就是网络变化的间隙，在数值上等于光链路的服务时间)，租户的请求可以在服务时间内分配带宽资源。
综上分析和比较，骨干中的带宽预留方法不适用于OFDM数据光网络。本发明针对OFDM数据光网络中的已知的租户需求，提出了一种新的带宽预留方法且最大化网络吞吐量。
发明内容
本发明提出一种基于OFDM数据中心光网络的租户带宽预留方法，旨在最大化网络的吞吐量，其主要思想是在链路的有限频谱和时间资源的前提下，对已知的租户请求进行整数线性规划建模，目标函数是最大化网络吞吐量；该方法受到链路服务时间约束、链路频谱容量(链路的所有频隙)约束和链路的频谱时间积(链路频谱容量*链路服务时间)约束；该方法保证租户请求是个矩形，且互不相交，还受到请求选择性约束。具体发明内容如下：
1.我们假设OFDM数据中心光网络为G(N,E,F,T)，其中N是网络节点的集合，E是双向链路的集合。链路资源是二维的，X轴表示频谱维度，F是链路频谱容量；Y轴表示时间维度，T是链路服务时间；链路的频谱时间积为F*T。
2.租户的请求Rij是一个二元组<Fij,Tij>，表示租户从源节点i到目的节点j(节点i和j是相邻的，组成一条链路“i-j”)，需要的频隙数为Fij，需要的时隙数为Tij。
3.假设D为OFDM数据中心光网络中租户请求的集合，且满足
Figure BDA0001719089140000031
其中Dij＝{Rij}是共享链路“i-j”的请求的集合。
4.
Figure BDA0001719089140000032
是Dij中不同于Rij的请求，且需要的频隙数为
Figure BDA0001719089140000033
需要的时隙数为
Figure BDA0001719089140000034
5.fij是一个整数变量，代表Rij的开始频隙(Rij被分配带宽的起始频隙)，这个开始频隙是相对于Y轴而言的，且满足0≤fij＜F；由于fij的取值范围是半开区间[0,F)，所以fij具有任意性；fij+Tij为Rij的结束频隙。
6.tij是一个整数变量，代表Rij的开始时隙(Rij被分配带宽的起始时隙)，这个开始时隙是相对于X轴而言的，且满足0≤tij＜T；由于tij的取值范围是半开区间[0,T)，所以tij具有任意性；tij+Tij为Rij的结束时隙。
7.δij,mn是一个布尔变量，代表Rij和Rmn在频谱维度的相对位置。
8.oij,mn是一个布尔变量，代表Rij和Rmn在时间维度的相对位置。
9.cij,mn是一个常数，假如Rij和Rmn共享链路“i-j”时，cij,mn＝1；否则等于0。
10.sij是一个布尔变量，假如Rij被服务(即Rij被分配带宽资源)，sij＝1；否则等于0。
11.目标函数为最大网络的吞吐量，即
Figure BDA0001719089140000035
其中Fij*Tij为请求Rij的频谱时间积需求。
12.链路服务时间约束为T≥tij+Tij,
Figure BDA0001719089140000036
表示Rij应当在链路的服务时间内被分配带宽。
13.链路频谱容量约束为
Figure BDA0001719089140000041
表示Rij应当在链路的频谱容量内被分配带宽。
14.链路频谱时间积约束为
Figure BDA0001719089140000042
表示当许多请求共享一条链路“i-j”时，被服务请求的频谱时间积需求之和，不能超过该链路的频谱时间积。
15.矩形请求约束、请求不相交约束和请求选择性约束如下：
Figure BDA0001719089140000043
Figure BDA0001719089140000044
Figure BDA0001719089140000045
Figure BDA0001719089140000046
当任意两个请求Rij和Rmn不共享链路“i-j”时(cij,mn≠1)，公式(1)-(4)不用考虑，因为公式(1)-(4)恒成立。
16.否则，当Rij和Rmn共享链路“i-j”时
Figure BDA0001719089140000047
公式(1)-(4)被激活且规约成：
Figure BDA0001719089140000048
Figure BDA0001719089140000049
Figure BDA00017190891400000410
Figure BDA00017190891400000411
在两个请求Rij，
Figure BDA00017190891400000412
中，当任意一个不被服务(sij≠1或
Figure BDA00017190891400000413
)或者两个都不被服务时
Figure BDA00017190891400000414
公式(5)-(8)恒成立，且该请求的频谱时间积不被计算到网络的吞吐量中，我们称之为请求选择性约束。
17.相反地，当两个请求Rij和
Figure BDA00017190891400000415
都被服务时
Figure BDA00017190891400000416
公式(5)-(8)被激活且规约成：
Figure BDA0001719089140000051
Figure BDA00017190891400000531
Figure BDA0001719089140000052
Figure BDA0001719089140000053
为了阻止Rij和
Figure BDA0001719089140000054
在频谱或者时间维度的相交，我们引入来了两个布尔变量
Figure BDA0001719089140000055
和
Figure BDA0001719089140000056
它们的组合可以表示请求的相对位置。这两个变量有四种组合，即
Figure BDA0001719089140000057
对于
Figure BDA0001719089140000058
四个值中的任意一个值，在公式(9)-(12)中，只有一个公式被激活且进一步规约。例如，当
Figure BDA0001719089140000059
时，公式(10)被激活且规约成：
Figure BDA00017190891400000510
公式(13)表示了Rij在
Figure BDA00017190891400000511
的右边且互不相交，我们称之为请求不相交约束。这是由于
Figure BDA00017190891400000512
的结束频隙
Figure BDA00017190891400000513
不大于Rij的开始频隙fij。另外，公式(13)还表示了
Figure BDA00017190891400000514
从
Figure BDA00017190891400000515
开始，占用了
Figure BDA00017190891400000516
个频隙。在这个情况下，其它三个公式不能被激活。例如对于公式(9)，它没有被激活且变成了
Figure BDA00017190891400000517
该公式一直成立，这是因为fij和
Figure BDA00017190891400000518
的差值小于F。
同理，
Figure BDA00017190891400000519
能激活公式(12)，表示Rij在
Figure BDA00017190891400000520
的上方且不相交，且
Figure BDA00017190891400000521
从
Figure BDA00017190891400000522
开始在时间维度占用了
Figure BDA00017190891400000523
个时隙。由于
Figure BDA00017190891400000524
以
Figure BDA00017190891400000525
为坐标，在频谱维度占用的频隙大小为
Figure BDA00017190891400000526
在时间维度占用的时隙大小为
Figure BDA00017190891400000527
所以请求
Figure BDA00017190891400000528
是个矩阵，我们称之为矩形请求约束。
18.同理，
Figure BDA00017190891400000529
能激活公式(9)，表示Rij在
Figure BDA00017190891400000530
的左边且不相交，且Rij从fij开始，在频谱维度占用的频隙数为Fij。同理，
Figure BDA0001719089140000061
能激活公式(11)，表示Rij在
Figure BDA0001719089140000062
的下方且不相交，且Rij从tij开始，在时间维度占用的时隙数为Tij。同理，Rij也是个矩形。
19.在数学优化求解器(例如Cplex,Gurobi等)上输入该数学模型，在链路服务时间约束、链路频谱容量约束、链路的频谱时间积约束和请求选择性约束的条件下，保证被服务的请求是个矩形(被服务的请求Rij得到Fij个频隙和Tij个时隙)，通过最优算法(比如分支定界算法)得到最优解,即被服务的请求的频谱时间积需求之和的最大值。
附图说明
图1为带宽预留方法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施：
本实施例是基于如图1所示的带宽预留方法进行说明。本实施的具体工作流程如下：
1.OFDM数据中心光网络由节点A和节点B组成，有一个链路“A-B”，该链路的频谱容量为5个频隙(X轴)，服务时间为6个时隙(Y轴)，链路的频谱时间积为5*6＝30。
2.该网络共有六个租户请求，
Figure BDA0001719089140000063
表示从源节点A到目的节点B，需要2个频隙和4个时隙；其它五个租户请求分别为
Figure BDA0001719089140000064
Figure BDA0001719089140000065
和
Figure BDA0001719089140000066
3.在Cplex上输入该数学模型，在链路服务时间约束、链路频谱容量约束、链路的频谱时间积约束和请求选择性约束的条件下，保证被服务的请求是个矩形(被服务的请求Rij得到Fij个频隙和Tij个时隙)，通过最优算法(比如分支定界)得到最优解，即被服务的请求的频谱时间积需求之和的最大值。最优解是
Figure BDA0001719089140000071
和
Figure BDA0001719089140000072
被服务了，被服务的请求都是矩形且不相交，
Figure BDA0001719089140000073
没有被服务，网络吞吐量为
Figure BDA0001719089140000074
和
Figure BDA0001719089140000075
频谱时间积需求之和，即8+6+3+4+4＝25，且小于该链路的频谱时间积30。接下来是具体的结果。
4.
Figure BDA0001719089140000076
被服务了，sAB＝1，其开始频隙fAB＝0，即为第0号频隙，结束频隙为第2号频隙，被分配的频隙数为2；开始时隙为tAB＝0，即为第0号时隙，结束时隙为第4号时隙，被分配的时隙数为4；坐标为(0,0)。
5.
Figure BDA0001719089140000077
被服务了，sAB＝1，其开始频隙fAB＝2，即为第2号频隙，结束频隙为第5号频隙，被分配的频隙数为3；开始时隙为tAB＝0，即为第0号时隙，结束时隙为第2号时隙，被分配的时隙数为2；坐标为(2,0)。
6.
Figure BDA0001719089140000078
被服务了，sAB＝1，其开始频隙fAB＝0，即为第0号频隙，结束频隙为第3号频隙，被分配的频隙数为3；开始时隙为tAB＝4，即为第4号时隙，结束时隙为第5号时隙，被分配的时隙数为1；坐标为(0,4)。
7.
Figure BDA0001719089140000079
被服务了，sAB＝1，其开始频隙fAB＝4，即为第4号频隙，结束频隙为第5号频隙，被分配的频隙数为1；开始时隙为tAB＝2，即为第2号时隙，结束时隙为第6号时隙，被分配的时隙数为4；坐标为(4,0)。
8.
Figure BDA00017190891400000710
被服务了，sAB＝1，其开始频隙fAB＝2，即为第2号频隙，结束频隙为第4号频隙，被分配的频隙数为2；开始时隙为tAB＝2，即为第2号时隙，结束时隙为第4号时隙，被分配的时隙数为2；坐标为(2,2)。
9.
Figure BDA00017190891400000711
没有被服务，sAB＝0。
10.假设
Figure BDA0001719089140000081
和
Figure BDA0001719089140000082
能激活公式(9)且规约成公式
Figure BDA0001719089140000083
由于fAB＝0，
Figure BDA0001719089140000084
FAB＝2，该公式成立；该公式还表示RAB占用的频隙数为FAB＝2。
11.假设
Figure BDA0001719089140000085
和
Figure BDA0001719089140000086
能激活公式(11)且规约成公式
Figure BDA0001719089140000087
由于tAB＝0，TAB＝4，
Figure BDA0001719089140000088
该公式成立；该公式还表示RAB占用的时隙数为TAB＝4。

Claims (6)

1.一种基于可重构的OFDM数据中心光网络的租户带宽预留方法，该方法是在已知光链路的频谱时间资源和已知租户请求的前提下进行的，主要过程包括：
A.对已知的租户请求进行整数线性规划建模，目标函数是最大化网络吞吐量；该方法受到链路服务时间约束，即租户请求的结束时隙不超过链路的服务时间；该方法受到链路频谱容量约束，即租户请求的结束频隙不超过链路的频谱容量，其中链路的频谱容量为该链路上的频隙数量；该方法受到链路的频谱时间积约束，即所有租户请求的频谱时间积之和不大于链路的频谱时间积，其中链路的频谱时间积为链路频谱容量和链路服务时间的乘积；该方法受到矩形请求约束，即租户的请求资源为连续的频隙数和连续的时隙数，在频谱和时间两个维度上构成一个矩形；该方法受到请求不相交约束，即任意两个请求在频谱维度和时间维度上都不相交；该方法受到请求选择性约束，即有些租户请求被服务，有些租户请求不被服务；
B.在数学优化求解器上进行求解，得到最优解,即被服务的请求的频谱时间积需求之和的最大值。
2.如权利要求1所述的租户带宽预留方法，其特征在于，对已知的租户请求进行整数线性规划建模，目标函数为Maximize
Figure FDA0002902672350000011
其中sij是一个布尔变量，表示请求Rij是否被服务，Fij表示请求Rij的频隙数需求，Tij表示请求Rij的时隙数需求，D表示网络中所有请求的集合；受到的约束条件为：
A.链路频谱容量约束：
Figure FDA0002902672350000013
其中F表示链路的频谱容量，fij表示请求Rij被分配带宽时的开始频隙；
B.链路服务时间约束：
Figure FDA0002902672350000014
其中T表示链路的服务时间，tij表示请求Rij被分配带宽时的开始时隙；
C.链路频谱时间积约束：
Figure FDA0002902672350000012
其中Dij是共享链路“i-j”的请求集合；
D.当任意两个请求共享一条共同链路时，矩形请求约束、请求不相交约束和请求选择性约束如下：
Figure FDA0002902672350000021
Figure FDA0002902672350000022
Figure FDA0002902672350000023
Figure FDA0002902672350000024
其中
Figure FDA0002902672350000025
是Dij中不同于Rij的请求，需要的频隙数为
Figure FDA0002902672350000026
需要的时隙数是
Figure FDA0002902672350000027
Figure FDA0002902672350000028
是请求
Figure FDA0002902672350000029
的开始频隙，
Figure FDA00029026723500000210
是请求
Figure FDA00029026723500000211
的开始时隙；δij,ij是一个布尔变量,表示请求Rij和
Figure FDA00029026723500000212
在频谱维度的相对左右位置，oij,ij是一个布尔变量,表示请求Rij和
Figure FDA00029026723500000213
在时间维度的相对上下位置。
3.如权利要求2所述的租户带宽预留方法，其特征在于，该方法受到请求不相交约束，即任意两个请求Rij和
Figure FDA00029026723500000214
在频谱维度和时间维度都不相交；公式(1)保证了请求Rij以开始频隙为fij起点，在频谱维度占用了Fij个连续的频隙，且保证了请求Rij和
Figure FDA00029026723500000215
在频谱维度上不相交；公式(3)保证了请求Rij以开始时隙tij为起点，在时间维度占用了Tij个连续的时隙，且保证了请求Rij和
Figure FDA00029026723500000216
在时间维度上不相交；公式(2)保证了请求
Figure FDA00029026723500000217
以开始频隙为
Figure FDA00029026723500000218
起点，在频谱维度占用了
Figure FDA00029026723500000219
个连续的频隙，且保证了请求Rij和
Figure FDA00029026723500000220
在频谱维度上不相交；公式(4)保证了请求
Figure FDA00029026723500000221
以开始时隙
Figure FDA00029026723500000222
为起点，在时间维度占用了
Figure FDA00029026723500000223
个连续的时隙，且保证了请求Rij和
Figure FDA00029026723500000224
在时间维度上不相交。
4.如权利要求2所述的租户带宽预留方法，其特征在于，该方法受到矩形请求约束，即保证每个租户的请求在频谱和时间两个维度上是个矩形；公式(1)保证了请求Rij占用了Fij个连续的频隙，公式(3)保证了请求Rij占用了Tij个连续的时隙，所以请求Rij是个矩形；公式(2)保证了请求
Figure FDA00029026723500000225
占用了
Figure FDA00029026723500000226
个连续的频隙，公式(4)保证了请求
Figure FDA00029026723500000227
占用了
Figure FDA00029026723500000228
个连续的时隙，所以请求
Figure FDA00029026723500000229
是个矩形。
5.如权利要求2所述的租户带宽预留方法，其特征在于，该方法受到请求选择性约束，即当sij＝1时，请求Rij被选择，被服务，当sij＝0时，请求Rij没有被选择，没有被服务。
6.如权利要求2所述的租户带宽预留方法，其特征在于，在数学优化求解器上进行求解，在链路服务时间约束、链路频谱容量约束、链路的频谱时间积约束和请求选择性约束的条件下，保证被服务的请求是个矩形，即被服务的请求Rij得到Fij个连续频隙和Tij个连续时隙，通过最优算法得到最优解,即被服务的请求的频谱时间积需求之和的最大值。
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