CN109245918A - 软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法及其系统 - Google Patents

软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法及其系统，对于每个连接请求，采用K条最短路径（K‑SP）算法计算出K条最短的工作路径和K条最短的链路不相交的保护路径，利用软件定义频谱灵活光网络的集中与统一控制方式，根据连接请求的带宽需求切分成不同线速率集合，在所计算出来的工作路径和专用保护路径中配置最小数目的光转发器和光再生器，根据连接请求的带宽需求切分成的线速率，利用软件定义频谱灵活光网络的统一控制器，查找和分配连接请求的带宽资源，分配满足频谱连续性和频谱一致性约束条件的频谱资源，建立每一个连接请求。本发明提出一种软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法及其系统，解决软件定义频谱灵活光网络的能耗效率问题。

Description

软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法及其系统
技术领域
本发明涉及一种能耗优化方法及其系统，特别是一种软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法及其系统。
背景技术
目前，随着数据中心、云计算、边缘计算、大数据、人工智能等应用服务需求快速发展，互联网应用和数据流量呈现出巨大的增长态势，给网络带宽资源分配与调度造成极大困难，容易造成网络能量消耗过高，网络能耗效率下降，没法适应绿色与高能效的频谱灵活光网络发展需要。此外，由于光网络的规模不断增大，光网络发生故障的风险加大，需要引入保护技术来保障网络业务的生存性，满足网络应用服务传输质量的要求。因此，研究频谱灵活光网络的能耗效率优化方法将成为解决网络绿色高效的关键手段。
为了提高光网络的能耗效率，传统的方法主要包括：(1)根据网络元件的配置特点，通过采用不同的调制格式、波长转换方式、混合线速率、流量疏导策略等方式，提出面向能耗效率优化与升级策略，可以实现高效能耗效率。(2)根据高峰与低谷业务变化特点，通过光网络资源调度方式，采用智能化软件与硬件开启与休眠策略，可以有效减少光网络能量消耗，满足光网络的低能耗要求。
虽然上述方法解决了光网络能耗效率问题，但是并没有在软件定义频谱灵活光网络架构下，在工作路径与保护路径之间，如何优化配置光转发器和光再生器，使软件定义频谱灵活光网络的能耗降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法及其系统，解决软件定义频谱灵活光网络的能耗效率问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：给出软件定义频谱灵活光网络服务架构；
步骤二：软件定义频谱灵活光网络初始化；
步骤三：产生一组连接请求集合CR；
步骤四：把连接请求带宽切分成线速率集合；
步骤五：计算工作路径和链路不相交的保护路径；
步骤六：配置光转发器和光再生器；
步骤七：分配频谱资源和配置光转发器和光再生器；
步骤八：计算软件定义频谱灵活光网络的总能耗。
进一步地，所述步骤一具体为软件定义频谱灵活光网络服务架构包含物理光层控管平面、网络资源控管平面和应用服务控管平面，软件定义频谱灵活光网络的关键部件包含网络中心控制器、OpenFlow代理商以及基于OpenFlow的扩展通信协议、光交换节点和光纤链路。
进一步地，所述步骤二具体为对软件定义频谱灵活光网络G(V,E,F)进行初始化，其中V＝{v0,v1,v2,…,v|V|-1}表示一组光交换节点集合，E＝{e0,e1,e2,…,e|E|-1}表示一组光纤链路集合，F＝{f0,f1,f2,…,f|F|-1}表示每段光纤链路的频谱间隙集合，|V|、|E|、|F|分别表示频谱灵活光网络中光交换节点的数量、光纤链路的数量、频率间隙的数量；一方面，给出网络连接状态、网络光交换节点数、光纤链路数、光纤链路的频谱间隙数，在每一个网络光交换节点上包含了光转发器和光再生器；另一方面，给出一组线速率集合，R＝{r1,r2,r3,…,r|R|},这里|R|表示线速率数目；一组调制格式集合，M＝{m1,m2,m3,…,m|R|}；一组最大传输距离集合，D＝{d1,d2,d3,…,d|R|}；一组光转发器单位功耗集合，UT＝{UT1,UT2,UT3,…,UT|R|}；一组光再生器单位功耗集合，UR＝{UR1,UR2,UR3,…,UR|R|}。
进一步地，所述步骤四具体为对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，根据这个连接请求的带宽需求切分成所有线速率集合，记为X＝{x1,x2,x3…,x|X|}，xi表示第i种线速率的切分方式，其中表示切分成第ri种线速率的数目。
进一步地，所述步骤五具体为对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，从源节点s到目的节点d采用K-SP算法找到K条最短工作路径；为了计算链路不相交的保护路径，对于每一条工作路径，在软件定义频谱灵活光网络中删除其所有光纤链路，然后计算K条最短保护路径，这样共有K2组链路不相交的工作路径和保护路径。
进一步地，所述步骤六具体为在所有K2组工作路径和保护路径上，通过查找所有的线速率集合X，从中找出网络功耗最小的一种线速率切分方式，这种线速率的切分方式，需要在所选择的工作路径和保护路径上，有足够的频谱资源来满足连接请求的带宽需求，在连接请求的源节点和目的节点上分别配置光转发器，在中间光交换节点的上配置光再生器。
进一步地，所述步骤七具体为在所有K2组工作路径和保护路径上，通过查找所有的线速率集合X，从中找出网络功耗最小的一种线速率切分方式，利用首次命中方法，查找满足频谱连续性和频谱一致性约束条件的可用频谱资源，然后在所选择的工作路径和保护路径上分配连接请求的频谱资源，在连接请求的源节点和目的节点上分别配置光转发器和光再生器。
进一步地，所述步骤八具体为当产生的所有连接请求CR(s,d,FS)∈CR都在软件定义频谱灵活光网络建立成功后，计算网络的总功耗，总功耗包括两部分：光转发器和光再生器功耗，表达式如下：
其中，|CR|、|R|、r分别为连接请求总数、网络中线速率数目、线速率r；UTr和URr分别表示线速率为r的光转发器单位功耗和光再生器单位功耗；和分别表示第i个连接请求在线速率为r上的源节点s和目的节点d使用光转发器数目；表示第i个连接请求在线速率为r的中间交换节点使用光再生器数目；
公式(1)考虑在单位时间内的功耗，因此把公式(1)与单位时间相乘，可以得到网络的总能耗。
一种软件定义频谱灵活光网络能耗优化系统，其特征在于：包含软件定义频谱灵活光网络初始化模块：在软件定义频谱灵活光网络G(V,E,F)中，设置网络连接状态、网络光交换节点数、光纤链路数、光纤链路的频谱间隙数；设置光转发器和光再生器数目；给出一组线速率集合，R＝{r1,r2,r3,…,r|R|},这里|R|表示线速率数目；一组调制格式集合，M＝{m1,m2,m3,…,m|R|}；一组最大传输距离集合，D＝{d1,d2,d3,…,d|R|}；一组光转发器单位功耗集合，UT＝{UT1,UT2,UT3,…,UT|R|}；一组光再生器单位功耗集合，UR＝{UR1,UR2,UR3,…,UR|R|}；
连接请求产生模块：根据源节点与目的节点均匀分布产生连接请求，生成连接请求总数目、不同连接请求的源节点与目的节点、带宽需求信息；
连接请求带宽切分模块：根据这个连接请求的带宽需求，把这个带宽需求切分成不同的线速率集合，记为X＝{x1,x2,x3,…,x|X|}，xi表示第i种线速率的切分方式，其中表示切分成第ri种线速率的数目，为了使连接请求的能耗最小，在工作路径或是保护路径上，可以任意选择xi∈X作为传输线速率；
工作路径计算模块：根据连接请求的源节点和目的节点，运用K条最短路径算法，计算出从源节点到目的节点的K条候选路径；
保护路径计算模块：根据连接请求的源节点和目的节点，对于每一条工作路径，在软件定义频谱灵活光网络中，删除其链路，运用K条最短路径算法，计算出从源节点到目的节点的K条候选保护路径，形成K2组链路不相交的工作路径和保护路径；
线速率选择模块:在工作路径和保护路径上，通过查找所有的线速率集合X，从中找出网络功耗最小的一种线速率切分方式，满足连接请求的带宽需求；
光转发器和光再生器配置模块：根据连接请求的带宽需求切分方式和线速率选择类型，分别在工作路径和保护路径上，配置原节点和目的节点的光转发器数目，在中间光交换节点上，配置最小数目的光再生器；
频谱资源分配模块：在所选择的工作路径和保护路径中，根据连接请求CR(s,d,FS)所需的频谱间隙数FS，查找满足连接请求所需的带宽资源，若同时满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件，则在软件定义频谱灵活光网络中，建立连接请求CR(s,d,FS)；若不满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件中至少一个条件，则连接请求建立失败；
总能耗计算模块：当产生的所有连接请求CR(s,d,FS)∈CR都在软件定义频谱灵活光网络建立成功后，利用公式(1)计算网络的总功耗；
公式(1)考虑在单位时间内的功耗，因此把公式(1)与单位时间相乘，可以得到网络的总能耗。
网络状态监控模块：主要完成对软件定义频谱灵活光网络参数初始化、连接请求产生、工作路径计算、保护路径计算、光再生器配置、频谱资源分配、网络能耗和阻塞率计算的状态监控功能，以实现软件定义频谱灵活光网络的能耗最优化的目标；
判决和预警模块：执行各个模块之间的协调功能，以及每个模块是否建立成功的判决与预警功能，完成软件定义频谱灵活光网络能耗最优化目标。
进一步地，所述的软件定义频谱灵活光网络能耗优化系统的服务架构模块包括物理光层控管平面、网络资源控管平面、应用服务控管平面；软件定义频谱灵活光网络的核心部件包含网络中心控制器、OpenFlow代理商以及基于OpenFlow的扩展通信协议、带宽可变波长交叉连接器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
本发明通过引入光交换节点的可编程性，采用网络中心控制器，进行全网拓扑信息获取与维护，获取全网频谱资源使用状态，监控网络的光转发器和光再生器的使用状态，实行对网络资源进行集中与统一分配与调度。可以根据连接请求的带宽服务需求，对连接请求进行路由计算、控制网络流量、分配所需带宽资源、配置所需要的光转发器和光再生器。
在软件定义频谱灵活光网络中，对每一个连接请求，为了保证网络生存性，需要为每一个连接请求提供专用保护，当工作路径发生故障时，可以把连接请求快速倒换到保护路径上。对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，采用K条最短路径算法计算出K条最短的工作路径和K条最短的链路不相交的保护路径，形成K2组链路不相交的工作路径和保护路径。根据连接请求的带宽需求，切分成不同线速率集合，然后选择恰当的线速率、调制格式、最大传输距离、频谱宽度的通道来承载这个连接请求的带宽，使配置最小数目的光转发器和光再生器。这样，保证软件定义频谱灵活光网络的能耗最低。
附图说明
图1是本发明的软件定义频谱灵活光网络的服务架构示意图。
图2是本发明的软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法流程图。
图3是本发明的软件定义频谱灵活光网络能耗优化系统框图。
图4是本发明的实施例建立两个连接请求CR1(0,3,140Gbps)和CR2(1,3,140Gbps)的示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图2所示，本发明的一种软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：给出软件定义频谱灵活光网络服务架构；如图1所示，软件定义频谱灵活光网络服务架构，主要包含物理光层控管平面、网络资源控管平面、应用服务控管平面。软件定义频谱灵活光网络的关键部件是网络中心控制器(ODL)、OpenFlow(开放流量)代理商、以及基于OpenFlow的扩展通信协议、光交换节点和光纤链路组成。这里光交换节点由一排带宽可变波长交叉连接器(BV-WXC)组成，BV-WXC是通过带宽可变波长选择开关(BV-WSS)实现。
步骤二：软件定义频谱灵活光网络初始化；对软件定义频谱灵活光网络G(V,E,F)进行初始化，其中V＝{v0,v1,v2,…,v|V|-1}表示一组光交换节点集合，E＝{e0,e1,e2,…,e|E|-1}表示一组光纤链路集合，F＝{f0,f1,f2,…,f|F|-1}表示每段光纤链路的频谱间隙集合。|V|、|E|、|F|分别表示频谱灵活光网络中光交换节点的数量、光纤链路的数量、频率间隙的数量。一方面，给出网络连接状态、网络光交换节点数、光纤链路数、光纤链路的频谱间隙数，在每一个网络光交换节点上，包含了光转发器和光再生器；另一方面，给出一组线速率集合，R＝{r1,r2,r3,…,r|R|},这里|R|表示线速率数目；一组调制格式集合，M＝{m1,m2,m3,…,m|R|}；一组最大传输距离集合，D＝{d1,d2,d3,…,d|R|}；一组光转发器单位功耗集合，UT＝{UT1,UT2,UT3,…,UT|R|}；一组光再生器单位功耗集合，UR＝{UR1,UR2,UR3,…,UR|R|}。
步骤三：产生一组连接请求集合CR；每一个连接请求，CR(s,d,FS)∈CR，s和d分别表示连接请求的源节点和目的节点，FS表示需求的频谱间隙带宽数。
步骤四：把连接请求带宽切分成线速率集合；对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，根据这个连接请求的带宽需求切分成所有线速率集合，记为X＝{x1,x2,x3…,x|X|}，xi表示第i种线速率的切分方式， 其中表示切分成第ri种线速率的数目。例如：这个连接请求的需求速率为140Gbps，考虑网络中有40Gbps和100Gbps两种不同线速率，这样共有3种不同的切分方式，分别为4×40Gbps+0×100Gbps，x1＝{440Gbps,0100Gbps}；1×40Gbps+1×100Gbps，x2＝{140Gbps,1100Gbps}；0×40Gbps+2×100Gbps，x3＝{040Gbps,2100Gbps}，即X＝{x1,x2,x3}。为了使连接请求的能耗最小，在工作路径或是保护路径上，可以任意选择x1、x2、x3作为传输线速率。
步骤五：计算工作路径和链路不相交的保护路径；对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，从源节点s到目的节点d采用K-SP算法找到K条最短工作路径；为了计算链路不相交的保护路径，对于每一条工作路径，在软件定义频谱灵活光网络中删除其所有光纤链路，然后计算K条最短保护路径，这样共有K2组链路不相交的工作路径和保护路径。
步骤六：配置光转发器和光再生器；在所有K2组工作路径和保护路径上，通过查找所有的线速率集合X，从中找出网络功耗最小的一种线速率切分方式。此外，这种线速率的切分方式，需要在所选择的工作路径和保护路径上，有足够的频谱资源来满足连接请求的带宽需求。在连接请求的源节点和目的节点上分别配置光转发器，以及在中间光交换节点的上配置光再生器。
步骤七：分配频谱资源和配置光转发器和光再生器；在所有K2组工作路径和保护路径上，通过查找所有的线速率集合X，从中找出网络功耗最小的一种线速率切分方式，利用首次命中方法，查找满足频谱连续性和频谱一致性约束条件的可用频谱资源，然后在所选择的工作路径和保护路径上分配连接请求的频谱资源，在连接请求的源节点和目的节点上分别配置光转发器和光再生器。
步骤八：计算软件定义频谱灵活光网络的总能耗。当产生的所有连接请求CR(s,d,FS)∈CR都在软件定义频谱灵活光网络建立成功后，计算网络的总能耗。这里的总功耗包括两部分：光转发器和光再生器功耗，表达式如下：
其中，|CR|、|R|、r分别为连接请求总数、网络中线速率数目、线速率r；UTr和URr分别表示线速率为r的光转发器单位功耗和光再生器单位功耗；和分别表示第i个连接请求在线速率为r上的源节点s和目的节点d使用光转发器数目；表示第i个连接请求在线速率为r的中间交换节点使用光再生器数目。公式(1)考虑在单位时间内(包括：秒、分、时等)的功耗。因此若把公式(1)与单位时间相乘，可以得到网络的总能耗。
如图3所示，一种软件定义频谱灵活光网络能耗优化系统，包含
软件定义频谱灵活光网络初始化模块：在软件定义频谱灵活光网络G(V,E,F)中，设置网络连接状态、网络光交换节点数、光纤链路数、光纤链路的频谱间隙数；设置光转发器和光再生器数目；给出一组线速率集合，R＝{r1,r2,r3,…,r|R|},这里|R|表示线速率数目；一组调制格式集合，M＝{m1,m2,m3,…,m|R|}；一组最大传输距离集合，D＝{d1,d2,d3,…,d|R|}；一组光转发器单位功耗集合，UT＝{UT1,UT2,UT3,…,UT|R|}；一组光再生器单位功耗集合，UR＝{UR1,UR2,UR3,…,UR|R|}；
连接请求产生模块：根据源节点与目的节点均匀分布产生连接请求，生成连接请求总数目、不同连接请求的源节点与目的节点、带宽需求信息；
连接请求带宽切分模块：根据这个连接请求的带宽需求，把这个带宽需求切分成不同的线速率集合，记为X＝{x1,x2,x3,…,x|X|}，xi表示第i种线速率的切分方式，其中表示切分成第ri种线速率的数目，为了使连接请求的能耗最小，在工作路径或是保护路径上，可以任意选择xi∈X作为传输线速率；
工作路径计算模块：根据连接请求的源节点和目的节点，运用K条最短路径算法，计算出从源节点到目的节点的K条候选路径；
保护路径计算模块：根据连接请求的源节点和目的节点，对于每一条工作路径，在软件定义频谱灵活光网络中，删除其链路，运用K条最短路径算法，计算出从源节点到目的节点的K条候选保护路径，形成K2组链路不相交的工作路径和保护路径；
线速率选择模块:在工作路径和保护路径上，通过查找所有的线速率集合X，从中找出网络功耗最小的一种线速率切分方式，满足连接请求的带宽需求；
光转发器和光再生器配置模块：根据连接请求的带宽需求切分方式和线速率选择类型，分别在工作路径和保护路径上，配置原节点和目的节点的光转发器数目，在中间光交换节点上，配置最小数目的光再生器；
频谱资源分配模块：在所选择的工作路径和保护路径中，根据连接请求CR(s,d,FS)所需的频谱间隙数FS，查找满足连接请求所需的带宽资源，若同时满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件，则在软件定义频谱灵活光网络中，建立连接请求CR(s,d,FS)；若不满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件中至少一个条件，则连接请求建立失败；
总能耗计算模块：当产生的所有连接请求CR(s,d,FS)∈CR都在软件定义频谱灵活光网络建立成功后，利用公式(1)计算网络的总功耗；
公式(1)考虑在单位时间内的功耗，因此把公式(1)与单位时间相乘，可以得到网络的总能耗。
网络状态监控模块：主要完成对软件定义频谱灵活光网络参数初始化、连接请求产生、工作路径计算、保护路径计算、光再生器配置、频谱资源分配、网络能耗和阻塞率计算的状态监控功能，以实现软件定义频谱灵活光网络的能耗最优化的目标；
判决和预警模块：执行各个模块之间的协调功能，以及每个模块是否建立成功的判决与预警功能，完成软件定义频谱灵活光网络能耗最优化目标。
如图1所示，软件定义频谱灵活光网络能耗优化系统的服务架构模块包括物理光层控管平面、网络资源控管平面、应用服务控管平面；软件定义频谱灵活光网络的核心部件包含网络中心控制器(ODL)、OpenFlow代理商以及基于OpenFlow的扩展通信协议、带宽可变波长交叉连接器(BV-WXC)。
实施例1：
为了实现一组连接请求在软件定义频谱灵活光网络能耗优化的目标，首先，对软件定义频谱灵活光网络G(V,E,F)进行初始化，包括软件定义频谱灵活光网络的拓扑信息、网络连接状态、网络光交换节点数、光纤链路数、每条光纤链路的频谱隙数目、每个频谱隙的带宽大小、设置频谱灵活光网络的光转发器数目和光再生器数目；其次，生成一组连接请求，包括业务请求的源节点、目的节点、带宽需求大小；第三，根据网络提供的线速率，把每个连接请求的带宽需求切分成不同线速率集合；第四，为每一个连接请求计算工作路径和链路不相交的保护路径集合，根据带宽需求的切分成的线速率，在工作路径和链路不相交保护路径上配置最小数目的光转发器和光再生器；第五，根据带宽切分成的线速率通道数，在连接请求的工作路径和链路不相交的保护路径上查找并分配频谱资源，在频谱灵活光网络中建立连接请求；第六，根据这组连接请求的在网络占用光转发器和光再生器的数量，计算软件定义频谱灵活光网络的总能耗。具体实施例如下：
图4表示6个节点与8条光纤链路的软件定义频谱灵活光网络，每条光纤链路是双向的，光纤链路上的数值表示传输距离(单位：公里(km))，每条光纤链路的频谱隙为30，每个频谱隙为12.5GHz。每一个光交换节点包括了若干光转发器和光再生器，光交换节点能够支持软件定义控管。软件定义频谱灵活光网络提供两种线速率，40Gbps和100Gbps。对于40Gbps线速率，所占频谱宽度为25GHz，采用DP-QPSK调制格式，传输距离为1800km，光转发器和光再生器单位功耗分别为167和334(瓦特)；对于100Gbps线速率，所占频谱宽度为37.5GHz，采用DP-BPSK调制格式，传输距离为1500km，光转发器和光再生器单位功耗分别为300和600(瓦特)。计算能耗是单位时间秒。
生成两个连接请求CR1(0,3,140Gbps)和CR2(1,4,140Gbps)。这个两个连接请求的需求速率为140Gbps，考虑网络中只有40Gbps和100Gbps两种不同线速率，这样共有3种不同的切分方式，分别为x1＝{440Gbps,0100Gbps}；x2＝{140Gbps,1100Gbps}；x3＝{040Gbps,2100Gbps}，即X＝{x1,x2,x3}
对于第一个连接请求CR1(0,3,140Gbps)，设置计算的路径为K＝1，第一，从源节点0到目的节点3，计算出一条工作路径，0-1-2-3(2000km)，和一条链路不相交的保护路径，0-5-4-3(2300km)。第二，由于40Gbps和100Gbps线速率的传输距离分别为1800km和1500km，对线速率集合X＝{x1,x2,x3}进行查找，从中选择出x2，使在工作路径和链路不相交的保护路径上配置的光转发器和光再行器功耗最小。第三，对于CR1(0,3,140Gbps)，在工作路径0-1-2-3(2000km)上，在源节点0和目的节点3上，分别配置1个40Gbps和1个100Gbps线速率的光转发器，在中间光交换节点1上，需要配置1个40Gbps和1个100Gbps线速率的光再生器。这样，工作路径上的功耗为1868(瓦特)；同时，在保护路径0-5-4-3(2300km)上，在源节点0和目的节点3上，分别配置1个40Gbps和1个100Gbps线速率的光转发器，在中间光交换节点5上，需要配置1个40Gbps和1个100Gbps线速率的光再生器。这样，保护路径上的功耗为1868(瓦特)。第四，根据选择的x2在工作路径和保护路径上分配频谱资源。最后，计算出这个连接请求的功耗为：3736(瓦特)，单位时间内的能耗为3736(焦耳)。
对于第二个连接请求CR2(1,3,140Gbps)，可以用第一个连接请求的方法，建立工作路径1-2-3(1300km)和链路不相交的保护路径1-5-4-3(2100km)。为了使建立的连接请求功耗最小，选择切分的线速率为x2，在工作路径1-2-3(1300km)上，在源节点1和目的节点3上，分别配置1个40Gbps和1个100Gbps线速率的光转发器，在中间光交换节点上，由于工作路径的距离小于40Gbps和100Gbps线速率的最大传输距离，所以无需配置光再生器。这样，工作路径上的功耗为934(瓦特)；同时，在保护路径0-5-4-3(2300km)上，在源节点1和目的节点3上，分别配置1个40Gbps和1个100Gbps线速率的光转发器，在中间光交换节点4上，需要配置1个40Gbps和1个100Gbps线速率的光再生器。这样，保护路径上的功耗为1868(瓦特)第四，根据选择的x2在工作路径和保护路径上分配频谱资源。最后，计算出这个连接请求的功耗为：2802(瓦特)，单位时间的能耗为2802(焦耳)。这样，根据公式(1)，可以计算出这两个连接请求的总功耗为：6538(瓦特)，单位时间的能耗为6538(焦耳)。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：给出软件定义频谱灵活光网络服务架构；
步骤二：软件定义频谱灵活光网络初始化；
步骤三：产生一组连接请求集合CR；
步骤四：把连接请求带宽切分成线速率集合；
步骤五：计算工作路径和链路不相交的保护路径；
步骤六：配置光转发器和光再生器；
步骤七：分配频谱资源和配置光转发器和光再生器；
步骤八：计算软件定义频谱灵活光网络的总能耗。
2.按照权利要求1所述的软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法，其特征在于：所述步骤一具体为软件定义频谱灵活光网络服务架构包含物理光层控管平面、网络资源控管平面和应用服务控管平面，软件定义频谱灵活光网络的关键部件包含网络中心控制器、OpenFlow代理商以及基于OpenFlow的扩展通信协议、光交换节点和光纤链路。
3.按照权利要求1所述的软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法，其特征在于：所述步骤二具体为对软件定义频谱灵活光网络G(V,E,F)进行初始化，其中V＝{v0,v1,v2,…,v|V|-1}表示一组光交换节点集合，E＝{e0,e1,e2,…,e|E|-1}表示一组光纤链路集合，F＝{f0,f1,f2,…,f|F|-1}表示每段光纤链路的频谱间隙集合，|V|、|E|、|F|分别表示频谱灵活光网络中光交换节点的数量、光纤链路的数量、频率间隙的数量；一方面，给出网络连接状态、网络光交换节点数、光纤链路数、光纤链路的频谱间隙数，在每一个网络光交换节点上包含了光转发器和光再生器；另一方面，给出一组线速率集合，R＝{r1,r2,r3,…,r|R|},这里|R|表示线速率数目；一组调制格式集合，M＝{m1,m2,m3,…,m|R|}；一组最大传输距离集合，D＝{d1,d2,d3,…,d|R|}；一组光转发器单位功耗集合，UT＝{UT1,UT2,UT3,…,UT|R|}；一组光再生器单位功耗集合，UR＝{UR1,UR2,UR3,…,UR|R|}。
4.按照权利要求1所述的软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法，其特征在于：所述步骤四具体为对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，根据这个连接请求的带宽需求切分成所有线速率集合，记为X＝{x1,x2,x3…,x|X|}，xi表示第i种线速率的切分方式，其中表示切分成第ri种线速率的数目。
5.按照权利要求1所述的软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法，其特征在于：所述步骤五具体为对于每一个连接请求CR(s,d,FS)，从源节点s到目的节点d采用K-SP算法找到K条最短工作路径；为了计算链路不相交的保护路径，对于每一条工作路径，在软件定义频谱灵活光网络中删除其所有光纤链路，然后计算K条最短保护路径，这样共有K2组链路不相交的工作路径和保护路径。
6.按照权利要求1所述的软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法，其特征在于：所述步骤六具体为在所有K2组工作路径和保护路径上，通过查找所有的线速率集合X，从中找出网络功耗最小的一种线速率切分方式，这种线速率的切分方式，需要在所选择的工作路径和保护路径上，有足够的频谱资源来满足连接请求的带宽需求，在连接请求的源节点和目的节点上分别配置光转发器，在中间光交换节点的上配置光再生器。
7.按照权利要求1所述的软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法，其特征在于：所述步骤七具体为在所有K2组工作路径和保护路径上，通过查找所有的线速率集合X，从中找出网络功耗最小的一种线速率切分方式，利用首次命中方法，查找满足频谱连续性和频谱一致性约束条件的可用频谱资源，然后在所选择的工作路径和保护路径上分配连接请求的频谱资源，在连接请求的源节点和目的节点上分别配置光转发器和光再生器。
8.按照权利要求1所述的软件定义频谱灵活光网络能耗优化方法，其特征在于：所述步骤八具体为当产生的所有连接请求CR(s,d,FS)∈CR都在软件定义频谱灵活光网络建立成功后，计算网络的总功耗，总功耗包括两部分：光转发器和光再生器功耗，表达式如下：
其中，|CR|、|R|、r分别为连接请求总数、网络中线速率数目、线速率r；UTr和URr分别表示线速率为r的光转发器单位功耗和光再生器单位功耗；和分别表示第i个连接请求在线速率为r上的源节点s和目的节点d使用光转发器数目；表示第i个连接请求在线速率为r的中间交换节点使用光再生器数目；
公式(1)考虑在单位时间内的功耗，因此把公式(1)与单位时间相乘，可以得到网络的能耗。
9.一种软件定义频谱灵活光网络能耗优化系统，其特征在于：包含
软件定义频谱灵活光网络初始化模块：在软件定义频谱灵活光网络G(V,E,F)中，设置网络连接状态、网络光交换节点数、光纤链路数、光纤链路的频谱间隙数；设置光转发器和光再生器数目；给出一组线速率集合，R＝{r1,r2,r3,…,r|R|},这里|R|表示线速率数目；一组调制格式集合，M＝{m1,m2,m3,…,m|R|}；一组最大传输距离集合，D＝{d1,d2,d3,…,d|R|}；一组光转发器单位功耗集合，UT＝{UT1,UT2,UT3,…,UT|R|}；一组光再生器单位功耗集合，UR＝{UR1,UR2,UR3,…,UR|R|}；
连接请求产生模块：根据源节点与目的节点均匀分布产生连接请求，生成连接请求总数目、不同连接请求的源节点与目的节点、带宽需求信息；
连接请求带宽切分模块：根据这个连接请求的带宽需求，把这个带宽需求切分成不同的线速率集合，记为X＝{x1,x2,x3,…,x|X|}，xi表示第i种线速率的切分方式，其中表示切分成第ri种线速率的数目，为了使连接请求的能耗最小，在工作路径或是保护路径上，可以任意选择xi∈X作为传输线速率；
工作路径计算模块：根据连接请求的源节点和目的节点，运用K条最短路径算法，计算出从源节点到目的节点的K条候选路径；
保护路径计算模块：根据连接请求的源节点和目的节点，对于每一条工作路径，在软件定义频谱灵活光网络中，删除其链路，运用K条最短路径算法，计算出从源节点到目的节点的K条候选保护路径，形成K2组链路不相交的工作路径和保护路径；
线速率选择模块:在工作路径和保护路径上，通过查找所有的线速率集合X，从中找出网络功耗最小的一种线速率切分方式，满足连接请求的带宽需求；
光转发器和光再生器配置模块：根据连接请求的带宽需求切分方式和线速率选择类型，分别在工作路径和保护路径上，配置原节点和目的节点的光转发器数目，在中间光交换节点上，配置最小数目的光再生器；
频谱资源分配模块：在所选择的工作路径和保护路径中，根据连接请求CR(s,d,FS)所需的频谱间隙数FS，查找满足连接请求所需的带宽资源，若同时满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件，则在软件定义频谱灵活光网络中，建立连接请求CR(s,d,FS)；若不满足频谱连续性与频谱一致性双重约束条件中至少一个条件，则连接请求建立失败；
总能耗计算模块：当产生的所有连接请求CR(s,d,FS)∈CR都在软件定义频谱灵活光网络建立成功后，利用公式(1)计算网络的总功耗；
公式(1)考虑在单位时间内的功耗，因此把公式(1)与单位时间相乘，可以得到网络的总能耗。
网络状态监控模块：主要完成对软件定义频谱灵活光网络参数初始化、连接请求产生、工作路径计算、保护路径计算、光再生器配置、频谱资源分配、网络能耗和阻塞率计算的状态监控功能，以实现软件定义频谱灵活光网络的能耗最优化的目标；
判决和预警模块：执行各个模块之间的协调功能，以及每个模块是否建立成功的判决与预警功能，完成软件定义频谱灵活光网络能耗最优化目标。
10.按照权利要求9所述的软件定义频谱灵活光网络能耗优化系统，其特征在于：所述的软件定义频谱灵活光网络能耗优化系统的服务架构模块包括物理光层控管平面、网络资源控管平面、应用服务控管平面；软件定义频谱灵活光网络的核心部件包含网络中心控制器、OpenFlow代理商以及基于OpenFlow的扩展通信协议、带宽可变波长交叉连接器。
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