CN109690985B - 使用超信道实现高效网络利用的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于构建光网络的技术。在所述光网络中的多个节点之间选择中心节点，所述节点中的每个都通过一组超信道连接到所述中心节点，其中所述超信道中的每个都包括子载波并且具有相同的数据速率。通过动态分配子载波带宽以支持通过所述超信道在所述多个节点之间进行通信，管理所述中心节点与所述多个节点中每个之间的网络资源；以及在所述中心节点处在所述超信道之间执行波长选择交换。

Description

使用超信道实现高效网络利用的方法和装置
相关申请案交叉申请
本申请要求2016年9月14日递交的发明名称为“使用超信道实现高效网络利用的方法和装置(Method And Apparatus For Efficient Network Utilization UsingSuperchannels)”的第15/265,679号美国非临时专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的全部内容以引入的方式并入本文本中。
技术领域
本发明涉及通信网络，更具体地，涉及构建用于传输信号的光网络。
背景技术
在光网络中，信号可以以各种波长传输，每个波长对应一个传输信道。光链路可以连接网络节点，这样可以在整个光网络中传输信号。光路可以使用一系列网络节点和光链路将光传输的源(例如发射器)与光传输的目的地(例如接收器)连接起来。
随着5G移动性、4K视频、物联网(Internet of Things，IoT)通信和虚拟现实(virtual reality，VR)游戏等技术的进步，新的交互式应用将不断产生并消耗大量数据。这些大量数据反过来促使网络流量的急剧增长，这需要更大的带宽来最小化和减少延迟。为了适应需求并确保这些新技术经济有效且操作简单，必须增加现有光网络的总容量，从而提供商可以在限制基础设施投资的同时继续扩展他们的网络带宽。
发明内容
在一个实施例中，存在一种用于构建光网络的方法，包括：在所述光网络中的多个节点之间选择中心节点；通过一组超信道将所述多个节点中的每个都连接到所述中心节点，其中所述超信道中的每个都包括一组子载波并且具有有限数据速率；通过动态分配子载波带宽以支持通过所述超信道在所述多个节点之间进行通信，管理所述中心节点与所述多个节点中每个之间的网络资源；以及在所述中心节点处在所述超信道之间执行波长选择交换。
在另一实施例中，存在一种非瞬时性计算机可读介质，其存储用于构建光网络的计算机指令，当所述计算机指令由一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行以下步骤：在所述光网络中的多个节点之间选择中心节点；通过一组光超信道将所述多个节点中的每个都连接到所述中心节点，其中所述超信道中的每个都包括一组子载波并且具有有限数据速率；通过动态分配子载波带宽以支持通过所述光超信道在所述多个节点之间进行通信，管理所述中心节点与所述多个节点中的每个之间的网络资源；以及在所述中心节点处在所述光超信道之间执行波长选择交换。
在又一实施例中，存在一种光通信网络，包括连接到光链路的多个节点；以及网络管理器，包括：包含指令的存储器；以及耦合到所述存储器的一个或多个处理器，执行所述指令以进行以下操作：在所述光网络中的多个节点之间选择中心节点；通过一组对应超信道将所述多个节点中的一组节点连接到所述中心节点，其中所述超信道中的每个都包括一组子载波并且具有有限数据速率；通过动态分配子载波带宽以支持通过所述超信道在所述多个节点之间进行通信，管理所述中心节点与所述一组节点中的每个之间的网络资源；以及在所述中心节点处在所述超信道之间执行波长选择交换。
本发明内容以简化的方式介绍了下文在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在识别所请求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于帮助确定所请求保护的主题的范围。所请求保护的主题不限于解决背景技术中所述的任何或所有缺点的实施方式。
附图说明
本发明各个方面通过举例图示，并且不受附图的限制，对于附图，相似参考表示相似元件。
图1示出了根据所公开技术的示例网络环境。
图2示出了图1中的光通信网络的示例设备和组件。
图3示出了用于在所公开实施例的网络中实施的波长选择开关。
图4A和图4B分别示出了固定网格网络和灵活网格网络频谱。
图5A、图5B和图5C示出了具有中心节点和超信道的示例光通信网络。
图6示出了根据图1至图3和图5的构建具有中心节点的网络的流程图。
图7A示出了重指配超信道中用于碎片整理的频谱的流程图。
图7B和图7C分别示出了如图7A处理的碎片整理之前和之后的网络频谱。
图8示出了将超信道从当前指配重排为最优指配的流程图。
图9示出了根据所公开技术的启发式算法的流程图。
图10A和图10B分别示出了具有当前和最优频谱的超信道的频谱指配，
图10C示出了超信道的识别转换顺序的依赖图。
图11示出了根据本发明实施例的路由器的实施例。
图12示出了可以用于实施各种实施例的网络系统的方框图。
图13示出了根据所公开技术的方框图。
具体实施方式
本发明涉及通过波长选择交换能力在具有超信道连接的光网络中选择中心节点或中央节点的技术。
通过在光网络中的其它节点之间选择中心节点来构建光网络。通过一组超信道将节点中的每个都连接到中心节点，其中超信道中的每个具有有限数据速率。然后，在中心节点处在超信道之间执行波长选择交换。
通过动态分配带宽来支持通过超信道在其它网络节点之间进行通信，管理中心节点与其它网络节点中的每个之间的网络资源。中心节点与其它网络节点之间的连接为灵活网格连接，其中通过将频谱动态地重指配给用于频谱碎片整理的超信道，管理超信道之间的网络资源。
应当理解，本主题可以以许多不同形式体现，并且不应当被解释为限于本文阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本主题变得透彻和完整，并将向本领域技术人员充分传达本发明。事实上，本主题旨在覆盖包含在由随附权利要求书限定的主题的范围和精神内的替代物、修改和等同物。另外，在下面的本主题的详细描述中，阐述许多特定细节以便提供本主题的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将清楚，可以在没有这些具体细节的情况下实践本主题。
图1示出了根据所公开技术的示例网络环境。例如，网络为具有带宽可变波长交换能力的光通信网络100。例如，光通信网络100包括多个节点(例如节点A到节点XN，统称为节点XN)、管理器104以及连网设备102A至102N。
光通信网络100可以使用各种拓扑(例如网状、环形等)来实施。节点XN中的每个均为光通信网络100中的一个点。例如，节点A可以为光再生节点、光发射/接收节点或光交换节点。例如，节点A可以实施为密集波分复用(dense wavelength division multiplexing，DWDM)系统。
节点XN的分解图显示，每个节点包括处理器/存储器106XN，其具有用于接收超信道的x个子载波的流量请求的接口(下文结合图4更详细地描述超信道)。该节点具有用于实施具有子载波的超信道的转换器和带宽可变波长选择开关(wavelength selective switch，WSS)108XN。转换器和WSS 108XN由处理器/存储器106XN控制，用于响应开始路由流程的新流量请求。
外部路由和频谱指配(routing and spectrum assignment，RSA)服务器105(也可以在一个节点的内部)包括处理器和存储器(未示出)，可以执行RSA算法以及存储网络拓扑、子载波可用性和频谱可用性。RSA服务器105还可以通过一个接口耦合到光通信网络100中的节点XN。
节点XN中的每个均可以连接于光链路，例如光链路AB、BC、CE、DE、CD、AC、AF、BF、CF、DF、FG、DG、EG、BG和CG。光链路可以为光纤、光信道、光超信道、超信道组、光载波组、一组光谱片、光控制信道、光数据信道和/或任何其它可通信地将一个节点XN1耦合到另一个节点XN2的光信号传输链路。
在一个实施例中，光链路可以是包括通过波分复用(wavelength-divisionmultiplexing，WDM)或DWDM复用在一起以增加传输容量的多个信道的光超信道。可以使用各种调制格式将各种数量的信道组合为超信道，以创建具有不同特性的不同超信道类型。另外或可替代地，光链路可以为超信道组。超信道组可以包括通过WDM或DWDM复用在一起以增加传输容量的多个超信道。
设备102A至102N可以与光通信网络100进行通信。例如，设备102A和102B可以包括便携式设备、手持设备、移动设备、固定设备、车载设备或一些其它类型的用户设备。另外或可替代地，设备102A至102N可以对应于非用户设备，例如仪表、传感器或一些其它能够进行机器间(machine-to-machine，M2M)通信的设备。
管理器104管理光通信网络100的配置并且使得管理员能够对光通信网络100进行监视、配置等。管理器104可以识别网络状态信息、资源可用性和资源分配和/或其它与光通信网络100有关的参数。管理器104可以通过集中式或分布式方式来实施。
应当理解，所描绘的实施例是非限制性的，光通信网络中可以存在任意数量的设备、节点和/或光链路。
图2示出了图1中的光通信网络的示例设备和组件。一个或多个设备可以在光通信网络100(图1)内操作，并且可以对应于一个或多个网络设备102N和/或网络设备102N中的一个或多个光组件。如图所示，光通信网络设备和组件可以包括一组发射器设备202、一个或多个超信道203、复用器204、一个或多个可重配置光分插复用器(reconfigurableoptical add-drop multiplexer，ROADM)206、解复用器208和一个或多个接收器设备210。
例如，发射器设备202可以包括生成光信号的光发射器和/或光收发器。在一实施例中，发射器设备202可以包括与每个波长相关联的激光器、处理数字信号的数字信号处理器、将数字信号转换为模拟信号的数模转换器、调制激光器输出的调制器和/或组合每个调制输出(例如，形成组合输出或WDM信号)的复用器。一个或多个光信号可以作为超信道203携带。在另一实施例中，单个发射器设备202可以与一个或多个单个超信道203相关联。在又一实施例中，多个发射器设备202可以与单个超信道203相关联。发射器设备还可以包括复用器(multiplexer，MUX)204(其单独示出)。
例如，复用器204可以包括组合多个输出超信道203以通过输出光纤进行传输的光复用器(例如功率复用器、基于WSS的复用器、组播复用器等)。
ROADM 206(或OADM)可以复用、解复用、合入、取出和/或路由超信道203进入和/或离开光纤。如图所示，一个或多个ROADM 206可以从光纤中取出超信道203，并且可以使得超信道203继续传播到接收器设备210和/或其它ROADM 206。类似地，ROADM 206可将超信道203合入光纤中。超信道203可以传播到解复用器(demultiplexer，DEMUX)208和/或其它ROADM 206。
例如，解复用器208可以包括分离承载在输入光纤上的多个超信道203的光解复用器(例如功率解复用器、基于WSS的解复用器等)。例如，解复用器270可以分离超信道203并且可以将每个超信道203提供给对应的接收器设备210。
例如，接收器设备210可以包括接收光信号的光接收器和/或光收发器。在一实施例中，接收器设备210可以包括上述解复用器。一个或多个光信号可以通过超信道203由接收器设备210接收。接收器设备210可以将超信道203转换为一个或多个电信号，其可以进行处理，输出与超信道203中包含的光信道所承载的每个数据流相关联的信息。类似于发射器设备202，单个接收器设备210可以与一个或多个超信道203相关联，或者多个接收器设备210可以与单个超信道203相关联。
光学行业内的最新进展已经引入了使用ROADM顶部的不透明光转换器的电子交换，这提供了具有1.25Gbps交换能力的光数据单元(optical data unit，ODU)。这种电子交换在光网络中的实施通常称为光传输网络(optical transport network，OTN)交换机。在一实施例中，OTN交换机包括光电光(optical-electrical-optical，OEO)交换能力。在一示例中，OTN交换机从ROADM 206接收100Gbps波长信道，将波长信道分解成多个1.25Gbps大小，将1.25Gbps大小重装为100Gbps流量速率，并且通过ROADM 206网络向下一个OTN交换机以ROADM 100Gbps波长传输重装后的数据速率。OTN层执行流量聚合和更小粒度交换。由于能够在OTN层自动提供终端用户服务，因此使用这种方法提高了ROADM波长利用率，消除了波长阻塞，并且可以降低网络操作成本，。
随着波长信道从单载波(例如，100Gbps)演进到多载波超信道(例如，500Gbps)，每个子载波可以携带10G或更多的数据速率。一旦数字疏导形成超信道，则该超信道光学地穿过中间ROADM并且仅终止于其端点处变得最具有成本效益，其中子载波将在粗粒度的电子开关(例如10Gbps)中进行提取和交换。对此，ROADM使得超信道能够容易地交换和重配置，从而将光交换机成本降到最低，而粗粒度电子交换实现带宽效率和操作灵活性最大化。
为了使效率最大化，光通信网络100(即灵活网格光通信网络)可以部署支持多层交换的网络节点，包括光超信道交换机和电子子载波交换机。然而，不是所有的ROADM 206都需要电子子载波交换机。相反，如下所述，利用具有链路距离和超信道的灵活网格网络的依赖图，可以采用最优数量的具有子载波交换机的ROADM 206，使得在任何两个节点之间存在超信道路径。
应当理解，所示设备的数量和排列为非限制性和示例性的。可以存在其它设备、更少设备、不同设备或排列不同的设备。
图3示出了用于在所公开实施例的网络中实施的波长选择开关。波长选择开关(wavelength selective switch，WSS)302提供具有单信道粒度的光交叉连接功能，其中来自于N个输入中的任意输入的任意WDM或DWDM信道都能够路由到N个输出中的任意输出。虽然描述了单个WSS，应当理解，在网络中可采用一个或多个WSS。WSS可以在网络中的某个节点的内部，也可以在一个节点的外部。
例如，WSS 302包括波长分散元件306、波长汇聚元件308、传输控制元件304和控制器310。波长分散元件306执行输入信号(即，光信号)的波长分散。传输控制元件304均将输入信号划分成信道频带(即，信道1、信道2……信道N)内的波长频带并且传输或切断划分后的输入信号。波长汇聚元件308汇聚从传输控制元件304产生的用于输出的每个波长的信号。控制器310控制信道频带中的低频侧和高频侧中的至少一个的传输控制元件304的透射率。
图4A和图4B示出了基于固定网格和灵活网格信道带宽分配方案的超信道。超信道(或光超信道)通过组合多个光子载波以创建具有期望容量的复合光信号来增加光网络中的光纤信道容量，即每信道400Gb/s或1Tb/s。有利的是，光超信道技术可以使容量增加，足以支持对互联网等网络的日益增长的视频和移动业务需求。
结合图4A，固定网格网络包括正在分配给每个信道的固定数量的频谱(例如，50GHz)，而且信道的中心频率保持固定。这种固定信道网格可能不足以支持上文所述的以400Gbps或1Tb/s操作的超信道。例如，对于分别需要75GHz和150GHz频谱的400Gbps和1Tb/s信道，50GHz频谱是不够的。
结合图4B，灵活网格(flex-grid)网络消除了固定信道网格的限制并且允许频谱的非均匀和动态分配。可以通过采用可变子载波指配的正交频分复用(OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM)调制方案来支持粒度更细的信道。这种信道被称为灵活信道。例如，灵活网格可以将每个信道的频谱分配成多个不同(即，灵活)量(例如，10GHz、40GHz、100GHz、400GHz)。
图5A、图5B和图5C示出了具有中心节点和超信道的示例光通信网络。如图所示，示例光通信网络100(例如，服务提供商网络)包括具有九(9)个节点A至H的网络，其中每个节点通过十七(17)个光链路(类似于上文结合图1描述的链路)中的相应一个链路连接到一个或多个其它节点。
出于讨论目的，假设服务提供商的客户具有由节点A、B、C和D表示的四(4)个站点，其中每个站点具有最大300Gbps的总传入和传出流量。客户网络(节点A、B、C和D)通过四(4)个超信道AF、BF、CF和DF连接到中心节点F(下面将结合图6论述中心节点的选择)。
在一实施例中，客户网络节点A、B、C和D与中心节点F之间可能存在一个或多个超信道。在一示例中，每个超信道为具有灵活网格ROADM的点到点链路，如图5B所示。
在另一实施例中，如图5C所示，图5A中的节点A、B、C和D等给定节点(A)与图5A中的中心节点F等中心节点(central node，CN)之间的连接为具有多个中间节点(例如A1和A2)的点到点灵活网格连接。中间节点中的每个可以包括灵活ROADM，其可以取出多个超信道和合入其它多个超信道。在另一实施例中，节点A与中心节点CN之间的连接中存在的多个超信道周期性地重排以进行频谱碎片整理，其中频谱碎片整理包括定义分片参数以及沿着超信道指配具有最小分片值的工作频谱。
在实施中，客户网络中任意两个节点之间的流量可以采用任何模式，只要不超过总的最大带宽(在本示例中为300Gbps)即可。也就是说，客户网络中的四个光链路之间的总带宽不可超过超信道的总带宽。例如，流量模式可以由以下流量矩阵中的任何一个来表示：模式1矩阵(最均匀分布)、模式2矩阵(最不均匀分布)和模式3矩阵(随机分布)。应当理解，所示出的流量矩阵是非限制性的，并且旨在作为流量模式的示例。
例如，相比于传统的全网状拓扑网络，从形成于客户网络中的节点A、B、C和D之间的光链路(即超信道)的数量可以明显看出中心节点拓扑的效率。在每个节点直接连接到其它节点中的每个的全网状拓扑网络中，为了处理300Gbps的最大流量负载，需要六(6)个光链路。相反，如果采用客户网络节点A、B、C和D中的每个都连接到中心节点F的中心节点拓扑网络，则仅需要四(4)个光链路。光链路(即超信道)的总数量从节点数的二次阶改变为线性阶。
在一实施例中，客户网络还可以包括采用软管模型的虚拟专用网络(virtualprivate network，VPN)。将软管模型应用于光通信网络100，一个VPN端点(即节点)可以通过单个连接(例如光链路)与其它VPN端点(即其它节点)通信，其中每个VPN端点指定其聚合入口和出口带宽请求。VPN端点的入口带宽指定从所有其它VPN端点到该VPN端点的传入流量，而出口带宽为该VPN端口可以发送到其它VPN端口的流量的量。
软管模型是可伸缩的，因为客户在网络边缘以每流为基础管理分配后带宽，而建立网络的VPN提供商考虑网络内部的流聚合。例如，参见N.Duffield等人于1998年在ACMSIGCOMM会报中的第95至108页的“虚拟专用网络中的灵活资源管理模型(A flexiblemodel for resource management in virtual private networks)”，其内容以引用的方式并入本文。
在光通信网络100等光网络中，即使光信道中没有流量，光信道也会占用光纤容量。因此，在全网状拓扑网络中，光网络中的多站点VPN在经济上是不可行的。相反，可以选择中心节点，而且超信道形成于每个节点A、B、C和D与中心节点F之间。中心节点F使用图3中的WSS 302等提供高数据速率交换，从而将超信道不适用应用转换为超信道适用应用，即任意两个节点之间的带宽可能不符合超信道的条件，但是从一个节点到其它节点中每个的组合带宽对于超信道来说足够大。此外，软管模型流量限制条件确保了超信道大小可以固定，即使那里的流量流是动态的。
图6示出了根据图1至图3和图5的构建具有中心节点的网络的流程图。图中描述的过程可以使用本文所讨论的任何一个或多个组件和设备以分布式的方式来实施。出于讨论目的，该过程由节点XN实施。
在602处，节点XN中的一个节点在图1中的节点XN之间选择中心节点(例如图5中的中心节点F)。虽然可以采用任意数量的算法来确定中心节点(基于距离、成本等)，但是在一实施例中，基于最低成本来选择中心节点F。
在602A处，节点XN查找从节点F到端点节点中每个的最短路径。继续图5的示例，为了确定中心节点F，节点XN查找客户网络节点A、B、C和D(端点节点)中每个与提供商网络中的其它节点中的每个之间的最短路径。在602B处，节点XN对从提供商网络中的其它节点中的每个到客户网络节点A至D中每个的加权最短路径求和。在602C处，节点XN将具有最低成本(k)的提供商网络中的节点选择为中心节点F。
例如，更具体地，端点节点包括客户节点A、B、C和D。如果存在有N个节点的网络，则每个节点具有K(i)Gbps(i＝1，……，n)带宽软管限制条件。目标是查找一个中心(最优)节点H来放置电子子载波交换机并且建立从每个节点i(客户节点)到H(中心节点)的带宽为B(i)＝Σj≠IK(j)的超信道。
每个超信道的成本定义为C(i,H)＝B(i)×w(i,H)，其中w(i,H)为距离成本加节点(即再生器)成本。对于每个电子子载波交换机站点X，计算n个站点上的n个超信道的总成本为：C(X)＝ΣC(j,X)。具有最低成本的站点为最优站点，选择作为中心节点(在这种情况下为节点F)。
一旦已经选择中心节点F作为客户网络的中心，在604处，客户节点A至D中的每个通过一组超信道(在图5中示为光链路AF、BF、CF和DF)连接到中心节点F。超信道在一个实施例中具有相同数据速率，但在另一实施例中具有不同数据速率。
在606处，通过动态分配带宽以支持通过超信道AF、BF、CF和DF在节点之间进行通信，在中心节点F与客户节点A至D中的每个之间管理光通信网络100中的网络资源。
为了允许选择超信道AF、BF、CF和DF的波长信道，在608处，中心节点F处的WSS302在适当时执行波长选择交换。
图7A示出了重指配超信道中用于碎片整理的频谱的流程图。类似于图6，图中描述的过程可以使用本文所讨论的任何一个或多个的组件和设备以分布式的方式来实施。出于讨论目的，该过程由节点XN实施。
如上简述，超信道使用光谱内为频带的光载波来携带数据。也就是说，通过将几个光载波组合在一起，形成超信道。在这些类型的网络中，可以使用RSA算法来建立超信道。RSA算法考虑频谱连续性和光载波连续性限制条件，同时将频谱路径指配给任何传入连接。频谱连续性限制条件要求光载波沿着光路连续可用。
在具有动态流量的光网络中，频繁建立和拆除光路会导致大量的频谱资源分片。由于频谱连续性和光载波连续性限制条件，连接之间的几个频谱时隙仍然未被使用，从而减少了可以在光网络内传输的数据量。
为了克服与频谱碎片整理相关的一些缺陷，在710处，通过动态地重指配用于碎片整理的频谱，可以管理超信道之间的网络资源。
在712处，计算网络频谱分片率(fragmentation ratio，FR)。例如，下面的公式定义了网络频谱分片率：FR＝∑nFR(i)/n，其中n是网络(例如光)链路的数量，在链路i处的频谱分片率定义为
Figure GDA0001991749540000071
Gj是第j个块未使用的时隙大小，v(Gi)是潜在的不同超信道的数量(如果允许的超信道大小是预定义的)。
例如，图7B和图7C分别示出了如图7A处理的碎片整理之前和之后的网络频谱指配。如果假设一个简单的线性网络，每根光纤有四个节点和八个时隙，那么有五个超信道以1到5的顺序到达。第一超信道按照频谱需求为1个时隙从节点A到达B，第二超信道按照2个时隙从节点C到达D，第三超信道按照1个时隙从节点A到达D，第四超信道按照3个时隙从节点B到达C，第五超信道按照1个时隙从节点B到达D。由于超信道实时到达，所以应该在不知道未来超信道的情况下确定路由并且指配频谱。
现在假设，出于解释目的，链路AB具有2个未使用的块，分别为1个时隙和5个时隙：(G1,G2)＝(1,5)。假设超信道可以使用(1、2、3)个时隙，v(G1)＝1，v(G2)＝5+2+1＝8，v(G1+G2)＝6+3+2＝11。相应地，FR(1)＝1–9/11＝2/11。类似地，FR(2)＝1–4/5＝1/5，FR(3)＝1–6/7＝1/7。因此，平均网络频谱FR＝(2/11+1/5+1/7)/3×100％～20％。
在714处，可以预定义阈值，使得网络连续监视频谱FR。当FR率大于预定义阈值时，可以触发网络频谱分片。
在716处，最优超信道频谱指配算法可以通过每个现有超信道的新频谱指配来最小化频谱分片率。下面结合图8更详细地描述本过程。
在718处，生成依赖图以识别超信道频谱更新次序，使得超信道频谱更新处于“先建后断机制(make-before-break)”模式。应当理解，在使用交换设备的先建后断机制场景中，在打开(移除)现有路径之前建立新的连接路径。
一旦已经确定次序并且重排超信道，则在720处，可以向光通信网络100中的发射器和接收器发出命令，以根据超信道频谱更新次序来转换中心频率。
图8示出了将超信道从当前指配重排为最优指配的流程图。图中描述的过程可以使用本文所讨论的任何一个或多个组件和设备以分布式的方式来实施。出于讨论目的，该过程由节点XN实施。
在一个实施例中，网络使用整数线性规划(integer linear program，ILP)建模来优化超信道路由频谱指配。在另一实施例中，网络使用启发式算法来优化超信道路由频谱指配。虽然可以采用上面详述的FR计算，但是还应当理解，可以使用不同的分片率公式。
在802处，识别当前超信道频谱指配。在804处，识别最优超信道频谱指配。
在一示例中，假设同构灵活网格光网络G(N,L)，其中N是一组ROADM，L是一组光纤链路。每个光纤链路频谱已经划分为相同的宽度时隙S＝{1,2,...,|S|}。超信道集合为D＝[(u1,v1,h1),…,(u|D|,v|D|,h|D|)]，其中u为源，v为目的地，h为时隙的数量。
由于每个超信道具有固定路径，所以定义，如果路径(u,v)和路径(u',v')共享公共光纤链路，则Q(u,v；u',v')＝1，否则为0。然后，定义变量：Smax为指配中使用的最大时隙数量，x(u,v)为超信道从u至v的起始时隙数，如果x(u,v)<x(u',v')，则F(u,v；u',v')＝1，否则为0。
采用超信道频谱最优指配ILP(整数线性规划)模型：
目标：Min Smax
限制条件：
Figure GDA0001991749540000081
Smax≥x(u,v)+h(u,v) (1)
Figure GDA0001991749540000082
f(u,v)–f(u',v')<|S|×F(u',v'；u,v) (2)
Figure GDA0001991749540000083
f(u,v)在{0,…,|S|-1}中 (3)
Figure GDA0001991749540000084
如果Q(u,v；u',v')＝1
Figure GDA0001991749540000085
F(u,v；u',v')+F(u',v'；u,v)＝1 (4)
Figure GDA0001991749540000086
f(u,v)+h(u,v)–f(u',v')<|S|×(1-F(u,v；u',v')) (5)
其中，限制条件(1)表明目标应该是使用的最大时隙数；限制条件(2)确保满足条件：如果x(u,v)<x(u',v')，则F(u,v；u',v')＝1，否则为0；限制条件(3)为起始时隙。限制条件(4)和(5)确保共享公共光纤的两个超信道没有频谱重叠。
通过采用启发式算法，结合图9：在902处，按照时隙数和跳数(相同带宽上)的降序对超信道进行排序。在904处，使用最先符合(first-fit)策略逐个指配超信道，即查找适合超信道的第一个最小起始时隙。
返回到图8，在完成802和804处的过程后，存在两个超信道频谱指配：(1)当前超信道频谱指配和(2)最优超信道频谱指配。例如，图7A和图7B示出了当前超信道频谱指配，图7B示出了最优超信道指配。
该过程继续到806，其中，识别次序以将超信道从当前超信道频谱指配重排为最优超信道频谱指配。为了确定次序，基于超信道构建依赖图，其中在808处每个超信道表示为图中的一个节点，如结合图10A、图10B和图10C所论述。
图10A和图10B分别示出了具有当前和最优频谱的超信道上的频谱指配。图10C示出了识别转换顺序的超信道的依赖图。在示例中，节点A、B、C、D、E和F表示每链路具有4个时隙的超信道，数字表示超信道ID。基于频谱指配，在808处构建的依赖图首先在818处为每个超信道创建节点A至F，然后在820处，当最优超信道频谱指配由当前超信道频谱指配占用时，创建从第一节点到第二节点的直接链路。
所得到的依赖图如图10C所示。例如，假设按照以下顺序到达的流量模式，其中流量的到达需要2个时隙：A->B到达(1)；A->B到达(2)；A->B到达(3)；A->B离开(1)；A->B离开(2)；C->D到达(4)；C->D到达(5)；C->D离开(4)；B->C到达(6)和B->C到达(7)。所得到的当前超信道频谱指配如图10A所示，其中短划线和点线表示剩余的流量模式。没有超信道ID剩余即表示流量模式结束。例如，A->B在超信道ID(1)、(2)和(3)上到达，而在(1)和(2)上离开。因此，仅超信道ID(3)剩余。
图10B示出了最优超信道频谱指配(即，在ILP或启发式算法之后)干扰当前超信道频谱指配。例如，图10B中(最优)的流量模式D->C(5)干扰图10A中(当前)的流量模式D->C(5)。
在808处确定当前和最优超信道频谱指配的依赖图之后，在810处从依赖图中没有传出链路的超信道开始更新超信道。例如，图10C中，超信道ID 5没有任何传出链路(没有来自超信道ID 5的方向箭头)。相应地，可以首先更新超信道5。
在810处发生更新之后，在812处将表示超信道的节点(和关联链路)从依赖图中移除。在本示例中，剩余超信道节点ID为3、5、6和7(其中超信道节点ID 1、2和4已经移除)。
如果在依赖图中出现循环(即，第一节点指向第二节点，第二节点指回第一节点)，在814处该循环需要通过将一个超信道转换到其它可用频谱来打破。
在816处，当最优超信道频谱指配变为可用时，当前超信道频谱指配转换到最优超信道频谱指配。例如，超信道ID 5重路由到超信道ID 3，超信道ID 7重路由到超信道ID 6。
图11示出了根据本发明实施例的路由器的实施例。节点(例如路由器)1100可以是节点XN(图1)或如上所述的网络中的任意其它节点或路由器，等等。节点1100可以包括多个输入/输出端口1110/1130和/或用于从其它节点接收和传输数据的接收器(receiver，Rx)1112和发射器(transmitter，Tx)1132，处理系统或处理器1120(或内容感知单元)，包括存储器1122和可编程内容转发平面1128，用以处理数据并确定由哪个节点发送数据。节点1100还可以接收如上所述的兴趣消息和数据消息。尽管示为单个处理器，但处理器1120不限于此并且可以包括多个处理器。处理器1120可以实施为一个或多个中央处理器(centralprocessing unit，CPU)芯片、核(例如多核处理器)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)、专用集成电路(application specific integratedcircuit，ASIC)和/或数字信号处理器(digital signal processor，DSP)和/或可以是一个或多个ASIC的一部分。处理器1120可以用于使用实施例中描述的步骤中的任何一个或组合来实施本文描述的任何方案，例如图6至图9所示的过程。而且，处理器1120可以使用硬件、软件或两者一起实施。
存储器1122(或存储器)可以包括缓存1124和长期存储器1126，并且可以用于存储路由表、转发表或本文公开的其它表或信息。虽然示为单个存储器，但存储器1122可以实施为只读存储器(read-only memory，ROM)，随机存取存储器(random access memory，RAM)或辅助存储器(例如，用于数据的非易失性存储的一个或多个磁盘驱动器或磁带驱动器)的组合。
图12为可以用于实施各种实施例的网络系统的方框图。特定设备可利用所有所示的组件或仅所示组件的子集，且设备之间的集成程度可能不同。此外，设备可包含组件的多个实例，例如多个处理单元、处理器、存储器、发射器、接收器等等。网络系统可包括配备网络接口、存储接口等一个或多个输入/输出设备的处理单元1201。处理单元1201可以包括中央处理器(central processing unit，CPU)1210、存储器1220、大容量存储设备1230和连接到总线的I/O接口1260。该总线可以为任何类型的若干总线架构中的一个或多个，包括存储总线或者存储控制器、外设总线等等。
CPU 1210可以包括任何类型的电子数据处理器。存储器1220可以包括任意类型的系统存储器，例如静态随机存取存储器(static random access memory，SRAM)、动态随机存取存储器(dynamic random access memory，DRAM)、同步DRAM(synchronous DRAM，SDRAM)、只读存储器(read-only memory，ROM)、其组合等。在一实施例中，存储器1220可以包括在开机时使用的ROM以及在执行程序时使用的存储程序和数据的DRAM。在实施例中，存储器1220是非瞬时的。大容量存储器设备1230可以包括任意类型的存储设备，其用于存储数据、程序和其它信息，并使这些数据、程序和其它信息可通过总线访问。例如，大容量存储器设备1230可以包括固态磁盘、硬盘驱动器、磁盘驱动器、光盘驱动器等中的一个或多个。
处理单元1201还包括一个或多个网络接口1250，其可以包括以太网电缆等有线链路和/或到接入节点或者一个或多个网络1280的无线链路。网络接口1250允许处理单元1201通过网络1280与远程单元通信。例如，网络接口1250可以通过一个或多个发射器/发射天线以及一个或多个接收器/接收天线提供无线通信。在一实施例中，处理单元1201耦合到局域网或广域网上以用于数据处理以及与其它处理单元、互联网、远程存储设施等远程设备通信。
图13示出了根据所公开技术的方框图。选择器1302在光网络中的多个节点之间选择中心节点，连接器1304通过一组超信道将多个节点中的每个都连接到中心节点。管理器1306通过动态分配带宽以支持通过超信道在多个节点之间进行通信来管理中心节点与多个节点中的每个之间的网络资源。执行器1308在中心节点处在超信道之间执行波长选择交换。
查找器1309查找从中心节点到多个节点中的每个的最短路径，加法器1310对从中心节点到多个节点中的每个的加权最短路径求和，选择器1302选择具有最低成本的中心节点。
计算器1312计算超信道的分片率(fragmentation ratio，FR)，确定器1314确定分片率是否大于阈值，识别器1318在分片率大于阈值时识别超信道。碎片整理器1320根据整数线性规划(integer linear program，ILP)模型和启发式模型之一对超信道进行碎片整理，生成器1316生成依赖图以识别超信道重排的次序，其中超信道中的每个均代表依赖图中的一个节点。
识别器1318还识别当前超信道频谱指配、最优超信道频谱指配和在没有超信道通信中断的情况下将超信道从当前频谱指配重排到最优频谱指配的次序。
构建器1322构建从当前频谱指配到最优频谱指配的依赖图，以及更新器1324从依赖图中没有传出链路的超信道开始更新超信道并且在更新之后移除表示超信道和关联链接中的每个的节点。响应于依赖图中的任何循环，转换器1326将一个或多个超信道转换到可用频谱并且在最优超信道频谱指配可用时，从当前超信道频谱指配转换到最优超信道频谱指配。
在一个实施例中，光网络中的多个节点之间的中心节点构件包括通过一组超信道将多个节点中的每个都连接到中心节点的连接构件，其中光超信道中的每个都包括一组子载波并且具有有限数据速率。中心节点还包括管理构件，其通过动态分配子载波带宽以支持通过超信道在多个节点之间进行通信，管理中心节点与多个节点中的每个之间的网络资源。中心节点还包括交换构件，其用于在中心节点处在超信道之间执行波长选择交换。
所公开技术通过组合若干算法之一提供具有灵活网格超信道的软管模型VPN，从而能够降低网络资本支出(capital expenditure，CAPEX)和运营成本(operatingexpense，OPEX)。所公开技术具有若干非限制性的优点，包括但不限于，为流量不确定性提供可预测和安全网络、易于客户自控的VPN拓扑变化、超信道频谱效率以及使用优化算法减少频谱碎片。
根据本发明的各种实施例，本文描述的方法可以使用执行软件程序的硬件计算机系统来实施。此外，在非限制性实施例中，实现方式可以包括分布式处理、组件/对象分布式处理和并行处理。可以构建虚拟计算机系统处理以实施本文描述的方法或功能中的一个或多个，并且本文描述的处理器可以用于支持虚拟处理环境。
本发明的各方面在本文中结合根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或方框图进行描述。将理解，流程图图示和/或方框图中的每个方框以及流程图图示和/或方框图中的方框组合可以通过计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置中的处理器以制造一个机器，使得通过计算机或其它可编程指令执行装置中的处理器执行的指令创造用于实现流程图和/或一个方框图方框或多个方框中说明的功能/动作的机制。
本文中使用的术语仅用于描述特定方面，并不旨在限制本发明。本文使用的单数形式“a”、“an”和“the”旨在包括复数形式，除非上下文中另有明确说明。还应理解，术语“包括(comprise)”和/或“包括(comprising)”在本说明书中使用时，用于说明所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是并不排除存在或附加有一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
本发明的描述已经出于说明和描述目的提出，但并非旨在详尽无遗或限制所公开的发明。对于本领域普通技术人员来说，许多修改和变体将是显而易见的，不脱离本发明的范围和精神。选出和描述本文中本发明各个方面的目的是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，以使本领域普通技术人员能够理解包括适合预期特定用途的各种变更的本发明。
出于本文档的目的，与所公开技术相关联的每个过程可以由一个或多个计算设备连续地执行。过程中的每个步骤可由与在其它步骤中使用的相同或不同的计算设备执行，并且每个步骤不一定由单个计算设备执行。
虽然主题已经以特定于结构特征和/或方法的语言进行描述，但是应当理解，所附权利要求书中定义的主题不一定限于上述的特定特征或行为。相反，上文描述的特定特征和行为公开为实施权利要求书的示例形式。

Claims (18)

1.一种构建光网络的方法，其特征在于，包括：
在所述光网络中的多个节点之间选择中心节点；
通过一组超信道将所述多个节点中的每个都连接到所述中心节点，其中所述超信道中的每个都包括一组子载波并且具有有限数据速率；
通过动态分配子载波带宽以支持通过所述超信道在所述多个节点之间进行通信，管理所述中心节点与所述多个节点中每个之间的网络资源；
在所述中心节点处在所述超信道之间执行波长选择交换；
周期性重排多组所述超信道用于频谱碎片整理，所述频谱碎片整理包括定义分片参数以及沿着所述超信道指配具有最小分片值的工作频谱；
所述重排多组所述超信道包括：
识别当前超信道频谱指配；
识别最优超信道频谱指配；以及
识别在没有超信道通信中断的情况下将所述超信道从所述当前超信道频谱指配重排到所述最优超信道频谱指配的次序。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中心节点与所述一组节点中的每个之间的所述连接为灵活网格连接。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述超信道中的每个都包括具有灵活频谱指配和调制的多个波长信道。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述超信道中的每个都包括具有相同调制模式的多个波长信道。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，动态分配所述超信道中每个的数据速率以支持所述多个节点之间的通信。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述光网络中的所述多个节点构成虚拟专用网络(virtual private network，VPN)。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过以下方式选择所述中心节点：
查找从所述中心节点到所述多个节点中每个的最短路径；
对从所述中心节点到所述多个节点中每个的加权最短路径求和；以及
选择所述具有最低成本的中心节点。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述最低成本cost(k)定义为：cos t(k)＝∑iSC(i)×weight(i,k)，其中SC(i)为节点i处的超信道，weight(i,k)为从i到k的最短路径。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述中心节点通过至少另一组具有另一数据速率的超信道连接所述光网络中的至少另一多个节点。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括通过将频谱动态地重指配给用于频谱碎片整理的超信道，管理所述超信道之间的灵活网格网络资源。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述频谱碎片整理包括：
计算所述超信道的分片率(fragmentation ratio，FR)；
确定所述分片率是否大于阈值；
当所述分片率大于所述阈值时，识别所述超信道；
根据整数线性规划(integer linear program，ILP)模型和启发式模型之一对所述超信道进行碎片整理；以及
生成依赖图以识别重排所述超信道的次序，其中所述超信道中的每个都代表所述依赖图中的一个节点。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述ILP模型包括目标函数和至少一个与解决所述碎片整理的离散优化问题相对应的限制条件。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述启发式模型包括：
按照大小降序排列所述超信道；
按照跳数降序排列相同带宽上的所述超信道；以及
使用最先符合模型按照排列的顺序指配所述超信道。
14.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，根据下面公式定义分片率(fragmentation ratio，FR)：
Figure FDA0002561915300000021
其中，Gj是第j个块未使用的时隙大小，v(Gi)是潜在的不同超信道的数量。
15.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述识别在没有超信道通信中断的情况下将所述超信道从所述当前超信道频谱指配重排到所述最优超信道频谱指配的次序包括：
构建从所述当前超信道频谱指配到所述最优超信道频谱指配的依赖图；
从所述依赖图中的没有输出链路的超信道开始更新所述超信道；
在所述更新之后移除表示所述超信道和相关链路中的每个的所述节点；
响应于所述依赖图中的任何循环，将所述超信道中的一个或多个转换到可用频谱；以及
当所述最优超信道频谱可用时，从所述当前超信道频谱指配转换到所述最优超信道频谱指配。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述构建所述依赖图包括：
为所述超信道中的每个创建一个节点；以及
创建从所述多个节点中的第一个到所述多个节点中的第二个的直接链路，以响应于所述最优超信道频谱指配由所述当前超信道频谱指配占用。
17.一种存储用于构建光网络的计算机指令的非瞬时性计算机可读介质，所述计算机指令由一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行以下步骤：
在所述光网络中的多个节点之间选择中心节点；
通过一组超信道将所述多个节点中的每个都连接到所述中心节点，其中所述超信道中的每个都包括一组子载波并且具有有限数据速率；
通过动态分配子载波带宽以支持通过所述超信道在所述多个节点之间进行通信，管理所述中心节点与所述多个节点中的每个之间的网络资源；
在所述中心节点处在所述超信道之间执行波长选择交换；
周期性重排多组所述超信道用于频谱碎片整理，所述频谱碎片整理包括定义分片参数以及沿着所述超信道指配具有最小分片值的工作频谱；
所述重排多组所述超信道包括：
识别当前超信道频谱指配；
识别最优超信道频谱指配；以及
识别在没有超信道通信中断的情况下将所述超信道从所述当前超信道频谱指配重排到所述最优超信道频谱指配的次序。
18.一种光通信网络，其特征在于，包括：
连接到光链路的多个节点；以及
网络管理器，包括：
包含指令的存储器；以及
耦合到所述存储器的一个或多个处理器，执行所述指令以进行以下操作：
在所述光通信网络中的多个节点之间选择中心节点；
通过对应的一组超信道将所述多个节点中的一组节点连接到所述中心节点，其中所述超信道中的每个都包括一组子载波并且具有有限数据速率；
通过动态分配子载波带宽以支持通过所述超信道在所述多个节点之间进行通信，管理所述中心节点与所述一组节点中的每个之间的网络资源；
在所述中心节点处在所述超信道之间执行波长选择交换；
周期性重排多组所述超信道用于频谱碎片整理，所述频谱碎片整理包括定义分片参数以及沿着所述超信道指配具有最小分片值的工作频谱；
所述重排多组所述超信道包括：
识别当前超信道频谱指配；
识别最优超信道频谱指配；以及
识别在没有超信道通信中断的情况下将所述超信道从所述当前超信道频谱指配重排到所述最优超信道频谱指配的次序。
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