CN109862447B - 最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法，其步骤为：当从源节点到目的节点的连接请求到来时，加载与源节点到目的节点的路径相关的路径集合；判断源节点到目的节点的路径上是否存在满足连接请求所需的可用频块，如果不存在，则连接请求被阻塞，否则找出源节点到目的节点的路径上所有的可用频块；针对每一个可用频块，计算当可用频块被使用时网络中空闲资源的总减少量，选择使空闲资源总减少量最小的那个可用频块分配给连接请求。本发明的目的是使每次频谱分配后全网剩余的空闲资源量最多，从而增加后续到来的连接请求获得可用频谱资源的概率，达到降低网络阻塞率的效果。

Description

最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法

技术领域

本发明属于光网络技术领域，具体涉及一种最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法。

背景技术

随着云计算、移动互联网等技术的快速发展，人们对网络带宽的要求越来越高，对带宽的要求也越来越多样化。传统的光网络中采用波分复用(Wavelength DivisionMultiplexing，WDM)的方式传输信号，所能够提供的传输通道为频谱宽度固定的一个个波长，虽然能够提供足够大的带宽，却无法满足用户对带宽的多样性要求。为了解决这一问题，Jinno等人在2009年提出了弹性光网络(Elastic Optical Network，EON)的概念。首先，在弹性光网络中采用光正交频分复用(Optical Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，O-OFDM)的方式传输信号，可以更加高效地使用频谱资源。其次，在弹性光网络中频谱资源被划分为频带宽度更小的频隙(Frequency Slice，FS)，网络可以根据连接请求的带宽需求，灵活地为它分配多个频隙，故此弹性光网络可以满足用户对网络带宽的多样化要求。

在弹性光网络中为连接请求分配频谱资源时，需要满足三个限制条件：1)频谱不重叠限制，即不同连接请求所使用的频隙资源不能相互重叠；2)频谱连续性限制，即在一条光路的所有链路上，为一个连接请求分配的频隙必须相同；3)频谱邻接性限制，在每条链路中，为同一个连接请求分配的频隙资源必须相互邻接。频谱分配问题是一个非常复杂的问题，不合理的频谱分配方法会造成空闲资源的碎片化，当一个连接请求到来时，可能会出现虽然有空闲资源、但却无法同时满足上述三个限制条件的情况，从而导致连接请求被阻塞。

在一条光路上为连接请求分配频隙资源时，如果不只是考虑当前光路上空闲资源的情况，而能够充分考虑网络中所有相关路径上空闲资源的连续性和邻接性的减少量，就可以增加后面到达的连接请求被成功分配资源的可能性。然而，目前并没有关于空闲资源连续性和邻接性的具体度量指标。

发明内容

针对现有频谱分配方法不能满足频谱限制条件，容易引起连接请求被阻塞的技术问题，本发明提出了一种最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法，给出了度量所有相关路径上空闲资源的减少量的一个指标，从而能够降低频谱资源的碎片化程度，进而降低连接请求的阻塞概率。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法，其步骤如下：

步骤一：当从源节点到目的节点的连接请求到来时，获取连接请求申请的频隙个数S_r，加载与源节点到目的节点的路径相关的路径集合；

步骤二：判断源节点到目的节点的路径上是否存在S_r个频隙的可用频块，如果不存在，则连接请求被阻塞，停止；否则找出源节点到目的节点的路径上所有的可用频块；

步骤三：针对每一个可用频块，计算当可用频块被使用时网络中空闲资源的总减少量；

步骤四：选择使得空闲资源的总减少量最小的可用频块，并将该可用频块分配给连接请求。

作为优选的技术方案，所述空闲资源的总减少量是与源节点到目的节点的路经相关的路径集合中每个路径上频块的空闲资源的减少量的总和，即

其中，b_i为可用频块，且i＝1,2,…n，n为源节点s到目的节点d的路径P_sd上包含S_r个频隙的可用频块的个数，

是与路径P_sd相关联的路径集合，路径P是路径集合

的一个子集，h_P为路径P上所包含的链路条数，ΔB_P(b_i)为可用频块b_i被使用时路径P上的极大空闲频块改变量，ΔS_P(b_i)为可用频块b_i被使用时路径P上的空闲频隙改变量，参数α和参数β是两个调节参数。

作为优选的技术方案，所述参数α和参数β的取值均与网络环境有关，参数α的取值范围为0＜α≤1，参数β的取值范围为

为实数集合。

作为优选的技术方案，如果使空闲资源的总减少量M(b_i)最小的可用频块多于一个，则选择其中编号最小的那个可用频块分配给连接请求。

作为优选的技术方案，所述与路径P_sd相关联的路径集合

中的每个路径与路径P_sd有共同的链路，路径集合

中包含路径P_sd。

作为优选的技术方案，所述极大空闲频块是指一个空闲频块无法扩展为一个更大的空闲频块，空闲频块是指一个频块中所有的频隙都是空闲的频块，频块是由路径上编号连续的频隙所组成的频谱块。

作为优选的技术方案，所述可用频块是指路径P_sd上的空闲频块能够包含连接请求所需的S_r个频隙。

作为优选的技术方案，所述极大空闲频块改变量是指可用频块被使用后的极大空闲频块的个数与可用频块被使用前的极大空闲频块的个数之差，即ΔB_P(b_i)＝B_P,b(b_i)-B_P,a(b_i)，其中，B_P,b(b_i)为频块b_i被使用之前的极大空闲频块数，B_P,a(b_i)为频块b_i被使用之后的极大空闲频块数；所述空闲频隙改变量是指可用频块被使用后的空闲频隙的个数与可用频块被使用前的空闲频隙的个数之差，即ΔS_P(b_i)＝S_P,b(b_i)-S_P,a(b_i)，其中，S_P,b(b_i)为频块b_i被使用之前的空闲频隙数，S_P,a(b_i)为频块b_i被使用之后的空闲频隙数。

本发明的有益效果：本发明使用了一个关于路径条数、空闲频隙变化量和极大空闲频块变化量的函数来度量一条路径上的可用资源变化量，在一条光路上为连接请求分配频谱资源时，不仅考虑当使用一个频块时对当前路径上空闲资源的影响，还考虑对所有相关路径上空闲资源的影响，选择使得全网络空闲资源总减少量最小的那个可用频块，从而增加后续到来的连接请求获得可用频谱资源的概率，达到降低网络阻塞率的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的频谱分配流程图。

图2为本发明的一个包含5条链路的网络拓扑结构实例图。

图3为本发明的各个链路上频隙的忙闲状态图。

图4为本发明的路径P₁:2-3的所有相关联路径及各个路径上频隙的状态图。

图5为本发明的路径P₁:2-3上一个需要2个频隙的连接请求的可用频块分布图。

图6为本发明的不同可用频块被占用时各关联路径上空闲频隙改变量和极大空闲频块改变量的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法的流程图，具体步骤如下：

步骤一：当从源节点s到目的节点d的连接请求r到来时，获取连接请求r申请的频隙个数S_r，加载与源节点s到目的节点d的路径P_sd相关的路径集合

步骤二：判断源节点s到目的节点d的路径P_sd上是否存在S_r个频隙的可用频块，如果不存在，则连接请求r被阻塞，停止；否则找出源节点s到目的节点d的路径P_sd上所有的可用频块；

步骤三：针对每一个可用频块，计算当可用频块被使用时网络中空闲资源的总减少量；

步骤四：选择使得空闲资源的总减少量最小的可用频块，并将该可用频块分配给连接请求。

如图2所示，本发明以一个包含5条链路的网络拓扑结构为例，具体描述弹性光网络的频谱分配方法。如图3所示，该网络中每条链路上的频谱资源被划分为10个频隙，频隙按从上到下的顺序依次进行编号，即编号f＝1,2,3，…，10；图3给出了每条链路上的每个频隙的忙闲状态，其中黑色填充矩形表示被占用频隙，即繁忙状态，白色填充矩形表示未被占用频隙，即空闲状态。

在网络中，如果两条路径有共同的链路，则称它们是关联的；特别地，一条路径与它自己是关联的。路径P_sd是从源节点s到目的节点d的路径，路径集合

是所有与路径P_sd相关联的路径集合，路径集合

中的每个路径均与路径P_sd有共同的链路，路径集合

中也包含路径P_sd，路径P_sd与自身也是相关联的；例如，如图2所示，与路径P₁:2-3关联的路径总共有三条，分别是：路径P₁:2-3、路径P₂:1-2-3和路径P₃:2-3-4。

对于每条路径上的频隙编号为f的频隙来说，只有当该路径的所有链路上频隙编号为f的频隙都是空闲状态时，它在该路径上才是空闲状态。例如，如图4所示，路径P₂上编号为2的频隙，在链路(1,2)上繁忙，在链路(2,3)上空闲，故它在路径P₂上是繁忙状态；编号为3的频隙，在链路(1,2)上空闲，在链路(2,3)上空闲，故它在路径P₂上是空闲状态。图4给出了与路径P₁的所有关联路径上频隙的忙闲状态。

路径上的一个频块是指路径上频隙编号连续的频隙所组成的频谱块，空闲频块是指一个频块中所有的频隙都是空闲的频块，极大空闲频块是指一个空闲频块无法扩展为一个更大的空闲频块。例如，如图4所示，路径P₁上有两个极大空闲频块，第一个极大空闲频块包含5个频隙，第二个极大空闲频块包含2个频隙；路径P₂有两个极大空闲频块，两个极大空闲频块均包含2个频隙；路径P₃上也有两个极大空闲频块，第一个极大空闲频块包含4个频隙，第二个极大空闲频块包含2个频隙。在空闲频隙数量一样的情况下，极大空闲频块的个数越少，频谱资源的邻接性越好。

如果路径P上的一个连接请求r需要S_r个频隙，而该路径上的一个空闲频块刚好包含S_r个频隙，则称该频块是该连接请求r的一个可用频块。如果频谱资源被划分成了F个频隙，则这些频隙可以组成F-S_r+1个包含S_r个频隙的不同频块，其中第1个频块所包含的频隙为(1,2,…,S_r)，第2个频块所包含的频隙为(2,3,…,S_r+1)，第f个频块所包含的频隙为(f,f+1,…f+S_r-1)；对于每个频块，只需要检查其所包含的频隙是否全部空闲，即可判断该频块是否为连接请求的可用频块。例如，路径P₁上的一个连接请求r需要2个频隙，则根据路径上各频隙的当前状态，可得该连接请求r在路径P₁上有5个可用频块，记为b₁,b₂,b₃,b₄,b₅，路径P₁上的可用频块的分布如图5所示。

当路径上的一个频块被使用时，路径的所有链路上对应的频隙会从空闲状态变为繁忙状态，则所有关联路径上的空闲资源量都会受到影响，因此所有关联路径上的空闲资源减少量的总和即为网络的空闲资源总减少量。记从源节点s到目的节点d的路径P_sd的相关的路径集合为

则网络的空闲资源总减少量为：

其中，b_i为可用频块，且i＝1,2,…n，n为源节点s到目的节点d的路径P_sd上包含S_r个频隙的可用频块的个数，

是与路径P_sd相关联的路径集合，路径P是路径集合

的一个子集，h_P为路径P上所包含的链路条数，ΔB_P(b_i)为路径P上的极大空闲频块改变量，ΔS_P(b_i)为路径P上的空闲频隙改变量，参数α和参数β是两个调节参数，参数α和参数β的取值均与网络环境有关，参数α的取值范围为0＜α≤1，参数β的取值范围为

极大空闲频块改变量是指可用频块被使用后的极大空闲频块的个数与可用频块被使用前的极大空闲频块的个数之差，即ΔB_P(b_i)＝B_P,b(b_i)-B_P,a(b_i)，其中，B_P,b(b_i)为频块b_i被使用之前的极大空闲频块数，B_P,a(b_i)为频块b_i被使用之后的极大空闲频块数；空闲频隙改变量是指可用频块被使用后的空闲频隙的个数与可用频块被使用前的空闲频隙的个数之差，即ΔS_P(b_i)＝S_P,b(b_i)-S_P,a(b_i)，其中，S_P,b(b_i)为频块b_i被使用之前的空闲频隙数，S_P,a(b_i)为频块b_i被使用之后的空闲频隙数。

如图4所示，关联路径的链路条数分别为：

如图5所示，连接请求在路径P₁上的可用频块为b₁,b₂,b₃,b₄,b₅。如图6所示，当频块b₂被使用时，路径P₁上的空闲频隙数减少2，极大空闲频块数增加1，则空闲频隙改变量

极大空闲频块改变量

图6给出了当不同频块被使用时，不同路径上的空闲频隙改变量ΔS_P(b_i)和极大空闲频块改变量ΔB_P(b_i)的值。若取α＝0.4和β＝1，则不同可用频块被使用时，对应的网络空闲资源的总减少量分别为：

M(b₁)＝1¹×0.4⁰×2+2¹×0.4⁰×1+2¹×0.4⁰×2＝2+2+4＝8

M(b₂)＝1¹×0.4^-1×2+2¹×0.4¹×2+2¹×0.4^-1×2＝5+1.6+10＝16.6

M(b₃)＝1¹×0.4^-1×2+2¹×0.4⁰×1+2¹×0.4⁰×2＝5+2+4＝11

M(b₄)＝1¹×0.4⁰×2+2¹×0.4⁰×0+2¹×0.4⁰×1＝2+2+2＝6

M(b₅)＝1¹×0.4¹×2+2¹×0.4¹×2+2¹×0.4¹×2＝0.8+1.6+1.6＝4

由上述计算结果可知，当α＝0.4和β＝1时，可用频块b₅被使用时网络空闲资源总减少量最小，故将频块b₅所对应的两个频隙分配给连接请求r。本发明总是将使得网络空闲资源总减少量最小的可用频块分配给连接请求，如果使空闲资源的总减少量最小的可用频块多于一个，则选择其中编号最小的可用频块分配给连接请求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一：当从源节点到目的节点的连接请求到来时，获取连接请求申请的频隙个数S_r，加载与源节点到目的节点的路径相关的路径集合；

步骤二：判断源节点到目的节点的路径上是否存在S_r个频隙的可用频块，如果不存在，则连接请求被阻塞，停止；否则找出源节点到目的节点的路径上所有的可用频块；

步骤三：针对每一个可用频块，计算当可用频块被使用时网络中空闲资源的总减少量；

所述空闲资源的总减少量是与源节点到目的节点的路经相关的路径集合中每个路径上频块的空闲资源的减少量的总和，即

其中，b_i为可用频块，且i＝1,2,…n，n为源节点s到目的节点d的路径P_sd上包含S_r个频隙的可用频块的个数，

是与路径P_sd相关联的路径集合，路径P是路径集合

的一个子集，h_P为路径P上所包含的链路条数，ΔB_P(b_i)为可用频块b_i被使用时路径P上的极大空闲频块改变量，ΔS_P(b_i)为可用频块b_i被使用时路径P上的空闲频隙改变量，参数α和参数β是两个调节参数；极大空闲频块改变量是指可用频块被使用前的极大空闲频块的个数与可用频块被使用后的极大空闲频块的个数之差；所述极大空闲频块是指一个空闲频块无法扩展为一个更大的空闲频块，空闲频块是指一个频块中所有的频隙都是空闲的频块，频块是由路径上编号连续的频隙所组成的频谱块；

步骤四：选择使得空闲资源的总减少量最小的可用频块，并将该可用频块分配给连接请求。

2.根据权利要求1所述的最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法，其特征在于，所述参数α和参数β的取值均与网络环境有关，参数α的取值范围为0＜α≤1，参数β的取值范围为

为实数集合。

3.根据权利要求1或2所述的最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法，其特征在于，如果使空闲资源的总减少量M(b_i)最小的可用频块多于一个，则选择其中编号最小的那个可用频块分配给连接请求。

4.根据权利要求1所述的最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法，其特征在于，所述与路径P_sd相关联的路径集合

中的每个路径与路径P_sd有共同的链路，路径集合

中包含路径P_sd。

5.根据权利要求1所述的最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法，其特征在于，所述可用频块是指路径P_sd上的空闲频块能够包含连接请求所需的S_r个频隙。

6.根据权利要求1所述的最小化网络空闲资源总减少量的弹性光网络频谱分配方法，其特征在于，所述极大空闲频块改变量是ΔB_P(b_i)＝B_P,b(b_i)-B_P,a(b_i)，其中，B_P,b(b_i)为频块b_i被使用之前的极大空闲频块数，B_P,a(b_i)为频块b_i被使用之后的极大空闲频块数；所述空闲频隙改变量是指可用频块被使用前的空闲频隙的个数与可用频块被使用后的空闲频隙的个数之差，即ΔS_P(b_i)＝S_P,b(b_i)-S_P,a(b_i)，其中，S_P,b(b_i)为频块b_i被使用之前的空闲频隙数，S_P,a(b_i)为频块b_i被使用之后的空闲频隙数。

Images