CN114697775B - 异质多芯光纤弹性光网络中串扰规避虚拟光网络映射方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异质多芯光纤弹性光网络中串扰规避虚拟光网络映射方法，属于通信技术领域。具体包括：芯优先级定义算法，芯分类算法，节点嵌入算法，链路映射算法，芯指派算法和频隙分配算法。所述异质多芯光纤弹性光网络中串扰规避虚拟光网络映射方法结合了多芯光纤弹性光网络中应对串扰问题的硬件方法和软件方法的优势，规避了串扰，通过异质多芯光纤弹性光网络满足了F5G中高带宽的基本要求；同时通过虚拟光网络映射方案满足了F5G中高动态的基本要求，为F5G之后的演进提供了可行思路。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及异质多芯光纤弹性光网络中串扰规避虚拟光网络映射方法。
背景技术
随着第五代固定网络(F5G)时代的到来，4K/8K视频，远程医疗和虚拟现实(VR)游戏等新兴互联网业务不断涌现，对全光纤连接的F5G网络提出了高带宽和高动态的基本要求。为了满足高带宽的基本要求，F5G的光网络不再沿用单芯且只具有固定频隙栅格的波分复用方案，而是逐步向使用多芯光纤(MCF)且具有灵活频隙栅格的光正交频分复用弹性光网络(EON)方案演进；为了满足高动态的基本要求，F5G中多类用户请求的多个业务可以部署在同一套共享的光网络物理设施上，以保证业务部署的灵活性和成本优势，为此，出现了一种称为网络切片或虚拟光网络映射(VONE)的技术并得到了越来越多的关注。直观来看，由于芯数增加，在基于MCF的EON上进行VONE是相当复杂的问题，但由于MCF中芯间串扰问题的存在，问题将变得更为复杂。针对串扰问题，已有的解决方案包括硬件和软件两个部分：硬件方法，主要是对光纤的结构进行改良：包括使用多芯的光子晶体光纤，在每根芯外面添加折射率更低的空洞或沟槽，不等间距排列纤芯，扩大包层直径和异质多芯光纤等可以让芯间串扰减低到-30dB以下的技术；软件方法，主要是在上层合理的设计业务分配，包括对向业务传输，基于多输入多输出系统的电域均衡，传统的基于串扰规避、最坏情况串扰和串扰感知的资源、频谱与芯分配算法以及机器学习等让芯间串扰不影响业务传输的方法。硬件方法中，异质多芯光纤方法相比于其他方案，设计更为方便，且由于工艺误差的存在，也更为接近实际，具有更低的制作成本，有望大量应用。但异质多芯光纤方案中不是所有的纤芯都是异质芯，仍会存在同质芯，这些同质芯之间的串扰问题依然存在，这就需要结合软件方法来解决。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种异质多芯光纤弹性光网络中串扰规避虚拟光网络映射方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
异质多芯光纤弹性光网络中串扰规避虚拟光网络映射方法，该方法包括以下步骤：
S1：建立基于异质多芯光纤的底层弹性光物理网络及其抽象出来的网络拓扑图；
S2：在网络拓扑图上进行串扰规避虚拟光网络映射的启发式算法。
可选的，所述S1中：
物理网络包含以下物理器件：若干个光交叉连接器和用于连接这些光交叉连接器以形成网络的一系列异质多芯光纤；
拓扑图包含以下元素：将光交叉连接器抽象为拓扑图顶点；每个拓扑图顶点具有一定的计算容量；将异质多芯光纤抽象为拓扑图的边，每条拓扑图的边由两条指向相反的链路组成，一条链路传输由该拓扑图的边连接着的两个拓扑图顶点的其中一个拓扑图顶点传向另一个的拓扑图顶点的数据，另一条链路则反之；
链路包括环形均匀分布的若干个纤芯，其中一个纤芯相比于其它纤芯具有更大的直径，该纤芯称为异质芯；而其余纤芯的直径相同，均小于异质芯，纤芯称为同质芯；
同质芯具有一定数量的频隙，且每条链路的每个同质芯包含的频隙个数都相同；
异质芯具有和同质芯一样数量的频隙，且每条链路的每个异质芯包含的频隙个数都相同；异质芯的通信容量大于同质芯，且定义二者通信容量的比为容量比，取整数。
可选的，所述S2中，虚拟光网络包括：
虚拟光网络顶点，每个虚拟光网络顶点请求占用拓扑图顶点一定的计算容量；
虚拟光网络的边，每条虚拟光网络的边仅包含一条单向链路，该虚拟光网络的边请求占用一定数量的频隙，且同一个虚拟光网络中每条边请求占用的频隙数量相同，另外，请求频隙数量相同的业务定义为同一类任务；
所述串扰规避为：当虚拟光网络中的同一类任务请求指派到相邻同质芯时，分配的频隙位置不能重叠；当虚拟光网络中的同一类任务请求指派到异质芯时，与之相邻的同质芯上指派的任务请求与指派到异质芯上的任务请求之间也属于串扰规避。
可选的，所述S2中，启发式算法的目标为最小化输入的虚拟光网络在底层物理网络拓扑中映射后分配的最大频隙序号；
当虚拟光网络请求的频隙数量为容量比的倍数时，该任务请求应指派给异质芯传输且在异质芯中占用的频隙数量按容量比缩小；
算法的具体过程包括以下步骤：
S01：输入算法所需参数，包括：物理网络拓扑、虚拟网络业务请求集合、异质芯和同质芯集合以及业务请求类型列表；
S02：执行芯优先级定义算法；
S03：执行芯分类算法；
S04：将S01中输入的虚拟网络业务请求集合中的每个虚拟网络按先顶点数量，后边的数量降序的顺序重新排列S01输入集合中的虚拟网络；
S05：依次检查S04中排序后的虚拟网络业务请求集合中的每一个业务请求；
S06：执行节点嵌入算法；
S07：根据S06的节点嵌入结果，执行链路映射算法；
S08：根据S02、S03和S07的芯优先级定义结果、芯分类结果和链路映射结果执行芯指派算法；
S09：根据S07和S08的链路映射结果和芯指派结果执行频隙分配算法；
S10：重复S05～S09，直到所有的业务请求都被检查后，输出算法结果。
可选的，所述S02中，芯优先级定义算法包括以下步骤：
S0201：输入S01中异质芯和同质芯集合，集合中所有的芯从1开始统一编号；
S0202：初始化两个大小与S0201中芯集合所含元素个数相同的整数数组Core_Priority和Core_Cost，其中，Core_Priority按定义的芯优先级顺序存储芯编号，越靠近数组起始位置存储的芯编号对应的芯优先级越高，该数组初始时不存储任何芯编号，全部置零；Core_Cost按芯编号顺序依次存储每根芯的评分值，该数组初始时评分值全部置零；
S0203：从编号为1的芯开始检查每个芯；
S0204：如果当前检查的芯为异质芯，则定义其优先级为最高级，并将异质芯的编号存储在Core_Priority的起始位置，然后执行S0205～S0206；
S0205：将与S0204中异质芯相邻的芯的评分值减1，即Core_Cost中对应异质芯编号的前后两个位置数值减1，芯按环形分布，若异质芯的编号处于Core_Cost的起始位置，则其前为Core_Cost的终止位置；若异质芯的编号处于Core_Cost的终止位置，则其后为Core_Cost的起始位置；
S0206：将异质芯的评分值置无穷大；
S0207：如果当前检查的芯不是异质芯，则寻找评分值为0的芯，如果能够找到，执行S0208～S0210，否则执行S0211；
S0208：定义找到的评分值为0的芯中编号最小的芯为下一优先级，并将其编号存储在Core_Priority的下一位置；
S0209：将与S0208中确定优先级的芯相邻的芯的评分值加1，类似于S0205，将Core_Cost中对应当前确定优先级编号的芯的前后两个位置数值加1；
S0210：将S0208中确定优先级的芯的评分值置无穷大；
S0211：寻找评分值最小的芯，定义为下一优先级，并将其编号存储在Core_Priority的下一位置，然后执行S0212～S0213；
S0212：将与S0211中确定优先级的芯相邻的芯的评分值加1，类似于S0209；
S0213：将S0211中确定优先级的芯的评分值置无穷大；
S0214：重复S0203～S0213，直到检查完所有的芯，输出的Core_Priority为芯优先级定义结果。
可选的，所述S03中，芯分类算法包括以下步骤：
S0301：输入S01中异质芯和同质芯集合，芯编号方式与S0201相同；输入芯优先级定义结果Core_Priority；输入S01中的任务请求类型列表；
S0302：初始化一个大小与Core_Priority相同的整数数组Core_Classification，Core_Classification按芯编号顺序存储每个芯应指派的业务类型，该数组初始时不存储任何业务类型，全部置零；另初始化一个指示值index作为业务类型列表的索引，该值初始时置零；
S0303：从编号为1的芯开始检查每个芯；
S0304：将当前index索引的业务类型赋给过程变量Current_Service_Type，如果index超过了业务类型列表的大小，则将index按业务类型列表大小取模；
S0305：按Core_Priority定义的芯编号顺序依次判断某条芯的邻芯是否指派了Current_Service_Type，如果已指派，执行S0306，否则执行S0307；
S0306：index自加1，并重复执行S0304～S0305；
S0307：将Current_Service_Type赋给Core_Classification数组中当前检查的芯的编号对应的位置作为该芯应指派的业务类型；
S0308：重复S0303～S0307，直到检查完所有的芯，输出的Core_Classification为S03中的芯分类结果。
可选的，所述S06中，节点嵌入算法包括以下步骤：
S0601：输入S01中的物理网络拓扑，每个物理网络拓扑的顶点从1开始统一编号；输入S04中的排序后虚拟光网络任务请求集合中的一个任务请求，该任务请求的顶点从1开始编号；
S0602：初始化一个大小与S0601中输入的虚拟光网络顶点个数相同的整数数组Vertex_Embedding_Result，Vertex_Embedding_Result按虚拟光网络顶点编号的顺序存储应嵌入的S0601中输入的物理网络拓扑顶点编号，该数组初始时置零；
S0603：按S0601中输入的虚拟光网络各顶点请求的计算容量降序排序虚拟光网络的各个顶点，排序后的顶点集合记为vsorted；
S0604：按S0601中输入的物理网络各节点剩余的计算容量降序排序物理网络的各个顶点，排序后的顶点集合记为Vsorted；
S0605：检查S0603中vsorted集合中的每一个顶点；
S0606：如果S0604中Vsorted集合中对应的顶点剩余计算容量不小于当前检查节点的请求容量，则执行S0607；否则执行S0608；
S0607：将当前Vsorted集合中对应的顶点编号存储至Vertex_Embedding_Result中指示当前检查节点的对应位置，并更新Vsorted集合中对应顶点的剩余计算容量；
S0608：阻塞S0601中输入的这个任务请求，且清空当前的Vertex_Embedding_Result；
S0609：重复S0605～S0608，直到检查完所有顶点，输出的Vertex_Embedding_Result为S06中的节点嵌入结果；若Vertex_Embedding_Result为空，表示S0601中输入的任务请求被阻塞。
可选的，所述S07中，链路映射算法包括以下步骤：
S0701：输入S01中的物理网络拓扑，每条物理网络拓扑的边从1开始统一编号；输入S04中的排序后虚拟光网络任务请求集合中的一个任务请求，该任务请求的边从1开始编号；输入节点嵌入结果Vertex_Embedding_Result；
S0702：初始化一个大小与S0701中输入的任务请求边条数相同的二维整数数组Edge_Embedding_Result，Edge_Embedding_Result按任务请求边编号的顺序存储应映射的物理网络边的顺次顶点编号，该数组初始时置空；
S0703：检查任务请求的每一条边；
S0704：使用Dijkstra算法计算以检查的边的源点嵌入到的物理网络顶点为源点，以检查的边的宿点嵌入到的物理网络顶点为宿点，且以物理网络各边已被占用的频隙数量为权值的最短路径，如果该最短路径存在，执行S0705，否则执行S0706；
S0705：将以顶点顺序表示的最短路径存储到Edge_Embedding_Result中；
S0706：阻塞S0701中输入的这个任务请求，且清空当前的Edge_Embedding_Result和Vertex_Embedding_Result；
S0707：重复S0703～S0706，直到检查完所有的边，输出的Edge_Embedding_Result为S07中的链路映射结果；若Edge_Embedding_Result为空，表示S0701中输入的任务请求被阻塞。
可选的，所述S08中，芯指派算法包括以下步骤：
S0801：输入S01中的物理网络拓扑，物理网络的顶点和边的编号规则与S0601和S0701一致，每条边包含链路中每根芯所包含的频隙从1开始编号，每个频隙初始时具有频隙值0；输入S04中的排序后虚拟光网络任务请求集合中的一个任务请求，该虚拟光网络的顶点和边的编号规则与S0601和S0701一致；输入该任务请求的节点嵌入结果Vertex_Embedding_Result；输入该任务请求的链路映射结果Edge_Embedding_Result；输入S01中的异质芯和同质芯集合，芯编号规则与S0201相同；输入芯优先级定义结果Core_Priority；输入芯分类结果Core_Classification；
S0802：初始化一个大小与S0801中异质芯和同质芯集合元素数量相同的整数数组Start_Frequency，Start_Frequency按芯编号顺序存储S0801中输入的任务请求开始进行频隙分配的频隙起始编号，初始时置零；再初始化一个大小为2倍S0801中异质芯和同质芯集合元素数量的二维整数数组Core_Assignment_Record，每个芯编号对应的Core_Assignment_Record元素存储映射到的物理网络边的一个链路方向上应指派的芯编号顺序，每个芯编号加1对应的Core_Assignment_Record元素则存储另一个链路方向上应指派的芯编号顺序，该数组初始时置空；
S0803：按S0801中Core_Priority定义的芯优先级顺序依次检查每条芯；
S0804：如果按S0801中Core_Classification的芯分类结果，S0803中检查的芯可以指派S0801输入的这类任务请求，则执行S0805～S0819，否则重复执行S0803～S0804；
S0805：初始化一个数组Core_Assignment_tmp暂时存储每条映射到的物理网络链路上应指派的芯编号，初始时该数组置空；
S0806：按频隙编号的顺序依次检查每个频隙；
S0807：如果Core_Assignment_tmp不为空，则执行S0808，否则继续执行S0809；
S0808：将S0801中输入的物理网络拓扑每条链路的频隙当前值为-1的频隙值置零，同时清空Core_Assignment_tmp；
S0809：找到S0801中任务请求的编号为1的边映射到的第一条物理网络链路；
S0810：如果从S0806检查的频隙开始，S0809中的第一条物理网络链路上具有连续个空闲的任务请求频隙数，频隙值为0表示空闲，则将这些空闲频隙值置-1，并将S0803中当前检查的芯编号存储至Core_Assignment_tmp末尾，然后执行S0812～S0819；否则重复执行S0806～S0810，直到所有的频隙都被检查完，然后执行S0811；
S0811：待所有S0806中的频隙都被检查完后仍找不到S0810中的连续空闲频隙，则执行S0819；
S0812：依次检查除S0809第一条物理网络链路外，其余映射到的物理网络链路；
S0813：按S0801中Core_Priority定义的芯优先级顺序依次检查每条芯；
S0814：如果按S0801中Core_Classification的芯分类结果，S0813中检查的芯能够指派S0801输入的这类任务请求，则执行S0815～S0819，否则重复执行S0813～S0814；
S0815：判断S0813中检查的芯上从S0806中检查的频隙开始是否存在S0810中的连续空闲频隙，存在的话将那些空闲频隙值置-1，并将S0813中检查的芯编号存储至Core_Assignment_tmp末尾，然后执行S0817；否则重复执行S0813～S0814，直到所有的芯都被检查完，然后执行S0816；
S0816：待所有S0813中的芯都被检查完后仍找不到S0815中的连续空闲频隙，则执行S0819；
S0817：全部执行完S0812～S0816时，将中间结果Core_Assignment_tmp存储至Core_Assignment_Record对应S0803中检查芯的编号位置，作为芯指派的结果；并将S0810中确定的频隙作为每条指派芯中请求的频隙开始分配的位置存储至Start_Frequency对应S0803中检查芯的编号位置；
S0818：将S0801中输入的物理网络拓扑每条链路的频隙当前值为-1的频隙值置零，同时清空Core_Assignment_tmp；
S0819：重复执行S0803～S0818，直到检查完所有的芯；
S0820：如果Core_Assignment_Record的结果为空，则阻塞S0801中输入的任务请求，同时清空Edge_Embedding_Result和Vertex_Embedding_Result；否则执行S0821；
S0821：寻找Start_Frequency中最小的频隙分配序号作为S0801中输入的任务请求频隙分配起始位置Start_Frequency_Index，并将Start_Frequency_Index对应的芯编号对应的Core_Assignment_Record存储结果作为最后S08中的芯指派结果Core_Assignment_Result。
可选的，所述S09中，频隙分配算法包括以下步骤：
S0901：输入S01中的物理网络拓扑，物理网络的顶点、边和边上每条链路的频隙编号规则与S0801一致；输入S04中的排序后虚拟光网络任务请求集合中的一个任务请求，该虚拟光网络的顶点和边的编号规则与S0801一致；输入该任务请求的链路映射结果Edge_Embedding_Result；输入芯指派结果Core_Assignment_Result和频隙分配起始位置Strat_Frequency_Index；
S0902：初始化一个大小与S0901中输入的物理网络链路条数相同的三维整数数组Frequency_Allocating_Result，Frequency_Allocating_Result按物理网络链路的顺序存储每根芯上的频隙分配的业务类型，未分配的频隙值置零，初始时所有频隙值置零；另初始化一个整数Msr作为S0901中输入任务请求的目标值，初始时该值置零；
S0903：检查每条映射到的物理网络链路；
S0904：根据S0901中的Core_Assignment_Result和Start_Frequency_Index按S0901中输入的任务请求的频隙数量为每条物理网络链路占用分配的频隙，即将Frequency_Allocating_Result对应分配的频隙位置存储任务请求频隙数量的业务类型；
S0905：寻找Frequency_Allocating_Result中所有芯中最大的空闲频隙编号，频隙值为0表示空闲，并将其赋给Msr；
S0906：重复执行S0903～S0905，直到检查完所有映射的物理网络链路，得到的Msr为S09执行后输出的S0901中输入的业务的目标值。
本发明的有益效果在于：本发明包括芯优先级定义算法，芯分类算法，节点嵌入算法，链路映射算法，芯指派算法和频隙分配算法。所述异质多芯光纤弹性光网络中串扰规避虚拟光网络映射方法结合了多芯光纤弹性光网络中应对串扰问题的硬件方法和软件方法的优势，规避了串扰，通过异质多芯光纤弹性光网络满足了F5G中高带宽的基本要求；同时通过虚拟光网络映射方案满足了F5G中高动态的基本要求，为F5G之后的演进提供了可行思路。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明具体实施方式基于异质多芯光纤的底层弹性光物理网络拓扑图；
图2为本发明具体实施方式碎片率随任务请求数量的变化；
图3为本发明具体实施方式串扰率随任务请求数量的变化；
图4为本发明具体实施方式随任务请求数量的变化；
图5为本发明具体实施方式频隙利用率随任务请求数量的变化；
图6为本发明具体实施方式可用频隙率随任务请求数量的变化；
图7为本发明具体实施方式阻塞率随任务请求数量的变化。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
一种基于异质多芯光纤的底层弹性光物理网络及其抽象出来的网络拓扑图如图1所示，包括：
21个顶点和23条边；其中，各个顶点所具有的计算容量如图1中各顶点旁括号内顶点编号后面的数值指定；
应该说明的是，图1示出的拓扑只是为了说明本实施例，故而根据当前实用的真实拓扑FITI(未来互联网试验设施)修正并抽象出了图1，图1中所述的顶点和边的位置与连接并不代表真实网络拓扑中的位置与连接；
本实施例中图1所示网络拓扑的每条边的两条反向链路都包含4个同质芯和1个异质芯，且异质芯与同质芯的容量比为2；每根芯具有的频隙数量为320。
本实施例中，每个虚拟光网络具有的顶点个数v在2～4之间随机指定；每个顶点请求的整数计算容量在1～5之间随机指定；
每个虚拟光网络具有的链路数量在v-1与v(v-1)/2之间随机指定；每条链路请求的整数频隙数量则在3～5之间随机指定，即每条链路请求的频隙数量仅有3、4和5三种可能。这三种可能的请求频隙数量也使虚拟光网络分成了三类：定义请求频隙数量为3的虚拟光网络其业务类别为1，定义请求频隙数量为4的虚拟光网络其业务类别为2，定义请求频隙数量为5的虚拟光网络其业务类别为3。当执行串扰规避虚拟光网络映射算法时，只有业务类别为2的虚拟光网络任务请求才能指派给异质芯，且进行频隙分配时，业务类别为2的虚拟光网络任务请求仅需分配4/2＝2个频隙即可。
为了在本实施例中说明本发明的优势，另采用其它三种在多芯光纤弹性光网络上进行虚拟光网络映射的算法与启发式算法进行对比，这三种算法分别是：在全为同质芯的多芯光纤上进行虚拟光网络映射，但不考虑串扰规避，称为对比算法1；在全为同质芯的多芯光纤上进行虚拟光网络映射，但考虑串扰规避，称为对比算法2；以及在本实施例所述的异质多芯光纤上进行虚拟光网络映射，但不考虑串扰规避，称为对比算法3。
当采用对比算法1和对比算法2时，为保证多芯光纤的容量一致，全为同质芯的多芯光纤共包含6根同质芯，其余条件与本文发明所述算法完全一致。对比算法1和对比算法3不需要定义芯优先级；同时除了异质芯的业务指派外，对比算法1和对比算法3的也不需要进行执行芯分类算法，而对比算法2和本发明所述算法没有明显区别，只是物理网络所用的多芯光纤不同。
另外，还需要定义一些指标以从各个方面说明本发明的优势，这些指标包括：
Ms：所有芯上分配的最大频隙序号，本发明算法目标值；
碎片率：每根芯的碎片定义为Ms之前所有未被分配的频隙和，于是碎片率就定义为所有芯上的碎片数量和与Ms乘以纤芯数量的比值；
串扰率：尽管串扰的计算有严格的定义和公式，但本实施例中为简单记将串扰数量定义为相邻芯上分配同一类业务时受到影响的频隙数量，于是串扰率就定义为所有受到影响的频隙数量与Ms乘以纤芯数量的比值；
频隙利用率：所有芯上被占用的频隙数量和与Ms乘以纤芯数量的比值；
可用频隙率：每根纤芯分配的最大频隙序号后面剩余的空闲频隙与Ms乘以纤芯数量的比值；
阻塞率：阻塞的虚拟光网络任务请求数量占所有输入的虚拟光网络任务请求比值。
当输入的任务请求数量从900变化到1500时，各个指标下四种算法的具体结果如图2～图7所示。
图2示出了四种算法在碎片率指标上的具体表现。可以看到，无论考虑串扰规避与否，异质多芯光纤上的碎片率(对比算法3和本发明算法)均低于全为同质芯的多芯光纤(对比算法1和对比算法2)；而当规避串扰时，碎片率总会降低(对比算法2和本发明算法)，无论是否使用了异质多芯光纤。综上可知，本发明所述的算法可以明显降低碎片率，且与对比算法1相比，碎片率平均降低了约35％。
图3示出了四种算法在串扰率指标上的具体表现。可以看到，当引入串扰规避后(对比算法2和本发明算法)，可以直接消除因串扰而受到影响的频隙数量。而在未引入串扰规避时(对比算法1和对比算法3)，异质多芯光纤也可以比全为同质芯的多芯光纤平均降低约13％的串扰率，再次说明了使用异质多芯光纤可以降低串扰。
图4示出了四种算法在Ms指标上的具体表现。可以看到，无论采用何种多芯光纤，引入了串扰规避的算法(对比算法2和本发明算法)的Ms值在趋势上始终大于未引入串扰规避的算法(对比算法1和对比算法3)。这预示着串扰规避其实成为了增大Ms值的代价，也预示着引入串扰规避的对比算法2和本发明算法可能具有较低的频隙利用率，如图5所示。
图5示出了四种算法在频隙利用率指标上的具体表现。可以看到，由于引入了串扰规避，与对比算法1相比，本发明算法将牺牲平均约14％的频隙利用率。但对比算法2和对比算法3却表现出了相似的趋势，且其牺牲的频隙利用率都比本发明算法小。与图3所述结果放在一起考虑，说明异质多芯光纤可在不引入任何应对串扰问题的复杂方法时降低一定程度的串扰，同时还能减少为了应对串扰而牺牲的频隙利用率，这说明单纯的使用异质多芯光纤在网络要求不高时也不失为一种选择。
图6示出了四种算法在可用频隙率指标上的具体表现。可以看到，尽管图4和图5都说明引入串扰规避可能会牺牲一定的频隙利用率，但这不意味着使用对比算法2和本发明算法就不能在底层物理网络中映射更多的业务。对比算法2和本发明算法表现出的可用频隙率均高于未引入串扰规避的算法(对比算法1和对比算法3)，且本发明算法与对比算法1相比可用频隙率平均提高了约72％，这说明本发明算法具有容纳更多新业务的延展能力。
图7示出了四种算法在阻塞率指标上的具体表现。可以看到，本发明算法的表现虽然最差，但这可能是为了降低图2所示的碎片率和图3所示的串扰率而引入的代价。
综上述可知，虽然在一些性能指标上本发明算法略有下降，但在碎片率、串扰率和可用频隙率三个指标上本发明算法与其余对比算法相比取得了较大的提高，这说明了本发明算法的优势，也为多芯光纤弹性光网络上的虚拟光网络映射方法提供了选择依据。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.异质多芯光纤弹性光网络中串扰规避虚拟光网络映射方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：建立基于异质多芯光纤的底层弹性光物理网络及其抽象出来的网络拓扑图；
S2：在网络拓扑图上进行串扰规避虚拟光网络映射的启发式算法；
所述S1中：
物理网络包含以下物理器件：若干个光交叉连接器和用于连接这些光交叉连接器以形成网络的一系列异质多芯光纤；
拓扑图包含以下元素：将光交叉连接器抽象为拓扑图顶点；每个拓扑图顶点具有一定的计算容量；将异质多芯光纤抽象为拓扑图的边，每条拓扑图的边由两条指向相反的链路组成，一条链路传输由该拓扑图的边连接着的两个拓扑图顶点的其中一个拓扑图顶点传向另一个的拓扑图顶点的数据，另一条链路则反之；
链路包括环形均匀分布的若干个纤芯，其中一个纤芯相比于其它纤芯具有更大的直径，该纤芯称为异质芯；而其余纤芯的直径相同，均小于异质芯，纤芯称为同质芯；
同质芯具有一定数量的频隙，且每条链路的每个同质芯包含的频隙个数都相同；
异质芯具有和同质芯一样数量的频隙，且每条链路的每个异质芯包含的频隙个数都相同；异质芯的通信容量大于同质芯，且定义二者通信容量的比为容量比，取整数；
所述S2中，虚拟光网络包括：
虚拟光网络顶点，每个虚拟光网络顶点请求占用拓扑图顶点一定的计算容量；
虚拟光网络的边，每条虚拟光网络的边仅包含一条单向链路，该虚拟光网络的边请求占用一定数量的频隙，且同一个虚拟光网络中每条边请求占用的频隙数量相同，另外，请求频隙数量相同的业务定义为同一类任务；
所述串扰规避为：当虚拟光网络中的同一类任务请求指派到相邻同质芯时，分配的频隙位置不能重叠；当虚拟光网络中的同一类任务请求指派到异质芯时，与之相邻的同质芯上指派的任务请求与指派到异质芯上的任务请求之间也属于串扰规避；
所述S2中，启发式算法的目标为最小化输入的虚拟光网络在底层弹性光物理网络拓扑中映射后分配的最大频隙序号；
当虚拟光网络请求的频隙数量为容量比的倍数时，该任务请求应指派给异质芯传输且在异质芯中占用的频隙数量按容量比缩小；
算法的具体过程包括以下步骤：
S01：输入算法所需参数，包括：物理网络拓扑、虚拟网络业务请求集合、异质芯和同质芯集合以及业务请求类型列表；
S02：执行芯优先级定义算法；
S03：执行芯分类算法；
S04：将S01中输入的虚拟网络业务请求集合中的每个虚拟网络按先顶点数量，后边的数量降序的顺序重新排列S01输入集合中的虚拟网络；
S05：依次检查S04中排序后的虚拟网络业务请求集合中的每一个业务请求；
S06：执行节点嵌入算法；
S07：根据S06的节点嵌入结果，执行链路映射算法；
S08：根据S02、S03和S07的芯优先级定义结果、芯分类结果和链路映射结果执行芯指派算法；
S09：根据S07和S08的链路映射结果和芯指派结果执行频隙分配算法；
S10：重复S05～S09，直到所有的业务请求都被检查后，输出算法结果；
所述S02中，芯优先级定义算法包括以下步骤：
S0201：输入S01中异质芯和同质芯集合，集合中所有的芯从1开始统一编号；
S0202：初始化两个大小与S0201中芯集合所含元素个数相同的整数数组Core_Priority和Core_Cost，其中，Core_Priority按定义的芯优先级顺序存储芯编号，越靠近数组起始位置存储的芯编号对应的芯优先级越高，该数组初始时不存储任何芯编号，全部置零；Core_Cost按芯编号顺序依次存储每根芯的评分值，该数组初始时评分值全部置零；
S0203：从编号为1的芯开始检查每个芯；
S0204：如果当前检查的芯为异质芯，则定义其优先级为最高级，并将异质芯的编号存储在Core_Priority的起始位置，然后执行S0205～S0206；
S0205：将与S0204中异质芯相邻的芯的评分值减1，即Core_Cost中对应异质芯编号的前后两个位置数值减1，芯按环形分布，若异质芯的编号处于Core_Cost的起始位置，则其前为Core_Cost的终止位置；若异质芯的编号处于Core_Cost的终止位置，则其后为Core_Cost的起始位置；
S0206：将异质芯的评分值置无穷大；
S0207：如果当前检查的芯不是异质芯，则寻找评分值为0的芯，如果能够找到，执行S0208～S0210，否则执行S0211；
S0208：定义找到的评分值为0的芯中编号最小的芯为下一优先级，并将其编号存储在Core_Priority的下一位置；
S0209：将与S0208中确定优先级的芯相邻的芯的评分值加1，类似于S0205，将Core_Cost中对应当前确定优先级编号的芯的前后两个位置数值加1；
S0210：将S0208中确定优先级的芯的评分值置无穷大；
S0211：寻找评分值最小的芯，定义为下一优先级，并将其编号存储在Core_Priority的下一位置，然后执行S0212～S0213；
S0212：将与S0211中确定优先级的芯相邻的芯的评分值加1，类似于S0209；
S0213：将S0211中确定优先级的芯的评分值置无穷大；
S0214：重复S0203～S0213，直到检查完所有的芯，输出的Core_Priority为芯优先级定义结果；
所述S03中，芯分类算法包括以下步骤：
S0301：输入S01中异质芯和同质芯集合，芯编号方式与S0201相同；输入芯优先级定义结果Core_Priority；输入S01中的任务请求类型列表；
S0302：初始化一个大小与Core_Priority相同的整数数组Core_Classification，Core_Classification按芯编号顺序存储每个芯应指派的业务类型，该数组初始时不存储任何业务类型，全部置零；另初始化一个指示值index作为业务类型列表的索引，该值初始时置零；
S0303：从编号为1的芯开始检查每个芯；
S0304：将当前index索引的业务类型赋给过程变量Current_Service_Type，如果index超过了业务类型列表的大小，则将index按业务类型列表大小取模；
S0305：按Core_Priority定义的芯编号顺序依次判断某条芯的邻芯是否指派了Current_Service_Type，如果已指派，执行S0306，否则执行S0307；
S0306：index自加1，并重复执行S0304～S0305；
S0307：将Current_Service_Type赋给Core_Classification数组中当前检查的芯的编号对应的位置作为该芯应指派的业务类型；
S0308：重复S0303～S0307，直到检查完所有的芯，输出的Core_Classification为S03中的芯分类结果；
所述S06中，节点嵌入算法包括以下步骤：
S0601：输入S01中的物理网络拓扑，每个物理网络拓扑的顶点从1开始统一编号；输入S04中的排序后虚拟光网络任务请求集合中的一个任务请求，该任务请求的顶点从1开始编号；
S0602：初始化一个大小与S0601中输入的虚拟光网络顶点个数相同的整数数组Vertex_Embedding_Result，Vertex_Embedding_Result按虚拟光网络顶点编号的顺序存储应嵌入的S0601中输入的物理网络拓扑顶点编号，该数组初始时置零；
S0603：按S0601中输入的虚拟光网络各顶点请求的计算容量降序排序虚拟光网络的各个顶点，排序后的顶点集合记为vsorted；
S0604：按S0601中输入的物理网络各顶点剩余的计算容量降序排序物理网络的各个顶点，排序后的顶点集合记为Vsorted；
S0605：检查S0603中vsorted集合中的每一个顶点；
S0606：如果S0604中Vsorted集合中对应的顶点剩余计算容量不小于当前检查节点的请求容量，则执行S0607；否则执行S0608；
S0607：将当前Vsorted集合中对应的顶点编号存储至Vertex_Embedding_Result中指示当前检查节点的对应位置，并更新Vsorted集合中对应顶点的剩余计算容量；
S0608：阻塞S0601中输入的这个任务请求，且清空当前的Vertex_Embedding_Result；
S0609：重复S0605～S0608，直到检查完所有顶点，输出的Vertex_Embedding_Result为S06中的节点嵌入结果；若Vertex_Embedding_Result为空，表示S0601中输入的任务请求被阻塞；
所述S07中，链路映射算法包括以下步骤：
S0701：输入S01中的物理网络拓扑，每条物理网络拓扑的边从1开始统一编号；输入S04中的排序后虚拟光网络任务请求集合中的一个任务请求，该任务请求的边从1开始编号；输入节点嵌入结果Vertex_Embedding_Result；
S0702：初始化一个大小与S0701中输入的任务请求边条数相同的二维整数数组Edge_Embedding_Result，Edge_Embedding_Result按任务请求边编号的顺序存储应映射的物理网络边的顺次顶点编号，该数组初始时置空；
S0703：检查任务请求的每一条边；
S0704：使用Dijkstra算法计算以检查的边的源点嵌入到的物理网络顶点为源点，以检查的边的宿点嵌入到的物理网络顶点为宿点，且以物理网络各边已被占用的频隙数量为权值的最短路径，如果该最短路径存在，执行S0705，否则执行S0706；
S0705：将以顶点顺序表示的最短路径存储到Edge_Embedding_Result中；
S0706：阻塞S0701中输入的这个任务请求，且清空当前的Edge_Embedding_Result和Vertex_Embedding_Result；
S0707：重复S0703～S0706，直到检查完所有的边，输出的Edge_Embedding_Result为S07中的链路映射结果；若Edge_Embedding_Result为空，表示S0701中输入的任务请求被阻塞；
所述S08中，芯指派算法包括以下步骤：
S0801：输入S01中的物理网络拓扑，物理网络的顶点和边的编号规则与S0601和S0701一致，每条边包含链路中每根芯所包含的频隙从1开始编号，每个频隙初始时具有频隙值0；输入S04中的排序后虚拟光网络任务请求集合中的一个任务请求，该虚拟光网络的顶点和边的编号规则与S0601和S0701一致；输入该任务请求的节点嵌入结果Vertex_Embedding_Result；输入该任务请求的链路映射结果Edge_Embedding_Result；输入S01中的异质芯和同质芯集合，芯编号规则与S0201相同；输入芯优先级定义结果Core_Priority；输入芯分类结果Core_Classification；
S0802：初始化一个大小与S0801中异质芯和同质芯集合元素数量相同的整数数组Start_Frequency，Start_Frequency按芯编号顺序存储S0801中输入的任务请求开始进行频隙分配的频隙起始编号，初始时置零；再初始化一个大小为2倍S0801中异质芯和同质芯集合元素数量的二维整数数组Core_Assignment_Record，每个芯编号对应的Core_Assignment_Record元素存储映射到的物理网络边的一个链路方向上应指派的芯编号顺序，每个芯编号加1对应的Core_Assignment_Record元素则存储另一个链路方向上应指派的芯编号顺序，该数组初始时置空；
S0803：按S0801中Core_Priority定义的芯优先级顺序依次检查每条芯；
S0804：如果按S0801中Core_Classification的芯分类结果，S0803中检查的芯可以指派S0801输入的这类任务请求，则执行S0805～S0819，否则重复执行S0803～S0804；
S0805：初始化一个数组Core_Assignment_tmp暂时存储每条映射到的物理网络链路上应指派的芯编号，初始时该数组置空；
S0806：按频隙编号的顺序依次检查每个频隙；
S0807：如果Core_Assignment_tmp不为空，则执行S0808，否则继续执行S0809；
S0808：将S0801中输入的物理网络拓扑每条链路的频隙当前值为-1的频隙值置零，同时清空Core_Assignment_tmp；
S0809：找到S0801中任务请求的编号为1的边映射到的第一条物理网络链路；
S0810：如果从S0806检查的频隙开始，S0809中的第一条物理网络链路上具有连续个空闲的任务请求频隙数，频隙值为0表示空闲，则将这些空闲频隙值置-1，并将S0803中当前检查的芯编号存储至Core_Assignment_tmp末尾，然后执行S0812～S0819；否则重复执行S0806～S0810，直到所有的频隙都被检查完，然后执行S0811；
S0811：待所有S0806中的频隙都被检查完后仍找不到S0810中的连续空闲频隙，则执行S0819；
S0812：依次检查除S0809第一条物理网络链路外，其余映射到的物理网络链路；
S0813：按S0801中Core_Priority定义的芯优先级顺序依次检查每条芯；
S0814：如果按S0801中Core_Classification的芯分类结果，S0813中检查的芯能够指派S0801输入的这类任务请求，则执行S0815～S0819，否则重复执行S0813～S0814；
S0815：判断S0813中检查的芯上从S0806中检查的频隙开始是否存在S0810中的连续空闲频隙，存在的话将那些空闲频隙值置-1，并将S0813中检查的芯编号存储至Core_Assignment_tmp末尾，然后执行S0817；否则重复执行S0813～S0814，直到所有的芯都被检查完，然后执行S0816；
S0816：待所有S0813中的芯都被检查完后仍找不到S0815中的连续空闲频隙，则执行S0819；
S0817：全部执行完S0812～S0816时，将中间结果Core_Assignment_tmp存储至Core_Assignment_Record对应S0803中检查芯的编号位置，作为芯指派的结果；并将S0810中确定的频隙作为每条指派芯中请求的频隙开始分配的位置存储至Start_Frequency对应S0803中检查芯的编号位置；
S0818：将S0801中输入的物理网络拓扑每条链路的频隙当前值为-1的频隙值置零，同时清空Core_Assignment_tmp；
S0819：重复执行S0803～S0818，直到检查完所有的芯；
S0820：如果Core_Assignment_Record的结果为空，则阻塞S0801中输入的任务请求，同时清空Edge_Embedding_Result和Vertex_Embedding_Result；否则执行S0821；
S0821：寻找Start_Frequency中最小的频隙分配序号作为S0801中输入的任务请求频隙分配起始位置Start_Frequency_Index，并将Start_Frequency_Index对应的芯编号对应的Core_Assignment_Record存储结果作为S08中的芯指派结果Core_Assignment_Result；
所述S09中，频隙分配算法包括以下步骤：
S0901：输入S01中的物理网络拓扑，物理网络的顶点、边和边上每条链路的频隙编号规则与S0801一致；输入S04中的排序后虚拟光网络任务请求集合中的一个任务请求，该虚拟光网络的顶点和边的编号规则与S0801一致；输入该任务请求的链路映射结果Edge_Embedding_Result；输入芯指派结果Core_Assignment_Result和频隙分配起始位置Strat_Frequency_Index；
S0902：初始化一个大小与S0901中输入的物理网络链路条数相同的三维整数数组Frequency_Allocating_Result，Frequency_Allocating_Result按物理网络链路的顺序存储每根芯上的频隙分配的业务类型，未分配的频隙值置零，初始时所有频隙值置零；另初始化一个整数Msr作为S0901中输入任务请求的目标值，初始时该值置零；
S0903：检查每条映射到的物理网络链路；
S0904：根据S0901中的Core_Assignment_Result和Start_Frequency_Index按S0901中输入的任务请求的频隙数量为每条物理网络链路占用分配的频隙，即将Frequency_Allocating_Result对应分配的频隙位置存储任务请求频隙数量的业务类型；
S0905：寻找Frequency_Allocating_Result中所有芯中最大的空闲频隙编号，频隙值为0表示空闲，并将其赋给Msr；
S0906：重复执行S0903～S0905，直到检查完所有映射的物理网络链路，得到的Msr为S09执行后输出的S0901中输入的业务的目标值。
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| CN114697775A (zh) | 2022-07-01 |
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