IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)疏導(dǎo)機(jī)制研究

【摘要】 針對(duì)當(dāng)前IP overWDM光網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)技術(shù)研究的問(wèn)題，提出了一種新的支持多優(yōu)先級(jí)服務(wù)質(zhì)量的業(yè)務(wù)疏導(dǎo)機(jī)制。該機(jī)制結(jié)合了搶占和流量分割技術(shù)，能夠基于業(yè)務(wù)流QOS的需求選擇恰當(dāng)?shù)氖鑼?dǎo)路徑。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制能有效降低具有時(shí)延約束的高優(yōu)先級(jí)連接請(qǐng)求阻塞率。

【關(guān)鍵詞】 業(yè)務(wù)疏導(dǎo) 流量分割 搶占

一、引言

目前，關(guān)于IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中的疏導(dǎo)問(wèn)題，已有一定的文獻(xiàn)做了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]研究了一種用于WDM的光服務(wù)質(zhì)量模型，通過(guò)分析一組與光路質(zhì)量和可靠性相關(guān)的光參數(shù)，討論了如何利用這種模型為區(qū)分業(yè)務(wù)提供QOS保證。文獻(xiàn)[2]研究了一種區(qū)分業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的搶占機(jī)制，用來(lái)在業(yè)務(wù)中斷情況下快速恢復(fù)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)。然而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載下，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的帶寬較多時(shí)，由于在單條路徑上難以實(shí)現(xiàn)搶占，仍容易受到阻塞。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)出了一種基于多優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)疏導(dǎo)機(jī)制。該機(jī)制能夠基于業(yè)務(wù)流QOS的需求選擇恰當(dāng)?shù)氖鑼?dǎo)路徑，同時(shí)結(jié)合搶占和流量分割技術(shù)，在保證業(yè)務(wù)請(qǐng)求的時(shí)延約束條件下，有效降低高優(yōu)先級(jí)連接請(qǐng)求阻塞率。

二、具有時(shí)延約束的多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)疏導(dǎo)機(jī)制

2.1 基于QOS多優(yōu)先級(jí)的分級(jí)策略

通常，業(yè)務(wù)在每段鏈路上的時(shí)延由節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延、排隊(duì)時(shí)延、報(bào)文的發(fā)送時(shí)間以及傳播時(shí)延構(gòu)成。采用加權(quán)公平隊(duì)列調(diào)度算法，并通過(guò)漏統(tǒng)整形，路徑的傳播時(shí)延表示如下：

D（s，d）=+++πii （1）

其中，b為業(yè)務(wù)流的突發(fā)長(zhǎng)度，σ為預(yù)留帶寬，n為業(yè)務(wù)經(jīng)過(guò)的路徑跳數(shù)，Lmax為業(yè)務(wù)流的最大分組長(zhǎng)度，Ci為第i跳鏈路的帶寬，πi為第i跳的傳輸時(shí)延。

路徑的時(shí)延抖動(dòng)為：

J（s，d）=+ （2）

根據(jù)對(duì)QoS 的要求[6]，可將業(yè)務(wù)劃分為3個(gè)優(yōu)先級(jí)：Class0，Class1 和Class2，優(yōu)先級(jí)別逐漸降低。Class0 業(yè)務(wù)需要同時(shí)滿(mǎn)足端到端的傳輸時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)的約束，如聚合視頻流業(yè)務(wù)。Class1 業(yè)務(wù)則需要滿(mǎn)足端到端的時(shí)延約束，如聚合語(yǔ)音流業(yè)務(wù)。對(duì)于Class2 業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)在能夠滿(mǎn)足其帶寬需求的前提下盡力傳輸。

對(duì)于不同QOS要求的業(yè)務(wù)，疏導(dǎo)側(cè)重點(diǎn)不同。對(duì)于Class0業(yè)務(wù)和Class1業(yè)務(wù)，采用選擇已有直達(dá)光路→選擇現(xiàn)有由多條光路構(gòu)成的多跳路徑→新建一條直達(dá)光路→通過(guò)結(jié)合使用已有光路和新建光路的疏導(dǎo)策略，以盡可能地滿(mǎn)足其連接要求，同時(shí)由于時(shí)延約束的要求，其在傳輸路徑上經(jīng)過(guò)的跳數(shù)還需要加以限制。對(duì)于Class2業(yè)務(wù)，由于并沒(méi)有QOS保證要求，對(duì)疏導(dǎo)路徑的選擇也不做嚴(yán)格限制，故其疏導(dǎo)策略為選擇已有直達(dá)光路→選擇現(xiàn)有多個(gè)光路形成的多跳路徑。如果Class0 和Class1業(yè)務(wù)通過(guò)上述策略依舊無(wú)法建立連接，則需要使用流量分割和多路搶占技術(shù)來(lái)保證新業(yè)務(wù)連接請(qǐng)求的成功建立。

2.2 流量分割和搶占技術(shù)

在對(duì)Class0 和Class1業(yè)務(wù)進(jìn)行流量分割時(shí)，需要考慮時(shí)延約束的要求（對(duì)于Class0業(yè)務(wù)還需要考慮時(shí)延抖動(dòng)的約束），所以對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行流量分割時(shí)，需要限制它們?cè)趥鬏斅窂缴辖?jīng)過(guò)的跳數(shù)不超過(guò)Hmax（可根據(jù)用戶(hù)的時(shí)延要求和網(wǎng)絡(luò)具體情況進(jìn)行設(shè)定）。另外，由于流量分割技術(shù)會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的信令處理和管理負(fù)擔(dān)，在進(jìn)行流量分割時(shí)，有必要限制流量分割的數(shù)目不超過(guò)門(mén)限α來(lái)減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)降低算法的復(fù)雜度。

本文假定α為2。對(duì)于從s到d，適用于傳輸子業(yè)務(wù)流量的一個(gè)路徑集合K，做出這樣的約束：對(duì)于K中任意兩條路徑Lm和Ln，它們對(duì)應(yīng)的路徑跳數(shù)分別為hm、hn（假設(shè)hm≥hn）要滿(mǎn)足：hn≤hm≤Hmax。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于高負(fù)載時(shí)，大帶寬要求的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)請(qǐng)求經(jīng)過(guò)流量分割后，也可能受到阻塞。為了保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的接入，有必要引入搶占機(jī)制。在區(qū)分服務(wù)環(huán)境中，搶占機(jī)制常常被用于保證為高優(yōu)先級(jí)的用戶(hù)提供可靠的服務(wù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有足夠的資源時(shí)，可以中斷低優(yōu)先級(jí)用戶(hù)的業(yè)務(wù)流，搶占它們的資源，從而保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先接入。為了適應(yīng)流量分割的要求，需要在傳統(tǒng)的單一路徑搶占機(jī)制的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，將可被搶占的目標(biāo)集擴(kuò)展到多條路徑上。本文選擇經(jīng)典的Min_BW作為設(shè)計(jì)原型，把它改進(jìn)為可以在多條路徑上實(shí)施搶占，從而提高大帶寬要求的高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)搶占成功率。算法的優(yōu)化目標(biāo)按：（1）最小化被搶占的帶寬；（2）最小化被搶占的LSP優(yōu)先級(jí)；（3）最小化被搶占的LSP數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)搶占。

2.3 機(jī)制描述

如表1所示，綜合上述思想，具有時(shí)延約束的多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)疏導(dǎo)機(jī)制的主要步驟如下：

（1）對(duì)于Req（s，d，p，bw），如果p≠Class2，執(zhí)行步驟（2），否則，通過(guò)現(xiàn)有光路進(jìn)行疏導(dǎo)。如果疏導(dǎo)失敗，拒絕Req（s，d，p，bw）。（2）通過(guò)現(xiàn)有光路、新建光路進(jìn)行疏導(dǎo)，如果疏導(dǎo)失敗，執(zhí)行步驟（3）。（3）把Req（s，d，p，bw）價(jià)為兩個(gè)子業(yè)務(wù)Req（s，d，p，bwm）和Req（s，d，p，bwn），其中bw=bwm+bwn。嘗試在K中任意兩條路徑Lm和Ln上進(jìn)行疏導(dǎo)。如果成功，執(zhí)行步驟（6），否則，執(zhí)行步驟（4）。（4）如果Bl=0，跳到步驟（5），否則將Bl所對(duì)應(yīng)的路徑作為L(zhǎng)n，bwm=bw-BI，嘗試使用現(xiàn)有光路、新建光路、應(yīng)用搶占，為Req（s，d，p，bwm）尋找一條路徑Lm，如果成功，并且滿(mǎn)足{Lm，Ln}[∪] K，跳到步驟（6），否則轉(zhuǎn)去執(zhí)行步驟（5）。（5）根據(jù)擴(kuò)展后的Min_BW算法優(yōu)化目標(biāo)在K中的任意兩條路徑上實(shí)施搶占，選擇一對(duì)合適的路徑作為L(zhǎng)m和Ln，如果成功，執(zhí)行步驟（6），否則拒絕Req（s，d，p，bw）。（6）接受Req（s，d，p，bw），把業(yè)務(wù)同時(shí)疏導(dǎo)到路徑Lm和Ln。

三、仿真分析

本文選用圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所提新機(jī)制的性能在OPNET下進(jìn)行仿真分析。網(wǎng)絡(luò)包含14個(gè)節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)均為L(zhǎng)SR/OXC雙層結(jié)構(gòu)，OXC不具有波長(zhǎng)變換能力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的光收發(fā)器數(shù)目為T(mén)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)單光纖鏈路進(jìn)行連接。

假設(shè)鏈路中有10個(gè)波長(zhǎng)信道。每個(gè)傳輸方向各5個(gè)波長(zhǎng)，單波長(zhǎng)容量設(shè)為10個(gè)單位。業(yè)務(wù)請(qǐng)求的到達(dá)服從均值為λ的泊松分布，連接請(qǐng)求的源、宿節(jié)點(diǎn)對(duì)由網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)產(chǎn)生，帶寬請(qǐng)求在1到6個(gè)單位間整數(shù)均勻分布，業(yè)務(wù)保持時(shí)間服從均值為1/u的負(fù)指數(shù)分布，Class0、Class1、Class2業(yè)務(wù)的連接請(qǐng)求之比為 1：2：3。一個(gè)業(yè)務(wù)通過(guò)流量分割最多被疏導(dǎo)到兩條路徑上。Class0的最大光路跳數(shù)為3，Class1的最大光路跳數(shù)為5。對(duì)于每個(gè)連接建立請(qǐng)求，無(wú)等待隊(duì)列。如果建立不成功，則拒絕該請(qǐng)求。

從圖2可以看出，新機(jī)制下，沒(méi)有時(shí)延限制的Class2業(yè)務(wù)只能通過(guò)現(xiàn)有光路建立連接，同時(shí)受到其他高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)搶占的影響，阻塞概率持續(xù)上升。隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的逐漸增加，Class2阻塞的上升幅度加劇。

而具有時(shí)延約束的Class0和Class1業(yè)務(wù)，由于加入了流量分割和搶占技術(shù)，業(yè)務(wù)的阻塞概率相比Class2較低。而Class0處于業(yè)務(wù)類(lèi)別的最高優(yōu)先級(jí)，對(duì)資源的搶占具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，阻塞率最低。但隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的加大，鏈路逐漸趨于飽和，同時(shí)受到連接跳數(shù)的限制，大帶寬需求的業(yè)務(wù)也難找到合適的路徑進(jìn)行傳輸，因此阻塞概率也會(huì)逐漸加大。如果允許一個(gè)業(yè)務(wù)流能夠被分割為更多的子業(yè)務(wù)流，高優(yōu)先級(jí)的阻塞概率會(huì)進(jìn)一步下降，但也同時(shí)意味著網(wǎng)絡(luò)更大的信令開(kāi)銷(xiāo)。

從實(shí)驗(yàn)中我們可以看到，通過(guò)對(duì)大帶寬請(qǐng)求的Class0和Class1業(yè)務(wù)實(shí)施流量分割和搶占技術(shù)，一定程度上緩解了網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載下高優(yōu)先級(jí)大帶寬業(yè)務(wù)請(qǐng)求的接入不公平性，降低了連接請(qǐng)求的阻塞率。但在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載下，大帶寬業(yè)務(wù)請(qǐng)求要獲得完全的接入公平性，還需要應(yīng)用一些專(zhuān)門(mén)的準(zhǔn)入機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)控制，這也是我們今后的研究重點(diǎn)。

四、結(jié)論

本文提出了一種支持多優(yōu)先級(jí)服務(wù)質(zhì)量的業(yè)務(wù)疏導(dǎo)機(jī)制，該機(jī)制能夠根據(jù)業(yè)務(wù)流QOS的需求選擇恰當(dāng)?shù)氖鑼?dǎo)路徑，有效降低具有時(shí)延約束的高優(yōu)先級(jí)連接請(qǐng)求阻塞率，緩解在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大的情況下，高優(yōu)先級(jí)大帶寬業(yè)務(wù)請(qǐng)求的接入不公平性。但在業(yè)務(wù)流分割和搶占的同時(shí)，也帶來(lái)了更大的管理負(fù)擔(dān)和信令開(kāi)銷(xiāo)。

參 考 文 獻(xiàn)

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