彈性光網絡頻譜資源一致性及流量疏導策略研究

王偉+朱紅

摘 要：為了降低彈性光網絡的阻塞率，提高網絡的性能和效率，并對未來光網絡的規劃部署提供可靠數據，進行了在不同情況下針對彈性光網絡性能出現阻塞狀況時的數據模擬，包含光網絡節點在不同狀態下鏈接傳輸信息時所使用的彈性光網絡鏈接性能。結果表明曲線類型的網絡鏈接具有更好的平衡負載能力，同時也降低了彈性光網絡在使用過程中的阻塞率。

關鍵詞：彈性光網絡;頻譜一致性;鏈路權重;流量疏導

中圖分類號：TP316 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：2095-1302（2014）12-00-03

0 ?引 ?言

移動互聯網、物聯網等新興技術的發展帶來了數據量的幾何級增長和數據業務的多樣性與靈活性，這就要求光傳送網能適應寬帶化、多樣化、動態化的業務需求并具有高效的、靈活的按需分配帶寬的機制以及快速通道分配的能力，以提升整個網絡的運行性能。在傳統的波長交換光網絡（WSON）中，波長是最小的交換粒度，在建光路時無法根據帶寬的實際需求為業務靈活地分配可用帶寬資源，使得網絡資源無法得到有效的利用。近年來，提出了一種頻譜切片彈性光網絡（SLICE，本文簡稱彈性光網絡），光路帶寬可根據流量和用戶需求進行一定的擴展或收縮，提高了頻譜資源的利用效率[1-4]。

本文首先介紹了彈性光網絡的特點，隨后對彈性光網絡中的頻譜資源一致性約束及流量疏導策略進行了闡述，最后通過仿真對不同鏈路權重方案下以及不同網絡節點情況下網絡的阻塞率性能進行了分析對比，并根據仿真結果，我們對未來光網絡的規劃部署提出了建設性的意見。

1 ?彈性光網絡概述

與波長交換光網絡相比，彈性光網絡是將網絡頻譜資源細化分割為更小的粒度單元，一般被稱為頻隙。對于不同帶寬需求的網絡業務，彈性光網絡可根據業務需求分配一定數量的連續的頻隙資源[5]。

當100 GbE技術標準化后，人們過多關注的是光傳送網經濟的100 GbE接口，傳統的波長交換光網絡在資源不充足的時候仍要為每一條光路徑分配一個波長資源來承載客戶信號，但是也許一個波長碎片就能夠滿足消費者承載小粒度業務的需求，從而浪費了大量的帶寬資源。而彈性光網絡則可以把高速數據帶寬分割成多個低速數據通道，提供有效的子波長連接業務即為波長碎片業務提供一種新的機制 （如圖1所示），使網絡資源得到更有效的利用，同時可以允許成本有效的分級帶寬業務的預置[6]。

圖1 ?波分與彈性光網絡頻譜分配對比

隨著高速業務的發展，消費者需要200 Gb/s、300 Gb/s乃至更高的帶寬來傳輸業務，通常網絡運營商最先考慮的是核心網絡資源利用率的問題。彈性光網絡則可以實現層一鏈路匯聚，即將多個低速信號通道匯聚成高速超級通道，實現大容量數據傳輸[7-9]。

在彈性光網絡中，光路帶寬根據流量和用戶需求而擴展或收縮，它的特別之處在于頻譜資源的分割和聚合、多數據速率的高效分配和已分配資源的彈性變化，它緩解了當前波長交換光網絡尷尬的帶寬問題。由于彈性光網絡可以提供比光分組交換（OPS）更粗的交換粒度，可以作為目前還不成熟的OPS技術的折中選擇。

2 ?頻譜一致性約束與頻譜可變光節點

除了連續性、不重疊等約束條件，與傳統的波長交換光網絡類似，如果光通路經過的光節點不能進行頻譜轉換，彈性光網絡還需要滿足頻隙資源一致性約束，即在光通路經過的光鏈路上，應采用相同的頻隙資源，如果在該路徑上找不到連續一致的頻隙資源，就會造成當前業務阻塞。

對于具有頻譜轉換功能的光節點來說，光通路經過該節點時，則可以進行信號解調與再調制，進行頻譜轉換，如果光通路上所有的節點均具有頻譜轉換功能，則光通路在經過的各鏈路上就可以不必采用相同的頻隙資源，這樣，可以避免資源碎片，在一定程度上提高建路靈活性，降低業務阻塞率。當然，具有頻譜轉換功能的光節點實現起來較復雜，成本較高，而且也會對光路造成一定的延時。

本文將對全部節點不具有頻譜轉換功能的網絡、部分節點具有頻譜轉換功能的網絡以及全部具有頻譜轉換功能的網絡在不同的流量疏導策略下的業務阻塞率性能進行分析對比，從而得出一些直觀性的結論，供網絡的實際部署提供參考。

3 ?光網絡中的流量疏導策略

為了避免網絡流量集中到少數鏈路資源上而導致后續的網絡流量再經過該鏈路時由于資源不夠而造成阻塞，網絡應采用一定的流量疏導策略來避免此種情況的發生，通常是根據鏈路上的資源占用情況來設定每個鏈路的權重，權重值一般隨鏈路可用資源的減少而增加，這樣在選路時采用最小權重選路算法，會在一定程度上避開負載過重的鏈路，達到負載均衡的效果。

有關鏈路的權重與鏈路剩余資源的關系，我們總結了如下三種方案：

（1）曲線型權重方案：鏈路權重跟鏈路剩余資源成反比關系，該方案在鏈路資源較充足時，鏈路權重隨鏈路資源占用量增長的較慢，隨著鏈路資源被占用的越多，鏈路權重的增長速度逐漸提高。

（2）線性權重方案： 鏈路權重跟鏈路被占用的資源成線性關系。

（3）閾值型線性權重方案：鏈路被占用資源超過閾值之前保持恒定，在超過閾值之后與被占用資源成線性關系。該方案是考慮在鏈路資源較充足時，是否可以不增加鏈路的權重，而只有鏈路資源的占用達到一定程度時才增加，在仿真部分我們可以看到，該方案并不是一種理想的方案。

（a）曲線型權重方案 ? ? ? ? ? ?（b） 線性權重方案 ? ? ? ? ?（c）閾值型線性權重方案

圖2 ?權重方案對比示意圖

4 ?阻塞率性能仿真分析

我們編寫了C程序，對上文所述不同權重方案下、不同的網絡節點類型情況下，對網絡的阻塞率性能進行了仿真。仿真基于NSFNet網絡拓撲，如圖3所示。為了分析方便，我們假設每條鏈路上的可用頻隙資源個數為40，網絡業務請求為單向，網絡的業務類型共有4類，占用的頻隙個數分別為1、2、3、4，其中業務到達率服從泊松分布，業務持續時間和業務類型均服從均勻分布。

圖3 ?NSFNet網絡拓撲

我們首先對以下三種場景下，不同網絡負載時網絡業務的阻塞情況進行了仿真：

（1）全部節點不具有頻譜轉換功能（曲線型權重方案：Curve-No，線性權重方案Linear-No）;

（2）部分節點具有頻譜轉換功能：我們選取了3、5、7、8、13五個節點為具有頻譜轉換功能的節點（曲線型權重方案：Curve-5，線性權重方案Linear-5）;

（3）全部節點均具有頻譜轉換功能（曲線型權重方案：Curve-All，線性權重方案Linear-All）。

在以上三種場景下采用曲線型鏈路權重方案與線性權重方案的仿真結果分別如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，方案（3）的阻塞率比方案（1）明顯要低，但是方案（2）依然獲得了較低的阻塞率，雖然它只選擇了5個節點可進行頻譜轉換，但是其阻塞率性能卻與方案（3）接近。因此，在網絡的實際部署中，可以根據需要選擇性的部署具有頻譜轉換功能的網絡節點，而不必要全部部署，從而降低成本，減少網絡延時。

圖4 ?曲線型權重方案阻塞率 ? ? ? ? 圖5 ?線性權重方案阻塞率

此外，我們對上文所述三種鏈路權重方案下的網絡阻塞情況進行了仿真，對于閾值型線性權重方案，分別選取了10、18、25（Threshold10-No，Threshold18-No，Threshold25-No）三個閾值，如圖6所示。從圖中可以看出，對于不同的網絡負載，曲線型鏈路權重方案的阻塞率性能都要優于線性鏈路權重方案和閾值型鏈路權重方案，而閾值型線性權重方案的阻塞率性能要低于線性鏈路權重方案，而且閾值越高，性能越差。通過仿真對比，我們推薦曲線型鏈路權重方案。

圖6 ?不同鏈路權重方案阻塞率

5 ?結 ?語

本文對彈性光網絡中的頻隙資源一致性約束及負載均衡策略進行了仿真分析，仿真結果表明，曲線型鏈路權重方案具有較好的負載均衡能力，網絡業務阻塞率較低。而對于網絡節點類型的選擇，當網絡中的若干關鍵節點具有頻譜轉換功能即可得到較好的阻塞率性能，因此可以根據需要選擇性的部署，這樣一方面可以保證網絡較低的阻塞率，同時可以降低網絡部署成本，降低網絡業務的傳輸延時。

參考文獻

[1] Kozicki B.， Takara H.， Watanabe A.， et al. Distance-Adaptive Spectrum Resource Allocation in Spectrum-Sliced Elastic Optical Path Network[J]. OECC， 2010（7）：98-99.

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[3] Zhang Ping， Li Juhao， Guo Bingli， et al.Comparison of Node Architectures for Elastic Optical Networks with Waveband Conversion[J].China Communications， 2013（8）：77-87.

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[9] Gaoxi Xiao， Chlamtac I. Analysis of blocking probability for distributed lightpath establishment in WDM optical networks[J]. Transactions on Networking， 2005， 13（1）：187-197.

圖2 ?權重方案對比示意圖

4 ?阻塞率性能仿真分析

我們編寫了C程序，對上文所述不同權重方案下、不同的網絡節點類型情況下，對網絡的阻塞率性能進行了仿真。仿真基于NSFNet網絡拓撲，如圖3所示。為了分析方便，我們假設每條鏈路上的可用頻隙資源個數為40，網絡業務請求為單向，網絡的業務類型共有4類，占用的頻隙個數分別為1、2、3、4，其中業務到達率服從泊松分布，業務持續時間和業務類型均服從均勻分布。

圖3 ?NSFNet網絡拓撲

我們首先對以下三種場景下，不同網絡負載時網絡業務的阻塞情況進行了仿真：

（1）全部節點不具有頻譜轉換功能（曲線型權重方案：Curve-No，線性權重方案Linear-No）;

（2）部分節點具有頻譜轉換功能：我們選取了3、5、7、8、13五個節點為具有頻譜轉換功能的節點（曲線型權重方案：Curve-5，線性權重方案Linear-5）;

（3）全部節點均具有頻譜轉換功能（曲線型權重方案：Curve-All，線性權重方案Linear-All）。

在以上三種場景下采用曲線型鏈路權重方案與線性權重方案的仿真結果分別如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，方案（3）的阻塞率比方案（1）明顯要低，但是方案（2）依然獲得了較低的阻塞率，雖然它只選擇了5個節點可進行頻譜轉換，但是其阻塞率性能卻與方案（3）接近。因此，在網絡的實際部署中，可以根據需要選擇性的部署具有頻譜轉換功能的網絡節點，而不必要全部部署，從而降低成本，減少網絡延時。

圖4 ?曲線型權重方案阻塞率 ? ? ? ? 圖5 ?線性權重方案阻塞率

此外，我們對上文所述三種鏈路權重方案下的網絡阻塞情況進行了仿真，對于閾值型線性權重方案，分別選取了10、18、25（Threshold10-No，Threshold18-No，Threshold25-No）三個閾值，如圖6所示。從圖中可以看出，對于不同的網絡負載，曲線型鏈路權重方案的阻塞率性能都要優于線性鏈路權重方案和閾值型鏈路權重方案，而閾值型線性權重方案的阻塞率性能要低于線性鏈路權重方案，而且閾值越高，性能越差。通過仿真對比，我們推薦曲線型鏈路權重方案。

圖6 ?不同鏈路權重方案阻塞率

5 ?結 ?語

本文對彈性光網絡中的頻隙資源一致性約束及負載均衡策略進行了仿真分析，仿真結果表明，曲線型鏈路權重方案具有較好的負載均衡能力，網絡業務阻塞率較低。而對于網絡節點類型的選擇，當網絡中的若干關鍵節點具有頻譜轉換功能即可得到較好的阻塞率性能，因此可以根據需要選擇性的部署，這樣一方面可以保證網絡較低的阻塞率，同時可以降低網絡部署成本，降低網絡業務的傳輸延時。

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圖2 ?權重方案對比示意圖

4 ?阻塞率性能仿真分析

我們編寫了C程序，對上文所述不同權重方案下、不同的網絡節點類型情況下，對網絡的阻塞率性能進行了仿真。仿真基于NSFNet網絡拓撲，如圖3所示。為了分析方便，我們假設每條鏈路上的可用頻隙資源個數為40，網絡業務請求為單向，網絡的業務類型共有4類，占用的頻隙個數分別為1、2、3、4，其中業務到達率服從泊松分布，業務持續時間和業務類型均服從均勻分布。

圖3 ?NSFNet網絡拓撲

我們首先對以下三種場景下，不同網絡負載時網絡業務的阻塞情況進行了仿真：

（1）全部節點不具有頻譜轉換功能（曲線型權重方案：Curve-No，線性權重方案Linear-No）;

（2）部分節點具有頻譜轉換功能：我們選取了3、5、7、8、13五個節點為具有頻譜轉換功能的節點（曲線型權重方案：Curve-5，線性權重方案Linear-5）;

（3）全部節點均具有頻譜轉換功能（曲線型權重方案：Curve-All，線性權重方案Linear-All）。

在以上三種場景下采用曲線型鏈路權重方案與線性權重方案的仿真結果分別如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，方案（3）的阻塞率比方案（1）明顯要低，但是方案（2）依然獲得了較低的阻塞率，雖然它只選擇了5個節點可進行頻譜轉換，但是其阻塞率性能卻與方案（3）接近。因此，在網絡的實際部署中，可以根據需要選擇性的部署具有頻譜轉換功能的網絡節點，而不必要全部部署，從而降低成本，減少網絡延時。

圖4 ?曲線型權重方案阻塞率 ? ? ? ? 圖5 ?線性權重方案阻塞率

此外，我們對上文所述三種鏈路權重方案下的網絡阻塞情況進行了仿真，對于閾值型線性權重方案，分別選取了10、18、25（Threshold10-No，Threshold18-No，Threshold25-No）三個閾值，如圖6所示。從圖中可以看出，對于不同的網絡負載，曲線型鏈路權重方案的阻塞率性能都要優于線性鏈路權重方案和閾值型鏈路權重方案，而閾值型線性權重方案的阻塞率性能要低于線性鏈路權重方案，而且閾值越高，性能越差。通過仿真對比，我們推薦曲線型鏈路權重方案。

圖6 ?不同鏈路權重方案阻塞率

5 ?結 ?語

本文對彈性光網絡中的頻隙資源一致性約束及負載均衡策略進行了仿真分析，仿真結果表明，曲線型鏈路權重方案具有較好的負載均衡能力，網絡業務阻塞率較低。而對于網絡節點類型的選擇，當網絡中的若干關鍵節點具有頻譜轉換功能即可得到較好的阻塞率性能，因此可以根據需要選擇性的部署，這樣一方面可以保證網絡較低的阻塞率，同時可以降低網絡部署成本，降低網絡業務的傳輸延時。

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