IP over WDM光網絡中的業務疏導機制研究

【摘要】 針對當前IP overWDM光網絡中業務量疏導技術研究的問題，提出了一種新的支持多優先級服務質量的業務疏導機制。該機制結合了搶占和流量分割技術，能夠基于業務流QOS的需求選擇恰當的疏導路徑。仿真結果表明，該機制能有效降低具有時延約束的高優先級連接請求阻塞率。

【關鍵詞】 業務疏導 流量分割 搶占

一、引言

目前，關于IP over WDM光網絡中的疏導問題，已有一定的文獻做了相關研究。文獻[1]研究了一種用于WDM的光服務質量模型，通過分析一組與光路質量和可靠性相關的光參數，討論了如何利用這種模型為區分業務提供QOS保證。文獻[2]研究了一種區分業務服務質量的搶占機制，用來在業務中斷情況下快速恢復高優先級業務。然而當網絡高負載下，高優先級業務請求的帶寬較多時，由于在單條路徑上難以實現搶占，仍容易受到阻塞。

針對以上問題，本文設計出了一種基于多優先級的業務疏導機制。該機制能夠基于業務流QOS的需求選擇恰當的疏導路徑，同時結合搶占和流量分割技術，在保證業務請求的時延約束條件下，有效降低高優先級連接請求阻塞率。

二、具有時延約束的多優先級業務疏導機制

2.1 基于QOS多優先級的分級策略

通常，業務在每段鏈路上的時延由節點的處理時延、排隊時延、報文的發送時間以及傳播時延構成。采用加權公平隊列調度算法，并通過漏統整形，路徑的傳播時延表示如下：

D（s，d）=+++πii （1）

其中，b為業務流的突發長度，σ為預留帶寬，n為業務經過的路徑跳數，Lmax為業務流的最大分組長度，Ci為第i跳鏈路的帶寬，πi為第i跳的傳輸時延。

路徑的時延抖動為：

J（s，d）=+ （2）

根據對QoS 的要求[6]，可將業務劃分為3個優先級：Class0，Class1 和Class2，優先級別逐漸降低。Class0 業務需要同時滿足端到端的傳輸時延和時延抖動的約束，如聚合視頻流業務。Class1 業務則需要滿足端到端的時延約束，如聚合語音流業務。對于Class2 業務，網絡在能夠滿足其帶寬需求的前提下盡力傳輸。

對于不同QOS要求的業務，疏導側重點不同。對于Class0業務和Class1業務，采用選擇已有直達光路→選擇現有由多條光路構成的多跳路徑→新建一條直達光路→通過結合使用已有光路和新建光路的疏導策略，以盡可能地滿足其連接要求，同時由于時延約束的要求，其在傳輸路徑上經過的跳數還需要加以限制。對于Class2業務，由于并沒有QOS保證要求，對疏導路徑的選擇也不做嚴格限制，故其疏導策略為選擇已有直達光路→選擇現有多個光路形成的多跳路徑。如果Class0 和Class1業務通過上述策略依舊無法建立連接，則需要使用流量分割和多路搶占技術來保證新業務連接請求的成功建立。

2.2 流量分割和搶占技術

在對Class0 和Class1業務進行流量分割時，需要考慮時延約束的要求（對于Class0業務還需要考慮時延抖動的約束），所以對業務進行流量分割時，需要限制它們在傳輸路徑上經過的跳數不超過Hmax（可根據用戶的時延要求和網絡具體情況進行設定）。另外，由于流量分割技術會增加網絡的信令處理和管理負擔，在進行流量分割時，有必要限制流量分割的數目不超過門限α來減輕網絡的負擔，同時降低算法的復雜度。

本文假定α為2。對于從s到d，適用于傳輸子業務流量的一個路徑集合K，做出這樣的約束：對于K中任意兩條路徑Lm和Ln，它們對應的路徑跳數分別為hm、hn（假設hm≥hn）要滿足：hn≤hm≤Hmax。

當網絡處于高負載時，大帶寬要求的高優先級業務請求經過流量分割后，也可能受到阻塞。為了保證高優先級業務的接入，有必要引入搶占機制。在區分服務環境中，搶占機制常常被用于保證為高優先級的用戶提供可靠的服務。當網絡沒有足夠的資源時，可以中斷低優先級用戶的業務流，搶占它們的資源，從而保證高優先級業務的優先接入。為了適應流量分割的要求，需要在傳統的單一路徑搶占機制的基礎上進行擴展，將可被搶占的目標集擴展到多條路徑上。本文選擇經典的Min_BW作為設計原型，把它改進為可以在多條路徑上實施搶占，從而提高大帶寬要求的高優先級業務搶占成功率。算法的優化目標按：（1）最小化被搶占的帶寬；（2）最小化被搶占的LSP優先級；（3）最小化被搶占的LSP數目來實現搶占。

2.3 機制描述

如表1所示，綜合上述思想，具有時延約束的多優先級業務疏導機制的主要步驟如下：

（1）對于Req（s，d，p，bw），如果p≠Class2，執行步驟（2），否則，通過現有光路進行疏導。如果疏導失敗，拒絕Req（s，d，p，bw）。（2）通過現有光路、新建光路進行疏導，如果疏導失敗，執行步驟（3）。（3）把Req（s，d，p，bw）價為兩個子業務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上進行疏導。如果成功，執行步驟（6），否則，執行步驟（4）。（4）如果Bl=0，跳到步驟（5），否則將Bl所對應的路徑作為Ln，bwm=bw-BI，嘗試使用現有光路、新建光路、應用搶占，為Req（s，d，p，bwm）尋找一條路徑Lm，如果成功，并且滿足{Lm，Ln}[∪] K，跳到步驟（6），否則轉去執行步驟（5）。（5）根據擴展后的Min_BW算法優化目標在K中的任意兩條路徑上實施搶占，選擇一對合適的路徑作為Lm和Ln，如果成功，執行步驟（6），否則拒絕Req（s，d，p，bw）。（6）接受Req（s，d，p，bw），把業務同時疏導到路徑Lm和Ln。

三、仿真分析

本文選用圖1所示的拓撲結構作為目標網絡，對所提新機制的性能在OPNET下進行仿真分析。網絡包含14個節點，各個節點的結構均為LSR/OXC雙層結構，OXC不具有波長變換能力，每個節點的光收發器數目為T。各個節點通過單光纖鏈路進行連接。

假設鏈路中有10個波長信道。每個傳輸方向各5個波長，單波長容量設為10個單位。業務請求的到達服從均值為λ的泊松分布，連接請求的源、宿節點對由網絡隨機產生，帶寬請求在1到6個單位間整數均勻分布，業務保持時間服從均值為1/u的負指數分布，Class0、Class1、Class2業務的連接請求之比為 1：2：3。一個業務通過流量分割最多被疏導到兩條路徑上。Class0的最大光路跳數為3，Class1的最大光路跳數為5。對于每個連接建立請求，無等待隊列。如果建立不成功，則拒絕該請求。

從圖2可以看出，新機制下，沒有時延限制的Class2業務只能通過現有光路建立連接，同時受到其他高優先級業務搶占的影響，阻塞概率持續上升。隨著網絡負載的逐漸增加，Class2阻塞的上升幅度加劇。

而具有時延約束的Class0和Class1業務，由于加入了流量分割和搶占技術，業務的阻塞概率相比Class2較低。而Class0處于業務類別的最高優先級，對資源的搶占具有絕對優勢，阻塞率最低。但隨著網絡負載的加大，鏈路逐漸趨于飽和，同時受到連接跳數的限制，大帶寬需求的業務也難找到合適的路徑進行傳輸，因此阻塞概率也會逐漸加大。如果允許一個業務流能夠被分割為更多的子業務流，高優先級的阻塞概率會進一步下降，但也同時意味著網絡更大的信令開銷。

從實驗中我們可以看到，通過對大帶寬請求的Class0和Class1業務實施流量分割和搶占技術，一定程度上緩解了網絡高負載下高優先級大帶寬業務請求的接入不公平性，降低了連接請求的阻塞率。但在網絡高負載下，大帶寬業務請求要獲得完全的接入公平性，還需要應用一些專門的準入機制來協調控制，這也是我們今后的研究重點。

四、結論

本文提出了一種支持多優先級服務質量的業務疏導機制，該機制能夠根據業務流QOS的需求選擇恰當的疏導路徑，有效降低具有時延約束的高優先級連接請求阻塞率，緩解在網絡負載較大的情況下，高優先級大帶寬業務請求的接入不公平性。但在業務流分割和搶占的同時，也帶來了更大的管理負擔和信令開銷。

參 考 文 獻

[1] Iukan A and Harmen R. Service-specifc resource allocation in WDM networks with quality constraints. IEEE JSAC， Special issues on optical networks[J].2000. 18（10）：2051-2061

[2] Golmie N， et al. A differentiated optical services model for WDM networks. IEEE Comm Mag[J]. 2000.38（2）： 68-73

[3] 張宇，李正斌，徐安士等.多粒度交換光網絡路由和波長分配算法研究[J]. 電子學報.2004. 12：93-97.

[4] 黃瓊，李玲霞，黃勝等.WDM光網絡的多優先級業務疏導機制[J]. 半導體光電.2007. 4：240-244