基于路徑分割的彈性光網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化模型設(shè)計

李陽洋，劉逢清

（南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，南京 210023）

基于路徑分割的彈性光網(wǎng)絡(luò)成本優(yōu)化模型設(shè)計

李陽洋，劉逢清

（南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，南京 210023）

針對承載IP業(yè)務(wù)的彈性光網(wǎng)絡(luò)，建立了成本優(yōu)化模型，提出了兩種路徑分割方案：自適應(yīng)路徑分割和啟發(fā)式路徑分割，并研究了采用這兩種方案來承載業(yè)務(wù)時的彈性光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。自適應(yīng)路徑分割窮舉所有中間節(jié)點來選擇路徑分割點，而啟發(fā)式路徑分割設(shè)定合適的分割距離來進行路徑分割。通過仿真并與無路徑分割情況對比分析發(fā)現(xiàn)，對于中高速業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點處的業(yè)務(wù)需求增多，路徑分割方案通過合理配置具有疏導(dǎo)功能的IP路由器，可以對業(yè)務(wù)進行有效疏導(dǎo)，從而降低網(wǎng)絡(luò)的總支出成本。

彈性光網(wǎng)絡(luò)；資本支出；路徑分割；最優(yōu)化設(shè)計

0 引 言

EON（彈性光網(wǎng)絡(luò)）是一種支持頻譜靈活應(yīng)用的新型光網(wǎng)絡(luò)，通過引入頻率間隙將光譜劃分成多個25、12.5甚至6.25 GHz的細小間隙［1］，根據(jù)業(yè)務(wù)需求，通過有效地組織頻率間隙，可以有效提高光纖帶寬資源的利用率［2-3］。研究EON成本模型的目標是降低網(wǎng)絡(luò)的CAPEX（資本支出）。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對于光網(wǎng)絡(luò)成本模型的建立主要針對WDM（波分復(fù)用）網(wǎng)絡(luò)，文獻［4］提出了一種啟發(fā)式輔助矩陣來分析網(wǎng)絡(luò)成本，該方案把節(jié)點分為IP層與光路層，每層劃分兩個輔助點，以此建立節(jié)點矩陣，并通過各節(jié)點矩陣之間的聯(lián)系來計算網(wǎng)絡(luò)成本。針對EON，文獻［5］提出采用相對BVWSS（可變帶寬波長選擇開關(guān)）成本來分析不同頻率柵格對網(wǎng)絡(luò)成本的影響。

在EON中，通過路徑分割減小光路距離后可以采用高級調(diào)制方式來提高頻譜效率、減少承載業(yè)務(wù)的頻率間隙個數(shù)，并且降低光網(wǎng)絡(luò)中需要使用的光方向數(shù)和光器件。基于這一思路，本文提出一種基于自適應(yīng)路徑分割的EON成本模型，考慮源節(jié)點與目標節(jié)點間配置IP路由進行路徑分割，最優(yōu)化考慮分割節(jié)點，并與無路徑分割情況下的光網(wǎng)絡(luò)成本進行比較。通過分析兩種方案，提出基于啟發(fā)式路徑分割算法。同時對3種方案進行仿真，得出不同網(wǎng)絡(luò)流量下3種方案的總成本對比曲線。

1 節(jié)點結(jié)構(gòu)與價格模型

IP/MPLS-over-EON（承載IP路由的EON）點對點模型如圖1所示。它由IP路由器（圖中的IP/MPLS）、BV-T（可變帶寬收發(fā)器）、BV-WSS、Splitter（光分路器）、OA（光放大器）和光纖等組成。連續(xù)頻譜信號經(jīng)光纖進入光分路器，根據(jù)業(yè)務(wù)需求通過BV-WSS進行調(diào)節(jié)傳輸。光分路器的個數(shù)由業(yè)務(wù)量的路由決定，并可以根據(jù)實際情況進行增加或減少。當(dāng)考慮采用路由對路徑進行分割時，調(diào)制方式的改變及設(shè)備成本的增加對EON成本模型有著不可忽視的影響。

圖1 IP/MPLS-over-EON點對點模型

基于圖1設(shè)備建立EON成本模型可知，總的網(wǎng)絡(luò)成本由節(jié)點成本Cnode和光纖成本Cfiber組成。由于光分路器的成本與BV-WSS相差了兩個數(shù)量級，因此這里沒有考慮光分路器的成本。節(jié)點成本包括BV-T成本Cbv-t、BV-WSS成本Cbv-wss和IP路由成本CIP。光纖成本包括光纖損耗成本Cfl和OA成本Coa。不同設(shè)備的成本計算公式如下:

式（1）中，ctd，l表示發(fā)送速率為d、傳輸距離為l的BV-T成本；αv，d，l表示節(jié)點v需要配置的發(fā)送速率和傳輸距離分別為d和l的BV-T個數(shù)。式（2）中，costbv-wss表示BV-WSS的成本；tn表示該節(jié)點的支路個數(shù)。式（3）中，ctr表示路由r的成本；βv，r表示節(jié)點v需要用到路由r的個數(shù)。式（4）中，φd表示發(fā)送速率為d時占用頻隙的個數(shù)；lenl（單位:km）表示路徑長度；costfl表示每頻隙每km光纖的成本。式（5）中，AL（單位:km）表示OA間的平均間距；costoa表示OA的成本。因此可得:

EON的總成本為

2 方案原理

對于一個業(yè)務(wù)需求，如何分配網(wǎng)絡(luò)資源、提高頻譜利用率、降低網(wǎng)絡(luò)成本，是目前研究EON模型的重點。設(shè)計基于路徑分割的EON成本模型時，一方面，由于節(jié)點間傳輸路徑被分割，可以采用更高級的調(diào)制方式進行數(shù)據(jù)傳輸，減少帶寬需求，另一方面，路徑的分割又會增加路由設(shè)備與光收發(fā)設(shè)備的成本。顯然，不同的網(wǎng)絡(luò)模型對于總成本有著不同的影響。

本文將對3種方案進行對比，如圖2所示。

圖2 3種方案示意圖

方案1:無分割路徑直傳方案（見圖2（a））。該方案對EON成本進行計算時，不對業(yè)務(wù)流量進行中轉(zhuǎn)操作，而是直接傳輸。在無分割路徑算法中，首先對網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點間的業(yè)務(wù)流量進行初始化，記錄各節(jié)點的支路個數(shù)；找到業(yè)務(wù)流量最大的節(jié)點對，計算其最短路徑和所經(jīng)節(jié)點，同時判斷其調(diào)制方式與占用頻隙大小，并與路徑所剩余頻隙進行比較更新，若超過剩余頻隙，則重新選擇路徑。計算完該節(jié)點對所需的成本后，刪除該節(jié)點對業(yè)務(wù)流量。重復(fù)計算剩余節(jié)點對，直至所有節(jié)點對間業(yè)務(wù)流量都為0。最終得出網(wǎng)絡(luò)的總成本大小。

方案2:基于自適應(yīng)路徑分割方案（見圖2（b））。該方案對EON成本進行計算時，首先通過路由器對業(yè)務(wù)流量進行中轉(zhuǎn)操作，然后再通過判斷最優(yōu)設(shè)置路由器節(jié)點得到最低光網(wǎng)絡(luò)成本。

基于自適應(yīng)路徑分割的最優(yōu)化算法流程圖如圖3所示。首先與無分割路徑算法一樣對網(wǎng)絡(luò)進行初始化操作；在計算網(wǎng)絡(luò)成本時，首先判斷節(jié)點之間業(yè)務(wù)傳輸是否經(jīng)過其他節(jié)點，若經(jīng)過其他節(jié)點，則根據(jù)實際情況對路由進行配置或升級。期間采用自適應(yīng)算法，即窮舉途經(jīng)的各節(jié)點配置路由，得到最低成本節(jié)點，并以此節(jié)點為路由節(jié)點。若不經(jīng)過其他節(jié)點，則按方案1的計算方法進行成本計算。通過計算所有節(jié)點對的成本，最終得到網(wǎng)絡(luò)的總成本。

圖3 基于自適應(yīng)路徑分割的最優(yōu)化算法流程圖

方案3:啟發(fā)式路徑分割方案（見圖2（c））。采用方案2進行計算時我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)路徑較短但又經(jīng)過其他節(jié)點時，對此路徑進行分割路由會造成很大程度的成本浪費。通過仿真發(fā)現(xiàn)，在NSFNet（美國國家科學(xué)基金會網(wǎng)絡(luò)）中，當(dāng)節(jié)點對之間路徑長度超過2 000 km后再進行路徑分割，綜合成本相對最優(yōu)；在4×4網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點對之間路徑長度超過1 500 km后再進行路徑分割，綜合成本相對最優(yōu)。由此提出基于啟發(fā)式路徑分割算法:當(dāng)路徑長度超過啟發(fā)值時，采用方案2進行計算；當(dāng)路徑長度小于啟發(fā)值時，采用方案1進行計算。基于啟發(fā)式路徑分割算法不用窮舉路徑經(jīng)過的所有節(jié)點，可以大幅降低計算復(fù)雜度，并能有效降低路由配置成本。

3 仿真結(jié)果

利用基于Win 10平臺的Visual Studio 2013-C++軟件對3種方案進行仿真。采用14節(jié)點、21條鏈路的NSFNet（見圖4（a），節(jié)點間距單位為km）和16節(jié)點、24條鏈路的4×4網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)（見圖4（b），相鄰節(jié)點間距為500 km）兩種負載拓撲結(jié)構(gòu)。利用D算法計算節(jié)點間最短路徑。設(shè)定業(yè)務(wù)流量按10、40、100、400 Gbit/s和1 Tbit/s大小進行初始化，靈活柵格頻隙為12.5 GHz，每條鏈路可以承載360個頻隙。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

表1和表2分別給出了網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的性能與相對成本（單位:cu.）。

表1 路由器的性能和成本

表2 其他設(shè)備的性能和成本

圖5所示為方案3中不同分割距離下網(wǎng)絡(luò)平均流量與總成本對比曲線。我們考慮了4種分割距離對網(wǎng)絡(luò)總成本的影響。從圖5（a）可以看出，對于NSFNet，當(dāng)節(jié)點間距離leni＞2 000 km后再進行分割，綜合成本相對最優(yōu)，此時相應(yīng)啟發(fā)值為2 000 km。從圖5（b）可以看出，對于4×4網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)leni＞1 500 km后再進行分割，綜合成本相對最優(yōu)，此時相應(yīng)啟發(fā)值為1 500 km。

圖5 不同分割距離下網(wǎng)絡(luò)平均流量與總成本對比曲線

圖6 所示為3種方案下不同網(wǎng)絡(luò)平均流量與網(wǎng)絡(luò)總成本的對比曲線。從圖6（a）可以看出，當(dāng)平均業(yè)務(wù)流量低于26 Gbit/s時，NSFNet采用方案1（即無分割路徑方案）時網(wǎng)絡(luò)搭建的總成本最優(yōu)，方案3（即基于啟發(fā)式路徑分割方案）次之，方案2（即基于自適應(yīng)路徑分割方案）最高。但隨著業(yè)務(wù)流量的增長，方案2與方案3的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)平均業(yè)務(wù)流量超過36 Gbit/s時，3種方案成本曲線趨于穩(wěn)定，此時NSFNet采用方案2時所需要的網(wǎng)絡(luò)成本最低，方案3次之，方案1最高。從圖6（b）可以看出，與NSFNet一樣，對于4×4網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)平均業(yè)務(wù)流量低于24 Gbit/s時，采用方案1成本最低，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)平均業(yè)務(wù)流量高于34 Gbit/s時，網(wǎng)絡(luò)成本曲線趨于穩(wěn)定，此時采用方案2成本最低。

圖6 3種方案下不同網(wǎng)絡(luò)平均流量與網(wǎng)絡(luò)總成本的對比曲線

總體來說，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量需求較低時，由于各鏈路頻隙富足并且需要中轉(zhuǎn)的業(yè)務(wù)量少，業(yè)務(wù)疏導(dǎo)優(yōu)勢體現(xiàn)不出來，對業(yè)務(wù)進行中轉(zhuǎn)所降低的花費不足以抵消新增加的IP路由及BV-T的費用，此時可以采用無路徑分割方案來降低網(wǎng)絡(luò)資本支出。隨著網(wǎng)絡(luò)流量需求的增加，需要中轉(zhuǎn)的業(yè)務(wù)量增多，業(yè)務(wù)疏導(dǎo)優(yōu)勢得以顯現(xiàn)，采用路徑分割方案可以對業(yè)務(wù)進行有效疏導(dǎo)，降低網(wǎng)絡(luò)資本支出。

4 結(jié)束語

本文研究了EON中基于路徑分割的最優(yōu)化成本模型，提出了基于自適應(yīng)路徑分割方案和基于啟發(fā)式路徑分割方案，并與無分割路徑方案進行了優(yōu)劣對比。結(jié)果表明，在低速業(yè)務(wù)需求下，由于需要中轉(zhuǎn)的業(yè)務(wù)量少，業(yè)務(wù)疏導(dǎo)的優(yōu)勢不明顯，因此采用無路徑分割方案對資本支出控制占優(yōu)。而對于中高速業(yè)務(wù)需求網(wǎng)絡(luò)，由于各節(jié)點業(yè)務(wù)需求增多，通過路徑分割方案來合理配置網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以有效地對業(yè)務(wù)進行疏導(dǎo)，降低網(wǎng)絡(luò)資本支出。

［1］ITU-T G.694.1-2002，Spectral grids for WDM applications:DWDM frequency grid［S］.

［2］Zhang Guoying，Marc De，Mukherjee B.A Survey on OFDM-Based Elastic Core Optical Networking［J］.IEEE Communications Surveys&Tutorials，2013，15（1）:65-87.

［3］Gerstel O.Elastic Optical Networking:A New Dawn for the Optical Layer？［J］.IEEE Commun Mag，2012，50（2）:12-20.

［4］Suman Kr Dey*，Aneek Adhya.Design of Cap Ex-Efficient IP-over-WDM Network using Auxiliary Matrix based Heuristic［C］//Advanced Networks and Telecommunications Systems 2014.New Delhi:ANTS，2014.

［5］Pedrola O，Velasco L，Castro A.CAPEX study for grid dependent multi-layer IP/MPLS-over-EON using relative BV-WSS costs［C］//OFC/NFOEC 2012.Los Angeles，CA:OSA，2012.

The Capital Expenditures Model Design of Elastic Optical Networks Based-on Path Segmentation

LI Yang-yang，LIU Feng-qing
（School of Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Posts&Telecommunications，Nanjing 210023，China）

In this paper，we propose an optimal cost model for IP/MPLS-over-EON.Based on the model，two path segmentation routing schemes are presented:the adaptive and the heuristic.The construction cost of the IP/MPLS-over-EON based on these two schemes are investigated.The adaptive scheme enumerates every intermediate node of a path one by one to choose the path-segment point，in which an IP router will be placed and the path will have the minimum cost.The heuristic scheme implements path segmentation by setting a specific distance.When the distance is reached，a router will be placed for path segmentation.Numerical results demonstrate that when compared with the scheme of no path segmentation，the routing scheme of path segmentation can lower the total network cost effectively for medium and high load traffic profiles.It is because that for medium and high load traffic profiles，more traffic need to and can be groomed in intermediate nodes with IP routers being placed in intermediate nodes.

Elastic Optical Networks（EON）；CAPEX；path segmentation；optimal design

TN915

A

1005-8788（2016）05-0001-04

10.13756/j.gtxyj.2016.05.001

2016-04-22

區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室開放基金資助項目（2015GZKF03006）；江蘇省光通信工程技術(shù)研究中心資助項目（ZSF0201）

李陽洋（1992-），男，江蘇南京人。碩士研究生，主要研究方向為彈性光網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)化成本模型。

劉逢清，副教授。E-mail:liufq@njupt.edu.cn