彈性光網絡中多播業務負載均衡的研究

張建芳 楊 陽 郝 娟

(河北建筑工程學院 信息工程學院，河北 張家口 075000)

1 引 言

隨著信息技術及互聯網的飛速發展，資源的利用成為必不可少的研究課題，盡管傳統的波分復用(WDM)網絡有很多優勢，但WDM網絡缺點也比較明顯.WDM網絡是固定柵格，對于各種速率的業務，波分復用網絡需要將整個波長分配給連接，即使有的業務連接請求并不需要如此大的帶寬，這就造成了頻譜利用率降低，此外，波分復用可擴展性很低，因此基于正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)的彈性光網絡應用而生.彈性光網絡可以提供更細的頻譜粒度并且在分配調制格式時采用距離自適應調制格式，不僅實現了頻譜的高效利用也可以在一定程度上節省頻譜資源.隨著光網絡向著靈活柵格方向發展，網絡資源的實體由波長向著頻譜轉變.使得資源管理與調控問題的復雜性提高，路由計算和頻譜資源的分配策略則變得復雜多樣.

與傳統的點到點通信方式相比，多播是一種有效利用現有帶寬的技術，如視頻會議，遠程教學等帶寬密集型業務.多播可以高效率的完成業務的傳送，并且可以節約大量的頻譜資源，但是隨著網絡業務需求的急速增加，出現越來越多的業務阻塞問題，或許只是工作路徑上某段鏈路頻譜資源不足就造成整個多播業務請求失敗.由此可見，頻譜資源的合理利用和負載均衡就變得尤為重要.

2 問題描述

彈性光網絡提供了更細的頻譜粒度和距離自適應調制格式，可以實現頻譜的有效分配.隨著光網絡向著靈活柵格方向發展，網絡資源的實體由波長向著頻譜轉變，使得資源管理與調控問題的復雜性提高，路由計算和頻譜資源的分配策略則變得復雜多樣.

與傳統的點到點通信方式相比，多播是一種有效利用現有帶寬的技術，如視頻會議，遠程教學等帶寬密集型業務.多播不僅可以高效率的傳輸業務，也可以節省頻譜資源，但是隨著網絡業務需求的急速增加，出現越來越多的業務阻塞問題，或許只是工作路徑上某段鏈路頻譜資源不足就造成整個多播業務請求失敗.由此可見，頻譜資源的合理利用和負載均衡就變得尤為重要.

(a)樹形網絡結構 (b)網狀網絡結構

在彈性光網絡中，現有的研究都是基于頻譜連續的業務傳輸方式，為了更好的利用頻譜資源，降低業務阻塞率，本節提出分子帶多播路由算法，該算法的核心思想是在頻譜領域將連續頻譜槽分成若干子帶在相干光OFDM光通道經過不同路由進行傳輸，最終在接收端將子帶整合成連續頻譜.

2.1 基于網狀網絡結構的分子帶多播路由算法

彈性光網絡中常見的網絡有樹形和網狀網結構如圖2.1，該算法適應于網狀網絡結構，因為需要源節點和接收點的節點度(節點度是指和該節點相關聯的邊的條數，又稱關聯度)至少為2，才能找到至少兩條鏈路不相交的路由來承載子帶的傳輸.

(a)網絡拓撲圖 (b)多播請求及當前頻譜狀態 (c)子帶傳輸

如圖2.2，網絡拓撲如圖2.2(a)，多播請求及當前頻譜資源占用狀態如圖2.2(b)，多播請求為r=(a,{g,i,f}).請求的源節點為a，目的節點為g,i,f，多播請求的帶寬為280Gb/s.選用Segment-based multicast tree algorithm為多播請求選路.

圖2.3 子帶分割方法

首先根據源-目的節點的最遠距離確定調制格式，最遠距離為a-e-g1100Km，自適應調制格式為8QAM，需要4個頻譜槽承載業務.由當前的多播工作路徑頻譜狀態可知，鏈路a-e上的頻譜資源不足4個頻譜槽，因此該多播業務將會阻塞，此時利用基于網狀網絡結構的分子帶多播路由算法將所需的帶寬分成若干個子帶在鏈路不相交的不同路由上進行信息傳輸，在目的節點處將所有子帶頻譜重組即可.每個子帶的連續頻譜槽個數有多種分割方法如圖2.3，要依據當前的頻譜使用狀態決定，為了降低算法復雜度，本文選用同種粒度的子帶.

本例將4個頻譜槽的帶寬分成兩個子帶，子帶1包含兩個頻譜槽，子帶2包含兩個頻譜槽.如圖2.2(c)，在多播工作路徑上占用頻譜槽6-7傳送子帶1.在與工作路鏈路不相交的a-b-g-i和a-c-f上傳送子帶2，最后在目的節點g、i、f將子帶1和子帶2的頻譜信息進行重組，基于網狀網絡結構的分子帶多播路由算法不僅降低了網絡阻塞率，也實現了網絡的負載均衡.

2.2 算法具體流程

基于網狀網絡結構的分子帶多播路由算法的核心思想是將請求的帶寬資源分為若干子帶在不同路由上傳輸，在目的節點將子帶資源重組.因此首先要解決的問題是為每一對節點對找到不同的路由.本文采用改進的迪杰斯特拉Dijkstra最短路徑算法，該算法實質是為每對節點對根據鏈路權重找到所有鏈路不相交的路徑，從而為子帶路由提供多種選擇，也可以平衡網絡負載.

定義鏈路權重w，鏈路距離為h(km)，[x]為不小于x的最小整數，則鏈路權重定義為式(1).

W=[h%10]

(1)

網絡節點定義為ni,i=1,2,3…兩個節點間的鏈路定義為lni,nj,i=1,2,3…，j=1,2,3,…i≠j兩節點間鏈路距離為h(lni,nj)，權重為w(ni,nj)=[h(lni,nj)%10].定義兩個節點集合P，Q.

改進的Dijkstra最短路徑算法如下：

步驟1 首先令集合P={n1}，集合Q={n2,n3,n4…}.

圖2.4 節點對遍歷方式

步驟2 圖2.4為節點對的遍歷方式.首先令i=1,j=2.

步驟3 將ni和nj作為節點對(i,j)，根據式(2.1)為所有鏈路計算鏈路權重，找到節點對(i,j)之間鏈路權重加和最小的路徑.

步驟4 將步驟3中找到的路徑從拓撲圖中刪除，更新拓撲圖，并將該路徑加入節點對(i,j)的路徑列表中.從更新的拓撲圖中繼續找出權重和最小的鏈路，從拓撲圖刪除，并將該路徑加入節點(i,j)的路徑列表中.重復以上步驟，直到節點對(i,j)間的全部鏈路不相交路徑全部添加到節點對(i,j)的路徑列表中.

步驟5 恢復初始拓撲，令j=j+1重復步驟3-5為節點對n1與n3，n1與nk的節點(1,3)…(1,k)更新路徑列表.

步驟6 如圖2.4將n1從集合P中刪除，n2從集合Q中移到集合P，即P={n2}，Q={n3,n4…}，然后令i=i+1，j=j+2重復步驟3-5直到所有節點對的全部路徑被找到.

對于基于網狀網絡結構的分子帶多播路由算法，核心思想是將請求的帶寬資源分為若干子帶在不同路由上傳輸，定義每個子帶的頻譜槽個數相同的子帶為SUB-F(x)，其中x為子帶的連續頻譜槽個數.若多播請求需求的頻譜槽個數為k，則需要k/x個子帶，需求的子帶個數為整數，所以對結果取不小于k/x的最小整數即[k/x].本節研究的內容是基于同種粒度的，即每個子帶的頻譜槽個數相同.當然子帶的粒度是可以不同的，如將5個頻譜槽分為子帶1包含3個頻譜槽，子帶2包含2個頻譜槽，這種子帶的分割方法將會增加算法復雜度，因此不同粒度的子帶分割將在未來研究.

基于網狀網絡結構的分子帶多播路由算法如下：

輸入：彈性光網絡的網絡拓撲G(V,E)，多播請求r=(sr,Dr,Cr).

輸出：彈性光網絡中多播業務請求的工作路徑以及它們的頻譜分配.

步驟1 檢測當前網絡頻譜資源使用狀態.

步驟2 利用Segment-based multicast tree algorithm為多播請求尋找工作路徑.

步驟3 檢測當前多播工作路徑的鏈路上是否有足夠頻譜資源滿足多播需求的帶寬.若剩余頻譜資源充足，則該多播請求選路成功.若工作路徑經過的某條鏈路頻譜資源不足，則跳到步驟4.

步驟4 確定工作路徑所經過的所有鏈路，找到鏈路剩余頻譜槽最少的數目，將該數目定義為j.則子帶為SUB-F(j)，本文采用同種粒度的子帶傳輸方式，若多播請求需求的頻譜槽個數為k，需要的子帶個數為[k/j].

步驟5 運行改進的Dijkstra算法，找到相關源目的節點對的鏈路不相交的路徑列表.該列表是按權重和從小到大排列的，從列表中依次選取[k/j]條路徑承載子帶業務.在目的節點將子帶業務重組即可完成多播請求.

3 結束語

論文針對彈性光網絡中的多播路由及負載均衡問題進行了研究.為了更好的提高頻譜利用率，降低網絡阻塞率，本文將重點放在路由選擇及頻譜資源的分配調度上，采用基于網狀網絡的分子帶多播路由算法解決頻譜資源有限時利用足夠光收發器解決多播業務請求阻塞以及頻譜的利用率問題，所提算法通過改變信號調制格式，靈活運用鏈路上的頻譜碎片，可以有效降低網絡的阻塞率，提高網絡的頻譜利用率.