弹性光网络频谱资源一致性及流量疏导策略研究

王伟+朱红

摘 要：为了降低弹性光网络的阻塞率，提高网络的性能和效率，并对未来光网络的规划部署提供可靠数据，进行了在不同情况下针对弹性光网络性能出现阻塞状况时的数据模拟，包含光网络节点在不同状态下链接传输信息时所使用的弹性光网络链接性能。结果表明曲线类型的网络链接具有更好的平衡负载能力，同时也降低了弹性光网络在使用过程中的阻塞率。

关键词：弹性光网络;频谱一致性;链路权重;流量疏导

中图分类号：TP316     文献标识码：A           文章编号：2095-1302（2014）12-00-03

0  引  言

移动互联网、物联网等新兴技术的发展带来了数据量的几何级增长和数据业务的多样性与灵活性，这就要求光传送网能适应宽带化、多样化、动态化的业务需求并具有高效的、灵活的按需分配带宽的机制以及快速通道分配的能力，以提升整个网络的运行性能。在传统的波长交换光网络（WSON）中，波长是最小的交换粒度，在建光路时无法根据带宽的实际需求为业务灵活地分配可用带宽资源，使得网络资源无法得到有效的利用。近年来，提出了一种频谱切片弹性光网络（SLICE，本文简称弹性光网络），光路带宽可根据流量和用户需求进行一定的扩展或收缩，提高了频谱资源的利用效率[1-4]。

本文首先介绍了弹性光网络的特点，随后对弹性光网络中的频谱资源一致性约束及流量疏导策略进行了阐述，最后通过仿真对不同链路权重方案下以及不同网络节点情况下网络的阻塞率性能进行了分析对比，并根据仿真结果，我们对未来光网络的规划部署提出了建设性的意见。

1  弹性光网络概述

与波长交换光网络相比，弹性光网络是将网络频谱资源细化分割为更小的粒度单元，一般被称为频隙。对于不同带宽需求的网络业务，弹性光网络可根据业务需求分配一定数量的连续的频隙资源[5]。

当100 GbE技术标准化后，人们过多关注的是光传送网经济的100 GbE接口，传统的波长交换光网络在资源不充足的时候仍要为每一条光路径分配一个波长资源来承载客户信号，但是也许一个波长碎片就能够满足消费者承载小粒度业务的需求，从而浪费了大量的带宽资源。而弹性光网络则可以把高速数据带宽分割成多个低速数据通道，提供有效的子波长连接业务即为波长碎片业务提供一种新的机制 （如图1所示），使网络资源得到更有效的利用，同时可以允许成本有效的分级带宽业务的预置[6]。

图1  波分与弹性光网络频谱分配对比

随着高速业务的发展，消费者需要200 Gb/s、300 Gb/s乃至更高的带宽来传输业务，通常网络运营商最先考虑的是核心网络资源利用率的问题。弹性光网络则可以实现层一链路汇聚，即将多个低速信号通道汇聚成高速超级通道，实现大容量数据传输[7-9]。

在弹性光网络中，光路带宽根据流量和用户需求而扩展或收缩，它的特别之处在于频谱资源的分割和聚合、多数据速率的高效分配和已分配资源的弹性变化，它缓解了当前波长交换光网络尴尬的带宽问题。由于弹性光网络可以提供比光分组交换（OPS）更粗的交换粒度，可以作为目前还不成熟的OPS技术的折中选择。

2  频谱一致性约束与频谱可变光节点

除了连续性、不重叠等约束条件，与传统的波长交换光网络类似，如果光通路经过的光节点不能进行频谱转换，弹性光网络还需要满足频隙资源一致性约束，即在光通路经过的光链路上，应采用相同的频隙资源，如果在该路径上找不到连续一致的频隙资源，就会造成当前业务阻塞。

对于具有频谱转换功能的光节点来说，光通路经过该节点时，则可以进行信号解调与再调制，进行频谱转换，如果光通路上所有的节点均具有频谱转换功能，则光通路在经过的各链路上就可以不必采用相同的频隙资源，这样，可以避免资源碎片，在一定程度上提高建路灵活性，降低业务阻塞率。当然，具有频谱转换功能的光节点实现起来较复杂，成本较高，而且也会对光路造成一定的延时。

本文将对全部节点不具有频谱转换功能的网络、部分节点具有频谱转换功能的网络以及全部具有频谱转换功能的网络在不同的流量疏导策略下的业务阻塞率性能进行分析对比，从而得出一些直观性的结论，供网络的实际部署提供参考。

3  光网络中的流量疏导策略

为了避免网络流量集中到少数链路资源上而导致后续的网络流量再经过该链路时由于资源不够而造成阻塞，网络应采用一定的流量疏导策略来避免此种情况的发生，通常是根据链路上的资源占用情况来设定每个链路的权重，权重值一般随链路可用资源的减少而增加，这样在选路时采用最小权重选路算法，会在一定程度上避开负载过重的链路，达到负载均衡的效果。

有关链路的权重与链路剩余资源的关系，我们总结了如下三种方案：

（1）曲线型权重方案：链路权重跟链路剩余资源成反比关系，该方案在链路资源较充足时，链路权重随链路资源占用量增长的较慢，随着链路资源被占用的越多，链路权重的增长速度逐渐提高。

（2）线性权重方案： 链路权重跟链路被占用的资源成线性关系。

（3）阈值型线性权重方案：链路被占用资源超过阈值之前保持恒定，在超过阈值之后与被占用资源成线性关系。该方案是考虑在链路资源较充足时，是否可以不增加链路的权重，而只有链路资源的占用达到一定程度时才增加，在仿真部分我们可以看到，该方案并不是一种理想的方案。

（a）曲线型权重方案            （b） 线性权重方案          （c）阈值型线性权重方案

图2  权重方案对比示意图

4  阻塞率性能仿真分析

我们编写了C程序，对上文所述不同权重方案下、不同的网络节点类型情况下，对网络的阻塞率性能进行了仿真。仿真基于NSFNet网络拓扑，如图3所示。为了分析方便，我们假设每条链路上的可用频隙资源个数为40，网络业务请求为单向，网络的业务类型共有4类，占用的频隙个数分别为1、2、3、4，其中业务到达率服从泊松分布，业务持续时间和业务类型均服从均匀分布。

图3  NSFNet网络拓扑

我们首先对以下三种场景下，不同网络负载时网络业务的阻塞情况进行了仿真：

（1）全部节点不具有频谱转换功能（曲线型权重方案：Curve-No，线性权重方案Linear-No）;

（2）部分节点具有频谱转换功能：我们选取了3、5、7、8、13五个节点为具有频谱转换功能的节点（曲线型权重方案：Curve-5，线性权重方案Linear-5）;

（3）全部节点均具有频谱转换功能（曲线型权重方案：Curve-All，线性权重方案Linear-All）。

在以上三种场景下采用曲线型链路权重方案与线性权重方案的仿真结果分别如图4、图5所示。从图中可以看出，方案（3）的阻塞率比方案（1）明显要低，但是方案（2）依然获得了较低的阻塞率，虽然它只选择了5个节点可进行频谱转换，但是其阻塞率性能却与方案（3）接近。因此，在网络的实际部署中，可以根据需要选择性的部署具有频谱转换功能的网络节点，而不必要全部部署，从而降低成本，减少网络延时。

图4  曲线型权重方案阻塞率         图5  线性权重方案阻塞率

此外，我们对上文所述三种链路权重方案下的网络阻塞情况进行了仿真，对于阈值型线性权重方案，分别选取了10、18、25（Threshold10-No，Threshold18-No，Threshold25-No）三个阈值，如图6所示。从图中可以看出，对于不同的网络负载，曲线型链路权重方案的阻塞率性能都要优于线性链路权重方案和阈值型链路权重方案，而阈值型线性权重方案的阻塞率性能要低于线性链路权重方案，而且阈值越高，性能越差。通过仿真对比，我们推荐曲线型链路权重方案。

图6  不同链路权重方案阻塞率

5  结  语

本文对弹性光网络中的频隙资源一致性约束及负载均衡策略进行了仿真分析，仿真结果表明，曲线型链路权重方案具有较好的负载均衡能力，网络业务阻塞率较低。而对于网络节点类型的选择，当网络中的若干关键节点具有频谱转换功能即可得到较好的阻塞率性能，因此可以根据需要选择性的部署，这样一方面可以保证网络较低的阻塞率，同时可以降低网络部署成本，降低网络业务的传输延时。

参考文献

[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.

[2]张杰.支持灵活谱利用的超大容量全光网体系结构研究[J].中兴通讯技术，2011，17（6）：1-5.

[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.

[4] Munoz， R.， Casellas， R.， Martinez R.， et al. Dynamic Distributed Spectrum Allocation in GMPLS controlled Elastic Optical Networks[J]. ECOC，2011（9）： 1-3.

[5] Yang Wang，Xiaojun Cao，Qian Hu. Routing and Spectrum Allocation in Spectrum-sliced Elastic Optical Path Networks[J]. IEEE ICC，2011（3）： 1-5.

[6] Hui Ding， Min Zhang. Dynamic Routing and Frequency Slot Allocation in Elastic Optical Path Network Using Adaptive Modulations with Consideration of both Spectrum Availability and Distance[J]. ACP，2012（10）：611-615.

[7]陈章渊，李巨浩，杨川川. 光正交频分复用技术及其应用（3） [J]. 中兴通讯技术，2011， 17（6）：56～61.

[8] Sridharan A.， Sivarajan K.N.. Blocking in all-optical networks[J]. Transactions on Networking，2004， 12 （2）：384-394.

[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.

图2  权重方案对比示意图

4  阻塞率性能仿真分析

我们编写了C程序，对上文所述不同权重方案下、不同的网络节点类型情况下，对网络的阻塞率性能进行了仿真。仿真基于NSFNet网络拓扑，如图3所示。为了分析方便，我们假设每条链路上的可用频隙资源个数为40，网络业务请求为单向，网络的业务类型共有4类，占用的频隙个数分别为1、2、3、4，其中业务到达率服从泊松分布，业务持续时间和业务类型均服从均匀分布。

图3  NSFNet网络拓扑

我们首先对以下三种场景下，不同网络负载时网络业务的阻塞情况进行了仿真：

（1）全部节点不具有频谱转换功能（曲线型权重方案：Curve-No，线性权重方案Linear-No）;

（2）部分节点具有频谱转换功能：我们选取了3、5、7、8、13五个节点为具有频谱转换功能的节点（曲线型权重方案：Curve-5，线性权重方案Linear-5）;

（3）全部节点均具有频谱转换功能（曲线型权重方案：Curve-All，线性权重方案Linear-All）。

在以上三种场景下采用曲线型链路权重方案与线性权重方案的仿真结果分别如图4、图5所示。从图中可以看出，方案（3）的阻塞率比方案（1）明显要低，但是方案（2）依然获得了较低的阻塞率，虽然它只选择了5个节点可进行频谱转换，但是其阻塞率性能却与方案（3）接近。因此，在网络的实际部署中，可以根据需要选择性的部署具有频谱转换功能的网络节点，而不必要全部部署，从而降低成本，减少网络延时。

图4  曲线型权重方案阻塞率         图5  线性权重方案阻塞率

此外，我们对上文所述三种链路权重方案下的网络阻塞情况进行了仿真，对于阈值型线性权重方案，分别选取了10、18、25（Threshold10-No，Threshold18-No，Threshold25-No）三个阈值，如图6所示。从图中可以看出，对于不同的网络负载，曲线型链路权重方案的阻塞率性能都要优于线性链路权重方案和阈值型链路权重方案，而阈值型线性权重方案的阻塞率性能要低于线性链路权重方案，而且阈值越高，性能越差。通过仿真对比，我们推荐曲线型链路权重方案。

图6  不同链路权重方案阻塞率

5  结  语

本文对弹性光网络中的频隙资源一致性约束及负载均衡策略进行了仿真分析，仿真结果表明，曲线型链路权重方案具有较好的负载均衡能力，网络业务阻塞率较低。而对于网络节点类型的选择，当网络中的若干关键节点具有频谱转换功能即可得到较好的阻塞率性能，因此可以根据需要选择性的部署，这样一方面可以保证网络较低的阻塞率，同时可以降低网络部署成本，降低网络业务的传输延时。

参考文献

[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.

[2]张杰.支持灵活谱利用的超大容量全光网体系结构研究[J].中兴通讯技术，2011，17（6）：1-5.

[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.

[4] Munoz， R.， Casellas， R.， Martinez R.， et al. Dynamic Distributed Spectrum Allocation in GMPLS controlled Elastic Optical Networks[J]. ECOC，2011（9）： 1-3.

[5] Yang Wang，Xiaojun Cao，Qian Hu. Routing and Spectrum Allocation in Spectrum-sliced Elastic Optical Path Networks[J]. IEEE ICC，2011（3）： 1-5.

[6] Hui Ding， Min Zhang. Dynamic Routing and Frequency Slot Allocation in Elastic Optical Path Network Using Adaptive Modulations with Consideration of both Spectrum Availability and Distance[J]. ACP，2012（10）：611-615.

[7]陈章渊，李巨浩，杨川川. 光正交频分复用技术及其应用（3） [J]. 中兴通讯技术，2011， 17（6）：56～61.

[8] Sridharan A.， Sivarajan K.N.. Blocking in all-optical networks[J]. Transactions on Networking，2004， 12 （2）：384-394.

[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.

图2  权重方案对比示意图

4  阻塞率性能仿真分析

我们编写了C程序，对上文所述不同权重方案下、不同的网络节点类型情况下，对网络的阻塞率性能进行了仿真。仿真基于NSFNet网络拓扑，如图3所示。为了分析方便，我们假设每条链路上的可用频隙资源个数为40，网络业务请求为单向，网络的业务类型共有4类，占用的频隙个数分别为1、2、3、4，其中业务到达率服从泊松分布，业务持续时间和业务类型均服从均匀分布。

图3  NSFNet网络拓扑

我们首先对以下三种场景下，不同网络负载时网络业务的阻塞情况进行了仿真：

（1）全部节点不具有频谱转换功能（曲线型权重方案：Curve-No，线性权重方案Linear-No）;

（2）部分节点具有频谱转换功能：我们选取了3、5、7、8、13五个节点为具有频谱转换功能的节点（曲线型权重方案：Curve-5，线性权重方案Linear-5）;

（3）全部节点均具有频谱转换功能（曲线型权重方案：Curve-All，线性权重方案Linear-All）。

在以上三种场景下采用曲线型链路权重方案与线性权重方案的仿真结果分别如图4、图5所示。从图中可以看出，方案（3）的阻塞率比方案（1）明显要低，但是方案（2）依然获得了较低的阻塞率，虽然它只选择了5个节点可进行频谱转换，但是其阻塞率性能却与方案（3）接近。因此，在网络的实际部署中，可以根据需要选择性的部署具有频谱转换功能的网络节点，而不必要全部部署，从而降低成本，减少网络延时。

图4  曲线型权重方案阻塞率         图5  线性权重方案阻塞率

此外，我们对上文所述三种链路权重方案下的网络阻塞情况进行了仿真，对于阈值型线性权重方案，分别选取了10、18、25（Threshold10-No，Threshold18-No，Threshold25-No）三个阈值，如图6所示。从图中可以看出，对于不同的网络负载，曲线型链路权重方案的阻塞率性能都要优于线性链路权重方案和阈值型链路权重方案，而阈值型线性权重方案的阻塞率性能要低于线性链路权重方案，而且阈值越高，性能越差。通过仿真对比，我们推荐曲线型链路权重方案。

图6  不同链路权重方案阻塞率

5  结  语

本文对弹性光网络中的频隙资源一致性约束及负载均衡策略进行了仿真分析，仿真结果表明，曲线型链路权重方案具有较好的负载均衡能力，网络业务阻塞率较低。而对于网络节点类型的选择，当网络中的若干关键节点具有频谱转换功能即可得到较好的阻塞率性能，因此可以根据需要选择性的部署，这样一方面可以保证网络较低的阻塞率，同时可以降低网络部署成本，降低网络业务的传输延时。

参考文献

[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.

[2]张杰.支持灵活谱利用的超大容量全光网体系结构研究[J].中兴通讯技术，2011，17（6）：1-5.

[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.

[4] Munoz， R.， Casellas， R.， Martinez R.， et al. Dynamic Distributed Spectrum Allocation in GMPLS controlled Elastic Optical Networks[J]. ECOC，2011（9）： 1-3.

[5] Yang Wang，Xiaojun Cao，Qian Hu. Routing and Spectrum Allocation in Spectrum-sliced Elastic Optical Path Networks[J]. IEEE ICC，2011（3）： 1-5.

[6] Hui Ding， Min Zhang. Dynamic Routing and Frequency Slot Allocation in Elastic Optical Path Network Using Adaptive Modulations with Consideration of both Spectrum Availability and Distance[J]. ACP，2012（10）：611-615.

[7]陈章渊，李巨浩，杨川川. 光正交频分复用技术及其应用（3） [J]. 中兴通讯技术，2011， 17（6）：56～61.

[8] Sridharan A.， Sivarajan K.N.. Blocking in all-optical networks[J]. Transactions on Networking，2004， 12 （2）：384-394.

[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.