光网络中基于瓶颈链路优先的升级策略

黄 冲，刘逢清

（南京邮电大学光电工程学院，南京 210023）

光网络中基于瓶颈链路优先的升级策略

黄 冲，刘逢清

（南京邮电大学光电工程学院，南京 210023）

针对固定栅格WDM（波分复用）光网络频谱利用率低的缺点，需对网络使用灵活栅格技术进行升级，提出了基于瓶颈链路优先的升级策略。文章定义了瓶颈链路，提出两种基于瓶颈链路的升级策略：链路密度策略和拥塞链路策略，并对这两种策略进行仿真，仿真结果显示两种策略都能够降低带宽阻塞率。链路密度策略的带宽阻塞率降低程度取决于所取阈值的不同，而拥塞链路策略能有效地降低带宽阻塞率。

波分复用网络；灵活栅格；瓶颈链路；带宽阻塞率

0 引 言

近年来，视频点播、高清电视等高带宽业务不断涌现，IP业务量呈指数增长［1］，这就要求运营商提供一个高频谱利用率、低阻塞、具有成本效益并且可扩展的网络体系。现有WDM（波分复用）网络遵循ITU-T G.694.1标准，将频谱资源划分成一系列间隔为50 GHz的频隙［2］，这种固定栅格技术能够较好地支持低速业务（如10 Gbit/s）；对于高速业务，则需采用反向复用技术将其分解成多个低速业务，更容易消耗网络频谱资源。此外，固定栅格也会造成频谱的浪费，这是因为50 GHz的频谱粒度对于低速业务（10 Gbit/s）太大。为了更好地支持高速业务，文献［3］提出了SLICE（频谱分割弹性光网络），经过几年的发展，形成了一整套称作灵活栅格的技术。灵活栅格技术采用波长可变转发器、波长可变光交叉连接器和高级调制技术，将频谱划分为更小的频隙（例如12.5 GHz、25 GHz），通过一系列连续频隙的组合，可以有效地支持高速业务。它不仅继承了WDM网络的优点，而且极大地提高了频谱利用率。

灵活栅格技术的部署只需要对现有WDM网络进行相应的软硬件升级［4］，无需重建网络。文献［5］预计现有WDM网络容量将在2019年耗尽，考虑到成本效益，逐步向灵活栅格网络升级是一个明智的选择。由于网络流量分布的不均匀性，网络中一些链路会出现较大流量，成为网络扩容的瓶颈。本文重点研究网络中的瓶颈链路，优先升级这些链路，以达到降低阻塞率、提升网络容量的目的。

1 瓶颈链路升级策略

在实际网络中，由于网络拓扑多数情况下是不规则的，这会导致业务路由时有些拥塞链路被选中的概率较高，使得它们成为网络瓶颈的概率增大，因此应该重点关注这些链路。LD（链路密度）是表征整个网络对一条链路的依赖性。假设（s，d）是一对源-目的节点，（i，j）表示任意两个相邻节点i、j之间的链路l，整个网络共有N条链路，共有M个（s，d），使用K最短路由算法可以得到K个M×N矩阵，每个矩阵的元素L定义如下：将网络中所有（s，d）节点对的K个矩阵求和即可得到网络中所有链路的LD矩阵，矩阵对应位置（i，j）就是链路l的LD值，矩阵可表示为

LD的大小很大程度上决定了该链路是否会成为网络的瓶颈链路。LD值越大，越有可能成为未来限制网络容量的瓶颈链路。可以设置LD阈值来判断一条链路是否是瓶颈链路，大于或等于LD阈值的链路可以定义为瓶颈链路。

根据LD值来确定网络中的瓶颈链路只是对网络的预期，瓶颈链路还与网络的流量分布有着很大的关系。网络中实际的业务量变化很大，有些LD值小于LD阈值的链路可能会有几个大带宽业务通过，带宽资源消耗严重，很有可能出现阻塞，这些拥塞链路也是网络中的瓶颈，也需要优先被考虑进行升级；当链路带宽资源被占用达到95%以上时，也认为此链路是瓶颈链路。

基于以上定义的两种瓶颈链路，本文提出两种升级策略：（1）LD策略。当LD大于或等于LD阈值时，此链路将作为瓶颈链路被升级；（2）拥塞链路策略。当带宽资源消耗达到95%时，此链路将作为瓶颈链路被升级。

对瓶颈链路的升级涉及到网络节点结构的变化。老式OXC（光交叉连接）采用微机电波长选择开关，只需要将这些微机电开关替换为LCoS-WSS（硅基液晶波长选择开关），就可以构成BV-OXC（带宽可变光交叉连接），从而支持灵活栅格技术。对于需要升级的链路两端节点，需要将原有的收发器替换为支持灵活栅格技术的BV-T（带宽可变光收发器）。由于升级的节点处在固定栅格链路与灵活栅格链路之间，频谱一致性不能保证，所以节点处还需要引进波长转换器。本文的重点不在于中间节点的结构，因此不再赘述。

2 仿真与数值分析

仿真使用的网络拓扑图是NSFNET（美国国家科学基金网），如图1所示，共有14个节点，21条链路。

图1 NSFNET拓扑

由于我们关注的是骨干网，业务量相对稳定，所以采用静态流量矩阵进行仿真。假设每条链路总的带宽资源为4 200 GHz，在固定栅格情况下可划分为84个50 GHz频隙，在灵活栅格下可划分为336 个12.5 GHz频隙。每个（s，d）（s＜d）之间随机产生≤3个业务。为了预测未来网络容量使用情况，引入400 Gbit/s和1 Tbit/s业务，在固定栅格情况下，采用反向复用的方法支持这两种速率的业务。网络中的业务类型有10、40、100和400 Gbit/s以及1 Tbit/s。在固定栅格WDM网络中使用直接调制方法，在灵活栅格WDM网络中使用PM-16QAM（偏振复用16阶正交幅度调制）。业务路由采用K最短路由算法，K取3。对业务进行降序排列，优先对高速业务采用首次命中算法进行频谱分配，保证业务占用频谱的连续性，分别保证业务在固定栅格链路上和在灵活栅格链路上的频谱一致性。BBR（带宽阻塞率）定义为

式中，t为总的阻塞带宽；T为网络中业务所需要的总带宽。

根据计算得到网络中所有链路的LD，设定不同的LD阈值，统计得出瓶颈链路的数量如表1所示。在3种流量分布情况下，对LD策略进行仿真。3种流量分布比例见表2。

表1 超过LD阈值的链路数量

表2 业务比例

设定不同的LD阈值，按表2所示的业务比例进行仿真，采用100个随机生成静态业务量矩阵进行平均，结果如图2所示。由图可知，随着升级链路数量的增多，BBR持续下降。升级链路数为0时，即为固定栅格WDM网络的BBR。当升级链路数≥19时，网络中不存在未被服务的业务。然而，LD升级策略只是一个静态的策略，链路升级与否仅决定于有多少源-目的节点对的最短路由经过此链路，而网络中真实业务量分布对其没有影响。LD策略可以给网络服务供应商提供参考，在图2中可以看出，在升级链路数分别为4、8、11和15时，网络BBR有较大的下降，由表1可知，它们对应的LD阈值分别为52、42、40和39。

图2 不同LD阈值下网络BBR

图3 不同升级方案的网络BBR

选取以上4个阈值，在不同网络总业务量的情况下，分别对LD策略和拥塞链路策略进行仿真，结果如图3所示。由图可知，拥塞链路策略可以有效地降低网络BBR，这是因为它与网络负载有很强的关联性，需要监测链路的带宽资源使用情况。在实际情况下，拥塞链路的升级是一个动态的过程，随着网络业务量的增大，链路会逐渐成为拥塞链路，这意味着需要隔一段时间升级一条拥塞链路，这无疑会增加运营商维护成本。与拥塞链路策略相比，LD策略不需要监测链路带宽资源的使用情况，可以根据不同阶段的网络情况选取LD阈值，一次性升级必要的链路，以满足当前阶段网络的阻塞率要求。例如，当网络总业务量达到80 Tbit/s时，选取LD阈值为52、42、40和39，BBR分别下降了10.53%、19.76%、37.05%和53.23%。网络运营商通过评估网络现阶段的状况选取LD阈值，以降低网络BBR，满足当前网络的需求。图3还表明，当LD阈值为39时，两种策略的BBR降低表现十分接近。综上所述，LD策略是更好的网络升级策略。

3 结束语

本文重点研究从固定栅格WDM光网络向灵活栅格光网络逐步升级的策略，提出了两种升级策略，并基于14个节点、21条链路的NSFNET进行了仿真。结果显示，两种策略都能有效地降低网络BBR，但LD策略优于拥塞链路策略。

［1］ Gerstel O，Jinno M，Lord A，et al.Elastic Optical Networking：A New Dawn for the Optical Layer［J］. IEEE Communications Magazine，2012，50（2）：12-20.

［2］ ITU-T G.694.1-2012，Spectral Grids for WDM Applications：DWDM Frequency Grid［S］.

［3］ Jinno M，Takara H，Kozicki B，et al.Spectrum-efficient and scalable elastic optical path network：architecture，benefits，and enabling technologies［J］.IEEE Communications Magazine，2009，47（11）：66-73.

［4］ Ruiz M，Velasco L，Lord A，et al.Planning Fixed to Flexgrid Gradual Migration：Drivers and Open Issues ［J］.IEEE Communications Magazine，2014，52（1）：70-76.

［5］ Mayoral A，Gonzalez O.Migration Steps towards Flexi-Grid networks［C］//Proc Future Network and Mobile Summit.Lisbon，Portugal：European Commission，2013：1-9.

The Strategy of Bottleneck Links Upgrade First in Optical Networks

HUANG Chong，LIU Feng-qing
（School of Optoelectronic Engineering，Nanjing University of posts&Telecommunications，Nanjing 210023，China）

In order to solve the inefficient spectrum utilization problem in fixed-grid WDM networks，an upgrading scheme is proposed to upgrade the bottleneck links from fixed grid to flex grid networks.The paper defines the concept of bottleneck links，and proposes two strategies：the Link Density（LD）strategy and the congestion strategy.Numerical results show that the Bandwidth Blocking Rate（BBR）is reduced by the two strategies.The LD strategy performs different BBR reduction depending on different thresholds and the congestion strategy can effectively reduce the BBR.

WDM networks；flex grid；bottleneck link；BBR

TN915

A

1005-8788（2016）03-0004-03

10.13756/j.gtxyj.2016.03.002

2015-12-14

区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室开放基金资助项目（2015GZKF03006）

黄冲（1990-），男，江苏徐州人。硕士研究生，主要从事固定栅格光网络向灵活栅格光网络逐步升级的研究工作。

刘逢清，副教授。E-mail：liufq@njupt.edu.cn