一种光波复用网络的最小代价启发式优化算法

梅勇，赵炜，钟成，苏汉

(1 国网河北省电力公司信息通信分公司，石家庄 050021；2 国网河北省电力公司，石家庄 050021）

一种光波复用网络的最小代价启发式优化算法

梅勇1，赵炜1，钟成2，苏汉2

(1 国网河北省电力公司信息通信分公司，石家庄 050021；2 国网河北省电力公司，石家庄 050021）

本文从网络规划的角度，提出最小代价启发式算法用来减少基于密集光波复用网络架构的多层光传输网资本支出。比较了透明的网络规划开销和不透明的网络规划开销，同时与多层交换对比，并且进行实验仿真验证得出所提出的多层规划可以通过更少的开销得到更高通信容量的服务。

光传输网；密集光波复用；网络规划；启发式算法

1 引言

集成光传输网交换技术可以为光纤网络的虚拟化带来经济和运营上的收益。光传输网交换技术将客户端和密集光波复用线路接口分离开，通过确保密集光波复用链路一直保持运行，尽可能地使得带宽全部被利用上。光传输网交换网络进一步吸纳了该策略，允许流量被汇集到中间节点，并且流向未被充分利用的线路路由[1]。最近的一些研究工作提出了针对密集光波复用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）、IP和光传输网络的多层次优化来减少网络的CAPEX资本支出。在文献[2]中提出了一种在所有层上创建虚拟链路的多层路由策略。

本文提出了一种方法，可以有效减少基于密集光波复用网络架构的多层光传输网资本支出。

2 网络规划与优化

光传输网交换允许多个客户端被约束到统一容器，并且通过单波长的形式进行发送。基于密集光波复用的光传输网网络可以用两种架构实现[3]：密集光波复用网络上增加独立的光传输网转换，其中光传输网转换和密集光波复用用短暂光路实现互联，从而进一步导致连续的光纤互联； 消除光纤互联的光传输网-密集光波复用系统。本文提出一种综合的方法。假设如下：

(1)网络中同时拥有光传输网节点和密集光波复用设备；

(2)本文的光传输网客户端流量聚合仅针对ODU4接口单元的情况而言；

(3)光客户端和光传输网主干网络通过背板连接；

(4)密集光波复用节点是由一个转发器、基于OXC的ROADM、功率和前置放大器构成的；

田总，能挣到钱才是最为重要的，机会难得啊，你再考虑考虑。说着，高潮递给田卓一支香烟，又帮她点着。田卓抽烟的姿势很优雅，抽着烟思索的表情更是楚楚可怜。高潮吐了一口浓浓的烟气，在氤氲的烟雾中，他越发感觉田卓就是雾里的一朵怒放的玫瑰。雾里看花，让高潮捉摸不透花儿的真实面目，让高潮觉得自己和田卓之间，或许永远只能是隔岸相望的两块拟人化的石头。

(5)可变带宽转发器[4]的数据传输速率默认为100 Gbit/s和200 Gbit/s。

光传输网客户端通信流量请求在源和目的光传输网节点之间实现，并且被集中到ODU4容器。集中了源光传输网节点的ODU4容器穿过基层链接到达密集光波复用节点层。密集光波复用层的转换器完成了满足ITU-T波长的电光（E-O）转换。密集光波复用层的ROADM将波长路由到密集光波复用上的目的节点。功率放大器和前置放大器弥补光纤和节点的缺失[5]。

2.1 成本计算模型

对于一个需要遍历密集光波复用系统上光传输网节点的请求，和成本相关的参数以及每个组件的标准化成本如表1所示。创建一条满足光传输网请求的光链路所需要的开销成本，可以由公式1表示推得。

d是请求的业务通信流量，单位用Gbit/s表示，n是满足请求所需的波长数目。N是密集光波复用网络交叉节点的数目，W是光纤中提供支持的波长总数目，本文中默认将其设为80。Cfc是一个波长遍历通过光交叉连接（OXC）、前置放大器以及功率放大器的成本花费。由于我们假定底板相互连接，所以C光传输网t和Coc的值为零。一个利用密集光波复用网络上现有光链路实现的光传输网请求所需要的成本支出，可以由公式3表征。

CVirtual=2d×Ce+d+Cs×N （3）给定输入网络拓扑和通信流量后，接下来目标就是尽量地减少密集光波复用接口的数目，我们可以通过高效利用光传输网层交换和转发能力来实现。相关优化主要从透明交换网络和非透明交换网络对比分析两个角度进行。

表1 相关使用到的资源的归一化成本

2.2 启发式算法

该算法包括5个模块，每个模块都具有特定的功能，其流程如图1所示。

图1 启发式算法的实现流程图

输入阶段包括一个网络拓扑，该拓扑包含第0层（密集光波复用）的光纤连接节点集和输入通信流量矩阵。通信流量业务矩阵包含光传输网节点之间的请求。每个光传输网节点都和一个密集光波复用节点相连接。多层拓扑由一对一连接的光传输网节点和密集光波复用节点对、与密集光波复用节点互联的光纤链路构成。在这个阶段光传输网层上没有逻辑连接存在。当光路径被动态创建时，逻辑连接才由多层交换执行模块动态创建。

第二阶段是最短路径计算阶段，它在密集光波复用拓扑网络上实现了K最短路径算法，使用第一阶段的输入来获取源节点和目的节点之间的K最短路径。

第三阶段是放大器装置和光信噪比计算阶段。我们设定在每个密集光波复用节点上使用的放大器型号是EDFA24和EDFA17，这是基于密集光波复用节点的结构和相关参数，例如节点的度、跨度损失和块损失。为了简单起见，本文忽略其他的非线性损失。第二阶段计算得到的源节点与目的节点对的K最短路径，被安排用来降低每条链路的光信噪比计算值。

第四阶段是多层交换的执行阶段，如图2所示。该阶段实现了基于密集光波复用网络的光传输网端对端的通信流量请求。一个时间点上，一个请求被取出并通过拓扑网络被路由。一开始的时候光传输网层上不存在连接链路，因此最初的业务流量通过密集光波复用层来实现路由。每进行一次路由通过，密集光波复用层上就会产生一条光路。因此一条对应源节点和目的节点之间的链路由此被创建。接着，剩下的请求将并不需要创建新的光路，就可以通过现有的光传输网链接被路由转发。基于等式1和3，最终可以计算得到最小成本支出。在模拟仿真中，可以观察发现在大多数情况下，由于节点之间最短光路径光传输网链接的形成和创建，相邻节点间的业务流量请求，刚开始的解决方案会更加理想。然后非相邻节点之间的业务请求，会按照通信规模量降序排列的方式被路由实现。随后，对光传输网虚拟链路的剩余容量进行更新。多层交换可以有效地利用光路径的剩余容量，可以做到减少所使用的波长数目，从而也减少使用转发器的数目。

图2 多层交换执行模块流程图

3 仿真和分析

30节点网络（图3）被用于测试本文提出的启发式算法。我们考虑提出的启发式算法在不透明光网络和透明光网络上性能效果的对比。在不透明光网络中，所有的业务流量都要在每一跳上经过光-电-光（O-E-O）的转换过程，这确保了光路被有效地填充。而透明光网络中的端对端光路径是为所有请求而创建的。因此在透明网络中，业务流量疏导只会在终端发生。

30节点网状网络拓扑如图3所示。网络中的链路距离对于所有的链接相同。通信流量假定是对称的，并且每个阶段以15%的增长率增加。网络拓扑和流量矩阵被输入到启发式算法中。在源和目的节点之间，我们找出了高达十条的最短路径（K=10）。多层交换执行模块输入端接口引入了所有的光信噪比计算得到的最短路径，并且在每个请求都被实现后，所有的物理链路和逻辑链路容量也会进行再次更新。

例如光信噪比会对从18号源节点到20号目的节点的最短路径进行计算排序，要实现流量速率为40Gbit/s的请求，并且模块三输出，如表2所示。

图3 30节点网状网络拓扑结构图

表2 18号源节点到20号目的节点的光信噪比计算排序路径

多层交换执行模块检查在两个节点间是否存在足够容量的现有虚拟链路可以满足请求。如果存在，请求将会通过虚拟链路被路由。从表3中看出，18-17-16-20路径的链路容量大于请求容量，因此该路径被多层交换执行模块选中。被选中的路径在每个连接链路上的可用容量如表3所示。

表3 18号源节点到20号目的节点光传输网虚拟链路上的剩余有效容量

实现请求所使用的波长数目为零，因此所需的转发器数目也是零。这是因为请求是通过使用在密集光波复用层已经被创建的光路径虚拟剩余容量实现的。如果请求的实现是通过建立一条新的光路径，我们可以从表2得知所耗费的成本为92.55。同时通过虚拟光传输网链路实现请求所需的成本是9.6，因此多层交换执行模块通过选择可行的光信噪比路径达到了满足请求同时优化成本的目的。

能够支持每波长100 Gbit/s和200 Gbit/s速率的带宽可变转换器被用在光学层。每个流量阶段，所有请求都是通过配置100 Gbit/s转发器的启发式算法优化实现。图4对透明和不透明情况下的网络方案进行对比。

我们从图4推知，在低流量情况下，不透明网络所请求的转发器数量最少，相应地转发次数也最少。但是随着流量的增长，所需要的转发器数量不断增加，光—电—光转换所需成本会变得越来越高。因此在光层中设置旁路是个更好选项。在透明网络中由于对波长容量的低填充使用，从而进一步导致了对转发器的低效利用。显然多层优化综合了两者的优点，从而实现优化减少转发器数量。使用100 Gbit/s转发器不同交换阶段的归一化成本如图5所示，它也表明低流量情况下，不透明网络成本开销最低，并且随着流量增长，多层交换优化更经济。

图4 配备100 Gbit/s转发器的30节点网络中各流量阶段对应的转发器数量分析

我们对配备200Gbit/s转发器的30节点网络进行相似分析对比。结果再次表明不透明交换网络在低流量情景下，所需转发器数量最少，并且随着网络流量的增长，多层交换的经济优势会越发明显。

4 结论

尽管密集光波复用网络上实现的各种光传输网协议提供了许多管理和控制层面的效益，但整体网络的资本性支出（CAPEX）还可以在设计阶段通过同时规划多层次网络来实现优化。针对业务流量的多层交换在透明网络交换和不透明网络交换之间结合了两者的优点，找到了折衷的方案。本文提出的多层交换主要解决了两个问题：带宽的合理分配管理以及转发器的利用不足。有时候为了减少网络功耗会关闭若干转发器，从而导致流量变低并且被交换集中到一些链路上。这种情况下也可以应用多层交换方法解决问题。

图5 100 Gbit/s转发器30节点网络中各流量阶段采用不同交换方式的归一化成本分析

光信噪比会给出选定的端对端光链路的可行性和可靠性给出保证。该方法会得到可靠的端对端服务，因为它所选中的光路必须是光学可行的。另外因为它使用的是一条现有的光链路，所以对于利用虚拟光传输网链路实现需求也是可靠的。

本文提出的启发式算法采用了多层交换的思路把多个层级汇集在一起，并且对网络进行规划，进而提供了可靠的服务，实现对资源的高效利用。基于密集光波复用网络的光传输网多层交换适用于城域网络，以及高流量需求的相关网络。

[1] A． Schmitt， “Integrated OTN Switching Virtualizes Optical Networks，”Infonetics Research， FI-02022 Nokia Siemens Networks Finland， White Paper， June 2012．

[2] 李允博．光传送网(OTN)技术的原理与测试[M]．人民邮电出版社，2013，4．

[3] 金明哗．密集光波复用技术原理与应用[M]．电子工业出版社，2004．1．

[4] R． Huelsermann et al．“Cost modeling and evaluation of capital expen-ditures in optical multilayer networks，”Journal Of Optical Networking，vol． 7， no． 9， pp． 814 833， 2008．

[5] Interfaces for the Optical Tr2ansport Network (OTN)， ITU-T Recommendation Std． G．709/Y．1331， 02/2012．

A minimum cost heuristic optimization algorithm based on dense wavelength division multiplexing network

MEI Yong1, ZHAO Wei1, ZHONG Cheng2, SU Han2
(1 State Grid Hebei Company Information and Telecommunications Branch, Shijiazhuang 050000, China; 2 State Grid Hebei Electric Power Company, Shijiazhuang 050000, China)

In the past decade, the network traffic has achieved great growth. Although the fiber optic network provides high bandwidth pipe, but the client traffi c is still low bit rate. Therefore, it is very important for low data rate client to use the high-capacity channel provided by DWDM layer. From the point of view of network planning, this paper presented a minimum cost heuristic algorithm used to reduce the capital expenditure of multilayer OTNlayer, based on DWDMnetwork architecture. We compared the cost of transparent network planning and opaque network planning.And we conducted experiments and simulations, then draw the conclusion that the proposed multilevel programming can obtain highercapacity communications services through less cost.

OTN; DWDM; network planning; heuristic algorithm

TN915

A

1008-5599（2016）11-0076-05

2016-09-28