混合线速率的虚拟光网络映射成本优化方法

陈伯文，王曜辉，陈 琪，高明义，吴金炳

(1. 苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006；2. 苏州大学文正学院，江苏 苏州 215104；3. 苏州路之遥科技股份有限公司 技术研究院，江苏 苏州 215153)

0 引 言

根据思科的估算与预测[1]，未来5年，全球互联网协议(Internet Protocol，IP)流量将会以3倍速度增长，复合年增长率为24%；移动数据流量将增长7倍，复合年增长率为46%。估计到2022年，全球移动数据业务将占到网络IP流量的20%，移动业务速率将提高3倍。目前，由于网络规模与业务带宽的增长，使网络资源在分配过程中无法灵活、高效地分配，造成网络资源分配僵化问题。可通过网络基础服务架构的资源抽象与虚拟，使用户能够灵活配置所需带宽服务。

在传统网络基础物理架构中，可以将不同的虚拟网络运行在同一个底层物理网络中来实现物理网络资源的虚拟化。采用频谱灵活光网络运行机制，满足网络粗细化带宽需求，使频谱灵活光网络可以有效支撑网络资源虚拟化。此外，传统基础网络通过固定带宽资源预留机制，容易造成网络资源浪费，增加了服务商网络运营成本[2]。针对虚拟光网络(Virtual Optical Network，VON)映射成本问题，提出了基于扩展映射辅助图的成本最优化方法，有效解决了VON生存性映射的网络成本问题[3]。为了提高VON映射的成本效益，提出面向链路重要度的VON利润最大化映射算法，使VON映射到物理光网络的利润最大化[4]。为了降低网络成本，提出了混合线速率的光网络成本效益方法[5]。与单线速率网络不同的是，混合线速率的光网络成本随着流量的增加而发生明显变化，从而达到了最优化成本效益。在本文中，为了减少VON映射到物理光网络的成本，减少物理光网络的资源占用，提出了混合线速率的VON映射成本优化方法，使VON映射过程中网络成本最优。

1 VON映射架构及网络模型

1.1 VON映射架构

图1所示为VON映射架构。采用VON和物理光网络两层结构。在VON层中，VON分别由虚拟链路和虚拟节点组成，每条虚拟链路表示需求的带宽资源，每个虚拟节点表示所需计算资源。在物理光网络层中，每个物理节点能够提供可用的计算资源，以及可以配置足够的光转发器和光再生器；物理节点之间的链路表示光纤，每条光纤能够为服务请求提供频谱资源。这样，当VON映射到物理光网络拓扑中时，物理光网络能够提供可用的带宽资源和计算资源，完成VON映射。

图1 VON映射架构Figure 1 VON mapping architecture

1.2 网络模型

VON映射成本由光转发器成本和光再生器成本两部分构成，光转发器和光再生器能够支持不同的线路速率和调制格式。如何恰当选择映射的线速率将影响到VON的映射网络成本。因此，采用混合线速率方式，把虚拟链路映射到距离最短的路径上，减少物理网络配置光转发器和光再生器数目，使VON映射的网络成本达到最优化目标。

2 VON映射原则

为了使VON映射到物理光网络的成本最优，采用混合线速率组合方式完成VON映射，并在物理光网络中配置最少数目的光转发器和光再生器。VON映射基本原则主要分为虚拟节点映射和虚拟链路映射。在虚拟链路映射过程中，根据虚拟链路的带宽资源需求大小，将虚拟链路降序映射排列，然后根据带宽需求大的优先映射到物理光网络的最短路径上，把虚拟链路成功地映射到物理光网络中。采用混合线速率组合方式，把虚拟链路所需带宽资源切分成不同混合线速率组合进行传输，然后在物理光网络上分配相应的频谱资源。在虚拟节点映射过程中，根据虚拟节点所需的计算资源，按照降序排列方式，把虚拟网络中的每个虚拟节点映射到物理光网络中，直到完成虚拟节点映射。根据物理节点最大资源提供和虚拟节点最大资源需求相匹配映射的原则，使每一条虚拟链路成功地映射到物理光网络中。特别地，每个虚拟节点只能映射到一个物理交接节点，不能映射到多个物理节点。

图2所示为VON映射到物理光网络案例。在VON中，根据虚拟链路的带宽资源需求，首先将虚拟链路降序排列，这样虚拟链路映射顺序为A-C(120 Gbit/s)、A-B(100 Gbit/s)和B-C(80 Gbit/s)；然后根据大带宽资源需求所对应的虚拟链路映射到物理光网络的最短路径上的原则，以及满足虚拟节点大的计算资源需求映射到物理节点提供较多的计算资源的映射原则，把虚拟链路映射到物理光网络中。这样，虚拟链路A-C(120 Gbit/s)、A-B(100 Gbit/s)和B-C(80 Gbit/s)分别映射到物理路径F-H(800 km)、F-E(1 000 km)和E-H(1 100 km)上，虚拟节点A(10个计算单位)、B(30个计算单位)和C(20个计算单位)分别映射到物理节点F(60个计算单位)、E(50个计算单位)和H(70个计算单位)上。采用混合线速率方式，把虚拟链路上A-C、A-B和B-C的带宽资源切分成不同的线速率，然后在物理光网络相应路径上查找并分配频谱资源，完成VON映射。

图2 VON映射到物理光网络案例Figure 2 Case of VON mapping to physical optical network

3 单线速率VON映射方法

根据VON映射原则，采用单线速率的传输方式，把虚拟链路的带宽需求用单线速率来传输。图3所示为单线速率VON映射方法流程图，具体VON映射步骤如下：

图3 单线速率VON映射流程图Figure 3 Flow chart of single-line rate VON mapping

步骤1：输入一组VON和物理光网络拓扑图，即对一组VONSv(Nv,Lv,Cv,Fv)和物理光网络Sp(Np,Lp,Cp,Fp)进行初始化。

步骤2：在一组VON中，首先按照编号顺序选取VON进行映射，然后按照虚拟链路的带宽需求按由大到小顺序进行映射，最后根据虚拟节点计算资源需求按由大到小顺序进行映射。

步骤3：在物理光网络中，计算每个节点对的传输路径，并为每个节点对配置不同线速率的光转发器，以及在每一个节点对之间配置不同线速率的光再生器。

步骤4：取出最高带宽资源需求的虚拟链路进行优先映射，在物理光网络中，首先选择配置好的最短路径，这条最短路径作为这条虚拟链路的映射路径。如果物理光网络中这条最短路径的两端节点的计算资源能够满足虚拟链路两端节点的计算资源要求，即这条虚拟链路能够映射到所选择的最短路径上。

步骤5：如果所选择的最短路径不满足虚拟链路映射要求，在这个物理光网络中找到下一条次短路径，将这条次短路径作为虚拟链路的映射路径，并判断虚拟链路和物理路径的两端计算资源是否满足要求。如果计算资源满足要求，就把这条虚拟链路映射到所选择的物理路径上；如果计算资源不满足要求，再继续查找下一条次短路径，直到在物理光网络中找到一条满足计算资源需求的路径。重复步骤4和5，直到所有虚拟链路都完成映射。

步骤6：当VON映射到物理光网络时，根据每条虚拟链路的带宽需求，采用单线速率方式，计算出每条虚拟链路需要多少条光通道来传输虚拟链路的带宽资源，然后查找并分配每条光通道的频谱资源，同时为每一条光通道配置光转发器和光再生器。

步骤7：当每条虚拟链路都成功映射到物理光网络后，计算每个VON的映射成本。当把所有VON都映射到物理光网络后，可以计算出这一组VON的网络总成本。

4 混合线速率VON映射成本优化方法

4.1 混合线速率切分方法

为了减少VON的映射成本，采用混合线速率的方式进行传输，这样需要对每一条虚拟链路的带宽需求按照不同线速率进行切分。将虚拟链路的带宽需求切分成混合速率的方法如下：

(1) 将虚拟链路带宽需求设置为F，将线速率设置为Ri∈{R1,R2,…,R|r|}，其中|r|为线速率总数；Ri为第i种线速率。

(2) 在|r|种不同的线速率下，计算出带宽需求为F的虚拟链路需要的光通道数量，记为Oi∈{O1,O2,…,O|r|},Oi=F/Ri。

(4) 从所有组合中选择一个Wk，这个组合必须要求是全部组合中需要光通道最少的一组，同时也需要满足两个约束条件Wk-F≥0和Wk-F

(5) 在完成上述步骤(1)～(4)后，选取得到的线速率的组合就是需要光通道最少的组合，混合线速率切分方法是VON映射成本优化的关键所在。表1所示为不同线速率下网络参数，提供了在不同线速率、不同调制格式和不同最大传输距离下，相应的光转发器和光再生器的单位成本。

表1 不同线速率下网络参数Table 1 Network parameters at different line rates

4.2 混合线速率VON映射方法

根据VON的映射原则，把VON映射到物理光网络后，采用混合线速率传输方式，把虚拟链路的带宽需求按照混合线速率切分方法，从中选出一组混合线速率的光通道，保证VON映射到物理光网络的成本最低。图4所示为混合线速率VON映射成本优化方法流程图，由图可知，混合线速率VON映射方法的步骤与单线速率VON映射方法只有步骤6是不同的。这是因为混合线速率考虑到每条虚拟链路的不同切分方式，需要在虚拟链路映射后，在物理光网络中采用不同的线速率进行传输，以减少VON的映射成本。对于混合线速率VON映射方法的步骤6描述如下：

图4 混合线速率VON映射流程图Figure 4 Flow chart of mixed linear rate VON mapping

首先虚拟链路的带宽需求需要按照混合线速率切分方法，把虚拟链路的带宽需求切分成不同的混合线速率组合光通道，从这些组合光通道中选出映射成本最低的混合线速率光通道；然后根据所选出的混合线速率光通道查找并分配每个光通道的频谱资源；最后，配置混合线速率光通道的光转发器和光再生器。

4.3 单线速率与混合线速率虚拟链路占用光通道实例

为了清楚地了解单线速率与混合线速率VON的映射频谱资源配置情况，这里设置每一个频谱隙的频谱宽度为12.5 GHz，每条光纤链路有12个频谱隙，编号为f1～f12，3种线速率40、100和400 Gbit/s的配置信息如表1所示。40 Gbit/s(25 GHz)占用2个频谱隙，100 Gbit/s(37.5 GHz)占用3个频谱隙，400 Gbit/s(125 GHz)占用10个频谱隙。如果某条虚拟链路的带宽需求为240 Gbit/s，映射到物理光网络的工作路径为1-2-3。(1) 采用40 Gbit/s线速率来传输，如图5(a)所示，需要把240 Gbit/s分成6个不同的光通道，分别为CH1、CH2、CH3、CH4、CH5和CH6。这样在工作路径1-2-3上，光纤链路1-2和2-3分别占用的频谱隙个数为2×6=12，这样总占用频谱隙个数为24。(2) 采用100 Gbit/s线速率来传输，如图5(b)所示，需要把240 Gbit/s分成3个不同的光通道，分别为CH1、CH2和CH3，这样在工作路径1-2-3上，光纤链路1-2和2-3分别占用的频谱隙个数为3×3=9，这样总占用频谱隙个数为18。(3) 采用400 Gbit/s线速率来传输，如图5(c)所示，需要把240 Gbit/s分成1个不同的光通道，这样在工作路径1-2-3上，光纤链路1-2和2-3分别占用的频谱隙个数为10×1=10，这样总占用频谱隙个数为20。(4) 采用混合线速率来传输，如图5(d)所示，需要把240 Gbit/s分成2个100 Gbit/s光通道(CH1和CH2)和1个40 Gbit/s光通道(CH3)，这样在工作路径1-2-3上，光纤链路1-2和2-3分别占用的频谱隙个数为3×2+2×1=8，这样总占用频谱隙个数为16。因此，与单线速率相比，混合线速率占用最小的频谱隙；与40 Gbit/s和400 Gbit/s相比，线速率为100 Gbit/s的单线速率占用的频谱隙更小。

图5 单线速率与混合线速率虚拟链路占用光通道实例Figure 5 Example of optical channel occupied by single-line rate and hybrid line-rate virtual link

5 仿真与结果分析

5.1 仿真条件设置

为降低VON映射的网络成本，提出了混合线速率VON映射方法。为了评估本文所提混合线速率VON映射方法，通过引入单线速率VON映射方法，混合线速率VON映射成本和频谱隙占用数可以得到更好的均衡性能。VON映射的评价指标包括：VON映射的总成本、频谱隙占用数、光转发器数目和光再生器数目。

图6所示为国家科学基金网络(National Science Foundation Net, NSFNET)拓扑，即物理层网络拓扑。在光网络拓扑中，所有光纤链路具有充足的频谱资源，每条物理链路上的数字都代表着传输距离(km)，每个物理节点代理着交换节点，包括计算资源、光转发器和光再生器的配置位置。在仿真过程中，每个VON都是由3个虚拟节点和3条虚拟链路组成的，每个虚拟节点代表需求的计算资源，每条虚拟链路代表带宽需求。在VON中，每个节点所需要的计算资源服从[5, 10]的均匀分布，虚拟节点通过虚拟链路相连接，每条链路所需要的带宽资源在[200 Gbit/s，500 Gbit/s]上均匀分布。考虑40、100和400 Gbit/s 3种线速率。每一个仿真中，计算10组不同VON的平均值作为仿真结果。

图6 NSFNET拓扑图Figure 6 Network Topology Diagram of NSFNET

5.2 仿真结果分析

在NSFNET拓扑图中进行仿真，如图6所示，并将单线速率VON映射方法与混合线速率VON映射方法进行比较。对VON映射的总成本、频谱隙占用数、光转发器数目和光再生器数目等4个评价指标进行计算，并对仿真结果进行分析，最终得到混合线速率VON映射方法具备网络总成本和频谱占用的均衡性。

(1) 网络总成本

综上所述，建筑项目中给排水这一环节的质量要求是确保人民拥有良好生活的一项重要保证。但在这个环节中常常会出现许多不符合规章制度的问题，这就直接致使给排水管道的寿命降低，室内出现反臭味等情况，让居民的生活不再便利。所以改善给排水施工工程的质量，妥善解决给排水存在的问题，是建筑单位刻不容缓的事情。

VON映射总成本主要是由VON映射完成所需要的光转发器和光再生器的网络成本构成。网络总成本越小，代表映射完成后服务的花费越少，对于VON映射成本的优化效果越明显。

图7 不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射的网络总成本Figure 7 Total network cost of VON mapping between single line rate and mixed line rate at different line rates

图7所示为不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射的网络总成本，根据仿真结果，与混合线速率VON映射方法相比，单线速率在400 Gbit/s时VON映射成本最低，比混合线速率的VON映射方法低大约21%，这是因为虚拟链路的带宽需求都是按照400 Gbit/s切分时，需要的线速率光通道数目最少，使配置的光转发器和光再生器比较少，所以400 Gbit/s单线速率的映射成本最低。然而，在100和40 Gbit/s线速率时，混合线速率的VON映射成本都比单线速率的VON映射低，分别降低了29%和35%，这是因为混合线速率考虑了不同线速率的组合形成，使得混合线速率的光通道数目小于单线速率的光通道，需要配置的光转发器和光再生器的数目小于单线速率，使得混合线速率的VON映射成本低于单线速率VON映射成本。

(2) 频谱隙占用数

频谱隙占用数是指在VON映射过程中所占用频谱灵活光网络的频谱间隙总数。频谱隙占用数越高，说明VON映射方法需要的频谱间隙数就越多，频谱资源效率越低。频谱隙占用数越低，说明VON映射需要占用的频谱隙少，说明网络资源效率高。频谱隙占用数计算如下：

如图8所示，与单线速率VON映射方法相比，混合线速率VON映射方法占用最少的频谱隙数目，这是因为混合线速率VON映射方法考虑了不同的线速率组合方式，减少虚拟链路切分成混合线速率，使VON映射成本更低。此外，40 Gbit/s单线速率的VON映射占用的频谱资源最多，因为对不同的虚拟链路带宽需求切分出来的光通道数目多，造成40 Gbit/s单线速率的VON映射占用最多频谱资源。与100 Gbit/s线速率相比，由于400 Gbit/s线速率的频谱带宽比较宽，即每个线速率为400 Gbit/s的光通道占用10个频谱隙宽度，所以在VON映射程中线速率为400 Gbit/s的光通道占用更多频谱隙。

图8 不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射的频谱占用率Figure 8 Spectral occupancy of single line rate and mixed line rate VON mapping at different line rates

图9所示为不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射的光转发器数目，由图可知，混合线速率VON映射过程中配置的光转发器数目比400 Gbit/s单线速率VON映射过程配置的光转发器数目多，这是因为，虚拟链路的带宽资源在切分成混合线速率后的光通道数比400Gbit/s单线速率的光通道数大，所以混合线速率VON比单线速率的大。此外，与100和40 Gbit/s单线速率VON映射相比，混合线速率VON映射过程配置的光转发器数目小，这是因为虚拟链路的带宽资源在切分成混合线速率时，其光通道数目比100和40 Gbit/s单线速率要少，所以混合线速率VON映射过程需要配置的光转发器少。混合线速率的VON映射方法所需要配置的光转发器数目多于最高线速率400 Gbit/s，但是比100和40 Gbit/s单线速率要少。

图9 不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射的光转发器数目Figure 9 The number of optical transponders mapped by single line rate and mixed line rate VON at different line rates

(4) 光再生器数目

图10 不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射的光再生器数目Figure 10 The number of optical regenerators mapped by single line rate and mixed line rate VON at different line rates

图10所示为不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射的光再生器数目。在VON数量低于15个时，混合线速率VON映射方法与单线速率VON映射方法都不需要配置光再生器。这是因为，当VON数量比较少时，物理光网络有足够的计算资源和带宽资源去承载每一个VON映射。随着VON数量增大，物理光网络需要配置的光再生器的数量增加。由于采用400 Gbit/s线速率切分每一条虚拟链路的带宽资源时，需要最少的光通道数目，所以单线速率VON映射方法需要配置的光再生器的数目最少。此外，混合线速率VON映射方法需要的光再生器数目比100或40 Gbit/s单线速率VON映射方法少，这是因为混合线速率VON映射方法在为每条虚拟链路带宽切分中形成的光通道数目较少，所以需要配置的光再生器也较少。

通过以上仿真结果可知，与混合线速率VON映射方法相比，虽然400 Gbit/s单线速率VON映射成本最少，但是会占用较多的频谱资源。综合单线速率400、100和40 Gbit/s的VON映射方法的仿真结果可以看出，混合线速率VON映射方法能够在网络成本和频谱占用率两方面得到更好的平衡与优化。这样，采用混合线速率VON映射有利于获得更好的网络成本和网络频谱资源优化。

(5) 运行时间

图11所示为不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射方法的运行时间，在400、100和40 Gbit/s下，单线速率方法的运行时间很相近。与单线速率方法相比，本文所提混合线速率VON映射方法需要更长的运行时间，这是由于混合线速率需要对虚拟链路的带宽需求进行不同的线速率切分，并进行不同的线速率组合遍历，所以需要更长的运行时间。因此，混合线速率VON映射方法具有更高的时间复杂度。

图11 不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射的运行时间Figure 11 Running time of VON mapping of single line rate and mixed line rate at different line rates

(6) 网络容量

图12所示为不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射的网络容量。由图可知，随着VON数量的增加，VON占用的网络容量不断增加，这是因为VON数量增加时，物理光网络需要更多的网络带宽容量来承载虚拟网络映射。此外，由图还可知，单线速率400 Gbit/s的VON映射占用最大的网络容量，这是因为虚拟链路的带宽切分成400 Gbit/s线速率时，会浪费更多网络带宽容量。与单线速率40和100 Gbit/s相比，混合线速率所占用的网络容量更少，这是因为混合线速率VON映射方法考虑了不同的线速率组合方式，减少了虚拟链路切分成单线速率的通道数，减少了网络带宽容量浪费。

图12 不同线速率下单线速率和混合线速率VON映射的网络容量Figure 12 Network capacity of VON mapping between single line rate and mixed line rate at different line rates

6 结束语

在VON中，本文采用混合线速率切分方式，把虚拟链路的带宽资源切分成不同的线速率传输，提出了混合线速率VON映射成本优化方法。仿真结果表明，与40和100 Gbit/s单线速率VON映射方法相比，混合线速率VON映射方法能够有效减少网络成本和频谱隙占用数。虽然400 Gbit/s单线速率VON映射方法比混合线速率VON映射成本低，但是单线速率VON映射方法会占用更多的频谱资源。可见，混合线速率VON映射方法能够在网络成本、频谱隙占用数、光转发器和光再生器数目方面得到更好的平衡与优化。因此，通过采用网络虚拟化技术，能够为用户灵活配置网络资源信息，提高网络资源效率，减少网络成本。