一种基于WDM的IP网状网节能方法与流程

本发明属于IP网络及节能技术领域，具体涉及一种基于WDM的IP网状网节能方法的设计。

背景技术：

随着互联网的迅猛发展，终端用户数在不断地增长，新的应用也在不断出现。随之而来的是网络通信需求的不断增多，从而对网络性能的要求也越来越高。与此同时，网络通信量的不断增长带来网络能耗的持续增加，给世界的能源供应带来了越来越大的压力。目前，全球ICT行业的电力消耗占全部电力消耗的8％，并且还在迅速增长中。

基于WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)的IP(Internet Protocol，网络协议)网状网通常构成互联网的主干网络，其性能对于整体网络具有关键的影响，其能耗也占据了网络运行能量消耗的重要部分。因此，针对基于WDM的IP网状网设计节能的网络拓扑方法，在提高网络性能的基础上降低系统整体能耗，对于降低网络运行成本、提高能量利用效率和用户体验度等方面都具有重要的意义。

基于WDM的IP网状网节能方法研究，当前主流的算法有直接旁路算法(Direct Bypass algorithm)、多跳旁路算法(Multi-hop Bypass algorithm)、MTR(Mixed Topology Routing)等，这些算法主要分为两类：第一类更注重节能，只要保持原有的网络性能就可以，甚至为了节能可以牺牲部分网络性能；第二类首先保证网络性能，但是在节能效果上很难做出大的突破。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中基于WDM的IP网状网节能算法无法实现节能和保证网络性能两者之间的兼顾的问题，提出了一种基于WDM的IP网状网节能方法。

本发明的技术方案为：一种基于WDM的IP网状网节能方法，包括用于节能拓扑设计的VLDMR算法和用于增强网络稳定性的ECSI算法。

VLDMR算法通过遍历每个连接请求两个顶点间跳数的升序排列连接请求的集合，若当前拓扑中无相关直连链路，则将这两顶点间的链路加入相关直连链路，然后更新当前拓扑；遍历完成后，再将所有光路按利用率升序排列，并遍历所有光路，删除低利用率的光路，然后重新进行路由规划，直至遍历完成；最后得到的拓扑便是所需节能拓扑。

ECSI算法根据ILP公式得到一系列C_W最小值，并从中选择最优的C_W值；C_W表示网络中一条物理链路所能承载的最大连接请求数。

进一步地，VLDMR算法具体包括以下步骤：

S1、计算连接请求集合S中各顶点对间的最小跳数；

S2、将连接请求按跳数的升序进行重排，如果跳数相同，再按照带宽递减的顺序排列；重新排列完成后，将新的连接请求集合保存为S′；

S3、根据虚拟链路构建虚拟拓扑，并将虚拟拓扑初始化为空；

S4、遍历集合S′中的每个连接请求e，针对每个连接请求e，看拓扑中是否有直连的虚拟链路，若无，则在虚拟拓扑中构建e的直连链路，若有，则使用还未饱和的现有虚拟链路去满足这个连接请求，并计算连接请求e的能量消耗权重值W_e，不断更新拓扑直到遍历完成；

S5、将当前拓扑中的光路按照利用率升序排列，利用率为已被利用的光路量与光路的总量之比；

S6、遍历拓扑中的每条光路，针对某条光路LP，先删除它，再重新规划路由，若这样进行操作之后连接请求S′中有连接发生中断，则恢复被删除的光路LP到拓扑中，若重新规划路由后，S′中所有连接都未发生中断，则更新拓扑；直到遍历完所有光路后，循环结束，得到节能拓扑与整个拓扑的耗能。

进一步地，步骤S3中虚拟链路的能耗表达式为：

式中P_lightpath表示整个光路上的能耗，P_ES表示数字交叉连接设备单位流量的能耗，Trafficvolume表示数字交叉连接设备的流量大小，P_transpondre表示转换器能耗，P_{linecard_port}表示线卡能耗，number_internode表示除起始节点和目的节点以外要经过的中间节点数量，P_OSP表示光交叉连接设备的能耗，link(m,n)∈LP表示节点m和节点n之间的光路，P_AM表示光信号放大器的能耗，dist_mn表示链路(m,n)的距离，d₀表示链路上相邻两个光信号放大器之间的距离。

进一步地，步骤S4中能量消耗权重值W_e的计算公式为：

式中P_OSP表示光交叉连接设备端口单位波路的能耗，P_AM表示光信号放大器的能耗，dist表示连接请求e中源节点到目的节点的总距离，d₀表示链路上相邻两个光信号放大器之间的距离，P_{linecard_port}表示线卡能耗，P_transpondre表示转换器能耗，Bd_e表示连接请求e所需要的带宽，P_ES表示数字交叉连接设备单位流量的能耗，P_A/D表示增删模块的能耗，Cap表示光路的可用容量，s_LPE表示光路的源节点，d_LPE表示光路的目的节点，PLE表示EAAG模型中的物理链路类模型，OEHE表示EAAG模型中的光电混合类模型，LPE表示EAAG模型中的光路类模型。

进一步地，EAAG模型是为了帮助VLDMR算法进行路由规划和资源分配而提出的能量感知模型，共分为两层，层1为光学层，层2为电学层；EAAG模型总共有3种类型：物理链路类、光电混合类和光路类；

物理链路类模型连接了一个节点的光学层和另外一个节点的光学层，表示两层网络底层的物理光纤链路；

光电混合类模型连接了一个节点的光学层和电学层，表示光信号与电信号互相转化的过程；

光路类模型连接了一个节点的电学层和另外一个节点的电学层，表示两层网络的虚拟链路。

进一步地，ILP公式具体为：

式中C_W表示网络中一条物理链路所能承载的最大连接请求数，C_W值越小，网络拓扑稳定性越强；n(s,t)表示光路(s,t)承载的最大请求数，为一个标示值，当且仅当若光路(s,t)在其路径中用了物理链路(i,j)时，其值为1，否则其值为0，E_P表示物理拓扑中的一系列链路，E_V表示虚拟拓扑中的一系列链路。

进一步地，ECSI算法具体包括以下步骤：

T1、计算所有光路(s,t)对应的f值，f值为ILP公式中的标示值

T2、遍历虚拟拓扑中的每一条光路(s,t)，基于步骤T1中得到的f值计算的值；

T3、遍历整个虚拟拓扑，得到一个最小的C_W值；

T4、重复步骤T2-T3总共K次，得到K个最小的C_W值；

T5、从K个最小的C_W值中选择最优的C_W值，作为该算法的最优解。

本发明的有益效果是：本发明在大幅度节约网络能耗的同时，实现了良好的网络综合性能，与当前主流的网络节能算法相比，本发明提出的VLDMR算法平均可节约能耗达39.8％，减少网络资源需求达28.2％，提高跨层拓扑稳定性达35.7％，实现了能耗和性能的综合优化。

附图说明

图1为本发明实施例的两层网络模型结构示意图。

图2为本发明提供的VLDMR算法流程图。

图3为本发明提供的ECSI算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

在介绍本发明提供的一种基于WDM的IP网状网节能方法之前，首先对本发明使用的基于光纤物理信道的两层网络模型做简单说明。如图1所示为基于光纤物理信道的两层网络的网络架构，包括光交叉连接设备、数字交叉连接设备、线卡、转换器、光信号放大器。

光交叉连接设备(OXC，optical cross connect)：功能上作为一个光信号交换机，位于两层网络的下层，将接收到的光信号按照一定的规则进行转发。

数字交叉连接设备(DXC，digital cross connect)：位于两层网络的上层，将收到的IP报文(电信号形式)按照一定的规则进行转发。

线卡：连接了网络的上下两层，并且对电信号和光信号进行相互转化。

转换器：位于每个节点的下层，即光学层，它的作用是发射和接收光信号。

光信号放大器：在下层的光纤信道上按照一定的距离均匀分布，用于对光信号的放大。

两层网络：网络的两层划分，上层是电学层(即IP/MPLS层)，信号的形式是电信号；下层是光学层，信号的形式是光信号。网络中的每个节点都分为了这两层。

光路：指一个光纤信道，它可分为多个波路(wavelength)，每个波路用于不同的连接请求。

上述两层网络中，光路即为虚拟链路，整个光路上的能耗由源节点能耗P_{suorce_node}，光纤上的能耗P_{fiber_links}，中继节点能耗P_{intermedinate_node}以及目的节点能耗P_{destination_node}组成，其能量表达式如公式(1)所示：

P_lightpath＝P_{suorce_node}+P_{fiber_links}+P_{intermedinate_node}+P_{destination_node} (1)

其中，源节点的能耗表达式由公式(2)所示：

P_{suorce_node}＝P_ES+P_{linecard_port}+P_OSP+P_transpondre (2)

其中，P_ES表示数字交叉连接设备单位流量的能耗，P_{linecard_port}表示线卡能耗，P_OSP表示光交叉连接设备的能耗，P_transpondre表示转换器能耗。

光纤上的能耗主要是由布置在光纤上的光信号放大器的能耗构成；中继节点的能耗由光学层的交换机的能耗构成；目的节点的能耗与源节点的能耗构成相同。由此可以得到虚拟链路的能耗最终表达式为：

式中P_lightpath表示整个光路上的能耗，P_ES表示数字交叉连接设备单位流量的能耗，Trafficvolume表示数字交叉连接设备的流量大小，P_transpondre表示转换器能耗，P_{linecard_port}表示线卡能耗，number_internode表示除起始节点和目的节点以外要经过的中间节点数量，P_OSP表示光交叉连接设备的能耗，link(m,n)∈LP表示节点m和节点n之间的光路，P_AM表示光信号放大器的能耗，dist_mn表示链路(m,n)的距离，d₀表示链路上相邻两个光信号放大器之间的距离。

基于上述虚拟链路能耗的构成，本发明提供了一种基于WDM的IP网状网节能方法，包括用于节能拓扑设计的VLDMR算法和用于增强网络稳定性的ECSI算法。

VLDMR算法通过遍历一个有序(按照每个连接请求两个顶点间跳数的升序排列)连接请求的集合，若当前拓扑中无相关直连链路，则将这两顶点间的链路加入相关直连链路，然后更新当前拓扑；遍历完成后，再将所有光路按利用率升序排列，并遍历所有光路，删除低利用率的光路，然后重新进行路由规划，直至遍历完成；最后得到的拓扑便是所需节能拓扑。

如图2所示，VLDMR算法具体包括以下步骤：

S1、计算连接请求集合S中各顶点对间的最小跳数。

S2、将连接请求按跳数的升序进行重排，如果跳数相同，再按照带宽递减的顺序排列；重新排列完成后，将新的连接请求集合保存为S′。

S3、根据虚拟链路构建虚拟拓扑，并将虚拟拓扑初始化为空。

S4、遍历集合S′中的每个连接请求e，针对每个连接请求e，看拓扑中是否有直连的虚拟链路，若无，则在虚拟拓扑中构建e的直连链路，若有，则使用还未饱和的现有虚拟链路去满足这个连接请求，并计算连接请求e的能量消耗权重值W_e，不断更新拓扑直到遍历完成。

能量消耗权重值W_e的计算公式为：

式中P_OSP表示光交叉连接设备端口单位波路的能耗，P_AM表示光信号放大器的能耗，dist表示连接请求e中源节点到目的节点的总距离，d₀表示链路上相邻两个光信号放大器之间的距离，P_{linecard_port}表示线卡能耗，P_transpondre表示转换器能耗，Bd_e表示连接请求e所需要的带宽，P_ES表示数字交叉连接设备单位流量的能耗，P_A/D表示增删模块的能耗，Cap表示光路的可用容量，s_LPE表示光路的源节点，d_LPE表示光路的目的节点，PLE表示EAAG模型中的物理链路类模型，OEHE表示EAAG模型中的光电混合类模型，LPE表示EAAG模型中的光路类模型。

EAAG模型是为了帮助VLDMR算法进行路由规划和资源分配而提出的能量感知模型，共分为两层，层1为光学层，层2为电学层。EAAG模型总共有3种类型：物理链路类、光电混合类和光路类。

物理链路类(PLE)模型连接了一个节点的光学层和另外一个节点的光学层，表示两层网络底层的物理光纤链路。

光电混合类(OEHE)模型连接了一个节点的光学层和电学层，表示光信号与电信号互相转化的过程。

光路类(LPE)模型连接了一个节点的电学层和另外一个节点的电学层，表示两层网络的虚拟链路。

一个LPE可以由两部分的OEHE和几部分的PLE构成。PLE上的主要能耗集中在光信号交换机的端口和光纤的光信号放大器上，OEHE的能耗主要集中在线卡、转换器和增删模块(add/drop)上。

S5、将当前拓扑中的光路按照利用率升序排列，所述利用率为已被利用的光路量与光路的总量之比。

S6、遍历拓扑中的每条光路，针对某条光路LP，先删除它，再重新规划路由，若这样进行操作之后连接请求S′中有连接发生中断，则恢复被删除的光路LP到拓扑中，若重新规划路由后，S′中所有连接都未发生中断，则更新拓扑；直到遍历完所有光路后，循环结束，得到节能拓扑与整个拓扑的耗能。

ECSI算法根据ILP公式得到一系列C_W最小值，并从中选择最优的C_W值；C_W表示网络中一条物理链路所能承载的最大连接请求数。ILP公式具体为：

式中C_W表示网络中一条物理链路所能承载的最大连接请求数，C_W值越小，网络拓扑稳定性越强；n(s,t)表示光路(s,t)承载的最大请求数，为一个标示值，当且仅当若光路(s,t)在其路径中用了物理链路(i,j)时，其值为1，否则其值为0，E_P表示物理拓扑中的一系列链路，E_V表示虚拟拓扑中的一系列链路。

如图3所示，ECSI算法具体包括以下步骤：

T1、计算所有光路(s,t)对应的f值，f值为ILP公式中的标示值

T2、遍历虚拟拓扑中的每一条光路(s,t)，基于步骤T1中得到的f值计算的值。

T3、遍历整个虚拟拓扑，得到一个最小的C_W值。

T4、重复步骤T2-T3总共K次，得到K个最小的C_W值。

T5、从K个最小的C_W值中选择最优的C_W值，作为该算法的最优解。

本发明中，VLDMR算法实现了虚拟链路指导构建虚拟拓扑和删除冗余链路后重新规划路由，与当前主流的网络节能算法相比，VLDMR算法平均可节约能耗达39.8％，减少网络资源需求达28.2％，提高跨层拓扑稳定性达35.7％。

ECSI算法实现了两层节能网络拓扑稳定性的提升，采用ECSI算法之后相比传统节能算法，网络中一条物理链路承载的最大请求数大大减小，这表明网络单条链路负载更低，当某条链路出现故障时网络所受的影响减小，即网路的稳定性大大增强，从而提升了网络的综合性能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。