基于弹性光网络的频谱效率优先任播路由资源重配置方法与流程

本发明属于光通信
技术领域：
，涉及一种基于弹性光网络的频谱效率优先任播路由资源重配置方法。
背景技术：
：任播服务是IPv6定义的一种比较特殊的网络服务，他允许服务申请者访问共享同一任播地址所标识的任意一个数据中心服务器。随着信息通信行业的发展，特别是各种云计算、物联网、大数据和智能信息等应用使数据中心服务飞速发展，任播服务在网络中所占的比重越来越大。急剧增加的任播服务对网络的承载性能和带宽资源提出了严峻的要求，针对密集波分复有(DenseWavelengthDivisionMultiplexing,DWDM)粗粒度带宽分配和固定调制格式的缺陷，基于正交频分复用的细粒度带宽分配和可变调制格式的弹性光网络(ElasticOpticalNetworks,EONs)被认为是承载新兴任播类通信业务的理想承载方式。为了满足急剧增加的通信服务需求，通信网络在扩大网络规模和增加设备、提高资源利用率的同时，巨大的网络能耗成为通信网面临的起来越严峻的问题。研究表明：信息通信行业的能耗已经达到全球能源消耗的2％至10％，并且呈继续增长的趋势，未来将占全球电能消耗的50％以上。而云计算等数据中心服务的蓬勃发展，其巨大的运算需求以及业务流量使得数据中心能耗占信息通信行业能耗的比重越来越大，能耗问题将严重制约云计算等数据中心应用的可持续发展。面对自然资源减少和全球生态环境变化的压力，降低数据中心互联光网络的能耗刻不容缓。针对数据中心节能问题，网络中部分数据中心配置了受地理与时间因素可再生能源混合供电，以节约不可再生能源，并减少碳排放，达到绿色节能的服务目的。在混合供电的数据中心互联光网络中，对于任播服务，由于满足服务请求的数据中心有多个，因此，在基于弹性光网络的混合能源供电数据中心互联光网络的任播服务性能研究中，如何提高光纤链路频谱资源利用率和如何选择数据中心服务都将影响网络的阻塞率和能耗性能。由于任播的阻塞率性能与能耗问题二者相互制约，仅优化网络的阻塞率，则不能使业务请求尽可能选择可再生能源供电数据中心，无法尽可能减少网络的不可再生能源消耗；而仅减少网络的不可再生能源消耗，当可再生能源供电数据中心距离业务请求源节点的路径过长，则建立任播光路需要消耗更多的传输带宽资源，使弹性光网络的阻塞率增加。技术实现要素：有鉴于此，针对部分数据中心配置可再生能源的混合能源供电数据中心互联弹性光网络中的动态任播业务，本发明提供一种基于弹性光网络的频谱效率优先任播路由资源重配置方法，提出了频谱效率优先的阻塞率优化光路和能耗优化光路传输任播请求，将任播业务尽量连接到可再生能源的数据中心服务，有利于保证业务的阻塞率较低且节约能耗。为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于弹性光网络的频谱效率优先任播路由资源重配置方法，该方法包括以下步骤：1)根据任播请求先计算多条阻塞率优化的光路连接到各个满足服务请求的数据中心；计算各条阻塞率优化光路的频谱效率，并按照频谱效率从高到低排序光路在一个集合P中；2)顺序取频谱效率优先的光路集合中的光路，如果光路目的节点是光路所选数据中心是不可再生能源中心，则按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用FF(First-Fit，首次命中)方式分配频谱资源，预留此光路备用；并选择频谱效率次优的连接到可再生能源中心的P集合中的能耗优化光路，也按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用LF(Last-Fit，末端命中)算法分配光路频谱资源，并确定能耗优化光路为该任播的传输光路；3)如果阻塞率优化光路目的节点是可再生数据中心，使用FF频谱方式分配带宽，若分配成功，则确定该光路为任播请求的传输光路；若频谱分配失败，光路带宽冲突，则查看此光路上的其它任播是否使用能耗优化光路传输，如果是，将该任播的能耗优化光路重配置到该业务预留的阻塞率优化光路传输。进一步的，该方法的具体步骤如下：S1：初始化：输入弹性光网络拓扑G(V，E，FS，DC)，V为节点集，E为光纤链路集，FS为链路频隙集合，DC＝{DC1,DC2,...,DCk}为光网络中数据中心集，光路集P{p1,p2,...,pj}，其中DCk与pj分别表示第k个数据中心与连接该数据中心的第j条光路；任播请求R(s,CS，TR)，s为源节点，TR为业务带宽，CS为对数据中心的资源需求；令G2＝G，复制网络G，便于在G2中选择能耗优化光路；定义LPR(pk,SBh)表示新业务请求R选择的阻塞率优化光路，pk为光路径，SBh表示该路径上按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用FF方法分配的可用频谱块，可用频谱块FSi-FSj表示从频隙i到频隙j；EPR'(pk',SBh')表示已在传输的旧业务请求R'所用的能耗优化光路，pk'为业务R'的能耗优化光路，SBh'表示该光路上按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用LF方法分配的可用频谱块；S2：任播请求R(s,CS，TR)到达，使用Dijkstra算法在EONs光网络G中计算s到满足CS服务的各数据中心DC{DC1,DC2,...,DCk}的光纤路径P{p1,p2,...,pj}集合；S3：根据集合P中各光路径长度和表1，为业务选择满足传输距离约束的频谱指数最高的调制等级，若传输R有多种调制等级，选择这些调制等级中频谱指数最低的调制等级，并根据所选调制等级，按公式(1)计算业务经各光路径传输所需的频隙数；表1不同调制方式对应频谱效率与最大传输距离调制方式频谱效率m最大传输距离(km)BPSK14000QPSK220008-QAM3100016-QAM450032-QAM525064-QAM6125对于速率为TR的任播业务请求R，光路所需传输带宽大小，即所需频隙数NFSR为：式(1)中，h为光路的跳数，SEm为使用调制格式m时的频谱指数，BWSC为单个子载波(即单频隙)传输速率，GB为保护带宽，占用一个频隙；光信号调制格式与对应的频谱指数、光信号最大传输距离的关系参考表1；S4：对集合P中各光路按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用FF方法为任播R分配可用频谱块，将光路径上没有可用频谱块的路径从集合P中删去，转步骤S5；若集合P中所有光路均无可用频谱快分配，则阻塞此业务，算法结束；S5：采用公式(2)计算任播业务R的光路集合P中剩余各光路的频谱效率值，并按值从大到小的顺序对路径P{p1,p2,...,pM}排序，得到集合M≤k，转步骤S6；其中，光路pk传输任播R的频谱效率定义为：S6：在集合P中选择第一条路径pa，以及步骤S5分配的对应光路可用频谱块SBh，该光路标记为阻塞率优化光路LPR(pa,SBh)，更新网G的频谱状态；S7：判断阻塞率优化光路LPR(pa,SBh)在G2上是否与其他任播的能耗优化光路占用的频谱资源冲突，若不冲突，转步骤S9；否则，若阻塞率优化光路LPR(pa,SBh)在G2上与任播R'的能耗优化光路EPR'(pb',SBj')占用的频谱资源冲突，转步骤S8；S8：将R'重配置到任播R'预留的阻塞率优化光路上LPR'(pa',SBh')，更新网G2频谱状态，转步骤S9；S9：若光路目的节点连接的数据中心DCa为可再生能源数据中心，则光路LPR(pa,SBh)为任播R分配的传输光路和频谱资源，更新网G频谱状态，算法结束；若光路目的节点连接的数据中心DCa为不可再生能源数据中心，将光路LPR(pa,SBh)预留，更新网G频谱状态，转步骤S10；S10：轮询路径集合中剩余路径pk(k＝a+1；k≤M；k++)，若找到光路目的节点是可再生能源数据中心DCb，则按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用LF方法分配空闲频谱块，转步骤S11；否则，使用预留的光路LPR(pa,SBh)传输任播业务R，算法结束；S11：建立能耗优化光路EPR(pb,SBj)传输任播业务R，更新G和G2频谱状态。本发明的有益效果在于：本发明提出了频谱效率优先的阻塞率优化光路和能耗优化光路传输任播请求，将任播业务尽量连接到可再生能源的数据中心服务，有利于保证业务的阻塞率较低且节约能耗，对促进云计算类任播业务服务的节能传输和提高光网络的频谱资源利用率、降低网络阻塞率和实现绿色节能网络能都具有重要意义。附图说明为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：图1为基于弹性光网络的频谱效率优先任播路由资源重配置方法流程图；图2为基于频谱效率优先的任播路由资源重配置方法示意图；图3为任播请求的频谱效率优先选择传输光路示意图。具体实施方式本发明提供的方法使用首次命中(First-Fit，FF)的频谱分配方式为任播请求先计算阻塞率优化的光路连接数据中心，并根据频谱效率优先原则排序光路。依次判断任播的阻塞率优化光路带宽足够且所选数据中心若不是可再生能源供电数据中心，则预留此阻塞率优化光路预留给该任播请求；再使用末端命中(Last-Fit,LF)的频谱分配方式为业务选择一条频谱效率次优的连接可再生能源供电数据中心的能耗优化光路传输任播；当阻塞率优化光路与其他任播能耗优化光路发生频谱分配冲突，则将能耗优化光路传播的任播重配置到该业务预留的阻塞率优化光路传输，实现优先降低业务阻塞率性能的同时，在网络带宽资源允许的条件下节能传输，以节约网络的不可再生能耗的目的。下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。图1为基于弹性光网络的频谱效率优先任播路由资源重配置方法流程图，如图所示，该方法包括以下步骤：初始化：输入光网络拓扑G(V，E，FS，DC)，V为节点集，E为光纤链路集，FS为链路可用频隙集合，DC＝{DC1,DC2,...,DCk}为光网络中数据中心集，路径集P{p1,p2,...,pj}，其中DCk与pj分别表示第k个数据中心与连接该数据中心的第j条光路。任播请求R(s,CS，TR)，s为源节点，TR为业务带宽，CS为对数据中心的资源需求。令G2＝G，G2是光网络拓扑图G相同的复制网络，便于在G2中记录和表示选择能耗优化光路。定义LPR(pk,SBh)表示新业务请求R选择的阻塞率优化光路，pk为光路径，SBh表示该路径上按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用FF方法分配的可用频谱块，可用频谱块FSi-FSj表示从频隙i到频隙j；EPR'(pk',SBh')表示已在传输的旧业务请求R'所用的能耗优化光路，pk'为业务R'的能耗优化光路，SBh'表示该光路上按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用LF方法分配的可用频谱块。由于在任播的阻塞率优化光路和能耗优化光路中，选择光路的准则是频谱效率优先，则路径pk传输任播R的频谱效率定义如公式(2)计算。步骤1：任播请求R(s,CS，TR)到达，使用Dijkstra最短径算法在网G中计算源节点s到满足任播需求CS的各数据中心DC{DC1,DC2,...,DCk}的光纤路径，存入集合P{p1,p2,...,pj}；步骤2：根据集合P中各光路径长度和附表1，为业务选择满足传输距离约束的频谱指数最高的调制等级，若传输R有多种调制等级，选择这些调制等级中频谱指数最低的调制等级，并根据所选调制等级，按公式(2)计算任播经各光路径传输所需的频隙数；在附图3所示的网络拓扑中，节点C、D分为数据中心DC1和DC2，光路上标识的数字为链路长度，光纤链路的单子载波传输速率BWSC＝12.5Gb/s。有一个任播请求R的源节点为A，带宽速率TR＝100Gb/s，数据中心DC1和DC2均能满足任播请求的服务，按最短路径算法可以计算出A节点距离2个数据中心的最短径光路分别为：A-B-C和A-D，若任播R选择数据中心DC1服务，则光路A-B-C最短路长度为1600Km，跳数为2跳，根据附表1可以确定最高的传输信号调制等级可选QPSK调制方式传输，调制频谱效率m＝2，根据公式(1)计算所需消耗的频隙数目为NFSR＝(100/(2*12.5)+1)×2＝10；若选择数据中心DC2服务，路由A-D长度400Km，1跳光路，根据表1可选择最高的信号调制等级为32-QAM，其调制频谱指数m＝5，所需频隙数为NFSR＝(100/(5*12.5)+1)×1＝3。因此，从节约频率资源的角度，在附图3中，选择传输带宽需求更小的数据中心DC2服务任播R将更节约频谱带宽资源。步骤3：对集合P中各光路按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用FF方法为任播R分配可用频谱块，将光路径上没有可用频谱块的路径从集合P中删去，算法转步骤4；若集合P中所有光路均无可用频谱块分配，则阻塞此业务，算法结束；步骤4：按式(2)计算任播业务R的光路集合P中剩余各光路的频谱效率值，并按值从大到小的顺序对路径P{p1,p2,...,pM}排序，得到集合M≤k，转步骤5；在附图3中，任播请求R的带宽速率TR＝100Gb/s，根据步骤2中选择的光路A-B-C消耗的频隙数目为5，可以计算出光路A-B-C的频谱效率为10；而光路A-D消耗频谱数目为3，可以计算出光路A-D的频谱效率为33.3，按光路高频谱效率优先的原则，任播选择光路A-D服务。步骤5：在集合P中选择第一条路径pa，以及步骤4分配的对应光路可用频谱块SBh，该光路标记为阻塞率优化光路LPR(pa,SBh)，更新网G的频谱状态；步骤6：判断阻塞率优化光路LPR(pa,SBh)在G2上是否其他任播的能耗优化光路占用的频谱资源冲突，若不冲突，转步骤8；否则，若阻塞率优化光路LPR(pa,SBh)在G2上与任播R'的能耗优化光路EPR'(pb',SBj')占用的频谱资源冲突，转步骤7；步骤7：将R'重配置到任播R'预留的阻塞率优化光路上LPR'(pa',SBh')，更新网G2频谱状态，转步骤8；步骤8：若光路目的节点连接数据中心DCa为可再生能源数据中心，则LPR(pa,SBh)为任播R分配的传输光路和频谱资源，更新网G频谱状态，算法结束；若光路目的节点连接数据中心DCa为不可再生能源数据中心，将光路LPR(pa,SBh)预留，更新网G频谱状态，转步骤9；步骤9：轮询路径集合中剩余路径pk(k＝a+1；k≤M；k++)，若找到光路目的节点是可再生能源数据中心DCb，则按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用LF方法分配空闲频谱块，转步骤10；否则，使用预留的光路LPR(pa,SBh)传输任播请求R，算法结束。步骤10：建立能耗优化光路EPR(pb,SBj)传输任播业务R，更新G和G2频谱状态。图1所示的为任播业务建立能耗优化光路的冲突感知重配置到预留的阻塞率优化光路传输方式，能使任播业务优先在阻塞率优化的节能光路传输，保证了网络的阻塞率性能，又能在带宽资源充足时，尽可能使用可再生能源供电数据中心服务。在建立阻塞率优化光路和能耗优化光路时，分别使用FF与LF的方法分配频谱块，尽可能避免新业务阻塞率优化光路与正在传输的业务的能耗优化光路发生冲突，减少频谱碎片，在不影响网络阻塞率性能的前提下，尽可多地使用可再生能源数据中心服务任播。为了进一步理解本方法步骤，结合任播路由资源重配置的附图2，进一步说明基于弹性光网络的任播路由重配置资源分配方法。光网络G拓扑如附图2(a)所示，令网络G2＝G，与网络G相同的拓扑图G2如附图2(b)所示，有一任播请求R1(A,CS,TR)，带宽需求TR＝100Gb/s。在网G中用Dijkstra算法为任播R1寻找满足带宽要求的前2条最短光路LP1＝A-D和LP2＝A-B-C，根据光路长度和表1，A-D光路的频谱效率最高调制等级为16-QAM，频谱效率为A-B-C光路的频谱效率最高的调制等级为QPSK，则根据频谱效率优先原则，选择LP1光路为阻塞率优化光路，按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用FF方式分配公式(2)计算的3频隙空闲频谱块FS3～FS5，即LP1(A-D,FS3～FS5)，由于LP1光路目的节点为不可再生能源数据，预留光路LP1，更新图G频谱状态，结果如附图2(c)第1步。查看R1光路集合中的频谱效率次之的第2条光路，发现目的节点是可再生能源数据中心，按照弹性光网络中光路上频谱块一致性和连续性原则，使用LF方式为能耗优化光路EP2分配公式(2)计算的5频隙频谱块FS8～FS12，即EP2(A-B-C,FS8～FS12)，更新图G2频谱状态，结果如附图2(c)第2步。R1传输还没有结束，任播R2(B,CS,100Gb/s)到达，在图G中建立一条频谱效率最高的光路LP3＝B-C，由表1知可选最高频率调制等级为8-QAM，公式(2)计算需要3频隙带宽传输，即在G中用FF方式分配频谱块FS7～FS9，即光路LP3(B-C，FS7～FS9)，更新图G频谱状态，结果如附图2(c)第3步所示。检查发现LP3光路和EP2光路在光纤B-C上频谱分配冲突，重配置任播R1至其阻塞率优化光路LP1传输，解决LP3光路冲突，更新图G和G2的频谱状态，结果如附图2(c)第4步所示。判断光路LP3目的节点为可再生能源中心，则不再为任播R2找节能光路，任播R2的阻塞率优化光路LP3(B-C，FS7～FS9)即为能耗优化光路，在图G中分配频谱块FS7～FS9，更新图G频谱状态。最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。当前第1页1 2 3