弹性光网络中基于频谱可用性和保护带宽共享感知的路径保护方法与流程

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种弹性光网络中基于频谱可用性和保护带宽共享感知的路径保护方法。

背景技术：

基于光正交频分复用(Optical-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,O-OFDM)技术的弹性光网络(Elastic Optical Networks,EONs)因其高效的频谱利用率得到了广泛的关注。不同于传统的固定波长带宽分配的波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)网络，EONs可以根据业务速率大小，灵活地分配所需频隙数(Frequency Slot,FS)，实现Gbit/s到Tbit/s级业务的传输。

随着网络技术的发展，单光纤提供的带宽达到400Gbit/s甚至1Tbit/s以上，故弹性光网络中单链路的故障可能会导致Tbit/s业务的丢失。因此光网络的生存性问题显得至关重要。同时，路由和频谱分配策略是影响弹性光网络性能的一个重要因素。弹性光网络中工作路径和保护路径的路由频谱分配(Routing and Spectrum Allocation,RSA)受到频谱连续性和一致性的约束。当业务进行传输时，需要为其分配连续的频隙，同时工作/保护路径上的所有链路需要使用相同的频隙。因此生存性RSA问题的研究十分重要。

光网络生存性RSA问题研究广泛，其中路径保护机制较恢复机制而言，具有较快的恢复时间，并且相对于链路保护方式也具有较高的频谱资源利用率，故路径保护技术是光网络生存性的重要研究方向。现有的生存性RSA策略一般采用专用路径保护策略和共享路径保护算法来确保业务传输的可靠性，同时在频谱分配时采用首次命中的频谱分配方式。专用保护虽然可以有效地保证网络中业务的可靠传输，但是需要消耗网络中大量的频谱资源，频谱利用率低。为了减少专用保护算法所消耗的频隙资源，所提出了共享路径保护算法虽然比DPP算法提高了频谱资源利用率，但是没有区分共享频谱块大小在保护链路代价函数中的权重，初始分配之后没有动态的调整网络中带宽资源，造成保护带宽共享度较低，频谱利用率低等问题。并且现有的共享路径保护算法的工作路径频谱分配方式大多使用首次命中(First Fit，FF)算法，FF算法会产生大量的频谱碎片，降低了频谱资源利用率。随着网络负载的增大，以上的生存性策略受限于单路径传输的约束条件，均不能有效地降低网络带宽阻塞率。因此，提出了生存性多路径算法。虽然多路径RSA算法可以提高频谱资源利用率，但是现有多路径RSA算法没有考虑多路径频谱资源的共享保护，并且没有优化多路径路由频谱分配策略，一定程度上浪费了额外的频隙数目，降低了频谱资源利用率。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种弹性光网络中基于频谱可用性和保护带宽共享感知的路径保护方法，在该方法中，单路径传输阶段：首先通过区分业务持续时间，采用不同的频谱分配方式，减少频谱碎片持续时间；然后根据共享频谱块大小的不同，优化保护链路代价函数，从而提高保护带宽共享度。多路径传输阶段：根据业务保护带宽需求的不同，自适应地采用不同的多路径传输策略，最小化消耗频隙数目；同时在多路径保护中引入共享路径保护机制，减少空闲频隙的使用。最后，随着网络中光路的动态建立和拆除，在传业务保护路径的频谱分配可能并不是基于最大共享度。通过保护带宽重配置策略，可以提高保护带宽共享度，优化保护路径频谱分配问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种弹性光网络中基于频谱可用性和保护带宽共享感知的路径保护方法，在该方法中，包括基于保护带宽共享度与频谱碎片感知的单路径共享路径保护算法和基于频谱感知的多路径自适应共享保护算法；

所述基于保护带宽共享度与频谱碎片感知的单路径共享路径保护算法是指：根据业务持续时间的不同，采用不同的工作路径频谱分配算法，减少频谱碎片的产生以及碎片持续时间；根据链路上频谱可用度和路径间共享程度设置链路的代价值，用最小代价值选择保护路径的频谱分配，提高保护带宽共享度；并且，该算法设计一种保护路径重配置机制，该机制将次优路径业务(消耗频隙数目较多)重配置到最优路径(消耗频隙数目最少)上，提高频谱利用率，降低网络的带宽阻塞率；

所述基于频谱感知的多路径自适应共享保护算法是指：通过比较每种多路径频谱分配方式所消耗频隙数，自适应选择频隙数目消耗最少的多路径方式传输业务；并且，该算法在生存性多路径中引入了共享保护机制，提高保护带宽共享度，减少空闲频谱资源的使用，从而提高频谱利用率。

进一步，所述基于保护带宽共享度和频谱碎片感知的单路径共享路径保护算法具体包括以下几个步骤：

1)调用Dijkstra算法为业务计算K(网络节点的平均度数向下取整)条最短路径，作为工作路径候选路径集；

2)针对工作路径频谱分配方式，设业务的持续时间服从参数为μ的负指数分布；根据业务请求的持续时间不同，采用不同的频谱分配方式：若业务的持续时间大于μ，采用FF算法，若业务的持续时间小于等于μ，采用LF算法；若分配成功，执行步骤3)；否则，业务阻塞；

3)更新网络拓扑G中的链路权重值，设置工作路径链路集合中链路的权重值为无穷大，保证所选工作路径和保护路径链路不相交；

4)针对保护路径频谱分配方式，根据每条链路上每个可用可共享频谱块的大小不同，在链路代价函数中设定不同的权重值，调用Dijkstra算法为计算K条最短路径，作为保护路径候选路径集；

5)在K条候选最短保护路径集合中使用FF算法为业务分配保护带宽；若分配成功，记录保护路径和链路集合；否则，标记业务阻塞；其中，分配成功时，再次判断保护路径是否为最优路径(消耗频隙数最少的路径)，若不是的话，保存业务请求到重配置链表。

进一步，所述基于频谱感知的多路径自适应的共享保护算法具体包括以下几个步骤：

1)调用Dijkstra算法为业务计算K条链路不相交的路径，保证多路径之间链路不相交的约束条件；

2)分别计算每种多路径条数对应消耗的频隙数；所述算法能够自适应求解消耗最少频隙数以及对应的路径条数；若不同条多路径数目对应的消耗频隙数相同，那么取条数最多的方式进行传输，保证网络的负载均衡；

3)若步骤2)操作成功，在满足业务工作传输的条件下，将所分配剩余的频隙作为保护频隙供单路径业务使用；否则，调用保护路径重配置机制，从链表头开始，依次重配置业务链表中的业务。

进一步，在所述的保护链路代价函数值计算过程中，共享频谱块所占的权重值和其大小不是线性相关的，总数相同的多个小频谱块和一个大频谱块比较而言，大频谱块所占权重值更大。

进一步，所述可重配请求链表用于存储可被重配置的请求的相关信息，包括该业务请求目前的工作路径和业务请求的结束时间；链表中的请求按照结束时间降序排列；如果存在多个请求结束时间，后到的请求排在前面。

进一步，所述多路径保护频谱分配过程中，包括以下两个步骤：1)首先比较每种多路径方式消耗总频隙数目，选择一种消耗频隙数目最少的方式；2)若每种多路径方式消耗频隙数目相同，那么选择路径数最多的方式。

本发明的有益效果在于：本方法在为请求首先进行单路径传输时，根据业务持续时间和共享频谱块大小的不同，分别优化工作路径和保护路径的频谱分配方式，较少了网络中频谱碎片的产生以及碎片持续时间，提高了保护带宽共享度，从而提高了频谱利用率，降低了带宽阻塞率。其次，如果单路径路由频谱分配失败，引入生存性多路径频谱分配策略，并且优化现有多路径频谱分配算法，进一步提高频谱资源利用率。最后，当网络业务发生阻塞时，该方法设计了一种保护路径重配置机制，将这些请求重配置到他们相应的功耗最小的路径上，从而减少传输该请求所需的能耗。

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为弹性光网络的路由频谱分配示意图；

图2为基于保护带宽共享度与频谱碎片感知的单路径共享保护流程图；

图3为频谱碎片产生示意图；

图4为工作路径频谱分配示意图；

图5为保护路径A-C中频谱状态示意图；

图6为生存性多路径共享保护示意图；

图7为不同时刻频谱状态示意图；

图8为t₂时刻频谱状态示意图。

具体实施方式

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为弹性光网络的路由频谱分配示意图，如图所示，假设每个业务表示为r(s,d,TR)，其中s表示源节点，d表示目的节点，TR表示业务的传输速率。网络中有业务r₁(A,D,40)，r₂(A,B,100)，r₃(E,D,400)，调制等级为DP-QPSK，则3个业务所需带宽大小分别为3，4，7，保护带宽大小为1。若使用多路径传输，且保护带宽需求q＝0.4。当前网络频谱资源使用情形如图1(b)所示。

其中，3个业务采用的传输方式如表1中所示。为每个业务分配一个保护带宽。传输业务的网络资源(频谱资源，路径资源)分配情况如表1所示。

表1网络资源分配表

因为r₁的工作路径A-C-D和r₂的工作路径A-B链路不相交，故对应的保护路径满足共享带宽的条件。如图1(a)所示，r₁保护路径A-E-D和r₂保护路径A-E-B-D有共同链路A-E，并且r₁已占用保护频隙index∈[5,7]。若链路D-E的index∈[5,7]空闲，则r₂在E-B上的保护频隙分配在已有的index∈[5,7]，实现与r₁保护频隙的共享。因为r₃无法采用单路径传输，使用两条路径进行传输。每条路径上分配频隙数目均为3。

本发明提出了一种启发式算法有效地解决生存性多路径RSA问题。首先，对业务采用单路经路由频谱分配策略，通过区分动态业务的持续时间，优化工作路径频谱分配策略，减少频谱碎片的产生以及持续时间；然后，通过优化链路代价函数，对不同大小的共享频谱块设定不同的链路权重值，实现保护路径的频谱分配。如果业务的单路经路由频谱分配失败，该算法为业务实现多路径频谱分配策略。通过比较每种多路径分配方式所消耗频隙数，自适应多路径频谱分配；同时在多路径中引入共享保护机制，最大化保护带宽共享度，提高频谱资源利用率。最后，当网络中业务阻塞时，针对单路径阶段中的保护路径分配在次优路径上的业务，该算法包含一种重配置机制。该机制将次优路径业务(消耗资源数目较多)重配置到最优路径(消耗频隙数目最少)上，提高频谱资源利用率。

图2为基于保护带宽共享度与频谱碎片感知的单路径共享保护流程图，如图所示，本发明的基于频谱可用性和保护带宽共享感知的路径保护算法流程进行详细的介绍。具体流程可分为下面几个步骤：

Step 1：首先，更新网络资源，释放服务结束业务所占频谱资源，并将其从业务队列中删除。然后，从业务队列中取出待服务的业务请求；

Step 2：为业务采用单路经频谱分配策略。首先，通过Dijkstra算法计算前K条(网络节点的平均度数想下取整)最短路径，作为工作路径候选集。根据业务持续时间的不同，对应采用FF或者LF进行工作路径频谱分配。判断操作是否成功。若是，记录业务的工作路径集合，执行Step 3；否则，执行Step 6。

Step 3：更新网络拓扑G链路权重值，设置工作路径集合中链路的权重值为无穷大，保证业务的工作路径和保护路径链路不相交。根据共享频谱块大小，优化保护链路代价函数，通过Dijkstra算法计算前K条保护路径候选集合，实现保护路径的频谱分配。

Step 4：判断步骤3中的单路径路由频谱分配是否成功。若是，执行Step 5；否则，采用多路径频谱分配策略，执行Step 6；

Step 5：判断业务所分配的保护路径是否是Dijkstra算法计算出的消耗频谱资源最少的最优路径。若是，执行Step 1；否则，保存业务进重配置链表，执行Step 5；

Step 6：为业务采用多路径频谱分配策略。首先，通过比较各种多路径方式所需频隙数，自适应选择消耗频隙数目最少的多路径策略。然后，在多路径中引入共享保护机制，提高频谱资源利用率。若多路径频谱分配成功，执行Step 1；否则，对重配置链表中的保护路径从链表中开始分别进行重配置，然后转至Step 1。

附图3，4解释了Step2中工作路径频谱分配方式的过程。

在动态网络环境中，由于业务大小不一，持续时间不同，并且随着业务动态到达与离去，传统的工作路径频谱分配FF(FirstFit)算法会产生不同程度的频谱碎片。频谱碎片产生的根本原因在于相邻业务之间离开时间不一致，如有相邻业务r₁和r₂，占用频谱范围分别是index∈[0,2]与index∈[3,5]。若t₁时刻业务r₁释放，t₂时刻业务r₂离开，那么[t₁,t₂]时间段内，频谱段index∈[0,2]无法用于频隙数目大于等于3的业务，称之为频谱碎片。本发明设计一种工作路径频谱分配策略，根据业务持续时间的不同，采用不同的频谱分配策略。如附图3所示，设业务的持续时间服从参数为μ的负指数分布，仿真业务的持续时间记为DT。若DT>μ，则采用FF算法(FirstFit)；若DT≤μ，则采用LF算法(LastFit)。

假设业务的到达率服从参数为λ的泊松分布，业务的持续时间Δt服从参数为μ的负指数分布。其中，取λ为500，μ为1，网络负载设为500Erlang。如附图4所示，t₀时刻，业务r₁到达，已知业务r₁所需频隙数为2，持续时间为1.25，分配频谱范围为index∈[0,2]；t₀+Δt时刻，业务r₂到达，所需频隙数目为1，持续时间为诶0.25，分配频谱范围为index∈[6,7]；t₀+2Δt时刻，业务r₂到达，所需频隙数为1，持续时间为1.26，分配频谱范围为index∈[3,4]。若业务r₁，r₂，r₃分别在在时刻t₁＝1.25+t₀，t₂＝0.25+Δt+t₀，t₃＝1.26+2Δt+t₀释放时，则频谱范围index∈[0,2]在时间段[1.25+t₀,1.26+2Δt+t₀]内无法用于传输频隙数大于2的业务，频谱碎片持续时间为TS₁＝0.1+2Δt。

若按照传统的频谱分配算法FF，则业务r₁，r₂和r₃的频谱分配状态如图4所示。由此可见，业务r₁，r₂，r₃分别在在时刻t₁＝1.25+t₀，t₂＝0.25+Δt+t₀，t₃＝1.26+2Δt+t₀时释放，则频谱块index∈[3,4]在时间段[0.25+Δt+t₀,1.25+t₀]内无法用于频隙数大于2的业务，频谱碎片持续时间为TS₂＝1+Δt。因为持续时间Δt服从参数λ为500的泊松分布，所以TS₂远大于TS₁。故本文提出的工作路径频谱分配算法较传统的FF算法能有效地减少频谱碎片持续时间，提高了频谱资源利用率。

下面介绍Step 3中保护路径链路权重值的计算过程。假设业务的工作路径选取为WP_r，业务所需频隙数为4。若定义链路e上连续共享频谱块集合为Gap＝{gap1,gap2,...,gapn}，n代表链路共享频谱块数目。传统共享路径保护算法计算保护路径时，链路权重值函数设定如式(1),(2)。

式中表示C_e链路的链路代价值，g_k代表中第k个频谱块在链路代价值中所占的权重，size_k表示中第k个频谱块的大小。其中f设定为1，因为每个业务必须使用保护带，所以大小不超过1的频谱块均认为无法使用。

附图5为保护路径的频谱状态可能的3种状态。按照传统算法，利用公式(1)和(2)求解保护路径的链路代价值时，3种情况下所计算的代价值相同。那么在(a)情况下，业务发生阻塞，在(b)和(c)情况下，业务成功传输。但是在(b)情况下的可共享保护带宽数目小于(c)情况下的共享保护带宽数目。由此可见，传统保护链路代价的计算方法可能导致相同的代价函数值对应的频谱状态差别较大等问题，一定程度上降低了频谱利用率。因此本发明通过区分共享频谱块大小，优化链路代价函数的方法，来提高保护带宽共享度，降低网络带宽阻塞率，调整g_k的计算方式。

若按照式(1)和(3)计算保护路径的代价值，(a)的为1/7，(b)的为1/8，(c)的为1/10，则频谱状态(c)被选为保护路径，可以减少空闲频谱资源的消耗。

Step 6中的多路径频谱分配策略可以分成2部分：自适应选择频隙数目最少的多路径分配方式，在多路径中引入共享保护机制。生存性多路径保护策略一般采用均等分配策略，即将业务所需频隙数目平均分配在每条路径上面，且多路径数目u一般不超过4。优化目标可以表示为min计算min对应的u值。若存在所有u取值对应的min相同，那么取u值较大的情形。因为这在一定程度上体现了负载均衡的思想：将负载均匀分在多条路径上。具体自适应多路径策略如表2所示。

表2自适应多路径分配策略

其中，表示业务r在情形i中采用u条路径传输消耗总频隙数目。针对4种不同的情形，选择方式也不同。(1).若则业务r采用2条路径传输；(2).若则业务r采用3条路径传输；(3).若则业务r采用4条路径传输；(4).若则业务r采用4条路径传输。

附图6所示为Step 6中多路径共享保护机制示意图。多路径业务的保护带宽需求q较大时，部分子路径上面会有空闲频隙。因此本发明设计一种基于共享保护的生存性多路径算法。设业务r(A,D)，所需带宽大小为10，保护带宽位1，若使用多路径传输，q＝0.8。如图6(a)所示，若路径A-C-D和A-B-D上工作频隙都是5，那么两条路径上均可以提供3个频隙作为共享频隙。如图6(b)中所示，若A-C-D上工作频隙为3，A-E-D上工作频隙为3，A-B-D上工作频隙是4，那么路径A-C-D和A-E-D上剩余的1个频隙可以用做共享带宽。

附图7和附图8是Step 6中保护路径重配置过程中频谱状态示意图。在动态的网络环境中，随着业务动态的建立与释放，保护路径频谱分配过程存在以下两种情况：1.最优路径无法满足频谱连续性和一致性，采用次优路径进行频谱分配；2.业务的保护频谱未必一直实现最大化共享带宽。

对工作路径进行带宽重配置的话，会影响业务的正常传输。鉴于保护路径通常不传输业务，本发明提出一种保护带宽重配置策略，选择对保护路径进行重配置。针对存在的两种情况，本发明采用相应的触发机制：网络中业务发生阻塞时进行重配置。当触发重配置机制时，首先判断业务r是否存在较优的保护路径(带宽分配满足)。若存在一条可用保护路径消耗更少的空闲保护频隙，那么重配置保护路径到最优路径上，从而改进情况1的缺陷。若没有，判断当前保护路径上是否存在一种频谱分配方式，可以最大化共享保护带宽数目，从而减少所需空闲频隙数目，若是，改变保护频谱分配范围，改进情况2的不足，最大化共享保护带宽。

(1)情形1

若t₁时刻，存在业务r(A,C,40)，工作路径为A-C，所需频隙数目为3，保护带宽设为1。链路频谱状态如下图7左所示。最短路径A-E-C无法满足业务r保护带宽需求，故选取保护路径A-E-C-D，跳数为3，分配频谱范围index∈[1,4]，可共享保护带宽数目为4，占用空闲频隙为8。随着业务动态接入和随机释放，t₂时刻，链路频谱状态如图7右所示。对于业务r而言，最短路径A-E-C存在满足保护带宽的频谱资源。可以释放路径A-E-D-C的资源，在路径A-E-C上进行保护路径的路由频谱分配，所需频隙数为5，从而减少所消耗的频谱资源，提高了资源利用率。

(2)情形2

若t₂时刻，链路频谱状态如图8所示。最短路径A-E-C仍然无法满足传输要求，但是现有保护路径A-E-D-C上频谱状态发生改变。通过在路径A-E-D-C上重配置保护带宽资源，分配频谱范围index∈[5,8]，可共享保护带宽数目为5，空闲保护频隙占用为6(原来是8)，从而提高保护带宽共享度，减少空闲频谱资源。

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。