面向网络编码使能的弹性光组播网络的路由频谱分配方法与流程
本发明方法属于光网络资源优化领域，尤其涉及一种引入网络编码的弹性光组播网络中的资源优化方法，具体是一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的多路径路由频谱分配方法。
背景技术：
随着宽带网络的飞速发展和多样化的新型应用服务不断涌现，网络业务流量需求呈现爆炸性的增长。与此同时，支持IPTV、远程教育、视频会议等的新型的组播通信服务正不断需要满足越来越多用户的需求，导致组播业务量在整个数据业务中所占的比重不断增加，且用户对高质量组播服务的要求也对网络带宽提出了严峻挑战。这就需要提出一种高效地利用网络资源的方法，以满足用户多样化、高带宽的组播需求。全光组播技术的应用将有效克服传统的光电光转换瓶颈，以其独有的宽带宽和高速率传输能力能够有力支撑组播业务。同时将网络编码技术引入到全光组播网络中，能够进一步提高组播网络的传输效率、容量和健壮性，为高带宽组播问题研究提供一种有效的解决方法。因此，本发明提出一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的多路径路由频谱分配方法，面对用户不断提高的个性化宽带组播业务的需求，建立高效灵活的基于网络编码的多路径弹性资源优化方法支持不同粒度的组播业务。
从相关文献和现有技术中可知，目前对弹性光网络中的路由频谱分配方法大多针对单播业务，如基于非间隔频谱的路由频谱分配方法，利用建路时动态建拆路造成的频谱碎片来优化网络性能；适用于未来灵活频谱光网络中多等级业务的传输需求以及网络能源消耗需求的路由频谱分配方法；通过间接考虑物理损伤影响的一种灵活光网络中调制格式自适应的路由和频谱分配方法。有少部分涉及组播业务在弹性光网络中传输的特殊性，如一种灵活网格光网络的多点到多点组播业务光疏导方法，但当前尚未有解决组播业务在网络编码使能的弹性光网络中的弹性资源优化的具体详细实现方案。因此，本发明提出的一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的多路径路由频谱分配方法，在对于多种组播业务时，提出了两种业务执行顺序策略。选用与本专利不同的方法，如一种cwmn中资源节约的分布式组播与频谱分配方法；一种认知无线Mesh网络中的最小花费组播路由方法，并采用多路径方法建立组播树，对有限的弹性光网络资源的利用率和均衡性均未达到最优方案。发明人在实现本发明的过程中发现在面向网络编码使能的弹性光组播网络的资源优化技术，在频谱资源利用率方面有待解决。
技术实现要素：
本发明提供了一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的多路径路由频谱分配方法，该方法采用层图方法对组播业务进行路由计算，在弹性光网络频谱连续性和频谱一致性的约束下，找到一组满足组播业务频谱资源请求的层图集合；进一步，在端到端传输时延和组播间差分时延约束下，建立拓扑结构为网络编码组播树的路由路径。
为了实现上述的发明目的，本发明采用如下的技术方案：
一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的多路径路由频谱分配方法，解决了组播业务在网络编码使能的弹性光组播网络中传输特殊性的问题，对于每一个组播请求业务，应用集成的路由频谱分配策略模块。在弹性光网络频谱连续性和频谱一致性的约束下，找到一组满足组播业务频谱资源请求的层图集合，并筛选出实现组播业务源节点到目的节点集成功传输的层图；基于该层图为组播业务进行路由计算，建立拓扑为网络编码组播树的路由结构，实现源节点和目的节点集间的连接。当多种组播业务请求通过网络时，应用两个组播业务的排序策略模块，分别是考虑时间因素的排序策略模块和最大请求频谱优先的排序策略模块。
一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的多路径路由频谱分配方法包括以下步骤：
步骤101：对多个请求分配弹性光网络频谱资源的组播业务，对组播请求逐一按需分配频谱资源；
步骤102：初始化弹性光网络中频隙使用状态的指示函数的集合和业务占用频隙数目的存储函数；
步骤103：针对在基于网络编码的弹性光网络中传输的每一个组播业务，进行集成的路由和频谱分配；
步骤104：在弹性光网络中频谱连续性和频谱一致性的约束下，对于每一个组播业务，找出满足组播业务频隙请求的层图集合；
步骤105：基于步骤104获得的层图集合，筛选出满足网络编码组播业务源节点到目的节点集可到达的层图；
步骤106：在筛选出的层图中，在满足网络编码组播树建树原则、具有潜在网络编码功能的中间节点最小、端到端传输时延约束和组播间最大差分时延约束下，对于每一个源、目的节点对si→di,k(di,k∈Di)建立w条链路不相容的并行路径，其中，di,k表示第i个组播业务的的第k个目的节点，si为源节点，Di为目的节点集；
步骤107：对Di＝{di,k}中剩余的目的节点，重复步骤106，建立在上述约束条件下的si→di,k间的连接，直至Di＝{di,k}的所有目的节点均完成与源节点的连接；
步骤108：在组播业务的网络编码组播树建立后，初始化层图集合存储模块；
步骤109：对剩余的组播业务进行集成的路由和频谱分配，重复步骤103至步骤108，直至所有的组播业务完成对弹性光网络频谱资源的分配请求；
步骤110：计算所有请求组播业务占用的频谱资源的总量。
作为优选，，步骤101中，应用考虑时间因素的排序策略模块和最大请求频谱优先的排序策略模块，对组播请求逐一按需分配频谱资源，其中，考虑时间因素的排序策略模块，用于在处理多个业务执行顺序时，同时考虑请求频隙数目和业务到达时刻和业务最迟离开网络的时刻；最大请求频谱优先的排序策略模块，用于优先处理请求频隙数目最大的组播业务。
作为优选，，所述的步骤103中，在网络编码组播传输方式中，请求业务信息是经过多条链路不相容的并行路径由源节点传送到同一目的节点，当数据流经由相同的中间节点传输时，将经由同一节点的多路数据流通过编码处理合并为一路数据流，并占用同一链路传送到下一节点；设将组播业务的链路不相容的并行传输链路数目w设置为w≥2，则对于任一组播业务Ri，每一条并行链路上请求占用的频隙数目为ni/w。
作为优选，，步骤104中采用层图方法，找出满足组播业务频隙请求ni/w的层图集合，其中，层图方法为在弹性光网络的频谱连续性和一致性约束下，找到所有满足频隙请求数目的链路组成的子层图集合，在网络编码组播树中，若请求的频隙数目为ni/w，则子层图的个数为(F-ni/w+1)，其中F表示光纤链路上频隙数目的最大容量。
作为优选，所述的步骤104中，在建立的这些层图集合中，并不一定会实现组播业务的源节点到目的节点集间的可到达，还需要继续筛选符合条件的最优的层图。
综上所述，本发明具有以下有点和效果：本方法解决组播业务在网络编码使能的弹性光组播网络中传输的特殊性问题，采用一种集成的路由频谱分配方法，针对每一个组播业务路由与频谱分配是一并进行的，且在路由阶段，网络编码组播树的建立考虑了端到端传输时延约束和组播间差分时延的约束，并且也提出了两种组播业务的排序策略模块。
附图说明
为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显然地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得的更多的附图。
图1是本发明一个实施例提供的考虑时间因素的排序策略模块示意图；
图2是本发明一个实施例提供的网络编码组播树示意图；
图3是本发明一个实施例提供的技术方案步骤附图；
图4是本发明一个实施例提供的Euro networks示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，具体过程如下：
本发明实施例提供一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的多路径路由频谱分配方法，包括以下步骤：
步骤101：对多个请求分配弹性光网络频谱资源的组播业务，根据排序策略模块对组播请求逐一按需分配频谱资源，分别是考虑时间因素的排序策略模块和最大请求频谱优先的排序策略模块，其中，考虑时间因素的排序策略模块，用于处理多个业务执行顺序时，同时考虑请求频隙数目和业务到达时刻和业务最迟离开网络的时刻，详见图1，最大请求频谱优先的排序策略模块，用于优先处理请求频隙数目最大的组播业务；
步骤102：初始化模块，用于初始化弹性光网络中频隙使用状态的指示函数的集合，和业务占用频隙数目的存储函数；
步骤103：针对在基于网络编码的弹性光网络中传输的每一个组播业务Ri＝{si,Di,Ti,ni}，其中，si为第i个组播业务的源节点，Di为业务的目的节点集合，ni为请求的频隙数目，进行集成的路由和频谱分配策略模块；
其中，所述的步骤103中，在网络编码组播传输方式中，请求业务信息是经过多条链路不相容的并行路径由源节点传送到同一目的节点，当数据流经由相同的中间节点传输时，将经由同一节点的多路数据流通过编码处理合并为一路数据流，并占用同一链路传送到下一节点。这里将组播业务的链路不相容的并行传输链路数目w设置为w≥2，则对于任一组播业务Ri，每一条并行链路上请求占用的频隙数目为ni/w；
步骤104：在弹性光网络中频谱连续性和频谱一致性的约束下，对于每一个组播业务Ri，运用层图方法，找出满足组播业务频隙请求ni/w的层图集合，层图中的链路权重为传输时延。其中，层图方法为在弹性光网络的频谱连续性和一致性约束下，找到所有满足频隙请求数目的链路组成的子层图集合，在网络编码组播树中，若请求的频隙数目为ni/w，则子层图的个数为(F-ni/w+1)，其中F表示光纤链路上频隙数目的最大容量。
其中，所述的步骤104中，在建立的这些层图集合中，并不一定会实现组播业务的源节点到目的节点集间的可到达，还需要继续筛选符合条件的最优的层图；
步骤105：基于步骤104获得的层图集合，筛选出满足网络编码组播业务源节点si到目的节点集Di可到达的层图；
步骤106：在筛选出的层图中，在满足网络编码组播树建树原则、具有潜在网络编码功能的中间节点最小、端到端传输时延约束和组播间最大差分时延约束下，对于每一个源、目的节点对si→di,k(di,k∈Di)建立w条链路不相容的并行路径，其中di,k表示第i个组播业务的的第k个目的节点；
步骤107：对Di＝{di,k}中剩余的目的节点，重复步骤106，建立在上述约束条件下的si→di,k间的连接，直至Di＝{di,k}的所有目的节点均完成与源节点si的连接。
步骤108：在组播业务Ri的网络编码组播树建立后，详见图2，初始化层图集合存储模块；
步骤109：应用考虑时间因素的排序策略模块或最大请求频谱优先的排序策略模块，依次对剩余的组播业务进行集成的路由和频谱分配，重复步骤103至步骤108，直至所有的组播业务Ri,i∈I完成对弹性光网络频谱资源的分配请求，其中I为组播业务的数目集合；
步骤110：计算所有请求组播业务占用的频谱资源的总量。
图3是本发明一个实施例，提供的一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的路由频谱方法流程图，实施例应用的网络场景为Euro networks网络，网络示意图如图4所示，执行的步骤依次是：
步骤101：对2个请求分配弹性光网络频谱资源的组播业务Ri＝{si,Di,Ti,ni},i∈{1,2}，其中源、目的节点均服从均匀分布随机生成，s为单源节点，D为容纳两个目的节点的集合，应用考虑时间因素的排序策略模块，对组播请求逐一按需分配频谱资源，分别执行任意两个组播请求业务R1和R2，其中，考虑时间因素的排序策略模块，用于在处理多个业务执行顺序时，同时考虑请求频隙数目和业务到达时刻和业务最迟离开网络的时刻；
步骤102：初始化Euro networks(详见图4)中频隙使用状态的指示函数的集合i,j∈[1,n],k∈[1,F]，n为Euro networks的节点数目(n＝28)，F为链路上容纳的最大频隙数目(F＝358)，同时初始化业务占用频隙数目的存储函数；
步骤103：针对在基于网络编码的弹性光网络中传输的每一个组播业务Ri＝{si,Di,Ti,ni}，进行集成的路由和频谱分配。需要指出的是，在网络编码组播传输方式中，请求业务信息是经过多条链路不相容的并行路径由源节点传送到同一目的节点，当数据流经由相同的中间节点传输时，将经由同一节点的多路数据流通过编码处理合并为一路数据流，并占用同一链路传送到下一节点。这里将组播业务的链路不相容的并行传输链路数目设置为w＝2，则对于任一组播业务Ri，每一条并行链路上请求占用的频隙数目为ni/w；
步骤104：在弹性光网络中频谱连续性和频谱一致性的约束下，对于每一个组播业务Ri，运用层图方法，找出满足组播业务频隙请求ni/w的层图集合，层图中的链路权重为传输时延。其中，层图方法为在弹性光网络的频谱连续性和一致性约束下，找到所有满足频隙请求数目的链路组成的子层图集合，在网络编码组播树中，若请求的频隙数目为ni/w，则子层图的个数为(F-ni/w+1)。在这些层图中，并不一定会实现组播业务的源节点到目的节点集间的可到达；
步骤105：基于步骤104获得的层图集合，筛选出满足网络编码组播业务源节点si到目的节点集Di可到达的层图；
步骤106：在筛选出的层图中，在满足网络编码组播树建树原则、具有潜在网络编码功能的中间节点最小、端到端传输时延约束和组播间最大差分时延约束下，对于每一个源、目的节点对si→di,k(di,k∈Di)建立w条链路不相容的并行路径，具体是在si和di,k之间每建立一条路径后，将选入网络编码组播树的链路权值设置为无穷大，并将占用频隙的使用状态指示函数设置为已使用；
步骤107：对Di＝{di,k}中剩余的目的节点，重复步骤106，建立在上述约束条件下的si→di,k间的连接，直至Di＝{di,k}的所有目的节点均完成与源节点si的连接。
步骤108：在组播业务Ri的网络编码组播树建立后，详见图2，初始化层图集合存储空间；
步骤109：根据考虑时间因素的排序策略模块或最大请求频谱优先的排序策略模块，依次对剩余的组播业务进行集成的路由和频谱分配，重复步骤103至步骤108，直至所有的组播业务Ri,i∈I完成对弹性光网络频谱资源的分配请求；
步骤110：计算所有请求组播业务消耗的频谱资源。
图3是本发明一个实施例，提供的一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的路由频谱方法流程图，实施例应用的网络场景为大范围随机网络(网络节点数目为300)，执行的步骤依次是：
步骤101：对n个请求分配弹性光网络频谱资源的组播业务Ri＝{si,Di,Ti,ni},i∈{1,n}，其中源、目的节点均服从均匀分布随机生成，s为单源节点，D为容纳目的节点的集合，根据考虑时间因素的排序策略模块，对组播请求逐一按需分配频谱资源，其中，考虑时间因素的排序策略是在处理多个业务执行顺序时，同时考虑请求频隙数目和业务到达时刻和业务最迟离开网络的时刻；
步骤102：初始化模块，用于初始化大范围随机网络(网络节点数目为300)中频隙使用状态的指示函数的集合i,j∈[1,n],k∈[1,F]，n为随机网络的节点数目(n＝300)，F为链路上容纳的最大频隙数目(F＝358)，同时初始化业务占用频隙数目的存储函数；
步骤103：针对在基于网络编码的弹性光网络中传输的每一个组播业务Ri＝{si,Di,Ti,ni}，进行集成的路由和频谱分配。需要指出的是，在网络编码组播传输方式中，请求业务信息是经过多条链路不相容的并行路径由源节点传送到同一目的节点，当数据流经由相同的中间节点传输时，将经由同一节点的多路数据流通过编码处理合并为一路数据流，并占用同一链路传送到下一节点。这里将组播业务的链路不相容的并行传输链路数目设置为w＝2，则对于任一组播业务Ri，每一条并行链路上请求占用的频隙数目为ni/w；
步骤104：在弹性光网络中频谱连续性和频谱一致性的约束下，对于每一个组播业务Ri，运用层图方法，找出满足组播业务频隙请求ni/w的层图集合，层图中的链路权重为传输时延。其中，层图方法为在弹性光网络的频谱连续性和一致性约束下，找到所有满足频隙请求数目的链路组成的子层图集合，在网络编码组播树中，若请求的频隙数目为ni/w，则子层图的个数为(F-ni/w+1)。在这些层图中，并不一定会实现组播业务的源节点到目的节点集间的可到达；
步骤105：基于步骤104获得的层图集合，筛选出满足网络编码组播业务源节点si到目的节点集Di可到达的层图；
步骤106：在筛选出的层图中，在满足网络编码组播树建树原则、具有潜在网络编码功能的中间节点最小、端到端传输时延约束和组播间最大差分时延约束下，对于每一个源、目的节点对si→di,k(di,k∈Di)建立w条链路不相容的并行路径，具体是在si和di,k之间每建立一条路径后，将选入网络编码组播树的链路权值设置为无穷大，并将占用频隙的使用状态指示函数设置为已使用；
步骤107：对Di＝{di,k}中剩余的目的节点，重复步骤106，建立在上述约束条件下的si→di,k间的连接，直至Di＝{di,k}的所有目的节点均完成与源节点si的连接。
步骤108：在组播业务Ri的网络编码组播树建立后，详见图2，初始化层图集合存储空间；
步骤109：应用考虑时间因素的排序策略模块或最大请求频谱优先的排序策略模块，依次对剩余的组播业务进行集成的路由和频谱分配，重复步骤103至步骤108，直至所有的组播业务Ri,i∈I完成对弹性光网络频谱资源的分配请求；
步骤110：计算所有请求组播业务消耗的频谱资源。
图3是本发明一个实施例，提供的一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的路由频谱方法流程图，实施例应用的网络场景为小范围随机网络(网络节点数目为60)，执行的步骤依次是：
步骤101：对n个请求分配弹性光网络频谱资源的组播业务Ri＝{si,Di,Ti,ni},i∈{1,n}，其中源、目的节点均服从均匀分布随机生成，s为单源节点，D为容纳目的节点的集合，应用考虑时间因素的排序策略模块，用于对组播请求逐一按需分配频谱资源，其中，考虑时间因素的排序策略是在处理多个业务执行顺序时，同时考虑请求频隙数目和业务到达时刻和业务最迟离开网络的时刻；
步骤102：初始化模块，用于初始化小范围随机网络(网络节点数目为60)中频隙使用状态的指示函数的集合i,j∈[1,n],k∈[1,F]，n为随机网络的节点数目(n＝60)，F为链路上容纳的最大频隙数目(F＝358)，同时初始化业务占用频隙数目的存储函数；
步骤103：针对在基于网络编码的弹性光网络中传输的每一个组播业务Ri＝{si,Di,Ti,ni}，进行集成的路由和频谱分配。需要指出的是，在网络编码组播传输方式中，请求业务信息是经过多条链路不相容的并行路径由源节点传送到同一目的节点，当数据流经由相同的中间节点传输时，将经由同一节点的多路数据流通过编码处理合并为一路数据流，并占用同一链路传送到下一节点。这里将组播业务的链路不相容的并行传输链路数目设置为w＝2，则对于任一组播业务Ri，每一条并行链路上请求占用的频隙数目为ni/w；
步骤104：在弹性光网络中频谱连续性和频谱一致性的约束下，对于每一个组播业务Ri，运用层图方法，找出满足组播业务频隙请求ni/w的层图集合，层图中的链路权重为传输时延。其中，层图方法为在弹性光网络的频谱连续性和一致性约束下，找到所有满足频隙请求数目的链路组成的子层图集合，在网络编码组播树中，若请求的频隙数目为ni/w，则子层图的个数为(F-ni/w+1)。在这些层图中，并不一定会实现组播业务的源节点到目的节点集间的可到达；
步骤105：基于步骤104获得的层图集合，筛选出满足网络编码组播业务源节点si到目的节点集Di可到达的层图；
步骤106：在筛选出的层图中，在满足网络编码组播树建树原则、具有潜在网络编码功能的中间节点最小、端到端传输时延约束和组播间最大差分时延约束下，对于每一个源、目的节点对si→di,k(di,k∈Di)建立w条链路不相容的并行路径，具体是在si和di,k之间每建立一条路径后，将选入网络编码组播树的链路权值设置为无穷大，并将占用频隙的使用状态指示函数设置为已使用；
步骤107：对Di＝{di,k}中剩余的目的节点，重复步骤106，建立在上述约束条件下的si→di,k间的连接，直至Di＝{di,k}的所有目的节点均完成与源节点si的连接。
步骤108：在组播业务Ri的网络编码组播树建立后，详见图2，初始化层图集合存储空间；
步骤109：应用考虑时间因素的排序策略模块或最大请求频谱优先的排序策略模块，依次对剩余的组播业务进行集成的路由和频谱分配，重复步骤103至步骤108，直至所有的组播业务Ri,i∈I完成对弹性光网络频谱资源的分配请求；
步骤110：计算所有请求组播业务消耗的频谱资源。
本发明的一种面向网络编码使能的弹性光组播网络的路由频谱分配方法，该方法采用层图方法对组播业务进行路由计算，在弹性光网络频谱连续性和频谱一致性的约束下，找到一组满足组播业务频谱资源请求的层图集合；进一步，在端到端传输时延和组播间差分时延约束下，建立拓扑结构为网络编码组播树的路由路径。其中请求的组播业务从源节点经过多条链路不相容的路径传送到各个目的节点，经由具有网络编码功能的中间节点时，网络编码节点可以对流经的信息进行编码运算。本方法在处理多个组播业务请求时，应用了两种多组播业务的排序策略模块，分别是考虑时间因素的排序策略模块和最大请求频谱优先的排序策略模块。
综上所述，仅是本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在本发明揭露的方法和技术范围内，可以做出许多可能的变化或替换，因此，凡是未脱离本发明方法的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改及等同变化，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。
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