一种基于光树分割的最大疏导光树方法与流程

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种基于光树分割的最大疏导光树方法。

背景技术：

随着视频会议、远程学习等一些带宽密集型应用的不断兴起，互联网流量迅速增长，多播作为支持这些应用的关键技术受到研究者的广泛关注。多播是通信网络中将业务发射端的信息复制多份同时传递给多个接收端的一种信息传输技术，即点到多点的通信。为满足网络高带宽需求，相比带宽粒度固定的波分复用(wavelengthdivisionmultiplexing,wdm)光网络，基于相干光正交频分复用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing,ofdm)的弹性光网络因其栅格粒度小，频谱分配灵活等优势，使资源利用率得到了很大的提高，成为极具潜力的下一代光网络。但是，弹性光网络在频谱分配过程中需要满足一致性和连续性约束，一些空闲的频谱资源由于不满足一致性或连续性，致使这些频谱无法得到合理利用，进而导致频谱碎片的产生。面临着高带宽业务增长所带来的巨大挑战和压力，弹性光网络的转发器等资源也日益紧缺。在弹性光网络中，业务的转发需要频繁地通过转发器调制到不同等级的子载波上，这样便造成了转发器的总能耗巨大。多播业务由于有多个接收端，不仅需要消耗更多的转发器资源，同时也引起了网络能耗的增加。现有研究表明，减少收发器的使用是实现绿色路由传输的有效手段。此外，网络中业务间保护频隙占用的额外频谱开销，不仅造成频谱资源的浪费，同时也增大了网络能耗。因此，针对弹性光网络中多播业务，如何设计高效地路由频谱分配策略在优化网络频谱资源的同时降低网络能耗是非常有必要的。

对于点到多点的多播业务路由频谱分配问题，通常是计算一棵满足业务的多播树，并分配合适的频谱资源，优化目标为最小化网络资源或是网络阻塞率等。现有算法提出了将一棵较大的多播树分割为光森林，利用多棵光树完成一个多播业务的请求。由于物理层损伤限制，光树的调制等级取决于光树中最长路由路径对应的调制等级，因此，不得不选用最低的调制等级而导致消耗更多的频谱资源。采用光树分割后，不仅能够利用链路上的频谱碎片，还可以通过调制等级的改变来减小业务所需频隙数，从而提高频谱利用率，降低网络阻塞率。但这种将一棵光树分为多棵子光树的算法会引起保护带宽及收发器数目的增加，造成频谱资源的浪费及网络能耗的增加。

弹性光网络的能耗主要来自路由器、转发器、光交叉连接设备以及光放大器。对于网络绿色节能的研究，大部分文献主要从路由器端口以及转发器入手。综合考虑电域与光域，由于路由器端口能耗相对其他设备比重更大，可采用电疏导以节约路由器端口的使用，但基于节能的电疏导需满足业务同源同宿的条件。而在光域，研究者们主要从转发器入手，达到节能的目的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于光树分割的最大疏导光树方法，用于提高网络频谱利用率，减小网络能耗。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于光树分割的最大疏导光树方法，该方法包括以下步骤：

s1：根据业务请求大小，确定多播业务路由顺序，将业务路由状态设置为0，从已路由业务集合中寻找当前业务的最大疏导光树；

s2：若最大疏导光树能承载当前业务，则建立源节点到剩余目的节点的最短路径树；若不能承载或光树不存在，则将调制格式相同的目的节点划分为一棵子光树，并计算加入剩余目的节点前后子光树消耗频隙数大小，判定是否加入该目的节点。

s3：为业务进行路由频谱分配。

进一步，所述s1具体方法为：

s101：为所有多播业务计算最短路径树作为其初始光树；

s102：根据业务初始光树确定光树调制格式，联合考虑业务物理跳数和请求频隙数，计算光树成功传输时消耗的总频隙数，并降序排序，将业务路由状态设置为0；

s103：从已路由的业务集合中寻找与当前多播请求的源节点相同但目的节点不完全相同的光树集合，从该集合中找出目的节点数相同最多的光树作为该多播请求的最大疏导光树。

进一步，所述s2具体方法为：

若最大疏导光树能承载当前业务，则更新其初始光树为最大疏导光树；从业务目的节点集合中删除最大疏导光树中的目的节点，判断剩余目的节点集合是否为空；若为空，则更新业务初始光树为路由光树，并将路由状态设置为1；若不为空，则建立源节点到剩余目的节点的最短路径树，并加入其初始光树集合，更新业务初始光树为路由光树，并将路由状态设置为1；

若最大疏导光树不能承载或光树不存在，则根据源节点到每个目的节点的最短路径，计算每个目的节点对应的最高调制等级，将调制等级相同的目的节点划分为一棵子光树；分别计算剩余目的节点加入该子光树后消耗的频隙数；若不大于加入前子光树消耗的频隙数，则加入该目的节点，将生成的子光树加入业务初始光树集合；判断该子光树是否包含所有目的节点；若包含，则更新该子光树为路由光树，并将路由状态设置为1；若不包含，则建立源节点到剩余目的节点的最短路径树，加入业务初始光树集合，更新业务初始光树为路由光树，并将路由状态设置为1。

进一步，所述最大疏导光树需满足以下公式：

ε＝max|d|,d＝di∩dr

其中，sr为已路由业务r的源节点，为二进制变量；当表示业务mri存在最大疏导光树，当表示不存在最大疏导光树；ε表示业务mri与已路由业务r相同的目的节点数最多的光树；两式表示在满足约束条件下，最大化可疏导光树。

进一步，所述s3具体方法为：

在为业务分配频谱时，判断是否有业务疏导在该业务上；若有，为当前业务路由光树中的新建光树寻找满足其需求的空闲频谱块，并进行频谱分配，若分配成功，则从业务组的路由光树中获取其最大疏导光树，寻找该最大疏导光树上满足业务组总的需求的可用频谱块，为最大疏导光树进行频谱分配；若没有，为当前业务路由光树寻找满足其需求的空闲频谱块，选择频隙索引值低的频谱块进行频谱分配。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种基于光树分割的最大疏导光树方法，通过采用基于光树分割的光树疏导方法，为多播业务寻找最大疏导光树，提高光树共享度的同时提高网络的频谱利用率；若找到的最大疏导光树不能承载当前业务或光树不存在，则根据目的节点调制格式不同，动态地进行子光树划分，在提高资源利用率的同时降低网络能耗。本发明提供一种基于光树分割的最大疏导光树方法，能够有效提高频谱利用率，减小网络能耗。

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为网络拓扑例图；

图2为链路频谱使用情况图；

图3为光树示意图；

图4为不考虑光树疏导的频谱分配示意图；

图5为考虑光树疏导的频谱分配示意图；

图6为基于调制等级的目的节点划分示意图；

图7为本发明的总流程图；

图8为本发明的频谱分配流程图。

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。

如附图1所示的网络拓扑及每条链路的频谱使用情况，假定网络中有三个多播业务mr1{1,{3,5},2}，mr2{4,{5},1}和mr3{1,{5},1}。对于业务mr1而言，1为源节点，{3,5}为目的节点集合，2为请求频隙数。通过最短路径树算法为mr1，mr2和mr3构建的光树如附图3(a),(b),(c)所示。为提高网络吞吐量，尽可能服务多的业务，首先按照业务大小进行排序，这里定义业务mri的大小计算公式为：

sreq＝numlink×(ni+ngb)(1)

其中，ni为业务需要的频隙数，ngb为保护带宽，numlink表示为业务所建的光树的总链路数。

由于mr1和mr2均无满足条件的已路由光树能让其疏导，故选用最短路径树为其路由路径。再为第三个业务mr3构建路由路径，若不采用光树疏导时，为mr3构建新的最短路径树如附图3(c)，则三个业务消耗的总频隙数为：(2+2)×3+(1+2)×2+(1+2)×2＝24，消耗的总的收发器数目为：3+2+2＝7，此处考虑保护频隙数为2个频隙。由于mr1和mr3有相同的源节点，且有部分目的节点相同，可以通过光树分割疏导策略为业务mr3建立最大疏导光树。结合该实例说明本发明所述方法中的基于光树分割的高效节能最大疏导光树策略，通过上述方法为mr3寻找最大疏导光树，将mr1的光树分割为两棵子光树{1,{5},2}和{1,{3},2}，则根据公式(1)和(2)可知子光树{1,{5},2}即为mr2寻找最大疏导光树，将mr2疏导在子光树{1,{5},2}上，虽然mr1会由于业务分割多消耗一个收发器，但却避免了不必要的频谱消耗，此时三个业务消耗的总的频隙数为：(3+2)×2+(2+2)×1+(1+2)×2＝18，总的收发器数为6。若不采用光树分割策略，直接将mr3疏导在mr1上，此时三个业务消耗的总的频隙数为：(3+2)×3+(1+2)×2＝19，总的收发器数为3+2＝5，该方法虽然能够减少收发器消耗，但mr3还需复制一份信息节点3，这无疑增加了网络频谱消耗。图2为链路频谱使用情况图。

通过光树分割疏导，可以有效避免不必要的频谱浪费。在确定业务路由顺序后，为业务从已路由业务中寻找最大疏导光树。首先从已路由光树中找出能够承载当前业务的最大疏导光树，将业务进行分割疏导，以提高光树的共享度并减少收发器消耗。业务mri的最大疏导光树需满足：

ε＝max|d|,d＝di∩dr(3)

其中，为二进制变量，当业务的最大疏导光树存在时，该变量取值为1；否则，取值为0。si,di分为当前多播业务的源节点和目的节点；sr,dr分为已路由业务的源节点和目的节点；ε表示业务mri与已路由业务r相同的目的节点数最多。式(2)和(3)表示在满足约束条件

下，最大化可疏导光树，即尽可能多地共享转发器资源，节约可疏导光树上的子载波数目。

在频谱分配过程中，为了避免频谱碎片化，会将新业务安置在已占用的频谱位置旁。但是采用光疏导后，如果依然采用这种频谱分配，就会造成频谱分配失败。因为光疏导将多个业务疏导到一个收发器中进行传输，也就是将多个子光路聚合为一个光通道，为这个光通道中的业务分配频谱时，不仅要满足子光路内的频谱连续性和一致性约束，还要满足子光路间的频谱连续性和一致性约束，子光路间的约束条件使得频谱分配成功的概率大大降低。假定不进行光树疏导，根据附图4的频谱使用情况，依次为mr1，mr2和mr3分配频谱，如附图4所示消耗的总频隙数为22，此时不用考虑mr1，mr2和mr3的频谱分配顺序，按照初始排序顺序即可。若要进行疏导，将mr3疏导在mr1上，则需将可疏导一起的业务一起进行频谱分配。先为mr1和mr3进行频谱分配，再为mr2进行频谱分配，如附图5所示。

若找到的最大疏导光树不能承载当前业务或光树不存在，则根据源节点到每个目的节点的最短路径，计算每个目的节点对应的最高调制等级，将调制等级相同的目的节点加入集合n中，并组成一棵子光树t。对于任一目的节点d(且d∈di)，若加入目的节点d后光树消耗的频隙数不大于加入前子光树t消耗的频隙数，则加入该目的节点d，以避免过多的光树分割，并建立源节点到剩余目的节点的最短路径树。

如附图6所示，多播请求从源节点s需要到达目的节点{d1,d2,d3}，请求速率为100gb/s，假定每个频隙大小为12.5ghz，每个业务需要1个频隙大小的保护带宽。根据光路物理距离，路径a-b-e和路径a-b-d可采用的最高调制等级为8qam，路径a-c可采用的最高调制等级为16qam。如图6(a)所示，假定采用单棵光树服务该业务，则需要4个频隙，而路径a-c上由于没有足够的频隙而导致该多播业务被阻塞。若将单棵光树划分为多棵子光树来服务该请求，如图6(b)所示，子光树1包含目的节点d2和d3，该子光树可采用的调制格式为8qam，所需频隙数为4；子光树2包含目的节点d1，该子光树可采用的调制格式为16qam，所需频隙数为3，此时，该多播请求可被成功传输。

进一步，通过设计最终的优化目标，尽量减少业务消耗的收发器数目及子载波数目，实现在提高网络频谱利用率的同时优化光树能耗。最终优化目标为：

其中，jr代表业务ri与已路由业务r之间最大可疏导光树的链路数目，j表示业务ri初始光树上总的链路数。

下面将结合附图7对本发明的基于光树分割的高效节能最大疏导光树策略进行更为详细的介绍，具体流程可分为下面几个步骤：

s1：初始化网络拓扑，并产生多播业务矩阵。为多播业务构建最短路径树做为初始光树，根据公式(1)计算出每个业务大小sreq，将业务按消耗频隙数大小降序排列并标号，依次插入链表l中，转s2；

s2：为每个业务构建优先调度表，并将业务的路由状态设置为0，转s3；

s3：从链表l中取出业务mri，为业务寻找路由路径，转s4；

s4：从已路由业务集合中寻找当前业务的最大疏导光树。若找到，且该疏导光树能够承载mri，转s5；若没有找到，转s7；

s5：将当前业务标号记录到已路由业务优先调度表中，从业务目的节点集合中删除最大疏导光树对应的目的节点，更新当前业务的初始光树为最大疏导光树。若mri的目的节点集为空，更新其初始光树为路由光树，将路由状态设为1，转s8；否则，转s6；

s6：构建源节点到剩余目的节点的最短路径树，并加入初始光树集合，更新当前业务的初始光树为路由光树，并将业务的路由状态设为1，转转s8；

s7：计算源节点到每个目的节点最短路径所对应的调制等级，将调制等级相同的目的节点组成一棵子光树。对于剩余的目的节点，分别计算加入该子光树后消耗的频隙数，若加入该目的节点后子光树消耗的频隙数不大于加入前子光树消耗的频隙数，则加入该目的节点。并更新mri的初始光树为该子光树，若子光树包含所有的目的节点，更新其初始光树为路由光树，并将当前业务的路由状态设为1，转s8；否则，转s6；

s8：当前业务是否为链表l中最后一个业务，若是，转s9；否则，转s3；

s9：从链表l第一个业务开始，依次为链表中业务进行频谱分配，转s10；

s10：取出链表l中业务，为业务进行频谱分配。若分配成功，转s11；否则，阻塞该业务，转s11。

s11：当前业务是否为链表l中最后一个业务，若是，算法结束；否则，转s10。

在为业务分配频谱时，判断是否有业务疏导在该业务上，若有，为当前业务路由光树中的新建光树寻找满足其需求的空闲频谱块，并进行频谱分配，若分配成功，则从业务组的路由光树中获取其最大疏导光树，寻找该最大疏导光树上满足业务组总的需求的可用频谱块，为最大疏导光树进行频谱分配；若没有，为当前业务路由光树寻找满足其需求的空闲频谱块，选择频隙索引值低的频谱块进行频谱分配。下面将结合附图8对基于光树分割的高效节能最大疏导光树策略的频谱预分配算法进行更为详细的介绍，具体流程可分为下面几个步骤：

s101:初始化网络频谱资源。用数组z_slot[v][v][f]记录每条链路上的频谱使用情况，初始化数组z_slot的值为1，表示该频隙可用；

s102:依次从链表ll中取出业务mri，是否有疏导在该光树上的业务。若有，从mri路由光树中获取新建光树，寻找该新建光树上满足mri需求的空闲频谱块，选择频隙索引值最小的频谱块为业务进行频谱分配；

s103:若频谱分配成功，记录分配的频隙标号，并将z_slot中相应链路上频隙标号对应的数组元素值置为0，转s104；否则，阻塞该业务，转s105；

s104:从mri路由光树中获取最大疏导光树，寻找该最大疏导光树上满足可疏导业务总的需求的空闲频谱块，选择频隙索引值最小的频谱块为业务进行频谱分配。记录分配的频隙标号，并将z_slot中相应链路上频隙标号对应的数组元素值置为0；

s105:当前业务为链表ll中最后一个业务，若是，算法结束；否则，算法转到s102。

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。