一种减少频谱碎片和时延的任播业务资源分配方法与流程

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种减少频谱碎片和时延的任播业务资源分配方法。

背景技术：

近年来，在数据中心互联网络中，随着云计算、移动应用、网络视频、cdns(contentdeliverynetwork,内容分发网络)等低时延的新型网络应用不断普及，网络的带宽需求呈现几何式增长。cisco公司的研究报告指出：在过去的五年中，全球的ip(internetprotocol,因特互联网协议)请求以超过四倍的速度增长，并且今后还会高速增长。到目前为止全球有超过500000个数据中心，并以每年32％的速度增长。到2018年时全球的ip请求将超过1.4zb(1zb＝1024b，zb：zettabyte，泽字节)；并且，对时延敏感的网络视频和cdns等业务将占其中的近85％。当用户发出请求后，数据中心网络会根据网络资源情况选择一个合适的数据中心提供服务，并能够以低时延将处理后的时延敏感型数据返回给用户，如果时延过大，会降低网络性能和用户体验。为了保证这类业务的传输性能，提高资源的利用率，任播这种只有一个源节点，能够从多个候选目的节点中选择最合适的一个为其提供服务的业务模型，引起了人们的广泛关注。任播业务是数据中心网络中一种非常有效地业务传输方式，一个业务可以被分布在网络中的多个数据中心提供服务，很好地支持了数据中心间业务的传输，促进了网络视频、cdns等网络应用的发展。

随着数据中心网络规模不断地扩大和流量的不断增长，对有限的带宽资源造成严峻的挑战，因此，满足数据中心大数据服务的传输性能需求，成为数据中心互联光网络一个急需解决的问题。传统的光网络是基于dwdm(densewavelengthdivisionmultiplexing，密集波分复用)技术构建的，其带宽分配粒度很粗糙，通常为50ghz或者100ghz，造成大量的带宽资源浪费，传统的dwdm网络已经不适应数据中心网络的发展。ntt公司的m.jinno等人于2009年提出了一种基于ofdm(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，正交频分复用)技术的带宽分配更加灵活的动态光网络—弹性光网络。弹性光网络的传输容量能够达到tb/s，并且带宽分配粒度为12.5ghz，可以根据业务的传输距离和传输速率的大小自动地选择合适的调制等级，灵活地分配合适的频隙资源。弹性光网络凭借超大容量、高带宽、高能效和灵活性等优势，成为一种强大的物理层技术有效地支持数据中心网络之间的互联，能够很好的满足数据中心间任播业务的传输。但是，由于弹性光网络频谱连续性和一致性的限制，任播业务动态到达与离开，在光路不断建立与拆除的过程中，会使路径的频谱资源呈现碎片化。频谱碎片是指一些较小的、孤立不连续的频谱块，这些频谱碎片不能被后续的业务利用，因此会降低网络的频谱利用率，增加网络的带宽阻塞率。如何有效地减少网络的频谱碎片，降低网络的带宽阻塞率成为弹性光互联数据中心网络亟需解决的问题。

针对弹性光网络频谱碎片问题，研究者们已经做出了许多研究，主要是对网络中已经产生的碎片进行整理，周期性的将正在传输的业务进行重路由和频谱分配，从而将较小的、孤立不连续的频谱碎片相连成较大的频谱块，降低网络的碎片程度和带宽阻塞率。由于碎片整理会周期性的将正在传输的业务进行重路由和频谱分配，因此会中断网络中正在传输的业务，并且对于碎片整理的周期，以及每次对多少业务进行整理等问题没有确切的依据，只能根据经验来确定。

另外一种减少频谱碎片的方法是业务分割，即当网络负载较重，网络中没有可用频谱资源时，将业务分割为几个较小的子业务独立传输，从而提高业务成功传输的机率，降低网络的带宽阻塞率。但是，当单路径上没有足够资源时，各子业务将通过多路径传输。然而，由于业务源节点到数据中心距离不同，因此各子业务到达数据中心并被处理的时间不同，会产生严重的时延差，这将降低网络视频、cdns等低时延的新型网络应用的性能。

因此，设计新的路由与频谱分配策略，减少网络的频谱碎片和业务时延，降低网络的带宽阻塞率，对于弹性光互联数据中心网络，以及整个信息与通信行业的发展都具有非常重要的意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种减少频谱碎片和时延的任播业务资源分配方法，用于减少频谱碎片和业务时延，降低带宽阻塞率，提高频谱利用率。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种减少频谱碎片和时延的任播业务资源分配方法，包括以下步骤：

s1:判断新事件性质；若新事件是新业务r到达，则进行下一步，否则新事件为服务完业务r'离开，则将与r'具有相同源节点，并且资源请求小于r'所释放资源的分割业务进行合并传输；

s2:执行碎片避免的路由频谱分配策略；若分配成功，则进行步骤s1，否则进行下一步；

s3:执行基于碎片避免的单路径业务分割策略；若分配成功，则将分割业务保存到容器vs中，并进行步骤s1，否则进行下一步；

s4:执行基于时延限制的多路径业务分割策略；若分配成功，则将分割业务保存到容器vs中，并进行步骤s1，否则业务阻塞，进行下一步；

s5:判断业务是否传输完成；若未传输完成，则进行步骤s1，否则算法结束。

进一步，所述碎片避免的路由频谱分配策略包括以下步骤：

s201：根据路径长度及业务带宽请求的大小确定业务所需频谱资源；

s202：检查路径剩余频谱资源中是否存在大小正好等于业务所需频谱资源的频谱块；若存在，则将业务分配到该频谱块中；若不存在，则将业务预分配到所有可用频谱块中，并计算相应的路径频谱碎片程度，将业务分配到使路径碎片程度最低的频谱块中。

进一步，所述基于碎片避免的单路径业务分割策略包括以下步骤：

s301：选择剩余资源最多的单路径，将所有可用频谱块从大到小排序，将业务按照前n-1个较大的频谱块的大小进行分割，并将前n-1个子业务分配到对应的频谱块中；

s302：将剩余的第n个子业务预分配到剩余的所有可用频谱块中，并计算相应的路径频谱碎片程度，将第n个子业务分配到使路径碎片程度最低的频谱块中。

进一步，所述基于时延限制的多路径业务分割策略包括以下步骤：

s401：将所有可用路径按照业务分割数n进行排列组合分组，然后计算每组路径中最大长度和最小长度的路径差，选择路径差最小的多路经组合进行频谱分配；

s402：在频谱分配时，首先将n条多路径按照最大剩余频谱块从大到小排序，然后将业务按照前n-1条路径中最大频谱块大小对业务分割，并将子业务分配到对应的最大频谱块中，对于第n个子业务，将其预分配到第n条路径上所有可用频谱块中，并计算相应的路径频谱碎片程度，将第n个子业务分配到使路径碎片程度最低的频谱块中。

本发明的有益效果在于：

本发明能够明显地减少弹性光互联数据中心网络中任播业务的时延和频谱碎片，降低网络的带宽阻塞率，提高网络的频谱利用率。对于弹性光互联数据中心网络，以及整个信息与通信行业的发展都具有非常重要的意义。

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为弹性光互联数据中心网络图；

图2为业务分配不同频谱块后路径频谱碎片程度变化示意图；

图3为业务分割示意图；

图4为多路径分割时延差示意图；

图5为基于碎片避免的单路径业务分割策略示意图；

图6为业务分割多路径传输示意图；

图7为总算法流程图。

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所示为弹性光互联数据中心网络，为本发明的应用场景。弹性光互联数据中心网络的物理拓扑为g(v,e)，v代表节点集合，网络中每个节点都具有bv-wxc(bandwidth-variablewavelength-cross-connect，带宽可变波长交叉连接器)，能够使信号上下路和对信号进行交换转发，e代表链路集合，任意一个链路最大带宽容量用b来表示。网络中有固定的几个数据中心，为业务提供服务，每个数据中心与网络中的交换节点有本地连接，连接数据中心的交换节点为vdc。

任播业务请求表示为r(s,b,c)，源节点为s∈v\vdc，b为带宽请求，单位为频隙，即fs，c为计算资源请求，单位为服务器个数，带宽请求与计算资源请求之间的关系为c＝α×b，其中，α为一个常数。当一个任播业务从源节点产生后，首先计算源节点到各个数据中心的所有可用路径，然后再根据路径中剩余的计算资源和路径所连数据中心剩余的计算资源情况为业务选择最优的路径和数据中心来服务业务。为能够将计算资源和数据中心计算资源联合考虑，以及评价最优路径和数据中心剩余的资源情况，根据m(pk)＝bw(pk)×ck参数来衡量，其中，bw(pk)为第k条候选路径上可用的频谱资源，ck为第k条候选路径所连数据中心的剩余计算资源。m(pk)值越大，则当前路径和数据中心剩余的资源越多，该路径和数据中心就越优。

下面将结合附图2对本发明的碎片避免的路由与频谱分配策略进行说明，使用参数sum(pk)＜b评价路径上的频谱碎片程度，其中，maxblock(pk)为路径pk上最大的可用频谱块，b为路径上总的频隙数，sum(pk)为路径上已占用的频隙数，表示路径上空闲的最大频谱块占路径剩余可用频谱资源的百分比。ef值越大，表明路径的频谱碎片程度越大。在频谱分配时，当业务分配到不同的频谱块时路径的频谱碎片程度不同，如附图2所示为业务分配不同频谱块后路径频谱碎片程度变化示意图，若业务请求需要频谱资源为2fss，路径有3个可用频谱块。如附图2(a)所示，把业务分配到频谱块1后，计算此时路径的频谱碎片程度为ef＝0.625；如附图2(b)所示，把业务分配到频谱块2后，路径的频谱碎片程度降低为ef＝0.375，与附图2(a)相比，将业务分配到频谱块2中，能够使路径的频谱碎片程度降低，而且剩余的频谱块较大，能更好地为后续业务服务；如附图2(c)，如果把业务分配到频谱块3后，路径的频谱碎片程度为ef＝0.375，与附图2(b)相比，虽然将业务分配到频谱块3中没有使路径的频谱碎片程度进一步降低，但不会产生碎片，而附图2(b)中的频谱块2将成为频谱碎片，不能被后续业务使用。三种频谱分配方式相比，很显然附图2(c)中所示方法不但能够降低路径的频谱碎片程度，而且能够避免新的碎片产生。

因此，在频谱分配阶段，首先选择大小正好等于业务请求带宽的频谱块，将业务分配到该频谱块后，不但会降低路径的频谱碎片程度，而且也不会产生新的频谱碎片；如果路径上没有大小正好等于业务请求带宽的频谱块，将业务分配到使路径碎片化程度最低的频谱块，能够有效地降低路径的碎片程度。

碎片避免的路由与频谱分配策略具体流程可分为下面几个步骤：

s101:用dijkstra算法计算源节点到各数据中心的k条候选路径，即pk(k＝1,2,...,k)，并计算各候选路径的参数值m(pk)；

s102:将k条候选路径按m(pk)值从大到小进行排序；

s103:选择m(pk)值最大的候选路径pk，令k＝1，检查最优路径pk上所有频谱块的大小，并检查pk所连数据中心剩余计算资源ck；

s104:如果pk上存在单个可用频谱块，并且pk所连数据中心剩余足够计算资源，则跳到步骤s106，否则k++，并跳到步骤s105；

s105:如果k≤k，则跳到步骤s103，否则跳到步骤s3；

s106:如果pk上存在大小正好等于业务请求带宽的频谱块，则将业务分配到该频谱块中，在数据中心分配计算资源，并跳步骤s1，否则跳到步骤s107；

s107:将业务分别预分配到pk上所有可用频谱块中，并计算相应的路径频谱碎片程度

s108:将按从小到大进行排序；

s109:将业务分配到使最小的频谱块中，在数据中心分配计算资源，并跳到步骤s1；

随着新业务不断到达，网络负载不断增加，网络中很难找到满足业务传输的单个可用频谱块，因此又出现了另一种减少频谱碎片的方法——业务分割。业务分割是指当网络中没有满足业务传输的单个可用频谱块时，将业务分割为几个较小的子业务。将业务分割后对于原来业务不可用的频谱块变为可用资源，各子业务分别选择合适的路径和频谱块，使业务成功传输，降低了网络的带宽阻塞率，提高了网络的频谱利用率。业务分割后，各子业务可通过单路径上不同频谱块传输，当单路径上可用资源不足时，各子业务将通过多路径上不同频谱块传输。如附图3所示为业务分割示意图，由附图3(a)可知，对于业务请求1，路径1上没有可用的单个频谱块，业务阻塞，此时采用业务分割策略，将业务分割为两个较小的频谱块分别在路径1上的频谱块1和频谱块2中传输。由附图3(b)可知，对于业务请求2，路径2和路径3上均没有可用的单个频谱块，此时将业务分割后在两条路径上的不同频谱块传输，增加了业务成功传输的机率。

然而，当业务分割后，子业务通过多路径传输到达不同的数据中心处理时，由于源节点到不同数据中心的路径不尽相同，因此会产生较大的时延差。如附图4所示为多路径分割时延差示意图，当一个任播业务不能被单个数据中心处理，分割成2个子业务由两个数据中心处理时，此时网络中有3条可用路径。由附图4可知，如果两个子业务通过路径1和路径2传输到数据中心1和数据中心2处理，两个子业务之间的路径差为900km；如果两个子业务通过路径1和路径3传输到数据中心2和数据中心3处理，两个子业务之间的路径差为0km；如果两个子业务通过路径2和路径3传输到数据中心2和数据中心3处理，两个子业务之间的路径差为900km。由此可以看出，当任播业务分割后通过多路径传输由多个数据中心处理时，各子业务选择不同的路径，路径差较大，时延也不同。

下面将结合附图5对本发明的基于碎片避免的单路径业务分割策略进行详细介绍，如附图5所示为基于碎片避免的单路径业务分割策略示意图，由附图5知业务所需要带宽为7fss，数据中心计算资源为15，计算资源足够，路径上没有能够传输业务的单个频谱块，但路径上空闲的频谱资源大于业务请求带宽，因此将业务进行单路径分割传输。由于频谱块2、频谱块3和频谱块4的频谱资源大于业务请求带宽，因此将业务分割为3个子业务传输。如附图5(a)和附图5(b)所示，将子业务1和子业务2通过较大频谱块传输后，网络中剩余频谱块1和频谱块4，剩余业务请求带宽为2fss。如果将子业务3分配到频谱块4则会产生频谱碎片，因此将子业务3分配到使路径频谱碎片最低的频谱块1中，然后为业务分配计算资源，业务分割后路径资源和数据中心计算情况如附图5(d)所示。

基于碎片避免的单路径业务分割策略具体流程可分为下面几个步骤：

s201：令k＝1，选择m(pk)值最大的候选路径pk，将路径上的可用频谱块从大到小进行排序；

s202：判断资源是否足够，如果路径上可用频谱块之和大于业务请求带宽，路径所连数据中心剩余计算资源大于业务请求计算资源，则确定业务分割的份数n，并跳到步骤s204，否则k++，并跳到步骤s203；

s203：检查k大小，如果k≤k，则跳到步骤s202，否则跳步骤s4；

s204：将前n-1个子业务分配到路径上前n-1个较大的频谱块中，将第n个子业务预分配到路径上剩余频谱块内，并计算相应的路径频谱碎片程度值将第n个子业务分配到使最小的频谱块内；

s205：为业务分配计算资源，即ck-c，将分割业务保存到集合vs中，并跳到步骤s1。

下面将结合附图6对本发明的基于时延限制的多路径业务分割策略进行更为详细的介绍。在频谱分割份数确定阶段，为了减少业务分割份数，使每条路径能尽量传输更多的业务，本发明采用启发式算法首先将业务分割为2个子业务进行多路径传输，如果2个子业务传输失败，网络碎片化程度较高，则将业务分割为3个子业务传输，依次类推。在弹性光互联数据中心网络中由于数据中心的数目有限，因此业务有最大分割份数，设为nmax，则nmax为数据中心数目与业务以最小分割粒度分割时的份数两者中较小者。确定好业务分割份数后，在路径选择阶段，为了能够选择时延差最小的多路径组合，首先将k条候选路径按照分割的份数n进行排列组合分组，共组，每组n条路径，表示为长度表示为lj＝{l¹,l²,...,lⁿ}，以每组路径集合中最大路径长度和最小路径长度之差δlj表示多路经时延。δlj越大，则路径差越大，时延越严重，选择δlj值最小的多路径传输，能够有效提升时延敏感型业务性能。如附图6所示为业务分割多路径传输示意图，由附图6知三条路径上的频谱资源和计算资源均不能满足业务分割单路径传输，因此将业务通过多路径传输由多个数据中心处理。计算得三条路径的参数值m(pk)分别为m1(p1)＝135、m2(p2)＝20和m3(p3)＝15，由于m1(p1)＞m2(p2)＞m3(p3)，则路径1和路径2上的子业务大小由路径上最大频谱块和数据中心计算资源中较小的决定。如附图3(a)所示，路径1上最大频谱块大小为4，而计算资源大小为12，因此路径1上传输的子业务1频谱资源请求为4fss，计算资源请求为3。类似的，如附图3(b)所示，虽然路径2最大频谱块大小为5，但是数据中心剩余计算资源为2，只能处理2fss的业务带宽请求，因此子业务2频谱资源请求为3fss，计算资源请求为2。当前n-1个子业务大小确定之后，第n个子业务大小为剩余资源请求，则第3个子业务频谱资源请求为2fss，计算资源请求为1。由于第3条路径剩余足够传输子业务3的资源，因此子业务大小确定完毕。为了减少频谱碎片产生，各子业务将通过使路径频谱碎片程度最小的频谱块传输，业务分割多路径传输频谱分配结果如附图6所示。

基于时延限制的多路径业务分割策略总算发具体流程可分为下面几个步骤：

s301:设置业务分割份数n＝2；

s302:将k条候选路径按照业务分割份数n进行排列组合分组，共组，构成路径集合计算每组路径集合的路径差值δlj，将路径集合按照δlj值进行排序，并令j＝1；

s303:选择δlj值最小的路径集合，计算各路径的参数值m(pk)，并将各路径按照m(pk)从大到小排序；

s304:确定参数值较大的前n-1条路径上传输的前n-1个子业务大小；

s305:检查第n个子业务资源请求与第n条路径剩余资源情况，如果第n条路径剩余资源足够，则跳到步骤s308，否则跳到步骤s306；

s306:检查j的大小，如果则跳到步骤s303，否则跳到步骤s307；

s307:检查n的大小，如果n≤nmax，则n++，并跳到步骤s302，否则业务阻塞，并跳步骤s5；

s308:将各子业务分配到使路径碎片程度最小的频谱块内，各数据中心分配对应的计算资源，将分割业务保存到集合vs中，并跳到步骤s1；

下面将结合附图7对本发明一种减少频谱碎片和时延的任播业务资源分配方法进行详细的说明，具体流程可分为下面几个步骤：

s1:判断新事件性质，如果是新业务r到达，则跳到步骤s2，否则新事件为服务完业务r'离开，则将与r'具有相同源节点，并且资源请求小于r'所释放资源的分割业务进行合并传输；

s2:执行碎片避免的路由与频谱分配策略，如果分配成功，则跳到步骤s1，否则跳到步骤s3；

s3:执行基于碎片避免的单路径业务分割策略，如果分配成功，则将分割业务保存到容器vs中，并跳到步骤s1，否则跳到步骤s4；

s4:执行基于时延限制的多路径业务分割策略，如果分配成功，则将分割业务保存到容器vs中，并跳到步骤s1，否则业务阻塞，跳到步骤s5；

s5:判断业务是否传输完成，如果未传输完成，则跳到步骤s1，否则算法结束。

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。