一种基于超图结构的光网络传输方法及系统与流程

本发明涉及光网络技术领域，尤其涉及一种基于超图结构的光网络传输方法及系统。

背景技术：

进入21世纪后，网络带宽需求年增长率高达50-100％。近年来，自动交换光网络(automaticswitchingopticalnetwork，以下简称ason)作为高速、大容量、超远距离传输的新一代光网络技术得到了广泛的研究。其中，ason主要研究对象是提高网络带宽和传输速率。

然而，由于传输介质和传输模式越来越稳定，研究成果的改进非常有限，尤其是在目前网络节点数量众多的情况下，光网络的性能提升不明显，转发时延仍然居高不下。大量研究表明，光网络性能在很大程度上取决于其拓扑结构，由于不同的拓扑结构可能会导致性能的差异，因此拓扑结构是研究光网络性能的关键。毫无疑问，网络互连最快的方式是全连接结构，它具有吞吐量大、可靠性高、时延小的特点，每对节点之间的直径为1。但是，由于是基于所有节点的连接，对于大规模的网络来说造成了巨大的网络维护成本。同时，随着节点数的增加，整个网络的利用率呈指数级下降。因此，它不会被广泛应用在实际大规模网络结构中。

针对上述问题，需要提出一种传输效率高和低阻塞率的光传输方法。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种基于超图结构的光网络传输方法及系统，用以解决现有技术中光传输网络拓扑结构复杂，带宽利用率不高，转发时延高的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种基于超图结构的光网络传输方法，包括：

基于超图结构构建传输节点模型，计算流量入节点到流量出节点入出最短路径，基于所述入出最短路径构建路径集合；

若所述入出节点对的输入流量速率不大于所述路径集合中，任一单条路径中可用带宽最小的链路，则记录所述单条路径，建立所述单条路径对应的传输路径。

其中，所述基于超图结构构建传输节点模型，具体包括：

将光传输中的传输节点作为超图的一个顶点，构建正交超图h(v,z)，其中v是顶点集，z是超边集；

所述正交超图h(v,z)中顶点数设为dⁿ个，维度设为n，则超边总数为n*d^n-1条。

其中，所述计算流量入节点到流量出节点入出节点对最短路径，基于所述最短路径构建路径集合，具体包括：

计算传输节点模型中单个边缘节点对之间的最短路径，若存在所述最短路径，则将所述最短路径放入所述路径集合中，否则停止计算；

保留所述入出节点对，删除所述最短路径中的其余节点，及所述其余节点所邻接的链路；

重复执行所述计算其余单个所述边缘节点对之间的最短路径，直至得到所述路径集合。

其中，所述输入流量速率，具体包括：

其中，用集合s＝(1、2、3、…n)表示所有所述流量入节点和所述流量出节点的入出节点对，ps表示所述路径集合，s表示单个入出节点对，rs表示所述输入流量速率，p表示所述路径集合中的单条路径，xsp表示在标签交换路径lsp(p∈ps)上所述入出节点对发送的流量。

其中，所述任一单条路径中可用带宽最小的链路，包括如下限制条件：

ysp＝min{ysl}；

其中，l表示所述任一单条路径中的一条链路，ysp表示所述单条路径p上节点对s可用带宽，ysl表示单条传输链路l上单个入出节点对s的可用带宽。

其中，所述ysl具体包括：

其中，c表示单条传输链路l上的总带宽，i表示传输链路l上除入出节点对s之外的其余入出节点对，xip表示在标签交换路径lsp(p∈ps)上所述入出节点对i发送的流量。

其中，接收所述输入流量速率，建立传输路径包括如下限制条件：

ysp≥rs。

第二方面，本发明实施例提供一种基于超图结构的光网络传输系统，包括：

构建计算模块，用于基于超图结构构建传输节点模型，计算流量入节点到流量出节点的入出节点对最短路径，基于所述最短路径构建路径集合；

判断接收模块，用于若所述入出节点对的输入流量速率不大于所述路径集合中，任一单条路径中可用带宽最小的链路，则记录所述单条路径，建立所述单条路径对应的传输路径。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括：

存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述一种基于超图结构的光网络传输方法的步骤。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现任一项所述一种基于超图结构的光网络传输方法的步骤。

本发明实施例提供的一种基于超图结构的光网络传输方法及系统，通过基于超图理论建立传输节点模型，为传输入出节点寻找最短路径，并基于波分复用技术对传输链路进行复用，然后基于并行路径路由算法的路由策略论证了所提模型网络拓扑具有直径小、阻塞率低、转发时延短等优良的网络拓扑特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的超图结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于超图结构的ason模型示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于超图结构的光网络传输方法流程图；

图4为本发明实施例提供的基于并行路径路由算法的阻塞率(单跳)对比图；

图5为本发明实施例提供的一种基于超图结构的光传输系统结构图；

图6为本发明实施例提供的电子设备的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中存在光传输带宽利用率不高，网络拓扑结构复杂，带宽利用率不高，转发时延高的问题，本发明实施例提出了一种基于超图结构的光网络传输方法。

由于全连接结构是基于所有节点的连接，对于大规模的网络来说造成了巨大的网络维护成本，同时，随着节点数的增加，整个网络的利用率呈指数级下降。因此，它不会被广泛应用在实际大规模网络结构中，而随着科学技术的发展，光网络中出现了一种新的技术——波分复用(wavelengthdivisionmultiplexing，以下简称wdm)。研究发现，全连接结构与wdm结合后可以更好地解决这一问题。在光纤通信中，wdm是一种利用不同波长(即色数)将多个光载波信号复用到一根光纤上的技术。由于多模光纤通信可以同时复用数百个波长，因此丰富的波长资源完全满足本发明实施例提出的网络拓扑模型。

在超图理论中，一条超边连接多个节点，同一超边内所有节点的距离可以看作1，这与wdm的原理相同。在此基础上，将超图理论与wdm技术相结合，提出了一种超图光网络模型。首先引入超图理论，如下：

令x＝{x1,x2,x3,…,xn}是一个有限集。关于x上的一个超图h＝{e1,e2,e3,…,em}是x上一个有限子集簇，使得：

一个超图h＝{e1,e2,e3,…,em}若还满足如下公式，则称h为简单超图(或“sperner簇”)：

集合x中元素x1、x2、x3、…、xn称为顶点，集合e1、e2、e3、…、em是超图的边。一个简单图是一个每条边连接2个顶点的简单超图。根据超图的定义，与简单图相比，连接顶点的边可视为顶点的环，且同一环内的顶点是直接连接的。超图和图的基本区别在于，一个超图环中可以有任意数量的顶点，而一个简单的图环中只能有两个顶点。

基于上述超图理论设计ason传输节点模型，具体如下：

dⁿ-超图网络可以被建模为一组正交超图h(v,z)，其中v是顶点集，z是超边集。h(v,z)中有dⁿ个顶点，每个顶点都有唯一的整数地址，从0到dⁿ–1。编码方法采用格雷码对维数建模。这种建模的优点是可以避免网络状态错误或输入错误。由于用格雷码标记的相邻节点编码只相差一位，当网络中的节点地址错误时，可以通过比较相邻节点的编码来进行地址校正。

每个顶点的整数地址可以看作是以d为基的n个元素的“坐标向量”，其中的元素对应于n维欧氏空间中顶点的坐标。根据定义，在一个dⁿ-超图中有n个维度，每个维度上都有d^n-1条超边对齐，总共有n·d^n-1条超边。我们将基数d定义为沿某个维数对齐的d个顶点的个数；维n为n维欧氏空间的度，则总节点数n＝dⁿ，总超边m＝nd^n-1。

图1为本发明实施例提供的超图结构示意图，如图1所示，是一个基数d＝4维数n＝2的超图结构示例，本发明实施例的模型不限于此示例。

可以看出，超图结构特征为，在同一维度上，超边中节点以全连接的形式存在。定义边内节点之间的距离为1，两侧不相交点之间的距离为2。在此基础上，建立了ason三维数学模型。图2为本发明实施例提供的基于超图结构的ason模型示意图，如图2所示，以一个ason模型的基数d＝5，维数n＝3，节点n＝125，超边m＝75给出示例，本发明实施例的模型不限于此示例。作为ason模型的基本单元，相邻的三条超边是两两正交的，因此只有两种关系:正交关系和平行关系。

进一步地，为了确保整个网络的负载趋于均衡,减少单个路径压力和链路的带宽需求，同时分流业务到多个路径,本文采用并行路径路由算法(parallel-path-basedbandwidthalgorithm，以下简称ppba)研究一般网络模型和超图结构模型之间的性能差异。

图3为本发明实施例提供的一种基于超图结构的光网络传输方法流程图，如图3所示，包括：

s1，基于超图结构构建传输节点模型，计算流量入节点到流量出节点入出最短路径，基于所述入出最短路径构建路径集合；

s2，若所述入出节点对的输入流量速率不大于所述路径集合中，任一单条路径中可用带宽最小的链路，则记录所述单条路径，建立所述单条路径对应的传输路径。

具体地，先基于超图结构构建完整的传输节点模型，定义流量传输的入节点和出节点，以及模型中的边缘节点对，计算流量入节点到流量出节点入出最短路径，将满足条件的入出最短路径建立路径集合，然后计算流量入节点到流量出节点的输入流量速率，和单条链路可用带宽进行比较，若入出节点对的输入流量速率不大于所述路径集合中，任一单条路径中可用带宽最小的链路，则记录所述单条路径，则该单条传输路径可以顺利建立。

本发明实施例通过基于超图理论建立传输节点模型，为传输入出节点寻找最短路径，并基于波分复用技术对传输链路进行复用，然后基于并行路径路由算法的路由策略论证了所提模型网络拓扑具有直径小、阻塞率低、转发时延短等优良的网络拓扑特性。

在上述实施例的基础上，所述基于超图结构构建传输节点模型，具体包括：

将光传输中的传输节点作为超图的一个顶点，构建正交超图h(v,z)，其中v是顶点集，z是超边集；

所述正交超图h(v,z)中顶点数设为dⁿ个，维度设为n，则超边总数为n*d^n-1条。

上述构建传输节点模型的过程已在基于超图理论设计ason传输节点模型中详细论述，此处不再赘述。

进一步地，所述计算流量入节点到流量出节点入出节点对最短路径，基于所述最短路径构建路径集合，具体包括：

计算传输节点模型中单个边缘节点对之间的最短路径，若存在所述最短路径，则将所述最短路径放入所述路径集合中，否则停止计算；

保留所述入出节点对，删除所述最短路径中的其余节点，及所述其余节点所邻接的链路；

重复执行所述计算其余单个所述边缘节点对之间的最短路径，直至得到所述路径集合。

具体地，首先为每个边缘节点对预计算路径，过程如下：

(1)传输节点模型中单个边缘节点对之间寻找最短路径，如果存在，则放入路径集合中，并执行下一步操作步骤(2)，否则终止算法；

(2)除去上述传输节点模型中最短路径对应的出入节点对，将步骤(1)的所述入出节点对保留，删除该路径的其余节点，及这些节点所邻接的链路，再次返回步骤(1)，重复执行操作，直至得到路径集合。

在上述实施例基础上，所述输入流量速率，具体包括：

其中，用集合s＝(1、2、3、…n)表示所有所述流量入节点和所述流量出节点的入出节点对，ps表示所述路径集合，s表示单个入出节点对，rs表示所述输入流量速率，p表示所述路径集合中的单条路径，xsp表示在标签交换路径lsp(p∈ps)上所述入出节点对发送的流量。

在上述实施例基础上，所述任一单条路径中可用带宽最小的链路，包括如下限制条件：

ysp＝min{ysl}；

其中，l表示所述任一单条路径中的一条链路，ysp表示所述单条路径p上节点对s的可用带宽，ysl表示单条传输链路l上单个入出节点对s的可用带宽。

进一步地，所述ysl具体包括：

其中，c表示单条传输链路l上的总带宽，i表示传输链路l上除入出节点对s之外的其余入出节点对，xip表示在标签交换路径lsp(p∈ps)上所述入出节点对i发送的流量。

其中，接收所述输入流量速率，建立传输路径包括如下限制条件：

ysp≥rs。

即是为单个入出节点对s找到一条路径p的约束路由满足条件。

进一步地，由于ppba是用多路径代替单路径来传输流量的并行路径算法，引入如下定理来对单路径流量带宽进行约束和验证：

对于一个流量需要带宽为r的单路径约束路由网络，其阻塞概率为：

而对于ppba不相容节点并行路径网络，其阻塞率概率为：

例如设每条链路的容量为150mbit/s，链路上可用带宽为服从正态分布n的随机变量：

设期望带宽为μ＝80mbit/s，形状参数σ²＝400，则确保可用带宽分布在150mbit/s范围内。

在上述实施例基础上，用ppba算法对图结构与超图结构光网络中所需带宽与阻塞率之间的关系进行仿真比较。以基数d＝3、维数n＝3、节点数n＝3³＝27、超边数m＝27的超图结构光网络模型为例，如图4所示。

可以得出，当采用ppba算法时，与图结构相比，超图结构不仅可以大大降低阻塞率，还可以扩展可接受的带宽范围。这是因为超图结构采用了wdm结构的全连接，一个基数为3的链接可以多路复用一个路径，相当于增加一组备份链接，因此超图结构可以支持更多的流量负载。

图5为本发明实施例提供的一种基于超图结构的光网络传输系统结构图，如图5所示，包括：构建计算模块51和判断接收模块52；其中：

构建计算模块51用于基于超图结构构建传输节点模型，计算流量入节点到流量出节点的入出节点对最短路径，基于所述最短路径构建路径集合；判断接收模块52用于若所述入出节点对的输入流量速率不大于所述路径集合中，任一单条路径中最小链路可用带宽，则记录所述单条路径，建立所述单条路径对应的传输路径。

具体地，先由构建计算模块51基于超图结构构建完整的传输节点模型，定义流量传输的入节点和出节点，以及模型中的边缘节点对，计算流量入节点到流量出节点入出最短路径，将满足条件的入出最短路径建立路径集合，然后再由判断接收模块52计算流量入节点到流量出节点的输入流量速率，和任意单条链路可用带宽进行比较，若入出节点对的输入流量速率不大于所述路径集合中，任一单条路径中可用带宽最小的链路，则记录所述单条路径，则该单条传输路径可以顺利建立。

本发明实施例提供的系统用于执行上述对应的方法，其具体的实施方式与方法的实施方式一致，涉及的算法流程与对应的方法算法流程相同，此处不再赘述。

本发明实施例基于波分复用(wdm)技术，利用超图理论将同一光纤信道的所有节点连接到同一超边上，减小了网络直径，提高了对分带宽。然后研究了基于超图结构和ppba算法的网络阻塞率，发现超图结构可以有效地减少阻塞，其灵活的可扩展性使得超图结构非常适合于光网络。

图6示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图6所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(communicationsinterface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行如下方法：基于超图结构构建传输节点模型，计算流量入节点到流量出节点的入出节点对最短路径，基于所述最短路径构建路径集合；若所述入出节点对的输入流量速率不大于所述路径集合中，任一单条路径中可用带宽最小的链路，则记录所述单条路径，建立所述单条路径对应的传输路径。

此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：基于超图结构构建传输节点模型，计算流量入节点到流量出节点的入出节点对最短路径，基于所述最短路径构建路径集合；若所述入出节点对的输入流量速率不大于所述路径集合中，任一单条路径中可用带宽最小的链路，则记录所述单条路径，建立所述单条路径对应的传输路径。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。