一种基于光层次架构的光网络动态多播路由波长分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光网络动态多播路由和波长分配方法，尤其涉及一种基于光层次 架构的光网络动态多播路由和波长分配方法，属于光通信技术领域。
【背景技术】
[0002] 光网络是由网络节点和连接节点的多波长光纤链路构成。波分复用技术（WDM)可 以在一根光纤中同时传输若干不同波长的光信号，具有技术方案成熟和易于扩展等特点， 是目前充分利用光纤带宽和提升系统容量最常用的方法之一。
[0003] 路由和波长分配（RWA)是WDM光网络中设计和优化的核心问题之一，主要是指 在光网络中为从源节点到目的节点的连接请求选择合适的路由，并给该路由分配合适的 波长。多播是一种点到多点的通信方式，光网络中建立的点到多点波长信道称为光树， WDM光网络中的多播RWA问题即建立点到多点的光树。在全分光WDM网络中，所有节点 均可以分光，建立一个多播会话只需一个光树，称为Steiner问题。与普通的RWA问题 相比，建立多播树光网络中存在包括稀疏分光器配置约束、波长连续性约束、能量损伤约 束等约束问题。由于分光器价格昂贵，且会带来额外损耗，波长转换也会引入额外的代 价，技术实现相对复杂，因此研究稀疏分光器配置和零波长转换器配置下的WDM光网络 中的多播RWA问题具有更好的应用价值。在稀疏分光器配置约束和波长连续性配置约 束下的WDM光网络中RWA算法包括重路由到源、重路由到任何节点、仅限成员、成员优先 等。相关文献表明：以上四种经典算法中，成员优先算法较好的控制阻塞率，综合性能最 优[XijunZhang,JohnWei,ChunmingQiao.ConstrainedMulticastRoutinginWDM NetworkswithSparseLightSplitting[J].IEEE/0SAJournalofLightwareTechnolo gy，2000:18 (12):1917-1927]。
[0004] 稀疏分光配置下的WDM网络可以看作一个无向图G(V，E，c，W)。V代表图G的定点 集。每个节点vGV，v是MI节点（不可多播节点）或MC节点（可多播节点）。
[0005] V={v|v=MIorv=MC} (4)
[0006] E代表图G的边集，与网络中节点间的光纤链路相对应。W表不每根光纤支持的波 长数。每条边eGE都关联一个代价函数C(e)。由于目标是最小化波长信道的使用，因此 代价函数C(e)可以定义如下：
[0007] C(e)=l，eGE (5)
[0008] 考虑一个多播会话ms(s，D)，且应满足以下限制：⑴波长连续性限制，即在没有 波长转换器的条件下，一个光架构（例如光树或光层次）的所有链路必须使用相同的波长； (2)区别波长限制，两个光树若有相交则必须使用不同的波长；（3)稀疏分光限制。请求建 立一个完成从源s到所有目的节点集合D的多播会话的光架构的集合（例如光树）。不失 一般性，假设在一个多播会话中有K= |D|个目的节点，建立该多播会话ms(s，D)需要k个 光架构（例如光树或光层次ASiUDi)，其中iG[l，k]，l彡k彡KSN-1。考虑网络资源 的最佳利用，总代价应该最小。因此，一个多播会话的总代价可以由建立该多播会话的所有 光架构的代价和计算得出
[0009]
(6)
[0010] 在稀疏分光配置的WDM光网络中，由于MI节点不能作为分支节点，因此光树架构 被认为是充分利用波长信道数即最小化总代价的最佳方案。交叉对开关（CPS)的出现使得 一个度数大于等于4的节点能被访问两次。通过利用不同的输入输出端口对，一个4度MI 节点在一个光架构中能连接两个继承节点。同时为了实现交叉对交换，该MI节点也应该连 接两个前驱节点。这样一个4度MI节点能被访问两次，多播架构将不再是光树，而是光层 次，因为可能有环存在。
[0011] 考虑一个多播会话ms(s，D)，在光层次中，由于一个MI节点可能被遍历两次，而在 子层次中用过的边不能被用在同样的光层次中。因此，当建立多播会话的光层次时，子层次 中已使用的边对于遍历剩余的目的节点无用。可用边消除光层次算法来计算光层次：即为 计算光层次，在每一次迭代中找出与当前光层次LHk最近的目的节点七，将图&中该最短路 径SPeii(屯，Cl)加入到当前光层次LHk㈦为di与当前光层次的最佳连接点）；然后将最短路 径SP。，（山，Cl)中的边从图Gi中删除生成新的图G1+1，同时更新MC_SET(图Gi*MC节点的 集合）。在下一次迭代中，计算图G1+1中的最短路径并找出与当前光层次最近的目的节点。 由于是稀疏分光配置，类似光树架构，一个多播会话可能需要建立多个光层次。由于交叉对 开关的使用，使得一个4度MI节点可能被访问两次，已经证明在稀疏分光配置网络中，光层 次多播架构比光树多播架构能更能充分利用波长信道[FenZhou,MiklosMolnar,Bernard Cousin.IsLight-treeStructureOptimalforMulticastRoutinginSparseLight SplittingWDMNetworks[J],InProc. 18thInternationalConferenceonComputer CommunicationsandNetworks,SanFrancisco,USA, 2009.]。因此，光层次多播架构是稀 疏分光网络中的最佳多播路由方案。
[0012] 传统的边消除光层次算法中，每一次迭代时总选择离当前光层次最近的目的节 点，并将对应的最短路径加入该光层次。选择最近目的节点时只考虑了路径的代价，导致后 期某些路径的代价可能不是最小的，但波长资源却很丰富，某些最短路径上可能不存在可 分配的波长，却仍选择该链路加入光层次，从而产生链路拥塞及波长资源的浪费。因此，若 用边消除光层次算法解决RWA问题，需要针对传统边消除光层次算法进行改进，在选择目 的节点并将对应最短路径加入光层次时，把路径的代价和路径中波长资源同时考虑进来作 为约束。
【发明内容】
[0013] 本发明所要解决的技术问题在于，针对引入克服边消除光层次算法建立光层次解 决RWA问题时，由于未考虑链路中的波长资源而产生链路拥塞和波长资源的浪费，提出一 种基于光层次架构的光网络动态多播路由和波长分配方法。
[0014] 本发明的思路是在选择距离光层次最近的目的节点，并将其对应的最短路径 加入光层次时，不是仅将代价最小的路径加入光层次[FenZhou,Molnar,M.，Cousin,B. Light-Hierarchy:Cost-EfficientStructureforMulticastRoutinginWDMMesh Networks[J]，ComputersandCommunications(ISCC)，DOL10, 2010,pp. 611-616]，而是综 合考虑路径的代价和路径中剩余波长数以及全网的剩余波长总数，并提出新的权重设定方 式。据此可以动态地调节选路策略：当网络中剩余的波长资源较丰富时增大选择最短路径 的概率，网络中剩余波长数较小时增大选择路径中剩余波长数大的概率。通过新的权重函 数计算出的值最大的路径加入光层次，使得加入该光层次的路径分布在距离最短、负载最 小以及剩余波长数和代价比值最大的路径上。
[0015] 传统的边消除光层次算法在选择路径加入光层次时采用公式（7)进行计算：
[0016]
C7)
[0017] 式中，函数C()是路径SP(I| |的代价。本发明是在边消除光层次算法（ERLH) 基础上进行改进，具体而言，本发明采取以下技术方案：
[0018] 利用边消除光层次算法进行多播路由和波长分配，在选择路径加入光层次时采用 公式（1)进行计算： 「00191
(1)
[0020] 式中，D表示目的节点的集合，MC_SET表示第i次更新后的拓扑图Gi*MC节点的 集合，(d，c)表示c到d的最短路径，其中P()是权重函数，其表述如下：
[0021]
(2)
[0022] 式中，K=C(SPCiW，c))，表示路径(J，c)I的代价，N。越大说明路径经过的跳数 越多，N。越小说明路径经过的跳数越少；1^表示路径的剩余波长数，即路径上各段链路的最 小剩余波长数，NW越大表示网络中剩余波长数越多，即路径的拥挤程度越小；如果NJI小表 示网络中剩余波长资源越少。a为影响因子，它由整个网络中剩余波长总数决定，通过改变 a的值，就可以实现不同的选路策略，选取不同的路由。
[0023] 在选择路径加入光层次时，本发明改进的边消除光层次算法的选路策略是当网络 中剩余波长总数较大时，应增大短路径的选择，即应通过调整a增大权重函数P()中路径 的波长信道数N。的影响；当网络中剩余波长总数较小时，应增大小负载链路的选择，即应 通过调整a增大权