陳明華 李迎秋

摘要:在IP/DWDM光Internet中,用戶的一個(gè)通信量請(qǐng)求所需要的帶寬往往小于網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)波長信道的容量。如果為每個(gè)帶寬需求小于波長粒度的通信量請(qǐng)求分配一個(gè)獨(dú)立的波長信道,會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的浪費(fèi)。為此,引入了通信量疏導(dǎo)機(jī)制。它是一種將低速通信流組合到高速波長信道上的技術(shù),可以極大地提高Internet的帶寬資源利用率。本文分析了通信量疏導(dǎo)問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,并對(duì)該問題的幾個(gè)熱點(diǎn)研究方向進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞:IP/DWDM;光Internet;通信量疏

1 通信量疏導(dǎo)問題的產(chǎn)生

在以往的路由算法中,通常是以波長為最小粒度,為通信量請(qǐng)求分配帶寬。在IP/DWDM光Internet中,由于采用了DWDM技術(shù),使單根光纖的帶寬容量達(dá)到Tbps,光纖中每個(gè)波長也可提供高達(dá)Gbps的傳輸容量。但與此同時(shí),網(wǎng)絡(luò)中很多通信量請(qǐng)求的帶寬需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)波長的帶寬,如OC-1(54.84Mbps),OC-3,OC-12等。如果為每個(gè)帶寬需求小于波長粒度的通信量請(qǐng)求分配一個(gè)獨(dú)立的波長信道,會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的帶寬資源利用率不高。為降低網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用,提高對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的利用率,需要將多個(gè)低速通信流請(qǐng)求匯集到一個(gè)大容量光路中傳輸。因此,就引入了通信量疏導(dǎo)的概念。通信量疏導(dǎo)指的是一種可以將低速通信流組合到高速波長信道上的技術(shù),這種通信量疏導(dǎo)也稱為波長子粒度通信量疏導(dǎo)[1]。

左圖1是實(shí)現(xiàn)子波長粒度通信量疏導(dǎo)時(shí)可以采用的一種OXC節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。該節(jié)點(diǎn)沒有采用單獨(dú)的波長轉(zhuǎn)換系統(tǒng)及通信量疏導(dǎo)系統(tǒng),而是同時(shí)采用了疏導(dǎo)矩陣(Grooming Fabric)和嵌入式波長交換矩陣,這樣的OXC節(jié)點(diǎn)又稱為疏導(dǎo)OXC(G-OXC,Grooming OXC)節(jié)點(diǎn)。它既可以完成波長轉(zhuǎn)換的功能,又可以對(duì)低速通信量提供直接的疏導(dǎo),把它們復(fù)用到波長信道上去。如果網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都裝有G-OXC,網(wǎng)絡(luò)性能問題除受到波長資源限制外,還將受到疏導(dǎo)矩陣和波長交換矩陣規(guī)模限制[2]。

2 通信量疏導(dǎo)問題的擴(kuò)展

采用通信量疏導(dǎo)技術(shù)的主要目的是要提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率、最小化網(wǎng)絡(luò)擁塞,從而降低網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用。在這個(gè)意義上,所有能夠?qū)崿F(xiàn)這些目的的技術(shù)都可以認(rèn)為是通信量疏導(dǎo)技術(shù),如將相鄰波長綁定到同一波段上,將波段作為信息傳送和路由的單位,即波段交換通信量疏導(dǎo)。

因此,廣義的通信量疏導(dǎo)指的是一種最優(yōu)化過程,它通過在不同傳輸系統(tǒng)或同一系統(tǒng)中的不同層次間進(jìn)行交叉連接轉(zhuǎn)換的方法優(yōu)化傳輸系統(tǒng)對(duì)容量的利用[2-9]。例如,將一組光纖捆綁為一根光纜,或在一條網(wǎng)絡(luò)鏈路中使用多根光纜。

3 復(fù)用技術(shù)在通信量疏導(dǎo)中的作用

不同的復(fù)用技術(shù)[2]可用在IP/DWDM光Internet中通信量疏導(dǎo)的不同方面。

(1)空分復(fù)用(SDM,Space Division Multiplexing),SDM可分割物理空間以提高傳輸帶寬。例如,將一組光纖捆綁為一根光纜,或在一條網(wǎng)絡(luò)鏈路中使用多根光纜。

(2)頻分復(fù)用(FDM,Frequency Division Multiplexing),FDM將可用頻譜分割成一組相互獨(dú)立的信道。在光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的FDM技術(shù)就是WDM技術(shù)或DWDM技術(shù),它使給定的光纖能夠在不同的波長上傳送信息。DWDM將光譜粗略地分成若干波段,每個(gè)波段又可進(jìn)一步細(xì)分為波長信道。

(3)時(shí)分復(fù)用(TDM,Time Division Multiplexing),TDM將波段的時(shí)間域分成不斷重復(fù)的等長時(shí)間槽。時(shí)間上互不重疊的多個(gè)信號(hào)通過使用TDM技術(shù)可以共享同一個(gè)給定波長。

4 通信量疏導(dǎo)問題的研究現(xiàn)狀

4.1 環(huán)狀拓?fù)渲型ㄐ帕渴鑼?dǎo)問題的研究

近年來,通信量疏導(dǎo)正得到越來越廣泛的關(guān)注,早期的對(duì)通信量疏導(dǎo)的研究主要集中在環(huán)狀拓?fù)渖?優(yōu)化目標(biāo)大多是直接或間接地降低網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用,如最小化網(wǎng)絡(luò)中OADM數(shù)量或最小化網(wǎng)絡(luò)中電交換開關(guān)的費(fèi)用。這里的OADM指具有疏導(dǎo)能力的OADM,可以實(shí)現(xiàn)波長子粒度通信流的上路和下路。本文以后提到的OADM就是指這種有疏導(dǎo)能力的OADM。

在環(huán)網(wǎng)中的通信量疏導(dǎo)問題已證明是NP完全問題[5, 6],文獻(xiàn)[7]的作者把優(yōu)化問題規(guī)劃為一個(gè)整數(shù)線性規(guī)劃 (ILP,Integer Linear Programming) 問題。作者通過仿真的方法對(duì)單跳疏導(dǎo)和多跳疏導(dǎo)的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)比較。仿真結(jié)果表明,當(dāng)疏導(dǎo)率較大時(shí),多跳方法使用的OADM較少,而當(dāng)疏導(dǎo)率較小時(shí),單跳方法使用的OADM較少;總的來說,多跳方法比單跳方法使用的波長數(shù)要多。該設(shè)計(jì)可應(yīng)用到統(tǒng)一的或非統(tǒng)一的通信量請(qǐng)求中,還可以應(yīng)用到單向或雙向的SONET/WDM環(huán)網(wǎng)絡(luò)中;其不足在于當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大時(shí),算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度過高。高計(jì)算復(fù)雜度使這種方法很難應(yīng)用于實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)中。通過放松方法中某些約束條件,ILP可以為規(guī)模適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)計(jì)算出一些結(jié)果,這些結(jié)果與最優(yōu)結(jié)解相近似。ILP得到的結(jié)果可能對(duì)為大型網(wǎng)絡(luò)開發(fā)一些好的啟發(fā)式算法有一定的啟發(fā)和指導(dǎo)意義。

隨著DWDM系統(tǒng)的商業(yè)化,對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的壓力得到了極大地緩解;如何降低一些網(wǎng)絡(luò)組件,尤其是如OADM等線性終端設(shè)備(LTE,Line Terminating Equipment)的費(fèi)用就顯得十分重要。優(yōu)化這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有時(shí)甚至比優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中使用波長數(shù)更加重要和有意義。因此,在廣義的通信量疏導(dǎo)中,常常以優(yōu)化線性終端設(shè)備的費(fèi)用作為目標(biāo)。

文獻(xiàn)[8]將單向SDH/WDM波分復(fù)用環(huán)網(wǎng)絡(luò)中的波長分配和通信量疏導(dǎo)表述為組合優(yōu)化問題。以最小化網(wǎng)絡(luò)中需要使用SDH OADM數(shù)量為優(yōu)化目標(biāo),運(yùn)用模擬退火法對(duì)距離依賴通信量和均勻通信量的通信量疏導(dǎo)問題進(jìn)行了數(shù)值求解。結(jié)果表明, 對(duì)距離依賴通信量的情況,兩種算法的結(jié)果相當(dāng);對(duì)均勻通信量情況, 模擬退火法比貪婪算法能得到更好的結(jié)果。

SONET/WDM環(huán)網(wǎng)絡(luò)中多數(shù)通信量疏導(dǎo)的研究都假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫菃苇h(huán)的。文獻(xiàn)[9]將問題擴(kuò)展為互連環(huán)拓?fù)?。在互連環(huán)網(wǎng)絡(luò)中,中間節(jié)點(diǎn)的不同結(jié)構(gòu)會(huì)給通信量疏導(dǎo)問題帶來不同的約束限制。文獻(xiàn)[9]提出了一種ILP方法對(duì)互連雙環(huán)拓?fù)渲械耐ㄐ帕渴鑼?dǎo)問題進(jìn)行求解,并提出了一種啟發(fā)式算法解決實(shí)際規(guī)模網(wǎng)絡(luò)問題。對(duì)不同連接節(jié)點(diǎn)互連策略和疏導(dǎo)率產(chǎn)生的不同結(jié)果進(jìn)行了比較。隨著互連環(huán)網(wǎng)絡(luò)中環(huán)和連接節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饾u變成不規(guī)則的網(wǎng)狀拓?fù)洹?/p>

4.2 網(wǎng)狀拓?fù)渲型ㄐ帕渴鑼?dǎo)問題的研究

目前廣域骨干網(wǎng)大多已從多個(gè)環(huán)網(wǎng)互聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)過渡到網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此,如何解決網(wǎng)狀拓?fù)渲械耐ㄐ帕渴鑼?dǎo)問題具有越來越實(shí)際的意義。

在文獻(xiàn)[10]中考慮了WDM網(wǎng)狀網(wǎng)中用靜態(tài)通信量矩陣集合描述通信量請(qǐng)求的情況。矩陣集合中的每個(gè)通信量請(qǐng)求矩陣表示一個(gè)特殊的低速連接請(qǐng)求類,文獻(xiàn)[10]研究了如何在滿足網(wǎng)絡(luò)資源限制的條件下最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量。最小化費(fèi)用和最大化網(wǎng)絡(luò)吞吐量是通信量疏導(dǎo)問題中的兩個(gè)不同的視角。

文獻(xiàn)[6,11]考慮了WDM網(wǎng)狀網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)通信量模式,提出了連接接納控制(CAC,Connection Admission Control)策略,確保對(duì)每個(gè)連接請(qǐng)求的公平性。當(dāng)多數(shù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都有疏導(dǎo)能力時(shí),如果不采用任何公平措施,高速連接請(qǐng)求的阻塞率比低速請(qǐng)求的要高。采用CAC策略可以保證每種連接請(qǐng)求都有很小的阻塞率。文獻(xiàn)[11]提出了一種能力相關(guān)性的理論模型,計(jì)算疏導(dǎo)能力受限的WDM網(wǎng)絡(luò)的阻塞率。

文獻(xiàn)[12]的作者提出了一種WDM光Internet中基于分層圖的通信量疏導(dǎo)算法。該算法與以往分層圖算法的不同之處在于,它將物理拓?fù)渲械墓?jié)點(diǎn)也作為分層圖中的邊,將通信量疏導(dǎo)中的各子問題集成考慮,降低了算法的復(fù)雜度,有利于尋找到更加優(yōu)化的解。但是,該算法更適合于動(dòng)態(tài)通信量疏導(dǎo)的情況,對(duì)靜態(tài)通信量疏導(dǎo),如果采用該算法,還需要提出適當(dāng)?shù)耐ㄐ帕颗判蚍椒?以實(shí)現(xiàn)某種疏導(dǎo)策略。

5 IP/DWDM光Internet中通信量疏導(dǎo)問題中的

研究方向

對(duì)通信量疏導(dǎo)問題的研究主要集中在如下的幾個(gè)方面。

5.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃問題一般描述為在確保通信量需求的前提下,以最小化網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本為目標(biāo),確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置及光纖和OXC節(jié)點(diǎn)的配置情況。

文獻(xiàn)[2]研究了如何對(duì)通信量請(qǐng)求可預(yù)測(cè)的DWDM網(wǎng)狀網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。這是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃方法學(xué)問題。問題描述如下:給定預(yù)測(cè)通信量請(qǐng)求(靜態(tài))和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置,確定如何通過光纖鏈路和OXC將這些節(jié)點(diǎn)連接,并路由通信量請(qǐng)求,優(yōu)化目標(biāo)是滿足所有通信量請(qǐng)求的同時(shí)最小化網(wǎng)絡(luò)成本。網(wǎng)絡(luò)成本由光纖費(fèi)用、OXC費(fèi)用及網(wǎng)絡(luò)中使用的DWDM系統(tǒng)的費(fèi)用來共同決定。

文獻(xiàn)[8]提出了網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃的問題,并將該問題歸納為一個(gè)ILP問題。分別為網(wǎng)狀網(wǎng)設(shè)計(jì)和環(huán)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提出了兩種啟發(fā)式算法,即把網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成一個(gè)不規(guī)則網(wǎng)狀拓?fù)浠蛞粋€(gè)互連環(huán)拓?fù)?并將網(wǎng)狀設(shè)計(jì)和環(huán)形設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明,網(wǎng)狀網(wǎng)設(shè)計(jì)對(duì)超長距離規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用優(yōu)勢(shì)顯著,對(duì)環(huán)形網(wǎng)絡(luò)來說費(fèi)用與距離關(guān)系不大。

5.2 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)通信量疏導(dǎo)

IP/DWDM光Internet網(wǎng)狀拓?fù)渲型ㄐ帕渴鑼?dǎo)課分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)通信量疏導(dǎo)。

在靜態(tài)通信量疏導(dǎo)中,問題描述為:給定網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浜陀脩舻撵o態(tài)通信量請(qǐng)求矩陣,為各通信量請(qǐng)求尋找最佳的路由和進(jìn)行波長分配。早期對(duì)IP/DWDM光Internet中通信量疏導(dǎo)問題的研究多是以降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行費(fèi)用、提高網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的利用率為優(yōu)化目標(biāo),沒有把用戶QoS滿意度的問題考慮在內(nèi)[1-15]。文獻(xiàn)[14]中,在通信量請(qǐng)求中引入對(duì)用戶QoS需求的描述,把QoS的概念引入到通信量疏導(dǎo)的問題中來。以最小化網(wǎng)絡(luò)資源占用率和最大化用戶整體QoS滿意度為目標(biāo),基于博弈論和分層圖的思想,為解決該雙目標(biāo)優(yōu)化問題建立通用框架結(jié)構(gòu),并基于該通用框架應(yīng)用人工免疫算法,對(duì)該問題進(jìn)行求解。

在動(dòng)態(tài)通信量疏導(dǎo)中,網(wǎng)絡(luò)模型用網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浜捅碚骶W(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀的虛擬拓?fù)涔餐瑏肀硎尽栴}描述為:已知網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浜捅碚骶W(wǎng)絡(luò)當(dāng)前運(yùn)行情況的虛擬拓?fù)?為新到達(dá)的通信量請(qǐng)求尋找路由和分配帶寬資源,同時(shí)最小化滿足該通信量請(qǐng)求的網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用。文獻(xiàn)[15]中提出了通信量與光路的親和度這一概念,在運(yùn)行最短路徑算法之前根據(jù)親和度對(duì)請(qǐng)求的光路與現(xiàn)有光路進(jìn)行匹配,減小了運(yùn)行Dijkstra最短路徑算法的次數(shù),從而使算法的時(shí)間性能得到優(yōu)化。在一定條件下,與經(jīng)典的基于分層圖的通信量疏導(dǎo)算法[12]相比,該算法具有很好的時(shí)間性能。

5.3 有保護(hù)需求的疏導(dǎo)

已經(jīng)可以證明SONET/WDM環(huán)狀網(wǎng)有可靠的鏈路保護(hù)策略[2]。在這樣的網(wǎng)絡(luò)中不需要為每個(gè)被疏導(dǎo)的通信量考慮保護(hù)問題。但是,在WDM網(wǎng)狀網(wǎng)中,由于去掉了SONET這一層,IP業(yè)務(wù)直接在WDM光網(wǎng)絡(luò)上傳輸,SONET所具有的保護(hù)功能和恢復(fù)機(jī)制也就沒有了,被疏導(dǎo)的通信量的保護(hù)問題就應(yīng)當(dāng)在IP層或WDM光層來完成。通信量疏導(dǎo)中的保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制就成為光網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)比較新的研究方向。

文獻(xiàn)[7]研究了抗毀WDM網(wǎng)狀網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)通信量疏導(dǎo)問題,基于可達(dá)圖模型提出了一種具有通信量疏導(dǎo)能力的共享通路保護(hù)算法。在單鏈路失效時(shí),該算法可以達(dá)到與專用通路保護(hù)算法一樣的可靠性,同時(shí)具有比共享通路保護(hù)算法更高的資源利用率。

5.4 組播疏導(dǎo)

IP/DWDM光Internet中的組播疏導(dǎo)[12]也是研究的一個(gè)方向。問題可以定義為:給定一組通信量請(qǐng)求不同的組播會(huì)話(通信量請(qǐng)求均為波長子粒度級(jí)),在滿足所有的組播會(huì)話請(qǐng)求的同時(shí),最小化網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用。這里對(duì)網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用的定義為滿足組播會(huì)話所占用網(wǎng)絡(luò)資源的費(fèi)用總和。由于組播問題本身的復(fù)雜度就很高,在實(shí)際規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中考慮疏導(dǎo)的組播問題難度就更大了,因此,人們對(duì)組播通信量疏導(dǎo)的研究還處于一個(gè)很初級(jí)的階段。隨著組播應(yīng)用越來越流行,這個(gè)方面的研究也必將得到極大地關(guān)注。此外,如果我們深入研究這個(gè)問題,實(shí)現(xiàn)組播的一些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與普通DWDM網(wǎng)絡(luò)中OXC節(jié)點(diǎn)等的結(jié)構(gòu)上的差異,也應(yīng)當(dāng)在考慮的范圍內(nèi)。

6 結(jié)論和展望

研究IP/DWDM光Internet中通信量疏導(dǎo)問題有助于緩解網(wǎng)絡(luò)帶寬資源日益緊張的現(xiàn)狀。疏導(dǎo)問題中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和規(guī)劃、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)通信量疏導(dǎo),以及有保護(hù)需求的疏導(dǎo)在現(xiàn)階段都已經(jīng)有較為深入的研究,而對(duì)疏導(dǎo)和組播的結(jié)合問題——組播疏導(dǎo)問題的研究還有待于進(jìn)一步的深入;此外,在通信量疏導(dǎo)中,如何設(shè)計(jì)通信協(xié)議,使疏導(dǎo)與現(xiàn)有的IP協(xié)議結(jié)合起來,也是未來的一個(gè)研究方向。

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