王玉寶 蘇 明 王琪龍 李龍飛

(燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 河北省信息傳輸與信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 秦皇島066004)

0 引言

通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展,多協(xié)議標(biāo)簽交換(multiprotocol label switching,MPLS)技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界成熟并廣泛使用的通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。MPLS 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能從數(shù)據(jù)層面分離出來,用一定長(zhǎng)度的標(biāo)簽來表示IP 地址。但是隨著光交換技術(shù)的發(fā)展,波分復(fù)用技術(shù)日益成熟,光纖骨干網(wǎng)絡(luò)上帶寬逐步提高,網(wǎng)絡(luò)的效率得以提升,MPLS 的結(jié)構(gòu)卻無法滿足擴(kuò)大帶寬容量的要求。為了解決這一矛盾,國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(Internet Engineering Task Force,IETF)在MPLS 基礎(chǔ)上提出了通用多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)(generalized multiprotocol label switching,GMPLS)[2],對(duì)MPLS 協(xié)議進(jìn)行了擴(kuò)展。GMPLS 可以支持光纖、波長(zhǎng)等多個(gè)粒度,使資源利用率大大提高。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined networking,SDN)是一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[3],相對(duì)于傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò),SDN 具有數(shù)據(jù)與控制平面分離、軟件可編程的特點(diǎn)。SDN 由于其自身數(shù)控分離的特點(diǎn),可使通信網(wǎng)絡(luò)更加靈活、智能、開放,還可以簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)配置[4]、節(jié)省運(yùn)維成本,對(duì)GMPLS 技術(shù)在控制平面提供了良好的支持。

隨著業(yè)務(wù)量的飛速增長(zhǎng),單一的波長(zhǎng)交換使網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)目與日俱增,網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度越來越高。為降低端口數(shù),文獻(xiàn)[5]提出了波帶交換(waveband switching,WBS)技術(shù),即業(yè)務(wù)在波長(zhǎng)粒度傳輸有公共路徑時(shí)將其進(jìn)行捆綁,但波帶交換面臨諸多因素限制,比如帶寬的限制、波長(zhǎng)利用率有待提高、捆綁波長(zhǎng)必須為連續(xù)波長(zhǎng)、靈活度較低。為緩解這一系列問題,可應(yīng)用光碼分復(fù)用技術(shù)(optical code division multiplex,OCDM),其優(yōu)點(diǎn)在于不受帶寬和波長(zhǎng)連續(xù)性限制、靈活度高,缺點(diǎn)是消耗端口數(shù)過多和結(jié)構(gòu)復(fù)雜度提升[6-7]?；诖?文獻(xiàn)[8]提出了面向OCDM 的三層多粒度光交叉連接(multi-granularity optical cross-connect,MG-OXC)結(jié)構(gòu),并且應(yīng)用碼群路由(code group routing entity,CGRE)技術(shù)來優(yōu)化光交叉連接(optical cross-connect,OXC)結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果表明CGRE 的端口數(shù)、丟包率優(yōu)于WBS。

本文為進(jìn)一步優(yōu)化端口數(shù)目,在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上增加波帶交換模塊,對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行混合捆綁,構(gòu)成包含光纖、波帶、波長(zhǎng)、光碼的四層多粒度光交叉連接結(jié)構(gòu)體系,達(dá)到增加網(wǎng)絡(luò)靈活度、降低端口數(shù)以及提高波長(zhǎng)資源利用率的目的。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜度無法避免的提升,四層MG-OXC 對(duì)控制系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn),為了更好地應(yīng)對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)需求,本文將四層多粒度結(jié)構(gòu)與SDN 相結(jié)合,便于網(wǎng)絡(luò)的靈活控制。

本文結(jié)構(gòu)如下。第1 節(jié)介紹了包含波帶交換、碼群路由體的四層多粒度光交叉連接結(jié)構(gòu),提出混合捆綁算法并進(jìn)行舉例說明,第2 節(jié)介紹了基于SDN 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),第3 節(jié)在波長(zhǎng)利用率、端口數(shù)、丟包率3 方面對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行仿真分析,第4 節(jié)總結(jié)全文。

1 四層多粒度光交換體系

1.1 四層多粒度光交叉連接結(jié)構(gòu)

業(yè)務(wù)流量傳輸?shù)焦饩W(wǎng)絡(luò)的標(biāo)簽邊緣路由器(label edge router,LER),LER 給業(yè)務(wù)流量附加標(biāo)簽,由標(biāo)簽交換路由器(label-switched router,LSR)根據(jù)標(biāo)簽傳輸業(yè)務(wù)包。將光網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)簽路由器應(yīng)用至四層MG-OXC,使其具有四種粒度的交換和上下路能力,具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)包括光纖交換模塊、波帶交換模塊、波長(zhǎng)交換模塊、光碼分復(fù)用交換模塊及控制模塊在內(nèi)的5 個(gè)模塊,對(duì)應(yīng)了光纖、波帶、波長(zhǎng)和光碼4 個(gè)粒度層級(jí);應(yīng)用了空分復(fù)用技術(shù)、波分復(fù)用技術(shù)和碼分復(fù)用技術(shù)。

圖1 四層多粒度光交叉連接結(jié)構(gòu)

1.2 波帶交換

波帶交換根據(jù)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的不同,可以按相同的源和目的地組合、同源或同目的地組合、公共路徑組合。

如圖2 的光網(wǎng)絡(luò)示例,LSR1 收到目的地為L(zhǎng)SR5 的兩個(gè)請(qǐng)求,控制模塊為其分配的路徑公共部分為L(zhǎng)SR1→LSR2→LSR6→LSR5,按照波帶捆綁策略可將3 條波長(zhǎng)捆綁成一條波帶,于是一個(gè)波帶端口就可以完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 波帶交換示例

1.3 碼群路由體

雖然波帶交換技術(shù)在一定程度上提升了波長(zhǎng)路由網(wǎng)絡(luò)的性能,但該技術(shù)仍有不足:其一是波帶交換技術(shù)只是降低了端口數(shù),卻沒有提升波長(zhǎng)資源的利用率;其二,受波長(zhǎng)連續(xù)性限制,只有連續(xù)波長(zhǎng)才能進(jìn)行捆綁;其三,波帶交換技術(shù)一般都會(huì)采用固定粗細(xì)的波帶,例如每條波帶可以捆綁3 條波長(zhǎng)。故引入光碼分復(fù)用交換模塊和CGRE 結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)上將多個(gè)波長(zhǎng)管道級(jí)聯(lián),功能上將多個(gè)路徑的光碼捆綁為虛擬光碼管道,其中虛擬光碼管道依附于波長(zhǎng)存在。相對(duì)于波帶交換技術(shù),CGRE 虛擬管道的大小可以隨著捆綁光碼數(shù)的多少靈活變化,即光碼的捆綁數(shù)量沒有固定數(shù)額限制。由于波長(zhǎng)管道的級(jí)聯(lián),光碼可以被自由捆綁至任一有空閑資源的波長(zhǎng),波長(zhǎng)資源利用率得到最大化,同時(shí)光碼可在節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行自由地上下路。CGRE 結(jié)構(gòu)如圖3 所示,已經(jīng)捆綁的光碼1 和2 可以在級(jí)聯(lián)通道中解綁后按不同波長(zhǎng)路徑傳輸,解綁后的光碼2 可以和光碼3 在級(jí)聯(lián)通道中再次進(jìn)行捆綁傳輸。

圖3 CGRE 結(jié)構(gòu)

光碼的捆綁策略與波帶的捆綁策略類似,具有公共路徑的光碼即可捆綁成CGRE 虛擬管道。在光碼捆綁過程中,多個(gè)具有公共路徑的業(yè)務(wù)每一跳只需要捆綁一次,則可完成光網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸任務(wù),無需對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)包都進(jìn)行光碼捆綁,簡(jiǎn)化操作。

如圖4 所示,假設(shè)LSR1 收到目的節(jié)點(diǎn)分別為L(zhǎng)SR6、LSR5 的請(qǐng)求,OC1 的最短路徑為L(zhǎng)SR1 →LSR2→LSR6,OC2 的路徑為L(zhǎng)SR1→LSR2→LSR6→LSR5。控制模塊讀取兩個(gè)數(shù)據(jù)包基礎(chǔ)信息確認(rèn)資源大小后,由于OC1 和OC2 有公共路徑LSR1 →LSR2→LSR6,所以它們?cè)贚SR1 經(jīng)過圖3 的結(jié)構(gòu)后捆綁為CGRE 虛擬管道。光碼虛擬管道依附于波長(zhǎng)存在,OC1 到達(dá)LSR6 后解綁下路,OC2 則繼續(xù)按既定路線到達(dá)LSR5。

圖4 CGRE 光碼捆綁示例

1.4 混合捆綁算法研究及實(shí)例演示

1.4.1 混合捆綁算法

混合捆綁算法包括波帶交換和碼群路由兩部分,波帶交換技術(shù)可以有效降低光網(wǎng)絡(luò)的端口數(shù),碼群路由體技術(shù)致力于提升波長(zhǎng)利用率?，F(xiàn)將兩種技術(shù)集合應(yīng)用至四層多粒度光交換結(jié)構(gòu)中,以提升網(wǎng)絡(luò)的工作效率,算法過程如圖5 所示。主要包括4個(gè)方面。

圖5 混合算法流程

(1) 分配路徑。當(dāng)LSR 收到請(qǐng)求后,路徑計(jì)算單元(path computation element,PCE)根據(jù)Dijkstra算法為請(qǐng)求包分配最短路徑。

(2) 捆綁光碼?？刂颇K根據(jù)已分配好的路徑,判斷至下一跳的路徑是否與其他請(qǐng)求存在公共路徑。若有公共路徑,多個(gè)業(yè)務(wù)的光碼通過CGRE結(jié)構(gòu)捆綁為光碼虛擬管道。

(3) 選擇波長(zhǎng)?？刂颇K在選定路徑中篩選有空閑資源的波長(zhǎng),優(yōu)先選擇連續(xù)的波長(zhǎng)進(jìn)行光碼負(fù)載,直到業(yè)務(wù)負(fù)載完畢。

(4) 組成波帶。將固定數(shù)目的連續(xù)波長(zhǎng)捆綁成波帶,降低端口數(shù)。

1.4.2 實(shí)例研究

下面用一個(gè)實(shí)例來描述算法流程,實(shí)例的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。LSR1～LSR7 為標(biāo)簽交換路由器,路徑上的數(shù)字代表兩節(jié)點(diǎn)之間的距離,假設(shè)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有3 個(gè)請(qǐng)求,請(qǐng)求1 源為L(zhǎng)SR1 終點(diǎn)為L(zhǎng)SR7,請(qǐng)求2 源為L(zhǎng)SR2 終點(diǎn)為L(zhǎng)SR6,請(qǐng)求3 源為L(zhǎng)SR5 終點(diǎn)為L(zhǎng)SR7。

圖6 實(shí)例結(jié)構(gòu)示意

PCE 根據(jù)Dijkstra 算法為3 個(gè)請(qǐng)求分配最短路徑,結(jié)果如圖7 所示,即3 個(gè)請(qǐng)求的最短路徑有公共路徑為L(zhǎng)SR5→LSR6,請(qǐng)求1 和請(qǐng)求3 有公共路徑LSR6→LSR7。所以在LSR5 對(duì)3 組請(qǐng)求的光碼進(jìn)行捆綁,組成一個(gè)CGRE 虛擬管道,當(dāng)3 個(gè)請(qǐng)求的光碼到達(dá)LSR6 時(shí),請(qǐng)求2 已經(jīng)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn),故請(qǐng)求2的光碼下路,請(qǐng)求1 和請(qǐng)求3 的光碼則在LSR6 繼續(xù)捆綁為CGRE 虛擬管道,直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。捆綁的過程如圖8 所示。

圖7 Dijkstra 算法分配路徑結(jié)果

圖8 CGRE 光碼捆綁過程

捆綁的CGRE 虛擬管道根據(jù)控制模塊分配的路徑,篩選有空閑資源的波長(zhǎng)進(jìn)行承載,并且優(yōu)先選擇連續(xù)的波長(zhǎng),最后將固定數(shù)目的波長(zhǎng)捆綁為波帶,圖9為分配過程。其中圖9(a)為所分配路徑的某一條光纖通道,假設(shè)光纖通道上波長(zhǎng)總數(shù)為6,波長(zhǎng)1、2、3、4、6 有空閑資源,但是只有波長(zhǎng)1～3、5 和6連續(xù),優(yōu)先選擇空閑資源足夠多的連續(xù)波長(zhǎng)進(jìn)行CGRE 虛擬管道負(fù)載,所以選擇波長(zhǎng)1～3 依次對(duì)光碼進(jìn)行負(fù)載,占滿一條波長(zhǎng)之后再占用相鄰的波長(zhǎng),光碼在波長(zhǎng)上負(fù)載完成后如圖9(b)所示。根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的固定捆綁波長(zhǎng)數(shù),若此時(shí)設(shè)定為3,則可將波長(zhǎng)1～3、4～6 分別捆綁為波帶進(jìn)行傳輸。

圖9 光碼通過碼群路由后的波長(zhǎng)選擇及波帶捆綁

在節(jié)點(diǎn)LSR5 的操作完成后傳輸至LSR6,請(qǐng)求1 到達(dá)目的節(jié)點(diǎn),請(qǐng)求1 下路,此時(shí)請(qǐng)求2 和請(qǐng)求3仍有公共路徑LSR6→LSR7,重復(fù)以上步驟,直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

2 基于SDN 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的數(shù)據(jù)層面和控制層面在物理層面緊密耦合,在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,控制協(xié)議生成轉(zhuǎn)發(fā)表指導(dǎo)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)行為。隨著數(shù)據(jù)流量的急速增長(zhǎng),網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不堪重負(fù)。將數(shù)據(jù)層面和控制層面分離,把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制功能集中到SDN 控制層中,從而使網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備可以專注于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。比如為了緩解節(jié)點(diǎn)計(jì)算壓力,IETF 建立了路徑計(jì)算單元(PCE)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體[9],將網(wǎng)絡(luò)中的路徑計(jì)算任務(wù)全部交由PCE 集中處理,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)控分離。

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比,SDN 具有3 個(gè)特性,即轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離、設(shè)備和資源的虛擬化、硬件和軟件的可編程。這使得SDN 具有以下優(yōu)點(diǎn):第一,硬件設(shè)備只關(guān)注轉(zhuǎn)發(fā)和存儲(chǔ)能力,可以使用成本較低的商用架構(gòu)實(shí)現(xiàn);第二,用軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能性,由軟件配置完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的種類及功能,網(wǎng)絡(luò)靈活度大幅提升;第三,業(yè)務(wù)響應(yīng)速度提升,相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以更加靈活地設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)配置,同時(shí)SDN 應(yīng)用層可使用戶業(yè)務(wù)的開展更加靈活,大大縮短業(yè)務(wù)開通的時(shí)間[10]。

SDN 的典型架構(gòu)共分3 層,如圖10 所示。上層為應(yīng)用層,含有多種不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用,用戶可根據(jù)需求靈活定制。中間為控制層,通過北向接口(north-bound interface,NBI)與應(yīng)用層相連,NBI 擁有可靈活編程的應(yīng)用程序接口(application programming interface,API)向應(yīng)用層提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的控制,NBI 協(xié)議通常包括RESTful、Netconf、CLI 等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理接口協(xié)議,通過南向接口(south-bound interface,SBI)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層相連。SBI 控制協(xié)議包括OpenFlow、Netconf、PCEP、邊 界 網(wǎng) 關(guān) 協(xié) 議(border gateway protocol,BGP)等,控制器將這些接口協(xié)議作為轉(zhuǎn)控分離協(xié)議?？刂茖拥臇|西向接口用于SDN和其他網(wǎng)絡(luò)的互通,尤其是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通。同時(shí),控制層負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)平面資源的編排,維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、狀態(tài)信息等,具有彈性部署、安全可靠、動(dòng)態(tài)可配置以及虛擬化的特點(diǎn)[11]。底層為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層,負(fù)責(zé)基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。

圖10 SDN 三層結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的倍增使網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？焖僭黾?對(duì)PCE服務(wù)器的要求也與日俱增。基于碼群路由結(jié)構(gòu)的四層多粒度光交換連接體系在資源路徑分配方面需要強(qiáng)大的計(jì)算支持,隨著現(xiàn)代云計(jì)算能力的增加和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization,NFV)技術(shù)逐步成熟[12],將負(fù)責(zé)路徑計(jì)算的PCE服務(wù)器功能虛擬化為SDN 控制器的一個(gè)軟件模塊,取消備用PCE 結(jié)構(gòu)以降低冗余項(xiàng),提升網(wǎng)絡(luò)控制的靈活度、減少維護(hù)成本、降低硬件規(guī)模。

如圖11 的光網(wǎng)絡(luò)所示,基于GMPLS 的四層多粒度光交叉連接結(jié)構(gòu)體系作為SDN 體系中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層的一部分,SDN 控制平面提供系統(tǒng)的集中管理。其中SDN 控制平面由OpenDayLight 提供,狀態(tài)PCE 為控制平面的一個(gè)軟件模塊,并且通過PCEP協(xié)議與光交換網(wǎng)絡(luò)的GMPLS 進(jìn)行通信,為光網(wǎng)絡(luò)中的請(qǐng)求分配最短路徑。GMPLS 控制業(yè)務(wù)在光網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)粒度的轉(zhuǎn)發(fā),直至請(qǐng)求完成。

圖11 光網(wǎng)絡(luò)示意圖

3 系統(tǒng)性能分析

本節(jié)基于Python3.8 環(huán)境,對(duì)波長(zhǎng)利用率、端口數(shù)、丟包率進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模仿真,仿真過程及結(jié)果見下文。

3.1 波長(zhǎng)利用率

基于波分復(fù)用的波帶交換技術(shù)在波長(zhǎng)端口數(shù)量方面有效改善了OXC 的性能,但其在波長(zhǎng)利用率方面卻有待提升。為了進(jìn)一步提升OXC 的性能,應(yīng)用碼分復(fù)用技術(shù),增加光碼粒度層級(jí),提升波長(zhǎng)利用率。

在WBS 和OCDM 兩種條件下,假設(shè)每條波長(zhǎng)可承載15 個(gè)單位的數(shù)據(jù)量,每條波長(zhǎng)可以解復(fù)用為5 個(gè)光碼,每個(gè)光碼可承載3 個(gè)單位的數(shù)據(jù)量,令數(shù)據(jù)量為15、25、35、45、55 的業(yè)務(wù)分別持續(xù)請(qǐng)求100次,兩種條件下的波長(zhǎng)利用率如圖12 所示,OCDM的波長(zhǎng)利用率明顯優(yōu)于WBS,所以引入基于OCDM的光碼粒度對(duì)光交換網(wǎng)絡(luò)是有利的。

圖12 波長(zhǎng)利用率

3.2 端口數(shù)分析

3.2.1 四層和三層MG-OXC 端口數(shù)比較

現(xiàn)將基于OCDM 的三層MG-OXC(光纖粒度、波長(zhǎng)粒度、光碼粒度)提升至四層,增加了波帶粒度,在結(jié)構(gòu)上必然會(huì)比三層復(fù)雜。但面對(duì)日益加劇的業(yè)務(wù)流量,增加波帶粒度可以在一定程度上緩解端口數(shù)增加的壓力。以下將四層和三層MG-OXC進(jìn)行對(duì)比分析。

假設(shè)輸入有x條光纖,每條光纖含有的波帶數(shù)為B,每條波帶含有的波長(zhǎng)數(shù)為W,每條波長(zhǎng)含有的光碼數(shù)為C。

光纖交換模塊:輸入x條光纖,假設(shè)其中有αx(α∈[0,1]) 條光纖信號(hào)被解復(fù)用為波帶信號(hào),即需要αx個(gè)端口處理這些信號(hào),剩余x′條光纖信號(hào)直接進(jìn)行上下路操作,所以需要2(x +αx +x′) 個(gè)端口。

波帶交換模塊:信號(hào)通過光纖交換模塊后,傳輸?shù)讲◣Ы粨Q模塊的波帶信號(hào)有y=αx·B條,假設(shè)其中有βy(β∈[0,1]) 條波帶信號(hào)需要進(jìn)行解復(fù)用操作,則需要βy個(gè)端口將這些信號(hào)處理為波長(zhǎng),剩余y′條波帶信號(hào)直接進(jìn)行上下路操作,所以需要2(y+βy+y′) 個(gè)端口。

波長(zhǎng)交換模塊:信號(hào)通過波帶交換模塊后,傳輸?shù)讲ㄩL(zhǎng)交換模塊的波帶信號(hào)有z=βy·W條,假設(shè)其中有γz(γ∈[0,1]) 條波長(zhǎng)信號(hào)需要進(jìn)行解復(fù)用操作,則需要γz個(gè)端口將這些信號(hào)處理為光碼,剩余z′條波長(zhǎng)信號(hào)直接進(jìn)行上下路操作,所以需要2(z+γz+z′) 個(gè)端口。

光碼分復(fù)用模塊:信號(hào)通過波長(zhǎng)交換模塊后,傳輸?shù)焦獯a分復(fù)用模塊的光碼信號(hào)有o=γz·C個(gè),則需要o個(gè)端口處理信號(hào),假設(shè)o′個(gè)光碼信號(hào)要進(jìn)行上下路操作,所以需要2(o+o′) 個(gè)端口。

經(jīng)以上分析,含有光纖粒度、波帶粒度、波長(zhǎng)粒度、光碼粒度的四層MG-OXC 的端口數(shù)為N1=2(x+αx+x′)+2(y+βy+y′)+2(z+γz+z′)+2(o+o′)。由于三層MG-OXC 不含波帶粒度,光纖粒度信號(hào)直接解復(fù)用為波長(zhǎng)信號(hào),令z=BW·αx,則其端口數(shù)為N2=2(x +αx +x′)+2(z +γz +z′)+2(o+o′)。

假設(shè)x=1,B=20,W=5,C=10 沒有任何信號(hào)進(jìn)行上下路,α=β=γ=φ=1,x′=y′=z′=o′=0。則四層MG-OXC 結(jié)構(gòu)端口數(shù)為2484,三層MG-OXC 結(jié)構(gòu)端口數(shù)為2404。由于四層MG-OXC結(jié)構(gòu)多一層粒度,所以在完全沒有信號(hào)上下路的情況下端口數(shù)必然大于三層MG-OXC 結(jié)構(gòu)。

但是在實(shí)際情況當(dāng)中,數(shù)據(jù)信息是龐大且復(fù)雜的,大量的數(shù)據(jù)信號(hào)需要在節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行多個(gè)粒度的靈活上下路,上一粒度層級(jí)信號(hào)的上下路會(huì)對(duì)下一粒度層級(jí)的端口需求數(shù)產(chǎn)生影響。在本節(jié)中兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于波帶交換模塊,四層MG-OXC 結(jié)構(gòu)中波帶會(huì)影響后面的波長(zhǎng)、光碼粒度,所以不能認(rèn)為兩種結(jié)構(gòu)的上層級(jí)粒度信號(hào)上下路對(duì)下層級(jí)粒度影響相同,即不能用兩種OXC 結(jié)構(gòu)完全沒有信號(hào)上下路的情況下判斷端口優(yōu)劣。

所以本文分析了輸入光纖數(shù)在10、15、20、25、30 情況下,B=20,W=5,C=10,α、β、γ、φ為0～1間隨機(jī)浮點(diǎn)值,然后分別計(jì)算20 萬次和40 萬次,令Q為N1＜N2的次數(shù)與計(jì)算總數(shù)的百分比,觀察Q的值,結(jié)果如圖13 所示。Q的值在68%～69%之間,即N1＜N2的次數(shù)在概率上高于N1＞N2的次數(shù),也就是四層MG-OXC 結(jié)構(gòu)在一些動(dòng)態(tài)使用情況下需要的端口數(shù)要比三層MG-OXC 結(jié)構(gòu)更少,這說明增加波帶粒度可以在一定程度上優(yōu)化三層MGOXC 結(jié)構(gòu)。

圖13 端口數(shù)比值

3.2.2 基于CGRE 的四層MG-OXC 端口數(shù)分析

僅應(yīng)用OCDM 所需光碼的端口數(shù)是非常多的,在上一節(jié)的假設(shè)中,一條光纖將有1000 個(gè)光碼需要處理。應(yīng)用CGRE 后,多個(gè)任務(wù)的光碼可以進(jìn)行捆綁處理,從而降低端口數(shù),接下來對(duì)此結(jié)論進(jìn)行分析驗(yàn)證。

沿用上一節(jié)中每條光纖中波帶、波長(zhǎng)和光碼的假設(shè)。由于CGRE 的虛擬管道大小可以靈活變動(dòng),即在一條CGRE 虛擬管道中捆綁的光碼數(shù)量是不固定的,所以假設(shè)每次捆綁的光碼數(shù)為n,輸入光纖數(shù)為x。由于OCDM 和CGRE 僅在光碼交換模塊具有區(qū)別,可以假設(shè)兩種結(jié)構(gòu)中上層級(jí)粒度信號(hào)的上下路對(duì)下層級(jí)粒度影響相同。為計(jì)算方便,假設(shè)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)粒度層面沒有信號(hào)上下路。

在此設(shè)定下,基于OCDM 的四層MG-OXC 結(jié)構(gòu)將需要2(2x +2y +2z +o) 個(gè)端口;而基于CGRE 的四層OXC 結(jié)構(gòu)的端口數(shù)由于光碼的捆綁,端口數(shù)為2(2x+wy +2z +)。n ＞1 時(shí),經(jīng)過CGRE 光碼捆綁后需要的端口數(shù)必然小于未捆綁的,即小于OCDM 的端口數(shù)。令x為10,n為0、2、4、6、8、10,端口數(shù)需求結(jié)果如圖14 所示。CGRE 的端口數(shù)比OCDM 的端口數(shù)少,并且隨著CGRE 捆綁光碼數(shù)的增加,網(wǎng)絡(luò)消耗端口數(shù)目會(huì)大幅下降,表明相對(duì)于基于OCDM 的四層MG-OXC 結(jié)構(gòu),CGRE 結(jié)構(gòu)性能有明顯的優(yōu)化。但基于CGRE 的OXC 結(jié)構(gòu)具體捆綁的光碼數(shù)量需根據(jù)實(shí)際情況而確定。在某一條波長(zhǎng)中捆綁的光碼數(shù)過多時(shí),多址干擾也會(huì)增大,多址干擾的增加會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)丟包率的上升,不能為了端口數(shù)的降低而舍棄對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求,要合理規(guī)劃光碼捆綁數(shù)量。

圖14 基于CGRE 的端口數(shù)分析

3.3 丟包率分析

在基于WBS 和OCDM 的四層MG-OXC 的體系中,光碼誤碼對(duì)整個(gè)體系業(yè)務(wù)傳輸?shù)挠绊懯鞘志薮蟮?。傳輸過程中單重合碼錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致整個(gè)碼序列出錯(cuò),從而發(fā)生丟包。但是將光碼進(jìn)行合理捆綁可以緩解這種情況,接下來將OCDM 和CGRE 的丟包率進(jìn)行對(duì)比分析。

光碼捆綁的數(shù)目越多,多址干擾也隨之增加[13]。假設(shè)標(biāo)簽中單重合碼錯(cuò)誤會(huì)致使整個(gè)碼序列出錯(cuò),在光碼捆綁數(shù)達(dá)到最大值時(shí),分析光碼捆綁條件下對(duì)丟包率的影響。

假設(shè)在一個(gè)波長(zhǎng)上光碼路徑數(shù)(可進(jìn)行光碼捆綁)為k,資源利用率為ρ,則n條路徑可以捆綁的概率為B,B服從二項(xiàng)分布:

假設(shè)現(xiàn)有N個(gè)請(qǐng)求的下一跳路徑相同,在光碼捆綁數(shù)最大化的條件下基于CGRE 的四層MG-OXC結(jié)構(gòu)的丟包率PLP為

其中BER為單重合碼的誤碼率,標(biāo)簽長(zhǎng)度用L表示。

假設(shè)N個(gè)請(qǐng)求在基于OCDM 的四層MG-OXC結(jié)構(gòu)中得到了均衡分配,則丟包率PLP為

下面分析光碼捆綁數(shù)極大時(shí)的丟包率情況,現(xiàn)假設(shè)參數(shù)為ρ=0.7,k=10,BER=0.15,標(biāo)簽長(zhǎng)度L=8。當(dāng)光碼捆綁數(shù)n為3、4、5、6 時(shí),丟包率與同時(shí)發(fā)送的請(qǐng)求數(shù)N的關(guān)系如圖15 所示。

圖15 丟包率

捆綁的數(shù)目n=5 時(shí)丟包率接近OCDM,n ＞5時(shí)丟包率會(huì)超過OCDM,n ＜5 時(shí)丟包率比OCDM要小,由此發(fā)現(xiàn)光碼捆綁數(shù)目越多丟包率越高。雖然OCDM 和CGRE 的丟包率都隨著發(fā)送請(qǐng)求的用戶請(qǐng)求數(shù)N的增加而增加,但將光碼進(jìn)行合理的捆綁,CGRE 的丟包率會(huì)小于OCDM 的丟包率,并且由上一節(jié)可知基于CGRE 的端口數(shù)目也會(huì)顯著下降,表明CGRE 可以很好地提升網(wǎng)絡(luò)性能。

4 結(jié)論

本文在基于波帶交換的基礎(chǔ)上增加光碼粒度,構(gòu)成包含光纖、波帶、波長(zhǎng)、光碼的四粒度光交叉連接結(jié)構(gòu)。介紹了波帶交換技術(shù)的原理及策略,發(fā)現(xiàn)使用波帶交換對(duì)于網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)的降低具有顯著效果。為進(jìn)一步提升四層MG-OXC 結(jié)構(gòu)性能,引入CGRE 結(jié)構(gòu)體,應(yīng)用SDN 在控制平面對(duì)系統(tǒng)集中管理,構(gòu)成基于CGRE 的四層MG-OXC 混合捆綁體系,在此基礎(chǔ)上提出了混合捆綁算法。

為確定系統(tǒng)性能,本文在波長(zhǎng)利用率、端口需求數(shù)、丟包率3 方面進(jìn)行仿真模擬。在基于WBS 和OCDM 的波長(zhǎng)利用率對(duì)比中可以看出OCDM 具有更高的波長(zhǎng)利用率。在基于OCDM 的三層MGOXC 基礎(chǔ)上增加WBS 構(gòu)建四層MG-OXC 結(jié)構(gòu),通過對(duì)比端口數(shù)目消耗,發(fā)現(xiàn)增加WBS 可以在一定程度上緩解OCDM 端口數(shù)消耗過多的不足;而在均含有WBS 的四層MG-OXC 的端口數(shù)對(duì)比中,CGRE 明顯比OCDM 所需要的端口數(shù)少,說明CGRE 可以進(jìn)一步優(yōu)化四層MG-OXC 的結(jié)構(gòu)性能。但通過CGRE和OCDM 的丟包率對(duì)比,發(fā)現(xiàn)合理的光碼捆綁可以降低丟包率,而過多的光碼捆綁數(shù)卻導(dǎo)致丟包率上升。由此可知,基于WBS 和CGRE 的混合捆綁可以提高波長(zhǎng)利用率、平衡端口數(shù)壓力,并且合理的光碼捆綁可以降低網(wǎng)絡(luò)丟包率,證實(shí)混合捆綁算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的提升有促進(jìn)作用。

但是在實(shí)際操作中光碼捆綁數(shù)目的合理閾值還無法確定,有待后續(xù)研究。