陈明华 李迎秋

摘要:在IP/DWDM光Internet中,用户的一个通信量请求所需要的带宽往往小于网络中一个波长信道的容量。如果为每个带宽需求小于波长粒度的通信量请求分配一个独立的波长信道,会造成网络带宽资源的浪费。为此,引入了通信量疏导机制。它是一种将低速通信流组合到高速波长信道上的技术,可以极大地提高Internet的带宽资源利用率。本文分析了通信量疏导问题的国内外研究现状,并对该问题的几个热点研究方向进行了讨论。

关键词:IP/DWDM;光Internet;通信量疏

1 通信量疏导问题的产生

在以往的路由算法中,通常是以波长为最小粒度,为通信量请求分配带宽。在IP/DWDM光Internet中,由于采用了DWDM技术,使单根光纤的带宽容量达到Tbps,光纤中每个波长也可提供高达Gbps的传输容量。但与此同时,网络中很多通信量请求的带宽需求远远小于一个波长的带宽,如OC-1(54.84Mbps),OC-3,OC-12等。如果为每个带宽需求小于波长粒度的通信量请求分配一个独立的波长信道,会使网络的带宽资源利用率不高。为降低网络费用,提高对网络带宽资源的利用率,需要将多个低速通信流请求汇集到一个大容量光路中传输。因此,就引入了通信量疏导的概念。通信量疏导指的是一种可以将低速通信流组合到高速波长信道上的技术,这种通信量疏导也称为波长子粒度通信量疏导[1]。

左图1是实现子波长粒度通信量疏导时可以采用的一种OXC节点的结构。该节点没有采用单独的波长转换系统及通信量疏导系统,而是同时采用了疏导矩阵(Grooming Fabric)和嵌入式波长交换矩阵,这样的OXC节点又称为疏导OXC(G-OXC,Grooming OXC)节点。它既可以完成波长转换的功能,又可以对低速通信量提供直接的疏导,把它们复用到波长信道上去。如果网络中每个节点都装有G-OXC,网络性能问题除受到波长资源限制外,还将受到疏导矩阵和波长交换矩阵规模限制[2]。

2 通信量疏导问题的扩展

采用通信量疏导技术的主要目的是要提高网络的带宽利用率、最小化网络拥塞,从而降低网络费用。在这个意义上,所有能够实现这些目的的技术都可以认为是通信量疏导技术,如将相邻波长绑定到同一波段上,将波段作为信息传送和路由的单位,即波段交换通信量疏导。

因此,广义的通信量疏导指的是一种最优化过程,它通过在不同传输系统或同一系统中的不同层次间进行交叉连接转换的方法优化传输系统对容量的利用[2-9]。例如,将一组光纤捆绑为一根光缆,或在一条网络链路中使用多根光缆。

3 复用技术在通信量疏导中的作用

不同的复用技术[2]可用在IP/DWDM光Internet中通信量疏导的不同方面。

(1)空分复用(SDM,Space Division Multiplexing),SDM可分割物理空间以提高传输带宽。例如,将一组光纤捆绑为一根光缆,或在一条网络链路中使用多根光缆。

(2)频分复用(FDM,Frequency Division Multiplexing),FDM将可用频谱分割成一组相互独立的信道。在光网络中应用的FDM技术就是WDM技术或DWDM技术,它使给定的光纤能够在不同的波长上传送信息。DWDM将光谱粗略地分成若干波段,每个波段又可进一步细分为波长信道。

(3)时分复用(TDM,Time Division Multiplexing),TDM将波段的时间域分成不断重复的等长时间槽。时间上互不重叠的多个信号通过使用TDM技术可以共享同一个给定波长。

4 通信量疏导问题的研究现状

4.1 环状拓扑中通信量疏导问题的研究

近年来,通信量疏导正得到越来越广泛的关注,早期的对通信量疏导的研究主要集中在环状拓扑上,优化目标大多是直接或间接地降低网络费用,如最小化网络中OADM数量或最小化网络中电交换开关的费用。这里的OADM指具有疏导能力的OADM,可以实现波长子粒度通信流的上路和下路。本文以后提到的OADM就是指这种有疏导能力的OADM。

在环网中的通信量疏导问题已证明是NP完全问题[5, 6],文献[7]的作者把优化问题规划为一个整数线性规划 (ILP,Integer Linear Programming) 问题。作者通过仿真的方法对单跳疏导和多跳疏导的网络性能进比较。仿真结果表明,当疏导率较大时,多跳方法使用的OADM较少,而当疏导率较小时,单跳方法使用的OADM较少;总的来说,多跳方法比单跳方法使用的波长数要多。该设计可应用到统一的或非统一的通信量请求中,还可以应用到单向或双向的SONET/WDM环网络中;其不足在于当网络规模很大时,算法的时间和空间复杂度过高。高计算复杂度使这种方法很难应用于实际的网络中。通过放松方法中某些约束条件,ILP可以为规模适当的网络计算出一些结果,这些结果与最优结解相近似。ILP得到的结果可能对为大型网络开发一些好的启发式算法有一定的启发和指导意义。

随着DWDM系统的商业化,对网络带宽资源的压力得到了极大地缓解;如何降低一些网络组件,尤其是如OADM等线性终端设备(LTE,Line Terminating Equipment)的费用就显得十分重要。优化这样的网络设备有时甚至比优化网络中使用波长数更加重要和有意义。因此,在广义的通信量疏导中,常常以优化线性终端设备的费用作为目标。

文献[8]将单向SDH/WDM波分复用环网络中的波长分配和通信量疏导表述为组合优化问题。以最小化网络中需要使用SDH OADM数量为优化目标,运用模拟退火法对距离依赖通信量和均匀通信量的通信量疏导问题进行了数值求解。结果表明, 对距离依赖通信量的情况,两种算法的结果相当;对均匀通信量情况, 模拟退火法比贪婪算法能得到更好的结果。

SONET/WDM环网络中多数通信量疏导的研究都假设网络拓扑是单环的。文献[9]将问题扩展为互连环拓扑。在互连环网络中,中间节点的不同结构会给通信量疏导问题带来不同的约束限制。文献[9]提出了一种ILP方法对互连双环拓扑中的通信量疏导问题进行求解,并提出了一种启发式算法解决实际规模网络问题。对不同连接节点互连策略和疏导率产生的不同结果进行了比较。随着互连环网络中环和连接节点数量的增加,网络拓扑逐渐变成不规则的网状拓扑。

4.2 网状拓扑中通信量疏导问题的研究

目前广域骨干网大多已从多个环网互联的拓扑结构过渡到网状拓扑结构。因此,如何解决网状拓扑中的通信量疏导问题具有越来越实际的意义。

在文献[10]中考虑了WDM网状网中用静态通信量矩阵集合描述通信量请求的情况。矩阵集合中的每个通信量请求矩阵表示一个特殊的低速连接请求类,文献[10]研究了如何在满足网络资源限制的条件下最大化网络吞吐量。最小化费用和最大化网络吞吐量是通信量疏导问题中的两个不同的视角。

文献[6,11]考虑了WDM网状网中的动态通信量模式,提出了连接接纳控制(CAC,Connection Admission Control)策略,确保对每个连接请求的公平性。当多数网络节点都有疏导能力时,如果不采用任何公平措施,高速连接请求的阻塞率比低速请求的要高。采用CAC策略可以保证每种连接请求都有很小的阻塞率。文献[11]提出了一种能力相关性的理论模型,计算疏导能力受限的WDM网络的阻塞率。

文献[12]的作者提出了一种WDM光Internet中基于分层图的通信量疏导算法。该算法与以往分层图算法的不同之处在于,它将物理拓扑中的节点也作为分层图中的边,将通信量疏导中的各子问题集成考虑,降低了算法的复杂度,有利于寻找到更加优化的解。但是,该算法更适合于动态通信量疏导的情况,对静态通信量疏导,如果采用该算法,还需要提出适当的通信量排序方法,以实现某种疏导策略。

5 IP/DWDM光Internet中通信量疏导问题中的

研究方向

对通信量疏导问题的研究主要集中在如下的几个方面。

5.1 网络设计和规划

网络设计和规划问题一般描述为在确保通信量需求的前提下,以最小化网络的建设成本为目标,确定网络节点的位置及光纤和OXC节点的配置情况。

文献[2]研究了如何对通信量请求可预测的DWDM网状网进行规划设计。这是一个网络设计和规划方法学问题。问题描述如下:给定预测通信量请求(静态)和网络节点位置,确定如何通过光纤链路和OXC将这些节点连接,并路由通信量请求,优化目标是满足所有通信量请求的同时最小化网络成本。网络成本由光纤费用、OXC费用及网络中使用的DWDM系统的费用来共同决定。

文献[8]提出了网络设计和规划的问题,并将该问题归纳为一个ILP问题。分别为网状网设计和环网络设计提出了两种启发式算法,即把网络设计成一个不规则网状拓扑或一个互连环拓扑,并将网状设计和环形设计结果进行了比较。研究结果表明,网状网设计对超长距离规模的网络费用优势显著,对环形网络来说费用与距离关系不大。

5.2 静态和动态通信量疏导

IP/DWDM光Internet网状拓扑中通信量疏导课分为静态和动态通信量疏导。

在静态通信量疏导中,问题描述为:给定网络的物理拓扑和用户的静态通信量请求矩阵,为各通信量请求寻找最佳的路由和进行波长分配。早期对IP/DWDM光Internet中通信量疏导问题的研究多是以降低网络运行费用、提高网络带宽资源的利用率为优化目标,没有把用户QoS满意度的问题考虑在内[1-15]。文献[14]中,在通信量请求中引入对用户QoS需求的描述,把QoS的概念引入到通信量疏导的问题中来。以最小化网络资源占用率和最大化用户整体QoS满意度为目标,基于博弈论和分层图的思想,为解决该双目标优化问题建立通用框架结构,并基于该通用框架应用人工免疫算法,对该问题进行求解。

在动态通信量疏导中,网络模型用网络的物理拓扑和表征网络现状的虚拟拓扑共同来表示。问题描述为:已知网络的物理拓扑和表征网络当前运行情况的虚拟拓扑,为新到达的通信量请求寻找路由和分配带宽资源,同时最小化满足该通信量请求的网络费用。文献[15]中提出了通信量与光路的亲和度这一概念,在运行最短路径算法之前根据亲和度对请求的光路与现有光路进行匹配,减小了运行Dijkstra最短路径算法的次数,从而使算法的时间性能得到优化。在一定条件下,与经典的基于分层图的通信量疏导算法[12]相比,该算法具有很好的时间性能。

5.3 有保护需求的疏导

已经可以证明SONET/WDM环状网有可靠的链路保护策略[2]。在这样的网络中不需要为每个被疏导的通信量考虑保护问题。但是,在WDM网状网中,由于去掉了SONET这一层,IP业务直接在WDM光网络上传输,SONET所具有的保护功能和恢复机制也就没有了,被疏导的通信量的保护问题就应当在IP层或WDM光层来完成。通信量疏导中的保护和恢复机制就成为光网络中一个比较新的研究方向。

文献[7]研究了抗毁WDM网状网中的动态通信量疏导问题,基于可达图模型提出了一种具有通信量疏导能力的共享通路保护算法。在单链路失效时,该算法可以达到与专用通路保护算法一样的可靠性,同时具有比共享通路保护算法更高的资源利用率。

5.4 组播疏导

IP/DWDM光Internet中的组播疏导[12]也是研究的一个方向。问题可以定义为:给定一组通信量请求不同的组播会话(通信量请求均为波长子粒度级),在满足所有的组播会话请求的同时,最小化网络费用。这里对网络费用的定义为满足组播会话所占用网络资源的费用总和。由于组播问题本身的复杂度就很高,在实际规模的网络中考虑疏导的组播问题难度就更大了,因此,人们对组播通信量疏导的研究还处于一个很初级的阶段。随着组播应用越来越流行,这个方面的研究也必将得到极大地关注。此外,如果我们深入研究这个问题,实现组播的一些网络节点的结构与普通DWDM网络中OXC节点等的结构上的差异,也应当在考虑的范围内。

6 结论和展望

研究IP/DWDM光Internet中通信量疏导问题有助于缓解网络带宽资源日益紧张的现状。疏导问题中的网络设计和规划、静态和动态通信量疏导,以及有保护需求的疏导在现阶段都已经有较为深入的研究,而对疏导和组播的结合问题——组播疏导问题的研究还有待于进一步的深入;此外,在通信量疏导中,如何设计通信协议,使疏导与现有的IP协议结合起来,也是未来的一个研究方向。

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