数据中心弹性光网络专用路径保护方法研究

符小东，王耀攀，沈一春，房洪莲，陈伯文

(1. 苏州大学 电子信息学院，江苏 苏州 215006；

2. 中天通信技术有限公司，江苏 南通 226400；
3. 中天科技精密材料有限公司，江苏 南通 226009; 4. 中天宽带技术有限公司，江苏 南通 226000)

随着超高清视频业务、移动应用服务、大数据和云服务的快速增长，互联网应用呈现出巨大增长态势，融合数据中心(Data Center，DC)的光网络正在向规模化与复杂化方向演进，导致DC与光网络故障风险加大，极容易使DC与光网络受到损害，难以保证网络资源虚拟化后光网络的可靠性。虽然目前DC网络架构能够提高网络的可扩展性，但仍未解决DC光网络资源优化问题，特别是DC光网络的生存性问题。

在DC与光互联网络中，重点研究网络资源灵活分配与调度能力，有利于高效地配置DC网络的带宽资源[1]。根据弹性光网络与DC互联特性，设计了高带宽利用率的评价方法，解决了DC弹性光网络资源效率问题[2]。考虑到频谱资源共享的特点，提出了最大共享频谱资源分配方法，解决了网络共享保护的资源效率问题[3-4]。利用软件定义控管方法，提出了DC弹性光网络资源重构方法，解决了网络的故障恢复问题[5]。采用网络虚拟化映射技术，提出了面向网络成本和能耗优化的虚拟映射方法，提高了网络映射成本收益[6-7]，减少了网络的映射能耗[8]。利用空分复用组网方式，更好地实现了DC光网络的资源优化配置与灵活调度能力[9]。

1.1 DC弹性光网络架构

DC采用的是一种集中式服务架构，DC负责处理所有的数据汇聚与调度，这样就可以随时随地获取所需要的计算资源，DC与用户之间的桥梁就是弹性光网络。图1所示为DC弹性光网络架构示意图，DC弹性光网络架构采用双层网络结构，上层覆盖网络为DC网络，目的是提供计算能力，即提供算力资源，每一个DC提供不同单位算力资源。下层网络为弹性光网络，目的是提供足够的带宽资源，每一个节点代表一个光交换节点，具备光交换能力。每个DC上的数字代表该DC提供的单位算力资源，例如DC1提供60个单位算力资源。在下层网络中，考虑到连接请求(Connection Request，CR)的生存性，对每个CR提供工作路径和链路不相交的专用保护路径。这样，当工作路径发生故障时，能够快速通过保护倒换方法，把受损CR切换到专用保护路径上，使受损CR能够快速恢复。

图1 DC弹性光网络架构Figure 1 Architecture of elastic optical network in data centers

1.2 DC算力资源约束条件

在DC弹性光网络中，DC能够为CR提供算力资源，使CR能够获得足够的算力资源需求。本文主要考虑源节点和宿节点中的算力资源约束条件，也就是CR建立工作路径之前先检查是否满足CR的算力资源需求，满足算力资源需求后才可以继续建立工作路径和专用保护路径，否则CR被阻塞。这就要求DC弹性光网络所提供的算力资源不小于CR所需算力资源的约束条件。如图1所示，CR1(B，D，20，50)表示该CR为源节点B到宿节点D，需要20个单位算力资源和50 Gbit/s的带宽需求。由于CR1(B，D，20，50)在源节点B和宿节点D分别占用了DC节点DC2和DC4的20个单位算力资源，所以需要在DC2和DC4所提供算力资源上减去CR1(B，D，20，50)所需的算力资源。这样DC2和DC4的剩余算力资源由原来的60和100分别变为40和80个单位算力资源。在算力资源满足CR后，需要为CR1(B，D，20，50)计算工作路径和链路不相交的专用保护路径，然后在所选择的工作路径和专用保护路径上查找和分配频谱资源。可见，当CR建立时，需要先检查源节点和宿节点是否满足算力资源约束条件，在满足这个约束条件后，从源节点到宿节点计算工作路径和专用保护路径，并在所选择的工作路径和专用保护路径上分配频谱资源。如果不满足CR的算力资源需求，CR被阻塞。

1.3 专用保护路径计算与带宽调整方法

为了有效地建立CR，降低网络的阻塞率，可采用不同的路由计算方法。常用的路由计算方法有两个，一个是最短路径(Shortest Paths，SP)方法：在给定所有源节点和宿节点的相关位置信息之后，CR从源节点到宿节点计算一条SP；
另一个是K条SP(K-Shortest Paths，K-SP)方法：基于SP方法，再为CR寻找K条候选SP。

在专用保护路径中，当为CR分配频谱资源时，网络中找不到足够的频谱资源，通过调整不同的调制格式来选择更小频谱通道，利用所选择的频谱通道进行CR数据传输，对专用保护路径上所分配的带宽进行调整。通过专用保护路径的带宽调整(Bandwidth Adjustment: BA)，使网络尽最大可能地为CR分配频谱资源，减少CR因带宽不足所造成的阻塞。因此，在建立工作路径时，根据CR的带宽需求为其分配足额的频谱资源，使得当工作路径发生故障时，可以通过保护倒换的方式，把受损CR倒换到专用保护路径上，保证CR的生存性和服务质量。在专用保护路径上，若没有足够的可用频谱资源，可采用不同的调制格式，通过BA的方式，为CR分配专用保护资源，实现CR的成功建立，减少CR的阻塞率。

图2所示为CR拓扑图，从源节点A到目的节点D的CR，其工作路径是A→E→D，所需带宽为300 Gbit/s，CR的专用保护路径是A→B→C→D，但是这条专用保护路径上部分链路空闲带宽小于所需的300 Gbit/s，即专用保护路径上没有足够的频谱资源，这样会导致频谱资源分配失败，CR无法成功建立，引起CR阻塞。然而，当采用专用保护路径的BA方法时，可以通过调整CR传输的调制格式，采用更小的频谱通道在专用保护路径上传输CR，以保证CR的成功建立，减少CR的阻塞率，提高网络的频谱资源效率。例如，在工作路径中，可以选择二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制格式进行频谱资源分配，而在专用保护路径中，采用正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)调制方式，可以确定专用保护路径上所需要的频谱隙个数。专用保护路径上的频谱隙个数可表示为

式中：N为每个CR所需的频谱隙个数；
B为每个CR所需的带宽，单位为Gbit/s；
Bmod为选用调制格式的频谱效率，单位为bit/s/Hz；
Sslot为频谱隙的带宽，单位为GHz。当选用BPSK调制方式时Bmod=1；
当选用QPSK调制方式时Bmod=2。因此，由式(1)可知，工作路径选用QPSK调制方式时，在专用保护路径上可以减少所需的频谱隙个数，从而达到BA的目的，实现CR的成功建立。

图2 CR拓扑图Figure 2 Topology of connection requests

2.1 DC弹性光网络模型

将DC弹性光网络的网络模型定义为G(V,L,E,F),其中，V为DC弹性光网络交换节点集合；
L为DC弹性光网络的光纤链路集合；
E为每个交换节点对应的DC算力资源集合；
F为每条光纤链路的频谱隙集合。|V|、|L|、|E|和|F|分别为节点总数、光纤链路总数、单位算力资源数和每条链路频谱隙个数。将CR表示为CR(s,d,e,FS),其中，s为CR的源节点；
d为CR的宿节点；
e为CR的单位算力资源需求；
FS为CR的带宽需求。在DC弹性光网络中，对于每个CR，需要为其提供一条工作路径和一条链路不相交的专用保护路径。当网络发生链路故障时，工作路径上受损的CR会倒换到专用保护路径上，这样能够有效地恢复CR。

在给定的DC弹性光网络G(V,L,E,F)中，为了建立一组CR，需要根据每个CR的源节点和宿节点的算力资源需求，在网络G(V,L,E,F)中判断是否能够提供足够的算力资源。一方面，只有当网络G(V,L,E,F)能提供足够的算力资源时，CR才能够成功建立。另一方面，考虑到网络的生存性，对于每个CR，需要建立一条工作路径和链路不相交的专用保护路径，并在所建立的工作路径和专用保护路径上查找并分配网络的频谱资源。随着DC弹性光网络中CR的增加，网络的负载变重，这样网络的频谱资源占用较多，容易使工作路径和专用保护路径上的频谱资源不足，造成CR阻塞。当在所选择的专用保护路径上无法找到可用频谱资源时，采用不同调制格式的BA方法，可最大程度地建立CR。

2.2 DC弹性光网络专用保护路径优化方法

根据CR所需的算力资源以及CR的带宽资源，在CR的源节点和宿节点上，判断DC的算力资源是否满足CR的需求。若DC提供的算力资源不能满足CR的要求，则CR被阻塞；
若DC提供的算力资源满足CR的算力资源约束条件，则利用K-SP路径方法，计算CRK条工作路径和K条链路不相交专用保护路径。

若建立工作路径和专用保护路径失败，则CR被阻塞；
若建立工作路径和专用保护路径成功，则根据CR的带宽资源需求，在工作路径和专用保护路径上分别查找和分配频谱资源。若在工作路径上分配频谱资源失败，则CR被阻塞；
若工作路径上分配频谱资源成功，然后在专用保护路径上进行频谱资源分配。若在专用保护路径上成功分配频谱资源，CR成功建立；
若在专用保护路径上无法成功分配频谱资源，在保证工作路径传输质量的条件下，需要调整专用保护路径上的调制格式，采用BA方法，进行频谱资源分配。若在专用保护路径上通过BA方法分配频谱资源成功，则CR建立成功，否则CR被阻塞。DC弹性光网络专用保护优化方法的具体步骤描述如下：

步骤1：初始化DC弹性光网络。初始化DC弹性光网络G(V,L,E,F),初始化网络的算力资源和频谱资源状态，当网络的CR(s,d,e,FS)到达后，执行步骤2，否则保持当前步骤。

步骤2：根据CR(s,d,e,FS)源节点和宿节点的算力资源需求，判断DC节点提供的算力资源是否满足CR源节点和宿节点的算力资源需求约束条件。若DC网络提供的算力资源大于或等于CR源节点和宿节点的算力资源需求，满足算力资源约束条件要求，则执行步骤3，否则，CR被阻塞，结束该CR。

步骤3：建立工作路径。当CR满足算力资源约束条件之后，更新网络资源的状态，使用K-SP法从CR的源节点s到宿节点d计算出K条候选SP，若工作路径建立成功，则执行步骤4，否则，CR被阻塞，结束该CR。

步骤4：为工作路径分配频谱资源。在K条候选工作路径中，按照路径跳数由小到大的顺序优先作为预留工作路径，根据CR的带宽需求，采用首次命中(First Fit，FF)法在所选择工作路径上查找可用频谱资源，并满足频谱连续性和频谱一致性要求。若在所选择工作路径上频谱资源分配成功，则进入步骤5，否则，频谱资源分配失败，CR被阻塞，结束该CR。

步骤5：建立与工作路径链路不相交的专用保护路径。在建立工作路径成功之后，在DC弹性光网络中删除CR成功建立的工作路径中所有光纤链路，更新DC弹性光网络的拓扑，确保建立的专用保护路径与工作路径是两条完全不相交的路径，使用K-SP法从其源节点s到宿节点d计算出K条最短专用保护候选路径，若专用保护候选路径建立成功，则执行步骤6，否则，建立专用保护路径失败，CR被阻塞，结束该CR。

步骤6：为专用保护路径分配频谱资源。在选择的专用保护候选路径中，采用FF法查找专用保护频谱资源，若专用保护路径成功分配到频谱资源，则CR建立成功。若专用保护路径上无法成功分配到频谱资源，则在保证工作路径传输质量的条件下，需要调整专用保护路径上的调制格式，采用BA方法，进行频谱资源分配。若在专用保护路径上通过BA方法分配频谱资源成功，则CR建立成功，否则CR被阻塞。

步骤7：网络评估参数计算。若当前CR没有执行完成，则返回步骤2；
当所有CR都执行完之后，统计网络阻塞率、频谱占用率、冗余度以及平均跳数。

图3所示为DC弹性光网络专用保护优化方法的流程图。

图3 DC弹性光网络专用保护优化方法的流程图Figure 3 Flow chart of dedicated-path protection method in elastic optical networks

2.3 DC弹性光网络专用保护路径传统方法

在DC弹性光网络中，为了保证CR的生存性，需要对每个CR提供专用路径保护，即对每个CR，需要为其提供一条工作路径和一条链路不相交的专用保护路径。这样，当网络发生链路故障时，工作路径上受损的CR会倒换到专用保护路径上，以有效地恢复CR。对于建立DC弹性光网络的专用保护路径，传统方法的执行步骤与DC弹性光网络专用保护路径优化方法相似，两种方法的区别在于步骤6。传统方法的步骤6，在通过FF法查找专用保护路径频谱时，若找不到满足CR的频谱资源，则CR被阻塞，不再调整专用保护路径上的调制格式，即不采用BA方法进行频谱资源分配。

3.1 仿真条件设置

为了验证本文所提DC弹性光网络专用保护优化方法，选用国家基金网络(National Science Fund Network，NSFNET)(如图4所示)和美国国家网(United States Network，USNET)(如图5所示)拓扑网络进行仿真，光纤链路上的数字代表传输距离(单位：km)。设置每个频谱隙为12.5 GHz，网络总CR数为20 000，每个节点所需算力资源需求为[3, 8]个计算单元，每一个CR服从到达率为λ的泊松分布，每一个请求的持续时间服从负指数分布μ，网络的CR负载量为λ/μ。路由计算采用SP和K-SP法，这里K=3。对于每一个CR，运用SP和K-SP法，采用FF法查找频谱资源，并在保护路径上进行保护BA，这样形成了4种不同方法，即K条路径首次命中(K-Shortest Paths with First Fit，K-SP-FF)法、最短路径首次命中(Shortest Paths with First Fit，SP-FF)法、K条路径首次命中带宽调整(K-Shortest Paths with First Fit and Bandwidth Adjustment，K-SP-FF-BA)法和最短路径首次命中带宽调整(Shortest Paths with First Fit and Bandwidth Adjustment，SP-FF-BA)法。

图4 NSFNET拓扑图Figure 4 NSFNET topology

图5 USNET拓扑图Figure 5 USNET topology

3.2 仿真结果分析

(1) 网络阻塞率

网络中没有成功建立的CR数与进入网络总CR数的比值称为网络阻塞率。如图6所示，与SP-FF-BA(SP-FF)方法相比，本文所提K-SP-FF-BA(K-SP-FF)法明显降低了网络阻塞率，这是因为采用K-SP法时，可以选择K条候选路径，这样能够降低网络阻塞率。此外，与K-SP-FF和SP-FF法相比，考虑到在保护路径上进行BA后，K-SP-FF-BA和SP-FF-BA法都能降低网络阻塞率。这是因为在专用保护路径上采用了BA方法，实现了更多CR成功建立。同样，如图7所示，与SP-FF-BA法相比，K-SP-FF-BA法能够有效地降低网络阻塞率。可见，在专用保护路径方法上增加了BA方法之后，无论路由选取采用何种方法，都可明显降低阻塞率，验证了本文所提DC弹性光网络专用保护路径优化方法在降低阻塞率方面具有的优越性。

图6 NSFNET网络中阻塞率Figure 6 Blocking probability under NSFNET

图7 USNET中阻塞率Figure 7 Blocking probability under USNET

(2) 频谱资源占用率

图8 NSFNET中频谱资源占用率Figure 8 Spectrum resource occupancy under NSFNET

图9 USNET中频谱资源占用率Figure 9 Spectrum resource occupancy under USNET

网络中已被占用的频谱隙数(保护路径和工作路径占用总和)与网络中频谱隙总数的比值称为频谱资源占用率。如图8所示，随着业务量的增大，K-SP-FF、SP-FF、K-SP-FF-BA和SP-FF-BA法的网络频谱资源占用率不断增大。当业务负载量≤150 Erlang时，与K-SP-FF法相比，本文所提K-SP-FF-BA法的频谱占用率较低。这是因为K-SP-FF-BA法在保护路径上考虑了BA方法。然而，当业务负载量在>150 Erlang时，与K-SP-FF法相比，本文所提K-SP-FF-BA法的频谱占用率较高，这是因为K-SP-FF法的网络阻塞率较高，进入网络的CR较少，导致K-SP-FF-BA法的频谱资源占用率较高。此外，与SP-FF法相比，SP-FF-BA法的频谱资源占用率较低，这是因为SP-FF-BA法在保护路径上进行了带宽资源调整，节省了网络频谱资源，所以频谱资源占用率较小。如图9所示，仿真结果表明，一方面，当业务负载量<200 Erlang(200 Erlang除外)时，与K-SP-FF法相比，本文所提K-SP-FF-BA法的频谱占用率较低；
另一方面，当业务负载量=200 Erlang时，K-SP-FF法和本文所提K-SP-FF-BA法的频谱占用率基本相同。然而，当业务负载量在>200 Erlang时，与K-SP-FF法相比，本文所提K-SP-FF-BA法的频谱占用率较高。此外，与SP-FF法相比，SP-FF-BA法的频谱资源占用率较低。可见，通过在专用保护路径上进行BA，可以有效提高网络频谱利用率。

(3) 频谱资源冗余度

图10 NSFNET中冗余度Figure 10 Redundancy rate under NSFNET

保护路径与工作路径占用的频谱资源的比值称为频谱资源冗余度。如图10所示，在保护路径不考虑BA时，K-SP-FF和SP-FF法的频谱资源冗余度基本相同，大约为1，说明工作路径和专用保护路径占用的频谱资源是相同的。考虑了BA法后，K-SP-FF-BA和SP-FF-BA法的频谱资源冗余度都<1，说明K-SP-FF-BA和SP-FF-BA法的工作路径占用的频谱资源比专用保护路径占用的频谱资源多，所以频谱资源冗余度<1。这是因为，在保护路径上考虑了BA，使得保护路径上占用的频谱资源较少。同样，如图11所示，频谱资源冗余度的特点与图10相似。

图11 USNET中冗余度Figure 11 Redundancy rate under USNET

综上所述，仿真结果表明，与专用保护路径传统方法相比，本文所提DC弹性光网络专用保护路径优化方法能够有效降低网络阻塞率，提高网络频谱资源利用率。

在DC弹性光网络中，为了保证CR的服务质量，减少网络业务因网络发生故障所造成的损失，每个CR需要建立工作路径和链路不相交的专用路径保护。为了提高网络资源效率，在专用保护路径上，采用BA方法为CR分配频谱资源，提出了DC弹性光网络专用保护优化方法。仿真结果表明，与传统专用保护方法相比，本文所提专用保护优化方法能够有效降低网络的阻塞率，提高网络资源利用率，解决了网络生存性问题。

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