基于频谱灵活技术的光网络优化与控制方法

发布时间：2020-02-06 10:12

【摘要】：通信数据量的井喷式增长和业务种类的复杂多变对作为承载设施的光网络提出了更高的要求。一方面,视频业务和云服务等大数据业务的兴起要求光网络具有更大的管道容量,以承载更多的业务；另一方面,数据中心网络的兴起要求光网络在管理控制上更加动态和灵活,以满足复杂多变的业务需求。因此,如何优化光网络物理层的频谱资源分配,并改进控制层实现方法,使光网络更加灵活高效,已经成为近年来光网络组网技术领域的重要研究内容。本文立足于频谱灵活光网络的资源优化分配和组网控制方法,对频谱资源优化分配算法、灵活控制层的改进与设计、软件定义光网络(SDON)的实现过程等方面进行了研究,并取得了若干创新成果,具体包括以下内容： (1)在优化算法方面,提出了频谱资源非对称分配算法(ASA)。ASA的核心机制是在光网络频谱分配阶段,同一条光通道中两个方向的频谱资源不总是对称分配,而是根据这两个方向实际的业务需求独立按需分配。ASA的频谱资源分配结果往往是非对称的,从而对于频谱资源需求量较少的方向,可以节省出更多频谱资源以承载其他业务。传统光网络的核心层一般采用对称频谱资源分配,相比之下,ASA方法在频谱分配上更灵活,更容易适配上层业务需求。本文采用多个仿真案例和计算模块的组合,选取网络阻塞率和频谱利用率作为网络性能的衡量指标,并构建基于SLICE网络的仿真平台。多个仿真数据结果表明,相比传统光网络核心层的对称分配方法,ASA算法通过合理分配光频谱资源,可以显著地降低网络阻塞率并提高频谱利用率,从而在物理层上优化光网络性能。 (2)在网络仿真方面,提出了阻塞率均衡方法(BPB)以缓和节点阻塞率分布。由于传统网络仿真中一般采用网络平均阻塞率作为衡量网络性能的标准,而忽略了个别节点阻塞率的实际分布,因此针对这种情况,本文提出了阻塞率均衡方法(BPB)。BPB的核心原理是基于软件定义网络(SDN)的反馈机制,实时收集每个节点的阻塞率值并反馈给控制器,之后对阻塞率超过设定阈值的节点进行K最短路径(KSP)计算,从而对节点之间阻塞率值进行均衡。仿真基于动态业务请求下的SLICE网络的路由与频谱分配过程(RSA),仿真结果表明BPB方法有以下优势：相比没有采用均衡机制的传统资源分配过程,BPB方法使节点阻塞率值的分布明显趋于缓和,节点间阻塞率值的平稳性优于传统方法1到3个数量级；相比没有采用反馈机制的完全KSP选路计算方法,BPB方法降低了计算复杂度。因此BPB方法在全网平均阻塞率、节点阻塞率分布和计算复杂度之间实现合理均衡,在提高网络效率的同时兼顾了网络公平性。 (3)在组网实验方面,研究了基于软件定义光网络(SDON)的若干实验方法,具体分为以下两部分：(a)模拟数据中心组网情况,实验采用NOX控制器和扩展的OpenFlow协议,基于“网管、NOX控制器、OpenFlow Agent (OA)、底层光节点”四部分的纵向耦合,实现跨域光节点的集中式控制。与传统的基于ASON/GMPLS的建路过程相比,基于SDON的实验平台一方面缩短了域间通信的时延,建路过程更快速,总建路时延小于1s；另一方面减少了协议复杂性,只使用OpenFlow一个协议,简化了控制平面的开发过程。(b)研究了在光层实现区分业务优先级的方法。实验采用商用OpenFlow交换机作为边界路由器以实现不同优先级的业务到不同光端口的映射,控制平面分别采用POX控制器和基于资源预留协议的网管系统来分别控制OpenFlow交换机和光节点。实验演示了不同优先级的业务在光层分流的功能,与传统基于电域分组交换的服务质量(QoS)技术相比,光层区分优先级技术实现了业务在光层上的物理隔离,提供更好的安全性和更大的带宽管道。实验在此基础上进一步演示了流量负载均衡功能,以及分别基于光纤级别和波长级别的保护倒换和故障恢复功能,以提高光网络的灵活性和生存性。
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由灵活栅格光网络的不同发展阶段。光网络面临着大容量、灵活、能耗三方面的挑战，其中大容量和低能耗是光网络本身具备的优势，而缺乏灵活性是光网络当前发展的重要瓶颈之一。只有光网络实现了充分灵活，，才能充分发挥出大容量和低能耗的应用价值。本章立足于频谱灵活光网络，从两个方面分析网络的灵活性：即物理层的频谱灵活和基于SDN/OpenFlow技术的灵活控制层，并讨论了软件定义光网络（SDON)的含义与意义。1.1光网络技术发展趋势全光网络的优势在于解决了光电光转换遇到的电子瓶颈，具有大容量透明传输和低能耗的天然优势。长期以来光网络作为底层基础设施，应用主要以静态、可靠型管道为主，缺乏灵活性。近年来随着业务数据量的快速增长以及业务类型的动态多变，特别是数据中心网络和云业务的兴起，光网络也面临着动

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图1-2频谱灵活光网络的发展脉络[18]图1-2为文献[18]总结的频谱灵活光网络的发展脉络。基于可靠的物理层频谱灵活技术，逐渐实现控制层的动态灵活，频谱灵活光网络也逐渐从点到点传输向组网应用过渡、从内部互联到跨地域互联、从数据中心应用到运营商应用过渡。因此完整的频谱灵活光网络技术，不仅是物理层的灵活栅格，还包括控制层的动态灵活控制。下面就这两个方面分别进行讨论。-2-
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN929.1

【参考文献】