弹性光网络中可生存性问题研究

发布时间：2019-09-16 10:00

【摘要】：弹性光网络(Elastic Optical Networks, EON)被普遍认为是下一代光网络的发展趋势。与传统的基于50或100 GHz固定波长分配的波分复用(Wavelength Division Multiplexing, WDM)网络相比,通过采用光正交频分复用(Optical Or-thogonal Frequency Division Multiplexing, O-OFDM)等新型技术,EON可以实现更灵活的光层频谱分配。另一方面,由于EON具有极高的传输速率,单个光器件的失效就会导致巨大的数据丢失,为其提供可生存性保障非常必要。本文首先针对现有EON中可生存性方案设计中存在的恢复速度慢或部署代价高的缺点,考虑光网络中最普遍存在的单光纤失效情景,利用故障独立路径保护预置圈(Failure-Independent Path-Protecting preconfigured-cycle, FIPP-p-cycle)为EON设计频谱高效的快速保护算法。本文研究了基于FIPP-p-cycle保护的静态网络规划问题,构造了求解问题最优解的整数线性规划(Integer Linear Programming, ILP)方程并证明ILP的求解为NP-难问题。为了降低问题的求解复杂度,本文设计三种时间高效的启发式算法,即保护效率优先的FIPP-p-cycle配置算法(Protection-Efficiency-based FIPP-p-cycle design, PE-FIPP),聚合FIPP-p-cycle配置算法(Integrated FIPP-p-cycle design, Inte-FIPP)和基于最大独立集的FIPP-p-cycle配置算法(Maximum-Independent-Set based FIPP-p-cycle design, MIS-FIPP),以获得问题的近似最优求解。本文还研究了动态的FIPP-p-cycle配置算法,设计了一种基于MIS-FIPP算法的保护结构重配置机制以解决动态网络运行中出现的FIPP-p-cycle保护效率降低的问题。仿真结果表明,与现有工作相比,本文所设计的FIPP-p-cycle保护算法可以获得更高的频谱使用效率和更低的请求阻塞率。针对单光纤失效情景的保护算法设计未考虑现实网络中业务多样化的服务可靠性需求,例如,实时的视频电话会议要求数据传输完全不能被打断,而文件传输业务则只关心所获得的平均带宽,允许一定时间的数据中断。因此,为所有请求提供相同的保护机制无法实现最高效的频谱使用。本文结合EON灵活的频谱分配原则和恢复带宽可挤压原理,为EON设计完全新型的可靠性保证的服务提供模型。本文提出使用不同路径保护方案,即无保护、专属路径保护(Dedicated-Path Protection, DPP)和共享路径保护(Shared-Path Protection, SPP),以满足请求的不同服务可靠性需求,并构建了不同保护机制下请求服务可靠性的理论分析方法。根据所获得的可靠性计算方法,本文为EON设计了可靠性保证的差分保护算法(Availability-aware Differentiated Protection, ADP)和可靠性保证的保护结构重配置策略(Availability-aware Backup Reprovisioning, ABR)。其中,ABR策略可以根据请求瞬时可靠性需求的变化动态的调整请求的保护频谱分配以提高频谱效率。另一方面,针对现有工作中p-cycle保护服务可靠性分析方法中存在的缺陷,本文考虑多链路同时失效的情形和保护域之间的内在联系,提出一种更为精确的p-cycle保护下请求服务可靠性的理论分析模型,并据此为EON设计了一种可靠性为导向的动态p-cycle配置算法。仿真结果表明,本文所提出的可靠性分析模型可以获得比现有工作更精确的结果,同时,所设计的可靠性保证的保护算法可以有效地提高频谱效率和请求服务可靠性。基于数据传输平面和控制平面分离的集中控制式软件定义网络(Software-Defined Networking, SDN)可以提高网络的可编程性和可管理性。通过将SDN与EON结合,软件定义弹性光网络(Software-Defined Elastic Optical Network, SD-EON)为EON的灵活光层频谱分配提供了强大的支持。然而,SD-EON的控制平面同样面临着町生存性问题。例如,控制器的失效会导致整个控制平面的瘫痪,进而造成数据传输平面服务提供的中断。本文针对SD-EON控制平面存在的可生存性问题,考虑控制器和控制平面通信路径失效的情景,研究基于多控制器和控制平面服务质量保证的可生存的SD-EON控制平面建立(Survivable Control Plane Establishment, SCPE)问题。具体地,SCPE确保SD-EON中每个光节点至少有两个控制器(分别作为主、备控制器),控制器之间相互备份,且控制器与节点、控制器与控制器之间通信路径长度低于一定闽值。本文构造了用于求解SCPE问题最优解的ILP方程,设计了一种基于相关集的启发式算法用于大型拓扑的SCPE求解,并探讨了支持SCPE的SD-EON系统框架和相关协议设计。本文基于OpenFlow搭建了支持SCPE的SD-EON系统实验演示平台,实验结果表明本文所设计方案可以有效地抵御控制平面和数据平面的各种失效情景,并且具有较好的可扩展性。
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图１．５邋ＥＯＮ中ＭＰＰ保护不例逡逑

Ｔ巧ｆｆｉｃ邋ＬｏａｃＭＥｔｌａｎｇｓ）逦Ｔ巧ｆｆｉｃ邋Ｌｏａｄ邋（Ｅｒｌａｎｇｓ）逡逑图２．１２邋ＣＯＳＴ２３９拓扑下请求带宽阻塞率仿寅结取１１１逡逑ＩＬＰ模型，并设计ＴＨ种高巧的后发式算法，即ＰＥ－ＦＩＰＰ，Ｉｎｔｅ－ＦＩＰＰ和ＭＩＳ－ＦＩＰＰ。逡逑接着，在２．２节中．本章探讨了动态的ＦＩＰＰ－ｐ－ｃｙｃｌｅ配置算法。静态网络规划和动逡逑态网络服务提供仿真结巧同时表明本章所设计算法可Ｗ获得比对比算法更高的逡逑，

本文编号：2536125