专利名称：基于虚拟节点的obs/ops网络性能优化方法
技术领域：
本发明涉及的是一种网络技术领域的方法，具体地说，是一种基于虚拟节点的OBS/OPS网络性能优化方法。
背景技术：
光突发包交换(Optical Burst Switching--OBS)是近年来出现的一种新的光交换技术。OBS的基本原理是数据与控制信息以分割的信道传送。OBS的边缘节点将若干个IP分组组装成为一个突发包，并通过预先以分组的形式发送的控制信息(称为控制分组)，在每个中间节点对控制分组进行光/电变换、处理、预约带宽资源后，网络边缘节点再传送组装成为突发包的数据，数据可以始终保持在光域内，并避免了分组交换中逐一处理分组头的麻烦，同时也避免或降低了在网络核心节点处对光缓存的需求。光分组交换(Optical Packet Switching--OPS)与传统的电域分组交换的唯一差别在于其数据包存储、路由等处理工作全部在光域完成。在OPS网络中，每个分组携带分组头进入OPS交换机，OPS交换机对光分组进行缓存，通过解析分组头来判断光分组的路由，然后将光分组在合适的端口发送出去。OPS完全工作在光域，避免了电交换所存在的电子瓶颈问题，能够实现对光纤巨大带宽的有效利用，是光交换领域希望实现的最终目标。在网络通信领域中，有两个用于衡量网络服务质量的重要指标——丢包率和时延。在OBS网络中由于只有少量或没有光缓存，丢包率主要受到业务流量、网络带宽和所经过的网络节点数影响；而端到端时延主要受到数据的传输时延和突发包控制信息被处理次数的影响。在其中我们可以看出，在OBS网络中一个业务所经过的网络节点数与网络的服务质量直接相关，减少OBS网络中数据流经过的交换节点可以提高网络的服务质量。在OPS网络中，减少业务所经过的节点数可以减少光分组在节点中存储和处理的次数。减少光分组处理和储存的次数对于缩减端到端时延有巨大好处，同时减少光分组被存储的次数使得光分组在通过网络时，对整个网络而言减少了存储资源的占用量，因此对于避免缓存溢出造成的分组丢失也有巨大的好处。
经对现有技术文献的检索发现，在“GMPLS-based Photonic MultilayerRouter(Hikari Router)ArchitectureAn Overview of Traffic Engineeringand Signaling Technology，”(K.Sato et al.，IEEE Commun.Mag.，vol.40，no.3，Mar.2002，pp.96-101.)(“基于通用多协议标记交换的光子多层路由器架构流量工程和信号技术简介”，K.Sato等，电气和电子工程师协会通信杂志，2002年3月第40卷第3期，96-101页)中提出一种基于通用多协议标记交换(GMPLS)协议的多层路由技术，这种技术应用在电域的IP链路与光线路交换(OCS)叠加的环境中，通过将达到一定流量的IP分组汇聚入一条光标签交换路径(OLSP)中直接到达目的节点而避开逐跳的IP电交换，从而降低网络中光波长的使用和波长变换的次数，实现降低网络使用成本的目的。但是在OBS/OPS网络中，情况有所不同首先，OBS/OPS网络中的波长不象OCS网络中的波长是根据端到端业务需求通过呼叫-资源预留-确认机制进行建立的，OBS/OPS网络中所有波长在网络建立后均可以使用，空闲这些波长并不能带来网络使用成本的下降；其次，光突发包/光分组与电域的IP包不同，IP包可以承载在电域的交换链路上，而光突发包/光分组只能承载在WDM网上；再次，在OBS/OPS网络中的业务并非需要进行呼叫-响应过程来建立，因此GMPLS协议并不能总是适用于OBS/OPS网络；最后，由于OBS/OPS的最重要特征之一就是带宽的统计复用，当可以参与统计复用的波长数越大，则网络阻塞可能性就越低，因此在OBS/OPS网络中使用单个波长直接跨接源-宿节点对并不总能对网络性能进行提升，反而可能会使网络的丢包率上升。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于虚拟节点的OBS/OPS网络性能优化方法，通过在动态的IP业务环境下，将业务承载在与业务匹配的具有动态特征的虚网络拓扑之上以提高OBS/OPS网络的服务质量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的基于虚拟节点的OBS/OPS网络性能优化方法根据前一个统计时段的网络业务流量，将业务最短路由上的若干物理节点合并成为一个虚节点，通过在这个虚节点内部设置专用波长连接虚节点中的首尾物理节点，使数据包经过这个虚节点只需要经过一次处理即可跳转至少两个以上物理节点，以降低网络中的端到端时延和丢包率。虚节点根据网络中业务流量获得，或者由网络管理人员通过网络管理软件直接设定。
本发明的用于优化OBS/OPS网络性能的虚拟节点构建方法组成某虚节点的第一个物理节点，主动发起虚节点建立呼叫，同一个虚节点中处于后面的物理节点接收到呼叫指令后，按指令要求分配若干波长并向后续物理节点转发呼叫指令，虚节点倒数第二个物理节点完成波长分配后反向发送虚节点建立响应，在OBS网络中，虚节点建立响应将上发至所有流经此虚节点的业务源节点，在OPS网络中，虚节点建立响应只需要在虚节点内部发送。
本发明的基于虚拟节点的OBS/OPS网络虚拓扑构建方法包括以下步骤(1)统计网络业务流量；(2)计算网络最短路由；(3)基于所述网络最短路由，根据网络的业务流量计算虚拟节点；(4)根据计算得到的虚拟节点进行网络虚拓扑构建。
具体为(1)统计网络业务流量所述的统计网络业务流量方法是针对不同的网络应用环境和其承载的主要业务类型，设置不同的统计时间段，长度可以从数分钟到数小时不等，在每个统计时段内，将本节点始发的业务按照目的节点的不同加以统计，将一个统计时段统计出来的业务流量打上版本号，通过链路状态协议将统计结果在网络中发送，使得网络中每一个节点都掌握版本一致的全网所有源-宿节点对的网络业务流量统计表。
(2)计算网络最短路由网络中所有业务流的路由选择通过两种方式获得所述的计算网络最短路由是通过各网络节点根据网络的物理拓扑独立计算获得，计算出来的最短路由表可以在一次或多次使用。
所述的网络最短路由计算是由各业务流的源节点计算路由，并将选择的路由附在业务流量统计表中发送，通过业务流量表的广播同时实现路由的广播。
(3)基于所述网络最短路由，根据网络的业务流量计算虚拟节点先说明一些需要使用的定义①虚节点就是网络中连续的3个或更多物理节点以及连通它们的边组成的一段路由。在虚节点内部通过波长约定，建立一个直接连接首尾物理节点的通道，虚节点中的第一个物理节点根据突发包/分组的路由信息将需要到达本虚节点最后一个物理节点的数据包从当前所在的波长变换到虚节点内部约定的波长上，而处于虚节点中间位置的物理节点不处理这些约定波长上的数据，因此数据包仅经过一次处理至少可以跳过1个或多个物理节点，直接到达虚节点的尾节点，对于这些数据包来说就像只经过了一个节点一样。
②后备虚节点网络中承载一定业务量一段路由，其中某些满足我们定义的筛选函数可以成为真正的虚节点，某些不满足我们定义的筛选函数不能成为真正的虚节点，还有一些只由2个物理节点组成，只用于计算，本身并不满足虚节点的定义。
③虚节点的父节点一个虚节点的父节点包含这个虚节点，但仅在首或尾部比这个虚节点多包含一个物理节点。
④虚节点的子节点一个虚节点的子节点是这个虚节点所对应的路由中所有子路由。
⑤后备虚节点库一个储存后备虚节点的数据结构。
后备虚节点库中每个记录储存如下信息后备虚节点索引、物理节点数，物理节点序列、父节点索引表、业务流量、空闲网络带宽。
因为使用最短路由，当路由两端节点确定的情况下，这条路由唯一。所以在后备虚节点库中，利用构成后备虚节点的段路由两端的物理节点编号作为唯一索引，后备虚节点库的存在形式是一个二维结构矩阵。
后备虚节点的物理节点序列按照最短路由的顺序以一维矩阵的形式存储组成这个后备虚节点的路由中所有物理节点的逻辑编号。
后备虚节点的父节点索引表也是一个一维矩阵结构，用于记录它的所有父节点索引。在n个节点组成的网络中，由m个物理节点组成的后备虚节点，至多有2×(n-m)个父节点。
后备虚节点的业务流量是指从头至尾流经组成虚节点的这段路由的数据流量。将这个业务流量转换为所需要的光波长数，就可以知道需要利用多少波长来构成一个虚节点内部的通道。由于业务流量不会正好是波长带宽的整数倍，为了不至于在构成虚节点后，虚节点内部通道成为业务流的瓶颈，因此虚节点的内部分配的波长数都是业务流量所需的波长数向上取整(在业务负载很重的网络中也可以按业务流量四舍五入取整的方法来分配波长)。构成一个虚节点就有可能使小于1个波长的空闲带宽被排他占用，不再参加其它业务流的统计复用。当这个虚节点所对应的这段路由没有足够的空闲带宽用于补足虚节点业务流量与整数个光波长的差距时，为了不对通过这些物理节点的其它业务产生影响，这个虚节点将不被允许建立。
进行虚节点计算需要先根据上个统计时段的业务流量表和最短路由表先生成后备虚节点库，然后利用筛选函数对后备虚节点库中的后备虚节点进行筛选，选出合适的虚节点存入虚节点库。
虚节点计算可以分为三个基本步骤后备虚节点库生成、筛选函数的设立和虚节点过滤。
所述的计算虚拟节点包括以下步骤①后备虚节点库生成，是指当仍有业务流量不为空的路由未处理时，取其中之一，将路由中的节点前后顺序不变进行两两组合，作为后备虚节点的索引，形成一系列后备虚节点，直至所有业务流量不为空的路由均被处理，新生成后备虚节点业务流量即本路由中的业务流量，并且在这个路由上至多有两个父节点。
②筛选函数的设立根据业务流量、空闲带宽和物理节点数三个参数的函数，对后备虚节点进行过滤，最简单的筛选函数就是业务流量大于某个阈值，同时空闲带宽大于或等于某个阈值；③虚节点过滤在后备虚节点库中，以组成后备虚节点的物理节点数为第一排序标准，以筛选函数值为第二排序标准，由高向低逐个取出筛选函数值达到要求的后备虚节点，存入虚节点库，并记录对此虚节点分配的波长数，每选出一个虚节点，需要对后备节点库中入选虚节点和部分未处理过的后备虚节点的参数进行适当的修正。
所述的后备虚节点库生成，是指将每个新生成的后备虚节点插入后备虚节点库①若相同索引的后备虚节点已存在，则新生成后备虚节点的业务流量加上库中已有的业务流量作为本索引代表的后备虚节点的业务流量，并在其父节点列表中增加与已有父节点索引不同的的父节点；②若相同索引的后备虚节点在库中尚不存在，则在后备虚节点库中增加本后备虚节点；③若插入库中的后备虚节点仅由2个物理节点组成，则空闲带宽为网络带宽减去本节点流量；④若插入库中的的后备节点由3个或更多物理节点组成，则空闲带宽为其所有子节点中空闲带宽最小值。
所述的适当的修正，是指假设入选虚节点为(Rn，Rn+k)，组成虚节点的物理节点共有k+1个，分别为Rn、Rn+1、Rn+2、…Rn+k，那么后备虚节点库中入选虚节点和部分尚未参与筛选的后备虚节点均需要进行如下参数修改①入选虚节点(Rn，Rn+k)的空闲带宽改为当前空闲带宽减去业务流量取整所差带宽；②入选虚节点的子节点的空闲带宽取子节点空闲带宽与入选虚节点空闲带宽二者较小的一个；③如果某个节点的空闲带宽被减小了，其各个父节点的空闲带宽需要改为父节点空闲带宽与本节点空闲带宽二者较小的一个；④(Rn，Rn+k)所有子节点的业务流量改为子节点业务流量减去(Rn，Rn+k)业务流量；⑤入选虚节点的业务流量改为0；⑥当1＜m＜k-1时，入选虚节点的形为(Rn-m，Rn+k)或(Rn，Rn+k+m)前代节点(父节点或父节点的父节点)的如下子节点业务流量需进行修改a)子节点(Rn-m，Rn+1)、(Rn-m，Rn+2)、…(Rn-m，Rn+k-m-1)的业务流量改为子节点本身的业务流量减去(Rn-m，Rn+k)的业务流量；b)子节点(Rn+m+1，Rn+k+m)、(Rn+m+2，Rn+k+m)、…(Rn+k-1，Rn+k+m)的业务流量改为子节点本身的业务流量减去(Rn，Rn+k+m)的业务流量。
当所有的虚节点均被过滤出来后，就可以利用这些获得的虚节点进行网络的虚拓扑构建了。
(4)根据计算得到的虚拟节点进行网络虚拓扑构建由于各网络节点利用版本号相同的网络业务流量来计算网络中的虚节点，因此网络各节点选择出来虚节点也是一致的，各网络节点可以通过相关协议来确定其它节点已经完成虚节点计算。通过对不同虚节点的波长分配设置规则，使得虚节点在选择波长时不至于产生波长选择冲突。使任何一个完成虚节点计算的物理节点组均可以知道自己将使用哪些波长。
本发明的用于优化OBS/OPS网络性能的虚拟节点构建方法组成某虚节点的第一个物理节点，主动发起虚节点建立呼叫，同一个虚节点中处于后面的物理节点接收到呼叫指令后，按指令要求分配若干波长并向后续物理节点转发呼叫指令，虚节点倒数第二个物理节点完成波长分配后反向发送虚节点建立响应，在OBS网络中，虚节点建立响应将上发至所有流经此虚节点的业务源节点，这个虚节点建立响应包含网络业务流量表所携带的版本号和虚节点的索引号，将一直转发至业务的源节点，使业务源节点可以自主决定等待这条路由上所有虚节点均建立起来后再按照新的网络拓扑确定突发包的控制信息提前量，还是建立一个虚节点就相应的修改突发包的控制信息提前量。在OPS网络中，虚节点建立响应只需要在虚节点内部发送。当网络中所有虚节点均建立起来后，网络中所有的业务就承载在一个根据网络业务而优化的网络虚拓扑上。
本发明根据网络中业务流量，通过将多个物理节点组合成为虚节点来构筑OBS/OPS网络的虚拓扑，使网络虚拓扑与业务相匹配。本发明中的虚节点可以根据网络中业务流量或其它特征计算获得，也可以为特定目的由网络管理人员手工直接设定。由于虚节点的设立，在OBS网络中突发包控制信息的处理次数得以减少，不同的源-宿业务的突发包碰撞机会得以降低；在OPS网络中，光分组被存储和处理的次数的减少，对于网络中缓存的需求也随之降低。因此本发明对OBS/OPS网络的端到端时延和丢包率都能够加以改善。
图1本发明虚节点基本原理图；图2本发明实施例网络拓扑图。
具体实施例方式
结合附图提供以下实施例OBS/OPS网络的虚拟节点的构成如图1所示。图1中R1至R6和R7至R9的突发包均流经节点R2、R3、R4，当流经R2至R4的业务流量和网络资源情况达到某些要求时，可以根据情况配置若干波长直连R2至R4节点，使得R3节点不需要考虑承载在这些波长上的数据的路由情况。这样在R7至R9和R1至R6的路由上，经过R2、R3的数据包只在R2节点被处理一次，R2、R3可以被当作一个节点看待。在R1到R6的路由上R4、R5、R6可以被合并为另一个虚拟节点，这样R1至R6原本需要被处理4次的信头，现在只需要处理2次就可以到达目的节点，大大缩短了端到端的时延，也降低了网络的丢包率。
如图2所示，为一个示例网络的物理拓扑，其中各节点按图中所示进行逻辑编号，各节点间物理链路距离由图中的边表示，假设所有节点之间可用的网络带宽均为8个波长(λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8)1、网络流量统计在上个统计时段内，网络内的业务流量转换成为波长数如下
2、最短路由计算各源节点将自身业务所对应的路由在进行业务流量通告时在网络中进行通告，使网络中各节点均获知如下节点对之间的最短路由
3、虚节点计算根据网络中各节点对之间的业务流量以及对应的最短路由，生成备用虚节点库(省略了父节点索引表)如下
设定的过滤函数为业务流量超过1.5个波长，空闲带宽大于1个波长，过滤出来如下虚节点
4.虚拓扑建立设定规则，包含节点数多的虚节点级别高，包含相同数目物理节点的虚节点中物理首节点编号小的级别高。级别高的虚节点使用的波长越短。因此虚节点(2，5)选择(λ1、λ2)来建立虚节点，虚节点(6，3)和虚节点(1、7)之间没有共同节点对，而这两个虚节点与虚节点(2，5)均有共同节点对，因此两个虚节点可以分别使用(λ3、λ4)来实现虚节点的建立。各虚节点中的物理首节点根据分配的波长对后续节点进行波长指配完成虚节点的建立。
设立虚节点后，各业务的数据包所需要经过的处理跳数与以前的对比如下
可见通过建立网络的虚拓扑有效的减小了网络中数据包的处理次数。
权利要求
1.一种基于虚拟节点的OBS/OPS网络性能优化方法，其特征在于，将业务最短路由上的若干物理节点合并成为一个虚节点，通过在这个虚节点内部设置专用波长连接虚节点中的首尾物理节点，使数据包经过这个虚节点只需要经过一次处理即可跳转至少两个以上物理节点，以降低网络中的端到端时延和丢包率。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟节点的OBS/OPS网络性能优化方法，其特征是，虚节点根据网络中业务流量获得，或者由网络管理人员通过网络管理软件直接设定。
3.一种用于优化OBS/OPS网络性能的虚拟节点构建方法，其特征在于，组成某虚节点的第一个物理节点，主动发起虚节点建立呼叫，同一个虚节点中处于后面的物理节点接收到呼叫指令后，按指令要求分配若干波长并向后续物理节点转发呼叫指令，虚节点倒数第二个物理节点完成波长分配后反向发送虚节点建立响应，在OBS网络中，虚节点建立响应将上发至所有流经此虚节点的业务源节点，在OPS网络中，虚节点建立响应只需要在虚节点内部发送。
4.一种基于虚拟节点的OBS/OPS网络虚拓扑构建方法，其特征在于，包括以下步骤(1)统计网络业务流量；(2)计算网络最短路由；(3)基于所述网络最短路由，根据网络的业务流量计算虚拟节点；(4)根据计算得到的虚拟节点进行网络虚拓扑构建。
5.根据权利要求4所述的基于虚拟节点的OBS/OPS网络虚拓扑构建方法，其特征是，所述的统计网络业务流量方法是针对不同的网络应用环境和其承载的主要业务类型，设置不同的统计时间段，长度可以从数分钟到数小时不等，在每个统计时段内，将本节点始发的业务按照目的节点的不同加以统计，将一个统计时段统计出来的业务流量打上版本号，通过链路状态协议将统计结果在网络中发送，使得网络中每一个节点都掌握版本一致的全网所有源-宿节点对的网络业务流量统计表。
6.根据权利要求4所述的基于虚拟节点的OBS/OPS网络虚拓扑构建方法，其特征是，所述的计算网络最短路由是通过各网络节点根据网络的物理拓扑独立计算获得，计算出来的最短路由表可以在一次或多次使用。
7.根据权利要求4所述的基于虚拟节点的OBS/OPS网络虚拓扑构建方法，其特征是，所述的网络最短路由计算是由各业务流的源节点计算路由，并将选择的路由附在业务流量统计表中发送，通过业务流量表的广播同时实现路由的广播。
8.根据权利要求4所述的基于虚拟节点的OBS/OPS网络虚拓扑构建方法，其特征是，所述的计算虚拟节点包括以下步骤①后备虚节点库生成当仍有业务流量不为空的路由未处理时，取其中之一，将路由中的节点前后顺序不变进行两两组合，作为后备虚节点的索引，形成一系列后备虚节点，直至所有业务流量不为空的路由均被处理，新生成后备虚节点业务流量即本路由中的业务流量，并且在这个路由上至多有两个父节点；②筛选函数的设立根据业务流量、空闲带宽和物理节点数三个参数的函数，对后备虚节点进行过滤，最简单的筛选函数就是业务流量大于某个阈值，同时空闲带宽大于或等于某个阈值；③虚节点过滤在后备虚节点库中，以组成后备虚节点的物理节点数为第一排序标准，以筛选函数值为第二排序标准，由高向低逐个取出筛选函数值达到要求的后备虚节点，存入虚节点库，并记录对此虚节点分配的波长数，每选出一个虚节点，需要对后备节点库中入选虚节点和部分未处理过的后备虚节点的参数进行适当的修正。
9.根据权利要求8所述的基于虚拟节点的OBS/OPS网络虚拓扑构建方法，其特征是，所述的后备虚节点库生成，是指将每个新生成的后备虚节点插入后备虚节点库①若相同索引的后备虚节点已存在，则新生成后备虚节点的业务流量加上库中已有的业务流量作为本索引代表的后备虚节点的业务流量，并在其父节点列表中增加与已有父节点索引不同的的父节点；②若相同索引的后备虚节点在库中尚不存在，则在后备虚节点库中增加本后备虚节点；③若插入库中的后备虚节点仅由2个物理节点组成，则空闲带宽为网络带宽减去本节点流量；④若插入库中的的后备节点由3个或更多物理节点组成，则空闲带宽为其所有子节点中空闲带宽最小值。
10.根据权利要求8所述的基于虚拟节点的OBS/OPS网络虚拓扑构建方法，其特征是，所述的适当的修正，是指假设入选虚节点为(Rn，Rn+k)，组成虚节点的物理节点共有k+1个，分别为Rn、Rn+1、Rn+2、…Rn+k，那么后备虚节点库中入选虚节点和部分尚未参与筛选的后备虚节点均需要进行如下参数修改①入选虚节点(Rn，Rn+k)的空闲带宽改为当前空闲带宽减去业务流量取整所差带宽；②入选虚节点的子节点的空闲带宽取子节点空闲带宽与入选虚节点空闲带宽二者较小的一个；③如果某个节点的空闲带宽被减小了，其各个父节点的空闲带宽需要改为父节点空闲带宽与本节点空闲带宽二者较小的一个；④(Rn，Rn+k)所有子节点的业务流量改为子节点业务流量减去(Rn，Rn+k)业务流量；⑤入选虚节点的业务流量改为0；⑥当1＜m＜k-1时，入选虚节点的形为(Rn-m，Rn+k)或(Rn，Rn+k+m)前代节点(父节点或父节点的父节点)的如下子节点业务流量需进行修改a)子节点(Rn-m，Rn+1)、(Rn-m，Rn+2)、…(Rn-m，Rn+k-m-1)的业务流量改为子节点本身的业务流量减去(Rn-m，Rn+k)的业务流量；b)子节点(Rn+m+1，Rn+k+m)、(Rn+m+2，Rn+k+m)、…(Rn+k-1，Rn+k+m)的业务流量改为子节点本身的业务流量减去(Rn，Rn+k+m)的业务流量。
全文摘要
一种属于光通信技术领域的基于虚拟节点的OBS/OPS网络性能优化方法，本发明根据前一个统计时段的网络业务流量，将业务最短路由上的若干物理节点合并成为一个虚节点，通过在这个虚节点内部设置专用波长连接虚节点中的首尾物理节点，使数据包经过这个虚节点只需要经过一次处理即可跳转至少两个以上的物理节点，以降低网络中的端到端时延和丢包率。本发明在动态的IP业务环境下，通过将业务承载在与业务匹配的具有动态特征的虚网络拓扑之上来提高OBS/OPS网络的服务质量。
文档编号H04B10/00GK1741498SQ20051002990
公开日2006年3月1日 申请日期2005年9月22日 优先权日2005年9月22日
发明者许华东, 范戈 申请人:上海交通大学, 华为技术有限公司