一种软件定义传送网中的频谱资源优化方法及装置与流程

本发明涉及软件定义传送网以及灵活栅格光网络资源优化领域，尤其涉及一种软件定义传送网中的频谱资源优化方法及装置。

背景技术：

针对当前网络繁冗、结构复杂以及资源利用效率低等问题，软件定义网络提出集中控制平面与转发平面分离、统一的标准接口与集中控制等理念，迅速得到在产业界得到极大的关注，成为下一代网络的核心技术。为适应未来大数据量、高动态性的传送需求，通信网络运营商也积极的构建软件定义传送网络架构，包括简化网络运维，提高集中控制能力，实现网络的开放与可编程能力等等，以便为各种光层资源提供统一的调度和控制能力，利用软件编程方式进行动态定制，满足业务多样化复杂化的需求。

如图1所示为软件定义传送网络架构示意图，在软件定义传网络架构下，控制器通过北向接口实现对业务的支撑，通过南向接口协议进行链路发现、拓扑管理、策略制定、表项下发等功能。软件定义传网络中底层光传送网使用的灵活栅格光网络模式，控制平面与底层的光传送网是解耦和。灵活栅格光网络消除了固定栅格的限制，支持根据用户需求和实际业务量动态有效地配置光路带宽，支持灵活的业务汇聚，支持子载波、超级信道和多速率业务。

软件定义传送网络架构的建立可以大大提高光传输网络资源使用效能，同时对于传统光传输网络中存在的问题提供了新的解决方法，其中就包括频谱碎片整理问题。当连接请求到达时，网络为其分配可用连续频谱资源来建立连接；当请求结束时，网络拆除连接并释放已占有的频谱资源。这种空间和时间上大量发生的随机建拆路事件，使得频谱资源的使用状况难以预测。即使预先对频谱进行规划并做到高效利用，经过一段时间和一系列连接的动态建拆处理过程后，频谱资源被反复释放和被重新分配，可用频谱必然处于一种凌乱分布的状态，形成了资源碎片现象。对已经杂乱的频谱碎片进行重新规划和整理，使频谱碎片资源可以被新到来的业务所使用，从而减少对频谱资源的浪费，这种针对网络频谱资源的优化过程被定义为频谱碎片整理。

软件定义传送网络为建立智能化的网络控制功能、业务动态智能服务以及以更小更精准粒度利用和分配资源提供了更加便捷的技术方案。当前，在软件定义传送网络架构下，频谱碎片整理技术还缺乏一定的研究与探讨。基于上述现状，本发明提出的碎片整理算法，优化光网络的资源使用情况，并设计了相应的装置。

文献[1]首先为被阻塞的连接请求选择障碍链路最少的路径和频谱分配，然后对于障碍链路上相关的业务进行重路由，为被阻塞的连接请求创造所需的频谱空间。文献[2]提出对已建立的连接进行频谱变换以创造频谱空间，此时并不进行路径的变更。文献[3]提出首先将全网的连接按照占用频谱位置从高到低进行排序，依次为连接寻找频谱较低的位置进行安放。文献[4]提出在对全网业务进行重新排列以压缩频谱时，按照连接不同特征进行选择性的移动，例如优先移动传输距离较长的或者粒度较大的业务。专利《频率隙资源重构方法》(公开号：CN102724113A)[5]通过设定触发条件对该条链路上的业务进行频谱搬移，使该条链路上的非连续的频率隙碎片资源整合成连续的频率隙资源。其中，触发条件主要包括单条链路上被占用的频率隙的序号最大值，以及链路上频谱的可用度。该发明实现了对频谱资源进行重构，从而能提高频率隙资源利用效率，减少业务阻塞。

文献引用

[1]Takagi T,Hasegawa H,Sato K et al.Disruption minimized spectrum defragmentation in elastic optical path networks that adopt distance adaptive modulation.In Proc.Of ECOC2011,Paper Mo.2.K.3.

[2]Ke W,Yawei Y,Geisler J.et al.Dynamic on-demand lightpath provisioning using spectral defragmentation in flexible bandwidth networks.In Proc.Of ECOC2011,Paper Mo.2.K.4

[3]Patel A N,Ji P N,Jue J P,et al.Defragmentation of Transparent Flexible Optical WDM(FWDM)Networks.In Proc.Of OFC/NFOEC 2011,Paper OTuI8

[4]Zhang J,Zhao Y,Yu X,et al.Priority-based defragmentation scheme in spectrum-efficient optical networks[C]//Optical Internet(COIN),2012 10th International Conference on.IEEE,2012:16-17.

[5]张民,张力方,陈雪,等.频率隙资源重构方法:CN102724113A[P].2012.

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术的不足，提供了一种软件定义传送网中的频谱资源优化方法及装置，

所述优化方法包括以下步骤：

步骤1，计算网络中节点的权值；

步骤2，根据节点的权值对节点的种类进行划分；

步骤3，对网络频谱资源进行优化。

其中，步骤1包括如下步骤，

步骤1-1，定义网络拓扑为G{V,E,S}，其中V表示网络中节点的集合，E表示网络中节点之间光纤链路的集合，S表示每条光纤链路上频率隙的集合，|V|＝N，表示网络中包含N个节点，|E|＝L，表示网络中包含L条光纤链路，|S|＝F，表示每条光纤链路上有F个频率隙，频率隙即为网络频谱资源；

网络中，任意两条连接于同一节点的邻接光纤链路组成一个光通道，如果一个节点k的度数为D，则得到条光通道。其中，节点度数是指和该节点相关联的边的条数，例如一个节点有3条边与之相连，那么这个节点的度数就为3。

步骤1-2，用表示与节点k相连的第j条光纤链路上面的第i个频率隙的使用状态，如果频率隙被占用则赋值频率隙空闲则赋值k属于集合V，j属于集合E，i属于集合S；

步骤1-3，用一个M比特的二进制序列表示与节点k相连的第j条光纤链路上的频率隙，通过如下公式计算得到两条光纤链路组成的光通道本身的频率隙的使用状态Uy,k：

其中，Up,k表示与节点k相连的第p条光纤链路上的频率隙，Uy,k表示与节点k相连的光纤链路j和光纤链路p组成的光通道y上频率隙的使用状态；p属于集合E；

步骤1-4，采用如下公式计算节点k的权值ω(k)：

其中，Y表示节点k周围光通道的数目，y取值1～Y，n取值1～M。

步骤2包括：

设定阈值T与参数α，0<α<1，将节点分为三类：将满足ω(k)>T的节点设为一类节点；将满足α×T<ω(k)<T的节点设为二类节点；将满足ω(k)<α×T的节点设为三类节点。

其中，将所有节点的权值ω从到小排列，可以取前30％节点的值作为T的值。例如，假如十个节点，可以取权值第三大的节点的值作为阈值T。参数α取值建议设在0.8～0.7之间，如果α的值太小则一类与二类节点数太多，在算法中对业务重路由时，可能会造成没有候选路径；如果α的值太大，则无法有效分类出一类节点与二类节点，参数调节的作用会大打折扣。

步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，判断每条业务链路中包含一类节点的数目，当业务链接包含的一类节点数目为零时，不做任何操作；

当业务链路中包含的一类节点数目为一个时，进入步骤3-2；

当业务链路包含的一类节点数目为两个或两个以上时，进入步骤3-3；

其中，本发明中所提及业务链路是指承载具体业务的光载波通路，光纤链路则是指物理的光纤链路，光纤链路上存在多条光载波，如果光载波上承载具体的业务，则该光载波称为具体的业务链路，光纤链路可以承载多条业务链路；

步骤3-2，不改变业务路径，对业务链路占用的频率隙位置进行迁移，使得业务链路占用的节点中不存在一类节点，如果存在两个以上频率隙位置，则选择频率隙位置最低的一个；如果通过改变业务链路频率隙位置无法将业务链路占用节点中一类节点的数量消减至零个，则进入步骤3-3；

步骤3-3，将一类节点与二类节点排除，运用K条最短路径算法为业务链路计算新的光路，记录为候选链路；

步骤3-4，将新的候选链路按节点权值之和升序排列，重路由当前业务至候选链路，在候选链路中从低频率隙位置开始放置业务链路，直到业务链路所占用节点不存在一类节点和二类节点，优化结束。

所述优化装置包括资源模块、节点状态模块、碎片整理模块、路径和资源分配模块、决策仲裁模块和协同模块；

所述资源模块用于收集网络运行状态参数，网络运行状态参数包括各个链路上频谱资源使用情况和业务分部情况，并根据网络运行状态的变化，实时更新资源库，以便为其他算法调用，或者其他模块对于网络状态的调用的需求；

所述节点状态模块通过对资源模块中网络运行状态的描述，分析每个业务链路的频谱资源使用情况，计算节点的权值；当网络状态发生改变，节点的权值也应该重新计算，以便每次当其他模块调用节点权值的计算结果都应该是最新的。

所述碎片整理模块根据计算出的节点权值以及设定的参数α与阈值T，将节点进行分类，对业务进行重路由，以优化网络资源的使用情况；

所述路径和资源分配模块通过调用节点状态模块信息对新业务进行路径和频谱资源的分配；

所述决策仲裁模块用于设定参数α与阈值T以及网络运行状态的约束条件；算法中涉及到的阈值以及网络运营者设定的各类约束条件，都可以通过本模块进行设定。其中约束条件是指网络运营者设定的一些限制，如某些业务链路不能移动，以及一些链路保护、资源预留、节点指派或者人工设定路径等设定的方案，

所述协同模块用于将IP网络的控制器与光网络的控制器进行连接，在软件定义传送网中，打破了单层面运营的限制，使得网络运营者可以将IP网络资源和光网络资源进行统一的管理与运营，充分提高网络的运营效率与业务传输的高效与灵活性。协同模块构建的目的是将IP网络的控制器与光网络的控制器进行有机的联系，实现所需资源或者信息的提取。

本发明首先统计节点周围链路的负载情况，然后通过构建光通道的策略来衡量节点的负载程度，进而确定节点的权值。以节点权值为考虑因素对网络中的业务进行资源的分配与路径的再次分配，从而提高频谱资源的使用效率，减少业务阻塞。针对于软件定义传送网的控制架构，本发明还提供了一种装置，定义了用于完成资源优化策略所需的各种模块，以及各个模块的功能与相互关系。

有益效果：

采用本发明所述方法和装置，对在软件定义传送网络架构下如何进行碎片整理策略进行细致的描述，在达到优化网络资源使用情况的同时，为通信网络中方法的实际应用有较好的指导与帮助。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为软件定义传送网络架构示意图。

图2为光通道构建示意图。

图3为本发明流程图。

图4为功能模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不是对本发明范围的限制。

本发明公开了一种软件定义传送网中的频谱资源优化方法及装置，所述方法流程图如图1所示，包括以下步骤：

步骤1，计算网络中节点的权值；

步骤2，根据节点的权值对节点的种类进行划分；

步骤3，对网络频谱资源进行优化。

其中，步骤1包括如下步骤，

步骤1-1，定义网络拓扑为G{V,E,S}，其中V表示网络中节点的集合，E表示网络中节点之间光纤链路的集合，S表示每条光纤链路上频率隙的集合，|V|＝N，表示网络中包含N个节点，|E|＝L，表示网络中包含L条光纤链路，|S|＝F，表示每条光纤链路上有F个频率隙，频率隙即为网络频谱资源；

网络中，任意两条连接于同一节点的邻接光纤链路组成一个光通道，如果一个节点k的度数为D，则得到条光通道。其中，节点度数是指和该节点相关联的边的条数，例如一个节点有3条边与之相连，那么这个节点的度数就为3。

步骤1-2，用表示与节点k相连的第j条光纤链路上面的第i个频率隙的使用状态，如果频率隙被占用则赋值频率隙空闲则赋值k属于集合V，j属于集合E，i属于集合S；

步骤1-3，用一个M比特的二进制序列表示与节点k相连的第j条光纤链路上的频率隙，通过如下公式计算得到两条光纤链路组成的光通道本身的频率隙的使用状态Uy,k：

其中，Up,k表示与节点k相连的第p条光纤链路上的频率隙，Uy,k表示与节点k相连的光纤链路j和光纤链路p组成的光通道y上频率隙的使用状态；p属于集合E；

步骤1-4，采用如下公式计算节点k的权值ω(k)：

例如图2所示，U1,i＝[0.0.1.0.0.0.0.1.1.1]，U2,i＝[0.1.1.0.0.1.1.0.0.0]，那么Uy,i＝U1,i∩U2,i＝[0.1.1.0.1.1.0.0.1.1]，则：

步骤2包括：

设定阈值T与参数α，0<α<1，将节点分为三类：将满足ω(k)>T的节点设为一类节点；将满足α×T<ω(k)<T的节点设为二类节点；将满足ω(k)<α×T的节点设为三类节点。其中，将所有节点的权值ω从到小排列，可以取前30％节点的值作为T的值。例如，假如十个节点，可以取权值第三大的节点的值作为阈值T。参数α取值建议设在0.8～0.7之间，如果α的值太小则一类与二类节点数太多，在算法中对业务重路由时，可能会造成没有候选链路；如果α的值太大，则无法有效分类出一类节点与二类节点，参数调节的作用会大打折扣。

如图3所示，步骤3包括如下步骤：

步骤3-1，判断每条业务链路中包含一类节点的数目：

当业务链接包含的一类节点数目为零时，不做任何操作；

当业务链路中包含的一类节点数目为一个时，进入步骤3-2；

当业务链路包含的一类节点数目为两个或两个以上时，进入步骤3-3；

其中，本发明中所提及业务链路是指承载具体业务的光载波通路，光纤链路则是指物理的光纤链路，光纤链路上存在多条光载波，如果光载波上承载具体的业务，则该光载波称为具体的业务链路。光纤链路可以承载多条业务链路。

步骤3-2，不改变业务路径，对业务链路占用的频率隙位置进行迁移，使得业务链路占用的节点中不存在一类节点，如果存在两个以上频率隙位置，则选择频率隙位置最低的一个；如果没有通过改变业务链路频率隙位置无法将业务链路占用节点中一类节点的数量消减至零个，则进入步骤3-3；

步骤3-3，将一类节点与二类节点排除，运用K条最短路径算法为业务链路计算新的光路，记录为候选链路；

步骤3-4，将新的候选链路按节点权值之和升序排列，重路由当前业务至候选链路，在候选链路中从低频率隙位置开始放置业务链路，直到业务链路所占用节点不存在一类节点和二类节点，优化结束。

如图4所示，所述优化装置包括资源模块、节点状态模块、碎片整理模块、路径和资源分配模块、决策仲裁模块和协同模块；

所述资源模块用于收集网络运行状态参数，网络运行状态参数包括各个链路上频谱资源使用情况和业务分部情况，并根据网络运行状态的变化，实时更新资源库；

所述节点状态模块通过对资源模块中网络运行状态的描述，分析每个业务链路的频谱资源使用情况，计算节点的权值；

所述碎片整理模块根据计算出的节点权值以及设定的各个参数，将节点进行分类，对业务进行重路由；

所述路径和资源分配模块通过调用节点状态模块对新业务进行路径和频谱资源的分配；

所述决策仲裁模块用于设定阈值以及网络运行状态的约束条件；

所述协同模块用于将IP网络的控制器与光网络的控制器进行连接。

本发明提供了一种软件定义传送网中的频谱资源优化方法及装置，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。