IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中的綠色疏導(dǎo)機(jī)制與優(yōu)化算法研究.pdf

1、隨著通用多協(xié)議標(biāo)簽交換(Generalized Multi-Protocol Label Switching，GMPLS)技術(shù)和自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(Automatic Switching Optical Network，ASON)的發(fā)展，IP網(wǎng)和光網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)無縫融合，形成IP over WDM（Wavelength-Division-Multiplexing）光網(wǎng)絡(luò)。作為核心骨干網(wǎng)之一，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商在降低網(wǎng)絡(luò)能耗和設(shè)備成本方面將承受巨大壓力。更

2、重要的是，綠色、多播、多域、實(shí)時(shí)、異構(gòu)自主重配置、網(wǎng)絡(luò)虛擬化以及高可靠等新需求催生了IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)的新特征以及多樣的新興應(yīng)用。隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加，過度耗能已成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要阻礙之一。因此，IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中面向資源高效利用、高能效、低端口成本的設(shè)計(jì)受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。此外，如何高效地將上述優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到未來實(shí)時(shí)、異構(gòu)自主重配置、甚至是面向云計(jì)算的IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中，將成為一個(gè)非常具有

3、學(xué)術(shù)和應(yīng)用前景的研究熱點(diǎn)。
　　目前，IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)能算法多采用流量疏導(dǎo)技術(shù)，但未考慮網(wǎng)絡(luò)能效問題，即構(gòu)建光路能耗開銷與采用光旁路所節(jié)省能耗之間的性能折中。此外，當(dāng)前的流量疏導(dǎo)機(jī)制不能很好地與波帶交換技術(shù)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，無法有效地對(duì)網(wǎng)絡(luò)能效與端口成本進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。更重要的是，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量信息的不可預(yù)知性愈加明顯、業(yè)務(wù)應(yīng)用更趨向于多播甚至是多對(duì)多會(huì)話，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸呈現(xiàn)多域等新特征。顯然，目前的流量疏導(dǎo)機(jī)制無法直接

4、應(yīng)用于具有上述新特點(diǎn)的IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中。此外，異構(gòu)自主重配置及面向云計(jì)算的IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)亟需更加靈活的疏導(dǎo)機(jī)制與資源優(yōu)化算法，從而解決粒度多樣性問題以及進(jìn)一步提高底層基礎(chǔ)設(shè)施的利用率。因此，對(duì)IP overWDM光網(wǎng)絡(luò)中的綠色疏導(dǎo)機(jī)制與優(yōu)化算法研究具有重要學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)可概述如下：
　　(1)第2章研究IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中的綠色單播流量疏導(dǎo)機(jī)制。

5、　　首先，研究了IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)的能效優(yōu)化問題，詳細(xì)分析了構(gòu)建光路所需能耗以及采用流量疏導(dǎo)節(jié)約的路由器端口能耗，并推導(dǎo)出單域網(wǎng)絡(luò)能效量化模型。接著，提出了基于光旁路重配置的綠色單播流量疏導(dǎo)機(jī)制，該機(jī)制在旁路節(jié)點(diǎn)處對(duì)光路進(jìn)行分割，提高業(yè)務(wù)疏導(dǎo)入已建光路的機(jī)率，從而得到更好的節(jié)能效果。最后，將非合作博弈理論應(yīng)用到綠色單播流量疏導(dǎo)機(jī)制設(shè)計(jì)中，通過路徑鏈路上用戶與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的博弈，在高能效的IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)二者利益

6、的雙贏。
　　(2)第3章研究IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中多播多粒度的綠色流量疏導(dǎo)機(jī)制。
　　首先，提出了不同多播流量疏導(dǎo)方案組合下的綠色多播流量疏導(dǎo)機(jī)制，通過仿真分析尋求最佳組合方案，為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者提供開放性建議。接著，針對(duì)新興的多對(duì)多會(huì)話應(yīng)用，基于“大規(guī)模會(huì)話拆分”思想，提出了多對(duì)多會(huì)話綠色路由與聚合算法。最后，基于混合多層光交叉連接器結(jié)構(gòu)，在節(jié)點(diǎn)端口層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)全光傳輸端口成本及光電光矩陣端門能耗進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化的線性規(guī)劃

7、方案，提出了支持波帶交換的綠色流量疏導(dǎo)機(jī)制。
　　(3)第4章研究IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中的綠色混合疏導(dǎo)機(jī)制。
　　首先，考慮了流量疏導(dǎo)與波帶交換技術(shù)優(yōu)勢(shì)的結(jié)合，通過流量疏導(dǎo)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)聚合，從而提高光路利用率和網(wǎng)絡(luò)能效，再利用波帶交換將高載荷光路融合進(jìn)波帶通道，從而降低端口成本。接著，針對(duì)多播業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多播流量疏導(dǎo)與波帶交換技術(shù)優(yōu)勢(shì)的結(jié)合，并設(shè)計(jì)了新的多播用戶阻塞率統(tǒng)計(jì)方法以及不同阻塞率優(yōu)化目標(biāo)下的啟發(fā)式算法。最后

8、，在多域IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中研究了域內(nèi)以及全網(wǎng)能效優(yōu)化問題，考慮了鏈路代價(jià)調(diào)整對(duì)能效的影響，推導(dǎo)出能效量化模型，且有效結(jié)合了波帶交換技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
　　(4)第5章研究實(shí)時(shí)IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中的綠色魯棒疏導(dǎo)機(jī)制。
　　首先，基于給定的、模擬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)有限信息的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)能效，即光路構(gòu)建所需能耗與采用流量疏導(dǎo)節(jié)約能耗之比，推導(dǎo)出具有魯棒特征的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)功率比，并以此為優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)了綠色魯棒疏導(dǎo)機(jī)制。接著，提

9、出了軟管模型分割方法，計(jì)算出不同粒度等級(jí)業(yè)務(wù)的功率比，并以此為優(yōu)化參數(shù)、以“粒度等級(jí)較高優(yōu)先”原則構(gòu)建光路虛拓?fù)?。最后，根?jù)多域?qū)崟r(shí)網(wǎng)絡(luò)峰值業(yè)務(wù)傾向分布于邊界節(jié)點(diǎn)的特征，將軟管模型進(jìn)行分割，提出網(wǎng)絡(luò)能效的新定義，并通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)計(jì)算出多域?qū)崟r(shí)網(wǎng)絡(luò)能效。
　　(5)第6章研究異構(gòu)自主重配置IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中的疏導(dǎo)與優(yōu)化算法。
　　首先，借鑒軟件定義光傳輸技術(shù)，在軟件層面實(shí)現(xiàn)不同疏導(dǎo)方式的自主切換，對(duì)不同粒度等級(jí)業(yè)務(wù)實(shí)

10、現(xiàn)區(qū)別處理，從而提出了新的業(yè)務(wù)劃分疏導(dǎo)機(jī)制，有效解決了實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的粒度多樣性問題。接著，將業(yè)務(wù)劃分疏導(dǎo)機(jī)制擴(kuò)展到多域光網(wǎng)絡(luò)，并引入業(yè)務(wù)遷移技術(shù)，可將先前阻塞的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到不同粒度等級(jí)平面上的已建通道中繼續(xù)進(jìn)行傳輸，從而降低業(yè)務(wù)阻塞率。最后，采用“虛級(jí)聯(lián)”技術(shù)設(shè)計(jì)了彈性頻譜碎片整理算法，不僅緩解了由頻譜搬移所導(dǎo)致的在線服務(wù)短時(shí)中斷，且可對(duì)碎片進(jìn)行整合，從而降低阻塞率。
　　(6)第7章研究面向云計(jì)算的IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中的資

11、源優(yōu)化算法。
　　一方面，提出了云數(shù)據(jù)中心中基于預(yù)測(cè)的先應(yīng)式碎片整理算法，通過對(duì)未來到達(dá)的虛擬機(jī)請(qǐng)求數(shù)量比例分布推算出最大收益，并將其作為觸發(fā)與終止碎片整理進(jìn)程的依據(jù)，從而緩解碎片整理進(jìn)程中由虛擬機(jī)過度遷移所產(chǎn)生的開銷，并縮短整理延遲。另一方面，提出了面向云計(jì)算的IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)中的資源聯(lián)合虛擬化算法，將流量疏導(dǎo)、服務(wù)器整合、任意播路由以及資源平衡有效結(jié)合，顯著提高了云服務(wù)提供商收益。
　　為驗(yàn)證和評(píng)估本文所提各