面向软件定义光网络的低时延路由和频谱分配算法研究

摘要

在当前以高清视频、远程医疗、金融数据等为代表的互联网业务驱动下，“大带宽、高可靠、低时延”成为未来光网络的发展目标。而传统的波分复用光网络采用固定的信道间隔，容易造成带宽资源的浪费，同时物理层损伤仍然是影响业务端到端连接提供的主要因素，另外随着数据中心、云计算、大数据等业务的不断增长，区分业务服务质量的服务提供也成为急需解决的问题。灵活光网络运用灵活栅格技术，采用更精细粒度的频隙间隔，实现了带宽资源的弹性分配，提高了带宽资源利用效率。软件定义网络(Software Defined Network，SDN)是一种新型的网络架构，能够实现灵活、高效、智能的调节，和光网络结合形成软件定义光网络，可为应用层的各类业务提供不同需求（如规避物理层损伤、低时延、考虑业务光路建立最后期限等）的传输服务。
　　本论文在软件定义光网络中，结合虚拟拓扑重构、业务队列调度及多线程技术，研究了物理层损伤、时延及业务光路建立最后期限等多参数约束的路由和资源分配问题，保证业务的传输质量，有效提升网络的综合性能。主要研究成果如下:
　　(1)为规避光纤中交叉相位调制效应对光信号传输质量的影响，同时减少光路的建立时延，提出了一种规避物理层损伤且低时延的路由频谱预分配算法。算法通过规避交叉相位调制效应的策略和减少光路建立时延的控制模型，减少了光路的建立时延和业务请求的阻塞率，从而间接增加光纤的吞吐量，提高光纤的资源利用率，并通过实验仿真验证了算法的有效性。
　　(2)数据中心光互联通过IP网和光网络跨层联合优化，实现了业务跨层疏导和服务跨层恢复。由于数据中心内部业务的突发性和数据中心间的大带宽业务传输，突发业务被疏导到光网络，将导致光网络业务的排队时延和建路时延增加，为此提出一种低时延的路由频谱分配算法。算法将光纤中的频谱资源分为多个频谱层，在各频谱层间并行建立光路，在各频谱层中再用多个线程并行建路。各频谱层中当前建路用的点和边组成着色虚拟拓扑作为频谱层中资源使用的约束条件，并根据当前正在建路、未建路、新到达业务请求的变化在各频谱层重构着色和可用虚拟拓扑，来适应突发业务，快速疏导聚集在光网络的业务请求。仿真结果表明，算法减少了业务请求的光路平均建立时延、光路建立时延方差、阻塞率，提高了频谱利用率。
　　(3)互联网业务的快速和多样化的发展导致大量业务请求在光网络涌现，从而增加了业务的光路建立时延，降低了用户体验质量。为此，提出了一个业务光路建立最后期限约束且低时延的路由和频谱分配算法。该算法能够区分各类具有不同时延服务质量要求的业务，并根据业务的优先级，光路建立最后期限和等待时间，将新到业务入队到待服务业务队列中;运行在多线程SDN控制器中的多个线程从待服务业务队列的服务窗口中选择业务，并行为业务建立连接。多个线程通过虚拟拓扑重构技术实现的资源互斥式使用模型准确地共享全局资源，着色虚拟拓扑根据正在建路的业务进行重构，可用虚拟拓扑通过重构来适应正在等待和新到达的业务请求。仿真结果证明实时业务得到了及时的服务，随着低等级业务等待时间的增加，低等级业务也被公平地服务，各类业务请求的光路平均建立时延有效降低。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 规避物理层损伤的低时延RSA算法研究

1．2．2 用于光互联的低时延RSA算法研究

1．2．3 区分业务QoS的RSA算法研究

1．3 论文研究内容及结构

1．4 本章小结

第2章 软件定义光网络中路由和频谱分配算法分析

2．1 路由频谱分配算法

2．1．1 静态RSA算法分析

2．1．2 动态RSA算法分析

2．2 参数约束的RSA算法

2．2．1 单参数约束RSA算法

2．2．2 多参数约束RSA算法

2．3 软件定义光网络的特点和控制平面设计

2．4 本章小结

第3章 基于物理层损伤感知的低时延RSA算法

3．1 频谱分区策略

3．2 提前计算控制模型

3．3 物理层损伤感知的低时延路由频谱预分配算法实现

3．4 算法仿真及分析

3．5 本章小结

第4章 数据中心光互联中低时延路由频谱分配算法

4．1 数据中心跨层联合优化架构中光互联时延

4．2 传统RSA算法和多线程SDN控制器

4．3 数据中心光互联中低时延RSA算法设计

4．3．1 虚拟拓扑重构实现资源互斥使用模型

4．3．2 算法控制模型

4．3．3 算法线程及步骤

4．3．4 算法实例

4．4 算法仿真及分析

4．4．1 算法仿真参数设置

4．4．2 评价指标与算法测试

4．4．3 仿真结果分析

4．5 本章小结

第5章 基于业务光路建立最后期限约束的低时延RSA算法

5．1 光路建立最后期限和时延约束的SDON控制平面设计

5．2 OpenFlow协议扩展

5．3 业务光路建立最后期限约束的RSA算法设计

5．3．1 多等级业务QoS区分模型

5．3．2 待服务业务队列形成模型

5．3．3 滑动窗口机制

5．3．4 算法线程和步骤

5．3．5 算法实例

5．4 算法仿真及分析

5．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研情况