基于频谱转换和光缓存技术的组播交换节点冲突解决方法

摘要

本发明涉及一种基于频谱转换和光缓存技术的组播交换节点冲突解决方法，属于光纤通信技术领域。包括基于有限范围频谱转换器和光纤延迟线结合的弹性光组播交换节点结构及其调度策略。当单播或组播业务在交换节点输出端发生冲突，首先利用有限范围频谱转换器根据基于最小差值的调度算法在频谱域来解决频谱冲突，最小化不可用频谱，进而提高频谱利用率。对于没有解决冲突的单播或组播业务，然后利用光纤延迟线根据基于低时延的调度算法在时间域解决冲突，同时考虑去避免光纤延迟线输入端和目的输出端的冲突。本发明所提结构及调度算法大大降低了交换节点内发生冲突的概率，减小了带宽阻塞率和平均时延，进一步提升了弹性光组播交换节点的性能。

说明书

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，涉及基于频谱转换和光缓存技术的组播交换节点冲突解决方法。

背景技术

随着云计算、高清视频、在线游戏等新型宽带网络应用的不断涌现，用户对网络带宽有了更高的要求。传统的波分复用光网络采用固定波长栅格的分配方式，使得带宽资源有很大程度上的浪费。与波分复用光网络相比，基于正交频分复用的弹性光网络将频谱资源分割为更小的粒度，动态地为业务请求分配频谱，能有效地提高频谱利用率和带宽分配灵活性，因此被广泛地认为是下一代光网络的重要演进方向之一。与此同时，随着新型组播业务在整个网络中所占比重不断增大，以及用户对高质量组播应用的要求不断提高，网络带宽正面临着严峻的挑战。而且，组播业务请求在弹性光网络的交换节点处复制和转发会造成业务间的频谱冲突更加激烈。因此，针对弹性光网络中组播交换节点处的频谱冲突问题，设计合适的支持弹性光组播交换的节点结构和调度算法十分重要。

目前，弹性光组播冲突解决方法主要集中在频谱转换、光缓存、偏射路由和网络编码。偏射路由方法在解决冲突时对整个网络的资源占用程度较高，当网络处于高负载时，会造成很严重的阻塞情况，并且容易造成绕路现象。网络编码会增加计算的复杂性，并且编码、解码操作增加了传输时延。因此，通常将频谱转换和光缓存技术作为冲突解决方法，但目前对此方法的研究仍是一个难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供基于频谱转换和光缓存技术的组播交换节点冲突解决方法，包括基于有限范围频谱转换器和光纤延迟线结合的弹性光组播交换节点结构及其调度策略。该方法能够有效地解决弹性光组播交换的频谱冲突问题，在提高频谱转换器和光纤延迟线的利用率、降低带宽阻塞率和减小平均时延方面具有明显的优势和效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于频谱转换和光缓存技术的组播交换节点冲突解决方法，包括以下步骤：

S1：在组播交换节点中，每个输入端口到达的业务先通过一个1×M的带宽可变波长选择开关BV-WSS(Bandwidth-VariableWavelength Selective Switch)将不同业务占用的频谱进行分离；如果是单播业务，就直接发送到交换矩阵中；如果是组播业务，先通过分光器将业务复制为S份，再通过光开关来控制组播数，然后发送到交换矩阵中；

S2：若到达的单播或组播业务无频谱冲突，则直接输出到输出端口；

若到达的单播或组播业务存在频谱冲突，先利用有限范围频谱转换器(LimitedRange SpectrumConverter,LRSC)将冲突的业务转换到相邻的空闲频谱上；

若还有剩余的业务仍处于冲突状态，则再通过光纤延迟线(FiberDelayLine,FDL)继续解决冲突；

S3：通过LRSC或FDL后无冲突的业务，发送到输出端的耦合器合路输出；仍有冲突的业务会被丢弃。

进一步，所述组播交换节点包括N个输入/输出端口，N+B个1×M的BV-WSS，N×W个分光器，N×W×S个光开关，1个交换矩阵，N×L个LRSC，B根FDL和N+B个耦合器；所述LRSC采用输出端共享的配置方式，每个输出端共用L个LRSC；所述FDL采用反馈共享的配置方式，利用简并式的FDL，即相邻的FDL以缓存粒度D依次增加，B根FDL可提供的缓存长度由D依次递增到B×D；每根FDL可利用整根光纤的所有频谱，即可同时缓存多个占用不重叠的频谱的业务。

进一步，所述S2中利用有限范围频谱转换器将冲突的业务转换到相邻的空闲频谱上具体为：利用基于最小差值的调度算法，最小化不可用的频谱；所述S2中通过光纤延迟线继续解决冲突具体为：利用基于低时延的调度算法，在FDL输入端选择不冲突的频谱，以及通过构建频域和时域联合的辅助图，选择辅助图中延迟后不冲突的频谱，消除业务在FDL输入端和目的输出端的频谱冲突。

进一步，所述的基于最小差值的调度算法，包括以下步骤：

S201A：将各个冲突业务按所占频隙数降序排序，并依次求各个冲突业务所占频谱的转换范围与输出端空闲频谱块的交集[f_x,f_y]，[f_x,f_y]＝[f_max(1,a-d),f_min(r,b+d)]∩[f_g,f_h]；其中，f_a、f_b分别为冲突业务所占频谱的首、尾频隙索引值，d为LRSC的频谱转换度，f_g、f_h为输出端空闲频谱的首、尾频隙索引值，f_x、f_y为交集频谱的首、尾频隙索引值，整根光纤的频隙索引值为1到r；

S202A：比较交集频谱块大小F_i与业务所需频隙数大小F_t，其中，F_i＝f_y-f_x+1，F_t＝f_b-f_a+1；如果交集所在的频谱块大小刚好等于业务所需的频隙数F_i＝F_t，优先选择该频谱块分配给相应的业务；如果交集频谱块大于业务所需的频隙数F_i>F_t，分别比较交集频谱块与该空闲频谱块起始位置的差值和结束位置的差值，选择差值最小的交集频谱块D_min，D_min＝min{f_x-f_g；f_h-f_y}，将差值最小一端的连续空闲频谱分配给相应的业务；如果交集频谱块小于业务所需的频隙数F_i<F_t，进入步骤S203A；

S203A：经上述步骤后仍未分配的冲突业务进入下一阶段的冲突解决，利用FDL来解决。

进一步，所述基于低时延的调度算法，包括以下步骤：

S201B：按照业务所占频隙数从大到小的顺序依次为冲突的业务排序在集合Q中，集合Q中冲突的业务共计数为Num_CT个；

S202B：根据所有FDL中已缓存业务情况，联合时域和频域考虑，将所有FDL中去往不同输出端的缓存业务分别聚合，为每个输出端分别构建时频域联合的缓存辅助图；辅助图中横轴表示缓存时隙，纵轴表示业务占用的频隙索引值；

S203B：对于各个冲突的业务，依次查看第1根FDL(缓存长度为D)输入端的频谱是否空闲(解决FDL输入端的冲突)；若不空闲，则查看下一个业务；若空闲，则查看对应的输出端缓存辅助图在对应缓存时隙(此时是第1个缓存时隙)的频谱是否空闲(解决去往同一个目的输出端的缓存业务之间的冲突)；若空闲，则进行业务分配；若不空闲，则查看下一个业务，直到查看完所有的冲突业务，进入步骤S204B；

S204B：对于剩余的冲突业务查看下一根FDL，重复步骤S203B直到业务分配完，或无可用的FDL，进入步骤S205B；其中，B根FDL的选择顺序是由缓存长度递增的顺序进行分配；

S205B：分别传输经上述步骤已经分配的业务，阻塞不能分配的业务。

本发明的有益效果在于：本发明中的频谱转换技术不会产生额外的时延抖动、业务顺序改变等优势，可以缩减交换节点的规模和复杂度，有利于减少交换节点处的带宽阻塞率和时延；光缓存技术的缓存工作通常通过无源的光纤延迟线来完成，FDL能够以比较灵活的方式进行配置，去实现不同时间长度的延迟，从而能够很接近电随机存储器的功能，可以很大程度上降低带宽阻塞率，提高光组播交换节点的性能。本发明将频谱转换与光缓存技术结合使用，使得业务之间的冲突联合频域和时域进行了解决，能够大大提高弹性光交换节点的性能，有效地解决弹性光组播交换的频谱冲突问题，在提高频谱转换器和光纤延迟线的利用率、降低带宽阻塞率和减小平均时延方面具有明显的优势和效果。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为基于LRSC和FDL结合的弹性光组播交换节点结构图；

图2为基于LRSC和FDL结合的调度策略流程图；

图3为基于最小差值的调度算法流程图；

图4为基于低时延的调度算法流程图；

图5为第t个时隙FDL缓存情况及辅助图；

图6第t+1个时隙FDL缓存情况及辅助图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示为基于LRSC和FDL结合的弹性光组播交换节点结构，包括N个输入/输出端口，N+B个1×M的BV-WSS，N×W个分光器，N×W×S个光开关，1个交换矩阵，N×L个LRSC，B根FDL和N+B个耦合器。其中，LRSC采用输出端共享的配置方式，每个输出端共用L个LRSC；FDL采用反馈共享的配置方式，并且利用简并式的FDL，即相邻的FDL以缓存粒度D依次增加(D等于一个时隙大小)，则B根FDL可提供的缓存长度由D依次递增到B×D。每根FDL可利用整根光纤的所有频谱，即可同时缓存多个占用不重叠的频谱的业务。交换节点的核心器件LRSC和FDL的配置方式能够提高器件的利用率，有效降低弹性光网络组播交换节点的成本代价。采用同步模型，假设每个业务的长度在时域上固定为一个时隙大小。

基于LRSC和FDL结合的弹性光组播交换节点结构工作原理为：每个输入端口到达的业务先通过一个1×M的BV-WSS将不同业务占用的频谱进行分离。如果是单播业务，就直接发送到交换矩阵中；如果是组播业务，先通过分光器将业务复制为S份，再通过光开关来控制组播数，然后发送到交换矩阵中。若到达的单播或组播业务无频谱冲突，则直接输出到输出端口；若到达的单播或组播业务存在频谱冲突，先利用LRSC将冲突的业务转换到相邻的空闲频谱上。若还有剩余的业务仍处于冲突状态，则再通过FDL来继续解决冲突。通过LRSC或FDL后无冲突的业务，则发送到输出端的耦合器合路输出；否则，冲突的业务就会被丢弃。

对于冲突的单播或组播业务，该结构先用LRSC将冲突频谱转换到相邻的空闲频谱，在频域进行冲突解决；对于剩余的冲突业务，再用FDL将冲突业务延迟一段时间再进行传输，在时域进行冲突解决。通过频域与时域来联合解决业务之间的冲突，能够大大提高业务的成功传输率，降低带宽阻塞率。

如图2所示为基于LRSC和FDL结合的调度策略流程图，具体步骤为：

步骤1：当业务到达，判断其是单播业务还是组播业务，如果是组播业务，将其进行复制。

步骤2：判断到达的单播业务或复制后的组播业务去往的输出端是否存在频谱冲突，如果不冲突，业务直接传输，转至步骤6；否则，转至步骤3。

步骤3：对于冲突的单播或组播业务首先选择LRSC来解决冲突。该阶段设计一种基于最小差值的调度算法，最小化不可用的频谱，进而提高频谱利用率。

步骤4：对于剩余的冲突业务运用反馈共享的FDL来继续解决冲突。该阶段设计一种基于低时延的调度算法，该算法在选择合适的FDL时，同时考虑了避免业务在FDL输入端和目的输出端的频谱冲突，去选择延迟前和延迟后都不冲突的频谱。

步骤5：对于上述步骤已经分配的业务分别进行传输。上一阶段不能分配的业务，就阻塞。

步骤6：进行下一时隙的调度，重复步骤1-5，直到无业务到达。

当业务在输出端发生冲突时，首先利用LRSC来解决冲突，而如何对冲突的频谱进行转换是设计调度算法的核心问题。本发明设计了一种基于最小差值的调度算法利用LRSC来解决频谱冲突，最小化不可用的频谱，进而提高频谱利用率。

本发明设计了基于LRSC和FDL结合的弹性光组播交换节点结构，为了更高效率、更灵活地利用该结构来解决业务之间的冲突，提高交换节点的性能，还需设计对应的调度算法。调度算法需要判定在一个时隙内哪些业务能够直接传输，哪些业务需要进行频谱转换，如何进行频谱转换，哪些业务需要进行延迟，以及延迟多长时间。这些问题对解决冲突都非常重要，因此针对节点结构设计高效的调度算法更有利于提升交换节点的性能。如图3所示为基于最小差值的调度算法流程图，具体步骤为：

步骤1：将各个冲突业务按所占频隙数降序排序，并依次求各个冲突业务所占频谱的转换范围与输出端空闲频谱块的交集[f_x,f_y]，[f_x,f_y]＝[f_max(1,a-d),f_min(r,b+d)]∩[f_g,f_h]。其中，f_a、f_b分别为冲突业务所占频谱的首、尾频隙索引值，d为LRSC的频谱转换度，f_g、f_h为输出端空闲频谱的首、尾频隙索引值，f_x、f_y为交集频谱的首、尾频隙索引值，整根光纤的频隙索引值为1到r。

步骤2：比较交集频谱块大小F_i与业务所需频隙数大小F_t，其中，F_i＝f_y-f_x+1，F_t＝f_b-f_a+1。如果交集所在的频谱块大小刚好等于业务所需的频隙数F_i＝F_t，优先选择该频谱块分配给相应的业务。如果交集频谱块大于业务所需的频隙数F_i>F_t，分别比较交集频谱块与该空闲频谱块起始位置的差值和结束位置的差值，选择差值最小(D_min)的交集频谱块，D_min＝min{f_x-f_g；f_h-f_y}，将差值最小一端的连续空闲频谱分配给相应的业务。如果交集频谱块小于业务所需的频隙数F_i<F_t，进入步骤3。

步骤3：以上步骤未分配的冲突业务进入下一阶段的冲突解决，利用FDL来解决。

对于仍然处于冲突状态的业务，再设计了基于低时延的调度算法利用FDL在时间域来解决冲突，该算法首先在FDL输入端选择不冲突的频谱，然后通过构建频域和时域联合的辅助图，在辅助图中去选择延迟后不冲突的频谱，从而避免业务在FDL输入端和目的输出端的频谱冲突。

如图4所示为基于低时延的调度算法流程图，具体步骤为：

步骤1：按照业务所占频隙数从大到小的顺序依次为冲突的业务排序在集合Q中，集合Q中冲突的业务共计数为Num_CT个。因为成功输出的业务所占频隙数越大，带宽阻塞率越低。

步骤2：根据所有FDL中已缓存业务情况，联合时域和频域考虑，将所有FDL中去往不同输出端的缓存业务分别聚合，为每个输出端分别构建时频域联合的缓存辅助图。辅助图中横轴表示缓存时隙，纵轴表示业务占用的频隙索引值。

步骤3：对于各个冲突的业务，依次查看第1根FDL(缓存长度为D)输入端的频谱是否空闲(解决FDL输入端的冲突)，若不空闲，查看下一个业务；若空闲，再查看对应的输出端缓存辅助图在对应缓存时隙(此时是第1个缓存时隙)的频谱是否空闲(解决去往同一个目的输出端的缓存业务之间的冲突)，若空闲，业务进行分配，否则，查看下一个业务。直到查看完所有的冲突业务，进入步骤4。

步骤4：对于剩余的冲突业务再查看下一根FDL，循环步骤3直到业务分配完，或无可用的FDL，进入步骤5。其中，B根FDL的选择顺序是由缓存长度递增的顺序进行分配。

步骤5：对于上述步骤已经分配的业务分别进行传输，不能分配的业务就阻塞。

下面将详细阐述步骤2中根据FDL中已缓存业务情况为每个输出端构建缓存辅助图。对于每个输出端，将B根缓存深度逐渐递增的FDL的频谱占用情况联合考虑，构建成频域结合时域的输出端缓存辅助图，如图5所示。

举例来说，如图5(a)所示为第t个时隙FDL缓存业务情况，包括去往输出端1和2的业务。因为去往不同输出端的业务将会分别在各个输出端聚合输出，所以将所有FDL中去往同一个输出端的缓存业务进行聚合，即联合时域和频域考虑分别构建输出端1和输出端2的缓存辅助图，如图5(b)和图5(c)所示。在辅助图中，横轴表示时域中业务需要缓存的时隙数；纵轴表示频域中业务占用的频隙索引值。冲突业务在选择FDL进行缓存的过程中，通过观察输出端缓存辅助图的情况，就可以知道若选择这根FDL，在输出端是否会与其他缓存业务发生冲突，从而来避免冲突。

如图6所示为第t+1个时隙FDL缓存情况及辅助图，即图5中FDL缓存业务的下一个时隙，因此，图5中各缓存业务均向前移动一个时隙，即缓存业务进行传输进入下一个时隙。并且，在第t+1个时隙时，经过上一阶段的LRSC解决冲突后，假设剩余3个冲突的业务，如图6(a)所示。对于去往输出端1的业务[4,5]，通过查看输出端1缓存辅助图，可以知道，缓存1个时隙的输出端不空闲，所以不能选择第1根FDL；缓存2个时隙的输出端是空闲的，并且第2根FDL输入端的频谱空闲，所以可以选择第2根FDL来缓存业务[4,5]。此时，输出端1缓存辅助图如图6(b)所示。

同理，对于去往输出端2的业务[4,6]和[1,2]，首先按业务所占频隙数降序排序，因此，优先分配业务[4,6]，再分配业务[1,2]。对于业务[4,6]，通过查看输出端2缓存辅助图，可以知道，缓存1个时隙的输出端空闲，并且第1根FDL输入端的频谱空闲，所以直接选择第1根FDL。对于业务[1,2]，查看输出端2缓存辅助图，得出缓存1个时隙的输出端不空闲，所以不能选择第1根FDL；缓存2个时隙的输出端是空闲的，并且第2根FDL输入端的频谱空闲，所以选择第2根FDL来缓存业务[1,2]。此时，输出端2缓存辅助图如图6(c)所示。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。