IP over WDM光網(wǎng)絡中的綠色疏導機制與優(yōu)化算法研究.pdf

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

2、重要的是，綠色、多播、多域、實時、異構自主重配置、網(wǎng)絡虛擬化以及高可靠等新需求催生了IP over WDM光網(wǎng)絡的新特征以及多樣的新興應用。隨著網(wǎng)絡業(yè)務量的增加，過度耗能已成為網(wǎng)絡發(fā)展的主要阻礙之一。因此，IP over WDM光網(wǎng)絡中面向資源高效利用、高能效、低端口成本的設計受到了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。此外，如何高效地將上述優(yōu)化設計應用到未來實時、異構自主重配置、甚至是面向云計算的IP over WDM光網(wǎng)絡中，將成為一個非常具有

3、學術和應用前景的研究熱點。
　　目前，IP over WDM光網(wǎng)絡中的節(jié)能算法多采用流量疏導技術，但未考慮網(wǎng)絡能效問題，即構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，當前的流量疏導機制不能很好地與波帶交換技術形成優(yōu)勢互補，無法有效地對網(wǎng)絡能效與端口成本進行聯(lián)合優(yōu)化。更重要的是，實時網(wǎng)絡業(yè)務量信息的不可預知性愈加明顯、業(yè)務應用更趨向于多播甚至是多對多會話，網(wǎng)絡結構逐漸呈現(xiàn)多域等新特征。顯然，目前的流量疏導機制無法直接

4、應用于具有上述新特點的IP over WDM光網(wǎng)絡中。此外，異構自主重配置及面向云計算的IP over WDM光網(wǎng)絡亟需更加靈活的疏導機制與資源優(yōu)化算法，從而解決粒度多樣性問題以及進一步提高底層基礎設施的利用率。因此，對IP overWDM光網(wǎng)絡中的綠色疏導機制與優(yōu)化算法研究具有重要學術意義和應用價值。
　　本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點可概述如下：
　　(1)第2章研究IP over WDM光網(wǎng)絡中的綠色單播流量疏導機制。

5、　　首先，研究了IP over WDM光網(wǎng)絡的能效優(yōu)化問題，詳細分析了構建光路所需能耗以及采用流量疏導節(jié)約的路由器端口能耗，并推導出單域網(wǎng)絡能效量化模型。接著，提出了基于光旁路重配置的綠色單播流量疏導機制，該機制在旁路節(jié)點處對光路進行分割，提高業(yè)務疏導入已建光路的機率，從而得到更好的節(jié)能效果。最后，將非合作博弈理論應用到綠色單播流量疏導機制設計中，通過路徑鏈路上用戶與網(wǎng)絡運營商的博弈，在高能效的IP over WDM光網(wǎng)絡中實現(xiàn)二者利益

6、的雙贏。
　　(2)第3章研究IP over WDM光網(wǎng)絡中多播多粒度的綠色流量疏導機制。
　　首先，提出了不同多播流量疏導方案組合下的綠色多播流量疏導機制，通過仿真分析尋求最佳組合方案，為網(wǎng)絡設計者提供開放性建議。接著，針對新興的多對多會話應用，基于“大規(guī)模會話拆分”思想，提出了多對多會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構，在節(jié)點端口層面實現(xiàn)了對全光傳輸端口成本及光電光矩陣端門能耗進行聯(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機制。
　　(3)第4章研究IP over WDM光網(wǎng)絡中的綠色混合疏導機制。
　　首先，考慮了流量疏導與波帶交換技術優(yōu)勢的結合，通過流量疏導實現(xiàn)業(yè)務聚合，從而提高光路利用率和網(wǎng)絡能效，再利用波帶交換將高載荷光路融合進波帶通道，從而降低端口成本。接著，針對多播業(yè)務應用，實現(xiàn)了多播流量疏導與波帶交換技術優(yōu)勢的結合，并設計了新的多播用戶阻塞率統(tǒng)計方法以及不同阻塞率優(yōu)化目標下的啟發(fā)式算法。最后

8、，在多域IP over WDM光網(wǎng)絡中研究了域內(nèi)以及全網(wǎng)能效優(yōu)化問題，考慮了鏈路代價調(diào)整對能效的影響，推導出能效量化模型，且有效結合了波帶交換技術優(yōu)勢。
　　(4)第5章研究實時IP over WDM光網(wǎng)絡中的綠色魯棒疏導機制。
　　首先，基于給定的、模擬實時網(wǎng)絡有限信息的數(shù)學模型，結合網(wǎng)絡能效，即光路構建所需能耗與采用流量疏導節(jié)約能耗之比，推導出具有魯棒特征的實時網(wǎng)絡功率比，并以此為優(yōu)化參數(shù)設計了綠色魯棒疏導機制。接著，提

9、出了軟管模型分割方法，計算出不同粒度等級業(yè)務的功率比，并以此為優(yōu)化參數(shù)、以“粒度等級較高優(yōu)先”原則構建光路虛拓撲。最后，根據(jù)多域實時網(wǎng)絡峰值業(yè)務傾向分布于邊界節(jié)點的特征，將軟管模型進行分割，提出網(wǎng)絡能效的新定義，并通過數(shù)學推導計算出多域實時網(wǎng)絡能效。
　　(5)第6章研究異構自主重配置IP over WDM光網(wǎng)絡中的疏導與優(yōu)化算法。
　　首先，借鑒軟件定義光傳輸技術，在軟件層面實現(xiàn)不同疏導方式的自主切換，對不同粒度等級業(yè)務實

10、現(xiàn)區(qū)別處理，從而提出了新的業(yè)務劃分疏導機制，有效解決了實時網(wǎng)絡中的粒度多樣性問題。接著，將業(yè)務劃分疏導機制擴展到多域光網(wǎng)絡，并引入業(yè)務遷移技術，可將先前阻塞的業(yè)務轉移到不同粒度等級平面上的已建通道中繼續(xù)進行傳輸，從而降低業(yè)務阻塞率。最后，采用“虛級聯(lián)”技術設計了彈性頻譜碎片整理算法，不僅緩解了由頻譜搬移所導致的在線服務短時中斷，且可對碎片進行整合，從而降低阻塞率。
　　(6)第7章研究面向云計算的IP over WDM光網(wǎng)絡中的資

11、源優(yōu)化算法。
　　一方面，提出了云數(shù)據(jù)中心中基于預測的先應式碎片整理算法，通過對未來到達的虛擬機請求數(shù)量比例分布推算出最大收益，并將其作為觸發(fā)與終止碎片整理進程的依據(jù)，從而緩解碎片整理進程中由虛擬機過度遷移所產(chǎn)生的開銷，并縮短整理延遲。另一方面，提出了面向云計算的IP over WDM光網(wǎng)絡中的資源聯(lián)合虛擬化算法，將流量疏導、服務器整合、任意播路由以及資源平衡有效結合，顯著提高了云服務提供商收益。
　　為驗證和評估本文所提各