ABSTRACT

We propose an integrated OTN/WDM switching architecture which is also in low complexity. First of all, the architecture integrates OTN and WDM in one switching architecture and reduces the complexity by decreasing the number of OTN switches. To relieve the blocking performance of network as a result of reducing the number of OTN switches, it is necessary to reasonably allocate OTN switches. In this article, we introduce an Integer Linear Problem in order to prove this problem NP-hard, and then use a heuristic to evaluate its blocking performance as well as obtain its approximate optimal solution. As the results show, allocating the OTN switches in reason can reduce complexity of the proposed architecture and guarantee proper blocking ratio which optimizes the switching nodes of network.

Keywords:OTN Switching Architecture, Blocking Ratio, Architecture Complexity

一种低拥塞低复杂度的集成OTN/WDM架构

尚立¹，张建臣¹，钟成²，苏汉²

¹国网河北省电力公司信息通信分公司，河北 石家庄

²国网河北省电力公司，河北 石家庄

收稿日期：2016年11月1日；录用日期：2016年11月19日；发布日期：2016年11月22日

摘 要

本文提出了一个集成了OTN/WDM且低复杂度的交换架构。首先将OTN与WDM集成在一个交换架构中，通过减少其中的OTN交换器数量以降低该架构的复杂度。为缓解因减少交换器数量导致的拥塞上升，需合理配置OTN交换器，本文使用整数线性规划建模，证明该问题为NP-hard，然后使用一种启发法分析其拥塞表现并求解其近似最优解。实验结果表明，合理地分配OTN交换器可以有效的在降低架构复杂度的同时保证合适的拥塞率，从而达到优化OTN传输网络交换结点的目的。

关键词 :OTN交换架构，拥塞率，架构复杂度

1.背景介绍

近年来，在通信行业中光传送网(Optical Transmission Net, OTN)迅猛发展，它首先继承了传统密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)技术优点，并借用了同步数字序列(Synchronous Digital Hierarchy, SDH)的帧封装方式，增添了电路调度和组网的灵活性，是SDH和DWDM的综合体，能够实现多种业务信号透明传输和封装，支持大颗粒的带宽复用以及交叉和配置 [1] 。目前OTN技术已经在公网中得到广泛应用，如电信、广电等；同时，在电力系统中的应用也逐渐增多，目前已有山东、山西、辽宁、四川、浙江等省电力公司相继开始采用OTN搭建电力通信网 [2] ，但由于运维模式、业务流向等与公网相差比较大，因此所选用的OTN设备类型、网络结构等方面与公网差别较大；为了更加有效解决光纤资源、网络带宽、网络安全、网络结构以及业务维护等方面的问题，应该根据电力系统通信本身的特点，选择适宜的OTN引入策略 [3] [4] [5] 。

本文所介绍的集成OTN/WDM的交换架构是由集成了WDM接口与具有传统交换器电层交换功能的OTN交换器组成，该结构将WDM和OTN交换功能集成在一个系统中，避免了WDM和OTN分离系统中的互联，减少了设备数量和跳纤，减少了装机位置和功耗。为了降低该交换结构的复杂度，提出了一种可扩展的交换结构，该结构由容量为120 Gbs的12 × 12 OTN交换器和一个大容量的空间交换结构组成，其中OTN交换器的容量为120 Gbs，规模为12 × 12，而空间交换结构由容量为1.44 Tbs的144 × 144交叉点构成。为了降低拥塞，本文将介绍一个集成OTN/WDM的交换架构，并在此架构中引入空间加速比的概念，随着加速比的增加，交换器的复杂度显然会增加，因此目标是在降低拥塞和架构复杂度之间进行合理得权衡，使得该架构可以减少OTN交换器的个数以及OTN交换资源和空间交换结构的复杂度。为研究因减少OTN交换器所造成的拥塞影响，本文针对路由和交换资源分配问题展开研究，可证明此问题为NP-hard问题，因此将介绍一种启发式方法以评价网络的拥塞情况，同时将研究OTN交换资源和空间交换结构的复杂度。本文首先提出了一种集成OTN/WDM交换架构，接着分析了交换资源分配和路由问题，设计了最小OTN交换资源启发式方法。

2. 一种集成OTN/WDM交换结构

本文设计了一种集成OTN/WDM的交换节点，此节点有四条来自网状光网络光纤连接，四条光纤分别称作东向、南向、西向、北向光纤。在每条光纤中有48条复用波长信道。光信号由多频道12 × 10 Gbps的PIC聚集接收以降低光接口的能量等开销。在节点的输入和输出处有4块复用和解复用器来进行信号的复用和解复用。在这种数字光子节点中，所有即将到达的通信量，无论是本节点即将接收的流量或是将要被转发的通信量，皆会被PIC进行转化。携带着亚波长信号的波长信号进入交换核心进行OTN/WDM交换。即将被接收的通信量会向高密度N × 10 Gbps收发机分组客户端接口路由；来自同一个方向并且将要继续转发的通信量，经过PIC的光到电转化以及交换核心的交换后便被路由到另外一个PIC进行电到光的转化，然后在网络中继续传播。

本文将转换核心内部分成两层OTN传播架构，此架构可以传递两种光数据单元(ODU)，分别是高阶ODU(H-ODU)和低阶ODU(L-ODU)，分别用f_H和f_L表示H-ODU和L-ODU的比特率。在此引入复用率F，即H-ODU比L-ODU的比值。假设任何一个输入/输出的波长容量是C，与f_H相等，该波长可以携带一个H-ODU或至多F个L-ODU。如果一个H-ODU只需空间交换，则该交换称为直接H-ODU(DH-ODU)，相反若其携带的L-ODU需要时间交换则称作交换H-ODU(SH-ODU)。

在此定义交换核心内的各个参数。其中，N代表进出光纤的数量，W代表每条光纤内携带波长的数量。交换部件由三部分组成，第一和第三部分是K × K OTN交换模型，可以执行空间和时间交换，而中间部分只能进行空间交换，并且只能执行H-ODU的交换。N条进出光纤中的每一条分别包含R个OTN交换器，同时在Q个波长中有Y个波长不经过OTN交换器。假设第一和第三部分的OTN交换用作交换输入/输出的L-ODU和H-ODU。该交换核心内还包含由OTN交换模型构成的ADD和DROP部分,此二部分可扩展或删除架构的通道数目。当时，此时为一般情况。在最大幅度降低交换开销时，并不能保证交换核心架构的拥塞会降低，根据相关文献的研究，在这种配置下的某些情况里，拥塞概率反而会提高。为了缓和拥塞提高，引入一个空间加速比，即OTN交换器的规模与OTN交换器的输入(输出)的数目的比。显而易见，当S大于1时候，OTN交换器的复杂度将会上升，同时也会降低拥塞概率。

3. 交换资源分配以及路由问题

本章将介绍交换资源的路由及分配问题(Switch Resource Routing and Assignment, SRRA)，首先介绍相关参数：

Ø G = (V, E)：该图表示网络的物理拓扑，其中V代表结点，E代表连线；该结点与集成OTN/WDM的交换结点一一对应，而连线与连接两个节点的光纤一一对应；假设结点vÎV，度是，与交换结点有个输入/输出结点一一对应；每个结点配备了K × K OTN交换器，其加速比是S。

Ø U：每个结点的ADD/DROP OTN交换器数目

Ø W：每条光纤承载的波长信道的数目，其中每个信道的容量可以承载一个H-ODU或至多F个L-ODU。

Ø Y：每条光纤中携带的不需要经过OTN交换器的波长信道的数目

Ø ，：和分别代表，和两个结点之间传递的DH-ODU和L-ODU的数目。

本文目标是确定已接收的H-ODU和L-ODU在OTN/WDM网路中如何路由，以及在空间交换中的输入和输出接口选择。同时，需做到在总接收带宽流量需求归一化为一个L-ODU所需的带宽时，吞吐量达到最大。需要特别注意的是，接收一个DH-ODU和或接收一个L-ODU会分别占用F个和1个总接收带宽流量需求。

为了规范ILP的表达，引入无连接图，如图1，其中V^*和E^*分别表示结点和连接。V^*就是包括图中所有的黑色结点，OTN交换器、空间交换器输入和输出端口，以及ADD/DROP端口。而E^*就是图中所有连线的集合。

在此使用整数线性规划，为配备该交换器网络中的路由和交换资源分配问题建模。由于本文篇幅有限以及该问题参数过多，因此此处只是简要介绍建立该线性规划所需的问题约束。

图1. 交换架构示意图

1) 首先需要建立一个保证任意一个空间交换器的输入输出口之间仅仅被激活一条级间连接的约束。相反，对于ADD/DROP部分，可以激活至多KU个级间连接。

2) 对于s, v Î V之间的c-th j-ODU (;)，为结点内部的每一个小结点引入流保护约束。该限制不仅仅针对ADD和DROP结点，当j-ODU成功传递的时候，总流等于1或者−1，否则总流等于0。

3) 进一步建立约束保证流量在交换节点内的某些小结点(如交换核心内的OTN交换器，空间交换器的输入输出口)小于或等于链路归一化为一个L-ODU的传输容量。对于内部相连接的某些特定小结点，此处包括OTN交换器的输出端和空间交换器的输入端间的连接，空间交换器的输出端和OTN交换器的输入端的连接，以及v Î V结点中非OTN交换器的出线与u Î V节点中不经过OTN交换器的空间交换器的入线之间的连接，其容量为F；而对于v Î V结点中OTN交换器的出线与u Î V节点中OTN交换器

的入线的连接，其容量等于连接它们的波长信道提供的容量综合，即。

4) 最后需添加一个使得任意激活级联的归一化容量为F的约束。

本文目标是使得在总接收带宽流量需求归一化为一个L-ODU所需的带宽时，吞吐量达到最大，如公式1所示：

(1)

其中，，当s,d两个结点间所要传递的单元都成功传递时候，该值为1，否则为0。

若假设网络中只有DH-ODU，在严格意义上不使用会出现拥塞的交换节点，那么本文所研究的SRRA问题将会变成路由与波长分配(RWA)优化问题。众所周知，RWA问题是NP-c问题 [6] ，所以很自然能得出SRRA问题也是NP-c问题。在下一章节，将提出一种启发法去评价大型网络在低计算时间情况下的表现。

4. 基于启发式算法的最小OTN交换资源分配

在配备最小数目OTN交换器的集成OTN/WDM交换架构中，利用OTN交换器不支持的波长十分重要，可以把一个DH-ODU或个L-ODU分配给这样的波长，在下文中统一用最普通的“H-ODU”指代这些波长。最小OTN交换资源启发法的算法如图2，在第一个阶段，通过给每个网络中结点传递一个H-ODU，该算法试图将通信量在网络中最短的路径中传输，在这些可用的最短路径中，再选择使用OTN交换器数量最少的路径。如果最短路径没有足够的容量传输通信量，最小OTN交换资源启发法将会在阶段2中通过可替代的路径传输剩余的通信量。在阶段1执行之前，有一个并未在算法中描述的初始化阶段，在该阶段中，将会建立，其中，而除了包括E^*中所有的元素，还包括在任意交换结点中连接输入表达、添加接口与输出表达以及删除接口的连接。其中，存储着降序排列的的归一化总带宽通信量需求。在阶段1每次重复执行的过程中，最小OTN交换资源启发法尽量将一个DH-ODU或是F个L-ODU在之间的最短路径中路由，后续更高的归一化总带宽通信量需求也将在这条路径中被路由。同时，算法将选择拥有最少OTN交换器的最短路径。当最短路径不可用或其值小于F时，便不再继续向插入。为空的情况能保证阶段1的结束。如图3，在阶段2的起始，未在第一阶段被路由的DH-ODU和L-ODU的通信量需求将被分别降序存储在链表和，最小OTN交换资源启发法尽可能使用最少跳数的路径传输更高的通信量需求。算法将选择使用最少OTN交换器的可替代路径，如果此操作成功执行，那么将更新图和参数。当()全都为空时，阶段二结束。

图2. 阶段1算法流程图

图3. 阶段2算法流程图

5. 实例分析

本章将把上文提到的启发法应用到某仿真城域电力网中，在此城域网中结点数M = 36，光纤连接数L = 114，每条光纤携带复用W=48条波长。其中，，可得F = 8，并且每个节点配备12 × 12OTN交换器。结点之间将传递DH-ODU和L-ODU，通信量模型参数为，该参数由总接收带宽流量需求归一化的所定义。同时定义u为L-ODU占所有传输单元的比例。

用P来描述被拒绝的接收带宽流量需求，以此来描述网络拥塞的情况，取表1的参数进行仿真：

其中M为结点总数，L为光纤总数，每条光纤内携带的波长数为W，OTN交换器的规模为K，复用率为F，加速比为S，通信量模型参数为。

经过仿真可得，当L-ODU占有比例较大时，R越大，即OTN交换器越多，产生拥塞的概率越小(因为L-ODU的交换需要使用OTN交换器)。根据交换器规模K和加速比S的数值，以及波长数目M，可以计算出R的最大值，即R = 6，此时所有经过PIC解复用的波长都会经过，将会使用到大量的OTN交换器，根据前文叙述，需在OTN数目和拥塞概率之间做一权衡，保证OTN总数较小，同时拥塞概率较低。因此，当提高u数值的时候，为了保证拥塞概率尽量接近R = 6情况下的概率，就要适当的提高R的数值，因此只需求得一个合适的u的数值以及其所匹配的最小的R的数值，即可得出最小的拥塞概率，在这种情况下，节省的OTN数目的比例以及空间交换器接口的比例最大。

经过实际仿真模拟实验，发现当u = 0.2时，每条光纤后只需使用一半的OTN交换器(R = 6)即可保证拥塞概率几乎和R = 6时一样，可以节约50%的OTN交换器，以及15.59%的空间交换器的交叉结点。

表1. 实例所采用的参数值

6. OTN未来发展趋势

当下社会需要传递的信息量大幅度增大，本文做出的传输优化只能在一定意义上缓解爆发的信息洪流，在线路传输速率向400 Gbit/s跃迁，提升频谱的利用率以及合理利用网络资源去提升网络效率就显得十分重要 [7] 。与此同时OTN也存在着一定局限性，传统OTN的特点是刚性带宽管道，固定速率接口。这一特点与目前很多IP化业务的带宽动态变化、流量突发模式并不匹配。“刚性”特征不够灵活，不能根据业务流量适时进行带宽资源的动态调整 [8] 。因此，未来需要更灵活、动态、开放的网络架构 [9] 为实现网络的适时调整和按需分配。软件定义网络(Software Defined Network, SDN)，是一种新型网络创新架构，是网络虚拟化的一种实现方式，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，使网络作为管道变得更加智能 [10] 。

SDN是一种新型的网络架构，它有三个特点，第一个特点是它的控制与转发分离，第二是在逻辑层面上能做到集中控制，第三点是十分重要的一点，就是开放API，使得用户能够通过自由的编程实现自己希望实现的功能。传送层的可编程特征和能力是以组件可编程能力为基础得，因而使得结点设备具有灵活的可编程特性，同时将这些可编程能力对上层开放，从而使得整个OTN网络具备更强的软件定义特征，提升光网络资源利用率以及其整体性能，支持更多光网络应用。

基于SDN的OTN，能够实现任意粒度交换、任意带宽传输，能够实时根据业务的需求、集中统一的网络管理同控制，和全局网络的视图，对网络资源进行优化和配置，以实现传输设备对传输介质和通道的最大利用率，降低网络建设的成本。

基于SDN的OTN，不再局限于文中对OTN交换设备的优化，而是可以通过软件灵活地配置硬件，综合考虑各种因素从而选择出最优传输方案，减少了单板类型，从而大幅度降低硬件成本，也降低了工程和维护人员的技术壁垒，使得维护人员更加容易操控网络，对业务的快速开通、部署以及后续的维护大有裨益。

7. 结论

本文提出了一种低拥塞低复杂度的集成OTN/WDM架构，然后提出了一种基于启发式算法的最小OTN交换资源分配方法，评价在静态通信量场景下的该交换架构的表现，最后在36个结点的仿真城域电力网中实验了该架构和方法，由上文分析可知，当L-ODU占所需带宽的40%时，可以节省约50% OTN交换器的数量，由此可知该架构在一定程度上可以在保证低拥塞率的情况下保证较低的复杂度。在未来的工作里我们将试图将SDN和OTN进行融合，提出更具效率的传输架构。

基金项目

国家电网公司科技项目 (SGHB0000KXJS1500046)。

文章引用

尚 立,张建臣,钟 成,苏 汉. 一种低拥塞低复杂度的集成OTN/WDM架构
A Low Blocking and Complexity Architecture of Integrated OTN/WDM[J]. 计算机科学与应用, 2016, 06(11): 657-664. http://dx.doi.org/10.12677/CSA.2016.611081

参考文献 (References)