基于能耗感知的路由与频谱分配方法设计和实现计算机科学与技术专业.docx

目录摘要1ABSTRACT21.1 频谱灵活光网络的发展状况31.2 国内外的研究现状41.2.1 国外研究现状41.2.2 国内研究现状41.3 论文结构5第二章频谱灵活光网络中基于能耗感知的路由和频谱分配算法62.1 频谱灵活光网络中的路由计算算法62.1.1 最短路径算法621.2»72.2 频谱灵活光网络中的频谱分配算法8221频谱分配的约束条件92.3 基于能耗感知的传统与优化路由和频谱分配算法112.4 小结15第三章仿真与结果分析163.14 方白勺163.15 真结果与讨论173.16 结19第四章总结与展望21参考文献22致谢24摘要伴随着这些年来互联网技术的迅猛发展，人们之间的信息交流愈加频繁，信息交流量急剧增加，带宽需求量以一种不可抑制的速度增长。这对未来网络的性能、规模和结构提出了更高的要求，同时未来网络也面临着高容量、低能耗等多方面的挑战。传统的波分复用光网络因为其“一刀切”的固定模式，导致网络运行阻塞严重、频谱利用率低下；而频谱灵活光网络则可以根据用户的实际需求灵活地分配频谱资源，从而降低网络阻塞率、提高频谱利用率，在降低能耗方面也具有显著的优势。合理的路由与频谱分配算法能够大大提高网络的生存能力、减少能耗，所以路由和频谱分配算法的优化对频谱灵活光网络性能的提高十分重要。本文提出了2种路由和频谱分配算法：最短路径首次命中算法以及K条最短路径首次命中算法。为了比较这两种算法的优劣性，将这2种算法在相同的条件下进行仿真。仿真中，主要关注网络阻塞率、平均能耗以及总能耗三个参数之间的对比。仿真结果表明，最短路径首次命中法和K条最短路径首次命中法各有长处。关键词：频谱灵活光网络路由和频谱分配算法能耗ABSTRACTWiththerapidevolutionofInternettechnologyovertheyears,thecommunicationamongclientsbecomesincreasinglyfrequentandtheamountofinformationincreasesdramatically.Also,thebandwidthdemandhasgrownatanirrepressiblespeed.Thisputsforwardhigherrequirementsontheperformance,scale,andstructureofthefuturenetwork.Atthesametime,thenetworkisalsofacedwithmanychallengessuchashighcapacityandlowenergyconsumption.Thetraditionalwavelengthdivisionmultiplexingopticalnetworkadoptsa4one-size-fits-al,mode,resultinginhighnetworkcongestionandlowspectrumutilization.However,thespectrumflexibleopticalnetworkcanflexiblyallocatespectrumresources,reducingnetworkblockingrateandimprovingspectrumutilization,whichhassignificantadvantagesinreducingenergyconsumptionaswell.Anintelligentandefficientroutingandspectrumallocationalgorithmcangreatlyimprovethesurvivabilityofthenetworkandreduceenergyconsumption,sotheoptimizationofroutingandspectrumallocation(RSA)isakeyissueinspectrum-flexibleopticalnetworks.Inthisdissertation,weintroducetwoRSAalgorithms,includingtheshortestpathalgorithmwiththefirst-fitspectrumallocation(SP_FF)andtheKshortestpathalgorithmwiththefirst-fitspectrumallocation(KSP_FF).Forcomparison,Wesimulatetheseroutingandspectrumallocationalgorithmsinthesameconditions.Inthesimulation,wefocusonthecomparisonamongthethreeparametersofnetworkblockingrate,averageenergyconsumptionandtotalenergyconsumption.Thesimulationresultsshowthattheshortestpathalgorithmwiththefirst-fitspectrumallocationandtheKshortestpathalgorithmwiththefirst-fitspectrumallocationbothhavetheirownadvantages.Keywords:Spectrumflexibleopticalnetwork,routingandspectrumallocationalgorithm,theenergyconsumption第一章绪论随着互联网业务的普及，高容量、易分配、低功耗必定会成为今后网络发展的趋势。其中，能源消耗是目前网络信息传输所面临的严峻挑战之一，也是近年来光网络领域的研究热点。本章首先介绍了目前频谱灵活光网络的发展状况和未来发展趋势，然后介绍了近年来国内外在光网络阻塞率以及能效性方面的研究成果，最后对本论文的结构进行了初步的规划。1.1 频谱灵活光网络的发展状况由于传统光网络在带宽的调整、性能的调节以及网络的控制等多方面已经不能适应时代发展的需求，日本电信公司(NTT)在2008年九月首先提出一种新型网络概念即频谱切片弹性光网络(SLICE)，这种网络体系架构具有新型、高频谱效率和可扩展的特点，可以有效地解决传统光网络的问题，因此受到各国研究人员的广泛关注并且迅速成为研究的重点。在美国，GringeriS等人提出了关于FWDM网络的相关架构，描述了FWDM网络的拓扑图，以及业务在传输时所需要的相关技术丸与此同时，Finisar公司开展了一种名为FIeXGrid的全光网项目，它基于全光网络并且原理与频谱灵活的全光网技术原理相近，同时侧重于灵活栅格网络结构，文献预言该网络必将成为未来骨干网的架构基础。而在欧盟，这方面研究的弹性光网络项目是由AlCatel-LUCentBenLab和OliVerRiVal联合提出的，这个项目通过让网络通信参数变得可调节，有效地提高网络的利用率，降低网络付出成本，并且可以使网络变得更加高效节能。频谱灵活光网络与传统光网络相比具有更加明显的优势。它的基本思想阐述如下：在客户需求和实际业务量的基础之上，动态灵活地分配带宽资源，不再限制通道间隔并实现全光交换；精细化的频谱域分割与灵活的控制管理，从而提高频谱灵活光网络的频谱利用率，提高各个路由节点的能源效率，推动绿色发展。综上所述，新兴的频谱灵活光网络和组网技术是目前各专家及相关产业的研窕热点，它完全适应了超大容量、绿色节能的网络发展要求。它具有不可比拟的优势，同时又顺应了未来全光网络的发展趋势以及社会的需求，是值得探究的发展方案，前景十分广阔。1.2 国内外的研究现状1.2.1 国外研究现状由于传统光网络的缺陷以及能源的紧缺，国内外的专家和学者很早就开始着手研究性能更加优越的频谱灵活光网络。这些年来，频谱灵活光网络在能效性和频谱资源分配优化相关技术的发展得到了质的飞跃。在能源效率方面，文献提出混合线路速率方法来减少IPoverDWDM网络中的转发器总数的功耗。文献的研究中了解了网络连接中断对于成本以及能源效率的影响，并且制订了相关的升级策略来降低混合线路速率光网络的网络成本和能耗。在文献网中在分析位置距离对多粒度光网络的影响后，提出了绿色节能的优化方法，而这些设计方法的最终目标是将功耗降到最低的程度并把光信号传输中的光学领域限制集中起来。在文献中，研究人员考虑到最小化混合线路速率光网络的总能耗的目标,同时还解决了节能减损限制再生器放置问题。在频谱资源分配优化算法方面，通过运用整数线性规划算法和两种启发式算法来实现频谱灵活光网络中的频谱重构，最终结果发现：在使得受损的连接请求数目最少的条件下，网络频谱重构能够有效地去利用可用频谱并降低频谱碎片出现的概率口叫文献I提出了一种基于带宽自适应调制的动态频谱重构算法,这种算法可以使得网络阻塞率至少降低10%,可以有效提高网络性能。1.2.2 国内研究现状在国内，随着互联网技术的不断发展，频谱灵活光网络的阻塞率和能源效率也得到了广泛的关注，产生了不少研究成果。在文献网中，学者们重点研究了在可生存光网络中通过可切换多流量转发器和弹性再生器来来提高能效的问题：提出了整数线性规划（ILP）模型和最小单位能量子矩阵映射方法，来尽可能地降低功耗和提高能源效率。文献旧为了通过联合应用光路旁路和路由卡睡眠策略来降低总能耗，提出了能源消耗较少的IPoverWDM网络。文献“提出了基于可分片带宽可变光转发器（SBVT）的流量疏导整数线性规划算法,验证了SBVT的可分片能力对网络性能的影响,最终结果显示配有SBVT设备的流量疏导技术可以显著地降低电疏导能耗，减少实际网络中的转发器耗能器件成本。在路由和频谱分配方面，文献里面提出了一种新的路由频谱配置方法，这种配置方法在弹性光网络中运用了自适应分配式子载波的概念，同时在网络的各个链路节点之间自适应地建立起一条或多条光路来进行信息的传递，从而有效地降低网络阻塞率，提高频谱资源利用率。无论是国内国外，如何提高能源效率、降低阻塞率一直都是光网络的研究重点。因此,从阻塞率和能源效率的角度来看,优化的路由和频谱分配算法就显得格外重要。本文即是从这一方面出发,通过改善网络路径来提高能源利用效率、降低网络阻塞率,探究更加有效的算法，进而提高网络性能。1.3 论文结构本篇论文主要工作安排如下：第一章主要先介绍了这些年来频谱灵活光网络的发展概况和未来发展前景，然后介绍了国内外在光网络能效性以及频谱资源分配优化方面的优秀研究成果，最后阐述了本论文的整体结构。第二章重点介绍了频谱灵活光网络中的路由计算算法：最短路径算法和K条最短路径算法以及频谱分配算法中的首次命中法。然后根据以上的算法分析，提出基于能耗感知的传统与优化路由和频谱分配算法，以比较它们对网络性能的影响。第三章将之前提出的传统与优化的路由和频谱分配算法在相同的网络环境中进行仿真，对比这2种算法在网络阻塞率、总能耗和平均能耗三个参数的差别，分析它们的优势和不足之处，并考虑它们在实际生活中的应用之处。第四章对本篇论文进行系统的总结与展望，并指出今后需要进一步探究的工作。第二章频谱灵活光网络中基于能耗感知的路由和频