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【摘要】 针对当前IP overWDM光网络中业务量疏导技术研究的问题，提出了一种新的支持多优先级服务质量的业务疏导机制。该机制结合了抢占和流量分割技术，能够基于业务流QOS的需求选择恰当的疏导路径。仿真结果表明，该机制能有效降低具有时延约束的高优先级连接请求阻塞率。
【关键词】 业务疏导 流量分割 抢占
一、引言
目前，关于IP over WDM光网络中的疏导问题，已有一定的文献做了相关研究。文献[1]研究了一种用于WDM的光服务质量模型，通过分析一组与光路质量和可靠性相关的光参数，讨论了如何利用这种模型为区分业务提供QOS保证。文献[2]研究了一种区分业务服务质量的抢占机制，用来在业务中断情况下快速恢复高优先级业务。然而当网络高负载下，高优先级业务请求的带宽较多时，由于在单条路径上难以实现抢占，仍容易受到阻塞。
针对以上问题，本文设计出了一种基于多优先级的业务疏导机制。该机制能够基于业务流QOS的需求选择恰当的疏导路径，同时结合抢占和流量分割技术，在保证业务请求的时延约束条件下，有效降低高优先级连接请求阻塞率。
二、具有时延约束的多优先级业务疏导机制
2.1 基于QOS多优先级的分级策略
通常，业务在每段链路上的时延由节点的处理时延、排队时延、报文的发送时间以及传播时延构成。采用加权公平队列调度算法，并通过漏统整形，路径的传播时延表示如下：
D（s，d）=+++πii （1）
其中，b为业务流的突发长度，σ为预留带宽，n为业务经过的路径跳数，Lmax为业务流的最大分组长度，Ci为第i跳链路的带宽，πi为第i跳的传输时延。
路径的时延抖动为：
J（s，d）=+ （2）
根据对QoS 的要求[6]，可将业务划分为3个优先级：Class0，Class1 和Class2，优先级别逐渐降低。Class0 业务需要同时满足端到端的传输时延和时延抖动的约束，如聚合视频流业务。Class1 业务则需要满足端到端的时延约束，如聚合语音流业务。对于Class2 业务，网络在能够满足其带宽需求的前提下尽力传输。
对于不同QOS要求的业务，疏导侧重点不同。对于Class0业务和Class1业务，采用选择已有直达光路→选择现有由多条光路构成的多跳路径→新建一条直达光路→通过结合使用已有光路和新建光路的疏导策略，以尽可能地满足其连接要求，同时由于时延约束的要求，其在传输路径上经过的跳数还需要加以限制。对于Class2业务，由于并没有QOS保证要求，对疏导路径的选择也不做严格限制，故其疏导策略为选择已有直达光路→选择现有多个光路形成的多跳路径。如果Class0 和Class1业务通过上述策略依旧无法建立连接，则需要使用流量分割和多路抢占技术来保证新业务连接请求的成功建立。
2.2 流量分割和抢占技术
在对Class0 和Class1业务进行流量分割时，需要考虑时延约束的要求（对于Class0业务还需要考虑时延抖动的约束），所以对业务进行流量分割时，需要限制它们在传输路径上经过的跳数不超过Hmax（可根据用户的时延要求和网络具体情况进行设定）。另外，由于流量分割技术会增加网络的信令处理和管理负担，在进行流量分割时，有必要限制流量分割的数目不超过门限α来减轻网络的负担，同时降低算法的复杂度。
本文假定α为2。对于从s到d，适用于传输子业务流量的一个路径集合K，做出这样的约束：对于K中任意两条路径Lm和Ln，它们对应的路径跳数分别为hm、hn（假设hm≥hn）要满足：hn≤hm≤Hmax。
当网络处于高负载时，大带宽要求的高优先级业务请求经过流量分割后，也可能受到阻塞。为了保证高优先级业务的接入，有必要引入抢占机制。在区分服务环境中，抢占机制常常被用于保证为高优先级的用户提供可靠的服务。当网络没有足够的资源时，可以中断低优先级用户的业务流，抢占它们的资源，从而保证高优先级业务的优先接入。为了适应流量分割的要求，需要在传统的单一路径抢占机制的基础上进行扩展，将可被抢占的目标集扩展到多条路径上。本文选择经典的Min_BW作为设计原型，把它改进为可以在多条路径上实施抢占，从而提高大带宽要求的高优先级业务抢占成功率。算法的优化目标按：（1）最小化被抢占的带宽；（2）最小化被抢占的LSP优先级；（3）最小化被抢占的LSP数目来实现抢占。
2.3 机制描述
如表1所示，综合上述思想，具有时延约束的多优先级业务疏导机制的主要步骤如下：
（1）对于Req（s，d，p，bw），如果p≠Class2，执行步骤（2），否则，通过现有光路进行疏导。如果疏导失败，拒绝Req（s，d，p，bw）。（2）通过现有光路、新建光路进行疏导，如果疏导失败，执行步骤（3）。（3）把Req（s，d，p，bw）价为两个子业务Req（s，d，p，bwm）和Req（s，d，p，bwn），其中bw=bwm+bwn。尝试在K中任意两条路径Lm和Ln上进行疏导。如果成功，执行步骤（6），否则，执行步骤（4）。（4）如果Bl=0，跳到步骤（5），否则将Bl所对应的路径作为Ln，bwm=bw-BI，尝试使用现有光路、新建光路、应用抢占，为Req（s，d，p，bwm）寻找一条路径Lm，如果成功，并且满足{Lm，Ln}[∪] K，跳到步骤（6），否则转去执行步骤（5）。（5）根据扩展后的Min_BW算法优化目标在K中的任意两条路径上实施抢占，选择一对合适的路径作为Lm和Ln，如果成功，执行步骤（6），否则拒绝Req（s，d，p，bw）。（6）接受Req（s，d，p，bw），把业务同时疏导到路径Lm和Ln。
三、仿真分析
本文选用图1所示的拓扑结构作为目标网络，对所提新机制的性能在OPNET下进行仿真分析。网络包含14个节点，各个节点的结构均为LSR/OXC双层结构，OXC不具有波长变换能力，每个节点的光收发器数目为T。各个节点通过单光纤链路进行连接。 假设链路中有10个波长信道。每个传输方向各5个波长，单波长容量设为10个单位。业务请求的到达服从均值为λ的泊松分布，连接请求的源、宿节点对由网络随机产生，带宽请求在1到6个单位间整数均匀分布，业务保持时间服从均值为1/u的负指数分布，Class0、Class1、Class2业务的连接请求之比为 1：2：3。一个业务通过流量分割最多被疏导到两条路径上。Class0的最大光路跳数为3，Class1的最大光路跳数为5。对于每个连接建立请求，无等待队列。如果建立不成功，则拒绝该请求。
从图2可以看出，新机制下，没有时延限制的Class2业务只能通过现有光路建立连接，同时受到其他高优先级业务抢占的影响，阻塞概率持续上升。随着网络负载的逐渐增加，Class2阻塞的上升幅度加剧。
而具有时延约束的Class0和Class1业务，由于加入了流量分割和抢占技术，业务的阻塞概率相比Class2较低。而Class0处于业务类别的最高优先级，对资源的抢占具有绝对优势，阻塞率最低。但随着网络负载的加大，链路逐渐趋于饱和，同时受到连接跳数的限制，大带宽需求的业务也难找到合适的路径进行传输，因此阻塞概率也会逐渐加大。如果允许一个业务流能够被分割为更多的子业务流，高优先级的阻塞概率会进一步下降，但也同时意味着网络更大的信令开销。
从实验中我们可以看到，通过对大带宽请求的Class0和Class1业务实施流量分割和抢占技术，一定程度上缓解了网络高负载下高优先级大带宽业务请求的接入不公平性，降低了连接请求的阻塞率。但在网络高负载下，大带宽业务请求要获得完全的接入公平性，还需要应用一些专门的准入机制来协调控制，这也是我们今后的研究重点。
四、结论
本文提出了一种支持多优先级服务质量的业务疏导机制，该机制能够根据业务流QOS的需求选择恰当的疏导路径，有效降低具有时延约束的高优先级连接请求阻塞率，缓解在网络负载较大的情况下，高优先级大带宽业务请求的接入不公平性。但在业务流分割和抢占的同时，也带来了更大的管理负担和信令开销。
参 考 文 献
[1] Iukan A and Harmen R. Service-specifc resource allocation in WDM networks with quality constraints. IEEE JSAC， Special issues on optical networks[J].2000. 18（10）：2051-2061
[2] Golmie N， et al. A differentiated optical services model for WDM networks. IEEE Comm Mag[J]. 2000.38（2）： 68-73
[3] 张宇，李正斌，徐安士等.多粒度交换光网络路由和波长分配算法研究[J]. 电子学报.2004. 12：93-97.
[4] 黄琼，李玲霞，黄胜等.WDM光网络的多优先级业务疏导机制[J]. 半导体光电.2007. 4：240-244
【关键词】 业务疏导 流量分割 抢占
一、引言
目前，关于IP over WDM光网络中的疏导问题，已有一定的文献做了相关研究。文献[1]研究了一种用于WDM的光服务质量模型，通过分析一组与光路质量和可靠性相关的光参数，讨论了如何利用这种模型为区分业务提供QOS保证。文献[2]研究了一种区分业务服务质量的抢占机制，用来在业务中断情况下快速恢复高优先级业务。然而当网络高负载下，高优先级业务请求的带宽较多时，由于在单条路径上难以实现抢占，仍容易受到阻塞。
针对以上问题，本文设计出了一种基于多优先级的业务疏导机制。该机制能够基于业务流QOS的需求选择恰当的疏导路径，同时结合抢占和流量分割技术，在保证业务请求的时延约束条件下，有效降低高优先级连接请求阻塞率。
二、具有时延约束的多优先级业务疏导机制
2.1 基于QOS多优先级的分级策略
通常，业务在每段链路上的时延由节点的处理时延、排队时延、报文的发送时间以及传播时延构成。采用加权公平队列调度算法，并通过漏统整形，路径的传播时延表示如下：
D（s，d）=+++πii （1）
其中，b为业务流的突发长度，σ为预留带宽，n为业务经过的路径跳数，Lmax为业务流的最大分组长度，Ci为第i跳链路的带宽，πi为第i跳的传输时延。
路径的时延抖动为：
J（s，d）=+ （2）
根据对QoS 的要求[6]，可将业务划分为3个优先级：Class0，Class1 和Class2，优先级别逐渐降低。Class0 业务需要同时满足端到端的传输时延和时延抖动的约束，如聚合视频流业务。Class1 业务则需要满足端到端的时延约束，如聚合语音流业务。对于Class2 业务，网络在能够满足其带宽需求的前提下尽力传输。
对于不同QOS要求的业务，疏导侧重点不同。对于Class0业务和Class1业务，采用选择已有直达光路→选择现有由多条光路构成的多跳路径→新建一条直达光路→通过结合使用已有光路和新建光路的疏导策略，以尽可能地满足其连接要求，同时由于时延约束的要求，其在传输路径上经过的跳数还需要加以限制。对于Class2业务，由于并没有QOS保证要求，对疏导路径的选择也不做严格限制，故其疏导策略为选择已有直达光路→选择现有多个光路形成的多跳路径。如果Class0 和Class1业务通过上述策略依旧无法建立连接，则需要使用流量分割和多路抢占技术来保证新业务连接请求的成功建立。
2.2 流量分割和抢占技术
在对Class0 和Class1业务进行流量分割时，需要考虑时延约束的要求（对于Class0业务还需要考虑时延抖动的约束），所以对业务进行流量分割时，需要限制它们在传输路径上经过的跳数不超过Hmax（可根据用户的时延要求和网络具体情况进行设定）。另外，由于流量分割技术会增加网络的信令处理和管理负担，在进行流量分割时，有必要限制流量分割的数目不超过门限α来减轻网络的负担，同时降低算法的复杂度。
本文假定α为2。对于从s到d，适用于传输子业务流量的一个路径集合K，做出这样的约束：对于K中任意两条路径Lm和Ln，它们对应的路径跳数分别为hm、hn（假设hm≥hn）要满足：hn≤hm≤Hmax。
当网络处于高负载时，大带宽要求的高优先级业务请求经过流量分割后，也可能受到阻塞。为了保证高优先级业务的接入，有必要引入抢占机制。在区分服务环境中，抢占机制常常被用于保证为高优先级的用户提供可靠的服务。当网络没有足够的资源时，可以中断低优先级用户的业务流，抢占它们的资源，从而保证高优先级业务的优先接入。为了适应流量分割的要求，需要在传统的单一路径抢占机制的基础上进行扩展，将可被抢占的目标集扩展到多条路径上。本文选择经典的Min_BW作为设计原型，把它改进为可以在多条路径上实施抢占，从而提高大带宽要求的高优先级业务抢占成功率。算法的优化目标按：（1）最小化被抢占的带宽；（2）最小化被抢占的LSP优先级；（3）最小化被抢占的LSP数目来实现抢占。
2.3 机制描述
如表1所示，综合上述思想，具有时延约束的多优先级业务疏导机制的主要步骤如下：
（1）对于Req（s，d，p，bw），如果p≠Class2，执行步骤（2），否则，通过现有光路进行疏导。如果疏导失败，拒绝Req（s，d，p，bw）。（2）通过现有光路、新建光路进行疏导，如果疏导失败，执行步骤（3）。（3）把Req（s，d，p，bw）价为两个子业务Req（s，d，p，bwm）和Req（s，d，p，bwn），其中bw=bwm+bwn。尝试在K中任意两条路径Lm和Ln上进行疏导。如果成功，执行步骤（6），否则，执行步骤（4）。（4）如果Bl=0，跳到步骤（5），否则将Bl所对应的路径作为Ln，bwm=bw-BI，尝试使用现有光路、新建光路、应用抢占，为Req（s，d，p，bwm）寻找一条路径Lm，如果成功，并且满足{Lm，Ln}[∪] K，跳到步骤（6），否则转去执行步骤（5）。（5）根据扩展后的Min_BW算法优化目标在K中的任意两条路径上实施抢占，选择一对合适的路径作为Lm和Ln，如果成功，执行步骤（6），否则拒绝Req（s，d，p，bw）。（6）接受Req（s，d，p，bw），把业务同时疏导到路径Lm和Ln。
三、仿真分析
本文选用图1所示的拓扑结构作为目标网络，对所提新机制的性能在OPNET下进行仿真分析。网络包含14个节点，各个节点的结构均为LSR/OXC双层结构，OXC不具有波长变换能力，每个节点的光收发器数目为T。各个节点通过单光纤链路进行连接。 假设链路中有10个波长信道。每个传输方向各5个波长，单波长容量设为10个单位。业务请求的到达服从均值为λ的泊松分布，连接请求的源、宿节点对由网络随机产生，带宽请求在1到6个单位间整数均匀分布，业务保持时间服从均值为1/u的负指数分布，Class0、Class1、Class2业务的连接请求之比为 1：2：3。一个业务通过流量分割最多被疏导到两条路径上。Class0的最大光路跳数为3，Class1的最大光路跳数为5。对于每个连接建立请求，无等待队列。如果建立不成功，则拒绝该请求。
从图2可以看出，新机制下，没有时延限制的Class2业务只能通过现有光路建立连接，同时受到其他高优先级业务抢占的影响，阻塞概率持续上升。随着网络负载的逐渐增加，Class2阻塞的上升幅度加剧。
而具有时延约束的Class0和Class1业务，由于加入了流量分割和抢占技术，业务的阻塞概率相比Class2较低。而Class0处于业务类别的最高优先级，对资源的抢占具有绝对优势，阻塞率最低。但随着网络负载的加大，链路逐渐趋于饱和，同时受到连接跳数的限制，大带宽需求的业务也难找到合适的路径进行传输，因此阻塞概率也会逐渐加大。如果允许一个业务流能够被分割为更多的子业务流，高优先级的阻塞概率会进一步下降，但也同时意味着网络更大的信令开销。
从实验中我们可以看到，通过对大带宽请求的Class0和Class1业务实施流量分割和抢占技术，一定程度上缓解了网络高负载下高优先级大带宽业务请求的接入不公平性，降低了连接请求的阻塞率。但在网络高负载下，大带宽业务请求要获得完全的接入公平性，还需要应用一些专门的准入机制来协调控制，这也是我们今后的研究重点。
四、结论
本文提出了一种支持多优先级服务质量的业务疏导机制，该机制能够根据业务流QOS的需求选择恰当的疏导路径，有效降低具有时延约束的高优先级连接请求阻塞率，缓解在网络负载较大的情况下，高优先级大带宽业务请求的接入不公平性。但在业务流分割和抢占的同时，也带来了更大的管理负担和信令开销。
参 考 文 献
[1] Iukan A and Harmen R. Service-specifc resource allocation in WDM networks with quality constraints. IEEE JSAC， Special issues on optical networks[J].2000. 18（10）：2051-2061
[2] Golmie N， et al. A differentiated optical services model for WDM networks. IEEE Comm Mag[J]. 2000.38（2）： 68-73
[3] 张宇，李正斌，徐安士等.多粒度交换光网络路由和波长分配算法研究[J]. 电子学报.2004. 12：93-97.
[4] 黄琼，李玲霞，黄胜等.WDM光网络的多优先级业务疏导机制[J]. 半导体光电.2007. 4：240-244