Pankaj Risbood, Carl Nuzman, Nachi Nithi, Sanjay Patel
朗訊科技 貝爾實驗室
摘要:在WDM環(huán)路中部署ROADM將會節(jié)約大量的運(yùn)營成本,類似這樣的節(jié)點(diǎn)也能確保在線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化;在本文中,我們將這種潛在的節(jié)省成本進(jìn)行量化分析。
I. 引言
傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)主要是針對語音流量設(shè)計的,隨著因特網(wǎng)的日益普及,網(wǎng)絡(luò)流量越來越多地以數(shù)據(jù)為中心。事實上,數(shù)據(jù)流量的數(shù)量已經(jīng)超過了語音流量,并且增長的勢頭依然不減。數(shù)據(jù)流量相對語音流量而言具有更大的突發(fā)性和不可預(yù)知性,而在未來,類似視頻點(diǎn)播和在線游戲這樣的新興應(yīng)用也非常需要短存留(short-lived)、高帶寬的連接,這些新業(yè)務(wù)將產(chǎn)生對“on-demand按需波長”業(yè)務(wù)的新需求。如果真是這樣的話,那未來的傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計將需要更多彈性。
密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)被認(rèn)為是在長途和本地城域網(wǎng)絡(luò)上傳送信息比特的最廉價、最可靠的傳輸技術(shù)。由于DWDM所具備的彈性和簡單性,DWDM網(wǎng)絡(luò)通常主要是以環(huán)網(wǎng)的形式出現(xiàn),內(nèi)部包含多個光鏈路,并通過OADM連接起來。近年來,可重構(gòu)光分插復(fù)用器(ROADM)架構(gòu)的呼聲也越來越高,這種技術(shù)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動化管理/操作,能夠使傳輸網(wǎng)絡(luò)變得更富效率和彈性,從而更輕易地滿足變換負(fù)荷的增長需求[1]。在本文中,我們將論證這種ROADM技術(shù)不僅可以減少運(yùn)營開支,還可以增加網(wǎng)絡(luò)彈性,幫助運(yùn)營商節(jié)省資本投資。特別需要說明的是,我們發(fā)現(xiàn)在churn的情況下,一種承載現(xiàn)實流量的可重構(gòu)線路機(jī)制能夠減少請求拒絕,改善網(wǎng)絡(luò)利用率。我們在本文中還就不同的環(huán)路尺寸、流量圖案、負(fù)載和流量churn進(jìn)行廣泛模擬,并給出試驗結(jié)果。
II.網(wǎng)元模型
在本段中,我們先簡要地描述用在試驗中的各種網(wǎng)元模型。需要指出的是,我們這里僅僅關(guān)注功能性,而要實現(xiàn)這種功能的實際技術(shù)則不在本文討論之列。一個傳統(tǒng)的OADM包含了一Mux-Demux對,一組add/drop端口,在day one階段就要鋪設(shè)一個完整的系統(tǒng)(除了OTU)——這將需要投入很高的啟動資金,而ROADM則通過按需支付(pay-as-you-grow)的方式將資本開支降低到最小程度[2]。第二個特性我們認(rèn)為是波長和路徑的彈性,足以應(yīng)對各種不同的設(shè)計[1,3]。在一個最簡單的ROADM里,每一個add-drop端口都被指定為某個特定的波長和ring方向服務(wù)。而一些更加先進(jìn)的裝置,如波長彈性(wavelength-flexible)ROADM,則支持任意端口接入到任意一組波長中。在這里,我們假設(shè)波長被分拆到不相交的頻帶中,每個端口都被指派到與一個這樣的頻帶對應(yīng)。在每一個頻帶的波長數(shù)量稱為band size,而路徑彈性(Route-flexible)ROADM則是允許一個端口接入到兩個ring方向中的任意一個。
一個波長和路徑彈性ROADM過去習(xí)慣于移動一個線路來改變波長或路徑。從原理上將,這種移動可以按照hitless的方式——類似自動保護(hù)交換——來完成。如果結(jié)合一個有效率的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng),那這樣的ROADM將能充分地減少以前人工操作所引發(fā)的高額運(yùn)營成本和風(fēng)險,在本文中我們著力研究了這種技術(shù)對現(xiàn)有服務(wù)進(jìn)行重新包裝,讓網(wǎng)絡(luò)滿足未來服務(wù)發(fā)展需求,增加網(wǎng)絡(luò)利用率以及延長網(wǎng)絡(luò)使用壽命的可能性。
III.資本節(jié)約(Capital savings)
首先,一個彈性ROADM被一個網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)有效控制,這樣就可以完成類似環(huán)路再整理(defragmentation)這樣的優(yōu)化工作[5],節(jié)省/推遲未來資本開銷。在本段中,我們將利用廣泛的模擬來研究這種優(yōu)化所產(chǎn)生的效果。在我們的模型中,服務(wù)是在兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間雙向傳輸?shù)。?dāng)一個服務(wù)請求達(dá)到時,產(chǎn)生一個嘗試將它指派到一個線路中,該線路包含一個路徑和波長。如果沒有線路可用,那環(huán)路ring就重新被包裝。如果在重新打包后依舊沒有線路可用的話,那服務(wù)就會被阻塞。一個成功分配的服務(wù)可能隨后就離開,這時候所分配的波長將再次變得有用。在第一項服務(wù)被阻塞之前的可接受的服務(wù)數(shù)量被稱為“首次阻塞帶寬(first block capacity)”。我們通過模擬測試了不同環(huán)路網(wǎng)絡(luò)的首次阻塞帶寬,在每一種假定情況下,都可以利用一個Poisson到達(dá)程序和指數(shù)分配服務(wù)時間來模擬服務(wù)到達(dá)和離開的次序。每一個服務(wù)所對應(yīng)的一對節(jié)點(diǎn)都是一律實行隨意選擇的。而churn的程度則通過erlang負(fù)荷μ來量化。μ是服務(wù)arrival rate與占用時間的乘積。無限的erlang負(fù)荷(也就是無限的服務(wù)時間)表示沒有churn,churn是隨著μ的減少而增加。在下面所展示的結(jié)果中,我們分別對沒有churn和μ=4W的兩種情況進(jìn)行了試驗。
一個到達(dá)的服務(wù)通常被指派到最短的通道中(東或西),以及最低index.的可用波長上。重新打包運(yùn)算法則基于描繪SONET環(huán)路context的方法之上[5]。將一個縫隙gap定義為已給波長空閑鏈路的相鄰的次序,m個鏈路的gap加權(quán)2m-1,一條已給環(huán)路的包裝尺度被定義為所有g(shù)ap的加權(quán)總和。再打包則按照貪婪連續(xù)方法(greedy sequential)來實施,線路移動能導(dǎo)致包裝尺寸最大限度地增加,其每一個步驟都是經(jīng)過精挑細(xì)選的,直到?jīng)]有一個移動是有益的為止?山邮芤苿拥募吓cROADM的彈性和波段尺寸(band size) B有密切關(guān)系。如果ROADM是波長彈性的,那線路可能移動到波段中其他任意波長上,如果ROADM是屬于路徑彈性的,那每條線路就可能兩個方向(東和西)來回切換。
圖1 一個32通道環(huán)網(wǎng)絡(luò)的首次阻塞帶寬與波段尺寸關(guān)系圖
為了upper bound最好的(可以通過波長包裝來獲得),我們也考慮了不透明網(wǎng)絡(luò),在這種網(wǎng)絡(luò)中,一項業(yè)務(wù)被無阻礙地加載到每一個鏈路的不同波長上,為了bound最好的(可以通過對波長再包裝來和路徑來獲得),我們考慮了一種不透明網(wǎng)絡(luò)(由最優(yōu)環(huán)路裝載算法[6]確定的路徑線路)。盡管我們已經(jīng)研究了不同的環(huán)路尺寸,但現(xiàn)在我們所討論的結(jié)果僅僅與8個節(jié)點(diǎn)的環(huán)路有關(guān)。無論是從質(zhì)量還是從數(shù)量的結(jié)果來看,都是與環(huán)路尺寸沒多大關(guān)系的,不過那些只有3個或4個節(jié)點(diǎn)的環(huán)路除外。
以上參數(shù)給首次阻塞帶寬帶來的影響請參看圖1,圖中顯示的是一個包含32個波長的8節(jié)點(diǎn)環(huán)路。每個數(shù)據(jù)點(diǎn)的縱坐標(biāo)是假定500次服務(wù)到達(dá)和離開的平均首次阻塞帶寬,而橫坐標(biāo)則表示波段尺寸B。位置較低的那一組曲線是屬于沒有churn的情況(也就是沒有離開),而上面一組曲線則是在高churn (μ=4W)的情況下獲得的。紅色和藍(lán)色曲線分別代表僅僅對波長重新包裝以及對波長和路徑都進(jìn)行重打包兩種情況下帶寬與B之間的關(guān)系。每一條曲線都有一條水平的上限(upperbound)線,分別代表著相關(guān)的環(huán)路容量(不透明和透明網(wǎng)絡(luò))。盡管首次阻塞帶寬在churn情況下看起來要比沒有churn情況的帶寬要高,但是這并不是一個公平的對比關(guān)系,因為前者包括了那些已經(jīng)到達(dá)和離開的業(yè)務(wù)。然而,如果我們對比B=1和B=W兩種情況,我們就能很清晰地發(fā)現(xiàn)增加的帶寬主要是因為重新包裝在churn的情況下比沒有churn的情況效率要高得多,也就是說效果更顯著一些。事實上,在沒有churn的情況下,簡化的基于First-Fit的波長分配算法就能夠?qū)h(huán)路包裝地非常有效率。在不對波長進(jìn)行重新包裝的情況下調(diào)整路徑(藍(lán)色曲線,B=1)幾乎是毫無益處的,不改變路徑而只對波長進(jìn)行重新包裝則有一定的好處(紅色曲線,B=32),不過最大的改進(jìn)則是通過對波長和路徑都能彈性選擇的ROADM來實現(xiàn)的(紅色曲線,B=32)。而帶寬的最大增量則主要發(fā)生在波段尺寸較小的區(qū)域內(nèi)。如果要舉例說明的話,我們可以說一個波段尺寸為8、有能力重新路由的ROADM的性能要比一個完全無色、不能重新路由的ROADM要好的多,圖1也說明了一個能夠重新路由的不透明網(wǎng)絡(luò)(完全波長轉(zhuǎn)換)要比不能重新路由的不透明網(wǎng)絡(luò)性能好一些。
在我們隨機(jī)業(yè)務(wù)到達(dá)模型中,首次阻塞帶寬是一個隨機(jī)變量,具有很大的偏差和自由度。例如,圖2a中描述了在重新包裝和沒有重新包裝兩種情況下的首次阻塞帶寬柱狀圖,并與圖1中有churn情況下的兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)相對應(yīng),盡管重新包裝情況下的分布比沒有包裝的高36%,但雙方仍有交叉重疊區(qū)域,重新包裝的時間和成本可以與環(huán)路重新包裝的次數(shù)以及線路移動的總數(shù)量有關(guān)系。圖2b描述了線路移動的總體數(shù)量的分布圖(對波長和路徑重新包裝)。
圖2 a)在重新包裝和沒有重新包裝兩種情況下的首次阻塞帶寬柱狀圖 b)在有churn和沒有churn兩種情況下,出現(xiàn)首次阻塞之前,重新包裝線路的數(shù)量的柱狀圖(帶有32個波長的八節(jié)點(diǎn)環(huán)路)。
IV.結(jié)論
在一個WDM環(huán)路中,如果存在重大的服務(wù)churn,那對線路進(jìn)行重新包裝就可以大幅度增加首次阻塞帶寬,如果是沒有churn則效果就明顯減弱。一種基于指數(shù)加權(quán)gap的啟發(fā)式重新包裝算法將是簡單和有效的,它提供了一個bridge-and-roll在線移動次序。最后,為波長彈性ROADM增加了路由彈性,使重新包裝的效果更大。
參考文獻(xiàn)
[1] A. Saleh et al, “Architectural principles of optical regional and metropolitan access networks,” J. Lightwave Tech.
17, 2431-2448 (1999).
[2] C. Nuzman et al, “Effects of modularity and connectivity on OADM deployment in ring networks,” in OSA TOPS
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[3] M. Feuer et al, “Routing power: a metric for reconfigurable wavelength add/drop multiplexers,” in OSA TOPS,
OFC Conference (Optical Society of America, Washington, DC, 2002), pp. TuX-01.
[4] D. Cavendish et al, “Routing and wavelength assignment in WDM rings with heterogeneous wavelength conversion
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[5] S. Acharya et al, “Hitless network engineering of SONET rings” in Proc. GLOBECOM (IEEE, New York, 2003).
[6] A. Schrijver et al "The ring loading problem," SIAM Review 41, 777-791 (1999).