一种基于时空频变异系数评估的光网络负载均衡方法与流程

1.本发明属于光网络负载均衡技术领域，涉及一种基于时空频变异系数评估的光网络负载均衡方法。


背景技术：

2.随着光网络的快速发展，传统的资源分配方法不适于时延更敏感、带宽更大的网络业务主要需求。负载均衡方法能够根据网络内实时业务分布情况从控制层面进行业务流量的整合，避免瓶颈链路的产生，实现网络资源平衡占用和业务均衡分布，这项技术一直是光网络领域的研究热点。
3.一方面，现有光网络的规模不断扩大，业务流量不断增加，且其增速大于网络资源扩展速度，因此网络拥塞时有发生。因此，为了满足大带宽、高并发、低时延的业务需求，负载均衡成为了一项有效应对网络瓶颈的控制技术。另一方面，在目前基于光网络负载均衡相关工作已经研究很多，能够完成光网络内初步的业务均衡分布，但现有的负载均衡方法并未进一步考虑与网络和业务的动态属性紧密结合，同时在比较现实的场景下没有考虑不同维度资源均衡时的博弈关系。
4.目前现有的研究大部分考虑在网络单元部署方面的负载均衡措施，如增加链路和备用设备，在控制层面的负载均衡也往往呈现为单一维度的均衡策略，如频域波长资源利用的均衡。而针对呈现出多维度特征的网络资源，密集业务下负载均衡的具体资源分配策略并未涉及多维度的考虑，因此常出现网络瓶颈链路阻塞时延敏感的业务传输。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于时空频变异系数评估的光网络负载均衡方法，至少部分解决上述技术问题。
6.本发明实施例提供了一种基于时空频变异系数评估的光网络负载均衡方法，包括：
7.s1：实时获取网络负载情况信息和当前业务信息；
8.s2：对所述业务信息进行分类，得到业务分类；
9.s3：根据所述业务分类和所述网络负载情况信息，搜索k条最短路径；
10.s4：对所述k条最短路径进行时、空、频三个维度的整合和变异系数计算，得到负载均衡调整策略；
11.s5：根据所述负载均衡调整策略，将当前业务分配到对应的链路信道，完成业务承载。
12.进一步地，所述步骤s4，包括：
13.对所述k条最短路径的负载信息分别进行时、空、频三个维度的整合，得到k条路径信息；
14.对所述k条路径信息分别进行时、空、频三个维度的变异系数计算；
15.将所述变异系数进行比较，得到业务承载维度；
16.根据所述业务承载维度计算，得到当前维度的负载均衡方法。
17.进一步地，所述负载均衡调整策略，包括：时间均衡调整策略、波长信道占用均衡调整策略或连接数预测性均衡调整策略。
18.进一步地，所述时间均衡调整策略，包括：将当前业务信息分配至所述k条最短路径中，并将波长信道保持时间处于最小值的链路方案作为承载方案。
19.进一步地，所述波长信道占用均衡调整策略，包括：在所述k条最短路径上分别预置业务所需不同频域资源方案；计算所述不同频域资源方案下业务波长信道占用率的方差值；将所述方差值最小的方案作为承载方案；
20.进一步地，所述连接数预测性均衡调整策略，包括：在所述k条最短路径上分别预置业务的不同存储方案；计算所述不同存储方案下业务连接数的方差值；将所述方差值最小的方案作为承载方案。
21.进一步地，将所述变异系数进行比较得到业务承载维度，包括：将三个维度的所述变异系数进行比较，并将所述变异系数数值大的维度作为业务承载维度。
22.进一步地，所述网络负载情况信息，包括：服务时间信息、信道占用信息和连接数信息。
23.进一步地，所述业务类型，包括：时延敏感型、时延较敏感型和时延不敏感型。
24.本发明实施例提供的一种基于时空频变异系数评估的光网络负载均衡方法，针对密集业务场景下网络瓶颈链路可能带来的拥塞问题，通过子控制器的多维度实时监控和主控制器的多维度均衡分析，实时选定业务承载链路。能够实现适应业务的网络内时/空/频资源持续性平衡，避免瓶颈链路对高时延要求业务的拥塞发生，相对于传统的负载均衡方式大大提高了网络对业务属性的自适应程度。
25.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
26.图1为本发明实施例提供的一种基于时空频变异系数评估的光网络负载均衡方法框图；
27.图2为本发明实施例提供的一种基于时空频变异系数评估的光网络负载均衡方法整体流程图；
28.图3为本发明实施例提供的服务时间监控流程图；
29.图4为本发明实施例提供的信道占用监控流程图；
30.图5为本发明实施例提供的连接数监控流程图；
31.图6为本发明实施例提供的密集业务场景下时/空/频负载均衡案例网络拓扑结构示意图；
32.图7为本发明实施例提供的主控制器构建业务关联子拓扑结构示意图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“内接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.为了将本发明中的技术方案解释的更加清楚，下面对本发明所涉及的部分现有技术进行说明。
37.波分复用wdm(wavelength division multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术，在接收端，经解复用器将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。wdm具有高传输容量，可以节省光纤资源。对于单波长光纤系统，需要使用一对光纤来接收和发送一个信号，而wdm系统，无论等待传输多少个信号，只需要一对光纤。波分复用对各种业务信号都是透明的，能够传输不同种类的信号，然后对其进行复合和分解。
38.其作为一种最佳的扩容方式，可以不使用大量的光纤或高速网络设备，而只通过改变交换机和增加一个波长来引入各种业务或扩容。利用光分插复用器(oadm)和光交叉连接(oxc)，wdm可以构成高灵活性、高可靠性、高生存性的全光网络。在此基础上，根据波长间隔不同，wdm可分为cwdm(粗波分复用)和dwdm(细波分复用)，cwdm波长间隔一般大于等于20nm，而dwdm波长间隔一般小于10nm。dwdm可适用于长距离传输，与cwdm相比，具有更紧密波长间隔的dwdm，可以在一个光纤上承载8～160个波长，更适于长距离传输。在掺铒光纤放大器的帮助下，dwdm系统可以在数千公里的范围内工作。
39.弹性光网络技术(eon)，ip数据业务对带宽的需求越来越高，而ip业务本身的不确定性和不可预见性，也迫切需要对网络带宽的动态分配，现有网络架构难以适应现代网络和新业务提供拓展的需要，也难以适应市场的激烈竞争。光网络必须能够管理由wdm提供的巨大带宽容量，同时能够合理地指配用户业务，能够根据不同的用户需求提供不同qos服务和业务类型。由于业务需求数量和种类越来越复杂，业务多样性表现明显，在设计wdm网络时需要考虑到网络的鲁棒性、用户的公平性、网络的吞吐量等多方面因素，在这些因素之间根据需求做出衡量和比较，才能达成一个最为合理的分配结果。弹性光网络由此应运而生。弹性光网络不同于wdm网络之处在于：它可以根据业务的需求大小动态的给业务分配带宽，从而提高频谱利用率。
40.弹性光网络的概念是相对于wdm网络不能动态变化而提出的，弹性光网络中的弹性包括两层含义：第一层含义是指相对于wdm网络的固定频谱分割机制，弹性光网络采用的频谱分割机制是灵活可变的。第二层含义是指弹性光网络中采用的带宽转换器能建立弹性的光路径，即对于同一条端到端的光路径可根据实际连接环境和连接需求采用不同的比特率以达到高频谱效率。
41.光网络负载均衡技术，负载均衡是一种集群技术，它将特定的业务(网络服务、网络流量等)分担给多台网络设备(包括服务器、防火墙等)或多条链路，从而提高了业务处理能力，保证了业务的高可靠性。负载均衡建立在现有网络结构之上，提供了一种廉价有效透明的网络控制方法，能够扩展网络设备和服务器的带宽、增加吞吐量、加强网络数据处理能力、提高网络的灵活性和可用性。其实现可以抽象为将一个链路和节点的负载分摊到更多操作单元上进行执行，例如web服务器、ftp服务器、企业关键应用服务器和其它关键任务服务器等，从而共同完成工作任务。
42.本发明针对密集业务下光网络的瓶颈链路问题，提出基于时/空/频变异系数评估的光网络负载均衡方法，通过网络状态与业务流量协同判断负载均衡的最佳承载方案，进行动态的网络业务调度。
43.本发明实施例提供的一种基于时空频变异系数评估的光网络负载均衡方法，如图1所示，包括：
44.s1：实时获取网络负载情况信息和当前业务信息；
45.s2：对业务信息进行分类，得到业务分类；
46.s3：根据业务分类和网络负载情况信息，搜索k条最短路径；
47.s4：对k条最短路径进行时、空、频三个维度的整合和变异系数计算，得到负载均衡调整策略；
48.s5：根据负载均衡调整策略，将当前业务分配到对应的链路信道，完成业务承载。
49.本发明实施例提供的一种基于时空频变异系数评估的光网络负载均衡方法，针对密集业务场景下网络瓶颈链路可能带来的拥塞问题，通过子控制器的多维度实时监控和主控制器的多维度均衡分析，实时选定业务承载链路。能够实现适应业务的网络内时/空/频资源持续性平衡，避免瓶颈链路对高时延要求业务的拥塞发生，相对于传统的负载均衡方式大大提高了网络对业务属性的自适应程度。
50.下面将是对本发明实施例进行详细说明。
51.负载均衡的定义已有学者进行相关描述，包括服务器、链路、网关的负载均衡等。在弹性智能光网络中，可以通过主从控制器收集网络动态信息指导进行网络链路的负载均衡。在本发明中，将根据到来的业务动态的对虚拟拓扑网络资源状态做统计分析，分析结果将指导业务承载链路的调配，从而实现三个维度上网络资源的均衡使用和业务的均衡分布，即时/空/频的负载均衡，避免出现瓶颈链路导致网络拥塞。
52.图2是基于时/空/频变异系数评估的光网络负载均衡流程总图，包括2个主要模块。首先是网络多维状态监控模块，分别从时域、频域、空间域对网络实时状态做收集和存储，获取三个维度的资源使用情况。其次是网络多维均衡分析模块，当业务到来时，利用实时监控数值计算网络的多维变异系数，对比选定均衡维度，分成时/空/频均衡策略，分别分析当前域均衡能够实现最佳效果的承载链路，制定业务分配方案，完成业务承载。
53.一、网络多维状态监控模块
54.步骤1.1：服务时间实时监控。
55.考虑到光网络内通道保持时间的不均匀性和数值的不确定性，设计服务时间实时监控模块，能够获取业务占用信道的时间分布情况，从时域对业务做均衡化的承载。针对不同可选链路的子控制器数量较少特点，不同可选链路的时域占用系数采用普通的二维数组方式进行存储，一条链路的两端节点序号作为数组的横、纵坐标，保持时间数值在每次监控间隔时间更新，具体时域参数采集流程，如图3所示。
56.步骤1.2：信道占用实时监控。
57.考虑到光网络内不同链路波长信道占用率的不均匀性，设计信道占用实时监控模块，不断更新不同链路上波长资源占用率情况，从频域对业务做均衡化的承载。针对不同可选链路的子控制器数量较少特点，不同可选链路的频域占用系数采用普通的二维数组方式进行存储，一条链路的两端节点序号作为数组的横、纵坐标，波长信道占用率数值在每次监控间隔时间更新，具体频域参数采集流程，如图4所示。
58.步骤1.3：连接数实时监控。
59.考虑到光网络内不同链路承载连接数的不均匀性，设计连接数实时监控模块，能够获取不同链路上承载连接数的情况，从空间域对业务做均衡化的承载。针对不同可选链路的子控制器数量较少特点，不同可选链路的空间域占用系数同样采用普通的二维数组方式进行存储，一条链路的两端节点序号作为数组的横、纵坐标，承载连接数数值在每次监控间隔时间更新，具体空间域参数采集流程，如图5所示。
60.二、网络多维均衡分析模块
61.步骤2.1：判断业务类型，寻找k条最短路径。
62.调研表示，骨干网内设备节点数量庞大，由源到宿的路径往往不止一条，需要保存若干条路径以实现业务的顺利承载。在实际情况中，网络用户希望得到最优的决策参考外，还得到次优、再次优等决策参考，这反映在业务路由的最短路径问题上。因此有必要将最短路径问题予以扩展和延伸，称为k条最短路径问题，即不但要求得最短路径，还要求得次短、再次短等路径。此外，考虑到实际业务模型关于时延的约束，本发明内将业务分为三类，即时延敏感型，如语音类业务；时延较敏感型，如视频类业务；时延不敏感型，如数据类业务，不同业务的时延敏感程度将对路径选择产生影响。
63.步骤2.2：子控制器收集最短路径监控信息。
64.主控制首先判定业务类型，在可接受时延范围内搜索最短路径。在搜索结果的基础上，主控制器发信令使子控制器收集k条最短路径的多维度实时监控信息，并上传回主控制器。
65.步骤2.3：主控制器进行多维参数整合。
66.根据子控制器收集的多路径监控信息，主控制器从时/空/频三个维度对当前可选路径的负载信息进行统计整合，将分段链路上的负载信息合并成路径信息：
67.在时域方面，取子链路的最大光通道保持时间，以二维数组的形式存储在对应物理内存，源宿节点序号分别作为数组的横纵坐标。
68.在频域方面，取波长占用率的最大值，以二维数组的形式存储在对应物理内存，源宿节点序号分别作为数组的横纵坐标。
69.在空间域方面，取承载连接数的最大值，以二维数组的形式存储在对应物理内存，源宿节点序号分别作为数组的横纵坐标。
70.步骤2.4：计算变异系数，选定均衡维度
71.主控制器对比时/空/频的变异系数，可以消除不同维度参数测量尺度和量纲的影响，系数越大则当前维度的均衡程度最差，选定均衡程度最差的维度进行负载均衡的业务承载。
72.时域均衡评估
73.在时域方面，主控制器收集当前业务每条待选路径上承载业务的光通道已保持时间t1,t2,t3,
…
,tn，之后根据公式(1)计算光通道保持时间的变异系数，上传给主控制器。
[0074][0075]
频域均衡评估
[0076]
在频域方面，主控制器收集当前业务每条待选路径上承载业务的频谱资源占用率，并取其百分号前数值w1,w2,w3,
…
,wn，之后根据公式(2)计算波长信道资源占用率的变异系数，上传给主控制器。
[0077][0078]
空间域均衡评估
[0079]
在空间域方面，主控制器收集当前业务每条待选路径上承载业务连接数s1,s2,s3,
…
,sn，之后根据公式(3)计算链路承载连接数的变异系数，上传给主控制器。
[0080][0081]
步骤2.5：多维度负载均衡方法
[0082]
具体负载均衡方法根据目标域的属性特点有对应的业务调度方式，分为时域链路保持时间均衡方法、频域波长信道占用预测性均衡方法，以及空间域连接数预测性均衡方法：
[0083]
链路保持时间均衡
[0084]
考虑到时域负载均衡的业务时长具有不确定性，本方案优先考虑将当前业务分配至链路波长信道最大保持时间处于最小值的链路上，以确保当前网络不出现链路保持时间较长的瓶颈链路。
[0085]
波长信道占用预测性均衡
[0086]
考虑到波长信道资源的可计算性，在备选链路上分别预置业务所需的频域资源，并计算不同预置方案下新的虚拟拓扑承载业务的波长信道占用率的方差值，取方差值最小的分配方案作为业务既定承载方案，即预承载后网络带宽资源波动性较小的分配方案。
[0106]
《3》1
→7→6→5[0107]
其中的波长信道具体序号由链路状态决定，在ksp算法寻路后对负载均衡评估没有影响，因此这里不做赘述。
[0108]
步骤2.2：子控制器收集最短路径监控信息，构建虚拟拓扑。
[0109]
如图7所示，根据可用链路情况，主控器内存储的拓扑信息被进一步抽象化为业务关联子拓扑。
[0110]
主控制器调动3条可选路径的子控制器收集业务到来时各段链路上的多维监控信息，并上传给主控制器，如图6所示，所涉及链路状态包括：1-2[10，32％，3]、1-6[18，70％，5]、1-7[9，42％，3]、2-6[20，82％，7]、5-6[7，22％，1]，6-7[15，64％，4]。
[0111]
步骤2.3：主控制器进行多维参数整合
[0112]
主控制器将收集到的链路状态分别从时/空/频域进行信息整合，将子链路的多维状态合并为可选路径的状态信息。
[0113]
在时域方面，取子链路的最大光通道保持时间，以二维数组的形式存储在对应物理内存。
[0114]
在频域方面，取波长占用率的最大值，以二维数组的形式存储在对应物理内存。
[0115]
在空间域方面，取承载连接数的最大值，以二维数组的形式存储在对应物理内存。
[0116]
因此可以得到：
[0117]
《1》1
→2→6→
5：[20，82％，7]
[0118]
《2》1
→6→
5：[18，70％，5]
[0119]
《3》1
→7→6→
5：[15，64％，4]
[0120]
步骤2.4：计算变异系数，选定均衡维度。
[0121]
基于步骤2.3的链路信息整合，进一步计算变异系数，分析可选链路的时/空/频资源分配分布情况：
[0122]
在时域方面，计算最大波长保持时间平均值为
[0123]
因此，
[0124][0125]
在频域方面，计算波长信道占用率平均值为
[0126]
因此，
[0127][0128]
在空间域方面，计算承载连接数平均值为个。
[0129]
因此，
[0130]
[0131]
通过对比可知，当前业务关联子拓扑内时域分布差异程度更大，主控制器基于时域分析进行业务均衡承载。
[0132]
步骤2.5：链路保持时间均衡。
[0133]
根据步骤2.4中的均衡评估结果，主控制器优先将当前业务分配至链路波长信道最大保持时间处于最小值的链路上，即1
→7→6→
5路径。
[0134]
步骤2.6：业务承载。
[0135]
主控制器对业务进行既定方案的调度，分配到对应的链路信道，主从控制器更新路径资源信息。
[0136]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。