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Pankaj Risbood, Carl Nuzman, Nachi Nithi, Sanjay Patel
朗訊科技 貝爾實(shí)驗(yàn)室
摘要：在WDM環(huán)路中部署ROADM將會(huì)節(jié)約大量的運(yùn)營(yíng)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(duì)語(yǔ)音流量設(shè)計(jì)的，隨著因特網(wǎng)的日益普及，網(wǎng)絡(luò)流量越來(lái)越多地以數(shù)據(jù)為中心。事實(shí)上，數(shù)據(jù)流量的數(shù)量已經(jīng)超過(guò)了語(yǔ)音流量，并且增長(zhǎng)的勢(shì)頭依然不減。數(shù)據(jù)流量相對(duì)語(yǔ)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(lái)，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(duì)“on-demand按需波長(zhǎng)”業(yè)務(wù)的新需求。如果真是這樣的話，那未來(lái)的傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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(zhǎng)途和本地城域網(wǎng)絡(luò)上傳送信息比特的最廉價(jià)、最可靠的傳輸技術(shù)。由于DWDM所具備的彈性和簡(jiǎn)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(gè)光鏈路，并通過(guò)OADM連接起來(lái)。近年來(lái)，可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）架構(gòu)的呼聲也越來(lái)越高，這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)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(zhǎng)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(yíng)開(kāi)支，還可以增加網(wǎng)絡(luò)彈性，幫助運(yùn)營(yíng)商節(jié)省資本投資。特別需要說(shuō)明的是，我們發(fā)現(xiàn)在churn的情況下，一種承載現(xiàn)實(shí)流量的可重構(gòu)線路機(jī)制能夠減少請(qǐng)求拒絕，改善網(wǎng)絡(luò)利用率。我們?cè)诒疚闹羞�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(yàn)結(jié)果。
II.網(wǎng)元模型
在本段中，我們先簡(jiǎn)要地描述用在試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)這種功能的實(shí)際技術(shù)則不在本文討論之列。一個(gè)傳統(tǒng)的OADM包含了一Mux-Demux對(duì)，一組add/drop端口，在day one階段就要鋪設(shè)一個(gè)完整的系統(tǒng)（除了OTU）——這將需要投入很高的啟動(dòng)資金，而ROADM則通過(guò)按需支付（pay-as-you-grow）的方式將資本開(kāi)支降低到最小程度[2]。第二個(gè)特性我們認(rèn)為是波長(zhǎng)和路徑的彈性，足以應(yīng)對(duì)各種不同的設(shè)計(jì)[1，3]。在一個(gè)最簡(jiǎn)單的ROADM里，每一個(gè)add-drop端口都被指定為某個(gè)特定的波長(zhǎng)和ring方向服務(wù)。而一些更加先進(jìn)的裝置，如波長(zhǎng)彈性（wavelength-flexible）ROADM，則支持任意端口接入到任意一組波長(zhǎng)中。在這里，我們假設(shè)波長(zhǎng)被分拆到不相交的頻帶中，每個(gè)端口都被指派到與一個(gè)這樣的頻帶對(duì)應(yīng)。在每一個(gè)頻帶的波長(zhǎng)數(shù)量稱為band size，而路徑彈性（Route-flexible）ROADM則是允許一個(gè)端口接入到兩個(gè)ring方向中的任意一個(gè)。
一個(gè)波長(zhǎng)和路徑彈性ROADM過(guò)去習(xí)慣于移動(dòng)一個(gè)線路來(lái)改變波長(zhǎng)或路徑。從原理上將，這種移動(dòng)可以按照hitless的方式——類似自動(dòng)保護(hù)交換——來(lái)完成。如果結(jié)合一個(gè)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(yíng)成本和風(fēng)險(xiǎn)，在本文中我們著力研究了這種技術(shù)對(duì)現(xiàn)有服務(wù)進(jìn)行重新包裝，讓網(wǎng)絡(luò)滿足未來(lái)服務(wù)發(fā)展需求，增加網(wǎng)絡(luò)利用率以及延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命的可能性。
III.資本節(jié)約（Capital savings）
首先，一個(gè)彈性ROADM被一個(gè)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(lái)資本開(kāi)銷。在本段中，我們將利用廣泛的模擬來(lái)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(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間雙向傳輸?shù)�。�?dāng)一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求達(dá)到時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)嘗試將它指派到一個(gè)線路中，該線路包含一個(gè)路徑和波長(zhǎng)。如果沒(méi)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(méi)有線路可用的話，那服務(wù)就會(huì)被阻塞。一個(gè)成功分配的服務(wù)可能隨后就離開(kāi)，這時(shí)候所分配的波長(zhǎng)將再次變得有用。在第一項(xiàng)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(guò)模擬測(cè)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(gè)Poisson到達(dá)程序和指數(shù)分配服務(wù)時(shí)間來(lái)模擬服務(wù)到達(dá)和離開(kāi)的次序。每一個(gè)服務(wù)所對(duì)應(yīng)的一對(duì)節(jié)點(diǎn)都是一律實(shí)行隨意選擇的。而churn的程度則通過(guò)erlang負(fù)荷μ來(lái)量化。μ是服務(wù)arrival rate與占用時(shí)間的乘積。無(wú)限的erlang負(fù)荷（也就是無(wú)限的服務(wù)時(shí)間）表示沒(méi)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(duì)沒(méi)有churn和μ=4W的兩種情況進(jìn)行了試驗(yàn)。
一個(gè)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(zhǎng)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(gè)縫隙gap定義為已給波長(zhǎng)空閑鏈路的相鄰的次序，m個(gè)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(lái)實(shí)施，線路移動(dòng)能導(dǎo)致包裝尺寸最大限度地增加，其每一個(gè)步驟都是經(jīng)過(guò)精挑細(xì)選的，直到?jīng)]有一個(gè)移動(dòng)是有益的為止�？山邮芤苿�(dòng)的集合與ROADM的彈性和波段尺寸（band size） B有密切關(guān)系。如果ROADM是波長(zhǎng)彈性的，那線路可能移動(dòng)到波段中其他任意波長(zhǎng)上，如果ROADM是屬于路徑彈性的，那每條線路就可能兩個(gè)方向（東和西）來(lái)回切換。
圖1 一個(gè)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(guò)波長(zhǎng)包裝來(lái)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(xiàng)業(yè)務(wù)被無(wú)阻礙地加載到每一個(gè)鏈路的不同波長(zhǎng)上，為了bound最好的（可以通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)再包裝來(lái)和路徑來(lái)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(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)路有關(guān)。無(wú)論是從質(zhì)量還是從數(shù)量的結(jié)果來(lái)看，都是與環(huán)路尺寸沒(méi)多大關(guān)系的，不過(guò)那些只有3個(gè)或4個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)路除外。
以上參數(shù)給首次阻塞帶寬帶來(lái)的影響請(qǐng)參看圖1，圖中顯示的是一個(gè)包含32個(gè)波長(zhǎng)的8節(jié)點(diǎn)環(huán)路。每個(gè)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(kāi)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(méi)有churn的情況（也就是沒(méi)有離開(kāi)），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(duì)波長(zhǎng)重新包裝以及對(duì)波長(zhǎng)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(lái)要比沒(méi)有churn情況的帶寬要高，但是這并不是一個(gè)公平的對(duì)比關(guān)系，因?yàn)榍罢甙四切┮呀?jīng)到達(dá)和離開(kāi)的業(yè)務(wù)。然而，如果我們對(duì)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?yàn)橹匦掳b在churn的情況下比沒(méi)有churn的情況效率要高得多，也就是說(shuō)效果更顯著一些。事實(shí)上，在沒(méi)有churn的情況下，簡(jiǎn)化的基于First-Fit的波長(zhǎng)分配算法就能夠?qū)h(huán)路包裝地非常有效率。在不對(duì)波長(zhǎng)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(wú)益處的，不改變路徑而只對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行重新包裝則有一定的好處（紅色曲線，B=32），不過(guò)最大的改進(jìn)則是通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)和路徑都能彈性選擇的ROADM來(lái)實(shí)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(shuō)明的話，我們可以說(shuō)一個(gè)波段尺寸為8、有能力重新路由的ROADM的性能要比一個(gè)完全無(wú)色、不能重新路由的ROADM要好的多，圖1也說(shuō)明了一個(gè)能夠重新路由的不透明網(wǎng)絡(luò)（完全波長(zhǎng)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(gè)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(méi)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(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，盡管重新包裝情況下的分布比沒(méi)有包裝的高36%，但雙方仍有交叉重疊區(qū)域，重新包裝的時(shí)間和成本可以與環(huán)路重新包裝的次數(shù)以及線路移動(dòng)的總數(shù)量有關(guān)系。圖2b描述了線路移動(dòng)的總體數(shù)量的分布圖（對(duì)波長(zhǎng)和路徑重新包裝）。
圖2 a)在重新包裝和沒(méi)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(méi)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(gè)波長(zhǎng)的八節(jié)點(diǎn)環(huán)路）。
IV.結(jié)論
在一個(gè)WDM環(huán)路中，如果存在重大的服務(wù)churn，那對(duì)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(méi)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(jiǎn)單和有效的，它提供了一個(gè)bridge-and-roll在線移動(dòng)次序。最后，為波長(zhǎng)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)
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