CN101753450B - 三层网络联合资源优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明是是一种三层网络联合资源优化方法，分为两部分：层内资源优化和层间资源优化，每一层利用控制平面的蚂蚁代理进行选路，定义路径质量评判参数θ综合与通信相关的诸多因素，以最佳路径更新路由表和蚂蚁信息素表；减低网络阻塞率，在传送节点失效时回溯到上一个节点，根据蚂蚁信息素表实时恢复通信；层间通过层间链路连接，使上层被阻塞的业务请求利用下层空闲资源传送。层内蚂蚁代理的选路和网络内业务请求的传送是同步的过程。充分地利用了各层的空闲资源，大大降低动态业务请求拒绝率，提高网络资源利用率，解决了三层网络资源联合优化的难题，实现实时有效的网络状况响应和恢复通信，本发明可直接用于多于三层的多层网络联合优化。

Description

三层网络联合资源优化方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，主要涉及多层光网络中的资源联合优化，具体是一种三层网络联合资源优化方法。

背景技术

随着电信网、计算机网和广播电视网的快速发展，网络结构发生巨大变化，正在向下一代网络NGN(Next Generation Network)演变和过渡。“网络融合”是未来网络发展的主要思路，通过一种网络标准实现综合业务并不可行。在网络结构上，多种网络并存的现状经历了IP/ATM、IP/SDH和IP/WDM几个阶段。虽然IP/WDM被认为是下一代互联网络的最理想解决方案，但对于电信运营商而言，在引进新的网络技术的同时，仍将保留能带来收益的电信业务以及其对应的网络技术，因此，在很长一段时间内，网络结构将出现IP/SDH/WDM这样三层网络共存的情况。目前国内已建成的两个WDM实验网络：中国自然科学基金网(NSFCnet)和中国高速信息示范网(CAINONET)，都是使用国内基本成熟的IP/SDH/WDM设备构建的。

传统的网络路由方法多是以Dijkstra方法为主，再辅以各种策略。在中小型集中式网络中，Dijkstra方法有着很好的效果，但是随着网络规模的增大以及分布式网络的普及该方法逐渐地不适用于新型的网络结构。同时现有的多层网络大多是考虑的IP/WDM两层网络，而现有网络结构却是IP//SDH/WDM三层结构，因此研究三层光网络的联合资源优化方法有重要的应用价值和实际意义。有必要就具体的最佳路径搜索、路由以及层间资源融合并共享等问题进行深入探讨和规划。

由中国国家知识产权局2009年4月15日公开，公开号为CN 101409596A的专利申请“一种动态业务的波长路由光网络规划方法”，公开了一种动态业务的波长路由光网络规划方法。该方法利用静态优化方法得到静态优化的光网络中每个光交叉节点的收发机数目和每根光纤的复用波长数，将其作为动态业务模拟的输入，得到网络阻塞率。根据网络阻塞率调整业务随机抖动的强度，多次调用静态优化方法完成光网络规划。该方法基于静态优化方法，保证了规划结果的全局优化特性，同时通过阻塞率验证，规划所得到的波长路由光网络可适应业务动态特性，使动态业务下网络阻塞率低于阻塞率上限。该方法存在如下缺陷：1)利用静态优化的方法对动态业务进行优化虽然可以得到一定的效果，但是并不能完全适用于动态业务，无法最大限度的利用网络资源；2)该方法中对于业务的路由选择过于简单，只是选择最短路径，而在实际的情况中，需要考虑其他一些因素，如链路利用率和时延等。

又如，中国国家知识产权局2006年8月9日公开，公开号为CN 1816007A的专利申请“层次光网络路由选择失败后的重路由方法”，公开了一种层次光网络路由选择失败后的重路由方法。在该方法中，当一个源发起端路由失败时，将路由不同的两个节点作为一个排除信息对通过信令消息传递到前一个源发起端进行重路由，直到重路由成功或回溯到路由连接的首节点重路由失败，其中，进行重路由时，最多只能选择任何一个排除信息对中的二元组中的两个节点中的一个。该发明能够有效地解决层次路由路由选择或者重路由失败回溯过程中的有效性，防止出现存在链路但没有路由可走的局面。该发明申请存在如下缺陷：1)重路由采用的回溯寻找的机制虽然可以找到新的路由，但是花费时间过长，若是路由中节点过多，时延将会大大增加，无法处理很多实时业务；2)在回溯的过程中，若回溯的节点也失效，那么该方法将失效，不具有普适性。

本发明项目组对国内外专利文献、公开发表的期刊论文以及从网络渠道进行检索，再尚未发现与本发明密切相关和一样的报道或文献。

发明内容

本发明的目的是克服上述技术或方法存在的缺点，提出了一种基于蚂蚁代理适用于IP/SDH/WDM三层网络联合资源优化方法，本发明将动态业务的选路和传送分离开来，利于对业务进行实时的传送，路径的实时恢复，提高网络的资源利用率；在控制平面的寻路通过蚂蚁代理进行，不仅综合考虑网络的诸如网络拥塞状况、业务等级等多方面情况，还适应大规模分布式网络，能够实时有效的对网络状况进行响应，降低动态业务请求的拒绝率；通过不同网络层与层之间的协同合作，充分利用各层的空闲资源。

下面对本发明进行详细说明

本发明是一种三层网络联合资源优化方法，其特征在于：该方法分为两个部分：即层内资源优化和层间资源优化，在每一层内，将动态业务的选路和业务请求传送分离开来，采用基于蚂蚁代理的综合路由方法AIR(Ant agent-based integrated routingalgorithm)，利用在控制平面的蚂蚁代理来进行选路；在层与层之间采取联合优化，使上层被阻塞的业务请求可以利用下层空闲的资源进行传送，达到层间联合优化，蚂蚁代理的选路和业务请求的到达是一个同步的过程，具体方法包括有：

AIR算法在控制平面的选路步骤包括有：

一.对网络进行初始化，在三层网络IP/SDH/WDM中对网络进行初始化，从下层即WDM层到上层即IP层依次为第1层，第2层，第3层，初始化路径质量评判参数θ＝θ₀＝0，θ₀是存储于蚂蚁信息素表中的当前最好的路径质量评判参数的值。

二.在三层网络每一层的每个节点之中建立两张表：一种是路由表，另一种是蚂蚁信息素表，蚂蚁代理在网络中根据蚂蚁信息素表搜寻最优路径，同时将最优路径记录在路由表中，因网络中一直保持着一定数量的蚂蚁在进行选路也即搜寻，所以使得蚂蚁代理的选路和业务请求的到达是一个同步的过程。路由表，用于记录连接每一对源宿节点对的路径在该节点处的下一跳节点信息；蚂蚁信息素表，用于记录蚂蚁代理在该节点处释放的信息素，蚂蚁代理是根据蚂蚁信息素表来搜寻路径。通过在网络中始终保持一定数量的蚂蚁，根据网络状态实时的更新路由表的信息，由于蚂蚁代理是在控制平面，因此不会影响数据平面的业务传输，保证蚂蚁代理的选路和业务请求的到达是一个同步的过程；

搜寻最优路径，在网络中随机挑选一对源宿节点对，在其之间派出蚂蚁代理搜寻最优路径，并根据以下定义的路径质量评判参数评价路径的优劣：

其中0≤ζ≤1，σ为控制参数，拥有越大的θ值的路径是越好的路径。

(i，j)：为网络中的一条链路；

B_ij：为链路(i，j)的带宽容量；

Br_ij：为链路(i，j)的剩余带宽；

R_ij：R_ij＝Br_ij/B_ij为该链路(i，j)的剩余带宽率；

R^min：为路径L上所有链路的R_ij中的最小值；

H：为一条从源节点s到目的节点d之间的路径L的跳数。

所搜寻的路径的质量评判参数θ与原存于上述蚂蚁信息素表中路径值θ₀进行比较，若θ大于θ₀，则说明所搜寻到的路径要优于路由表中的路径，将该路径记录在路由表中代替原来的路径，并令θ就成为新的θ₀存储于上述蚂蚁信息素表中，蚂蚁代理继续搜寻；若θ小于或等于θ₀，则说明所搜寻到的路径并不由于路由表中的路径，那么放弃所搜寻到的路径和θ，蚂蚁代理继续搜寻，这些蚂蚁代理从网络初始化的时候开始行进，不断更新，到所有业务终止时停止。

定义的路径质量评判参数θ综合考虑了许多相关因素，不仅只是最短的路径，还涉及链路利用率。或者说本发明在控制平面的寻路是通过蚂蚁代理进行，不仅综合考虑网络的多方面情况，如网络拥塞状况、业务等级等，还可以适应大规模分布式网络的情况，能够实施有效的对网络状况进行响应。

三.判断节点对间所经过的蚂蚁数量是否达到蚂蚁种群的上限，是，则释放蚂蚁代理；否，则继续派出蚂蚁代理对路径信息进行更新。

四.在业务传送的过程中，若有节点失效，则回溯到上一个节点中，利用该节点之中的蚂蚁信息素表的信息，重新选择新的下一跳路径节点，实时的恢复通信。在已有技术中若遇节点失效，就会回溯到原始点重新路由，时延长，不能实时反应，而本发明只需返回到上一节点中重新路由，缩短了时延，实现实时恢复通信。

层间联合优化的步骤包括有：

一).在三层网络的第l层动态到达一个业务请求，l＝1，2，3；

二).判断在第l层是否有足够的资源传送该业务，若有足够的资源，进行步骤五)，若没有足够的资源，进行步骤三)；

三).判断第l层是否为第1层，若是第1层，拒绝该业务，若不是第1层，进行步骤四)；

四).将该业务通过层间链路传送到第l-1层进行传送，并判断在第l-1层是否有足够的资源传送该业务，若有足够的资源，进行步骤五)，若没有足够的资源，拒绝该业务，这样传送有效地降低了网络阻塞率；

五).根据该层每个节点路由表中所记录的路径传送该业务；

六).将业务传送到下一跳节点，并判断该节点是否是宿节点，若是宿节点，则任务结束，若不是宿节点，进行步骤五)。

简而言之。本发明在动态业务请求到达时，首先判断在该层是否有足够的资源传输该业务，若有足够的资源，则根据该层节点内的路由表将业务进行传输；若在该层没有足够的资源，则根据不同层之间相邻节点连接关系矩阵通过层间链路转到下层网络进行传输，再通过层间链路传送到原传输层的宿节点，若在下一层仍然没有足够的资源传输该业务，则拒绝该业务。

本发明对动态业务的选路和传送分离开来，选路是在控制平面通过蚂蚁代理执行，传送则是在数据平面进行，这样分开的处理有利于对业务进行实时的传送，路径的实时恢复等。

本发明利用在控制平面的蚂蚁代理来进行选路，将选路和业务的传输分离开来。在层与层之间采取联合优化的策略，使得上层被阻塞的业务可以利用下层空闲的资源进行传送，从而达到层间联合优化的目的。

本发明通过不同网络层与层之间的协同合作，可以充分利用各层的空闲资源，从而达到全网优化的目的。

本发明的实现还在于：在控制平面的选路步骤二中蚂蚁代理搜寻最优路径，具体步骤包括：

1在网络中随机挑选一对源宿节点对(s，d)，在其之间派出蚂蚁代理搜寻最优路径；

2在每一个节点处，蚂蚁代理根据以蚂蚁信息素表中的信息和路径选择概率函数来选择下一跳节点，具体依据下式进行：

$p_{\mathrm{ij}}^k=\frac{{\left[{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\right]}^{\mathrm{\α}}{\left[R_{\mathrm{ij}}\right]}^{\mathrm{\β}}}{\underset{{l\∈\mathrm{neighbor}}_i^k}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{il}}\right]}^{\mathrm{\α}}{\left[R_{\mathrm{il}}\right]}^{\mathrm{\β}}}---\left(2\right)$

3.选择好下一跳节点之后，根据以下公式

τ_ij←(1-δ)τ_ij+δτ₀                                      (3)

更新局部信息素，然后蚂蚁代理前往一下跳节点：其中，δ是局部信息素蒸发因子，满足0＜δ＜1，τ₀是信息素的初始值；

4.判断当前节点是否为宿节点，若是，进行下一步骤即步骤5，若当前节点不是宿节点，进行步骤2；

5.若当前节点为宿节点，计算路径质量评判参数θ，并比较θ与θ₀。若θ大于θ₀，令θ₀＝θ并进行步骤6.；若θ小于或等于θ₀，进行步骤7.

6.从宿节点派出反向蚂蚁代理到源节点，更新沿途所经过节点的路由表和并按以下公式更新蚂蚁信息素表：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\←(1-\mathrm{\ρ}){\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}+\mathrm{\ρ\Δ}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bs}},$ $\∀(i,j)\∈T^{\mathrm{bs}}$

其中，其中T^bs表示最优路径；

是信息素增量，H^bs是最优路径的跳数；参数ρ是全局信息素蒸发因子。

7.判断所派出的蚂蚁代理的数目是否达到该蚂蚁种群蚂蚁代理数目的上限，若已达到，进行下一步即步骤8，若没有达到，则进行步骤1；

8.停止释放蚂蚁代理，直到下一个搜寻周期。

本发明在控制平面的寻路是通过蚂蚁代理进行，不仅综合考虑网络的多方面情况，如网络拥塞状况、业务等级等，还可以适应大规模分布式网络的情况，能够实施有效的对网络状况进行响应。

由于已有技术中的静态优化的方法对动态业务进行优化虽然可以得到一定的效果，但是并不能完全适用于动态业务，无法最大限度的利用网络资源；进行重路由时，最多只能选择任何一个排除信息对中的二元组中的两个节点中的一个；以及重路由采用的回溯寻找的机制虽然可以找到新的路由，但是花费时间过长，若是路由中节点过多，时延将会大大增加，无法处理很多实时业务等问题。本发明针对以上问题，对三层网络进行联合资源优化，将整个优化分为两个部分：即层内资源优化和层间资源优化，在三层网络中的每一层内，采用基于蚂蚁代理的综合路由方法AIR，在层间进行该层是否有足够的资源传输该业务的判断，并通过层间节点间链路进行连接，实现上层被阻塞的业务可以利用下层空闲的资源进行传送，层与层之间的协同合作，充分利用了各层的空闲资源，达到全网的联合优化。

本发明将选路和业务的传输分离开来。蚂蚁代理是在控制平面，不影响数据平面的业务传输，可以对网络整体状况加以掌握以得到最优路径，并且可以对每一个到达的业务进行实时选路，提高网络的资源利用率。

本发明在业务传送的过程中，若有节点失效，则回溯到上一个节点中，利用该节点之中的蚂蚁信息素表的信息，重新选择新的下一跳路径节点，相对于已有技术的回溯到到原点，节约了步骤和时间，实时高效的对网络状况进行响应，实时的恢复通信，大大降低动态业务请求的拒绝率。

由于本发明在研究三层网络联合资源优化的过程中不断总结探索好创新，归纳出路径质量评判参数

的表示式、蚂蚁代理访问节点的概率的表达式：

以及不同层之间相邻节点连接关系矩阵，成功地解决了选路、传输、回溯到上一个节点、实时恢复通信等具体的技术问题，实现了网内资源共享，各层的空闲资源充分利用，全网优化的目的，不需改进，本发明可直接用于多于三层的多层网络联合优化。

附图说明：

图1是本发明中的AIR算法在控制平面的选路的流程图；

图2是本发明中的层间联合优化的流程图；

图3是本发明的网络分层结构示意图；

图4是本发明中仿真所采用的三层网络IP/SDH/WDM的拓扑图；

图5是本发明的多层光网络联合资源优化方法与其他方法比较的业务阻塞率比较曲线图。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1：

参见图1，本发明是一种三层网络联合资源优化方法，是在三层网络上实现，在第1层光网络中，是以光传输设备、光交叉连接设备(OXCs)作为网络节点，用光纤连接某些网络节点。在第2层电路网络中，是以电路传输设备、数字交叉连接设备(DXCs)作为网络节点，用传输电路连接某些网络节点。在第3层分组网络中，是以路由器、交换机等网络设备作为网络节点，用传输链路连接某些网络节点。

该三层网络联合资源优化方法分为两个部分：层内资源优化和层间资源优化，在每一层内，采用基于蚂蚁代理的综合路由方法AIR(Ant agent-based integrated routingalgorithm)，利用在控制平面的蚂蚁代理来进行选路；在层与层之间采取联合优化，使上层被阻塞的业务请求可以利用下层空闲的资源进行传送，达到层间联合优化。本发明将动态业务的选路和业务请求传送分离开来，蚂蚁代理的选路和业务请求的到达是一个同步的过程。具体方法包括有：

AIR算法在控制平面的选路步骤包括有：

对网络进行初始化，在三层网络IP//SDH/WDM中对网络进行初始化，三层网络IP//SDH/WDM中，从下层即WDM层到上层即IP层依次为第1层，第2层，第3层。初始化路径质量评判参数θ＝θ₀＝0，θ₀是存储于蚂蚁信息素表中的当前最好的路径质量评判参数的值。

二.在三层网络每一层的每个节点之中建立两张表：一种是路由表，用于记录连接每一对源宿节点对的路径在该节点处的下一跳节点信息；另一种是蚂蚁信息素表，用于记录蚂蚁代理在该节点处释放的信息素。同时开始搜寻最优路径，在网络中随机挑选一对源宿节点对，在其之间派出蚂蚁代理搜寻最优路径，并根据以下定义的路径质量评判参数评价路径的优劣：

其中0≤ζ≤1，在本实施例中，令ζ＝0.6；σ为控制参数，这里设定为σ＝1/15。并且在本方法中认为拥有越大的θ值的路径是越好的路径。

为了对上述公式进行解释，给出以下定义：

(i，j)：为网络中的一条链路；

B_ij：为链路(i，j)的带宽容量；

Br_ij：为链路(i，j)的剩余带宽；

R_ij：R_ij＝Br_ij/B_ij为该链路(i，j)的剩余带宽率；

R^min：为路径L上所有链路的R_ij中的最小值；

H：为一条从源节点s到目的节点d之间的路径L的跳数。

所搜寻的路径的质量评判参数θ与原存于上述蚂蚁信息素表中路径值θ₀进行比较，若θ大于θ₀，则说明所搜寻到的路径要优于路由表中的路径，将该路径记录在路由表中代替原来的路径，并令θ就成为新的θ₀存储于上述蚂蚁信息素表中，蚂蚁代理继续搜寻；若θ小于或等于θ₀，则说明所搜寻到的路径并不由于路由表中的路径，那么放弃所搜寻到的路径和θ，蚂蚁代理继续搜寻，这些蚂蚁代理从网络初始化的时候开始行进，不断对路由表和蚂蚁信息素表进行更新，到所有业务终止时停止。

三.判断节点对间所经过的蚂蚁数量是否达到蚂蚁种群的上限，是，则停止释放蚂蚁代理，否，则继续派出蚂蚁代理对路径信息进行更新。

四.在业务传送的过程中，若有节点失效，则回溯到上一个节点中，利用该节点之中的蚂蚁信息素表的信息，重新选择新的下一跳路径节点，实时的恢复通信；

参见图2，本发明的关键点还在于：

在不同网络层之间进行联合优化，其步骤包括有：

一).在三层网络的第l层动态到达一个业务请求，在本实施例中l＝2；

二).判断在第l层是否有足够的资源传送该业务，若有足够的资源，进行步骤五)，若没有足够的资源，进行步骤三)；

三).判断第l层是否为第1层，若是第1层，则说明该层网络之下没有下层网络，拒绝该业务，若不是第1层即第2层，则说明该层网络之下有下层网络，进行步骤四)；

四).将该业务通过层间链路传送到第l-1层，即第1层进行传送，参加图3，并判断在第l-1层即第1层是否有足够的资源传送该业务，若有足够的资源，进行步骤五)，若没有足够的资源，拒绝该业务；

五).根据该层每个节点路由表中所记录的路径传送该业务；

六).将业务传送到下一跳节点，并判断该节点是否是宿节点，若是宿节点，则任务结束，若不是宿节点，进行步骤五)。

本发明在某对节点对之间有动态业务请求传输时，首先判断在该层是否有足够的资源传输该业务，若有足够的资源，则根据该层节点内的路由表将业务进行传输；若在该层没有足够的资源，则根据不同层之间相邻节点连接关系矩阵通过层间链路转到下层网络进行传输，再通过层间链路传送到原传输层的宿节点，若在下层网络仍然没有足够的资源传输该业务，则拒绝该业务。通过层间联合优化，可以共享不同网络层的网络资源，从而降低整个三层网络的阻塞率。层内最佳路径的搜索结合层间协同合作的资源共享达到实时恢复通信的多层网络的联合优化。

实施例2：

三层网络联合资源优化方法同实施例1，参见图1和图2，控制平面的选路步骤二中蚂蚁代理搜寻最优路径，具体步骤包括：

1在网络中随机挑选一对源宿节点对(s，d)，在其之间派出蚂蚁代理搜寻最优路径；

2在每一个节点处，蚂蚁代理根据蚂蚁信息素表中的信息和路径选路概率函数来选择下一跳节点，具体依据下式进行：

$p_{\mathrm{ij}}^k=\frac{{\left[{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\right]}^{\mathrm{\α}}{\left[R_{\mathrm{ij}}\right]}^{\mathrm{\β}}}{\underset{{l\∈\mathrm{neighbor}}_i^k}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{il}}\right]}^{\mathrm{\α}}{\left[R_{\mathrm{il}}\right]}^{\mathrm{\β}}}---\left(2\right)$

3.选择好下一跳节点j之后，根据以下公式

τ_ij←(1-δ)τ_ij+δτ₀                               (3)

更新局部信息素，然后蚂蚁代理k前往一下跳节点：其中，δ是局部信息素蒸发因子，满足0＜δ＜1，这里取δ＝0.8，τ₀是信息素的初始值，取值为τ₀＝1；

4.判断当前节点是否为宿节点d，若是，进行下一步骤即步骤5，若当前节点i不是宿节点，进行步骤2；

5.判断当前节点是否为宿节点，若当前节点i为宿节点，计算路径质量评判参数θ，并比较θ与θ₀。若θ大于θ₀，令θ₀＝θ并进行步骤6.；若θ小于或等于θ₀，进行步骤7.

6.从宿节点派出反向蚂蚁代理k到源节点，更新沿途所经过节点的路由表和并按以下公式更新蚂蚁信息素表：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\←(1-\mathrm{\ρ}){\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}+\mathrm{\ρ\Δ}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bs}},$ $\∀(i,j)\∈T^{\mathrm{bs}}---\left(4\right)$

式中T^bs表示最优路径；

是信息素增量，H^bs是最优路径的跳数；参数ρ是全局信息素蒸发因子，取值为ρ＝0.7。

7.判断所派出的蚂蚁代理k的数目是否达到该蚂蚁种群蚂蚁代理数目的上限，在本实施例中，蚂蚁种群大小为100。若已达到，进行下一步即步骤8.，若没有达到，则进行步骤1；

8.停止释放蚂蚁代理k，直到下一个搜索周期。

本发明通过路径质量评判参数的设定，能够高效地搜寻层内的最佳路径，并且根据蚁群方法自组织和分布式的特点，可以实时有效的对网络状况进行响应，实现业务实时的传送，路径的实时恢复通信。

实施例3：

三层网络联合资源优化方法同实施例2，参见图3，

用如下数学表达式分别表示每一层的网络节点集合，同一层内相邻节点的邻接矩阵，不同层之间相邻节点连接关系矩阵。

第l层的网络节点集合是：G^l＝(V^l，E^l)，其中V^l表示第l层网络节点集合，E^l表示第l层网络节点间的相邻链路集合，l＝1，2，3。例如，l＝1表示物理光网络层，l＝2表示电路层，l＝3表示基于分组的IP网络层。

第l层内相邻节点的邻接矩阵为N^l，同样的，l＝1，2，3。在图3中以N²即l＝2为例：

在上面的矩阵中，N²表示这是在第2层网络中，A2～E2为网络节点，大括号内为矩阵元素。矩阵中元素为1表示这两个节点之间有链路存在，元素为0表示这两个节点之间没有链路存在。

不同层之间相邻节点连接关系矩阵为N¹²和N²³。N¹²表示第1层和第2层之间相邻节点连接关系矩阵，N²³表示第2层和第3层之间相邻节点连接关系矩阵。在图3中以N¹²为例：

矩阵中元素为1表示这两个不同层的节点之间有层间链路，元素为0则表示这两个不同层的节点之间没有层间链路。

需要说明的是，在第1层光网络中，是以光传输设备、光交叉连接设备(OXCs)作为网络节点，用光纤连接某些网络节点。在第2层电路网络中，是以电路传输设备、数字交叉连接设备(DXCs)作为网络节点，用传输电路连接某些网络节点。在第3层分组网络中，是以路由器、交换机等网络设备作为网络节点，用传输设备连接某些网络节点。

第1步，对网络进行初始化，并在每一层的每一个节点中建立两种表：一种是路由表，用于记录连接每一对源宿节点对的路径在该节点处的下一跳节点信息；另一种是蚂蚁信息素表，用于记录蚂蚁代理在该节点处释放的信息素。

这些蚂蚁代理按照AIR算法运行，搜寻不同节点对之间的最优路径，并且将该路径记录在各个节点的路由表中。需要注意的是，这些蚂蚁代理从网络初始化的时候开始行进，到所有业务终止时停止。蚂蚁代理的寻路和业务请求的传送是一个同步的过程，并且由于蚂蚁代理是在控制平面，因此不会影响数据平面的业务传输。所以该算法可以对网络整体状况加以掌握以得到最优路径，并且可以对每一个到达的业务进行实时传送。

第2步，在各层网络上，动态到达业务请求，该业务请求的到达速率服从泊松分布，业务连接请求的持续时间服从指数分布。参见图3，以图3中第2层网络为例。该层的邻接矩阵为N²，第2层与第1层的相邻节点连接关系矩阵为N²³。若在节点对(C2，E2)之间有业务请求，则首先判断在该层是否有足够的资源传输该业务，若有足够的资源，则根据该层节点内的路由表将业务进行传输；若在该层没有足够的资源，则根据不同层之间相邻节点连接关系矩阵为N¹²，可知(C2，E2)在第1层的映射节点为(A1，F1)，那么将该业务从第2层通过层间链路C2～A1转到第1层的(A1，F1)之间进行传输，再通过层间链路F1～E2传送到宿节点E2，若在第1层仍然没有足够的资源传输该业务，则拒绝该业务。

第3步，在业务传送的过程中，若有节点失效，则回溯到上一个节点中，利用该节点之中的蚂蚁信息素表的信息，根据公式(2)重新选择新的下一跳路径节点，实时的恢复通信。

本发明充分在层内综合考虑了链路利用率和路径的跳数，并利用蚂蚁代理进行实时的选路，从而可以避开那些被频繁使用的链路，使得这些关键链路不会过早的拥塞，同时有控制了路径的跳数使得该路径不会占用太多的网络资源，更多的为后续业务考虑，从而降低网络阻塞率。在层与层之间充分地利用了网络各层的空闲资源，使得上层网络被阻塞的业务可以利用下层网络的空闲资源，达到层间资源共享，从而降低整个三层网络的阻塞率，提高网络的资源利用率，使得网络资源得以联合优化。

实施例4：

为检验本发明提出的基于蚂蚁代理的多层综合路由方法的有效性，采用计算机仿真进行验证，如图4和图5。仿真拓扑图4是美国MCI网的三层网络IP/SDH/WDM，本发明仿真实验的设定条件如下：

1)网络IP层(第3层)链路的最大配置带宽为622Mbit/s，SDH层(第2层)链路的最大配置带宽为2.5Gbit/s，WDM层(第1层)配置8个波长，每个波长的带宽为2.5Gbit/s，并且WDM层的每个节点都具有全波长转换能力。层间链路带宽的配置为：第3层到第2层的层间链路带宽为622Mbit/s，第2层到第1层的层间链路带宽为2.5Gbit/s。其中IP层有19个节点和32条邻接链路，SDH层有22个节点和47条邻接链路，WDM层有27个节点和56条邻接链路。

2)每一个动态业务等概率的随机在三层中产生，其源宿节点在该层中同样以等概率随机产生，各个网络层的所有源宿节点对间的业务强度均相同。

3)业务连接请求的到达为泊松过程，到达速率服从均值为λ的泊松分布，业务连接请求的持续时间服从均值为1/μ的指数分布，网络负载是λ/μErlangs。

4)系统无等待队列，一旦连接请求被拒绝，则立即丢弃。

5)每次仿真产生100000个业务连接请求，结果数据为仿真运行100次的统计平均值。

图5为本发明的多层光网络联合资源优化方法与其他方法比较的业务阻塞率比较曲线图，图5所得到的实验数据是在图4仿真拓扑下仿真所得，仿真条件如上所述。参见图5，为比较本发明基于蚂蚁代理的三层联合路由算法性能的改进，将本发明与其他几种模式进行对比。其中Mode1表示在每一层内采用的最短路路由算法，在网络层与层之间没有联合优化的策略。Mode2表示在每一层内采用的是AIR路由算法，在网络层与层之间没有采用联合优化的策略。Mode3在每一层内采用的是AIR路由算法，同时在网络层与层之间采用联合优化的策略，即本发明所提出的三层网络联合资源优化方法。从图5中可以看出，随着业务强度的增加，Mode2有着比Mode1更低的阻塞率，这是因为，在每一层内，AIR路由策略要比最短路算法有着更好的性能，因为其考虑到了网络的资源分布情况，使得业务的传输总是在那些有着更低的链路利用率的链路上传输，从而可以更加充分的利用每一层的网络资源。比较Mode2和Mode1的曲线，说明AIR算法在单层内是有效的，相对于其他算法可以更有效的降低网络阻塞率。同时，还可以看到，Mode3即本发明的全部技术方案有着最低的阻塞率，在业务强度为90 Erlangs(爱尔兰)时，Mode3的阻塞率为0.17，远远小于相同业务强度下Mode1的阻塞率0.83和Mode2的阻塞率0.68，这是因为在层内使用了AIR算法，在层间采用了层间联合资源优化策略，使得上层网络的业务可以使用下层网络的空闲资源，从而达到层与层之间网络资源共享的目的，本发明可直接用于多于三层的多层网络联合优化。

Claims (1)

1.一种三层网络联合资源优化方法，其特征在于：该方法分为两个部分，即层内资源优化和层间资源优化，在每一层内，将动态业务的选路和业务请求传送分离开来，采用基于蚂蚁代理的综合路由方法AIR，利用在控制平面的蚂蚁代理来进行选路；在层与层之间采取联合优化，使上层被阻塞的业务请求可以利用下层空闲的资源进行传送，达到层间联合优化，蚂蚁代理的选路和业务请求的传送是一个同步的过程，具体方法包括有：

AIR算法在控制平面的选路步骤包括有：

(1).对网络进行初始化，在三层网络IP/SDH/WDM中对网络进行初始化，初始化路径质量评判参数θ＝θ₀＝0；

(2).在三层网络每一层的每个节点之中建立两张表：一种是路由表，另一种是蚂蚁信息素表，路由表用来存储源宿节点对之间的路径信息；蚂蚁信息素表，用于记录蚂蚁代理在该节点处释放的信息素；蚂蚁代理是根据蚂蚁信息素表来搜寻路径，通过在网络中始终保持一定数量的蚂蚁，根据网络状态实时的更新路由表的信息，保证蚂蚁代理的选路和业务请求的到达是一个同步的过程；

最优路径的搜寻，是在网络中随机挑选一对源宿节点对，在其之间派出蚂蚁代理搜寻最优路径，并根据以下定义的路径质量评判参数评价路径的优劣：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\ζ}{e}^{R^{\min }-1}+(1-\mathrm{\ζ})e^{-\mathrm{\σH}}$

其中0≤ζ≤1，σ为控制参数，拥有越大的θ值的路径是越好的路径；

(i，j)：为网络中的一条链路；

B_ij：为链路(i，j)的带宽容量；

Br_ij：为链路(i，j)的剩余带宽；

R_ij：R_ij＝Br_ij/B_ij为该链路(i，j)的剩余带宽率；

R^min：为路径L上所有链路的R_ij中的最小值；

H：为一条从源节点s到目的节点d之间的路径L的跳数；

所搜寻的路径的质量评判参数θ与原存于上述蚂蚁信息素表中θ₀进行比较，若θ大于θ₀，令θ成为新的θ₀存储于上述两表中，若θ小于或等于θ₀，放弃所搜寻到的路径和θ；

蚂蚁代理搜寻最优路径，具体过程包括：

(2a).在网络中随机挑选一对源宿节点对，在其之间派出蚂蚁代理搜寻最优路径；

(2b).在每一个节点处，蚂蚁代理根据以蚂蚁信息素表中信息和路径选择概率函数来选择下一跳节点，具体依据下式进行：

$p_{\mathrm{ij}}^k=\frac{{\left[{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\right]}^{\mathrm{\α}}{\left[R_{\mathrm{ij}}\right]}^{\mathrm{\β}}}{\underset{l\∈{\mathrm{neighbor}}_i^k}{\mathrm{\Σ}}{\left[{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{il}}\right]}^{\mathrm{\α}}{\left[R_{\mathrm{il}}\right]}^{\mathrm{\β}}};$ 式中，k为蚂蚁代理k；

(2c).选择好下一跳节点之后，根据以下公式

τ_ij←(1-δ)τ_ij+δτ₀

更新局部蚂蚁信息素，然后蚂蚁代理前往一下跳节点：其中，δ是局部信息素蒸发因子，满足0＜δ＜1，τ₀是信息素的初始值；

(2d).判断当前节点是否为宿节点，若是，进行下一步骤即步骤(2e)，若当前节点不是宿节点，进行步骤(2b)；

(2e).若当前节点为宿节点，计算路径质量评判参数θ，并比较θ与θ₀；若θ大于θ₀，令θ₀＝θ并进行步骤(2f)；若θ小于或等于θ₀，进行步骤(2g)；

(2f).从宿节点派出反向蚂蚁代理到源节点，更新沿途所经过节点的路由表和并按以下公式更新蚂蚁信息素表：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\←(1-\mathrm{\ρ}){\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}+\mathrm{\ρ\Δ}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bs}},$ $\∀(i,j)\∈T^{\mathrm{bs}};$

其中，其中T^bs表示最优路径；

是信息素增量，H^bs是最优路径的跳数；参数ρ是全局信息素蒸发因子；

(2g).判断所派出的蚂蚁代理的数目是否达到该蚂蚁种群蚂蚁代理数目的上限，若已达到，进行下一步即步骤(2h)，若没有达到，则进行步骤(2a)；

(2h).停止释放蚂蚁代理，直到下一个搜寻周期；

(3).判断节点对间所经过的蚂蚁数量是否达到蚂蚁种群的上限，是，则停止释放蚂蚁代理，否，则继续派出蚂蚁代理对路径信息进行搜寻和更新；

(4).在业务传送的过程中，若有节点失效，则回溯到上一个节点中，利用该节点之中的蚂蚁信息素表的信息，重新选择新的下一跳路径节点，实时的恢复通信；

层间联合优化的步骤包括有：

1).在三层网络的第l层动态到达一个业务请求；

2).判断在第l层是否有足够的资源传送该业务，若有足够的资源，进行步骤5)，若没有足够的资源，进行步骤3)；

3).判断第l层是否为第1层，若是第1层，拒绝该业务，若不是第1层，进行步骤4)；

4).将该业务通过层间链路传送到第l-1层进行传送，并判断在第l-1层是否有足够的资源传送该业务，若有足够的资源，进行步骤5)，若没有足够的资源，拒绝该业务；

5).根据该层每个节点路由表中所记录的路径传送该业务；

6).将业务传送到下一跳节点，并判断该节点是否是宿节点，若是宿节点，则任务结束，若不是宿节点，进行步骤5)。

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