一种在无波长转换能力航电WDM双环网络中减少波长需求的波长分配方法

技术领域

本发明涉及一种航空电子波分复用(WDM)双环网络中节约波长数量的波长分配方法，属于波长分配技术领域，具体涉及航空电子光交换、WDM网络使用等工程与技术领域。

背景技术

航空电子WDM双环网络是一种在航空器内部利用双向WDM环形网传递传感器数据的新型传输技术，其特点是可扩展性好、能提供多速率服务、数据独立性好、容量大、速率高(至少能达到10Gbit/s以上)、抗电磁干扰能力强、健壮性容错性好、对上层协议透明等，相比传统的电传输网络具有重量轻、速率高等优势，相比单向环形网络具有可靠性高，传输实时性好优点。航空电子WDM双环网络中一个关键技术是波长分配问题(RWA)。目前，典型的波长分配方法包括首次命中法、启发式算法，最大总和算法、最小负载算法、最小影响算法、负载均衡算法、多令牌协议波长分配算法等，典型的作用机理是在光网络中寻找一条合适的光路并为之分配波长，使有限的资源充分发挥作用，提供尽可能大的通信容量。

在目前无波长转换功能的航空电子WDM网络中常见的基于多令牌协议的波长分配算法在网络中可以实现波长重用，优化了波长数目，降低了阻塞率，基本满足了航空电子系统实时性要求。然而，其使用了令牌来控制阻塞率，只有得到令牌的节点才能进行波长的分配和数据的发送，若连续有2个节点满消息传输，则按照其波长分配方案，该2个节点传输数据期间，令牌将全部占用，其余节点将不会得到令牌，无波长分配机会，无法传递数据，将会产生拥塞。在这种情况下，该算法不够灵活，不能完全满足机载网络实时性的要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述无波长变换能力的航空WDM网络波长分配算法存在的缺陷，通过联合使用基于邻接会话、行列会话的共享波长方法和首次命中(FF)算法来重用和共享波长，来解决由于可分配波长数量限制而造成的信息阻塞和实时性不足问题。

提供一种在无波长转换能力航电多分复用WDM双环网络中减少波长需求的波长分配方法，包括下列步骤：

(1)根据机载WDM双向环网中确定性业务的通信方向、通信量、周期参数，建立环型网的消息流矩阵；

(2)运用数学方法检测消息流矩阵两两节点间有无存在邻接会话，如存在，则2个会话共享一个波长；如不存在邻接会话，则转向步骤(3)；波长的方向可以是顺时针也可以是逆时针，只要能共享一个波长即可；

(3)邻接会话波长分配完成之后，未分配到波长的消息在消息流矩阵内查找有无行或列会话，若有则两两共享一个波长，路由选择最短的路由方向；如未找到行或列会话，则转向步骤(4)；

(4)除(1)、(2)、(3)步骤外，若还存在无法和其它会话共享波长的会话，则在最短路由上使用首次命中波长分配方法，长路由优先；

所述方法的前提条件是：仅有邻接会话和行或列会话可以共享一条波长；

其中规定：

定义1-定向波长：定向波长为环形网中顺时针或逆时针方向的一个波长；

假如每根光纤中有w个波长，则顺时针和逆时针方向各有w个定向波长；环形网的任一方向的定向波长可以传输任何业务会话；

定义2-邻接会话：如果一个会话业务的目的节点是另一个会话业务的源节点，则这两个会话称为邻接会话；

定理1-在双向环网中，与任一对邻接会话对应的光路可以在顺时针或逆时针方向上共享一个定向波长；

定义3-反向波长：环形网内同一源点发送出去的不同方向的波长或同一目的节点接收的波长；

定义4-行/列会话：环形网流量矩阵中的同行会话，即源节点相同的会话称为行会话；环形网流量矩阵中的同列会话，即目的节点相同的会话称为列会话；

定理2-在双向环网中，同行/列内的行列会话可以共享一个反向波长，一个反向波长包括一个顺时针方向的波长和一个逆时针方向的波长；

首次命中波长分配策略，长路由优先：首先为所有的波长都标上号码，选取波长时，按照从小到大的原则，选取标号数最小的波长；若有多个分配需求则需要比较路由跳数，按照路由的跳数从大到小依次分配波长。

上述波长分配方法，在步骤(2)中，判断是否存在邻接会话的方法如下：

1)建立消息流矩阵；

2)逐个检测M_ij的邻接会话，i≠j，0≤i≤N，0≤j≤N，其中N为环网具有的节点数：检测每个M_jk，0≤k≤N，k≠j，若消息流矩阵中的M_jk≠0，则存在邻接会话；若M_jk＝0为不存在邻接会话；若存在多个邻接会话，则比较从节点j到节点k的路由长度，选择路由最长的M_jk。

上述波长分配方法，在步骤(3)中，查找有无行或列会话的方法如下：

1)建立消息流矩阵；

2)逐个检测M_ij的行或列会话，i≠j，0≤i≤N，0≤j≤N：

①检测同一源节点的行会话，若消息流矩阵中的M_ik≠0，则存在行会话，否则为不存在行会话，则转向列会话检测步骤②；若存在多个行会话，则比较从节点i到节点k的路由长度，选择路由最长的M_ik；

②检测同一目的节点的列会话，若消息流矩阵中的M_kj≠0，则存在列会话，否则为不存在列会话，则转向首次命中波长分配方法，长路由优先，为某信息流分配波长；若存在多个列会话，则比较从节点k到节点j的路由长度，选择路由最长的M_kj。

上述波长分配方法，其中双向环型网所需的波长数分配如下：

在本发明的一个实施例中，在双向环网上，同行或列的任意2个消息流可以共享一个波长，这样，从每行N-1个有效消息流中任选2列，有种可能，若为满消息传输需要的波长数为条；当矩阵中共有W个消息流可以形成相反方向波长共享情况时，则只需要W/2个波长。

在本发明的另一个实施例中，首次命中波长分配方法应用在不能和其它消息流共享波长的情况下；当不能共享会话波长时，采用路由跳数最小方法来选择路由，然后再在此基础上使用首次命中方法随机分配波长即可；需要的波长数为N为偶数，I表示网络传输的信息量，由网络中的一个节点传输到其他所有的节点；假设网络是满消息传输时，即I＝N-1时，所需的波长数目W_MH＝N²/8+N/4。

本发明综合应用邻接矩阵和行列会话共享波长来节省波长数量，仅需要建立航电WDM环型网的消息流矩阵，通过数学方法来确定是否可共享波长，不改变网络的组成、结构和特性。本发明涉及的方法能够满足不同规模的航电WDM环型网络，并且可适用于未来航电及地面多传感器，大数据量、强实时性要求的网络；这种算法将对未来10Gbps速率要求的航电WDM网络的实际应用具有较大的现实意义。

附图说明

图1示出机载WDM双环网络波长分配流程示意图；

图2接口控制文件示例(数据块为航电网络中定义的一种数据传输单位)；

图3示出航电WDM环型网络消息流矩阵示意图；

图4示出邻接会话共享一个定向波长；

图5示出邻接会话共享波长反方向再次分配；

图6示出行(列)会话共享一个反向波长；图6(a)中示出，节点1发送2个消息流：1→4和1→6，由于没有重叠链路，且方向不同，可共享一个波长；图6(b)中示出，节点6和4分别向节点1发送消息，互相没有重叠链路，可以共享一个波长，方向相异；

图7示出三种算法所用波长数目的比较；

图8示出环型网内节点数不同情况下的时延与负载关系图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

本发明采用的波长分配方法SWA是：考虑无波长变换器下的双向WDM环型网。相邻两个节点通过光纤连接在一起，所有光纤都包含了相同数目波长，假设每个会话业务的带宽都足以占用一个波长。任一时刻一根光纤内一个特定的波长只能承载一个会话业务，但是多个会话业务可以经过相同的节点。

假设环型网络上的每个节点处都预置从这个节点到其它节点间的路由，这些路由按照方向分为顺时针和逆时针方向2类，并按照路由的跳数进行排序，跳数少的路由在前，跳数多的路由在后，形成初步的路由表。当一个环网共有N个节点时，每个节点上的路由表大小为2(N-1)条。

如图1所示，SWA方法的实现步骤如下：

(1)根据机载WDM双向环网中确定性业务的通信方向、通信量、周期等参数，建立环型网的消息流矩阵；

(2)运用数学方法检测消息流矩阵两两节点间有无存在邻接会话，如存在，则2个会话共享一个波长；如不存在邻接会话，则转向步骤(3)。波长的方向可以是顺时针也可以是逆时针，只要能共享一个波长即可；

(3)邻接会话波长分配完成之后，未分配到波长的消息在消息流矩阵内查找有无行(列)会话，若有则两两共享一个波长，路由选择最短的路由方向；如未找到行(列)会话，则转向步骤(4)。

(4)除(1)、(2)、(3)步骤外，若还存在无法和其它会话共享波长的会话，则在最短路由上使用首次命中波长分配策略(长路由优先)。

上述方法的前提条件是：仅有邻接会话和行(列)会话可以共享一条波长。

数学方法步骤：

1)建立消息流矩阵；

2)逐个检测M_ij(i≠j，0≤i≤N，0≤j≤N)的邻接会话：检测每个M_jk(0≤k≤N，k≠j)，若消息流矩阵中的M_jk≠0，则存在邻接会话；若M_jk＝0为不存在邻接会话；若存在多个邻接会话，则比较从节点j到节点k的路由长度，选择路由最长的M_jk；若不存在邻接会话，则转向步骤(3)；

3)在步骤(2)中未分配到波长的消息流检测是否存在行列会话。逐个检测M_ij(i≠j，0≤i≤N，0≤j≤N)的行(列)会话：

①检测同一源节点的行会话，若消息流矩阵中的M_ik≠0，则存在行会话，否则为不存在行会话，则转向列会话检测步骤②；若存在多个行会话，则比较从节点i到节点k的路由长度，选择路由最长的M_ik；

②检测同一目的节点的列会话，若消息流矩阵中的M_kj≠0，则存在列会话，否则为不存在列会话，则转向首次命中波长分配方法(长路由优先)(Hui>kj；

本发明节约波长需要数量的算法涉及到的概念包括消息流、消息流矩阵、定向波长、邻接会话、行(列)会话，首次命中波长分配方法(长路由优先)，其中

航空电子WDM网络中待传输任务大部分为确定性消息(即消息的发送具有一定的周期性，传输时间具有确定性)，通信负载一般在设计时由接口控制文件(ICD，InterfaceControl Document)给定。本发明主要通过ICD文件得到节点间的消息量。图2给出ICD文件中定义的一种数据块数据结构示例，数据块为航电网络中定义的一种数据传输单位。从图2示出的文件可知数据块的源节点和目的节点，以及数据量大小。这里的源和目的就是发送消息的源节点和接收消息的目的节点，大小就是消息流的字节长度。

建立环型网的消息流矩阵如下所述。使用i和j分别表示航电WDM网络中光通道的源节点和目的节点，消息流从源节点i经过单跳或者多跳传输至目的节点j。这里使用M_ij表示从节点i到节点j的消息流，消息流集合组成了消息流矩阵。N个节点的网络中，消息流集合组成了N×N的消息流矩阵，如图3所示。举例如下：在一个包含10个节点的航电WDM环网中，其消息流矩阵为10×10矩阵，如表1中所示。

表1航空机载WDM网络中10个节点消息流矩阵(单位：MByte)

定义1定向波长 定向波长为环形网中顺时针或逆时针方向的一个波长。

假如每根光纤中有w个波长，则顺时针和逆时针方向各有w个定向波长。环形网的任一方向的定向波长可以传输任何业务会话。

定义2邻接会话 如果一个会话业务的目的节点是另一个会话业务的源节点，则这两个会话称为邻接会话。

定理1在双向环网中，与任一对邻接会话对应的光路可以在顺时针或逆时针方向上共享一个定向波长。

定义3反向波长 环形网内同一源点发送出去的不同方向的波长或同一目的节点接收的波长。

定义4行(列)会话 环形网流量矩阵中的同行会话(源节点相同)、同列会话(目的节点相同)称为行(列)会话。

定理2在双向环网中，同行(列)内的行列会话可以共享一个反向波长(一个顺时针方向一个逆时针方向)。

首次命中波长分配方法(长路由优先)：首先为所有的波长都标上号码，选取波长时，按照从小到大的原则，选取标号数最小的波长。若有多个分配需求则需要比较路由跳数，按照路由的跳数从大到小依次分配波长(Hui Zhang，et al.A review of routing andwavelength assignment for wavelength routed optical WDM networks[J].OpticalNetworks Magazine，2000，1(1)：47-60.)。

在本发明的一个具体实现过程中，一对邻接会话可在顺时针或逆时针方向上共享一个定向波长的具体操作举例如图4所示。图4(a)中4→2和1→4是邻接会话，若沿顺时针方向传输数据，它们的路径上有一段是重叠的，需要2个不同的波长进行传输；但若是按照逆时针方向传输(图4(b))，它们刚好可以共享一个定向波长，故逆时针传输比顺时针传输节省了一个波长。

在消息流矩阵中，M_ij可以和M_jk(0＜i，j，k≤N)是邻接会话，可共享一条同向波长，所以可组成的邻接会话总数为N-2个，所以整个消息流矩阵需要的波长数为条。当矩阵中共有M个消息流可以形成相同方向波长共享情况时，则只需要M/2个波长就够了。如该共享波长在反方向再次分配给某一消息，则所需的波长数目为该情况如图5所示。消息1→4和4→2形成邻接会话，在逆时针方向可共享一个波长；如果此时另外有一个从1→5的消息要传输，则可在顺时针方向把该波长分配给该消息使用，这样3个消息共享了一个波长，从而能有效利用波长。

在本发明的一个具体实现过程中，双向环网中，同行(列)内的行列会话可以共享一个反向波长(一个顺时针方向一个逆时针方向)的具体操作举例如图6所示。

图6(a)中所示，节点1发送2个消息流：1→4和1→6，由于没有重叠链路，且方向不同，可共享一个波长；图6(b)中节点6和4分别向节点1发送消息，互相没有重叠链路，可以共享一个波长，方向相异。通过反向波长的使用，可节省1/2的波长数，有效缓解了环形网重叠链路较多导致波长分配受限的现象。

在双向环网上，同行(列)的任意2个消息流可以共享一个波长(2个不同方向)，如图4所示。这样(列)从每行N-1个有效消息流中任选2个，可以有种可能，若为满消息传输需要的波长数为条。当矩阵中共有W个消息流可以形成相反方向波长共享情况时，则只需要W/2个波长就够了。

在本发明的一个具体实现过程中，首次命中波长分配策略应用在不能和其它消息流共享波长的情况下。当不能共享会话波长时，采用路由跳数最小方法来选择路由，然后再在此基础上使用首次命中策略随机分配波长即可。需要的波长数为N为偶数，I表示网络传输的信息量，由网络中的一个节点传输到其他所有的节点。假设网络是满消息传输时，即I＝N-1时，所需的波长数目W_MH＝N²/8+N/4。

综合以上分析，双向环型网所需的波长数分配如下：

实施例在以本发明的技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利的保护范围不限于下述的实施例。

假设网络中的光纤均为双向光纤，带宽为10Gbps，这里取节点数为8，采用表1所示的消息流矩阵仿真验证所提算法。根据以上分析，对比了几种波长分配算法。结果如图7所示，采用SWA算法的所用波长数比令牌协议Token要少个。

图8比较了环形网内波长数不同情况下的时延与负载关系，可以看出随着负载增大网络时延随之增大；随着网络中节点数目的增加，同样的负载下网络时延随之增大，仿真结果与理论分析一致。