基于SDM-EON的数据中心流量保护与碎片感知路由算法研究

作者及发表信息

本研究由Sourabh Chandra（Netaji Subhash工程学院与Techno India大学联合培养）、Khokan Mondal和Souvik Singha（均来自Techno India大学）合作完成，发表于Discover Applied Sciences期刊2025年第7卷第264期，DOI号为10.1007/s42452-025-06739-2。

学术背景

研究领域：
该研究属于弹性光网络（Elastic Optical Network, EON）与空间分割复用（Space Division Multiplexing, SDM）交叉领域，聚焦多核光纤环境下的动态流量路由优化问题。

研究动机：
随着云计算服务的普及，数据中心（Data Centre, DC）流量激增，传统单纤EON面临容量瓶颈。SDM-EON通过多核光纤提升空间容量，但存在频谱碎片化（Spectral Fragmentation）和核间串扰（Inter-core Crosstalk）两大挑战。此外，自然灾害频发导致DC故障风险上升，需设计兼具生存性（Survivability）和资源效率的路由方案。

研究目标：
提出DC-F-RSCA算法（Fragmentation-aware and Survivable Routing, Spectrum and Core Allocation），实现以下功能：
1. 在动态单播流量（Unicast Traffic）下优化路由、频谱与核分配（RSCA）；
2. 通过核心分类（Core Classification）降低碎片化；
3. 结合多路径保护（Multipath Protection）和DC-P算法抵御单链路/单DC故障；
4. 通过距离自适应调制（Distance-adaptive Modulation）提升频谱利用率。

研究方法与流程

1. 网络与流量建模

• 网络模型：SDM-EON表示为图G(V,E,C)，其中V为节点、E为边、C为光纤核集合。
  
• 流量模型：动态单播请求R(d,b,q)，d为目标节点，b为带宽需求（Gbps），q为保护比例（0.5≤q≤1）。
  

2. 核心分类与碎片管理

• 核心分类模型：
  
  • 将光纤核划分为固定大小区域，第i核区域大小为2^(i-1)个频隙（Frequency Slot, FS），最后一核为通用核（可分配任意大小频谱）。
    
  • 通过公式（10）计算通用核的碎片化水平（Fragmentation Level, F），优先选择F值最小的间隙分配频谱。
    
• 碎片计算公式：
  F = Σ (η_e + (λ_e - μ_e)) / φ_e
  其中η_e为边e的碎片数量，λ_e和μ_e分别为最大/最小碎片大小，φ_e为边e的剩余FS数。
  

3. 保护机制设计

• 多路径保护：
  
  • 将总流量b分配到2或3条边不相交路径，故障时保留q比例流量传输。例如，两路径方案中：
    b1 = b·q（主路径）, b2 = b - b1（备份路径）
    
• DC-P算法：
  
  • 确保每个非DC节点至少连接两个DC，通过标签（DC Label）记录DC使用频率，优先选择低负载DC。
    

4. 核心选择策略

• PAR（奇偶核选择）：
  
  • 根据频谱需求奇偶性选择非相邻核，优先降低串扰（Crosstalk）。
    
• SEQ（顺序核选择）：
  
  • 按核序号顺序分配，优先减少碎片化。
    

5. 实验验证

• 仿真环境：
  
  • 拓扑：COST239（11节点，52边）和NSFNet（14节点，44边）。
    
  • 参数：7核/12核光纤、320 FS/核、流量需求50-500 Gbps、串扰阈值-16 dB。
    
• 对比算法：
  
  • MADM Score Fit、APP-RMSCA、FMDE-RSCA。
    

主要结果

1. 性能指标对比

• 带宽阻塞率（BBR）：
  
  • DC-F-RSCA（SEQ）在COST239的12核光纤中BBR最低（较FMDE-RSCA降低18%），因核心分类和碎片公式有效减少资源浪费。
    
• 串扰比（CR）：
  
  • PAR策略在NSFNet中CR较SEQ低23%，因其避免相邻核分配。
    
• 碎片比（FR）：
  
  • SEQ策略在12核下的FR比PAR低15%，固定区域分配抑制了碎片增长。
    

2. 拓扑影响

• COST239因节点密度高（平均度4.727）、路径短（平均578 km），BBR和FR均优于NSFNet。
  

3. 与现有算法对比

• DC-F-RSCA在生存性前提下，BBR接近非保护型算法（如APP-RMSCA），且FR优于FMDE-RSCA（见图11）。
  

结论与价值

科学价值：
1. 提出首个整合碎片感知、生存性与DC保护的动态RSCA算法；
2. 通过核心分类和碎片公式，系统性解决SDM-EON的碎片化问题；
3. 验证多路径保护与DC-P算法在灾难场景下的有效性。

应用价值：
适用于高可靠性要求的云计算骨干网、跨数据中心互联等场景，为运营商提供低阻塞、高容错的流量调度方案。

研究亮点

1. 多目标优化：同时处理碎片化、串扰、生存性三大矛盾目标；
   
2. 创新核心分类：改进的Opt-SBMC-RSCA模型提升大流量需求的核利用率；
   
3. 实用保护机制：结合数学建模（公式1-10）与启发式算法（DC-F-RSCA），平衡复杂度与性能。
   

未来方向

扩展至多播（Multicast）流量、支持核心切换（Core Switching）及考虑虚拟化场景的资源分配。