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弹性光网络中组播驱动的虚拟网络功能部署策略与优化研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着信息技术的迅猛发展，全球数据流量呈现出爆炸式增长的态势。据统计，过去几年间，全球互联网数据流量每年以超过20%的速度递增，预计在未来几年这一增长趋势仍将持续。如此庞大的数据传输需求对网络的带宽、灵活性和资源利用率提出了极高的要求。传统的光网络采用固定带宽分配模式，难以适应多样化业务的带宽需求，在面对大带宽业务时显得力不从心，容易造成带宽资源的浪费，且灵活性较差，无法快速响应业务的动态变化。

弹性光网络（ElasticOpticalNetworks，EON）应运而生，它通过将应答器和灵活网格传输和交换技术相结合，能够满足未来核心网容量和动态性的要求。弹性光网络划分了最小频隙单位（如12.5GHz），相对于传统波分复用（WDM）的固定信道间隔的波长分配，它可以为业务需求带宽分配适当数量的彼此相邻的单位频隙，实现了按需分配。例如，当某业务需要25GHz的带宽时，传统WDM只能分配一个50GHz的固定信道间隔的波长信道给业务，造成了不必要的带宽浪费，而弹性光网络只需分配两个相邻的频隙（25GHz）给业务，节省了带宽资源，提高了频谱使用效率。此外，弹性光网络使用了正交频分复用（OFDM）调制技术，当业务到来时，将业务调制到适当数量的彼此邻接的光子载波上，所有光子载波的带宽都相等，都等于12.5GHz，由于相邻光子载波间彼此正交，所以允许彼此相互重叠1/2的带宽（6.25GHz）而不会对对方造成干扰。子载波的重叠性使得同样的业务带宽需求相对于传统的WDM占用更少的频谱资源，却完成了同样的传输效果。这种带宽的弹性变化（压缩和扩展）特性，使得弹性光网络能够更好地适应业务带宽的动态变化，例如随着时间的变化，某业务需要扩展或缩小，已分配带宽的弹性变化满足了这种灵活的需求。目前，弹性光网络在骨干网、城域网等领域都得到了广泛的研究和应用，成为光网络发展的重要方向。

在弹性光网络中，组播技术具有至关重要的地位。组播是一种允许一个或多个组播源发送同一报文到多个接收者的技术，它在发送者和每一接收者之间实现点对多点网络连接。组播技术能够有效地节约网络带宽、降低网络负载。以流媒体传输为例，在直播、视频会议、网络电视等应用中，如果采用单播方式，源主机需要向每个接收者都发送一份数据副本，这将导致发送者负担沉重、网络拥塞；而采用组播方式，源主机仅发送一次信息，组播路由器借助组播路由协议为组播数据包建立树型路由，被传递的信息在尽可能远的分叉路口才开始复制和分发，大大提高了数据传送效率，减少了骨干网络出现拥塞的可能性。此外，组播在软件分发和更新、分布式应用和数据同步、多播游戏和虚拟现实等领域也有着广泛的应用。例如，在企业内部进行软件分发和操作系统更新时，组播可以在较短的时间内将软件分发到多个目标设备上，减少网络拥塞和传输延迟；在分布式系统中，不同的节点通过加入相同的组播组，可以实现数据的协同工作；在多播游戏和虚拟现实中，组播能够为玩家提供更加沉浸式的体验。

随着网络功能虚拟化（NetworkFunctionVirtualization，NFV）技术的兴起，将网络功能从专用硬件中解耦，转移到通用服务器上，通过软件实现网络功能，极大地提高了网络的灵活性和可扩展性。在弹性光网络中部署虚拟网络功能（VirtualizedNetworkFunctions，VNF），可以进一步优化网络资源配置，提高网络的服务质量和效率。例如，通过在通用的计算节点上部署需要被虚拟化的网络功能，来代替传统的中间件，使得网络的灵活性极大提高，能够动态地改变网络功能的部署位置。然而，在弹性光网络中实现组播相关的虚拟网络功能部署面临着诸多挑战。一方面，如何在满足组播业务需求的同时，高效地利用弹性光网络的频谱资源，避免频谱碎片化，是一个亟待解决的问题；另一方面，如何合理地部署虚拟网络功能，确保组播数据流能够有序地流经各个VNF进行处理，并最终到达相应的目的地，同时保证服务质量（QualityofService，QoS），也是当前研究的重点和难点。

综上所述，研究弹性光网络中组播相关的虚拟网络功能部署问题具有重要的现实意义。从网络资源利用的角度来看，合理的部署方案可以提高频谱利用率，减少资源浪费，充分发挥弹性光网络的优势，满足不断增长的数据传输需求；从网络服务提供的角度来看，能够更好地支持组播业务，提高业务的服务质量，为用户提供更加稳定、高效的网络服务，促进网络应用的发展和创新。

1.2国内外研究现状

在弹性光网络的研究方面，国内外学者取得了丰硕的成果。国外早在2010年，欧洲的一些研究项目就开始深入探索弹性光网络的架构和关键技术，如欧盟的“Flex