灵活栅格光网络中端到端带宽提供机制及性能研究

Providing end systems with dedicated bandwidth pipes can effectively improve application performance, and hence has become a new and hot research area during the past several years. Although methods have been proposed to fully utilize the huge bandwidth and high reliability features that a dedicated bandwidth pipe may provide, little attention has been drawn on the limitations it has brought about. These limitations include: 1) dedicated bandwidth pipes provides only limited connectivity for end systems, significantly reducing end systems' ability in communicating with multiple remote systems; 2) provisioning of end to end bandwidth pipes has a non-negligible time delay, especially when bandwidth pipes are setup and released frequently. In this work, we try to re-visit the end to end bandwidth provisioning, in the context of dynamic flexible grid optical networks. We first propose a machinism to increase the connnectivity of end system interfaces in flexible grid circuit switched networks. Then, under a multiple connectivity interface (MCI) assumption, we study the static and dynamic scheduling problem in systems where dedicated bandwidth pipes are used, with a special focus on performances of network dynamic provisioning. We will also validate our proposal in a network testbed. This research may be seen as a generalization of existing research, where end systems are assumed to have dedicated connectivity. The applicant and his team have solid background in this topic. Previous researches have been published in IEEE journals such as IEEE Communications Magazine (2008, 2010, 2011, 2012), IEEE/OSA Journal of Optical Communications (2007) and IEEE Journal of Lightwave Technology (2008, 2009). The applicant is also leading the standardization of network dynamic provisioning performance in IETF and is the editor of RFC 5814.

为终端系统提供端到端的带宽通路，以提升应用和系统的性能，是近几年光网络和高性能应用研究的一个热点。已有的研究侧重于发挥带宽通路高带宽和高可靠性的优点，而忽略了端到端带宽通路所带来的可达性的限制，以及提供动态的端到端带宽通路所需要的开销。本项目首先提出一种基于灵活栅格光网络的多可达接口机制，这种机制使得终端系统在使用端到端带宽通路的同时，具有良好的可达性。然后以这种多可达性接口机制为基础，从实现原理、调度性能、网络动态通路提供能力和跨层应用机制等方面进行深入研究，并通过构建实验平台，对关键技术进行实验验证。本项目以灵活栅格光网络为基础，把带宽通路的点到点特性及其提供开销作为切入点，用全新的视角审视光网络中的端到端带宽提供问题，极大地拓展了这个问题的内涵和外延，具有很强的理论价值，同时也将推动光网络技术在相关高性能计算和新型云计算领域的应用。

带宽通路的点到点特性和延时开销，是其应用于终端系统所必须要考虑和解决的两个难题。本项目研究提高网络接口可达性、降低带宽通路提供开销的机制和方法，寻求考虑带宽通路提供开销时最优化的网络资源分配策略，对于支持大规模分布式科学应用，提高网络资源利用率，提升网络效能等具有重要意义。论文代表性的工作包括：.1. 融合分组和电路交换来在同一个网络中应对大流和小流共存的场景.本项目提出了一种在同一个交换结构上实现可无缝演化的电路和分组交换机制。通过测量到达交换节点的数据，动态地调整交换资源在分组交换和电路交换之间的分配关系。通过这种方法，有效地提高网络节点对于大小流的处理能力，降低节点的控制开销和能耗。相关论文在Chinese Optics Letters10周年特刊上作为邀请论文发表。发表以后，google学术引用次数为12次，其中SCI他引6次。.2. 分组和电路混合交换来将大小流分层传输，提高网络效能.本项目提出了一种混合交换网络的资源分配框架。混合交换网络将大流和小流分层传输，通过充分发挥两种交换方式的优势，提升网络的效能，降低成本。所提出的BLOC框架，将混合交换网络中的三个重要因素（带宽分配、流量划分和成本／性能约束）有机集成在一起，有助于系统地研究混合交换网络。相关的研究工作受邀在MIT，UVa和GWU等美国高校做了学术报告。.3. 通过波长迁移提高网络效能.本项目提出了一种允许用户在TWDM-PON中进行迁移的机制，并系统分析了该机制能带来的成本和能耗收益。这种方法的本质是利用用户业务需求在时间分布上的不均匀性，通过用户汇聚融合有效降低对于系统总容量的要求，从而提高系统的效能。我们进一步提出允许波长在多个用户域内重分配的机制，通过利用用户业务需求在空间上的不均匀性，提升系统的效用，降低系统的成本。相关论文2014年发表以来，总引用次数超过40次，并多次被列为所发表杂志的最受欢迎论文。.本项目的研究表明，依据业务量的特征，充分发挥不同交换方式的特点，是进行网络带宽优化分配的基础。本项目在混合交换研究中所获得的成果，将成为进一步研究各类新型的混合交换机制，包括混合交换数据中心网络的重要基础。本项目所提出的用户迁移和波长再分配机制，也为下一代网络中的资源优化提供了重要的标准化依据。

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