[论文解读] Bounds for Energy-Efficient Survivable IP Over WDM Networks With Network Coding

Mohamed O. I. Musa, Taisir E. H. El-Gorashi+1 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Apr 9, 2018

Cooperative Communication and Network Coding参考文献 22被引用 6

一句话总结

本文推导出在波分复用（WDM）网络中采用网络编码的1+1可生存IP网络的能量效率的解析边界和闭式表达式，表明通过基于XOR的保护路径编码最小化波长使用，网络编码在环形拓扑中可实现高达37.5%的节能效果。这些边界验证了先前的混合整数线性规划（MILP）和启发式方法的结果，并可实现大规模网络的高效性能评估。

ABSTRACT

In this work, we establish analytic bounds for the energy efficiency of 1 + 1 survivable IP over WDM networks using network coding. The analytic bounds are shown to be in close agreement with our previously reported results. They provide verification of the MILP and heuristics proposed previously, in addition to an efficient, compact means to evaluate network results and allow the performance of large networks to be determined easily.

研究动机与目标

• 推导采用网络编码的1+1可生存IP over WDM网络中的能量效率的解析边界。
• 通过闭式表达式验证并补充先前的MILP和启发式方法结果。
• 在不运行计算量庞大的MILP模型的情况下，实现大规模网络的高效性能评估。
• 分析规则拓扑（特别是全连接网和环形拓扑）在采用网络编码时的能量效率。
• 量化在大规模网络中采用网络编码可实现的渐近节能效果。

提出的方法

• 推导传统1+1保护方案与网络编码保护方案中总跳数和波长使用量的解析表达式。
• 引入“特征跳数”概念，作为建模网络编码下功耗的关键因素。
• 基于网络规模和业务分布，推导全连接网和环形拓扑中总跳数的闭式公式。
• 利用XOR操作编码双向保护路径，降低波长和资源使用量。
• 将边界应用于评估环形和网状拓扑中的功耗，并与MILP和启发式方法结果进行比较。
• 通过MILP和启发式仿真验证解析结果，发现在5节点环形拓扑中结果完全一致。

Figure 5: Encoding pairs for two rings with different odd number of nodes

实验结果

研究问题

• RQ1 在采用网络编码的1+1可生存IP over WDM网络中，能量效率的解析边界是什么？
• RQ2 所推导的总跳数和波长使用量的闭式表达式与MILP和启发式方法结果相比如何？
• RQ3 在规则拓扑（如环形和全连接网）中，采用网络编码可实现的渐近节能效果是多少？
• RQ4 特征跳数如何影响网络编码保护方案的能量效率？
• RQ5 解析边界能否在不运行MILP模型的情况下准确预测大规模网络的性能？

主要发现

• 网络编码1+1保护方案的解析边界与MILP和启发式方法结果完全一致，验证了先前计算模型的正确性。
• 在具有偶数个节点的环形拓扑中，随着网络规模增大，节能效果渐近趋近于37.5%。
• 在全连接网拓扑中，网络编码的渐近节能效果约为16.7%。
• OSH启发式方法实现的节能效果显著高于其他启发式方法（如w-w、w-p、p-w、p-p），后者节能效果仅约15%。
• 奇-1与奇-2环形情况之间的节能差异大于偶-1与偶-2情况之间的差异，原因在于未编码节点数量的不同（1个 vs. 3个）。
• 环形拓扑中总跳数的解析表达式为 $ h_{t}(even2) = \frac{N(N-2)(3N-2)}{8} $，当 $ N \to \infty $ 时，该表达式趋近于37.5%的节能效果。

Figure 6: Encoding pairs for two rings with different even number of nodes