下一代光網絡中光路的快速建立

摘要：

文章針對下一代光網絡中光路快速建立的問題，介紹了IP-over-optical的網絡體系結構，并在此基礎上介紹了動態RWA問題和綜合解決RWA問題的動態和半動態尋路算法，討論了這兩種算法的容錯性能。

關鍵詞：

IP-over-optical；廣義多協議標簽交換；尋路和波長選擇；光路

ABSTRACT:

The architecture of IP-over-Optical networks is outlined. Then the dynamic RWA problem and an overall solution to it by using dynamic and semi-dynamic algorithms are presented， and the fault-tolerant performance features of the two algorithms are also discussed.

KEY WORDS:

IP-over-optical; GMPLS; RWA; lightpath

近年來因特網上的數據業務迅速增長，虛擬專網(VPN)的需求也日益增加。與此同時，光聯網技術、密集波分復用(DWDM)傳輸技術和光交叉連接(OXC)設備等的發展使得一個全光的Internet圖景逐漸顯現出來。這幅圖景是否可以變為現實取決于很多因素，其中很重要的一點是未來的光網絡能否直接在端點用戶之間快速地建立光路。

眾所周知，在傳統的電路交換網絡中，要在較大范圍內建立一條通路是非常復雜的，整個過程通常需要持續幾周甚至幾個月。在DWDM存在的情況下，每根光纖中的波長數目大大增加使問題變得更加復雜。光網絡中光路的快速建立依賴于一個智能的光尋路層的支持。目前4層結構(IP/ATM/SDH/WDM)的光網絡顯得過于臃腫，現在一般認為把IP直接置于光鏈路之上是一種可行的方法^［1］。在這種兩層結構的模型中，下一代光網絡的光路建立問題就變得比較明晰。本文將首先簡單介紹兩層模型下光網絡的體系結構，然后介紹動態的尋路和波長選擇(RWA)算法以及尋路中的容錯問題，最后將討論快速建立光路的實現機制。

1 IP-over-optical的網絡體系結構

通常所討論的光網絡模型如圖1所示。各個客戶網絡通過光核心網相連，客戶網絡和核心網絡之間通過用戶網絡接口(UNI)實現網間的尋路和信令。在核心網內部，又由不同的網絡設備生產廠商的設備構成不同的全光子網，子網內部的OXC之間和光子網之間交互的接口是網間接口(NNI)，其中子網內部的OXC之間是內部網間接口(I-NNI)，而子網之間的接口是外部網間接口(E-NNI)。OXC具有波長交換的功能，能夠把輸入端口某個波長上的數據流交換到輸出端口某個波長上，如果在整個光路上都使用相同的波長，那么稱該光路滿足波長一致性條件。客戶網絡中的IP/MPLS路由器通過這種單跳的光路實現邏輯上的連接。

在核心網絡中，基于IP/ATM/SDH/WDM的結構已經無法滿足帶寬日益增長的需求，需要一種新的方式將IP層和WDM層結合起來，并且完成原來4層結構的功能。在這樣的背景下，MPLS／GMPLS(多協議標簽交換/廣義多協議標簽交換)誕生了。GMPLS將網絡的控制面和數據面嚴格地區分開，控制面包括尋路協議和建立光路所需的信令，數據面僅僅利用控制面建立的光路進行數據轉發，控制面甚至可以建立在不同的物理網絡中。根據UNI上控制面的不同，可以將IP-over-optical的體系結構分為三大類：重疊模型、對等模型和增強模型^［1］。

在重疊模型中有兩個互不相關的控制面：一個控制面運行在核心的光網絡，另一個運行在UNI。邊緣設備支持光路，這些光路可以動態地通過核心網的信令建立，也可以在對核心網內部拓撲結構毫不了解的情況下靜態地指定，這和現在的IP/ATM很相似。重疊模型通過隱藏核心網的拓撲結構建立核心網和邊緣設備的管理邊界。這個模型的缺陷是需要在邊緣設備之間建立O(N2)條(即N2量級條)點到點的網狀路徑之后才能傳送數據。這些點到點的連接同時需要被路由協議使用，而1次鏈路狀態公告(LSA)會在點到點的網格產生O(N3)的消息，結果導致很大的網絡開銷。所以，這種模型不允許有太多的邊緣設備加入網絡。

在對等模型中，以同一個控制面對管理域內的核心網和邊緣設備進行控制。邊緣設備可以看到核心網絡內部的拓撲結構。雖然這時仍舊需要建立O(N2)條網格狀的路徑用來轉發數據，但是這些路徑將僅僅被用來轉發數據，因為從路由協議的角度出發，和邊緣路由器相鄰的是光交換機而不是其他的邊緣路由器。所以在這種模式下，使用O(N)條相鄰的路徑可以支持O(N2)個轉發路徑。這使得路由協議可以擴展到更大的網絡范圍。

在增強模式下，IP域和光域的控制面在功能上相互分離，各自運行自己的尋路協議，但是它們之間利用標準的協議在UNI上交換網絡的可達性信息。例如對核心網中的OXC都用IP地址來標識，并把這些信息提供給IP域，從而實現一定程度的自動尋路。這種模式集成了前兩種模式的優點，而且相比于對等模型在短期內也較容易實現。

2 動態的RWA問題

為了建立連接，需要一種路由選擇算法，還需要一定的信令機制按照選擇的路由建立光路。在具有波長尋路功能的網絡中，這類路由選擇過程被稱為RWA問題。RWA問題包含兩個子問題，即尋路子問題和波長選擇子問題。前者確定連接建立的物理通路(路由)，后者在選定的路由上分配一個或者一系列的波長。動態RWA要求尋路和波長選擇都按照網絡當前的狀態動態進行。在上面介紹的所有網絡模型中，都需要相應的RWA模塊來完成動態光路的建立。

2.1 RWA問題概述

連接請求通常分為3類：靜態的、動態的和增量式的。對于靜態業務，RWA的目標是對于事先確定的一定業務需求進行適當的波長分配，使網絡初期建設成本最低，該RWA問題稱為靜態光路建立(SLE)問題。增量式業務的特點是連接請求漸次到達，在連接建立后永久保持。動態業務是指連接請求可以隨機到達，并且各個連接在一定的保持時間之后需被拆除，該RWA問題被稱為動態光路建立(DLE)問題。DLE的目標是使網絡運行過程中新到達的連接請求被阻塞的概率最小，也就是使網絡的運行性能最好。DLE問題被證明是NP(非多項式時間內可解的)問題，目前通常采用啟發式的方法來分別解決尋路子問題和波長選擇子問題。

對于尋路子問題，通常的方法有3種：固定尋路、固定－備用尋路和動態尋路。固定尋路中從某個特定的源到某個目的地的路由只有1條，而且不隨時間或者網絡狀態的變化而變化，連接請求到達時，沿著該路由建立光路，如果失敗則拋棄該請求。固定－備用尋路是固定尋路的擴充，1個源到1個目的地的路由有多條，但是這些路由也是固定不變的，連接請求到達時，信令在備用路由上逐條地嘗試建立光路，直到光路成功建立。如果在所有備用路由上都無法建立光路，那么該連接請求被拋棄。在動態尋路中，光路的建立是按照節點上維護的網絡狀態動態進行的，這里就需要網絡上的尋路協議在網絡狀態發生變化時及時地通知各個節點修改其本地狀態。這3種尋路方式中，固定尋路導致的連接請求阻塞率最高，也即性能最差，固定－備用尋路其次，動態尋路則基本上可以避免連接請求阻塞的發生，但是3種方法的復雜度也漸次上升。

對于波長選擇子問題，已經有人提出了一系列啟發式的方法^［2-4］，這些方法包括：Random Assignment， First Fit， Least-Used， Most-Used， Min-Product， Least Loaded，

Max-SUM， RCL／DRCL(相對容量損失/分布式相對容量損失)等。其中，RCL/DRCL的性能最好，并且DRCL在分布式環境下效率較高。

2.2 綜合解決尋路波長選擇問題

在光網絡中，尋路子問題對于網絡運行性能的影響比波長選擇子問題大得多^［4］。所以選擇合適的基于限制條件的動態尋路算法，就可以將RWA問題作為一個整體來解決。此算法將網絡看成一個多層的圖，每一層的圖對應著一個波長，原來的每條物理鏈路可以被看成W條虛擬鏈路，W是鏈路上復用的波長數目。在連接請求到達時，利用尋路算法分別在各層計算一條路徑，然后依據限制條件在這些路徑中選擇一條。

圖2中示于左側的一個具有兩個波長的網絡可以被等效為右側兩層的圖。這樣分別在兩層中計算路由，RWA問題就完全演化為一個單一的基于限制條件的尋路問題。文獻^［5］中提出的實現算法有兩種，即全動態尋路和半動態尋路。

2.2.1 全動態尋路

全動態尋路算法的工作過程列述如下：

(1)對于一個給定的波長圖λi，為每條虛擬的鏈路Lj設置一個代價，這個代價可以表示為：

其中，N(λi)是在鏈路Lj上被占用的λi的數目，F是鏈路上光纖的數目。

(2)為每個波長λi，為每條路徑計算一個總代價Csd，這個值又由下式來定義：

其中是構成路徑的n條鏈路。

(3)連接請求到達時，在W個波長圖上運行Dijkstra算法，分別找出各個波長中Csd 最小的一個并置入向量V＝〈Pathi，Wavelengthi〉，這樣最后得到W個表項的V向量。

(4)檢查V中的各個表項，如果表項數目為0，則拋棄該連接請求；如果只有1個表項，則選擇這個表項，更新相關鏈路上的代價；如果有多個表項，那么需要按照一定的方法從中選取1個。文獻^［5］中定義了3種選擇標準，即：基于總代價的選擇、基于均衡代價的選擇和基于未來代價的選擇。不管是采用哪一種標準進行選擇，都需要更改網絡中各個節點上鏈路的代價。

2.2.2 半動態尋路

在操作上，半動態尋路和全動態尋路存在以下不同：

(1)離線運行最短路徑算法，為每個波長圖建立一個路由表，其中包含了任意源宿地址對的路由，這些路由表保存在各個節點上。

(2)在網絡上沒有任何一條鏈路的代價變為無窮之前，使用（1）中計算的路由表建立連接。如果某條鏈路Lj的代價變為無窮，那么將這條鏈路從波長圖中去除，同時重新計算整個網絡的最短路徑。

3 尋路算法的容錯性

生存性是光網絡的一個重要指標。網絡的生存性可以分為兩類：保護和恢復。通常解決保護問題的方法是為每個連接請求建立兩條物理上不相關的通路，其中一條為主通路，用來傳輸數據，另一條用作備份。為了防止因節點故障而出現問題，可以建立其節點和主通路的節點完全不同的備用通路。

在動態尋路算法中，可以考慮這樣一種保護機制，就是在主通路建立成功之后，立刻使用相同的路由協議建立備用通路，為了保證兩者不相關，可以將主通路上各鏈路的代價修改為無窮大。另外，共享風險鏈路組(SRLG)的概念使建立互不相關的通路變得更加有章可循。動態尋路算法可以經過適當擴展以后保證建立的路徑互不相關。

在沒有故障發生的情況下，恢復機制由于不需要事先建立連接，所以對網絡造成的開銷較小。但當出現故障時，由于恢復機制需要重新計算路徑，因此相對于保護而言，恢復機制所花的時間要多得多，在資源比較緊張的情況下，恢復路徑的建立可能會失敗。

4 快速的光路建立

動態光路的建立依賴于兩個基本的功能模塊：一個是路由信息分發模塊，用來提供網絡中資源信息的分發機制；另一個是路由計算模塊，按照信息分發模塊提供的信息計算并選擇路徑。

信息分發機制提供網絡拓撲結構和資源可用性信息。把通常的尋路協議(例如OSPF或者IS-IS等^［5，6］)稍作修改就可以實現這個模塊的功能。目前IETF（國際工程任務組）正對OSPF進行擴展^［7］，在鏈路公告中加入流量工程(TE)參數。這些信息包括：最大鏈路帶寬、最大可預約的鏈路帶寬、當前的帶寬預約狀況、當前的帶寬使用情況、鏈路著色等等。一旦節點有了網絡拓撲結構信息和資源可用性信息，就可以動態地進行光路的計算和選擇。

計算選擇路徑的過程根據動態狀態鏈路公告算法交換的信息，并按照連接請求的特定限制條件選擇一條顯示的路徑。這個選擇過程可以是離線的，也可以在線進行。在對等模型里，路徑計算由源路由器完成；而在重疊模型中，路徑計算由邊緣OXC或者網絡中的集中控制器完成。路徑計算完成后，由信令(例如采用CR-LDP或者RSVP-TE^［8，9］)來建立整條通路。

5 結束語

從最初的概念模型到目前的實現情況可見，IETF對GMPLS的標準化進行得非常迅速，其中一些正在開發的功能將對未來的光網絡性能有非常大的提升。可以說，GMPLS作為將來構建傳輸網和數據網的標準協議已經成為必然。□

參考文獻

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2 Karason E， Ayanoglu E. Effects of Wavelength Routing and Selection Algorithms on Wavelength Conversion Gain in WDM Optical Networks. IEEE/ACM Trans Network， 1998， 6(2): 186—196

3 Zhang X， Qiao C. Wavelength Assignment for Dynamic Traffic in Multi-Fibre WDM Networks. In:Proc 7th ICCCN， 1998: 479—485

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5 Moy J. OSPF Version 2. IETF RFC 2328

6 Oran D. OSI IS-IS Intra-Domain Routing Protocol. IETF RFC 1142

7 Kompella K， Rekhter Y， Banerjee A，et al. OSPF Extensions in Support of Generalized MPLS. Internet draft(work in progress). Draft-ietf-ccamp-ospf-gmpls-extensions-07.txt， 2002

8 Lou Berger， Ashwood-Smith P， Banerjee Ayan， et al. Generalized MPLS Signaling - RSVP-TE Extension. Internet draft(work in progress). Draft-ietf-mpls-generalized-rsvp-te-06.txt， 2001

9 Ashwood-Smith P， Lou Berger， Banerjee Ayan， et al. Generalized MPLS Signaling—CR-LDP Extensions. Internet draft(work in progress). Draft-ietf-mpls-generalized-cr-ldp-05.txt， 2001

(收稿日期：2002-06-06)

作者簡介

李津生，中國科學技術大學電子工程與信息科學系教授，博士生導師。長期從事信息網絡的科研與教學工作。

孫衛強，中國科學技術大學電子工程與信息科學系在讀博士研究生。研究方向為光網絡和安全組播。

洪佩琳，中國科學技術大學電子工程與信息科學系教授，博士生導師。一直從事信息網絡的科研與教學工作。