IP via MPLS over DWDM網絡及路由算法研究

馮 雪 龐尚珍

[摘 要]介紹了IP via MPLS over DWDM網絡的構成及幾種路由算法的優缺點。

[關鍵詞]MPLS DWDM OXC

[中圖分類號]TN929[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2009)11-0010-02

1 IP via MPLS over DWDM網絡

在數據網絡范疇內,由MPLS業務量工程控制層來執行至關重要的選路、監控和網絡生存性功能,也就是使用MPLS來提高網絡性能和執行流量工程(TE),同時由光網絡層來提供DWDM傳輸和波長路由的光層“電路級”聯網技術。簡言之,就是多協議波長交換技術,它是IP via MPLS over DWDM網絡技術的一種實現形式,以波長為標簽,直接在波長信道上以標簽交換方式交換單個的IP包,可在很大程度上簡化多層網絡的分層結構[1]。如圖1所示。

在網絡的邊緣,當IP數據包到達一個LER時,LER要分析IP包頭的信息,并且按照它的目的地址和業務等級加以區分。MPLS將所有需要做相同轉發處理并且轉發到相同下一跳的分組歸入到同一轉發類中。轉發時,將數據包從標簽信息庫所規定的下一個接口發送出去。在網絡中,當一個帶有標簽的包到達LSR時,LSR提取入口標簽作為索引在標簽信息庫中查找。當LSR找到相關信息后,取出出口的標簽,并由出口標簽替代入口標簽,從標簽信息庫中所描述的下一跳接口送出數據包。當數據包到達了MPLS域的另外一端時,LER剝去封裝的標簽,仍然按照IP包的路由方式將數據包繼續傳送到目的地。由于數據包使用的標簽具有轉發的惟一性,降低了轉發表的查找次數,因而提高了包的轉發速度。把MPLS引入DWDM網絡中,一個端到端的光路徑就是一個獨立的LSP。而且,在LSP建立后,在數據傳送過程中,LSR節點不需進行顯式的標記處理及查詢操作,任何鏈路層成幀的處理及電再生都沒有。在這里,標記與DWDM波長通道是對應的,一個LSR接口端口不同的LSP不能共享同一標記。

該方案的一大特色就是將標簽和DWDM波長信道聯系起來,分立波長或光信道就類似于標簽,并允許使用MPLS信令來指配光信道。這時一個端到端的光路就類似于特定的標簽交換通道(LSP),也就是在光節點之間形成的標簽交換通道。因此,特別適用于由可重構的OADM和OXC組成的以數據業務為核心的光互聯網絡系統中,由此原理構造的網絡可通過不同的IP用戶接入網絡,有效地支持各種各樣的IP業務。

2 IP via MPLS over DWDM路由算法

2.1 MinLP算法與MinTH算法

光互聯網中LSP的路由算法是一個NP-hard問題,解決該問題通常都采用分層圖(Layered Graph,LG)模型[2],但LG模型存在如下缺陷:首先,在OX無波長轉換能力的情況下,如果一條LSP被多跳光路承載LG模型要求這些光路的波長必須相同,但GMPLS規定波長本身可以被作為標記,承載LSP的光路的波長允許不一致,這樣LG模型可能增大網絡對LSP建立請求的阻塞率。再者,LG模型一般不考慮結點光收發器對網絡阻塞率的影響,但如果結點光收發器受限,新建光路時可用光收發器數可能成為LSP選路的制約瓶頸。針對LG模型的缺陷,MPLS over DWDM光網絡路由算法中比較典型的是文獻[3]提出的MinTH(Minimizing the number of Traffic Hops)和MinLP(Minimizing the number of Light-Path)算法, MinTH力求使每個LSP的源、宿結點對跨越的光路跳數最小,而MinLP要求承載LSP所要新建的光路數最少。MinTH算法主要考慮對單個LSP服務質量的滿足,MinLP算法則考慮對網絡鏈路資源的優化利用。

2.2 BRPS方法與RPPS方法

為了解決IP over DWDM網絡的多業務傳送問題,文獻[4]提出了帶寬資源預留的優先級方法 (bandwidth reservation based priority scheme,BRPS)與基于限定路徑的優先級方法(restricted path based priority,RPPS)。BRPS解決了傳統的基于波長資源預留的優先級方法在虛鏈路建立時受到限制的問題,在低負載時,可以得到較低的阻塞率。RPPS通過為網絡中不同等級的業務分配不同數目的限定路徑RP,提供區分服務。RP選取為物理拓撲上的一條或多條最短路,它規定了業務路由時的資源選擇范圍。RPPS不但得到了較低的阻塞率,也解決了網絡資源的有效利用問題。BRPS的阻塞率要比WRPS的低。這主要是因為在WRPS中,部分波長資源被預留,邏輯鏈路的建立受到限制,網絡資源未能得到充分利用。而當網絡負載強度高于800 Erlang時, RPPS的平均阻塞率比BRPS的低,相對于傳統的基于波長資源預留的優先級方法而言, BRPS在低負載時有較低的阻塞率。

2.3 帶寬碎片消除法BDM

帶寬碎片消除法BDM的關鍵就在于如何根據到達的LSP建立請求的帶寬要求,以及全網的資源使用情況來構造分層圖,并決定分層圖中邏輯IP鏈路和波長鏈路的權值。它利用到達業務流帶寬要求的統計特性,以及此時網絡中邏輯IP鏈路的資源使用情況,動態決定究竟是利用現存的邏輯IP鏈路還是在DWDM層新建光路來滿足業務流的LSP建立請求,從而可以有效減少產生的帶寬碎片數量,提高全網資源利用率,因此在建立LSP前,可以先對分層圖進行裁減,刪除那些不滿足帶寬要求的鏈路。然后在新的分層圖上采用最短路徑算法(如Dijkstra等)求出一條權值最小的通路;為了避免產生過多的帶寬碎片,在建立LSP時總是要盡量做到使網絡中所有邏輯IP鏈路上的剩余帶寬能夠滿足更多后續到達的LSP建立請求的帶寬要求,從而可以有效地保證接納更多的后續LSP建立請求。

2.4 蟻群算法ACA

實現QoS組播,需要進行有效的路由選擇,找到費用優化的QoS組播路由樹,并為之分配波長。事實上,尋找這樣一棵QoS組播路由樹的問題是NP-hard問題,并且由于網絡狀態信息的動態性、不精確性以及用戶QoS需求的難以準確刻畫。因此,采用一個區間來度量QoS約束比較合適,而基于蟻群算法(Ant Colony Algorithm,ACA)[5]ACA是一種模擬自然界螞蟻尋徑行為的算法,利用蟻群尋找食物或蟻穴時具有找到最短路徑的特性,我們把它應用于基于動態負載平衡的網絡邏輯拓撲求解,即螞蟻選擇路徑時,選擇某條路徑的概率是由路由上同類螞蟻的分泌物和總的分泌物強度折衷決定的,通過候選解組成群體的進化過程來尋求最優解。在考慮網絡負載均衡的前提下構造費用近優組播路由樹,同時基于Chlamtac提出的波長圖(Wavelength Graph,WG)思想以最小化組播路由樹延遲為目標進行波長分配,將組播路由樹構造與 波長分配一體化考慮的算法,算法的核心在于:對于到達源路由器的一個有帶寬要求的業務連接建立請求LSP來說,如何判斷究竟是為它開辟新的波長通道好,還是在現存的基于IP級的虛拓撲上選擇一條可用的邏輯IP鏈路更好,在滿足用戶QoS需求的同時,使組播路由樹費用趨近最優。這樣,算法的實質就是保持負載分布的平衡性,同時也要使業務對間的路由盡量短。但ACA依然存在收斂于局部最優解及收斂速度慢等缺陷。

綜上所述,IP via MPLS over DWDM網絡及路由算法在近期有較多研究,還有進一步研究的空間。

[參考文獻]

[1] 謝曉堯,熊煒.IP OVER DWDM網絡模式的研究[J].貴州工業大學學報(自然科學版)第31卷第4期2002,08:112-115.

[2] Chen C and Banerjee S.A new model for optimal routing and wavelength assignment in wavelength division multiplexed optical networks.IEEE INFOCOM 1996,San Francisco,USA, April 1996:164-171.

[3] Zhu H Y,Zang H,and Zhu K Y,et al..A novel generic graph model for traffic grooming in heterogeneous WDM mesh networks.IEEE/ACM Trans.on Networking,2003,11(2):285-299.

[4] 崔新友等.IP over DWDM 網絡多業務傳送的路由算法[J].清華大學學報(自然科學版) 2008, Vol.48, No.1.

[5] 王興偉,程輝,李佳等.一種IP/DWDM光因特網中的組播路由算法[J].東北大學學報(自然科學版),2003,24(12):1165-1168.