大容量光網絡異構互聯及控管研究

摘要：多種類型的網絡設備并存造成光網絡嚴重異構化，且難以實現真正意義上的互聯互通，成為阻礙光網絡進一步發展的“瓶頸”。文章針對大容量光網絡異構互聯及優化控管問題，對一些相關新技術和研究成果進行介紹，包括集中式與分布式相結合的異構多域大規模光網絡廣義控管架構、K隨機最短路域同路由優化技術、基于“邊緣環”的多域網絡拓撲架構、路由重定向信令技術，以及異構多域光網絡試驗平臺搭建等。

關鍵詞：大容量光網絡；路徑計算單元；異構互聯；優化路由

光傳送網以其大容量、長距離、低成本的特點構成了當前信息通信的重要承載媒介，在可預計的將來，其作用尚無法被替代。

隨著通信技術的飛速發展，光傳送網技術也在不斷更新，同步數字體系(SDH)、分組傳送網(PTN)、光傳送網(OTN)等新型光傳送網設備不斷在網絡上部署。由于光傳送網設備更新迅速，導致現網中各種類型的設備并存。同時，由于中國幅員遼闊，運營商眾多，傳送網絡中不僅設備類型眾多，而且網絡根據地域、設備類型和設備提供商的不同被劃分為不同的范圍，每個范圍內的網絡設備由不同網絡維護人員維護。一些問題由此產生，如全網無法統一管理、無法統一進行快速電路調度、故障定位緩慢、資源利用率低下等。另外，普通的光傳送網僅能提供環網保護等簡單的保護措施。自動交換光網絡(ASON)技術作為新一代的傳送網技術，通過給網絡加載智能控制平面，為網絡提供了快速電路調度、永久1＋1標記交換通道(LSP)保護和重路由恢復等強大功能。但是在多域網絡中，由于域間控制平面難以像域內控制平面那樣提供端到端的保護和恢復功能，使ASON技術在多域網絡中無法為業務提供高等級的保護恢復能力。

急速增加的網絡業務需求也向光傳送網的控管提出了嚴峻的挑戰。歐盟信息社會專家小組預測2010年到2020年期間，全球年平均網絡業務流量增長50％～60％，其中2010年月平均業務流量為8.5～9.5 EB(1 EB＝10¹⁸字節)。由此估算到2020年全球網絡業務流量將達到lOZB(IZB＝10²¹字節)，相當于全球現有印刷材料數據量總和的5萬倍。如此龐大的業務僅通過傳統的集中式網絡控管是難以想象的，智能分布式動態光網絡控制技術的引入必不可少。分布式動態光網絡的優化控制需要單一網元掌握盡量完整而準確的全網資源信息，然而，在分布式動態網絡環境下，其難以實現。首先，在分布式網絡中，單一網元所能獲得的網絡信息通常不完整。特別是對于多域分布式網絡來說，各個路由域或屬于不同運營商，出于保密性考慮，大部分域內資源信息對外是屏蔽的。其次，在動態網絡環境下，網元獲得的網絡信息通常不準確。這是因為。網絡的傳輸時延和處理時延會造成網絡信息不同步，同時這種不同步會隨著網絡規模的增大及動態性的增加而提高。此外，諸如網絡欺騙、網絡攻擊等主觀原因也會造成網元獲得的網絡信息不準確。因此，分布式動態光網絡智能控制技術需要網元能夠盡可能地優化利用其所獲得的有限網絡信息，提高資源利用率。同時，智能控制技術還應具有較強的容錯性，能夠消除或抑制錯誤信息造成的負面影響。

針對上述大容量光網絡異構互聯及優化控管問題，本文將對一些相關新技術和研究成果進行介紹，包括集中式與分布式相結合的異構多域大規模光網絡廣義控管架構及試驗平臺、K隨機最短路域問路由優化技術、基于“邊緣環”的多域網絡拓撲架構、路由重定向信令技術等。

1、網絡架構及試驗平臺

1.1 集中式與分布式相結合的異構

多域大規模光網絡廣義控管架構

針對復雜網絡環境，因特網工程任務組(IETF)開發了路徑計算單元(PCE)。作為解決路徑計算的工具。PCE方案通過在網絡中部署路徑計算單元的方式，允許負責網絡不同區域的PCE之間相互協作來完成全網的最優路徑計算，為解決復雜網絡中的種種問題提供了解決的有效途徑。

基于PCE的控制平面體系結構被普遍認為是解決異構多域多粒度傳送網流量工程問題和服務質量保障問題的一個優選方案，在2006年首次提出后受到了產業界和學術界的廣泛關注，美國、歐盟、日本等許多國家的信息研究機構、大學啟動了研究和開發計劃。與此同時，以IETF為首的標準化組織也在加緊實現PCE體系結構的標準化。隨著研究的深入，PCE由最初的概念和方法逐步發展到面向實際網絡具體應用，由單純PCE光網絡向多層多域光網絡再到異構互連光網絡，由傳統路徑計算到具有特定要求的網絡優化，正在經歷由創新性課題向實用性技術的發展過程。

為了能夠高效靈活的管理和控制異構多域光網絡，我們提出了一種集中式與分布式相結合的廣義PCE網絡控制和管理架構，能夠高效靈活地控制和管理異構光網絡。在基于路徑計算單元的傳送光網絡中，每一個傳送網域(可以是OTN、SDH或者PTN域)都存在一個或多個路徑計算單元，用于進行多層多域路徑計算。該路徑計算單元獨立于傳統的網絡控制平面和管理平面，同時利用靈活的開放接口和傳統控管平面進行協調。這種融合路徑計算單元以及傳統控制、管理平面的網絡架構如圖1所示。

這一架構的特點在于：首先，它使用集中式的網絡管理系統管理域間鏈路信息和資源，而使用分布式的PCE和通用多協議標記交換(GMPLS)控制平面管理和控制域內鏈路信息，同時進行多層多域路由計算。集中式的網管系統極大地降低了域問信息交互量，簡化了多域網絡中的域間信令，還有利于域序列確定等優化技術的實施。分布式的路由計算和域內控制大大增加了路由計算的可擴展能力。其次，這一架構對不同的域的GMPLS控制平面采用了并行控制機制，如并行建立或拆除跨域業務。這種機制提高了網絡建路的效率和擴展性。再次，該平臺引入了層問流量工程(TE)鏈路自動發現機制，能夠迅速發現高層邏輯資源。另外，由于這種控管架構對現有GMPLS控制平面改動很小，因此它能夠很好的支持現有異構多種類型的控制平面和傳送平面，實現網絡的平滑升級。在開發了相應的控制平面PCE開放接口后，可實現網絡的PCE功能并與傳統控管平面無縫融合。

1.2 異構多域光網絡試驗平臺

基于上述廣義控制和管理架構為基礎，我們搭建了一個異構多域光網絡演示平臺。該平臺主要由網絡管理系統、路由計算單元(PCE)、控制平面和模擬設備幾部分組成，分別承載在不同的實驗PC機上。目前，該平臺已經完成10節點模擬光網絡的驗證工作，同時，平臺控制管理結構支持的可擴展節點數不少于1 000個。圖2展示了該平臺的硬件和軟件設施。平臺以兩個SDH域和一個OTN域混合組網的應用為例，演示了廣義控制和管理架構的跨域多層控制功能。平臺的可擴展性、實效性等一些性能指標已經得到了實驗驗證。

平臺已經驗證的關鍵技術包括：分布式路徑計算結構、控制和管理的協作模式，多粒度的資源配置，路徑的保護和恢復機制，鏈路的故障和恢復機制等。平臺具體的功能和性能包括：支持SDH單域業務、OTN單域業務和兩種域類型混合組網跨域業務建立、刪除、域內保護倒換和回復，以及鏈路故障告警和恢復等功能。在SDH域支持的VC4粒度的業務，在OTN域支持ODUI和波長粒度業務類型。平臺支持的SDH域、OTN域和跨域業務保護類型包括無保護、1＋1保護和重路由。SDH無保護業務平均建立時間為1 s(最小業務建立時間)，跨域1＋1保護業務平均建立時問為41.5 s(最大業務建立時間)，業務平均保護倒換時間為2 s。

2、多域光網絡優化控制技術

2.1 K隨機最短路域間路由優化技術

在PCE框架下解決多域光網絡跨域路由問題時，傳統的路由算法多基于反向遞歸路由(BRPC)流程展開，該流程以確定的域序列為前提。主流思想是通過拓撲抽象來完成域問路徑計算，從而確定域序列。在動態確定域序列的算法中，往往存在儀考慮域問拓撲而忽視域內拓撲的問題，這導致了較高的資源阻塞率。

為了解決這個問題，我們提出了一種K隨機最短路域問路山優化技術。該技術采用了分層PCE的結構，每一個域由一個子PCE負責進行域內路徑計算，除此之外，上層通過一個父PCE利用拓撲抽象信息進行路徑計算和選路決策。拓撲抽象采用傳統的邊界節點格狀網(Mesh)抽象。在進行域問路徑計算時，引進了K條隨機最短路徑，即隨機選擇源域中K個邊緣節點對進行域問路徑計算，之后父PCE給相應的域發送路徑計算請求，收到應答后，比較K個計算結果，選擇最短路徑。具體流程如圖3所示。從概率角度看，K值越大，達到理論最優解的概率越大。

K隨機最短路域間路由優化技術保證了在域問路徑計算的時候，不僅考慮了域間路由信息，還相應考慮了域內的路由信息，對于域內拓撲較為復雜的情況優化效果明顯。采用該技術后，網絡連接阻塞率比傳統算法有很大降低，資源利用率顯著提高。

2.2 基于“邊緣環”的多域光網絡拓撲架構

隨著光網絡容量的擴大和節點數的增加，基于鏈路一狀態的路由算法的時間，空間復雜度及信令網帶寬均急劇增加，造成網絡不穩定。解決這個問題的有效方法是將整個網絡劃分為多個路由域，進行跨域路由計算。考慮到網絡的保密性及路由計算和信令交互的復雜度，跨域路由計算的一般做法是對每個子路由域的拓撲進行抽象，組成一個全網抽象拓撲，并基于該抽象拓撲進行域問路由的計算。然而，進行拓撲抽象會阻礙網元獲得完整的全網資源狀態，導致在跨域路由計算過程中，路由域的入／出端口選擇喪失最優性，從而造成路由長度增大，網絡資源浪費。

如圖4(a)所示，在目的路由域，到達目的節點最優的入端口節點為節點B，其到目的節點的路由長度為1跳。然而，由于此路由域的完整內部資源狀態無法被源節點獲知，源節點在進行路由計算時選擇了節點A作為人端口節點。這樣便需要占用4跳的域內鏈路資源建立連接，所消耗資源為最優情況的4倍。此外，非最優的入，出端口選擇還會使網絡資源的占用集中于特定節點和鏈路，而其他網絡資源得不到有效利用。

為解決這個問題，我們從全新的角度進行探索，通過對多域光網絡的拓撲架構及其相應的路由方法進行合理設計，降低其對最優路由的敏感性，從而提升整體網絡資源利用率。圖4(b)展示了我們提出的基于“邊緣環”結構的多域光網絡拓撲架構。其所有邊界節點被一個或多個高速ROADM環連接，而其他內部網絡節點均不在環上。可以看到，無論選擇哪個人端口節點，路由的域內鏈路資源消耗最多為2跳，優勢非常明顯。

2.3 路由重定向信令技術

網絡的信息傳輸時延和處理時延會造成網絡資源信息的瞬時不同步。由于網絡資源信息不同步的存在，如果業務到達率較高導致為某個業務計算路由時網絡尚未收斂，其計算結果不一定符合網絡的實際資源狀態，從而造成該業務在連接建立的信令過程中發生資源沖突，或稱為信令阻塞。由于信息不同步的程度和傳輸時延的大小正相關，因此信令阻塞率將會隨著網絡規模的擴大而快速增高。對于目前基于鏈路一狀態路由協議的光網絡來說，由于在連接建立過程中無法對路由進行修改，所以難以從根本上避免資源沖突的發生。因而即便在網絡負載很低時，總體阻塞率仍無法得到顯著降低。

為解決這個問題，我們創新性地提出了基于信息擴散的光網絡路由體系架構，首次將距離一向量路由引入分布式動態光網絡的域內路由。在該路由體系下，路由計算分散在每個網元進行，同時各網元的信息擴散數據庫中都保存著通過其各個端口到達所有其他網元的多條路由，因此在連接建立過程中當資源沖突發生時，可通過路由重定向替換阻塞路由，避免沖突發生。

基于該思想，我們提出了基于信息擴散光網絡路由體系的路由重定向信令技術。基于信息擴散光網絡路由體系的路由重定向信令過程如圖5所示。圖5(a)中，C₁、C₂兩個業務幾乎同時完成路由計算，并分別在節點1和節點2發起到節點4的連接建立請求。當業務c。的資源預留(RESV)信令到達節點2時，其路由中由節點2到節點4的鏈路已經被業務C₂占據，發生信令阻塞，如圖5(b)所示。在啟動路由重定向信令機制后，C₁被即時重路由到2－3－4的新路由，信令阻塞被解決，如圖5(c)所示。而后業務C₁、c₂均能成功建立，如圖5(d)所示。

3、結束語

網絡業務需求規模的不斷擴大、帶寬的不斷增加，以及種類的不斷多樣化給下一代光網絡的建設帶來了大量問題和挑戰。為解決這些問題，一些新的網絡架構和技術應運而生。本文針對大容量光網絡的異構互聯及優化控管問題，對一些相關新技術和研究成果進行了介紹，包括集中式與分布式相結合的異構多域大規模光網絡廣義控管架構及試驗平臺搭建、K隨機最短路域問路由優化技術、基于“邊緣環”的多域網絡拓撲架構，以及路由重定向信令技術。隨著上述問題的逐步解決和更多新技術的商用化，在業務需求的持續推動下，下一代光網絡的建設必將在全球范圍內掀起新的高潮。