IP/WDM網絡的跨層控制系統設計

曹毅寧,謝永強,許 波,王京軍

(中國電子設備系統工程公司研究所網絡研究中心,北京100039)

IP/WDM網絡的跨層控制系統設計

曹毅寧,謝永強,許 波,王京軍

(中國電子設備系統工程公司研究所網絡研究中心,北京100039)

針對現有IP/WDM網絡中IP層與光層在網絡恢復階段的協同控制問題,設計一種基于認知的跨層控制系統。該系統采用疊加網絡技術,引入跨層協同機制,完成業務恢復集中控制及故障條件下IP層與光層資源的統一調度。通過加強層間業務信息、帶寬資源使用信息、網絡故障信息的共享與交互,解決了現有網絡控制方式存在的上下層資源搶占和恢復震蕩等問題,從而實現基于狀態感知的網絡故障恢復。性能評估結果表明,該系統能有效降低控制信令代價,提高中斷業務的恢復速度,并且具有良好的網絡生存性能。

IP/WDM網絡;自動交換光網絡;跨層控制;故障恢復;保護倒換;重路由

1 概述

IP/WDM網絡是實現大容量、高速率、智能信息交換的基礎網絡。目前,隨著自動交換光網絡(Automatically Switched Optical Network,ASON)技術的普應用以及軟件定義光網絡技術的發展,寬帶光纜網智能化在光層提供了更豐富的網絡控制和資源調度手段,但同時也使得IP層和光層上下兩層的聯合控制和資源調度等問題成為網絡性能面臨的新挑戰[1-3]。尤其在網絡發生故障時,如何有效協調各種IP層和光層生存性技術,快速恢復中斷業務的傳輸,是影響網絡生存性能的新因素[4]。

層間交互和層間資源分配是影響IP/WDM網絡生存性的2個關鍵因素。層間資源分配問題的研究起步較早,重點解決單一光纖鏈路故障下的網絡生存性問題[5-6],在生存性算法[7-8]等方面成果較多。而在跨層交互控制方面,由于IP層和光層一直采取獨立發展的技術路線,因此跨層控制大多采用自頂向上或自底向下的控制方式[9-10],這些控制方式屬于靜態順序協同控制,網絡恢復中斷業務的流程與網絡狀態無關,通過令牌或定時器觸發各層恢復操作。這種跨層控制方式在現有光層非智能化網絡或部分智能化網絡中性能較好,但隨著多協議標簽交換、雙向轉發檢測和ASON等技術逐步成熟和推廣應用,IP層在原有重路由基礎上,新增了快速保護倒換、分段保護等多種業務恢復手段,光層也具備了保護和恢復能力。當雙層網絡具備豐富的生存性技術組合方案,中斷業務可以在光層或IP層得到恢復,而上下層業務恢復存在一定性能差異的情況下,現有靜態跨層控制方式存在恢復流程固定、效率低、恢復速度慢等問題,迫切需要研究新的跨層控制技術以改善網絡生存性能。

本文提出在IP/WDM網絡中引入認知技術,通過動態跨層控制系統,實現業務恢復集中控制與上下層統一資源調度,以增強網絡生存性能。

2 認知技術

認知技術是一種動態自適應控制技術,其核心思想是通過引入認知層,使網絡具有基于推理和先驗知識,根據條件或事件做出適應的能力,使其滿足網絡優化的目標。目前,認知技術在頻譜認知領域具有深入的研究和應用,認知無線電技術是認知技術的典型代表。但需要指出的是,認知技術應用廣泛,它并沒有限定只適用于互聯網、傳感器網絡等某一種網絡,現有網絡都可根據需要,通過疊加認知層的方式,實現網絡動態認知能力[11-12]。

在IP/WDM網絡中,引入認知技術以增強網絡生存性能,主要是因為網絡中不確定性因素較多,靜態控制成為限制網絡恢復性能的重要因素。(1)網絡業務具有不確定性。網絡業務多樣化使網絡變得更加復雜,尤其是光層ASON網絡容量擴大,智能控制能力加強后,網絡中業務需求與帶寬資源分配之間的可行方案呈指數增長,采用實現規劃方式將造成帶寬資源的極大浪費。(2)故障不確定性。網絡結構復雜化,各層設備類型越來越多,故障點增多,故障不確定性增大。靜態控制針對個別故障場景設置的恢復方案在其他故障發生時恢復性能較低。(3)網絡狀態不確定性。同一故障在不同路由方式、不同流量策略下影響范圍不同。固定的生存性策略影響業務恢復性能。因此,將業務生存性目標和智能判決加入網絡環境中,通過實時感知的業務狀態和網絡狀態,動態制定網絡恢復流程是提高網絡生存性的有效途徑。

根據智能光網絡ASON部署后網絡雙層控制特征,在現有網絡體系架構中引入認知系統,可以加強網絡IP層和光層的上下層聯合控制。本文采用跨層設計思想進行認知系統設計,著重解決3個方面問題:(1)解決網絡資源的自適應性分配問題。網絡資源自適應恢復,能夠實現業務恢復的IP層路由和光層路由之間的匹配,避免同一業務對IP層和光層資源的冗余占用,減少業務恢復期間網絡路由和資源振蕩,提高資源分配合理性。(2)解決網絡生存性能的動態優化問題。在傳統網絡中,采用自底向上或自頂向下等單一的恢復方式來恢復故障中斷業務,恢復流程在網絡規劃和建設期就被固定。跨層的自適應性需要適應網絡故障狀態和業務負載變化,隨時調整網絡的恢復流程,以動態實時優化網絡生存性能。(3)解決多層次聯合生存性優化問題。在跨層設計方案中,光層可以與IP層聯合優化,例如在光節點發生故障時,部分業務能夠通過光層恢復,部分業務必須通過IP層恢復。在IP層和光層之間傳遞故障控制信息進行聯合優化,按業務流量特征分類進行IP層和光層并行恢復,以提高網絡整體生存性能。

3 跨層控制系統設計

跨層控制系統是認知技術在IP/WDM網絡中的具體實現。在設計過程中,重點解決IP層和光層在網絡恢復階段的協同控制問題,同時兼顧網絡信令復雜度。

3.1 基于認知的跨層生存性網絡架構

跨層生存性網絡采用疊加網絡技術,通過引入跨層控制系統實現上下層信息感知、交互及跨層協同控制。基于認知的跨層生存性架構如圖1所示。

圖1 基于認知的跨層生存性架構

跨層控制系統是實現跨層生存性網絡控制的實體。IP層的生存性技術通過IP層的態勢感知獲取IP業務的相關性能參數,優化IP層業務流量并實現IP層拓撲的最優化;光層的生存性技術通過光網絡的態勢感知獲取光網絡傳輸信道的狀態,根據應用層業務的約束變量和IP網絡層網絡優化的參數設置實現ASON的功能和拓撲最優化。跨層狀態信息交互為IP網絡層和光傳輸層提供信息交互通道,實現IP層路由和光層傳輸的緊耦合。跨層控制策略通過動態協調模式實現應用層、IP網絡層和光層的綜合控制和協作。

從實現難易程度、信令復雜度以及與現有網絡融合性等因素,跨層控制系統采用集中控制模式。集中控制模式即在網絡自治域內采用一臺計算機實現跨層控制系統,對生存性控制所需的所有信息進行收集、匯聚,并進行集中處理、判斷。這種控制模式層間交互信息較少,網絡信令代價較低。從控制邏輯的角度分析,跨層控制系統位于IP層和光網絡層控制體系之上。IP層和光網絡層沿用原有的控制

協議,只對接口進行相應擴展以實現與跨層控制系統的通信,對現有系統改造小,實現較容易。

3.2 跨層控制系統功能組件

跨層控制系統需要采集IP層和光層的拓撲、資源使用狀態等信息,并按照用戶預先設定的規則,為網絡自動選擇適當的恢復機制,實現IP層和光層的協同控制功能。由于系統功能較復雜,因此按照模塊化設計思想,獨立劃分出信息數據庫、消息處理模塊以及協同控制模塊三大主要模塊,既降低了各模塊的實現復雜度,又便于后期各模塊按需獨立升級,使系統具備良好的可擴展性。

根據跨層控制系統功能需求,系統可進一步細分為8個功能模塊:基礎數據庫,故障消息處理器,恢復消息處理器,協同策略判決器,協同控制器,外部接口,用戶管理接口以及用戶管理界面等,它們通過內部消息連接起來,具體功能結構如圖2所示。

圖2 跨層控制系統功能結構

(1)基礎數據庫

基礎數據庫的作用是為協同策略判決器提供判決所需的基礎信息,包括業務數據庫、IP層路由數據庫和光層拓撲數據庫。

基礎數據庫保存通過外部接口接收到的業務特征信息、IP層和光層網絡狀態感知信息,保持與IP層和光層信息實時同步,為協同策略判決器和用戶管理模塊提供查詢功能。

(2)故障消息處理器

故障消息處理器負責對IP層和光層故障信息進行管理,包括對故障信息的收集、處理和發布,是跨層故障信息交互處理的關鍵模塊。

故障消息處理器收到IP層或光層故障信息告警后,將故障信息發送給協同策略判決器,觸發跨層協同控制過程。同時,故障消息處理器接收協同控制器的指令,通過向特定層、特定設備發布故障消息,從而觸發業務恢復過程。

(3)恢復消息處理器

恢復消息處理器負責收集IP層和光層業務恢復情況,提供給協同控制器,作為協同控制器狀態跳轉的依據,同時也向用戶管理模塊提供網絡恢復性能的統計信息。

(4)協同策略判決器

協同策略判決器是整個系統的策略中心,它負責根據業務特征、IP層和光層網絡狀態、故障位置進行綜合判決,從預先設計的協同策略模板中選擇合適的綜合協同方案,以達到基于多約束條件的協同優化控制的目的。

(5)協同控制器

協同控制器是系統的執行者,它根據協同策略判決器提供的協同控制方案,觸發各種IP層和光層生存性技術,并通過控制信令負責各層恢復過程在時間上的協調。

(6)用戶管理接口

采用上述方法對掘進工作面風筒布置方式及高壓外噴霧降塵系統進行優化后，掘進工作面進風側及回風側測點處硫化氫濃度及凈化效率檢測結果見表1。可以看出，經過風筒位置優化后硫化氫治理效率在原有基礎的平均值上提高6.3%，進風側掘進機司機及其后5 m處硫化氫體積分數均降低到了3.6×10-6以下，在調整風筒位置情況下，對外噴霧布置調整后進風側硫化氫體積分數降低到了1.8×10-6以下，回風側體積分數降低到了6.1×10-6以下，對硫化氫的治理效率均值達到了95.6%。

用戶管理接口為系統提供用戶管理功能,通過該接口用戶可實現控制、監測、配置等功能。

(7)外部接口

外部接口負責獲取故障消息、收集恢復信息、下發協同控制信令等信令功能,是跨層控制系統與IP層和光層控制平面的接口。

3.3 網絡恢復流程

在加入認知系統設計后,跨層控制系統網絡恢復包括3個階段:(1)獲得網絡故障信息、可用路徑上的節點和鏈路的可用資源信息;(2)根據獲得的信息,評估各種恢復方案的網絡恢復質量;(3)選擇最優的恢復方案進行網絡恢復。衡量網絡恢復方案的質量,最重要的標準是業務恢復時間和全網故障恢復成功率。由于在IP/WDM網絡中,恢復振蕩主要影響業務恢復速度和效率,因此跨層控制系統重點解決減少業務中斷時間的問題。

根據故障影響位置和影響范圍,網絡常見故障分為光纖鏈路故障、ASON節點故障、IP層故障3類。光纖鏈路故障包括數據通道故障、控制通道故障、光纖斷裂、激光器故障;ASON節點故障包括光傳送節點故障、光匯聚節點故障;IP層故障包括路由器故障、混合故障。為減少業務中斷時間,提高網絡恢復速度,由跨層控制系統根據故障恢復協調規則觸發相應生存性機制,對各類故障分類進行恢復。

網絡恢復流程如圖3所示。在光纖鏈路故障時,根據IP層和ASON層所采取的保護恢復類型,網絡在跨層控制系統控制下順序執行保護恢復流程1、保護恢復流程2或者是保護恢復流程3中的2種保護恢復操作;在光層ASON節點故障時,跨層控制系統根據經過該節點的業務情況分別進行IP層和ASON層并行恢復,即以故障節點為源宿匯聚節點的業務將通過IP層進行保護恢復,以故障節點為中繼節點的業務采用ASON層的保護恢復動作;在IP層邏輯鏈路故障和IP層路由節點故障時,即采用IP層的保護恢復動作。

圖3 基于跨層控制系統的網絡恢復流程

4 性能評估

基于跨層控制系統的IP/WDM網絡可根據故障類型、網絡狀態、業務類型等多個因素綜合判斷,動態觸發適當的網絡生存性機制對中斷業務進行恢復。與基于自頂向下或自底向上的固定協同策略的網絡[6]相比,新系統的應用將顯著減少業務恢復過程中的各層路由振蕩,縮短業務恢復時間。

為驗證跨層控制系統在不同網絡故障情況下對網絡生存性的影響,選擇以下3種常見網絡單故障場景進行性能評估:(1)單光纖鏈路故障:全網僅有一條光纖鏈路發生故障;(2)單ASON節點故障:全網僅有一個ASON光節點的數據平面發生故障; (3)單IP層故障:全網僅有一臺路由器發生故障。

4.2 保護倒換機制下的性能評估

網絡為重要業務在光層和IP層均配置了保護倒換機制。對常見網絡故障,業務保護倒換的恢復時間如表1所示,其中,Tr為業務恢復時間;TG為光層恢復時間;TI為IP層恢復時間。

表1 常見故障下業務保護倒換恢復時間比較

在單鏈路發生故障時,光層恢復時間TG為50 ms,IP層恢復時間TI為50 ms。在光纖鏈路和IP層故障下2種控制方式的業務恢復時間相當,50 ms內完成對中斷業務的恢復。而在ASON節點故障下,由于跨層控制系統將不同的中斷業務分配給IP層和光層并行倒換,而基于固定延遲時間的多層網絡必須自底向上逐層恢復,因此啟用跨層控制系統后,業務恢復速度明顯加快,可節約50%的時間。2種控制方式下業務恢復時間比較如圖4所示。

圖4 保護倒換業務恢復時間比較

4.3 重路由機制下的性能評估

網絡為盡力而為業務在光層和IP層均配置了重路由機制。對常見網絡故障,業務重路由的恢復時間如表2所示,其中,Tr為業務恢復時間;TG為光層恢復的時間;Ti為IP層恢復的時間;T為跨層控制系統的協調時間;THold-off為延遲定時器設置的延遲時間。

表2 常見故障下業務重路由恢復時間比較

考慮最差情況,部分業務因資源不足必須通過IP層重路由方式恢復。其中,THold-off通過配置路由器失效通告抑制參數實現,以思科路由器為例,典型值為2 s,光層恢復時間TG為200 ms,IP層除失效通告抑制時間外的恢復時間TI為500 ms,跨層控制系統的協調時間T為500 ms。在此前提下,基于跨層控制系統的多層網絡與基于固定延遲時間的多層網絡的業務恢復速度比較,如圖5所示。

圖5 重路由業務恢復時間比較

基于固定延遲時間的多層網絡為確保光層恢復完成后再啟動IP層恢復,THold-off?TG+T。而啟用跨層控制系統后,通過基于信令的層間協調機制顯著縮短了等待時間。因此,在各類故障情況下,基于跨層控制系統的多層網絡恢復速度均顯著快于固定延遲時間控制方式的恢復速度。

由上述分析可以看出,基于跨層控制系統的IP/ WDM網絡能夠顯著提高業務恢復速度。由于采用了集中控制設計,有效解決了現有網絡控制方式存在的上下層資源搶占和恢復震蕩等問題。需要說明的是,由于系統需要獲取IP層和光層狀態信息,并依據控制判決結果對兩層節點進行控制,因此會帶來一定的額外信令開銷。系統設計之初已考慮此問題,在體系設計時跨層控制系統作為路由器和光節點的鄰居,交換狀態信息,路由器間、光節點間的控制信息交互與現有網絡一致,以此降低信令開銷,提高系統的可擴展性。因此,跨層控制系統在提高業務恢復速度的同時并沒有引入更多信令負擔。

5 結束語

IP/WDM網絡的跨層控制問題將成為IP層生存性技術發展和ASON應用過程中亟待解決的熱點問題。跨層控制技術會直接影響網絡生存性能。本文引入網絡認知技術并采用跨層設計方法解決IP/ WDM網絡層間協同問題。通過引入跨層控制系統,IP/WDM網絡實現了基于狀態感知的網絡故障恢復,該系統能有效降低控制信令代價,提高中斷業務的恢復速度,從而提高網絡生存性及網絡擴展性。

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編輯 陸燕菲

Design of Cross-layer Control System for IP/WDM Network

CAO Yi-ning,XIE Yong-qiang,XU Bo,WANG Jing-jun
(Network Research Center,Institute of China Electronic Equipment System Engineering Company,Beijing 100039,China)

For the multi-layer control problem in IP/WDM network causing by the independent control of IP layer and optical layer,a cognitive-based cross-layer control system is proposed.The proposed system builds a new cross-layer controller on the original IP layer and optical layer control plane with overlay network design ideas.The controller performs traffic recovery and resource scheduling dynamically in case of network failure.By the enhancement of the information sharing,like traffic features,the usage of bandwidth,the state of network failures,the new system achieves a state-based recovery capability,and solves the problem of resource preemption and recovery concussion.Performance evaluation shows that this system accelerates recovery speed with limited signaling cost,and achieves better network survivability.

IP/WDM network;Automatically Switched Optical Network(ASON);cross-layer control;failure recovery;protection switching;rerouting

1000-3428(2014)09-0087-05

A

TP393

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.09.018

國家部委基金資助項目。

曹毅寧(1982-),女,工程師、博士,主研方向:IP/WDM網絡;謝永強,研究員、博士;許 波、王京軍,高級工程師、碩士。

2013-07-30

2013-10-09E-mail:cyn00@mails.tsinghua.edu.cn