網絡升級場景下的保護技術研究

鈕　彬，李　浩，王從春

（國網六安供電公司，安徽 六安 237006）

網絡升級場景下的保護技術研究

鈕彬，李浩，王從春

（國網六安供電公司，安徽 六安 237006）

隨著大數據時代的到來，基于波分復用固定柵格的光網絡已經無法滿足人們的需求，擴大網絡容量，提高頻譜資源利用效率成為當下研究的熱點。現有固定柵格結構向大容量、高頻譜效率的靈活柵格結構演進勢在必行。文章在此基礎上，針對固定柵格向靈活柵格演進過程中的主要過渡形式—兩種柵格共存的光網絡的流量生存性問題展開研究，提出了一種適用于該網絡場景下的保護技術，并在仿真平臺上對其展開了性能評估。

柵格異構；數據中心光互聯；保護技術

隨著互聯網流量的指數級增長，在光傳輸領域靈活柵格技術受到了廣泛關注和青睞，這是緣于靈活柵格技術相較于固定柵格技術在傳輸容量和靈活性上有較大優勢。靈活的柵格將傳統ITU柵格向高靈活度細顆粒度的頻譜隙方向演進（例如12.5 GHz對50 GHz或100 GHz）。先進的光傳輸技術，例如相干光正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexin，OFDM），奈奎斯特波分復用（Nyquist-Wavelength Division Multiplexing，N-WDM）以及光任意波形發生器（Optical Arbitrary Waveform Generator，OAWG），被確定為靈活柵格光網絡使能技術。通過使用所需頻譜分配和自適應調制格式，靈活的柵格能顯著提高頻譜效率并能增加整體網絡容量。此外，超級信道，例如信道跨越多個頻譜隙，可以被建立來支持大帶寬需求。但考慮到運營成本和固定資產投資等因素，一次性組件基于波分復用靈活柵格的光網絡是不切實際的。鑒于此，許多學者和運營商都在固定柵格和靈活柵格共存的光網絡領域傾注了研究精力。

在前期研究中，我們著重關注“什么時候用什么樣的方式實現異構柵格共存的光網絡”這樣一個問題，發現現階段在柵格共存的光網絡中關于生存保護的研究一片空白，因此，本文聚焦此點，研究該場景下的生存保護問題。在這樣一個光網絡中，連接是建立在柵格屬性不同的數據節點之間的，因此容易變得不穩定，甚至產生中斷等不利影響，造成大量的數據丟失。尤其是在為關鍵業務服務時，發生這種狀況事態將變得更為嚴重。通過大量調研，我們發現現有的保護技術通過適當的擴展也能在這樣的場景下展開工作。舉一個專有保護策略的例子，該策略通過選路算法找到一對節點不相交的工作路徑和保護路徑，通過在遇到故障時將業務倒換到預留的保護路徑上，實現快速回復，從而達到組織連接中斷的目的。

在本文中，我們關注固定柵格和靈活柵格共存光網絡下的流量生存性問題，提出一種適應于該場景下的保護策略，并對這種策略的性能展開評估。通過仿真結果我們發現，提出的保護策略能實現更優越的性能，并有效地降低了業務的連接中斷率。

1　問題描述

由于網絡運營商提供更高的帶寬，更有效地利用網絡資源的壓力越來越大，在傳輸網絡中用靈活柵格設備取代傳統的固定柵格設備只是時間問題。在實際情況下，一個可能的場景是某些節點或鏈路的流量負載明顯高于其他，這些流量負載過高的節點變成了網絡中的容量瓶頸。例如，一個常見的場景涉及與數據中心關聯的點，這樣的節點往往產生大量的流量并且可能從高帶寬超級信道互聯中獲益。在這些環境中，產生瓶頸的設備應該被靈活柵格設備取代。因此，研究網絡從固定柵格向靈活柵格演進過程成為當下業界重點，用較少的靈活柵格節點經濟有效地提高鏈路的容量，是我們將面臨的一個挑戰。因為固定柵格和靈活柵格在網絡中共存，而固定柵格和靈活柵格節點卻需要不同的技術，尤其是在中間節點執行波長交換的關鍵設備可重構光插分模塊（Reconfigurable Optical Add and Drop Modular，ROADM）。固定柵格的ROADMs遵循傳統的嚴格ITU-T定義的中心頻率和頻譜柵格（如50 GHz和100 GHz），不管每個單獨信道攜帶的實際比特率。在固定柵格網絡中，網絡設備，如光開關、多路復用器和轉發器，必須遵守該頻譜柵格。相比較于固定柵格，靈活柵格的ROADM是不同的。在靈活柵格網絡的ROADM中嵌入WSSs不必嚴格遵循ITU-T固定化的柵格，并且可以切換多路級聯片作為一個單獨整體，其中每個切片可以是12.5 GHz。所以，產生的問題是：新添加的靈活柵格節點在網絡中如何能和其他傳統固定柵格節點進行信息交換。這個問題需要分兩步來解決，先是建立一個適當的網絡模型，在該網絡模型下，選取合適的網絡升級策略。再在考慮了光路路由、波長分配和頻譜分配的網絡模型下，引入了三大頻譜路由約束對靈活柵格節點與固定柵格節點之間的連接建立進行了研究，但并未涉及連接的穩定性并有效地降低業務鏈接的中斷率，下面，我們針對這個問題展開研究。

2　網絡升級策略

正如之前討論的，遷移到靈活柵格技術不能立馬完成；相反，網絡運營商可能選擇先升級出現瓶頸的網絡設備。圍繞這一計劃，各種有意思的問題在下面討論中被提了出來。

問題1：哪個節點應該先升級？

當選擇一個節點（或節點群）來升級時，許多因素應該被考慮到，如網絡拓撲、流量分布、網絡負載、網絡瓶頸等等。為了方便描述，我們從這些參考因素中簡單選取兩個以作說明。根據網絡拓撲的度數的影響，我們可以制定最大度數優先（HDF）策略；根據流量分布的影響，我們可以制定最大流量優先（HTF）策略，具體如下所述：

最大度數優先（HDF）—具有最大節點度數的節點將被優先選擇升級。高節點連通度可能對升級性能有積極的影響，如有較高度數的節點在網絡中連接了更多數目的其他節點，因此有利于業務供應選項。

最大流量優先（HTF）—產生更多流量的節點將優先被升級，讓更多的流量從升級中受益。

問題2：多少個點應該被升級？

盡管最終的目的是遷移整個網絡支持靈活柵格技術，但僅升級部分節點就能消除當前網絡瓶頸。在一個給定的有預定目標（如在某些預定目標下，降低帶寬阻塞率）的場景下，可能導致不同數目的節點需要升級。此外，在網絡規劃場景，升級節點數目對節點選擇決定有重要影響。

問題3：還有什么需要考慮的？

如果我們簡單地遵循上述策略，將節點逐個升級，而沒考慮已升級節點的影響，那么所得到的方案和結論是不完備的。例如，如果我們升級節點的鄰接點是一個靈活柵格節點，那么一個高帶寬和頻譜高效的超信道在這兩點間建立起來了，而當我們升級節點的鄰接節點是一個固定柵格節點時，兩點間的資源分配受固定柵格制約。所以，我們可以說這兩個靈活柵格節點形成了一個“靈活柵格島”，如圖1所示。這樣的“靈活柵格島”能提高網絡升級的性能。更嚴格地說，一個島是網絡節點的子集，其中子集中任意兩個節點可直接互連或通過在相同子集中的節點互連；一個靈活柵格島意味著在這個子集中的每個節點都支持靈活柵格技術。通常，在一個逐漸遷移過程中嘗試形成一個島看起來是一個有效最大化攜帶流量的方法，并且，可以得到一些可行的考慮，如果我們想要創建這類靈活柵格島。

結合上述3個問題，我們對最大流量優先策略作相關優化，并通過仿真驗證得知其性能優于其他一般方法。

圖1　靈活柵格島

3　適應于網絡升級的保護方法

為了保護升級場景中存在的業務，我們提出了一種適應于網絡升級的保護方法（Evolution Adaptive Protection，EAP）。在該方法中，我們通過KSP算法找到若干條路徑，從而得到一對工作和保護路徑，該工作路徑保護對，具有柵格共存不相交特性。這里所述柵格共存不相交特性是指工作路徑和保護路徑中不同時存在需要升級的固定柵格節點。我們通過一個例子來詳細說明該保護方法的工作原理，如圖2—3所示。這是一張9個節點的拓撲，固定柵格節點4、節點8和節點9根據升級策略將被選擇升級為靈活柵格節點。

圖2　9個節點的拓撲示意圖

4　仿真與結果分析

本章介紹拓撲仿真環境、算法的程序實現，并根據仿真結果比較適應于網絡升級場景下的保護方法和傳統保護方法在性能上的差異。

本文將EAP策略嵌入到全光網仿真平臺中，采用NFSNET拓撲，如圖4所示，使用14個節點作為仿真拓撲，在該拓撲上鋪設業務，對保護方法進行了仿真。所有的節點都配備有足夠的轉發器且不具有光波長轉換能力。每條鏈路擁有5 000 GHz的帶寬，與調制碼型有關的比特率/帶寬比設為1調制碼型（Binary Phase Shift Keying，BPSK）。業務到達服從泊松分布，且其數據量在{40, 100, 200, 400}Gbps中產生，其對應的帶寬需求如表1所示。

圖4　仿真拓撲

表1　仿真參數

除此之外，在仿真過程中，我們嘗試了兩個流量模型，例如，均勻流量模型和非均勻流量模型，兩者在結本部分得到充分比較。在這里，我們用帶寬中斷率（Bandwidth Blocking Ratio, BBR）和連接中斷比（Connection Interruption Ratio, CIR）來評價保護方法的性能。

評估結果顯示在圖5（a—f）中。 圖5（a）說明BBR在信道中的變化，隨著一般的PUNG施工方案流量負載而變化。從圖5（a）中我們可以看出，BBR的增長同負載量一同增長。從圖5（b）和圖5（c）中，我們可以看到相似的曲線，這意味著兩種方法具有相似的BBR性能。圖5（d—f）顯示是CIR隨流量負載變化。圖5（d）和圖5（e）的差別告訴我們待升級節點的選擇對CIR的性能有著非常重要的影響。其理由是，在受影響的范圍和網絡遷移過程中的性能改進之間的折衷。從這些數值的結果我們可以總結出，適應于網絡升級場景的保護方法比傳統方法在網絡升級場景下能提供更安全的鏈接，尤其是在均勻流量模型中。

5　結語

針對網絡從固定柵格向靈活柵格升級過程中的網絡流量生存性問題，提出了一種適應于網絡升級場景的保護（Evolution Adaptive Protection, EAP）方法，并在仿真平臺上對該方法進行了仿真驗證。通過仿真結果我們可以發現，本文所提的網絡升級適應的保護方法較傳統的保護方法而言，在網絡升級場景下有著更好的性能表現，尤其是在以業務連接中斷率為考核指標的評價模型里。

圖5　仿真結果

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Research on protection technology in network upgrading scenario

Niu Bin, Li Hao, Wang Congchun
（State Grid Luan Power Supply Company, Lu'an 237006, China）

With the arriving of big data era, WDM based fixed grid optical network has hardly satisfied new requirements. To expand the network capacity and improve the spectrum utilization efficiency of resources has become a hot topic of current research. The evolvement is necessary from existing fixed grid structure to large capacity, high spectrum efficiency network with the flexible grid structure. In this paper, we research the survive ability issue with two optical network coexist, and propose a protection technology applying to the network scenarios, and address the performance evaluation on the simulation platform.

grid heterogeneous; data center optical interconnection; protection technology

鈕彬（1982— ），男，安徽六安，本科，工程師，副經理；研究方向：電力信息通信網絡安全，運行技術。