下一代光網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)淺析

黃麗麗,劉云飛

1河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院；2河北工程大學(xué)科信學(xué)院

下一代光網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)淺析

黃麗麗1,劉云飛2

1河北工程大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院；2河北工程大學(xué)科信學(xué)院

隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)也越來越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)也在逐步擴(kuò)張，光網(wǎng)絡(luò)向著多域多層的方向發(fā)展。本文的出發(fā)點(diǎn)是下一代光網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的發(fā)展歷程，分析了光網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)存在的問題，并重點(diǎn)探討了多層多域光網(wǎng)絡(luò)中引發(fā)問題的原因，同時(shí)對(duì)基于PCE（路徑計(jì)算單元）的多層多域光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了解析。

光網(wǎng)絡(luò)；路由技術(shù)；PCE

現(xiàn)今，隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的規(guī)模的擴(kuò)張，寬帶業(yè)務(wù)及大數(shù)據(jù)的需求也在加大，信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的規(guī)模也越來越大，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展向多域、多變性、實(shí)時(shí)性、智能化演進(jìn)。云存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)以及大容量文件的傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)的應(yīng)用越來越廣泛。與此同時(shí)，用戶對(duì)服務(wù)保障的高質(zhì)量需求也越來越高，而現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)的控制與管理層面遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了當(dāng)前的需求，這對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)和資源配置提出了挑戰(zhàn)。

下一代網(wǎng)絡(luò)是在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上提供多媒體業(yè)務(wù)，并統(tǒng)一管理。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)包括突發(fā)性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、多樣性等特點(diǎn)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在高速、大數(shù)據(jù)容量的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，一旦有網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生，如果不能及時(shí)修復(fù)的話，必然會(huì)會(huì)引起傳輸數(shù)據(jù)的丟失。因此為避免造成重大影響和嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的現(xiàn)象出現(xiàn)，建造高可靠性和生存性的下一代光網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問題。

1 光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，已陸續(xù)提出ASON（自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)）、WSON（波長交換光網(wǎng)絡(luò)）等概念。ASON的光網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)靈活性、可擴(kuò)展性，并且能夠直接在光層上提供一系列服務(wù)。ASON在原有的管理平面和傳送平面的基礎(chǔ)上，添加了控制平面，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)發(fā)現(xiàn)。在用戶發(fā)出請(qǐng)求業(yè)務(wù)之后，自動(dòng)進(jìn)行選擇路由的操作，通過信令來實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連接的建立、修改和拆除等操作。WSON是IETF標(biāo)準(zhǔn)組織倡導(dǎo)的全光網(wǎng)絡(luò)的智能波分標(biāo)準(zhǔn)，不僅實(shí)現(xiàn)了波長的動(dòng)態(tài)分配，還解決了信令協(xié)議擴(kuò)展、避免波長沖突和物理損傷等一系列的問題。

2 多層多域光網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)

隨著光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，出現(xiàn)了一系列的各類問題。比如網(wǎng)絡(luò)的共享資源使用率高；對(duì)一些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備帶來很大的沖擊；網(wǎng)絡(luò)的管理和控制也會(huì)有困難；還有網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度和使用、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡，光網(wǎng)絡(luò)的生存性等等。這些問題將讓光網(wǎng)絡(luò)更側(cè)重于多層化和多域化的發(fā)展方向。因此，多層多域光網(wǎng)絡(luò)是大勢(shì)所趨，其體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)已是當(dāng)前研究領(lǐng)域的熱門課題。

目前的多控制域的路徑計(jì)算仍沒有廣泛應(yīng)用，路由技術(shù)均側(cè)重于在域內(nèi)進(jìn)行，那如何實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，這是光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要主題之一。一些多約束的計(jì)算場景包括：考慮光路約束條件的最優(yōu)路徑的計(jì)算；考慮時(shí)延、物理損傷約束條件的路徑計(jì)算；基于鏈路利用率的徑路計(jì)算等等。在這種多約束條件下，由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，路由器很難執(zhí)行相應(yīng)的路徑算法。另一方面，流量工程數(shù)據(jù)庫的維護(hù)也需要占用CPU的資源來進(jìn)行計(jì)算。光網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議沒有能力構(gòu)建實(shí)時(shí)的、完整的全網(wǎng)流量工程數(shù)據(jù)庫[1]。

光網(wǎng)絡(luò)的多層多域之間很難計(jì)算出基于約束的最優(yōu)路由，目前的技術(shù)對(duì)于解決大量光網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒑投鄬佣嘤蚬饩W(wǎng)絡(luò)的路由計(jì)算問題存在局限性。IETF工作組于2006年提出了的PCE（路徑計(jì)算單元）架構(gòu)有效的解決了當(dāng)前多層多域光網(wǎng)絡(luò)計(jì)算最優(yōu)路由的路徑計(jì)算問題，尤其是有約束條件的路徑的選擇問題。PCE架構(gòu)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能實(shí)體，特點(diǎn)是體系結(jié)構(gòu)十分靈活，不僅能嵌入到管理平面，也能融合到智能網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，適用于各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

3 路徑計(jì)算單元PCE的關(guān)鍵技術(shù)

（1）跨域路由

在基于PCE架構(gòu)的GMPLS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，域間流量工程的分層提供商可以在自治系統(tǒng)中使用PCE架構(gòu)，是可以和其他模型進(jìn)行協(xié)作的。PCE架構(gòu)計(jì)算出的是從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，可以是顯式路徑，也可以是松散路徑。PCE架構(gòu)有集中式的和分布式兩種。集中式的PCE對(duì)應(yīng)的是集中式的計(jì)算模型。而分布式的計(jì)算模型則需要多個(gè)PCE來進(jìn)行路徑的計(jì)算。域間的路徑計(jì)算和各個(gè)域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒍际蔷o密相關(guān)的，因此，PCE架構(gòu)更適合光網(wǎng)絡(luò)域間的路徑計(jì)算。

IETF工作組為了解決上述問題，提出了基于PCE架構(gòu)的BRPC（后向回溯算法）的思想。在BRPC的過程中，計(jì)算出從目的域到源域的最優(yōu)路徑，于此同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)路徑選路的信息加入到流量工程數(shù)據(jù)庫中，最終PCE會(huì)收到虛擬最短路徑樹[2]。

（2）路由與波長分配

在多層多域光網(wǎng)絡(luò)中，RWA問題也是路由的選路過程。在設(shè)計(jì)和規(guī)劃大規(guī)模的多層多域網(wǎng)絡(luò)時(shí)，最應(yīng)該先考慮的就是RWA（路由與波長分配）問題。傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)是通過信息的廣播來匯集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留的使用情況，同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新到流量工程數(shù)據(jù)庫中，這樣一來，就會(huì)出現(xiàn)信息量大，各控制平面節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)同步等問題。將PCE引入到光網(wǎng)絡(luò)中，它提供集中式的路徑計(jì)算，并將路徑計(jì)算模塊從ASON的控制平面中獨(dú)立出來，使得波長路由光網(wǎng)絡(luò)的RWA問題得到優(yōu)化，從而可以充分利用波長資源，大大降低了帶寬數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)生阻塞的概率。

在基于PCE架構(gòu)的光網(wǎng)絡(luò)中的RWA方案中，PCE主要進(jìn)行光網(wǎng)絡(luò)路由的計(jì)算，信令協(xié)議機(jī)制則負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)波長的分配。而路由和波長分配可以分為融合的RWA、分離的RWA和分布式的RWA模式。不同模式下可以選擇與其對(duì)應(yīng)的預(yù)留資源和RWA算法結(jié)合使用。

（3）資源預(yù)留模式

由于波長資源的資源預(yù)留請(qǐng)求是用流的描述符來表示，由接收方發(fā)起并傳送給上游，以至于在資源預(yù)留的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)資源的收集與預(yù)留過程存在時(shí)差，會(huì)出現(xiàn)不同步的現(xiàn)象，由此引發(fā)預(yù)留資源的沖突。在基于PCE的DWA模型里，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常會(huì)預(yù)留主用波長和備用波長。PCE進(jìn)行路徑計(jì)算時(shí)，一旦主用波長發(fā)生沖突，出現(xiàn)無法使用的情況，則直接使用備用波長，這樣就提升了波長資源預(yù)留的利用率，也降低了鏈路資源請(qǐng)求的阻塞率。

4 結(jié)論

絡(luò)中，ASON、WSON、PCE架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化研究在國內(nèi)也取得了一定的進(jìn)展。

[1]張力方.基于GMPLS的多層多域智能光網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué).2011

[2]J.P.Vasseur,Ed,R.Zhang,et al.A Backward-Recursive PCEBased Computation（BRPC）Procedure to Compute Shortest Con?strained Inter-Domain Traffic Engineering Label Switch Paths. RFC5441,April 2009

[3]NAN H.XIAOPING Z.Review and Outlook of the Development Course of Intelligent Option Networks:from ASON to PCE and then to SD-EON[J].Telecommunications Science,2014,30（2）:88-98

如今，光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)于容量、帶寬、數(shù)據(jù)、能耗、業(yè)務(wù)、生存性等諸多方面都要考慮到，這就給我們的研究工作帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，因此對(duì)光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的研究迫在眉睫[3]。PCE架構(gòu)是獨(dú)立的功能實(shí)體，能減輕核心控制器CPU的負(fù)荷，從而有效解決了域間、域內(nèi)、多層的端到端的路由計(jì)算。目前在多層多域光網(wǎng)

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（F2017402068）、河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究青年基金（QN2016090）。

黃麗麗（1985-），女，河北邢臺(tái)人，碩士，現(xiàn)主要從事光網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的研究工作。