光網絡的動態(tài)特性與可擴展性

    摘要：光網絡正從靜態(tài)光網絡逐步演進為動態(tài)和智能的光網絡，在演進過程中，光網絡的動態(tài)特性越來越重要。一些可行的控制管理算法、策略和信令方法在網絡規(guī)模擴大之后性能會嚴重惡化，因此光網絡的可擴展性越來越受到研究者的重視。動態(tài)特性和可擴展性都是網絡發(fā)展的需求，然而二者在存在一定的相互制約，通過建立分層分域的機制可以有效的環(huán)節(jié)這種制約，為實現動態(tài)特性良好、智能化程度高同時可擴展的光網絡提供了可能。

    Abstract:Withtheevolutionof traditional static optical networks towards dynamic and intelligent optical networks, the dynamic characteristics play a very important role in networks. Some control and manage strategies, routing algorithms and feasible signaling methods in limited network scales degenerate while the networks scale up. The scalabilities of optical networks become a hot topic in research. The dynamic characteristics and scalabilities both meet the request of network development while there was a tradeoff between dynamic characteristics and scalabilities in optical network engineering. A hierarchical and multi-domain architecture can help dealing with the problem. This architecture is a possible solution to actualize a scalable optical network with better dynamic characteristics and more intelligence.

    Keywords:dynamicopticalnetwork; scalabilities; dynamic routing; signaling

    基金項目：國家自然科學基金資助項目(6052013029、60572006、2006AA01Z252、2006AA01Z249)

    光網絡作為信息社會主要通信網絡，其所承載的業(yè)務已經由傳統語音(電話)業(yè)務擴展到包括數據業(yè)務(互聯網)、移動語音(移動電話)和電視廣播業(yè)務在內的多個通信業(yè)務領域，成為所有通信系統所依賴的主干通信系統，在信息社會中扮演基礎通信的核心角色。

    光網絡的發(fā)展可以劃分為兩個階段。第一代光網絡以點到點傳輸技術的研究為主要內容，圍繞通信網絡中線路傳輸能力的提高進行研究，取得了大量的研究成果。其代表技術為波分復用(WDM)技術，現在已經達到單光纖25.6 Tb/s的傳輸速率[1]，基本解決了網絡單線路對于通信容量和可靠性的需求。然而，第一代光網絡并沒有解決光網絡組網的問題，信息傳送仍然受到網絡節(jié)點光電轉換和電處理能力的制約，光網絡的組織結構停留在靜態(tài)光網絡的階段。

    第二代光網絡在第一代光網絡基礎上，重點研究光網絡的光組網、智能控制等問題，其研究源動力來自業(yè)務多樣性的發(fā)展和光交換技術的進步。業(yè)務多樣性包括業(yè)務類型的擴展和業(yè)務結構的變化。在網絡承載的業(yè)務中，以IP業(yè)務為代表的數據業(yè)務呈現爆炸性增長。Cisco公司曾預測21世紀的信息網絡將由占99％的數據業(yè)務和占1％的話音業(yè)務所共享[2]。相比傳統語音業(yè)務，新型的業(yè)務具有靈活多變、突發(fā)性強、動態(tài)變化劇烈等特點，為光網絡對多業(yè)務的接納能力及動態(tài)性能提出了更高的要求。另一方面，高速光開關、光交叉連接(OXC)和光分插復用設備(OADM)等光交換設備的發(fā)展和完善，使得在光層實現大容量波長交換和波長信號上/下路成為可能，奠定了光組網的技術基礎。

    在第二代光網絡的研究中，網絡的動態(tài)特性和可擴展性一直是研究的重要內容。為了適應多種業(yè)務的突發(fā)性和靈活性，滿足多種類型業(yè)務的動態(tài)需求，提供自動的保護和恢復功能，光網絡需要動態(tài)地改變網絡配置和組織，高度靈活和智能地實現傳輸資源的配置，從而經濟有效地完成多業(yè)務的傳輸。因此，在光網絡中引入動態(tài)控制和智能控制就成為必然選擇。與此同時，光網絡已經在很大范圍內取得成功應用，光網絡動態(tài)變化的復雜性大大增加，這使得光網絡控制管理算法、策略和信令的性能隨著網絡規(guī)模的擴大可能出現惡化，光網絡可擴展性越來越大地影響光網絡整體性能，而成為研究人員關注的重要內容。本文以光網絡動態(tài)特性和可擴展性分析和研究為切入點，探討了光網絡動態(tài)性能和可擴展性的內在聯系，為新一代光網絡的研究提供技術參考。

    1  光網絡的動態(tài)特性

    光網絡發(fā)展到第二代，由于承載業(yè)務的變化和光層交換技術的發(fā)展，逐步由靜態(tài)光網絡走向動態(tài)光網絡。網絡之所以引入動態(tài)機制，其重要目的是實現網絡的智能化，從而減少光網絡運營過程中的管理成本，提高網絡資源使用效率和網絡可靠性。這種動態(tài)性集中體現在網絡啟動過程中自動的對網絡元件進行初始化，在網絡運營過程中針對業(yè)務模式進行動態(tài)的資源分配和業(yè)務管理，在發(fā)生故障時自動的進行業(yè)務恢復工作3個主要方面。如圖1所示。

    在動態(tài)光網絡的研究中，自動交換光網絡[3](ASON)具有代表性。ASON的體系結構已經由國際電信聯盟(ITU)制訂了詳細的標準體系。與此同時，由IETF提出了以廣義標簽交換[4](GMPLS)為核心的系列標準草案系列，也為自動交換光網絡的具體實現規(guī)劃了切實可行的技術解決方案。在ASON中，在原有光網絡傳送平面和管理平面之外，引入智能化的控制平面，將網絡自動控制納入網絡體系結構，在控制平面實現了動態(tài)的資源配置、智能化的業(yè)務請求處理等功能，控制平面的引入具有重要的意義，標志著光網絡由靜態(tài)向動態(tài)和智能的轉變。其體系結構如圖2，其中數據通信網(DCN)作為管理消息和信令消息的傳輸網，在網絡動態(tài)過程中發(fā)揮了信令網絡的重要作用?？刂破矫婧蛡魉推矫嬷械膶泳W絡分別是指在控制平面上的分層網絡和傳送平面上的分層網絡。

 

    從網絡對IP業(yè)務的適應和承載能力出發(fā)，研究人員又提出了一種兩層網絡體系結構——IP-over-WDM體系結構[5]。IP-over-WDM體系結構將原有的較為復雜的IP層到WDM層逐步映射的網絡結構簡化為IP直接構建在WDM光層之上的兩層結構[6-7]。兩者的結構對比如圖3所示。

    ASON和IP-over-WDM并不是獨立的兩種網絡體系結構，它們具有相似的控制平面和業(yè)務傳輸過程。后者在前者的基礎上提出了業(yè)務結構分層的問題，是面向IP業(yè)務的體系，可以認為是ASON的一個改進。這兩種體系的光網絡都具有動態(tài)光網絡的典型特征。

1.1光網絡自動啟動

    第一代靜態(tài)光網絡的啟動過程需要進行復雜的網絡配置，包括節(jié)點光電交換線路的連接方式、上下話路配置、光交叉互聯配置和路由表的初始設置等。在第二代光網絡中，通過自動啟動機制，實現了節(jié)點、鏈路等網絡資源的自動發(fā)現[8]，并以此為基礎實現路由表的自動初始化。

    自動發(fā)現是光網絡通過信令協議實現網絡資源的自動識別。自動發(fā)現包括網絡資源和網絡業(yè)務的自動發(fā)現兩個方面，后者在IP-over-WDM網絡體系中十分重要。因為業(yè)務的情況決定著光通道建立的情況以及虛拓撲[9]的狀態(tài)，這對IP業(yè)務的路由具有重要的意義。自動發(fā)現不僅僅發(fā)生在網絡啟動時期，在整個網絡運行過程中，隨著網絡節(jié)點或者鏈路資源的變化，自動發(fā)現機制仍然起著重要作用，在此基礎上實現了網絡拓撲的發(fā)現和狀態(tài)的更新。

1.2光網絡動態(tài)運行

1.2.1光網絡業(yè)務動態(tài)建立和拆除過程

    現有光網絡所承載的業(yè)務基于有連接的電路交換，動態(tài)建立和拆除業(yè)務通道的過程是動態(tài)光網絡信令的核心內容。關于業(yè)務建立和拆除過程，研究普遍關注業(yè)務建立和拆除的成功率或失敗率。在動態(tài)光網絡中，對于網絡資源已經被大量占用情況下的網絡性能，一般以阻塞率來衡量。光網絡中的阻塞是指業(yè)務請求沒有得到正確的資源分配或路徑建立發(fā)生錯誤，從而停止接納某一業(yè)務的過程，也就是建立路徑失敗的過程。

    另一個重要的動態(tài)特性是信令過程消耗時間。在網絡中，呼叫和建立的時間是不傳送數據的，因此希望該時間越短越好，從而能夠適應快速變化的業(yè)務需求。建路或拆路的信令過程所經歷的時間是度量網絡動態(tài)特性的重要指標。針對自動交換光網絡，ITU-T專門制定了相應的信令協議標準[10]。

    動態(tài)業(yè)務建立和拆除過程可以使用不同的信令協議來實現。其中，以支持流量工程的資源預留協議[11](RSVP-TE)最為典型。該協議軟狀態(tài)管理路由器的預留狀態(tài)，可以實現控制平面與傳送平面的完全分離，具有較好的靈活性。類似的協議還有約束路由標記分配協議[12](CR-LDP)，具有相似的功能，但其應用沒有RSVP-TE廣泛。

1.2.2光網絡動態(tài)路由

    光網絡動態(tài)路由功能是第二代光網絡控制平面的核心，是網絡動態(tài)性能的最直接體現。在承接動態(tài)業(yè)務和建立動態(tài)路徑的過程中，路由功能模塊首先對接入業(yè)務進行分析，特別是對服務質量(QoS)進行分析，然后查找動態(tài)路由表表項，綜合考慮業(yè)務要求、網絡狀態(tài)變化、資源利用率和負載均衡等多種因素，進而計算出業(yè)務路由，并將路由結果告知業(yè)務建立即信令模塊最終實現業(yè)務的接納。因此，在動態(tài)光網絡中，路由模塊不僅僅完成簡單的路徑選擇，而是在選擇的過程中綜合考慮了包括服務質量、資源利用、負載均衡、公平性等多個因素。

    在動態(tài)光網絡中，光節(jié)點所保存的路由表承擔路由數據庫的作用。該路由表除了包括基本的路由路徑外，還包括路由要用到的網絡現有的狀態(tài)參數。該路由表由光網絡所在路由域內的節(jié)點交換自動發(fā)現的信息和其他信息來確定。在同一路由域中，所有節(jié)點路由表必須滿足一致性，即必須符合共同的滿足該路由域的現有網絡狀態(tài)。在多個節(jié)點間傳遞這種網絡狀態(tài)信息直接影響路由表的性能和路由收斂情況。

    在動態(tài)光網絡中，網絡狀態(tài)信息可以分為準靜態(tài)和動態(tài)兩種。準靜態(tài)信息不會由于業(yè)務操作而變化，主要包括鄰居關系、鏈路帶寬等鏈路特性、共享風險組等。這些信息主要通過自動發(fā)現機制收集而來。動態(tài)信息會由于業(yè)務操作的變化而發(fā)生變化。例如鏈路可用帶寬，IP-over-WDM的光通道。在動態(tài)光網絡中，準靜態(tài)信息可以通過非頻繁的路由發(fā)布實現，而動態(tài)信息則需要隨著業(yè)務連接的操作而快速的更新，以允許新的業(yè)務根據當前的網絡狀態(tài)進行動態(tài)路由選擇。因此，動態(tài)信息的發(fā)布可能直接影響網絡中信令的流量，甚至可能帶來信令網的擁塞。

    對于面向IP業(yè)務的、智能化的光網絡，從實現更智能、資源更合理分配和利用、業(yè)務保證更為完善的角度出發(fā)，動態(tài)信息應該越豐富越好，因為動態(tài)信息攜帶的是網絡實時的狀態(tài)，可以為路由優(yōu)化提供最準確的數據；然而，從加快路由收斂速度，減少信令風暴，減少路由不穩(wěn)定因素的角度出發(fā)，則希望動態(tài)信息越少越好。動態(tài)信息的減少，可以加快網絡對資源變化的更新速度和適應能力，快速地路由收斂?？傮w而言，網絡狀態(tài)信息量和資源更新速度之間存在折中，后者更是關系到網絡可擴展性。因此，路由設計中必須綜合考慮這些因素，依據實際網絡需求制定相應的路由參數。

1.3光網絡動態(tài)恢復

    光網絡業(yè)務的動態(tài)恢復涉及到網絡生存性設計。網絡的生存性[13]定義為在網絡中出現業(yè)務失效后仍然能夠持續(xù)提供業(yè)務供給的能力。在光網絡中，一個完整的生存性體系應該包括4個部分: 故障的發(fā)現、定位、聲明和解除。

1.3.1光網絡動態(tài)故障發(fā)現、定位與聲明

    故障發(fā)現是動態(tài)生存性機制的第一步。光網絡以自動發(fā)現機制實現網絡故障的發(fā)現、定位和報告功能。自動發(fā)現模塊檢測到故障發(fā)生后，對網絡狀態(tài)進行路由域內的廣告，從而為全網發(fā)送故障位置以及其他基本狀態(tài)。

1.3.2光網絡業(yè)務動態(tài)恢復策略

    在動態(tài)光網絡中，對故障導致的業(yè)務失效進行動態(tài)的快速恢復是網絡生存性的主要體現。

    其解除故障的方法主要包括保護策略下的快速倒換和恢復策略下的重新路徑選擇，生存性體系結構如圖4。

    對于保護策略而言，動態(tài)光網絡只需要在故障檢測后倒換相應的光開關。

    而對于恢復策略，網絡必須對故障檢測后的網絡狀態(tài)進行重新評估，得到由于故障更新過的網絡狀態(tài)信息，在此基礎上重新路由，以實現相應的通道恢復或鏈路恢復。

2  動態(tài)光網絡的可擴展性

    隨著光網絡規(guī)模的進一步擴大和動態(tài)要求的進一步提高，光網絡的可擴展性越來越受到研究人員的重視?？赏卣剐钥梢远x為網絡某一性能隨網絡規(guī)模擴大而惡化的情況。在動態(tài)光網絡中，路由協議的收斂性能、信令網的流量、對故障的響應等性能都可能隨網絡規(guī)模的擴大而快速的惡化。對于一般網絡，為了解決其可擴展性惡化的問題，主要可以從兩個可能的方向改善：一是網絡狀態(tài)的簡單化，二是采用合理的分層分域結構。

2.1光網絡核心路由器狀態(tài)的簡化

    光網絡核心路由器狀態(tài)的簡化，意味著網絡狀態(tài)交互信息的減少，網絡狀態(tài)廣播內容的大量精簡，因此可以大大提高網絡的可擴展性。從這個角度出發(fā)，無連接的光分組交換(OPS)和光突發(fā)交換(OBS)具有較好的可擴展性。

 

 2.1.1光分組交換

    分組交換光網絡大大減少了實現光網絡主干網所需要的網絡狀態(tài)，實現了統計復用的光分組交換網絡，能實現光層上精細粒度的分組交換，提高了資源利用率，適合傳輸IP突發(fā)數據。其路由器過程包括對分組包分析、存儲和轉發(fā)。路由器只需要通過準靜態(tài)網絡狀態(tài)消息構建的路由表就可以實現分組的交換結構。然而，光存儲技術目前還沒有成熟，光分組交換在一段時間內還不可能進入工程應用。

2.1.2光突發(fā)交換

    光突發(fā)交換[14]網絡結合了光電路交換和光分組交換各自的優(yōu)勢。在光突發(fā)交換網絡中，控制信道和數據信道是分離的。網絡首先在邊緣節(jié)點將比較小的IP 分組組裝成一個大的突發(fā)分組，在發(fā)送突發(fā)分組前，通過控制信道預先發(fā)送一個控制分組在途經的每個核心節(jié)點預約資源，一定的偏置時間后，節(jié)點再發(fā)送突發(fā)數據分組。這種機制避免了光電路交換路由器狀態(tài)的長期維護，適應IP業(yè)務突發(fā)性強的特點，是在OPS技術成熟前一種可行的增強光網絡可擴展性的交換結構。

2.2光網絡分層分域

    在現有光網絡電路交換為主要交換結構的模式下，為了提高網絡可擴展性，將現有的網絡分層和分域，構建較小的路由域，可以有效地減少由于網絡規(guī)模擴大帶來的動態(tài)性能的惡化。該技術中最重要的機制包括網絡路由域的劃分、分層結構的劃分與動態(tài)管理、業(yè)務請求的分層多域路由以及網絡信令過程。

    以自動交換光網絡為例，采用分層分域結構的光網絡可以有效的降低信令開銷，提高了網絡的可擴展性。文獻[15]針對分層分域網絡結構設計的RSVP-TE算法有效地提高了光通道的建立速度。清華大學ASON試驗平臺[16]上實現了分層分域路由和信令系統，通過在平臺上的測試，采用分層分域可以有效的減少信令信息的流量[17]，間接證實了分層分域可以提高網絡可擴展性。

3、光網絡動態(tài)特性與可擴展性的內在聯系

    光網絡動態(tài)特性是光網絡智能化的體現，光網絡智能來自于每一個節(jié)點都擁有足夠的網絡信息而成為智能光節(jié)點。從網絡智能的角度看，這種網絡狀態(tài)信息越充分，通過各種算法達到網絡最優(yōu)情況的可能性越大，光網絡所體現出來的智能性就越強。因此，靈活而智能的光網絡傾向于網絡狀態(tài)的多樣化和復雜化，傾向于充分的網絡狀態(tài)信息在各個節(jié)點之間的交互。

    網絡的可擴展性是網絡本身基本特性之一。在網絡中，網絡狀態(tài)參數越多，在節(jié)點間交互的網絡狀態(tài)參數越多，網絡的過程越復雜，可擴展性也越差。也就是說，隨著網絡規(guī)模的擴大，由于網絡狀態(tài)過多，節(jié)點交互參數過多，會導致網絡操作產生計算復雜性太高或操作收斂時間過長的問題，也因此導致網絡性能的急劇惡化。

    綜合上面的分析，網絡的智能化和動態(tài)特性的發(fā)展和網絡可擴展性在很多場合下是相互制約的?？尚械木徍瓦@種制約關系方法是建立分層和分域的機制。使得在域內以動態(tài)特性即網絡智能化為主要設計導向，實現網絡動態(tài)性能的提高；同時，在域間以可擴展性為主要目標，簡化域間狀態(tài)的傳遞和信令過程，從而提高網絡可擴展性。

 4  結束語

    在向智能光網絡演進的過程中，動態(tài)光網絡越來越多地扮演舉足輕重的地位。光網絡自動啟動、動態(tài)路由和動態(tài)資源優(yōu)化、動態(tài)運行中的信令傳輸、自動恢復等動態(tài)過程是智能光網絡智能控制、智能管理的集中體現。與此同時，動態(tài)光網絡中部分方法隨著光網絡規(guī)模的擴大迅速的失去了其動態(tài)智能的優(yōu)勢，性能發(fā)生惡化，暴露出光網絡可擴展性這個嚴肅命題。

    網絡動態(tài)特性與可擴展性存在一定制約關系，分層分域可以有效的緩和這種相互制約，是未來光網絡發(fā)展的重要方向。

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作者簡介：

    萬辛，清華大學電子工程系在讀博士研究生，研究方向為下一代光網絡體系結構、IP-over-WDM、智能光網絡及其資源優(yōu)化、生存性等。鄭小平，清華大學電子工程系教授，從事光纖傳輸與網絡的教學與科研工作。先后承擔或參與了4項國家“863”計劃項目、2項國家自然科學基金重大項目；申請國家發(fā)明專利8項、其中4項已獲授權；在國內外核心刊物上發(fā)表論文50余篇，其中SCI雜志17篇，EI雜志43篇。 張漢一，清華大學電子工程系教授、博士生導師，科研重點為光纖通信器件及系統。開展了可調諧外腔半導體激光器、可調諧濾波器、波分復用光通信系統、光交換、波長轉換技術、WDM全光通信網絡器件及系統等研究，完成鑒定成果10余項。已發(fā)表論文近200篇，專利10余項，獲得國家科技進步獎、國家發(fā)明獎、國家教委科技進步獎等獎勵8項。