自動交換光網(wǎng)絡中的路由和波長分配問題

0、引言

　　當前，世界正處在資訊爆炸的時代，Internet是這個時代最重要的催生力量之一，是最具時代代表性和象征性的產物，也是引領人們繼續(xù)向信息高速公路大步邁進的承載體，它有以下特點：

　　a)數(shù)據(jù)流量激增：由于出現(xiàn)了許多新應用，吸引更多用戶，產生更多數(shù)據(jù)量，用戶的平均在線時間越來越長；

　　b)對服務質量要求越來越高：在網(wǎng)絡通信中，數(shù)據(jù)量小、時效性要求不高的內容所占比例越來越小，讓位給一些數(shù)據(jù)量巨大、對服務質量(QoS)要求較高的網(wǎng)絡應用，例如音頻流、視頻流、基于分組的語音和視頻會議、聯(lián)網(wǎng)游戲、客戶/服務器服務等。

　　這些特點對傳送網(wǎng)的傳輸性能、交換性能、管理性能、靈活組網(wǎng)能力、自動保護/恢復等功能提出了更高要求，要求現(xiàn)有傳送光網(wǎng)絡更加智能化。

　　光纖通信技術從同步數(shù)字系列(SDH)發(fā)展到密集波分復用(DWDM)，又即將過渡到全光網(wǎng)絡，其拓撲結構也從最原始的點到點系統(tǒng)發(fā)展到光分插復用設備(OADM)環(huán)，即將發(fā)展到網(wǎng)狀光網(wǎng)絡與光傳送網(wǎng)(OTN)域之間互聯(lián)，其巨大的通信帶寬和相對低廉的價格顯示出強大的傳輸潛力和經(jīng)濟優(yōu)勢。為了進一步挖掘光網(wǎng)絡的潛力，2000年3月，ITU-T提出將自動交換光網(wǎng)絡(ASON)作為智能光網(wǎng)絡的發(fā)展方向，此概念一經(jīng)提出，立即受到國際學術界和工業(yè)界的廣泛關注和認同。

　　ASON在傳輸網(wǎng)中引入控制平面，大大提高了傳送網(wǎng)絡的智能化，縮短業(yè)務建立時間，增強網(wǎng)絡連接管理和故障恢復能力，實現(xiàn)業(yè)務建立/拆除自動化，提供更豐富、功能更強大的業(yè)務類型，開放性和擴展性優(yōu)良，組網(wǎng)形式多元化，靈活便利，能實時建立符合服務等級協(xié)定(SLA)要求的連接。ASON網(wǎng)絡的出現(xiàn)不僅對傳送網(wǎng)發(fā)展有重要而深遠的影響，還將為多業(yè)務光纖傳輸平臺(MSTP)和下一代網(wǎng)絡(NGN)開辟更廣闊的道路。

1、ASON體系架構及路由和波長分配(RWA)環(huán)境

　　1.1　ASON體系架構

　　ASON以各種傳送技術為基礎，支持目前傳送網(wǎng)提供的各種速率和信號特性(格式、比特率等)的業(yè)務。ASON結構的主要特點是支持具有不同業(yè)務種類特性的客戶網(wǎng)元(如IP路由器、ATM交換機等)，向光網(wǎng)絡動態(tài)申請具有各種不同SLA的帶寬資源，根據(jù)網(wǎng)絡中業(yè)務分布模式動態(tài)變化的需求，通過信令系統(tǒng)或管理平面自主建立或拆除光通道，無須人工干預。

　　客戶以業(yè)務等級表述對連接可靠性的不同要求。在ASON中，業(yè)務等級主要通過映射到不同恢復、保護選項和相關連接的優(yōu)先級實現(xiàn)，例如建立優(yōu)先級、保持優(yōu)先級(能否預空閑)、恢復優(yōu)先級。ASON能很方便地劃分業(yè)務電路的優(yōu)先級，可提供有SLA保證的傳輸業(yè)務電路，按服務等級制定相應的資費政策，優(yōu)化資源的使用和配置。

　　ASON技術能使原來復雜的多層網(wǎng)絡結構變得簡單和扁平化，光網(wǎng)絡層可以直接承載業(yè)務，在減少網(wǎng)絡開銷的同時，可避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡業(yè)務升級受到多重限制。

　　ASON的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在組網(wǎng)應用的動態(tài)、靈活、高效和智能化方面。支持多粒度、多層次的智能，提供多樣化、個性化的服務是ASON的核心。ASON由控制平面、管理平面和傳送平面組成。

　　1.2　ASON的演進結構

　　技術背景不同，IP層與光傳送層融合的思路也不同。目前主要有兩種基本網(wǎng)絡演進結構：重疊模型和集成模型。

　　a)重疊模型

　　重疊模型又稱客戶-服務者模型，基本思路是光傳送層特定的控制智能完全由光傳送層獨立實施，無須客戶層干預，客戶層和光傳送層成為兩個基本獨立的智能網(wǎng)絡層。

　　b)集成模型

　　集成模型又稱對等模型或混合模型，基本思路是將IP層用于MPLS通道的選路，信令略作修改后直接用于光傳送層的連接控制。

　　無論采用哪種模型，傳送網(wǎng)的性質都改變不大，都為接入設備所產生的流量矩陣提供傳輸和交換服務。

2、ASON的RWA問題

　　2.1　光技術的進步

　　目前，光技術已能在網(wǎng)絡的端到端之間傳輸光信號，從整體上消除了對電再生的需要。光網(wǎng)絡運營商可以利用以下網(wǎng)絡功能，使傳輸網(wǎng)絡更靈活(IP/MPLS也可使用這些功能)：a)OADM可以將一個給定的波長插入光纖，或移出光纖；b)波長路由可將輸入光纖的波長路由到輸出光纖；c)波長轉換可將一種波長轉換為另一種波長，有無波長轉換能力將影響RWA問題的解決方法；d)光交換可以從一個光纖到另一個光纖進行波長交換。為了理解方便，它們都以靜態(tài)形式予以說明，但實際上都有動態(tài)行為(是隨時間參數(shù)變化的函數(shù))。

　　這些功能元素的出現(xiàn)使得上述網(wǎng)絡功能無須光/電轉換，就可直接在廣域執(zhí)行。目前交換矩陣功能十分有限，光轉發(fā)器不支持所有光波長的全轉換，因此分配光鏈路建立光路徑時，仍須考慮波長連續(xù)性限制。當執(zhí)行客戶請求時，這些限制引入了潛在的擁塞問題。

　　總的來說，光技術的進步使光波長在光域的分插復用、路由、轉換和交換成為可能，這是RWA出現(xiàn)的關鍵，但在某種情況下，是否具備其中某些功能，也成為選擇RWA的限制條件。

　　2.2　RWA問題

　　光路徑的定義是用于連接客戶的光通路，即光通道源節(jié)點與目的節(jié)點之間的通路。一條光路徑可以使用該通路的一個或幾個波長。

　　路由是控制面的一種功能，用于選擇路徑和建立連接，此連接往往穿越一個或幾個傳送網(wǎng)。在傳統(tǒng)IP/MPLS網(wǎng)絡中，路由過程只尋找最優(yōu)化路徑。在光域中，將路由過程稱為RWA問題，它與傳統(tǒng)的IP/MPLS中的路由過程有很大區(qū)別，為了選擇光路徑來滿足流量工程要求，它必須找到光路徑中物理節(jié)點和鏈路(路由子問題)，同時找到該光路徑鏈路上的一個或幾個波長(波長分配子問題)，才能優(yōu)化網(wǎng)絡資源。

　　兩個子問題的解決方法結合起來，就是一個給定流量矩陣所需波長數(shù)目最小化的解決方案。要解決這兩個問題相當困難，需要用試探法。

　　在網(wǎng)絡設計和規(guī)劃過程中，RWA問題應最先考慮，因此大多數(shù)解決RWA問題的算法都基于集中式體系架構，這種架構的整個網(wǎng)絡拓撲是預先知道的。解決RWA問題需要流量矩陣，可通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到。在此階段并沒有考慮動態(tài)問題，若客戶需求是動態(tài)的，就有可能出現(xiàn)擁塞，再也沒有可用波長來滿足客戶請求。

　　RWA問題的解決方法依賴光網(wǎng)絡是否擁有波長轉換能力。不具備波長轉換能力的波長路由網(wǎng)絡稱為選擇性波長(WS)網(wǎng)絡，在這種網(wǎng)絡中，只有當源-宿之間的所有鏈路中都能同時找到可用的相同波長時(波長連續(xù)性約束)，才能建立連接。它對波長的要求較高，出現(xiàn)擁塞的概率也較高。具備波長轉換能力的波長路由網(wǎng)絡稱為可交換波長(WI)網(wǎng)絡，在這種網(wǎng)絡中，每個路由器都配備波長轉換器，路徑的各個鏈路都可使用不同的波長建立光路徑。

　　2.3　路由子問題

　　處理路由子問題有固定路由、固定可選路由和自適應路由3種方法。

　　固定路由方法針對一個源-宿地址對，選擇預先計算設定的路由，每次所選擇的路由都是固定不變的。在固定路由情況下，每次路由申請時，執(zhí)行路由選擇功能的單元可以通過所申請的源-宿地址對，查詢到預先計算設定的路由，盡管網(wǎng)絡中各鏈路的負荷(甚至鏈路的狀態(tài))都與預先計算時不盡相同，但固定路由機制忽略這些不同，每次選擇的路由都固定不變。

　　固定可選路由方法設定一系列預先計算的光路徑與一個源-宿地址對對應，根據(jù)某種判斷法則，從它們中間選擇一條路徑。在固定可選路由情況下，執(zhí)行路由選擇功能的單元通過查詢獲得預先計算設定的一系列路由，然后通過某種判斷準則，從這些路徑中選擇一條路徑作為路由判定的結果。

　　自適應路由方法以某種判斷準則(如最短路徑或最小擁塞路徑(LCP))為依據(jù)，再根據(jù)當前的網(wǎng)絡狀況，動態(tài)選定光路徑。LCP選擇可用波長最多的鏈路組成光路徑。

　　建立在固定路由上的路由選擇方法降低了復雜性，但與自適應路由相比還存在缺點，可能會因為對當前網(wǎng)絡狀況考慮不周，導致連接擁塞較嚴重。固定路由實現(xiàn)起來最簡單，自適應路由能大大提升整個網(wǎng)絡的性能，固定可選路由則提供對計算開銷和網(wǎng)絡性能的折中選擇。

　　2.4　波長分配子問題

　　一旦源節(jié)點為接入連接選定路由，就需要一個分布式預留防議，在選定路由的各鏈路預留合適的波長。對波長分配子問題有許多判決準則：隨機(random)、首次合適法(first-fit)、最少使用法(1east-used)、最多使用法(most-used)、最小乘積法(min-product)、最少負荷法(1east-loaded)、最大和法(max-sum)及相對容量損失法(relative capacity loss)等，每個判決準則都能與不同的路由機制結合使用。

　　2.5　RWA綜合考慮

　　路由功能包括網(wǎng)絡信息分發(fā)和受約束路徑計算兩部分。前者在考慮可測量性的同時，在網(wǎng)絡節(jié)點中分發(fā)拓撲信息和可用的網(wǎng)絡資源信息，后者則致力于提供選擇路徑的優(yōu)化機制。受限路由是一種流量工程工具，根據(jù)QoS需求選擇路徑，目的是提高整個網(wǎng)絡的利用率。路徑選擇機制依賴可用網(wǎng)絡信息的準確性、輸入需求和內部算法。不正確的路徑計算結果將影響連接，因此路徑計算是關鍵，必須確保高效正確。

　　2.6　不精確網(wǎng)絡狀態(tài)信息下的路由

　　以下幾種因素會導致網(wǎng)絡狀態(tài)信息的不確定性：分層網(wǎng)絡中拓撲狀態(tài)的聚合、傳輸時延及觸發(fā)策略(建立觸發(fā)策略的目的是減少信令消息的數(shù)量，這些信令用于更新網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)庫)。為了在動態(tài)網(wǎng)絡中正確實現(xiàn)路由和波長分配，必須找到新的路由機制，在選擇光路徑時，必須考慮網(wǎng)絡狀態(tài)信息的不精確性。在IP域，對路徑選擇過程中不精確路由信息的影響已進行廣泛分析，并提出了一些機制來解決問題，然而，旨在解決光網(wǎng)絡中相似問題的卻不多。

　　考慮到擁塞的可能性，選擇光路徑時，人們對小精確路由信息進行研究，給出了仿真結果。將拓撲信息更新間隔增加到1Os，會產生一定程度的不確定性，仿真結果證實，不精確路由信息下的路由過程會增加固定拓撲的擁塞率。其他一些仿真實驗發(fā)明，鏈路上的光纖數(shù)目發(fā)生變化也會影響擁塞率。要開發(fā)在不精確全局網(wǎng)絡狀態(tài)信息下能工作的新RWA算法，就必須考慮WDM網(wǎng)絡中的動態(tài)連接管理。

　　通過修改光路徑控制機制，能解決路由不精確問題，可以采用基于目的地址路由方法的分布式光路徑控制機制。該機制根據(jù)目的節(jié)點選擇物理路由和波長，增加了中間節(jié)點的重路由能力，避免了光路徑中間節(jié)點所選波長不可用情況下的連接擁塞。這種機制的主要缺點是在建立過程中實時執(zhí)行重路由，波長使用率退化與中間節(jié)點的個數(shù)直接成比例，中間節(jié)點又必須重路由，信令總的使用量沒有減少，RWA判決是基于目的節(jié)點維護的全局網(wǎng)絡狀態(tài)信息，它必須及時更新。

　　為了解決這個問題，研究人員提出了基于旁路的光路由(BBOR)路由算法，假設最普遍最重要的不精確性來源于更新過程。為了保證網(wǎng)絡狀態(tài)信息正確更新，路由協(xié)議必須包括一種更新機制。一般來說，更新機制通過一個觸發(fā)策略實現(xiàn)，該策略定義了何時一個更新消息必須以洪泛形式傳播整個網(wǎng)絡，它既可以基于階段性更新，也可以基于某個極限值。由更新機制引入的精確性損失，主要是為了減少更新報文的數(shù)量。BBOR是一種新的動態(tài)源路由機制，建立在不精確全局網(wǎng)絡狀態(tài)信息基礎上，用于計算不具備波長轉換能力ASON的動態(tài)顯式光路徑，目的是降低在不精確路由信息下執(zhí)行路由和波長分配判決所引入的連接擁塞概率。BBOR主要包括兩大部分：一個是用于RWA問題的觸發(fā)策略，目的是解決信令的路由問題，另一個是為了抵消路由不精確性結果的旁路路由算法，其中的不精確性是路由信令減少所引起的。BBOR的主要特征是：當根據(jù)不精確路由信息計算所得的路徑上出現(xiàn)波長不可使用問題時，建立連接的消息有可能被中間節(jié)點拒絕，該路徑上的幾個節(jié)點可以把建立消息重路由到不同的路徑(旁路路徑)。BBOR以一種與保護和恢復路由算法相似的方式運行。

　　路由機制能有效減少基于電路交互的光核心網(wǎng)絡中不精確路由的影響。光核心網(wǎng)絡建立在包交換基礎上，光路徑選擇過程中必須考慮可用帶寬。要解決這個問題，應重新定義路由機制。

3、結束語

　　ASON是構建新一代光網(wǎng)絡的核心技術之一，其先進技術和組網(wǎng)思路帶來的好處非常明顯。這種新網(wǎng)絡體系將為網(wǎng)絡運營商和服務提供商帶來新的業(yè)務增長點，創(chuàng)造巨大的市場機遇。