IP 網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)與快速恢復(fù)

侯立民

北方交通大學(xué)

　　　摘 要 Internet 的用戶規(guī)模增長(zhǎng)及其多媒體實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的涌現(xiàn)對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)的可生存性提出新的要求。本文主要討論保證IP網(wǎng)絡(luò)可生存性的保護(hù)與快速恢復(fù)技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞 可生存性 保護(hù) 快速恢復(fù)

1 引言

　　隨著Internet的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的人們特別是商業(yè)用戶將這一網(wǎng)絡(luò)作為提供協(xié)同工作、電子商務(wù)、教育和休閑娛樂(lè)的一條便捷途徑。對(duì)于商業(yè)用戶而言，即使短時(shí)間的業(yè)務(wù)中斷也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。如何防止業(yè)務(wù)中斷或者在中斷不可避免時(shí)將業(yè)務(wù)的損失降至最低成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，IP網(wǎng)絡(luò)的可生存性成為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中必須考慮的一個(gè)方面。網(wǎng)絡(luò)的可生存性是指出現(xiàn)故障時(shí)網(wǎng)絡(luò)提供持續(xù)業(yè)務(wù)的能力，它是通過(guò)保護(hù)和恢復(fù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如何使IP網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)越來(lái)越多的具有實(shí)時(shí)和業(yè)務(wù)級(jí)要求的應(yīng)用成為當(dāng)前業(yè)界、研究界共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。在這方面現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)路由技術(shù)與TCP可靠傳輸機(jī)制的結(jié)合已可使IP網(wǎng)絡(luò)具有很好的可生存能力。但是IP動(dòng)態(tài)路由過(guò)程一般需要幾十秒鐘，難以滿足IP實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的QoS要求。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益擴(kuò)大使這一問(wèn)題更加嚴(yán)重。再者，對(duì)于大規(guī)模的ISP而言，其核心網(wǎng)絡(luò)是由光鏈路（2.5Gbit/s、10Gbit/s或更高容量）互連的路由器構(gòu)成，每一條鏈路上都承載著巨大的業(yè)務(wù)量，鏈路或路由器故障會(huì)引起嚴(yán)重的業(yè)務(wù)損失。最近發(fā)生的中美海底電纜中斷對(duì)Internet用戶所帶來(lái)的影響之嚴(yán)重是眾所周知的。因此，要滿足用戶對(duì)業(yè)務(wù)可靠性、可用性、完整性的需求，引入更快更強(qiáng)的保護(hù)和恢復(fù)技術(shù)，使IP網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的可生存性，對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)而言已越來(lái)越重要。

　　目前，研究界和業(yè)界都在致力于這方面的研究，提出很多新的方案。其中有基于IP層的技術(shù)，如多路徑負(fù)載分擔(dān)、多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）等；也有基于底層光網(wǎng)絡(luò)的方案，如利用SDH的APS功能，利用WDM的波長(zhǎng)保護(hù)功能等；更有一些新的技術(shù)，如多協(xié)議波長(zhǎng)交換（MPLmS）等可以促進(jìn)IP與光網(wǎng)的融合。據(jù)Cisco的Chris Metz預(yù)言這些技術(shù)的結(jié)合將使IP網(wǎng)絡(luò)達(dá)到電信網(wǎng)所要求的99.999%可用性成為可能。

2 保護(hù)與恢復(fù)

　　保護(hù)與恢復(fù)都是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，將故障連接/設(shè)備上的業(yè)務(wù)流導(dǎo)向備用連接/設(shè)備，從而保證業(yè)務(wù)連續(xù)性的技術(shù)，二者的主要區(qū)別在于對(duì)備用路徑的選擇方式上。保護(hù)是在建立連接或規(guī)劃設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，也就是在網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生之前，預(yù)留專門(mén)用于保護(hù)的網(wǎng)絡(luò)資源，因而這種方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的利用率低，但可以保證100%的業(yè)務(wù)恢復(fù)和較快的業(yè)務(wù)恢復(fù)速度，例如SDH的自動(dòng)保護(hù)切換（APS）和自愈環(huán)（SHR）均屬此類方式。而恢復(fù)是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)地尋找具有空閑容量的網(wǎng)絡(luò)資源，不需要預(yù)留資源，但有可能出現(xiàn)當(dāng)故障發(fā)生時(shí)無(wú)空閑資源可用的情形，從而導(dǎo)致無(wú)法保證100%的業(yè)務(wù)恢復(fù)，并且所需的恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，如IP動(dòng)態(tài)路由過(guò)程。

　　對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)中的設(shè)備）、兩個(gè)直接相鄰節(jié)點(diǎn)間的鏈路或端到端路徑均可實(shí)施保護(hù)或恢復(fù)，來(lái)保證全網(wǎng)的可生存性。對(duì)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)設(shè)備主要采用冗余配置（如1:1或1:Ｎ）保護(hù)切換方案。對(duì)于鏈路或路徑的保護(hù)可以采用保護(hù)或恢復(fù)的方式，方案的選擇主要依據(jù)所需保證的業(yè)務(wù)恢復(fù)程度、恢復(fù)速度與備用資源可用性及代價(jià)進(jìn)行折衷判決。

　　IP網(wǎng)絡(luò)中備用路徑選擇的優(yōu)劣和快慢與路由器拓?fù)鋽?shù)據(jù)的精確程度、網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和拓?fù)湫问街苯酉嚓P(guān)。實(shí)際上，路徑選擇收斂過(guò)程是某種形式的“信令”（因?yàn)橥負(fù)湫畔⒈仨氃诰W(wǎng)中傳遞），會(huì)延長(zhǎng)恢復(fù)過(guò)程。因此在鏈路和路徑層上，就業(yè)務(wù)的快速恢復(fù)而言，理想的做法當(dāng)然是采用保護(hù)方案，預(yù)先建立備用路徑，以便檢測(cè)到主用路徑上故障后可以立即倒換至備用路徑上。但這是以網(wǎng)絡(luò)資源利用率的降低為代價(jià)的。因而對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)、以及IP-over-SDH或IP-over-WDM等引入光網(wǎng)絡(luò)傳送能力的網(wǎng)絡(luò)而言，需針對(duì)核心網(wǎng)與邊緣網(wǎng)，基本業(yè)務(wù)與增值業(yè)務(wù)等的不同特點(diǎn)與需要，確定不同的方案來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)的生存性。

3 IP層保護(hù)與恢復(fù)方案

3.1 IP動(dòng)態(tài)路由——傳統(tǒng)的IP恢復(fù)方案

　　采用IP的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議可以動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)可連接的處于工作狀態(tài)的路由器，使得IP路由可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)的故障自適應(yīng)。動(dòng)態(tài)路由是通過(guò)在相鄰的路由器之間交換控制信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這里所說(shuō)的控制信息是指刷新路由器的路由表所需的信息。這種路由方式可以保證在鏈路或節(jié)點(diǎn)故障時(shí)對(duì)IP分組重新選路。該協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)具有與物理層無(wú)關(guān)的可生存性。

　　故障檢測(cè)一般有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是由本地路由器檢測(cè)到故障后，利用路由控制消息協(xié)議(如ICMP，Internet Control Message Protocol）通知鄰近的路由器。另一種故障檢測(cè)方式是利用某些背景消息（如Keepalive和Hello）的計(jì)時(shí)器的超時(shí)來(lái)通告故障的出現(xiàn)。路由器得知故障出現(xiàn)后，重新計(jì)算受影響的路由，刷新它的路由表，利用OSPF或BGP-4協(xié)議的UPDATE消息向鄰近路由器通告發(fā)生的變化，最終各路由器收斂到統(tǒng)一的路由之上。

　　動(dòng)態(tài)路由協(xié)議可以有效地利用網(wǎng)絡(luò)的空閑資源，靈活地對(duì)拓?fù)渥兓�做出反�?yīng)。但是所需的恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，一般為幾十秒至幾分鐘，行為不可預(yù)測(cè)。

3.2 改進(jìn)的IP恢復(fù)方案

　　1. ECMF

　　為了縮短恢復(fù)時(shí)間，多路徑的拓?fù)湓O(shè)計(jì)引入到某些應(yīng)用之中。冗余路徑的設(shè)計(jì)為故障出現(xiàn)時(shí)重選其他路由提供可能，但是需要更大的設(shè)備投資。為了提高設(shè)備利用率，也可以采用在主備用路徑之間分擔(dān)負(fù)荷的方式，即所謂的“等代價(jià)多路徑轉(zhuǎn)發(fā)”（ECMF）。OSPF、IS-IS等路由協(xié)議支持ECMF，不過(guò)采用ECMF意味著每個(gè)路由器都需要在轉(zhuǎn)發(fā)表中為同一目標(biāo)地址保存多個(gè)下一跳表項(xiàng)。

　　對(duì)于路徑的選擇有兩種方法供使用，即基于分組的循環(huán)方式和基于流的方式。前一種方式是在分組的基礎(chǔ)上輪流使用每條路徑，同一個(gè)流的分組從不同路徑傳送所經(jīng)歷的時(shí)延不同。致使接收方增加了重新排序的負(fù)擔(dān)，并且吞吐量也會(huì)下降。后一種方法根據(jù)分組頭中的源、目的地址計(jì)算散列（Hash）找到一個(gè)特定的通往目的地的下一跳。每一特定流中的全部分組都經(jīng)由同一路徑，從而使網(wǎng)絡(luò)具有更好的穩(wěn)定性。

　　ECMF方法不僅對(duì)于負(fù)荷均衡有利，而且一定程度上有利于業(yè)務(wù)保護(hù)與恢復(fù)。當(dāng)一條路徑上出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)/鏈路故障時(shí)，至少還有一部分?jǐn)?shù)據(jù)包可沿其他路徑繼續(xù)傳送至目的地。這些保持正常狀態(tài)的工作路徑可以繼續(xù)使用，直到IP路由收斂過(guò)程完成，路由器中生成新的路由表。

　　2. 分級(jí)網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)

　　為了縮短路由收斂時(shí)間，OSPF、IS-IS等分級(jí)鏈路狀態(tài)路由協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將路徑計(jì)算和路由更新信息擴(kuò)散的范圍限制在受影響的區(qū)域內(nèi)，使網(wǎng)絡(luò)具有較好的可擴(kuò)展性。

　　3. 減少隱式故障檢測(cè)時(shí)間

　　在鏈路狀態(tài)路由協(xié)議中減小“Hello”消息計(jì)時(shí)器的時(shí)限，可更加頻繁地發(fā)送Hello消息，從而更加迅速地發(fā)現(xiàn)故障。其代價(jià)是控制消息的開(kāi)銷增大。

　　與縮短Hello消息的超時(shí)相類似的另一種方案是采用通過(guò)ICMP ECHO請(qǐng)求消息所實(shí)現(xiàn)的快速速率探測(cè)（Pinging），其代價(jià)也是增加控制消息負(fù)荷。

3.3 MPLS保護(hù)交換

　　這種保護(hù)方式可以克服動(dòng)態(tài)路由的時(shí)延長(zhǎng)的缺陷。通過(guò)在分組頭上追加一個(gè)標(biāo)簽棧，可以建立一系列標(biāo)簽交換路徑（LSP），利用 LSP 作為保護(hù)路徑，可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的保護(hù)或恢復(fù)。

　　保護(hù)路徑的選擇方式主要包括靜態(tài)的預(yù)先建立和動(dòng)態(tài)的故障后搜索兩種。預(yù)先建立方式因保護(hù)路徑是在故障出現(xiàn)之前預(yù)先建立好的，因而故障發(fā)生后的業(yè)務(wù)恢復(fù)速度很快，這種方式也稱為快速再選路（Rerouting）方式。預(yù)先建立的保護(hù)路徑應(yīng)與工作路徑上的節(jié)點(diǎn)和鏈路分離，保護(hù)路徑上的網(wǎng)絡(luò)資源可以預(yù)留，也可在工作路徑正常時(shí)動(dòng)態(tài)地分配給低優(yōu)先權(quán)業(yè)務(wù)使用。工作路徑一旦發(fā)生故障，讓位給原來(lái)由工作路徑承載的業(yè)務(wù)。動(dòng)態(tài)搜索方式則是上游LSR（標(biāo)簽交換路由器）在得到故障通知后，再利用QoS路由協(xié)議和信令協(xié)議選擇保護(hù)路徑和預(yù)留資源，這種方式的故障恢復(fù)速度相對(duì)前一方式較慢，但上游LSR可以計(jì)算出一條優(yōu)化的路徑，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源的利用和業(yè)務(wù)量均衡更具優(yōu)勢(shì)，因此也稱優(yōu)化再選路方式。快速再選路雖能保證無(wú)間斷的業(yè)務(wù)恢復(fù)，但卻難以保證所選的保護(hù)路徑是最優(yōu)路徑。所用信令可以是針對(duì)MPLS擴(kuò)展的資源預(yù)留協(xié)議（RSVP-MPLS）也可以是標(biāo)簽分配協(xié)議（LDP）或基于約束的LDP（CR-LDP）。為保證快速再選路的成功，可定期重新計(jì)算保護(hù)路徑，以便可能達(dá)到最優(yōu)。

　　MPLS的再選路層次分為鏈路級(jí)和路徑級(jí)。鏈路級(jí)再選路是在故障鏈路兩端的兩個(gè)LSR之間尋找一條保護(hù)路徑；路徑級(jí)再選路是在入口LSR與出口LSR之間尋找一條保護(hù)路徑，也稱為邊到邊再選路，該路徑與故障路徑完全無(wú)關(guān)。

　　這兩種方式也各有特點(diǎn)，鏈路級(jí)再選路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快速，但對(duì)節(jié)點(diǎn)故障、多鏈路故障的處理較困難，而路徑再選路則相對(duì)復(fù)雜，但對(duì)節(jié)點(diǎn)故障、多鏈路故障的處理，能力較前者更強(qiáng)。在兩個(gè)層次上保護(hù)路徑選擇的兩種方法均可使用。

　　若希望保證快速故障恢復(fù)的可靠性，可沿預(yù)先建立的保護(hù)路徑預(yù)留資源，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源的利用率當(dāng)然會(huì)有影響，但若不預(yù)留資源則不能保證在將業(yè)務(wù)流再選路至保護(hù)路徑時(shí)提供所需的QoS。

　　目前MPLS保護(hù)和恢復(fù)方案尚未成熟，但卻是一種極有潛力的技術(shù)。它的故障檢測(cè)可以利用多種現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如基于SDH的告警、光層的檢測(cè)技術(shù)或基于IP的KEEPALIVE、HELLO和ECHO等消息，均可保證幾十毫秒至幾百秒的檢測(cè)時(shí)間。利用CR-LDP或RSVP-MPLS等信令協(xié)議，MPLS可以實(shí)現(xiàn)幾十毫秒至幾百秒的業(yè)務(wù)恢復(fù)速度。這一技術(shù)已得到生產(chǎn)商的廣泛接受。

4 基于光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)與恢復(fù)

　　對(duì)于帶寬的無(wú)止境的追求促使很多業(yè)務(wù)提供商將光網(wǎng)絡(luò)傳送能力引入IP網(wǎng)絡(luò)。IP-over-SDH，IP-over-WDM等傳送方案應(yīng)運(yùn)而生。在這類網(wǎng)絡(luò)中既可以在IP層提供保護(hù)/恢復(fù)，又可在SDH層或WDM層實(shí)現(xiàn)保護(hù)或恢復(fù)，更可以將二者結(jié)合運(yùn)用。

4.1 SDH保護(hù)

　　傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)是采用SDH技術(shù)組建的，SDH是基于光纖鏈路的一種電傳送技術(shù)。SDH光傳送網(wǎng)靈活的復(fù)用能力，可以方便地將低速電路(如2Mbit/s,134Mbit/s)復(fù)用到高速光鏈路(155Mbit/s～10Gbit/s)，并且這種基于時(shí)分復(fù)用的傳輸技術(shù)對(duì)上層業(yè)務(wù)具有透明性，適用于包括IP、ATM和語(yǔ)音在內(nèi)的各種業(yè)務(wù)的傳送。

　　SDH網(wǎng)絡(luò)提供強(qiáng)有力的保護(hù)和恢復(fù)能力。例如，自愈環(huán)（SHR）的配置方式使一個(gè)SDH環(huán)網(wǎng)中任何兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素之間都具有兩條路經(jīng)。這種方式比較適合環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�。利用自�?dòng)保護(hù)倒換機(jī)制（APS）網(wǎng)絡(luò)，可以在檢測(cè)到一條路徑故障之后自動(dòng)將業(yè)務(wù)流倒換到另一條路徑上。APS具體實(shí)現(xiàn)可以采用1+1，1:1，或1:Ｎ保護(hù)方式。其中1+1保護(hù)是指對(duì)于被保護(hù)業(yè)務(wù)用源與目的地之間的兩條物理光纖來(lái)同時(shí)傳送，一條工作光纖和一條保護(hù)光纖。其中任意一條0被切斷，由另一條光纖承載數(shù)據(jù)。這種方式的業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間最快（低于50ms），保護(hù)最強(qiáng)。1:1保護(hù)是為一條工作光纖設(shè)置一條保護(hù)光纖。但正常時(shí)保護(hù)光纖傳送的不是被保護(hù)的業(yè)務(wù)流，而是低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)。一旦工作光纖被切斷，由分插復(fù)用器（ADM）控制切換到保護(hù)路徑上，若其帶寬不足以同時(shí)承載被保護(hù)業(yè)務(wù)流和低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)流，則后者讓位于前者。這種方式可以進(jìn)一步擴(kuò)展為對(duì)Ｎ條工作光纖設(shè)置一條保護(hù)光纖的1:Ｎ保護(hù)方式。相對(duì)于1+1保護(hù)，1:1和1:Ｎ保護(hù)方式的業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，但對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的利用更加充分。

　　此外，利用智能數(shù)據(jù)交叉連接設(shè)備及相應(yīng)的控制機(jī)制，也可以在SDH網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)恢復(fù)，但恢復(fù)時(shí)間和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)先規(guī)劃的保護(hù)方案。SDH網(wǎng)絡(luò)這種強(qiáng)大的保護(hù)能力可以廣泛用于保護(hù)所有在這一網(wǎng)絡(luò)上傳送的業(yè)務(wù)流。對(duì)于IP這種保護(hù)是透明的，可以提供鏈路保護(hù)和快速恢復(fù)。Cisco已將APS能力引入一些路由器作為對(duì)端口、路由器或路由器與分插復(fù)用器之間鏈路故障的保護(hù)手段。對(duì)于利用現(xiàn)有SDH承載各種業(yè)務(wù)量（包括IP）的多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，APS可能是一種最佳方案。

4.2 WDM保護(hù)

　　WDM是另一種光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它可以大幅度地提高現(xiàn)有光纜的帶寬和容量。例如，現(xiàn)在已有支持單光纖1.6Tbit/s傳送能力的DWDM產(chǎn)品問(wèn)世（在光纖上支持160個(gè)波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)作為一個(gè)速率10Gbit/s的信道）。WDM也是完全透明的，SDH分插復(fù)用器（ADM）、ATM交換機(jī)和IP路由器等均可接入WDM復(fù)用器。DWDM層的OCh（光通道）段和OMS（光復(fù)用）段都具有動(dòng)態(tài)恢復(fù)和預(yù)先保護(hù)的業(yè)務(wù)恢復(fù)方案，其主要差別在于這兩個(gè)子層的操作具有不同的顆粒度。前者可以保護(hù)具體的光通路（Lightpath），允許對(duì)光線路終端（OLT）進(jìn)行選擇性的恢復(fù)。后者工作在匯聚的信號(hào)層，同時(shí)恢復(fù)一條故障線路中所有的光通路。點(diǎn)到點(diǎn)的WDM網(wǎng)絡(luò)中的WDM APS保護(hù)方案與SDH APS相類似，也可以分為1+1，1:1和1:Ｎ幾種方式。在1+1保護(hù)中，WDM復(fù)用器對(duì)一個(gè)工作波長(zhǎng)分配一個(gè)保護(hù)波長(zhǎng)。WDM源復(fù)用器在這兩個(gè)波長(zhǎng)上發(fā)送數(shù)據(jù)、WDM信宿復(fù)用器選擇工作波長(zhǎng)（或質(zhì)量較好的波長(zhǎng)）并向信宿IP路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。若工作波長(zhǎng)消失或質(zhì)量較差，則復(fù)用器自動(dòng)倒換至保護(hù)波長(zhǎng)上。在環(huán)形WDM網(wǎng)絡(luò)中也有類似SDH SHR的體系結(jié)構(gòu)。由于WDM在同一光纖內(nèi)提供多個(gè)波長(zhǎng)，因此與SDH保護(hù)不同的是，WDM保護(hù)更靈活，有更多的保護(hù)顆粒度可供選擇，但復(fù)雜度也相應(yīng)增加。另外，在故障恢復(fù)過(guò)程中的一個(gè)先決條件是故障監(jiān)測(cè)和定位，目前光域中還沒(méi)有成熟的類似SDH的故障檢測(cè)技術(shù)。有人提出利用收/發(fā)功率和串話（Cross-talk）等指標(biāo)監(jiān)視信道連通性和質(zhì)量；并采用光監(jiān)視信道來(lái)實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)。在這些方案成熟之前可以采用電域監(jiān)視的做法，利用SDH開(kāi)銷中的監(jiān)視字節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)。WDM業(yè)務(wù)恢復(fù)速度可達(dá)幾十毫秒的量級(jí)——達(dá)到了SDH APS的水平，并且可以選擇提供基于波長(zhǎng)的WDM保護(hù)。

5 IP 與光網(wǎng)絡(luò)的融合

　　要滿足Internet不斷發(fā)展的帶寬需求，光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是唯一的選擇。目前，IP over SDH和IP over DWDM已在很多網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用。但是IP層與光層之間的不一致性仍是二者在功能上融合的障礙。

　　IP是動(dòng)態(tài)的、自適應(yīng)的和自愈的。SDH和DWDM雖然具有極好的鏈路保護(hù)恢復(fù)能力，但卻是靜態(tài)的、預(yù)先規(guī)劃的，并且在全網(wǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行規(guī)劃也耗時(shí)較長(zhǎng)。此外，它們的保護(hù)方案要求分配冗余的網(wǎng)絡(luò)容量并且不能隨網(wǎng)絡(luò)增長(zhǎng)而擴(kuò)展。這一點(diǎn)阻礙光層對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�、業(yè)務(wù)量規(guī)模和業(yè)務(wù)模式的迅速變化進(jìn)行有效和快速的反應(yīng)。換句話說(shuō)，光層對(duì)高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)量較大突發(fā)的反應(yīng)能力會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)工程師重新規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)所用時(shí)間的限制，可能會(huì)是幾分鐘、幾小時(shí)甚至幾天。

　　近來(lái)在業(yè)界的一些進(jìn)展使光層與IP層融合的成本下降，具有可升級(jí)性并且實(shí)施簡(jiǎn)單。

　　1. 基于SDH的網(wǎng)絡(luò)組件：這種組件采用了數(shù)據(jù)分組處理技術(shù)（如ATM、Ethernet、IP等），將多種SDH 網(wǎng)元（如ADM和DXC數(shù)字交叉互連設(shè)備）的功能集成到一個(gè)器件中。該器件可以處理傳統(tǒng)的TDM電路并能為IP和ATM主機(jī)、交換機(jī)和路由器提供與SDH網(wǎng)絡(luò)的直連。這樣一來(lái)，對(duì)IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量采用APS 1+1和1:1保護(hù)與恢復(fù)變得更合算。

　　2. 點(diǎn)到點(diǎn)長(zhǎng)跨距光1+1保護(hù)：網(wǎng)絡(luò)層的大容量高性能太比特路由器與鏈路層長(zhǎng)跨距光傳輸技術(shù)結(jié)合，使電中繼傳輸距離延長(zhǎng)到數(shù)千公里，從而可以消除骨干網(wǎng)中的電再生器，減少1+1保護(hù)的線路成本，不受不可預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)量的影響，具有很快的業(yè)務(wù)恢復(fù)速度和較低的節(jié)點(diǎn)成本。

　　3. 光交叉互連（OXC）設(shè)備：作為光傳送網(wǎng)（OTN）的核心設(shè)備，OXC可以提供基于波長(zhǎng)的連接，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)、波長(zhǎng)組和光纖等不同等級(jí)的保護(hù)和恢復(fù)。能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)路由功能的OXC常被稱為波長(zhǎng)路由器（WR）。WR網(wǎng)絡(luò)可以作為光核心網(wǎng)，而以吉比特和太比特IP路由器、ATM交換機(jī)、SDH分插復(fù)用器等形成邊緣網(wǎng)絡(luò)。光核心網(wǎng)可采用網(wǎng)狀拓?fù)溥M(jìn)行配置，這種拓?fù)湎鄬?duì)于環(huán)網(wǎng)形式更具可擴(kuò)展性，因其可以在任何源、宿邊緣器件之間提供和使用多條路徑。

　　WR不是由網(wǎng)絡(luò)管理工作站來(lái)控制和規(guī)劃的，而是運(yùn)行鏈路狀態(tài)路由協(xié)議來(lái)通告每個(gè)波長(zhǎng)的可用性、代價(jià)和其他有關(guān)測(cè)度。WR可以利用SDH開(kāi)銷字節(jié)或帶外信道來(lái)交換這種信息，并將其存入一個(gè)拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫(kù)。這樣，WR可以通過(guò)為重要業(yè)務(wù)預(yù)先計(jì)算工作和保護(hù)波長(zhǎng)提供類似1+1保護(hù)業(yè)務(wù)。采用分布路徑計(jì)算，基于WR的網(wǎng)絡(luò)可以提供各種顆粒度的快速恢復(fù)，其恢復(fù)時(shí)間從毫秒級(jí)到秒級(jí)。

　　國(guó)內(nèi)外的電信設(shè)備供應(yīng)商和IP設(shè)備供應(yīng)商都在加緊研制開(kāi)發(fā)系列化的光交換/光路由產(chǎn)品。Monterey Networks 公司的Monterey 20 000波長(zhǎng)路由器可從初始的256×256波長(zhǎng)端口擴(kuò)展到160Tbit/s以上無(wú)阻塞波長(zhǎng)端口，光波長(zhǎng)承載2.5Gbit/s和10Gbit/s信號(hào)。Cisco公司的ONS 15 900波長(zhǎng)路由器基本結(jié)構(gòu)和Monterey 20 000的結(jié)構(gòu)相類似，其中心交換子系統(tǒng)支持640Gbit/s的交換速率，每個(gè)NEBS機(jī)架中支持256個(gè)2.5Gbit/s或64個(gè) 10Gbit/s速率的波長(zhǎng)。美國(guó)Lucent公司已采用MEMS光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了256×256的波長(zhǎng)路由器。北電網(wǎng)絡(luò)今年以32.5億美元收購(gòu)了美國(guó)Xros公司。該公司擁有優(yōu)秀的光交換技術(shù)，其光交換系統(tǒng)可交換1152個(gè)波長(zhǎng)的業(yè)務(wù)，并突破了光交換設(shè)備1000個(gè)端口的門(mén)限。它采用了微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多波長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的處理。Sycamore Networks、Tenor Networks等公司以及國(guó)內(nèi)的一些高校、研究機(jī)構(gòu)和公司都在致力于WR的研制。

　　4. 多協(xié)議波長(zhǎng)標(biāo)簽交換（MPLmS）

　　MPLmS是將IP層與光層融合的一個(gè)新思路，它將多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）流量控制平面技術(shù)與光交換技術(shù)有機(jī)結(jié)合，支持MPLmS的OXC所交換的不是標(biāo)簽而是波長(zhǎng)。MPLmS利用IP選路協(xié)議來(lái)發(fā)現(xiàn)拓?fù)�，利用MPLS信令協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)通路的自動(dòng)指配，為實(shí)時(shí)配置光波長(zhǎng)通路提供了基本框架。這種方法提供了一種簡(jiǎn)單的統(tǒng)一的IP控制平面，用于建立一個(gè)集網(wǎng)元、IP路由器和OXC于一體的混合網(wǎng)絡(luò)，有人稱MPLmS是IP層與光層的粘合劑。這一技術(shù)簡(jiǎn)化了IP層與光層的融合及跨層的網(wǎng)絡(luò)管理，其跨層的流量控制改進(jìn)了資源利用率，降低了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和業(yè)務(wù)拓展成本，具有可擴(kuò)展性。

　　目前MPLmS支持兩種基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即重迭模型和混合模型。重迭模型在光層和核心光網(wǎng)絡(luò)邊緣分別設(shè)置控制平面，前者實(shí)現(xiàn)光層特定的控制智能，后者控制邊緣設(shè)備與核心光網(wǎng)絡(luò)之間通信。核心光網(wǎng)絡(luò)分成若干子網(wǎng)，子網(wǎng)間通過(guò)NNI互連，核心光網(wǎng)絡(luò)為邊緣的客戶（IP路由器、ATM交換機(jī)和SDH ADM）提供波長(zhǎng)業(yè)務(wù)。動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)指配功能可以自動(dòng)適應(yīng)業(yè)務(wù)流量的變化，也可以在網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)提供業(yè)務(wù)恢復(fù)。這種模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，允許光層和客戶層（如IP層）獨(dú)立演進(jìn)，也允許光層內(nèi)每個(gè)子網(wǎng)獨(dú)立演進(jìn)，易于在原有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中逐步布署實(shí)施，并可在近期實(shí)現(xiàn)多廠家設(shè)備間的互操作。但網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性受到邊緣設(shè)備全連接拓?fù)湫问郊捌渌鶎?dǎo)致的路由控制業(yè)務(wù)量過(guò)大的限制。

　　混合模型采用單個(gè)控制平面，由IP層實(shí)現(xiàn)光層的控制智能，實(shí)施端到端控制。邊緣設(shè)備參與路由控制過(guò)程，通常由路由器控制光層，利用端到端光路提供動(dòng)態(tài)配置。邊緣設(shè)備全連接問(wèn)題僅在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)存在，而不會(huì)影響路由過(guò)程，網(wǎng)絡(luò)具有可擴(kuò)展性。但是由于光層與IP層間需要大量信息交互，致使光層的互操作問(wèn)題難以在短期內(nèi)解決。

　　MPLmS環(huán)境的保護(hù)恢復(fù)方案細(xì)節(jié)還有待研究，此外還有IP層與光層間的接口、交換的信息、流量工程、動(dòng)態(tài)指配、選路和信令協(xié)議、光通路端點(diǎn)的全球?qū)ぶ贩桨傅葐?wèn)題也尚無(wú)定論。

　　IETF MPLS工作組已將其工作目標(biāo)改為MPLS與OXC的整合。而另一個(gè)業(yè)界組織——光互聯(lián)論壇，正在研究IP與光網(wǎng)絡(luò)環(huán)境融合的有關(guān)問(wèn)題，如IP路由器如何與OXC通信，以便交換MPLS/

MPLmS路徑建立信息。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　在實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)與恢復(fù)方面，眾多的新技術(shù)已經(jīng)涌現(xiàn)出來(lái)，其中有些技術(shù)雖然尚未成熟但卻有著巨大的應(yīng)用潛力。波長(zhǎng)選路、MPLS及MPLmS等技術(shù)的成熟，將為IP與光網(wǎng)絡(luò)的融合、IP網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)保護(hù)與快速恢復(fù)提供強(qiáng)有力的支持。多種方案結(jié)合運(yùn)用可能是滿足不同應(yīng)用需求的可行途徑。

　　侯立民，男，1988年畢業(yè)于北方交通大學(xué)電子工程系計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位，1992年赴比利時(shí)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和管理信息系統(tǒng)，現(xiàn)為北方交通大學(xué)計(jì)算機(jī)及信息技術(shù)學(xué)院工程師。曾從事過(guò)大型計(jì)算機(jī)、校園網(wǎng)絡(luò)的管理和計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)等工作。感興趣的研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助教學(xué)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

摘自《中國(guó)數(shù)據(jù)通信》