支持區(qū)分服務(wù)的全光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和實現(xiàn)

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(6052130298、60572006)

      隨著電信市場的逐步開放，網(wǎng)絡(luò)運營商之間的競爭日益激烈，這就要求運營商在提供傳送服務(wù)時，更加關(guān)注業(yè)務(wù)的實際需求，為每一個業(yè)務(wù)提供滿足其傳送需求的區(qū)分服務(wù)(DiffServ)，從而在競爭中贏得更多的服務(wù)定購者。另一方面，為光層適應(yīng)各種新業(yè)務(wù)、開發(fā)各種新服務(wù)提供可能性，ITU-T G.8080提出了自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)的體系結(jié)構(gòu)，通過在傳統(tǒng)光傳送網(wǎng)絡(luò)中引入智能的控制平面，實現(xiàn)動態(tài)、靈活的資源管理、資源分配和資源調(diào)度。

      隨著光網(wǎng)絡(luò)的智能化演進，光層流量工程各個功能子模塊的實現(xiàn)機制趨于多樣化，這些機制從不同程度上對網(wǎng)絡(luò)運行成本和業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)保證之間的矛盾進行折衷，這種程度上的差異為光網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)區(qū)分服務(wù)提供了可能性。

      在此背景下，Wissam Fawaz等[1]在光層引入了服務(wù)等級協(xié)定，提出了傳送服務(wù)的服務(wù)等級描述(SLS)在連接建立時間、服務(wù)性能表現(xiàn)、服務(wù)可達性、安全性、路由穩(wěn)定性等方面的性能指標(biāo)，并按照服務(wù)等級(CoS)提供了一些參考值。服務(wù)等級協(xié)定是服務(wù)提供商和服務(wù)定購者雙方之間的協(xié)商協(xié)定，是存在于服務(wù)提供商和服務(wù)定購者之間的一個合約(或者合約的一部分)，是在服務(wù)品質(zhì)、優(yōu)先權(quán)和責(zé)任義務(wù)等方面達成的協(xié)議，是一種電信服務(wù)評估標(biāo)準(zhǔn)[2]。在光層服務(wù)等級協(xié)定中，服務(wù)定購者可根據(jù)自身業(yè)務(wù)的特點，選擇所需傳送服務(wù)的最低性能指標(biāo)參數(shù)。

      可以預(yù)見，未來的光網(wǎng)絡(luò)將是多業(yè)務(wù)驅(qū)動下的新型傳送網(wǎng)絡(luò)，具有提供區(qū)分服務(wù)的能力。

      要在多業(yè)務(wù)的環(huán)境下，處理好滿足業(yè)務(wù)的不同服務(wù)需求和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源之間的矛盾，就需要傳送網(wǎng)絡(luò)流量工程各個功能子模塊具有集成多種實現(xiàn)機制的能力[3-4]，從而在光層實現(xiàn)區(qū)分服務(wù)的集成。本文旨在通過對最新研究成果的調(diào)研和綜述，為光服務(wù)等級協(xié)定走向?qū)嵱没�提供一些技術(shù)參考。

1 支持區(qū)分服務(wù)的全光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計
      對光傳送網(wǎng)絡(luò)而言，業(yè)務(wù)可依據(jù)其粒度劃分為兩種形態(tài)[1] (如圖1所示)。

      (1)來自不同網(wǎng)絡(luò)運營商的波長粒度的業(yè)務(wù)，通過E-NNI接口接入傳送網(wǎng)絡(luò)。

      (2)來自不同域的基于因特網(wǎng)協(xié)議/多協(xié)議標(biāo)記交換(IP/MPLS)的亞波長粒度的業(yè)務(wù)，通過IP/MPLS邊緣路由器接入，由業(yè)務(wù)梳理模塊匯聚成波長粒度進入傳送網(wǎng)絡(luò)。

      業(yè)務(wù)驅(qū)動下，光網(wǎng)絡(luò)傳送服務(wù)的總體實現(xiàn)流程設(shè)計如圖2所示。業(yè)務(wù)發(fā)起傳送服務(wù)請求，并根據(jù)自身的特點，選擇滿足其傳輸要求的服務(wù)等級描述指標(biāo)參數(shù)，服務(wù)提供商根據(jù)該指標(biāo)參數(shù)和服務(wù)等級映射到網(wǎng)絡(luò)可提供的資源，選擇滿足業(yè)務(wù)服務(wù)需求的優(yōu)化實現(xiàn)機制，通過合理的資源調(diào)度，最大限度地提高網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，以降低網(wǎng)絡(luò)的運營成本。

      支持區(qū)分服務(wù)的全光網(wǎng)絡(luò)流量工程包括支持QoS的(QoS-aware)路由和波長分配、支持QoS的差錯管理、支持QoS的光路再優(yōu)化等功能子模塊。

1.2 服務(wù)等級描述的設(shè)計和量化
      在光服務(wù)等級協(xié)定中，服務(wù)等級描述設(shè)計和量化的關(guān)鍵在于如何兼顧業(yè)務(wù)的實際需求和光層的提供能力，在滿足服務(wù)質(zhì)量的前提下，給出能優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源利用率的設(shè)計和量化方案。文獻[1]給出了一套系統(tǒng)的設(shè)計和量化方案。

      服務(wù)等級描述的設(shè)計和量化可以有兩種主要的方式：

      (1)自底向上的SLS設(shè)計和量化
      自底向上的SLS設(shè)計和量化，是由對光層實現(xiàn)機制的理論或?qū)嶒灥男阅芊治龀霭l(fā)，制訂相應(yīng)傳送服務(wù)的性能指標(biāo)、服務(wù)等級參考值。例如，自動交換光網(wǎng)絡(luò)中，提供了永久連接(PC)、軟永久連接(SPC)、交換連接(SC)3種連接方式，根據(jù)上述方式在連接建立時間上的差異，可以制訂相應(yīng)的服務(wù)等級參考值。又如，差錯管理模塊中，1+1專用路徑保護機制、共享路徑保護機制、路徑恢復(fù)機制的故障恢復(fù)時間分別為小于50 ms、小于500 ms、小于2 s[3]，根據(jù)上述機制在故障恢復(fù)時間上的差異，可以制訂相應(yīng)的服務(wù)等級參考值。

      由于自底向上的設(shè)計和量化方法對業(yè)務(wù)實際需求的考慮較少，可能需要對現(xiàn)有實現(xiàn)機制中的路由算法和信令流程進行改進和優(yōu)化，加強其對業(yè)務(wù)的適配力度。

      (2)自頂向下的SLS設(shè)計和量化
      自頂向下的SLS設(shè)計和量化，是由業(yè)務(wù)的特點和需求出發(fā)，設(shè)計傳送服務(wù)的性能指標(biāo)、服務(wù)等級參考值。例如，服務(wù)性能表現(xiàn)的指標(biāo)參數(shù)對于來自不同運營商的波長粒度業(yè)務(wù)而言為誤碼率、信噪比(OSNR)、啁啾等；對于IP/MPLS等亞波長粒度的業(yè)務(wù)而言則為延時、抖動、丟包率等[1]。考慮到光層實際服務(wù)提供能力的限制，對一些傳輸質(zhì)量要求較高的業(yè)務(wù)，可能需要設(shè)計更高效的運行機制以滿足業(yè)務(wù)的請求。

1.3 服務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機制的映射
      在多業(yè)務(wù)環(huán)境下，傳送網(wǎng)絡(luò)流量工程各個功能子模塊具有集成多種實現(xiàn)機制的能力，因此就需要研究如何根據(jù)業(yè)務(wù)的服務(wù)需求選擇滿足其傳送要求的優(yōu)化實現(xiàn)機制，兼顧服務(wù)質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)的運行效率。文獻[5-6]提出了由服務(wù)可達性到保護機制的映射方案，首先考慮工作路徑能否滿足服務(wù)可達性的要求，若滿足則不分配保護路徑，若不滿足則考慮加入共享路徑保護機制，并判斷服務(wù)可達性要求是否滿足，若滿足則采用該共享路徑保護機制，若不滿足則進一步考慮選用專用路徑保護機制，并判斷服務(wù)可達性要求是否滿足，若滿足則采用該保護機制，若不滿足則阻塞該業(yè)務(wù)請求。
這種映射方案的設(shè)計目標(biāo)就是在滿足業(yè)務(wù)最低服務(wù)可達性的前提下，提高網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，從而提高網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)接納能力。

2 支持區(qū)分服務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)流量工程
      流量工程的目的，就是為了在全網(wǎng)的范圍內(nèi)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量的分布，提高網(wǎng)絡(luò)的資源利用率，提高網(wǎng)絡(luò)的生存能力[7]。

      多業(yè)務(wù)驅(qū)動下，光網(wǎng)絡(luò)流量工程需要在滿足不同業(yè)務(wù)的不同服務(wù)質(zhì)量需求的前提下，提高網(wǎng)絡(luò)的性能�？梢詮膬蓚�方面提高網(wǎng)絡(luò)的性能：靜態(tài)資源規(guī)劃和動態(tài)資源調(diào)度。

2.1 支持區(qū)分服務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)靜態(tài)資源規(guī)劃
      靜態(tài)資源規(guī)劃是已知網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的流量分布情況、節(jié)點之間的業(yè)務(wù)請求，如何對新業(yè)務(wù)分配網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化問題。對于支持區(qū)分服務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃，則需要根據(jù)不同業(yè)務(wù)的不同服務(wù)要求，在優(yōu)化問題中加入相應(yīng)的限制條件，如路徑最大延時限制、路徑最小服務(wù)可達性限制等，此外對于光層功能模塊中不同的實現(xiàn)機制，其優(yōu)化模型也是不同的，需要分別進行建模，因此支持區(qū)分服務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃是不同服務(wù)需求、不同實現(xiàn)機制集成環(huán)境下的優(yōu)化問題。根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的不同，可以分為以下兩個子問題[4]：

      (1)容量最小化問題
      在網(wǎng)絡(luò)波長資源充足的情況下，已知網(wǎng)絡(luò)拓撲、多業(yè)務(wù)請求、業(yè)務(wù)需求相對應(yīng)的傳送服務(wù)的實現(xiàn)機制，如何指配工作路徑和預(yù)留備份路徑，優(yōu)化支持區(qū)分服務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。

      (2)收入最大化問題
      在網(wǎng)絡(luò)波長資源不足的情況下，已知網(wǎng)絡(luò)拓撲、多業(yè)務(wù)請求、業(yè)務(wù)需求相對應(yīng)的傳送服務(wù)的實現(xiàn)機制，如何指配工作路徑和預(yù)留備份路徑，使支持區(qū)分服務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)收益最大化。

      文獻[4]中，具體研究了已知網(wǎng)絡(luò)拓撲、多業(yè)務(wù)請求、不同業(yè)務(wù)請求的路徑最大長度限制、業(yè)務(wù)需求相對應(yīng)的傳送服務(wù)保護機制(專用路徑保護機制、共享路徑保護機制、無路徑保護機制)下，主路徑和保護路徑之間滿足共享鏈路風(fēng)險組分離的光網(wǎng)絡(luò)資源規(guī)劃問題。由于上述優(yōu)化問題是非確定多項式-難(NP-hard)問題，其計算復(fù)雜度隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增加呈指數(shù)增長，因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，需采用搜索技術(shù)[8]尋找優(yōu)化解。

2.2 支持區(qū)分服務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)資源調(diào)度
      動態(tài)資源調(diào)度研究動態(tài)業(yè)務(wù)請求下網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化問題，包括：

      (1)支持QoS的路由和波長分配
      動態(tài)業(yè)務(wù)下，光網(wǎng)絡(luò)的波長路由也是動態(tài)的。動態(tài)波長路由問題是指在給定動態(tài)業(yè)務(wù)模型下，在源節(jié)點與目的節(jié)點對之間進行路由和波長分配，以使在一定的波長資源和業(yè)務(wù)負載情況下，被接納的業(yè)務(wù)請求達到最大值。

      鑒于動態(tài)波長路由問題具有復(fù)雜性[9]，絕大多數(shù)文獻將動態(tài)波長路由問題分解為路由問題和波長分配問題兩個獨立的子問題分步研究，路由問題又可細分為最短路徑路由問題和受限路由問題兩大類。

      在最短路徑路由問題中，各鏈路被賦予一個費用值(可以是跳數(shù)、延時或經(jīng)濟費用等)，并以路徑的總費用作為優(yōu)化目標(biāo)，求解算法有Dijkstra算法、Bellman-Ford算法、Floyd算法等，其中Dijkstra算法、Floyd算法屬于集中式算法，每個節(jié)點必須獲知全網(wǎng)的拓撲信息；Bellman-Ford算法屬于分布式算法，每個節(jié)點只須獲知鄰居節(jié)點的信息。對于全光網(wǎng)絡(luò)而言，由于在中間節(jié)點不存在光電光的轉(zhuǎn)換，信號質(zhì)量在傳輸過程中會逐步惡化，因此文獻[10]提出以光信號的傳輸損耗作為費用值，稱為基于信號質(zhì)量的波長路由。

      在多業(yè)務(wù)環(huán)境下，某些業(yè)務(wù)可能對傳送服務(wù)的多個性能指標(biāo)同時具有限制條件，如對路徑的最大延時和最小可達性指標(biāo)有限制。由于最短路徑路由問題中，各鏈路只能具有標(biāo)量值，因此相應(yīng)的算法無法給出具有限制條件下的優(yōu)化路徑。上述情況下的路由問題稱為受限路由問題[11]，包括一個限制條件下的受限最短路徑(RSP)問題和多個限制條件下的多約束最優(yōu)路徑(MCOP)問題，然而，RSP問題和MCOP問題都是非確定多項式-完全(NP-完全)問題，因此這兩個問題的求解大多采用近似算法或啟發(fā)式算法。

      求解RSP問題的算法有后向-前向啟發(fā)式算法、混和算法等；求解MCOP問題的算法有SAMCRA算法、H_MCOP算法、基于泛洪的分布式路由算法[12]。

      (2)支持QoS的差錯管理
      差錯管理模塊用以提高光網(wǎng)絡(luò)的生存性。網(wǎng)絡(luò)的生存能力是網(wǎng)絡(luò)抵制故障所引起的服務(wù)干擾或中斷的能力，是服務(wù)可達性的重要保證。作為研究領(lǐng)域的一個熱點，差錯管理的實現(xiàn)機制趨于多樣化，大體上可分為保護機制和恢復(fù)機制兩種，此外，上述機制還可以在多個維度上進行細分，如按照備份路由的資源占用情況可以分為專用式和共享式兩種；按照備份路由的長度又可分為鏈路級、分段級和路徑級3種，如圖3所示。

      資源利用率和故障恢復(fù)時間是差錯管理中的一對矛盾參數(shù)，上述機制分別從不同程度上對這對矛盾進行折衷，文獻[13]給出了上述機制在這些參數(shù)上的量化比較。

      (3)支持QoS的光路再優(yōu)化
      在動態(tài)多業(yè)務(wù)的環(huán)境下，新傳送服務(wù)請求的工作路徑和保護路徑的計算是基于請求時刻的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，由于請求到達在時間上的隨機性，隨著網(wǎng)絡(luò)容量、網(wǎng)絡(luò)流量的變化，現(xiàn)有流量矩陣下網(wǎng)絡(luò)的資源分配可能是次優(yōu)的，因此，文獻[14-15]研究了不同保護機制下光網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)資源再優(yōu)化問題。

      (4)資源分配和資源管理策略
      多服務(wù)等級下，若不同服務(wù)等級對網(wǎng)絡(luò)資源的占用采用完全共享統(tǒng)一分配的方式，就有可能出現(xiàn)某一時刻網(wǎng)絡(luò)資源被低等級傳送服務(wù)完全占據(jù)的情況，那么，對于之后到達的高等級傳送服務(wù)請求可能因為無法分配到網(wǎng)絡(luò)資源而被阻塞。

      為了保障高等級傳送服務(wù)的接入率和傳送質(zhì)量，不同服務(wù)等級之間對網(wǎng)絡(luò)資源的占用可以采用區(qū)分策略[16]，或者允許高等級傳送服務(wù)采用搶占策略[17]。同時，為實現(xiàn)資源分配的區(qū)分策略和搶占策略，需要對網(wǎng)絡(luò)資源進行更加細致的管理，文獻[3]中給出了基于有限狀態(tài)機的波長資源管理策略。

3 協(xié)議擴展與實現(xiàn)
      上述光網(wǎng)絡(luò)流量工程方案目前還只是研究領(lǐng)域的成果，要真正應(yīng)用到ASON控制平面中，還需要對現(xiàn)有的鏈路資源管理協(xié)議(如LMP)、路由協(xié)議(如OSPF-TE)和信令協(xié)議(如RSVP-TE、CR-LDP)進行擴展，從而實現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)對區(qū)分服務(wù)的支持。

4 結(jié)束語
      未來的光網(wǎng)絡(luò)將是多業(yè)務(wù)驅(qū)動下的新型傳送網(wǎng)絡(luò)，具有提供區(qū)分服務(wù)的能力，這種區(qū)分服務(wù)能力為光服務(wù)等級協(xié)定的實現(xiàn)提供了技術(shù)上的支持。

      本文主要就光服務(wù)等級協(xié)定設(shè)計和實現(xiàn)過程中服務(wù)等級描述的設(shè)計和量化、服務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)機制映射以及支持區(qū)分服務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)流量工程問題進行了探索。由于支持區(qū)分服務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)流量工程方案目前還只是研究領(lǐng)域的成果，如何對現(xiàn)有全光網(wǎng)絡(luò)控制平面的鏈路資源管理協(xié)議、路由協(xié)議和信令協(xié)議進行擴展和標(biāo)準(zhǔn)化，是光服務(wù)等級協(xié)定走向?qū)嵱没�的研究重點。

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