下一代光网络中光路的快速建立

近年来因特网上的数据业务迅速增长，虚拟专网(VPN)的需求也日益增加。与此同时，光联网技术、密集波分复用(DWDM)传输技术和光交叉连接(OXC)设备等的发展使得一个全光的Internet图景逐渐显现出来。这幅图景是否可以变为现实取决于很多因素，其中很重要的一点是未来的光网络能否直接在端点用户之间快速地建立光路。

　　众所周知，在传统的电路交换网络中，要在较大范围内建立一条通路是非常复杂的，整个过程通常需要持续几周甚至几个月。在DWDM存在的情况下，每根光纤中的波长数目大大增加使问题变得更加复杂。光网络中光路的快速建立依赖于一个智能的光寻路层的支持。目前4层结构(IP/ATM/SDH/WDM)的光网络显得过于臃肿，现在一般认为把IP直接置于光链路之上是一种可行的方法［1］。在这种两层结构的模型中，下一代光网络的光路建立问题就变得比较明晰。本文将首先简单介绍两层模型下光网络的体系结构，然后介绍动态的寻路和波长选择(RWA)算法以及寻路中的容错问题，最后将讨论快速建立光路的实现机制。

　　1 IP-over-optical的网络体系结构

　　通常所讨论的光网络模型如图1所示。各个客户网络通过光核心网相连，客户网络和核心网络之间通过用户网络接口(UNI)实现网间的寻路和信令。在核心网内部，又由不同的网络设备生产厂商的设备构成不同的全光子网，子网内部的OXC之间和光子网之间交互的接口是网间接口(NNI)，其中子网内部的OXC之间是内部网间接口(I-NNI)，而子网之间的接口是外部网间接口(E-NNI)。OXC具有波长交换的功能，能够把输入端口某个波长上的数据流交换到输出端口某个波长上，如果在整个光路上都使用相同的波长，那么称该光路满足波长一致性条件。客户网络中的IP/MPLS路由器通过这种单跳的光路实现逻辑上的连接。

图1 光网络模型

　　在核心网络中，基于IP/ATM/SDH/WDM的结构已经无法满足带宽日益增长的需求，需要一种新的方式将IP层和WDM层结合起来，并且完成原来4层结构的功能。在这样的背景下，MPLS／GMPLS(多协议标签交换/广义多协议标签交换)诞生了。GMPLS将网络的控制面和数据面严格地区分开，控制面包括寻路协议和建立光路所需的信令，数据面仅仅利用控制面建立的光路进行数据转发，控制面甚至可以建立在不同的物理网络中。根据UNI上控制面的不同，可以将IP-over-optical的体系结构分为三大类：重叠模型、对等模型和增强模型［1］。

　　在重叠模型中有两个互不相关的控制面：一个控制面运行在核心的光网络，另一个运行在UNI。边缘设备支持光路，这些光路可以动态地通过核心网的信令建立，也可以在对核心网内部拓扑结构毫不了解的情况下静态地指定，这和现在的IP/ATM很相似。重叠模型通过隐藏核心网的拓扑结构建立核心网和边缘设备的管理边界。这个模型的缺陷是需要在边缘设备之间建立O(N2)条(即N2量级条)点到点的网状路径之后才能传送数据。这些点到点的连接同时需要被路由协议使用，而1次链路状态公告(LSA)会在点到点的网格产生O(N3)的消息，结果导致很大的网络开销。所以，这种模型不允许有太多的边缘设备加入网络。

　　在对等模型中，以同一个控制面对管理域内的核心网和边缘设备进行控制。边缘设备可以看到核心网络内部的拓扑结构。虽然这时仍旧需要建立O(N2)条网格状的路径用来转发数据，但是这些路径将仅仅被用来转发数据，因为从路由协议的角度出发，和边缘路由器相邻的是光交换机而不是其他的边缘路由器。所以在这种模式下，使用O(N)条相邻的路径可以支持O(N2)个转发路径。这使得路由协议可以扩展到更大的网络范围。

　　在增强模式下，IP域和光域的控制面在功能上相互分离，各自运行自己的寻路协议，但是它们之间利用标准的协议在UNI上交换网络的可达性信息。例如对核心网中的OXC都用IP地址来标识，并把这些信息提供给IP域，从而实现一定程度的自动寻路。这种模式集成了前两种模式的优点，而且相比于对等模型在短期内也较容易实现。

　　2 动态的RWA问题

　　为了建立连接，需要一种路由选择算法，还需要一定的信令机制按照选择的路由建立光路。在具有波长寻路功能的网络中，这类路由选择过程被称为RWA问题。RWA问题包含两个子问题，即寻路子问题和波长选择子问题。前者确定连接建立的物理通路(路由)，后者在选定的路由上分配一个或者一系列的波长。动态RWA要求寻路和波长选择都按照网络当前的状态动态进行。在上面介绍的所有网络模型中，都需要相应的RWA模块来完成动态光路的建立。

　　2.1 RWA问题概述

　　连接请求通常分为3类：静态的、动态的和增量式的。对于静态业务，RWA的目标是对于事先确定的一定业务需求进行适当的波长分配，使网络初期建设成本最低，该RWA问题称为静态光路建立(SLE)问题。增量式业务的特点是连接请求渐次到达，在连接建立后永久保持。动态业务是指连接请求可以随机到达，并且各个连接在一定的保持时间之后需被拆除，该RWA问题被称为动态光路建立(DLE)问题。DLE的目标是使网络运行过程中新到达的连接请求被阻塞的概率最小，也就是使网络的运行性能最好。DLE问题被证明是NP(非多项式时间内可解的)问题，目前通常采用启发式的方法来分别解决寻路子问题和波长选择子问题。

　　对于寻路子问题，通常的方法有3种：固定寻路、固定－备用寻路和动态寻路。固定寻路中从某个特定的源到某个目的地的路由只有1条，而且不随时间或者网络状态的变化而变化，连接请求到达时，沿着该路由建立光路，如果失败则抛弃该请求。固定－备用寻路是固定寻路的扩充，1个源到1个目的地的路由有多条，但是这些路由也是固定不变的，连接请求到达时，信令在备用路由上逐条地尝试建立光路，直到光路成功建立。如果在所有备用路由上都无法建立光路，那么该连接请求被抛弃。在动态寻路中，光路的建立是按照节点上维护的网络状态动态进行的，这里就需要网络上的寻路协议在网络状态发生变化时及时地通知各个节点修改其本地状态。这3种寻路方式中，固定寻路导致的连接请求阻塞率最高，也即性能最差，固定－备用寻路其次，动态寻路则基本上可以避免连接请求阻塞的发生，但是3种方法的复杂度也渐次上升。

　　对于波长选择子问题，已经有人提出了一系列启发式的方法［2-4］，这些方法包括：Random Assignment， First Fit， Least-Used， Most-Used， Min-Product， Least Loaded，
Max-SUM， RCL／DRCL(相对容量损失/分布式相对容量损失)等。其中，RCL/DRCL的性能最好，并且DRCL在分布式环境下效率较高。

　　2.2 综合解决寻路波长选择问题

　　在光网络中，寻路子问题对于网络运行性能的影响比波长选择子问题大得多［4］。所以选择合适的基于限制条件的动态寻路算法，就可以将RWA问题作为一个整体来解决。此算法将网络看成一个多层的图，每一层的图对应着一个波长，原来的每条物理链路可以被看成W条虚拟链路，W是链路上复用的波长数目。在连接请求到达时，利用寻路算法分别在各层计算一条路径，然后依据限制条件在这些路径中选择一条。
图2中示于左侧的一个具有两个波长的网络可以被等效为右侧两层的图。这样分别在两层中计算路由，RWA问题就完全演化为一个单一的基于限制条件的寻路问题。文献［5］中提出的实现算法有两种，即全动态寻路和半动态寻路。

图2 用多层图的方法来解决动态RWA问题

　　2.2.1 全动态寻路

　　全动态寻路算法的工作过程列述如下：

　　(1)对于一个给定的波长图λi，为每条虚拟的链路Lj设置一个代价，这个代价可以表示为：

　　其中，N(λi)是在链路Lj上被占用的λi的数目，F是链路上光纤的数目。

　　(2)为每个波长λi，为每条路径计算一个总代价Csd，这个值又由下式来定义：

　　其中<L1，L2，…，Ln>是构成路径的n条链路。

　　(3)连接请求到达时，在W个波长图上运行Dijkstra算法，分别找出各个波长中Csd 最小的一个并置入向量V＝〈Pathi，Wavelengthi〉，这样最后得到W个表项的V向量。

　　(4)检查V中的各个表项，如果表项数目为0，则抛弃该连接请求；如果只有1个表项，则选择这个表项，更新相关链路上的代价；如果有多个表项，那么需要按照一定的方法从中选取1个。文献［5］中定义了3种选择标准，即：基于总代价的选择、基于均衡代价的选择和基于未来代价的选择。不管是采用哪一种标准进行选择，都需要更改网络中各个节点上链路的代价。

　　2.2.2 半动态寻路

　　在操作上，半动态寻路和全动态寻路存在以下不同：

　　(1)离线运行最短路径算法，为每个波长图建立一个路由表，其中包含了任意源宿地址对的路由，这些路由表保存在各个节点上。

　　(2)在网络上没有任何一条链路的代价变为无穷之前，使用（1）中计算的路由表建立连接。如果某条链路Lj的代价变为无穷，那么将这条链路从波长图中去除，同时重新计算整个网络的最短路径。

　　3 寻路算法的容错性

　　生存性是光网络的一个重要指标。网络的生存性可以分为两类：保护和恢复。通常解决保护问题的方法是为每个连接请求建立两条物理上不相关的通路，其中一条为主通路，用来传输数据，另一条用作备份。为了防止因节点故障而出现问题，可以建立其节点和主通路的节点完全不同的备用通路。

　　在动态寻路算法中，可以考虑这样一种保护机制，就是在主通路建立成功之后，立刻使用相同的路由协议建立备用通路，为了保证两者不相关，可以将主通路上各链路的代价修改为无穷大。另外，共享风险链路组(SRLG)的概念使建立互不相关的通路变得更加有章可循。动态寻路算法可以经过适当扩展以后保证建立的路径互不相关。

　　在没有故障发生的情况下，恢复机制由于不需要事先建立连接，所以对网络造成的开销较小。但当出现故障时，由于恢复机制需要重新计算路径，因此相对于保护而言，恢复机制所花的时间要多得多，在资源比较紧张的情况下，恢复路径的建立可能会失败。

　　4 快速的光路建立

　　动态光路的建立依赖于两个基本的功能模块：一个是路由信息分发模块，用来提供网络中资源信息的分发机制；另一个是路由计算模块，按照信息分发模块提供的信息计算并选择路径。

　　信息分发机制提供网络拓扑结构和资源可用性信息。把通常的寻路协议(例如OSPF或者IS-IS等［5，6］)稍作修改就可以实现这个模块的功能。目前IETF（国际工程任务组）正对OSPF进行扩展［7］，在链路公告中加入流量工程(TE)参数。这些信息包括：最大链路带宽、最大可预约的链路带宽、当前的带宽预约状况、当前的带宽使用情况、链路着色等等。一旦节点有了网络拓扑结构信息和资源可用性信息，就可以动态地进行光路的计算和选择。

　　计算选择路径的过程根据动态状态链路公告算法交换的信息，并按照连接请求的特定限制条件选择一条显示的路径。这个选择过程可以是离线的，也可以在线进行。在对等模型里，路径计算由源路由器完成；而在重叠模型中，路径计算由边缘OXC或者网络中的集中控制器完成。路径计算完成后，由信令(例如采用CR-LDP或者RSVP-TE［8，9］)来建立整条通路。

　　5 结束语

　　从最初的概念模型到目前的实现情况可见，IETF对GMPLS的标准化进行得非常迅速，其中一些正在开发的功能将对未来的光网络性能有非常大的提升。可以说，GMPLS作为将来构建传输网和数据网的标准协议已经成为必然。

　　参考文献

1 Banerjee Ayan, Drake John, Lang Jonathan P, et al. Generalized Multiprotocol Label Switching: An Overview of Routing and Management Enhancements. IEEE Communications Magazine, 2001, 39(1): 144?150
2 Karason E, Ayanoglu E. Effects of Wavelength Routing and Selection Algorithms on Wavelength Conversion Gain in WDM Optical Networks. IEEE/ACM Trans Network, 1998, 6(2): 186?196
3 Zhang X, Qiao C. Wavelength Assignment for Dynamic Traffic in Multi-Fibre WDM Networks. In:Proc 7th ICCCN, 1998: 479?485
4 Zang H, Juez Jason P, Mukherjeey Biswanath. A Review of Routing and Wavelength Assignment Approaches for Wavelength-routed Optical WDM Networks. Optical Networks Magazine, 2000, 1: 47?60
5 Moy J. OSPF Version 2. IETF RFC 2328
6 Oran D. OSI IS-IS Intra-Domain Routing Protocol. IETF RFC 1142
7 Kompella K, Rekhter Y, Banerjee A，et al. OSPF Extensions in Support of Generalized MPLS. Internet draft(work in progress). Draft-ietf-ccamp-ospf-gmpls-extensions-07.txt, 2002
8 Lou Berger, Ashwood-Smith P, Banerjee Ayan, et al. Generalized MPLS Signaling - RSVP-TE Extension. Internet draft(work in progress). Draft-ietf-mpls-generalized-rsvp-te-06.txt, 2001
9 Ashwood-Smith P, Lou Berger, Banerjee Ayan, et al. Generalized MPLS Signaling?CR-LDP Extensions. Internet draft(work in progress). Draft-ietf-mpls-generalized-cr-ldp-05.txt, 2001

[摘要] 文章针对下一代光网络中光路快速建立的问题，介绍了IP-over-optical的网络体系结构，并在此基础上介绍了动态RWA问题和综合解决RWA问题的动态和半动态寻路算法，讨论了这两种算法的容错性能。

[关键词] IP-over-optical；广义多协议标签交换；寻路和波长选择；光路

[Abstract] The architecture of IP-over-Optical networks is outlined. Then the dynamic RWA problem and an overall solution to it by using dynamic and semi-dynamic algorithms are presented, and the fault-tolerant performance features of the two algorithms are also discussed

[Keywords] IP-over-optical; GMPLS; RWA; lightpath