基于业务的智能光网络生存性研究

基金项目：国家自然科学基金(60472105)；南京邮电大学基金(200539、200658)

      智能光网络(ION)的引入是对传统的光传送网技术的重大改善，以自动交换光网络(ASON)为代表的智能光网络技术不仅可以实现业务连接的动态建立和拆除，还可以实现许多新功能。生存性的提高和改善是智能光网络最主要的技术特点之一，借助于分布式控制平面的引入，智能光网络可以在包括网状网的复杂拓扑结构中实现完善的生存性，同时又具备较高的资源利用率。

      目前对于ION生存性方面的研究主要是针对光网络本身，包括传送平面和控制平面的生存性策略及具体实现的保护和恢复机制等[1]，这些研究大多数都是基于静态的资源配置和管理机制，对于智能光网络中快速变化的业务需求而言缺乏灵活性，同时这种基于网络视角的生存性策略与业务的生存性需求间存在着差异性和模糊性，难以满足未来智能光网络中复杂业务的需求。因此，本文提出一种基于业务的智能光网络生存性策略，即以业务对生存性的需求为核心，发起智能光网络中对应生存性策略的控制和实现。

1 智能光网络生存性策略
      网络的生存性定义为在网络中出现业务失效后仍然能够持续提供业务供给的能力[2]。一个完整的生存性策略包括以下几个部分：故障的发现、定位、声明和解除。故障发现是指当网络中出现业务失效后，利用某种机制及时迅速地检出故障的能力；故障定位是指采取某种策略或机制迅速准确地定位、隔离失效节点、链路的能力；声明是指采用某种机制(例如特定的广播信息)将失效信息分发至网络上其他节点的机制；解除是指采取保护或恢复策略对失效节点、链路进行倒换或迂回的过程。不难看出，在生存性策略中处于核心位置的是解除失效部分，这也是目前网络生存性研究的重点。

1.1 基本的生存性机制
      基本的生存性实现机制包括保护机制和恢复机制两类。

      保护机制的基本思想是预先规划一部分冗余资源作为备用系统，当传输线路或者节点出现故障时，将受故障影响的主用系统迅速倒换到备用系统上。保护机制的最大优点是可以实现业务的快速切换，对客户信号质量影响较小甚至可以忽略。保护机制的主要缺点是要预留相当数量的备用系统(最大可达100%)，因此网络资源的利用率较低。恢复机制是利用路由算法等机制实现端到端的整条或部分路由的重新建立，以绕过故障节点或路由。恢复机制的最大优点是无需事先对每一条工作路由都规划冗余备份，效率较高。恢复机制的缺点是恢复时间较长，尤其是当网络规模较大，路由之间节点数量较多时，路由算法的收敛速度难以保证实时业务的要求。

      保护和恢复机制都可以进一步地分为基于链路和基于通道两类。基于链路是指当网络中出现故障后，仅仅对故障所涉及的部分链路进行恢复；而通道恢复则是从源节点到终端节点的端到端恢复。

      针对备用资源的配置情况，保护机制还可以分为专用保护和共享保护两类。专用保护方式的保护切换时间非常快，因此对于一些实时性要求很高的业务较为合适，但缺点是资源利用率低；而共享保护则是若干个工作信道由一个备用信道进行保护，相对而言其网络资源的利用率较高。图1所示为生存性策略分类示意图。

1.2 现有智能光网络生存性策略的主要缺点

1.2.1 静态的业务恢复机制
      目前主要的网络生存性策略基于静态的业务需求，即通过预测或测量获得网络的业务分布情况，包括节点对之间的业务需求等信息，据此设计和考虑生存性策略并对备用资源进行计算和配置。

      静态的业务恢复机制难以应对业务实时变化的需求，因此，针对不同业务的差异化的生存性策略，已经提出了不同的保护和恢复方案，包括区分保护(DoP)和差异化的生存性(DoR)等方案[3]，这些策略的共同之处都是根据预先确定的生存性要求的等级，将业务分成若干级别，分别采用不同的保护或恢复策略。而业务等级的划分对于一个给定的网络而言是预先确定的，因此只能适应业务流量和流向相对比较固定的网络环境，难以适应未来智能光网络的灵活应用需求。
不难看出，无论是保护还是恢复，主要的一个特点都是针对预先确定的网络资源需求或占用情况确定生存性方案，而这种

      思想对于实时性的业务需求和失效是难以应对的。随着新业务类型和数量的快速增长，对于网络中流量的确定和估计会越来越困难，因此静态的生存性策略需要完善和扩展，才能够适应业务的快速变化。

1.2.2 网络视角的生存性策略
      由于受到网络拓扑结构、节点连接度和资源利用率等的限制，生存性策略中需要对于不同的业务实现差异化的生存性解决方案。现有智能光网络的传送平面基本采用的都是密集波分复用(DWDM)技术，在光层中实现端到端的业务承载主要依靠波长通道。而在现有的物理层技术中，不仅业务颗粒度较粗，而且各个波长通道的物理特性具有高度的一致性，因此难以实现完全意义的业务分级，差异化的细颗粒度生存性方案也难以实现。

      文献[3]中总结的包括恢复质量(QoR)、保护质量(QoP)、业务可靠性(RoS)和恢复等级(RC)等方法的共同思想，都是在不同的保护恢复等级上对网络生存性策略进行的扩充和完善。但需要指出的是，这些机制的共同特点是对网络生存性方案的分类和分级都是基于网络视角，即由网络运营者视角或网络侧视角获得对业务生存性需求的理解，据此选择对应的生存性机制并进行等级划分，这种划分方法尽管适应了现有光网络向智能光网络过渡和演进的一般策略，但是网络侧对业务的描述和分级难以和实际的业务侧生存性的需求完全对应。考虑到业务的多样性和复杂性，如果网络侧仅仅从业务的物理特性(如带宽、信噪比和误码率等)角度进行分级，难以完全和准确地对业务的生存性需求进行描述，也即难以在业务生存性需求和网络视角的生存性策略之间建立起一个一一对应的映射关系，图2所示为网络视角生存性策略和业务侧生存性需求之间的模糊关系示意。

1.2.3 单域生存性策略
      根据ASON的定义，一个ASON环境由多个单域组成，域间通过外部网络间接口(E-NNI)互通，这里的单域即相当于一个自治系统(AS)，每个AS维持自己域内的网络资源视图，包括网络拓扑结构、资源的使用情况以及业务负荷等。采用域间接口和协议实现的端到端资源配置方法的主要目的，是实现多域环境下业务的配置和实现，但这种单域环境下定义的生存性策略存在许多缺点，一个直接后果就是在实现端到端业务的生存性策略时存在很大的难度。例如，对于中给出的例子，A、B两个终端网络间建立一个典型的交换连接，其向控制平面发起的连接请求中不仅包括了连接有关的信令信息，同时也包含了对于生存性等方面的服务质量信息。该连接请求需要经由域1、域2和域3共3个域实现；由于每个域对应的控制平面只掌握本域内的路由和资源使用等信息，因此端到端的连接配置需要由域间路由协议或协商机制等加以实现。这种方案实现的仅仅是连接有关的信息交互，对于每个域内采取的生存性策略以及域间如何协商实现业务对应的端到端生存性策略缺乏协调和沟通机制。尽管可以通过域间的某种协调机制，包括由管理平面参与域间资源的配置以及生存性有关信息的交互，但是仍然难以满足动态负荷下的业务的生存性需求。

2 基于业务的智能光网络生存性机制

2.1 定义
      基于业务的智能光网络的生存性可以定义为：由业务及其包含的生存性需求发起，并由网络中对应的资源实现的生存性策略。这种方案与传统的网络生存性策略最大的区别体现在于将网络的生存性的需求和理解转移到以业务为核心，即以业务视角定义和描述网络生存性需求并加以实现。

      考虑到智能光网络的实现是一个渐进的演变过程，现阶段仍以重叠模型为主，通过在原有的光网络中增加控制平面功能，由控制平面实现业务的建立和拆除等功能。随着光网络承载业务种类和数量的快速增加，对等模型架构的智能光网络是必然的发展趋势。在一个完全的分布式的、基于对等模型架构的智能光网络中，可以针对单个业务的生存性需求对网络资源进行配置，从而实现完全意义的基于业务的生存性策略。需要指出的是，即使在这样一个分布式的环境中，依然会存在着不同的域，这里的域可以是物理资源的管理域，也可能是逻辑资源的寻址域等，因此仍然会存在业务侧生存性需求和网络侧生存性实现机制的协商问题。

2.2 基于业务的生存性实现机制

2.2.1 协调机制
      协调机制的核心思想是在业务的生存性需求和网络的生存性策略之间建立一个协商和调整的机制，换言之是将业务侧对于生存性的需求映射到网络中某个事先建立或动态计算出的生存性策略功能集。

      详细和准确地定义业务侧的生存性需求描述需要考虑到发起业务的终端对于生存性的主观评价，文献[4]指出大多数用户对于网络(应用)的主观评价主要集中在速度和某个特定的期望等方面。这里的速度包括业务的建立、拆除和恢复速度，而期望值则是对于特定业务的服务等级或维持时间等，最常见的即为平均故障间隔时间(MTBF)和平均故障修复时间(MTTR)。与之对应的是网络侧生存性策略需要提供的主要包括与延迟有关、与丢包有关和与可靠性有关等参数，例如保护切换所需时间、不同的丢包率等。因此需要在业务侧和网络侧之间建立起一个协调机制，将业务侧的生存性要求映射到网络侧具体的生存性策略中，图4所示为一个协商机制的例子。

      协商机制需要从用户侧对生存性需求的一般性描述中抽象出其中与生存性基本参数有关的内容，并传递给网络中提供生存性机制的相关功能集或控制平面。由于业务存在着较大的差异性，因此不同的业务对于生存性的需求，包括同一类型业务在不同时间的生存性需求之间都可能存在一定的差异，因此这种协调机制应是一个动态更新的过程。此过程可以在每一次业务的连接请求发起时，根据业务的生存性需求进行更新，也可以由网络中分布式的控制平面进行定期的更新。

2.2.2 自主机制
      自主恢复机制是光网络自组织特性的重要组成部分。自组织特性最早可以追溯到人们对生物界的某些个体、种群特性的观察，如迁徙的鸟类和回游的鱼群等。这些生物群体中并没有明确的集中管理机制(管理者)，单个个体仅仅维持着与相邻的邻居之间的关系，而整个系统可以呈现高度的一致性(协同性)。近年来，人们逐渐将自组织特性及其应用拓展到包括Internet在内的各种通信网络中[5-6]。

      对于智能光网络应用的多运营商、多厂家、多种技术体制以及业务流量和流向高度不确定性的环境，每一个符合ION要求的AS只维护自己视图内的网络资源，对于每个端到端的业务而言需要一致的业务传送能力和生存性保障机制。这也意味着可以通过一种分布式的机制，使得不同域内的网络资源之间能够灵活地协商以为用户的请求提供资源的供给能力，在网络中出现业务失效时也能自主地实现恢复并实现较高的网络资源利用效率。完全自主的基于业务的生存性研究尚处于的初期阶段，文献[4]中提出的群体智慧(Swarm Intelligence)机制可以在一个分布式的环境中，借助于数量极多的个体及其携带的包含生存性需求的信息素，不仅可以灵活地实现业务失效的快速恢复，而且可以更好地适应业务侧生存性的需要，将生存性策略由现阶段的后摄方法改进为先摄方法。

3 结束语
      智能光网络的引入不仅可以提供灵活的光网络资源配置和供给能力，而且可以提供更为高效的网络生存性策略，以应对业务需求快速变化的网络环境。传统的保护和恢复机制存在着诸多缺点，本文提出了一种基于业务的生存性策略，将对生存性需求的描述和定义从网络侧转移到业务侧视角，从而建立起以业务为核心的网络生存性策略。本文还进一步分析了基于业务的智能光网络生存性策略的定义和需求，并分两个阶段介绍了基于业务的生存性策略的实现机制。

4 参考文献
[1] PAPADIMITRIOU D, MANNIE E. Analysis of generalized multi-protocol label switching (GMPLS)-based recovery mechanisms (including protection and restoration) [R].IETF.draft-ietf-ccamp-gmpls-recovery-analysis-05.txt.2006.
[2] COLLE D, DE MEESSCHALCK S, DEVELDER C, et al. Data-centric optical networks and their survivability [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2002,20 (1):6-20.
[3] EuroNGI. State-of-the-art with regards to user-perceived quality of service and quality feedback. D.WP.JRA.6.1.1 [EB/OL]. www.eurongi.org.
[4] EuroNGI. Evolution scenario for resilient networks, including ASON/GMPLS functionality. D.WP.JRA.3.3.2 [EB/OL]. www.eurongi.org.
[5] PREHOFER C, BETTSTETTER C. Self-organization in communication networks principles and design paradigms [J]. IEEE Communications Magazine, 2005,43(7): 78-85.
[6] ALDERSON D, ALDERSON W.A contrasting look at self-organization in the Internet and next-generation communication networks [J]. Communications Magazine, 2005,43(7): 94-100.

收稿日期：2006-09-08

[摘要] 目前对于智能光网络(ION)生存性方面的研究主要是针对光网络本身，基于静态的资源配置和管理机制对于快速变化的业务需求而言缺乏灵活性，难以满足未来智能光网络中复杂业务的需求。基于业务的智能光网络生存性策略，可以解决现有网络生存性策略与业务侧的生存性需求之间的差异。通过将对生存性需求的描述和定义从网络侧转移到业务侧，以业务对生存性的需求为核心，能很好地实现智能光网络中对生存性策略的控制和实现。

[关键词] 智能光网络；生存性；业务

[Abstract] Nowadays, the survivability research of Intelligent Optical Network (ION) is mainly about optical network itself. Source allocation and management mechanism based on static features lacks flexibility for fast changing services requirements, and is difficult to satisfy the complex services in the future ION. The survivability strategy of service-based ION can solve the problem of differences between the existing network survivability strategy and the survivability requirements on the service side. By describing and defining the survivability requirements on the service side in stead of the network side, and aiming at service survivability, the survivability strategy of ION can be well controlled and implemented.

[Keywords] intelligent optical network; survivability; service