大容量光网络异构互联及控管研究

基金项目：国家重点基础研究发展(“973”)规划(2010CB328203、2010CB328205)；国家自然科学基金(60972020)

    光传送网以其大容量、长距离、低成本的特点构成了当前信息通信的重要承载媒介，在可预计的将来，其作用尚无法被替代。

    随着通信技术的飞速发展，光传送网技术也在不断更新，同步数字体系(SDH)、分组传送网(PTN)、光传送网(OTN)等新型光传送网设备不断在网络上部署。由于光传送网设备更新迅速，导致现网中各种类型的设备并存。同时，由于中国幅员辽阔，运营商众多，传送网络中不仅设备类型众多，而且网络根据地域、设备类型和设备提供商的不同被划分为不同的范围，每个范围内的网络设备由不同网络维护人员维护。一些问题由此产生，如全网无法统一管理、无法统一进行快速电路调度、故障定位缓慢、资源利用率低下等。另外，普通的光传送网仅能提供环网保护等简单的保护措施。自动交换光网络(ASON)技术作为新一代的传送网技术，通过给网络加载智能控制平面，为网络提供了快速电路调度、永久1+1标记交换通道(LSP)保护和重路由恢复等强大功能。但是在多域网络中，由于域间控制平面难以像域内控制平面那样提供端到端的保护和恢复功能，使ASON技术在多域网络中无法为业务提供高等级的保护恢复能力。

    急速增加的网络业务需求也向光传送网的控管提出了严峻的挑战。欧盟信息社会专家小组预测2010年到2020年期间，全球年平均网络业务流量增长50%~60%，其中2010年月平均业务流量为8.5~9.5 EB
(1 EB=1018字节)[1]。由此估算到2020年全球网络业务流量将达到10 ZB(1 ZB=1021字节)，相当于全球现有印刷材料数据量总和的5万倍。如此庞大的业务仅通过传统的集中式网络控管是难以想象的，智能分布式动态光网络控制技术的引入必不可少。分布式动态光网络的优化控制需要单一网元掌握尽量完整而准确的全网资源信息，然而，在分布式动态网络环境下，其难以实现。首先，在分布式网络中，单一网元所能获得的网络信息通常不完整。特别是对于多域分布式网络来说，各个路由域或属于不同运营商，出于保密性考虑，大部分域内资源信息对外是屏蔽的。其次，在动态网络环境下，网元获得的网络信息通常不准确。这是因为，网络的传输时延和处理时延会造成网络信息不同步，同时这种不同步会随着网络规模的增大及动态性的增加而提高。此外，诸如网络欺骗、网络攻击等主观原因也会造成网元获得的网络信息不准确。因此，分布式动态光网络智能控制技术需要网元能够尽可能地优化利用其所获得的有限网络信息，提高资源利用率。同时，智能控制技术还应具有较强的容错性，能够消除或抑制错误信息造成的负面影响。

    针对上述大容量光网络异构互联及优化控管问题，本文将对一些相关新技术和研究成果进行介绍，包括集中式与分布式相结合的异构多域大规模光网络广义控管架构及试验平台、K随机最短路域间路由优化技术、基于“边缘环”的多域网络拓扑架构、路由重定向信令技术等。

1 网络架构及试验平台

1.1 集中式与分布式相结合的异构多域大规模光网络广义控管架构
    针对复杂网络环境，因特网工程任务组(IETF)开发了路径计算单元(PCE)[2]作为解决路径计算的工具。PCE方案通过在网络中部署路径计算单元的方式，允许负责网络不同区域的PCE之间相互协作来完成全网的最优路径计算，为解决复杂网络中的种种问题提供了解决的有效途径。

    基于PCE的控制平面体系结构被普遍认为是解决异构多域多粒度传送网流量工程问题和服务质量保障问题的一个优选方案，在2006年首次提出后受到了产业界和学术界的广泛关注，美国、欧盟、日本等许多国家的信息研究机构、大学启动了研究和开发计划。与此同时，以IETF为首的标准化组织也在加紧实现PCE体系结构的标准化。随着研究的深入，PCE由最初的概念和方法逐步发展到面向实际网络具体应用，由单纯PCE光网络向多层多域光网络再到异构互连光网络，由传统路径计算到具有特定要求的网络优化，正在经历由创新性课题向实用性技术的发展过程。

    为了能够高效灵活的管理和控制异构多域光网络，我们提出了一种集中式与分布式相结合的广义PCE网络控制和管理架构[3]，能够高效灵活地控制和管理异构光网络。在基于路径计算单元的传送光网络中，每一个传送网域(可以是OTN、SDH或者PTN域)都存在一个或多个路径计算单元，用于进行多层多域路径计算。该路径计算单元独立于传统的网络控制平面和管理平面，同时利用灵活的开放接口和传统控管平面进行协调。这种融合路径计算单元以及传统控制、管理平面的网络架构如图1所示。

    这一架构的特点在于：首先，它使用集中式的网络管理系统管理域间链路信息和资源，而使用分布式的PCE和通用多协议标记交换(GMPLS)控制平面管理和控制域内链路信息，同时进行多层多域路由计算。集中式的网管系统极大地降低了域间信息交互量，简化了多域网络中的域间信令，还有利于域序列确定等优化技术的实施。分布式的路由计算和域内控制大大增加了路由计算的可扩展能力。其次，这一架构对不同的域的GMPLS控制平面采用了并行控制机制，如并行建立或拆除跨域业务。这种机制提高了网络建路的效率和扩展性。再次，该平台引入了层间流量工程(TE)链路自动发现机制，能够迅速发现高层逻辑资源。另外，由于这种控管架构对现有GMPLS控制平面改动很小，因此它能够很好的支持现有异构多种类型的控制平面和传送平面，实现网络的平滑升级。在开发了相应的控制平面PCE开放接口后，可实现网络的PCE功能并与传统控管平面无缝融合。

1.2 异构多域光网络试验平台
    基于上述广义控制和管理架构为基础，我们搭建了一个异构多域光网络演示平台。该平台主要由网络管理系统、路由计算单元(PCE)、控制平面和模拟设备几部分组成，分别承载在不同的实验PC机上。目前，该平台已经完成10节点模拟光网络的验证工作，同时，平台控制管理结构支持的可扩展节点数不少于1 000个。图2展示了该平台的硬件和软件设施。平台以两个SDH域和一个OTN域混合组网的应用为例，演示了广义控制和管理架构的跨域多层控制功能。平台的可扩展性、实效性等一些性能指标已经得到了实验验证。

    平台已经验证的关键技术包括：分布式路径计算结构、控制和管理的协作模式，多粒度的资源配置，路径的保护和恢复机制，链路的故障和恢复机制等。平台具体的功能和性能包括：支持SDH单域业务、OTN单域业务和两种域类型混合组网跨域业务建立、删除、域内保护倒换和回复，以及链路故障告警和恢复等功能。在SDH域支持的VC4粒度的业务，在OTN域支持ODU1和波长粒度业务类型。平台支持的SDH域、OTN域和跨域业务保护类型包括无保护、1+1保护和重路由。SDH无保护业务平均建立时间为1 s(最小业务建立时间)，跨域1+1保护业务平均建立时间为41.5 s(最大业务建立时间)，业务平均保护倒换时间为2 s。

2 多域光网络优化控制技术

2.1 K随机最短路域间路由优化技术
    在PCE框架下解决多域光网络跨域路由问题时，传统的路由算法多基于反向递归路由(BRPC)流程[4]展开，该流程以确定的域序列为前提。主流思想是通过拓扑抽象来完成域间路径计算，从而确定域序列。在动态确定域序列的算法中，往往存在仅考虑域间拓扑而忽视域内拓扑的问题，这导致了较高的资源阻塞率。
为了解决这个问题，我们提出了一种K随机最短路域间路由优化技术[5-6]。该技术采用了分层PCE的结构，每一个域由一个子PCE负责进行域内路径计算，除此之外，上层通过一个父PCE利用拓扑抽象信息进行路径计算和选路决策。拓扑抽象采用传统的边界节点格状网(Mesh)抽象。在进行域间路径计算时，引进了K条随机最短路径，即随机选择源域中K个边缘节点对进行域间路径计算，之后父PCE给相应的域发送路径计算请求，收到应答后，比较K个计算结果，选择最短路径。具体流程如图3所示。从概率角度看，K值越大，达到理论最优解的概率越大。

    K随机最短路域间路由优化技术保证了在域间路径计算的时候，不仅考虑了域间路由信息，还相应考虑了域内的路由信息，对于域内拓扑较为复杂的情况优化效果明显。采用该技术后，网络连接阻塞率比传统算法有很大降低，资源利用率显著提高。

2.2 基于“边缘环”的多域光网络拓扑架构
    随着光网络容量的扩大和节点数的增加，基于链路-状态的路由算法的时间/空间复杂度及信令网带宽均急剧增加，造成网络不稳定。解决这个问题的有效方法是将整个网络划分为多个路由域，进行跨域路由计算[7]。考虑到网络的保密性及路由计算和信令交互的复杂度，跨域路由计算的一般做法是对每个子路由域的拓扑进行抽象，组成一个全网抽象拓扑，并基于该抽象拓扑进行域间路由的计算。然而，进行拓扑抽象会阻碍网元获得完整的全网资源状态，导致在跨域路由计算过程中，路由域的入/出端口选择丧失最优性，从而造成路由长度增大，网络资源浪费。

    如图4(a)所示，在目的路由域，到达目的节点最优的入端口节点为节点B，其到目的节点的路由长度为1跳。然而，由于此路由域的完整内部资源状态无法被源节点获知，源节点在进行路由计算时选择了节点A作为入端口节点。这样便需要占用4跳的域内链路资源建立连接，所消耗资源为最优情况的4倍。此外，非最优的入/出端口选择还会使网络资源的占用集中于特定节点和链路，而其他网络资源得不到有效利用。

    为解决这个问题，我们从全新的角度进行探索，通过对多域光网络的拓扑架构及其相应的路由方法进行合理设计，降低其对最优路由的敏感性，从而提升整体网络资源利用率。图4(b)展示了我们提出的基于“边缘环”结构的多域光网络拓扑架构。其所有边界节点被一个或多个高速ROADM环连接，而其他内部网络节点均不在环上。可以看到，无论选择哪个入端口节点，路由的域内链路资源消耗最多为2跳，优势非常明显。

2.3 路由重定向信令技术
    网络的信息传输时延和处理时延会造成网络资源信息的瞬时不同步。由于网络资源信息不同步的存在，如果业务到达率较高导致为某个业务计算路由时网络尚未收敛，其计算结果不一定符合网络的实际资源状态，从而造成该业务在连接建立的信令过程中发生资源冲突，或称为信令阻塞。由于信息不同步的程度和传输时延的大小正相关，因此信令阻塞率将会随着网络规模的扩大而快速增高。对于目前基于链路-状态路由协议的光网络来说，由于在连接建立过程中无法对路由进行修改，所以难以从根本上避免资源冲突的发生。因而即便在网络负载很低时，总体阻塞率仍无法得到显著降低。

    为解决这个问题，我们创新性地提出了基于信息扩散的光网络路由体系架构[8-9]，首次将距离-向量路由引入分布式动态光网络的域内路由。在该路由体系下，路由计算分散在每个网元进行，同时各网元的信息扩散数据库中都保存着通过其各个端口到达所有其他网元的多条路由，因此在连接建立过程中当资源冲突发生时，可通过路由重定向替换阻塞路由，避免冲突发生。

    基于该思想，我们提出了基于信息扩散光网络路由体系的路由重定向信令技术。基于信息扩散光网络路由体系的路由重定向信令过程如图5所示[10]。图5(a)中，C1、C2两个业务几乎同时完成路由计算，并分别在节点1和节点2发起到节点4的连接建立请求。当业务C1的资源预留(RESV)信令到达节点2时，其路由中由节点2到节点4的链路已经被业务C2占据，发生信令阻塞，如图5(b)所示。在启动路由重定向信令机制后，C1被即时重路由到2-3-4的新路由，信令阻塞被解决，如图5(c)所示。而后业务C1、C2均能成功建立，如图5(d)所示。

3 结束语
    网络业务需求规模的不断扩大、带宽的不断增加，以及种类的不断多样化给下一代光网络的建设带来了大量问题和挑战。为解决这些问题，一些新的网络架构和技术应运而生。本文针对大容量光网络的异构互联及优化控管问题，对一些相关新技术和研究成果进行了介绍，包括集中式与分布式相结合的异构多域大规模光网络广义控管架构及试验平台搭建、K随机最短路域间路由优化技术、基于“边缘环”的多域网络拓扑架构，以及路由重定向信令技术。随着上述问题的逐步解决和更多新技术的商用化，在业务需求的持续推动下，下一代光网络的建设必将在全球范围内掀起新的高潮。

4 参考文献
[1] HOURCADE J, NEUVO Y, POSCH R, et al. Future Internet 2020 - Visions of an industry expert group [R]. Brussels, Belgium: European Commission Information Society and Media, 2009.
[2] RFC 4655. A path computation element (PCE)--Based architecture [S]. 2006.
[3] LU R, WANG L, LI Q, et al. Implementation of PCE-based management and control plane for heterogeneous optical networks [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’11), Mar 6-11, 2011, Los Angeles, CA, USA. Piscataway, NJ, USA:IEEE, 2011: NTuC2.
[4] RFC 5441. A backward-recursive PCE-based computation (BRPC) procedure to compute shortest constrained inter-domain traffic engineering label switched paths [S]. 2009.
[5] SHANG S, ZHENG X, ZHANG H, et al. A hierarchical path computation element (PCE) based routing algorithm in multi-domain networks [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’10), Mar 21-25, 2010, San Diego,CA, USA. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2010:ThD4.
[6] SHANG S, HUA N, WANG L, et al. A hierarchical path computation element (PCE)-based K-random-paths routing algorithm in multi-domain WDM networks [J]. Optical Switching and Networking, 2011,8(4): 235-241.
[7] HUA N, CHEN Y, ZHENG X, et al. An outer-ROADM-ring-based multi-domain routing scheme in optical WDM networks [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’11), Mar 6-11, 2011, Los Angeles, CA, USA. Piscataway, NJ, USA:IEEE, 2011: JWA52.
[8] HUA N, HAN L, ZHENG X, et al. An information-diffusion-based routing scheme in wavelength-routed WDM mesh networks [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’10), Mar 21-25, 2010,San Diego,CA, USA. Piscataway, NJ, USA:IEEE, 2010:OMM1.
[9] CHEN Y, HUA N, ZHENG X, et al. Implementation of the information-diffusion-based routing on a large-scale ASON test-bed [C]//Proceedings of the 36th European Conference on Optical Communication(ECOC’10), Sep 19-23, 2010, Turin, Italy. Piscataway, NJ,USA:IEEE, 2010: P5.02.
[10] CHEN Y, HUA N, ZHENG X, et al. Experimenting with immediate re-routing on an information-diffusion-based routing test-bed [C]//Proceedings of the Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (OFC/NFOEC’11), Mar 6-11, 2011, Los Angeles, CA, USA. Piscataway, NJ, USA:IEEE, 2011: OThI2.

收稿日期：2011-09-06

[摘要] 多种类型的网络设备并存造成光网络严重异构化，且难以实现真正意义上的互联互通，成为阻碍光网络进一步发展的“瓶颈”。文章针对大容量光网络异构互联及优化控管问题，对一些相关新技术和研究成果进行介绍，包括集中式与分布式相结合的异构多域大规模光网络广义控管架构、K随机最短路域间路由优化技术、基于“边缘环”的多域网络拓扑架构、路由重定向信令技术，以及异构多域光网络试验平台搭建等。

[关键词] 大容量光网络；路径计算单元；异构互联；优化路由

[Abstract] he coexistence of different types of equipment in an optical network makes the network complex and heterogeneous. If interconnection has not been realized, bottlenecks can occur that constrain the further development of the network. This article highlights control and internetworking problems in heterogeneous high-capacity optical networks. New technologies are introduced, including a novel centralized-distributed-mixed management and control architecture for large-scale heterogeneous optical networks, a K random-paths routing technology, an outer-ring based multi-domain topology, and an immediate re-routing signaling technology. Results of experiments carried out on our recently established heterogeneous network test-bed are also given.

[Keywords] high-capacity optical networks; path computation element; heterogeneous network internetworking; optimal routing