摘要：

文章針對(duì)下一代光網(wǎng)絡(luò)中光路快速建立的問(wèn)題，介紹了IP-over-optical的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上介紹了動(dòng)態(tài)RWA問(wèn)題和綜合解決RWA問(wèn)題的動(dòng)態(tài)和半動(dòng)態(tài)尋路算法，討論了這兩種算法的容錯(cuò)性能。

關(guān)鍵詞：

IP-over-optical；廣義多協(xié)議標(biāo)簽交換；尋路和波長(zhǎng)選擇；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.

KEY WORDS:

IP-over-optical; GMPLS; RWA; lightpath

近年來(lái)因特網(wǎng)上的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速增長(zhǎng)，虛擬專網(wǎng)(VPN)的需求也日益增加。與此同時(shí)，光聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、密集波分復(fù)用(DWDM)傳輸技術(shù)和光交叉連接(OXC)設(shè)備等的發(fā)展使得一個(gè)全光的Internet圖景逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。這幅圖景是否可以變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)取決于很多因素，其中很重要的一點(diǎn)是未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)能否直接在端點(diǎn)用戶之間快速地建立光路。

眾所周知，在傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)絡(luò)中，要在較大范圍內(nèi)建立一條通路是非常復(fù)雜的，整個(gè)過(guò)程通常需要持續(xù)幾周甚至幾個(gè)月。在DWDM存在的情況下，每根光纖中的波長(zhǎng)數(shù)目大大增加使問(wèn)題變得更加復(fù)雜。光網(wǎng)絡(luò)中光路的快速建立依賴于一個(gè)智能的光尋路層的支持。目前4層結(jié)構(gòu)(IP/ATM/SDH/WDM)的光網(wǎng)絡(luò)顯得過(guò)于臃腫，現(xiàn)在一般認(rèn)為把IP直接置于光鏈路之上是一種可行的方法^［1］。在這種兩層結(jié)構(gòu)的模型中，下一代光網(wǎng)絡(luò)的光路建立問(wèn)題就變得比較明晰。本文將首先簡(jiǎn)單介紹兩層模型下光網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，然后介紹動(dòng)態(tài)的尋路和波長(zhǎng)選擇(RWA)算法以及尋路中的容錯(cuò)問(wèn)題，最后將討論快速建立光路的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

1 IP-over-optical的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

通常所討論的光網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。各個(gè)客戶網(wǎng)絡(luò)通過(guò)光核心網(wǎng)相連，客戶網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間的尋路和信令。在核心網(wǎng)內(nèi)部，又由不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備生產(chǎn)廠商的設(shè)備構(gòu)成不同的全光子網(wǎng)，子網(wǎng)內(nèi)部的OXC之間和光子網(wǎng)之間交互的接口是網(wǎng)間接口(NNI)，其中子網(wǎng)內(nèi)部的OXC之間是內(nèi)部網(wǎng)間接口(I-NNI)，而子網(wǎng)之間的接口是外部網(wǎng)間接口(E-NNI)。OXC具有波長(zhǎng)交換的功能，能夠把輸入端口某個(gè)波長(zhǎng)上的數(shù)據(jù)流交換到輸出端口某個(gè)波長(zhǎng)上，如果在整個(gè)光路上都使用相同的波長(zhǎng)，那么稱該光路滿足波長(zhǎng)一致性條件?？蛻艟W(wǎng)絡(luò)中的IP/MPLS路由器通過(guò)這種單跳的光路實(shí)現(xiàn)邏輯上的連接。

在核心網(wǎng)絡(luò)中，基于IP/ATM/SDH/WDM的結(jié)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法滿足帶寬日益增長(zhǎng)的需求，需要一種新的方式將IP層和WDM層結(jié)合起來(lái)，并且完成原來(lái)4層結(jié)構(gòu)的功能。在這樣的背景下，MPLS／GMPLS(多協(xié)議標(biāo)簽交換/廣義多協(xié)議標(biāo)簽交換)誕生了。GMPLS將網(wǎng)絡(luò)的控制面和數(shù)據(jù)面嚴(yán)格地區(qū)分開(kāi)，控制面包括尋路協(xié)議和建立光路所需的信令，數(shù)據(jù)面僅僅利用控制面建立的光路進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，控制面甚至可以建立在不同的物理網(wǎng)絡(luò)中。根據(jù)UNI上控制面的不同，可以將IP-over-optical的體系結(jié)構(gòu)分為三大類：重疊模型、對(duì)等模型和增強(qiáng)模型^［1］。

在重疊模型中有兩個(gè)互不相關(guān)的控制面：一個(gè)控制面運(yùn)行在核心的光網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)運(yùn)行在UNI。邊緣設(shè)備支持光路，這些光路可以動(dòng)態(tài)地通過(guò)核心網(wǎng)的信令建立，也可以在對(duì)核心網(wǎng)內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)毫不了解的情況下靜態(tài)地指定，這和現(xiàn)在的IP/ATM很相似。重疊模型通過(guò)隱藏核心網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立核心網(wǎng)和邊緣設(shè)備的管理邊界。這個(gè)模型的缺陷是需要在邊緣設(shè)備之間建立O(N2)條(即N2量級(jí)條)點(diǎn)到點(diǎn)的網(wǎng)狀路徑之后才能傳送數(shù)據(jù)。這些點(diǎn)到點(diǎn)的連接同時(shí)需要被路由協(xié)議使用，而1次鏈路狀態(tài)公告(LSA)會(huì)在點(diǎn)到點(diǎn)的網(wǎng)格產(chǎn)生O(N3)的消息，結(jié)果導(dǎo)致很大的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷。所以，這種模型不允許有太多的邊緣設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。

在對(duì)等模型中，以同一個(gè)控制面對(duì)管理域內(nèi)的核心網(wǎng)和邊緣設(shè)備進(jìn)行控制。邊緣設(shè)備可以看到核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。雖然這時(shí)仍舊需要建立O(N2)條網(wǎng)格狀的路徑用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，但是這些路徑將僅僅被用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因?yàn)閺穆酚蓞f(xié)議的角度出發(fā)，和邊緣路由器相鄰的是光交換機(jī)而不是其他的邊緣路由器。所以在這種模式下，使用O(N)條相鄰的路徑可以支持O(N2)個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。這使得路由協(xié)議可以擴(kuò)展到更大的網(wǎng)絡(luò)范圍。

在增強(qiáng)模式下，IP域和光域的控制面在功能上相互分離，各自運(yùn)行自己的尋路協(xié)議，但是它們之間利用標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議在UNI上交換網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性信息。例如對(duì)核心網(wǎng)中的OXC都用IP地址來(lái)標(biāo)識(shí)，并把這些信息提供給IP域，從而實(shí)現(xiàn)一定程度的自動(dòng)尋路。這種模式集成了前兩種模式的優(yōu)點(diǎn)，而且相比于對(duì)等模型在短期內(nèi)也較容易實(shí)現(xiàn)。

2 動(dòng)態(tài)的RWA問(wèn)題

為了建立連接，需要一種路由選擇算法，還需要一定的信令機(jī)制按照選擇的路由建立光路。在具有波長(zhǎng)尋路功能的網(wǎng)絡(luò)中，這類路由選擇過(guò)程被稱為RWA問(wèn)題。RWA問(wèn)題包含兩個(gè)子問(wèn)題，即尋路子問(wèn)題和波長(zhǎng)選擇子問(wèn)題。前者確定連接建立的物理通路(路由)，后者在選定的路由上分配一個(gè)或者一系列的波長(zhǎng)。動(dòng)態(tài)RWA要求尋路和波長(zhǎng)選擇都按照網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)動(dòng)態(tài)進(jìn)行。在上面介紹的所有網(wǎng)絡(luò)模型中，都需要相應(yīng)的RWA模塊來(lái)完成動(dòng)態(tài)光路的建立。

2.1 RWA問(wèn)題概述

連接請(qǐng)求通常分為3類：靜態(tài)的、動(dòng)態(tài)的和增量式的。對(duì)于靜態(tài)業(yè)務(wù)，RWA的目標(biāo)是對(duì)于事先確定的一定業(yè)務(wù)需求進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)分配，使網(wǎng)絡(luò)初期建設(shè)成本最低，該RWA問(wèn)題稱為靜態(tài)光路建立(SLE)問(wèn)題。增量式業(yè)務(wù)的特點(diǎn)是連接請(qǐng)求漸次到達(dá)，在連接建立后永久保持。動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)是指連接請(qǐng)求可以隨機(jī)到達(dá)，并且各個(gè)連接在一定的保持時(shí)間之后需被拆除，該RWA問(wèn)題被稱為動(dòng)態(tài)光路建立(DLE)問(wèn)題。DLE的目標(biāo)是使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中新到達(dá)的連接請(qǐng)求被阻塞的概率最小，也就是使網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行性能最好。DLE問(wèn)題被證明是NP(非多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)可解的)問(wèn)題，目前通常采用啟發(fā)式的方法來(lái)分別解決尋路子問(wèn)題和波長(zhǎng)選擇子問(wèn)題。

對(duì)于尋路子問(wèn)題，通常的方法有3種：固定尋路、固定－備用尋路和動(dòng)態(tài)尋路。固定尋路中從某個(gè)特定的源到某個(gè)目的地的路由只有1條，而且不隨時(shí)間或者網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化而變化，連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，沿著該路由建立光路，如果失敗則拋棄該請(qǐng)求。固定－備用尋路是固定尋路的擴(kuò)充，1個(gè)源到1個(gè)目的地的路由有多條，但是這些路由也是固定不變的，連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，信令在備用路由上逐條地嘗試建立光路，直到光路成功建立。如果在所有備用路由上都無(wú)法建立光路，那么該連接請(qǐng)求被拋棄。在動(dòng)態(tài)尋路中，光路的建立是按照節(jié)點(diǎn)上維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動(dòng)態(tài)進(jìn)行的，這里就需要網(wǎng)絡(luò)上的尋路協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)及時(shí)地通知各個(gè)節(jié)點(diǎn)修改其本地狀態(tài)。這3種尋路方式中，固定尋路導(dǎo)致的連接請(qǐng)求阻塞率最高，也即性能最差，固定－備用尋路其次，動(dòng)態(tài)尋路則基本上可以避免連接請(qǐng)求阻塞的發(fā)生，但是3種方法的復(fù)雜度也漸次上升。

對(duì)于波長(zhǎng)選擇子問(wèn)題，已經(jīng)有人提出了一系列啟發(fā)式的方法^［2-4］，這些方法包括：Random Assignment， First Fit， Least-Used， Most-Used， Min-Product， Least Loaded，

Max-SUM， RCL／DRCL(相對(duì)容量損失/分布式相對(duì)容量損失)等。其中，RCL/DRCL的性能最好，并且DRCL在分布式環(huán)境下效率較高。

2.2 綜合解決尋路波長(zhǎng)選擇問(wèn)題

在光網(wǎng)絡(luò)中，尋路子問(wèn)題對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能的影響比波長(zhǎng)選擇子問(wèn)題大得多^［4］。所以選擇合適的基于限制條件的動(dòng)態(tài)尋路算法，就可以將RWA問(wèn)題作為一個(gè)整體來(lái)解決。此算法將網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)多層的圖，每一層的圖對(duì)應(yīng)著一個(gè)波長(zhǎng)，原來(lái)的每條物理鏈路可以被看成W條虛擬鏈路，W是鏈路上復(fù)用的波長(zhǎng)數(shù)目。在連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，利用尋路算法分別在各層計(jì)算一條路徑，然后依據(jù)限制條件在這些路徑中選擇一條。

圖2中示于左側(cè)的一個(gè)具有兩個(gè)波長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)可以被等效為右側(cè)兩層的圖。這樣分別在兩層中計(jì)算路由，RWA問(wèn)題就完全演化為一個(gè)單一的基于限制條件的尋路問(wèn)題。文獻(xiàn)^［5］中提出的實(shí)現(xiàn)算法有兩種，即全動(dòng)態(tài)尋路和半動(dòng)態(tài)尋路。

2.2.1 全動(dòng)態(tài)尋路

全動(dòng)態(tài)尋路算法的工作過(guò)程列述如下：

(1)對(duì)于一個(gè)給定的波長(zhǎng)圖λi，為每條虛擬的鏈路Lj設(shè)置一個(gè)代價(jià)，這個(gè)代價(jià)可以表示為：

其中，N(λi)是在鏈路Lj上被占用的λi的數(shù)目，F(xiàn)是鏈路上光纖的數(shù)目。

(2)為每個(gè)波長(zhǎng)λi，為每條路徑計(jì)算一個(gè)總代價(jià)Csd，這個(gè)值又由下式來(lái)定義：

其中是構(gòu)成路徑的n條鏈路。

(3)連接請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，在W個(gè)波長(zhǎng)圖上運(yùn)行Dijkstra算法，分別找出各個(gè)波長(zhǎng)中Csd 最小的一個(gè)并置入向量V＝〈Pathi，Wavelengthi〉，這樣最后得到W個(gè)表項(xiàng)的V向量。

(4)檢查V中的各個(gè)表項(xiàng)，如果表項(xiàng)數(shù)目為0，則拋棄該連接請(qǐng)求；如果只有1個(gè)表項(xiàng)，則選擇這個(gè)表項(xiàng)，更新相關(guān)鏈路上的代價(jià)；如果有多個(gè)表項(xiàng)，那么需要按照一定的方法從中選取1個(gè)。文獻(xiàn)^［5］中定義了3種選擇標(biāo)準(zhǔn)，即：基于總代價(jià)的選擇、基于均衡代價(jià)的選擇和基于未來(lái)代價(jià)的選擇。不管是采用哪一種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，都需要更改網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)上鏈路的代價(jià)。

2.2.2 半動(dòng)態(tài)尋路

在操作上，半動(dòng)態(tài)尋路和全動(dòng)態(tài)尋路存在以下不同：

(1)離線運(yùn)行最短路徑算法，為每個(gè)波長(zhǎng)圖建立一個(gè)路由表，其中包含了任意源宿地址對(duì)的路由，這些路由表保存在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

(2)在網(wǎng)絡(luò)上沒(méi)有任何一條鏈路的代價(jià)變?yōu)闊o(wú)窮之前，使用（1）中計(jì)算的路由表建立連接。如果某條鏈路Lj的代價(jià)變?yōu)闊o(wú)窮，那么將這條鏈路從波長(zhǎng)圖中去除，同時(shí)重新計(jì)算整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最短路徑。

3 尋路算法的容錯(cuò)性

生存性是光網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要指標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)的生存性可以分為兩類：保護(hù)和恢復(fù)。通常解決保護(hù)問(wèn)題的方法是為每個(gè)連接請(qǐng)求建立兩條物理上不相關(guān)的通路，其中一條為主通路，用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，另一條用作備份。為了防止因節(jié)點(diǎn)故障而出現(xiàn)問(wèn)題，可以建立其節(jié)點(diǎn)和主通路的節(jié)點(diǎn)完全不同的備用通路。

在動(dòng)態(tài)尋路算法中，可以考慮這樣一種保護(hù)機(jī)制，就是在主通路建立成功之后，立刻使用相同的路由協(xié)議建立備用通路，為了保證兩者不相關(guān)，可以將主通路上各鏈路的代價(jià)修改為無(wú)窮大。另外，共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組(SRLG)的概念使建立互不相關(guān)的通路變得更加有章可循。動(dòng)態(tài)尋路算法可以經(jīng)過(guò)適當(dāng)擴(kuò)展以后保證建立的路徑互不相關(guān)。

在沒(méi)有故障發(fā)生的情況下，恢復(fù)機(jī)制由于不需要事先建立連接，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的開(kāi)銷較小。但當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，由于恢復(fù)機(jī)制需要重新計(jì)算路徑，因此相對(duì)于保護(hù)而言，恢復(fù)機(jī)制所花的時(shí)間要多得多，在資源比較緊張的情況下，恢復(fù)路徑的建立可能會(huì)失敗。

4 快速的光路建立

動(dòng)態(tài)光路的建立依賴于兩個(gè)基本的功能模塊：一個(gè)是路由信息分發(fā)模塊，用來(lái)提供網(wǎng)絡(luò)中資源信息的分發(fā)機(jī)制；另一個(gè)是路由計(jì)算模塊，按照信息分發(fā)模塊提供的信息計(jì)算并選擇路徑。

信息分發(fā)機(jī)制提供網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和資源可用性信息。把通常的尋路協(xié)議(例如OSPF或者IS-IS等^［5，6］)稍作修改就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)模塊的功能。目前IETF（國(guó)際工程任務(wù)組）正對(duì)OSPF進(jìn)行擴(kuò)展^［7］，在鏈路公告中加入流量工程(TE)參數(shù)。這些信息包括：最大鏈路帶寬、最大可預(yù)約的鏈路帶寬、當(dāng)前的帶寬預(yù)約狀況、當(dāng)前的帶寬使用情況、鏈路著色等等。一旦節(jié)點(diǎn)有了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息和資源可用性信息，就可以動(dòng)態(tài)地進(jìn)行光路的計(jì)算和選擇。

計(jì)算選擇路徑的過(guò)程根據(jù)動(dòng)態(tài)狀態(tài)鏈路公告算法交換的信息，并按照連接請(qǐng)求的特定限制條件選擇一條顯示的路徑。這個(gè)選擇過(guò)程可以是離線的，也可以在線進(jìn)行。在對(duì)等模型里，路徑計(jì)算由源路由器完成；而在重疊模型中，路徑計(jì)算由邊緣OXC或者網(wǎng)絡(luò)中的集中控制器完成。路徑計(jì)算完成后，由信令(例如采用CR-LDP或者RSVP-TE^{［8，9］})來(lái)建立整條通路。

5 結(jié)束語(yǔ)

從最初的概念模型到目前的實(shí)現(xiàn)情況可見(jiàn)，IETF對(duì)GMPLS的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行得非常迅速，其中一些正在開(kāi)發(fā)的功能將對(duì)未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)性能有非常大的提升?？梢哉f(shuō)，GMPLS作為將來(lái)構(gòu)建傳輸網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議已經(jīng)成為必然?！?/p>

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(收稿日期：2002-06-06)

作者簡(jiǎn)介

李津生，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事信息網(wǎng)絡(luò)的科研與教學(xué)工作。

孫衛(wèi)強(qiáng)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系在讀博士研究生。研究方向?yàn)楣饩W(wǎng)絡(luò)和安全組播。

洪佩琳，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子工程與信息科學(xué)系教授，博士生導(dǎo)師。一直從事信息網(wǎng)絡(luò)的科研與教學(xué)工作。