曹毅寧,謝永強(qiáng),許 波,王京軍

(中國(guó)電子設(shè)備系統(tǒng)工程公司研究所網(wǎng)絡(luò)研究中心,北京100039)

IP/WDM網(wǎng)絡(luò)的跨層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹毅寧,謝永強(qiáng),許 波,王京軍

(中國(guó)電子設(shè)備系統(tǒng)工程公司研究所網(wǎng)絡(luò)研究中心,北京100039)

針對(duì)現(xiàn)有IP/WDM網(wǎng)絡(luò)中IP層與光層在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)階段的協(xié)同控制問(wèn)題,設(shè)計(jì)一種基于認(rèn)知的跨層控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用疊加網(wǎng)絡(luò)技術(shù),引入跨層協(xié)同機(jī)制,完成業(yè)務(wù)恢復(fù)集中控制及故障條件下IP層與光層資源的統(tǒng)一調(diào)度。通過(guò)加強(qiáng)層間業(yè)務(wù)信息、帶寬資源使用信息、網(wǎng)絡(luò)故障信息的共享與交互,解決了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)控制方式存在的上下層資源搶占和恢復(fù)震蕩等問(wèn)題,從而實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)感知的網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)。性能評(píng)估結(jié)果表明,該系統(tǒng)能有效降低控制信令代價(jià),提高中斷業(yè)務(wù)的恢復(fù)速度,并且具有良好的網(wǎng)絡(luò)生存性能。

IP/WDM網(wǎng)絡(luò);自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò);跨層控制;故障恢復(fù);保護(hù)倒換;重路由

1 概述

IP/WDM網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)大容量、高速率、智能信息交換的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。目前,隨著自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(Automatically Switched Optical Network,ASON)技術(shù)的普應(yīng)用以及軟件定義光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,寬帶光纜網(wǎng)智能化在光層提供了更豐富的網(wǎng)絡(luò)控制和資源調(diào)度手段,但同時(shí)也使得IP層和光層上下兩層的聯(lián)合控制和資源調(diào)度等問(wèn)題成為網(wǎng)絡(luò)性能面臨的新挑戰(zhàn)[1-3]。尤其在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí),如何有效協(xié)調(diào)各種IP層和光層生存性技術(shù),快速恢復(fù)中斷業(yè)務(wù)的傳輸,是影響網(wǎng)絡(luò)生存性能的新因素[4]。

層間交互和層間資源分配是影響IP/WDM網(wǎng)絡(luò)生存性的2個(gè)關(guān)鍵因素。層間資源分配問(wèn)題的研究起步較早,重點(diǎn)解決單一光纖鏈路故障下的網(wǎng)絡(luò)生存性問(wèn)題[5-6],在生存性算法[7-8]等方面成果較多。而在跨層交互控制方面,由于IP層和光層一直采取獨(dú)立發(fā)展的技術(shù)路線(xiàn),因此跨層控制大多采用自頂向上或自底向下的控制方式[9-10],這些控制方式屬于靜態(tài)順序協(xié)同控制,網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)中斷業(yè)務(wù)的流程與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)無(wú)關(guān),通過(guò)令牌或定時(shí)器觸發(fā)各層恢復(fù)操作。這種跨層控制方式在現(xiàn)有光層非智能化網(wǎng)絡(luò)或部分智能化網(wǎng)絡(luò)中性能較好,但隨著多協(xié)議標(biāo)簽交換、雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)和ASON等技術(shù)逐步成熟和推廣應(yīng)用,IP層在原有重路由基礎(chǔ)上,新增了快速保護(hù)倒換、分段保護(hù)等多種業(yè)務(wù)恢復(fù)手段,光層也具備了保護(hù)和恢復(fù)能力。當(dāng)雙層網(wǎng)絡(luò)具備豐富的生存性技術(shù)組合方案,中斷業(yè)務(wù)可以在光層或IP層得到恢復(fù),而上下層業(yè)務(wù)恢復(fù)存在一定性能差異的情況下,現(xiàn)有靜態(tài)跨層控制方式存在恢復(fù)流程固定、效率低、恢復(fù)速度慢等問(wèn)題,迫切需要研究新的跨層控制技術(shù)以改善網(wǎng)絡(luò)生存性能。

本文提出在IP/WDM網(wǎng)絡(luò)中引入認(rèn)知技術(shù),通過(guò)動(dòng)態(tài)跨層控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)恢復(fù)集中控制與上下層統(tǒng)一資源調(diào)度,以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)生存性能。

2 認(rèn)知技術(shù)

認(rèn)知技術(shù)是一種動(dòng)態(tài)自適應(yīng)控制技術(shù),其核心思想是通過(guò)引入認(rèn)知層,使網(wǎng)絡(luò)具有基于推理和先驗(yàn)知識(shí),根據(jù)條件或事件做出適應(yīng)的能力,使其滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目標(biāo)。目前,認(rèn)知技術(shù)在頻譜認(rèn)知領(lǐng)域具有深入的研究和應(yīng)用,認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是認(rèn)知技術(shù)的典型代表。但需要指出的是,認(rèn)知技術(shù)應(yīng)用廣泛,它并沒(méi)有限定只適用于互聯(lián)網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等某一種網(wǎng)絡(luò),現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)都可根據(jù)需要,通過(guò)疊加認(rèn)知層的方式,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)認(rèn)知能力[11-12]。

在IP/WDM網(wǎng)絡(luò)中,引入認(rèn)知技術(shù)以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)生存性能,主要是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中不確定性因素較多,靜態(tài)控制成為限制網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)性能的重要因素。(1)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)具有不確定性。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)多樣化使網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜,尤其是光層ASON網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)大,智能控制能力加強(qiáng)后,網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)需求與帶寬資源分配之間的可行方案呈指數(shù)增長(zhǎng),采用實(shí)現(xiàn)規(guī)劃方式將造成帶寬資源的極大浪費(fèi)。(2)故障不確定性。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,各層設(shè)備類(lèi)型越來(lái)越多,故障點(diǎn)增多,故障不確定性增大。靜態(tài)控制針對(duì)個(gè)別故障場(chǎng)景設(shè)置的恢復(fù)方案在其他故障發(fā)生時(shí)恢復(fù)性能較低。(3)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不確定性。同一故障在不同路由方式、不同流量策略下影響范圍不同。固定的生存性策略影響業(yè)務(wù)恢復(fù)性能。因此,將業(yè)務(wù)生存性目標(biāo)和智能判決加入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,通過(guò)實(shí)時(shí)感知的業(yè)務(wù)狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),動(dòng)態(tài)制定網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)流程是提高網(wǎng)絡(luò)生存性的有效途徑。

根據(jù)智能光網(wǎng)絡(luò)ASON部署后網(wǎng)絡(luò)雙層控制特征,在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中引入認(rèn)知系統(tǒng),可以加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)IP層和光層的上下層聯(lián)合控制。本文采用跨層設(shè)計(jì)思想進(jìn)行認(rèn)知系統(tǒng)設(shè)計(jì),著重解決3個(gè)方面問(wèn)題:(1)解決網(wǎng)絡(luò)資源的自適應(yīng)性分配問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)資源自適應(yīng)恢復(fù),能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)恢復(fù)的IP層路由和光層路由之間的匹配,避免同一業(yè)務(wù)對(duì)IP層和光層資源的冗余占用,減少業(yè)務(wù)恢復(fù)期間網(wǎng)絡(luò)路由和資源振蕩,提高資源分配合理性。(2)解決網(wǎng)絡(luò)生存性能的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問(wèn)題。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,采用自底向上或自頂向下等單一的恢復(fù)方式來(lái)恢復(fù)故障中斷業(yè)務(wù),恢復(fù)流程在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)期就被固定?？鐚拥淖赃m應(yīng)性需要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)和業(yè)務(wù)負(fù)載變化,隨時(shí)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)流程,以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)生存性能。(3)解決多層次聯(lián)合生存性?xún)?yōu)化問(wèn)題。在跨層設(shè)計(jì)方案中,光層可以與IP層聯(lián)合優(yōu)化,例如在光節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí),部分業(yè)務(wù)能夠通過(guò)光層恢復(fù),部分業(yè)務(wù)必須通過(guò)IP層恢復(fù)。在IP層和光層之間傳遞故障控制信息進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化,按業(yè)務(wù)流量特征分類(lèi)進(jìn)行IP層和光層并行恢復(fù),以提高網(wǎng)絡(luò)整體生存性能。

3 跨層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跨層控制系統(tǒng)是認(rèn)知技術(shù)在IP/WDM網(wǎng)絡(luò)中的具體實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,重點(diǎn)解決IP層和光層在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)階段的協(xié)同控制問(wèn)題,同時(shí)兼顧網(wǎng)絡(luò)信令復(fù)雜度。

3.1 基于認(rèn)知的跨層生存性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

跨層生存性網(wǎng)絡(luò)采用疊加網(wǎng)絡(luò)技術(shù),通過(guò)引入跨層控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上下層信息感知、交互及跨層協(xié)同控制。基于認(rèn)知的跨層生存性架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于認(rèn)知的跨層生存性架構(gòu)

跨層控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)跨層生存性網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)體。IP層的生存性技術(shù)通過(guò)IP層的態(tài)勢(shì)感知獲取IP業(yè)務(wù)的相關(guān)性能參數(shù),優(yōu)化IP層業(yè)務(wù)流量并實(shí)現(xiàn)IP層拓?fù)涞淖顑?yōu)化;光層的生存性技術(shù)通過(guò)光網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢(shì)感知獲取光網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的狀態(tài),根據(jù)應(yīng)用層業(yè)務(wù)的約束變量和IP網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)ASON的功能和拓?fù)渥顑?yōu)化?？鐚訝顟B(tài)信息交互為IP網(wǎng)絡(luò)層和光傳輸層提供信息交互通道,實(shí)現(xiàn)IP層路由和光層傳輸?shù)木o耦合。跨層控制策略通過(guò)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)模式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層、IP網(wǎng)絡(luò)層和光層的綜合控制和協(xié)作。

從實(shí)現(xiàn)難易程度、信令復(fù)雜度以及與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)融合性等因素,跨層控制系統(tǒng)采用集中控制模式。集中控制模式即在網(wǎng)絡(luò)自治域內(nèi)采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)跨層控制系統(tǒng),對(duì)生存性控制所需的所有信息進(jìn)行收集、匯聚,并進(jìn)行集中處理、判斷。這種控制模式層間交互信息較少,網(wǎng)絡(luò)信令代價(jià)較低。從控制邏輯的角度分析,跨層控制系統(tǒng)位于IP層和光網(wǎng)絡(luò)層控制體系之上。IP層和光網(wǎng)絡(luò)層沿用原有的控制

協(xié)議,只對(duì)接口進(jìn)行相應(yīng)擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)與跨層控制系統(tǒng)的通信,對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)改造小,實(shí)現(xiàn)較容易。

3.2 跨層控制系統(tǒng)功能組件

跨層控制系統(tǒng)需要采集IP層和光層的拓?fù)?、資源使用狀態(tài)等信息,并按照用戶(hù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則,為網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)幕謴?fù)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)IP層和光層的協(xié)同控制功能。由于系統(tǒng)功能較復(fù)雜,因此按照模塊化設(shè)計(jì)思想,獨(dú)立劃分出信息數(shù)據(jù)庫(kù)、消息處理模塊以及協(xié)同控制模塊三大主要模塊,既降低了各模塊的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,又便于后期各模塊按需獨(dú)立升級(jí),使系統(tǒng)具備良好的可擴(kuò)展性。

根據(jù)跨層控制系統(tǒng)功能需求,系統(tǒng)可進(jìn)一步細(xì)分為8個(gè)功能模塊:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù),故障消息處理器,恢復(fù)消息處理器,協(xié)同策略判決器,協(xié)同控制器,外部接口,用戶(hù)管理接口以及用戶(hù)管理界面等,它們通過(guò)內(nèi)部消息連接起來(lái),具體功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 跨層控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的作用是為協(xié)同策略判決器提供判決所需的基礎(chǔ)信息,包括業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、IP層路由數(shù)據(jù)庫(kù)和光層拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫(kù)。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)保存通過(guò)外部接口接收到的業(yè)務(wù)特征信息、IP層和光層網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知信息,保持與IP層和光層信息實(shí)時(shí)同步,為協(xié)同策略判決器和用戶(hù)管理模塊提供查詢(xún)功能。

(2)故障消息處理器

故障消息處理器負(fù)責(zé)對(duì)IP層和光層故障信息進(jìn)行管理,包括對(duì)故障信息的收集、處理和發(fā)布,是跨層故障信息交互處理的關(guān)鍵模塊。

故障消息處理器收到IP層或光層故障信息告警后,將故障信息發(fā)送給協(xié)同策略判決器,觸發(fā)跨層協(xié)同控制過(guò)程。同時(shí),故障消息處理器接收協(xié)同控制器的指令,通過(guò)向特定層、特定設(shè)備發(fā)布故障消息,從而觸發(fā)業(yè)務(wù)恢復(fù)過(guò)程。

(3)恢復(fù)消息處理器

恢復(fù)消息處理器負(fù)責(zé)收集IP層和光層業(yè)務(wù)恢復(fù)情況,提供給協(xié)同控制器,作為協(xié)同控制器狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的依據(jù),同時(shí)也向用戶(hù)管理模塊提供網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)性能的統(tǒng)計(jì)信息。

(4)協(xié)同策略判決器

協(xié)同策略判決器是整個(gè)系統(tǒng)的策略中心,它負(fù)責(zé)根據(jù)業(yè)務(wù)特征、IP層和光層網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、故障位置進(jìn)行綜合判決,從預(yù)先設(shè)計(jì)的協(xié)同策略模板中選擇合適的綜合協(xié)同方案,以達(dá)到基于多約束條件的協(xié)同優(yōu)化控制的目的。

(5)協(xié)同控制器

協(xié)同控制器是系統(tǒng)的執(zhí)行者,它根據(jù)協(xié)同策略判決器提供的協(xié)同控制方案,觸發(fā)各種IP層和光層生存性技術(shù),并通過(guò)控制信令負(fù)責(zé)各層恢復(fù)過(guò)程在時(shí)間上的協(xié)調(diào)。

(6)用戶(hù)管理接口

采用上述方法對(duì)掘進(jìn)工作面風(fēng)筒布置方式及高壓外噴霧降塵系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化后，掘進(jìn)工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)及回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)處硫化氫濃度及凈化效率檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)風(fēng)筒位置優(yōu)化后硫化氫治理效率在原有基礎(chǔ)的平均值上提高6.3%，進(jìn)風(fēng)側(cè)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)及其后5 m處硫化氫體積分?jǐn)?shù)均降低到了3.6×10-6以下，在調(diào)整風(fēng)筒位置情況下，對(duì)外噴霧布置調(diào)整后進(jìn)風(fēng)側(cè)硫化氫體積分?jǐn)?shù)降低到了1.8×10-6以下，回風(fēng)側(cè)體積分?jǐn)?shù)降低到了6.1×10-6以下，對(duì)硫化氫的治理效率均值達(dá)到了95.6%。

用戶(hù)管理接口為系統(tǒng)提供用戶(hù)管理功能,通過(guò)該接口用戶(hù)可實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)測(cè)、配置等功能。

(7)外部接口

外部接口負(fù)責(zé)獲取故障消息、收集恢復(fù)信息、下發(fā)協(xié)同控制信令等信令功能,是跨層控制系統(tǒng)與IP層和光層控制平面的接口。

3.3 網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)流程

在加入認(rèn)知系統(tǒng)設(shè)計(jì)后,跨層控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)包括3個(gè)階段:(1)獲得網(wǎng)絡(luò)故障信息、可用路徑上的節(jié)點(diǎn)和鏈路的可用資源信息;(2)根據(jù)獲得的信息,評(píng)估各種恢復(fù)方案的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)質(zhì)量;(3)選擇最優(yōu)的恢復(fù)方案進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)。衡量網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)方案的質(zhì)量,最重要的標(biāo)準(zhǔn)是業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間和全網(wǎng)故障恢復(fù)成功率。由于在IP/WDM網(wǎng)絡(luò)中,恢復(fù)振蕩主要影響業(yè)務(wù)恢復(fù)速度和效率,因此跨層控制系統(tǒng)重點(diǎn)解決減少業(yè)務(wù)中斷時(shí)間的問(wèn)題。

根據(jù)故障影響位置和影響范圍,網(wǎng)絡(luò)常見(jiàn)故障分為光纖鏈路故障、ASON節(jié)點(diǎn)故障、IP層故障3類(lèi)。光纖鏈路故障包括數(shù)據(jù)通道故障、控制通道故障、光纖斷裂、激光器故障;ASON節(jié)點(diǎn)故障包括光傳送節(jié)點(diǎn)故障、光匯聚節(jié)點(diǎn)故障;IP層故障包括路由器故障、混合故障。為減少業(yè)務(wù)中斷時(shí)間,提高網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)速度,由跨層控制系統(tǒng)根據(jù)故障恢復(fù)協(xié)調(diào)規(guī)則觸發(fā)相應(yīng)生存性機(jī)制,對(duì)各類(lèi)故障分類(lèi)進(jìn)行恢復(fù)。

網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)流程如圖3所示。在光纖鏈路故障時(shí),根據(jù)IP層和ASON層所采取的保護(hù)恢復(fù)類(lèi)型,網(wǎng)絡(luò)在跨層控制系統(tǒng)控制下順序執(zhí)行保護(hù)恢復(fù)流程1、保護(hù)恢復(fù)流程2或者是保護(hù)恢復(fù)流程3中的2種保護(hù)恢復(fù)操作;在光層ASON節(jié)點(diǎn)故障時(shí),跨層控制系統(tǒng)根據(jù)經(jīng)過(guò)該節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)情況分別進(jìn)行IP層和ASON層并行恢復(fù),即以故障節(jié)點(diǎn)為源宿匯聚節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)將通過(guò)IP層進(jìn)行保護(hù)恢復(fù),以故障節(jié)點(diǎn)為中繼節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)采用ASON層的保護(hù)恢復(fù)動(dòng)作;在IP層邏輯鏈路故障和IP層路由節(jié)點(diǎn)故障時(shí),即采用IP層的保護(hù)恢復(fù)動(dòng)作。

圖3 基于跨層控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)流程

4 性能評(píng)估

基于跨層控制系統(tǒng)的IP/WDM網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)故障類(lèi)型、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、業(yè)務(wù)類(lèi)型等多個(gè)因素綜合判斷,動(dòng)態(tài)觸發(fā)適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)生存性機(jī)制對(duì)中斷業(yè)務(wù)進(jìn)行恢復(fù)。與基于自頂向下或自底向上的固定協(xié)同策略的網(wǎng)絡(luò)[6]相比,新系統(tǒng)的應(yīng)用將顯著減少業(yè)務(wù)恢復(fù)過(guò)程中的各層路由振蕩,縮短業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間。

為驗(yàn)證跨層控制系統(tǒng)在不同網(wǎng)絡(luò)故障情況下對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存性的影響,選擇以下3種常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)單故障場(chǎng)景進(jìn)行性能評(píng)估:(1)單光纖鏈路故障:全網(wǎng)僅有一條光纖鏈路發(fā)生故障;(2)單ASON節(jié)點(diǎn)故障:全網(wǎng)僅有一個(gè)ASON光節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)平面發(fā)生故障; (3)單IP層故障:全網(wǎng)僅有一臺(tái)路由器發(fā)生故障。

4.2 保護(hù)倒換機(jī)制下的性能評(píng)估

網(wǎng)絡(luò)為重要業(yè)務(wù)在光層和IP層均配置了保護(hù)倒換機(jī)制。對(duì)常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)故障,業(yè)務(wù)保護(hù)倒換的恢復(fù)時(shí)間如表1所示,其中,Tr為業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間;TG為光層恢復(fù)時(shí)間;TI為IP層恢復(fù)時(shí)間。

表1 常見(jiàn)故障下業(yè)務(wù)保護(hù)倒換恢復(fù)時(shí)間比較

在單鏈路發(fā)生故障時(shí),光層恢復(fù)時(shí)間TG為50 ms,IP層恢復(fù)時(shí)間TI為50 ms。在光纖鏈路和IP層故障下2種控制方式的業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間相當(dāng),50 ms內(nèi)完成對(duì)中斷業(yè)務(wù)的恢復(fù)。而在ASON節(jié)點(diǎn)故障下,由于跨層控制系統(tǒng)將不同的中斷業(yè)務(wù)分配給IP層和光層并行倒換,而基于固定延遲時(shí)間的多層網(wǎng)絡(luò)必須自底向上逐層恢復(fù),因此啟用跨層控制系統(tǒng)后,業(yè)務(wù)恢復(fù)速度明顯加快,可節(jié)約50%的時(shí)間。2種控制方式下業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間比較如圖4所示。

圖4 保護(hù)倒換業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間比較

4.3 重路由機(jī)制下的性能評(píng)估

網(wǎng)絡(luò)為盡力而為業(yè)務(wù)在光層和IP層均配置了重路由機(jī)制。對(duì)常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)故障,業(yè)務(wù)重路由的恢復(fù)時(shí)間如表2所示,其中,Tr為業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間;TG為光層恢復(fù)的時(shí)間;Ti為IP層恢復(fù)的時(shí)間;T為跨層控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)時(shí)間;THold-off為延遲定時(shí)器設(shè)置的延遲時(shí)間。

表2 常見(jiàn)故障下業(yè)務(wù)重路由恢復(fù)時(shí)間比較

考慮最差情況,部分業(yè)務(wù)因資源不足必須通過(guò)IP層重路由方式恢復(fù)。其中,THold-off通過(guò)配置路由器失效通告抑制參數(shù)實(shí)現(xiàn),以思科路由器為例,典型值為2 s,光層恢復(fù)時(shí)間TG為200 ms,IP層除失效通告抑制時(shí)間外的恢復(fù)時(shí)間TI為500 ms,跨層控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)時(shí)間T為500 ms。在此前提下,基于跨層控制系統(tǒng)的多層網(wǎng)絡(luò)與基于固定延遲時(shí)間的多層網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)恢復(fù)速度比較,如圖5所示。

圖5 重路由業(yè)務(wù)恢復(fù)時(shí)間比較

基于固定延遲時(shí)間的多層網(wǎng)絡(luò)為確保光層恢復(fù)完成后再啟動(dòng)IP層恢復(fù),THold-off?TG+T。而啟用跨層控制系統(tǒng)后,通過(guò)基于信令的層間協(xié)調(diào)機(jī)制顯著縮短了等待時(shí)間。因此,在各類(lèi)故障情況下,基于跨層控制系統(tǒng)的多層網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)速度均顯著快于固定延遲時(shí)間控制方式的恢復(fù)速度。

由上述分析可以看出,基于跨層控制系統(tǒng)的IP/ WDM網(wǎng)絡(luò)能夠顯著提高業(yè)務(wù)恢復(fù)速度。由于采用了集中控制設(shè)計(jì),有效解決了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)控制方式存在的上下層資源搶占和恢復(fù)震蕩等問(wèn)題。需要說(shuō)明的是,由于系統(tǒng)需要獲取IP層和光層狀態(tài)信息,并依據(jù)控制判決結(jié)果對(duì)兩層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制,因此會(huì)帶來(lái)一定的額外信令開(kāi)銷(xiāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初已考慮此問(wèn)題,在體系設(shè)計(jì)時(shí)跨層控制系統(tǒng)作為路由器和光節(jié)點(diǎn)的鄰居,交換狀態(tài)信息,路由器間、光節(jié)點(diǎn)間的控制信息交互與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)一致,以此降低信令開(kāi)銷(xiāo),提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。因此,跨層控制系統(tǒng)在提高業(yè)務(wù)恢復(fù)速度的同時(shí)并沒(méi)有引入更多信令負(fù)擔(dān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

IP/WDM網(wǎng)絡(luò)的跨層控制問(wèn)題將成為IP層生存性技術(shù)發(fā)展和ASON應(yīng)用過(guò)程中亟待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。跨層控制技術(shù)會(huì)直接影響網(wǎng)絡(luò)生存性能。本文引入網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知技術(shù)并采用跨層設(shè)計(jì)方法解決IP/ WDM網(wǎng)絡(luò)層間協(xié)同問(wèn)題。通過(guò)引入跨層控制系統(tǒng),IP/WDM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了基于狀態(tài)感知的網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù),該系統(tǒng)能有效降低控制信令代價(jià),提高中斷業(yè)務(wù)的恢復(fù)速度,從而提高網(wǎng)絡(luò)生存性及網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性。

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編輯 陸燕菲

Design of Cross-layer Control System for IP/WDM Network

CAO Yi-ning,XIE Yong-qiang,XU Bo,WANG Jing-jun
(Network Research Center,Institute of China Electronic Equipment System Engineering Company,Beijing 100039,China)

For the multi-layer control problem in IP/WDM network causing by the independent control of IP layer and optical layer,a cognitive-based cross-layer control system is proposed.The proposed system builds a new cross-layer controller on the original IP layer and optical layer control plane with overlay network design ideas.The controller performs traffic recovery and resource scheduling dynamically in case of network failure.By the enhancement of the information sharing,like traffic features,the usage of bandwidth,the state of network failures,the new system achieves a state-based recovery capability,and solves the problem of resource preemption and recovery concussion.Performance evaluation shows that this system accelerates recovery speed with limited signaling cost,and achieves better network survivability.

IP/WDM network;Automatically Switched Optical Network(ASON);cross-layer control;failure recovery;protection switching;rerouting

1000-3428(2014)09-0087-05

A

TP393

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.09.018

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

曹毅寧(1982-),女,工程師、博士,主研方向:IP/WDM網(wǎng)絡(luò);謝永強(qiáng),研究員、博士;許 波、王京軍,高級(jí)工程師、碩士。

2013-07-30

2013-10-09E-mail:cyn00@mails.tsinghua.edu.cn