劉 潔

(西安科技大學 期刊中心，陜西 西安710054)

0 引 言

波長交換光網絡(Wavelength Switched Optical Networks，WSONs)是隨著光器件和光節(jié)點技術的飛速發(fā)展提出的，它由WDM 光互連透明節(jié)點(例如光交叉互聯(lián)，OXCs;光分叉復用器，OADM)組成。由于WSONs 架構可以避免使用昂貴的光電收發(fā)器做中間節(jié)點，它被認為是目前最有前途的下一代核心和城域網絡技術。

基于通用多協(xié)議標簽交換(GMPLS)的分布式控制的WSONs，可以在光網絡發(fā)生故障后盡快地將受故障影響的業(yè)務恢復。GMPLS 協(xié)議提供路由，信令和鏈路管理職能，因此基于GMPLS 的WSONs 端到端光路可以動態(tài)建立，維持和釋放。文獻［1 -2］中給出了GMPLS 支持保護類型和故障恢復技術。然而所有迄今提出的恢復方案集中在如何恢復受鏈接失敗影響的光路，而沒有考慮損耗或突發(fā)故障的幾個光路(如光纖被切斷或設備損耗)可能會影響光路的問題。事實上由于在波分復用鏈路中廣泛使用飽和光放大器，光功率的突然起伏可能會劇烈降低與損壞光路共享光纖的其他光路的光學性能。

在物理層提出的參鉺光纖放大器控制技術以及鏈路控制層的使用［3-5］等解決方案可以用來減輕功率平坦度對光網絡的影響，這需要調整發(fā)射機的輸出功率或者光路中的放大器，而這種解決方案大大增加了光放大器的成本和復雜性，并引起噪聲性能的惡化和光功率的減少。文獻［6］試圖在路由層上解決同樣的問題，通過引入一個統(tǒng)一線性規(guī)劃(ILP)來盡量減少在單鏈路故障情況下功率平坦度所影響的光路數(shù)量。但該方案不能應用于大型網絡，因此不適用于采用分布式控制的實時動態(tài)情景。

文中提出了一種適用于大型網絡的基于GMPLS 的WSONs 的感知式路由方案，用于解決功率平坦度問題，稱為功率平坦度感知的路由方案，簡稱POSR(Power Offset Sensing Routing)方案。為基于GMPLS 的WSONs 在協(xié)議層描述了POSR 方案可能的實現(xiàn)，并用仿真評估了所提方案的性能。

1 POSR 方案

基于流量工程資源預留協(xié)議(RSVP -TE)是用來在基于GMPLS 的動態(tài)WSONs 上建立光路的。該路由協(xié)議用于網絡節(jié)點間分發(fā)更新的網絡狀況信息，這些信息接著被儲存在每一個網絡節(jié)點的流量工程數(shù)據(jù)庫(TED)中。一旦有路由請求，源節(jié)點在本地TED 信息的基礎上計算路由;計算完路由后，源節(jié)點沿該路徑觸發(fā)一個RSVP-TE 信令;最后目的節(jié)點利用所收集的信令消息分配波長。

文中提出的POSR 方案需要有一個本地矩陣A，每個網絡節(jié)點使用RSVP-TE 協(xié)議和基于流量工程開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF-TE 協(xié)議)來存儲和更新該矩陣。矩陣A 包括了路由中所有現(xiàn)有光路的功率平坦度信息，這是一個M × M 階矩陣，其中M 是網絡鏈路的總數(shù)量。因此矩陣的維數(shù)并不依賴于已建立光路的數(shù)量，從而保證方案的可測量性。元素ai，j∈A 表示鏈路i 上受鏈路j故障影響的光路數(shù)量，即同時通過鏈路i，j 的光路數(shù)量。沿對角線的元素ai，i是代表了沿鏈路i 建立的光路數(shù)量。為了更好地理解，圖1 畫出一個簡單的網絡情況，圖中建立了兩個光路(分別沿鏈路1-2 -3 和2 -3 -4)。圖2 所示是相應的矩陣A，它涵蓋了這一網絡的情況。如果鏈路3 斷開兩個光路直接受到影響，這兩個中斷光路均要通過鏈路2，因此A2，3=2.只有一個中斷光路的路由經過鏈路1 和4，此時a1，3=1，a4，3=1.當沒有中斷光路路由經過鏈路5，6，7 時，a5，3=0，a6，3=0，a7，3=0.矩陣A 中的所有元素可按照上述方法類推得出。

圖1 簡單路由光路Fig.1 Simple routed lightpaths

圖2 圖1 對應的A 矩陣Fig.2 A matrix for Fig.1

當有源節(jié)點s 到目的節(jié)點d 的新的光路請求到達時，源節(jié)點使用存儲矩陣A 來評估每個候選光路(r∈Rs，d)的功率平坦度狀況。每個節(jié)點對(s，d)間的候選路徑的Rs，d是由每個網絡節(jié)點預先計算的，并且它包括了比最短路徑的鏈路數(shù)多n跳的所有路徑。特別對于每個r∈Rs，d源節(jié)點計算Ar矩陣。其中Ar是A 矩陣經變換適應特別的路徑r 之后的矩陣(例如=aij+1，i∈r 且j∈r;否則=aij)。應用公式(1)來選擇路徑r，使所有可能的矩陣Ar中計算的所有可能的功率平坦度F(Ar)最小。

功率平坦度F(Ar)的計算考慮了每條網絡鏈路的一個故障(如對下標j 的求和)。對于每一個可能故障，對鏈路i 的光路數(shù)量與活動光路數(shù)量之比求和。但如果沒有路由光路沿鏈路i(例如aii=0)或者所有沿鏈路i 的光路因鏈路j 的故障而直接中斷(即ai，i=ai，j)就不能使用此計算方法。這種方法是通過實驗驗證和仿真證實的，其中假定典型的光學接收器可以允許高達3 dB 的功率平坦度而不使誤碼率惡化。文獻［6］表明，如果不到總功率一半的功率在一個WDM 鏈路上消耗，其余的信道的誤碼率的惡化是可以容忍的。假設有這樣一條鏈路，當它發(fā)生故障時，超過一半以上的波長信道直接受到影響，那么記這條鏈路為關鍵鏈路。關鍵鏈路是單個波分復用鏈路突發(fā)故障時功率平坦度對網絡影響程度的體現(xiàn)，關鍵鏈路越少表示影響程度越低。

在圖1 所示的例子中，如果一個新的光路請求到達節(jié)點B，目的地是E，當n =0 時有3 種可能的路徑(Rs，d ={2 -7 -5，1 -6 -5，2 -3 -4})，沿每個路徑的F(Ar)分別為3，4，2，通過鏈路2 -3 -4 的路徑被選中。路由選定后RSVP -TE 信令被觸發(fā)并通過傳輸信令消息來動態(tài)更新在所有的中間節(jié)點的矩陣A。事實上，顯式路由對象(ERO)是包括在RSVP - TE 信令消息中的，以便中間節(jié)點都知道全部的路線并可以適當?shù)匦薷腁 矩陣。特殊情況，當鏈路i 和j 均屬于路徑R 時元素ai，j的值要增加1. 此外，每個節(jié)點定期通過基于流量工程開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF -TE)的鏈路狀態(tài)廣播(LSAs)向相連的節(jié)點廣播有關本地列的信息，這樣每個節(jié)點的A 矩陣都有當前網絡狀態(tài)的最新信息［7-10］。

2 仿真結果

用OPNET 仿真軟件進行仿真，用圖3 所示拓撲圖進行仿真，它包括12 個透明的節(jié)點和25 波分復用雙向鏈路，每個鏈路載有16 波長信道。在網絡節(jié)點處波長變換無法執(zhí)行，因此所有已建立的光路必須滿足波長連續(xù)性限制。光路請求由統(tǒng)一流量矩陣產生，其中統(tǒng)一流量矩陣服從包到達時間間隔(平均1/α)和保持時間(平均1/β)的指數(shù)分布。網絡流量負荷表示為(α/β)，單位是Erlang.由于典型的(OSPF-TE)的收斂時間是一些以秒表示的序列，并且在骨干網中光路請求時間間隔是一些以分鐘或小時表示的序列，在所有網絡節(jié)點上矩陣A 認為是不斷更新的。

圖3 網絡拓撲圖Fig.3 Network topology

因此，當平均保持時間固定在3 600 s 時，網絡流量負荷可以通過改變100 ～1 500 s 的平均包到達時間間隔而改變。3 個不同版本的POSR 評估方案n = 0，1，2(分別為POSR -0，POSR -1，和POSR-2)與熟知的最短路徑路由(SPR)進行比較，其中n 表示比最短路徑路由的鏈路數(shù)多的跳數(shù)。用10 種不同的種子進行了測試仿真，并對結果依99%的置信區(qū)間進行繪圖。

圖4 平均關鍵鏈路數(shù)Fig.4 Average number of critical links

圖4 表示平均關鍵鏈路數(shù)對比網絡流量負荷。如前所述，由于在一條鏈路上小于一半的所有信道的擾亂是可以容忍的。假設有這樣一條鏈路，當它發(fā)生故障時，超過一半以上的波長信道直接受到影響，那么記這條鏈路為關鍵鏈路。如圖4 所示，即便在n=0 的時候POSR 方案也能夠減少一些關鍵鏈路的數(shù)目，因此沒有增加計算路由路徑的平均長度。此外，如果可以容忍較長的路徑，那么關鍵鏈路的數(shù)目可以進一步減少。然而，雖然POSR-1 顯著優(yōu)于POSR -0，POSR -2 也有類似于POSR-1 的性能的，但是把候選路徑延長到超過最短路徑是不利的。最后由于網絡流量負荷的作用，當所有的評估方案達到最大平均關鍵鏈路數(shù)后，就隨著網絡流量負荷的提高而降低。這主要是歸因于當大量波長信道同時工作在每個波分復用鏈路里的時候，一條鏈路故障影響到一半以上從其它鏈路路由來的光路是不太常見的。此外網絡流量負荷較高情況下建立光路的平均長度較短(長光路有較高的擁塞率)，在故障情況下，更短的光路意味著功率平坦度將影響更少的鏈路，因此在網絡流量負荷較高的情況時關鍵鏈路的平均數(shù)減少了。

圖5 是網絡擁塞率對比網絡流量負荷的圖例。圖示表明與SPR 相比利用POSR-0 能在不提高網絡擁塞率的同時完成SPR。如果使用更有效的功率平坦度感知路由(即POSR -1 和POSR -2)那么擁塞率會因利用更長的路徑而增加。

圖5 網絡擁塞率Fig.5 Blocking probability

3 結 論

文中提出了一個啟發(fā)式的路由方案(POSR 方案)，減輕了功率平坦度引起的問題:在基于GMPLS 的波長交換光網絡(WSONs)里，當波分復用鏈接失敗時，功率平坦度可能會影響到生存光路。還提出了它的可行分布式方案。這要求在每個網絡節(jié)點里有一個M ×M 的儲存矩陣，該矩陣通過RSVP-TE 和OSPF-TE 進行動態(tài)更新。仿真結果表明，POSR 方案有效地減少了網絡中平均關鍵鏈路數(shù)，特別是POSR-0 在不增加擁塞率的同時減少了關鍵鏈路。

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