陳選育，韋 斌，趙斌鋒，丁明吉，劉志強(qiáng)（.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林54004；.9597部隊(duì)）

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基于PCE的光網(wǎng)絡(luò)跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳選育1，韋 斌2，趙斌鋒1，丁明吉1，劉志強(qiáng)1
（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004；2.95972部隊(duì)）

針對(duì)目前自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（A SO N）所面臨的問題，指出路徑計(jì)算單元（PCE）是解決這些棘手問題的有效途徑。在描述了跨域調(diào)度的架構(gòu)設(shè)計(jì)后，給出了基于PCE技術(shù)進(jìn)行跨域調(diào)度路徑計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方案，最后通過(guò)仿真試驗(yàn)表明其優(yōu)越性。

A SO N；跨域調(diào)度；路徑計(jì)算

0　引言

隨著自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）的發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓絹?lái)越復(fù)雜，路由量變大，路徑計(jì)算也越來(lái)越復(fù)雜，而將復(fù)雜的約束條件下路由計(jì)算放在ASON控制平面，需要大量的CPU資源來(lái)運(yùn)行復(fù)雜的算法，而當(dāng)大量CPU資源運(yùn)用到路徑計(jì)算中時(shí)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)利用率低、生存性和可靠性差等缺點(diǎn)。另外，在多域場(chǎng)景中，各個(gè)域的拓?fù)浠ゲ豢梢?，各?jié)點(diǎn)僅維護(hù)其所在的域的路由信息，無(wú)法計(jì)算出端到端業(yè)務(wù)跨域的最優(yōu)路徑。因此，各域都需要一個(gè)集中式的路徑計(jì)算設(shè)備，負(fù)責(zé)與其它域的路徑計(jì)算設(shè)備互相通信協(xié)作，以便獲得跨域的最優(yōu)路徑。為了應(yīng)對(duì)這些棘手的問題，人們引入路徑計(jì)算單元（PCE），PCE是一個(gè)具有較強(qiáng)計(jì)算能力的單元，其相關(guān)的協(xié)議是對(duì)現(xiàn)有多協(xié)議標(biāo)簽交換/通用多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS/GMPLS）協(xié)議的擴(kuò)展［1］，同時(shí)其功能相對(duì)獨(dú)立，應(yīng)用部署又比較靈活，適合域內(nèi)、跨域以及不同運(yùn)營(yíng)商之間等多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能高效地解決跨域的流量工程路徑計(jì)算和保障端到端連接的服務(wù)質(zhì)量［2-4］。PCE技術(shù)滿足了網(wǎng)絡(luò)需求，是未來(lái)智能網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

對(duì)于上述問題，本文基于PCE技術(shù)給出了ASON網(wǎng)跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案，有效解決了多層多域網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)跨域智能調(diào)度。

1　跨域調(diào)度的架構(gòu)設(shè)計(jì)

多層多域網(wǎng)絡(luò)的路由體系結(jié)構(gòu)往往分為對(duì)等模式和層次模式，這兩種模式路徑計(jì)算可適用于不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｔ诳缬蚵窂接?jì)算的場(chǎng)景中，反向遞歸算法（BRPC）正是基于對(duì)等模式路徑計(jì)算的體現(xiàn)，由多個(gè)PCE的交互計(jì)算得到跨域的最優(yōu)路徑，不同域中的PCE可以通過(guò)PCE通信協(xié)議（PCEP）交互信息來(lái)完成跨域的路徑計(jì)算［5］。

為了減少路徑計(jì)算過(guò)程中過(guò)重的PCEP信息交互，跨域調(diào)度方案設(shè)計(jì)采用對(duì)等模式的BRPC計(jì)算跨域路徑。通過(guò)使用部署在外部獨(dú)立的PCE服務(wù)器、各子網(wǎng)控制平面的協(xié)調(diào)，完成跨層跨域連接管理控制。其基本思想如下：①通過(guò)各子網(wǎng)PCE服務(wù)器之間的協(xié)調(diào)，完成跨層跨域的連接計(jì)算。PCE服務(wù)器采用域內(nèi)集總式路由和跨域BRPC算法［6］，可優(yōu)化而有效地實(shí)現(xiàn)連接計(jì)算功能。②通過(guò)PCE服務(wù)器和各子網(wǎng)控制平面之間的協(xié)調(diào)，完成跨層跨域連接的自動(dòng)控制管理，以實(shí)現(xiàn)多層多域連接的快速拆建和發(fā)生故障時(shí)的保護(hù)倒換。

跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的架構(gòu)由PCE平面、控制平面、傳送平面與管理平面構(gòu)成。各實(shí)體的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1　跨域業(yè)務(wù)調(diào)度框架

每個(gè)域均有至少一個(gè)PCE實(shí)體以及獨(dú)立控制平面。在該體系結(jié)構(gòu)中，跨層跨域的連接計(jì)算由PCE實(shí)體之間協(xié)調(diào)完成?？鐚涌缬蜻B接的建立、拆除、管理以及保護(hù)倒換和恢復(fù)均由PCE實(shí)體與控制平面協(xié)調(diào)完成。

2　跨域調(diào)度路徑計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方案

2.1系統(tǒng)構(gòu)成及配置

跨域調(diào)度系統(tǒng)主要由1個(gè)網(wǎng)管、3個(gè)PCE服務(wù)器和21個(gè)ASON設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。我們按照不同廠商和不同IP網(wǎng)段將其劃分為3個(gè)域，分別為PCE1、PCE2 和PCE3。PCE1域節(jié)點(diǎn)為A廠商設(shè)備，PCE2域節(jié)點(diǎn)為B廠商設(shè)備，PCE3域節(jié)點(diǎn)為C廠商設(shè)備。每個(gè)PCE服務(wù)器負(fù)責(zé)將采集的廠商控制平面信息轉(zhuǎn)化為域間能夠識(shí)別的統(tǒng)一格式信息，再對(duì)其按照不同處理方式進(jìn)行分類和消息處理，處理過(guò)的消息與其它域間PCE服務(wù)器的消息交互完成相應(yīng)域的路徑計(jì)算，最后將計(jì)算的最優(yōu)跨域路徑上報(bào)網(wǎng)管。網(wǎng)管負(fù)責(zé)下發(fā)PCE計(jì)算路徑請(qǐng)求，并將路徑下發(fā)給首節(jié)點(diǎn)，通知首節(jié)點(diǎn)沿路建立基于流量工程的標(biāo)簽交換路徑［7］（TE LSP）。

其中，PCE服務(wù)器由跨域路徑控制單元、控制信息適配單元和設(shè)備管理單元組成。設(shè)備提供三種接口，包括北向接口、跨域管控信息接口及廠家設(shè)備控制信息接口。北向接口指PCE服務(wù)器管理單元與光網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)之間傳遞消息的接口；跨域管控信息接口指配置在不同廠商設(shè)備域內(nèi)的PCE服務(wù)器之間傳遞消息的接口，智能SDH設(shè)備控制信息接口指控制信息適配單元與廠商智能SDH設(shè)備間的接口。

2.2路徑計(jì)算過(guò)程

跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的核心部分為路徑計(jì)算平面 （即PCE平面），用于計(jì)算復(fù)雜的多約束條件下跨域端到端的路徑，具體流程如圖2所示。

本文假設(shè)需要計(jì)算入節(jié)點(diǎn)A到出節(jié)點(diǎn)V路徑，計(jì)算步驟如下：①網(wǎng)管NMS發(fā)起業(yè)務(wù)路徑計(jì)算請(qǐng)求消息PCReq到PCE1，請(qǐng)求建立一條從入口節(jié)點(diǎn)A到出口節(jié)點(diǎn)V的業(yè)務(wù)路徑，并指定域序列為域 PCE1-域PCE2-域PCE3；②PCE1發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)不在PCE1域內(nèi)，轉(zhuǎn)發(fā)PCReq消息給下一個(gè)域PCE2，PCE2判斷該節(jié)點(diǎn)不在自己本域內(nèi)，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)域PCE3；③PCE3發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)，在本域內(nèi)計(jì)算與域PCE2相鄰的邊界節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)最優(yōu)路徑樹為路徑樹1，計(jì)算發(fā)現(xiàn)有3條路徑符合約束條件，路徑分別為Q-V、RV和 U-V；④PCE3通過(guò)發(fā)送 PCRep響應(yīng)消息給PCE2，并攜帶ERO和IRO對(duì)象，告知PCE2的下一域PCE3的路徑樹路徑樹1；⑤PCE2根據(jù)PCE3返回的路徑信息，以及本域拓?fù)湫畔?，?jì)算與域1相鄰的邊界節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑樹為路徑樹2，路徑分別為G-M-Q-V、H-I-G-M-Q-V和K-N-P-R-V；⑥PCE2通過(guò)發(fā)送PCRep響應(yīng)消息給PCE1，并攜帶ERO和IRO對(duì)象，告知PCE1的下一域PCE2的路徑數(shù)路徑樹2；⑦PCE1根據(jù)PCE2返回的路徑信息以及本域拓?fù)湫畔?，?jì)算與域1相鄰的邊界節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑樹為路徑樹3，路徑為A-F-H-I-G-MQ-V，PCE1返回上述路徑給網(wǎng)管（NMS），告知網(wǎng)管整個(gè)路徑已經(jīng)計(jì)算完成。

在上述路徑計(jì)算過(guò)程中，我們先查找目的節(jié)點(diǎn)所在域的位置，待目的節(jié)點(diǎn)的域定位明確后，再通過(guò)反向遞推的方法計(jì)算出一條最優(yōu)的端到端路徑。每個(gè)域PCE服務(wù)器不僅負(fù)責(zé)計(jì)算本域的路徑，同時(shí)也負(fù)責(zé)將本域計(jì)算的路徑信息告知上游域PCE，以便其進(jìn)行下一步路由計(jì)算工作。

圖2　BRPC流程示意圖

3　仿真及結(jié)果分析

基于上述方案，我們?cè)贗nterWatch試驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)跨域調(diào)度方案進(jìn)行了性能仿真，包括跨域的端到端業(yè)務(wù)連接建立和跨域重路由恢復(fù)，并與傳統(tǒng)的層次模式路徑計(jì)算方法進(jìn)行了比較。其網(wǎng)絡(luò)配置見第2節(jié)所述，節(jié)點(diǎn)對(duì)（A，V）之間的呼叫請(qǐng)求服從到達(dá)率為λ的泊松分布，每個(gè)呼叫的持續(xù)時(shí)間服從參數(shù)為1的指數(shù)分布。

3.1跨域的端到端路徑建立仿真測(cè)試

如圖3所示，與層次模式比較，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加，采用BRPC算法的路徑計(jì)算的阻塞率明顯要小于分層模式。如圖4所示，在平均建路時(shí)間上，BRPC算法也比分層模式建路時(shí)間快許多。從對(duì)比結(jié)果可看出，BRPC路徑計(jì)算比層次模式具有更大的優(yōu)勢(shì)，主要原因是其在計(jì)算跨域路徑的效率要高于層次模式。

圖3　兩種模式下的阻塞率

圖4　兩種模式下的平均建路時(shí)間

3.2跨域的重路由恢復(fù)仿真測(cè)試

從圖5可看出，當(dāng)連接請(qǐng)求率變大，傳統(tǒng)重路由機(jī)制比快速重路由所耗時(shí)間更多。主要原因在于傳統(tǒng)重路由恢復(fù)機(jī)制采用串行方式逐層計(jì)算路由，等待高層域最后計(jì)算完一條完整的路徑后才開始觸發(fā)信令的建立，其結(jié)果是在建路過(guò)程中勢(shì)必會(huì)耗費(fèi)大量的重路由計(jì)算時(shí)間?？焖僦芈酚刹捎貌⑿蟹绞接?jì)算路由，幾乎同時(shí)將每個(gè)域計(jì)算的路徑拼接起來(lái)就開始觸動(dòng)信令，這樣就縮短了鏈路建立時(shí)間。從圖6可看出，快速恢復(fù)機(jī)制的恢復(fù)率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)恢復(fù)機(jī)制，其主要原因在于快速恢復(fù)機(jī)制能夠快速定位故障域，直接上報(bào)給網(wǎng)管，從而大大降低了消息逐層傳遞出錯(cuò)的概率。

圖5　重路由恢復(fù)時(shí)間對(duì)比

圖6　重路由恢復(fù)率對(duì)比

針對(duì)跨域調(diào)度系統(tǒng)方案，為了進(jìn)一步深入分析，本文從端到端鏈路建立和重路由恢復(fù)信道調(diào)度機(jī)制角度進(jìn)行探討，可知光網(wǎng)絡(luò)中不同的速率等級(jí)下，鏈路連接建立及重路由恢復(fù)時(shí)間有所不同。與155M及以上速率相比較，2M業(yè)務(wù)跨域調(diào)度和重路由恢復(fù)時(shí)間比業(yè)務(wù)建立時(shí)間要慢許多，這是由于155M及以上速率信道調(diào)度方式和2M信道調(diào)度方式不同，其中155M及以上速率調(diào)度流程相同，可直接建立端到端信道。2M信道調(diào)度則需要先查詢是否有VC4級(jí)隧道存在，確認(rèn)有隧道存在，再查詢是否有2M空時(shí)隙可用情況后，才能夠進(jìn)行首末節(jié)點(diǎn)2M業(yè)務(wù)與隧道的交叉連接配置，建立一條完整的跨域信道，故導(dǎo)致2M鏈路比155M及以上速率業(yè)務(wù)建路時(shí)間要長(zhǎng)。重路由恢復(fù)機(jī)制先查詢受故障影響的業(yè)務(wù)，然后進(jìn)行故障鏈路拆除，再按照信道調(diào)度的方式重新建路，故重路由恢復(fù)時(shí)間要比跨域調(diào)度所需時(shí)間多。因此，跨域調(diào)度方案能夠?qū)崿F(xiàn)ASON網(wǎng)絡(luò)毫秒級(jí)的端到端鏈路建立和恢復(fù)時(shí)間，并保證連接無(wú)法正常建立的概率小于10-3，同時(shí)建立、恢復(fù)時(shí)間保證了某個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或某段鏈路出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)據(jù)流量能夠平滑地切換到其它路徑上進(jìn)行傳送。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文分析了目前智能網(wǎng)所面臨的不足，如網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來(lái)越龐大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的資源利用率低；域之間拓?fù)湫畔⑾嗷オ?dú)立不可視，使得無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨域的業(yè)務(wù)調(diào)度、重路由恢復(fù)等功能。針對(duì)這些不足之處，給出了一種基于PCE的ASON網(wǎng)跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的解決方案，成功地實(shí)現(xiàn)了跨域業(yè)務(wù)的互連互通。仿真結(jié)果表明，該方案滿足網(wǎng)絡(luò)功能和性能需求，有效提升了ASON網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，是對(duì)基于GMPLS的ASON控制平面技術(shù)的有效補(bǔ)充和增強(qiáng)。

從PCE技術(shù)發(fā)展來(lái)看，它有著廣泛的應(yīng)用前景，不僅應(yīng)用在ASON網(wǎng)，還可以應(yīng)用于其它類型的傳輸網(wǎng)，如MPLS-TE、SDH、OTN和WSON等［8］。推廣使用該技術(shù)將會(huì)極大提高全網(wǎng)的智能化水平，充分發(fā)揮PCE對(duì)國(guó)家信息化產(chǎn)業(yè)的助推作用。

［1］IETF RFC 6805-2012，The application of the path computation element architecture to the determination of a sequence of domains in MPLS and GMPLS［S］.2012.

［2］IETF，RFC 4927-2007，Path Computation Element Communication Protocol（PCECP）Specific Requirements for Inter-Area MPLS and GMPLS Traffic Engineering［S］.2007.

［3］IETF，RFC 4655-2006，A Path Computation Element（PCE）-Based Architecture［S］.2006.

［4］IETF，RFC 4657-2006，Path Computation Element（PCE）Communication Protocol Generic Requirements［S］.2006.

［5］IETF，RFC 5440-2009，Path Computation Element（PCE）Communication Protocol（PCEP）［S］.2009.

［6］VASSEUR J P，ZHANG R N，BITAR A，et al.A Backward-Recursive PCE-Based Computation（BRPC）Procedure to Compute Shortest Constrained Inter-Domain Traffic Engineering Label Switched Paths［R］.RFC 5441，April 2009.

［7］AWDUCHE D，BERGER L，GAN D，et al.RSVP-TE：Extensions to RSVP for LSP tunnels［R］.RFC 3209，2001.

［8］CHAMANIA M，CHEN Xiaomin，JUKAN A，et al.An Adaptive Inter-domain PCE framework to Improve Resource Utilization and Reduce Interdomain Signaling［J］.Optical Switching and Networking，2009，6（4）：259-267.

Design and implementation of cross-domain
traffic scheduling in optical network based on PCE

CHEN Xuan-yu1，WEI Bin2，ZHAO Bin-feng1，DING Ming-ji1，LIU Zhi-qiang1
（1.The 34th Research Institute of CETC，Guilin Guangxi 541004，China；2.Unit 95972）

Aiming at the problem of ASON optical network at present，the paper points out that the path to the cell（PCE）is an effective way to solve these problems.After describing the architecture design of cross-domain scheduling，the implementation scheme of cross-domain scheduling path computation based on PCE technology is presented.Finally，the simulation results show its superiority.

ASON，cross-domain scheduling，path computation

TN929.11

A

1002-5561（2016）06-0009-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.003

2015-09-09。

陳選育（1978-），男，工程師，研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶夹g(shù)，嵌入式軟件開發(fā)。