蔣春蕾

（西昌學(xué)院 汽車與電子工程學(xué)院，四川 西昌615013）

一種新的光多播信令機(jī)制及性能仿真

蔣春蕾

（西昌學(xué)院 汽車與電子工程學(xué)院，四川 西昌615013）

為了解決R SVP-TE信令機(jī)制在建立光多播連接時(shí)的波長(zhǎng)預(yù)留沖突問題，提出了一種基于兩次信令握手的新的光多播信令機(jī)制，給出了該信令機(jī)制的波長(zhǎng)和路由分配過程。通過仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：在相同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，新的光多播信令機(jī)制可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的使用數(shù)量，降低光多播連接的網(wǎng)絡(luò)阻塞率。

光多播信令機(jī)制；R SVP-TE；波長(zhǎng)預(yù)留沖突；性能仿真

0 引言

隨著高質(zhì)量的視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播以及多點(diǎn)協(xié)同計(jì)算等業(yè)務(wù)的大量應(yīng)用，光多播業(yè)務(wù)連接的路由和波長(zhǎng)分配問題已成為光網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)[1]。目前，在光多播業(yè)務(wù)的路由和波長(zhǎng)分配中，廣泛基于GMPLS（General Multi-Protocol Label Switching,GMPLS）的RSVPTE（Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering, RSVP-TE）協(xié)議[2]，采用逐跳信令的方式完成從目的節(jié)點(diǎn)到源節(jié)點(diǎn)的波長(zhǎng)和路由配置。在這種方式中，每個(gè)目的節(jié)點(diǎn)只能掌握源節(jié)點(diǎn)到自身的波長(zhǎng)使用情況，無(wú)法了解源節(jié)點(diǎn)到其它目的節(jié)點(diǎn)的波長(zhǎng)使用情況，導(dǎo)致光多播業(yè)務(wù)無(wú)法獲得最優(yōu)的波長(zhǎng)分配方案。為此，本文提出一種新的光多播信令機(jī)制，以最少的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器為代價(jià)，獲得光多播業(yè)務(wù)的最優(yōu)波長(zhǎng)分配方案，大大提高光多播業(yè)務(wù)的連通性能。

1 RSVP-TE機(jī)制的預(yù)留沖突問題

在點(diǎn)到點(diǎn)的業(yè)務(wù)連接中，RSVP-TE信令機(jī)制采用逐跳的方式實(shí)現(xiàn)路由和波長(zhǎng)的分配[3]。具體實(shí)現(xiàn)過程為：①源節(jié)點(diǎn)計(jì)算光路的顯性路由，并封裝在Path消息的顯性路由對(duì)象ERO（Explicit Rout Object,ERO）中，通過Path消息的標(biāo)簽集對(duì)象LS（Label Set Object, LS）記錄路由上的可用波長(zhǎng)信息，并隨Path消息傳到下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。②在下一節(jié)點(diǎn)，將LS更新為原LS與下一跳上的空閑波長(zhǎng)集的交集；重復(fù)該步驟，直到Path消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。③目的節(jié)點(diǎn)收到Path消息后，選擇LS中編號(hào)最小的波長(zhǎng)作為工作波長(zhǎng)，配置光交叉點(diǎn)的波長(zhǎng)，將選擇的工作波長(zhǎng)信息寫入Resv消息并向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送，直到Resv消息到達(dá)源節(jié)點(diǎn)。④當(dāng)源節(jié)點(diǎn)配置完光交叉點(diǎn)的波長(zhǎng)后，即完成整個(gè)光路的建立。

為了適應(yīng)光多播業(yè)務(wù)的連接，RFC4875對(duì)RSVPTE協(xié)議的Path消息進(jìn)行了擴(kuò)展，新增了支持點(diǎn)到多點(diǎn)的連接建立的次級(jí)顯性路由對(duì)象SERO[4]（P2MP Secondary Explicit Rout Object,SERO），用于記錄光多播樹上的分支路徑的路由信息。擴(kuò)展后的RSVP-TE協(xié)議雖然解決了光多播業(yè)務(wù)的連接建立問題，但是在本質(zhì)上仍采用后向預(yù)留機(jī)制，這種機(jī)制將會(huì)在路由上的分叉節(jié)點(diǎn)處發(fā)生波長(zhǎng)預(yù)留沖突，從而導(dǎo)致光路建立失敗，例如圖1給出了一個(gè)波長(zhǎng)預(yù)留沖突的例子。在圖1中，假設(shè)交叉節(jié)點(diǎn)B沒有配置波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，不具備波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能，各路徑上標(biāo)注的數(shù)字集合表示該路由上的空閑波長(zhǎng)集。在交叉節(jié)點(diǎn)B處，LS更新為節(jié)點(diǎn)B接收到的LS與兩個(gè)分支路由上的空閑波長(zhǎng)集的交集，源節(jié)點(diǎn)C接收到的LS為｛1,2｝，選擇LS中編號(hào)最小的波長(zhǎng)1作為工作波長(zhǎng)，通過Resv消息返回節(jié)點(diǎn)B；源節(jié)點(diǎn)E收到的LS為｛2｝，選擇波長(zhǎng)2作為工作波長(zhǎng)，通過Resv消息返回節(jié)點(diǎn)B。由于節(jié)點(diǎn)B沒有波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換功能，在節(jié)點(diǎn)B處就會(huì)發(fā)生波長(zhǎng)預(yù)留沖突問題，造成此次光多播連接建立失敗。

圖1 光多播連接建立中的波長(zhǎng)預(yù)留沖突現(xiàn)象

為了解決RSVP-TE信令機(jī)制的波長(zhǎng)預(yù)留沖突問題，常用的方法是在光網(wǎng)絡(luò)的交叉節(jié)點(diǎn)處部署波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，通過波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)光多播連接的建立。但是，在光網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)中，為了減少建設(shè)成本，光網(wǎng)絡(luò)中部署的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量有限，因此，減少波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的使用數(shù)量，提高其使用效率，對(duì)降低建設(shè)成本、提高光多播連接建立的成功率具有非常重要的意義。

2 新的光多播信令機(jī)制

為了有效解決RSVP-TE信令機(jī)制在光多播連接建立中的波長(zhǎng)預(yù)留沖突問題，提高光多播連接建立的成功率，本文在RSVP-TE信令機(jī)制的基礎(chǔ)上提出了一種新的光多播信令機(jī)制。在本新信令機(jī)制中，當(dāng)Path消息到達(dá)各個(gè)目的節(jié)點(diǎn)后，各目的節(jié)點(diǎn)返回每種可能的波長(zhǎng)分配方案，并通過Notify消息告知源節(jié)點(diǎn)；由源節(jié)點(diǎn)綜合各目的節(jié)點(diǎn)的波長(zhǎng)分配方案，選擇最優(yōu)的波長(zhǎng)分配方案，并將波長(zhǎng)分配方案再次通過Path消息向各個(gè)目的節(jié)點(diǎn)傳遞，各目的節(jié)點(diǎn)收到該P(yáng)ath消息后，再次返回一個(gè)Resv消息，完成光網(wǎng)絡(luò)中交叉節(jié)點(diǎn)的波長(zhǎng)配置，最終建立整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)的光多播連接。新信令機(jī)制的信息流程如圖2所示。

圖2 新信令機(jī)制的信息流程

新信令機(jī)制中的Notify消息在RSVP-TE機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)Notify消息基礎(chǔ)上，新增了兩個(gè)對(duì)象：波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)器WTC（Wavelength Transforming counter,WTC）和可用波長(zhǎng)對(duì)象PWO （Practicable Wavelength Object, PWO）。WTC用來統(tǒng)計(jì)在每種可能的波長(zhǎng)分配方案下需要進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的次數(shù)，PWO用來表示在該鏈路中可用的波長(zhǎng)分配方案。具體的路由和波長(zhǎng)分配過程如下。

第一步，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送Path消息，搜集路由上的可用波長(zhǎng)，分兩種情況：①若多播光網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)沒有空閑的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器或者沒有配置波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，則該節(jié)點(diǎn)向下一跳發(fā)送Path消息的LS更新為該節(jié)點(diǎn)收到的LS與該節(jié)點(diǎn)下一跳的所有分支鏈路上的空閑波長(zhǎng)集的交集。②若多播光網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有空閑的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，則該節(jié)點(diǎn)向下一跳發(fā)送Path消息的LS直接更新為下一跳分支鏈路上各自的空閑波長(zhǎng)集。

第二步，目的節(jié)點(diǎn)收到Path消息后，向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送Notify消息。在目的節(jié)點(diǎn)處，將WTC設(shè)置初始值為0，將目的節(jié)點(diǎn)收到的LS作為第一跳鏈路的PWO。在反向傳遞Notify消息的每一跳中更新WTC和PWO的值，分兩種情況：①當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)沒有配置波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器或者沒有空閑的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器時(shí)，若該節(jié)點(diǎn)為交叉節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送Notify消息的PWO更新為與之相連的下游節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的所有PWO的交集，并將WTC中相應(yīng)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換值更新為與之相連的下游節(jié)點(diǎn)到該節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)WTC值之和；若該節(jié)點(diǎn)為非交叉節(jié)點(diǎn)，則該節(jié)點(diǎn)向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送Notify消息的PWO和WTC值均不更新。②當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)配置有空閑的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器時(shí)，若該節(jié)點(diǎn)為交叉節(jié)點(diǎn)，則首先將該節(jié)點(diǎn)向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送Notify消息的PWO更新為該節(jié)點(diǎn)到上游節(jié)點(diǎn)鏈路上的可用空閑波長(zhǎng)集，然后按照下列原則確定工作波長(zhǎng)：假設(shè)此時(shí)該節(jié)點(diǎn)配置的空閑波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器個(gè)數(shù)為M，與該節(jié)點(diǎn)相連的下游分支鏈路有N條，更新后的PWO中某個(gè)波長(zhǎng)λ在該節(jié)點(diǎn)的下游分支鏈路的L（L＜N）條不可用。如果L＞M，則將該波長(zhǎng)從PWO中刪除；如果L≤M，則該波長(zhǎng)保留在PWO中，可作為工作波長(zhǎng)，并將該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的WTC值更新為該節(jié)點(diǎn)的下游分支鏈路PWO中的波長(zhǎng)λ對(duì)應(yīng)的WTC值之和再加上L。若該節(jié)點(diǎn)為非交叉節(jié)點(diǎn)，則將該節(jié)點(diǎn)向上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送Notify消息的PWO直接更新為該節(jié)點(diǎn)到上游節(jié)點(diǎn)鏈路上的可用空閑波長(zhǎng)集，在更新后的PWO中，如果可用波長(zhǎng)已經(jīng)在該節(jié)點(diǎn)的下游鏈路上，則該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的WTC值不變；如果可用波長(zhǎng)不在該節(jié)點(diǎn)的下游鏈路上，則將該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的WTC值加1。

第三步，源節(jié)點(diǎn)接收到Notify消息后，選擇WTC最小值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)作為源節(jié)點(diǎn)第一跳鏈路上的工作波長(zhǎng)，將波長(zhǎng)信息寫入第二次的Path消息的LS中，并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行光交叉配置。路由中的節(jié)點(diǎn)收到上游節(jié)點(diǎn)的Path消息后，分以下兩種情況進(jìn)行下一跳的波長(zhǎng)分配，并完成相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的光交叉矩陣的配置：①如果下一跳的鏈路上的PWO包含了該節(jié)點(diǎn)上一跳分配的波長(zhǎng)，則在下一跳鏈路上也分配該工作波長(zhǎng)。②如果下一跳的鏈路上的PWO沒有包含該節(jié)點(diǎn)上一跳分配的波長(zhǎng)，則在下一跳鏈路上選擇WTC最小值對(duì)應(yīng)的PWO中的波長(zhǎng)作為工作波長(zhǎng)。

第四步，目的節(jié)點(diǎn)接收到第二次Path消息，完成光交叉矩陣的配置，并向源節(jié)點(diǎn)返回Resv消息；當(dāng)源節(jié)點(diǎn)接收到Resv消息后，表示成功建立了整個(gè)光多播連接，可以進(jìn)行多播業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸。

以圖1所示的光多播網(wǎng)絡(luò)為例，假設(shè)交叉節(jié)點(diǎn)B具有足夠多的空閑波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，采用本文的新信令機(jī)制進(jìn)行路由和波長(zhǎng)分配的過程如圖3所示。從圖3可以看出，采用波長(zhǎng)2作為工作波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)在交叉節(jié)點(diǎn)B處不用波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，就能完成整個(gè)光多播連接的建立，從而減少了波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的使用次數(shù)，降低建設(shè)成本。

圖3 新信令機(jī)制下的光多播連接建立過程

3 性能仿真與分析

下面，分波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量不限的靜態(tài)多播網(wǎng)絡(luò)和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量有限的動(dòng)態(tài)多播網(wǎng)絡(luò)兩種情況，將RSVP-TE信令機(jī)制和本文的新信令機(jī)制從波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器使用數(shù)量和光多播連接的阻塞率兩個(gè)方面進(jìn)行性能對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn)。

3.1 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量不限的靜態(tài)多播網(wǎng)絡(luò)

搭建一個(gè)靜態(tài)多播網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。在該網(wǎng)絡(luò)中，源節(jié)點(diǎn)A經(jīng)過4跳鏈路向8個(gè)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)固定的多播連接請(qǐng)求，每條鏈路上分配16個(gè)可用波長(zhǎng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量不限，共進(jìn)行106次多播連接實(shí)驗(yàn)，研究不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下，兩種信令機(jī)制成功建立該多播連接需要的平均波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 靜態(tài)多播網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從圖5可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，多播連接成功建立所需的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量也增加，但與RSVP-TE信令機(jī)制相比，采用本文的新信令機(jī)制建立多播連接所需的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量增加較為緩慢。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)，兩種機(jī)制建立多播連接時(shí)需要的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量大致相同；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，采用本文的新信令機(jī)制成功建立多播連接所需的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量明顯低于采用RSVP-TE信令機(jī)制所需的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到90 Erlang時(shí)，與RSVP-TE信令機(jī)制相比，本文的新信令機(jī)制完成多播連接所需的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量減少了59%，可大大降低網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。

圖5 不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器使用情況對(duì)比

3.2 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量有限的動(dòng)態(tài)多播網(wǎng)絡(luò)

在實(shí)際的光網(wǎng)絡(luò)中，部署的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量是有限的，因此研究波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器數(shù)量有限條件下的多播連接建立問題有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。以21節(jié)點(diǎn)的NSFNET網(wǎng)絡(luò)[5]作為仿真網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)配置4個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，每條鏈路配置16個(gè)波長(zhǎng)，在仿真中作如下假設(shè)：①多播連接請(qǐng)求服從參數(shù)為λ的泊松分布，請(qǐng)求服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為1/μ的負(fù)指數(shù)分布；②多播連接的源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生，且目的節(jié)點(diǎn)在區(qū)間[2,5]上服從均勻分布。多播連接的路由計(jì)算采用最短路徑樹算法[6]，共進(jìn)行105次多播連接實(shí)驗(yàn)，研究不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下，兩種不同的信令機(jī)制建立多播連接時(shí)的阻塞率情況，仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，多播連接的阻塞率增大，與RSVP-TE信令機(jī)制相比，采用本文的新信令機(jī)制建立多播連接時(shí)的阻塞率增長(zhǎng)較為緩慢。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低時(shí)，采用本文的新信令機(jī)制建立多播連接時(shí)的阻塞率幾乎為0；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較高時(shí)，在同一網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下，采用本文的新信令機(jī)制建立多播連接時(shí)的阻塞率明顯低于RSVP-TE信令機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載達(dá)到90 Erlang時(shí)，采用本文的新信令機(jī)制建立多播連接時(shí)的阻塞率比RSVP-TE信令機(jī)制降低了54%，大大提高了多播連接的連通性能。

圖6 不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載下多播連接的阻塞率對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)RSVP-TE信令機(jī)制建立多播連接時(shí)存在波長(zhǎng)預(yù)留沖突的問題，設(shè)計(jì)了一種基于兩次信令握手的新光多播信令機(jī)制，詳細(xì)闡述了新信令機(jī)制的兩次信令握手的過程，通過兩次信令握手完成了多播連接的波長(zhǎng)和路由分配。與RSVP-TE信令機(jī)制相比，該新的信令機(jī)制可以有效減少網(wǎng)絡(luò)中波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的使用數(shù)量，降低多播業(yè)務(wù)連接的網(wǎng)絡(luò)阻塞率。在后續(xù)的工作中，我們將研究在分布式管理模式下，如何應(yīng)用該新信令機(jī)制，以滿足用戶多樣化的多播業(yè)務(wù)連接需求。

[1]成芳.全光網(wǎng)絡(luò)多播性能研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2011:15-19.

[2]潘興亞,孫衛(wèi)強(qiáng).RSVP-TE協(xié)議性能測(cè)試框架的研究與實(shí)現(xiàn)[J].光通信技術(shù),2014,38(1):57-59.

[3]趙繼軍,郭昆,馮楠,等.基于RSVP-TE的有向泛洪IRWA算法研究[J].光通信研究,2013(5):8-11.

[4]王舒韻.MPLS/BGP VPN組播相關(guān)協(xié)議的研究與改進(jìn)[D].成都：電子科技大學(xué),2012:13-17.

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[6]李秀.最短路徑樹動(dòng)態(tài)算法的研究[D].成都：電子科技大學(xué),2011:24-38.

New optical multicast signaling mechanism and performance simulation

JIANG Chun-lei
(Auto and electronic engineering college,Xichang Institute,Xichang Sichuan 615013,China）

In order to resolve the wavelength reservation conflict problem of RSVP-TE signaling mechanism when it establishes the optical multicast connection,a new optical multicast signaling mechanism based on two signaling handclasp is put forward,and the wavelength and route allocation process of the new signaling mechanism is provided.Through the simulation experiment,the results demonstrate that under the same network load,the new optical multicast signaling mechanism can effectively reduce the usage number of wavelength conversion device in the network,and decrease the network block ratio of the optical multicast connection.

optical multicast signaling mechanism,RSVP-TE,wavelength reservation conflict,performance simulation.

TP393.1

A

1002-5561（2016）02-0016-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.005

2015-11-02。

四川省教育廳科研項(xiàng)目（14ZB0229）資助。

蔣春蕾(1979-)，女，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)與算法等。