自动交换光网络中的路由和波长分配问题

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0、引言

　　当前，世界正处在资讯爆炸的时代，Internet是这个时代最重要的催生力量之一，是最具时代代表性和象征性的产物，也是引领人们继续向信息高速公路大步迈进的承载体，它有以下特点：

　　a)数据流量激增：由于出现了许多新应用，吸引更多用户，产生更多数据量，用户的平均在线时间越来越长；

　　b)对服务质量要求越来越高：在网络通信中，数据量小、时效性要求不高的内容所占比例越来越小，让位给一些数据量巨大、对服务质量(QoS)要求较高的网络应用，例如音频流、视频流、基于分组的语音和视频会议、联网游戏、客户/服务器服务等。

　　这些特点对传送网的传输性能、交换性能、管理性能、灵活组网能力、自动保护/恢复等功能提出了更高要求，要求现有传送光网络更加智能化。

　　光纤通信技术从同步数字系列(SDH)发展到密集波分复用(DWDM)，又即将过渡到全光网络，其拓扑结构也从最原始的点到点系统发展到光分插复用设备(OADM)环，即将发展到网状光网络与光传送网(OTN)域之间互联，其巨大的通信带宽和相对低廉的价格显示出强大的传输潜力和经济优势。为了进一步挖掘光网络的潜力，2000年3月，ITU-T提出将自动交换光网络(ASON)作为智能光网络的发展方向，此概念一经提出，立即受到国际学术界和工业界的广泛关注和认同。

　　ASON在传输网中引入控制平面，大大提高了传送网络的智能化，缩短业务建立时间，增强网络连接管理和故障恢复能力，实现业务建立/拆除自动化，提供更丰富、功能更强大的业务类型，开放性和扩展性优良，组网形式多元化，灵活便利，能实时建立符合服务等级协定(SLA)要求的连接。ASON网络的出现不仅对传送网发展有重要而深远的影响，还将为多业务光纤传输平台(MSTP)和下一代网络(NGN)开辟更广阔的道路。

1、ASON体系架构及路由和波长分配(RWA)环境

　　1.1　ASON体系架构

　　ASON以各种传送技术为基础，支持目前传送网提供的各种速率和信号特性(格式、比特率等)的业务。ASON结构的主要特点是支持具有不同业务种类特性的客户网元(如IP路由器、ATM交换机等)，向光网络动态申请具有各种不同SLA的带宽资源，根据网络中业务分布模式动态变化的需求，通过信令系统或管理平面自主建立或拆除光通道，无须人工干预。

　　客户以业务等级表述对连接可靠性的不同要求。在ASON中，业务等级主要通过映射到不同恢复、保护选项和相关连接的优先级实现，例如建立优先级、保持优先级(能否预空闲)、恢复优先级。ASON能很方便地划分业务电路的优先级，可提供有SLA保证的传输业务电路，按服务等级制定相应的资费政策，优化资源的使用和配置。

　　ASON技术能使原来复杂的多层网络结构变得简单和扁平化，光网络层可以直接承载业务，在减少网络开销的同时，可避免传统网络业务升级受到多重限制。

　　ASON的优势集中体现在组网应用的动态、灵活、高效和智能化方面。支持多粒度、多层次的智能，提供多样化、个性化的服务是ASON的核心。ASON由控制平面、管理平面和传送平面组成。

　　1.2　ASON的演进结构

　　技术背景不同，IP层与光传送层融合的思路也不同。目前主要有两种基本网络演进结构：重叠模型和集成模型。

　　a)重叠模型

　　重叠模型又称客户-服务者模型，基本思路是光传送层特定的控制智能完全由光传送层独立实施，无须客户层干预，客户层和光传送层成为两个基本独立的智能网络层。

　　b)集成模型

　　集成模型又称对等模型或混合模型，基本思路是将IP层用于MPLS通道的选路，信令略作修改后直接用于光传送层的连接控制。

　　无论采用哪种模型，传送网的性质都改变不大，都为接入设备所产生的流量矩阵提供传输和交换服务。

2、ASON的RWA问题

　　2.1　光技术的进步

　　目前，光技术已能在网络的端到端之间传输光信号，从整体上消除了对电再生的需要。光网络运营商可以利用以下网络功能，使传输网络更灵活(IP/MPLS也可使用这些功能)：a)OADM可以将一个给定的波长插入光纤，或移出光纤；b)波长路由可将输入光纤的波长路由到输出光纤；c)波长转换可将一种波长转换为另一种波长，有无波长转换能力将影响RWA问题的解决方法；d)光交换可以从一个光纤到另一个光纤进行波长交换。为了理解方便，它们都以静态形式予以说明，但实际上都有动态行为(是随时间参数变化的函数)。

　　这些功能元素的出现使得上述网络功能无须光/电转换，就可直接在广域执行。目前交换矩阵功能十分有限，光转发器不支持所有光波长的全转换，因此分配光链路建立光路径时，仍须考虑波长连续性限制。当执行客户请求时，这些限制引入了潜在的拥塞问题。

　　总的来说，光技术的进步使光波长在光域的分插复用、路由、转换和交换成为可能，这是RWA出现的关键，但在某种情况下，是否具备其中某些功能，也成为选择RWA的限制条件。

　　2.2　RWA问题

　　光路径的定义是用于连接客户的光通路，即光通道源节点与目的节点之间的通路。一条光路径可以使用该通路的一个或几个波长。

　　路由是控制面的一种功能，用于选择路径和建立连接，此连接往往穿越一个或几个传送网。在传统IP/MPLS网络中，路由过程只寻找最优化路径。在光域中，将路由过程称为RWA问题，它与传统的IP/MPLS中的路由过程有很大区别，为了选择光路径来满足流量工程要求，它必须找到光路径中物理节点和链路(路由子问题)，同时找到该光路径链路上的一个或几个波长(波长分配子问题)，才能优化网络资源。

　　两个子问题的解决方法结合起来，就是一个给定流量矩阵所需波长数目最小化的解决方案。要解决这两个问题相当困难，需要用试探法。

　　在网络设计和规划过程中，RWA问题应最先考虑，因此大多数解决RWA问题的算法都基于集中式体系架构，这种架构的整个网络拓扑是预先知道的。解决RWA问题需要流量矩阵，可通过统计数据得到。在此阶段并没有考虑动态问题，若客户需求是动态的，就有可能出现拥塞，再也没有可用波长来满足客户请求。

　　RWA问题的解决方法依赖光网络是否拥有波长转换能力。不具备波长转换能力的波长路由网络称为选择性波长(WS)网络，在这种网络中，只有当源-宿之间的所有链路中都能同时找到可用的相同波长时(波长连续性约束)，才能建立连接。它对波长的要求较高，出现拥塞的概率也较高。具备波长转换能力的波长路由网络称为可交换波长(WI)网络，在这种网络中，每个路由器都配备波长转换器，路径的各个链路都可使用不同的波长建立光路径。

　　2.3　路由子问题

　　处理路由子问题有固定路由、固定可选路由和自适应路由3种方法。

　　固定路由方法针对一个源-宿地址对，选择预先计算设定的路由，每次所选择的路由都是固定不变的。在固定路由情况下，每次路由申请时，执行路由选择功能的单元可以通过所申请的源-宿地址对，查询到预先计算设定的路由，尽管网络中各链路的负荷(甚至链路的状态)都与预先计算时不尽相同，但固定路由机制忽略这些不同，每次选择的路由都固定不变。

　　固定可选路由方法设定一系列预先计算的光路径与一个源-宿地址对对应，根据某种判断法则，从它们中间选择一条路径。在固定可选路由情况下，执行路由选择功能的单元通过查询获得预先计算设定的一系列路由，然后通过某种判断准则，从这些路径中选择一条路径作为路由判定的结果。

　　自适应路由方法以某种判断准则(如最短路径或最小拥塞路径(LCP))为依据，再根据当前的网络状况，动态选定光路径。LCP选择可用波长最多的链路组成光路径。

　　建立在固定路由上的路由选择方法降低了复杂性，但与自适应路由相比还存在缺点，可能会因为对当前网络状况考虑不周，导致连接拥塞较严重。固定路由实现起来最简单，自适应路由能大大提升整个网络的性能，固定可选路由则提供对计算开销和网络性能的折中选择。

　　2.4　波长分配子问题

　　一旦源节点为接入连接选定路由，就需要一个分布式预留防议，在选定路由的各链路预留合适的波长。对波长分配子问题有许多判决准则：随机(random)、首次合适法(first-fit)、最少使用法(1east-used)、最多使用法(most-used)、最小乘积法(min-product)、最少负荷法(1east-loaded)、最大和法(max-sum)及相对容量损失法(relative capacity loss)等，每个判决准则都能与不同的路由机制结合使用。

　　2.5　RWA综合考虑

　　路由功能包括网络信息分发和受约束路径计算两部分。前者在考虑可测量性的同时，在网络节点中分发拓扑信息和可用的网络资源信息，后者则致力于提供选择路径的优化机制。受限路由是一种流量工程工具，根据QoS需求选择路径，目的是提高整个网络的利用率。路径选择机制依赖可用网络信息的准确性、输入需求和内部算法。不正确的路径计算结果将影响连接，因此路径计算是关键，必须确保高效正确。

　　2.6　不精确网络状态信息下的路由

　　以下几种因素会导致网络状态信息的不确定性：分层网络中拓扑状态的聚合、传输时延及触发策略(建立触发策略的目的是减少信令消息的数量，这些信令用于更新网络状态数据库)。为了在动态网络中正确实现路由和波长分配，必须找到新的路由机制，在选择光路径时，必须考虑网络状态信息的不精确性。在IP域，对路径选择过程中不精确路由信息的影响已进行广泛分析，并提出了一些机制来解决问题，然而，旨在解决光网络中相似问题的却不多。

　　考虑到拥塞的可能性，选择光路径时，人们对小精确路由信息进行研究，给出了仿真结果。将拓扑信息更新间隔增加到1Os，会产生一定程度的不确定性，仿真结果证实，不精确路由信息下的路由过程会增加固定拓扑的拥塞率。其他一些仿真实验发明，链路上的光纤数目发生变化也会影响拥塞率。要开发在不精确全局网络状态信息下能工作的新RWA算法，就必须考虑WDM网络中的动态连接管理。

　　通过修改光路径控制机制，能解决路由不精确问题，可以采用基于目的地址路由方法的分布式光路径控制机制。该机制根据目的节点选择物理路由和波长，增加了中间节点的重路由能力，避免了光路径中间节点所选波长不可用情况下的连接拥塞。这种机制的主要缺点是在建立过程中实时执行重路由，波长使用率退化与中间节点的个数直接成比例，中间节点又必须重路由，信令总的使用量没有减少，RWA判决是基于目的节点维护的全局网络状态信息，它必须及时更新。

　　为了解决这个问题，研究人员提出了基于旁路的光路由(BBOR)路由算法，假设最普遍最重要的不精确性来源于更新过程。为了保证网络状态信息正确更新，路由协议必须包括一种更新机制。一般来说，更新机制通过一个触发策略实现，该策略定义了何时一个更新消息必须以洪泛形式传播整个网络，它既可以基于阶段性更新，也可以基于某个极限值。由更新机制引入的精确性损失，主要是为了减少更新报文的数量。BBOR是一种新的动态源路由机制，建立在不精确全局网络状态信息基础上，用于计算不具备波长转换能力ASON的动态显式光路径，目的是降低在不精确路由信息下执行路由和波长分配判决所引入的连接拥塞概率。BBOR主要包括两大部分：一个是用于RWA问题的触发策略，目的是解决信令的路由问题，另一个是为了抵消路由不精确性结果的旁路路由算法，其中的不精确性是路由信令减少所引起的。BBOR的主要特征是：当根据不精确路由信息计算所得的路径上出现波长不可使用问题时，建立连接的消息有可能被中间节点拒绝，该路径上的几个节点可以把建立消息重路由到不同的路径(旁路路径)。BBOR以一种与保护和恢复路由算法相似的方式运行。

　　路由机制能有效减少基于电路交互的光核心网络中不精确路由的影响。光核心网络建立在包交换基础上，光路径选择过程中必须考虑可用带宽。要解决这个问题，应重新定义路由机制。

3、结束语

　　ASON是构建新一代光网络的核心技术之一，其先进技术和组网思路带来的好处非常明显。这种新网络体系将为网络运营商和服务提供商带来新的业务增长点，创造巨大的市场机遇。