智能光网络的多层生存性技术

数据业务的迅猛发展推动了电信传送网络向着高带宽和多业务的方向发展。密集波分复用(DWDM)技术的引进使得传输网络获得了潜在的无限带宽。在这样一种高速、多层次的传送网中出现任何故障都会造成巨大的影响和损失，因此，当前对于网络生存性的研究较传统网络更加迫切。在当前的多层网络环境中，仅仅利用单层的网络生存性技术难以在多层网络中获得满意的故障恢复效果，因此在这样的网络中需要引入新的解决方案，即多层网络生存性机制。其定义为：多层网络的生存性是指在多层网络之间可能存在的单层网络生存性方案及这些方案之间的相互作用，通过对单层恢复方案的有效协调，以获得对网络故障的有效恢复[1]。多层网络生存性的核心问题之一是如何实现多层网络生存性的协调。在当前的网络中由于技术原因实现有效的层间协调还有困难，而智能光网络技术的提出和发展却为实现多层网络生存性的协调创造了条件。

1 智能光网络的多层网络体系结构

　　多层网络生存性的载体是多层网络结构，但是传统的IP/ATM/SDH/WDM多层网络结构在智能光网络中会有一些新的变化。这些变化主要体现在两个方面：网络多层结构的简化，网络控制管理功能结构的变化。

1.1 IP/GMPLS/optical多层网络结构

　　由于智能光网络不可能脱离现有体系结构，只能在现有的网络结构中引进智能，再逐渐向简化的网络层发展，因此，智能光网络仍然具有多层网络结构的特点，不同的是层间功能的发展和重新划分。

　　在传统的多层网络结构中，光层可以作为上层平面的服务层，而上层(IP、ATM、SDH)则可以看作是光层的业务层。随着智能光网络的进一步发展，多层网络逐渐简化，ATM和SDH层逐渐消失，其功能将逐渐向上层和下层网络融合，形成业务层(客户层)和服务层(传输层)的两层扁平化网络结构，IP/GMPLS/optical的网络结构将可能会成为智能光网络的主要网络结构形式。在这两层结构中通用多协议标签交换(GMPLS)将成为重要的适配环节。智能光网络的客户可以通过呼叫连接请求功能，提出连接请求，通过控制平面的GMPLS路由和信令协议提供端到端的标记交换路径(LSP)。

1.2 集成的多层网络控制平面

　　智能光网络的核心是控制平面技术，这也是实现全新的智能光网络生存性的基础。当前的网络控制能力较弱，多以集中的管理方式来对网络实施控制管理，即使有控制功能也是各层控制功能相互独立，各层之间没有信息的交互。但是随着智能光网络技术的发展，控制平面成为并列并独立于管理平面的重要功能模块，随着这一过程的发展，多层网络控制平面逐渐走向集成，并向通用集成控制平面的方向发展。

　　在这一过程中GMPLS技术起到了关键的作用，GMPLS可以看作是多层网络设备的共同语言，它不同于开放系统互连(OSI)网络模型。在OSI的网络模型中，传输层、链路层、网络层相互独立，各自用自己的语言在本层内的设备间沟通，形成各自的标准体系。GMPLS统一了各层设备的控制平面，各层面的交换设备都将使用同样的信令完成其对用户平面的控制。在这样的网络中，通过基于GMPLS应用协议的集成的控制平面可以实施对所有层的统一、协调控制。控制平面在不同层之间的通信可以通过智能光网络的数据通信网(DCN)进行，在不同控制平面互连模型中，多层网络控制平面之间的通信也有所不同，在重叠模型之中，控制平面之间通过用户网络接口(UNI)通信，层内通过网络节点接口(NNI)通信，而在对等模型中可以直接通过对等的控制平面实现控制信息的通信。

2 智能光网络的多层生存性策略

　　从相互作用的恢复策略来看，多层网络生存性包括多层独立恢复策略和集成恢复策略，其中多层独立恢复策略又可分为底层恢复、高层恢复和多层恢复3个子问题，而集成的恢复策略又可分为并行激发和顺序激发两个子问题[2]。

2.1 独立的多层网络生存性策略

　　独立的多层网络生存性策略是指故障恢复方案将在网络的每一层被配置，但是各层恢复方案之间没有协调机制，发生的网络故障可以在光层或IP/GMPLS层进行恢复[3]。

　　(1)光层(传输层)恢复

　　在智能光网络结构中，当实施光层恢复时，故障恢复实际上是在网络的最低层进行。此时网络生存性提供的恢复机制接近故障源。在图1中，当光层发生光纤断裂故障时(A—B段断裂时)，在IP/GMPLS层将会影响到由a经b到达c的LSP。可以通过optical层的故障恢复机制来进行恢复，如可以通过光层节点(A、B)之间基于链路的保护来对故障实施恢复，但需要注意的是在多层网络中网络的故障恢复是和故障类型相关的，例如，当上述经过a、b和b、c的LSP在光层节点(OXC)B出现故障时，依靠上述基于光层的链路故障恢复方案难以恢复，若想在光层进行恢复，只能通过基于(A—D—C)的光层路径实施故障恢复。光层(最低层)恢复的优势在于恢复速度快，由于光层具有较快的故障检测能力(小于10 ms),所以对于以光层故障为主的网络故障，在最低层恢复可以获得理想的恢复速度，恢复动作少；缺点是故障恢复的粒度较粗，难以实施基于服务质量(QoS)分类的故障恢复，而且覆盖范围有限，难以对上层的故障进行有效的恢复。

　　(2) IP/GMPLS(业务层)恢复

　　在IP/GMPLS/optical网络结构中，也可以实施IP/GMPLS恢复(高层恢复)。高层恢复是指在接近业务源的地方实施故障恢复。在图2中，当在光层发生故障时，如光层链路A—B之间发生故障，则可以通过上层的GMPLS恢复机制，通过a经d到c的LSP在IP/GMPLS层对故障进行恢复。基于IP/GMPLS层的恢复有以下优点：首先，由于业务层通常承载不同需求的业务，所以在该层实施恢复可以根据业务分类(CoS)来满足不同业务的生存性要求，可以方便地在高层恢复中实现多层可靠性的分级，实现区分的生存性能力和故障恢复机制，获得较高的恢复灵活性和QoS保证；其次，高层故障恢复具有较强的故障覆盖能力，高层故障恢复的实施可以覆盖低层的故障，在没有有效的层间生存性协调机制的情况下，可以通过其获得较好的故障覆盖能力。但该方案也存在缺点：一是IP/GMPLS恢复速度较光层要慢；二是，由于上层恢复粒度过细，将会造成底层恢复时重路由；三是，上层恢复由于粒度过细，造成参与恢复的设备和参与恢复的动作过多。

　　独立配置的多层网络生存性的主要优点是实现和操作简单，缺点是由于缺少协调机制，对同一个网络故障，由于故障检测时延的存在，有可能会触发多层网络的恢复动作，造成网络的并行恢复。在图1和图2中，在故障恢复期间，光层链路A-B发生的故障，将影响业务层路径a-c间的业务传送，对此可以通过光层的路径A-E-B来进行恢复，也可以通过IP/GMPLS层的LSPadc来进行恢复。当故障发生后，通过光层故障检测机制在最低层首先获得故障信息，并触发光层恢复动作，但是由于层间缺少协调机制，所以在光层还未完成故障恢复时，IP/GMPLS层由于业务的损失也会检测到故障的存在，并启动IP/GMPLS层的故障恢复，这样就造成对同一故障的重复动作，从而形成备用资源的重复占用，造成资源浪费、资源冲突以及对备用资源承载的额外预空业务的影响。

2.2 多层网络生存性机制的层间调整策略

　　由于不同的恢复机制可以配置在不同的网络层，而独立的多层网络生存性机制存在的问题又对多层网络的层间协调提出了要求，因此多层网络生存性的层间调整策略被提了出来[4]。通过该策略可以增强不同网络层恢复机制间的合作和整网的生存能力。多层网络生存性机制的调整策略可分为两类：

　　(1)恢复机制的并行激活

　　在并行激活的情况下，不同层的恢复机制被同时激活，对于发生的网络故障，当其中一种恢复机制对其进行了成功的恢复之后，所有其他被激活的故障恢复过程都将中止。并行激活的方式具有恢复速度快，层间信令机制简单等优点，但是要求对每层的恢复机制进行仔细的配置，以便消除层间的干扰和备用资源冲突，否则将会出现独立恢复方案中出现的问题。这一机制不太适合于智能多层光网络的环境。

　　(2)恢复机制的顺序激活

　　顺序激活较并行激活的恢复时间较长，但这种机制易于实现控制，并且可以避免不同层恢复机制之间的竞争风险。顺序的多层网络生存性调整策略决定了多层网络生存机制的激活顺序和层间协调机制。相比于独立的故障恢复方式，顺序的恢复方式是一个更加智能的方法，但需要层间调整策略来支持，主要问题有两个：一是在哪一层开始故障恢复的处理过程；二是何时进行一个恢复层向其他恢复层的调整，这是多层网络生存性机制调整策略需要解决的问题。

　　为了实现上述的调整策略，需要一些具体方案，主要有如下几种：

　　(1)故障恢复保持时间

　　为了解决由于故障检测时间短而造成的故障恢复中出现的不必要的动作，可以引进保持定时器[5]。当某一层执行故障恢复动作后，在设定的保持时间耗尽之前其他层不进行任何动作。

　　(2)恢复令牌

　　为了提高恢复速度，克服由于保持定时器带来的恢复时延，可以在层间引进恢复令牌[3]信号，这意味着当前的故障恢复实施层不能完成故障恢复时，一个恢复令牌信号将由当前恢复实施层按照恢复调整顺序向下一故障实施层发送，用来触发下一层的故障恢复动作。

　　(3)层间信令机制

　　层间信令机制[6]策略由一个可交换的层间信息组成，当某一层已经对一个故障实施了保护动作之后，这一信息可以禁止另一层对同一故障保护动作的执行。

3 基于智能光网络的集成多层网络生存性机制

3.1 集成多层网络生存性机制

　　在智能光网络环境中，相对于独立的多层网络生存性配置方案，基于多层网络生存性调整策略的集成多层网络生存性机制配置方案将更加有效。集成的多层网络生存性是指基于多层网络有效的层间调整策略，对不同网络层配置的生存性机制实现灵活协调，根据相应的多层网络生存性策略，对网络故障实施有效恢复的多层网络生存性方案。由于不同层之间的网络生存性机制存在一个有效的协调机制，所以可以将多层网络生存性看作一个单一多层恢复方案，这意味着集成的多层网络生存性机制必须对所有网络层有一个总体的认识，并且可以灵活决定在何时、何层实施合适的恢复动作。

　　相对于独立的多层网络生存性方案，层间协调机制的使用，可以消除独立的生存性机制所存在的弊端。但是该方法的实现需要依靠完善的生存性策略(如：多层网络故障管理策略、多层网络故障分析策略、故障恢复机制配置策略等)和灵活的层间调整策略(如层间调整方案配置、层间调整判据和调整程序等)，而上述机制面对的主要问题在于其实现。在具体实现策略上，集成的多层生存性方案不可能在当前的网络中以一个全新的单一的恢复方案来实现，只能基于现有技术和方案进行有机集成和发展。

3.2 基于层间信令的集成多层网络生存性机制

　　集成的多层网络生存机制需要有效、灵活的多层网络生存性解决方案，其有效性在于多层网路生存性的高效集成和有效调整。其实现方法主要有两种：一是利用专用的故障检测机制和恢复时间设置，二是利用层间的信息交换。在智能多层网络中，基于层间信令的集成多层网络恢复机制的研究是一种很有前景的方法。该策略的核心是在多层网络故障管理策略框架下通过层间信息交互，实现不同网络层故障恢复机制之间协调。其主要问题是要创建一套层间信令机制，因为邻接网络层标准信令接口可以传送故障恢复相关的信息。在GMPLS体系中，GMPLS可以作为IP/GMPLS层和光层的通用语言，基于GMPLS可以创建一个统一的控制平面。不同层的设备可以通过统一的信令实现信息交互。使用统一的信令，多层生存性合作信息可以跨层进行不同层的恢复机制的协调[7]。

　　(1)基于GMPLS的由下向上调整策略

　　基于GMPLS层间信令的由下向上(Bottom-up)调整策略的恢复动作首先在距故障源最近的地方实施，所以该方案具有较小的恢复时间；此外该调整策略还具有较粗糙的恢复粒度和较简单的故障恢复操作，需要的恢复动作较少。在自下而上的策略中，物理层(光传送)触发光信道层恢复机制。如果这个机制在给定的最长恢复时间内没有恢复连接，上层恢复将被触发。

　　(2)基于GMPLS的由上向下调整策略

　　基于GMPLS层间信令的由上向下(Top-down)调整策略的恢复动作首先在网络的上层(IP/GMPLS层)启动，根据恢复情况向下层调整。该策略的优势在于可以支持区分的生存性能力，它允许不同的故障恢复动作分别对具有不同可靠性要求的分类业务进行实施。从容量的有效性来看，该策略具有较bottom-up好的资源利用效率，该策略适用于在每层都具有业务分类的环境。

4 结束语

　　通信网络的多技术性和结构的分域分层特点，以及通信网络日益增加的网络生存性要求决定了网络的生存性，尤其是多层网络的生存性已成为亟需突破和发展的网络关键技术，同时也是新一代智能光网络获得不同于传统网络的优良性能要求的保证；同样，智能光网络及其相关技术的发展也为通信网络的生存性技术的进步提供了新的发展空间，因此如何充分利用智能光网络技术提出新的网络生存性技术和思路是生存性技术发展的重点。本文对智能光网络的多层生存性技术进行了分析，并基于智能光网络技术对多层网络生存性技术进行了探索。相信随着智能光网络技术的发展和成熟，智能光网络生存性技术必将有全新的发展。

5 参考文献

　　[1] Johan Meijen, Eve Varma, Ren Wu.Multi-Layer Survivability. White Paper of Lucent Technologies [EB/OL]. http://www.lucent-optical.com/resources.

　　[2] PANEL Deliverable D2a. Overall Network Protection: Draft Version [EB/OL]. http://www.intec.rug.ac.be/research/projects/panel/restrict/annual/partase1.htm.

　　[3] Lievens J, Pickavet I, Lagasse M.Data-Centric optical Networks and Their Survivability [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2002,20(1):6-20.

　　[4] Nederlof L, Struyve K, O´Shea C.End-to-End Survivable Broadband Networks. IEEE Communications Magazine [J]. 1995,33(9):63-70.

　　[5] Michael Cryseels, Satoru Ohta,Roberto Clemente. Optimal Design for Service Resilience in ATM over SDH Backbone Networks[C]. In Proc. IEEE ATM Workshop, 1998(5):400-409.

　　[6] Pongpaibool P, Doverspike R,Roughart M. Handling IP Traffic Surges via Optical Layer Reconfiguration [C]. In Proc. IEEE OFC´02, 2002(3):427-428.

　　[7] Zhang H, Durresi A. Differentiated Multi-Layer Survivability in IP/WDM Networks [C]. In Proc. IEEE/IFIP NOMS2002, 2002(4):681-694.

[摘要] 文章对多层网络生存性问题、独立的网络生存性配置方案和多层网络生存性配置方案进行了概括和分析，对基于IP/GMPLS/ Optical 智能光网络多层结构的调整策略进行了研究，并讨论了基于智能光网络的统一控制平面、利用层间信令协调机制的集成多层网络生存性方案。

[关键词] 光网络；多层网络；生存性

[Abstract] For the intelligent optical network, the multi-layer network survivability and configuration schemes for single-layer network survivability and multi-layer network survivability are overviewed and analyzed. General ideas to the solution of IP/GMPLS/Optical-based intelligent network multi-layer architecture are provided. An integrated multi-layer network survivability scheme, based on the unified control plane and adopting the inter-layer signaling adjustment mechanism, is discussed.

[Keywords] optical network; multi-layer network; survivability