光网络的动态特性与可扩展性

基金项目：国家自然科学基金资助项目(6052013029、60572006、2006AA01Z252、2006AA01Z249)

    光网络作为信息社会主要通信网络，其所承载的业务已经由传统语音(电话)业务扩展到包括数据业务(互联网)、移动语音(移动电话)和电视广播业务在内的多个通信业务领域，成为所有通信系统所依赖的主干通信系统，在信息社会中扮演基础通信的核心角色。

    光网络的发展可以划分为两个阶段。第一代光网络以点到点传输技术的研究为主要内容，围绕通信网络中线路传输能力的提高进行研究，取得了大量的研究成果。其代表技术为波分复用(WDM)技术，现在已经达到单光纤25.6 Tb/s的传输速率[1]，基本解决了网络单线路对于通信容量和可靠性的需求。然而，第一代光网络并没有解决光网络组网的问题，信息传送仍然受到网络节点光电转换和电处理能力的制约，光网络的组织结构停留在静态光网络的阶段。

    第二代光网络在第一代光网络基础上，重点研究光网络的光组网、智能控制等问题，其研究源动力来自业务多样性的发展和光交换技术的进步。业务多样性包括业务类型的扩展和业务结构的变化。在网络承载的业务中，以IP业务为代表的数据业务呈现爆炸性增长。Cisco公司曾预测21世纪的信息网络将由占99％的数据业务和占1％的话音业务所共享[2]。相比传统语音业务，新型的业务具有灵活多变、突发性强、动态变化剧烈等特点，为光网络对多业务的接纳能力及动态性能提出了更高的要求。另一方面，高速光开关、光交叉连接(OXC)和光分插复用设备(OADM)等光交换设备的发展和完善，使得在光层实现大容量波长交换和波长信号上/下路成为可能，奠定了光组网的技术基础。

    在第二代光网络的研究中，网络的动态特性和可扩展性一直是研究的重要内容。为了适应多种业务的突发性和灵活性，满足多种类型业务的动态需求，提供自动的保护和恢复功能，光网络需要动态地改变网络配置和组织，高度灵活和智能地实现传输资源的配置，从而经济有效地完成多业务的传输。因此，在光网络中引入动态控制和智能控制就成为必然选择。与此同时，光网络已经在很大范围内取得成功应用，光网络动态变化的复杂性大大增加，这使得光网络控制管理算法、策略和信令的性能随着网络规模的扩大可能出现恶化，光网络可扩展性越来越大地影响光网络整体性能，而成为研究人员关注的重要内容。本文以光网络动态特性和可扩展性分析和研究为切入点，探讨了光网络动态性能和可扩展性的内在联系，为新一代光网络的研究提供技术参考。

1 光网络的动态特性
    光网络发展到第二代，由于承载业务的变化和光层交换技术的发展，逐步由静态光网络走向动态光网络。网络之所以引入动态机制，其重要目的是实现网络的智能化，从而减少光网络运营过程中的管理成本，提高网络资源使用效率和网络可靠性。这种动态性集中体现在网络启动过程中自动的对网络元件进行初始化，在网络运营过程中针对业务模式进行动态的资源分配和业务管理，在发生故障时自动的进行业务恢复工作3个主要方面。如图1所示。

    在动态光网络的研究中，自动交换光网络[3](ASON)具有代表性。ASON的体系结构已经由国际电信联盟(ITU)制订了详细的标准体系。与此同时，由IETF提出了以广义标签交换[4](GMPLS)为核心的系列标准草案系列，也为自动交换光网络的具体实现规划了切实可行的技术解决方案。在ASON中，在原有光网络传送平面和管理平面之外，引入智能化的控制平面，将网络自动控制纳入网络体系结构，在控制平面实现了动态的资源配置、智能化的业务请求处理等功能，控制平面的引入具有重要的意义，标志着光网络由静态向动态和智能的转变。其体系结构如图2，其中数据通信网(DCN)作为管理消息和信令消息的传输网，在网络动态过程中发挥了信令网络的重要作用。控制平面和传送平面中的层网络分别是指在控制平面上的分层网络和传送平面上的分层网络。

    从网络对IP业务的适应和承载能力出发，研究人员又提出了一种两层网络体系结构——IP-over-WDM体系结构[5]。IP-over-WDM体系结构将原有的较为复杂的IP层到WDM层逐步映射的网络结构简化为IP直接构建在WDM光层之上的两层结构[6-7]。两者的结构对比如图3所示。

    ASON和IP-over-WDM并不是独立的两种网络体系结构，它们具有相似的控制平面和业务传输过程。后者在前者的基础上提出了业务结构分层的问题，是面向IP业务的体系，可以认为是ASON的一个改进。这两种体系的光网络都具有动态光网络的典型特征。

1.1 光网络自动启动
    第一代静态光网络的启动过程需要进行复杂的网络配置，包括节点光电交换线路的连接方式、上下话路配置、光交叉互联配置和路由表的初始设置等。在第二代光网络中，通过自动启动机制，实现了节点、链路等网络资源的自动发现[8]，并以此为基础实现路由表的自动初始化。

    自动发现是光网络通过信令协议实现网络资源的自动识别。自动发现包括网络资源和网络业务的自动发现两个方面，后者在IP-over-WDM网络体系中十分重要。因为业务的情况决定着光通道建立的情况以及虚拓扑[9]的状态，这对IP业务的路由具有重要的意义。自动发现不仅仅发生在网络启动时期，在整个网络运行过程中，随着网络节点或者链路资源的变化，自动发现机制仍然起着重要作用，在此基础上实现了网络拓扑的发现和状态的更新。

1.2 光网络动态运行

1.2.1 光网络业务动态建立和拆除过程
    现有光网络所承载的业务基于有连接的电路交换，动态建立和拆除业务通道的过程是动态光网络信令的核心内容。关于业务建立和拆除过程，研究普遍关注业务建立和拆除的成功率或失败率。在动态光网络中，对于网络资源已经被大量占用情况下的网络性能，一般以阻塞率来衡量。光网络中的阻塞是指业务请求没有得到正确的资源分配或路径建立发生错误，从而停止接纳某一业务的过程，也就是建立路径失败的过程。

    另一个重要的动态特性是信令过程消耗时间。在网络中，呼叫和建立的时间是不传送数据的，因此希望该时间越短越好，从而能够适应快速变化的业务需求。建路或拆路的信令过程所经历的时间是度量网络动态特性的重要指标。针对自动交换光网络，ITU-T专门制定了相应的信令协议标准[10]。

    动态业务建立和拆除过程可以使用不同的信令协议来实现。其中，以支持流量工程的资源预留协议[11](RSVP-TE)最为典型。该协议软状态管理路由器的预留状态，可以实现控制平面与传送平面的完全分离，具有较好的灵活性。类似的协议还有约束路由标记分配协议[12](CR-LDP)，具有相似的功能，但其应用没有RSVP-TE广泛。

1.2.2 光网络动态路由
    光网络动态路由功能是第二代光网络控制平面的核心，是网络动态性能的最直接体现。在承接动态业务和建立动态路径的过程中，路由功能模块首先对接入业务进行分析，特别是对服务质量(QoS)进行分析，然后查找动态路由表表项，综合考虑业务要求、网络状态变化、资源利用率和负载均衡等多种因素，进而计算出业务路由，并将路由结果告知业务建立即信令模块最终实现业务的接纳。因此，在动态光网络中，路由模块不仅仅完成简单的路径选择，而是在选择的过程中综合考虑了包括服务质量、资源利用、负载均衡、公平性等多个因素。

    在动态光网络中，光节点所保存的路由表承担路由数据库的作用。该路由表除了包括基本的路由路径外，还包括路由要用到的网络现有的状态参数。该路由表由光网络所在路由域内的节点交换自动发现的信息和其他信息来确定。在同一路由域中，所有节点路由表必须满足一致性，即必须符合共同的满足该路由域的现有网络状态。在多个节点间传递这种网络状态信息直接影响路由表的性能和路由收敛情况。

    在动态光网络中，网络状态信息可以分为准静态和动态两种。准静态信息不会由于业务操作而变化，主要包括邻居关系、链路带宽等链路特性、共享风险组等。这些信息主要通过自动发现机制收集而来。动态信息会由于业务操作的变化而发生变化。例如链路可用带宽，IP-over-WDM的光通道。在动态光网络中，准静态信息可以通过非频繁的路由发布实现，而动态信息则需要随着业务连接的操作而快速的更新，以允许新的业务根据当前的网络状态进行动态路由选择。因此，动态信息的发布可能直接影响网络中信令的流量，甚至可能带来信令网的拥塞。

    对于面向IP业务的、智能化的光网络，从实现更智能、资源更合理分配和利用、业务保证更为完善的角度出发，动态信息应该越丰富越好，因为动态信息携带的是网络实时的状态，可以为路由优化提供最准确的数据；然而，从加快路由收敛速度，减少信令风暴，减少路由不稳定因素的角度出发，则希望动态信息越少越好。动态信息的减少，可以加快网络对资源变化的更新速度和适应能力，快速地路由收敛。总体而言，网络状态信息量和资源更新速度之间存在折中，后者更是关系到网络可扩展性。因此，路由设计中必须综合考虑这些因素，依据实际网络需求制定相应的路由参数。

1.3 光网络动态恢复
    光网络业务的动态恢复涉及到网络生存性设计。网络的生存性[13]定义为在网络中出现业务失效后仍然能够持续提供业务供给的能力。在光网络中，一个完整的生存性体系应该包括4个部分: 故障的发现、定位、声明和解除。

1.3.1 光网络动态故障发现、定位与声明
    故障发现是动态生存性机制的第一步。光网络以自动发现机制实现网络故障的发现、定位和报告功能。自动发现模块检测到故障发生后，对网络状态进行路由域内的广告，从而为全网发送故障位置以及其他基本状态。

1.3.2 光网络业务动态恢复策略
    在动态光网络中，对故障导致的业务失效进行动态的快速恢复是网络生存性的主要体现。其解除故障的方法主要包括保护策略下的快速倒换和恢复策略下的重新路径选择，生存性体系结构如图4。对于保护策略而言，动态光网络只需要在故障检测后倒换相应的光开关。而对于恢复策略，网络必须对故障检测后的网络状态进行重新评估，得到由于故障更新过的网络状态信息，在此基础上重新路由，以实现相应的通道恢复或链路恢复。

2 动态光网络的可扩展性
    随着光网络规模的进一步扩大和动态要求的进一步提高，光网络的可扩展性越来越受到研究人员的重视。可拓展性可以定义为网络某一性能随网络规模扩大而恶化的情况。在动态光网络中，路由协议的收敛性能、信令网的流量、对故障的响应等性能都可能随网络规模的扩大而快速的恶化。对于一般网络，为了解决其可扩展性恶化的问题，主要可以从两个可能的方向改善：一是网络状态的简单化，二是采用合理的分层分域结构。

2.1 光网络核心路由器状态的简化
    光网络核心路由器状态的简化，意味着网络状态交互信息的减少，网络状态广播内容的大量精简，因此可以大大提高网络的可扩展性。从这个角度出发，无连接的光分组交换(OPS)和光突发交换(OBS)具有较好的可扩展性。

2.1.1 光分组交换
    分组交换光网络大大减少了实现光网络主干网所需要的网络状态，实现了统计复用的光分组交换网络，能实现光层上精细粒度的分组交换，提高了资源利用率，适合传输IP突发数据。其路由器过程包括对分组包分析、存储和转发。路由器只需要通过准静态网络状态消息构建的路由表就可以实现分组的交换结构。然而，光存储技术目前还没有成熟，光分组交换在一段时间内还不可能进入工程应用。

2.1.2 光突发交换
    光突发交换[14]网络结合了光电路交换和光分组交换各自的优势。在光突发交换网络中，控制信道和数据信道是分离的。网络首先在边缘节点将比较小的IP 分组组装成一个大的突发分组，在发送突发分组前，通过控制信道预先发送一个控制分组在途经的每个核心节点预约资源，一定的偏置时间后，节点再发送突发数据分组。这种机制避免了光电路交换路由器状态的长期维护，适应IP业务突发性强的特点，是在OPS技术成熟前一种可行的增强光网络可扩展性的交换结构。

2.2 光网络分层分域
    在现有光网络电路交换为主要交换结构的模式下，为了提高网络可扩展性，将现有的网络分层和分域，构建较小的路由域，可以有效地减少由于网络规模扩大带来的动态性能的恶化。该技术中最重要的机制包括网络路由域的划分、分层结构的划分与动态管理、业务请求的分层多域路由以及网络信令过程。

    以自动交换光网络为例，采用分层分域结构的光网络可以有效的降低信令开销，提高了网络的可扩展性。文献[15]针对分层分域网络结构设计的RSVP-TE算法有效地提高了光通道的建立速度。清华大学ASON试验平台[16]上实现了分层分域路由和信令系统，通过在平台上的测试，采用分层分域可以有效的减少信令信息的流量[17]，间接证实了分层分域可以提高网络可扩展性。

3 光网络动态特性与可扩展性的内在联系
光网络动态特性是光网络智能化的体现，光网络智能来自于每一个节点都拥有足够的网络信息而成为智能光节点。从网络智能的角度看，这种网络状态信息越充分，通过各种算法达到网络最优情况的可能性越大，光网络所体现出来的智能性就越强。因此，灵活而智能的光网络倾向于网络状态的多样化和复杂化，倾向于充分的网络状态信息在各个节点之间的交互。

    网络的可扩展性是网络本身基本特性之一。在网络中，网络状态参数越多，在节点间交互的网络状态参数越多，网络的过程越复杂，可扩展性也越差。也就是说，随着网络规模的扩大，由于网络状态过多，节点交互参数过多，会导致网络操作产生计算复杂性太高或操作收敛时间过长的问题，也因此导致网络性能的急剧恶化。

    综合上面的分析，网络的智能化和动态特性的发展和网络可扩展性在很多场合下是相互制约的。可行的缓和这种制约关系方法是建立分层和分域的机制。使得在域内以动态特性即网络智能化为主要设计导向，实现网络动态性能的提高；同时，在域间以可扩展性为主要目标，简化域间状态的传递和信令过程，从而提高网络可扩展性。

4 结束语
    在向智能光网络演进的过程中，动态光网络越来越多地扮演举足轻重的地位。光网络自动启动、动态路由和动态资源优化、动态运行中的信令传输、自动恢复等动态过程是智能光网络智能控制、智能管理的集中体现。与此同时，动态光网络中部分方法随着光网络规模的扩大迅速的失去了其动态智能的优势，性能发生恶化，暴露出光网络可扩展性这个严肃命题。

    网络动态特性与可扩展性存在一定制约关系，分层分域可以有效的缓和这种相互制约，是未来光网络发展的重要方向。

5 参考文献
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收稿日期：2008-05-25

[摘要] 光网络正从静态光网络逐步演进为动态和智能的光网络，在演进过程中，光网络的动态特性越来越重要。一些可行的控制管理算法、策略和信令方法在网络规模扩大之后性能会严重恶化，因此光网络的可扩展性越来越受到研究者的重视。动态特性和可扩展性都是网络发展的需求，然而二者在存在一定的相互制约，通过建立分层分域的机制可以有效的环节这种制约，为实现动态特性良好、智能化程度高同时可扩展的光网络提供了可能。

[关键词] 动态光网络；可扩展性；动态路由；信令

[Abstract] With the evolution of traditional static optical networks towards dynamic and intelligent optical networks, the dynamic characteristics play a very important role in networks. Some control and manage strategies, routing algorithms and feasible signaling methods in limited network scales degenerate while the networks scale up. The scalabilities of optical networks become a hot topic in research. The dynamic characteristics and scalabilities both meet the request of network development while there was a tradeoff between dynamic characteristics and scalabilities in optical network engineering. A hierarchical and multi-domain architecture can help dealing with the problem. This architecture is a possible solution to actualize a scalable optical network with better dynamic characteristics and more intelligence.

[Keywords] dynamic optical network; scalabilities; dynamic routing; signaling