基于GMPLS 的波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)的路由方案*

劉 潔

(西安科技大學(xué) 期刊中心，陜西 西安710054)

0 引 言

波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)(Wavelength Switched Optical Networks，WSONs)是隨著光器件和光節(jié)點(diǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展提出的，它由WDM 光互連透明節(jié)點(diǎn)(例如光交叉互聯(lián)，OXCs;光分叉復(fù)用器，OADM)組成。由于WSONs 架構(gòu)可以避免使用昂貴的光電收發(fā)器做中間節(jié)點(diǎn)，它被認(rèn)為是目前最有前途的下一代核心和城域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

基于通用多協(xié)議標(biāo)簽交換(GMPLS)的分布式控制的WSONs，可以在光網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障后盡快地將受故障影響的業(yè)務(wù)恢復(fù)。GMPLS 協(xié)議提供路由，信令和鏈路管理職能，因此基于GMPLS 的WSONs 端到端光路可以動(dòng)態(tài)建立，維持和釋放。文獻(xiàn)［1 -2］中給出了GMPLS 支持保護(hù)類型和故障恢復(fù)技術(shù)。然而所有迄今提出的恢復(fù)方案集中在如何恢復(fù)受鏈接失敗影響的光路，而沒(méi)有考慮損耗或突發(fā)故障的幾個(gè)光路(如光纖被切斷或設(shè)備損耗)可能會(huì)影響光路的問(wèn)題。事實(shí)上由于在波分復(fù)用鏈路中廣泛使用飽和光放大器，光功率的突然起伏可能會(huì)劇烈降低與損壞光路共享光纖的其他光路的光學(xué)性能。

在物理層提出的參鉺光纖放大器控制技術(shù)以及鏈路控制層的使用［3-5］等解決方案可以用來(lái)減輕功率平坦度對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的影響，這需要調(diào)整發(fā)射機(jī)的輸出功率或者光路中的放大器，而這種解決方案大大增加了光放大器的成本和復(fù)雜性，并引起噪聲性能的惡化和光功率的減少。文獻(xiàn)［6］試圖在路由層上解決同樣的問(wèn)題，通過(guò)引入一個(gè)統(tǒng)一線性規(guī)劃(ILP)來(lái)盡量減少在單鏈路故障情況下功率平坦度所影響的光路數(shù)量。但該方案不能應(yīng)用于大型網(wǎng)絡(luò)，因此不適用于采用分布式控制的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情景。

文中提出了一種適用于大型網(wǎng)絡(luò)的基于GMPLS 的WSONs 的感知式路由方案，用于解決功率平坦度問(wèn)題，稱為功率平坦度感知的路由方案，簡(jiǎn)稱POSR(Power Offset Sensing Routing)方案。為基于GMPLS 的WSONs 在協(xié)議層描述了POSR 方案可能的實(shí)現(xiàn)，并用仿真評(píng)估了所提方案的性能。

1 POSR 方案

基于流量工程資源預(yù)留協(xié)議(RSVP -TE)是用來(lái)在基于GMPLS 的動(dòng)態(tài)WSONs 上建立光路的。該路由協(xié)議用于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間分發(fā)更新的網(wǎng)絡(luò)狀況信息，這些信息接著被儲(chǔ)存在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的流量工程數(shù)據(jù)庫(kù)(TED)中。一旦有路由請(qǐng)求，源節(jié)點(diǎn)在本地TED 信息的基礎(chǔ)上計(jì)算路由;計(jì)算完路由后，源節(jié)點(diǎn)沿該路徑觸發(fā)一個(gè)RSVP-TE 信令;最后目的節(jié)點(diǎn)利用所收集的信令消息分配波長(zhǎng)。

文中提出的POSR 方案需要有一個(gè)本地矩陣A，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用RSVP-TE 協(xié)議和基于流量工程開(kāi)放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF-TE 協(xié)議)來(lái)存儲(chǔ)和更新該矩陣。矩陣A 包括了路由中所有現(xiàn)有光路的功率平坦度信息，這是一個(gè)M × M 階矩陣，其中M 是網(wǎng)絡(luò)鏈路的總數(shù)量。因此矩陣的維數(shù)并不依賴于已建立光路的數(shù)量，從而保證方案的可測(cè)量性。元素ai，j∈A 表示鏈路i 上受鏈路j故障影響的光路數(shù)量，即同時(shí)通過(guò)鏈路i，j 的光路數(shù)量。沿對(duì)角線的元素ai，i是代表了沿鏈路i 建立的光路數(shù)量。為了更好地理解，圖1 畫出一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)情況，圖中建立了兩個(gè)光路(分別沿鏈路1-2 -3 和2 -3 -4)。圖2 所示是相應(yīng)的矩陣A，它涵蓋了這一網(wǎng)絡(luò)的情況。如果鏈路3 斷開(kāi)兩個(gè)光路直接受到影響，這兩個(gè)中斷光路均要通過(guò)鏈路2，因此A2，3=2.只有一個(gè)中斷光路的路由經(jīng)過(guò)鏈路1 和4，此時(shí)a1，3=1，a4，3=1.當(dāng)沒(méi)有中斷光路路由經(jīng)過(guò)鏈路5，6，7 時(shí)，a5，3=0，a6，3=0，a7，3=0.矩陣A 中的所有元素可按照上述方法類推得出。

圖1 簡(jiǎn)單路由光路Fig.1 Simple routed lightpaths

圖2 圖1 對(duì)應(yīng)的A 矩陣Fig.2 A matrix for Fig.1

當(dāng)有源節(jié)點(diǎn)s 到目的節(jié)點(diǎn)d 的新的光路請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，源節(jié)點(diǎn)使用存儲(chǔ)矩陣A 來(lái)評(píng)估每個(gè)候選光路(r∈Rs，d)的功率平坦度狀況。每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)(s，d)間的候選路徑的Rs，d是由每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)預(yù)先計(jì)算的，并且它包括了比最短路徑的鏈路數(shù)多n跳的所有路徑。特別對(duì)于每個(gè)r∈Rs，d源節(jié)點(diǎn)計(jì)算Ar矩陣。其中Ar是A 矩陣經(jīng)變換適應(yīng)特別的路徑r 之后的矩陣(例如=aij+1，i∈r 且j∈r;否則=aij)。應(yīng)用公式(1)來(lái)選擇路徑r，使所有可能的矩陣Ar中計(jì)算的所有可能的功率平坦度F(Ar)最小。

功率平坦度F(Ar)的計(jì)算考慮了每條網(wǎng)絡(luò)鏈路的一個(gè)故障(如對(duì)下標(biāo)j 的求和)。對(duì)于每一個(gè)可能故障，對(duì)鏈路i 的光路數(shù)量與活動(dòng)光路數(shù)量之比求和。但如果沒(méi)有路由光路沿鏈路i(例如aii=0)或者所有沿鏈路i 的光路因鏈路j 的故障而直接中斷(即ai，i=ai，j)就不能使用此計(jì)算方法。這種方法是通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和仿真證實(shí)的，其中假定典型的光學(xué)接收器可以允許高達(dá)3 dB 的功率平坦度而不使誤碼率惡化。文獻(xiàn)［6］表明，如果不到總功率一半的功率在一個(gè)WDM 鏈路上消耗，其余的信道的誤碼率的惡化是可以容忍的。假設(shè)有這樣一條鏈路，當(dāng)它發(fā)生故障時(shí)，超過(guò)一半以上的波長(zhǎng)信道直接受到影響，那么記這條鏈路為關(guān)鍵鏈路。關(guān)鍵鏈路是單個(gè)波分復(fù)用鏈路突發(fā)故障時(shí)功率平坦度對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響程度的體現(xiàn)，關(guān)鍵鏈路越少表示影響程度越低。

在圖1 所示的例子中，如果一個(gè)新的光路請(qǐng)求到達(dá)節(jié)點(diǎn)B，目的地是E，當(dāng)n =0 時(shí)有3 種可能的路徑(Rs，d ={2 -7 -5，1 -6 -5，2 -3 -4})，沿每個(gè)路徑的F(Ar)分別為3，4，2，通過(guò)鏈路2 -3 -4 的路徑被選中。路由選定后RSVP -TE 信令被觸發(fā)并通過(guò)傳輸信令消息來(lái)動(dòng)態(tài)更新在所有的中間節(jié)點(diǎn)的矩陣A。事實(shí)上，顯式路由對(duì)象(ERO)是包括在RSVP - TE 信令消息中的，以便中間節(jié)點(diǎn)都知道全部的路線并可以適當(dāng)?shù)匦薷腁 矩陣。特殊情況，當(dāng)鏈路i 和j 均屬于路徑R 時(shí)元素ai，j的值要增加1. 此外，每個(gè)節(jié)點(diǎn)定期通過(guò)基于流量工程開(kāi)放最短路徑優(yōu)先協(xié)議(OSPF -TE)的鏈路狀態(tài)廣播(LSAs)向相連的節(jié)點(diǎn)廣播有關(guān)本地列的信息，這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)的A 矩陣都有當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的最新信息［7-10］。

2 仿真結(jié)果

用OPNET 仿真軟件進(jìn)行仿真，用圖3 所示拓?fù)鋱D進(jìn)行仿真，它包括12 個(gè)透明的節(jié)點(diǎn)和25 波分復(fù)用雙向鏈路，每個(gè)鏈路載有16 波長(zhǎng)信道。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處波長(zhǎng)變換無(wú)法執(zhí)行，因此所有已建立的光路必須滿足波長(zhǎng)連續(xù)性限制。光路請(qǐng)求由統(tǒng)一流量矩陣產(chǎn)生，其中統(tǒng)一流量矩陣服從包到達(dá)時(shí)間間隔(平均1/α)和保持時(shí)間(平均1/β)的指數(shù)分布。網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷表示為(α/β)，單位是Erlang.由于典型的(OSPF-TE)的收斂時(shí)間是一些以秒表示的序列，并且在骨干網(wǎng)中光路請(qǐng)求時(shí)間間隔是一些以分鐘或小時(shí)表示的序列，在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上矩陣A 認(rèn)為是不斷更新的。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.3 Network topology

因此，當(dāng)平均保持時(shí)間固定在3 600 s 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷可以通過(guò)改變100 ～1 500 s 的平均包到達(dá)時(shí)間間隔而改變。3 個(gè)不同版本的POSR 評(píng)估方案n = 0，1，2(分別為POSR -0，POSR -1，和POSR-2)與熟知的最短路徑路由(SPR)進(jìn)行比較，其中n 表示比最短路徑路由的鏈路數(shù)多的跳數(shù)。用10 種不同的種子進(jìn)行了測(cè)試仿真，并對(duì)結(jié)果依99%的置信區(qū)間進(jìn)行繪圖。

圖4 平均關(guān)鍵鏈路數(shù)Fig.4 Average number of critical links

圖4 表示平均關(guān)鍵鏈路數(shù)對(duì)比網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷。如前所述，由于在一條鏈路上小于一半的所有信道的擾亂是可以容忍的。假設(shè)有這樣一條鏈路，當(dāng)它發(fā)生故障時(shí)，超過(guò)一半以上的波長(zhǎng)信道直接受到影響，那么記這條鏈路為關(guān)鍵鏈路。如圖4 所示，即便在n=0 的時(shí)候POSR 方案也能夠減少一些關(guān)鍵鏈路的數(shù)目，因此沒(méi)有增加計(jì)算路由路徑的平均長(zhǎng)度。此外，如果可以容忍較長(zhǎng)的路徑，那么關(guān)鍵鏈路的數(shù)目可以進(jìn)一步減少。然而，雖然POSR-1 顯著優(yōu)于POSR -0，POSR -2 也有類似于POSR-1 的性能的，但是把候選路徑延長(zhǎng)到超過(guò)最短路徑是不利的。最后由于網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷的作用，當(dāng)所有的評(píng)估方案達(dá)到最大平均關(guān)鍵鏈路數(shù)后，就隨著網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷的提高而降低。這主要是歸因于當(dāng)大量波長(zhǎng)信道同時(shí)工作在每個(gè)波分復(fù)用鏈路里的時(shí)候，一條鏈路故障影響到一半以上從其它鏈路路由來(lái)的光路是不太常見(jiàn)的。此外網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷較高情況下建立光路的平均長(zhǎng)度較短(長(zhǎng)光路有較高的擁塞率)，在故障情況下，更短的光路意味著功率平坦度將影響更少的鏈路，因此在網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷較高的情況時(shí)關(guān)鍵鏈路的平均數(shù)減少了。

圖5 是網(wǎng)絡(luò)擁塞率對(duì)比網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)荷的圖例。圖示表明與SPR 相比利用POSR-0 能在不提高網(wǎng)絡(luò)擁塞率的同時(shí)完成SPR。如果使用更有效的功率平坦度感知路由(即POSR -1 和POSR -2)那么擁塞率會(huì)因利用更長(zhǎng)的路徑而增加。

圖5 網(wǎng)絡(luò)擁塞率Fig.5 Blocking probability

3 結(jié) 論

文中提出了一個(gè)啟發(fā)式的路由方案(POSR 方案)，減輕了功率平坦度引起的問(wèn)題:在基于GMPLS 的波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)(WSONs)里，當(dāng)波分復(fù)用鏈接失敗時(shí)，功率平坦度可能會(huì)影響到生存光路。還提出了它的可行分布式方案。這要求在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)里有一個(gè)M ×M 的儲(chǔ)存矩陣，該矩陣通過(guò)RSVP-TE 和OSPF-TE 進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。仿真結(jié)果表明，POSR 方案有效地減少了網(wǎng)絡(luò)中平均關(guān)鍵鏈路數(shù)，特別是POSR-0 在不增加擁塞率的同時(shí)減少了關(guān)鍵鏈路。

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