網(wǎng)絡(luò)升級(jí)場(chǎng)景下的保護(hù)技術(shù)研究

鈕　彬，李　浩，王從春

（國(guó)網(wǎng)六安供電公司，安徽 六安 237006）

網(wǎng)絡(luò)升級(jí)場(chǎng)景下的保護(hù)技術(shù)研究

鈕彬，李浩，王從春

（國(guó)網(wǎng)六安供電公司，安徽 六安 237006）

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，基于波分復(fù)用固定柵格的光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足人們的需求，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)容量，提高頻譜資源利用效率成為當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。現(xiàn)有固定柵格結(jié)構(gòu)向大容量、高頻譜效率的靈活柵格結(jié)構(gòu)演進(jìn)勢(shì)在必行。文章在此基礎(chǔ)上，針對(duì)固定柵格向靈活柵格演進(jìn)過程中的主要過渡形式—兩種柵格共存的光網(wǎng)絡(luò)的流量生存性問題展開研究，提出了一種適用于該網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的保護(hù)技術(shù)，并在仿真平臺(tái)上對(duì)其展開了性能評(píng)估。

柵格異構(gòu)；數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)；保護(hù)技術(shù)

隨著互聯(lián)網(wǎng)流量的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，在光傳輸領(lǐng)域靈活柵格技術(shù)受到了廣泛關(guān)注和青睞，這是緣于靈活柵格技術(shù)相較于固定柵格技術(shù)在傳輸容量和靈活性上有較大優(yōu)勢(shì)。靈活的柵格將傳統(tǒng)ITU柵格向高靈活度細(xì)顆粒度的頻譜隙方向演進(jìn)（例如12.5 GHz對(duì)50 GHz或100 GHz）。先進(jìn)的光傳輸技術(shù)，例如相干光正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexin，OFDM），奈奎斯特波分復(fù)用（Nyquist-Wavelength Division Multiplexing，N-WDM）以及光任意波形發(fā)生器（Optical Arbitrary Waveform Generator，OAWG），被確定為靈活柵格光網(wǎng)絡(luò)使能技術(shù)。通過使用所需頻譜分配和自適應(yīng)調(diào)制格式，靈活的柵格能顯著提高頻譜效率并能增加整體網(wǎng)絡(luò)容量。此外，超級(jí)信道，例如信道跨越多個(gè)頻譜隙，可以被建立來支持大帶寬需求。但考慮到運(yùn)營(yíng)成本和固定資產(chǎn)投資等因素，一次性組件基于波分復(fù)用靈活柵格的光網(wǎng)絡(luò)是不切實(shí)際的。鑒于此，許多學(xué)者和運(yùn)營(yíng)商都在固定柵格和靈活柵格共存的光網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域傾注了研究精力。

在前期研究中，我們著重關(guān)注“什么時(shí)候用什么樣的方式實(shí)現(xiàn)異構(gòu)柵格共存的光網(wǎng)絡(luò)”這樣一個(gè)問題，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段在柵格共存的光網(wǎng)絡(luò)中關(guān)于生存保護(hù)的研究一片空白，因此，本文聚焦此點(diǎn)，研究該場(chǎng)景下的生存保護(hù)問題。在這樣一個(gè)光網(wǎng)絡(luò)中，連接是建立在柵格屬性不同的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的，因此容易變得不穩(wěn)定，甚至產(chǎn)生中斷等不利影響，造成大量的數(shù)據(jù)丟失。尤其是在為關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)時(shí)，發(fā)生這種狀況事態(tài)將變得更為嚴(yán)重。通過大量調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的保護(hù)技術(shù)通過適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展也能在這樣的場(chǎng)景下展開工作。舉一個(gè)專有保護(hù)策略的例子，該策略通過選路算法找到一對(duì)節(jié)點(diǎn)不相交的工作路徑和保護(hù)路徑，通過在遇到故障時(shí)將業(yè)務(wù)倒換到預(yù)留的保護(hù)路徑上，實(shí)現(xiàn)快速回復(fù)，從而達(dá)到組織連接中斷的目的。

在本文中，我們關(guān)注固定柵格和靈活柵格共存光網(wǎng)絡(luò)下的流量生存性問題，提出一種適應(yīng)于該場(chǎng)景下的保護(hù)策略，并對(duì)這種策略的性能展開評(píng)估。通過仿真結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，提出的保護(hù)策略能實(shí)現(xiàn)更優(yōu)越的性能，并有效地降低了業(yè)務(wù)的連接中斷率。

1　問題描述

由于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供更高的帶寬，更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源的壓力越來越大，在傳輸網(wǎng)絡(luò)中用靈活柵格設(shè)備取代傳統(tǒng)的固定柵格設(shè)備只是時(shí)間問題。在實(shí)際情況下，一個(gè)可能的場(chǎng)景是某些節(jié)點(diǎn)或鏈路的流量負(fù)載明顯高于其他，這些流量負(fù)載過高的節(jié)點(diǎn)變成了網(wǎng)絡(luò)中的容量瓶頸。例如，一個(gè)常見的場(chǎng)景涉及與數(shù)據(jù)中心關(guān)聯(lián)的點(diǎn)，這樣的節(jié)點(diǎn)往往產(chǎn)生大量的流量并且可能從高帶寬超級(jí)信道互聯(lián)中獲益。在這些環(huán)境中，產(chǎn)生瓶頸的設(shè)備應(yīng)該被靈活柵格設(shè)備取代。因此，研究網(wǎng)絡(luò)從固定柵格向靈活柵格演進(jìn)過程成為當(dāng)下業(yè)界重點(diǎn)，用較少的靈活柵格節(jié)點(diǎn)經(jīng)濟(jì)有效地提高鏈路的容量，是我們將面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。因?yàn)楣潭鸥窈挽`活柵格在網(wǎng)絡(luò)中共存，而固定柵格和靈活柵格節(jié)點(diǎn)卻需要不同的技術(shù)，尤其是在中間節(jié)點(diǎn)執(zhí)行波長(zhǎng)交換的關(guān)鍵設(shè)備可重構(gòu)光插分模塊（Reconfigurable Optical Add and Drop Modular，ROADM）。固定柵格的ROADMs遵循傳統(tǒng)的嚴(yán)格ITU-T定義的中心頻率和頻譜柵格（如50 GHz和100 GHz），不管每個(gè)單獨(dú)信道攜帶的實(shí)際比特率。在固定柵格網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如光開關(guān)、多路復(fù)用器和轉(zhuǎn)發(fā)器，必須遵守該頻譜柵格。相比較于固定柵格，靈活柵格的ROADM是不同的。在靈活柵格網(wǎng)絡(luò)的ROADM中嵌入WSSs不必嚴(yán)格遵循ITU-T固定化的柵格，并且可以切換多路級(jí)聯(lián)片作為一個(gè)單獨(dú)整體，其中每個(gè)切片可以是12.5 GHz。所以，產(chǎn)生的問題是：新添加的靈活柵格節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中如何能和其他傳統(tǒng)固定柵格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換。這個(gè)問題需要分兩步來解決，先是建立一個(gè)適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)模型，在該網(wǎng)絡(luò)模型下，選取合適的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)策略。再在考慮了光路路由、波長(zhǎng)分配和頻譜分配的網(wǎng)絡(luò)模型下，引入了三大頻譜路由約束對(duì)靈活柵格節(jié)點(diǎn)與固定柵格節(jié)點(diǎn)之間的連接建立進(jìn)行了研究，但并未涉及連接的穩(wěn)定性并有效地降低業(yè)務(wù)鏈接的中斷率，下面，我們針對(duì)這個(gè)問題展開研究。

2　網(wǎng)絡(luò)升級(jí)策略

正如之前討論的，遷移到靈活柵格技術(shù)不能立馬完成；相反，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可能選擇先升級(jí)出現(xiàn)瓶頸的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。圍繞這一計(jì)劃，各種有意思的問題在下面討論中被提了出來。

問題1：哪個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該先升級(jí)？

當(dāng)選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)（或節(jié)點(diǎn)群）來升級(jí)時(shí)，許多因素應(yīng)該被考慮到，如網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、流量分布、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)瓶頸等等。為了方便描述，我們從這些參考因素中簡(jiǎn)單選取兩個(gè)以作說明。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩葦?shù)的影響，我們可以制定最大度數(shù)優(yōu)先（HDF）策略；根據(jù)流量分布的影響，我們可以制定最大流量?jī)?yōu)先（HTF）策略，具體如下所述：

最大度數(shù)優(yōu)先（HDF）—具有最大節(jié)點(diǎn)度數(shù)的節(jié)點(diǎn)將被優(yōu)先選擇升級(jí)。高節(jié)點(diǎn)連通度可能對(duì)升級(jí)性能有積極的影響，如有較高度數(shù)的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中連接了更多數(shù)目的其他節(jié)點(diǎn)，因此有利于業(yè)務(wù)供應(yīng)選項(xiàng)。

最大流量?jī)?yōu)先（HTF）—產(chǎn)生更多流量的節(jié)點(diǎn)將優(yōu)先被升級(jí)，讓更多的流量從升級(jí)中受益。

問題2：多少個(gè)點(diǎn)應(yīng)該被升級(jí)？

盡管最終的目的是遷移整個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持靈活柵格技術(shù)，但僅升級(jí)部分節(jié)點(diǎn)就能消除當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)瓶頸。在一個(gè)給定的有預(yù)定目標(biāo)（如在某些預(yù)定目標(biāo)下，降低帶寬阻塞率）的場(chǎng)景下，可能導(dǎo)致不同數(shù)目的節(jié)點(diǎn)需要升級(jí)。此外，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃場(chǎng)景，升級(jí)節(jié)點(diǎn)數(shù)目對(duì)節(jié)點(diǎn)選擇決定有重要影響。

問題3：還有什么需要考慮的？

如果我們簡(jiǎn)單地遵循上述策略，將節(jié)點(diǎn)逐個(gè)升級(jí)，而沒考慮已升級(jí)節(jié)點(diǎn)的影響，那么所得到的方案和結(jié)論是不完備的。例如，如果我們升級(jí)節(jié)點(diǎn)的鄰接點(diǎn)是一個(gè)靈活柵格節(jié)點(diǎn)，那么一個(gè)高帶寬和頻譜高效的超信道在這兩點(diǎn)間建立起來了，而當(dāng)我們升級(jí)節(jié)點(diǎn)的鄰接節(jié)點(diǎn)是一個(gè)固定柵格節(jié)點(diǎn)時(shí)，兩點(diǎn)間的資源分配受固定柵格制約。所以，我們可以說這兩個(gè)靈活柵格節(jié)點(diǎn)形成了一個(gè)“靈活柵格島”，如圖1所示。這樣的“靈活柵格島”能提高網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的性能。更嚴(yán)格地說，一個(gè)島是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的子集，其中子集中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可直接互連或通過在相同子集中的節(jié)點(diǎn)互連；一個(gè)靈活柵格島意味著在這個(gè)子集中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都支持靈活柵格技術(shù)。通常，在一個(gè)逐漸遷移過程中嘗試形成一個(gè)島看起來是一個(gè)有效最大化攜帶流量的方法，并且，可以得到一些可行的考慮，如果我們想要?jiǎng)?chuàng)建這類靈活柵格島。

結(jié)合上述3個(gè)問題，我們對(duì)最大流量?jī)?yōu)先策略作相關(guān)優(yōu)化，并通過仿真驗(yàn)證得知其性能優(yōu)于其他一般方法。

圖1　靈活柵格島

3　適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的保護(hù)方法

為了保護(hù)升級(jí)場(chǎng)景中存在的業(yè)務(wù)，我們提出了一種適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)的保護(hù)方法（Evolution Adaptive Protection，EAP）。在該方法中，我們通過KSP算法找到若干條路徑，從而得到一對(duì)工作和保護(hù)路徑，該工作路徑保護(hù)對(duì)，具有柵格共存不相交特性。這里所述柵格共存不相交特性是指工作路徑和保護(hù)路徑中不同時(shí)存在需要升級(jí)的固定柵格節(jié)點(diǎn)。我們通過一個(gè)例子來詳細(xì)說明該保護(hù)方法的工作原理，如圖2—3所示。這是一張9個(gè)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)?，固定柵格?jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)8和節(jié)點(diǎn)9根據(jù)升級(jí)策略將被選擇升級(jí)為靈活柵格節(jié)點(diǎn)。

圖2　9個(gè)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)涫疽鈭D

4　仿真與結(jié)果分析

本章介紹拓?fù)浞抡姝h(huán)境、算法的程序?qū)崿F(xiàn)，并根據(jù)仿真結(jié)果比較適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)場(chǎng)景下的保護(hù)方法和傳統(tǒng)保護(hù)方法在性能上的差異。

本文將EAP策略嵌入到全光網(wǎng)仿真平臺(tái)中，采用NFSNET拓?fù)?，如圖4所示，使用14個(gè)節(jié)點(diǎn)作為仿真拓?fù)?，在該拓?fù)渖箱佋O(shè)業(yè)務(wù)，對(duì)保護(hù)方法進(jìn)行了仿真。所有的節(jié)點(diǎn)都配備有足夠的轉(zhuǎn)發(fā)器且不具有光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換能力。每條鏈路擁有5 000 GHz的帶寬，與調(diào)制碼型有關(guān)的比特率/帶寬比設(shè)為1調(diào)制碼型（Binary Phase Shift Keying，BPSK）。業(yè)務(wù)到達(dá)服從泊松分布，且其數(shù)據(jù)量在{40, 100, 200, 400}Gbps中產(chǎn)生，其對(duì)應(yīng)的帶寬需求如表1所示。

圖4　仿真拓?fù)?/p>

表1　仿真參數(shù)

除此之外，在仿真過程中，我們嘗試了兩個(gè)流量模型，例如，均勻流量模型和非均勻流量模型，兩者在結(jié)本部分得到充分比較。在這里，我們用帶寬中斷率（Bandwidth Blocking Ratio, BBR）和連接中斷比（Connection Interruption Ratio, CIR）來評(píng)價(jià)保護(hù)方法的性能。

評(píng)估結(jié)果顯示在圖5（a—f）中。 圖5（a）說明BBR在信道中的變化，隨著一般的PUNG施工方案流量負(fù)載而變化。從圖5（a）中我們可以看出，BBR的增長(zhǎng)同負(fù)載量一同增長(zhǎng)。從圖5（b）和圖5（c）中，我們可以看到相似的曲線，這意味著兩種方法具有相似的BBR性能。圖5（d—f）顯示是CIR隨流量負(fù)載變化。圖5（d）和圖5（e）的差別告訴我們待升級(jí)節(jié)點(diǎn)的選擇對(duì)CIR的性能有著非常重要的影響。其理由是，在受影響的范圍和網(wǎng)絡(luò)遷移過程中的性能改進(jìn)之間的折衷。從這些數(shù)值的結(jié)果我們可以總結(jié)出，適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)場(chǎng)景的保護(hù)方法比傳統(tǒng)方法在網(wǎng)絡(luò)升級(jí)場(chǎng)景下能提供更安全的鏈接，尤其是在均勻流量模型中。

5　結(jié)語

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)從固定柵格向靈活柵格升級(jí)過程中的網(wǎng)絡(luò)流量生存性問題，提出了一種適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)場(chǎng)景的保護(hù)（Evolution Adaptive Protection, EAP）方法，并在仿真平臺(tái)上對(duì)該方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。通過仿真結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，本文所提的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)適應(yīng)的保護(hù)方法較傳統(tǒng)的保護(hù)方法而言，在網(wǎng)絡(luò)升級(jí)場(chǎng)景下有著更好的性能表現(xiàn)，尤其是在以業(yè)務(wù)連接中斷率為考核指標(biāo)的評(píng)價(jià)模型里。

圖5　仿真結(jié)果

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Research on protection technology in network upgrading scenario

Niu Bin, Li Hao, Wang Congchun
（State Grid Luan Power Supply Company, Lu'an 237006, China）

With the arriving of big data era, WDM based fixed grid optical network has hardly satisfied new requirements. To expand the network capacity and improve the spectrum utilization efficiency of resources has become a hot topic of current research. The evolvement is necessary from existing fixed grid structure to large capacity, high spectrum efficiency network with the flexible grid structure. In this paper, we research the survive ability issue with two optical network coexist, and propose a protection technology applying to the network scenarios, and address the performance evaluation on the simulation platform.

grid heterogeneous; data center optical interconnection; protection technology

鈕彬（1982— ），男，安徽六安，本科，工程師，副經(jīng)理；研究方向：電力信息通信網(wǎng)絡(luò)安全，運(yùn)行技術(shù)。