支持區分服務的全光網絡設計和實現

摘要：隨著光層業務對傳送服務質量的要求趨于多樣化以及全光網絡的智能化演進，光服務等級協定被提出。為了適應各種業務的不同傳送需求，未來的光網絡應具有支持區分服務的能力。在多業務環境下，處理好滿足業務的不同服務需求和優化網絡資源之間的矛盾，需要傳送網絡流量工程各個功能子模塊具有集成多種實現機制的能力，從而在光層實現區分服務的集成化。目前，支持區分服務的光網絡流量工程方案還只是研究領域的成果，需要對現有控制平面的協議進行擴展和標準化，從而使光服務等級協定走向實用。

關鍵詞：光服務等級協定；區分服務；服務質量

Abstract: With the diversified QoS requirements of optical layer services and the evolution of all-optical networks towards intelligentization， optical Service Level Agreement (SLA) was introduced. In order to meet different transport requirements for services， the optical network in the future should be able to support the differentiated services. In a multi-service environment， in order to meet different service requirements and at the same time have network resources well optimized， each functional sub-module for flow engineering in a transport network should support multiple implementation mechanisms， thus enabling the integration of differentiated services in the optical layer. However， the optical network flow engineering mechanism supporting differentiated services is just a research result now， and the practical application of optical SLA requires extension and standardization of existing control plane protocols.

Key words: O-SLA; differentiated service; QoS

基金項目：國家自然科學基金項目(6052130298、60572006)

隨著電信市場的逐步開放，網絡運營商之間的競爭日益激烈，這就要求運營商在提供傳送服務時，更加關注業務的實際需求，為每一個業務提供滿足其傳送需求的區分服務(DiffServ)，從而在競爭中贏得更多的服務定購者。另一方面，為光層適應各種新業務、開發各種新服務提供可能性，ITU-T G.8080提出了自動交換光網絡(ASON)的體系結構，通過在傳統光傳送網絡中引入智能的控制平面，實現動態、靈活的資源管理、資源分配和資源調度。

隨著光網絡的智能化演進，光層流量工程各個功能子模塊的實現機制趨于多樣化，這些機制從不同程度上對網絡運行成本和業務的服務質量(QoS)保證之間的矛盾進行折衷，這種程度上的差異為光網絡實現區分服務提供了可能性。

在此背景下，Wissam Fawaz等^[1]在光層引入了服務等級協定，提出了傳送服務的服務等級描述(SLS)在連接建立時間、服務性能表現、服務可達性、安全性、路由穩定性等方面的性能指標，并按照服務等級(CoS)提供了一些參考值。服務等級協定是服務提供商和服務定購者雙方之間的協商協定，是存在于服務提供商和服務定購者之間的一個合約(或者合約的一部分)，是在服務品質、優先權和責任義務等方面達成的協議，是一種電信服務評估標準^[2]。在光層服務等級協定中，服務定購者可根據自身業務的特點，選擇所需傳送服務的最低性能指標參數。

可以預見，未來的光網絡將是多業務驅動下的新型傳送網絡，具有提供區分服務的能力。

要在多業務的環境下，處理好滿足業務的不同服務需求和優化網絡資源之間的矛盾，就需要傳送網絡流量工程各個功能子模塊具有集成多種實現機制的能力^[3-4]，從而在光層實現區分服務的集成。本文旨在通過對最新研究成果的調研和綜述，為光服務等級協定走向實用化提供一些技術參考。

1 支持區分服務的全光網絡設計

1.1 總體設計

對光傳送網絡而言，業務可依據其粒度劃分為兩種形態^[1] (如圖1所示)。

(1)來自不同網絡運營商的波長粒度的業務，通過E-NNI接口接入傳送網絡。

(2)來自不同域的基于因特網協議/多協議標記交換(IP/MPLS)的亞波長粒度的業務，通過IP/MPLS邊緣路由器接入，由業務梳理模塊匯聚成波長粒度進入傳送網絡。

業務驅動下，光網絡傳送服務的總體實現流程設計如圖2所示。業務發起傳送服務請求，并根據自身的特點，選擇滿足其傳輸要求的服務等級描述指標參數，服務提供商根據該指標參數和服務等級映射到網絡可提供的資源，選擇滿足業務服務需求的優化實現機制，通過合理的資源調度，最大限度地提高網絡的資源利用率，以降低網絡的運營成本。

支持區分服務的全光網絡流量工程包括支持QoS的(QoS-aware)路由和波長分配、支持QoS的差錯管理、支持QoS的光路再優化等功能子模塊。

1.2 服務等級描述的設計和量化

在光服務等級協定中，服務等級描述設計和量化的關鍵在于如何兼顧業務的實際需求和光層的提供能力，在滿足服務質量的前提下，給出能優化網絡資源利用率的設計和量化方案。文獻^[1]給出了一套系統的設計和量化方案。

服務等級描述的設計和量化可以有兩種主要的方式：

(1)自底向上的SLS設計和量化

自底向上的SLS設計和量化，是由對光層實現機制的理論或實驗的性能分析出發，制訂相應傳送服務的性能指標、服務等級參考值。例如，自動交換光網絡中，提供了永久連接(PC)、軟永久連接(SPC)、交換連接(SC)3種連接方式，根據上述方式在連接建立時間上的差異，可以制訂相應的服務等級參考值。又如，差錯管理模塊中，1+1專用路徑保護機制、共享路徑保護機制、路徑恢復機制的故障恢復時間分別為小于50 ms、小于500 ms、小于2 s^[3]，根據上述機制在故障恢復時間上的差異，可以制訂相應的服務等級參考值。

由于自底向上的設計和量化方法對業務實際需求的考慮較少，可能需要對現有實現機制中的路由算法和信令流程進行改進和優化，加強其對業務的適配力度。

(2)自頂向下的SLS設計和量化

自頂向下的SLS設計和量化，是由業務的特點和需求出發，設計傳送服務的性能指標、服務等級參考值。例如，服務性能表現的指標參數對于來自不同運營商的波長粒度業務而言為誤碼率、信噪比(OSNR)、啁啾等；對于IP/MPLS等亞波長粒度的業務而言則為延時、抖動、丟包率等^[1]。考慮到光層實際服務提供能力的限制，對一些傳輸質量要求較高的業務，可能需要設計更高效的運行機制以滿足業務的請求。

1.3 服務需求與網絡實現機制的映射

在多業務環境下，傳送網絡流量工程各個功能子模塊具有集成多種實現機制的能力，因此就需要研究如何根據業務的服務需求選擇滿足其傳送要求的優化實現機制，兼顧服務質量與網絡的運行效率。文獻^[5-6]提出了由服務可達性到保護機制的映射方案，首先考慮工作路徑能否滿足服務可達性的要求，若滿足則不分配保護路徑，若不滿足則考慮加入共享路徑保護機制，并判斷服務可達性要求是否滿足，若滿足則采用該共享路徑保護機制，若不滿足則進一步考慮選用專用路徑保護機制，并判斷服務可達性要求是否滿足，若滿足則采用該保護機制，若不滿足則阻塞該業務請求。

這種映射方案的設計目標就是在滿足業務最低服務可達性的前提下，提高網絡的資源利用率，從而提高網絡的業務接納能力。

2 支持區分服務的光網絡流量工程

流量工程的目的，就是為了在全網的范圍內優化網絡流量的分布，提高網絡的資源利用率，提高網絡的生存能力^[7]。

多業務驅動下，光網絡流量工程需要在滿足不同業務的不同服務質量需求的前提下，提高網絡的性能。可以從兩個方面提高網絡的性能：靜態資源規劃和動態資源調度。

2.1 支持區分服務的光網絡靜態資源規劃

靜態資源規劃是已知網絡拓撲、網絡當前的流量分布情況、節點之間的業務請求，如何對新業務分配網絡資源的優化問題。對于支持區分服務的光網絡資源規劃，則需要根據不同業務的不同服務要求，在優化問題中加入相應的限制條件，如路徑最大延時限制、路徑最小服務可達性限制等，此外對于光層功能模塊中不同的實現機制，其優化模型也是不同的，需要分別進行建模，因此支持區分服務的光網絡資源規劃是不同服務需求、不同實現機制集成環境下的優化問題。根據優化目標的不同，可以分為以下兩個子問題^[4]：

(1)容量最小化問題

在網絡波長資源充足的情況下，已知網絡拓撲、多業務請求、業務需求相對應的傳送服務的實現機制，如何指配工作路徑和預留備份路徑，優化支持區分服務的光網絡的資源利用率。

(2)收入最大化問題

在網絡波長資源不足的情況下，已知網絡拓撲、多業務請求、業務需求相對應的傳送服務的實現機制，如何指配工作路徑和預留備份路徑，使支持區分服務的光網絡的服務收益最大化。

文獻^[4]中，具體研究了已知網絡拓撲、多業務請求、不同業務請求的路徑最大長度限制、業務需求相對應的傳送服務保護機制(專用路徑保護機制、共享路徑保護機制、無路徑保護機制)下，主路徑和保護路徑之間滿足共享鏈路風險組分離的光網絡資源規劃問題。由于上述優化問題是非確定多項式-難(NP-hard)問題，其計算復雜度隨網絡規模的增加呈指數增長，因此當網絡規模較大時，需采用搜索技術^[8]尋找優化解。

2.2 支持區分服務的光網絡動態資源調度

動態資源調度研究動態業務請求下網絡的資源優化問題，包括：

(1)支持QoS的路由和波長分配

動態業務下，光網絡的波長路由也是動態的。動態波長路由問題是指在給定動態業務模型下，在源節點與目的節點對之間進行路由和波長分配，以使在一定的波長資源和業務負載情況下，被接納的業務請求達到最大值。

鑒于動態波長路由問題具有復雜性^[9]，絕大多數文獻將動態波長路由問題分解為路由問題和波長分配問題兩個獨立的子問題分步研究，路由問題又可細分為最短路徑路由問題和受限路由問題兩大類。

在最短路徑路由問題中，各鏈路被賦予一個費用值(可以是跳數、延時或經濟費用等)，并以路徑的總費用作為優化目標，求解算法有Dijkstra算法、Bellman-Ford算法、Floyd算法等，其中Dijkstra算法、Floyd算法屬于集中式算法，每個節點必須獲知全網的拓撲信息；Bellman-Ford算法屬于分布式算法，每個節點只須獲知鄰居節點的信息。對于全光網絡而言，由于在中間節點不存在光電光的轉換，信號質量在傳輸過程中會逐步惡化，因此文獻^[10]提出以光信號的傳輸損耗作為費用值，稱為基于信號質量的波長路由。

在多業務環境下，某些業務可能對傳送服務的多個性能指標同時具有限制條件，如對路徑的最大延時和最小可達性指標有限制。由于最短路徑路由問題中，各鏈路只能具有標量值，因此相應的算法無法給出具有限制條件下的優化路徑。上述情況下的路由問題稱為受限路由問題^[11]，包括一個限制條件下的受限最短路徑(RSP)問題和多個限制條件下的多約束最優路徑(MCOP)問題，然而，RSP問題和MCOP問題都是非確定多項式-完全(NP-完全)問題，因此這兩個問題的求解大多采用近似算法或啟發式算法。

求解RSP問題的算法有后向-前向啟發式算法、混和算法等；求解MCOP問題的算法有SAMCRA算法、H_MCOP算法、基于泛洪的分布式路由算法^[12]。

(2)支持QoS的差錯管理

差錯管理模塊用以提高光網絡的生存性。網絡的生存能力是網絡抵制故障所引起的服務干擾或中斷的能力，是服務可達性的重要保證。作為研究領域的一個熱點，差錯管理的實現機制趨于多樣化，大體上可分為保護機制和恢復機制兩種，此外，上述機制還可以在多個維度上進行細分，如按照備份路由的資源占用情況可以分為專用式和共享式兩種；按照備份路由的長度又可分為鏈路級、分段級和路徑級3種，如圖3所示。

資源利用率和故障恢復時間是差錯管理中的一對矛盾參數，上述機制分別從不同程度上對這對矛盾進行折衷，文獻^[13]給出了上述機制在這些參數上的量化比較。

(3)支持QoS的光路再優化

在動態多業務的環境下，新傳送服務請求的工作路徑和保護路徑的計算是基于請求時刻的網絡狀態，由于請求到達在時間上的隨機性，隨著網絡容量、網絡流量的變化，現有流量矩陣下網絡的資源分配可能是次優的，因此，文獻^[14-15]研究了不同保護機制下光網絡的動態資源再優化問題。

(4)資源分配和資源管理策略

多服務等級下，若不同服務等級對網絡資源的占用采用完全共享統一分配的方式，就有可能出現某一時刻網絡資源被低等級傳送服務完全占據的情況，那么，對于之后到達的高等級傳送服務請求可能因為無法分配到網絡資源而被阻塞。

為了保障高等級傳送服務的接入率和傳送質量，不同服務等級之間對網絡資源的占用可以采用區分策略^[16]，或者允許高等級傳送服務采用搶占策略^[17]。同時，為實現資源分配的區分策略和搶占策略，需要對網絡資源進行更加細致的管理，文獻^[3]中給出了基于有限狀態機的波長資源管理策略。

3 協議擴展與實現

上述光網絡流量工程方案目前還只是研究領域的成果，要真正應用到ASON控制平面中，還需要對現有的鏈路資源管理協議(如LMP)、路由協議(如OSPF-TE)和信令協議(如RSVP-TE、CR-LDP)進行擴展，從而實現全光網絡對區分服務的支持。

4 結束語

未來的光網絡將是多業務驅動下的新型傳送網絡，具有提供區分服務的能力，這種區分服務能力為光服務等級協定的實現提供了技術上的支持。

本文主要就光服務等級協定設計和實現過程中服務等級描述的設計和量化、服務需求與網絡實現機制映射以及支持區分服務的光網絡流量工程問題進行了探索。由于支持區分服務的光網絡流量工程方案目前還只是研究領域的成果，如何對現有全光網絡控制平面的鏈路資源管理協議、路由協議和信令協議進行擴展和標準化，是光服務等級協定走向實用化的研究重點。

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收稿日期：2006-09-18

作者簡介

倪文達，清華大學電子工程系在讀博士研究生，研究方向為下一代光網絡體系結構、ASON/GMPLS及光網絡資源優化、生存性等。

朱春雷，清華大學電子工程系在讀碩士研究生，研究方向為光網絡路由、交換，光突發交換，下一代光網絡體系結構。

鄭小平，清華大學電子工程系教授，博士。從事光纖傳輸與網絡的教學與科研工作。先后承擔或參與了4項國家“863”計劃項目、2項國家自然科學基金重大項目；申請國家發明專利8項，其中4項已獲授權；在國內外核心刊物上發表論文50余篇，其中SCI雜志17篇，EI雜志43篇。