基于業務的智能光網絡生存性研究

Survivability in Service-based Intelligent Optical Networks

摘要：目前對于智能光網絡(ION)生存性方面的研究主要是針對光網絡本身，基于靜態的資源配置和管理機制對于快速變化的業務需求而言缺乏靈活性，難以滿足未來智能光網絡中復雜業務的需求。基于業務的智能光網絡生存性策略，可以解決現有網絡生存性策略與業務側的生存性需求之間的差異。通過將對生存性需求的描述和定義從網絡側轉移到業務側，以業務對生存性的需求為核心，能很好地實現智能光網絡中對生存性策略的控制和實現。

關鍵詞：智能光網絡；生存性；業務

Abstract:Nowadays， the survivability research of Intelligent Optical Network (ION) is mainly about optical network itself. Source allocation and management mechanism based on static features lacks flexibility for fast changing services requirements， and is difficult to satisfy the complex services in the future ION. The survivability strategy of service-based ION can solve the problem of differences between the existing network survivability strategy and the survivability requirements on the service side. By describing and defining the survivability requirements on the service side in stead of the network side， and aiming at service survivability， the survivability strategy of ION can be well controlled and implemented.

Key words: intelligent optical network; survivability; service

基金項目：國家自然科學基金(60472105)；南京郵電大學基金(200539、200658)

智能光網絡(ION)的引入是對傳統的光傳送網技術的重大改善，以自動交換光網絡(ASON)為代表的智能光網絡技術不僅可以實現業務連接的動態建立和拆除，還可以實現許多新功能。生存性的提高和改善是智能光網絡最主要的技術特點之一，借助于分布式控制平面的引入，智能光網絡可以在包括網狀網的復雜拓撲結構中實現完善的生存性，同時又具備較高的資源利用率。

目前對于ION生存性方面的研究主要是針對光網絡本身，包括傳送平面和控制平面的生存性策略及具體實現的保護和恢復機制等^[1]，這些研究大多數都是基于靜態的資源配置和管理機制，對于智能光網絡中快速變化的業務需求而言缺乏靈活性，同時這種基于網絡視角的生存性策略與業務的生存性需求間存在著差異性和模糊性，難以滿足未來智能光網絡中復雜業務的需求。因此，本文提出一種基于業務的智能光網絡生存性策略，即以業務對生存性的需求為核心，發起智能光網絡中對應生存性策略的控制和實現。

1 智能光網絡生存性策略

網絡的生存性定義為在網絡中出現業務失效后仍然能夠持續提供業務供給的能力^[2]。一個完整的生存性策略包括以下幾個部分：故障的發現、定位、聲明和解除。故障發現是指當網絡中出現業務失效后，利用某種機制及時迅速地檢出故障的能力；故障定位是指采取某種策略或機制迅速準確地定位、隔離失效節點、鏈路的能力；聲明是指采用某種機制(例如特定的廣播信息)將失效信息分發至網絡上其他節點的機制；解除是指采取保護或恢復策略對失效節點、鏈路進行倒換或迂回的過程。不難看出，在生存性策略中處于核心位置的是解除失效部分，這也是目前網絡生存性研究的重點。

1.1 基本的生存性機制

基本的生存性實現機制包括保護機制和恢復機制兩類。

保護機制的基本思想是預先規劃一部分冗余資源作為備用系統，當傳輸線路或者節點出現故障時，將受故障影響的主用系統迅速倒換到備用系統上。保護機制的最大優點是可以實現業務的快速切換，對客戶信號質量影響較小甚至可以忽略。保護機制的主要缺點是要預留相當數量的備用系統(最大可達100%)，因此網絡資源的利用率較低。恢復機制是利用路由算法等機制實現端到端的整條或部分路由的重新建立，以繞過故障節點或路由。恢復機制的最大優點是無需事先對每一條工作路由都規劃冗余備份，效率較高。恢復機制的缺點是恢復時間較長，尤其是當網絡規模較大，路由之間節點數量較多時，路由算法的收斂速度難以保證實時業務的要求。

保護和恢復機制都可以進一步地分為基于鏈路和基于通道兩類。基于鏈路是指當網絡中出現故障后，僅僅對故障所涉及的部分鏈路進行恢復；而通道恢復則是從源節點到終端節點的端到端恢復。

針對備用資源的配置情況，保護機制還可以分為專用保護和共享保護兩類。專用保護方式的保護切換時間非常快，因此對于一些實時性要求很高的業務較為合適，但缺點是資源利用率低；而共享保護則是若干個工作信道由一個備用信道進行保護，相對而言其網絡資源的利用率較高。圖1所示為生存性策略分類示意圖。

1.2 現有智能光網絡生存性策略的主要缺點

1.2.1 靜態的業務恢復機制

目前主要的網絡生存性策略基于靜態的業務需求，即通過預測或測量獲得網絡的業務分布情況，包括節點對之間的業務需求等信息，據此設計和考慮生存性策略并對備用資源進行計算和配置。

靜態的業務恢復機制難以應對業務實時變化的需求，因此，針對不同業務的差異化的生存性策略，已經提出了不同的保護和恢復方案，包括區分保護(DoP)和差異化的生存性(DoR)等方案^[3]，這些策略的共同之處都是根據預先確定的生存性要求的等級，將業務分成若干級別，分別采用不同的保護或恢復策略。而業務等級的劃分對于一個給定的網絡而言是預先確定的，因此只能適應業務流量和流向相對比較固定的網絡環境，難以適應未來智能光網絡的靈活應用需求。

不難看出，無論是保護還是恢復，主要的一個特點都是針對預先確定的網絡資源需求或占用情況確定生存性方案，而這種思想對于實時性的業務需求和失效是難以應對的。隨著新業務類型和數量的快速增長，對于網絡中流量的確定和估計會越來越困難，因此靜態的生存性策略需要完善和擴展，才能夠適應業務的快速變化。

1.2.2 網絡視角的生存性策略

由于受到網絡拓撲結構、節點連接度和資源利用率等的限制，生存性策略中需要對于不同的業務實現差異化的生存性解決方案。現有智能光網絡的傳送平面基本采用的都是密集波分復用(DWDM)技術，在光層中實現端到端的業務承載主要依靠波長通道。而在現有的物理層技術中，不僅業務顆粒度較粗，而且各個波長通道的物理特性具有高度的一致性，因此難以實現完全意義的業務分級，差異化的細顆粒度生存性方案也難以實現。

文獻^[3]中總結的包括恢復質量(QoR)、保護質量(QoP)、業務可靠性(RoS)和恢復等級(RC)等方法的共同思想，都是在不同的保護恢復等級上對網絡生存性策略進行的擴充和完善。但需要指出的是，這些機制的共同特點是對網絡生存性方案的分類和分級都是基于網絡視角，即由網絡運營者視角或網絡側視角獲得對業務生存性需求的理解，據此選擇對應的生存性機制并進行等級劃分，這種劃分方法盡管適應了現有光網絡向智能光網絡過渡和演進的一般策略，但是網絡側對業務的描述和分級難以和實際的業務側生存性的需求完全對應。考慮到業務的多樣性和復雜性，如果網絡側僅僅從業務的物理特性(如帶寬、信噪比和誤碼率等)角度進行分級，難以完全和準確地對業務的生存性需求進行描述，也即難以在業務生存性需求和網絡視角的生存性策略之間建立起一個一一對應的映射關系，圖2所示為網絡視角生存性策略和業務側生存性需求之間的模糊關系示意。

1.2.3 單域生存性策略

根據ASON的定義，一個ASON環境由多個單域組成，域間通過外部網絡間接口(E-NNI)互通，這里的單域即相當于一個自治系統(AS)，每個AS維持自己域內的網絡資源視圖，包括網絡拓撲結構、資源的使用情況以及業務負荷等。采用域間接口和協議實現的端到端資源配置方法的主要目的，是實現多域環境下業務的配置和實現，但這種單域環境下定義的生存性策略存在許多缺點，一個直接后果就是在實現端到端業務的生存性策略時存在很大的難度。例如，對于圖3中給出的例子，A、B兩個終端網絡間建立一個典型的交換連接，其向控制平面發起的連接請求中不僅包括了連接有關的信令信息，同時也包含了對于生存性等方面的服務質量信息。該連接請求需要經由域1、域2和域3共3個域實現；由于每個域對應的控制平面只掌握本域內的路由和資源使用等信息，因此端到端的連接配置需要由域間路由協議或協商機制等加以實現。這種方案實現的僅僅是連接有關的信息交互，對于每個域內采取的生存性策略以及域間如何協商實現業務對應的端到端生存性策略缺乏協調和溝通機制。盡管可以通過域間的某種協調機制，包括由管理平面參與域間資源的配置以及生存性有關信息的交互，但是仍然難以滿足動態負荷下的業務的生存性需求。

2 基于業務的智能光網絡生存性機制

2.1 定義

基于業務的智能光網絡的生存性可以定義為：由業務及其包含的生存性需求發起，并由網絡中對應的資源實現的生存性策略。這種方案與傳統的網絡生存性策略最大的區別體現在于將網絡的生存性的需求和理解轉移到以業務為核心，即以業務視角定義和描述網絡生存性需求并加以實現。

考慮到智能光網絡的實現是一個漸進的演變過程，現階段仍以重疊模型為主，通過在原有的光網絡中增加控制平面功能，由控制平面實現業務的建立和拆除等功能。隨著光網絡承載業務種類和數量的快速增加，對等模型架構的智能光網絡是必然的發展趨勢。在一個完全的分布式的、基于對等模型架構的智能光網絡中，可以針對單個業務的生存性需求對網絡資源進行配置，從而實現完全意義的基于業務的生存性策略。需要指出的是，即使在這樣一個分布式的環境中，依然會存在著不同的域，這里的域可以是物理資源的管理域，也可能是邏輯資源的尋址域等，因此仍然會存在業務側生存性需求和網絡側生存性實現機制的協商問題。

2.2 基于業務的生存性實現機制

2.2.1 協調機制

協調機制的核心思想是在業務的生存性需求和網絡的生存性策略之間建立一個協商和調整的機制，換言之是將業務側對于生存性的需求映射到網絡中某個事先建立或動態計算出的生存性策略功能集。

詳細和準確地定義業務側的生存性需求描述需要考慮到發起業務的終端對于生存性的主觀評價，文獻^[4]指出大多數用戶對于網絡(應用)的主觀評價主要集中在速度和某個特定的期望等方面。這里的速度包括業務的建立、拆除和恢復速度，而期望值則是對于特定業務的服務等級或維持時間等，最常見的即為平均故障間隔時間(MTBF)和平均故障修復時間(MTTR)。與之對應的是網絡側生存性策略需要提供的主要包括與延遲有關、與丟包有關和與可靠性有關等參數，例如保護切換所需時間、不同的丟包率等。因此需要在業務側和網絡側之間建立起一個協調機制，將業務側的生存性要求映射到網絡側具體的生存性策略中，圖4所示為一個協商機制的例子。

協商機制需要從用戶側對生存性需求的一般性描述中抽象出其中與生存性基本參數有關的內容，并傳遞給網絡中提供生存性機制的相關功能集或控制平面。由于業務存在著較大的差異性，因此不同的業務對于生存性的需求，包括同一類型業務在不同時間的生存性需求之間都可能存在一定的差異，因此這種協調機制應是一個動態更新的過程。此過程可以在每一次業務的連接請求發起時，根據業務的生存性需求進行更新，也可以由網絡中分布式的控制平面進行定期的更新。

2.2.2 自主機制

自主恢復機制是光網絡自組織特性的重要組成部分。自組織特性最早可以追溯到人們對生物界的某些個體、種群特性的觀察，如遷徙的鳥類和回游的魚群等。這些生物群體中并沒有明確的集中管理機制(管理者)，單個個體僅僅維持著與相鄰的鄰居之間的關系，而整個系統可以呈現高度的一致性(協同性)。近年來，人們逐漸將自組織特性及其應用拓展到包括Internet在內的各種通信網絡中^[5-6]。

對于智能光網絡應用的多運營商、多廠家、多種技術體制以及業務流量和流向高度不確定性的環境，每一個符合ION要求的AS只維護自己視圖內的網絡資源，對于每個端到端的業務而言需要一致的業務傳送能力和生存性保障機制。這也意味著可以通過一種分布式的機制，使得不同域內的網絡資源之間能夠靈活地協商以為用戶的請求提供資源的供給能力，在網絡中出現業務失效時也能自主地實現恢復并實現較高的網絡資源利用效率。完全自主的基于業務的生存性研究尚處于的初期階段，文獻^[4]中提出的群體智慧(Swarm Intelligence)機制可以在一個分布式的環境中，借助于數量極多的個體及其攜帶的包含生存性需求的信息素，不僅可以靈活地實現業務失效的快速恢復，而且可以更好地適應業務側生存性的需要，將生存性策略由現階段的后攝方法改進為先攝方法。

3 結束語

智能光網絡的引入不僅可以提供靈活的光網絡資源配置和供給能力，而且可以提供更為高效的網絡生存性策略，以應對業務需求快速變化的網絡環境。傳統的保護和恢復機制存在著諸多缺點，本文提出了一種基于業務的生存性策略，將對生存性需求的描述和定義從網絡側轉移到業務側視角，從而建立起以業務為核心的網絡生存性策略。本文還進一步分析了基于業務的智能光網絡生存性策略的定義和需求，并分兩個階段介紹了基于業務的生存性策略的實現機制。

4 參考文獻

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收稿日期：2006-09-08

作者簡介

沈建華，南京郵電大學通信與信息工程學院講師，博士研究生。目前主要研究方向為智能光網絡、超高速率光纖通信系統和寬帶IP接入網絡等。

糜正琨，南京郵電大學通信與信息工程學院教授，博士生導師，ITU-T中國專家組成員。曾主持完成多項國家級和部省級重點科研項目，出版專著7本，發表學術和技術論文逾40篇。目前主要研究方向為寬帶IP通信網理論和技術、IP網絡QoS技術和移動代理技術。