ＩＰ／ＭＰＬＳ ｏｖｅｒ ＷＤＭ網絡生存性的研究

摘要：該文首先分析了IP/MPLS over WDM網絡單層生存性和多層聯合生存性，并就生存性策略的性能進行對比，然后對多層空閑資源分配進行了研究。

關鍵詞：聯合生存性；空閑容量分配；鏈路保護；通道保護

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)29-0291-02

Research on Survivability of IP/MPLS over WDM Network

SU Yan-hong

(Circuit and System Specialty，NJUPT，Nanjing 210003，China)

Abstract: This paper analyses the survivability of single layer and multilayer of the IP/MPLS over WDM Network， and the comparative analysis shows the distinguish of the survivable strategy， then has a research on spare capacity allocation of multilayer.

Key words: integrated survivability; spare capacity allocation; link protection; ligthpath protection

1 引言

網絡的生存性指網絡經受各種故障后仍能維持可接受的業務質量的能力，屬于網絡完整性的一部分。由于網絡生存性在網絡設計和運營中具有舉足輕重的作用，所以網絡生存性一直是業界研究的熱點。

隨著光網絡標準的建立以及互聯網IP化的趨勢，光傳送網的基礎結構也由IP over SDH向IP/MPLS直接 over WDM的方向發展。IP/MPLS over WDM的網絡架構（網絡體系結構見圖1）有利于充分利用光纖帶寬、減少時延和節約網絡建設成本，但是隨著WDM技術的發展，每根光纖傳輸速率越來越高，如果一根光纖斷裂會使它的所有光路同時失效，丟失數以萬計的IP數據包。這樣，網絡在網絡部件失效時可能將遭受比傳統網絡更大的損失，因此對IP/MPLS over WDM生存性的研究就顯得尤為重要。 下面就IP/MPLS over WDM網絡的各層生存性以及與生存性有關的空閑容量分配方法進行研究。

2 各層生存性分析

2.1 IP/MPLS層的生存性

在IP層的生存性方案中，IP/MPLS能恢復多種故障業務，而且其業務的粒度比較小，能進行差分服務，但是由于IP層網絡發生故障時利用OSPF（開放最短路徑優先）協議和BGP（邊界網關協議）把鏈路狀態和路由信息通知全網進行路由表更新的，這樣無法使故障快速恢復，限制了實時業務發展。目前，網絡層IP/MPLS完成的生存性有兩種方案：動態路由方案和MPLS保護倒換方案。動態路由方案是在故障出現時，動態計算尋找可到達宿節點的有效備用路由，以此來替代故障路由，恢復故障業務。但是其缺點是恢復速度慢，恢復速度大約十幾秒到幾分鐘。MPLS保護倒換方案通過預先設置一系列不同等級的通路——LSP（標記交換路徑）來完成保護倒換。這些LSP在分配工作業務時已經計算完成，預先放置在分組包頭的標簽堆棧中作為備用通路，當故障發生時，可以從標簽堆棧中獲得。保護的實體可采用動態或預先決定的方式建立。

動態路由方案和多協議標記交換保護倒換方案可以基于鏈路保護或通道保護。通常動態路由方案的恢復時間長，但網絡資源利用率高，而后者的保護時間短。

2.2 WDM層的生存性

在光網絡中，光層的保護和恢復發生在WDM層，具有高速響應以及快速實現保護和恢復的特點。WDM的生存性技術可以分為基于路徑和基于鏈路的保護/恢復。基于路徑的保護/恢復采用端到端的重選路由方案，就是在與工作路徑相同的源和宿節點之間重選一條保護路由，它與工作路徑不在相同的危險組。基于鏈路的保護/恢復是在光纖鏈路的兩側相鄰的兩個節點為工作光通道經過這段光纖鏈路的部分建立一段對應的保護光通道，工作通道和保護通道可以共享其它的部分。

保護機制分為專用和共享兩種，專用保護有1+1和1：1兩種保護方式。

1+1保護要求源端始終處于接收狀態，宿端擇優接收。1+1保護是單端倒換的保護方式，因此不需要信令的支持，只要宿端檢測到信號質量劣化可以立即完成保護倒換。

1：1保護需要在業務的源宿節點之間建立工作通路和保護通路，但信號只通過工作通路傳送，當接收端檢測到質量劣化時，再將信號倒換到保護通路中進行傳送。其需要信令過程實現業務信號的切換。當然，在網絡正常運行時，保護的通路可以承載額外的業務，一旦發生故障，保護通路立即中斷額外業務的傳送對故障通路進行保護。

共享保護有M：N，即使用M條保護通路對N條工作通路進行保護，和1:1保護相似，網絡正常運行時，保護通路可以用于承載額外業務。不過M：N共享保護而言，M條保護通路和N條工作通路必須是同宿同源的。

2.3IP/MPLS over WDM多層網絡的聯合生存性

IP通過動態重選路由方式加上TCP的可靠傳輸機制實現保護恢復，使得網絡具有很好的健壯性，即生存性是IP所固有的，IP/MPLS層保護處理路由器和IP/optical接口故障。但是由于上面講的一些原因IP需要的恢復時間太長，無法滿足實時業務的需求。而光層保護處理物理鏈路和OXC失效，例如光層可以有效恢復光纖斷裂情況，但是卻不能應付應付節點故障，而且光層無法檢測到IP/optical接口故障。所以在IP/MPLS over WDM網絡中，任何單層的生存性都不能很好的解決所有網絡中出現的故障，因此非常有必要研究多層網絡的聯合生存性。各層恢復方案之間如何互連是我們研究的一個問題。目前有三種方案：

1) 無協調的方法（并行方法）

這種方法層與層之間相互缺少協調，操作比較簡單，但可能會導致層間故障恢復的競爭，資源利用率低。

2) 按序的方法

這種方法如果當前的層不能很明確完成恢復工作，則會將恢復責任傳給下一層。主要有兩種方法：一種是從下到上的方法，這種方法首先啟動最低層恢復，例如對于光纖斷裂故障在光層進行恢復。如果這一層不能恢復所有的業務量，將啟動高層恢復。而且由于低層恢復交換的粒度比較粗，需要重新選路的通道數目比較少，恢復速度快。另一種方法是從上到下的方法，這種方法是盡可能由高層發起恢復，只有高層不能恢復所有被影響業務時才啟動低層恢復。優點是很容易根據流量的服務區分對待，使高優先級業務先恢復，缺點是低層自身不容易檢測高層是否能恢復業務。而把恢復責任從一層傳到另一層的方法也有兩種：一種基于持續定時器，另一種是利用恢復令牌信號。

3) 綜合方法

該方法是基于單個綜合的多層恢復機制，要想使用這種方法，必須對全網的拓撲結構等有一定的了解。這種方法比較靈活，它能決定在什么時候，在那一層采取合適的恢復行為。由于IP/MPLS和WDM層關系向對等模型發展（在此模型中，兩層控制平面坍塌為一層，路由器和OXC集成在一起），因此綜合方法將是未來可行的方法。

3 空閑容量分配

和生存性設計有關的其中一個方面就是如何分配網絡的空閑容量，以至于用最少的空閑容量來滿足網絡對故障恢復的要求。這里主要研究多層生存性的空閑容量分配方法。多層生存性的空閑容量分配的設計過程是以網絡設計的兩種方法為基礎的：一種是連續設計方法，IP/MPLS層和光層分別設計，由于這種方式只考慮了層內的共享，處理簡單，但不能進行層間的共享，所以資源利用率不高；一種是聯合設計方法，它利用層間的映射關系，允許空閑容量在同一層間的保護路由和不同層間的保護路由都能共享，而且其優化處理不是在各層獨立進行，而是多層聯合優化的，使空閑資源能在整個網絡達到最大共享。對已知空閑容量分配方法的情況下，網絡資源利用的總數量取決于網絡發生的故障以及對故障所采取的恢復機制。雖然IP/MPLS over WDM模型中，各個層采用多種恢復機制，這里我只考慮多層網絡的聯合生存性問題，不考慮單層的生存性，可以假設每層只有一種恢復機制，那就是專用和共享空閑容量都采用端到端的路徑保護。

多層生存性實施需要考慮的另一點是光層如何支持被用來保護工作LSPs的IP/MPLS空閑容量。文獻文獻[2]、[3]和[4]論述了三種空閑資源設計方法：

1)沒有采取任何預防措施的簡單資源設計，叫做冗余保護，在IP/MPLS層被保護的空閑資源在光層又被保護。工作的LSPs這樣被保護了兩次：一次在IP/MPLS層，另一次是在光層。這要造成了網絡資源利用率不高而且可靠性也沒有得到較大的提高。

2) 使工作LSPs和保護LSPs位于不同的光通道層，并在光層對它們進行區分對待可以使光層的空閑資源利用率得到提高：承載工作LSPs的光通路被保護而保護LSPs的光通路不被保護，這種保護叫做選擇性保護，比冗余保護資源利用率提高。盡管如此，光層仍需要提供一定的資源承載IP/MPLS層的空閑資源。

3) IP/MPLS層和光層之間資源共享可以使資源利用率提高，這種方法叫做公共池和，IP/MPLS層的空閑資源作為光層的額外業務。因而僅存在一個公共池(在光層，進行光通路保護)當需要的時候被IP/MPLS恢復機制再利用。幾乎沒有或者根本沒有額外的光層資源被用來支持IP/MPLS的空閑資源。

參考文獻[3]研究的多層生存性的各種空閑資源分配方法表明：相比冗余保護方法，選擇保護方法和公共池方法資源利用率分別提高了15%和20%。但當采用公共池方法時，文獻[3]的方法并不能保證OXC故障能夠恢復。

4 結束語

RACE項目研究成果報告提出“網絡良好的生存性關乎兩個重要的方面:生存性策略的實施和空閑容量的配置”。而IP/MPLS over WDM網絡結構是未來的發展方向，因此對多層網絡生存性的研究具有很大的意義，本文分析了IP/MPLS over WDM網絡單層

和多層生存性以及空閑容量分配問題，但對多層空閑容量分配的研究還僅僅停留在基本的概念和框架上，很少有有效的算法提出進行定量的分析，這點仍是以后研究的重點。

參考文獻：

[1] Bigos W，Cousin B，Gosselin S，et al.Survivable MPLS Over Optical Transport Networks: Cost and Resource Usage Analysis”[J].IEEE Commun Mag，2007，25:949-962.

[2] Demeester P.Resilience in multilayer networks[J].IEEE Commun Mag，1999，8:70-75.

[3] De Maesschalck S.Intelligent optical networking for multilayer survivability[J].IEEE Commun Mag，2002，1:42-49.

[4] Lei L，Liu A，Ji Y.A joint resilience scheme with interlayer backup resource sharing in IP over WDM networks[J].IEEE CommunMag，2004，1:78-84.

[5] 李景聰，吳德明，徐安士.IP over WDM光網絡及其生存性問題討論[J].光電子:激光，2002，13(2):150-154.

[6] 祝國龍，曾慶濟，葉通，等.IP over WDM光網絡聯合保護策略[J].光網絡技術，2003(1):13-16.

[7] 王燁，李樂民，王晟.IP over WDM網絡結構和生存性研究[J].電信科學，2000(11):25-30.

[8] 張杰，黃善國.光網絡新業務與支撐技術[M].北京:北京郵電大學出版社，2005.