解析光網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性與可擴(kuò)展性
光網(wǎng)絡(luò)作為信息社會(huì)主要通信網(wǎng)絡(luò)，其所承載的業(yè)務(wù)已經(jīng)由傳統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)擴(kuò)展到包括數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、移動(dòng)語(yǔ)音和電視廣播業(yè)務(wù)在內(nèi)的多個(gè)通信業(yè)務(wù)領(lǐng)域，成為所有通信系統(tǒng)所依賴的主干通信系統(tǒng)，在信息社會(huì)中扮演著基礎(chǔ)通信的核心角色。
光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展可以劃分為兩個(gè)階段。第一代光網(wǎng)絡(luò)以點(diǎn)到點(diǎn)傳輸技術(shù)的研究為主要內(nèi)容，圍繞通信網(wǎng)絡(luò)中線路傳輸能力的提高進(jìn)行研究，取得了大量的研究成果。其代表技術(shù)為波分復(fù)用(WDM)技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到單光纖25.6Tb/s的傳輸速率，基本解決了網(wǎng)絡(luò)單線路對(duì)于通信容量和可靠性的需求。然而，第一代光網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有解決光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的問(wèn)題，信息傳送仍然受到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)光電轉(zhuǎn)換和電處理能力的制約，光網(wǎng)絡(luò)的組織結(jié)構(gòu)停留在靜態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的階段。
第二代光網(wǎng)絡(luò)在第一代光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究光網(wǎng)絡(luò)的光組網(wǎng)、智能控制等問(wèn)題，其研究原動(dòng)力來(lái)自業(yè)務(wù)多樣性的發(fā)展和光交換技術(shù)的進(jìn)步。在第二代光網(wǎng)絡(luò)的研究中，網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性和可擴(kuò)展性一直是研究的重要內(nèi)容。為了適應(yīng)多種業(yè)務(wù)的突發(fā)性和靈活性，滿足多種類(lèi)型業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)需求，提供自動(dòng)的保護(hù)和恢復(fù)功能，光網(wǎng)絡(luò)需要?jiǎng)討B(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)配置和組織，高度靈活和智能地實(shí)現(xiàn)傳輸資源的配置，從而經(jīng)濟(jì)有效地完成多業(yè)務(wù)的傳輸。因此，在光網(wǎng)絡(luò)中引入動(dòng)態(tài)控制和智能控制就成為必然選擇。與此同時(shí)，光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在很大范圍內(nèi)取得成功應(yīng)用，光網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的復(fù)雜性大大增加，這使得光網(wǎng)絡(luò)控制管理算法、策略和信令的性能隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大可能出現(xiàn)惡化，光網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性越來(lái)越大地影響光網(wǎng)絡(luò)整體性能，因而成為研究人員關(guān)注的重要內(nèi)容。
光網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性
光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到第二代，由于承載業(yè)務(wù)的變化和光層交換技術(shù)的發(fā)展，逐步由靜態(tài)光網(wǎng)絡(luò)走向動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)之所以引入動(dòng)態(tài)機(jī)制，其重要目的是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能化，從而減少光網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的管理成本，提高網(wǎng)絡(luò)資源使用效率和網(wǎng)絡(luò)可靠性。這種動(dòng)態(tài)性集中體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)元件進(jìn)行初始化，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中針對(duì)業(yè)務(wù)模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)的資源分配和業(yè)務(wù)管理，在發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)進(jìn)行業(yè)務(wù)恢復(fù)工作3個(gè)主要方面。
在動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的研究中，自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)具有代表性。ASON的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)由國(guó)際電信聯(lián)盟制定了詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)體系。與此同時(shí)，由IETF提出了以廣義標(biāo)簽交換(GMPLS)為核心的系列標(biāo)準(zhǔn)草案系列，也為自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)規(guī)劃了切實(shí)可行的技術(shù)解決方案。在ASON中，在原有光網(wǎng)絡(luò)傳送平面和管理平面之外，引入智能化的控制平面，將網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制納入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，在控制平面實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的資源配置、智能化的業(yè)務(wù)請(qǐng)求處理等功能?？刂破矫娴囊刖哂兄匾囊饬x，標(biāo)志著光網(wǎng)絡(luò)由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)和智能的轉(zhuǎn)變。其中數(shù)據(jù)通信網(wǎng)(DCN)作為管理消息和信令消息的傳輸網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)過(guò)程中發(fā)揮了信令網(wǎng)絡(luò)的重要作用。
從網(wǎng)絡(luò)對(duì)IP業(yè)務(wù)的適應(yīng)和承載能力出發(fā)，研究人員又提出了一種兩層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)——IP-over-WDM體系結(jié)構(gòu)。IP-over-WDM體系結(jié)構(gòu)將原有的較為復(fù)雜的IP層到WDM層逐步映射的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為IP直接構(gòu)建在WDM光層之上的兩層結(jié)構(gòu)。ASON和IP-over-WDM并不是獨(dú)立的兩種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它們具有相似的控制平面和業(yè)務(wù)傳輸過(guò)程。后者在前者的基礎(chǔ)上提出了業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)分層的問(wèn)題，是面向IP業(yè)務(wù)的體系，可以認(rèn)為是ASON的一個(gè)改進(jìn)。這兩種體系的光網(wǎng)絡(luò)都具有動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的典型特征。
光網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)啟動(dòng)
第一代靜態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)過(guò)程需要進(jìn)行復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)配置，包括節(jié)點(diǎn)光電交換線路的連接方式、上下話路配置、光交叉互聯(lián)配置和路由表的初始設(shè)置等。在第二代光網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)、鏈路等網(wǎng)絡(luò)資源的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)路由表的自動(dòng)初始化。
自動(dòng)發(fā)現(xiàn)是光網(wǎng)絡(luò)通過(guò)信令協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的自動(dòng)識(shí)別。自動(dòng)發(fā)現(xiàn)包括網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)方面，后者在IP-over-WDM網(wǎng)絡(luò)體系中十分重要。因?yàn)闃I(yè)務(wù)的情況決定著光通道建立的情況以及虛拓?fù)涞臓顟B(tài)，這對(duì)IP業(yè)務(wù)的路由具有重要的意義。自動(dòng)發(fā)現(xiàn)不僅僅發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)時(shí)期，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或者鏈路資源的變化，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制仍然起著重要作用，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞陌l(fā)現(xiàn)和狀態(tài)的更新。
光網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)運(yùn)行
現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)基于有連接的電路交換，動(dòng)態(tài)建立和拆除業(yè)務(wù)通道的過(guò)程是動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)信令的核心內(nèi)容。關(guān)于業(yè)務(wù)建立和拆除過(guò)程，研究普遍關(guān)注業(yè)務(wù)建立和拆除的成功率或失敗率。在動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源已經(jīng)被大量占用情況下的網(wǎng)絡(luò)性能，一般以阻塞率來(lái)衡量。光網(wǎng)絡(luò)中的阻塞是指業(yè)務(wù)請(qǐng)求沒(méi)有得到正確的資源分配或路徑建立發(fā)生錯(cuò)誤，從而停止接納某一業(yè)務(wù)的過(guò)程，也就是建立路徑失敗的過(guò)程。
另一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)特性是信令過(guò)程消耗時(shí)間。在網(wǎng)絡(luò)中，呼叫和建立的時(shí)間是不傳送數(shù)據(jù)的，因此希望該時(shí)間越短越好，從而能夠適應(yīng)快速變化的業(yè)務(wù)需求。建路或拆路的信令過(guò)程所經(jīng)歷的時(shí)間是度量網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性的重要指標(biāo)。針對(duì)自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)，ITU-T專(zhuān)門(mén)制定了相應(yīng)的信令協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
光網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)恢復(fù)
光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)恢復(fù)涉及網(wǎng)絡(luò)生存性設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)的生存性定義為在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)業(yè)務(wù)失效后仍然能夠持續(xù)提供業(yè)務(wù)供給的能力。在光網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)完整的生存性體系應(yīng)該包括4個(gè)部分:故障的發(fā)現(xiàn)、定位、聲明和解除。故障發(fā)現(xiàn)是動(dòng)態(tài)生存性機(jī)制的第一步。光網(wǎng)絡(luò)以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)機(jī)制實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)現(xiàn)、定位和報(bào)告功能。自動(dòng)發(fā)現(xiàn)模塊檢測(cè)到故障發(fā)生后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行路由域內(nèi)的通報(bào)，從而為全網(wǎng)發(fā)送故障位置以及其他基本狀態(tài)。在動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)故障導(dǎo)致的業(yè)務(wù)失效進(jìn)行動(dòng)態(tài)的快速恢復(fù)是網(wǎng)絡(luò)生存性的主要體現(xiàn)。其解除故障的方法主要包括保護(hù)策略下的快速倒換和恢復(fù)策略下的重新路徑選擇。對(duì)于保護(hù)策略而言，動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)只需要在故障檢測(cè)后倒換相應(yīng)的光開(kāi)關(guān)。而對(duì)于恢復(fù)策略，網(wǎng)絡(luò)必須對(duì)故障檢測(cè)后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行重新評(píng)估，得到由于故障更新過(guò)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，在此基礎(chǔ)上重新路由，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的通道恢復(fù)或鏈路恢復(fù)。 #p#
動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性
隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大和動(dòng)態(tài)要求的進(jìn)一步提高，光網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性越來(lái)越受到研究人員的重視?？赏卣剐钥梢远x為網(wǎng)絡(luò)某一性能隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大而惡化的情況。在動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議的收斂性能、信令網(wǎng)的流量、對(duì)故障的響應(yīng)等性能都可能隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大而快速惡化。對(duì)于一般網(wǎng)絡(luò)，為了解決其可擴(kuò)展性惡化的問(wèn)題，主要可以從兩個(gè)可能的方向改善：一是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的簡(jiǎn)單化，二是采用合理的分層分域結(jié)構(gòu)。
光網(wǎng)絡(luò)核心路由器狀態(tài)的簡(jiǎn)化
光網(wǎng)絡(luò)核心路由器狀態(tài)的簡(jiǎn)化，意味著網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)交互信息的減少和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)廣播內(nèi)容的大量精簡(jiǎn)，因此可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。從這個(gè)角度出發(fā)，無(wú)連接的光分組交換(OPS)和光突發(fā)交換(OBS)具有較好的可擴(kuò)展性。
光分組交換
分組交換光網(wǎng)絡(luò)大大減少了實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)所需要的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)復(fù)用的光分組交換網(wǎng)絡(luò)，能實(shí)現(xiàn)光層上精細(xì)粒度的分組交換，提高了資源利用率，適合傳輸IP突發(fā)數(shù)據(jù)。其路由器過(guò)程包括對(duì)分組包分析、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。路由器只需要通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)消息構(gòu)建的路由表就可以實(shí)現(xiàn)分組的交換結(jié)構(gòu)。然而，光存儲(chǔ)技術(shù)目前還沒(méi)有成熟，光分組交換在一段時(shí)間內(nèi)還不可能進(jìn)入工程應(yīng)用。
光突發(fā)交換
光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了光電路交換和光分組交換各自的優(yōu)勢(shì)。在光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中，控制信道和數(shù)據(jù)信道是分離的。網(wǎng)絡(luò)首先在邊緣節(jié)點(diǎn)將比較小的IP分組組裝成一個(gè)大的突發(fā)分組，在發(fā)送突發(fā)分組前，通過(guò)控制信道預(yù)先發(fā)送一個(gè)控制分組在途經(jīng)的每個(gè)核心節(jié)點(diǎn)預(yù)約資源，一定的偏置時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)再發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)分組。這種機(jī)制避免了光電路交換路由器狀態(tài)的長(zhǎng)期維護(hù)，適應(yīng)IP業(yè)務(wù)突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，是在OPS技術(shù)成熟前一種可行的增強(qiáng)光網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性的交換結(jié)構(gòu)。
光網(wǎng)絡(luò)分層分域
在現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)電路交換為主要交換結(jié)構(gòu)的模式下，為了提高網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性，將現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)分層和分域，構(gòu)建較小的路由域，可以有效地減少由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大帶來(lái)的動(dòng)態(tài)性能的惡化。該技術(shù)中最重要的機(jī)制包括網(wǎng)絡(luò)路由域的劃分、分層結(jié)構(gòu)的劃分與動(dòng)態(tài)管理、業(yè)務(wù)請(qǐng)求的分層多域路由以及網(wǎng)絡(luò)信令過(guò)程。以自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)為例，采用分層分域結(jié)構(gòu)的光網(wǎng)絡(luò)可以有效地降低信令開(kāi)銷(xiāo)，提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性。清華大學(xué)ASON試驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了分層分域路由和信令系統(tǒng)，通過(guò)在平臺(tái)上的測(cè)試，采用分層分域可以有效地減少信令信息的流量，間接證實(shí)了分層分域可以提高網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。
光網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性與可擴(kuò)展性的內(nèi)在聯(lián)系
光網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性是光網(wǎng)絡(luò)智能化的體現(xiàn)，光網(wǎng)絡(luò)智能來(lái)自于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有足夠的網(wǎng)絡(luò)信息而成為智能光節(jié)點(diǎn)。從網(wǎng)絡(luò)智能的角度看，這種網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息越充分，通過(guò)各種算法達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)情況的可能性越大，光網(wǎng)絡(luò)所體現(xiàn)出來(lái)的智能性就越強(qiáng)。因此，靈活而智能的光網(wǎng)絡(luò)傾向于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的多樣化和復(fù)雜化，傾向于充分的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的交互。
網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性是網(wǎng)絡(luò)本身基本特性之一。在網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)越多，在節(jié)點(diǎn)間交互的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程越復(fù)雜，可擴(kuò)展性也越差。也就是說(shuō)，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，由于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)過(guò)多，節(jié)點(diǎn)交互參數(shù)過(guò)多，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)操作產(chǎn)生計(jì)算復(fù)雜性太高或操作收斂時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，也因此導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的急劇惡化。
綜合上面的分析，網(wǎng)絡(luò)的智能化、動(dòng)態(tài)特性的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性在很多場(chǎng)合下是相互制約的?？尚械木徍瓦@種制約關(guān)系方法是建立分層和分域的機(jī)制，使得在域內(nèi)以動(dòng)態(tài)特性即網(wǎng)絡(luò)智能化為主要設(shè)計(jì)導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性能的提高;同時(shí)，在域間以可擴(kuò)展性為主要目標(biāo)，簡(jiǎn)化域間狀態(tài)的傳遞和信令過(guò)程，從而提高網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。
在向智能光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的過(guò)程中，動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越大地處于舉足輕重的地位。光網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)啟動(dòng)、動(dòng)態(tài)路由和動(dòng)態(tài)資源優(yōu)化、動(dòng)態(tài)運(yùn)行中的信令傳輸、自動(dòng)恢復(fù)等動(dòng)態(tài)過(guò)程是智能光網(wǎng)絡(luò)智能控制和智能管理的集中體現(xiàn)。與此同時(shí)，動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中部分方法隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大迅速失去了其動(dòng)態(tài)智能的優(yōu)勢(shì)，性能發(fā)生惡化，暴露出光網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性這個(gè)嚴(yán)肅命題。網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性與可擴(kuò)展性存在一定制約關(guān)系，分層分域可以有效地緩和這種相互制約，是未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向。
【編輯推薦】
