軟件定義光網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)與資源分配

作者：張旭 2017-11-02 07:03:26

SDN和EONs的結(jié)合會是未來光控制平面的有力解決方案之一，本文將從軟件定義光網(wǎng)絡(luò)中的故障恢復(fù)和資源分配兩個方面做簡短的介紹。

前言

傳統(tǒng)IP分組交換網(wǎng)使用域內(nèi)路由協(xié)議(Interior Gateway Protocol，IGP)和域間路由協(xié)議(Border Gateway Protocol，BGP)實(shí)現(xiàn)了***的互聯(lián)，構(gòu)建了全球范圍內(nèi)的大規(guī)模Internet。但是，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，新業(yè)務(wù)層出不窮，業(yè)務(wù)需求也千變?nèi)f化，傳統(tǒng)分布式的網(wǎng)絡(luò)已不堪重負(fù)。同時，由于控制平面與數(shù)據(jù)平面集于一身的特征，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也面臨網(wǎng)絡(luò)擁塞、設(shè)備復(fù)雜、運(yùn)維困難、新業(yè)務(wù)部署慢等諸多問題。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking，SDN)打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的垂直集成，通過控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的方式實(shí)現(xiàn)了控制邏輯集中、開放網(wǎng)絡(luò)編程接口的特點(diǎn)，為網(wǎng)絡(luò)注入了新的活力，使得網(wǎng)管可以對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活地配置與重配置。

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SDN的可編程性和開放性也為光網(wǎng)絡(luò)的革新提供了新的機(jī)會。光網(wǎng)絡(luò)在經(jīng)歷了時分復(fù)用(Time Division Multiplexing，TDM)、波分復(fù)用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)之后也趨于走向未來的基于正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing ，OFDM)的靈活的彈性光網(wǎng)絡(luò)(Elastic Optical Networks，EONs)。然而，EONs繼續(xù)為網(wǎng)絡(luò)用戶提供大容量傳輸?shù)耐瑫r，也對光網(wǎng)絡(luò)的靈活管控提出了新的挑戰(zhàn)。因此，SDN和EONs的結(jié)合(SD-EONs，架構(gòu)如下圖所示)會是未來光控制平面的有力解決方案之一，本文將從軟件定義光網(wǎng)絡(luò)中的故障恢復(fù)和資源分配兩個方面做簡短的介紹。

圖(a)SD-EONs網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);(b)BV-WSS結(jié)構(gòu);(c)OF-AG結(jié)構(gòu);(d)ER結(jié)構(gòu);(e)光流表

一、故障恢復(fù)

任何網(wǎng)絡(luò)都應(yīng)該具有故障的容忍能力，當(dāng)然光網(wǎng)絡(luò)也不例外，恢復(fù)力也是光網(wǎng)絡(luò)中最渴望的屬性之一。在SD-EONs中，恢復(fù)力通?？梢苑譃楸Ｗo(hù)策略和恢復(fù)策略。保護(hù)是一種先驗(yàn)式的策略，而恢復(fù)是一種反應(yīng)式的策略。保護(hù)策略是預(yù)先規(guī)劃的，無論網(wǎng)絡(luò)故障是否發(fā)生，它們總是一直存在著。文獻(xiàn)1中提供了一種環(huán)網(wǎng)的保護(hù)策略，利用流表的優(yōu)先級來預(yù)先下發(fā)高優(yōu)先級的工作流表和低優(yōu)先級的保護(hù)流表。網(wǎng)絡(luò)正常工作時使用高優(yōu)先級的流表，一旦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障立即切換到低優(yōu)先級的流表來恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)的通信。保護(hù)策略的好處就是故障恢復(fù)的時間非常短，因?yàn)檎麄€過程不需要額外的信息交互。缺點(diǎn)就是保護(hù)路徑再次發(fā)生故障時無法恢復(fù)通信，此外對于大規(guī)模復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)完善的保護(hù)算法的難度也非常大。恢復(fù)策略需要設(shè)計(jì)感知故障的方法，同時也要設(shè)計(jì)用于故障恢復(fù)的算法。文獻(xiàn)2中利用探測包的方式動態(tài)地監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)，一旦節(jié)點(diǎn)或鏈路發(fā)生故障，光代理模塊會將故障信息反饋給控制器，控制器中的故障恢復(fù)應(yīng)用運(yùn)行動態(tài)的路由算法DAPSP(Dynamic All Pairs Shortest Paths)通過重路由的方式來恢復(fù)通信。當(dāng)然，在軟件定義的光網(wǎng)絡(luò)中，控制器的故障也不容忽視，因?yàn)橐坏┛刂破靼l(fā)生故障很可能會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。文獻(xiàn)3設(shè)計(jì)了一種主從控制器的方案來加強(qiáng)控制平面的魯棒性。主從控制器之間周期性的同步網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息。在正常工作狀態(tài)下，使用主控制器來管控網(wǎng)絡(luò)，一旦主控制器發(fā)生故障，從控制器立即接管網(wǎng)絡(luò)的控制與管理。

二、資源分配

EONs利用光正交頻分復(fù)用(Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OOFDM)技術(shù)可以根據(jù)不同帶寬的業(yè)務(wù)請求按需動態(tài)的分配頻譜資源，并將頻譜資源分成許多細(xì)粒度的頻隙，同時還可以根據(jù)請求的需要把頻隙進(jìn)行拆分與聚合，這樣就能夠節(jié)約頻譜資源，從而提高頻譜資源的利用率。EONs最明顯的特征就是彈性可變，多調(diào)制模式類型的轉(zhuǎn)發(fā)器能夠根據(jù)業(yè)務(wù)類型自主地選擇***的調(diào)制等級。在SD-EONs中設(shè)計(jì)路由與頻譜分配算法應(yīng)該注意頻譜連續(xù)性、頻譜一致性和頻譜沖突性三個約束。頻譜連續(xù)性：是指為每個業(yè)務(wù)分配的頻譜槽必須是連續(xù)的，中間沒有間隔;頻譜一致性：是指對于一個業(yè)務(wù)來說，在光路徑經(jīng)過的光鏈路上，應(yīng)采用相同序號的光譜資源;頻譜沖突性：是指不同業(yè)務(wù)之間需要一定的保護(hù)帶寬，用以保證每條業(yè)務(wù)連接請求所占用的頻譜間隙不重疊，確保信號在傳輸、處理過程中不會相互干擾。文獻(xiàn)4設(shè)計(jì)了一個基于頻譜效率與連通度(Spectral Efficiency and Connectivity，SEC)的路由調(diào)制等級和光譜分配(Routing, Modulation Level and Spectrum Allocation，RMLSA)的算法SEC-RMLSA來提升SD-EONs的業(yè)務(wù)承載能力。

光流表

在光設(shè)備中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)該按照光流表來進(jìn)行操作。一個簡單的光流表由輸入端口(In Port)、輸出端口(Out Port)、中心頻率(Central Frequency，CF)、頻譜槽寬度(Slot Width，SW)和調(diào)制格式(Modulation Format，MF)組成。在這里介紹一種基于Flow_Mod消息擴(kuò)展光流表的簡單方法。

小提示：

!：大端存儲;C：char，字符型;B：一個字節(jié)長度，無符號字符型;I：4個字節(jié)長度，int型;H：兩個字節(jié)長度;Q：八個字節(jié)長度;x：padding;3x：3個字節(jié)的padding;5s：5個字節(jié)的字符串。在光設(shè)備中，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)該按照光流表來進(jìn)行操作。一個簡單的光流表由輸入端口(In Port)、輸出端口(Out Port)、中心頻率(Central Frequency，CF)、頻譜槽寬度(Slot Width，SW)和調(diào)制格式(Modulation Format，MF)組成。在這里介紹一種基于Flow_Mod消息擴(kuò)展光流表的簡單方法。

步驟1

目錄：ryu/ryu/ofproto/ofproto_v1_3.py