解析光網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性與可擴展性
光網(wǎng)絡(luò)作為信息社會主要通信網(wǎng)絡(luò)，其所承載的業(yè)務(wù)已經(jīng)由傳統(tǒng)語音業(yè)務(wù)擴展到包括數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、移動語音和電視廣播業(yè)務(wù)在內(nèi)的多個通信業(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)展可以劃分為兩個階段。第一代光網(wǎng)絡(luò)以點到點傳輸技術(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)單線路對于通信容量和可靠性的需求。然而，第一代光網(wǎng)絡(luò)并沒有解決光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的問題，信息傳送仍然受到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點光電轉(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，重點研究光網(wǎng)絡(luò)的光組網(wǎng)、智能控制等問題，其研究原動力來自業(yè)務(wù)多樣性的發(fā)展和光交換技術(shù)的進步。在第二代光網(wǎng)絡(luò)的研究中，網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性和可擴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，滿足多種類型業(yè)務(wù)的動態(tài)需求，提供自動的保護和恢復(fù)功能，光網(wǎng)絡(luò)需要動態(tài)地改變網(wǎng)絡(luò)配置和組織，高度靈活和智能地實現(xiàn)傳輸資源的配置，從而經(jīng)濟有效地完成多業(yè)務(wù)的傳輸。因此，在光網(wǎng)絡(luò)中引入動態(tài)控制和智能控制就成為必然選擇。與此同時，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)模的擴大可能出現(xiàn)惡化，光網(wǎng)絡(luò)可擴展性越來越大地影響光網(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)走向動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)之所以引入動態(tài)機制，其重要目的是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能化，從而減少光網(wǎng)絡(luò)運營過程中的管理成本，提高網(wǎng)絡(luò)資源使用效率和網(wǎng)絡(luò)可靠性。這種動態(tài)性集中體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)啟動過程中自動對網(wǎng)絡(luò)元件進行初始化，在網(wǎng)絡(luò)運營過程中針對業(yè)務(wù)模式進行動態(tài)的資源分配和業(yè)務(wù)管理，在發(fā)生故障時自動進行業(yè)務(wù)恢復(fù)工作3個主要方面。
在動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的研究中，自動交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)具有代表性。ASON的體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)由國際電信聯(lián)盟制定了詳細的標(biāo)準(zhǔn)體系。與此同時，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，也為自動交換光網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)規(guī)劃了切實可行的技術(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)自動控制納入網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，在控制平面實現(xiàn)了動態(tài)的資源配置、智能化的業(yè)務(wù)請求處理等功能。控制平面的引入具有重要的意義，標(biāo)志著光網(wǎng)絡(luò)由靜態(tài)向動態(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)動態(tài)過程中發(fā)揮了信令網(wǎng)絡(luò)的重要作用。
從網(wǎng)絡(luò)對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)分層的問題，是面向IP業(yè)務(wù)的體系，可以認為是ASON的一個改進。這兩種體系的光網(wǎng)絡(luò)都具有動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的典型特征。
光網(wǎng)絡(luò)自動啟動
第一代靜態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的啟動過程需要進行復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)配置，包括節(jié)點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，通過自動啟動機制，實現(xiàn)了節(jié)點、鏈路等網(wǎng)絡(luò)資源的自動發(fā)現(xiàn)，并以此為基礎(chǔ)實現(xiàn)路由表的自動初始化。
自動發(fā)現(xiàn)是光網(wǎng)絡(luò)通過信令協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的自動識別。自動發(fā)現(xiàn)包括網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的自動發(fā)現(xiàn)兩個方面，后者在IP-over-WDM網(wǎng)絡(luò)體系中十分重要。因為業(yè)務(wù)的情況決定著光通道建立的情況以及虛拓撲的狀態(tài)，這對IP業(yè)務(wù)的路由具有重要的意義。自動發(fā)現(xiàn)不僅僅發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)啟動時期，在整個網(wǎng)絡(luò)運行過程中，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或者鏈路資源的變化，自動發(fā)現(xiàn)機制仍然起著重要作用，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)拓撲的發(fā)現(xiàn)和狀態(tài)的更新。
光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)運行
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，動態(tài)建立和拆除業(yè)務(wù)通道的過程是動態(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。在動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中，對于網(wǎng)絡(luò)資源已經(jīng)被大量占用情況下的網(wǎng)絡(luò)性能，一般以阻塞率來衡量。光網(wǎng)絡(luò)中的阻塞是指業(yè)務(wù)請求沒有得到正確的資源分配或路徑建立發(fā)生錯誤，從而停止接納某一業(yè)務(wù)的過程，也就是建立路徑失敗的過程。
另一個重要的動態(tài)特性是信令過程消耗時間。在網(wǎng)絡(luò)中，呼叫和建立的時間是不傳送數(shù)據(jù)的，因此希望該時間越短越好，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程所經(jīng)歷的時間是度量網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性的重要指標(biāo)。針對自動交換光網(wǎng)絡(luò)，ITU-T專門制定了相應(yīng)的信令協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)恢復(fù)
光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的動態(tài)恢復(fù)涉及網(wǎng)絡(luò)生存性設(shè)計。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，一個完整的生存性體系應(yīng)該包括4個部分:故障的發(fā)現(xiàn)、定位、聲明和解除。故障發(fā)現(xiàn)是動態(tài)生存性機制的第一步。光網(wǎng)絡(luò)以自動發(fā)現(xiàn)機制實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)現(xiàn)、定位和報告功能。自動發(fā)現(xiàn)模塊檢測到故障發(fā)生后，對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行路由域內(nèi)的通報，從而為全網(wǎng)發(fā)送故障位置以及其他基本狀態(tài)。在動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中，對故障導(dǎo)致的業(yè)務(wù)失效進行動態(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策略下的快速倒換和恢復(fù)策略下的重新路徑選擇。對于保護策略而言，動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)只需要在故障檢測后倒換相應(yīng)的光開關(guān)。而對于恢復(fù)策略，網(wǎng)絡(luò)必須對故障檢測后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行重新評估，得到由于故障更新過的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，在此基礎(chǔ)上重新路由，以實現(xiàn)相應(yīng)的通道恢復(fù)或鏈路恢復(fù)。 #p#
動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的可擴展性
隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的進一步擴大和動態(tài)要求的進一步提高，光網(wǎng)絡(luò)的可擴展性越來越受到研究人員的重視。可拓展性可以定義為網(wǎng)絡(luò)某一性能隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴大而惡化的情況。在動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中，路由協(xié)議的收斂性能、信令網(wǎng)的流量、對故障的響應(yīng)等性能都可能隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大而快速惡化。對于一般網(wǎng)絡(luò)，為了解決其可擴展性惡化的問題，主要可以從兩個可能的方向改善：一是網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的簡單化，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)的簡化
光網(wǎng)絡(luò)核心路由器狀態(tài)的簡化，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，因此可以大大提高網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。從這個角度出發(fā)，無連接的光分組交換(OPS)和光突發(fā)交換(OBS)具有較好的可擴展性。
光分組交換
分組交換光網(wǎng)絡(luò)大大減少了實現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)所需要的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實現(xiàn)了統(tǒng)計復(fù)用的光分組交換網(wǎng)絡(luò)，能實現(xiàn)光層上精細粒度的分組交換，提高了資源利用率，適合傳輸IP突發(fā)數(shù)據(jù)。其路由器過程包括對分組包分析、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。路由器只需要通過準(zhǔn)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)消息構(gòu)建的路由表就可以實現(xiàn)分組的交換結(jié)構(gòu)。然而，光存儲技術(shù)目前還沒有成熟，光分組交換在一段時間內(nèi)還不可能進入工程應(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。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)點將比較小的IP分組組裝成一個大的突發(fā)分組，在發(fā)送突發(fā)分組前，通過控制信道預(yù)先發(fā)送一個控制分組在途經(jīng)的每個核心節(jié)點預(yù)約資源，一定的偏置時間后，節(jié)點再發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)分組。這種機制避免了光電路交換路由器狀態(tài)的長期維護，適應(yīng)IP業(yè)務(wù)突發(fā)性強的特點，是在OPS技術(shù)成熟前一種可行的增強光網(wǎng)絡(luò)可擴展性的交換結(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)模擴大帶來的動態(tài)性能的惡化。該技術(shù)中最重要的機制包括網(wǎng)絡(luò)路由域的劃分、分層結(jié)構(gòu)的劃分與動態(tài)管理、業(yè)務(wù)請求的分層多域路由以及網(wǎng)絡(luò)信令過程。以自動交換光網(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銷，提高網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。清華大學(xué)ASON試驗平臺上實現(xiàn)了分層分域路由和信令系統(tǒng)，通過在平臺上的測試，采用分層分域可以有效地減少信令信息的流量，間接證實了分層分域可以提高網(wǎng)絡(luò)可擴展性。
光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性與可擴展性的內(nèi)在聯(lián)系
光網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性是光網(wǎng)絡(luò)智能化的體現(xiàn)，光網(wǎng)絡(luò)智能來自于每一個節(jié)點都擁有足夠的網(wǎng)絡(luò)信息而成為智能光節(jié)點。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，通過各種算法達到網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)情況的可能性越大，光網(wǎng)絡(luò)所體現(xiàn)出來的智能性就越強。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)信息在各個節(jié)點之間的交互。
網(wǎng)絡(luò)的可擴展性是網(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)點間交互的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)越多，網(wǎng)絡(luò)的過程越復(fù)雜，可擴展性也越差。也就是說，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，由于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)過多，節(jié)點交互參數(shù)過多，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)操作產(chǎn)生計算復(fù)雜性太高或操作收斂時間過長的問題，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、動態(tài)特性的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)可擴展性在很多場合下是相互制約的。可行的緩和這種制約關(guān)系方法是建立分層和分域的機制，使得在域內(nèi)以動態(tài)特性即網(wǎng)絡(luò)智能化為主要設(shè)計導(dǎo)向，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性能的提高;同時，在域間以可擴展性為主要目標(biāo)，簡化域間狀態(tài)的傳遞和信令過程，從而提高網(wǎng)絡(luò)可擴展性。
在向智能光網(wǎng)絡(luò)演進的過程中，動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)越來越大地處于舉足輕重的地位。光網(wǎng)絡(luò)自動啟動、動態(tài)路由和動態(tài)資源優(yōu)化、動態(tài)運行中的信令傳輸、自動恢復(fù)等動態(tài)過程是智能光網(wǎng)絡(luò)智能控制和智能管理的集中體現(xiàn)。與此同時，動態(tài)光網(wǎng)絡(luò)中部分方法隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大迅速失去了其動態(tài)智能的優(yōu)勢，性能發(fā)生惡化，暴露出光網(wǎng)絡(luò)可擴展性這個嚴(yán)肅命題。網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性與可擴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，是未來光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要方向。
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