光網(wǎng)絡作為信息社會主要通信網(wǎng)絡，其所承載的業(yè)務已經(jīng)由傳統(tǒng)語音(電話)業(yè)務擴展到包括數(shù)據(jù)業(yè)務(互聯(lián)網(wǎng))、移動語音(移動電話)和電視廣播業(yè)務在內的多個通信業(yè)務領域，成為所有通信系統(tǒng)所依賴的主干通信系統(tǒng)，在信息社會中扮演基礎通信的核心角色。
光網(wǎng)絡的發(fā)展可以劃分為兩個階段。第一代光網(wǎng)絡以點到點傳輸技術的研究為主要內容，圍繞通信網(wǎng)絡中線路傳輸能力的提高進行研究，取得了大量的研究成果。其代表技術為波分復用(WDM)技術，現(xiàn)在已經(jīng)達到單光纖25.6 Tb/s的傳輸速率[1]，基本解決了網(wǎng)絡單線路對于通信容量和可靠性的需求。然而，第一代光網(wǎng)絡并沒有解決光網(wǎng)絡組網(wǎng)的問題，信息傳送仍然受到網(wǎng)絡節(jié)點光電轉換和電處理能力的制約，光網(wǎng)絡的組織結構停留在靜態(tài)光網(wǎng)絡的階段。
第二代光網(wǎng)絡在第一代光網(wǎng)絡基礎上，重點研究光網(wǎng)絡的光組網(wǎng)、智能控制等問題，其研究源動力來自業(yè)務多樣性的發(fā)展和光交換技術的進步。業(yè)務多樣性包括業(yè)務類型的擴展和業(yè)務結構的變化。在網(wǎng)絡承載的業(yè)務中，以IP業(yè)務為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務呈現(xiàn)爆炸性增長。Cisco公司曾預測21世紀的信息網(wǎng)絡將由占99％的數(shù)據(jù)業(yè)務和占1％的話音業(yè)務所共享[2]。相比傳統(tǒng)語音業(yè)務，新型的業(yè)務具有靈活多變、突發(fā)性強、動態(tài)變化劇烈等特點，為光網(wǎng)絡對多業(yè)務的接納能力及動態(tài)性能提出了更高的要求。另一方面，高速光開關、光交叉連接(OXC)和光分插復用設備(OADM)等光交換設備的發(fā)展和完善，使得在光層實現(xiàn)大容量波長交換和波長信號上/下路成為可能，奠定了光組網(wǎng)的技術基礎。
在第二代光網(wǎng)絡的研究中，網(wǎng)絡的動態(tài)特性和可擴展性一直是研究的重要內容。為了適應多種業(yè)務的突發(fā)性和靈活性，滿足多種類型業(yè)務的動態(tài)需求，提供自動的保護和恢復功能，光網(wǎng)絡需要動態(tài)地改變網(wǎng)絡配置和組織，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)務的傳輸。因此，在光網(wǎng)絡中引入動態(tài)控制和智能控制就成為必然選擇。與此同時，光網(wǎng)絡已經(jīng)在很大范圍內取得成功應用，光網(wǎng)絡動態(tài)變化的復雜性大大增加，這使得光網(wǎng)絡控制管理算法、策略和信令的性能隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大可能出現(xiàn)惡化，光網(wǎng)絡可擴展性越來越大地影響光網(wǎng)絡整體性能，而成為研究人員關注的重要內容。本文以光網(wǎng)絡動態(tài)特性和可擴展性分析和研究為切入點，探討了光網(wǎng)絡動態(tài)性能和可擴展性的內在聯(lián)系，為新一代光網(wǎng)絡的研究提供技術參考。
1 光網(wǎng)絡的動態(tài)特性
光網(wǎng)絡發(fā)展到第二代，由于承載業(yè)務的變化和光層交換技術的發(fā)展，逐步由靜態(tài)光網(wǎng)絡走向動態(tài)光網(wǎng)絡。網(wǎng)絡之所以引入動態(tài)機制，其重要目的是實現(xiàn)網(wǎng)絡的智能化，從而減少光網(wǎng)絡運營過程中的管理成本，提高網(wǎng)絡資源使用效率和網(wǎng)絡可靠性。這種動態(tài)性集中體現(xiàn)在網(wǎng)絡啟動過程中自動的對網(wǎng)絡元件進行初始化，在網(wǎng)絡運營過程中針對業(yè)務模式進行動態(tài)的資源分配和業(yè)務管理，在發(fā)生故障時自動的進行業(yè)務恢復工作3個主要方面。如圖1所示。
在動態(tài)光網(wǎng)絡的研究中，自動交換光網(wǎng)絡[3](ASON)具有代表性。ASON的體系結構已經(jīng)由國際電信聯(lián)盟(ITU)制訂了詳細的標準體系。與此同時，由IETF提出了以廣義標簽交換[4](GMPLS)為核心的系列標準草案系列，也為自動交換光網(wǎng)絡的具體實現(xiàn)規(guī)劃了切實可行的技術解決方案。在ASON中，在原有光網(wǎng)絡傳送平面和管理平面之外，引入智能化的控制平面，將網(wǎng)絡自動控制納入網(wǎng)絡體系結構，在控制平面實現(xiàn)了動態(tài)的資源配置、智能化的業(yè)務請求處理等功能，控制平面的引入具有重要的意義，標志著光網(wǎng)絡由靜態(tài)向動態(tài)和智能的轉變。其體系結構如圖2，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)絡動態(tài)過程中發(fā)揮了信令網(wǎng)絡的重要作用。控制平面和傳送平面中的層網(wǎng)絡分別是指在控制平面上的分層網(wǎng)絡和傳送平面上的分層網(wǎng)絡。
從網(wǎng)絡對IP業(yè)務的適應和承載能力出發(fā)，研究人員又提出了一種兩層網(wǎng)絡體系結構——IP-over-WDM體系結構[5]。IP-over-WDM體系結構將原有的較為復雜的IP層到WDM層逐步映射的網(wǎng)絡結構簡化為IP直接構建在WDM光層之上的兩層結構[6-7]。兩者的結構對比如圖3所示。
ASON和IP-over-WDM并不是獨立的兩種網(wǎng)絡體系結構，它們具有相似的控制平面和業(yè)務傳輸過程。后者在前者的基礎上提出了業(yè)務結構分層的問題，是面向IP業(yè)務的體系，可以認為是ASON的一個改進。這兩種體系的光網(wǎng)絡都具有動態(tài)光網(wǎng)絡的典型特征。
1.1光網(wǎng)絡自動啟動
第一代靜態(tài)光網(wǎng)絡的啟動過程需要進行復雜的網(wǎng)絡配置，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置等。在第二代光網(wǎng)絡中，通過自動啟動機制，實現(xiàn)了節(jié)點、鏈路等網(wǎng)絡資源的自動發(fā)現(xiàn)[8]，并以此為基礎實現(xiàn)路由表的自動初始化。
自動發(fā)現(xiàn)是光網(wǎng)絡通過信令協(xié)議實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的自動識別。自動發(fā)現(xiàn)包括網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡業(yè)務的自動發(fā)現(xiàn)兩個方面，后者在IP-over-WDM網(wǎng)絡體系中十分重要。因為業(yè)務的情況決定著光通道建立的情況以及虛拓撲[9]的狀態(tài)，這對IP業(yè)務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)絡啟動時期，在整個網(wǎng)絡運行過程中，隨著網(wǎng)絡節(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，在此基礎上實現(xiàn)了網(wǎng)絡拓撲的發(fā)現(xiàn)和狀態(tài)的更新。
1.2光網(wǎng)絡動態(tài)運行
1.2.1光網(wǎng)絡業(yè)務動態(tài)建立和拆除過程
現(xiàn)有光網(wǎng)絡所承載的業(yè)務基于有連接的電路交換，動態(tài)建立和拆除業(yè)務通道的過程是動態(tài)光網(wǎng)絡信令的核心內容。關于業(yè)務建立和拆除過程，研究普遍關注業(yè)務建立和拆除的成功率或失敗率。在動態(tài)光網(wǎng)絡中，對于網(wǎng)絡資源已經(jīng)被大量占用情況下的網(wǎng)絡性能，一般以阻塞率來衡量。光網(wǎng)絡中的阻塞是指業(yè)務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，從而能夠適應快速變化的業(yè)務需求。建路或拆路的信令過程所經(jīng)歷的時間是度量網(wǎng)絡動態(tài)特性的重要指標。針對自動交換光網(wǎng)絡，ITU-T專門制定了相應的信令協(xié)議標準[10]。
動態(tài)業(yè)務建立和拆除過程可以使用不同的信令協(xié)議來實現(xiàn)。其中，以支持流量工程的資源預留協(xié)議[11](RSVP-TE)最為典型。該協(xié)議軟狀態(tài)管理路由器的預留狀態(tài)，可以實現(xiàn)控制平面與傳送平面的完全分離，具有較好的靈活性。類似的協(xié)議還有約束路由標記分配協(xié)議[12](CR-LDP)，具有相似的功能，但其應用沒有RSVP-TE廣泛。
1.2.2光網(wǎng)絡動態(tài)路由
光網(wǎng)絡動態(tài)路由功能是第二代光網(wǎng)絡控制平面的核心，是網(wǎng)絡動態(tài)性能的最直接體現(xiàn)。在承接動態(tài)業(yè)務和建立動態(tài)路徑的過程中，路由功能模塊首先對接入業(yè)務進行分析，特別是對服務質量(QoS)進行分析，然后查找動態(tài)路由表表項，綜合考慮業(yè)務要求、網(wǎng)絡狀態(tài)變化、資源利用率和負載均衡等多種因素，進而計算出業(yè)務路由，并將路由結果告知業(yè)務建立即信令模塊最終實現(xiàn)業(yè)務的接納。因此，在動態(tài)光網(wǎng)絡中，路由模塊不僅僅完成簡單的路徑選擇，而是在選擇的過程中綜合考慮了包括服務質量、資源利用、負載均衡、公平性等多個因素。
在動態(tài)光網(wǎng)絡中，光節(jié)點所保存的路由表承擔路由數(shù)據(jù)庫的作用。該路由表除了包括基本的路由路徑外，還包括路由要用到的網(wǎng)絡現(xiàn)有的狀態(tài)參數(shù)。該路由表由光網(wǎng)絡所在路由域內的節(jié)點交換自動發(fā)現(xiàn)的信息和其他信息來確定。在同一路由域中，所有節(jié)點路由表必須滿足一致性，即必須符合共同的滿足該路由域的現(xiàn)有網(wǎng)絡狀態(tài)。在多個節(jié)點間傳遞這種網(wǎng)絡狀態(tài)信息直接影響路由表的性能和路由收斂情況。
在動態(tài)光網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡狀態(tài)信息可以分為準靜態(tài)和動態(tài)兩種。準靜態(tài)信息不會由于業(yè)務操作而變化，主要包括鄰居關系、鏈路帶寬等鏈路特性、共享風險組等。這些信息主要通過自動發(fā)現(xiàn)機制收集而來。動態(tài)信息會由于業(yè)務操作的變化而發(fā)生變化。例如鏈路可用帶寬，IP-over-WDM的光通道。在動態(tài)光網(wǎng)絡中，準靜態(tài)信息可以通過非頻繁的路由發(fā)布實現(xiàn)，而動態(tài)信息則需要隨著業(yè)務連接的操作而快速的更新，以允許新的業(yè)務根據(jù)當前的網(wǎng)絡狀態(tài)進行動態(tài)路由選擇。因此，動態(tài)信息的發(fā)布可能直接影響網(wǎng)絡中信令的流量，甚至可能帶來信令網(wǎng)的擁塞。
對于面向IP業(yè)務的、智能化的光網(wǎng)絡，從實現(xiàn)更智能、資源更合理分配和利用、業(yè)務保證更為完善的角度出發(fā)，動態(tài)信息應該越豐富越好，因為動態(tài)信息攜帶的是網(wǎng)絡實時的狀態(tài)，可以為路由優(yōu)化提供最準確的數(shù)據(jù)；然而，從加快路由收斂速度，減少信令風暴，減少路由不穩(wěn)定因素的角度出發(fā)，則希望動態(tài)信息越少越好。動態(tài)信息的減少，可以加快網(wǎng)絡對資源變化的更新速度和適應能力，快速地路由收斂。總體而言，網(wǎng)絡狀態(tài)信息量和資源更新速度之間存在折中，后者更是關系到網(wǎng)絡可擴展性。因此，路由設計中必須綜合考慮這些因素，依據(jù)實際網(wǎng)絡需求制定相應的路由參數(shù)。
1.3光網(wǎng)絡動態(tài)恢復
光網(wǎng)絡業(yè)務的動態(tài)恢復涉及到網(wǎng)絡生存性設計。網(wǎng)絡的生存性[13]定義為在網(wǎng)絡中出現(xiàn)業(yè)務失效后仍然能夠持續(xù)提供業(yè)務供給的能力。在光網(wǎng)絡中，一個完整的生存性體系應該包括4個部分: 故障的發(fā)現(xiàn)、定位、聲明和解除。
1.3.1光網(wǎng)絡動態(tài)故障發(fā)現(xiàn)、定位與聲明
故障發(fā)現(xiàn)是動態(tài)生存性機制的第一步。光網(wǎng)絡以自動發(fā)現(xiàn)機制實現(xiàn)網(wǎng)絡故障的發(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)絡狀態(tài)進行路由域內的廣告，從而為全網(wǎng)發(fā)送故障位置以及其他基本狀態(tài)。
1.3.2光網(wǎng)絡業(yè)務動態(tài)恢復策略
在動態(tài)光網(wǎng)絡中，對故障導致的業(yè)務失效進行動態(tài)的快速恢復是網(wǎng)絡生存性的主要體現(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策略下的重新路徑選擇，生存性體系結構如圖4。
對于保護策略而言，動態(tài)光網(wǎng)絡只需要在故障檢測后倒換相應的光開關。
而對于恢復策略，網(wǎng)絡必須對故障檢測后的網(wǎng)絡狀態(tài)進行重新評估，得到由于故障更新過的網(wǎng)絡狀態(tài)信息，在此基礎上重新路由，以實現(xiàn)相應的通道恢復或鏈路恢復。
2 動態(tài)光網(wǎng)絡的可擴展性
隨著光網(wǎng)絡規(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)絡某一性能隨網(wǎng)絡規(guī)模擴大而惡化的情況。在動態(tài)光網(wǎng)絡中，路由協(xié)議的收斂性能、信令網(wǎng)的流量、對故障的響應等性能都可能隨網(wǎng)絡規(guī)模的擴大而快速的惡化。對于一般網(wǎng)絡，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)絡狀態(tài)的簡單化，二是采用合理的分層分域結構。
2.1光網(wǎng)絡核心路由器狀態(tài)的簡化
光網(wǎng)絡核心路由器狀態(tài)的簡化，意味著網(wǎng)絡狀態(tài)交互信息的減少，網(wǎng)絡狀態(tài)廣播內容的大量精簡，因此可以大大提高網(wǎng)絡的可擴展性。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。
2.1.1光分組交換
分組交換光網(wǎng)絡大大減少了實現(xiàn)光網(wǎng)絡主干網(wǎng)所需要的網(wǎng)絡狀態(tài)，實現(xiàn)了統(tǒng)計復用的光分組交換網(wǎng)絡，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、存儲和轉發(fā)。路由器只需要通過準靜態(tài)網(wǎng)絡狀態(tài)消息構建的路由表就可以實現(xiàn)分組的交換結構。然而，光存儲技術目前還沒有成熟，光分組交換在一段時間內還不可能進入工程應用。
2.1.2光突發(fā)交換
光突發(fā)交換[14]網(wǎng)絡結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)絡中，控制信道和數(shù)據(jù)信道是分離的。網(wǎng)絡首先在邊緣節(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，通過控制信道預先發(fā)送一個控制分組在途經(jīng)的每個核心節(jié)點預約資源，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IP業(yè)務突發(fā)性強的特點，是在OPS技術成熟前一種可行的增強光網(wǎng)絡可擴展性的交換結構。
2.2光網(wǎng)絡分層分域
在現(xiàn)有光網(wǎng)絡電路交換為主要交換結構的模式下，為了提高網(wǎng)絡可擴展性，將現(xiàn)有的網(wǎng)絡分層和分域，構建較小的路由域，可以有效地減少由于網(wǎng)絡規(guī)模擴大帶來的動態(tài)性能的惡化。該技術中最重要的機制包括網(wǎng)絡路由域的劃分、分層結構的劃分與動態(tài)管理、業(yè)務請求的分層多域路由以及網(wǎng)絡信令過程。
以自動交換光網(wǎng)絡為例，采用分層分域結構的光網(wǎng)絡可以有效的降低信令開銷，提高了網(wǎng)絡的可擴展性。文獻[15]針對分層分域網(wǎng)絡結構設計的RSVP-TE算法有效地提高了光通道的建立速度。清華大學ASON試驗平臺[16]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的減少信令信息的流量[17]，間接證實了分層分域可以提高網(wǎng)絡可擴展性。
3 光網(wǎng)絡動態(tài)特性與可擴展性的內在聯(lián)系
光網(wǎng)絡動態(tài)特性是光網(wǎng)絡智能化的體現(xiàn)，光網(wǎng)絡智能來自于每一個節(jié)點都擁有足夠的網(wǎng)絡信息而成為智能光節(jié)點。從網(wǎng)絡智能的角度看，這種網(wǎng)絡狀態(tài)信息越充分，通過各種算法達到網(wǎng)絡最優(yōu)情況的可能性越大，光網(wǎng)絡所體現(xiàn)出來的智能性就越強。因此，靈活而智能的光網(wǎng)絡傾向于網(wǎng)絡狀態(tài)的多樣化和復雜化，傾向于充分的網(wǎng)絡狀態(tài)信息在各個節(jié)點之間的交互。
網(wǎng)絡的可擴展性是網(wǎng)絡本身基本特性之一。在網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡狀態(tài)參數(shù)越多，在節(jié)點間交互的網(wǎng)絡狀態(tài)參數(shù)越多，網(wǎng)絡的過程越復雜，可擴展性也越差。也就是說，隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，由于網(wǎng)絡狀態(tài)過多，節(jié)點交互參數(shù)過多，會導致網(wǎng)絡操作產(chǎn)生計算復雜性太高或操作收斂時間過長的問題，也因此導致網(wǎng)絡性能的急劇惡化。
綜合上面的分析，網(wǎng)絡的智能化和動態(tài)特性的發(fā)展和網(wǎng)絡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系方法是建立分層和分域的機制。使得在域內以動態(tài)特性即網(wǎng)絡智能化為主要設計導向，實現(xiàn)網(wǎng)絡動態(tài)性能的提高；同時，在域間以可擴展性為主要目標，簡化域間狀態(tài)的傳遞和信令過程，從而提高網(wǎng)絡可擴展性。
4 結束語
在向智能光網(wǎng)絡演進的過程中，動態(tài)光網(wǎng)絡越來越多地扮演舉足輕重的地位。光網(wǎng)絡自動啟動、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、自動恢復等動態(tài)過程是智能光網(wǎng)絡智能控制、智能管理的集中體現(xiàn)。與此同時，動態(tài)光網(wǎng)絡中部分方法隨著光網(wǎng)絡規(guī)模的擴大迅速的失去了其動態(tài)智能的優(yōu)勢，性能發(fā)生惡化，暴露出光網(wǎng)絡可擴展性這個嚴肅命題。
網(wǎng)絡動態(tài)特性與可擴展性存在一定制約關系，分層分域可以有效的緩和這種相互制約，是未來光網(wǎng)絡發(fā)展的重要方向。
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