IP via MPLS over DWDM网络及路由算法研究

冯 雪 庞尚珍

[摘 要]介绍了IP via MPLS over DWDM网络的构成及几种路由算法的优缺点。

[关键词]MPLS DWDM OXC

[中图分类号]TN929[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2009)11-0010-02

1 IP via MPLS over DWDM网络

在数据网络范畴内,由MPLS业务量工程控制层来执行至关重要的选路、监控和网络生存性功能,也就是使用MPLS来提高网络性能和执行流量工程(TE),同时由光网络层来提供DWDM传输和波长路由的光层“电路级”联网技术。简言之,就是多协议波长交换技术,它是IP via MPLS over DWDM网络技术的一种实现形式,以波长为标签,直接在波长信道上以标签交换方式交换单个的IP包,可在很大程度上简化多层网络的分层结构[1]。如图1所示。

在网络的边缘,当IP数据包到达一个LER时,LER要分析IP包头的信息,并且按照它的目的地址和业务等级加以区分。MPLS将所有需要做相同转发处理并且转发到相同下一跳的分组归入到同一转发类中。转发时,将数据包从标签信息库所规定的下一个接口发送出去。在网络中,当一个带有标签的包到达LSR时,LSR提取入口标签作为索引在标签信息库中查找。当LSR找到相关信息后,取出出口的标签,并由出口标签替代入口标签,从标签信息库中所描述的下一跳接口送出数据包。当数据包到达了MPLS域的另外一端时,LER剥去封装的标签,仍然按照IP包的路由方式将数据包继续传送到目的地。由于数据包使用的标签具有转发的惟一性,降低了转发表的查找次数,因而提高了包的转发速度。把MPLS引入DWDM网络中,一个端到端的光路径就是一个独立的LSP。而且,在LSP建立后,在数据传送过程中,LSR节点不需进行显式的标记处理及查询操作,任何链路层成帧的处理及电再生都没有。在这里,标记与DWDM波长通道是对应的,一个LSR接口端口不同的LSP不能共享同一标记。

该方案的一大特色就是将标签和DWDM波长信道联系起来,分立波长或光信道就类似于标签,并允许使用MPLS信令来指配光信道。这时一个端到端的光路就类似于特定的标签交换通道(LSP),也就是在光节点之间形成的标签交换通道。因此,特别适用于由可重构的OADM和OXC组成的以数据业务为核心的光互联网络系统中,由此原理构造的网络可通过不同的IP用户接入网络,有效地支持各种各样的IP业务。

2 IP via MPLS over DWDM路由算法

2.1 MinLP算法与MinTH算法

光互联网中LSP的路由算法是一个NP-hard问题,解决该问题通常都采用分层图(Layered Graph,LG)模型[2],但LG模型存在如下缺陷:首先,在OX无波长转换能力的情况下,如果一条LSP被多跳光路承载LG模型要求这些光路的波长必须相同,但GMPLS规定波长本身可以被作为标记,承载LSP的光路的波长允许不一致,这样LG模型可能增大网络对LSP建立请求的阻塞率。再者,LG模型一般不考虑结点光收发器对网络阻塞率的影响,但如果结点光收发器受限,新建光路时可用光收发器数可能成为LSP选路的制约瓶颈。针对LG模型的缺陷,MPLS over DWDM光网络路由算法中比较典型的是文献[3]提出的MinTH(Minimizing the number of Traffic Hops)和MinLP(Minimizing the number of Light-Path)算法, MinTH力求使每个LSP的源、宿结点对跨越的光路跳数最小,而MinLP要求承载LSP所要新建的光路数最少。MinTH算法主要考虑对单个LSP服务质量的满足,MinLP算法则考虑对网络链路资源的优化利用。

2.2 BRPS方法与RPPS方法

为了解决IP over DWDM网络的多业务传送问题,文献[4]提出了带宽资源预留的优先级方法 (bandwidth reservation based priority scheme,BRPS)与基于限定路径的优先级方法(restricted path based priority,RPPS)。BRPS解决了传统的基于波长资源预留的优先级方法在虚链路建立时受到限制的问题,在低负载时,可以得到较低的阻塞率。RPPS通过为网络中不同等级的业务分配不同数目的限定路径RP,提供区分服务。RP选取为物理拓扑上的一条或多条最短路,它规定了业务路由时的资源选择范围。RPPS不但得到了较低的阻塞率,也解决了网络资源的有效利用问题。BRPS的阻塞率要比WRPS的低。这主要是因为在WRPS中,部分波长资源被预留,逻辑链路的建立受到限制,网络资源未能得到充分利用。而当网络负载强度高于800 Erlang时, RPPS的平均阻塞率比BRPS的低,相对于传统的基于波长资源预留的优先级方法而言, BRPS在低负载时有较低的阻塞率。

2.3 带宽碎片消除法BDM

带宽碎片消除法BDM的关键就在于如何根据到达的LSP建立请求的带宽要求,以及全网的资源使用情况来构造分层图,并决定分层图中逻辑IP链路和波长链路的权值。它利用到达业务流带宽要求的统计特性,以及此时网络中逻辑IP链路的资源使用情况,动态决定究竟是利用现存的逻辑IP链路还是在DWDM层新建光路来满足业务流的LSP建立请求,从而可以有效减少产生的带宽碎片数量,提高全网资源利用率,因此在建立LSP前,可以先对分层图进行裁减,删除那些不满足带宽要求的链路。然后在新的分层图上采用最短路径算法(如Dijkstra等)求出一条权值最小的通路;为了避免产生过多的带宽碎片,在建立LSP时总是要尽量做到使网络中所有逻辑IP链路上的剩余带宽能够满足更多后续到达的LSP建立请求的带宽要求,从而可以有效地保证接纳更多的后续LSP建立请求。

2.4 蚁群算法ACA

实现QoS组播,需要进行有效的路由选择,找到费用优化的QoS组播路由树,并为之分配波长。事实上,寻找这样一棵QoS组播路由树的问题是NP-hard问题,并且由于网络状态信息的动态性、不精确性以及用户QoS需求的难以准确刻画。因此,采用一个区间来度量QoS约束比较合适,而基于蚁群算法(Ant Colony Algorithm,ACA)[5]ACA是一种模拟自然界蚂蚁寻径行为的算法,利用蚁群寻找食物或蚁穴时具有找到最短路径的特性,我们把它应用于基于动态负载平衡的网络逻辑拓扑求解,即蚂蚁选择路径时,选择某条路径的概率是由路由上同类蚂蚁的分泌物和总的分泌物强度折衷决定的,通过候选解组成群体的进化过程来寻求最优解。在考虑网络负载均衡的前提下构造费用近优组播路由树,同时基于Chlamtac提出的波长图(Wavelength Graph,WG)思想以最小化组播路由树延迟为目标进行波长分配,将组播路由树构造与 波长分配一体化考虑的算法,算法的核心在于:对于到达源路由器的一个有带宽要求的业务连接建立请求LSP来说,如何判断究竟是为它开辟新的波长通道好,还是在现存的基于IP级的虚拓扑上选择一条可用的逻辑IP链路更好,在满足用户QoS需求的同时,使组播路由树费用趋近最优。这样,算法的实质就是保持负载分布的平衡性,同时也要使业务对间的路由尽量短。但ACA依然存在收敛于局部最优解及收敛速度慢等缺陷。

综上所述,IP via MPLS over DWDM网络及路由算法在近期有较多研究,还有进一步研究的空间。

[参考文献]

[1] 谢晓尧,熊炜.IP OVER DWDM网络模式的研究[J].贵州工业大学学报(自然科学版)第31卷第4期2002,08:112-115.

[2] Chen C and Banerjee S.A new model for optimal routing and wavelength assignment in wavelength division multiplexed optical networks.IEEE INFOCOM 1996,San Francisco,USA, April 1996:164-171.

[3] Zhu H Y,Zang H,and Zhu K Y,et al..A novel generic graph model for traffic grooming in heterogeneous WDM mesh networks.IEEE/ACM Trans.on Networking,2003,11(2):285-299.

[4] 崔新友等.IP over DWDM 网络多业务传送的路由算法[J].清华大学学报(自然科学版) 2008, Vol.48, No.1.

[5] 王兴伟,程辉,李佳等.一种IP/DWDM光因特网中的组播路由算法[J].东北大学学报(自然科学版),2003,24(12):1165-1168.