基于GMPLS 的波长交换光网络的路由方案*

刘 洁

(西安科技大学 期刊中心，陕西 西安710054)

0 引 言

波长交换光网络(Wavelength Switched Optical Networks，WSONs)是随着光器件和光节点技术的飞速发展提出的，它由WDM 光互连透明节点(例如光交叉互联，OXCs;光分叉复用器，OADM)组成。由于WSONs 架构可以避免使用昂贵的光电收发器做中间节点，它被认为是目前最有前途的下一代核心和城域网络技术。

基于通用多协议标签交换(GMPLS)的分布式控制的WSONs，可以在光网络发生故障后尽快地将受故障影响的业务恢复。GMPLS 协议提供路由，信令和链路管理职能，因此基于GMPLS 的WSONs 端到端光路可以动态建立，维持和释放。文献［1 -2］中给出了GMPLS 支持保护类型和故障恢复技术。然而所有迄今提出的恢复方案集中在如何恢复受链接失败影响的光路，而没有考虑损耗或突发故障的几个光路(如光纤被切断或设备损耗)可能会影响光路的问题。事实上由于在波分复用链路中广泛使用饱和光放大器，光功率的突然起伏可能会剧烈降低与损坏光路共享光纤的其他光路的光学性能。

在物理层提出的参铒光纤放大器控制技术以及链路控制层的使用［3-5］等解决方案可以用来减轻功率平坦度对光网络的影响，这需要调整发射机的输出功率或者光路中的放大器，而这种解决方案大大增加了光放大器的成本和复杂性，并引起噪声性能的恶化和光功率的减少。文献［6］试图在路由层上解决同样的问题，通过引入一个统一线性规划(ILP)来尽量减少在单链路故障情况下功率平坦度所影响的光路数量。但该方案不能应用于大型网络，因此不适用于采用分布式控制的实时动态情景。

文中提出了一种适用于大型网络的基于GMPLS 的WSONs 的感知式路由方案，用于解决功率平坦度问题，称为功率平坦度感知的路由方案，简称POSR(Power Offset Sensing Routing)方案。为基于GMPLS 的WSONs 在协议层描述了POSR 方案可能的实现，并用仿真评估了所提方案的性能。

1 POSR 方案

基于流量工程资源预留协议(RSVP -TE)是用来在基于GMPLS 的动态WSONs 上建立光路的。该路由协议用于网络节点间分发更新的网络状况信息，这些信息接着被储存在每一个网络节点的流量工程数据库(TED)中。一旦有路由请求，源节点在本地TED 信息的基础上计算路由;计算完路由后，源节点沿该路径触发一个RSVP-TE 信令;最后目的节点利用所收集的信令消息分配波长。

文中提出的POSR 方案需要有一个本地矩阵A，每个网络节点使用RSVP-TE 协议和基于流量工程开放最短路径优先协议(OSPF-TE 协议)来存储和更新该矩阵。矩阵A 包括了路由中所有现有光路的功率平坦度信息，这是一个M × M 阶矩阵，其中M 是网络链路的总数量。因此矩阵的维数并不依赖于已建立光路的数量，从而保证方案的可测量性。元素ai，j∈A 表示链路i 上受链路j故障影响的光路数量，即同时通过链路i，j 的光路数量。沿对角线的元素ai，i是代表了沿链路i 建立的光路数量。为了更好地理解，图1 画出一个简单的网络情况，图中建立了两个光路(分别沿链路1-2 -3 和2 -3 -4)。图2 所示是相应的矩阵A，它涵盖了这一网络的情况。如果链路3 断开两个光路直接受到影响，这两个中断光路均要通过链路2，因此A2，3=2.只有一个中断光路的路由经过链路1 和4，此时a1，3=1，a4，3=1.当没有中断光路路由经过链路5，6，7 时，a5，3=0，a6，3=0，a7，3=0.矩阵A 中的所有元素可按照上述方法类推得出。

图1 简单路由光路Fig.1 Simple routed lightpaths

图2 图1 对应的A 矩阵Fig.2 A matrix for Fig.1

当有源节点s 到目的节点d 的新的光路请求到达时，源节点使用存储矩阵A 来评估每个候选光路(r∈Rs，d)的功率平坦度状况。每个节点对(s，d)间的候选路径的Rs，d是由每个网络节点预先计算的，并且它包括了比最短路径的链路数多n跳的所有路径。特别对于每个r∈Rs，d源节点计算Ar矩阵。其中Ar是A 矩阵经变换适应特别的路径r 之后的矩阵(例如=aij+1，i∈r 且j∈r;否则=aij)。应用公式(1)来选择路径r，使所有可能的矩阵Ar中计算的所有可能的功率平坦度F(Ar)最小。

功率平坦度F(Ar)的计算考虑了每条网络链路的一个故障(如对下标j 的求和)。对于每一个可能故障，对链路i 的光路数量与活动光路数量之比求和。但如果没有路由光路沿链路i(例如aii=0)或者所有沿链路i 的光路因链路j 的故障而直接中断(即ai，i=ai，j)就不能使用此计算方法。这种方法是通过实验验证和仿真证实的，其中假定典型的光学接收器可以允许高达3 dB 的功率平坦度而不使误码率恶化。文献［6］表明，如果不到总功率一半的功率在一个WDM 链路上消耗，其余的信道的误码率的恶化是可以容忍的。假设有这样一条链路，当它发生故障时，超过一半以上的波长信道直接受到影响，那么记这条链路为关键链路。关键链路是单个波分复用链路突发故障时功率平坦度对网络影响程度的体现，关键链路越少表示影响程度越低。

在图1 所示的例子中，如果一个新的光路请求到达节点B，目的地是E，当n =0 时有3 种可能的路径(Rs，d ={2 -7 -5，1 -6 -5，2 -3 -4})，沿每个路径的F(Ar)分别为3，4，2，通过链路2 -3 -4 的路径被选中。路由选定后RSVP -TE 信令被触发并通过传输信令消息来动态更新在所有的中间节点的矩阵A。事实上，显式路由对象(ERO)是包括在RSVP - TE 信令消息中的，以便中间节点都知道全部的路线并可以适当地修改A 矩阵。特殊情况，当链路i 和j 均属于路径R 时元素ai，j的值要增加1. 此外，每个节点定期通过基于流量工程开放最短路径优先协议(OSPF -TE)的链路状态广播(LSAs)向相连的节点广播有关本地列的信息，这样每个节点的A 矩阵都有当前网络状态的最新信息［7-10］。

2 仿真结果

用OPNET 仿真软件进行仿真，用图3 所示拓扑图进行仿真，它包括12 个透明的节点和25 波分复用双向链路，每个链路载有16 波长信道。在网络节点处波长变换无法执行，因此所有已建立的光路必须满足波长连续性限制。光路请求由统一流量矩阵产生，其中统一流量矩阵服从包到达时间间隔(平均1/α)和保持时间(平均1/β)的指数分布。网络流量负荷表示为(α/β)，单位是Erlang.由于典型的(OSPF-TE)的收敛时间是一些以秒表示的序列，并且在骨干网中光路请求时间间隔是一些以分钟或小时表示的序列，在所有网络节点上矩阵A 认为是不断更新的。

图3 网络拓扑图Fig.3 Network topology

因此，当平均保持时间固定在3 600 s 时，网络流量负荷可以通过改变100 ～1 500 s 的平均包到达时间间隔而改变。3 个不同版本的POSR 评估方案n = 0，1，2(分别为POSR -0，POSR -1，和POSR-2)与熟知的最短路径路由(SPR)进行比较，其中n 表示比最短路径路由的链路数多的跳数。用10 种不同的种子进行了测试仿真，并对结果依99%的置信区间进行绘图。

图4 平均关键链路数Fig.4 Average number of critical links

图4 表示平均关键链路数对比网络流量负荷。如前所述，由于在一条链路上小于一半的所有信道的扰乱是可以容忍的。假设有这样一条链路，当它发生故障时，超过一半以上的波长信道直接受到影响，那么记这条链路为关键链路。如图4 所示，即便在n=0 的时候POSR 方案也能够减少一些关键链路的数目，因此没有增加计算路由路径的平均长度。此外，如果可以容忍较长的路径，那么关键链路的数目可以进一步减少。然而，虽然POSR-1 显著优于POSR -0，POSR -2 也有类似于POSR-1 的性能的，但是把候选路径延长到超过最短路径是不利的。最后由于网络流量负荷的作用，当所有的评估方案达到最大平均关键链路数后，就随着网络流量负荷的提高而降低。这主要是归因于当大量波长信道同时工作在每个波分复用链路里的时候，一条链路故障影响到一半以上从其它链路路由来的光路是不太常见的。此外网络流量负荷较高情况下建立光路的平均长度较短(长光路有较高的拥塞率)，在故障情况下，更短的光路意味着功率平坦度将影响更少的链路，因此在网络流量负荷较高的情况时关键链路的平均数减少了。

图5 是网络拥塞率对比网络流量负荷的图例。图示表明与SPR 相比利用POSR-0 能在不提高网络拥塞率的同时完成SPR。如果使用更有效的功率平坦度感知路由(即POSR -1 和POSR -2)那么拥塞率会因利用更长的路径而增加。

图5 网络拥塞率Fig.5 Blocking probability

3 结 论

文中提出了一个启发式的路由方案(POSR 方案)，减轻了功率平坦度引起的问题:在基于GMPLS 的波长交换光网络(WSONs)里，当波分复用链接失败时，功率平坦度可能会影响到生存光路。还提出了它的可行分布式方案。这要求在每个网络节点里有一个M ×M 的储存矩阵，该矩阵通过RSVP-TE 和OSPF-TE 进行动态更新。仿真结果表明，POSR 方案有效地减少了网络中平均关键链路数，特别是POSR-0 在不增加拥塞率的同时减少了关键链路。

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