支持区分服务的全光网络设计和实现

基金项目：国家自然科学基金项目(6052130298、60572006)

      随着电信市场的逐步开放，网络运营商之间的竞争日益激烈，这就要求运营商在提供传送服务时，更加关注业务的实际需求，为每一个业务提供满足其传送需求的区分服务(DiffServ)，从而在竞争中赢得更多的服务定购者。另一方面，为光层适应各种新业务、开发各种新服务提供可能性，ITU-T G.8080提出了自动交换光网络(ASON)的体系结构，通过在传统光传送网络中引入智能的控制平面，实现动态、灵活的资源管理、资源分配和资源调度。

      随着光网络的智能化演进，光层流量工程各个功能子模块的实现机制趋于多样化，这些机制从不同程度上对网络运行成本和业务的服务质量(QoS)保证之间的矛盾进行折衷，这种程度上的差异为光网络实现区分服务提供了可能性。

      在此背景下，Wissam Fawaz等[1]在光层引入了服务等级协定，提出了传送服务的服务等级描述(SLS)在连接建立时间、服务性能表现、服务可达性、安全性、路由稳定性等方面的性能指标，并按照服务等级(CoS)提供了一些参考值。服务等级协定是服务提供商和服务定购者双方之间的协商协定，是存在于服务提供商和服务定购者之间的一个合约(或者合约的一部分)，是在服务品质、优先权和责任义务等方面达成的协议，是一种电信服务评估标准[2]。在光层服务等级协定中，服务定购者可根据自身业务的特点，选择所需传送服务的最低性能指标参数。

      可以预见，未来的光网络将是多业务驱动下的新型传送网络，具有提供区分服务的能力。

      要在多业务的环境下，处理好满足业务的不同服务需求和优化网络资源之间的矛盾，就需要传送网络流量工程各个功能子模块具有集成多种实现机制的能力[3-4]，从而在光层实现区分服务的集成。本文旨在通过对最新研究成果的调研和综述，为光服务等级协定走向实用化提供一些技术参考。

1 支持区分服务的全光网络设计

1.1 总体设计
      对光传送网络而言，业务可依据其粒度划分为两种形态[1] (如图1所示)。

      (1)来自不同网络运营商的波长粒度的业务，通过E-NNI接口接入传送网络。

      (2)来自不同域的基于因特网协议/多协议标记交换(IP/MPLS)的亚波长粒度的业务，通过IP/MPLS边缘路由器接入，由业务梳理模块汇聚成波长粒度进入传送网络。

      业务驱动下，光网络传送服务的总体实现流程设计如图2所示。业务发起传送服务请求，并根据自身的特点，选择满足其传输要求的服务等级描述指标参数，服务提供商根据该指标参数和服务等级映射到网络可提供的资源，选择满足业务服务需求的优化实现机制，通过合理的资源调度，最大限度地提高网络的资源利用率，以降低网络的运营成本。

      支持区分服务的全光网络流量工程包括支持QoS的(QoS-aware)路由和波长分配、支持QoS的差错管理、支持QoS的光路再优化等功能子模块。

1.2 服务等级描述的设计和量化
      在光服务等级协定中，服务等级描述设计和量化的关键在于如何兼顾业务的实际需求和光层的提供能力，在满足服务质量的前提下，给出能优化网络资源利用率的设计和量化方案。文献[1]给出了一套系统的设计和量化方案。

      服务等级描述的设计和量化可以有两种主要的方式：

      (1)自底向上的SLS设计和量化
      自底向上的SLS设计和量化，是由对光层实现机制的理论或实验的性能分析出发，制订相应传送服务的性能指标、服务等级参考值。例如，自动交换光网络中，提供了永久连接(PC)、软永久连接(SPC)、交换连接(SC)3种连接方式，根据上述方式在连接建立时间上的差异，可以制订相应的服务等级参考值。又如，差错管理模块中，1+1专用路径保护机制、共享路径保护机制、路径恢复机制的故障恢复时间分别为小于50 ms、小于500 ms、小于2 s[3]，根据上述机制在故障恢复时间上的差异，可以制订相应的服务等级参考值。

      由于自底向上的设计和量化方法对业务实际需求的考虑较少，可能需要对现有实现机制中的路由算法和信令流程进行改进和优化，加强其对业务的适配力度。

      (2)自顶向下的SLS设计和量化
      自顶向下的SLS设计和量化，是由业务的特点和需求出发，设计传送服务的性能指标、服务等级参考值。例如，服务性能表现的指标参数对于来自不同运营商的波长粒度业务而言为误码率、信噪比(OSNR)、啁啾等；对于IP/MPLS等亚波长粒度的业务而言则为延时、抖动、丢包率等[1]。考虑到光层实际服务提供能力的限制，对一些传输质量要求较高的业务，可能需要设计更高效的运行机制以满足业务的请求。

1.3 服务需求与网络实现机制的映射
      在多业务环境下，传送网络流量工程各个功能子模块具有集成多种实现机制的能力，因此就需要研究如何根据业务的服务需求选择满足其传送要求的优化实现机制，兼顾服务质量与网络的运行效率。文献[5-6]提出了由服务可达性到保护机制的映射方案，首先考虑工作路径能否满足服务可达性的要求，若满足则不分配保护路径，若不满足则考虑加入共享路径保护机制，并判断服务可达性要求是否满足，若满足则采用该共享路径保护机制，若不满足则进一步考虑选用专用路径保护机制，并判断服务可达性要求是否满足，若满足则采用该保护机制，若不满足则阻塞该业务请求。
这种映射方案的设计目标就是在满足业务最低服务可达性的前提下，提高网络的资源利用率，从而提高网络的业务接纳能力。

2 支持区分服务的光网络流量工程
      流量工程的目的，就是为了在全网的范围内优化网络流量的分布，提高网络的资源利用率，提高网络的生存能力[7]。

      多业务驱动下，光网络流量工程需要在满足不同业务的不同服务质量需求的前提下，提高网络的性能。可以从两个方面提高网络的性能：静态资源规划和动态资源调度。

2.1 支持区分服务的光网络静态资源规划
      静态资源规划是已知网络拓扑、网络当前的流量分布情况、节点之间的业务请求，如何对新业务分配网络资源的优化问题。对于支持区分服务的光网络资源规划，则需要根据不同业务的不同服务要求，在优化问题中加入相应的限制条件，如路径最大延时限制、路径最小服务可达性限制等，此外对于光层功能模块中不同的实现机制，其优化模型也是不同的，需要分别进行建模，因此支持区分服务的光网络资源规划是不同服务需求、不同实现机制集成环境下的优化问题。根据优化目标的不同，可以分为以下两个子问题[4]：

      (1)容量最小化问题
      在网络波长资源充足的情况下，已知网络拓扑、多业务请求、业务需求相对应的传送服务的实现机制，如何指配工作路径和预留备份路径，优化支持区分服务的光网络的资源利用率。

      (2)收入最大化问题
      在网络波长资源不足的情况下，已知网络拓扑、多业务请求、业务需求相对应的传送服务的实现机制，如何指配工作路径和预留备份路径，使支持区分服务的光网络的服务收益最大化。

      文献[4]中，具体研究了已知网络拓扑、多业务请求、不同业务请求的路径最大长度限制、业务需求相对应的传送服务保护机制(专用路径保护机制、共享路径保护机制、无路径保护机制)下，主路径和保护路径之间满足共享链路风险组分离的光网络资源规划问题。由于上述优化问题是非确定多项式-难(NP-hard)问题，其计算复杂度随网络规模的增加呈指数增长，因此当网络规模较大时，需采用搜索技术[8]寻找优化解。

2.2 支持区分服务的光网络动态资源调度
      动态资源调度研究动态业务请求下网络的资源优化问题，包括：

      (1)支持QoS的路由和波长分配
      动态业务下，光网络的波长路由也是动态的。动态波长路由问题是指在给定动态业务模型下，在源节点与目的节点对之间进行路由和波长分配，以使在一定的波长资源和业务负载情况下，被接纳的业务请求达到最大值。

      鉴于动态波长路由问题具有复杂性[9]，绝大多数文献将动态波长路由问题分解为路由问题和波长分配问题两个独立的子问题分步研究，路由问题又可细分为最短路径路由问题和受限路由问题两大类。

      在最短路径路由问题中，各链路被赋予一个费用值(可以是跳数、延时或经济费用等)，并以路径的总费用作为优化目标，求解算法有Dijkstra算法、Bellman-Ford算法、Floyd算法等，其中Dijkstra算法、Floyd算法属于集中式算法，每个节点必须获知全网的拓扑信息；Bellman-Ford算法属于分布式算法，每个节点只须获知邻居节点的信息。对于全光网络而言，由于在中间节点不存在光电光的转换，信号质量在传输过程中会逐步恶化，因此文献[10]提出以光信号的传输损耗作为费用值，称为基于信号质量的波长路由。

      在多业务环境下，某些业务可能对传送服务的多个性能指标同时具有限制条件，如对路径的最大延时和最小可达性指标有限制。由于最短路径路由问题中，各链路只能具有标量值，因此相应的算法无法给出具有限制条件下的优化路径。上述情况下的路由问题称为受限路由问题[11]，包括一个限制条件下的受限最短路径(RSP)问题和多个限制条件下的多约束最优路径(MCOP)问题，然而，RSP问题和MCOP问题都是非确定多项式-完全(NP-完全)问题，因此这两个问题的求解大多采用近似算法或启发式算法。

      求解RSP问题的算法有后向-前向启发式算法、混和算法等；求解MCOP问题的算法有SAMCRA算法、H_MCOP算法、基于泛洪的分布式路由算法[12]。

      (2)支持QoS的差错管理
      差错管理模块用以提高光网络的生存性。网络的生存能力是网络抵制故障所引起的服务干扰或中断的能力，是服务可达性的重要保证。作为研究领域的一个热点，差错管理的实现机制趋于多样化，大体上可分为保护机制和恢复机制两种，此外，上述机制还可以在多个维度上进行细分，如按照备份路由的资源占用情况可以分为专用式和共享式两种；按照备份路由的长度又可分为链路级、分段级和路径级3种，如图3所示。

      资源利用率和故障恢复时间是差错管理中的一对矛盾参数，上述机制分别从不同程度上对这对矛盾进行折衷，文献[13]给出了上述机制在这些参数上的量化比较。

      (3)支持QoS的光路再优化
      在动态多业务的环境下，新传送服务请求的工作路径和保护路径的计算是基于请求时刻的网络状态，由于请求到达在时间上的随机性，随着网络容量、网络流量的变化，现有流量矩阵下网络的资源分配可能是次优的，因此，文献[14-15]研究了不同保护机制下光网络的动态资源再优化问题。

      (4)资源分配和资源管理策略
      多服务等级下，若不同服务等级对网络资源的占用采用完全共享统一分配的方式，就有可能出现某一时刻网络资源被低等级传送服务完全占据的情况，那么，对于之后到达的高等级传送服务请求可能因为无法分配到网络资源而被阻塞。

      为了保障高等级传送服务的接入率和传送质量，不同服务等级之间对网络资源的占用可以采用区分策略[16]，或者允许高等级传送服务采用抢占策略[17]。同时，为实现资源分配的区分策略和抢占策略，需要对网络资源进行更加细致的管理，文献[3]中给出了基于有限状态机的波长资源管理策略。

3 协议扩展与实现
      上述光网络流量工程方案目前还只是研究领域的成果，要真正应用到ASON控制平面中，还需要对现有的链路资源管理协议(如LMP)、路由协议(如OSPF-TE)和信令协议(如RSVP-TE、CR-LDP)进行扩展，从而实现全光网络对区分服务的支持。

4 结束语
      未来的光网络将是多业务驱动下的新型传送网络，具有提供区分服务的能力，这种区分服务能力为光服务等级协定的实现提供了技术上的支持。

      本文主要就光服务等级协定设计和实现过程中服务等级描述的设计和量化、服务需求与网络实现机制映射以及支持区分服务的光网络流量工程问题进行了探索。由于支持区分服务的光网络流量工程方案目前还只是研究领域的成果，如何对现有全光网络控制平面的链路资源管理协议、路由协议和信令协议进行扩展和标准化，是光服务等级协定走向实用化的研究重点。

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