IP/WDM网络的跨层控制系统设计

曹毅宁,谢永强,许 波,王京军

(中国电子设备系统工程公司研究所网络研究中心,北京100039)

IP/WDM网络的跨层控制系统设计

曹毅宁,谢永强,许 波,王京军

(中国电子设备系统工程公司研究所网络研究中心,北京100039)

针对现有IP/WDM网络中IP层与光层在网络恢复阶段的协同控制问题,设计一种基于认知的跨层控制系统。该系统采用叠加网络技术,引入跨层协同机制,完成业务恢复集中控制及故障条件下IP层与光层资源的统一调度。通过加强层间业务信息、带宽资源使用信息、网络故障信息的共享与交互,解决了现有网络控制方式存在的上下层资源抢占和恢复震荡等问题,从而实现基于状态感知的网络故障恢复。性能评估结果表明,该系统能有效降低控制信令代价,提高中断业务的恢复速度,并且具有良好的网络生存性能。

IP/WDM网络;自动交换光网络;跨层控制;故障恢复;保护倒换;重路由

1 概述

IP/WDM网络是实现大容量、高速率、智能信息交换的基础网络。目前,随着自动交换光网络(Automatically Switched Optical Network,ASON)技术的普应用以及软件定义光网络技术的发展,宽带光缆网智能化在光层提供了更丰富的网络控制和资源调度手段,但同时也使得IP层和光层上下两层的联合控制和资源调度等问题成为网络性能面临的新挑战[1-3]。尤其在网络发生故障时,如何有效协调各种IP层和光层生存性技术,快速恢复中断业务的传输,是影响网络生存性能的新因素[4]。

层间交互和层间资源分配是影响IP/WDM网络生存性的2个关键因素。层间资源分配问题的研究起步较早,重点解决单一光纤链路故障下的网络生存性问题[5-6],在生存性算法[7-8]等方面成果较多。而在跨层交互控制方面,由于IP层和光层一直采取独立发展的技术路线,因此跨层控制大多采用自顶向上或自底向下的控制方式[9-10],这些控制方式属于静态顺序协同控制,网络恢复中断业务的流程与网络状态无关,通过令牌或定时器触发各层恢复操作。这种跨层控制方式在现有光层非智能化网络或部分智能化网络中性能较好,但随着多协议标签交换、双向转发检测和ASON等技术逐步成熟和推广应用,IP层在原有重路由基础上,新增了快速保护倒换、分段保护等多种业务恢复手段,光层也具备了保护和恢复能力。当双层网络具备丰富的生存性技术组合方案,中断业务可以在光层或IP层得到恢复,而上下层业务恢复存在一定性能差异的情况下,现有静态跨层控制方式存在恢复流程固定、效率低、恢复速度慢等问题,迫切需要研究新的跨层控制技术以改善网络生存性能。

本文提出在IP/WDM网络中引入认知技术,通过动态跨层控制系统,实现业务恢复集中控制与上下层统一资源调度,以增强网络生存性能。

2 认知技术

认知技术是一种动态自适应控制技术,其核心思想是通过引入认知层,使网络具有基于推理和先验知识,根据条件或事件做出适应的能力,使其满足网络优化的目标。目前,认知技术在频谱认知领域具有深入的研究和应用,认知无线电技术是认知技术的典型代表。但需要指出的是,认知技术应用广泛,它并没有限定只适用于互联网、传感器网络等某一种网络,现有网络都可根据需要,通过叠加认知层的方式,实现网络动态认知能力[11-12]。

在IP/WDM网络中,引入认知技术以增强网络生存性能,主要是因为网络中不确定性因素较多,静态控制成为限制网络恢复性能的重要因素。(1)网络业务具有不确定性。网络业务多样化使网络变得更加复杂,尤其是光层ASON网络容量扩大,智能控制能力加强后,网络中业务需求与带宽资源分配之间的可行方案呈指数增长,采用实现规划方式将造成带宽资源的极大浪费。(2)故障不确定性。网络结构复杂化,各层设备类型越来越多,故障点增多,故障不确定性增大。静态控制针对个别故障场景设置的恢复方案在其他故障发生时恢复性能较低。(3)网络状态不确定性。同一故障在不同路由方式、不同流量策略下影响范围不同。固定的生存性策略影响业务恢复性能。因此,将业务生存性目标和智能判决加入网络环境中,通过实时感知的业务状态和网络状态,动态制定网络恢复流程是提高网络生存性的有效途径。

根据智能光网络ASON部署后网络双层控制特征,在现有网络体系架构中引入认知系统,可以加强网络IP层和光层的上下层联合控制。本文采用跨层设计思想进行认知系统设计,着重解决3个方面问题:(1)解决网络资源的自适应性分配问题。网络资源自适应恢复,能够实现业务恢复的IP层路由和光层路由之间的匹配,避免同一业务对IP层和光层资源的冗余占用,减少业务恢复期间网络路由和资源振荡,提高资源分配合理性。(2)解决网络生存性能的动态优化问题。在传统网络中,采用自底向上或自顶向下等单一的恢复方式来恢复故障中断业务,恢复流程在网络规划和建设期就被固定。跨层的自适应性需要适应网络故障状态和业务负载变化,随时调整网络的恢复流程,以动态实时优化网络生存性能。(3)解决多层次联合生存性优化问题。在跨层设计方案中,光层可以与IP层联合优化,例如在光节点发生故障时,部分业务能够通过光层恢复,部分业务必须通过IP层恢复。在IP层和光层之间传递故障控制信息进行联合优化,按业务流量特征分类进行IP层和光层并行恢复,以提高网络整体生存性能。

3 跨层控制系统设计

跨层控制系统是认知技术在IP/WDM网络中的具体实现。在设计过程中,重点解决IP层和光层在网络恢复阶段的协同控制问题,同时兼顾网络信令复杂度。

3.1 基于认知的跨层生存性网络架构

跨层生存性网络采用叠加网络技术,通过引入跨层控制系统实现上下层信息感知、交互及跨层协同控制。基于认知的跨层生存性架构如图1所示。

图1 基于认知的跨层生存性架构

跨层控制系统是实现跨层生存性网络控制的实体。IP层的生存性技术通过IP层的态势感知获取IP业务的相关性能参数,优化IP层业务流量并实现IP层拓扑的最优化;光层的生存性技术通过光网络的态势感知获取光网络传输信道的状态,根据应用层业务的约束变量和IP网络层网络优化的参数设置实现ASON的功能和拓扑最优化。跨层状态信息交互为IP网络层和光传输层提供信息交互通道,实现IP层路由和光层传输的紧耦合。跨层控制策略通过动态协调模式实现应用层、IP网络层和光层的综合控制和协作。

从实现难易程度、信令复杂度以及与现有网络融合性等因素,跨层控制系统采用集中控制模式。集中控制模式即在网络自治域内采用一台计算机实现跨层控制系统,对生存性控制所需的所有信息进行收集、汇聚,并进行集中处理、判断。这种控制模式层间交互信息较少,网络信令代价较低。从控制逻辑的角度分析,跨层控制系统位于IP层和光网络层控制体系之上。IP层和光网络层沿用原有的控制

协议,只对接口进行相应扩展以实现与跨层控制系统的通信,对现有系统改造小,实现较容易。

3.2 跨层控制系统功能组件

跨层控制系统需要采集IP层和光层的拓扑、资源使用状态等信息,并按照用户预先设定的规则,为网络自动选择适当的恢复机制,实现IP层和光层的协同控制功能。由于系统功能较复杂,因此按照模块化设计思想,独立划分出信息数据库、消息处理模块以及协同控制模块三大主要模块,既降低了各模块的实现复杂度,又便于后期各模块按需独立升级,使系统具备良好的可扩展性。

根据跨层控制系统功能需求,系统可进一步细分为8个功能模块:基础数据库,故障消息处理器,恢复消息处理器,协同策略判决器,协同控制器,外部接口,用户管理接口以及用户管理界面等,它们通过内部消息连接起来,具体功能结构如图2所示。

图2 跨层控制系统功能结构

(1)基础数据库

基础数据库的作用是为协同策略判决器提供判决所需的基础信息,包括业务数据库、IP层路由数据库和光层拓扑数据库。

基础数据库保存通过外部接口接收到的业务特征信息、IP层和光层网络状态感知信息,保持与IP层和光层信息实时同步,为协同策略判决器和用户管理模块提供查询功能。

(2)故障消息处理器

故障消息处理器负责对IP层和光层故障信息进行管理,包括对故障信息的收集、处理和发布,是跨层故障信息交互处理的关键模块。

故障消息处理器收到IP层或光层故障信息告警后,将故障信息发送给协同策略判决器,触发跨层协同控制过程。同时,故障消息处理器接收协同控制器的指令,通过向特定层、特定设备发布故障消息,从而触发业务恢复过程。

(3)恢复消息处理器

恢复消息处理器负责收集IP层和光层业务恢复情况,提供给协同控制器,作为协同控制器状态跳转的依据,同时也向用户管理模块提供网络恢复性能的统计信息。

(4)协同策略判决器

协同策略判决器是整个系统的策略中心,它负责根据业务特征、IP层和光层网络状态、故障位置进行综合判决,从预先设计的协同策略模板中选择合适的综合协同方案,以达到基于多约束条件的协同优化控制的目的。

(5)协同控制器

协同控制器是系统的执行者,它根据协同策略判决器提供的协同控制方案,触发各种IP层和光层生存性技术,并通过控制信令负责各层恢复过程在时间上的协调。

(6)用户管理接口

采用上述方法对掘进工作面风筒布置方式及高压外喷雾降尘系统进行优化后，掘进工作面进风侧及回风侧测点处硫化氢浓度及净化效率检测结果见表1。可以看出，经过风筒位置优化后硫化氢治理效率在原有基础的平均值上提高6.3%，进风侧掘进机司机及其后5 m处硫化氢体积分数均降低到了3.6×10-6以下，在调整风筒位置情况下，对外喷雾布置调整后进风侧硫化氢体积分数降低到了1.8×10-6以下，回风侧体积分数降低到了6.1×10-6以下，对硫化氢的治理效率均值达到了95.6%。

用户管理接口为系统提供用户管理功能,通过该接口用户可实现控制、监测、配置等功能。

(7)外部接口

外部接口负责获取故障消息、收集恢复信息、下发协同控制信令等信令功能,是跨层控制系统与IP层和光层控制平面的接口。

3.3 网络恢复流程

在加入认知系统设计后,跨层控制系统网络恢复包括3个阶段:(1)获得网络故障信息、可用路径上的节点和链路的可用资源信息;(2)根据获得的信息,评估各种恢复方案的网络恢复质量;(3)选择最优的恢复方案进行网络恢复。衡量网络恢复方案的质量,最重要的标准是业务恢复时间和全网故障恢复成功率。由于在IP/WDM网络中,恢复振荡主要影响业务恢复速度和效率,因此跨层控制系统重点解决减少业务中断时间的问题。

根据故障影响位置和影响范围,网络常见故障分为光纤链路故障、ASON节点故障、IP层故障3类。光纤链路故障包括数据通道故障、控制通道故障、光纤断裂、激光器故障;ASON节点故障包括光传送节点故障、光汇聚节点故障;IP层故障包括路由器故障、混合故障。为减少业务中断时间,提高网络恢复速度,由跨层控制系统根据故障恢复协调规则触发相应生存性机制,对各类故障分类进行恢复。

网络恢复流程如图3所示。在光纤链路故障时,根据IP层和ASON层所采取的保护恢复类型,网络在跨层控制系统控制下顺序执行保护恢复流程1、保护恢复流程2或者是保护恢复流程3中的2种保护恢复操作;在光层ASON节点故障时,跨层控制系统根据经过该节点的业务情况分别进行IP层和ASON层并行恢复,即以故障节点为源宿汇聚节点的业务将通过IP层进行保护恢复,以故障节点为中继节点的业务采用ASON层的保护恢复动作;在IP层逻辑链路故障和IP层路由节点故障时,即采用IP层的保护恢复动作。

图3 基于跨层控制系统的网络恢复流程

4 性能评估

基于跨层控制系统的IP/WDM网络可根据故障类型、网络状态、业务类型等多个因素综合判断,动态触发适当的网络生存性机制对中断业务进行恢复。与基于自顶向下或自底向上的固定协同策略的网络[6]相比,新系统的应用将显著减少业务恢复过程中的各层路由振荡,缩短业务恢复时间。

为验证跨层控制系统在不同网络故障情况下对网络生存性的影响,选择以下3种常见网络单故障场景进行性能评估:(1)单光纤链路故障:全网仅有一条光纤链路发生故障;(2)单ASON节点故障:全网仅有一个ASON光节点的数据平面发生故障; (3)单IP层故障:全网仅有一台路由器发生故障。

4.2 保护倒换机制下的性能评估

网络为重要业务在光层和IP层均配置了保护倒换机制。对常见网络故障,业务保护倒换的恢复时间如表1所示,其中,Tr为业务恢复时间;TG为光层恢复时间;TI为IP层恢复时间。

表1 常见故障下业务保护倒换恢复时间比较

在单链路发生故障时,光层恢复时间TG为50 ms,IP层恢复时间TI为50 ms。在光纤链路和IP层故障下2种控制方式的业务恢复时间相当,50 ms内完成对中断业务的恢复。而在ASON节点故障下,由于跨层控制系统将不同的中断业务分配给IP层和光层并行倒换,而基于固定延迟时间的多层网络必须自底向上逐层恢复,因此启用跨层控制系统后,业务恢复速度明显加快,可节约50%的时间。2种控制方式下业务恢复时间比较如图4所示。

图4 保护倒换业务恢复时间比较

4.3 重路由机制下的性能评估

网络为尽力而为业务在光层和IP层均配置了重路由机制。对常见网络故障,业务重路由的恢复时间如表2所示,其中,Tr为业务恢复时间;TG为光层恢复的时间;Ti为IP层恢复的时间;T为跨层控制系统的协调时间;THold-off为延迟定时器设置的延迟时间。

表2 常见故障下业务重路由恢复时间比较

考虑最差情况,部分业务因资源不足必须通过IP层重路由方式恢复。其中,THold-off通过配置路由器失效通告抑制参数实现,以思科路由器为例,典型值为2 s,光层恢复时间TG为200 ms,IP层除失效通告抑制时间外的恢复时间TI为500 ms,跨层控制系统的协调时间T为500 ms。在此前提下,基于跨层控制系统的多层网络与基于固定延迟时间的多层网络的业务恢复速度比较,如图5所示。

图5 重路由业务恢复时间比较

基于固定延迟时间的多层网络为确保光层恢复完成后再启动IP层恢复,THold-off≫TG+T。而启用跨层控制系统后,通过基于信令的层间协调机制显著缩短了等待时间。因此,在各类故障情况下,基于跨层控制系统的多层网络恢复速度均显著快于固定延迟时间控制方式的恢复速度。

由上述分析可以看出,基于跨层控制系统的IP/ WDM网络能够显著提高业务恢复速度。由于采用了集中控制设计,有效解决了现有网络控制方式存在的上下层资源抢占和恢复震荡等问题。需要说明的是,由于系统需要获取IP层和光层状态信息,并依据控制判决结果对两层节点进行控制,因此会带来一定的额外信令开销。系统设计之初已考虑此问题,在体系设计时跨层控制系统作为路由器和光节点的邻居,交换状态信息,路由器间、光节点间的控制信息交互与现有网络一致,以此降低信令开销,提高系统的可扩展性。因此,跨层控制系统在提高业务恢复速度的同时并没有引入更多信令负担。

5 结束语

IP/WDM网络的跨层控制问题将成为IP层生存性技术发展和ASON应用过程中亟待解决的热点问题。跨层控制技术会直接影响网络生存性能。本文引入网络认知技术并采用跨层设计方法解决IP/ WDM网络层间协同问题。通过引入跨层控制系统,IP/WDM网络实现了基于状态感知的网络故障恢复,该系统能有效降低控制信令代价,提高中断业务的恢复速度,从而提高网络生存性及网络扩展性。

[1] Simeonidou D E,Nejabati R,Channegowda M.Software Defined Optical Networks Technology and Infrastructure:Enabling Software-defined OpticalNetwork Operations[J]. IEEE/OSA Journal of Optical Communications and Networking,2013,5(10):274-282.

[2] Ghani N,DixitS,WangTS.OnIP-over-WDM Integration[J].IEEE Communications Magazine,2000, 38(3):72-84.

[3] 杨俊杰,曾庆济,叶 通,等.IP智能与WDM技术的融合[J].光通信技术,2003,27(9):22-25.

[4] de Maesschalck S,Colle D,Groebbens A,etal. Intelligent Optical Networking for Multilayer Survivability[J].IEEE Communications Magazine, 2002,40(1):42-49.

[5] 曹毅宁,郑小平,李艳和,等.IP/WDM网络的虚拓扑设计[J].计算机工程,2010,36(5):4-6,9.

[6] Lee K,Modiano E,Lee H.Cross-layer Survivability in WDM-based Networks[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2011,19(4):1017-1025.

[7] 桂兵祥,丰洪才.GMPLS网络中的多元故障传播模型[J].计算机工程,2012,38(4):95-96.

[8] Zheng Q,Gurusamy M.MultilayerProtection with Integrated Routing in MPLS-Over-WDM Optical Networks[M]//Subramaniam S,Brandt-Pearce M, Demeester P,etal.Cross-layerDesign in Optical Networks.[S.l.]:Springer,2013:223-241.

[9] Demeester P,Gryseels M,Autenrieth A,et al.Resilience in Multilayer Networks[J].IEEE Communications Magazine,1999,37(8):70-76.

[10] Hamada E A,Jaafar M H.Multilayer Dynamic Traffic Grooming with Constrained Differentiated Resilience in IP/MPLS-over-WDM Networks[J].IEEE Transactions on Network and Service Management,2012,9(1): 60-72.

[11] 顾成杰,张顺颐,孙雁飞.基于业务感知的认知网络QoS自适应控制技术[J].中兴通讯技术,2011,17 (1):49-52.

[12] 赵 淼,王 辉.瓶颈链路队列长度的网络认知模型[J].计算机工程,2012,38(19):60-63.

编辑 陆燕菲

Design of Cross-layer Control System for IP/WDM Network

CAO Yi-ning,XIE Yong-qiang,XU Bo,WANG Jing-jun
(Network Research Center,Institute of China Electronic Equipment System Engineering Company,Beijing 100039,China)

For the multi-layer control problem in IP/WDM network causing by the independent control of IP layer and optical layer,a cognitive-based cross-layer control system is proposed.The proposed system builds a new cross-layer controller on the original IP layer and optical layer control plane with overlay network design ideas.The controller performs traffic recovery and resource scheduling dynamically in case of network failure.By the enhancement of the information sharing,like traffic features,the usage of bandwidth,the state of network failures,the new system achieves a state-based recovery capability,and solves the problem of resource preemption and recovery concussion.Performance evaluation shows that this system accelerates recovery speed with limited signaling cost,and achieves better network survivability.

IP/WDM network;Automatically Switched Optical Network(ASON);cross-layer control;failure recovery;protection switching;rerouting

1000-3428(2014)09-0087-05

A

TP393

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.09.018

国家部委基金资助项目。

曹毅宁(1982-),女,工程师、博士,主研方向:IP/WDM网络;谢永强,研究员、博士;许 波、王京军,高级工程师、硕士。

2013-07-30

2013-10-09E-mail:cyn00@mails.tsinghua.edu.cn