基于FlexE的大规模多域光网络跨域路径计算策略

孙续航 吴宇 孙凤

摘要：随着多域光网络规模的不断扩大，跨域路径计算的需求量会增多、复杂性会提高，并且考虑域间多个资源参数约束的最小二乘拟合计算策略会造成计算效率降低。针对上述问题，提出在分层路径计算单元（H-PCE） 架构的基础上，结合灵活以太网技术（Flexible Ethernet， FlexE） ，通过拓扑聚合将复杂的多域光网络抽象为简单的虚拟拓扑，域内PCE使用Dijkstra算法来计算域内路径并向父PCE反馈，父PCE根据FlexE的技术约束执行多商品流计算策略计算域间路径。实验结果表明，所提策略可以有效降低大规模多域光网络路径计算时间。

关键词：多域光网络; 路径计算单元; 灵活以太网; 拓扑聚合; 多商品流

中图分类号：TN91        文献标识码：A

文章編号：1009-3044（2022）10-0006-03

1 引言

网络域是在地址管理或路径计算共同范围内的网元的集合。 在大规模的多域光网络中，由于域内的隐私性和网络的可扩展性，拓扑信息和流量工程不会向其他域公布，路径计算复杂、路由器计算能力受限并且可能需要特殊的组件完成指定计算，同时还存在需要多域网元相互协作的问题。在这种背景下，IETF提出路径计算单元（PCE） ，PCE是一个能够基于已知的网络拓扑进行有约束的路径计算的实体[1]。

随着光网络的迅速发展，传统的以太网接口渐渐无法满足光通信的需求，底层光传输网络的链路速率、接口和模块固定，需要调整以适应各种传输需求。FlexE是在传统以太网技术的基础上，满足带宽配置灵活和高速率传输等需求提出和发展的。FlexE虽然可以适应灵活多变的大规模多域光网络，但是依然存在路由资源分配低效而导致网络性能低下的问题。文献[2]考虑在一个DWDM域中利用贪心算法解决长序列整数线性规划问题，从而得到业务流的最佳分配。文献[3]提出在多域网络中利用最小二乘拟合圆的方法，计算域序列并分配业务流。PCE在上述方案中无法满足大规模多域网络的路径计算请求，随着网络域的增多，PCE性能下降显著。因此，本文提出采用分层PCE（H-PCE） 架构，父PCE（p-PCE） 负责全局路径计算，其流量工程数据库（TED） 掌握全局拓扑的抽象资源信息，子PCE（c-PCE） 负责域内路径计算，并使用拓扑聚合的方式以减少p-PCE的计算压力。针对路径计算提出一种基于多商品流问题（MCFP） 的计算策略，考虑域间链路的时延和可用链路（PHY） 的个数，确定最佳域序列，减少FlexE group的候选FlexE tunnel的个数，进一步提高p-PCE的计算性能。

2 多域光网络FlexE路由模型

2.1 多域光网络拓扑聚合

2.1.1 多域光网络模型

本文采用H-PCE一般架构描述多域网络路径计算模型，位于编排器中的TED掌握全局拓扑的抽象资源信息，p-PCE负责根据TED进行全局路径计算， TED掌握全局拓扑的抽象资源信息，而 c-PCE只负责本域路径计算，并将本域的抽象资源信息上传给编排器的p-PCE，如图1所示。

2.1.2 灵活以太网FlexE

FlexE是OIF组织基于IEEE802.3/1制订的标准体系架构的扩展研究，它基于OSI七层模型在PHY层和MAC层之间增加了shim层，使得MAC层与PHY层的数量从单一的1：1关系变为m：n的关系，实现MAC和PHY的解耦，MAC层带宽不再受限于单个以太网PHY通道的带宽。FlexE shim可以将FlexE client（一种基于MAC数据速率的以太网流） 映射或反映射到FlexE group中[4]，如图2所示。

FlexE可提供三种主要的功能：

捆绑（Bonding）：与链路聚合相似，FlexE支持将多个PHY捆绑，因此，节点间多路PHY可以看作是一条大容量的链路（FlexE group） 以实现链路扩容。例如，将2个100G的PHY捆绑实现200G的FlexE client。

通道化（Channelization）：多路低速率FlexE client共享一路或者多路PHY。例如，在100G PHY上承载25G、35G、20G与 20G的四路FlexE client，或者在三路 100G PHY上复用承载125G、150G与 25G的FlexE client。

子速率（Sub-Rate）：单一低速率FlexE client共享一路或者多路PHY，并通过特殊定义的Error Control Block实现降速工作。例如，在100G PHY上仅仅承载 50G FlexE client。

2.1.3 拓扑聚合

拓扑聚合是解决大规模多域光网络可扩展性和安全性问题的动力之一[5]，其基本原理是聚合域内的拓扑信息并通知其他域，在减少域间交换信息的同时，有效地保证域内隐私性。目前，现有的拓扑聚合方式包括：单节点聚合、星型聚合、全网格聚合等方式[5]。单节点聚合可扩展性强，但没有显示域内可用资源;星型聚合方式中，所有边界节点连接到一个域内虚拟节点，星型分支可以描述可用资源及穿越网络的成本;全网格聚合方式中，域内所有边界节点互连，每一条域内虚拟链路可以描述边界节点之间的可用资源，但可扩展性差。

本文关注虚拟拓扑的域间链路，域间链路两端节点支持FlexE，而域内信息由c-PCE提供，因此选择单节点聚合方式。如图3所示，图1的多域网络经过单节点聚合方式得到该虚拟拓扑，p-PCE只需要考虑虚拟域节点的拓扑结构进行路径计算，进而提高计算性能。

2.2 多域光网络路径计算

跨域路径计算可通过反向递归路径计算协议BRPC实现[6]，但是需要在全局域序列的基础上进行。同样，经过拓扑聚合得到虚拟域拓扑，PCE也需要选择最优的域序列，并考虑链路的权值（通常是QoS值） 来优化多域光网络性能。链路权值在光网络领域通常只考虑一个因素（例如，最短链路或链路的波长数） [2]。然而，这会导致路径计算后大量业务流经过相同链路，造成网络拥塞和生存性较差的问题。在多域光网络中，为了实现网络业务的低阻塞率，可以考虑域间链路的两个权值，即：链路时延w和域间链路可用PHY的数量n，选择最优域序列，从而降低网络阻塞率。解决上述问题可以采用基于最小二乘拟合的计算策略[7]或阶梯拟合策略[8]，但是随着网络域的增多，PCE性能下降显著。对比上述策略，本文提出线性规划方法选取最优路径，并分配业务流。

2.2.1 最小二乘拟合策略

每一条域间链路i都带有一对权值（wi， ni），所有链路的权值可以看作是多个点分布在直角坐标系平面内。每个域序列存在一条由域间链路组成的FlexE tunnel，pm表示第m个域序列的FlexE tunnel，Im表示第m个域序列包含的域间链路集，pm是一个带有域间链路权值的点集，即：

[pm ={（wi， ni）|i∈Im} ]                （1）

每一个域序列点集可以近似地落在一个圆上，并且圆的半径和圆心可以利用点集计算得到，利用最小二乘法分析可以最小化误差，进而可以将多个点拟合到一个中心点来表示該点集的平均值。例如，一个域序列包含三条域间链路（w1， n1）（w2， n2）（w3， n3），可以利用最小二乘拟合圆，得到拟合圆的圆心（wc， nc）。通过公式（2）可以得到每个域序列的wc值并比较，该值最大所表示的域序列是最优域序列。

[Ac = nc - α · wc]            （2）

α是一个调节因子，用来调节PHY的数量与链路时延的比例，实现链路两个权值的比例公平。选择Ac值最大的域序列作为最佳FlexE tunnel。

由此，同时考虑了域间链路时延和可用PHY的数量，能够更好地降低域间发生阻塞的概率。

2.2.2 多商品流优化策略

多域光网络选择最佳路径可以看作是多商品流优化问题（Multiple Commodity Flow， MCF） [9]，即为FlexE group中的FlexE client选择FlexE tunnel。考虑FlexE tunnel的两个权值，最佳FlexE tunnel需要尽量保证最大域间PHY数量的同时降低链路时延。MCF如下：

[Maximize   ∑p∈P[ （1-θ） · fp - θ · fp · wp]]        （3）

[S.t.   minj∈Jd{dj}≤ ∑p∈P fp  ≤ ∑j∈Jd dj]            （4）

[∀i∈Im： 0 ≤ ∑p∈P fp  ≤ cphy · niphy ]             （5）

fp 表示第p个tunnel的业务流分配;wp表示第p个tunnel的时延（第p个tunnel内每条域间链路的时延和） ;θ是一个常数，且0 < θ < 1;cphy表示每个PHY的容量，niphy表示第p个FlexE tunnel内第i条域间链路的PHY的数量。约束（4）表示第p个FlexE tunnel内的流量不能超过总业务流需求，避免对PHY数量过度预定。约束（5）表示第p个FlexE tunnel内的流量不能超过每条域间链路的容量。

2.2.3 FlexE client分配算法

选取FlexE tunnel后，需要为每个FlexE client分配tunnel，由于接收端FlexE shim无法补偿不同光路的PHY带来的时延偏差，因此FlexE client必须执行共路约束[8]，即：每一个FlexE client只可以分配给一个FlexE tunnel。但是由于FlexE通道化特性，一个FlexE tunnel可以承载多个FlexE client。算法1描述了FlexE client的分配，保证了FlexE的共路约束。

[算法1：FlexE client分配算法 输入：候选FlexE tunnel，FlexE client，链路集Im

输出：FlexE client分配

1. s_Client ← 按大小对FlexE client降序排序

2. Cp ← 求得每一个FlexE tunnel的容量

3. for s∈ s_Client do

4.     for t∈ FlexE tunnel do

5.         if  s≤ Cp then

6.             s分配给t;

7.             rp，i ← 求出p对应链路的剩余容量;

8.             if  rp，i ≤ 0 then

9.                 删除链路i对应的所有候选FlexE tunnel;

10.             end if

11.         end if

12.     end for

13. end for ]

2.2.4 PCE路径计算算法

（1） 源节点的路径计算客户端（PCC） 收到业务连接请求后，将此请求转给本域的c-PCE，判断目的节点是否在同一域。如果是，使用Dijkstra算法来计算域内路径。否则，c-PCE将该请求转移到p-PCE。

（2） p-PCE收到路径计算的请求后，将拓扑聚合机制的请求转给所有c-PCE。在收到请求后，c-PCE将虚拟域节点信息和域间链路的状态发送给p-PCE。p-PCE根据上述信息更新TED。

（3） p-PCE找到目的节点的域并向源域和目的域的c-PCE发送路径计算指令。p-PCE根据TED维护的虚拟拓扑信息和本地计算策略，计算出一个最佳域序列。p-PCE根据域序列的信息向各个域的c-PCE发送路径请求信息，并分别计算出各域的详细路径信息。当每个域的路径计算完成后，每个路径片段被发送到p-PCE。p-PCE根据本地策略和约束条件选择符合条件的最优路由，并将其发送给源域的c-PCE。

（4） 信令协议RSVP-TE从源节点开始，逐跳为连接保留资源。如果所有链路都有足够的可用波长，则建立路径。否则，业务被阻断。

3 实验结果与分析

3.1 多域光网络拓扑实验模型

实验选择将多域网络进行网格化处理，c-PCE掌握域内拓扑信息并将本域虚拟为一个单节点反馈给p-PCE。如图4所示，一个4阶多域网格拓扑，p-PCE掌握源域S和目的域D以及全局域拓扑的资源信息。

3.2 结果与分析

实验将网格阶数作为变量，在各个阶数网格虚拟拓扑上，记录并对比最小二乘拟合策略和多商品流计算策略的p-PCE计算时间，实验结果如图5所示。随着网格阶数的增加，最小二乘拟合圆计算策略的计算时间增长趋势近似于指数型，而多商品流策略的计算时间增长趋势近似于线性增长。小规模多域网络（Mesh order ≤ 5） 中，执行两种策略的p-PCE计算效率大致相同;而对于大规模多域光网络，多商品流计算策略可以满足超低时延的计算需求。

4 总结

本文提出了基于分层PCE架构下，利用可以提供高带宽的灵活以太网FlexE技术，进行多域光网络路径计算，并对比最小二乘拟合策略，提出多商品流优化策略。通过对不同规模的多域光网络进行建模实验，发现对于大规模多域光网络，多商品流计算策略可以满足超低时延的计算需求，随着网络规模的不断扩大，最小二乘拟合策略计算时间呈指数型增长，p-PCE计算效率下降，网络阻塞率会迅速升高。实验并未给出网络阻塞率的对比结果，此将会在未来工作中进行。

参考文献：

[1] Farrel A，Vasseur J P，Ash J.A path computation element （PCE）-based architecture[EB/OL].https：//www.ietf.org/rfc/rfc4655.txt.

[2] Eira A，Pereira A，Pires J，et al.On the efficiency of flexible Ethernet client architectures in optical transport networks[J].Journal of Optical Communications and Networking，2018，10（1）：A133-A143.

[3] Zhou H S，Song X Q，Lin L，et al.Multi-domain routing technology based on PCE for intelligent optical networks[C]//2017 6th International Conference on Computer Science and Network Technology （ICCSNT），2017：415-419.

[4] The Optical Internetworking Forum. Flex Ethernet 2.1 Implementation Agreement [EB/OL]. https：//www.oiforum.com.

[5] Chamania M，Jukan A.A survey of inter-domain peering and provisioning solutions for the next generation optical networks[C]//IEEE Communications Surveys & Tutorials.IEEE，2009：33-51.

[6] Vasseur JP. A Backward-Recursive PCE-Based Computation （BRPC） Procedure to Compute Shortest Constrained Inter-Domain Traffic Engineering Label Switched Paths [EB/OL]. https：//www.ietf.org/rfc/rfc5441.txt.

[7] 吳大鹏，张磊，吕翊，等.大规模多域光网络中带有多参数拟合的跨域路径计算策略[J].上海交通大学学报，2015，49（2）：209-213.

[8] The Optical Internetworking Forum. FlexE neighbor discovery implementation agreement [EB/OL]. https：//www.oiforum.com.

[9] Koulougli D，Nguyen K K，Cheriet M.Efficient routing using flexible Ethernet in multi-layer multi-domain networks[J].Journal of Lightwave Technology，2020，39（7）：1925-1936.

【通联编辑：代影】

收稿日期：2021-11-17

基金项目：南京信息职业技术学院校级基金项目资助（YK20200802）

作者简介：孙续航（1995—） ，男，山东烟台人，硕士研究生，主要研究方向为软件定义网络与网络功能虚拟化;吴宇（1986—） ，男，助教，硕士;孙凤（1986—） ，女，讲师，博士。