智能光网中的联合路由

刘继民　刘华　曾庆济　黄俊
　　摘要　在IP/MPLS智能光网络中的LSP路由分为独立路由和联合路由两类。由于综合考虑了光层和IP层的可用资源信息和拓扑信息，联合路由能够提供比独立路由方案更高的资源利用率。文中提出了联合路由算法的设计目标，综述了联合路由算法的研究现状，并给出了下一步的研究方向。

　　关键词　联合路由　独立路由　智能光网　GMPLS

　　1　引言

　　近年来数据业务在快速地增长，这就要求底层的传输网络能够快速地提供高带宽而且有可靠的传输通道。光网络中所建立的光路，即在网络的边缘接入设备之间建立的全光通道，提供的带宽一般可达到2.5G、10G甚至40G，如此大的带宽只有通过低速业务的复用才能提供带宽的利用效率。LSP业务流的带宽粒度可以是任意的，多条LSP能够复用到一条光路上传送。为一条LSP请求寻找路由的问题称为lsp路由问题。

　　通常典型的LSP路由方案是将在光层和IP层上的路由分别处理，即IP/MPLS层的路由独立于光层波长路由，称之为独立路由，在WDM网络上的路由与波长指派的问题（RWA）与LSP在 IP网络上的路由问题分别解决。光层波长路由建立准静态的逻辑拓扑，即IP/MPLS层看到的网络拓扑，IP层业务的路由将在它上面进行。光层的RWA问题已经得到了深入的研究。仅考虑IP层拓扑和资源信息的LSP路由算法已经得到了广泛的研究，典型的算法有最宽－最短路径（widest-shortest path）路由、最小冲突路由（Minimized Interference routing）和负载相关加权的最短路径算法。

　　另一种同时在IP和WDM网络上解决路由问题的方法，被称为联合路由方案。联合路由在为LSP寻找路由时，不仅考虑IP网络的拓扑及资源占用信息，而且同时考虑WDM网络的物理资源占用信息，与独立路由方案相比它更能够提高网络资源的利用效率。

　　2　联合路由方案

　　联合动态路由算法比在静态逻辑拓扑上实现IP层动态路由算法更能适应IP层业务模式的变化。由带有光扩展的OSPF-TE路由协议和GMPLS信令协议CR-LDP或RSVP-TE组成的Generalized MPLS(GMPLS)控制平面能够在光网中动态建立波长通道。带有光扩展的OSPF-TE路由协议能够搜集并向结点发各条链路上的波长占用信息以及各条光路上的带宽利用信息。路由算法将根据ip层的链路剩余容量和光层的可用波长信息进行路由计算，可以降低因网络资源不足而被拒绝的请求数量。

　　联合路由需要解决的关键问题有：

　　*当一个请求到达时，是否能够在现有的网络拓扑上路由？如果可以路由，什么样的路由才是最佳的？选择路由的目标是网络能够容纳尽量多的请求。

　　*如果需要建立新的光路，它们要经过哪些路由器？

　　*光网络如何为这些新的光路寻找最佳的路由？

　　联合路由方案需要满足下列设计需求：

　　*必须使用在线路由算法。因为所有需要路由的LSP事先已知，没有未来的LSP请求到达。如果有新到达的LSP请求需要路由，可能要求现有的LSP重新选路，才能够给新LSP提供足够的带宽资源。而原则上，除了链路或结点发生故障和重新优化网络过程之外，一般不允许现有LSP进行重路由。因而联合路由方案要求采用在线路由算法为将要到达的LSP请求寻找路由，而不影响现有的LSP。

　　*利用LSP入口－出口路由器信息。即使未来的带宽需求完全未知，LSP潜在的出口与入口边界路由器集合事先已知。尽管所有的入口/出口路由器都可能是潜在的LSP入口和出口，在设计的算法中考虑任何关于入口/出口对的可用信息，而没有必要必须假定每个网元都是潜在的入口和出口点。考虑利用现有的入口/出口路由器的可用信息，可能大大地减小求解最佳路由算法的规模。

　　*高效使用网络资源。研究在线联合路由算法性能量度是对未来到达请求没有任何假定的情况下，被拒绝的请求数目最小，即呼叫阻塞概率最小，或者网络吞吐量最大，即网络能够容纳的请求数目最大。

　　*链路故障时可获得更好的重路由性能。这是一个重要的性能参数。当一条链路或结点出现故障时，必须尽可能多的为经过此链路或结点的LSP寻找备用路由。如果在出现故障之前，某些入口和出口路由器之间没有可用的剩余容量，就不可能实现在它们之间的LSP的重路由。

　　*业务不能分流。尽管在多条LSP上切分业务可以实现负载平衡，但因为业务内在的特性是不能切分的，以任意的方式切分业务是不允许的。因此，算法必须在给定的边界路由器对之间路由期望有带宽请求，而不能够分切业务，尽管这样做可能获得更佳的资源利用率。

　　*可计算性需求。仅IP层的路由问题就已经是NP-hand问题了，联合路由包括了IP层路由问题只能考虑启发式或者近似算法，它们必须在路由器或在路由服务器上可实现，在一个可接受的时间预算内得到结果。

　　*分布式实现的可行性。入口路由器无需与路由服务器通讯就能够本地计算LSP请求经过网络的显式路由，因此，笔者希望可以限定路由协议所获得的网络资源动态信息的数量，减少计算时所需的数据量。联合路由算法使用拓扑信息和链路上的剩余容量信息。即使保证带宽最小路由需要同样的信息。在OSPF区域内，拓扑信息可以从链路状态数据库中获取，而剩余容量则要由带有流量工程扩展路由协议提供，光层上的光路信息则要通过带有光扩展的路由协议提供。另外，算法要用到入口和出口对的可能集合，这个集合是准静态的已知信息。
　　*有用信息聚集。如果可能，笔者希望算法能够生成入口－出口路由器之间的可用带宽信息。

　　*重优化。在线路由必须允许现有LSP的路由重新优化。尽管并不允许经常进行LSP重路由，但偶尔对现有LSP进行重路由将能够使网络承载更多的业务。这个优化过程是可行的，因为在线路由选择算法所用的信息比可用信息少，优化器知道已建立的LSP的集合。而这种优化不能够使用离线算法，因为它同时还要考虑未来业务需求。如果期望偶尔优化过程，在线算法的路径选择目标一定是暂时优化。

　　*策略约束。算法必须能够加入通用的策略约束，如链路类型和指定LSP容许经过的路由器。

　　*QoS业务需求。由于LSP能够承载的业务具有不同的QoS需求，不同qoS需求的业务对于路由有着不同的要求，可能将会沿着不同的路由传送。通常实际业务分为三类：首要服务类（EF）和确保服务业务（AF）以及尽力而为业务（BE）。首要服务类一般都是实时业务，对业务经过的路由有相当严格的要求；AF相对EF业务而言，对时延并不敏感，要求路由满足的条件相对宽松。而BE业务对路由并没有特别约束，只需要尽可能多地传送。为了保证数据流端到端的QoS性能，进入网络的数据包根据业务优先级在入口路由器进行分类，与不同的路径对应，每条光通道都传输都包含相同服务类型的业务。

　　*LSP的优先级需求。在线路由算法必须要考虑LSP的优先级需求。这里考虑三种优先级的业务，白金、黄金和黄铜业务，其中白金业务的优先级最高，黄金业务次之，黄铜业务最低。算法应当可以扩展到多优先级的情况。

　　3　约束联合路由算法

　　假定所有的LSP请求发生在部分路由器对之间，这部分路由器预先可知，每个LSP建立请求都是由路由服务器确定LSP的显式路径，这些请求先到达入口路由器，然后再由入口路由器向路由服务器查询生成显式路由返回入口路由器，并通过RSVP-TE或CR-LDP信令协议建立到出口路由器的路径。为了计算显式路由，路由服务器需要确定网络当前的拓扑与IP层和光层的可用容量信息，这可以通过在所有的结点上运行进行适当扩展的链路状态协议来实现。

　　MOCA算法将光网看成是分为多层图，每层图只传送一个波长，已建立的光路在图中被认为是一条跨弧。对于一个入口/出口边界路由器对来说，某些链路属于关键链路，一旦占用这些链路会影响到未来连接请求的资源分配，因此，最好使路由后的入口/出口对之间的剩余容量最大。MOCA的关键思想是选择不会太影响其它入口/出口对潜在请求的路径，使剩余容量最多。每次路由完成后，MOCA算法都将重新计算分层图中每条链路（包括逻辑链路和物理链路）的权重。

　　集成最小跳算法（IMH）与MOCA算法相比，IMH算法同等对待所有链路，所有链路的权值都是1。当请求数增加时，MOCA算法得到的最大流数值高于IMH算法；对于40和80条请求依次到达的情况，应用MOCA算法要比IMH算法所被阻塞的请求少。然而MOCA算法对与动态独立路由算法的阻塞概率进行比较，结果没有明确给出联合路由算法在资源利用率上比动态独立路由算法好的量化，这需要进一步的研究。另外，MOCA算法没有考虑LSP请求的业务优先级约束，因而考虑业务优先级的MOCA算法扩展也是一个有意义的研究动向。

　　在波长路由网络中多服务业务传输的机制和离线/在线的TE路由算法以满足不同的QoS需求，它通过使用线性规划方法寻找使整个路径上的时延，其中包括包交换层引入的包处理时延，这个机制能够通过高效地使用可用波长在光网中提供更好的时延QoS性能。仿真实验表明，与最短路径优先算法（SPF）相比，考虑QoS业务的时延约束和业务的优先级能够降低呼叫的阻塞率并降低与业务时延。入口边界路由器将根据LSP请求的QoS需求，确定它经过的路径。例如，当一个LSP业务请求要求建立显式路由，网络将会配置一条虚路径并更新网络的状态；如果无法找到期望合适的显式LSP，这个请求将被阻塞或者抢占最小数目的低优先级业务占用资源。对于多优先级业务的联合路由算法还可以深入研究。

　　4　结束语

　　本文着重研究了智能光网中LSP的路由问题，问题的求解可采用独立路由方案或联合路由方案，但后者能够提供比前者更高的资源利用率。联合路由方案通过综合IP层的带宽资源信息和光层的波长占用信息，可以充分利用网络资源，降低网络呼叫的阻塞概率。本文着重介绍了MOCA和IMH以及考虑时延约束的显式路径算法，但这方面的研究还需要进一步的深入。

摘自《通信技术》