解析光網絡的動態(tài)特性與可擴展性
光網絡作為信息社會主要通信網絡，其所承載的業(yè)務已經由傳統(tǒng)語音業(yè)務擴展到包括數據業(yè)務、移動語音和電視廣播業(yè)務在內的多個通信業(yè)務領域，成為所有通信系統(tǒng)所依賴的主干通信系統(tǒng)，在信息社會中扮演著基礎通信的核心角色。
光網絡的發(fā)展可以劃分為兩個階段。第一代光網絡以點到點傳輸技術的研究為主要內容，圍繞通信網絡中線路傳輸能力的提高進行研究，取得了大量的研究成果。其代表技術為波分復用(WDM)技術，現在已經達到單光纖25.6Tb/s的傳輸速率，基本解決了網絡單線路對于通信容量和可靠性的需求。然而，第一代光網絡并沒有解決光網絡組網的問題，信息傳送仍然受到網絡節(jié)點光電轉換和電處理能力的制約，光網絡的組織結構停留在靜態(tài)光網絡的階段。
第二代光網絡在第一代光網絡基礎上，重點研究光網絡的光組網、智能控制等問題，其研究原動力來自業(yè)務多樣性的發(fā)展和光交換技術的進步。在第二代光網絡的研究中，網絡的動態(tài)特性和可擴展性一直是研究的重要內容。為了適應多種業(yè)務的突發(fā)性和靈活性，滿足多種類型業(yè)務的動態(tài)需求，提供自動的保護和恢復功能，光網絡需要動態(tài)地改變網絡配置和組織，高度靈活和智能地實現傳輸資源的配置，從而經濟有效地完成多業(yè)務的傳輸。因此，在光網絡中引入動態(tài)控制和智能控制就成為必然選擇。與此同時，光網絡已經在很大范圍內取得成功應用，光網絡動態(tài)變化的復雜性大大增加，這使得光網絡控制管理算法、策略和信令的性能隨著網絡規(guī)模的擴大可能出現惡化，光網絡可擴展性越來越大地影響光網絡整體性能，因而成為研究人員關注的重要內容。
光網絡的動態(tài)特性
光網絡發(fā)展到第二代，由于承載業(yè)務的變化和光層交換技術的發(fā)展，逐步由靜態(tài)光網絡走向動態(tài)光網絡。網絡之所以引入動態(tài)機制，其重要目的是實現網絡的智能化，從而減少光網絡運營過程中的管理成本，提高網絡資源使用效率和網絡可靠性。這種動態(tài)性集中體現在網絡啟動過程中自動對網絡元件進行初始化，在網絡運營過程中針對業(yè)務模式進行動態(tài)的資源分配和業(yè)務管理，在發(fā)生故障時自動進行業(yè)務恢復工作3個主要方面。
在動態(tài)光網絡的研究中，自動交換光網絡(ASON)具有代表性。ASON的體系結構已經由國際電信聯(lián)盟制定了詳細的標準體系。與此同時，由IETF提出了以廣義標簽交換(GMPLS)為核心的系列標準草案系列，也為自動交換光網絡的具體實現規(guī)劃了切實可行的技術解決方案。在ASON中，在原有光網絡傳送平面和管理平面之外，引入智能化的控制平面，將網絡自動控制納入網絡體系結構，在控制平面實現了動態(tài)的資源配置、智能化的業(yè)務請求處理等功能。控制平面的引入具有重要的意義，標志著光網絡由靜態(tài)向動態(tài)和智能的轉變。其中數據通信網(DCN)作為管理消息和信令消息的傳輸網，在網絡動態(tài)過程中發(fā)揮了信令網絡的重要作用。
從網絡對IP業(yè)務的適應和承載能力出發(fā)，研究人員又提出了一種兩層網絡體系結構——IP-over-WDM體系結構。IP-over-WDM體系結構將原有的較為復雜的IP層到WDM層逐步映射的網絡結構簡化為IP直接構建在WDM光層之上的兩層結構。ASON和IP-over-WDM并不是獨立的兩種網絡體系結構，它們具有相似的控制平面和業(yè)務傳輸過程。后者在前者的基礎上提出了業(yè)務結構分層的問題，是面向IP業(yè)務的體系，可以認為是ASON的一個改進。這兩種體系的光網絡都具有動態(tài)光網絡的典型特征。
光網絡自動啟動
第一代靜態(tài)光網絡的啟動過程需要進行復雜的網絡配置，包括節(jié)點光電交換線路的連接方式、上下話路配置、光交叉互聯(lián)配置和路由表的初始設置等。在第二代光網絡中，通過自動啟動機制，實現了節(jié)點、鏈路等網絡資源的自動發(fā)現，并以此為基礎實現路由表的自動初始化。
自動發(fā)現是光網絡通過信令協(xié)議實現網絡資源的自動識別。自動發(fā)現包括網絡資源和網絡業(yè)務的自動發(fā)現兩個方面，后者在IP-over-WDM網絡體系中十分重要。因為業(yè)務的情況決定著光通道建立的情況以及虛拓撲的狀態(tài)，這對IP業(yè)務的路由具有重要的意義。自動發(fā)現不僅僅發(fā)生在網絡啟動時期，在整個網絡運行過程中，隨著網絡節(jié)點或者鏈路資源的變化，自動發(fā)現機制仍然起著重要作用，在此基礎上實現了網絡拓撲的發(fā)現和狀態(tài)的更新。
光網絡動態(tài)運行
現有光網絡所承載的業(yè)務基于有連接的電路交換，動態(tài)建立和拆除業(yè)務通道的過程是動態(tài)光網絡信令的核心內容。關于業(yè)務建立和拆除過程，研究普遍關注業(yè)務建立和拆除的成功率或失敗率。在動態(tài)光網絡中，對于網絡資源已經被大量占用情況下的網絡性能，一般以阻塞率來衡量。光網絡中的阻塞是指業(yè)務請求沒有得到正確的資源分配或路徑建立發(fā)生錯誤，從而停止接納某一業(yè)務的過程，也就是建立路徑失敗的過程。
另一個重要的動態(tài)特性是信令過程消耗時間。在網絡中，呼叫和建立的時間是不傳送數據的，因此希望該時間越短越好，從而能夠適應快速變化的業(yè)務需求。建路或拆路的信令過程所經歷的時間是度量網絡動態(tài)特性的重要指標。針對自動交換光網絡，ITU-T專門制定了相應的信令協(xié)議標準。
光網絡動態(tài)恢復
光網絡業(yè)務的動態(tài)恢復涉及網絡生存性設計。網絡的生存性定義為在網絡中出現業(yè)務失效后仍然能夠持續(xù)提供業(yè)務供給的能力。在光網絡中，一個完整的生存性體系應該包括4個部分:故障的發(fā)現、定位、聲明和解除。故障發(fā)現是動態(tài)生存性機制的第一步。光網絡以自動發(fā)現機制實現網絡故障的發(fā)現、定位和報告功能。自動發(fā)現模塊檢測到故障發(fā)生后，對網絡狀態(tài)進行路由域內的通報，從而為全網發(fā)送故障位置以及其他基本狀態(tài)。在動態(tài)光網絡中，對故障導致的業(yè)務失效進行動態(tài)的快速恢復是網絡生存性的主要體現。其解除故障的方法主要包括保護策略下的快速倒換和恢復策略下的重新路徑選擇。對于保護策略而言，動態(tài)光網絡只需要在故障檢測后倒換相應的光開關。而對于恢復策略，網絡必須對故障檢測后的網絡狀態(tài)進行重新評估，得到由于故障更新過的網絡狀態(tài)信息，在此基礎上重新路由，以實現相應的通道恢復或鏈路恢復。 #p#
動態(tài)光網絡的可擴展性
隨著光網絡規(guī)模的進一步擴大和動態(tài)要求的進一步提高，光網絡的可擴展性越來越受到研究人員的重視。可拓展性可以定義為網絡某一性能隨網絡規(guī)模擴大而惡化的情況。在動態(tài)光網絡中，路由協(xié)議的收斂性能、信令網的流量、對故障的響應等性能都可能隨網絡規(guī)模的擴大而快速惡化。對于一般網絡，為了解決其可擴展性惡化的問題，主要可以從兩個可能的方向改善：一是網絡狀態(tài)的簡單化，二是采用合理的分層分域結構。
光網絡核心路由器狀態(tài)的簡化
光網絡核心路由器狀態(tài)的簡化，意味著網絡狀態(tài)交互信息的減少和網絡狀態(tài)廣播內容的大量精簡，因此可以大大提高網絡的可擴展性。從這個角度出發(fā)，無連接的光分組交換(OPS)和光突發(fā)交換(OBS)具有較好的可擴展性。
光分組交換
分組交換光網絡大大減少了實現光網絡主干網所需要的網絡狀態(tài)，實現了統(tǒng)計復用的光分組交換網絡，能實現光層上精細粒度的分組交換，提高了資源利用率，適合傳輸IP突發(fā)數據。其路由器過程包括對分組包分析、存儲和轉發(fā)。路由器只需要通過準靜態(tài)網絡狀態(tài)消息構建的路由表就可以實現分組的交換結構。然而，光存儲技術目前還沒有成熟，光分組交換在一段時間內還不可能進入工程應用。
光突發(fā)交換
光突發(fā)交換網絡結合了光電路交換和光分組交換各自的優(yōu)勢。在光突發(fā)交換網絡中，控制信道和數據信道是分離的。網絡首先在邊緣節(jié)點將比較小的IP分組組裝成一個大的突發(fā)分組，在發(fā)送突發(fā)分組前，通過控制信道預先發(fā)送一個控制分組在途經的每個核心節(jié)點預約資源，一定的偏置時間后，節(jié)點再發(fā)送突發(fā)數據分組。這種機制避免了光電路交換路由器狀態(tài)的長期維護，適應IP業(yè)務突發(fā)性強的特點，是在OPS技術成熟前一種可行的增強光網絡可擴展性的交換結構。
光網絡分層分域
在現有光網絡電路交換為主要交換結構的模式下，為了提高網絡可擴展性，將現有的網絡分層和分域，構建較小的路由域，可以有效地減少由于網絡規(guī)模擴大帶來的動態(tài)性能的惡化。該技術中最重要的機制包括網絡路由域的劃分、分層結構的劃分與動態(tài)管理、業(yè)務請求的分層多域路由以及網絡信令過程。以自動交換光網絡為例，采用分層分域結構的光網絡可以有效地降低信令開銷，提高網絡的可擴展性。清華大學ASON試驗平臺上實現了分層分域路由和信令系統(tǒng)，通過在平臺上的測試，采用分層分域可以有效地減少信令信息的流量，間接證實了分層分域可以提高網絡可擴展性。
光網絡動態(tài)特性與可擴展性的內在聯(lián)系
光網絡動態(tài)特性是光網絡智能化的體現，光網絡智能來自于每一個節(jié)點都擁有足夠的網絡信息而成為智能光節(jié)點。從網絡智能的角度看，這種網絡狀態(tài)信息越充分，通過各種算法達到網絡最優(yōu)情況的可能性越大，光網絡所體現出來的智能性就越強。因此，靈活而智能的光網絡傾向于網絡狀態(tài)的多樣化和復雜化，傾向于充分的網絡狀態(tài)信息在各個節(jié)點之間的交互。
網絡的可擴展性是網絡本身基本特性之一。在網絡中，網絡狀態(tài)參數越多，在節(jié)點間交互的網絡狀態(tài)參數越多，網絡的過程越復雜，可擴展性也越差。也就是說，隨著網絡規(guī)模的擴大，由于網絡狀態(tài)過多，節(jié)點交互參數過多，會導致網絡操作產生計算復雜性太高或操作收斂時間過長的問題，也因此導致網絡性能的急劇惡化。
綜合上面的分析，網絡的智能化、動態(tài)特性的發(fā)展和網絡可擴展性在很多場合下是相互制約的。可行的緩和這種制約關系方法是建立分層和分域的機制，使得在域內以動態(tài)特性即網絡智能化為主要設計導向，實現網絡動態(tài)性能的提高;同時，在域間以可擴展性為主要目標，簡化域間狀態(tài)的傳遞和信令過程，從而提高網絡可擴展性。
在向智能光網絡演進的過程中，動態(tài)光網絡越來越大地處于舉足輕重的地位。光網絡自動啟動、動態(tài)路由和動態(tài)資源優(yōu)化、動態(tài)運行中的信令傳輸、自動恢復等動態(tài)過程是智能光網絡智能控制和智能管理的集中體現。與此同時，動態(tài)光網絡中部分方法隨著光網絡規(guī)模的擴大迅速失去了其動態(tài)智能的優(yōu)勢，性能發(fā)生惡化，暴露出光網絡可擴展性這個嚴肅命題。網絡動態(tài)特性與可擴展性存在一定制約關系，分層分域可以有效地緩和這種相互制約，是未來光網絡發(fā)展的重要方向。
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