IP/MPLS over WDM网络生存性的研究

摘要：该文首先分析了IP/MPLS over WDM网络单层生存性和多层联合生存性，并就生存性策略的性能进行对比，然后对多层空闲资源分配进行了研究。

关键词：联合生存性；空闲容量分配；链路保护；通道保护

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)29-0291-02

Research on Survivability of IP/MPLS over WDM Network

SU Yan-hong

(Circuit and System Specialty,NJUPT,Nanjing 210003,China)

Abstract: This paper analyses the survivability of single layer and multilayer of the IP/MPLS over WDM Network, and the comparative analysis shows the distinguish of the survivable strategy, then has a research on spare capacity allocation of multilayer.

Key words: integrated survivability; spare capacity allocation; link protection; ligthpath protection

1 引言

网络的生存性指网络经受各种故障后仍能维持可接受的业务质量的能力，属于网络完整性的一部分。由于网络生存性在网络设计和运营中具有举足轻重的作用，所以网络生存性一直是业界研究的热点。

随着光网络标准的建立以及互联网IP化的趋势，光传送网的基础结构也由IP over SDH向IP/MPLS直接 over WDM的方向发展。IP/MPLS over WDM的网络架构（网络体系结构见图1）有利于充分利用光纤带宽、减少时延和节约网络建设成本，但是随着WDM技术的发展，每根光纤传输速率越来越高，如果一根光纤断裂会使它的所有光路同时失效，丢失数以万计的IP数据包。这样，网络在网络部件失效时可能将遭受比传统网络更大的损失，因此对IP/MPLS over WDM生存性的研究就显得尤为重要。 下面就IP/MPLS over WDM网络的各层生存性以及与生存性有关的空闲容量分配方法进行研究。

2 各层生存性分析

2.1 IP/MPLS层的生存性

在IP层的生存性方案中，IP/MPLS能恢复多种故障业务，而且其业务的粒度比较小，能进行差分服务，但是由于IP层网络发生故障时利用OSPF（开放最短路径优先）协议和BGP（边界网关协议）把链路状态和路由信息通知全网进行路由表更新的，这样无法使故障快速恢复，限制了实时业务发展。目前，网络层IP/MPLS完成的生存性有两种方案：动态路由方案和MPLS保护倒换方案。动态路由方案是在故障出现时，动态计算寻找可到达宿节点的有效备用路由，以此来替代故障路由，恢复故障业务。但是其缺点是恢复速度慢，恢复速度大约十几秒到几分钟。MPLS保护倒换方案通过预先设置一系列不同等级的通路――LSP（标记交换路径）来完成保护倒换。这些LSP在分配工作业务时已经计算完成，预先放置在分组包头的标签堆栈中作为备用通路，当故障发生时，可以从标签堆栈中获得。保护的实体可采用动态或预先决定的方式建立。

动态路由方案和多协议标记交换保护倒换方案可以基于链路保护或通道保护。通常动态路由方案的恢复时间长，但网络资源利用率高，而后者的保护时间短。

2.2 WDM层的生存性

在光网络中，光层的保护和恢复发生在WDM层，具有高速响应以及快速实现保护和恢复的特点。WDM的生存性技术可以分为基于路径和基于链路的保护/恢复。基于路径的保护/恢复采用端到端的重选路由方案，就是在与工作路径相同的源和宿节点之间重选一条保护路由，它与工作路径不在相同的危险组。基于链路的保护/恢复是在光纤链路的两侧相邻的两个节点为工作光通道经过这段光纤链路的部分建立一段对应的保护光通道，工作通道和保护通道可以共享其它的部分。

保护机制分为专用和共享两种,专用保护有1+1和1：1两种保护方式。

1+1保护要求源端始终处于接收状态，宿端择优接收。1+1保护是单端倒换的保护方式，因此不需要信令的支持，只要宿端检测到信号质量劣化可以立即完成保护倒换。

1：1保护需要在业务的源宿节点之间建立工作通路和保护通路，但信号只通过工作通路传送，当接收端检测到质量劣化时，再将信号倒换到保护通路中进行传送。其需要信令过程实现业务信号的切换。当然，在网络正常运行时，保护的通路可以承载额外的业务，一旦发生故障，保护通路立即中断额外业务的传送对故障通路进行保护。

共享保护有M：N，即使用M条保护通路对N条工作通路进行保护，和1:1保护相似，网络正常运行时，保护通路可以用于承载额外业务。不过M：N共享保护而言，M条保护通路和N条工作通路必须是同宿同源的。

2.3IP/MPLS over WDM多层网络的联合生存性

IP通过动态重选路由方式加上TCP的可靠传输机制实现保护恢复，使得网络具有很好的健壮性，即生存性是IP所固有的，IP/MPLS层保护处理路由器和IP/optical接口故障。但是由于上面讲的一些原因IP需要的恢复时间太长，无法满足实时业务的需求。而光层保护处理物理链路和OXC失效，例如光层可以有效恢复光纤断裂情况，但是却不能应付应付节点故障，而且光层无法检测到IP/optical接口故障。所以在IP/MPLS over WDM网络中，任何单层的生存性都不能很好的解决所有网络中出现的故障，因此非常有必要研究多层网络的联合生存性。各层恢复方案之间如何互连是我们研究的一个问题。目前有三种方案：

1) 无协调的方法（并行方法）

这种方法层与层之间相互缺少协调，操作比较简单，但可能会导致层间故障恢复的竞争，资源利用率低。

2) 按序的方法

这种方法如果当前的层不能很明确完成恢复工作，则会将恢复责任传给下一层。主要有两种方法：一种是从下到上的方法，这种方法首先启动最低层恢复，例如对于光纤断裂故障在光层进行恢复。如果这一层不能恢复所有的业务量，将启动高层恢复。而且由于低层恢复交换的粒度比较粗，需要重新选路的通道数目比较少，恢复速度快。另一种方法是从上到下的方法，这种方法是尽可能由高层发起恢复，只有高层不能恢复所有被影响业务时才启动低层恢复。优点是很容易根据流量的服务区分对待，使高优先级业务先恢复，缺点是低层自身不容易检测高层是否能恢复业务。而把恢复责任从一层传到另一层的方法也有两种：一种基于持续定时器，另一种是利用恢复令牌信号。

3) 综合方法

该方法是基于单个综合的多层恢复机制，要想使用这种方法，必须对全网的拓扑结构等有一定的了解。这种方法比较灵活，它能决定在什么时候，在那一层采取合适的恢复行为。由于IP/MPLS和WDM层关系向对等模型发展（在此模型中，两层控制平面坍塌为一层，路由器和OXC集成在一起），因此综合方法将是未来可行的方法。

3 空闲容量分配

和生存性设计有关的其中一个方面就是如何分配网络的空闲容量，以至于用最少的空闲容量来满足网络对故障恢复的要求。这里主要研究多层生存性的空闲容量分配方法。多层生存性的空闲容量分配的设计过程是以网络设计的两种方法为基础的：一种是连续设计方法，IP/MPLS层和光层分别设计，由于这种方式只考虑了层内的共享，处理简单，但不能进行层间的共享，所以资源利用率不高；一种是联合设计方法，它利用层间的映射关系，允许空闲容量在同一层间的保护路由和不同层间的保护路由都能共享，而且其优化处理不是在各层独立进行，而是多层联合优化的，使空闲资源能在整个网络达到最大共享。对已知空闲容量分配方法的情况下，网络资源利用的总数量取决于网络发生的故障以及对故障所采取的恢复机制。虽然IP/MPLS over WDM模型中，各个层采用多种恢复机制，这里我只考虑多层网络的联合生存性问题，不考虑单层的生存性，可以假设每层只有一种恢复机制，那就是专用和共享空闲容量都采用端到端的路径保护。

多层生存性实施需要考虑的另一点是光层如何支持被用来保护工作LSPs的IP/MPLS空闲容量。文献文献[2]、[3]和[4]论述了三种空闲资源设计方法：

1)没有采取任何预防措施的简单资源设计，叫做冗余保护，在IP/MPLS层被保护的空闲资源在光层又被保护。工作的LSPs这样被保护了两次：一次在IP/MPLS层，另一次是在光层。这要造成了网络资源利用率不高而且可靠性也没有得到较大的提高。

2) 使工作LSPs和保护LSPs位于不同的光通道层，并在光层对它们进行区分对待可以使光层的空闲资源利用率得到提高：承载工作LSPs的光通路被保护而保护LSPs的光通路不被保护，这种保护叫做选择性保护，比冗余保护资源利用率提高。尽管如此，光层仍需要提供一定的资源承载IP/MPLS层的空闲资源。

3) IP/MPLS层和光层之间资源共享可以使资源利用率提高，这种方法叫做公共池和，IP/MPLS层的空闲资源作为光层的额外业务。因而仅存在一个公共池(在光层，进行光通路保护)当需要的时候被IP/MPLS恢复机制再利用。几乎没有或者根本没有额外的光层资源被用来支持IP/MPLS的空闲资源。

参考文献[3]研究的多层生存性的各种空闲资源分配方法表明：相比冗余保护方法，选择保护方法和公共池方法资源利用率分别提高了15%和20%。但当采用公共池方法时，文献[3]的方法并不能保证OXC故障能够恢复。

4 结束语

RACE项目研究成果报告提出“网络良好的生存性关乎两个重要的方面:生存性策略的实施和空闲容量的配置”。而IP/MPLS over WDM网络结构是未来的发展方向，因此对多层网络生存性的研究具有很大的意义，本文分析了IP/MPLS over WDM网络单层

和多层生存性以及空闲容量分配问题，但对多层空闲容量分配的研究还仅仅停留在基本的概念和框架上，很少有有效的算法提出进行定量的分析，这点仍是以后研究的重点。

参考文献：

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