基于PCE的光網(wǎng)絡(luò)跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的設(shè)計與實現(xiàn)

陳選育，韋 斌，趙斌鋒，丁明吉，劉志強（.中國電子科技集團公司 第三十四研究所，廣西 桂林54004；.9597部隊）

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基于PCE的光網(wǎng)絡(luò)跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的設(shè)計與實現(xiàn)

陳選育1，韋 斌2，趙斌鋒1，丁明吉1，劉志強1
（1.中國電子科技集團公司 第三十四研究所，廣西 桂林541004；2.95972部隊）

針對目前自動交換光網(wǎng)絡(luò)（A SO N）所面臨的問題，指出路徑計算單元（PCE）是解決這些棘手問題的有效途徑。在描述了跨域調(diào)度的架構(gòu)設(shè)計后，給出了基于PCE技術(shù)進行跨域調(diào)度路徑計算的實現(xiàn)方案，最后通過仿真試驗表明其優(yōu)越性。

A SO N；跨域調(diào)度；路徑計算

0　引言

隨著自動交換光網(wǎng)絡(luò)（ASON）的發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)拓撲越來越復(fù)雜，路由量變大，路徑計算也越來越復(fù)雜，而將復(fù)雜的約束條件下路由計算放在ASON控制平面，需要大量的CPU資源來運行復(fù)雜的算法，而當(dāng)大量CPU資源運用到路徑計算中時，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)利用率低、生存性和可靠性差等缺點。另外，在多域場景中，各個域的拓撲互不可見，各節(jié)點僅維護其所在的域的路由信息，無法計算出端到端業(yè)務(wù)跨域的最優(yōu)路徑。因此，各域都需要一個集中式的路徑計算設(shè)備，負責(zé)與其它域的路徑計算設(shè)備互相通信協(xié)作，以便獲得跨域的最優(yōu)路徑。為了應(yīng)對這些棘手的問題，人們引入路徑計算單元（PCE），PCE是一個具有較強計算能力的單元，其相關(guān)的協(xié)議是對現(xiàn)有多協(xié)議標簽交換/通用多協(xié)議標簽交換（MPLS/GMPLS）協(xié)議的擴展［1］，同時其功能相對獨立，應(yīng)用部署又比較靈活，適合域內(nèi)、跨域以及不同運營商之間等多種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，能高效地解決跨域的流量工程路徑計算和保障端到端連接的服務(wù)質(zhì)量［2-4］。PCE技術(shù)滿足了網(wǎng)絡(luò)需求，是未來智能網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。

對于上述問題，本文基于PCE技術(shù)給出了ASON網(wǎng)跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的架構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)方案，有效解決了多層多域網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)跨域智能調(diào)度。

1　跨域調(diào)度的架構(gòu)設(shè)計

多層多域網(wǎng)絡(luò)的路由體系結(jié)構(gòu)往往分為對等模式和層次模式，這兩種模式路徑計算可適用于不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲。在跨域路徑計算的場景中，反向遞歸算法（BRPC）正是基于對等模式路徑計算的體現(xiàn)，由多個PCE的交互計算得到跨域的最優(yōu)路徑，不同域中的PCE可以通過PCE通信協(xié)議（PCEP）交互信息來完成跨域的路徑計算［5］。

為了減少路徑計算過程中過重的PCEP信息交互，跨域調(diào)度方案設(shè)計采用對等模式的BRPC計算跨域路徑。通過使用部署在外部獨立的PCE服務(wù)器、各子網(wǎng)控制平面的協(xié)調(diào)，完成跨層跨域連接管理控制。其基本思想如下：①通過各子網(wǎng)PCE服務(wù)器之間的協(xié)調(diào)，完成跨層跨域的連接計算。PCE服務(wù)器采用域內(nèi)集總式路由和跨域BRPC算法［6］，可優(yōu)化而有效地實現(xiàn)連接計算功能。②通過PCE服務(wù)器和各子網(wǎng)控制平面之間的協(xié)調(diào)，完成跨層跨域連接的自動控制管理，以實現(xiàn)多層多域連接的快速拆建和發(fā)生故障時的保護倒換。

跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的架構(gòu)由PCE平面、控制平面、傳送平面與管理平面構(gòu)成。各實體的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1　跨域業(yè)務(wù)調(diào)度框架

每個域均有至少一個PCE實體以及獨立控制平面。在該體系結(jié)構(gòu)中，跨層跨域的連接計算由PCE實體之間協(xié)調(diào)完成。跨層跨域連接的建立、拆除、管理以及保護倒換和恢復(fù)均由PCE實體與控制平面協(xié)調(diào)完成。

2　跨域調(diào)度路徑計算的實現(xiàn)方案

2.1系統(tǒng)構(gòu)成及配置

跨域調(diào)度系統(tǒng)主要由1個網(wǎng)管、3個PCE服務(wù)器和21個ASON設(shè)備節(jié)點組成。我們按照不同廠商和不同IP網(wǎng)段將其劃分為3個域，分別為PCE1、PCE2 和PCE3。PCE1域節(jié)點為A廠商設(shè)備，PCE2域節(jié)點為B廠商設(shè)備，PCE3域節(jié)點為C廠商設(shè)備。每個PCE服務(wù)器負責(zé)將采集的廠商控制平面信息轉(zhuǎn)化為域間能夠識別的統(tǒng)一格式信息，再對其按照不同處理方式進行分類和消息處理，處理過的消息與其它域間PCE服務(wù)器的消息交互完成相應(yīng)域的路徑計算，最后將計算的最優(yōu)跨域路徑上報網(wǎng)管。網(wǎng)管負責(zé)下發(fā)PCE計算路徑請求，并將路徑下發(fā)給首節(jié)點，通知首節(jié)點沿路建立基于流量工程的標簽交換路徑［7］（TE LSP）。

其中，PCE服務(wù)器由跨域路徑控制單元、控制信息適配單元和設(shè)備管理單元組成。設(shè)備提供三種接口，包括北向接口、跨域管控信息接口及廠家設(shè)備控制信息接口。北向接口指PCE服務(wù)器管理單元與光網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)之間傳遞消息的接口；跨域管控信息接口指配置在不同廠商設(shè)備域內(nèi)的PCE服務(wù)器之間傳遞消息的接口，智能SDH設(shè)備控制信息接口指控制信息適配單元與廠商智能SDH設(shè)備間的接口。

2.2路徑計算過程

跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的核心部分為路徑計算平面 （即PCE平面），用于計算復(fù)雜的多約束條件下跨域端到端的路徑，具體流程如圖2所示。

本文假設(shè)需要計算入節(jié)點A到出節(jié)點V路徑，計算步驟如下：①網(wǎng)管NMS發(fā)起業(yè)務(wù)路徑計算請求消息PCReq到PCE1，請求建立一條從入口節(jié)點A到出口節(jié)點V的業(yè)務(wù)路徑，并指定域序列為域 PCE1-域PCE2-域PCE3；②PCE1發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點不在PCE1域內(nèi)，轉(zhuǎn)發(fā)PCReq消息給下一個域PCE2，PCE2判斷該節(jié)點不在自己本域內(nèi)，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個域PCE3；③PCE3發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點，在本域內(nèi)計算與域PCE2相鄰的邊界節(jié)點到目的節(jié)點最優(yōu)路徑樹為路徑樹1，計算發(fā)現(xiàn)有3條路徑符合約束條件，路徑分別為Q-V、RV和 U-V；④PCE3通過發(fā)送 PCRep響應(yīng)消息給PCE2，并攜帶ERO和IRO對象，告知PCE2的下一域PCE3的路徑樹路徑樹1；⑤PCE2根據(jù)PCE3返回的路徑信息，以及本域拓撲信息，計算與域1相鄰的邊界節(jié)點到目的節(jié)點的最優(yōu)路徑樹為路徑樹2，路徑分別為G-M-Q-V、H-I-G-M-Q-V和K-N-P-R-V；⑥PCE2通過發(fā)送PCRep響應(yīng)消息給PCE1，并攜帶ERO和IRO對象，告知PCE1的下一域PCE2的路徑數(shù)路徑樹2；⑦PCE1根據(jù)PCE2返回的路徑信息以及本域拓撲信息，計算與域1相鄰的邊界節(jié)點到目的節(jié)點的最優(yōu)路徑樹為路徑樹3，路徑為A-F-H-I-G-MQ-V，PCE1返回上述路徑給網(wǎng)管（NMS），告知網(wǎng)管整個路徑已經(jīng)計算完成。

在上述路徑計算過程中，我們先查找目的節(jié)點所在域的位置，待目的節(jié)點的域定位明確后，再通過反向遞推的方法計算出一條最優(yōu)的端到端路徑。每個域PCE服務(wù)器不僅負責(zé)計算本域的路徑，同時也負責(zé)將本域計算的路徑信息告知上游域PCE，以便其進行下一步路由計算工作。

圖2　BRPC流程示意圖

3　仿真及結(jié)果分析

基于上述方案，我們在InterWatch試驗平臺上對跨域調(diào)度方案進行了性能仿真，包括跨域的端到端業(yè)務(wù)連接建立和跨域重路由恢復(fù)，并與傳統(tǒng)的層次模式路徑計算方法進行了比較。其網(wǎng)絡(luò)配置見第2節(jié)所述，節(jié)點對（A，V）之間的呼叫請求服從到達率為λ的泊松分布，每個呼叫的持續(xù)時間服從參數(shù)為1的指數(shù)分布。

3.1跨域的端到端路徑建立仿真測試

如圖3所示，與層次模式比較，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的增加，采用BRPC算法的路徑計算的阻塞率明顯要小于分層模式。如圖4所示，在平均建路時間上，BRPC算法也比分層模式建路時間快許多。從對比結(jié)果可看出，BRPC路徑計算比層次模式具有更大的優(yōu)勢，主要原因是其在計算跨域路徑的效率要高于層次模式。

圖3　兩種模式下的阻塞率

圖4　兩種模式下的平均建路時間

3.2跨域的重路由恢復(fù)仿真測試

從圖5可看出，當(dāng)連接請求率變大，傳統(tǒng)重路由機制比快速重路由所耗時間更多。主要原因在于傳統(tǒng)重路由恢復(fù)機制采用串行方式逐層計算路由，等待高層域最后計算完一條完整的路徑后才開始觸發(fā)信令的建立，其結(jié)果是在建路過程中勢必會耗費大量的重路由計算時間?？焖僦芈酚刹捎貌⑿蟹绞接嬎懵酚?，幾乎同時將每個域計算的路徑拼接起來就開始觸動信令，這樣就縮短了鏈路建立時間。從圖6可看出，快速恢復(fù)機制的恢復(fù)率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)恢復(fù)機制，其主要原因在于快速恢復(fù)機制能夠快速定位故障域，直接上報給網(wǎng)管，從而大大降低了消息逐層傳遞出錯的概率。

圖5　重路由恢復(fù)時間對比

圖6　重路由恢復(fù)率對比

針對跨域調(diào)度系統(tǒng)方案，為了進一步深入分析，本文從端到端鏈路建立和重路由恢復(fù)信道調(diào)度機制角度進行探討，可知光網(wǎng)絡(luò)中不同的速率等級下，鏈路連接建立及重路由恢復(fù)時間有所不同。與155M及以上速率相比較，2M業(yè)務(wù)跨域調(diào)度和重路由恢復(fù)時間比業(yè)務(wù)建立時間要慢許多，這是由于155M及以上速率信道調(diào)度方式和2M信道調(diào)度方式不同，其中155M及以上速率調(diào)度流程相同，可直接建立端到端信道。2M信道調(diào)度則需要先查詢是否有VC4級隧道存在，確認有隧道存在，再查詢是否有2M空時隙可用情況后，才能夠進行首末節(jié)點2M業(yè)務(wù)與隧道的交叉連接配置，建立一條完整的跨域信道，故導(dǎo)致2M鏈路比155M及以上速率業(yè)務(wù)建路時間要長。重路由恢復(fù)機制先查詢受故障影響的業(yè)務(wù)，然后進行故障鏈路拆除，再按照信道調(diào)度的方式重新建路，故重路由恢復(fù)時間要比跨域調(diào)度所需時間多。因此，跨域調(diào)度方案能夠?qū)崿F(xiàn)ASON網(wǎng)絡(luò)毫秒級的端到端鏈路建立和恢復(fù)時間，并保證連接無法正常建立的概率小于10-3，同時建立、恢復(fù)時間保證了某個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點或某段鏈路出現(xiàn)故障時，數(shù)據(jù)流量能夠平滑地切換到其它路徑上進行傳送。

4　結(jié)束語

本文分析了目前智能網(wǎng)所面臨的不足，如網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來越龐大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的資源利用率低；域之間拓撲信息相互獨立不可視，使得無法實現(xiàn)跨域的業(yè)務(wù)調(diào)度、重路由恢復(fù)等功能。針對這些不足之處，給出了一種基于PCE的ASON網(wǎng)跨域業(yè)務(wù)調(diào)度的解決方案，成功地實現(xiàn)了跨域業(yè)務(wù)的互連互通。仿真結(jié)果表明，該方案滿足網(wǎng)絡(luò)功能和性能需求，有效提升了ASON網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，是對基于GMPLS的ASON控制平面技術(shù)的有效補充和增強。

從PCE技術(shù)發(fā)展來看，它有著廣泛的應(yīng)用前景，不僅應(yīng)用在ASON網(wǎng)，還可以應(yīng)用于其它類型的傳輸網(wǎng)，如MPLS-TE、SDH、OTN和WSON等［8］。推廣使用該技術(shù)將會極大提高全網(wǎng)的智能化水平，充分發(fā)揮PCE對國家信息化產(chǎn)業(yè)的助推作用。

［1］IETF RFC 6805-2012，The application of the path computation element architecture to the determination of a sequence of domains in MPLS and GMPLS［S］.2012.

［2］IETF，RFC 4927-2007，Path Computation Element Communication Protocol（PCECP）Specific Requirements for Inter-Area MPLS and GMPLS Traffic Engineering［S］.2007.

［3］IETF，RFC 4655-2006，A Path Computation Element（PCE）-Based Architecture［S］.2006.

［4］IETF，RFC 4657-2006，Path Computation Element（PCE）Communication Protocol Generic Requirements［S］.2006.

［5］IETF，RFC 5440-2009，Path Computation Element（PCE）Communication Protocol（PCEP）［S］.2009.

［6］VASSEUR J P，ZHANG R N，BITAR A，et al.A Backward-Recursive PCE-Based Computation（BRPC）Procedure to Compute Shortest Constrained Inter-Domain Traffic Engineering Label Switched Paths［R］.RFC 5441，April 2009.

［7］AWDUCHE D，BERGER L，GAN D，et al.RSVP-TE：Extensions to RSVP for LSP tunnels［R］.RFC 3209，2001.

［8］CHAMANIA M，CHEN Xiaomin，JUKAN A，et al.An Adaptive Inter-domain PCE framework to Improve Resource Utilization and Reduce Interdomain Signaling［J］.Optical Switching and Networking，2009，6（4）：259-267.

Design and implementation of cross-domain
traffic scheduling in optical network based on PCE

CHEN Xuan-yu1，WEI Bin2，ZHAO Bin-feng1，DING Ming-ji1，LIU Zhi-qiang1
（1.The 34th Research Institute of CETC，Guilin Guangxi 541004，China；2.Unit 95972）

Aiming at the problem of ASON optical network at present，the paper points out that the path to the cell（PCE）is an effective way to solve these problems.After describing the architecture design of cross-domain scheduling，the implementation scheme of cross-domain scheduling path computation based on PCE technology is presented.Finally，the simulation results show its superiority.

ASON，cross-domain scheduling，path computation

TN929.11

A

1002-5561（2016）06-0009-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.003

2015-09-09。

陳選育（1978-），男，工程師，研究方向為光通信技術(shù)，嵌入式軟件開發(fā)。