光网络的动态特性与可扩展性

　　光网络作为信息社会主要通信网络，其所承载的业务已经由传统语音业务扩展到包括数据业务、移动语音和电视广播业务在内的多个通信业务领域，成为所有通信系统所依赖的主干通信系统，在信息社会中扮演着基础通信的核心角色。

　　光网络的发展可以划分为两个阶段。第一代光网络以点到点传输技术的研究为主要内容，围绕通信网络中线路传输能力的提高进行研究，取得了大量的研究成果。其代表技术为波分复用(WDM)技术，现在已经达到单光纤25.6Tb/s的传输速率，基本解决了网络单线路对于通信容量和可靠性的需求。然而，第一代光网络并没有解决光网络组网的问题，信息传送仍然受到网络节点光电转换和电处理能力的制约，光网络的组织结构停留在静态光网络的阶段。

　　第二代光网络在第一代光网络基础上，重点研究光网络的光组网、智能控制等问题，其研究原动力来自业务多样性的发展和光交换技术的进步。在第二代光网络的研究中，网络的动态特性和可扩展性一直是研究的重要内容。为了适应多种业务的突发性和灵活性，满足多种类型业务的动态需求，提供自动的保护和恢复功能，光网络需要动态地改变网络配置和组织，高度灵活和智能地实现传输资源的配置，从而经济有效地完成多业务的传输。因此，在光网络中引入动态控制和智能控制就成为必然选择。与此同时，光网络已经在很大范围内取得成功应用，光网络动态变化的复杂性大大增加，这使得光网络控制管理算法、策略和信令的性能随着网络规模的扩大可能出现恶化，光网络可扩展性越来越大地影响光网络整体性能，因而成为研究人员关注的重要内容。

　　光网络的动态特性

　　光网络发展到第二代，由于承载业务的变化和光层交换技术的发展，逐步由静态光网络走向动态光网络。网络之所以引入动态机制，其重要目的是实现网络的智能化，从而减少光网络运营过程中的管理成本，提高网络资源使用效率和网络可靠性。这种动态性集中体现在网络启动过程中自动对网络元件进行初始化，在网络运营过程中针对业务模式进行动态的资源分配和业务管理，在发生故障时自动进行业务恢复工作3个主要方面。

　　在动态光网络的研究中，自动交换光网络(ASON)具有代表性。ASON的体系结构已经由国际电信联盟制定了详细的标准体系。与此同时，由IETF提出了以广义标签交换(GMPLS)为核心的系列标准草案系列，也为自动交换光网络的具体实现规划了切实可行的技术解决方案。在ASON中，在原有光网络传送平面和管理平面之外，引入智能化的控制平面，将网络自动控制纳入网络体系结构，在控制平面实现了动态的资源配置、智能化的业务请求处理等功能。控制平面的引入具有重要的意义，标志着光网络由静态向动态和智能的转变。其中数据通信网(DCN)作为管理消息和信令消息的传输网，在网络动态过程中发挥了信令网络的重要作用。

　　从网络对IP业务的适应和承载能力出发，研究人员又提出了一种两层网络体系结构——IP-over-WDM体系结构。IP-over-WDM体系结构将原有的较为复杂的IP层到WDM层逐步映射的网络结构简化为IP直接构建在WDM光层之上的两层结构。ASON和IP-over-WDM并不是独立的两种网络体系结构，它们具有相似的控制平面和业务传输过程。后者在前者的基础上提出了业务结构分层的问题，是面向IP业务的体系，可以认为是ASON的一个改进。这两种体系的光网络都具有动态光网络的典型特征。

　　光网络自动启动

　　第一代静态光网络的启动过程需要进行复杂的网络配置，包括节点光电交换线路的连接方式、上下话路配置、光交叉互联配置和路由表的初始设置等。在第二代光网络中，通过自动启动机制，实现了节点、链路等网络资源的自动发现，并以此为基础实现路由表的自动初始化。

　　自动发现是光网络通过信令协议实现网络资源的自动识别。自动发现包括网络资源和网络业务的自动发现两个方面，后者在IP-over-WDM网络体系中十分重要。因为业务的情况决定着光通道建立的情况以及虚拓扑的状态，这对IP业务的路由具有重要的意义。自动发现不仅仅发生在网络启动时期，在整个网络运行过程中，随着网络节点或者链路资源的变化，自动发现机制仍然起着重要作用，在此基础上实现了网络拓扑的发现和状态的更新。

　　光网络动态运行

　　现有光网络所承载的业务基于有连接的电路交换，动态建立和拆除业务通道的过程是动态光网络信令的核心内容。关于业务建立和拆除过程，研究普遍关注业务建立和拆除的成功率或失败率。在动态光网络中，对于网络资源已经被大量占用情况下的网络性能，一般以阻塞率来衡量。光网络中的阻塞是指业务请求没有得到正确的资源分配或路径建立发生错误，从而停止接纳某一业务的过程，也就是建立路径失败的过程。

　　另一个重要的动态特性是信令过程消耗时间。在网络中，呼叫和建立的时间是不传送数据的，因此希望该时间越短越好，从而能够适应快速变化的业务需求。建路或拆路的信令过程所经历的时间是度量网络动态特性的重要指标。针对自动交换光网络，ITU-T专门制定了相应的信令协议标准。

　　光网络动态恢复

　　光网络业务的动态恢复涉及网络生存性设计。网络的生存性定义为在网络中出现业务失效后仍然能够持续提供业务供给的能力。在光网络中，一个完整的生存性体系应该包括4个部分:故障的发现、定位、声明和解除。故障发现是动态生存性机制的第一步。光网络以自动发现机制实现网络故障的发现、定位和报告功能。自动发现模块检测到故障发生后，对网络状态进行路由域内的通报，从而为全网发送故障位置以及其他基本状态。在动态光网络中，对故障导致的业务失效进行动态的快速恢复是网络生存性的主要体现。其解除故障的方法主要包括保护策略下的快速倒换和恢复策略下的重新路径选择。对于保护策略而言，动态光网络只需要在故障检测后倒换相应的光开关。而对于恢复策略，网络必须对故障检测后的网络状态进行重新评估，得到由于故障更新过的网络状态信息，在此基础上重新路由，以实现相应的通道恢复或链路恢复。

　　动态光网络的可扩展性

　　随着光网络规模的进一步扩大和动态要求的进一步提高，光网络的可扩展性越来越受到研究人员的重视。可拓展性可以定义为网络某一性能随网络规模扩大而恶化的情况。在动态光网络中，路由协议的收敛性能、信令网的流量、对故障的响应等性能都可能随网络规模的扩大而快速恶化。对于一般网络，为了解决其可扩展性恶化的问题，主要可以从两个可能的方向改善：一是网络状态的简单化，二是采用合理的分层分域结构。

　　光网络核心路由器状态的简化

　　光网络核心路由器状态的简化，意味着网络状态交互信息的减少和网络状态广播内容的大量精简，因此可以大大提高网络的可扩展性。从这个角度出发，无连接的光分组交换(OPS)和光突发交换(OBS)具有较好的可扩展性。

　　光分组交换

　　分组交换光网络大大减少了实现光网络主干网所需要的网络状态，实现了统计复用的光分组交换网络，能实现光层上精细粒度的分组交换，提高了资源利用率，适合传输IP突发数据。其路由器过程包括对分组包分析、存储和转发。路由器只需要通过准静态网络状态消息构建的路由表就可以实现分组的交换结构。然而，光存储技术目前还没有成熟，光分组交换在一段时间内还不可能进入工程应用。

　　光突发交换

　　光突发交换网络结合了光电路交换和光分组交换各自的优势。在光突发交换网络中，控制信道和数据信道是分离的。网络首先在边缘节点将比较小的IP分组组装成一个大的突发分组，在发送突发分组前，通过控制信道预先发送一个控制分组在途经的每个核心节点预约资源，一定的偏置时间后，节点再发送突发数据分组。这种机制避免了光电路交换路由器状态的长期维护，适应IP业务突发性强的特点，是在OPS技术成熟前一种可行的增强光网络可扩展性的交换结构。

　　光网络分层分域

　　在现有光网络电路交换为主要交换结构的模式下，为了提高网络可扩展性，将现有的网络分层和分域，构建较小的路由域，可以有效地减少由于网络规模扩大带来的动态性能的恶化。该技术中最重要的机制包括网络路由域的划分、分层结构的划分与动态管理、业务请求的分层多域路由以及网络信令过程。以自动交换光网络为例，采用分层分域结构的光网络可以有效地降低信令开销，提高网络的可扩展性。清华大学ASON试验平台上实现了分层分域路由和信令系统，通过在平台上的测试，采用分层分域可以有效地减少信令信息的流量，间接证实了分层分域可以提高网络可扩展性。

　　光网络动态特性与可扩展性的内在联系

　　光网络动态特性是光网络智能化的体现，光网络智能来自于每一个节点都拥有足够的网络信息而成为智能光节点。从网络智能的角度看，这种网络状态信息越充分，通过各种算法达到网络最优情况的可能性越大，光网络所体现出来的智能性就越强。因此，灵活而智能的光网络倾向于网络状态的多样化和复杂化，倾向于充分的网络状态信息在各个节点之间的交互。

　　网络的可扩展性是网络本身基本特性之一。在网络中，网络状态参数越多，在节点间交互的网络状态参数越多，网络的过程越复杂，可扩展性也越差。也就是说，随着网络规模的扩大，由于网络状态过多，节点交互参数过多，会导致网络操作产生计算复杂性太高或操作收敛时间过长的问题，也因此导致网络性能的急剧恶化。

　　综合上面的分析，网络的智能化、动态特性的发展和网络可扩展性在很多场合下是相互制约的。可行的缓和这种制约关系方法是建立分层和分域的机制，使得在域内以动态特性即网络智能化为主要设计导向，实现网络动态性能的提高;同时，在域间以可扩展性为主要目标，简化域间状态的传递和信令过程，从而提高网络可扩展性。

　　在向智能光网络演进的过程中，动态光网络越来越大地处于举足轻重的地位。光网络自动启动、动态路由和动态资源优化、动态运行中的信令传输、自动恢复等动态过程是智能光网络智能控制和智能管理的集中体现。与此同时，动态光网络中部分方法随着光网络规模的扩大迅速失去了其动态智能的优势，性能发生恶化，暴露出光网络可扩展性这个严肃命题。网络动态特性与可扩展性存在一定制约关系，分层分域可以有效地缓和这种相互制约，是未来光网络发展的重要方向。