光網絡選路和波長分配研究綜述

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　　采用波分復用(WDM)傳輸系統、光分插復用器(OADM)和光交叉連接器(OXC)可構成光傳送網(OTN)，提供可調度的光路。為了進一步智能化，OTN演進為自動交換光網絡/自動交換傳送網(ASON/ASTN)。選路和波長分配(RWA)是ASON控制面的重要功能之一[1]。

RWA算法可由具體網絡設計公司自行掌握，這樣，各公司提供的ASON雖然在標準上不易顯出自己的特色，但在RWA軟件性能等方面卻可以顯出特色和技術高低。
　　
　　1 光層的選路和波長分配
　　在ASON/ASTN中，對于光層，需根據要求提供光路。所謂光路，是指一條采用某個波長的光通道。例如，一個波長上的信號，從甲地出發，經過WDM傳輸系統到了一個有OXC的節點，經OXC交叉連接，可轉發到連向目的地的輸出端口，中間還可以經過其他的OXC，最后到達乙地。這樣，甲、乙兩地之間就溝通一條光路。若采用無波長變換的OXC，則這條光路上只采用一個不變的波長，稱為波長連續性限制。若有波長變換，這條光路上的不同段可以采用不同的波長。根據所提出的光路需求，為其選取物理路由并分配相應的波長，稱為選路和波長分配(RWA)。
　　
　　光路的RWA算法文獻[1，2]已作了基本介紹。光路需求的提出，有靜態和動態兩種。靜態RWA問題是預先給出多條光路連接需求，計算路由和分配波長，計算可以是離線的，即不需要實時計算；對于動態情況，光路需求逐條地提出，但一條光路持續一段時間后又被拆除，要為每一條光路做實時RWA計算。ASON中，兩種情況都有需要。
　　
　　RWA算法涉及優化問題，有些優化方法的復雜性隨網絡規模的增大而急劇增加，因此，工程上常將RWA問題拆成選路子問題和波長分配子問題，分兩步求解。拿動態RWA算法來說，首先進行選路，可分為3類：固定路由、備用路由、自適應路由(自適應路由也可納入前兩類中，即分為兩類)。固定路由通常采用最短路徑算法。備用路由可采用多條最短路徑，在首條路徑上波長資源不夠時，換一條再試，與固定路由相比減小了阻塞率。采用簡單的最短路徑的缺點是有時會使網絡中某些部分過于擁擠，使阻塞率加大。改進的方法是采用自適應路由，在每次選路時，根據網絡的狀態使各條光纖上的光路數(使用波長數)盡量平衡，這樣做可顯著減小阻塞率。ASON中的資源管理信息為自適應路由創造了條件。選定一條路由后，分配波長有多種方法[1，2]。例如，將波長編號，從低到高依次觀察是否在該路由上的已建光路使用，首先找到的波長就被使用，稱為首先適合算法(FF)。又如按分配波長后網絡中仍可容納的光路數最大為目標來分配波長，稱為最大-總數算法(Max-Sum)。Max-Sum算法的阻塞率優于FF算法，但有時差別不大，代價是增加了復雜性。
　　
　　對于將選路和波長分配分兩步進行的算法，仿真表明，影響阻塞率的主要是選路算法。
　　
　　采用分層圖的方法可以將選路和波長分配一步完成。文獻[3]提出了兩種基于分層圖的多光纖WDM網的動態選路和波長分配算法，稱為PACK和SPREAD，仿真表明它們的性能比傳統的將選路和波長分配割裂的方法性能好，即阻塞率較小。對于RWA，近年還有一些改進性的研究，例如在WDM網絡中如何稀疏地設置波長變換器以減小動態情況下的阻塞率[4]。
　　
　　2 虛拓撲重構
　　上節討論的是給定物理拓撲和光路需求，為光路進行選路和分配波長。實用中，經常遇到給定物理拓撲和各節點中電設備(例如路由器)間的業務量矩陣，要設計網絡，使網絡的性能和經濟性盡量好。這種情況下，光網絡提供光路，供路由器使用。與上節不同的是沒有給出具體光路需求，而要在優化中確定。路由器面對的是光路，光路的集合稱為虛拓撲，也稱邏輯拓撲。兩個路由器間若沒有直達光路，則需經其他路由器進行電的多跳連接。文獻[2]敘述了虛拓撲設計問題，包括確定光路和RWA。
　　
　　實際應用中，業務量矩陣常隨時間緩慢變化，因此，需要使虛拓撲隨著業務量變化而重構。虛拓撲重構要考慮3個問題：確定在什么情況下需要重構的策略；確定新的虛拓撲，既考慮滿足新的業務量需求，同時又使原來的虛拓撲改變盡量少；如何切換到新的虛拓撲結構而又不使正在運行的分組數據有任何損傷(或損傷小)，即實現無損傷重構。文獻[5]綜述了重構問題。
　　
　　文獻[6]提出一種在動態業務量下WDM網狀網的虛拓撲自適應調整方案，采用定期的在線測量來觀察當前每條光路上業務量的變化。在測量周期之末，根據情況增加或拆除一條光路。具體地，當一條或多條光路上的業務量大于一個較大門限值時，說明將發生擁塞，就增加一條新的光路；當一條光路上的業務量小于一個較小門限值時，就拆除這條光路，當然，要將這條光路上的業務量轉移到另外的光路上后才拆除，以達到無損傷重構。
　　
　　文獻[7]認為因特網上的業務量變化可以預測，虛拓撲的重構應緊跟業務量的變化。將隨時間變化的調整過程看作一個多級調整過程，為了使啟發式算法能及時跟上網絡的變化，引入了預測機制，提出了一種基于預測的多級重構算法。文獻[8]從重構成本角度進行了研究。
　　
　　3 業務量疏導的RWA
　　由WDM光纖鏈路和OXC(或OADM)構成的WDM網絡可提供光路。一個波長上傳輸的通信速率常較高，例如2.5 Gb/s、10 Gb/s或40 Gb/s。這樣，WDM光網絡的光層提供的速率或帶寬是粗粒度，即以波長數為單位。實際應用中，每個業務的通信速率與一個波長上的可通信速率相比常是較低的，若為每個業務提供一個專用波長顯然不經濟。為了提供細粒度的速率或帶寬需求，方法之一是用電的時分復用將多個低速的業務流合起來在一個波長上傳輸。網絡中除有OADM、OXC外，還有與其相連的電的ADM和數字交叉連接器(DXC)。這樣，低速業務流通過ADM或DXC匯入某些波長，稱為業務量疏導。
　　
　　除了采用SDH設備如ADM、DXC來提供細粒度帶寬外，也可以不用SDH，而采用多協議標記交換(MPLS)路由器，即采用分組(包)復用將多個低速的業務流合起來在一個波長上傳輸。。近年來，提出了通用多協議標記交換(GMPLS)協議。GMPLS可將MPLS擴展到光層(也可用于SDH)。采用GMPLS后，可以實現IP over WDM的對等模型，即采用統一的控制面。這樣，可以用MPLS路由器和OADM或OXC來構成智能光網絡，利用標記交換路徑(LSP)提供細粒度帶寬的通路。這里遇到了業務量疏導問題。
　　
　　光網絡的業務量疏導問題可以描述如下：給定一個網絡配置，包括物理鏈路、每個網絡節點的光收發器數目、每根光纖的波長數目以及波長容量，業務量疏導就是為一組具有各種低速帶寬粒度的業務連接請求建立光路，同時優化網絡的性能和成本。低速業務流可以通過一條光路到達目的地(單跳)，也可以通過多跳光路，即依靠中間節點的電設備轉接，到達目的地。
　　
　　業務量疏導可分為靜態和動態。靜態業務量疏導是預先給出所有低速業務連接需求，計算光路由并分配波長以及低速業務流的選路。與第一節中所述的光層RWA不同之處是增加了低速流的選路，可稱為靜態GRWA(Grooming RWA)。根據第二節所述，靜態業務量疏導也是一個特殊的虛拓撲(邏輯拓撲)設計問題，即為已知的低速業務流建立合理的光路集(虛拓撲)。
　　
　　通常把靜態業務量疏導分為3個子問題加以解決：
　　
　　(1)虛拓撲子問題，確定物理拓撲上需要建立的一組光路需求。
　　
　　(2)光路路由與波長分配子問題，為上述子問題中的光路需求解決相應的RWA。
　　
　　(3)低速業務流選路子問題(疏導子問題)，在虛拓撲上實現。物理拓撲可有不同結構，如環狀、網狀。
　　
　　在動態業務量疏導中，低速業務連接請求隨機到達網絡，要求進行實時GRWA計算，一個連接維持一段有限時間后又被拆除。動態業務量疏導目標一般都是有效地選擇疏導路由和合理分配網絡資源，使業務連接的阻塞率最低。
　　
　　文獻[9]對光網絡中的業務量疏導作了綜述。文獻[10]針對節點不具有波長變換能力以及光收發器數目受限的WDM網狀網，基于疏導圖模型和綜合疏導算法，提出了抗毀的動態業務量疏導算法。
　　
　　本文敘述的業務量疏導是建立多個低速率路由。近年來，也有反過來研究將多個波長合成一個波段來交換，可節省OXC的端口數[11]。對于光纖來說，也是一種業務量疏導。
　　
　　4 多播RWA
　　第1節中講的光路是從一個源節點到一個目的節點間構成一條光的通道，中間可經過多個OXC，屬于單播。在光層實現多播，也就是一個源節點送出的光要同時送到多個目的節點，需建立一個光樹。在光樹的分叉點若要全光實現，可采用分光器。為了補償分光引起的損耗，需增設光放大器。具有分光和傳送(SaD)模塊的OXC稱為支持多播的OXC(MC-OXC)[1 2]。
　　
　　在具有MC-OXC的光網絡中，根據光樹的需求，要為光樹選路和分配波長，稱為多播RWA(MC-RWA)。有關算法比單播RWA更為復雜[12]。 實際應用中，為了節省成本，不宜為每個光節點都配置MC-OXC，也就是有分光器稀疏配置的約束。此外，還有波長變換器配置約束(無波長變換器時為波長連續性約束)、傳輸損傷約束等。上面講的是光層的MC-RWA，如果再考慮電設備的運用以提供細粒度帶寬，則成為多播業務量疏導問題，需進一步研究。
　　
　　5 抗毀網絡的RWA
　　光網絡的抗毀可以有兩種考慮。一種是考慮其上層有IP運用，而IP層也有抗毀能力。這種依靠IP層抗毀的優點是節省光網絡資源，但恢復時間較長。另一種考慮是使光網絡本身有抗毀能力。兩種考慮都涉及選路與波長分配問題。光網絡的抗毀已有較多研究，較新的研究有：抗毀虛拓撲設計、區分可靠性和網狀網的快速恢復等等。
　　
　　5.1 抗毀選路——抗毀虛拓撲設計
　　
　　第2節講過虛拓撲。路由器通過虛拓撲互相連接，從路由器考慮，為了增加生存性，希望有一條邏輯鏈路受損時，能夠通過其他的邏輯鏈路迂回多跳連接。虛拓撲如果設計不好，可能會發生一根光纖斷裂時可通的鏈路同時斷開。因此，虛拓撲設計時要額外考慮約束條件，文獻[13，14]中稱為

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