基于PCE的光网络跨域业务调度的设计与实现

陈选育，韦 斌，赵斌锋，丁明吉，刘志强（.中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林54004；.9597部队）



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基于PCE的光网络跨域业务调度的设计与实现

陈选育1，韦 斌2，赵斌锋1，丁明吉1，刘志强1
（1.中国电子科技集团公司 第三十四研究所，广西 桂林541004；2.95972部队）

针对目前自动交换光网络（A SO N）所面临的问题，指出路径计算单元（PCE）是解决这些棘手问题的有效途径。在描述了跨域调度的架构设计后，给出了基于PCE技术进行跨域调度路径计算的实现方案，最后通过仿真试验表明其优越性。

A SO N；跨域调度；路径计算

0　引言

随着自动交换光网络（ASON）的发展，光网络拓扑越来越复杂，路由量变大，路径计算也越来越复杂，而将复杂的约束条件下路由计算放在ASON控制平面，需要大量的CPU资源来运行复杂的算法，而当大量CPU资源运用到路径计算中时，会导致网络利用率低、生存性和可靠性差等缺点。另外，在多域场景中，各个域的拓扑互不可见，各节点仅维护其所在的域的路由信息，无法计算出端到端业务跨域的最优路径。因此，各域都需要一个集中式的路径计算设备，负责与其它域的路径计算设备互相通信协作，以便获得跨域的最优路径。为了应对这些棘手的问题，人们引入路径计算单元（PCE），PCE是一个具有较强计算能力的单元，其相关的协议是对现有多协议标签交换/通用多协议标签交换（MPLS/GMPLS）协议的扩展［1］，同时其功能相对独立，应用部署又比较灵活，适合域内、跨域以及不同运营商之间等多种网络环境，能高效地解决跨域的流量工程路径计算和保障端到端连接的服务质量［2-4］。PCE技术满足了网络需求，是未来智能网发展的必然趋势。

对于上述问题，本文基于PCE技术给出了ASON网跨域业务调度的架构设计和实现方案，有效解决了多层多域网络业务跨域智能调度。

1　跨域调度的架构设计

多层多域网络的路由体系结构往往分为对等模式和层次模式，这两种模式路径计算可适用于不同的网络拓扑。在跨域路径计算的场景中，反向递归算法（BRPC）正是基于对等模式路径计算的体现，由多个PCE的交互计算得到跨域的最优路径，不同域中的PCE可以通过PCE通信协议（PCEP）交互信息来完成跨域的路径计算［5］。

为了减少路径计算过程中过重的PCEP信息交互，跨域调度方案设计采用对等模式的BRPC计算跨域路径。通过使用部署在外部独立的PCE服务器、各子网控制平面的协调，完成跨层跨域连接管理控制。其基本思想如下：①通过各子网PCE服务器之间的协调，完成跨层跨域的连接计算。PCE服务器采用域内集总式路由和跨域BRPC算法［6］，可优化而有效地实现连接计算功能。②通过PCE服务器和各子网控制平面之间的协调，完成跨层跨域连接的自动控制管理，以实现多层多域连接的快速拆建和发生故障时的保护倒换。

跨域业务调度的架构由PCE平面、控制平面、传送平面与管理平面构成。各实体的连接关系如图1所示。

图1　跨域业务调度框架

每个域均有至少一个PCE实体以及独立控制平面。在该体系结构中，跨层跨域的连接计算由PCE实体之间协调完成。跨层跨域连接的建立、拆除、管理以及保护倒换和恢复均由PCE实体与控制平面协调完成。

2　跨域调度路径计算的实现方案

2.1系统构成及配置

跨域调度系统主要由1个网管、3个PCE服务器和21个ASON设备节点组成。我们按照不同厂商和不同IP网段将其划分为3个域，分别为PCE1、PCE2 和PCE3。PCE1域节点为A厂商设备，PCE2域节点为B厂商设备，PCE3域节点为C厂商设备。每个PCE服务器负责将采集的厂商控制平面信息转化为域间能够识别的统一格式信息，再对其按照不同处理方式进行分类和消息处理，处理过的消息与其它域间PCE服务器的消息交互完成相应域的路径计算，最后将计算的最优跨域路径上报网管。网管负责下发PCE计算路径请求，并将路径下发给首节点，通知首节点沿路建立基于流量工程的标签交换路径［7］（TE LSP）。

其中，PCE服务器由跨域路径控制单元、控制信息适配单元和设备管理单元组成。设备提供三种接口，包括北向接口、跨域管控信息接口及厂家设备控制信息接口。北向接口指PCE服务器管理单元与光网络管理系统之间传递消息的接口；跨域管控信息接口指配置在不同厂商设备域内的PCE服务器之间传递消息的接口，智能SDH设备控制信息接口指控制信息适配单元与厂商智能SDH设备间的接口。

2.2路径计算过程

跨域业务调度的核心部分为路径计算平面 （即PCE平面），用于计算复杂的多约束条件下跨域端到端的路径，具体流程如图2所示。

本文假设需要计算入节点A到出节点V路径，计算步骤如下：①网管NMS发起业务路径计算请求消息PCReq到PCE1，请求建立一条从入口节点A到出口节点V的业务路径，并指定域序列为域 PCE1-域PCE2-域PCE3；②PCE1发现目的节点不在PCE1域内，转发PCReq消息给下一个域PCE2，PCE2判断该节点不在自己本域内，继续转发给下一个域PCE3；③PCE3发现目的节点，在本域内计算与域PCE2相邻的边界节点到目的节点最优路径树为路径树1，计算发现有3条路径符合约束条件，路径分别为Q-V、RV和 U-V；④PCE3通过发送 PCRep响应消息给PCE2，并携带ERO和IRO对象，告知PCE2的下一域PCE3的路径树路径树1；⑤PCE2根据PCE3返回的路径信息，以及本域拓扑信息，计算与域1相邻的边界节点到目的节点的最优路径树为路径树2，路径分别为G-M-Q-V、H-I-G-M-Q-V和K-N-P-R-V；⑥PCE2通过发送PCRep响应消息给PCE1，并携带ERO和IRO对象，告知PCE1的下一域PCE2的路径数路径树2；⑦PCE1根据PCE2返回的路径信息以及本域拓扑信息，计算与域1相邻的边界节点到目的节点的最优路径树为路径树3，路径为A-F-H-I-G-MQ-V，PCE1返回上述路径给网管（NMS），告知网管整个路径已经计算完成。

在上述路径计算过程中，我们先查找目的节点所在域的位置，待目的节点的域定位明确后，再通过反向递推的方法计算出一条最优的端到端路径。每个域PCE服务器不仅负责计算本域的路径，同时也负责将本域计算的路径信息告知上游域PCE，以便其进行下一步路由计算工作。

图2　BRPC流程示意图

3　仿真及结果分析

基于上述方案，我们在InterWatch试验平台上对跨域调度方案进行了性能仿真，包括跨域的端到端业务连接建立和跨域重路由恢复，并与传统的层次模式路径计算方法进行了比较。其网络配置见第2节所述，节点对（A，V）之间的呼叫请求服从到达率为λ的泊松分布，每个呼叫的持续时间服从参数为1的指数分布。

3.1跨域的端到端路径建立仿真测试

如图3所示，与层次模式比较，随着网络业务量的增加，采用BRPC算法的路径计算的阻塞率明显要小于分层模式。如图4所示，在平均建路时间上，BRPC算法也比分层模式建路时间快许多。从对比结果可看出，BRPC路径计算比层次模式具有更大的优势，主要原因是其在计算跨域路径的效率要高于层次模式。

图3　两种模式下的阻塞率

图4　两种模式下的平均建路时间

3.2跨域的重路由恢复仿真测试

从图5可看出，当连接请求率变大，传统重路由机制比快速重路由所耗时间更多。主要原因在于传统重路由恢复机制采用串行方式逐层计算路由，等待高层域最后计算完一条完整的路径后才开始触发信令的建立，其结果是在建路过程中势必会耗费大量的重路由计算时间。快速重路由采用并行方式计算路由，几乎同时将每个域计算的路径拼接起来就开始触动信令，这样就缩短了链路建立时间。从图6可看出，快速恢复机制的恢复率明显优于传统恢复机制，其主要原因在于快速恢复机制能够快速定位故障域，直接上报给网管，从而大大降低了消息逐层传递出错的概率。

图5　重路由恢复时间对比

图6　重路由恢复率对比

针对跨域调度系统方案，为了进一步深入分析，本文从端到端链路建立和重路由恢复信道调度机制角度进行探讨，可知光网络中不同的速率等级下，链路连接建立及重路由恢复时间有所不同。与155M及以上速率相比较，2M业务跨域调度和重路由恢复时间比业务建立时间要慢许多，这是由于155M及以上速率信道调度方式和2M信道调度方式不同，其中155M及以上速率调度流程相同，可直接建立端到端信道。2M信道调度则需要先查询是否有VC4级隧道存在，确认有隧道存在，再查询是否有2M空时隙可用情况后，才能够进行首末节点2M业务与隧道的交叉连接配置，建立一条完整的跨域信道，故导致2M链路比155M及以上速率业务建路时间要长。重路由恢复机制先查询受故障影响的业务，然后进行故障链路拆除，再按照信道调度的方式重新建路，故重路由恢复时间要比跨域调度所需时间多。因此，跨域调度方案能够实现ASON网络毫秒级的端到端链路建立和恢复时间，并保证连接无法正常建立的概率小于10-3，同时建立、恢复时间保证了某个网络节点或某段链路出现故障时，数据流量能够平滑地切换到其它路径上进行传送。

4　结束语

本文分析了目前智能网所面临的不足，如网络规模越来越庞大，导致网络的资源利用率低；域之间拓扑信息相互独立不可视，使得无法实现跨域的业务调度、重路由恢复等功能。针对这些不足之处，给出了一种基于PCE的ASON网跨域业务调度的解决方案，成功地实现了跨域业务的互连互通。仿真结果表明，该方案满足网络功能和性能需求，有效提升了ASON网络的服务质量，是对基于GMPLS的ASON控制平面技术的有效补充和增强。

从PCE技术发展来看，它有着广泛的应用前景，不仅应用在ASON网，还可以应用于其它类型的传输网，如MPLS-TE、SDH、OTN和WSON等［8］。推广使用该技术将会极大提高全网的智能化水平，充分发挥PCE对国家信息化产业的助推作用。

［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。

陈选育（1978-），男，工程师，研究方向为光通信技术，嵌入式软件开发。