网络升级场景下的保护技术研究

钮　彬，李　浩，王从春

（国网六安供电公司，安徽 六安 237006）

网络升级场景下的保护技术研究

钮彬，李浩，王从春

（国网六安供电公司，安徽 六安 237006）

随着大数据时代的到来，基于波分复用固定栅格的光网络已经无法满足人们的需求，扩大网络容量，提高频谱资源利用效率成为当下研究的热点。现有固定栅格结构向大容量、高频谱效率的灵活栅格结构演进势在必行。文章在此基础上，针对固定栅格向灵活栅格演进过程中的主要过渡形式—两种栅格共存的光网络的流量生存性问题展开研究，提出了一种适用于该网络场景下的保护技术，并在仿真平台上对其展开了性能评估。

栅格异构；数据中心光互联；保护技术

随着互联网流量的指数级增长，在光传输领域灵活栅格技术受到了广泛关注和青睐，这是缘于灵活栅格技术相较于固定栅格技术在传输容量和灵活性上有较大优势。灵活的栅格将传统ITU栅格向高灵活度细颗粒度的频谱隙方向演进（例如12.5 GHz对50 GHz或100 GHz）。先进的光传输技术，例如相干光正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexin，OFDM），奈奎斯特波分复用（Nyquist-Wavelength Division Multiplexing，N-WDM）以及光任意波形发生器（Optical Arbitrary Waveform Generator，OAWG），被确定为灵活栅格光网络使能技术。通过使用所需频谱分配和自适应调制格式，灵活的栅格能显著提高频谱效率并能增加整体网络容量。此外，超级信道，例如信道跨越多个频谱隙，可以被建立来支持大带宽需求。但考虑到运营成本和固定资产投资等因素，一次性组件基于波分复用灵活栅格的光网络是不切实际的。鉴于此，许多学者和运营商都在固定栅格和灵活栅格共存的光网络领域倾注了研究精力。

在前期研究中，我们着重关注“什么时候用什么样的方式实现异构栅格共存的光网络”这样一个问题，发现现阶段在栅格共存的光网络中关于生存保护的研究一片空白，因此，本文聚焦此点，研究该场景下的生存保护问题。在这样一个光网络中，连接是建立在栅格属性不同的数据节点之间的，因此容易变得不稳定，甚至产生中断等不利影响，造成大量的数据丢失。尤其是在为关键业务服务时，发生这种状况事态将变得更为严重。通过大量调研，我们发现现有的保护技术通过适当的扩展也能在这样的场景下展开工作。举一个专有保护策略的例子，该策略通过选路算法找到一对节点不相交的工作路径和保护路径，通过在遇到故障时将业务倒换到预留的保护路径上，实现快速回复，从而达到组织连接中断的目的。

在本文中，我们关注固定栅格和灵活栅格共存光网络下的流量生存性问题，提出一种适应于该场景下的保护策略，并对这种策略的性能展开评估。通过仿真结果我们发现，提出的保护策略能实现更优越的性能，并有效地降低了业务的连接中断率。

1　问题描述

由于网络运营商提供更高的带宽，更有效地利用网络资源的压力越来越大，在传输网络中用灵活栅格设备取代传统的固定栅格设备只是时间问题。在实际情况下，一个可能的场景是某些节点或链路的流量负载明显高于其他，这些流量负载过高的节点变成了网络中的容量瓶颈。例如，一个常见的场景涉及与数据中心关联的点，这样的节点往往产生大量的流量并且可能从高带宽超级信道互联中获益。在这些环境中，产生瓶颈的设备应该被灵活栅格设备取代。因此，研究网络从固定栅格向灵活栅格演进过程成为当下业界重点，用较少的灵活栅格节点经济有效地提高链路的容量，是我们将面临的一个挑战。因为固定栅格和灵活栅格在网络中共存，而固定栅格和灵活栅格节点却需要不同的技术，尤其是在中间节点执行波长交换的关键设备可重构光插分模块（Reconfigurable Optical Add and Drop Modular，ROADM）。固定栅格的ROADMs遵循传统的严格ITU-T定义的中心频率和频谱栅格（如50 GHz和100 GHz），不管每个单独信道携带的实际比特率。在固定栅格网络中，网络设备，如光开关、多路复用器和转发器，必须遵守该频谱栅格。相比较于固定栅格，灵活栅格的ROADM是不同的。在灵活栅格网络的ROADM中嵌入WSSs不必严格遵循ITU-T固定化的栅格，并且可以切换多路级联片作为一个单独整体，其中每个切片可以是12.5 GHz。所以，产生的问题是：新添加的灵活栅格节点在网络中如何能和其他传统固定栅格节点进行信息交换。这个问题需要分两步来解决，先是建立一个适当的网络模型，在该网络模型下，选取合适的网络升级策略。再在考虑了光路路由、波长分配和频谱分配的网络模型下，引入了三大频谱路由约束对灵活栅格节点与固定栅格节点之间的连接建立进行了研究，但并未涉及连接的稳定性并有效地降低业务链接的中断率，下面，我们针对这个问题展开研究。

2　网络升级策略

正如之前讨论的，迁移到灵活栅格技术不能立马完成；相反，网络运营商可能选择先升级出现瓶颈的网络设备。围绕这一计划，各种有意思的问题在下面讨论中被提了出来。

问题1：哪个节点应该先升级？

当选择一个节点（或节点群）来升级时，许多因素应该被考虑到，如网络拓扑、流量分布、网络负载、网络瓶颈等等。为了方便描述，我们从这些参考因素中简单选取两个以作说明。根据网络拓扑的度数的影响，我们可以制定最大度数优先（HDF）策略；根据流量分布的影响，我们可以制定最大流量优先（HTF）策略，具体如下所述：

最大度数优先（HDF）—具有最大节点度数的节点将被优先选择升级。高节点连通度可能对升级性能有积极的影响，如有较高度数的节点在网络中连接了更多数目的其他节点，因此有利于业务供应选项。

最大流量优先（HTF）—产生更多流量的节点将优先被升级，让更多的流量从升级中受益。

问题2：多少个点应该被升级？

尽管最终的目的是迁移整个网络支持灵活栅格技术，但仅升级部分节点就能消除当前网络瓶颈。在一个给定的有预定目标（如在某些预定目标下，降低带宽阻塞率）的场景下，可能导致不同数目的节点需要升级。此外，在网络规划场景，升级节点数目对节点选择决定有重要影响。

问题3：还有什么需要考虑的？

如果我们简单地遵循上述策略，将节点逐个升级，而没考虑已升级节点的影响，那么所得到的方案和结论是不完备的。例如，如果我们升级节点的邻接点是一个灵活栅格节点，那么一个高带宽和频谱高效的超信道在这两点间建立起来了，而当我们升级节点的邻接节点是一个固定栅格节点时，两点间的资源分配受固定栅格制约。所以，我们可以说这两个灵活栅格节点形成了一个“灵活栅格岛”，如图1所示。这样的“灵活栅格岛”能提高网络升级的性能。更严格地说，一个岛是网络节点的子集，其中子集中任意两个节点可直接互连或通过在相同子集中的节点互连；一个灵活栅格岛意味着在这个子集中的每个节点都支持灵活栅格技术。通常，在一个逐渐迁移过程中尝试形成一个岛看起来是一个有效最大化携带流量的方法，并且，可以得到一些可行的考虑，如果我们想要创建这类灵活栅格岛。

结合上述3个问题，我们对最大流量优先策略作相关优化，并通过仿真验证得知其性能优于其他一般方法。

图1　灵活栅格岛

3　适应于网络升级的保护方法

为了保护升级场景中存在的业务，我们提出了一种适应于网络升级的保护方法（Evolution Adaptive Protection，EAP）。在该方法中，我们通过KSP算法找到若干条路径，从而得到一对工作和保护路径，该工作路径保护对，具有栅格共存不相交特性。这里所述栅格共存不相交特性是指工作路径和保护路径中不同时存在需要升级的固定栅格节点。我们通过一个例子来详细说明该保护方法的工作原理，如图2—3所示。这是一张9个节点的拓扑，固定栅格节点4、节点8和节点9根据升级策略将被选择升级为灵活栅格节点。

图2　9个节点的拓扑示意图

4　仿真与结果分析

本章介绍拓扑仿真环境、算法的程序实现，并根据仿真结果比较适应于网络升级场景下的保护方法和传统保护方法在性能上的差异。

本文将EAP策略嵌入到全光网仿真平台中，采用NFSNET拓扑，如图4所示，使用14个节点作为仿真拓扑，在该拓扑上铺设业务，对保护方法进行了仿真。所有的节点都配备有足够的转发器且不具有光波长转换能力。每条链路拥有5 000 GHz的带宽，与调制码型有关的比特率/带宽比设为1调制码型（Binary Phase Shift Keying，BPSK）。业务到达服从泊松分布，且其数据量在{40, 100, 200, 400}Gbps中产生，其对应的带宽需求如表1所示。

图4　仿真拓扑

表1　仿真参数

除此之外，在仿真过程中，我们尝试了两个流量模型，例如，均匀流量模型和非均匀流量模型，两者在结本部分得到充分比较。在这里，我们用带宽中断率（Bandwidth Blocking Ratio, BBR）和连接中断比（Connection Interruption Ratio, CIR）来评价保护方法的性能。

评估结果显示在图5（a—f）中。 图5（a）说明BBR在信道中的变化，随着一般的PUNG施工方案流量负载而变化。从图5（a）中我们可以看出，BBR的增长同负载量一同增长。从图5（b）和图5（c）中，我们可以看到相似的曲线，这意味着两种方法具有相似的BBR性能。图5（d—f）显示是CIR随流量负载变化。图5（d）和图5（e）的差别告诉我们待升级节点的选择对CIR的性能有着非常重要的影响。其理由是，在受影响的范围和网络迁移过程中的性能改进之间的折衷。从这些数值的结果我们可以总结出，适应于网络升级场景的保护方法比传统方法在网络升级场景下能提供更安全的链接，尤其是在均匀流量模型中。

5　结语

针对网络从固定栅格向灵活栅格升级过程中的网络流量生存性问题，提出了一种适应于网络升级场景的保护（Evolution Adaptive Protection, EAP）方法，并在仿真平台上对该方法进行了仿真验证。通过仿真结果我们可以发现，本文所提的网络升级适应的保护方法较传统的保护方法而言，在网络升级场景下有着更好的性能表现，尤其是在以业务连接中断率为考核指标的评价模型里。

图5　仿真结果

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Research on protection technology in network upgrading scenario

Niu Bin, Li Hao, Wang Congchun
（State Grid Luan Power Supply Company, Lu'an 237006, China）

With the arriving of big data era, WDM based fixed grid optical network has hardly satisfied new requirements. To expand the network capacity and improve the spectrum utilization efficiency of resources has become a hot topic of current research. The evolvement is necessary from existing fixed grid structure to large capacity, high spectrum efficiency network with the flexible grid structure. In this paper, we research the survive ability issue with two optical network coexist, and propose a protection technology applying to the network scenarios, and address the performance evaluation on the simulation platform.

grid heterogeneous; data center optical interconnection; protection technology

钮彬（1982— ），男，安徽六安，本科，工程师，副经理；研究方向：电力信息通信网络安全，运行技术。