基于ASON重叠网络模型的智能光网络路由体系结构的研究

2019-11-03 18:21:54

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供稿：网友

谢新梅宋荣方
南京邮电学院通信与信息系统专业

　　摘要：本文简要介绍了ITU-T、IETF和OIF三大国际组织提出的路由技术解决方案。主要分析了ASON路由体系结构的定义和对ASON路由的技术要求，以及路由消息及其分布拓扑结构。

　　关键词：链路资源管理器LRM,路由控制器RC,路由执行器RP,路由信息数据库RDB,路由域RA

　　1 智能光网络路由技术简介

　　路由技术是智能光网络的核心技术之一，目前ITU-T、IETF和OIF三大国际组织都提出了相关的草案。ITU-T G.7715定义了一个与协议无关的基于ASON的分级路由体系结构，路由消息通过数据通信网络（DCN）进行传送，G.7712规范了DCN的一种可能的实现方式；IETF GMPLS在MPLS对传统的路由协议（ISIS和OSPF）进行流量工程扩展的基础上又对其进行了扩展（GMPLS－OSPF－TE和GMPLS－ISIS－TE分别对应OSPF-TE和ISIS－TE的扩展），GMPLS的路由协议主要用于I-NNI；而OIF正在进行NNI的制定工作，并要求E-NNI和I-NNI路由协议的选择相互独立，DDRP（Domain to Domain Routing PRotocol）被考虑作为NNI候选路由协议，是分别基于OSPF和IS-IS而来的分级链路状态路由协议。本文主要分析了ITU-T G.7715/Y.1706关于ASON的路由体系结构的定义和对ASON路由的技术要求。

　　2 ASON路由体系结构

　　ITU-T G.7715/Y.1706草案定义了在ASON中建立交换连接SC（Switch Connection）和软永久连接SPC（Soft Permanent Connection）路径选路功能的结构和要求以及ASON路由结构，路径选择、路由属性、抽象信息和状态转移图等功能组件。其中ASON路由结构支持G.8080中定义的不同的路由方式，如分级路由（Hierarchical Routing），逐跳路由（step-by-step Routing）和源路由（source-based Routing）。并且也对路由信息表达方式的不同进行了抽象，如链路状态，距离矢量等。ASON路由体系结构在网络中被分割为多个路由域，为了提供路由服务，需要事先了解网络资源的情况，并对网络资源进行分配后再使用。这些网络资源可以通过人工配置，也可以是基于ITU-T G.7714/Y.1705草案中定义的自动发现机制来配置。

　　2.1 ASON路由体系结构的基本概念

　　运营商对网络进行分割是基于特定的策略，如地理因素，管理范围，技术特点等。运营商将细分后的网络看作是提供路由服务的不同路由域RA（Routing Area）。路由域提供路由信息的抽象，从而使得路由信息的表达具有可扩展性。这些单个路由域的服务是通过路由执行器RP（Routing Performer）来提供的，而RP可以看作是路由控制器RC（Routing Controller）的联合体，RP能支持多种路由方式（ITU-T G.8080草案中规定的路由方式：源路由、分级路由和逐跳路由）的路径计算。所支持的路径计算功能是基于路由信息数据库有效的信息类型来实现的。

　　路由域可以分级包含，在分级路由中每个路由域与一个独立的RP相关联，而服务接入点扮演RP的角色。路由等级中的每一层面可以使用支持不同路由方式的RP，RP的实现是基于实例化的分布式RC。RC提供在一个给定层面的NNI参考点提供路由服务的接口，同时负责路由信息的协调和分布。不同的RC实例由于不同的运营策略受到影响，而这些策略取决于其服务提供商所属的组织，策略的执行可以通过不同的协议机制来完成。

　　RC的实现可以是一组分布式的实体，这组实体被称为一个路由控制域RCD（Routing Control Domain）。RCD是一个抽象的实体，它隐藏了路由控制域的内部细节，而提供与RC分布式接口相同特征的接口。RCD之间交换的路由信息的本质是捕获RC分布式接口之间交换路由信息的语义，并允许每个路由控制域内可以使用不同的表达方式。RCD的实现依赖于具体的实施方式。

　　RA, RP, RC和RCD之间的关系如图1所示，RA包含RA，递归的定义了连续的分级路由等级。一个独立的RP与一个路由域相关联。这样RPRA和路由域RA关联，而RPRA.1和RPRA.2各自与路由域RA.1和RA.2关联。依此类推，RP自身是由分布式的RC来实现的，RC1由RPRA而来，RC2由RPRA.1 和RPRA.2而来。可见RCD分布式接口与RC分布式接口的特征是一致的。

2.2 路由体系结构和功能组件

　　路由体系结构包括与协议无关的组件如链路资源管理器LRM（Link Resource Manager）和RC，以及与协议相关的组件如协议控制器PC（Protocol Controller）。RC处理用于路由的抽象信息。PC依据信息经过的参考点（如E-NNI，I-NNI）处理与协议相关的消息，并将路由原语传递给RC。图2给出了ASON体系结构中的边缘光/波长/标签交换路由器中路由功能组件的一个示例。

　　● 路由控制器RC：与对端RC交换路由信息，并通过对路由信息数据包的操作回复路由查询（路径选择）；对从连接控制器发出的为建立连接所需的通道信息做出回应，这种信息可以是端到端的，也可以是基于下一跳的；为达到网络管理目的，对拓扑信息请求做出相应回应。RC是与协议无关的，从路由控制器中得到的信息使得它能提供它所负责域内的路由。这些信息包括给定层中相应终端网络地址的拓扑（SNPP(Sub-network Point Pool)和SNP(Sub-network Point)链路连接）和SNP地址（网络地址）信息。

　　● 路由信息数据库RDB（Routing Information Database）：存储本地拓扑，网络拓扑，可达性，路由策略配置和其它通过路由信息交换获得的信息。RDB可以包含多个路由域的路由信息。RDB提供给RC一个可接入的视图。图2 的虚线框表示了这种关系。由于RDB可以包含多个路由域的路由信息（即可能是多层网络），因此接入RDB的RC可能共享路由信息。图3 的虚线框表示了这种关系。RDB是与协议无关的。

　　● 链路资源管理器（LRM）：LRM向RC提供所有SNPP链路信息，并将其控制的链路资源的任何状态改变告知RC。

　　● 协议控制器（PC）：PC将路由原语转换成特定路由协议的消息，因此是与协议相关的。PC还处理和路由协议相关的控制信息，这些控制信息用于路由信息交换的管理和维护。

2.3 对路由策略的支持

　　策略控制是指在掌握整个网络中单个业务和整个网络设备的运行状态的基础上 ,通过一定的策略自动地对整个网络系统的带宽和访问进行管理。策略这个概念最早运用于网络安全。网络系统管理员根据本部门的安全管理特点，制定一些安全策略，如设置防火墙的过滤规则等来对网络的安全访问进行控制。但近年来，策略也开始应用于QOS，运营管理，路由和信令方面的控制。其中ASON路由体系结构中对路由策略的实施是通过RC组件中策略代理模块和配置接口实现的，为了解决流量工程的问题，要适当地配置QOS策略和路径选择策略必须应用到RC的端口中。

2.4 对不同路由协议的支持

　　在某个路由域中可能会有几种路由协议支持路由信息的交换。ASON路由体系结构允许支持多种路由协议，这主要通过实例化不同的协议控制器完成。而路由控制器和协议控制器之间并不是一一对应的关系如图4所示。

2.5 对多VPN的支持

　　PPVPN是指由运营商参与管理和实施的VPN。IETF新近成立的PPVPN工作组就是负责定义和规范少数几组用于支持运营商实施VPN的方案。VPN层次结构从下到上包括OVPN、第2层VPN（基于MPLS的VPN）和第3层的VPN（基于GRE、ipSec等隧道技术的IP VPN）。可见虚拟专用网VPN是一种基于某个层面上的网络结构，可以通过以下模型方式创建：1）显式划分网络资源给VPN的模型；2）在多VPN中共享共同网络资源的模型。

　　ASON路由体系结构支持所有的上述VPN模型，显式划分模型通过定义VPN中RC的RDB视图和在本视图内传播资源实现的。如图5中VPN3例子所示。共享共同网络资源的模型是通过不同的VPN共享RDB实现的。如5图中VPN1和VPN2例子所示。

2.6 路由域分级机制

　　G.7715/Y.1706定义了路由分级的概念，在某一层内，可以将网络划分为多个路由域，每个路由域又可以包含更小的路由域。这就产生了路由分级的概念。要求路由协议至少支持4级路由等级，在同一路由层面的不同路由域可以运行不同的路由协议。路径计算只在某一特定的层面进行，可以是分级路由，逐跳路由和源路由。图6给出路由域分级的示例，上级路由域（父）RA包含下级路由域（子）RA.1, RA.2和 RA.3。同样，RA.1和RA.2进一步包含路由域RA.1.x和RA.2.x。

　　每个路由域有相应的RP来提供特定层面上路由域的服务。路由域分级结构中RP的实现是通过RC实例完成的。正如ITU-T G.8080/Y.1304建议那样，一个RC封装了某个路由域的路由信息，并且提供域中特定路由级别对应层面上的路由查询服务。在分级路由结构中，分级的RP实现是通过RC实例堆栈来完成的。堆栈中的每一层都对应分级路由结构中的每一层级别，图7描述了基于RC堆栈的分级RP的实现。图中虚线框代表物理元件的位置。并且多个RC可以位于同一个物理元件中。在给定的层面上，主要依靠两种分布式选择案：1）每个分布式的RC 能封装整个路由信息数据库的一部分；

2）每个分布式的RC通过同步轮询机制能封装完整的路由信息数据库。

　　分布式结构提供了路由域多业务接入点的能力，而在不同层面的RC和相应的RP之间需要交互信息。在不同层面的RC之间的交互环境中，注意到从上级RC接受到的信息不应该再被环回到上级RC 中。路径选择能力取决于路由层面间信息和子网链路地址不同程度的信息的传递，例如路径选择不需要返回路径的SNP，只要有SNPP层的地址就够了。很可能目的地被上级路由域和下级路由域同时知道，但能通过不同的路径到达终点。下级RC比上级RC更适合决定是否能够直接路由到目的地，因为下级RC总是知道本路由域中的所有终端地址，这些终端是本路由域中的一部分，或者是本路由域包含的下级路由域中的一部分。

　　如图8所示分级路由域中LRM和RC间的对应关系不是简单的一对多关系，我们用“外部链路”和“内部链路”来区分跨路由域的链路和完全被封装在路由域中的链路。某个层面的路由域中的“外部链路”可能是上级路由域中的“内部链路”。LRM提供链路状态信息给包含在路由域中的RC。到下级路由域的“内部链路”功能被上级路由域隐藏。

3 路由消息及其分布拓扑结构分析

　　通过路由协议传播的路由消息中主要携带：节点属性信息、链路属性信息和用于表示由于连接的建立和删除而带来资源变化的信息（如路由域拓扑信息），同时策略控制和安全方面的属性信息应该被考虑。节点属性主要包括：可达性和相关多样性。可达性属性提供了通过特定节点可到达的节点集合。典型的就是显式地址摘要列表，可到达的地址前缀作为属性用于路径信息。地址必须和SNPP、子网关联。相关多样性属性：代表节点用于限制路径选择的所有权。可能是个别节点共享风险链路组（SRG）ID的列表。而链路属性的最小集合是链路状态和相关多样性。链路状态是由<生存性，链路权值，能力/容量>三元组表示。链路相关多样性属性与节点相关多样性属性相似。

　　根据路由功能，路由消息分为：邻近维护消息和携带网络路由信息的消息以及网络路由异常和错误消息。如图9所示邻近维护消息在协议控制器PC间交换，PC包含逻辑邻近关系表，通过自动建立或者手工配置。而事件（见表1）机制被RC用于控制邻近RC之间路由信息的传输。当邻居关系建立以后，PC来维护这种邻近关系。路由信息是网络相关信息（节点和链路属性）抽象代表。UNI不存在路由信息交换，主要在NNI间进行，但受到策略的约束。路由信息消息（见表2）在邻近路由控制器RC间交换，被路径选择算法利用在网络中计算和路由连接请求，其边界就是路由域。这些消息的传播是通过本地逐跳交换或者网络洪泛机制实现的。当错误情况影响路由进程时，通用的通知信息被定义产生来在路由域中报告错误和异常情况。同时为了在路由域中管理路由消息的发送和接收，RC中存在3种不同的有限状态机的转移图。

　　当路由域中的路由执行器作为一组分布式的RC被实现时，关于网络拓扑和可达性信息必须被传播和用于与其他RC协商。对等RC间路由信息传递的方法与源端位置和信息的使用者无关。不同的拓扑用于传递路由信息：（注：图10中节点Node代表一个路由域或一个子网）

　　1）一致拓扑：图10中A）所示RC和节点拓扑结构全等。由于传送网采用完全的网格连接，所以大量冗余信息周期性增长。

　　2）星状拓扑：图10中B）所示在路由域中基于一个或多个路由消息服务器为中心的星状拓扑，网络中每个RC维护着与路由消息服务器的关联。消息服务器反过来又将从一个RC接收到的路由消息传递给路由域中其他与自己关联的RC。当在路由域中增加一个RC时，路由消息服务器关联RC的数量线性增加。由于所有RC发出的路由消息都要经过路由消息服务器，所以在路由消息服务器上设置路由信息分布策略加以控制。但此方法可能导致在相同数据通信网DCN（因为两个不同的RC可能通过相同的DCN链路到达）链路上传送多次相同路由消息，一种解决方法就是部署迂回路由消息服务器以增加路由消息传输弹性。

　　3）受管理拓扑：图10中C）所示指路由域包含的网络中RC转发路由消息是根据预先定义或实施的分布式拓扑来实现的。因为是网络管理员定义分布式拓扑，就可以考虑DCN拓扑的特点，并且将冗余路由消息的传递减小到最低程度。这种拓扑将覆盖整个路由域中的RC。

4 ASON路由技术的需求

　　ITU-T G.7715/Y.1706草案关于ASON路由技术的需求主要表现在以下三个方面：

　　1）框架结构的要求：在RC间交换的信息受到强加于参考点上的策略限制的影响；任何层面上的RP操作都不应该依靠其他层面上的路由协议；RCD间的路由信息的交换与域内协议的选择无关，与域内控制器的分布策略（集中式/完全分布式）无关；路由拓扑和传输拓扑不应该完全等同；每个路由域应该独一无二的标志网络承载类型；路由信息应该支持单个域的抽象视图，被抽象的层面受到运营商策略的影响；RP应该具有恢复系统错误（如内存耗尽等）的能力。

　　2）协议上的要求：路由信息要支持多个层面上路由和分级路由信息的分布（包括概要路由信息），允许节点间多链路特性以及节点和链路的多样性；能够支持网络体系结构的演变和扩展（如路由分层数量的增加、域分段和汇聚的复杂程度提高、链路和节点数量的变化）。

　　3）路径选择上的要求：ASON体系结构中的连接控制器CC（Connection Controller）用于信令建立光路径的时候，需要将路径选择算法得到的路径作为参数来建立光路径。路径选择可以通过智能光网络管理平面“脱机”方式实现，也可以通过控制平面“联机”实时在线提供。选择哪种方式取决于计算的复杂性、可靠的拓扑信息、特定的网络上下文环境。当然“脱机”和“联机”路径选择方式可以同时提供，相互弥补对方的缺陷，例如网络操作员可以用“联机在线”方式计算处理路径选择的决定，并且通过“脱机”方式计算考虑复杂的流量工程、按需分配的运营策略、服务的定制、价值模型、全局优化等方面的需求；路径选择应支持分层路由、源路由、逐跳路由等路由方式；也要支持受限路由。

5 一种基于GMPLS的ASON路由模型

　　目前IP路由协议如BGP、OSPF、RIP等，基本上是基于“最短路径”算法，即路由在单个尺度（如链路的传播时延或源、目的之间的跳数等度量标准）下优化。为了支持更大范围的QoS需求，路由协议需要一个更复杂的模型，在该模型中用多个特征值（如带宽、延迟、丢失率等）来描述网络特性。这种根据网络上可利用的资源和流的QoS需求等知识来决定一个数据流的路由的机制称为QoS约束的路由，即在源和目的地之间，如何找到一条能够同时满足多个约束条件的路径，而传输网络的路由程序典型的方式是采用显式路由，在这里路径选择是通过手工或管理系统中软件预定工具完成的。在交换式光网络中，端到端的光通道连接是信令强制请求建立的。针对一个连接请求的路径选择应该采用基于强制路由的算法，以平衡多重目标。由于光平面中没有传统路由器转发的概念，而是事先确定通过网络信令配置的路径。因此，智能光网络的路由解决方案就是：采用受限的最短路径优先的选路，将MPLS流量工程所定义的两个信令协议扩展为RSVP—TE和CR-LDP，并同时扩展了两个域内流量工程的路由协议，即最短路由优先（OSPF-TE）和中间系统到中间系统（IS-IS-TE）的流量工程；同时引入了链路绑定的概念，以减少维护路由和信令协议中庞大的链路状态信息；并将LSP携带的通用标签信息和净荷类型扩展至SDH、lGbit／s或10Gbit／s以太网帧等信号，包括引入单个连接的路由计算、拓扑信息发现和分发、资源状况信息发现和可达性信息等概念。由于ASON就其本质上而言是一个同协议无关的分级路由网络，所以可以存在多种不同的路由解决方案来实现ASON的路由功能。考虑到GMPLS在路由协议以及智能光网络整体结构上所作出的扩展，在ASON的控制平面中使用GMPLS建议的路由协议将成为智能光网络路由系统的主要解决方案。我们使用GMPLS的约束路由模型作为ASON路由解决方案的基础，其具体模块框图如图11所示。

　　其中LMP负责实现资源发现功能，资源发现功能主要包括邻近节点发现、以及网络连通性验证、所有权关联、故障检测/定位、链路容量以及其它网络状态信息探测等操作。由于在ASON中，控制信道和业务信道是相互独立的，因此LMP既要对控制信道也要对业务信道执行邻居发现和链路可用性检测。LMP得到的相邻接点与链状态信息将被提交到链路状态广播/流量工程(LSA/TE)数据库，然后调用内部网关协议对这些状态信息向其它节点进行分发。标准的内部网关协议，例如OSPF-TE和ISIS-TE，主要适用于数据网络的信息传递，为了在ASON中传递光网络的拓扑、资源、链路状态甚至是策略信息，我们必须对这些协议进行扩展。我们的方案是在OSPF中利用其OpaqueLSA功能实现对光网络特有信息的支持。因为在OSPF中，每一个OpaqueLSA都包括有标准的LSA头部和与具体应用相关的特定信息，这种应用相关的特定信息可以直接被OSPF调用，也可以被其它的一些应用程序调用。而在具体的LSA传递过程中，我们可以使用标准的LSA扩散过程来支持OpaqueLSA的传递。因此，经过扩展的OSPF将有能力在支持ASON链路资源与状态信息分发与刷新。通过路由信息的交互，每个ASON节点都可以维护实时的全网拓扑与链路状态表，然后通过选择合适的波长路由算法，在每个请求到达时为用户动态选择一条特定的光路。一旦选定光路，系统就通过CR-LDP或RSVP-TE等信令协议执行光路的建立操作。

6 结束语

　　从ITU-T提出的ASON网络结构看，采用了可划分为多个域的概念性结构。用户同ASON网络之间的接口是UNI，ASON网络中不同管理域之间的参考点是E-NNI，而同一个管理域之间不同路由寻径域或不同控制元件之间的参考点是I-NNI。从运营商提供的网络服务角度看，路由协议可以运行在三个层面上，即运营商间的E-NNI，运营商内的E-NNI和I-NNI。EBGP是运营商间的E-NNI的主要候选路由协议，在I-NNI可以使用任何私有的路由协议，如OSPF/IS-IS/BGP/RIP等等。为了制定完善的智能光网络路由技术体系结构，我们需要综合考虑ITU-T、IETF和OIF标准化组织在路由技术方面的研究成果。其中基于ASON的下一代光传送网络将成为一个更为灵活、可靠、可扩展的智能化光传送网络，因此对于ASON路由技术的研究显得更加重要。

参考文献

[1] Yong Xue, et al. ”Architecture and Requirements for Routing in the Automatically Switched Optical Network”, ITU-T G.7715 v0.6.4, May,2002.

[2] ITU-T G.8080 “Architecture for the Automatically Switched Transport Network (ASON)” 20-31 January 2003

[3] John Strand AT&T ”Routing For Optical Networks With Multiple Routing Domains” January 22, 2001 Contribution Number: oif2001.046

[4] John Strand, AT&T Laboratories– Research “Issues For Routing In The Optical Layer” IEEE Communications Magazine February 2001

作者简介：

1．谢新梅（1979-），女，湖南邵东人，南京邮电学院通信与信息系统专业研究生，2001年毕业于南京邮电学院通信工程系，目前主要从事无线和移动IP网络技术，全光互联网的研究。

2．宋荣方（1964-），男，江苏常州人。南京邮电学院通信与信息系统专业教授，2001年毕业于东南大学无线电工程专业博士研究生，目前主要从事智能无线互联网，第四代移动通信标准、移动通信网络与系统、宽带码分多址通信和现代通信中得信号处理与智能信息处理研究，承担国家自然基金项目（WCDMA关键技术研究）和原邮电部预研项目（WCDMA系统中时空联合干扰抑制技术研究）各1项。在IEEE Electronics (China)，电子学报，通信学报，电子与信息学报，电波科学学报，电路与系统学报和信号处理等国际国内权威刊物上发表论文数十篇。　

摘自　光纤新闻网

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