（信号与信息处理专业论文）基于网络编码的光网络通路保护策略研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 波分复用( w d m ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术的发展为下一代网 络带来了巨大的传输容量优势，以此为核心的光网络已经取代了传统网络成为最 有竞争力的传输网络。由于每一条链路都承载了大量业务，任何链路或节点的失效 都将导致巨大的损失，因此，在光网络中引入有效的保护策略是必然的趋势，而 共享资源的保护方式因其能有效节省网络资源更是受到了广大运营商的青昧。但 现有通信网络中的节点只能对收到的信息进行存储和转发，很难达到网络传输容 量的上限。从信息理论的观点来看，没有理由让节点只能进行存储和转发，为了 提高光网络的性能，本论文采用a h l s w e d e 等在2 0 0 0 年提出的网络编码的思想， 使其在中间节点对数据进行线性组合，并且将网络编码与光网络保护机制相结合， 主要围绕共享通路保护的方式展开进行研究。 论文首先介绍了光网络最基本的保护策略，网络编码的概念、研究现状以及 网络编码与光组播网络结合等相关问题。在分析了网络编码的基本思想和用法之 后，将其引入到光网络保护策略的研究中，通过与传统的1 + 1 保护、1 ：l 保护、1 ：n 保护、m ：n 保护进行比较并拓展，改进一种基于单链路故障的l + n 通路保护机制， 该机制采取一种新的核心节点选取算法，并在该核心节点处进行编码，在不通过 故障监测和定位的情况下仍然能准确地恢复出由于链路故障丢失的数据。针对优 化目标，建立了整数线型规划模型，分析表明，该机制能优化网络的性能。同时 通过仿真进一步验证了在共享保护资源的前提下，基于网络编码的光网络保护机 制可有效节约波长资源消耗，提高网络链路的资源利用率。 其次，结合传统的光组播保护方案，以及采用网络编码与光组播结合可节约 波长资源的优点，本文提出了新的光组播保护机制，即一种基于网络编码的光组 播通路保护机制。该机制将网络编码应用于光组播树的建立中，网络编码由集中 式扩展为分布式，即让各个中间节点都具有编码功能。核心节点按照第二段所提 算法选取，并且在选路机制中引入d i j k s t r a 算法，将建立的基于网络编码的组播树 和目的节点之间相互保护相结合。通过仿真验证了该机制在光组播网络的保护开 销和平均带宽资源消耗方面的改善，证明该机制性能良好。 关键词：网络编码，生存性，共享保护，1 + n ，光组播 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 l er a p i dd e v e l o p m e n to fw a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n gh a sb r o u g h tt h e a d v a n t a g eo fl a r g et r a n s m i s s i o nc a p a c i t yf o rt h en e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k a sar e s u l t ， t h eo p t i c a ln e t w o r kb a s e do nw d mh a sr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a ln e t w o r ka n db e c o m et h e m o s tc o m p e t i t i v et r a n s p o r tn e t w o r k a se a c hl i n ki sc a r r y i n gal o to fb u s i n e s s e sa n dt h e f a i l u r eo fa n yl i n ko rn o d ew i l lr e s u l ti nh u g el o s s e s ，a n ds ot h e e f f e c t i v ep r o t e c t i o n s t r a t e g yi si n e v i t a b l ei nt h eo p t i c a ln e t w o r k ，a n dt h ep r o t e c t i o nm o d eb a s e do ns h a r i n g r e s o u r c e sw h i c hh a sa t t r a c t e dt h eg r e a ti n t e r e s to ft h em a j o r i t yo fo p e r a t o r sd u et o r e d u c et h ec o n s u m p t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e s b e c a u s et h ee x i s t i n gc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kn o d e sc a no n l ys t o r ea n df o r w a r dt h er e c e i v e di n f o r m a t i o n ，w h i c hi sd i f f i c u l tt o a c h i e v et h em a x i m u mc a p a c i t yo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n b a s eo nt h ei n f o r m a t i o nt h e o r y , t h e r ei sn or e a s o nf o rt h en o d et oo n l ys t o r ea n df o r w a r dt h ei n f o r m a t i o n t oe n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo fo p t i c a ln e t w o r k s ，t h i st h e s i s u s e st h em e t h o do fn e t w o r kc o d i n g p r o p o s e db ya h l s w e d ei n2 0 0 0 ，w h i c hd e a l sw i t ht h ed a t a sw i t ht h em e t h o do fl i n e a r c o m b i n a t i o ni n t h ei n t e r m e d i a t en o d e s i n a d d i t i o n ，t h i st h e s i s a l s oc o m b i n e st h e n e t w o r kc o d i n gw i t ht h ep r o t e c t i o nm e c h a n i s m so fo p t i c a ln e t w o r k ，a n df o c u s e so nt h e a p p r o a c ho fs h a r i n gp a t hp r o t e c t i o n f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h a t t h em o s te l e m e n t a r yc l a s s i f i c a t i o no ft h e p r o t e c t i o ns t r a t e g y , t h ec o n c e p ta n du s a g eo fn e t w o r kc o d i n ga n dt h em a i nd i f f i c u l t i e so f c o m b i n i n gn e t w o r kc o d i n gw i lo p t i c a lm u l t i c a s tn e t w o r k s t h e n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h en e t w o r kc o d i n gi n t ot h er e s e a r c ho ft h ep r o t e c t i o ns t r a t e g yo fo p t i c a ln e t w o r k b y c o m p a r i n gt h em e t h o dw i t ht h et r a d i t i o n a l1 + 1p r o t e c t i o n ，1 ：1p r o t e c t i o n ，i ：np r o t e c t i o n a n dm ：np r o t e c t i o n ，t h i sp a p e ri m p r o v e st h e1 + np a t hp r o t e c t i o nm e c h a n i s mb a s e do n t h es i n g l el i n kf a i l u r e ，w h i c ha d o p t san e ws e l e c t i o na l g o r i t h mt os e l e c tt h ec o r en o d e a n de n c o d et h ep a c k e t si nt h i sc o r en o d e w i t ht h ei m p r o v e dp r o t e c t i o nm e t h o d ，i ti s p o s s i b l et oa c c u r a t e l yr e s t o r et h el o s td a t et h a tc a u s e db yt h ef a i l u r eo fl i n kw i t h o u t m o n i t o r i n ga n dp o s i t i o n i n g t oo p t i m i z et h eo b j e c t i v e ，t h ei n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g m o d e li se s t a b l i s h e d a n a l y s i ss h o w st h a tt h i sm e t h o dc o u l do p t i m i z et h ep e r f o r m a n c eo f n e t w o r k m e a n w h i l e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sf u r t h e rd e m o n s t r a t et h a tt h ep r o t e c t i o n m e c h a n i s m so fo p t i c a ln e t w o r kb a s e do nn e t w o r kc o d i n gc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e c o n s u m p t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e sa n di m p r o v et h er e s o u r c eu t i l i z a t i o no fl i n ko nt h e i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t p r e s u p p o s i t i o no fs h a r e d - p a t hp r o t e c t i o n s e c o n d l y , c o m b i n i n gw i t ht h et r a d i t i o n a lo p t i c a lm u l t i c a s tp r o t e c t i o nm e c h a n i s m a n da d o p t i n gt h ec o m b i n a t i o no fo p t i c a lm u l t i c a s ta n dn e t w o r kc o d i n gt os a v e w a v e l e n g t hr e s o u r c e s ，an e ws c h e m et h a to p t i c a lm u l t i c a s tp r o t e c t i o nm e c h a n i s mb a s e d o nn e t w o r kc o d i n gi s p r o p o s e d ，t h a ti so p t i c a ln e t w o r km u l t i c a s tp a t hp r o t e c t i o n m e c h a n i s mb a s e do nn e t w o r kc o d i n g t h ep r o p o s e ds c h e m eu s en e t w o r kc o d ei nt h e e s t a b l i s h m e n to ft h em u l t i c a s tt r e eo fo p t i c a ln e t w o r k n e t w o r kc o d i n gi se x t e n d e df r o m c e n t r a l i z e dn e t w o r kc o d i n gt od i s t r i b u t e dn e t w o r kc o d i n g ，t h a ti s m a k i n ge a c h i n t e r m e d i a t en o d eh a v et h ec o d i n gf u n c t i o n t h ec o r en o d ei ss e l e c t e da c c o r d i n gt ot h e s c h e m ep r o p o s e di nt h es e c o n dp a r a g r a p h t h ed i j k s t r aa l g o r i t h mi su s e dt ot h er o u t i n g m e c h a n i s m ，a n dt h i sp a p e ra l s oc o m b i n e st h ec o n s t r u c t i o no fm u l t i c a s tt r e eb a s e do n n e t w o r kc o d i n gw i t ht h em u t u a lp r o t e c t i o na m o n gt h ed e s t i n a t i o nn o d e s s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t s d e m o n s t r a t et h a tt h e p r o t e c t i o n c o s ta n dt h e a v e r a g eb a n d w i d t h c o n s u m p t i o no fo p t i c a lm u l t i c a s tn e t w o r kc o u l db er e d u c e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e m e t h o di sv e r yg o o d k e yw o r d s ：n e t w o r kc o d i n g ，s u r v i v a b i l i t y , s h a r e dp r o t e c t i o n ，1 + n ，o p t i c a lm u l t i c a s t i 重庆邮电大学硕士论文 绪论 第一章绪论弟一早硒v 匕 随着网络技术的不断进步，业务模型在不断地变化，业务量也随之爆炸式地 增长。虽然目前的骨干网多数已使用光纤链路来传输数据，但是传统的 s d h s o n e t ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) 技术只能 以特定的传输速率( 如2 5 g b i t s ) 在光纤中的单个波长通道上传输数据。目前要求光 网络应当是一个可控可管、分布协同的智能网络环境，是一个按需资源配置与多 业务响应的自适应网络环境，是一个高效、主动、交互的集成网络环境，最终应 构成一个方便灵活的数据光网络，实现数据和光传输网络的无缝融合。使用光分 插复用器( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r , o a d m ) 和光交叉连接( o p t i c a l c r o s s c o n n e c t ，o x c ) 的w d m 光传送网将逐渐在骨干网中占据主导地位。w d m 技 术可以充分利用光纤的低损耗带宽，在一根光纤中的不同波长上异步、高速传输 多种格式的信号。w d m 技术以它的传输容量大，对高层协议和技术适应性强，以 及易于扩展等优点而备受青睐。在近几年将网络编码和光网络融合的思想有了初 步的研究，通过研究表明：网络编码能提高网络的带宽利用率，均衡网络负载平 衡，提升网络的吞吐量。 1 1 光网络发展 信息化、数字化、全球化、网络化是2 1 世纪信息社会的重要特征。网络作为 信息社会的主要载体，其重要性就如同铁路和高速公路的蓬勃发展给工业社会带 来了广泛而深远的影响一样，因此，网络已成为2 1 世纪全球最重要的基础设施之 一。随着以p 为代表的数据业务的爆炸式增长，新的高速率大容量传输技术应运 而生，以满足网络不断增长的带宽要求。 波分复用【l 】( w d m ：w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是目前提高光纤传送 带宽的最有效的方法，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的 特点，把光纤可用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的信道 来传输一种特定波长的光信号。这些信号可能是a t m ，s o n e t s d h 或者是p 流 量，典型的w d m 系统有4 或者1 6 个信道，如果超过4 0 个信道，就称为密集波 分复用( d w d m ：d e n s ew d m ) 。目前由于密集波分复用( d w d m ) 技术日趋成 熟，t b i t s 量级甚至更高的传输网络已经初步形成，这使得传统的通信网络无论从 业务量设计、容量安排、组网方式，还是交换方式都已经无法适应这一新的发展 重庆邮电大学硕士论文 绪论 趋势。 在光网络建立光连接的过程中，不但要确定路由，还要为该路由分配合适的 波长资源，使得路由与波长分配密切联系在一起，在w d m 网络中，可用波长数 决定了网络能够提供的最大端到端连接数。而现阶段对光组播的研究通常只考虑 路由问题，而没有考虑应用于光网络保护时波长资源的分配问题。由于现有的技 术条件还不能充分利用光传输巨大的带宽，网络中可用的资源还十分有限，对现 有的可用资源需要高效、合理地利用，由于光网络的不断发展，使网络所能承载 的信息容量和通信速率成阶梯型增长，这种现状使网络的资源优化问题被提到了 前所未有的高度。 随着光纤通信技术的不断发展，全光传输距离越来越长，交换选路、生存性 处理等功能由光技术来实现，通过采用先进的光器件逐步取代光电转换设备，光 透明子网的覆盖范围不断扩大。从传输方面来说，全光传输距离约为6 0 0 k m ；从 复用方式来看，d w d m 的大量使用使得光传输系统的容量急剧提高，但这些固定 式的电路复用方式不太适合数据业务，随着网络中数据业务的比重越来越大，光 网络将向基于光分组的统计复用方式发展。从组网方式来看，光网络将沿着“点 到点一环一多环一网状网”的方向发展，应用大量的s d h 系统来满足日益增长的 带宽需求必将使已敷设的光纤容量很快耗尽，因此，大容量的d w d m 点对点系统 将被大量引入，并将逐步引入光分叉复用设备( o a d m ) 构成链形和环形光网络， 接着进一步的发展将是采用灵活的可编程o a d m 甚至o x c 将多个单环连成多环 光网络。随着网络带宽需求的不断增加，环形网络的配置将限制网络基础设施的 进一步扩展，光网络将向能够进行灵活有效配置的全光网状网方向发展。光网络 灵活性将沿着“静态一半动态一动态”的方向发展。从应用领域来看，光网络将 沿着“干线网一本地网城域网一接入网用户驻地网的次序逐步渗透。近年来以 波分复用( w d m ) 技术【5 】为代表的高速大容量传输系统发展非常迅速，并在世界 范围内得到非常广泛的应用。 w d m 技术具有在一根光纤上同时传输多个不同波长的光载波的功能，其技术 手段是在光纤传输可能应用的波长范围内( 低损耗区) 划分若干个波段，以每个 波段为一个独立的通道，传输一种预定波长的光信号。在w d m 传输系统的发送 端采用合波器将已调制到不同波长的窄光谱光源上的待传输的多个光载波信号合 波后，在一根光纤中传输。在接收端再采用光分波器分离出不同波长的光信号并 送至不同的终端。波分复用【l 】的原理如图1 1 所示。 2 重庆邮电大学硕士论文 绪论 图1 1w d m 系统原理框图 可见，w d m 的实质是在光纤上进行光频分复用，只是因为光波通常采用波长 而不用频率来描述、监测与控制，在波分复用技术高度发展，以及每个光载波占 用的频度极窄、光源发光频率十分精确的前提下，或许使用光频分复用来描述更 恰当些。在实际应用中，通常将信道间隔为4 0 0 0 h z ，2 0 0 0 g h z ，1 0 0 0 g h z 或5 0 g h z 的w d m 系统统称为d w d m 系统，在d w d m 系统中，各信道分别占用不同的光 波长频率。与传统的w d m 系统不同，d w d m 系统的信道间隔更窄，以便充分利 用掺饵光纤放大器的带宽，一起使用是目前提高光纤通信容量的最直接有效的方 法之一。由此看来，w d m 和d w d m 应用的是同一种技术，它们是在光通信技术 不同发展时期对w d m 系统的称呼。 波分复用系统最大的优点是节约光纤。它将原来需要多对光纤承载的系统复 用在一对或一跟光纤上传输，大大节省光纤的用量，对于租用光纤的运营商来说 更有吸引力；其次波分复用系统大大延长了无电中继的传输距离，减少中继站的 数目，节约了建设和运行维护成本；波分复用通道对数据格式是透明的，即与信 号速虑及电调制方式无关，可以承载多种业务，在现在多业务需求的运营环境下 很有竞争力；利用波分复用技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来 透明的，具有高度生存性的光网络。 图1 2 表示由5 个接入节点a 、b 、c 、d 、e 构成的波长选路网络结构示意图。 网络中有两个波长选路器x 和y 。若节点a 要同时发送信号到节点b 和节点c ， 则a 到b 的信号传输可采用波长丑，a 到c 的信号传输采用厶，经波分复用送到x 。 x 不是将这些信号广播到所有节点上，而是先用解复用器将a 和五分离出来，分别 送到b 和y 路由上。厶经y 处理后送到节点c 。与此同时，若节点d 要发送信号到 e ，则仍可使用五，依靠y 的选路功能完成d 到e 的光路连接，而不会发生在同一 根光纤上因使用同一波长传送两路信号而导致的冲突。在本例中，3 条通信光路只 使用了两个波长，这是因为用了波长选路器而实现了波长重用。这说明，波长选 路网络可以用较少的波长支持较多节点间的通信。 3 重庆邮电大学硕士论文 绪论 在w d m 光网络中，网络节点被称为光交叉连接( o p t i c a lc r o s s ，c o n n e c t ，o x c ) ， o x c 相当于一个模块，具有多个标准的光纤接口，若将输入波长信号转换到不同 的输出波长上，称为波长转换( w a v e l e n g t hc o n v e r s i o no rw a v e l e n g t ht r a n s l a t i o n ) ， 波长转换是增加光交换网络灵活性，降低阻塞的必要手段，目前波长变换器主要 可以分为四类：( 1 ) 光一电一光型波长变换器；( 2 ) 相干型波长变换器；( 3 ) 基于光逻 辑门的波长变换器。无波长转换能力的路由节点称为波长选择交叉连接器 ( w a v e l e n g t h s e l e c t i v ec r o s s c o n n e c t ，w s x c ) ，有波长转换能力的路由节点叫波长 转换交叉连接器( w a v e l e n g t hi n t e r c h a n g i n gc r o s s - c o n n e c t ，w i x c ) 。 ：祸羽写，。 输入光纤 2 n 图1 3 波长选择光交叉连接器( w s x c ) 结构示意图 图1 3 所示为一种w s x c 的结构示意图。它们利用波分解复用器将链路中的 w d m 信号在空间上分开，然后利用空间光开关矩阵在空间上实现波长交换，完成 空间变化后个波长信号直接经波分复用器复用到输出链路中。它只能支持波长通 道，不能支持虚波长通道。o x c 可以把输入端的任一光纤信号( 或其个波长信号) 可控制地连接到输出端的任一光纤( 或其各波长) 中去，并且这一过程是完全在 4 重庆邮电大学硕士论文绪论 光域中进行的。利用w s x c 就能在不同的用户端之间建立端到端的光路。当路由 节点没有波长转换能力时，光路必须在其路由经过的光纤链路上使用同一波长进 行传输数据。通过使用光交叉设备，可以有效地解决现有数字交叉连接设备中的 电子瓶颈问题。 有了波长选择后就需要波长分配，一个好的波长分配算法可以在很大程度上 提高网络效率。波长分配算法在建立呼叫时负责从许多可用波长中选择一个最合 适的波长。图1 4 中所示左边的3 个呼叫使用了3 个波长，而右边3 个呼叫仅使用 了两个波长。显然右边所需的波长转换器的数目会更少一些。有效的波长分配算 法可以将阻塞率几乎降低到随意选择波长转换器的水平。 图1 4 两种波长分配方式 除o x c 外，目前已广泛使用的一种具有波长选路功能的w d m 设备是光分插 复用器( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r , o a d m ) ，o a d m 是构成全光网的重要器件， 使用o a d m 可以减少光通道上信息的处理和等待时间，减少节电设备的复杂性。 它的主要功能是从传输设备中有选择地将通往本地的光信号进行下路，同时将本 地用户发往另一节点用户的光信号上路，但又不影响其他波长信道的传输。o a d m 在节点上对上下路波长进行复用和解复用处理，通过节点的波长同样在光层进行 一次复用和解复用过程。 目前光网络生存性 2 , 3 i h - j 题已经有大量的文献进行了研究，光传送网中的生存 性机制有两种分类：预先分配好资源的保护机制和实时寻找可用资源的恢复【l3 】机 制。在保护方案中，网络提供的生存性服务是利用专用资源实现的，可以针对每 个可能的失效预留专用的空闲资源，也可以在多个不会同时出现的失效之间共享 这些空闲资源，保护的范围可以是链路级的或通路级的。在恢复方案中，只有当 网络部件出现失效后，控制机制才开始实时寻找可用资源来恢复受损业务。在动 态恢复方案中，可分为基于链路的和基于通路的故障恢复，由于采用实时寻找可 用资源，实现了空闲资源的完全共享，因此保护方案在资源利用效率上低于动态 恢复方案，而且采用动态恢复方案还可以应付多种类型的失效( 如多链路同时失效 5 重庆邮电大学硕士论文 绪论 的、共享链路失效等) 。但是，保护机制能够获得更快的恢复速度，并且能够确保 1 0 0 的业务恢复。 光传送网保护的早期研究工作，借鉴了s d h 自愈环的研究成果。0 g e r s t e l 等人研究了链路、节点、信道故障，这三种故障情况下，w d m 点到点系统和具有 有限波长转换功能的环形网络的保护方案，并从所需的备用资源角度，对各种方 案进行了对比。由于网络的层次结构向简单化、扁平化的方向发展，i p o v e r w d m t 7 】 最有希望成为未来的光网络结构，i p o v e r w d m 生存性的研究成为了热点。i p o v e r w d m 也叫光因特网或p 优化光因特网，是指直接在光网上运行因特网。它是一 种由高性能w d m 设备、吉比特和太比特路由交换机组成的数据通信网络，综合 利用m 技术和给予w d m 的光网络技术，交换机与路由器之间可通过光纤直接相 连或连至光网络层。i po v e rw d m 充分利用w d m 技术所带来的巨大传送带宽和 高速路由交换机的强大交换能力，合理地在m 层与光层之间实现流量工程、保护 恢复、q o s 和网络管理等的优化配置，形成一种简单高效的网络体系结构。采用 i po v e rw d m 技术，可减小网络各层间的中间冗余部分，减少s d h 、a t m 和口 等各层间的功能重叠，减少设备操作、维护和管理费用。同时，由于省去了a t m 层和s d h 层，所以传输效率高，额外开销低，简化了网管，并可与m 的不对称业 务量特性相匹配，充分利用带宽，大大节省了网络运营商的成本，从而间接地降 低了用户获得多媒体通信业务的费用。i po v e r 点到点w d m 如图1 5 所示，在此 网络结构中，两个路由器之间需要通过w d m 链路直接相连。网络中任意路由器 与和它邻接的路由器之间的接口都是固定的。在这种网络中，网络拓扑是固定的， 网络的配置是静态的，网络管理采用集中式策略，在口层和w d m 层之间进行的 交互也是最少的。 图1 5i p o v e r 点到点w d m 6 接口 重庆邮电大学硕士论文 绪论 l s a h a s r a b u d d h e ，s r a m a m u r t h y 研究了w d m 共享通路保护和p 层的恢复 4 1 这两种i po v e l w d m 网络的生存性机制，用数学方法阐述了生存性问题，提出了 寻找有效生存性方案的启发式算法，并分析了这两种机制所需的备用资源和故障 恢复所需要的时间。结果表明在网络的任意节点任意波长处都有一个收发机的条 件下，w d m 层共享通路保护在故障恢复时间上远低于p 恢复，在资源利用率上 比口恢复略低。 d z h o u 和s s u b r a m a n i a m 对已有w d m 光层保护方案的性能特征以及适用环 境进行了定性的分析和比较。0 g e r s t e l 和& r a m a s w a m i 从通信业务运营商的角 度阐述不同w d m 光层保护方案的优缺点【5 】。从实现的角度分析了光层保护方案需 要考虑的几个基本问题：支持快速保护、低优先级业务、网状网保护、所有的故 障模型以及波长转换能力对保护的影响。随着网络的拓扑结构从简单的点到点网 络到环型网，进一步发展到最复杂的网状网结构，网状网的生存性研究成为当前 研究的重点。s r a m a m u r t h y 等人以全网使用的波长总数最少为优化目标，研究了 w d m 网状光网络单链路故障保护的各种方案，给出了在静态业务条件下专用通路 保护、共享通路保护和共享链路保护的i l p 描述【9 】，并比较了三种保护方案对波长 总数的要求，研究表明，共享通路保护占用的网络资源相对较少，他门还分析了 这三种保护方案的故障恢复时间，当交叉连接( o x c ) 的开关配置时间低于1 0 9 s 时，共享链路保护方案的故障恢复时间较短，共享通路保护方案的故障恢复时间 较长；当交叉连接的开关配置时间高于5 0 0 m s 时，专用通路保护有较短的故障恢 复时间，共享通路保护有较长的故障恢复时间。继静态业务条件下的保护设计之 后，动态业务的保护方案成为研究的重点。gm o h a n 等人提出了一个动态建立主 光路和备用光路的方案【5 】，网络在为连接请求建立主光路的同时，为每一个要求 保护的主光路分配备用光路，只要主光路不同时发生故障，它们的备用通道可共 用相同的波长信道，此时，一个已经预先分配给别的主光路的备用光路，可以分 配给一个新的主光路。 在共享保护策略的基础上，除目前提到的l ：1 ，1 + l ，i ：n ，m ：n 保护方案以 外，考虑优先级的m ：n 保护和m ：n 共享保护组( g s p 卜q l ：如n 的思而在共享保 护算法中，g u a n g z h il i 等人提出了比较经典的f i r 算法【2 5 】和p i r 算法【2 6 】，两种算 法都采用白适应选路方式，即设定权重，通过动态选择最佳的恢复路径，两种算 法要解决的问题，都是为业务请求计算好工作路径后，如何选择能共享资源的备 用路径以进一步提高资源利用率，在此基础上的一些更为全面的研究：考虑优先 级的，考虑共享风险链路组限制的，考虑区分可靠性等的算法都陆续有文献报道， 而一些未解决的问题，也给学者留下了比较充足的研究空间，可见，保护策略机 制的研究是光网络生存性研究的一个热点，因而也是本论文研究的重点问题。 7 重庆邮电大学硕士论文绪论 1 2 网络编码技术 ( 1 ) 网络编码的提出 所谓网络编码【6 1 ，即网络节点对传输信息进行操作和处理的过程。它最初是由 r u d o l fa h l s w e d 等人在2 0 0 0 年的一篇文章中提出，主要集中在组播问题，并证明 了一个源节点和每个容量为k 的信宿节点之间的最小割提供的信宿集合，源节点 可以为该节点组播k 条消息。网络编码已被证明是可逼近网络传输容量极限的有 效方法，其在提高网络的安全性、吞吐量和鲁棒性方面的优势已得到国际学术界 广泛认同。网络编码的早期研究仅限于有线网络的组播传输，目前的研究领域已 发展到覆盖有线和无线网络的各个层面，并且新的理论和应用方向仍在不断涌现。 从目前的发展现状看，网络编码的理论研究尚处于初级阶段。特别是网络编码应 用于光网络保护方向的研究，国内还没进行过深入的研究。 n e t w o r kc o d i n g 的理论创新具有普遍意义，代表了一种协同工作的理念，这 使得它的应用不仅局限于改进多播，增加网络容量。与其它技术相结合，网络编 码已经应用于网络管理、纠错、信息安全、p 2 p 对等网络通信、路由和交换等数十 个领域。网络编码已迅速发展成为一个重要的研究范畴，并对信息论、编码、通 讯网络、网络交换理论，无线通讯、计算机科学、密码学、运筹学、矩阵理论等 领域影响深远。网络编码更是现今世界各地一流大学及工业实验室最热门的研究 领域之一。 ( 2 ) 网络编码的研究现状 在现有的计算机通信网络中，信息传输都是由源节点经过中间节点，以存储 转发的方式传送到目的节点。除了数据的简单复制以外，一般来说在网络的中间 节点并不需要做任何数据处理。在许多实际应用中，人们为了信息分析、信息安 全以及交换的目的，总是要在中间节点进行某种形式的数据处理。人们普遍认为， 中间节点所进行的数据处理对数据传输过程本身并不会带来任何好处；然而， a h l s w e a e 等【6 】提出的网络编码的思想彻底推翻了这一结论。通过允许网络节点进 行编码，使组播传输速率达到最大流最4 , n 定删8 】决定的网络容量的上限，这是网 络编码最大的优点，还可节省网络带宽资源消耗、提高网络的鲁棒性、均衡网络 负载【9 】。而通过传统的路由和复制并不一定能够达到上述要求。 网络编码的研究方向综合起来分为3 类：线性网络编码和非线性网络编码【l o 】； 分布式网络编码和集中式网络编码；网络编码在组播和非组播( 多播、点对点等) 网络中的应用。 重庆邮电大学硕士论文 绪论 之前，所有的网络编码的研究都假定网络是有向的。2 0 0 4 年，l i 等人考虑了 网络编码在无向图中的应用，指出分片s t e i n e r 树封装技术可以达到至少1 2 的最 大可能组播速率。它将网络编码有效性的上限加至无向图的组播问题中。此外， 它还推测对于容量为k 的信宿，无向图中的k 对通信问题的最佳速率无需网络编 码即可达到。 目前，组播集中式线性网络编码算法主要有两种：一种是由r k o e r e r 和 m m e d a r d 给出的线性网络编码的代数结构，可以将先前的结论推广到任意网络， 而且网络具有健壮性，并对有环的方向图运用最大流最小割定理证明了这个结论。 这种构造方式需要知道整个网络的拓扑信息，用一个系统转移矩阵描述信源输入 的信息和信宿上接收到的信息之间的关系，并通过构造符合要求的系统转移矩阵 来实现该网络编码。另一种是e s a n d e r s 和s j a g 百等人针对无环、无时延图中的单 源组播问题，提出了多项式时间算法。这种方法将网络编码的构造进一步简化， 首先通过最大流最小割算法找到完成组播所需路径的集合，在找出的这个子图上 确定各个节点所需要进行的操作。这种方法既将网络编码构造的复杂度从指数级 降到了多项式级，又有效降低了网络编码中所采用的字母表的下限。 上述方法都是基于已知的拓扑信息，后来有人又提出了不需网络拓扑信息的 随机网络编码和分布式网络编码【l 。一种是随机网络编码，在一个有限域内随机 选择一个元素作为组合的系数。研究表明只要有限域足够大，这种方法的失败率 就可以很低。这种方法的缺点是需增大通信网络中所需的字母表的大小；另外一 种不需网络拓扑信息的方法是分布式网络编码，它是在网络中传输的各个数据包 上留出一些比特，用来记载此数据包在前面各个节点上所经历的各种操作，接收 节点就可从接收到的数据包中直接译出信源所发送的信息。这种方法可以在不知 网络拓扑信息的情况下实现网络编码，但是增加了网络负载。 线性网络编码不但可以用在已知拓扑的构造方式中，也可以用在不需网络拓 扑信息的随机网络编码和分布式网络编码中。非线性网络编码可以实现最大流最 小割确定的网络容量的上限，但是线性网络编码却无能为力。 上述研究都是针对有线网络的，关于无线网络中的网络编码的研究也是网络 编码研究中的一个热点。由于无线网络自身的一些特性不同于有线网络，使得网 络编码在无线网络中的应用具有新的特点。 此外，关于网络编码与其他领域结合的研究也较多。如网络编码和纠错码及 加密体制的结合可以防止窃听，网络编码还可用于分布式网络管理等，但这些多 数是基于理论分析，仿真试验很少。 网络编码的应用潜力巨大，应用领域涉及无线网络、分布式文件存储和网络 安全等网络的多个层面。总之，现在关于网络编码的研究是百家争鸣，各种方法 9 重庆邮电大学硕士论文 绪论 和应用层出不穷，但是没有一个统一的标准，而且多数是基于理论分析，试验仿 真很少。到目前为止，网络编码应用到实际网络中还比较少，所以关于网络编码 的研究还有很多东西需要去解决。 ( 3 ) 网络编码待解决的问题 由于网络编码的理论研究还处于初级阶段，还需大量研究解决难题。主要体 现在以下几方面： 网络编码理论的进一步完善。现有的网络编码理论研究主要集中于单源组 播网络的线性网络编码。针对多源组播网络和非组播网络的网络编码理论研究还 不够深入，如何利用非线性网络编码优化网络性能，也是未来一个重要的研究方 向。 降低网络编码的复杂度。采用网络编码可以在很大程度上提高网络性能， 但设计和实现上的复杂度也随之增加，研究降低网络编码的复杂度，实现最小的 代价的网络编码，具有重要的理论意义和实用价值。 网络编码在实际网络和复杂流量条件下的性能改进，网络编码在无线网络 和p 2 p 系统中具有广阔的应用前景。针对实际网络的拓扑结构，结合路由技术、 交叉层设计思想以及优化理论，实现编码感知的高效路由和调度算法将成为今后 研究的重点问题。上述问题的深入研究必将对网络编码的理论和应用起到极大的 促进作用。 网络编码与其他相关领域技术的融合。 1 3 本文组织结构 本文针对传统的1 ：l 保护、1 ：n 保护和其它共享保护思想，采取一种新的l + n 保护机制，只分配一个波长资源进行保护信息的传输，并且在节点处进行线性操 作，从而与传统光网络保护相比既能达到l ：1 的速度又能获得i ：n 的保护效果。再 将网络编码的思想应用于光层组播中以优化减少传统光组播保护机制的资源消 耗，即光树的波长资源消耗，提高w d m 光网络保护的效率，用m a t l a b 仿真工具 验证了该机制的性能。因此，基于网络编码的波长资源优化型光层组播保护研究 具有非常重要的意义。本文内容安排如下： 第一章，指出光网络生存性和网络编码的现状，介绍w d m 原理和光传输网 的发展，对w d m 光网络生存性问题的意义和网络编码亟待的问题进行了简要的 介绍。 第二章，介绍了光网络生存性的概念和保护、恢复机制，对生存性进行分类， 1 0 重庆邮电大学硕士论文 绪论 并且将网络编码和光网络生存性融合起来，主要对传统的保护机制进行了阐述和 简要分析。讲述了网络编码融合到光层组播中会带来什么好处。 第三章，采取共享保护的模式，改进了一种基于单链路故障的1 + n 通路保护 机制。此机制在核心节点处进行线性组合，选用新的核心节点选择算法，在不通 过故障监测和定位的情况下仍然能准确地恢复出由于链路故障丢失的数据。并与 传统的专有保护相比较，通过仿真实验表明，1 + n 保护方案可以减少波长资源消 耗，能节省较多资源，仍然可用短时间进行故障恢复。 第四章，本章将网络编码的思想融入到光组播保护机制中，对思想和核心算 法进行了详细的分析，通过仿真验证了该算法的性能，并与传统共享树法在波长 资源消耗、保护开销以及链