（通信与信息系统专业论文）基于obs的集成型混合交换光网络的优化设计.pdf

摘要 摘要 现在，以口为代表的分组业务已经占据了通信网的主导地位。同时，下层的传 送网则主要由基于w d m 技术的光网络构成。尽管w d m 技术为光网络带来了充足 的带宽资源，但是电域处理能力成为制约其发展的主要因素。在光网络的三种基 本交换技术中，o c s 具有很高的传送效率，而o p s o b s 相比o c s 更适用于动态业 务。o p s 由于光器件发展限制，目前尚难以实用。o b s 虽然能较好地承载突发的业 务，在支持相对稳定的业务时，o b s 可能会因为冲突而丢包，其性能不如o c s 。如 何应对i p 业务量不确定为光网络设计所带来的挑战，如何将基本的交换技术结合起 来，利用其各自的优点，实现更好的网络性能，成为研究者们当前关注的问题。 现有的混合交换技术存在虚拓扑的构建，网络实现困难以及如何合理地利用 资源进行业务传输等问题。在第二章，本文着重提出了一种新的混合交换光网络 基于o b s 的集成型混合交换光网络( o b s - b a s e di n t e g r a t e dh y b r i ds w i t c h i n g o p t i c a ln e t w o r k ，o i h s o n ) 。o i h s o n 是o c s 和o b s 两种交换技术的结合，充分利 用o c s 的高传送效率和o b s 的统计复用性，使得o i h s o n 在应对突发性业务的网络 环境时有良好的性能。o i h s o n 的拓扑架构分为两层o c s 部分和o b s 部分。 o c s 部分用于承载路由器之间绝大部分相对稳定的业务，对于突发或动态变化产 生的超出o c s 部分承载容量的业务，则通过o b s 部分来承载；当o b s 部分发生冲突 时，则可以由o c s 部分空闲资源承载，尽可能地避免o b s 冲突丢包，同时提高资源 的利用率。 第三章研究了o i h s o n 的优化设计问题，研究内容包括三个方面：( 1 ) 针对 o i h s o n 拓扑架构分层的特点，采用资源预先分离的资源分配方法，简化网络管理 和维护运行的同时，还可以降低节点的复杂度。( 2 ) o i h s o n 采用两层拓扑架构， o c s 部分将用来承载路由器之间绝大部分相对稳定的业务；当业务发生突发时， o c s 资源不够而无法承载的那部分业务就由o b s 部分承载。在资源预先分离的基础 上，两层拓扑可以分开设计。同时，不确定业务模型下虚拓扑设计问题就可以简 化为确定业务模型下的静态设计问题。( 3 ) 通常，网络设计只考虑网络的运行状 态，即所有的网络资源可用，且网络业务可以顺利传送的状态。因此，接下来介 绍了各种场景下的容量设计方法，并给出相应的优化模型。 为验证、评估o i h s o n 网络的性能，作者搭建了软件仿真平台。第四章就不同 摘要 波长资源数目和不同业务源类型等各种情况，分别对o i h s o n 网络的性能进行仿真 验证和分析。仿真结果验证了o m s o n 能够较好地应对业务呈突发的网络环境，实 现了预期的效果。第五章介绍了o i h s o n 仿真平台。第六章对全文加以总结。 关键词：混合光交换，突发性动态变化的业务，拓扑设计，容量设计 a b s t r a c t a bs t r a c t n o w a d a y s ，b e s te f f o r tt r a f f i c i pt r a f f i cb e c o m e sd o m i n a n c ei nc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s t h eu n d e r l y i n gt r a n s p o r ti n f r a s t r u c t u r ei sa n dw i l lc o n t i n u et ob em a i n l y c o m p o s e do fo p t i c a ln e t w o r k sb a s e do nw 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 ( w d m ) t e c h n o l o g y a l t h o u g ht h ee m e r g e n c eo fw d mo p e n su pt h et e r a h e r t zt r a n s m i s s i o n b a n d w i d t h , t h ep r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo ft h ee l e c t r o n i cp a r t so fc o r er o u t e r sl e a d st o e l e c t r o n i cb o t t l e n e c k s ，w h i c hr e s t r i c to p t i c a ln e t w o r k s d e v e l o p m e n t t h r e eb a s i co p t i c a l s w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s i nw d mn e t w o r k sh a v eb e e n p r o p o s e d o p t i c a l c i r c u i t s w i t c h i n g ( o c s ) h a sh i g ht r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) a n d o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) c a ne f f e c t i v e l ya c c o m m o d a t ed y n a m i c a l b u r s t yt r a f f i c t h ec o m p o n e n t sn e e d e df o ro p sa r ef a rf r o mm a t u r e ，w h i c hr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to f o p s o b si sc o n s i d e r e dag o o dc a n d i d a t ef o r b u r s t yt r a f f i c ，b u ti ti sn o tag o o do n ef o r s t e a d yt r a f f i cs i n c eo b sn e t w o r k sm a yh a v et od r o pb u r s t sf o rc o n t e n t i o ne v e nu n d e r s t e a d yt r a f f i c i no r d e rt od e a lw i n lc h a l l e n g ef o ru n c e r t a i nt r a f f i ci no p t i c a ln e t w o r k , s o m er e s e a r c h e r st u r nt oo p t i m i z i n gn e t w o r kp e r f o r m a n c eb yc o l l a b o r a t i v e l yc o m b i n i n g t h es t r e n g t h so fb a s i c o p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g i e sa n da v o i d i n g r e d u c i n g t h e i r w e a k n e s s e sa sm u c ha sp o s s i b l e t h e s ee x i s t i n gh y b r i dm o d e l sh a v ep r o b l e m ss u c ha sv i r t u a lt o p o l o g yd e s i g n , n e t w o r kr e a l i z a t i o n ，n e t w o r kr e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，e t c t h e r e f o r e ，t h es e c o n dc h a p t e r p r o p o s e san e wh y b r i ds w i t c h i n gs o l u t i o n ，n a m e do b s - b a s e di n t e g r a t e dh y b r i d s w i t c h i n go p t i c a ln e t w o r k s ( o i h s o n ) o i h s o ni n t e g r a t e so c sa n do b sa n du t i l i z e s l l i g ht r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo fo c sa n df l e x i b i l i t yo fo b s ，w h i c hm a k eo i h s o n e f f i c i e n t l ys u p p o r tn e t w o r ke n v i r o n m e n tw i t l lb u r s t y d y n a m i ct r a f f i c t w ol a y e r t o p o l o g i e sa r ed e s i g n e df o ro i h s o n ，o n e i so c s p a r t ，a n dt h eo t h e ri so b sp a r t o c s p a r tw i l lc a r r ys t e a d yp a r to ft r a f f i cb e t w e e nr o u t e r s ，a n dt h eb u r s t y d y n a m i ct r a f f i c w h i c hi sb e y o n dt h eo c s p a r t sc a p a c i t yw i l lb ea c c o m m o d a t e db yo b so n e w h e n c o n t e n t i o n sa p p e a r si no b sp a r t , c o l l i s i o nt r a f f i cc a l ls w i t c hb a c kt oo c s p a r ti ft h e l a t t e rh a p p e n st oh a v ee n o u g hr e s o u r c e s ，w h i c hc a na v o i dd r o p p i n gb u r s t sf o rc o n t e n t i o n i no b s p a r ta sm u c ha sp o s s i b l e ，a n da l s oi m p r o v er e s o u r c e su t i l i z a t i o n i i i a b s t r a c t t h et h i r dc h a p t e rw i l li n t r o d u c et h eo v e r a l lo p t i m i z a t i o nd e s i g no fo i h s o n t h e r e s e a r c hi n c l u d e st h r e ep e r s p e c t i v e s ：( 1 ) b a s e dt h ec h a r a c t e ro fl a y e r e dt o p o l o g yo f o i h s o n ，i t sb e t t e rt os e g r e g a t er e s o u r c e s ( w a v e l e n g t h s ) u s e db yo c sp a r tf r o mt h a t u s e db yo b sp a r t ，w h i c hc a l l s i m p l i f yo a m ( o p e r a t i o n , a d m i n i s t r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e ) a n da l s od e c r e a s e t h ec o m p l e x i t yo fo i h s o nn o d e s ( 2 ) o i h s o n i n c l u d e st w ol a y e rt o p o l o g i e s o c sp a r tw i l lc a r r ys t e a d yt r a f f i cb e t w e e nr o u t e r s ，a n d t h e b u r s t y d y n a m i ct r a f f i c w h i c hi s b e y o n d t h eo c sp a r t sc a p a c i t yw i l lb e a c c o m m o d a t e db yo b so n e b a s e dt h em e t h o do fs e g r e g a t i n gr e s o u r c e s ，t w ol a y e r t o p o l o g i e sc a nb ed e s i g n e ds e p e r a t l y a tt h es a m et i m e ，t h ev i r t u a ld e s i g np r o b l e mu n d e r u n c e r t a i nm o d e lc a nb et r a n s l a t e di n t os t a t i cd e s i g np r o b l e mu n d e rc e r t a i nm o d e l ( 3 ) c u r r e n t l y , n e t w o r kd e s i g no n l yc o n s i d e r sn e t w o r kb e i n gi no p e r a t i o n , n a m e l ya l l r e s o u r c e sa l ea p p l i c a b l ea n dt h en e t w o r kt r a f f i ci sc a p a b l eo ft r a n s m i s s i o ns u c c e s s f u l l y t h e r e f o r e ，t h ef o l l o w i n gp a r ti n t r o d u c e sc a p a c i t yd e s i g no fo i h s o ni ns o m es c e n e s a n dt h ec o r r e s p o n d i n go p t i m i z a t i o nm o d e l sa r eg i v e n t ov e r i f ya n de v a l u a t ep e r f o r m a n c eo fo i h s o n ，s o f t w a r es i m u l a t i o np l a t f o r mi s d e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sg i v e ni nc h a p t e r4v e r i f yo i h s o n c a ne f f i c i e n t l yc a r r y b u r s t yt r a f f i c ，w h i c hr e a l i z ea n t i c i p a t i v ep u r p o s e t h ed e s i g nd e t a i l so fs i m u l a t i o n p l a t f o r ma r eg i v e ni nc h a p t e r5 t h es i x t hc h a p t e ri sc o n c l u s i o no f t h i sd i s s e r t a t i o n k e y w o r d s ：h y b r i do p t i c a ls w i t c h i n g , b u r s t y d y n a m i ct r a f f i c ，t o p o l o g yd e s i g n ，c a p a c i t y d e s i g n i v 图目录 图目录 图1 1 光分组交换o p s 节点结构2 图1 2 光突发交换o b s 节点结构4 图1 3 虚拓扑的形成5 图2 1 主从型混合光网络示意图9 图2 2 平行型混合光网络示意图1 0 图2 3 集成型混合光网络示意图1 1 图2 _ 4o m s o n 的传输机制1 4 图2 5o i h s o n 节点结构1 5 图2 - 6 本地接收判决模块的实现框图1 7 图2 7 边缘节点发送模块的实现框图1 8 图2 8o i h s o n 节点执行流程图2 0 图3 1 网络优化设计的步骤2 2 图3 - 2 虚拓扑设计问题2 6 图3 3 波长路由网络3 4 图3 - 4 波长连续网络实例3 5 图4 - 1n s f n e t - 1 4 物理拓扑结构图4 5 图4 - 2 胪1 0 0 时三种方案的丢包率( p l r ) 比较4 8 图4 3 不同缓存大小，两种网络丢包率( p l r ) 的比较4 9 图4 - 4 胪1 0 0 时三种方案的端到端时延( e t e d ) 比较5 0 图4 5 胪1 0 0 时三种方案的o c s 延迟( o c sd e l a y ) 比较5 1 图4 - 6 不同缓存大小，两种网络端到端时延( e t e d ) 的比较5 1 图4 7 不同资源时的丢包率比较5 2 图4 - 8 不同h u r s tp a r a m e t e r 时自相似源突发性的比较5 4 图4 9 自相似源与泊松源在在突发性上的比较5 5 图4 - 1 0 采用自相似源不同负载下丢包率的比较5 5 图4 - 1 1 采用自相似源不同负载下端到端时延的比较5 6 图5 1 自相似源模型的父进程状态机6 0 图5 2 边缘节点模型6 1 v i i i 图目录 图5 3 路由进程的状态机( d i s t r i b u t i o n ) 6 2 图5 4 汇聚进程的状态机( a s s e m b l e r ) 6 3 图5 5 调度进程的状态机( s c h e d u l e r ) 6 4 图5 - 6 本地接受判决进程的状态机( r e c e i v e r ) 6 4 图5 7 核心节点模型6 5 图5 8 核心节点的交换状态机( s w i t c h i n g ) 6 6 i x 表目录 表目录 表2 1主从型、平行型、集成型混合交换技术比较1 2 表3 1不考虑波长连续，波长数目为6 时建立直达光路所占用的波长情况3 8 表3 2 波长连续，波长数目为6 时建立直达光路所占用的波长情况3 9 表3 3 不考虑波长连续，无容量上限时o i h s o n 网络中o c s 部分所需的波长数 f ；l 4 0 表3 - 4 波长连续，无容量上限时o i h s o n 网络中o c s 部分所需的波长数目4 1 表3 5 不考虑波长连续，波长数目为3 时o b s 部分链路被经过的次数4 2 表3 - 6 波长连续，波长数目为3 时o b s 部分链路被经过的次数4 3 表4 - 1n o 1 业务矩阵( g b s ) ，a = 3 6 4 6 表4 - 2n o 2 业务矩阵( g b s ) ，a = 6 0 4 7 表4 3 n o 3 业务矩阵( g b s ) ，a = i1 5 4 7 表4 4 不同自相似参数下，自相似源到达速率的比较5 4 表禾5 不同业务源，o i h s o n 能够成功传送突发数据比率的比较一5 7 表4 。6 不同业务源，基本o c s 网络和o i h s o n 光路需承载的负载的比较5 7 x 缩略词表 英文缩写 a s o n b h ：p d b e t e d f d l h l d a i l p l a u c l a u c v f l r d m b l m a p o a d m o b s o b t n o c s o i h s o n o p s o r i o n o x c p l r q o s r 讳必 缩略词表 英文全称 a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k b u r s th e a dp a c k e t d a t ab u r s t e n d - t o e n dd e l a y f i b e rd e l a yl i n e h e u r i s t i c l o g i c a lt o p o l o g y d e s i g n a l g o r i t h m i n t e g r a ll i n e a rp r o g r a m m i n g l a t e s ta v a i l a b l eu n s c h e d u l e dc h a n n e l l a t e s ta v a i l a b l eu n s c h e d u l e dc h a n n e l w i m v o i df i l l i n g l o n g r a n gd e p e n d e n c e m i l l - b u r s t - l e n g t hm a x - a s s e m b l y - p e r i o d a l g o r i t h m o p t i c a la d d a n d d r o pm u l t i p l e x e r o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o p t i c a lb u r s tt r a n s p o r tn e t w o r k o p t i c a lc i r c u i ts w i c h i n g o b s - b a s e di n t e g r a t e dh y b r i ds w i t c h i n g o p t i c a ln e t w o r k o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o v e r s p i l lr o u t i n g i no p t i c a ln e t w o r k s o p t i c a lc r o s s c o n n e e t p a c kl o s sr a t i o q u a l i t yo f s e r v i c e r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t x i 中文释义 自动交换光网络 突发头分组 数据突发包 端到端延迟 光纤延迟线 启发式逻辑拓扑设计算 法 整数线性规划 最近可用未调度信道算 法 可插空的最近可用未调 度信道算法 长相关性 最小长度最大汇聚时间 算法 光分叉复用器 光突发交换 光突发分组传送网络 光电路交换 基于o b s 的集成型混合 交换光网络 光分组交换 溢出路由光网络 光交叉连接器 丢包率 服务质量 路由和波长分配 缩略词表 s o m s o n t w c w d m 、v r o n s t a t i co b s b a s e d i n t e g r a t e dh y b r i d s w i t c h i n go p t i c a ln e t w o r k t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r 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 w a v e l e n g t hr o u t i n go p t i c a ln e t w o rk i 基于o b s 的集成型混合 交换静态光网络 可调谐波长变换器 波分复用 波长路由光网络 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：靼嘲1 年，胪日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 啦 导师签名： 日期：叩年f 月，e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着计算机通信的飞速发展，人们对传输带宽的需求日益增长，促使人们不 断研制新的技术，提高光纤通信的速度。近几年来由于技术上的重大突破和市场 驱动，波分复用( 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 , w d m ) 技术发展十分迅速。 w d m 是一种可以在单根光纤上利用不同的光波长传输多路数据信号的技术，每 根波长都是一个独立的数据传输通道。通过不断地增加新的波长来增加w d m 系 统的带宽，每根光纤可以成倍地提高带宽容量。因此，w d m 技术能极大地增加 线路的传输容量，然而，同时也对交换系统提出了更高的要求。目前电子交换的 发展已经逼近电子速率的极限，为了解决电域交换瓶颈的制约问题，引入光交换 技术已经成为必然。 1 2 光交换技术概述 所谓光交换技术，是指到达的光信号在网络节点处不经过光电光转换，而 是在光域上直接将输入的光信号直接交换到相应的输出端。光交换系统主要由输 入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元四部分组成。由于目前的光逻辑器件 的功能还不够成熟，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此，国际上现有 的光交换控制单元还要由电信号来完成。光交换技术不但克服了电交换与光传输 子网并存带来的处理速率不匹配等问题，还节省了大量建网和网络升级成本，提 高了网络的重构灵活性和生存性，加速了网络恢复速度，简化了网络控制操作等。 为了利用光交换所带来的优势，人们相继提出了三种光交换技术，分别是光 电路交换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ，o c s ) 技术，光分组交换( o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ，o p s ) 技术和光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 技术。 1 2 1 光电路交换技术 光电路交换技术类似于传统的电路交换技术，具有面向连接的特性，一旦端 电子科技大学硕士学位论文 到端的光路建立成功，就可以实现业务流在光域上端到端的透明传输。光路是拥 有极高带宽的管道( 每条光路可以为上层提供高达几g b s 甚至几十g b s 的传输 容量) ，用于承载大传输量的业务，通过为节点对间的一条路径上的每条链路分配 同一个波长资源而建立( 分配同一个波长资源是为了保证波长连续性) 。o c s 采 用光交叉连接器( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ，o x c ) 和光分插复用器( o p t i c a la d da n d d r o pm u l t i p l e x e r ，o a d m ) 等光器件设置光通路，中间节点不需要光缓存等其他 处理。o a d m 用于实现对业务上下光路的控制，而o x c 则通过光开关完成在光 网络上的寻径、路由、建立光路等工作。光路可以根据上层的要求建立或拆除。 然而，口业务最主要的特点是其突发性，业务量大小的不可预测性以及业务 量持续时间的频繁变化特性。考虑光路建立、维护和拆除等开销，完全根据口业 务请求动态地建立和拆除光路是不合适的。 1 2 2 光分组交换技术 o p s 与传统的电分组交换网络一样，也是一个存储转发网络【1 1 。它以光分组 作为最小的交换颗粒，分组的数据部分和头部信息一起放在固定长度的时隙中， 然后一起发送到中间节点。在中间节点处，头部信息需要处理，以便确定路由； 数据部分需要暂时缓存起来，以等待头部信息的处理。传输和存储过程都是在光 域完成。o p s 网络的节点结构如图1 1 所示。 图1 1 光分组交换o p s 节点结构 相比o c s ，o p s 由于它允许统计复用网络通道带宽资源，因此有着很高的资 源利用率和很强的适应突发数据的能力。从长远看来，全光的分组交换o p s 是光 2 第一章绪论 交换的发展方向，但是近期内能有效支持o p s 的光开关技术尚不成熟，即光交换 矩阵的交换速度暂时难以达到要求。同时，在光域上真正意义上的随机存储机制 还不存在，目前的光域缓存只能依靠光纤延迟线f d l ( f i b r ed e l a yl i n e s ) ，而f d l 的使用也受到信号质量和物理空间的限制，无法提供足够灵活和充足的缓存。因 此o p s 的真正成熟还需要等待相对较长的一段时间。 1 2 3 光突发交换技术 光突发交换技术是由纽约州立大学布罗法( b u f f a l o ) 分校的c h u n m i n gq i a o 和华盛顿大学的j o n a t h a ns t u r n e r 首先提出的【2 3 】。光突发交换( o b s ) 是光电路 交换( o c s ) 和光分组交换( o p s ) 的一个折中方案，既结合了光电路交换和光 分组交换的一些优点，又克服了两者的不足，能很好地适应于业务多样和多变的 环境，是目前最具有发展前景的光交换技术之一。 光突发交换网络中的基本交换单元叫做突发包( b u r s t ) ，也有文章称之为数 据突发包( d a t ab u r s t ，d b ) ，它由一系列p 分组共同构成，可认为是一种超长的 分组，粒度介于o c s 中的整个业务流与o p s 中的单个分组之间。通常，突发包 是指具有相同属性的业务分组按照某种汇聚算法汇聚而成的一个数据块。这里相 同的属性可以是相同的目的地址，相同的服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 要 求等。 每个突发包都对应一个突发头分组( b u r s th e a dp a c k e t ，b h p ) 。b h p 中包含 有突发的一些基本信息，如突发包长度、偏移时间( o f f s e tt i m e ) 、突发包预定的 传输波长等。b h p 先于b u r s t 发送，以便中间节点对其进行电域的处理，逐跳为 对应的b u r s t 预约资源。b u r s t 将在源节点缓存至偏移时间结束后才进行传送。偏 移时间应设置得足够大，使得中间核心节点能够在b u r s t 到达之前完成对b h p 的 处理。核心节点通过读取b h p 中的信息来完成对光交换矩阵的配置，为b u r s t 预 约各链路上的资源。在偏移时间到达后，b u r s t 才在b h p 预先配置好的直达链路 上端到端地全光透明传送，并在出口边缘节点完成解汇聚，最终完成数据包的传 递过程。o b s 网络的节点结构如图1 2 所示。 3 电子科技大学硕士学位论文 光交换矩阵 口b 肿 r - 1b u _ 图l - 2 光突发交换o b s 节点结构 1 3 本文涉及的基本概念 目前，光网络广泛采用w d m 技术。w d m 技术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、高速传输各种格式的信号，是挖掘光纤巨大带 宽资源的最佳技术。根据研究网络的角度不同，w d m 光网络具有两种拓扑结构， 物理拓扑和虚拓扑，虚拓扑又名逻辑拓扑。物理拓扑表征光网络节点之间物理连 接关系，虚拓扑表征网络节点间业务联系情况。 1 3 1 物理拓扑 网络的物理拓扑就是网络节点的物理连接关系。从构成上看，它是网络节点 与光纤链路的集合。当两个节点间有一条光纤链路连接时，对应的物理拓扑的两 个节点间就有一条边相连。物理拓扑中节点的度数是指与节点直接相连的光纤链 路的数目。物理拓扑的设计一般是在网络的建立阶段，根据业务流量需求等因素 静态规划的。早期，点到点的连接是物理拓扑唯一的应用方式。随着节点技术的 发展，光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接设备( o x c ) 的出现使各种物理拓 扑的实现成为可能。除简单的点到点的连接方式外，常见的物理拓扑有线形、星 形、环形、树形和网孔形等等，现在网络已经发展成为复杂的网状网。 4 第一章绪论 1 3 2 虚拓扑 在w d m 光网络中，光路( 1 i g h t p a t h ) 就是指两个节点之间的一条全光通道， 它可能穿过一条或是多条光纤链路，数据在光路上进行透明传输，光路上的中间 节点不需要进行任何电域的存储转发或者交换处理。光路可以看做是光域中的端 到端连接，也就构成电域的虚连接。这种光域的连接被成为网络的逻辑拓扑，也 叫虚拓扑( v i r t u a lt o p o l o g y ) ，虚拓扑中的每条边叫做虚链路( v i r t u a ll i n k ) 。 如图1 3 所示，左边表示一个物理拓扑五个节点之间的连接关系。物理节点 的最大度为3 。假定我们在物理拓扑的1 - 2 和4 0 1 间分别搭建一条光路后，在对 应的虚拓扑上节点l 与节点2 和节点4 之间就各自增加了一条有向逻辑边，从节 点1 出发的数据包只需要一跳就可以到达节点2 ，从节点4 出发的数据包只需要 经过一跳就可以到达节点1 ( 如右图中的两跳虚线所示) 。第三章将对虚拓扑的设 计进行更详细的介绍。 物理拓扑 1 3 3 虚拓扑设计的概述 、 、 、i 、 虚拓扑 图1 3 虚拓扑的形成 “虚拓扑 ( x r m u a lt o p o l o g y ) 设计有时称为逻辑拓扑( l o g i c a lt o p o l o g y ) 设 计【4 】。这种设计思路将光路的配置问题和口业务的路由问题分开解决。首先按照 一定的优化指标( 通常是使用的光纤数目波长数目最少，或者使得光路在各光纤 链路上尽量均匀等) 为节点对之间配置光路。这些光路构成上层路由器之间的连 接通道，称为“虚链路 。所有虚链路和路由器构成一个虚拓扑。然后在该虚拓扑 上采用流量偏移【5 】( f l o wd e v i a t i o n ) 之类的算法进行口业务的路由设计。 虚拓扑设计问题已有大量研究成果【6 】。这些设计方法都假定节点对之间的平 均业务量大小已知。网络中所有节点对之间的业务量构成一个矩阵，称为业务量 电子科技大学硕士学位论文 矩阵。在p 网络中，可以通过测量过去一段时间内的业务量来预测未来的业务量 情况。但是这种预测并不准确，有研究表吲1 7 1 ，其预测误差可达2 0 。随着网络 中业务量的变化，按照原来的业务量矩阵优化设计的虚拓扑难以适应新的业务量 情况。为了克服这种情况带来的问题，有两种可能的方式。一种是在网络动态运 行过程中对虚拓扑进行重配置( r e c o n f i g u r a t i o n ) 【8 】。尽管重配置能够适当缓解口 业务的突发特性与虚拓扑设计的静态优化目标之间的矛盾，但是由于业务量矩阵 的不准确，重配置的有效性仍然值得怀疑。另一种方式是进行“过配置( o v e r p r o v i s i o n i n g ) ，即为每个业务配置的带宽资源超过其平均需求，以容纳可能出现 的突发性的过载。过配置方式无疑会导致带宽的浪费，而且过配置的资源数量也 很难精确给出。 虚拓扑设计的另一个关键目标是保护资源的配置和规划。由于篇幅所限，本 文就不做详细介绍。 1 4 本文的主要工作及结构安排 在实际网络中，由于业务传送量是不可估计的，而且更重要的是它随着时间 变化而变化，因此，网络迫切需要可以灵活运用于动态变化环境下的光交换技术 以及相应的路由方法。通过第一章第二小节对三种基本光交换技术o c s 、o p s 和 o b s 的介绍，不难得知o p s o b s 比较适用于业务动态变化的网络环境，但是o p s 技术受制于光器件的发展，目前尚难以实用。因此，本文主要充分结合o c s 和 o b s 两种交换技术，提出一种新的基于o b s 的集成型混合交换光网络的设计方 法。该方法通过合理设计业务传输机制以及合理地分配资源，使得这种混合交换 光网络能够较好地应对业务呈突发性的网络环境，同时还有较高的传送效率和较 高的资源利用率。本文的结构安排如下： 第一章阐述光混合交换技术的研究背景、现状及意义，主要包括现有基本交 换技术的概述，后续出现的混合交换技术的概述以及本文设计过程中涉及到的基 本概念等。 第二章首先介绍了现有的三种混合交换技术，后对各自的优缺点进行总结； 接着阐述o i h s o n 的整体设计，其中主要包括设计的目的、整体框架的基本描述、 设计过程中所涉及的名词定义等；然后介绍了节点设计的方法，还给出了各个模 块以及重要模块详细的功能设计，最后给出了整个节点执行流程图以及实现步骤。 第三章给出了o i h s o n 的优化设计方法，主要包括o i h s o n 所采用的资源 6 第一章绪论 分配方法，o c s 虚拓扑和o b s 溢出拓扑两层拓扑构架的设计，以及在不同情况 下各自的容量设计方法。 第四章就第三章提出的o i h s o n 进行性能仿真及分析。为了进一步验证该方 案能够实现初步设计的目标，在各种不同的网络环境下都做了仿真比较以及数据 结果分析。 第五章主要介绍了采用o p n e t 仿真工具搭建基于o b s 的集成型混合交换光 网络的仿真平台的方法，其中对源、边缘节点和核心节点三个重要的节点模型做 了详细的介绍。第六章是全文总结，主要包括对本文内容的简单小结，此外还对 下一步的研究内容作了简单介绍。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章基于o b s 的集成型混合交换光网络的整体设计 2 1 研究背景 尽管w d m 技术为光网络带来了充足的带宽资源，但是光网络的电域处理能 力成为制约其发展的主要因素。现有的基本光交换技术包括光电路交换( o c s ) 、 光分组交换( o p s ) 和光突发交换( o b s ) ，它们实现了全光交换，并各有特点。 o c s ( 波长路由) 光网络比较成熟：在器件设备方面已取得长足进步，以 o x c o a d m 为代表的互连交叉连接设备已实用化；在网络控制管理方面，近年 来兴起的a s o