（通信与信息系统专业论文）光网络的快速恢复机制研究.pdf

重庆邮电人学硕十论文摘要 摘要 随着通信容量的增加和现代社会对通信依赖性的增强，光网络的生存 性问题越来越突出。恢复机制具有资源利用率高、适应性强、易扩展等特 点，因而成为研究的热点。然而由于恢复机制涉及路由计算、信令传送、 资源分配等操作，使得光网络的恢复与保护相比，恢复时间较长，光网络 的快速恢复问题亟待解决。本文的研究重点是w d m 光网络中能够实现快 速恢复的分布式恢复机制。 由于i p 业务量的指数增长及波分复用( w d m ) 光传送网巨大的传输 容量，将i p 业务直接承载于w d m 系统的i fo v e rw d m 光网络成为理想 的选择。本文结合网络结构“扁平化”趋势，将恢复技术进行分层研究，强 调光层恢复因恢复速度快、恢复成本低、可靠性高、透明性强的特点，对 光网络的生存性研究具有重要意义，并多角度研究光层恢复的分类，讨论 光层恢复的路由波长分配算法，为以后各章节讨论提供理论基础。 本文在详细对比不同种恢复机制的基础上，指出分布式恢复由于将路 由及故障报告等信息存储在每个节点中，具有响应快、成本低的优点。通 过数学建模推导，围绕恢复时间这一至关重要的性能参数，总结了分布式 的动念恢复和预计算路由恢复两大类机制。分析比较出预计算路由恢复机 制在恢复速度上的优越性，其中基于偏置时自j 的预计算路由恢复机制由于 不需要返回确认消息，克服了传播延迟和交换时问等待等问题，其恢复速 度较快。 为进一步减少恢复时间，本文针对当前大多数恢复机制仅单个端节点 启动恢复的缺陷，提出一种新的两个端节点启动恢复的机制。该机制采用 预计算路由的方式，用故障通知消息触发源端和目标端分别启动恢复，双 向建立备用路由，并基于偏置时矧进行业务倒换。通过理论研究、数学分 析及计算机仿真，证明新提出的恢复机制在大多数情况下恢复速度大大快 于现有机制，其最好时甚至能提高恢复速度8 0 以上，从而达到光网络快 速恢复的目的。 关键词：光网络，生存性，快速恢复，恢复时间，双向恢复 重庆邮电丈学硕七论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fc o m m u n i c a t i o n sc a p a c i t ya n dm o d e r ns o c i e t y s d e p e n d e n c eo nc o m m u n i c a t i o n s ，s u r v i v a b i l i t yo fo p t i c a ln e t w o r kh a sb e c o m e i n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t r e s t o r a t i o n s c h e m eh a sc h a r a c t e r i s t i co f h i g h r e s o u r c eu t i l i z a t i o n ，s t r o n ga d a p t a b i l i t y ，a n de a s ys c a l a b i l i t y ，w h i c hi sb e c o m e ah o tt o p i c h o w e v e r ，b e c a u s er e s t o r a t i o ns c h e m ei n v o l v e sr o u t i n g ，s i g n a l i n g t r a n s m i s s i o n ，t h ea l l o c a t i o no fr e s o u r c e s ，e t c ，t h er e s t o r a t i o nt i m eo f r e s t o r a t i o ns c h e m ei s l o n g e rt h a np r o t e c t i o n f a s tr e s t o r a t i o n i n o p t i c a l n e t w o r km u s tb er e s o l v e d t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed i s t r i b u t e dr e c o v e r y m e c h a n i s m st oa c h i e v er a p i dr e c o v e r yi nw d m o p t i c a ln e t w o r k s d h et ot h ee x p o n e n t i a lg r o w t ho fi pv o l u m ea n dt r e m e n d o u st r a n s m i s s i o n c a p a c i t yi nw d mo p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，i ti s a ni d e a lc h o i c et h a ti p t r a f f i cw i l lb ed i r e c t l yt r a n s m i t t e do nt h ew d ms y s t e mo fi po v e rw d m o p t i c a ln e t w o r k b a s e do nt h e “f i a t ”t r e n do ft h en e t w o r ks t r u c t u r e ，t h ep a p e r w i l lr e s e a r c hl a y e r e dr e c o v e r yt e c h n o l o g i e s a n dt h eo p t i c a ll a y e rr e s t o r a t i o n i sf a s tr e s t o r a t i o n ，l o wr e c o v e r yc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dt r a n s p a r e n c y ，s oi ti s s i g n i f i c a n tf o rt h eo p t i c a ln e t w o r ks u r v i v a b i l i t yr e s e a r c h t h e nw ec l a s s i f yt h e r e s t o r a t i o nt e c h n o l o g i e si nt h eo p t i c a ll a y e r b ys t u d y i n go p t i c a ll a y e r r e s t o r a t i o nr 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 ta l g o r i t h m s ，i tp r o v i d e sa t h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h en e x td i s c u s s i o n so ft h ec h a p t e r s b a s e do nt h ed e t a i l e dc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tr e s t o r a t i o ns c h e m e s ，t h e p a p e ri n d i c a t e st h ed i s t r i b u t e dr e s t o r a t i o nh a st h ea d v a n t a g e so ff a s tr e s p o n s e a n dl o w c o s t ，b e c a u s eo ft h er o u t i n ga n df a u l tr e p o r t ss t o r e di ne a c hn o d e d e r i v e db ym a t h e m a t i c a lm o d e l i n g ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ed y n a m i c r e s t o r a t i o ns c h e m ea n dp r e c o m p u t e dr o u t er e s t o r a t i o ns c h e m ei nt h e d i s t r i b u t e dr e s t o r a t i o n a n dap e r f o r m a n c ea n a l y s i so fr e s t o r a t i o nt i m ei sd o n e ， w h i c hi sac r u c i a lp a r a m e t e r f i n a l l y ，i ti si n d i c a t e dt h a tt h ep r e - c o m p u t e d r o u t er e s t o r a t i o nm e c h a n i s mi ss h o r t e ri n r e s t o r a t i o nt i m e t h r o u g ht h e c o m p a r i s o n e s p e c i a l l yo t - s i r md o e s n tn e e da na c k n o w l e d g e m e n tm e s s a g e ， o v e r c o m i n gp r o p a g a t i o nd e l a ya n dw a i t i n g f o rs w i t c h i n gt i m e ，s ot h a ti t s r e s t o r a t i o ns p e e di sm u c hf a s t e r t of u r t h e rr e d u c et h er e s t o r a t i o nt i m e ，an o v e lt w oe n d n o d e si n i t i a t i n g l i 重庆邮电人学硕七论文 a b s t r a e t r e s t o r a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c hf o c u s e so nt h ed e f e c tt h a ti so n l ys i n g l e e n d n o d ei n i t i a t i n gt h er e s t o r a t i o ni nt h em o s to ft h ec u r r e n tr e s t o r a t i o n s c h e m e s u n d e rt h ep r o p o s e ds c h e m eu s i n gp r e c o m p u t e dr o u t e ，t h ef a u l t i n d i c a t i o nm e s s a g e st r i g g e rt h es o u r c ea n dt h ed e s t i n a t i o nr e s p e c t i v e l y ，t h e n i n i t i a t i n gb i d i r e c t i o n a lr e s t o r a t i o nt oe s t a b l i s ht h eb a c k u pp a t h f i n a l l yt h e r e s t o r a t i o nt r a f f i ci ss w i t c h e dt ot h eb a c k u pp a t hf r o mw o r kp a t ha f t e ro f f s e t t i m e t h r o u g ht h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，m a t h e m a t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o n ，i ti sp r o v e dt h a tt h er e s t o r a t i o ns p e e do ft h ep r o p o s e ds c h e m ei s m u c hf a s t e rt h a nt h ec u r r e n ts c h e m e si nm o s tc a s e s i ni t sb e s ts i t u a t i o n ，i tc a n i m p r o v et h er e s t o r a t i o ns p e e db y8 0 ，r e a l i z i n gr a p i dr e s t o r a t i o ni nt h e o p t i c a ln e t w o r k k e yw o r d s ：o p t i c a ln e t w o r k ，s u r v i v a b i l i t y ，f a s tr e s t o r a t i o n ，r e s t o r a t i o nt i m e ， b i d i r e c t i o n a lr e s t o r a t i o n 1 1 1 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，也不包含为获得重废 邮电太堂或其他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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：姒签字日期：2 吖年，月厅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废壑电太堂有关保留、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。本人授权重庞邮鱼太堂可以将学位论文的 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适用本授权书) 学位论文作者签名：盟佘 签字日期：2 叼年夕月l r 日 铷签名：d - j y 貔 导师签名：力慨 。、 签字日期：肿月日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 网络生存性的意义 第一章绪论 自从电话、无线电通信等现代通信方式出现以来，通信技术不断发展， 特别是互联网技术的应用和普及，使得通信网络的业务量里爆炸性的增长 趋势，同时通信网络的功能越来越完备，结构也越来越复杂。现代社会， 人们越来越依赖通信网络，旦庞大而复杂的通信网络发生故障，将给人 们生活带来极大不便，严重的甚至可能使社会各职能部门陷入瘫痪。 近年来，光纤的单波长信道传输速率已由早期的2 5 g b i t s 发展到了耳 f ；i 的4 0 g b i t s 甚至更高，为了进一步提高传输速率，人们相继提出了波分 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 ) 、密集波分复用( d e n s e w d m ，d w d m ) 技术。w d m d w d m 技术由于其优越的性价比逐渐成为 提高通信网传输速率最有效的方法之一。有资料表明，一个总容量为 3 2 t b s ( 2 0 g b s 1 6 0 信道) 的w d m 系统，在不采用前向纠错编码的情况 下，能成功传输15 0 0 k m ，误码率小于1 0 - 9 “。超高的传输速率是下一代光 网络的基本特征。 在网络传输速率如此巨大的情况下，网络中任意网络单元的故障，都 将使大量通信业务被中断，造成极大的经济损失。按每话路所需带宽4 k h z 计算，则在单纤传输4 0 个波长的w d m 系统中，如果每波长传输速率为 1 0 0 b i t s ，单纤故障就会影响几千万话路通信，如果一根2 4 芯的光缆因意 外事故被切断，则可能影响几亿话路的通信。 网络故障会极大的影响通信业务，通过提高系统的可靠性，可以尽量 减少网络故障的发生，但是要求网络各单元在业务通信时保证1 0 0 的可 靠是不现实的。网络规划设计时，考虑到网元失效的不可避免，预先设定 网络从故障中恢复的策略，使网络本身具有抵抗故障失效的能力，则是解 决问题的另一种途径，尤其是在高速率、大容量的光纤网络中，网络的抗 故障能力尤为重要。为了提高网络的综合性能，满足用户的需求，网络运 营商迫切需要考虑如何提高网络的生存能力( s u r v i v a b i l i t y ) 。现代网络， 特别是下一代光网络的规划设计中，网络的生存性成为学术界和工业界关 注的重点内容之一。近些年来，一个新的研究领域网络生存性研究， 得到了快速的发展，生存性研究也成为光通信网络研究的前沿课题之。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 光网络生存性技术概述 网络生存性是指网络经受各种故障，甚至灾难性大故障后仍然能够维 持可接受的业务质量的能力，它是网络完整性的一部分。完整性包括通信 质量、可靠性和生存性等。可靠性与生存性意义不同。可靠性是指器件或 局部的正常使用寿命，是通过统计预测来确定的。但生存性则基本上与统 计寿命无关，它描述的是怎样在意外情况下维持生存系统的能力。为了满 足网络生存性的需求，自愈的概念应运而生。所谓自愈是指在网络发生故 障时，无需人为干预，即可在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带 的业务，使用户感觉不到出现故障。自愈是生存性网络最突出的特点，在 自愈过程中，没有通话或业务中断，甚至对用户是透明的，用户感觉不到 网络已经发生了重组。 光网络生存性机制通常包括两种：保护和恢复。光网络的保护是指为 光网络的承载业务提供预留的保护资源，当网络故障时，故障业务将由预 留的保护资源进行传送以恢复受影响的业务。光网络的恢复是指为光网络 的承载业务动态地寻找网络中剩余资源，通过利用网络提供的冗余资源将 故障所带来的阻塞快速而准确地消除。 保护和恢复的比较【2 1 。从资源利用率上讲，保护的资源利用率低，而 恢复能够更为有效地利用资源。从业务得到恢复所需的时间来看，保护动 作需要的时间比较小，而恢复由于信令传播、算法运算、交换配置等原因 需要的时间较长。一般而言，对于同一个拓扑结构，在同样的路由和波长 分配算法下，在集中式控制中，恢复需要的时间较长；在分布式控制机制 中，恢复需要的时间较短。从粒度上讲，保护的粒度可粗可细，从节点的 保护，到光缆、光纤、波长组、波长和业务均可实施保护方案，而恢复的 粒度相对较细，它是端到端的过程，在全光网中恢复的粒度就是波长，而 在i p o v e rw d m 中，其粒度是i p 业务。从适用范围来讲，保护适用于轻 载网、线形网和环形网络，而恢复适用于m e s h 网络或重载网。 在智能光网络，根据g m p l s 的描述，保护和恢复的主要区别在于建 立恢复标签交换路径( l a b e ls w i t c h i n gp a t h ，l s p ) ，链路的过程中，如何 对资源进行配置。l s p 链路保护指通过建立备用l s p 链路对一条或多条工 作l s p 链路进行保护；l s p 链路恢复是指通过建立恢复l s p 或恢复链路 保证用户业务在网络发生故障时能够得到及时的恢复。恢复资源可以是预 先计算好的，而且可以通过信令过程对恢复资源进行预留，但未实现交叉 连接。在故障发生以后，必须要通过额外的信令过程才能完成恢复l s p 的 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 建立。各种恢复机制的差别主要体现在恢复l s p 的路由计算、信令过程以 及资源分配策略上。本文主要讨论光网络的恢复机制。 表征网络生存性的主要技术指标有【3 i ： 恢复时间以一定的恢复率为目标，网络故障恢复的时间。恢复时 间应尽量低，保持在m s 量级或更低。 恢复率已恢复的通道数与原来失效的总通道数之比，或已恢复容 量与原失效的总容量之比。网络的自愈方案应使恢复率尽量高，一般应达 到9 9 以上，以维持通信的畅通。 冗余度网络中总空闲容量与总工作容量之比。为了节约网络资源。 冗余度应尽可能低，最多不能超过5 0 。但如果过低会使生存性难以保证。 丌销以及复杂度为了提高网络的生存性所附加的设备开销和复杂 度应尽量低。 此外，还要考虑初始成本、易于操作运行维护、升级或增加节点的灵 活性等等。 1 3w d m 光网络概述 1 3 1w d m 光传送网 全球互联网业务的迅速增长使得带宽需求急剧增长，如何增加核心网 的传输容量成为众多网络业务服务提供商必须面对的问题。波分复用技术 可以充分利用光纤的低损耗带宽( 多于5 0 t h z 的理论可用带宽【4 j ) ，使一 根光纤的传输容量比单波长传输时的容量增加几倍、几十倍甚至几百倍。 光纤链路中的波长通道对它承载数据的格式是透明的，即与承载信号的速 率和电调制方式无关，因此可以在一根光纤中的不同波长上同时传输不同 协议的数据( 包括模拟信号) ，这种特性通常称为光透明性( o p t i c a l t r a n s p a r e n c y ) w d m 技术虽然能极大地增加线路的传输容量，但同时也对交换系统 提出了更高的要求。目前的电子交换的发展已逼近电子速率的极限，为解 决电层交换瓶颈的制约问题，引入光交换己成为必然。相对光分组交换 ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 而言，采用光电路交换( o p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n g ，o c s ) 的w d m 光传送网比较容易实现，因此，基于现有的光 电技术发展状况，采用波长分配和路由选择的w d m 光传送网( o p t i c a l t r a n s p o r t n e t w o r k ，o t n ) 技术，被认为是未来一段时期内核心通信网向宽 带、大容量发展的首选方案。而使用光交叉连接( o p t i c a lc r o s s - c o n n e c t ， 3 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 o x c ) 和光分插复用器( 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 ) 的w d m 光传送网将逐渐在核心网中占据主导地位。 图1 1 表示一个波长选路的w d m 光传送网的示意图。图中a 到为 接入节点，1 到1 0 为波长路由节点( w a v e l e n g t h r o u t e d n o d e s ，w r n s ) ，它 可以是光交叉连接器( o x c ) 或光分插复用设备( o a d m ) ，完成波长选路功 能。接入节点及其相应的波长路由节点统称为网络节点。图中表示接入节 点对a c 之间在波长a ，上建立光路，而接入节点对b f ，h - g 之间建立的 光路分别使用波长n 和l ，。 r - - q 接入节点 。波长路由节点 图i i 波长选路的w d m 光传送网示意图 w d m 光传送网中，如果波长路由节点不具备波长变换( w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ) 能力，则要求光路在其所经链路上必须使用相同的波长，称为 遵循波长连续性限制( w a v e l e n g t h c o n t i n u i t yc o n s t r a i n t ) 。相反，如果网络节 点配置波长变换器，则可以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 n ) 。 遵循波长连续性限制会导致波长资源利用率下降，在动态业务环境下 就会增加光路建立的阻塞率( b l o c k i n gp r o b a b i l i t y ) 。图1 2 ( a ) 表示节点对 彳口和节点对口c 间已经建立光路，分掰使用波长i ，和幻。此时，在节点 对爿曰和b c 之间的链路上分别有空闲波长a 和幻，由于在节点对a - c 之间的链路上没有相同的空闲波长可用，因此无法建立从a 到c 的光路。 如果节点b 引入波长变换能力，则可将输入的屯波长信号变换到输出光纤 的波长aj 上，从而克服了波长连续性限制，就可以成功建立节点对a c 间 的光路。文献中常常将这种由不同波长构成的光路称为虚光路( v i r t u a l w a v e l e n g t hp a t h ) ，而将遵循波长连续性限制的光路称为波长光路 ( w a v e l e n g t hp a t h ) 1 5 - 6 1 。 4 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 ( a ) 无波长变换 ( b ) 有波长变换 图i 2 波长连续性限制造成的波长冲突 具有波长选路功能的w d m 设备中，目前广泛使用的除了o x c 外， 另一种就是光分插复用器( o a d m ) 。o a d m 可以分出和插入所需的光波长 通路，并且直通不需上、下的光路，其结构如图1 3 所示。o a d m 为w d m 光传送网提供了异步接入的功能，使得光网络设备可以提供与各种业务的 直接接口，a t m 、帧中继和宽带i p 等各种业务都可通过o a d m 提供的某 个波长接口直接进入w d m 光传送网进行传输。当然，a t m 信元或i p 分 组要直接在波长上传送仍需采用类似s d h 的成帧协议进行封装。 甲甲甲 图1 3 0 a d m 的功能框图 光传送网由若干个在光域具有传送处理功能的光网元( o p t i c a ln e t w o r k e l e m e n t ) 组成，通过光纤链路进行连接，能够为运载客户信号的光信道提 供传送、复用、选路、监控管理和生存性处理等功能。g 8 7 2 建议( 草案) j 己明确：光传送网的主要功能是为用户传送高比特数据信息。从功能角度， 它可以分为电子层、光层和物理媒介层。电子层包含了电路交换层和电子 通道层。光层则包含了光信道子层、光段层。其中，光段层要迸一步细分 为光复用段层和光传输段层，如表1 1 所示。 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 电路层电路层虚通道 p d h 通道层s d h 通道层虚通道 电复_ e 】段层电复州段层 ( 没有) 光信道层o c h 光复用段层o m s 光传输段层o t s 物理层( 各种光纤。如g 6 5 2 ，g 6 5 3 ，g 6 5 5 ) 表1 i 光传送网的分层结构不葸圈 光信道层( o c h ) 网络为透明地传递各种不同格式的客户层信号的光通 路提供端到端的联网功能。光通路层的主要传送实体有网络连接、链路连 接、子网连接和路径。因此具有如下功能：光通路连接重组，以便实现 灵活的网络选路；光通路开销处理，以便确保光通路适配信息的完整性； 光通路监控，以便实现网络等级上的操作和管理功能，诸如连接指配、 业务参数交换的质量以及网络的生存性。 光复用段层( o m s ) 网络为多波长光信号提供联网功能，主要传送实体 有网络连接、链路连接和路径。因此具有如下功能：光复用段开销处理， 以便确保多波长光复用段适配信息的完整性；光复用段监控，以便实现 复用段层上的操作和管理功能，如复用段生存性等。 光传输段层( o t s ) 网络为光信号在不同类型光传输媒质上提供传输功 能，主要传送实体有网络连接、链路连接、子网连接和路径。具有功能： 光传输段开销处理，以便确保光传输段适配信息的完整性；光传输段 监控功能，以便实现传输段层上的操作和管理功能，如传输段的生存性等。 整个光传送网由最下面的物理媒质层网络所支持，物理媒质层网络是 光传输段的服务者，即为各种规定类型的光纤。 1 3 2i po v e rw d m 光网络概述1 8 i 以因特网业务为代表的数据业务在快速地吞噬着已经安装的光传送网 的带宽，据估计，i p 业务将以每年5 0 3 0 0 的速度高速增长。1 9 9 8 年， 全球范围内的数据业务量已经超过传统的话音业务量。而随着i p 传送方式 的成功，i p 将成为未来传送网络业务的主要承载方式。波分复用技术 ( w d m ) 能成十倍、百倍地提高网络的传送能力，这使它成为构建下一 代传送网络最有潜力的技术之一。下一代因特网被称为光因特网，这说明 6 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 w d m 技术是构建下一代传送网络的基础，同时也说明i p 将成为光网络的 主要业务，可见，i po v e r w d m 的实现技术将成为关键技术。 i p 数据业务的突发性为构成光传输平台的网络节点结构、功能以及网 络的操作、运行和维护管理带来新的课题。i p 在光网络上的传送技术经过 多个阶段，从2 0 世纪9 0 年代中期的i po v e ra t mo v e rs d h ，到后来的i p o v e rs d h ，再到现在的i p m p l so v e rw d m ，i p 在w d m 光网络上传输所 需要的开销逐渐降低，而相关的网络操作方式却越来越灵活。 i p 是网络层协议，s o n e t s d h 和w d m 是接近物理层的传送技术， 在两层之间需要一个数据链路层，即适配层。物理层的作用是负责在通信 通道中传送光或电信号；数据链路层负责把物理层提供的信号转换成网络 层所需要的信号：网络层则从这些信号中提取分组，进行路由转换，传向 目的地。因此，解决i p 层和光层之问的适配以及传输链路管理的问题是保 证i p 信号在光层高质量传输的关键。 国内外已经对各种i po v e r 方案进行了大量的理论和实验研究，图1 4 是网络业务适配到w d m 光网络传输的几种方式，下面简述目前的各种实 现方案。 图1 4w d m 光网络的业务适配方案 ( 1 ) i po v e r a t mo v e rs d ho v e r w d m i po v e ra t mo v e rs d ho v e rw d m 的映射分为3 个步骤：利用多协 议逻辑链路控制层( l o g i c a l l i n k c o n t r o l ，l l c ) 和子网附着点( s u b n e t w o r k a t t a c h m e n tp o i n t ，s n a p ) 将每个i p 数据包封装进a t m 适配层a a l - 5 的 帧中；a a l 5 的汇聚子层公共部分( c o m m o np a r tc o n v e r g e n c es u b l a y e r ， c p c s ) 的协议数据单元( p d u ) 被分段成适合a t m 信元； a t m 信元再 被映射成s d h 帧。 i p 和a t m 的结合是面向连接的a t m 与无连接i p 的统一，也是路由 与交换的优化组合，可以综合利用a t m 的速度快、容量大、多业务支持 能力等优点以及i p 的简单灵活、易扩充和统一性的特点，达到优势互补的 7 重庆邮电人学硕十论文 第一章绪论 目的。但其网络结构复杂重复，a t m 和i p 都具有寻址、选路和流量控制 功能，开销损失达2 5 ：在网络扩展性方面，a t m 的拆装( s a r ) 功能 将随着接口速率的增加而变得十分复杂，因而其速率不易提高。 ( 2 ) i po v e rs d ho v e rw d m 1 po v e rs o n e t s d ho v e rw d m 的映射分为两部分：利用点到点协 议( p o i n tt op o i n tp r o t o c o l ，p p p ) ，将i p 数据包封装进p p p 包中；利用 高层数据链路控制( h i g h l e v e ld a t al i n kc o n t r o l ，h d l c ) 协议，p p p 包 映射进s d h 的净负荷中。 i p 与s d h 的结合是将i p 数据包通过p p p 协议直接映射为s d h 帧， 去除了中间的a t m 层，从而保留了i n t e r n e t 的无连接特征，简化了网络体 系结构，提高了传输速率，降低了成本，易于兼容不同技术体系和实现网 | 、日互连，是一种较现实而高效的i p 传送方式，目j j i 已在实际应用中获得很 大的成功。但目i j 这种方式尚不适于多业务平台，可扩展性不理想，它只 有服务的分组，不能提供具有优先级的服务质量，并且尚不支持虚拟专用 网( v p n ) 。在i po v e rs d h 方案中的s d h 是以链路方式来支持i p 网的， 没有从本质上提高i p 网的性能。 ( 3 ) i po v e r w d m ，或i po v e r 光网络 将a t m 、s d h 层省去，直接将i p 层架构在w d m 光网络上，即实现 i po v e rw d m ，也就是全光网。全光网直接在光域里提供端到端的服务， 在传输过程中，不进行任何光一电一光( o e o ) 的信号转换。这是一种最简 单直接的体系，减少了网络设备，减少了功能重叠，减轻了网管复杂性( 特 别是网络配置的复杂性) ：使额外的开销最低，传输效率最高，并且可以 通过流量工程设计，与i p 的不对称业务量特性相匹配，还可以利用光纤环 路的保护光纤吸收突发业务，尽量避免缓存，减少延时。 尽管目前尚没有i po v e rw d m 或成为i po v e r 光网络的完善建议，但 己提出多种实现方案，如i p g b eo v e rw d m ，i p m p l so v e rw d m ，g m p l s ， 智能光网( i o n ) 以及自动交换网络( a s o n ) 等。 1 3 3 基于g m p l s 的i po v e rw d m 网络9 1 从某种意义上来讲，i p 将运行于所有的下层技术之上，而所有的上层 应用都可以运行在i p 之上，这将是通信发展的必然趋势。从通信网的状况 看，一方面i p 成为网络层的主导技术不可动摇，另一方面，它又存在着许 多问题，如传输效率低、q o s 无法保证等。多协议标记交换( m u l t i - p r o t o c o l 8 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 l a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) j 下是在这种具体情况下应运而生的。 多协议标签交换( m p l s ) 是面向连接的转发技术和i p 路由协议的结 合，本质是通过一个等同转发类( f e c ) 为进入标签交换路由器( l s r ) 的i p 数据包分配一个标签，并把该标签附着在i p 分组上。m p l s 将为每 个f e c 建立一条虚电路，实现点到点的连接，该虚电路被叫做标签交换路 径( l s p ) 。在m p l s 网络中，只是根据这个短的标签( 而不需要查看i p 包头) 来对数据包进行处理。这样，m p l s 技术就把基于无连接的i p 交换 变为面向连接的包交换，提高了转发速度，改善了服务质量。同时，由于 这一连接是在路由协议和m p l s 控制协议的联合作用下建立起来的，而且 是一种分类转发的技术，其扩展性要比a t m 等交换技术要好得多。 m p l s 是将i p 层与光层融合的一个新思路，它将多协议标签交换 f m p l s ) 流量控制平面技术与光交换技术有机结合，支持m p l s 的o x c 所 交换的不是标签而是波长。m p l s 利用i p 选路协议来发现拓扑，利用m p l s 信令协议来实现波长通路的自动指配，为实时配置光波长通路提供了基本 框架。这种方法提供了一种简单的统一的i p 控制平面，用于建立一个集网 元、i p 路由器和o x c 于一体的混合网络，有人称m p l s 是i p 层与光层的 粘合剂。这一技术简化了i p 层与光层的融合及跨层的网络管理，其跨层的 流量控制改进了资源利用率，降低了网络运行和业务拓展成本，具有较好 的可扩展性。显然，这种i pv i am p l so v e rw d m 的网络将是一个操作更 简单、最适合数据业务传输的网络。 然而，m p l s 毕竟是一种处于网络层和链路层之间的技术，要让m p l s 跨过链路层而直接作用于w d m 光层，就必须对其进行修改和补充。为此， 国际标准化组织i e t f 推出了可用于光层的通用多协议标签交换技术 ( g e n e r a l i z e dm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，g m p l s ) 。g m p l s 对m p l s 标签进行了扩展，使其可对分组、时隙、波长、波长组、光纤等进行统一 标记；为了充分利用w d m 光网络的资源，g m p l s 对l s p 迸行了修改和 补充；为了解决光网络中各种链路的管理问题，g m p l s 设计了一个全新 的链路管理协议( l i n k m a n a g e m e n tp r o t o c o l ，l m p ) 。向光网络进行扩展的 g m p l s 同传统的m p l s 有所区别，支持多种类型的交换粒度，如分组包、 时分复用( t d m ) 、波长和光纤交换等。 1 4 本文的主要工作及内容安排 本文主要研究了基于w d m 光网络的快速恢复机制，针对光网络发生 9 重庆邮电人学硕十论文第一章绪论 故障需要尽快恢复以减少大量业务丢失的特性，就各种分布式恢复机制的 时间性能进行了系统分析比较，并在此基础上提出了一种新的基于偏曼时 间的双向预计算路由恢复机制，该机制采用端节点都进行恢复启动的方 法，加快了恢复速度，实现了光网络的快速恢复。 本文主要按照以下结构进行展开： 第一章，绪论。分析了生存性在光网络中的意义，指出恢复在光网络 生存性研究中的重要地位，引出本文工作的重点。 第二章，基于w d m 光网络的恢复机制。将恢复机制分层研究，重点 从不同角度分析了光层恢复技术的分类，指出光层恢复具有恢复速度快、 成本低等的优点。并总结了光层恢复中常用的路由选择策略和波长分配策 略，对各种策略的性能进行了比较分析。 第三章，分句式恢复机制的恢复时间分析。光网络的分布式恢复具有 响应快、成本低、可扩展性强等特点，是光网络生存性研究中很有前途的 一种技术。针对分布式恢复中动态恢复和预计算路由恢复两大类机制，就 恢复时间这一至关重要的恢复参数进行了性能分析。通过比较，指出预计 算路由恢复机制在快速恢复方面具有更优的性能。而动态恢复中的双向搜 索恢复机制也具有较好的性能。 第四章，基于端节点启动的预计算路由恢复机制。在第三章分析的基 础上，对预计算路由恢复进一步进行研究。介绍了端节点启动的单向恢复 机制，该机制给出了目标端也可以启动恢复的思路，但由于该机制基于两 步恢复且只能一个端节点启动恢复，仍然具有局限性。为了进一步提高恢 复速度，本章提出了双向启动恢复机制，采用源端和目标端双向都启动恢 复的方法，在恢复消息发出等待偏置时间后，直接进行业务倒换。仿真验 证表明，新提出的恢复机制能够极大地减少恢复时间，具有较好的恢复时 间性能。 第五章，结束语。对本文进行了全文总结，并提出了未来的研究方向。 i o 重庆邮电人学硕十论文 第一二章w d m 光网络的恢复机制 第二章w d m 光网络的恢复机制 从上章的介绍可知，网络被划分为不同的层面，各层通常提供了相对 独立的恢复技术，i p 层、光层( w d m 层) 的恢复技术是网络中重要的生 存性技术。 2 1i p m p l s 层恢复 在i p 层中，i p m p l s 能够恢复多故障业务，同时对业务的操作粒度 也很小。m p l s 的基本思想可以理解为在无连接的i p 网络中引入了虚连接 的概念。但i p 层恢复的速度较慢，无法在故障出现时快速恢复。目前，在 网络层i p m p l s 完成的生存性方案通常考虑的是动念重路由方案和多协 议标记交换( m p l s ) 的保护倒换方案，此外还有一些改进方案d o - 1 2 1 。 ( 1 ) 动态重路由方案 i n t e r n e t 可以看作由许多自治系统( a u t o n o m o u ss y s t e m ，a s ) 组成， 而每一个a s 由属于同一个管理域的路由器组成。一个a s 中的路由器 通过内部网管协议( i n t e r i o r g a t e w a yp r o t o c o l ，i g p ) 交换路由信息，常用 的i g p 是开放式路由最短协议( o p e ns h o r t e s t p a t hf i r s t ，o s p f ) 。当主 通道中的两个节点( 路由器) 问的链路发生故障时，i g p 可以动态的计算 和寻找到一条两个节点问的有效备用路由，用来替代网络的故障路由，恢 复故障业务。这使得l p 包能使用备用动态路由绕过故障链路或故障节点。 恢复业务的传送。 故障检测一般有两种实现方式，一种是由本地路由器检测到故障后， 利用路由控制消息协议( 如i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，i c m p ) 通 知邻近的路由器。另一种检测方式是利用某些背景消息( 如k e e pa l i v e 和 h e l l o ) 的计时器超时来通告故障的出现。路由器得知故障出现后，将重新 计算受影响的路由并刷新路由表，然后将更新的路由信息通过u p d a t e