（通信与信息系统专业论文）光网络优化软件设计及关键技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 近年来，网络业务增长迅猛，网络技术演进步伐也随之加快，各大运营商为 提升自身核心竞争力，需要不断对现有网络进行优化。如何科学地进行网络的优 化已经成为目前的研究热点。合理、有效地利用网络优化软件可以极大地提高网 络优化效率和准确性，但目前网络优化的实用性软件大都是针对无线网络提出的， 适合于光网络的软件还比较少，因此开发设计一套适用于光网络的优化软件系统 具有极大的市场价值。 本文结合国内某大型企业的需求，对光网络优化软件系统进行了研究和开发， 整个设计过程严格遵循工程化设计要求。在完成了软件系统的功能需求分析和总 体框架设计后，为实现软件系统中的主要功能之一拓扑优化，本文对网络拓 扑优化技术进行了重点研究。针对目前网络应用较为广泛的两种典型拓扑结构一 一环网和网状网，分析比较了其各自现有的优化方法，分别提出了相应的面向工 程的改进算法。同时考虑到对复杂大型网络的优化较为困难的现状，本文还研究 了网络分区策略，提出了切实可行的区域划分算法。该区域划分算法能有效的降 低大型网络优化复杂度，并且划分出的结果也较符合实际情况。基于上述拓扑优 化技术的理论研究，本文对软件系统中拓扑优化模块进行了详细设计，并通过单 元测试验证了模块所提供的各项功能的实用性。 同时，由于网络的生存性是优化过程中必需要考虑的重要问题之一，本文还 重点对基于s r l g 约束的动态业务分配问题进行了研究，提出了一种新的改进算 法，通过使用多条保护通道( 保护通道组) ，有效地避免了s r l g 通道保护中出现 的陷阱问题，同时为保证较高的资源利用率，该算法引入资源混合共享机制，该 机制和传统的共享通道保护机制最大的不同在于允许工作通道在失效时将其所占 用资源提供给保护通道使用。通过仿真数据分析，改进算法在资源利用率和业务 阻塞率上的性能都优于传统的共享通道保护算法。 为验证算法性能，本文使用c + + 面向对象设计思想构建了算法的仿真平台软 件，并详细阐述了仿真平台的总体框架及各模块设计细节。 关键词：生存性，拓扑优化，s r l g ，陷阱，共享资源 a b s t r a c t r c c e n tf e wy e a r s ，w i t ht h ee x p l o s i v eg r o w t ho fn e t w o r ku a f f i ca n dg r e a t d e v e l o p m e n to fn e t w o r kt c c h n 0 1 0 g y , a l lo p e r a t o r sn e e dt oc o n t i n u a l l yo p t i m i z ep r e s e n t n e t w o r ki no r d e rt oe n h a n c et h ec o m p e t i t i o no ft h e m h o wt os c i a n t i f i c a l l yo p t i m i z e n e t w o r kh a sb e c d m eaf o c u s m a k i n g 舢u s eo fn e t w o r ko p t i m i z i n gs o f t w a r e 啪b r i n g g r e a te f f i c i e n c ya n dv e r a c i t y d u et om o s tp r e s e n tn e t w o r ko p t i m i z i n gs o f t w a r ea r e a p p 】l e dt ow i r e l e s sn e t w o r k , w h i l ef e wo ft h e ma r ed e s i g n e df o ro p t i c a ln e t w o r k , e x p l o i t i n g a no p t i c a ln e t w o r ko p t i m i z i n gs o f t w a r es y s t e mh a sh u g em a r k e tv a l u e c o n s i d e r i n gt h ed e m a n do fac e r t a i ng r e a tc o r p o r a t i o n , t h ef i r s tr c s e a r c hw o r ko ft h i s t h e s i sf o c u s e so nt h cs t u d ya n dd e v e l o p m e n to fo p t i c a ln e t w o r ko p t i m i z i n gs o f t w a r e s y s t e m ，a n di t sw h o l ed e s i g np r o c e s ss t r i c t l yf o b o w st h ee n g i n e e r i n gd e s i g nr u l e s a f t e r c o m p l e t i n gt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n dt h ef r a m ed e s i g no ft h es o f t w a r es y s t e m ，t h e t e c h n o l o g i e so fn e t w o r kt o p o l o g yo p t i m i z i n g a r es t u d i e d , f o rt h e p u r p o s eo f a c c o m p l i s h i n gt o p o l o g yo p t i m i z i n gf u n c t i o nw h i c hi so n eo fo u r ef u n c t i o n si n t h e s y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r eo fv a r i o u sm e t h o d so fo p t i m i z i n gt w o t y p i c a lt o p o l o 舀髓，r i n g - l i k ea n dm e s h - l i k e , i tr e s p e c t i v e l yd e v e l o p si m p r o v e dm e t h o d s a tt h es a m et i m e ，c o n s i d e r i n gt h ed i 蚯c u l t yo fo p t i m i z i n gt h en e t w o r kw i t hh u g es i z e a n dc o m p l i c a t e df r a m e w o r k , t h er e g i o np a r t i t i o ns t r a t e g yi ss t u d i e d a n dt h r o u g ht h e s t u d y , af c a s i b l er e g i o np a r t i t i o na l g o r i t h ma n daf l o wo fc o r r e l a t i v eo p e r a t i o na f t e r l e 舀o np a r t i t i o n a r ep r o p o s e di n t h i st h e s i s sr e g i o np a r t i t i o na l g o r i t h mc a n e f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h eo p t i m i z i n go fh u g en e t w o r k , a n dt h er e s u l t so f s t r a t e g ya r ea l s op r a c t i c a l w j t ht h e s et h e o r e t i c a lr e s e a r c h e s t h i st h e s i sg i v e st h e d e t a i l e dd e s i g no ft h et o p o l o g yo p t i m i z i n gm o d u l ei nt h es o f t w a r es y s t e m a n dv a l i d a t e s t h en s a b i l i t v0 fi t se a c hf u n c t i o nt l 氆o u g hc e l lt e s t s f o rt h ei m p o r t a n c eo fs u r v i v a b i l i t yi nn e t w o r ko p t i m i z i n g , t h i st h e s i sa l s of o c u s e so n t h ed y n a m i ct r a f f i cd i s t r i b u t i u n p r o b l e mu n d e rs h a r e d r i s kl i n k g r o u pf s r l g ) c o n s t r a i n t s a n dan e wi m p r o v e da l g o r i t h mi sp r o p o s e d t 撕sa l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l y a v o i dt r a p si np a t hp r o t e c t i o nu n d e rs r l gc o n s t r a i n t sa n di ti n t r o d u c e sr e s o u r c em i x e d s h a r e ds c h e m ef o re n s u r i n gh i 曲r e s o u r c eu t i l i z a t i o n d i 骶r i n gf r o mp r e v i o u ss h a r e d p a t hp r o t e c t i o ns c h e m e ，t h i ss c h e m e m a k et h ep r i m a r yp a t h ，w h e ni td o e s n tw o r k , s h a r e i t sr e s o u r c ew i t ht h eb a c k u pp a t h s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h er e s o u r c eu t i l i z a t i o n a n de f f e c t i v eb l o c k i n gp r o b a b i l l t vo fi m p r o v e da l g o r i t h ma r eb e t t e rt h a ns h a r e dp a t h p r o t e c t i o ns c h e m e t oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea l g o r i t h mp r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，as i m u l a t o ri s d e v e l o p e dw i t ht h ep r i n c i p l eo fc + + o b j e c to r i e n t e dd e s i g n t h em a i nf r a m eo ft h e s o f t w a r ea n dt h ed e t a i ld e s i g no f e a c hm o d u l ea r eg i v e ni nc h a p t e r4 a b s t r a c t k e y w o r d s ：s u r v i v a b i l i t y , t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n , s r l gt r a pp r o b l e m , s h a r i n g r e s o u r c e 图目录 图2 - 1 网络优化步骤 图目录 图2 - 2 网络优化软件体系结构。 。8 1 0 图2 - 3 快速删枝算法的主要流程1 6 图2 - 4 遍历删枝算法的主要流程 图2 - 5 区域划分模型 图2 - 6 t p o 模块设计 1 9 2 5 2 9图2 - 7m p o 核心算法流程( 1 ) 快速删枝算法 图2 8m p o 核心算法流程( 2 ) 遍历删枝算法 图2 - 9r p 模块核心算法流程 图2 - 1 0t c 模块核心算法流程图 图2 - 1 1r c 模块核心算法流程图 图2 - 1 28 节点全连通网状网 图2 - 1 3 优化后拓扑图 图2 1 4 区域划分后拓扑图 图2 - 1 5 全局节点间业务 4 0 4 2 图2 1 6 流量汇聚后节点问业务4 3 图3 1 真实陷阱的例子 图3 - 2 可避免陷阱的例子4 7 图3 - 3 资源共享例图5 0 图3 _ 4 晓r 姗汀 图3 5n s f l q e r 。6 2 6 2 图3 - 6c e r n 量酉资源利用率 图3 7n s f n e t 资源利用率 图3 8 a 弧n l 玎业务阻塞率 6 3 6 3 6 4 6 4 6 6 图3 9n s f n e t 业务阻塞率 图3 - 1 0n s f n e t 不同限制条件下m s m p p 算法业务阻塞率。 图4 - 1 业务分配仿真软件总体框图 图4 - 2 随机业务产生模块基本流程 图4 _ 3 网络信息文件内容与格式 图4 - 4 业务分配模块主流程 6 7 7 0 v i 7 5 表目录 表目录 表1 - 1 保护和恢复机制比较。 表2 1m p o 模块涉及的主要数据结构2 6 表2 2r p 模块涉及的主要数据结构3 l 表2 - 3r c 模块涉及的主要数据结构 表2 _ 4 节点间业务量( 单位2 mb i t s ) 表2 - 5 网状网规划与优化算法仿真结果。 表2 - 6 节点业务量( 单位2 m b i t s ) 表2 - 7 连接长度矩阵 表2 - 8 区域内部分节点间路由 3 9 4 0 4 1 4 1 表2 - 9 全局部分节点问路由 表3 1 业务路由表 表3 - 2 包含不同保护通道条数的保护通道组所占比例 v 4 4 5 0 缩略词表 英文缩写 s o n e ，r p d h s d h w d m d w d m s t m m s t p 0 t n 0 a d m o x c s r l g p t s p a p f k s p s p p 英文全称 缩略词表 s y 】1 c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k p l e s i o n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s ”1 c ：h r o n o i 玛d i s t a lh i e r a r c h y w a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g d e n s ew 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 s y n c h r o n o u st r a s p o r tm o d u l e m u l t i s e v i c et r a n s p o r tp l a t f o r m o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k 0 p n c a la d d & d r o pm u l t i p l e x o p t i c a lc r o s sc o n n e c t s h a r e d 融s kl i n kg r o u p s i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m t r a v e l i n gs a l e s m a np r o b l e m a c t i v ep a t hf i r s t ks h o r t e s tp a t h s s h a r e dp a t hp r o t e c t 中文释义 同步光网络 准同步数字体系 同步数字体系 波分复用 密集波分复用 同步传送模块 多业务传送平台 光传送网 光分插复用器 光交叉连接 共享风险链路组 整数线性规划 旅行商问题 工作通道优先 k 最短路由 共享通道保护 主要数学符号表 符号类别 变量 常量 集合 主要数学符号表 示例 口 c n 字体、说明或用法 斜体字符 正体大写字符 正体加粗字符 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：座坌鹂日期：岬年，月7b 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) 日期：一7 年月7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1光网络优化软件开发的必要性 中国电信网络在改革开放以来，不断发展已经取得了举世瞩目的成就，但是 它的建设也存在着许多不可忽视的问题。由于受到各个历史时期不同的通信网体 制、网络建设思想、技术经济客观条件等的限制，现有网络存在结构复杂、技术 体制不统一、运行维护困难、新业务提供不易等各种问题。要改变现有网络无法 满足发展需求的局面，对网络进行优化已势在必行i l j 。 广大电信运营商和设备厂商也已经意识到对网络进行优化所带来的巨大经济 效益，特别是随着国内电信运营业竞争格局的形成，各大运营商为提升自身竞争 力，需要不断的优化现有网络、推出新业务、提升服务水平。因此，科学地进行 网络的优化已经成为运营商重点考虑的问题。而对于设备厂商来说，随着技术的 进步和市场需求的变化，其扮演的角色已经从过去单一的设备提供商，转变成要 求能够提供设备的应用、组网乃至运营等一系列解决方案的提供商角色。在这种 情况下，也迫切需要一套适合于自己要求的网络优化工具，以便能够更好地满足 运营商要求，提供优质的服务，增强自身的竞争能力。 针对目前对网络优化工具的市场需求，国内外各大公司、研究机构都已经展开 了广泛深入的有关网络优化技术的研究，并随之出现了不少基于某些特定的专业 网络的分析、规划、优化软件，而且这些工具也正不断地向智能化的方向发展。 通过合理、有效地利用这些新开发的软件工具和手段，可以大大提高网络优化的 效率，使整个网络达到最佳状况，使有限的资源得以高效的利用。但是现有的关 于通信网络优化的实用软件大都是针对无线网络提出的，如p l a n e t 、w i z a r d 、 n e t p l a n 、c f a 等，其目标是提高频率资源的利用率、改善频率覆盖范围、提高 接通率等。而适用于光网络优化的软件还不多，基本上是由各大运营商或各大设 备厂商针对特定的网络环境而开发的专用软件，适用范围和功能性方面都还存在 不少缺陷。因此有必要对光网络优化技术进行研究，设计一套适用于光网络优化 的通用软件系统。 电子科技大学硕士学位论文 1 2光网络技术发展 为设计一套光网络优化软件系统，就必须对光网络的各种技术体制有深入的 认识，了解其发展历史和发展趋势。 纵观近十余年的光通信发展史，光网络走过了由低速到高速、有传输到交换、 由电层到光层的演迸之路。其关键技术主要经历了以下发展历程【2 】【卦。 在光网络铺设之初，各国大多采用p d h 技术，其存在很多弊端，为了建立世 界性的统一标准，r r u t 于1 9 8 8 年至1 9 9 8 年问制定了有关s d h 的一系列标准。 s d h 由一整套分等级的标准数字传送结构组成，称为同步传送模块s t m - n ( n = 1 ， 4 ，1 6 ，6 4 ，) 。其中最基本的模块为s t m 1 ，传输速率为1 5 5 5 2 0 m b p s ；相邻等 级的模块速率之间保持严格的4 倍关系。作为一种完整的、严密的传送网技术体 制，s d h 首先成为了核心网中的主要传送技术，我国从1 9 9 5 年就在干线网上率先 开始全面转向s d h 体制，目前已经建成了世界第一大s d h 网络。由于s d h 的应 用越来越广，并且为了适应现在的多业务传输，s d h 也还在不断地完善和改进， 在s d h 基础上演变出来的多业务传输平台( m s t p ) ，使得s d h 依然得到了各大 运营商的青睐。但是，也应该看到，s d h 本质上是一种以电层处理为主的网络技 术，业务只有在再生段终端之间转移时保持光的形态，而节点内部则必须经过光 电变换，在电层实现信号的分插复用、交叉连接和再生处理等。 为解决网络传输容量需求不断增加的问题，s d h 传输速率被不断提升，但由 于受到光纤物理特性限制和系统高成本的影响，使得单路波长的传输速率逐渐趋 近上限，因而现实的进一步大规模扩容的出路是转向光的复用方式，w d m 技术便 在2 0 世纪末期飞速发展，成为光通信领域的一大亮点。w d m 技术充分利用单模 光纤低损耗区带来的巨大宽带资源，根据每一信息光波的频率( 波长) 不同可以将光 纤的低损耗窗口划分成若干个信道，把光波作为信号的载波，在发送端用波分复 用器( 合波器) 将不同波长的信号合起来，送入一根光纤进行传输，在接收端再 由波分解复用器( 分波器) 把不同波长的信号分开，从而实现多个承载不同信号 波长在一根光纤中复用传输，提高光纤带宽资源利用程度，进而提高传输容量。 采用点到点w d m 技术后传输链路容量已基本实现突破，网络容量瓶颈转移 到网络节点上，网络节点中对信号处理的电子瓶颈极大的限制了对光纤可用带宽 的挖掘利用。2 0 世纪9 0 年代，“全光网”概念被提出，它在光域中引入了相当于 电域的交换和路由功能，节点能把经过而不是起止于该节点的业务在光域中进行 交换，中间不再经过光电转换，达到全光透明性，即实现了信号直接以光的方式 2 第一章绪论 穿越整个网络，在光域上进行传输、复用、再生、选路和保护，从而大大减轻了 节点上进行电层处理的压力，消除了中间节点的电层处理瓶颈。但是，全光网的 实现难度巨大，首先放大、整形、时钟提取等功能在光域实现十分困难，有些虽 然经过复杂的技术能够实现，但效果并不理想，且成本昂贵。此外全光网的管理 和维护信息处理又是另一个重要问题，无法在光域上增加开销对信号进行监视， 管理和维护。因此，只能考虑“尽力而为”原则，即尽量保留业务在光域传输， 在必要的时候才将其转换到电层上处理。1 9 9 8 年o t n 的概念被r r u t 正式提出。 o t n 的出发点是在子网内实现透明光传输，在子网边界处采用光，电光的3 r 再生 技术，从而构成一个完整的光网络。o t n 在光域上实现了业务信号的传送、复用、 路由选择、监控，并保证其性能要求和生存性。采用伽附可以消除电设备导致的 带宽瓶颈并减少网络故障的发生、降低对业务节点规模的要求、大幅度降低建网 成本和运营维护成本等。 随着传输技术的巨大进步，光节点技术也在不断发展。可重配置的光分插复 用器( o a d m ，o p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l e x e r ) 和光交叉连接器( o x c ，o p t i e a lc r o s s c o n n e c t o r ) 的使用，促使w d m 技术在光纤网中的应用正经历一个从点到点的系统， 到环形网，再到网状网的发展过程。 1 3光网络的生存性 生存性是网络优化设计中必需要考虑的重要指标之一。所谓网络的生存性， 是指网络经受各种故障甚至灾难性大故障后仍能维持可接受的业务质量的能力， 也就是网络抵御失效的能力，它是网络完整性的一部分。 近1 0 年来，随着数据业务和语音业务的增长，特别是p 业务爆炸式的增长， 驱使光网络传输带宽不断提高。单波长信道传送速率由2 5 g b i t s 到1 0 g b i t s 再到 4 0 g b i t s ，波分复用信道数由几个到几十个再到几百个。而随着宽带接入技术的进 一步发展、大量宽带新业务和新应用的产生以及部分运营商提出的用带宽换服务 质量的轻载策略的实施，都要求下一代网络具有更高的传输带宽。而巨大的传输 容量使得网络生存性问题更为突出，一旦网络失效，将造成巨大的经济损失和社 会影响。按目前已实用化和商用化的1 0 g b i t s 传输速率计算，一根2 4 芯的光缆因 意外事故被切断，则可能丢失几十万话路的信息。传输容量达n s 的单根光纤的 失效，至少将影响1 2 0 0 万对电话业务。同时网络故障的发生又是无可避免的，美 国f c c 的统计数据显示，每两天就有一次影响3 0 ，0 0 0 客户的网络故障发生，而故 3 电子科技大学硕士学位论文 障修复的平均时问是5 1 0 个小时。因此为确保各运营商能提供高质量的通信服务， 如何提高网络生存性已成为目前需重点研究的问题 4 i n 。这也导致生存性成为判断 优化后网络性能好坏的重要指标，因此有必要对各种生存性技术进行研究和比较， 在网络优化时选择合适的生存性技术，以达到在满足生存性指标要求的同时降低 网络成本的目的。 1 3 1保护与恢复机制 从通信网的物理拓扑结构来看，网络的故障有两类：链路故障和节点故障。 目前为提高生存性，对故障的恢复一般采用网络保护和网络恢复两种机制来实现。 保护机制 保护机制采用预先规划的方法分配网络资源，防止未来预期可能出现的网络 失效。其优点是保护通道的路由和需要的资源己预留，失效恢复时间很短，可以 控制在毫秒级，缺点是灵活性不足，不能保证对预期外的失效做出良好反应。例 如，保护机制通常针对的是防止单链路失效，如果网络出现多处失效，很难保证 所有业务都不受到影响。另外保护机制所需的冗余网络资源很多，网络资源的利 用率很低。 恢复机制 网络恢复机制是指网络失效后，在外部网络操作系统的控制下，采用某种算 法动态寻找可用资源并采用重选路由的方法绕过失效部件来恢复业务的方法。恢 复机制能比保护机制更为有效地利用网络资源，一般来说恢复需要预留较少资源 并且其灵活性强于保护机制，可用于网络出现预期范围以外失效时的业务恢复但 是恢复机制的恢复时间长，常常不能满足网络用户对服务质量的要求，因此在光 网络中保护机制更为常用。 1 3 2 链路保护、通道保护和子通道保护 目前大多数关于保护机制的研究是针对单链路失效的保护，主要有基于链路 的保护、基于通道的保护和介于两者之间的子通道保护三种方案。 链路保护 链路保护是在工作通道经过的链路附近设置备用路由并同时预留相应的备用 资源，当链路失效时，链路上承载的业务将切换到该链路的保护通道上。此方案 的主要优点是链路失效时的重路由只限于局部范围内，无需通知通道的源节点和 宿节点就可将业务切换到链路的保护通道上。其优点业务恢复速度快，缺点是多 4 第一章绪论 数情况下需要预留过多备份资源。 通道保护 在通道保护中，每条工作通道在建立时就已经预设了一条端到端的保护通道 并预留了备用资源，在工作通道失效时，保护通道便可被启用，防止业务中断。 该方案优点主要在于可以全局优化资源配置，提高网络资源的利用率，且工作光 路失效时不需要对失效位置精确定位，因为工作通道和保护通道是完全分离的。 缺点是业务倒换涉及整条工作通道和保护通道上的所有节点，需要多种信令消息 的传递确认，步骤较复杂，时间长于链路保护。 子通道保护 子通道保护是介于通道保护和链路保护之间的一种保护策略，它是将工作通 道进行分段，对每一段分别预设保护通道并预留波长资源，在某一段工作通道失 效时，启用其相应的保护通道。子通道保护在对工作通道进行分段时，若将工作 通道整个作为一段则其就变为了通道保护，若将工作通道上每一条链路都作为一 段则就变为了链路保护。因此，其业务倒换时间和资源利用率都介于通道保护和 链路保护之间。 1 3 3专用保护和共享保护 专用保护是指备份资源不进行共享，为每一条专用保护通道预留的资源都为 其独享。专用保护可靠性较高，应付多链路失效其有效性高于共享保护。 共享保护是指在链路上预留的备份资源可被多条保护通道共享，只要这些保 护通道不会同时启动。共享保护不仅能够保证保护倒换的时间，同时还能提供比 专用保护更充分的资源利用率。尤其是在大型网络中，这种方法的实施可以减低 网络的阻塞率，如果辅之以合理的选路算法，可使网络的性能最优化。 下面对各种保护和恢复机制进行简要比较。 表1 1 保护和恢复机制比较 、：葡。唇性 所需冗余 网络资源 网络可靠使用网络 利用率性 恢复时间灵活性 规模 专用最多最低最高最快小低 链路保护 共享较多较低一般较快小低 保护 专用较多较低一般一般大低 通道保护 共享较少较高一般较慢大低 5 电子科技大学硕士学位论文 子通道保专用 多低较高快一般低 护共享 一般一般一般 一般一般低 链路恢复少 高最低 慢 小 高 恢复 通道恢复最少最高较低最慢大高 1 4本人所做的工作及创新点 本文的研究是围绕电子科技大学与国内某大型企业的合作项目开展的，在项 目的研究开发中，本人所做工作如下： ( 1 ) 对网络拓扑优化问题进行研究，比较了现有环网和网状网拓扑优化方法， 提出了面向工程应用的改进的环网和网状网优化算法。 ( 2 ) 针对复杂的大型网络拓扑规划困难的现状，提出了区域划分思想，并提供 了切实可行的计算机实现算法，同时给出区域划分后网络所需后续操作的 实现步骤。该区域划分算法能有效的降低大型网络优化复杂度，并且划分 出的结果也符合实际情况。 ( 3 ) 参与设计了面向工程的光网络优化软件系统，并负责了网络拓扑优化模块 和网络分析模块的实现，同时将拓扑优化的理论研究结果应用到软件系统 中，并对所实现的模块进行了单元测试，验证了模块所能实现各项基本功 能的实用性。 ( 4 ) 研究了s r l g 约束下的动态业务分配问题，提出了基于s r l g 约束的混合 共享多通道保护算法，并对该算法进行了仿真分析，仿真结果表明该算法 性能优于传统s p p 算法。 ( 5 ) 设计了基于s r l g 约束的动态业务分配算法的仿真平台。 和目前的国内外研究相比，本文在以下几方面有一定的独到之处： ( 1 ) 严格按照工程化要求设计实现了一套光网络优化软件系统。该系统适用于 进行s d h 、d w d m 网络的规划或优化。 ( 2 ) 提出了切实可行的且易于计算机实现的区域划分算法，并提供了相关后续 操作的步骤。该算法能有效降低大型网络优化的复杂度。 ( 3 ) 提出了一种基于s r l g 约束的动态业务分配算法，该算法能有效处理陷阱 问题，并且进行了资源混合共享，因此其表现出较高的资源利用率和较低 的业务阻塞率。 6 第一章绪论 1 5论文结构及内容安排 本文主要研究了光网络优化软件系统的设计实现，同时对基于s r l g 约束的 动态业务分配问题进行了深入研究，提出一种改进算法并进行仿真验证。具体内 容安排如下： 第二章对光网络优化软件系统进行了需求分析和总体框架设计，同时重点研 究了环网、网状网现有的拓扑优化算法，提出了易于计算机实现的改进算法。对 于复杂的大型网络，本文还提出了区域划分策略，将大型网络划分为多个区域， 再进行各个区域的优化，有效降低大型网络优化复杂度。最后将以上研究结果应 用到软件系统的拓扑优化模块中，经单元测试验证了模块所提供的各种拓扑优化 功能的实用性。 第三章为提高网络生存性，在业务保护机制中引入了s r l g 的概念，提出了 一种新的基于s r l g 的动态业务分配算法，其通过多保护通道，有效地避免了 s r l g 通道保护中出现陷阱问题，通过仿真数据分析，改进算法资源利用率和业务 阻塞率都优于传统的共享通道保护算法。 第四章设计了基于s r l g 约束的动态业务分配算法的仿真平台，阐述了仿真 平台的模块化设计方案，并给出了各功能模块内部实现流程和细节。 第五章总结全文。给出论文的结论，指出尚存在的问题和以后的改进设想。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章面向工程的光网络优化软件设计 2 1课题研究任务概述 本课题主要围绕面向工程的光网络规划与优化软件的研究与设计开展工作。 在网络规划与优化中，规划人员对整个光网络进行优化设计的全过程一般包 括业务需求分析，网络拓扑结构优化，网络业务规划，设备配置以及网络性能分 析。优化步骤如图2 - 1 所示，优化步骤按序进行，但也可以根据下一步骤的优化结 果回溯到上一步骤重新进行优化，特别是在优化后网络性能无法达到指标时，就 必须回到前面的优化步骤通过调整优化方案重新进行优化。 图2 - 1 网络优化步骤 光网络优化软件作为光网络优化设计的工具软件，需要在以上各个阶段都提 供相应的设计功能，以便网络规划人员不仅可以全面地进行网络优化设计，也可 只进行某一阶段的优化设计( 如网络中新增业务，无需对网络拓扑结构进行优化， 仅需进行网络新业务的分配，则只需使用网络业务优化功能) 本课题研究设计的光网络优化软件需要实现以下基本功能： 8 第二章面向工程的光网络优化软件 ( 1 ) 在未知网络业务信息的情况下，能够对业务进行预测和分析； ( 2 ) 在未知或者已知部分网络拓扑的情况下，能够进行网络拓扑规划与优化； ( 3 ) 根据网络以及业务设置原则，进行网络业务规划； ( 4 ) 已知网络拓扑结构和容量需求，进行网络设备配置； ( 5 ) 根据网络设计方案，统计网络各项性能指标。 2 2系统开发方法 本文研究的面向工程的光网络优化软件系统致力于研究和设计一套实用性软 件系统，使之可应用于s d h 、d w d m 网络的规划或优化中，提高网络的整体性能， 为用户提供优质服务。 系统开发采用c ，s 结构，客户机主要实现与用户的交互以及各种信息资源管 理，采用j a v a 技术实现，服务器主要实现各种关键优化算法，采用c + + 技术实现。 整个系统开发采用模块化设计思想，并严格按照面向工程化的设计步骤进行 了需求分析，总体架构设计，各模块详细设计，代码编写，各模块单元测试以及 集成测试。 2 3 总体架构设计 根据光网络优化软件的基本功能需求，整个网络优化系统被分为七个主要功 能模块，即：容量规划( c p ，c a p a b i l i t y p l a n n i n g ) 、拓扑规划与优化( t p o ，t o p o l o g y p l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o n ) 、业务分配和保护( t a & p r , t r a f f i ca s s i g n m e n ta n d p r o t e c t i o n ) 、设备配置( e q ，e q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o n ) 、网络分析( n a n e t w o r k a n a l y s i s ) 、文件管理( f m ，f i l em a n a g e m e n t ) 、资源管理( r m ，r e s o u r c e m a n a g e m e n t ) 。 c p 模块的目的为生成总传输网业务电路矩阵，主要功能包括：估算传输网业 务总量( 电路需求) 和计算节点间业务的流量流向。 t p o 模块是在未知网络拓扑的情况下根据网络电路需求( 业务电路矩阵) 规 划出网络物理拓扑连接；在已知或已知部分网络拓扑的情况下，根据网络电路需 求和现有网络连接状况，优化网络物理拓扑连接。 t a & p r 模块是根据c p 模块( 或用户) 提供的业务矩阵( 包含优先级) 和t p o 模块( 或用户) 提供的网络拓扑计算业务路由和保护方案。 9 电子科技大学硕士学位论文 e q 为根据网络各个系统网络连接拓扑、最高速率等级、路由模型，进行设备 配置和费用计算。 n a 的目的是针对现有的网络拓扑、资源配置、业务分配方案和业务保护方案 进行统计、分析，得出用户所需的各类报表中的数据，主要包括：网络拓扑连通 性分析、网络资源统计、网络成本分析、连接，节点的负载和利用率分析、节点流 量分析、链路流量分析、网络冗余度和生存性分析。 f m 负责向数据库中导入外部文件以及从数据库中导出数据并形成所需文件。 r m 的核心功能为建立并管理网络资源模型。网络资源模型包括：节点模型、 连接模型、路由模型、设备模型、区域模型、性能分析模型。r m 为管理上述所有 模型，其又细化为多个管理模块，包括：拓扑管理、设备管理、路由管理、性能 管理、控制管理以及系统数据库管理。系统数据库管理用于在系统数据库中读取 和存储各种数据，并保持数据库内数据与系统其他模块内数据的一致性。这七个 功能模块相互关系如图2 - 2 ，在上述模块中，r m ，f m 位于客户机，c p ，t p o ， t a & p r ，e q ，n a 位于服务器。 服务器 l i 客户机 i l 容量规划模姗 kl 嗲 i l 拓扑规划与优化模块1 p 。l a ： 令 l 一ln y z么、 资 jl 7 源 文 管 件 理1 入 管 模 厂 理 护模；j c r 、广上 块 r m f m 设备配置模块e qi 卜 1 7 l 网络分析模枞黼 图2 - 2 网络优化软件体系结构 1 0 - 第二章面向工程的光网络优化软件 在整个软件系统设计中笔者主要负责t p o 模块、n a 模块设计。之后将详细 介绍t p o 模块设计细节。 2 4 拓扑优化方法研究 优化问题通常需要规定好一系列约束条件和目标函数。在全面满足所有约束 条件的前提下，使得所有设定的目标函数达到或逼近最优值。 网络拓扑结构优化中的约束条件一般包括：1 ) 网络中节点数量和位置；2 ) 节 点对间业务需求；3 1 各项成本。优化的主要目标是通过恰当选取连接使得整个网 络建设投资费用达到极小。 网络拓扑优化问题的数学模型可建立为： 已知节点集合为一乱2 a ，尼) ，可行链路集合e - u i n ， 节点间 距离矩阵上产 l ，业务需求矩阵r 。k l 目标函数为 最小费用d - n f i n 罗d 也，q ，j ) 约束条件为 荟蓍岛积d 筠。，i ，垮 薹，l ，( 七，f ) 一互，p ( 七，z ) 一 叫舶扣j 卅- l ，- 1 l0 ，o t h e m i s e c i 。i t qi ，j n 、 ，j ，( 七，f ) 20 ，i ， 七，i e n 其中为链路容量，丘瓶1 ) 为业务幻流经链路的业务量，则链路哂 上承载的业务总量为，i ，。荟善岛伍，7 ) ，d 。也q ，) 为链路e i j 的费用它和链路长 度及链路容量密切相关。 为解决上述问题，可以采用整数线性规划( i l p ，i n t e g e r l i n e a rp r o g r a m ) 和启 发式算法( h e u r i s t i c a l g o r i t h m ) ，其中i l p 虽然求解结果较准确，但是在实际网络 规划中需要考虑的约束条件较多并且网络规模较大，这使得i l l 过于复杂。因此 一般采用启发式算法。 光网络的基本拓扑结构有以下5 种类型，线形、星形、树形、环形、网状网 1 1 电子科技大学硕士学位论文 形，不同拓扑结构的适用范围和优化方法各不相同。为了充分发挥光网络的作用， 在优化设计中应根据网络拓扑结构特点，合理地选择拓扑结构和优化算法【6 】川。由 于目前网络可靠性已成为网络优化所必须要考虑的问题，线形、星形和树形拓扑 可靠性都不够理想，优化时多采用网状网形和环形拓扑结构。因此在优化软件的 t p o 模块中，必需要提供环网和网状网的优化功能。 2 4 1s d h 环网拓扑优化方法 环形拓扑是s d h 环境下主要的拓扑结构，其应用非常广泛，这主要是由于s d h 自愈环极强的自愈能力，因此有必要对s d h 环网拓扑优化方法进行重点研究。 2 4 1 1环网拓扑优化方法比较 环网拓扑的优化方法主要有以下几种： ( 1 ) 多径网组网算法 多径网是指所有节点的