（通信与信息系统专业论文）下一代网络面向业务的生存性机制研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着口业务的爆炸式增长，用户对i p 网的依赖越来越大。由于技术的局 限性，使得采用技术进行实时和宽带业务的传递时，尤其是在网络发生故障后无 法恢复并保证所传业务的服务质量( q o s ) 。为了解决现有通信网络因此而暴露出的 不足，n g n 作为未来通信业的发展方向应运而生，同时n g n 的网络生存性问题也受 到业界的广泛关注。由于网络技术的飞速发展使得越来越多的业务集中到越来越少的 路由器、交换机和传输终端等网络设备或传输链路上，这样每出现一次网络故障( 节 点故障或链路故障) 就会影响比过去的网络情况下多得多的用户的通信。于是，对下 一代网络生存性问题的研究更加具有显著的实际意义。 本篇论文的工作紧密围绕下一代网络面向业务的生存性机制而展开。文章相继介 绍了下一代网络分层结构、技术特点以及各层次间的关键技术，分析了n g n 网络生 存性的特征、主要策略以及目前还存在的问题，并以n g n 功能的分层结构为依据主 要描述了传送层、承载层和业务层上现有的各种生存性机制，通过对其生存性的原理、 优缺点和性能的归纳比较引出了本次论文的主要思想将n g n 网络的生存性机制 同区分业务及其q o s 要求相结合，为具有不同优先级的业务选择出相应的生存性策 略。 本篇论文着重提出了一种新的面向业务的基于g m p l s 网络生存性策略选择算 法。该算法以现有三种标准的g m p l s 生存性策略模型( 即全局保护、反向备份和局 部恢复) 为基础，选用评估函数对每一种业务流的工作路径预先判断出最适合它的恢 复模型，然后采用选择出来的最佳恢复模型来计算工作路径的备份路径，以达到对于 不同业务流量进行区分恢复的目的。算法不仅拓展了d i f f - s e r v 的思想，将流量分成不 同的种类并依据各自的特性分配相应的权值，而且还分析了三种标准化的生存性模型 在不同网络状态下恢复不同业务时的带宽占用、恢复时间和丢包数量等q o s 参数。算 法运用了归一化的评估函数来比较并选出适合于不同业务流量的恢复模型，取代了以 往在各种流量所考虑的不同q o s 参数之间的繁琐比较，使恢复模型中备份路径选择的 计算复杂度大大降低。最后，本文通过仿真验证了提出的算法，并根据不同种类的服 务提出了相应的恢复策略。 关键词：下一代网络；面向业务；生存性；区分业务；服务质量 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ei pt r 施c sa r ee x p l o s i v ei n c r e a s i n gi nr e c e n ty e a r s ，u s e r sa 咒m o r ea n dm o r e d e p e n d e n tc l o s e l yo ni pn e t w o r k s 。b e c a u s eo fi m m a t u r et e c h n o l o g y , i tc a nn o tr e s t o r ea n d g u a r a n t e eq o so fw d f f i cw h e ni t i se m p l o y e di pt e c h n o l o g yt ot r a n s f e rr e a l - t i m ea n d 晰d e b a n ds e r v i c e s ，e v e na f t e rf a i l u r eh a p p e n e di nn e t w o r k t od e a l 晰t l lt h i sp r o b l e m e x p o s e di nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka tp r e s e n t , n g ni se m e r g e d 舔t h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft e l e c o m m u n i c a t i o nf i e l d 1 f 1 1 en e t w o r ks u r v i v a b i l i t yr e s e a r c ha l s oi sp a i dm o r e a t t e n t i o na tt h eb e g i n n i n go fn g np r o p o s e d ，b e c a u s et h er a p i dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k t e c h n o l o g ym a k e sm o r et r a f f i cc e n t r a l i z eo nt h el e s sn e t w o r ke q u i p m e n t sa n dt r a n s m i s s i o n l i n k s ，s u c ha sr o u t e r s ，s w i t c h e sa n dt e r m i n a l s ，t h u se a c hn e t w o r kf a i l u r e ( n o d ef a i l u r eo r l i n kf a i l u r e ) h a p p e n e dc a r le f f e c tm o r ei k s e r s c o m m u n i c a t i o nt h a nt h i ss i t u a t i o nb e f o r e n g ns u r v i v a b i l i t yi sn o to n l ys h e e ra c a d e m i cp r o b l e m ，b u ta l s oh a v em o r ed i s t i n c tp r a c t i c e m e a n i n gb e c a u s eo fc a t a s t r o p h i ci n f l u e n c eb r o u g h tb yn e t w o r kf a i l u r e i n t h i sd i s s e r t a t i o n , o u rr e s e a r c hw o r kf o c u s e so ns u r v i v a b i l i t yt e c h n o l o g i e sb a s e do n d i f f e r e n ts e r v i c e si nn g n t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ei n f o r m a t i o no fn g n r e l a t e d , s u c ha s h i b e r a r c h y , t e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dk e yt e c h n i q u eo fl a y s i ta l s oa n a l y s e st h e c h a r a c t e r i s t i c s ，s c h e m e s ，a n dp r o b l e m se x i s t e do fn e t w o r ks u r v i v a b i l i t yi nt h en g n t l i i s p a p e rm a i n l yd e s c r i b e sn e w l yk i n d so fs u r v i v a b i l i t ys c h e m e si nt h et r a n s f e rl a y , c a r r i e r l a y e ra n ds e r v i c el a y e ra c c o r d i n gt of u n c t i o n a lh i b e r a r c h yo fn g n t h r o u g hc o m p a r i n g a n di n d u c i n gt h ep r i n c i p l e ，p e r f o r m a n c e ，p r o sa n dc o n so ft h e i rs u r v i v a b i l i t yr e s e a r c h , i ti s e d u c e dt h ei m p o r t a n ti d e a si nt h i sp a p e r , w h i c hi si n t e g r a t i n gn g nn e t w o r ks u r v i v a b i l i t y s c h e m ew i n ld i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e sa n dt h e i rq o sr e q u i r e m e n t si no r d e rt oc h o o s e c o r r e s p o n d i n gs u r v i v a b i l i t ys t r a t e g yf o rs e r v i c e s 、 ，i t hd i f f e r e n tp r i o r i t yl e v e l s t h i sp a p e rp u tt h ee m p h a s i so np r o p o s i n gan e wg m p l s s u r v i v a b i l i t ys c h e m eb a s e d d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s t l l i s a l g o r i t h mw h i c h i sb a s e do nt h r e en o r m a lg m p l s s u r v i v a b i l i t ys c h e m em o d e l s ( n a m e l yg l o b a lp r o t e c t i o n ，r e v e r s eb a c k u pa n dl o c a lr e p a i r ) c h o o s e se v a l u a t i o nf u n c t i o nt od e c i d ei na d v a n c em o s ts u i t a b l er e s t o r a t i o nm o d e lf o r w o r k i n gp a t ho fe a c hk i n do ft r a f f i c ，t h e no n l ye m p l o y si tt oc a l c u l a t et h eb a c k u pp a t ho f w o r k i n gp a t h , i no r d e rt og a i nt h ea i mo fd i f f e r e n t i a t e dr e s t o r a t i o nf o rd i f f e r e n ts e r v i c e t r a f f i c t h ea l g o r i t h mn o to n l ye x p a n d st h ei d e ao fd i f f - s e r v , c l a s s i f i e si n t od i f f e r e n t 仃a 旺i ca n d a s s i g n sc o r r e s p o n d i n gw e i g h t e dv a l u e s ，b u ta l s oh a si n t e g r a t e da n a l y s i so ns e v e r a lq o s p a r a m e t e r s ( s u c ha sb a n d w i d t hc o n s u m p t i o n , r e s t o r a t i o nt i m ea n dp a c k e tl o s se t c ) i nt h e d i f f e r e n tn e t w o r ks c e n a r i o s 1 1 舱a l g o r i t h me m p l o y sn o r m a l i z e de v a l u a t i o nf u n c t i o nt o c o m p a r ea n ds e l e c ts u r v i v a b i l i t ym o d e l si n s t e a do fc o m p l i c a t e dc o m p a r i s o na m o n g d i f f e r e n tq o sp a r a m e t e r so ft r a 伍cb e f o r e ，i no r d e rt or e d u c eg r e a t l yc o m p u t a t i o nc o s to f b a c k u pp a t hc h o i c ei nt h es u r v i v a b i l i t ym o d e l s f i n a l l y , t h em e a s l f f ed a t as i m u l a t e di nt l l i s p a p e rv a l i d a t e st h e o r e t i c a la n a l y s i si nt h i sp a p e ra n di t i sp u tf o r w a r dc o r r e s p o n d i n g a b s t r a c t r e c o v e r ys c h e m e sa c c o r d i n gt od i f f e r e n tk i n d so fs e r v i c e s k e y w o r d s ：n g n ；s e r v i c eo r i e n t e d ；s u r v i v a b i l i t y ；d i f f - s e r v ；q o s 缩略词表 缩略词表 a f ：a s s u r e df o r w a r d i n g ，确保型转发 a p s ：a u t o m a t i cp r o t e c t i o ns w i t c h i n g ，自动保护倒换 a s o n ：a u t o m a t i cs w i t c ho p t i c a ln e t w o r k ，自动交换光网络 a t m ：a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，异步传输模式 b e ：b e s t e f f o r t ，尽力而为转发 b g p ：b o r d e rg a t e w a yp r o t o c o l ，边界网关协议 b i s d n ：b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a ln e t w o r k ，宽带综合业务数字网 b v p ：b a c k u p v i r t u a lp a t h ，备份虚通道 b 3 g ：b e y o n d3 旧g e n e r a t i o n ，后三代移动通信 d i f f s e r v ：d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ，区分服务 d m l ：d a t am o d e l i n gl a n g u a g e ，数据建模语言 d s c p ：d i l i s e r vc o d ep o i n t ，区分服务码点 d w d m ：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 ，密集波分复用 d x c ：d i g i t a lc r o s sc o n n e c t i o n ，数字交叉连接设备 e d i ：e l e c t r o n i cd a t ai n t e r c h a n g e ，电子数据交换 e f ：e x p e d i t e df o r w a r d i n g ，加速转发 e t s i ：e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e ，欧洲电信标准化协会 f c c ：f e d e m lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ，美国联邦通信委员会 f e c ：f o r w a r d i n ge q u i v a l e n tc l a s s ，转发等价类 f g n g n ：f o c u sg r o u po nn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s ，下一代网络焦点组 f p ：f r a m e w o r kp r o g r a m 科研框架计划 f s c ：f i b e rs w i t c hc a p a b l e ，光纤交换接口 f t p ：f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，文件传输协议 g l a s s ：g m p l sl i g h t w a v ea g i l es w i t c h i n gs i m u l a t o r ，g m p l s 快速交换模拟器 g m p l s ：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 ，通用多协议标签交换 g p o n ：g i g a b i tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ，吉比特无源光纤网络 h f c ：h v b r i df i b e r c o a x ，光纤同轴混合 h r r p ：f i l et r a n s f e rp r o t o c o l ，超文本传输协议 i e t f ：i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，因特网工程任务组 i m s ：i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ，i p 多媒体子系统 i n t s e r v ：i n t e g r a t e ds e r v i c e s ，综合服务 i p c c ：i n t e r n a t i o n a lp a c k e tc o m m u n i c a t i o nc o n s o r t i u m ，国际分组通信协会 口t v ：i n t e r a c tp r o t o c o lt e l e v i s i o n ，互联网协议电视 缩略词表 i p v 6 ：i n t e r n e tp r o t o c o l6 mv i s i o n 互联网协议第6 版 i s c ：i n t e r n a t i o n a ls o f ts w i t c hc o n s o r t i u m ，软交换论坛 i s o ：i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do r g a n i z a t i o n ，国际标准化组织 i t u ：i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，国际电信联盟 l d p ：l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l ，标记分配协议 l e r ：l a b e le d g er o u t e r ，边缘标记路由器 l i b ：l a b e li n f o r m a t i o nl i b r a r y ，标记信息库 l s c ：l a m b d as w i t c hc a p a b l e ，波长交换接1 2 1 l s p ：l a b e ls w i t c h e dp a t h ，标记交换路径 l s r ：l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ，标记交换路由器 m p l s ：m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，多协议标记交换技术 m s t p ：m u l t i s e r v i c et r a n s p o r tp l a t f o r m ，多业务传送平台 n g i ：n e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t ，下一代互联网 n g n ：n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，下一代网络 n g n i ：n g ni n i t i a t i v e ，n g n 动议 n i s t ：n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r da n dt e c h n o l o g y ，美国国家标准技术学会 o c h ：o p t i c a lc h a n n e ll a y e r ，光通道层 o m s 0 p t i c a lm u l t i p l e xs e c t i o nl a y e r ，光复用段层 o s p f ：o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ，开放式最短路径优先 o t n ：o p t i c a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，光传输网络 o t s ：o p t i c a lt r a n s m i s s i o ns e c t i o nl a y e r ，光传输段层 p d h p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ，准同步数字序列 p h b ：p e rh o pb e h a v i o r ，逐跳行为 p s c ：p a c k e ts w i t c hc a p a b l e ，分组交换接口 p s l ：p r o t e c t i o ns w i t c hl s r ，保护切换标记路由器 p s p d n ：p a c k e ts w i t c h e dp u b l i cd a t an e t w o r k ，分组交换公用数据网 p s t n ：p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公用电话交换网 q o s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ，服务质量 r s v p ：r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l ，预留资源的信令协议 s d h ：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 ，同步数字序列 s h r ：s e l f - h e a l i n gr i n g ，自愈环 s l a ：s e r v i c el e v e la g r e e m e n t ，服务等级协定 s p a ：s h o a e s tp a t hr o u t i n g ，最短路径选路算法 s s f 夸厄t ：t h es c a l a b l es i m u l a t i o nf r a m e w o r kn e t w o r k ，可扩展仿真构架网络 s t m ：s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，同步传输模式 t d m c ：t m a ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gc a p a b l e ，时隙交换接口 2 缩略词表 t i s p a n ：n 圮t e l e c o m & i n t e r a c tc o n v e r g e ds e r v i c e s & p r o t o c o l sf o ra d v a n c e d n e t w o r k ，用于先进网络的电信和因特网融合的业务和协议 删：t e l e c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tn e t w o r k ，电信管理网 v c ：v i r t u a lc h a n n e l ，虚信道 v o i p ：v o i c eo v e ri n t e r a c tp r o t o c o l ，i p 电话 v p ：v i r t 叫p a t h ，虚通道 w d m ：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 波分复用 w i m a x ：w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，微波接入全球互通 w t o ：w o r i dt r a d eo r g a n i z a t i o n ，世界贸易组织 3 g ：t h i r dg e n e r a t i o n ，第三代移动通信 3 g p p ：3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，第三代移动通信合作伙伴计划 3 西安邮电学院 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的论文是本人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：望! ! 垫日期：丝三z 年月上日 西安邮电学院 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安邮电学院有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属西安邮电学院。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印 手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律署名单位为西安邮电学院。 本人签名： 导师签名 惑、醴 日期：趋旦z 年月上日 日期：埠年l 月土日 笫1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 网络自2 0 世纪6 0 年代出现以来发展迅速，目前已渗透到社会经济的各个领域， 成为人们日常生活中不可缺少的部分。它一方面使人们的工作甚至生活方式发生了巨 大的变革，另一方面又使我们的生活更加依赖于网络。随着i n t e m e t 的兴起以及数据 网络的迅速发展，使得现有通信网络上承载的业务量无论是从数量还是从种类上都持 续以指数级的形式增长。为了解决现有通信网络因此而暴露出的固有局限性，n g n 作为未来通信业的发展方向应运而生。它是一种基于分组技术的网络，能支持包括电 信业务在内的多种业务，并解决了多个网络之间实现互通及业务融合的问题。 随着通信网络新技术的提出和多媒体应用技术的飞速发展，以往单一的数据传送 网络已逐步向数据、语音、图像和实时等媒体信息的综合传输网络进化。这使得越来 越多的业务量集中到越来越少量的路由器、交换机和传输终端等网络设备和传输链路 上，这样每出现一次网络故障就会影响到比过去的网络情况下多得多的用户的通信。 据美国明尼苏达大学的研究结果估计【l 】，通信中断1 小时可以使保险公司损失2 万美 元，使航空公司损失2 5 0 万美元，使投资银行损失6 0 0 万美元。如果通信中断2 天则 足以使银行倒闭。可见网络的生存性已成为现代网络、特别是下一代网络设计中需要 特别关注的最重要的内容，也成为市场开放环境下网络运营商或业务提供者之间在争 夺用户时重要的竞争焦点。 回顾过去，从最初的电话业务开始，网络结构设计过程中的关键是网络资源的可 得性( a v a i l a b i l i t y ) 。即在正常情况之下，要求呼叫的阻塞率足够低，也就是呼叫的 成功率要足够高。在过去八十年代之前，网络设计者们关注的大多是网络的可靠性 ( r e l i a b i l i t y ) ，其侧重点是网络的连接性( c o n n e c t i v i t y ) 和网络元器件的可靠性研究。 而一旦网络发生故障后，一般都采用人工修复的办法来恢复网络。在高集成度通信和 各种多媒体业务发展起来之后，人们逐步将注意力转移到了自动恢复技术上来，即自 愈技术( s e l f - h e a l i n gt e c h n o l o g y ) 。当网络在发生故障时，要求仍然能够确保必要的 级别较高的通信业务能正常通信。这就是我们所说的“网络的生存性( s u r v i v a b i l i t y ) 能力。 网络生存性的定义1 2 】是：网络在遭受各种故障( 如：人为的网络攻击、通信人为 故障以及客观因素导致的通信事故等) 时，仍能维持可接受的业务质量的能力它与 之前人们关注的网络可靠性是有明显区别的：可靠性是指器件或局部的正常使用寿 命，是可通过统计预测来确定的；而网络生存性则基本上是与统计预测无关，描述的 是网络怎样在意外情况下完成生存功能的能力。自愈是可生存性网络最突出的特点。 所谓自愈就是无需人为的干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复业务 传输能力，使用户感觉不到网络已出现故障。恢复路由可以采用备用设备或是利用现 西安邮电擘院硕士学位论文 有设备中的冗余能力，以满足( 比如1 0 0 ) 端到端( e n dt oe n d ) 的业务恢复，或指 定优先级业务不受影响。在自愈过程中，没有通话或业务中断，甚至对用户是透明的， 即用户感觉不到网络已发生了重组。在许多文献中自愈和网络生存性是同等的概念。 通信网络要求能向其用户提供可靠的不会中断的服务。总体的可靠性要求达到 9 9 9 9 9 甚至更高，这就意味着网络瘫痪的时间平均一年不能超过6 分钟。这可以通 过提高系统的可靠性来实现，但是若要求网络业务百分之百地可得或者说百分之百地 避免通信中断，那是不现实的。人为破坏的因素总是避免不了的，更何况客观的偶然 因素( 如：火灾、地震等等) 也需考虑在内。因此，不仅仅要减少和预防网元失效的 发生，更需要预先考虑到网元失效的不可避免性，在网络设计之初，就使网络本身具 有对抗失效的能力，或预先设定网络恢复的策略，则是解决问题的另一个方面。尤其 是在目前高度集成、通信量爆炸式增长的下一代网络中，后者显得更为重要。这也正 是本文所将要探讨的方向之所在。 1 2 本课题的研究背景及其意义 由于互联网的蓬勃发展和社会经济的信息化潮流，数据及多媒体业务已经迅速超 越话音业务而成为未来最大的通信需求，但是传统电话网无法快速灵活的开发出新业 务，而且新业务部署成本高；互联网虽然部署业务相对容易但是无法提供优质的电信 级业务。于是n g n 在这种背景下应运而生，它代表着目前信息网络的发展趋势。 网络的生存性同样也成为下一代网络设计与实现中至关重要的部分。而且随着网 络中承载业务的日益增长，网络生存性也被赋予新的含义。本研究课题受国家自然科 学基金项目“下代网络的业务恢复技术研究”( 项目批准号6 0 4 7 2 0 7 5 ) 和“下一代 网络的o a m 机制及其层间互联技术的研究 ( 项目批准号6 0 5 7 2 1 3 4 ) 的支持，同时 也是这两项项目中重要的研究内容。 1 2 1 下一代网络概述 目前，网络正在走向下一代。电信网正在走向n o n ，互联网正在走向n g i ，移 动网正在走向3 g 和b 3 g 。下一代电信网和下一代因特网技术以及下一代移动网在技 术上是共源的，它们都建立在疋技术的基础上。而本次论文研究的重点则是下代 电信网n g n 。 p s t n i n t e r n e t 日 日 m o b i l e 匕爿： 下 代 网 图1 2 1 ：下一代网络的演进 n g n 是在网络业务量和电信外部环境几乎同时发生巨大变化的前提下提出来 的。作为人们对未来网络的理想模型，世界上众多电信运营商、设备制造商、r r u 、 2 第1 章绪论 e t s i 、i e t f 等国家标准化组织以及众多技术论坛和组织都纷纷提出各自对n g n 的 架构设想和功能模型的描述。其中应用最广泛的是i t u ts g l 3 小组在2 0 0 1 - 2 0 0 4 研 究期第六次会议上对n g n 的定义【3 l ：n g n 是基于分组技术的网络；能够提供包括电 信业务在内的多种业务；在业务相关功能与下层传送相关功能分离的基础上，能够利 用多种宽带、有q o s 支持能力的传送技术；能够为用户提供无限制接入到多个运营 商；能够支持普遍的移动性，确保用户一致的、普遍的业务提供能力。 总体说来业界普遍认为，n g n 网络应该采用o t n 或光网络解决传输和大带宽交 换问题，采用i p 技术承载各种业务实现三网( 电信网、计算机网和有线电视网) 融 合，采用m p l s 技术实现口层和链路层的结合，采用软交换( s o f ts w i t c h ) 技术通过 业务、控制和承载的分离实现端到端的业务交换。 1 2 2 研究网络生存性的意义 ( 1 ) 、通信网络自身技术发展的需要 通信网络自身技术的发展，潜在地加剧了网络故障的危害性。现代网络的速度不 断地提高，容量不断地加大。9 0 年代通信速率开始向着千兆位每秒的量级迈进，而 现今仅仅只是一根光缆的断裂就会造成几个t b i t s 的信息丢失。同时网络提供的服务 更加丰富，集成了数据、声音、图像以及视频的传输。网络中服务流量的增多与集中， 使得一个故障( 如一条链路的损坏) 就会波及大量用户。在这样高速、大容量、多种 服务存在的网络中，网络故障引起的后果将比以前严重得多。2 0 0 1 年的1 2 月2 日， 北京发生了一次“光缆人为挖断事故 。原因是，城建部门在远大路西口和四环路交 接处施工，违章使用机械，挖掘电信管道上方的土层，使管道破损，导致管道内三条 光缆阻断，造成北京移动多个传输系统瘫痪，影响了2 0 万部手机的正常使用。由于 是人工修复，花了将近一天的时间才将通信恢复正常，带来了巨大的经济损失。如果 网络具备足够的生存性能力，在发生通信阻断时，及时自动地将可能恢复的业务恢复 过来，那么损失将得到最大的挽救。 ( 2 ) 、社会对通信网络的依赖 社会对通信网络的依赖，导致了网络故障潜在危害性的增加。网络作为国家基础 设施开始建设和普及，规模不断扩大，用户数不断猛增。越来越多的人使用电子邮件、 远程办公自动化、远程登录等网络服务：政府、企业纷纷组建自己的内部网络，实现 办公自动化、电视会议等，并通过连接出口与外部交流信息：股市行情传递、e d i 、 电子银行等业务又将金融、商业的运作网络化；科研机构利用网络建立“合作实验室 ， 实现远程医疗、分布计算等等。随着社会生产、生活的各个方面开始使用并依赖于网 络，网络中传输的信息价值日益加大，网络故障也会影响到社会的各个方面，造成愈 加恶劣的后果。 在实际环境中，自然灾害、人为破坏、软件错误以及工作失误等等引起的网络故 障是难以避免的。因此在网络服务不断普及、网络性能不断提高的今天，人们更加强 3 西安邮电学院硕士学位论文 烈地要求网络安全、可靠地运行。一旦故障发生，网络可尽快从故障中恢复，尽量减 少故障对用户的干扰和引起的损失，一句话就是要提高网络的生存性。因而，网络生 存性是信息时代中社会正常生产、生活的重要保障条件。 1 2 3 下一代网络生存性面向业务的意义 自1 8 7 6 年贝尔发明电话经历的1 0 0 多年以来，通信网络的业务量始终是电话业 务占主导地位。进入2 0 世纪9 0 年代后，随着w w w 业务的问世，以因特网( i n t e m e t ) 为主的i p 数据业务呈指数级增长( 每6 - - 1 2 个月翻一番) ，已经打破了传统话音业务 的格局。至今，从网络的承载流量来看，全球的数据业务量早已超过电话业务量，数 据业务已成为主导业务。 通信网络向n g n 演进的主要推动力是数据业务将取代语音业务成为主要的收益 来源以及用户对各种类型的高级业务和应用的需求。但由于语音仍是一种重要的业 务，这就要求下一代网络必须根据不同业务的要求提供相应的q o s 保证。如今五彩 缤纷的多媒体业务( 如视频会议、视频点播、i p 可视电话、远程教育) 不仅包括文 本数据信息，还包括语音、图形、图像、视频、动画等类型信息。这些业务对网络传 输服务的q o s 需求是不同的：语音和视频信息的传输需要恒定的网络带宽，同时对 网络的延时和延时抖动要求严格，而传统数据信息( 如：文件传输、e m a i l 等) 的传 输往往是突发性的，能够容忍延迟和流速的变化。即使是传统的数据信息，它们的传 输对于不同的业务应用，其对网络服务的要求也是不同的。比如：关键业务应用( 如： 远程登录t e l n e t ) 不需要很高的带宽但是需要快速的响应，对网络时延比较敏感，而 f t p 和h t t p 等大容量数据传输对延时并不敏感，却需要大量带宽。 网络中产生q o s 问题的原因是业务流量对网络资源的需求和网络实际能够提供 资源之间的不匹配。当业务对网络资源的需求超过了网络实际供给能力时，业务的服 务质量将不能得到有效保证。此时我们需要根据业务类型及其对服务质量要求的不 同，采用合适的q o s 控制机制，合理分配网络资源。 由于上述各种业务对网络传输服务的q o s 要求不一样，其相应的恢复级别也不 一样。事实证明：如果针对这些不同恢复级别的服务千篇一律地使用同一种生存性策 略，则可能导致网络资源分配的不合理以及恢复结果的不理想。随着网络中业务种类 和数量呈现爆炸式的增长，考虑网络生存性机制时势必要与具有不同q o s 要求的各 种业务相结合。很遗憾，传统的生存性问题大都没有与区分业务相结合。 在我国，网络生存性研究同样具有深远的意义。首先，如前所述可生存性网络可 以给国家和个人挽回巨大的经济损失，避免社会经济的动荡不安。其次，随着中国加 入w t o 后国内电信市场的逐渐开放，通信业的竞争越来越激烈，从而具有可生存性 的网络对一个网络运营商来说极其重要。因为网络运营商能否提供可靠的通信，已经 与其商业信誉、综合竞争力等密切相关。再次，随着人们生活水平的提高，社会经济 生活及个人的日常生活越来越依赖于通信网络，只有智能的会自动恢复的信息网才能 4 第1 章绪论 满足人们的高质量的生活需求。 我国目前通信网络和业务的现状是：通信网络基础设施资源非常丰富，拥有庞大 的固定电话网、铁路系统专用网、教育网以及其他各种各样的通信网络。从物理上看， 它们似乎都已经连成“网状”结构，可从逻辑角度看，各个网络节点之间的通信其实 大都还是以点到点的形式进行着的。为了达到一定的可靠性和生存性，各网络运营商 采取了一系列的相应措施来建立备份通道( 工作通道与备份通道容量的比例一般是 1 ：1 ，有的是1 n ) 。值得注意的是，这其实是资源的一种极大的浪费，也是为什么我 国的通信费用居高不下的原因之一。 此外，我国通信网的业务发展也同样出现日新月异的变化。据统计早在2 0 0 2 年 底，国内i n t e r n e t 数据业务量已超过电话业务量。2 0 0 3 - 2 0 0 6 年我国i n t e r n c t 数据业务 量和电话业务量的年平均增长率分别是3 6 2 和4 1 8 9 ，2 0 0 6 年的增长率则分别为 1 4 3 和2 9 6 9 。业务数量和种类的这种爆炸式增长促进国内通信网络的资源需要合 理的优化，而相应的网络生存性研究也需要同业务及其q o s 相结合。尤其是当我国 加入w t o 之后与国外的信息传递更为紧密，使得对面向业务的网络生存性进行研究 不仅现实意义深远，而且应用前景可观。 1 3 本课题的研究现状 早在8 0 年代后期，现代网络生存性研究就已受到发达国家研究机构的关注。迄今 为止投入其中的国外研究机构包括美国的a n s it 1 a 1 网络生存性性能研究工作组、 b e l l 实验室、欧盟的a l c a t e l 标准机制、p h i l i p s 研究实验室和日本电信n t t 等。同样 这些研究组织也致力于n g n 的网络生存性课题中。比如：i e t f 对下一代可生存性光 网络【4 】以及m p l s 5 i 6 1 t i g m p l s 8 1 1 9 1 0 】网络的生存性问题已形成了相应的草案和标 准。而i e e e 在下一代光网络【l l 】【1 2 】【1 3 1 以及基于m p l