（通信与信息系统专业论文）obs网络体系结构.pdf

中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 摘要 在当今信息社会，因特网的规模迅速扩大，对网络带宽的需求不断上升。w w w 用户的 大量增加使提供信息服务的主机数不断增加：另一方面，网络业务种类也在不断扩展，视频 和音频相结合的多媒体技术所占的比重越来越大。这些原因使i n t e m e t 的流量以每年4 倍的 速度递增，人们对网络带宽的需求比以往任何时候都更加迫切。 d w d m ( d e n s e 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 ) 技术的进步使得有可能开发具有很大 容量的光纤( 每条光纤的容量超过1 0 t b s ) ，目前的d w d m 技术能实现每条光纤传输8 0 一1 2 0 个波长，总的传输容量达到1 t b s 。现有的光传送主干网上d w d m 技术的发展满足了i n t e r a e t 流量的带宽需求，路由器成为了i n t e m e t 主干网的瓶颈。 过去几年，人们致力于研究硬件实现的高速电i p 路由器。m 路由器现在可以达到几百 g b p s 的容量，但是仍不能达到w d m 光纤的传输容量要求。目前的i p 路由器采用c r o s s b a r 或者共享缓存体系结构，设计超过t 比特容量的路由器需要采用多级互联的体系结构，这 可以采用全在电域或者中间采用光交换结构来实现。但是如果采用这种方案，提供 s o n e t s d h 或者千兆以太网接口的线路卡将随着路由器尺寸的增大越来越成为路由器整 体开销的主要方面。 随着i p 业务在网络上越来越占主导地位，传统的分层结构已经不再适应网络的发展， 需要重新设计整个网络结构来满足i n t e m e t 增长对带宽的需求。i po v e rw d m 由于没有中间 层，避免了中间层s o n e t s d h 和a t m 层的功能冗余，被认为是下一代因特网最有前途的 解决方案。光路由器可以充分利用先进的光技术，在交换容量方面比电路由器拥有更好的扩 展性。 目前实现全光透明网还有不少困难，如光缓存器还没有实现以及全光组网技术相应的标 准需要制订，在光域处理i p 分组还没有实现，所以光路由器的控制系统仍然要在电域完成。 因此现在研究的主要还是半透明的光传送网。光传送网的控制信息在电域完成，数据在高速 的透明光数据信道传输。光传送网有三种可能的解决方案：波长路由( w a v e l e n g t hr o m i n g ) 、 光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h ) 、光突发交换( o p t i c a l b u r s ts w i t c h ) 。 光突发交换( o b s ) 指的是将具有相同目的地址和一些相同属性的i p 分组组装成一个 b u r s t ，作为网络的一个基本转发单元，与波长路由和光分组交换相比，具有中间交换粒度， 汲取了它们的优点，同时避免了它们的缺点，是光传送网最有竞争力的解决方案。在本实验 室参与的国家自然科学基金重大研究计划下一代网络体系结构、协议模型与机制，作者 主要负责o b s 网络的研究，依靠在我参加的另一个国家8 6 3 重大课题高速路由器研制 课题中积累的丰富的电路由器设计方面的工作经验，在最近一年时间对o b s 网络的关键技 术做了深入的研究，设计了o b s 网络仿真平台，提出的些关键算法并进行了分析和仿真。 在本论文的第一章中，首先对光网络的发展作了回顾，然后描述了i po v e rw d m 的体 系结构的演变。介绍了i po v e rw d m 的三种网络模型：重叠模型、对等模型和混合模型。 最后介绍了全光通信网的概念以及光网络的主要器件。 在第二章中，介绍了波长路由、光分组交换和光突发交换这三种传送网解决方案以及它 们的关键技术并对这些技术特点进行了比较。结果表明，o b s 结合了电路交换和分组交换 的优点，避免了它们的缺点。它具有高带宽利用率，低端到端时延，同步和光缓存的需求也 很小。 第三章首先介绍了o b s 网络信令机制和b u r s t 组装算法。然后将传统电路由器的一些 关键技术引入o b s 网络的控制中，如采用虚拟输出队列作为b h p 缓存方式，i s l i p 算法作 为b h p 交换结构的仲裁算法。d r k ( d e f i c i tr o u n dr o b i n ) 算法作为b h p 队列调度算法， 里型兰垫查查堂堡主兰垡丝苎 一塑哩 随机早期检测算法作为o b s 网络的拥塞控制算法。接着介绍了四种数据信道竞争解决方法： 光缓存、波长转换、偏转路由以及b u r s t 分片技术。最后将光缓存和波长转换两种技术结合 起来从不同的侧重点介绍了几种数据信道调度算法：信道利用率高的最近可用信道调度算法 和最近可用信道一插空算法、算法简单的轮询算法以及波长转换次数最少的最少波长转换算 法。 第四章用网络仿真工具o p n e t 设计了o b s 网络的仿真平台。 第五章，在仿真平台上对o b s 网络的性能进行了仿真，首先分析了o b s 对i m e m e t 流 量特性的影响，然后从组装算法和数据信道调度算法两个方面对o b s 网络的t c p 性能进行 分析，提出了改善t c p 性能的基于源地址集的组装算法和a c k 优先调度算法，仿真结果表 明该算法不仅可以避免全局同步现象而且可以降低o b s 网络的时延和o b s 网络的b u r s t 丢 弃率。最后从w d m 层和网络层提出了o b s 网络的q o s 机制，仿真结果表明采用本文提出 的组装算法和数据信道调度算法，可以对不同类型的业务特性提供不同的服务，能同时满足 时延，丢报率等多方面的需求。 本论文创新点如下： 1 将传统电路由器的一些关键技术引入到o b s 网络的控制机制中，如采用虚拟输出 队列作为b h p 缓存方式，i s l i p 算法作为b h p 交换结构的仲裁算法，d r r 作为 b h p 队列调度算法，随机早期检测作为拥塞控制算法。 2 用网络仿真工具o p n e t 设计了o b s 的通用仿真平台，为该领域的学者和研究人 员的研究工作提供了方便。作者所在o b s 研究小组利用该平台对o b s 进行研究取 得了显著的成果( 己发表和审稿中的学术文章共5 篇) 。 3 在对o b s 网络的t c p 性能分析中，提出了基于源地址集的组装算法( b s a s ：b a s e d o nt h es o u r c ea d d r e s s e ss e t s ) 和a c k 优先调度算法。仿真结果表明，采用这些算 法，可以降低端到端的时延，避免全局同步现象，提高网络的吞吐率。 4 目前的q o s 机制大多仅仅将业务简单的分为高低优先级，采用高优先级低丢包率， 低优先级高丢包率的简单q o s 机制，而没有考虑具体业务的需求。本文提出了一 种基于业务分类的q o s 机制，为不同的业务分配不同b u r s t 组装时间，偏移时间， 以及数据信道调度中所占的信道数目和所用f d l 的数目，能同时满足时延和阻塞 率等多方面的要求。采用这种方案，可以为不同的业务实现良好q o s 性能。 关键词：光网络i po v e rw d m 光突发交换b u r s t 组装算法数据信道调度o p n e tt c p q o s 垒! ! 塑生 一一 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h es c a l eo f t h ei n t e r n e te n l a r g e sr a p i d l y , a n dt h ed e m a n df o rn e t w o r kw i d t hh a s b e e n s c a l i n gu p t oa 工lu n b e l i e v a b l ed e g r e e d r a m a t i c a l l yi n c r e a s e da m o u n to f t h ew o d d 、v i d ew e b u s e r sh a v eb r o u g h tm o r ei n f o r m a t i o ns e r v e r so n l i n e f u r t h e r m o r e ，t h et y p e so ft h en e t w o r k s e r v i c e sh a v eb e e n l a r g e l yi n c r e a s e d ，a n d t h ep r o p o r t i o no fm u l t i m e d i at e c h n o l o g i e si n t e g r a t e db y v i d e oa n da u d i ob e c o m e sl a r g e r a i lt h e s er e a s o n sh a v em a d et h ei n t e m e tt r a f f i ci n c r e a s e4t i m e s p e ry e a r , a n d t h ed e m a n df o rn e t w o r kw i d t hb e c o m e sm o r eu r g e n tt h a ne v e l t h ea d v a n c e si nd 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 ( d w d m ) t e c h n o l o g yh a v em a d ei t p o s s i b l e t o e x p l o i t t h eh u g ep o t e n t i a lb a n d w i d t ho fo p t i c m f i b e r s c u r r e n t l y , t h ed w d m t e c h n o l o g yc a l la l r e a d ya c h i e v e1 6 0w a v e l e n g t h sp e rf i b e r 、析t lt o t a lt r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo f u p t o 1 6t b s w i t ht h ed e p l o y m e n to fd w d m t e c h n o l o g yi ne x i s t i n go p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k st o m e e tt h eb a n d w i d t hr e q u i r e m e n to fi n t e r a c tt r a f f i c ，t h er e u t e r sa r el i k e l yt ob et h eb o t t l e n e c ko f f u t u r ei n t e m e tb a c k b o n e s t h ep a s ts e v e r a ly e a r sh a v es e e ng r e a te f f o r t si nb u i l d i n gh a r d w a r e - b a s e d h i g h s p e e d e l e c t r o n i c1 pt o u t e r s i pt o u t e r s1 v i 廿1 c a p a c i t yu pt o af e wh u n d r e d 酉g a b i t sp e rs e c o n da r e a v a i l a b l en o w h o w e v e r , t h e r ei ss t i i ias e r i o u sm i s m a t c hb e t w c e nt r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo fw d m f i b e r sa n dt h es w i t c h i n gc a p a c i t yo fe l e c t r o n i ci pt o u t e r s ac u r r e n ti pr o u t e ru s e sac r o s s b a r s w i t c ho rs h a r e dm e m o r ya r c h i t e c t u r ea ti t sb a c k p l a n e t ob u i l dal a r g ei pr o u t e rw i t hc a p a c i t y b e y o n d1 眦m u l t i s t a g ei n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r ka r c h i t e c t u r e sa l w a y sb eu s e d h o w e v e r , i nt h e a p p r o a c h e s t h el i n ec a r d sw i t ht y p i c a l l yp r o v i d es o n e t ，s d h o rg i g a b i te t h e m e ti n t e r f a c e sa n d p a c k e tf o r w a r d i n gf u n c t i o nw i l li n c r e a s i n g l yb e c o m ead o m i n a n tf a c t o ri nt h et o t a lc o s to ft h e r o u t e ra st h er o u t e rs i z ei n c r e a s e s w i 血i pa st h ed o m i n a n tt r a 仿ci nt h en e t w o r k ，t h et r a d i t i o n a ll a y e r e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r ei s n o l o n g e ra d a p t e dt o t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e m e t w en e e dt o d e s i g n an e wn e t w o r k a r c h i t e c t u r e t o m e e t t h e b a n d w i d t h r e q u i r e m e n to f i n t e r a c t t r a f s c i p o v e r w d m i sc o n s i d e r e d a sa p r o m i s s i n gs o l u t i o nf o rt h en e x tg e n e r a t i o ni n t e r a c ts i n c ei th a v ef e w e ri n t e r m e d i a t el a y e r sa n d c a nv o i ds o m e f u n c t i o n a l i t yr e d u n d a n c y i nt h ei n t e r m e d i a t el a y e r sl i k es o n e t s d h t h e o p t i c a l r o u t e r sc a nm a k eb e t t e ru s eo ft h ea d v a n c e do p t i c a l t e c h n o l o g i e sa n dh a v em o r es w i t c h i n g c a p a c i t yt h a ne l e c t r o n i cr e u t e r s t o d a yt h e r ea r es i l ls o m ed i f f i c u l t i e si nr e a l i z i n ga l lo p t i c a ln e t w o r k t h eo p t i c a lr a mi s o n g o i n gr e s e a r c hn o w , a n ds o m et e c h n o l o g i e s a n ds t a n d a r d sh a v et ob e d e s i g n e d s o t h e p r o c e s s i n go fi pp a c k e t si nt h eo p t i c a ld o m a i ni ss t i l ln o ty e tp r a t i c a l ，t h eo p t i c a lr o u t e rc o n t r o l s y s t e mi si m p l e m e n t e de l e c t r o n i c a l l y s ow ea r em o s t l ys t u d y i n gt h es e m i t r a n s p a r e n to p t i c a l t r a n s p o r tn e t w o r k sn o w d a y s no p t i c a lt r a n s p r o tn e t w o r k s ，t h ec o n t r o lm e s s a g e sa r ep r o c e s s e di n e l e c t r o n i c a l l y , a n dt h ed a t e sa r ep r o p a g a t e di nt h eh i g h s p e e dt r a n s p a r e n td a t ac h a n n e l s t h e r ea r e t h r e ep o s s i b l es o l u t i o no fo p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ：w r ( w a v e l e n g t hr o u t i n g ) ，o p s ( o p t i c a l p a c k e ts w i t c h la n do b s f o p t i c a lb u r s ts w i t c h ) o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h ) i sr e f e r e dt os o m et e c h n o l o g yw h e r es e v e r a li pp a c k e t sw i t ht h e s a l t l ed e s t i n a t i o na n ds o m ec o n l n q o na t t r i b u t e sl i k eq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) a r ea s s e m b l e di n t oa b u r s ta n da r ef o r w a r d e dt h r o u g ht h en e t w o r ka so n ee n t i t y o b si s c o n s i d e r e da st h em o s t p r o m i s i n gs o l u t i o no f o p t c i a lt r a n s p o r tn e t w o r k b e c a u s ew h e n c o m p a r e d w i t l lw ra n do p s i th a s am i d d i es w i t c h i n gu n i ta n dc o m b i n e st h e i rm e r i ta n da v o i d t h e i rt h e i rd e f e c t 些! 坚盟一 1 1 1t h ei m p o r t a n tn a t u r a ls c i e n c eo f f o u n d a t i o no f c h m ap r o j e c t “t h ca r c h i t e c t u r e ，p r o t o c o l m o d e l m e c h a n i s mo f f u t u r en e t w o r k ”，i mr e s p o n s i b l ef o r 也er e s e a r c ho f o b s d e p e n d i n g o n m y r i c he x p e r i e n c eo nn e t w o r kf r o ma n o t h e rp r o j e c t 啊i 曲一s p e e de d g er o u t e rp r o j e c tl i s t e di n t h e9 “n a t i o n a lf i v e - y e a rp l a n ) ”iu n d e r t a k e ni nm ym a s t e rp e r i o d ih a v ei n v e s t i g a t e dt h ek e y t e c h n i q u e so fo b s ，d e s i g nas i m u l a t i o np l a t f o r mi no p n e t a n ds i m u l a t e ds o r t i ek e ya l g o r i t h m s w h i c hw e p r o p o s e di nt h i sp a p e r i nt h ec h a p t e rlo ft h i sp a p e r , w ef i r s ti l l u s t r a t e dt h ee v o l u t i o ni nt h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a l n e t w o r k ，t h e l ld e s c r i b et h ee v o l u t i o no f a r c h i t e c t u r ei po v e rw d m i nc h a p t e r2 ，w ee x p l a i nt h r e e s o l u t i o no f o p t i c a lt r a n s p o r tn e w o r ka n dk e yt e c h n o l o g i e s w ec a l ld r a wt h ec o n c l u s i o nt h eo b s i s t h em o s tp r o r n i s i n gs o l u t i o na f t e rw ec o m p w e dt h e s et h r e es o l u t i o n e s i nc h a p t e r3 w ed e s c r i b ea n da n a l y z et h ek e yt e c h n o l o g i e so fo b s ，s u c ha ss i g n a l i n g ，b u r s t a s s e m b l ya l g o r i t h m ，d e s i g na n da r b i t r a t i n go fs w i t c h i n ga r c h i t e c t u r e ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，s o l u t i o n f o rd a t ac h a n n e lc o m p e t i t i o n i nc h a p t e r4 ，w ed e s i g nas i m u l a t i o np l a t f o r mu s i n go p n e t h a c h a p t e r5 ，w es i m u l a t e dt h ep e r f o r m a n c e o fo b si no u rs i m u l a t i o n p l a t f o r i l l f i r s t l y ，w e a n a l y s i z e dt h ei n f l u e n c eo f t h eo b s o ni n t e r a c tt r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c s e c o n d l y , w ea n a l y s i z e dt h e t h et c p p e r f o r m a n c eo fo b s a n dp r o p o s e dab u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mb a s e do nt h es o u r c e a d d r e s s e ss e t sa n da na c k p r i o rd a t as c h e d u l i n ga l g o r i t h n lt h es i m u l a t i o nr e s u l t e sp r o v e do n r a l g o r i t h m sc a nm j n i z et h ee n d - t o - e n dd e l a ya n dt h eb u r s tl o s sp r o b a b i l i t ya n da v o i dt h eg l o b a i s y n c h r o n i z a t i o n l a s t w ep r o p o s e da l la r c h i t e c t u r et os u p p o r tq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) h 1t h e p r o p o s e da r c h i t e c t u r e w ec h o o s ed i t i e r e n tp a r a m e t e r sf o rd i f i e r e n tt r a 佑ct y p e s s i m u l a t i o nr e s u l t s d e m o n s t r a t et i l a tt i l i sa r c h i t e c t u r eh a sb e r e rq o sp e r f o r m a n c et h a ne x i s t i n ga r c h i t e c t u r ea n dc a n m e e tt h er e q u i r e m e n to f d e l a ya n db l o c k i n gp r o b a b i l l t ya tt h es a m et i m e k e y w o r d s ：i po v e rw d m b u r s t a s s e m b l ya l g o r i t h m o p n e tt c p q o s o p t i c a lb u r s ts w i t c h d a t ac h a n n e ls c h e d u l ea l g o r i t h m 垦型兰垫查查兰堡主兰垡堡壅兰坐 第一章绪论 1 1i n t e r n e t 发展概况 近年来，随着通信技术与计算机技术的飞速发展，i n t e m e t 规模不断扩大，i n t e m e tj a n 的主机数、上网的人数都在飞速增长。图1 - 1 给出的是从1 9 9 1 年到2 0 0 1 年i n t e m e t 入网主 机数的增长曲线 1 】 2 ，预计到2 0 0 5 年间，入网主机总数将达到1 , 0 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 刽3 】，表1 - 1 和图1 _ 2 给出了在线用户数统计【4 】【5 】，预计到2 0 0 5 年，在线用户总数也可以达到 1 , 0 0 0 0 0 0 ，0 0 0 人。在入网主机数和上网人数增长的同时，i n t e m e t 的网站数量也在上升( 图 1 - 3 ) f 5 1 ，到2 0 0 1 年3 月，商业网站( 仅c o r n ) 已经达到3 6 ，3 5 2 ，2 4 3 个【6 1 。主机数、上网 人数以及网站数目的增长使得i n t e m e t 的流量以每年4 倍的速度递增 1 7 1 1 8 】( 图l - 4 ) ，预 计到2 0 0 5 年，骨干节点的流量可以达到1 0 0 t b p s 。 图1 11 9 9 1 年到2 0 0 1 年i n t e m e t 主机数增长曲线 1 ( 单位：百万) 图i - 2i n t e m e t 全球在线用户数变化趋势 5 份 1 日期( 年月) 2 0 0 1 8 2 0 0 0 8 1 9 9 9 8 1 9 9 8 9 1 9 9 7 1 1 1 9 9 6 1 2 1 9 9 5 1 2 1 在线人数 5 1 3 4 13 6 8 5 4 1 9 5 1 91 4 77 6 3 6 1 6 ( 百万) 表1 - 1 i n t e m e t 全球在线用户数统计【4 】 加蚰趵。 主曼型兰垫查查堂堡主堂堡堕兰一筻兰生j ! ! 鱼 图i - 3 i n t e m e tw e b 站点增长趋势 5 】 图1 4 美国i n t e m e t 流量趋势图 在i n t e r a c t 的规模飞速增长的同时，业务种类也越来越多，由数据通信、e - m a i l 、w w w 业务向集音频、视频数据为一体的多媒体方向发展。 1 2 光网络的发展 随着i n t e r n e t 的发展，过去常用的通信媒介，如电缆、同轴线、双绞线等无法满足海量 信息传输的需求，光纤由于巨大的潜在容量成为目前的主流通信媒介。在各种光网络实现方 案中，波分复用( w d m ：w a v e l e n g t h d i v i s i o n m 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i p 流量，典型的w d m 系统有4 或者1 6 个信道，如果超过 2 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 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 ) 。 系统描述 光纤容量时间 ( 波长数x 单路容量) 8 x 2 5g b s2 0 g b s1 9 9 6 1 6 x 2 5g b s4 0 g b s1 9 9 7 3 2 x 2 5g b s8 0 g b s1 9 9 9 8 0 x 2 5g b s2 0 0 g b s2 0 0 0 4 0 x 1 0g b s4 0 0 g b sm i d t o l a t e2 0 0 0 1 6 0 x 2 5g b s4 0 0 ( 、b ，sm i d t o l a t e2 0 0 0 8 0 x 1 0g b ，s8 0 0 g b s l a t e2 0 0 l 1 6 0 x 1 0g b s1 6 t b ，sl a t e2 0 0 2 4 0 x 4 0g b s1 6 t b ，s l a t e2 0 0 2 8 0 x 4 0g b s3 2 t b ，sl a t e2 0 0 3t oe a r l y2 0 0 4 1 0 0 x 4 0g b s4 t b s2 0 0 5 1 6 0 x 4 0g b ，s6 4 t b s 2 0 0 7 表1 - 2 光纤容量发展趋势 6 3 】 光纤传输技术的发展这样迅速( 如表1 - 2 所示) ，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趋势。例如目前的高 速传输网络中，如果网络节点处仍然采用原有的设备，以电信号处理信息的速度进行交换、 分插复用和交叉连接，网络节点将变得庞大而复杂，而且受到“电子瓶颈”的限制。随着 i p 业务在网络上越来越占主导地位，传统的分层结构已经不再适应网络的发展，需要重新 设计整个网络结构来满足i n t e m e t 增长对带宽的需求。 图1 - 5 光网络结构的发展趋势 ( 1 ) i p o v e r a t m o v e r s o n e t o v e r w d m i po v e r a t m o v e r s o n e t o v e r w d m ( 图1 - 5a ) 为光网络的典型结构：口层作为网络层， 把a t m 层当作自己的链路层，而a t m , 层5 f 1 2s d h 层当作自己的链路层。s d h 层向端节点 提供连接功能，保护功能，以及比特流成帧功能。w d m 提供物理带宽传送信号。 这种模型的缺点是功能重叠，a t m 、s d h 和w d m 均拥有各自独立的自愈机制，网络 出现故障时它们可能同时启动，从而引发资源竞争分层结构在各层都预留资源使得网络资 3 里型堂垫查查兰堡主堂垡笙奎一篓二皇! ! 鱼 源利用率很低，同时网络层数增多也会使设备成本大大增加。 ( 2 ) i po v e r a t m i po v e r a t m ( 图1 - 5b ) 简化去了s d h 层，保留了a t m 层。a t m 的信道统计复用功能 使其支持多业务传输，因此能够将不同的通信网路融为一体。a t m 网袁持恒定比特率c b r 、 可变化特率v b r 、可用比特率a b r 、非限定比特率u b r 等不同的服务类型，a t m 标准定 义了各种质量描述参数，如信元传输时延c t d 、信元丢失比率c l r 、信元错误比率c e r 等 以满足不同业务对信道质量( q o s ) 的要求，i p 与a t m 的结合可以为视频业务和宽带多媒体 应用提供良好的q o s 。另外a t m 建立虚连接的传输方式可以将i p 包以直通方式传输，有效 地解决了路由器的瓶颈问题，并提高了传输的可靠性。a t m 技术具有完备的标准和手段进 行流量控制，使网络资源得到充分利用。 a t m 技术的优势在于丰富的q o s 级别和精细的拥塞控制功能，但是当传输信道容量很 大的时候，链路出现拥塞的概率极小，端到端的q o s 和复杂的拥塞控制可能并不是必要的。 而且在考虑1 p 分组长度可变的情况下，a t m 封装机制加在i p 分组上的平均开销大约为2 5 ， 这对很多i s p 来说是难以接受的。另外，处理分组需要经过多层封装和拆分还会带来较大的 时延。 ( 3 ) i p o v e r s d h i po v e r s d h ( 图1 5c ) 简化去了a t m 层，保留了s d h 层。s d h 网的主要特点是同步 复用，并具有标准光接口处强大的网管功能。i po v e rs d h 以s d h 网络作为i p 包的物理传输 网，通过将i p 包插入p p p 帧的信息段，然后再由s d h 适配像进s d h 的净荷中。s d h 复用 结构中定义的接口容器c 和虚容器vc 使其即可以兼容各种速率的准同步数字信号，也能容 纳象光纤分布式资料接口( f d d i ) 信号、分布排队双总线( d q d b ) 信号、a t m 信元等新 业务信号，因此s d h 可以支持多种电路层业务。s d h 帧结构中安排了丰富的开销比特，因 而使网络的管理与维护能力大大加强。另外网络的同步分插能力可以实现自愈环形结构，可 使电路出现故障时，业务在几十毫秒内迅速恢复，因此s d h 网具有很强的生存力。 但是口o v e rs d h 技术的网络拥塞控制能力较弱，不能提供良好的质量保证。且s d h 链路带宽是独占不能共享的，虽然网络安全性很高，但是降低了链路的利用率。另外， s o n e t s d h 在提供可靠传输和快速恢复能力的同时也增加了设备的复杂度，同时带来了网 络管理上的复杂度。在将来的网络上，采用先进的链路管理协议和控制面技术，可以由网络 层来完成保护和恢复功能。s d h s o n e t 技术更适合传输恒定速率的业务流，而对有突发特 性的i n t e m e t 业务流并不能很好进行处理。 “) i p o v e r w d m i po v e rw d m ( 图1 - 5d ) 也就是所说的光因特网，它可以直接在光层传输i p 分组，中 间不经过a t m 层和s o n e t s d h 层，是一个真正链路层数据网，可以充分利用光纤的带宽 资源。i po v e rw d m 由于没有中间层，被认为是下一代i n t e m e t 的最有前途的解决方案。 l3 工po v e rw d m i po v e rw d m 系统中，各个节点均装有光交叉连接设备( o x c ：o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ) 或光分插复用器件( 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 s ) 设备，从而可以实现直通光路， 减轻路由器的处理负担。通过适当配置o x c 的交叉连接状态，任何一个路由器均可与网内 任何其他路由器的任何端口相连，从而实现路由器之间相邻关系的任意配置。 毒 ! 旦型兰垫查查堂堡主堂些笙苎童= 皇! i 鱼 i p 网络和光网络的控制平面的结合可以是松散的，也可以是紧密的，根据i p 层与w d m 层之间的相互作用关系，这类系统可分为三种模型 1 0 】。 ( 1 ) 重叠模型( t h eo v e r l a ym o d e l ) 图1 - 6 重叠模型 重叠模型又称为客户朋务器模型( 图1 。6 ) ，即i p 层与w d m 层为客户月务器关系。i p 层与w d m 层各自具有相互独立的控制面，彼此不交换任何路由信息。w d m 层可以采用传 统电信风格的控制和管理方案。对于i p 层来说，w d m 光网络是为其提供电路交换型光信 道的一个黑匣子。在这种模型下，i p 网络的路由，拓扑分发和信令协议与光网络的相应协 议是独立的。重叠模型类似于传统的i p o v e r a t m ，不过是直接应用于光子网上面。 在重叠模型中，光域和电域使用不同的控制平面，两个控制平面相互独立，这种分割方 式可以最大限度地实现光域和i p 域的控制分离。两个域之间的互联和协调可以通过静态配 置实现，但是静态配鼍不利于网络的扩展。该方案与传统的i po v e r a t m 在概念上是类似的， 即光网络只是为客户层提供点到点的光信道，两者之间的控制交互很少。 重叠互联模型一般采用重叠路由机制。光网络有一个注册服务器，它允许边缘路由器注 册它们的i p 地址和虚拟专用光网络( v p o n ) 标识符。当有数据到达时，边缘路由器通过 查询其所属v p o n 标识符，得到o x c 的出口端口地址。 由于光接口数量有限，因此需要用流量工程来管理网络需要决定在哪些节点间建立光信 道。当光信道建立以后，节点可以作为v p o n 内的邻接关系，运行v p o n 内的路由协议， 如o s p f 。使用这种方法，一个边缘路由器可以先通过查询注册服务器来确定其相邻的边缘 路由器地址，形成了初始的重叠光信道拓扑，同时建立了路由邻接关系，通过进一步的路由 信息交换就可以建立整个v p o n 的路由。 重叠模型的优点是简单容易在短期内实现；缺点是需要在光网络上建立和管理i p 路由 相邻关系。 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 对等模型( t h ep e e rm o d e l ) 图1 7 对等模型 在对等模型( 图1 7 ) 中，i p 路由器可以看作是o x c 的对等实体，即将i p 网络和光网 络看作是一个集成的网络。因此在光域和域运行同样的控制平面进程，实行相同的管理 和流量工程。从控制的角度看，o x c 与路由器没有什么区别，也就是说路由器与路由器之 间，o x c 与o x c 之间以及o x c 与路由器之间接口完全相同。 i p 网络和光网络运行同样路由协议，如带有光域扩展的o s p f i n 。这些扩展必须包括 光链路参数以及与光网络相关的约束条件。所有节点( o x c 和路由器) 维护相同的拓扑和 链路状态信息。这就允许任何一个路由器在整个网络中计算到另外一个路由器的端到端信 道。图1 7 显示了一个用o s p f 进行路由的例子，路由器维护一幅整个网络( 包括i p 域和 光域) 拓扑结构图，根据这个拓扑图能计算从源端到目的端的整条路由。如路由器r 1 能计 算出到r 5 的路由r 1 一r 2 r 3 0 3 0 2 r