（通信与信息系统专业论文）hylabs混合光交换网络的优化设计.pdf

摘要 摘要 混合光交换技术结合波长交换和数据报文交换的优势，同时克服了它们各自 的缺点，被认为是下代光网络的有效组网技术。为了结合波长交换技术o c s 和 光突发交换技术o b s 的优势，并灵活有效的支持各类业务，我们提出了 h y l a b s ( h y b r i dl i g h t p a t ha n db u r s ts w i t c h i n g ) 混合光交换组网方案，并对 h y l a b s 网络进行优化设计。 第二章主要研究h y l a b s 网络的拓扑设计、路由设计以及容量设计。在拓扑 设计方面，采用启发式虚拓扑建立算法构建o c s 层虚拓扑，并将o b s 层虚拓扑设 计问题转换为o b s 层的优化路由问题。为了优化h y l a b s 网络中的o b s 层流量， 提出了两种优化路由算法，基于负载平衡的优化路由算法和基于最短路径的优化 路由算法，仿真结果显示，前者在网络的丢包率方面优于后者。在容量设计方面， 分别对o c s 层和o b s 层进行了无上限容量设计，并给出了相应的优化模型。 第三章主要研究h y l a b s 网络的统一控制平面技术。通过扩展现有g m p l s 协议，h y l a b s 网络可以无缝的支持不同的信令方案、交换方案和资源预留方案， 简化了原有h y l a b s 网络的控制平面结构，降低了网络的控制复杂度。随后详细 讨论了基于g m p l s 技术的h y l a b s 网络结构、边缘节点结构和核心节点结构以 及协议实现。 第四章提出了适用于h y l a b s 网络的两种混合光交换结构，并联型混合光交 换结构和级联型混合光交换结构。在两种混合光交换结构中，通过有效的配置低 速交换模块和高速交换模块的使用比例，混合光交换结构可获得较高的可接受率。 随后对混合光交换结构进行了成本估计，估计结果显示，与使用单一交换结构相 比较，使用混合光交换结构可以有效减小网络的构建成本。 第五章介绍了h y l a b s 网络仿真平台。第六章对全文进行总结。 关键词：混合光交换，优化设计，扩展g m p l s ，交换结构 a b s t r a c t a b s t r a c t t oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n go fw a v e l e n g t hs w i t c h i n ga n dp a c k e ts w i t c h i n g ，h y b r i d o p t i c a ls w i t c h i n gi sp r o p o s e dt oc o m b i n et h e m t oo b t a i n t h ea d v a n t a g e so fb o t h s w i t c h i n gp a r a d i g m s ，i e ，o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) a n do p t i c a lb u r s t p a c k e t s w i t c h i n g ( o b s o p s ) w ep r o p o s eh y b r i dl i g h t p a t ha n db u r s ts w i t c h i n g ( h y l a b s ) t os u p p o r ta l lk i n d so fs e r v i c e sf l e x i b l ya n de f f i c i e n t l y i nc h a p t e r2 ，v i r t u a lt o p o l o g yd e s i g n ，r o u t i n gd e s i g na n dc a p a c i t yd e s i g nf o r h y l a b si ss t u d i e d h e u r i s t i cl o g i c a lt o p o l o g yd e s i g na l g o r i t h m ( h l d a ) i su s e dt o c o n s t r u c tt h ev i r t u a lt o p o l o g yo fo c s p a r to fh y l a b s t oo p t i m i z et h et r a f f i ci no b s p a r to fh y l a b s ，o p t i m i z e ds h o r t e s tp a t ha l g o r i t h m ( o s p a ) a n do p t i m i z e dl o a d b a l a n c ea l g o r i t h m ( o l b a ) a r ep r o p o s e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wo l b ah a sl o w e r p a c k e tl o s sp r o b a b i l i t yt h a no s p a f i n a l l y , w ei n t r o d u c eu n c a p a c i t a t e dd e s i g no f h y l a b sa 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 u n i f i e dc o n t r o lp l a n ei sc r i t i c a lt ot h es u c c e s so fh y l a b s ag m p l su n i f i e d c o n t r o lp l a n ef o rh y l a b si sg i v e ni nc h a p t e r3 t h er e l a t e df u n c t i o n a lb l o c k sf o re d g e n o d e sa n dc o r en o d e sa r eg i v e ni nd e t a i l s t h r o u g he x t e n d i n gg m p l sp r o t o c o l ， h y l a b sc o u l di n t e g r a t ed i f f e r e n ts i g n a l i n g ，s w i t c h i n g ，a n d r e s e r v a t i o ns c h e m e s s e a m l e s s l y t h em a i nf e a t u r e so fh y l a b s ，a l o n gw i t hi t sb e n e f i t sa sw e l la sd e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o nc h a l l e n g e s ，a r ea l s od e s c r i b e d i nc h a p t e r4 ，t w oh y b r i ds w i t c hf a b r i c sa r eg i v e nt os u p p o r th y l a b s ，i e ，p a r a l l e l h y b r i d s w i t c hf a b r i ca n dc a s c a d eh y b r i ds w i t c hf a b r i c i n0 1 1 i f a b r i c s ，h i 曲s p e e d s w i t c h i n gf a b r i ca n dl o ws p e e do n ea r ec o n n e c t e de f f i c i e n t l y , w h i c hc o u l dr e d u c et h e s i z e o fh i 曲s p e e ds w i t c h i n gf a b r i cw i t hs a t i s f yp r o b a b i l i t yo fa c c e p t a n c e t h e s i m u l a t i o np l a t f o r mu s e di nt h i st h e s i si sb r i e f l yi n t r o d u c t i o ni nc h a p t e r5 t h el a s t c h a p t e rc o n c l u d e s t h i st h e s i s k e y w o r d s ：h y b r i dl i g h t p a t ha n db u r s ts w i t c h i n g ，o p t i m i z a t i o n ，e x t e n d i n gg m p l s ， s w i t c hf a b r i c 图表目录 图表目录 图1 1 主从型混合光交换示意图2 图1 。2 平行型混合光交换示意图3 图1 3 集成型混合光交换示意图4 图1 4h y l a b s 网络结构示意图5 图1 5h y l a b s 边缘节点的功能示意图5 图1 - 6h y l a b s 网络传输机制示意图6 图1 7g m p l s 网络基本模型图9 图2 1 网络设计问题的步骤1 1 图2 2l = 4 、w = 8 时线性分段函数与原始代价函数逼近示意图1 8 图2 3n s f n e t 拓扑图19 图2 4a = 4 2o s p a 与o l b a 丢包率比较2 1 图2 5a = 8 4o s p a 与o l b a 丢包率比较2 1 图2 6a = 1 2 6o s p a 与o l b a 丢包率比较2 1 图2 7a = i5 0o s p a 与o l b a 丢包率比较2 1 图2 7 仿真网络拓扑图2 5 图2 8o c s 层所需波长数量2 6 图2 - 9o b s 层所需波长数量2 6 图3 3 分级l s p 示意图2 9 图3 4g h y l a b s 网络结构示意图3 1 图3 5g h y l a b s 网络服务、数据、控制示意图3 3 图3 - 6g h y l a b s 网络边缘节点3 4 图3 7g h y l a b s 网络核心节点3 5 图3 。8g h y l a b s 控制信息格式以及调度方法3 6 图4 1 交换效率4 0 图4 2 并联型混合光交换结构示意图4 1 图4 3 简单调度算法4 2 图4 _ 4 贪婪调度算法4 2 图4 5 高低速业务比例14 4 3 v l 图表目录 图4 。6 高低速业务比例1 ：1 4 3 图4 7 高低速业务比例4 ：1 4 4 图4 8 高低速端口比例1 ：4 4 4 图4 9 高低速端口比例l ：1 4 4 图4 1 0 高低速端口比例4 ：1 4 4 图4 1 1 级联型混合光交换结构示意图4 5 图4 1 2 仿真网络拓扑图4 8 图4 1 3 最小化网络成本4 9 图4 1 4 最大节点代价时的网络总成本4 9 图5 1p o s s i o n 源进程5 2 图5 4 边缘节点模型5 3 图5 5 路由进程5 4 图5 - 6 突发汇聚进程5 5 图5 7 突发调度进程5 6 图5 8 核心节点5 7 图5 - 9 核心节点进程5 7 表1 1 主从型、平行型、集成型混合光交换比较4 表2 1 业务量矩阵( a = 4 2 ) 1 9 表2 2 业务量矩阵( a = 8 4 ) 2 0 表2 3 业务量矩阵( a = 12 6 ) 2 0 表2 4 业务量矩阵( a = 15 0 ) 2 0 表2 5 链路波长需求表( o s p a v so l b a ) 2 2 表2 - 6a 为不同值时业务量对应关系2 5 表4 1 目标函数为式( 4 7 ) 时i l p 模型复杂度比较4 8 表4 2 目标函数为式( 4 8 ) 时i l p 模型复杂度比较4 8 v i i 缩略语表 a t m f e c f s c g m p l s h l d a h y l a b s i e t f i l p i p l d p l e r l i b l m p l s c l s p m e m s m p l s o b s o c s o p s o s p f o x c p s c q o s 缩略语表 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s f i b e r - s w i t c hc a p a b l e 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 h e u r i s t i cl o g i c a lt o p o l o g yd e s i g na l g o r i t h m h y b r i dl i g h tp a t ha n d b u r s ts w i t c h i n g i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g i n t e m e tp r o t o c o l l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 l a b e le d g er o u t e r l a b e li n f o r m a t i o nb a s e l i n km a n a g e m e n tp r o t o c o l l a m b d as w i t c hc a p a b l e l a b e ls w i t c h e dp a t h s m i c r oe l e c t r om e c h a n i c a ls y s t e m s m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g 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 lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t o p t i c a lc r o s sc o n n e c t p a c k e t s w i t c hc a p a b l e q u a l i t yo fs e r v i c e v i i i 异步传输模式 转发等价类 光纤交换能力 通用多协议标记交换 启发式虚拓扑设计算法 混合光交换 i m e m e t 工程任务组 整数线性规划 网际协议 标签分发协议 标签边缘路由器 标签数据库 链路管理协议 波长交换能力 标签交换路径 微电子机械系统 多协议标记交换 光突发交换 光电路交换 光分组交换 开放式最短路优先 光交叉连接 分组交换能力 服务质量 缩略语表 r s v p 月昕4 s d h s o a t d m t d m c t e w d m w r 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 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 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 s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e xc a p a b l e t r a f f i ce n g i n e e r i n g 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 g 资源预留协议 路由和波长分配 同步数字体系 半导体光放大器 时分复用 时分复用交换能力 流量工程 波分复用 波长路由 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。 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： 导师签名：i 垒兰奎 日期：、”芍月7 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 波分复用技术( 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 ) 1 】的出现满足了人们对网络带 宽资源日益增长的需求，在此基础上出现了三种基本光交换技术：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 ) 、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 ) 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 ) 【2 - 3 1 。 光电路交换也称为波长路由交换( w a v e l e n g t hr o u t i n gs w i t c h i n g ) ，目前该技 术比较成熟，并已得到广泛使用。光电路交换通过在源目的节点对之间建立的光 路进行业务的端到端透明传输，从而克服了传统光网络中光电光转换瓶颈，提高 了网络的交换效率。光电路交换的缺点在于光路不能统计复用，即属于特定源目 的节点对之间的光路不能被其它源目的节点对之间的业务使用。而且在传输突发 性较强的业务时，若使用动态光路建立方法，业务的突发变化会导致光路的建立 和拆除过于频繁，进一步导致网络的开销增加，因此，光电路交换不适合传输突 发性较强的业务。 光分组交换以分组为交换单元，和传统电分组交换网络类似，光分组交换采 用存储转发技术，配合光域同步技术和光域存储技术，能够实现真正的光域交换， 而且由于光分组交换采用逐跳转发的方式进行数据传输，因此链路上的资源可以 进行统计复用，从而获得很高的带宽利用率。但是，光分组交换在实现上存在若 干难点，许多关键技术的突破有待于光器件技术的成熟。到目前为止，光分组交 换技术仍未进入实用化阶段。 光突发交换融合光电路交换和光分组交换的优点，近年来受到了广泛关注， 被认为是下一代光网络的核心交换技术之。光突发交换采用汇聚技术、数据与 控制分离以及单向信令资源预约等技术，能够有效的传输突发性较强的业务。与 光电路交换比较，光突发交换的交换粒度为突发包，小于光电路交换的交换粒度 波长，因此可以获得较高的带宽资源利用率；与光分组交换比较，光突发交换的 交换粒度大于光分组交换，因此对光器件的要求较低，减小了网络的开销。然而 由于目前缺乏光随机存储器，而且光纤延迟线的存储作用十分有限，光突发交换 电子科技大学硕士学位论文 节点不能有效的存储光突发包，导致突发包丢失率高，从而p 包丢失率高。而且 突发包在边缘节点进行突发汇聚，并延迟一定时间发送，从而导致分组的时延相 对较大。 近年来，研究者们为了结合各种交换技术的优点，同时避免它们的缺陷，提 出了“混合光交换”概念。 1 2 混合光交换 首先定义“混合光交换” 4 1 如下：“如果一个光网络结构同时包括两种或两种以 上基本网络技术，这种网络结构就被称为混合。”这里所指的基本光交换技术为 o c s 、o b s 和o p s 。根据这三种基本交换技术的交叠程度，可以将混合光交换网 络分为主从型、平行型和集成型三大类，下面将详细阐述这三类混合光交换网络， 并在表1 中对这三类混合光交换进行了总结。 1 2 1 主从型混合光交换 g a u g e r 提出的基于虚拓扑的o b s 混和交换模型o b t n t 5 8 】( o p t i c a lb u r s t t r a n s p o r tn e t w o r k ) 是一种具有代表意义的主从型混合光交换网络。如图1 1 所示， 主从型混合交换网络分为服务层和客户层，服务层通常采用光电路交换，使用一 部分波长资源静态或动态地建立光路，每条光路对应一条虚通道，所有的光路就 构成一个虚拓扑。服务层的功能就是为客户层提供一个虚拓扑，而数据的交换都 是在客户层进行的。主从型混合光交换技术本质上依然是o b s o p s 交换，并没有 根据业务的特性灵活的采用适合的交换方式，不可避免的降低了网络的传输效率。 客户层 翁 8 服务层 图1 1 主从型混合光交换示意图 第一案绪论 1 2 2 平行型混合光交换 平行混合光交换网络【9 1 1 】中包含了多个基本光网络，每个基本光网络对应- - , 9 基本光交换技术，它们之间相互独立，平行混合光交换网络如图1 2 所示。边缘节 点根据业务特性对业务进行分类，将属于不同种类的业务送入不同的基本光交换 网络进行交换。由于多种光交换技术是相互独立的，一旦业务由边缘节点进入网 络之后，中间节点将不能根据网络的状态动态的调整业务采用的传输方式，这种 方式极大的降低了平行型混合交换网络的灵活性；另外，由于波长资源可以由不 同的交换技术共享，如何合理的进行资源分配并动态调整资源配置也是实现平行 混合光交换网络的难点所在。 图1 - 2 平行型混合光交换示意图 1 2 3 集成型混合光交换 集成型混合光网络将o p s 、o c s 等不同交换技术进一步集成。在集成型混合 光网络中o p s 和o c s 两种交换技术享有相同的带宽资源。与平行型混合交换相比， 集成型混合交换网络中的每个节点都有o c s 和o p s 能力，并且每个节点都能决定 数据的交换方式。目前的集成型混合光网络有两种，一种是o r i o n ( o v e r s p i l l r o u t i n gi no p t i c a ln e t w o r k ) 1 2 - 1 4 】，另一种是o p m i g u a t l 5 】。集成型混合交换网络通 过对光路中的每个分组都进行标记( 全光标记) ，可以识别光路中的空闲，并进行 全光的插入和提取，因此其光路复用能力是很高的，但是，这种机制的实施对光 层的处理能力是非常具有挑战性的，与之对应的物理层复杂度也很高。集成型混 合光交换网络如图1 3 所示。 电子科技大学硕士学位论文 图1 3 集成型混合光交换示意图 表1 1 中对三种混合光交换进行了总结，表中箭尾到箭头的方向表示对应指标 由低到高、由少到多。 表1 1 主从型、平行型、集成型混合光交换比较 特点资源求技术复杂度控制复杂度 主从型 服务层耋妻言主凳葬由光路 一l 建立的虚拓扑 一 平行型 边缘节点提供不同的交换技术，一旦决 定交换方式，中间节点不可更改 集成型 边缘姜塞纛麓荔要算囊葬萎奋波 、厂、 厂 1 ，r 1 t 1 3h y l a b s 混合光交换网络简介 通过对三种典型混合光交换技术的比较，我们得出以下结论：主从型混合光 交换并没有充分发挥混合交换的优势；平行型混合光交换可以在边缘提供业务分 类的支持，但网内的处理不够灵活；集成型混合光交换具有最好的性能，但实现 难度较大，可实现性差。 基于此，本课题提出了一种新型的混合光交换组网方案h y l a b s ( h y b r i dl i g h t p a t h a n d b u r s ts w i t c h i n g ) ，h y l a b s 属于集成型混合光交换技术的范畴，它有效的 结合了o c s 和o b s 两种交换技术，充分发挥了两种交换技术的优点，同时避免了 各自的缺陷。通过引入静态优化技术和两种交换方式的灵活切换，使得h y l a b s 可以应对业务量突发变化的网络环境，提高网络资源的利用率和网络的健壮性。 不同于现有的集成型混合光交换技术，h y l a b s 采用的是一种全新的o c s 和o b s 集成方式，数据包能够对光路资源进行统计复用，从而提高数据传输的效率，而 且，h y l a b s 对光器件的要求较低，降低了技术复杂度，节约了组网成本。 4 第一章绪论 1 3 1h y l a b s 网络结构及节点功能 h y l a b s 网络将o b s 和o c s 两种交换技术集成到同一网络中，当数据包到达 源边缘节点时，可以通过o c s 或者o b s 传输模式到达目的边缘节点。下面将介绍 h y l a b s 网络的拓扑实现和节点功能。 图1 4 所示为四节点h y l a b s 网络，h y l a b s 节点由o c s 交换模块和o b s 交换模块两部分构成，o c s 模块之间由端到端的光路连接，构成o c s 虚拓扑，用 于进行o c s 交换；o b s 模块之间由点到点的链路连接，构成o b s 拓扑，用于进 行o b s 交换。 口d c s 模块 光路口正常数据 no b s g a 块 物理链路- 溢出数据 。 图1 - 4h y l a b s 网络结构示意图 h y l a b s 工作在两种模式下：正常模式和溢出模式。在正常模式下，业务由 光路承载。当出现业务量起伏导致光路超载时，边缘节点将超载的业务组装成为 突发包采用o b s 方式传输，这也称为溢出模式。 图1 - 5h y l a b s 边缘节点的功能示意图 o b s 信道 静萤 电子科技大学硕士学位论文 图1 5 说明了边缘节点的主要功能。当分组数据到达边缘节点时，首先查找光 路表，若存在到对应目的节点的光路，且对应光路缓存未溢出，则将该数据包放 入光缓存，利用o c s 进行传输。反之，若不存在光路或光路缓存已满，则将该数 据包送入o b s 缓存，并在满足时间门限或长度门限条件时将缓存内的一定数量数 据包汇聚成突发包，并生成突发控制头b h p ，为该突发包预约下一跳资源，修改 b h p 中相应的信息，随后将b h p 信息发送至下一节点。 1 3 2h y l a b s 传输机制 图1 - 6 说明了h y l a b s 两种传输模式的工作过程，网络中有五个节点，有三 条光路，分别为a d ，a e ，d e ，图中白色数据包表示采用正常模式传输的分组包， 灰色数据包表示采用溢出模式传输的突发包。在通信开始时，a e 光路空闲，则a 节点到e 节点的数据包送入a e 光路传输，这种传输方式称为正常模式。假设a e 光路临时超载，相反a d 、d e 两条光路负载很轻，甚至处于空闲状态。在这种网 络环境下，把属于a e 光路的数据包汇聚成突发包，并预约a d 光路资源，若预约 成功，则将突发数据包送入a d 光路传输至d 节点，突发数据包到达d 节点之后， 预约a e 光路资源，若预约成功，则将突发包送入a e 光路传输至目的地节点e 。 这种传输模式称为溢出模式。h y l a b s 通过这两种传输模式的结合，可以有效应 对网络业务量突发变化的环境。另外，与o r i o n 不同的是，h y l a b s 网络在溢出 模式传送过程中，中间节点b 、c 不再需要对溢出数据进行处理，溢出数据包能有 效利用既有光路进行传输。 电域 贫 8 光域 匕 溢出数据 正常数据 图1 6h y l a b s 网络传输机制示意图 1 4 网络优化设计基础 6 第章绪论 随着信息技术的飞速发展，宽带视频、视频点播、v o p 以及网格计算等新型 业务的出现，对骨干网络的带宽的要求越来越高。波分复用技术的出现为满足人 们对网络带宽资源日益增长的需求提供了可能，w d m 技术使得一根光纤上可容纳 上千个波长信道，而且每个波长信道的传输速率已经达到1 0 4 0 g b i t s 。尽管如此， 光网络中还面临着很多问题，例如，资源配置不合理，过配置情况严重，光器件 价格昂贵等，这些问题导致网络构建成本过高。因此，如何高效的利用有限的波 长资源，如何适应新型业务的需求，如何提高网络的性能以及如何降低网络成本 成了网络设计中面临的至关重要的问题。 通常网络设计包括三个步骤：拓扑设计，路由设计和容量设计。本文在后续 章节中将遵循这三个步骤对h y l a b s 网络进行优化设计，由于路由设计比较简单， 下面只对拓扑设计和容量设计这两个方面的内容进行简单介绍。 1 4 1 虚拓扑设计基础 w d m 网络的虚拓扑设计问题已经得到广泛深入的研究，并取得了大量研究成 果【1 昏1 8 1 。虚拓扑也称为逻辑拓扑，由一系列端到端的光路组成。w d m 网络中虚拓 扑设计问题的本质是将光路配置与业务路由分离，从而克服o e o 转化瓶颈，增 加传输效率。但是由于网络资源( 波长资源、发射机、接收机等) 有限，不可能 为每一对业务建立光路，形成全连通的虚拓扑。在构建虚拓扑时需要按照一定的 性能指标进行优化，这些指标包括平均时延、链路负载、网络拥塞等。 虚拓扑设计问题被证明是n p 完全问题【l6 1 ，通常划分为四个子问题，并通过启 发式算法一一求解，最后择优选择结果。本文将在2 2 节详细讨论h y l a b s 网络 的虚拓扑设计问题。 1 4 2 容量设计基础 容量设计问题【1 9 】分为无容量上限设计和有容量上限设计两大类。其中无容量 上限问题是指：给定业务量需求，在满足一系列路由限制、流限制的网络约束条 件下，如何确定资源的使用量以期望网络资源得到经济合理的利用，这类设计问 题通常在网络的长期规划中涉及；有容量上限设计问题是指：给定业务流量需求， 给定网络资源上限，如何在网络链路上合理的分配业务流量以期望获得网络最小 成本或最大增益等目标，这类设计问题通常在网络的短期规划中涉及。在本文2 4 节将对h y l a b s 网络的容量设计问题进行深入讨论。 电子科技大学硕士学位论文 1 5 统一控制平面技术简介 随着网络新型业务的不断涌现，未来网络中的边缘设备势必产生各种数据格 式、各类服务需求的业务，因此为未来网络提供一个综合的、统一的控制平面成 为了一个至关重要的问题。在目前，由m p l s 演化而来的g m p l s 技术可以为提 供w d m 网络统一控制平面。但是由于h y l a b s 网络的新特性，g m p l s 技术不能 直接用于h y l a b s 网络，因此需要对g m p l s 技术进行扩展，这部分内容将在第 三章详细讨论。本节主要介绍与g m p l s 技术相关的背景知识和概念。 多协议标记交换m p l s 2 0 翻】的出现加快了i p 网络中分组的转发速度，并且具 有流量工程( t r a f f i ce n g i n e 耐n g ) 的能力。m p l s 通过预先计算的源目的节点之间的 路径，能够在p 网络中提供面向连接服务。对于m p l s 设备接收到的分组，m p l s 设备使用标签而不是用地址匹配去决定下一跳的出端口，提高了分组的转发速度。 在m p l s 中，采用基于约束的路由技术来实现流量工程和快速重路由，从而满足 各种业务对服务质量的要求。m p l s 协议族包括路由协议和信令协议( r s v p ) 以 及c r l d p 等。 g m p l s 是m p l s 的扩展，为网络提供统一控制平面( 信令控制、路由控制) 。 在m p l s 中，网络由单纯的分组交换节点组成，传输网络被看做是有多条预先配 置好的物理线路组成。与m p l s 不同，g m p l s 可以支持多种交换，包括分组交换、 t d m 交换、波长交换甚至光纤交换。 在传统的传输网络中，采用了四层将结构的交换方式，其中i p 层用于承载业 务；a t m 层用于多种业务的集成，保障不同业务的q o s 需求；s d h 层用于细粒度 的带宽分配，并提供保护机制；w d m 层提供传输带宽。四层结构模式存在着很大 的缺陷：首先，带宽配置过程繁琐，每一层节点的带宽有限，任何一层节点的带 宽瓶颈都可能影响网络性能；其次，带宽颗粒度过多，相邻层次的功能重叠，导 致传输效率低下。g m p l s 技术的出现简化了网络结构，并通过统一控制平面实现 了网络的智能化，i p 网络和传送网络的管理不再独立进行，大大简化了网络管理 的复杂度，提高了网络的效率。 下面介绍与g m p l s 技术密切相关的基本概念，以方便后续章节的深入讨论： 标签( l a b e l ) ：具有固定长度和本地意义的标识符，用来表征f e c 。由于标签 只具有本地意义，因此相同的标签值在不同的l s r 之间可能会有不同的意义。 标签交换路由器( l s r ) ：m p l s 网络中的节点，具有标签交换能力的路由器或 第一章绪论 交换机，包括分组交换节点( p s c ) ，t d m 交换节点，波长交换节点( l s c ) 以及光纤 交换节点( f s c ) ； 标签交换路径( l s p ) ：m p l s 网络中的路径，l s p 可以是传输i p 分组的虚通路， 也可以是t d m 链路，或者波长信道； 标签边缘路由器( l e r ) ：m p l s 网络边缘l s r 。在l s r 的基础上增加了f e c 划分、标签绑定、q o s 保证、流量工程等方面的控制部件，实现对业务分类、分 发标签、去掉标签等功能。 转发等价类( f e c ) ：是一系列具有某些共性的数据流集合( 目的地相同、使用的 转发路径相同、具有相同的服务等级等) ，这些数据在转发的过程具有相同转发策 略，f e c 可以根据目的地址划分，也可以根据业务q o s 需求划分。f e c 只在本地 节点有效，在某个l s r 中属于同一f e c 的两个包，在另外一个l s r 中可能属于 不同的f e c 。 标签分发协议( l d p ) ：m p l s 中的信令协议，负责标签分配、绑定、发布、回 收以及建立l s p 状态。l d p 的最终目的是实现标记交换路径l s p 的建立。 标签信息库( l i b ) ：l s r 节点根据l i b 表转发分组。该表中包括如何转发分组 包，包括了f e c 到l a b e l 的绑定。 链路管理协议( l m p ) ：由于管理和维护相邻节点之间的控制平面和数据平面的 健壮性。主要包括控制信道管理、链路连接性验证、链路关联以及链路故障恢复 等功能。 图1 7 中为g m p l s 网络基本模型。其中l e r 是g m p l s 网络同其它网络交接 的边缘设备，它提供流分类、标签和f e c 映射、标签的剥离等功能，l s r 是g m p l s 网络的核心设备，它通过标签信息库( l i b ) 执行标签交换，具有转发分组和交换分 组的功能，同时也通过标签分发协议将标签的绑定信息通知给相邻的l s r 。 ，c 舟 而 爸 ( 、：! 兰广固 图1 7g m p l s 网络基本模型图 9 电子科技大学硕士学位论文 1 6 本文重点研究的问题以及本文的结构安排 本文的主要工作内容是对h y l a b s 网络的若干关键技术进行研究。包括对 h y l a b s 网络的优化设计、h y l a b s 网络的统一控制平面、h y l a b s 网络的交换 结构等技术进行研究。具体的结构安排如下： 第一章首先简要介绍现有的混合光交换模型以及它们所存在的缺点，在此基 础上引入h y l a b s 混合光交换网络结构，并介绍其节点功能以及传输机制。 第二章研究了h y l a b s 网络设计的三个问题，包括拓扑设计、路由设计以及 容量设计，并在后续章节中分别对三个问题进行了讨论。在拓扑设计方面，将 h y l a b s 网络的拓扑设计问题划分为o c s 拓扑设计和o b s 拓扑设计，并依次进行 了讨论；在路由设计方面，主要对h y l a b s 网络的o b s 层路由进行了研究，通过 引入两种优化路由模型，可以显著的降低网络的总体丢包率；在容量设计方面， 对o c s 层和o b s 层进行了无上限容量设计。 第三章主要讨论基于g m p l s 的h y l a b s 网络构建问题。首先讨论了g m p l s g m p l s 的关键技术，包括标签技术、层次化l s p 技术、路由技术、链路管理技术 等。然后重点讨论了基于g m p l s 的h y l a b s 网络结构的实现细节，包括边缘节 点结构、核心节点结构以及协议实现，最后对本章进行了总结。 第四章主要对h y l a b s 网络的节点交换结构及性能进行了分析。提出两种混 合光交换结构，并联型混合光交换结构和级联型混合光交换结构，并对混合光交 换结构进行了性能仿真；建立了两个i l p 优化模型，用于分析构建各类混合交换 结构的成本，最后对该章进行了总结。 第五章主要介绍h y l a b s 网络仿真平台的设计及其实现过程，包括h y l a b s 网络模型的建立、节点模型的建立以及实现各节点功能的有限状态机模型的设计 等。 第六章总结全文工作。 1 0 第二章h y l a b s 网络的优化设计 2 1 研究背景 第二章h y l a b s 网络的优化设计 前一章详细描述了h y l a b s 网络的结构以及工作原理，当h y l a b s 网络模型 的设计工作完成之后，我们还必须确定网络承载一定业务量所需要的资源数量， 这些资源包括光纤资源( 光纤数量、每根光纤上复用的波长数量) 、节点资源( 交 换矩阵、光开关以及其它的光器件等) 以及接收机、发送机资源等，这就是网络 设计问题。网络设计问题( n d p ) 【2 5 】通常遵循三个步骤，如图2 1 所示。其中拓 扑设计主要进行链路上的波长资源配置，路由设计描述业务的传输情况，容量设 计主要描述网络资源的使用情况。本章根据这三个步骤来进行h y l a b s 网络的优 化设计。 i 拓扑设计路由设计容量设计 图2 - 1 网络设计问题的步骤 2 2h y l a b s 网络虚拓扑设计 h y l a b s 网络分为o c s 交换层和o b s 交换层，因此h y l a b s 网络的虚拓扑 设计包括o c s 虚拓扑设计和o b s 虚拓扑设计两个方面。本节首先讨论o c s 虚拓 扑设计问题，然后讨论o b s 虚拓扑设计问题，步