（通信与信息系统专业论文）两层光网络规划的优化算法研究.pdf

摘要 摘要 随着波分复用( w d m ，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 ) 、光交叉连接( o x c ， o p t i c a lc r o s s c o 妯e c t ) 以及光分插复用( 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 i n g ) 等技 术的飞速发展，使得w d m 技术可以提供巨大的带宽，从而成为下一代骨干网络的 核心技术。由于m p l s 技术具有良好的q o s 、t e 等功能及其在统一控制平面上的应 用，使得m p l s 成为了适配i p 和w d m 网络的最佳选择，m p l so v e rw d m 网络得 到了迅速发展。 w d m 光网络中每个波长可以提供高达上吉比特( 如o c 4 8 、0 c 1 9 2 、o c 7 6 8 ) 的传输容量，而在实际应用中，很多业务请求的通信速率都小于一个波长粒度， 例如o c 1 、o c 3 、o c 1 2 ( 5 1 8 4 m b s 、1 5 5 5 2 m b s 、6 2 2 0 8 m b s ) 。显然，为每个带 宽小于一个波长粒度的业务请求分配一个独立的波长信道，会降低网络资源利用 率且不经济。并且，由于光纤中波长数目的限制、网络节点中光收发器数目以及 光交叉连接容量的限制等，不可能为每个业务请求分配一个独立的波长信道。显 然，有必要将多个低速的业务请求汇集起来用一个波长信道传输或者某个业务请 求通过多跳光路( m u l t i h o pl i g h t p a t h ) 的相续汇集最终到达目的节点，这就是所谓的 业务量疏导( t r a f f i cg r o o m i n g ) 技术。 w d m 光网络以其巨大的带宽满足海量的需求，但巨大传输带宽也面临挑战， 即一旦网络部件失效，大量业务数据将会丢失，将导致巨大的损失。因此在网络 设计时需要将网络的抗毁能力纳入考虑，因此，多层w d m 光网络的生存性研究已 经成为热点。 本文研究m p l so v e rw d m 两层光网络中的优化设计问题，主要研究带共享风 险链路组( s h a r e dr i s kl i n kg r o u p s ，s r l g ) 的网络可生存性业务量疏导问题。可生存 性业务量疏导问题可以如此描述：给定一个网络配置，包括物理链路、每个网络 节点的光收发器数目、每根光纤的波长数目以及波长容量，可生存性业务量疏导 就是为一组具有各种低速带宽粒度的业务连接建立光路并提供保护，以有效地安 排这些连接请求，同时优化网络的性能。 本文主要研究了两种问题：( 1 ) 针对网络资源配置足够、需要最小化己用的物 理资源( 即波长) 的问题，作者分别提出了一种基于链路路径( l i n k p a t h ) 的整数线 性规划( i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ，i l p ) 数学模型和一种名为层间信息路由& 多层 l 摘要 业务量疏导( c r o s sl a y e ri n f o r m a t i o nr o u t i n g & m u l t i l a y e rt r a f f i cg r o o m i n g ， c l i r m l t g ) 的启发式算法。相比于一般的基于节点链路( n o d e l i n k ) 的i l p 模 型，本文提出的i l p 模型大大的降低了问题规模，减少了求解时间；相比于已经存 在的启发式算法，c l i r m l t g 算法避免了在不必要的情况下增加光路，从而避免 了增加物理资源。( 2 ) 针对物理网络资源受限的情况下，最大化网络吞吐量的同时 最大化网络收益的问题，提出了一种基于拉格朗日松弛( l a g r a n g i a nr e l a x a t i o n ) 的 层间迭代i l p 算法，将整个优化问题分解成m p l s 和w d m 层的两个子问题，然后通 过两层数据交互迭代的方式得到整个问题的上、下界，从而精确的估算出整个优 化问题的最优解。 关键词：波分复用网络，选路与波长分配算法，可生存性业务量疏导，整数线 性规划，启发式算法 i i a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw d m ( 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 ) ，o x c ( o p t i c a lc r o s s 。c o n n e c t ) a n do a d m ( o p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g y ，w d m o p t i c a ln e t w o r kc a np r o v i d eh u g eb a n d w i d t ha n dh a sb e c o m et h ec o r et e c h n o l o g yo f n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k s d u et ot h ee x c e l l e n tf u n c t i o n s ( q o s ，t e ) t o g e t h e rw i t ht h e i m p l e m e n t a t i o ni nt h eu n i f i e dc o n t r o lp l a n e ，m p l st e c h n o l o g yb e c o m e st h eb e s tc h o i c e t oi n t e g r a t ei pa n dw d m n e t w o r k s ，a n dm p l so v e rw d mn e t w o r kd e v e l o p e d r a p i d l v t h ew a v e l e n g t ho fw d m o p t i c a ln e t w o r k sc a np r o v i d eu pt om o r et h a ngb i t s t r a n s m i s s i o n c a p a c i t y ( f o re x a m p l e ) ，b u ti nr e a la p p l i c a t i o n s ，t h eg r a n u l a r i t yo f l o w - s p e e dd e m a n d si sm u c hs m a l l e r ，s u c ha s o c 1 ，o c 3 ，o c 1 2 ( 5 1 8 4 m b s 、 15 5 5 2 m b s 、6 2 2 0 8 m b s ) o b v i o u s l y ，t oa c c o m m o d a t es u c hk i n do f1 0 、v - r a t e 缸a f j c i c d e m a n d s ( o rc o n n e c t i o n s ) w i t ho n el i g h t p a t hw i l ll e a dt oi n e f f i c i e n tr e s o u r c eu t i l i z a t i o n a tt h es a m et i m e ，i ti si m p o s s i b l et oe s t a b l i s he n d t o e n dl i g h t p a t h sf o ra 1 1t h et r a f f i c d e m a n d s ，d u et ot h el i m i t so ft h en u m b e ro fw a v e l e n g t h sp e rf i b e ra n dt h en u m b e ro f r e c e i v e r sp e rn o d e s oi ti s n e c e s s a r yt oc o m b i n et h el o w s p e e dd e m a n d so n t o h i g h 。s p e e dl i g h t p a t l a si nm u l t i - l a y e ro p t i c a ln e t w o r k s ，t h i ss c h e m ei st h es oc a l l e dt r a f 五c g r o o m i n gt e c h n o l o g y w d m o p t i c a ln e t w o r k st r a n s m i tl a r g en u m b e ro ft r a f f i cd e m a n d sw i t hi t sh u g e b a n d w i d t h ，b u tt h i sa l s ob r i n g sg r e a tc h a l l e n g e s as i n g l ef a i l u r eo fa n yn e t w o r k e q u i p m e n t sm a ya f f e c tl a r g ea m o u n to fd e m a n d sa n dc a u s eg r e a tl o s s s oi ti sn e c e s s a r y t ot a k et h ef a u l tr e c o v e r ya b i l i t i e so fo p t i c a ln e t w o r k si n t oa c c o u n t h e n c e s u n r i v d b l e s l = u d yh a sb e e np l a y i n gm o r ea n dm o r e d e s i g n i m p o r t a n tr o l e si nt h em u l t i 1 a y e rn e t w o r k i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rf o c u s e so nt h es u r v i v a b l et r a f f i c g r o o m i n gp r o b l e mu n d e r s r l g ( s h a r e dr i s kl i n kg r o u p s ) c o n s t r a i n t si nm p l so v e rw d mm e s hn e t w o r k s s u r v i v a b l et r a f f i cg r o o m i n gp r o b l e mc a l lb ed e s c r i b e da sf o l l o w s ：g i v e nt h en e t w o r k c o n f i g u r a t i o n , i n c l u d i n gt h ep h y s i c a ll i n k sa n dn o d e s ，t h en u m b e ro f 缸m l s c e i v e r sa n d r e c e i v e r s ，t h en u m b e ro fw a v e l e n g t hi ne a c hf i b e ra n dt h e w a v e l e n g t hc a p a c i t y 。 s u r v i v a b l et r a f f i c g r o o m i n gc a ne f f e c t i v e l yg r o o m i n g l o w - s p e e dd e m a n d so n t 0 h i g h - c a p a c i t yl i g h t p a t h sa sw e l la sp r o v i d ep r o t e c t i o nt od e m a n d s ，a n di m p r o v et h e i i i a b s t r a c t n e t w o r kt h r o u g l l i p u to rr e d u c et h en e t w o r kc o s t t h i sp a p e rs t u d i e st h ef o l l o w i n gt w op r o b l e m s ： ( 1 ) g i v e ne n o u g hn e t w o r k r e s o u r c e s ，t h eo b je c t i v ei st om i n i m i z et h et o t a lu s e dw a v e l e n g t h si np h y s i c a ln e t w o r k s h e r et h ea u t h o rp r o p o s e san o v e ll i n k - p a t hb a s e di l pm o d e la n dan o v e lh e u r i s t i c s a l g o r i t h mn a m e dc l i r - m l t g ( c r o s sl a y e ri n f o r m a t i o nr o u t i n g & m u l t i - l a y e rt r a f f i c g r o o m i n g ) c o m p a r e dw i t ht h e n o d e l i n kb a s e di l pf o r m u l m i o n ，t h ep r o p o s e d l i n k p a t hb a s e di l pm o d e lr e d u c e dp r o b l e ms i z ea n de x e c u t i o nt i m e c o m a p a r e dw i t h t h et r a d i t i o n a lh e u s i s t i cm e t h o d s ，c l i r m l t gh e u r i s t i ca l g o r i t h ma v o i d sa d d i n g l i g h t p a t h sw h e nu n n e c e s s a r y ，a n dt h e nm i n i m i z e st h et o t a lu s e dp h y s i c a lr e s o u r c e ( 2 ) w i t hl i m i t e dn e t w o r kr e s o u r c e s ，t h eo b j e c t i v ei st om a x i m i z et h en e t w o r kt h r o u g h p u ta s w e l la sm a x i m i z et h en e t w o r kr e v e n u e i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h ea u t h o r p r o p o s e sac r o s sl a y e ri t e r a t i o ni l pa l g o d t h mb a s e do nl a g r a n g i a nr e l a x a t i o n ( l r ) ， a n dd e c o m p o s e st h et o t a lo p t i m i z a t i o np r o b l e mi n t ot w os u b p r o b l e m si nm p l sa n d w d m l a y e r ，a n d g e tt h eu p p e ra n dl o w e rb o u n d st h r o u g hi n t e r a c t i v ei t e r a t i o no ft h e t w o l a y e rd a t a , a n dt h e ne s t i m a t et h eo p t i m i z e dr e s u l t s o ft h ew h o l eo p t i m i z a t i o n p r o b l e m k e y w o r d s ：w d mn e t w o r k s ，r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha l l o c a t i o n , s u r v i v a b l et r a f f i c g r o o m i n g ，i n t e g r a t e dl i n e a rp r o g r a m m i n g ，h e u r i s t i ca l g o r i t h m i v 图目录 图目录 图1 1 两个基础网络节点设备2 图1 - 2 上、下层联合专用保护机制示意图】0 图2 1 基于拉格朗日松弛的层间分解算法( l r 。i l d a ) 步骤3 3 图2 2 仿真用t e s t n e t 3 3 图2 3l r i l d a 算法仿真拓扑3 5 图3 1光网络中业务量疏导设计框架3 9 图3 2c l i r m l t g 算法基本步骤4 3 图3 3m s p p s v t g 算法基本步_ 骤4 4 图3 4c l i r 算法基本步骤4 5 图3 5c l i r m l t g 启发式算法仿真拓扑4 8 图3 - 6n s f n e t 性能对比4 9 图3 7u s a n e t 性能对比一4 9 图3 8n s f n e t 运行时间对比。5 0 图3 9u s a n e t 运行时间对比5 0 图4 1 可生存性业务量疏导仿真软件基本框架及各模块关系5 3 图4 2m p l so v e rw d m 网络规划软件类示意图5 4 图4 3m p l so v e rw d m 网络可生存性业务量疏导规划主要流程6 7 图4 4 客户层业务路由及容量分配模块流程图6 8 图4 5 虚拓扑上s r l g 分离路径对计算流程图6 9 表目录 表目录 表2 2 不同拉格朗日乘子初始值下的l r i l d a 算法求解结果一3 6 表2 3 不同网络资源限制下l i n k p a t hb a s e di l p 模型与l r i l d a 算法求解结果比较3 6 表2 4 不同业务数目下基于拉格朗日松弛的分解算法求解结果3 7 表2 5 不同网络资源限制条件下两种i l p 算法求解结果比较3 7 i x 缩略词表 c l i r m l t g g r o o m i n g f d m f e c i l p i n t e r l a y e rb r s i p l d p l e r l i b l r l r i l d a a l g o r i t h m l s r m p l s o a d m o t n o x c q o s s d m s r l g s s r 算法 s t l t d m t e w d m 、r s 缩略词表 c r o s sl a y e ri n f o r m a t i o nr o u t i n g & m u l t i 。l a y e rt r a f f i c 基于层间信息路由的多层业务量疏导 f r e q u e n c y - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 频分复用 f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c yc l a s s转发等价类 i n t e g r a t e dl i n e a rp r o g r a m m i n g整数线性规划 i n t e r l a y e rb a c k u pr e s o u r c e ss h a r i n g 层间保护资源共享 i n t e r a c tp r o t o c o l网际协议 l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l 标记分发协议 l a b e le d g es w i t c hr o u t e r标记边缘交换路由器 l a b e li n f o r m a t i o nb a s e 标记信息库 l a g r a n g i a nr e l a x a t i o n 拉格朗日松弛 l a g r a n g i a nr e l a x a t i o nb a s e di n t e r l a y e rd e c o m p o s i t i o n 基于拉格朗日松弛的层间分解算法 l a b e ls w i t c hr o u t e r标记交换路由器 m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h 多协议标记交换 o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g 光分插复用 o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k s 光传送网 o p t i c a lc r o s s c o n n e c t光交叉连接 q u a l i t yo fs e r v i c e 服务质量 s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 空分复用 s h a r e dr i s k l i n kg r o u p s 共享风险链路组 s u c c e s s i v es u r v i v a b l er o u t i n g持续可生存性路由 s t a n d a r dt e m p l a t el i b r a r y t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t r a f f i ce n g i n e e r 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 e rs w i t c h e r x 标准模板库 时分复用 流量工程 波分复用 波长路由交换机 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： 至劢 日期：砷年上月谣日 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) 签名： 王硒一 导师签名： 日期： 上 零乐 年月日 第一章绪论 第一章绪论 随着高性能的w d m 光网络设备( 如光交叉连接器o x c 、光分插复用器o a d m ) 的出现以及网络业务量的爆炸性增长，波分复用技术( w d m ) 成为下一代骨干网 络的核心技术【l 5 】。由于i p 等网络业务本身的不确定性和不可预见性，要求光网络 能够为用户提供各种带宽粒度的服务和应用，同时要求网络要有快速的光层业务 恢复能力等。光网络中的每个波长可以以相当高的速率传输( 如o c 一4 8 、o c 1 9 2 、 o c 一7 6 8 ，对应的速度为2 5 g b s 、1 0 g b s 、4 0 g b s ) ，然而在实际应用中，每个业务 的通信速率往往远远低于一个波长的最高传输速率，例如o c 1 、o c 3 、 o c 1 2 ( 5 1 8 4 m b s 、1 5 5 5 2 m b s 、6 2 2 0 8 m b s ) t 6 。显然，为每个业务提供一个专用 波长，资源利用率低且不经济。并且由于光纤中波长数、网络节点中光收发器数 等网络物理限制，不可能为每个业务建立端到端的独立光路连接【_ 7 1 。 w d m 光网络以其巨大的带宽能满足海量的需求，但巨大传输带宽也面临挑 战，即一旦网络部件失效，大量业务数据将会丢失，将导致巨大的损失。因此在 网络设计时需要将网络的抗毁能力纳入考虑，因此，多层w d m 光网络的生存性 研究f 和1 2 】已经成为热点。生存性路由的目的是为了保证网络的业务连续性，也就是 要为网络中的业务事先备份预留资源，这样当业务的工作资源失效后，业务可以 通过保护资源传输。显然，在w d m 光网络中，需要研究如何有效地为低速业务 建立连接的同时，并为这些业务提供有效的保护。 本文主要研究了m p l so v e r w d m 光网络上的可生存性业务量疏导问题，为了 便于读者对后续研究有更好的理解，本章首先介绍了m p l so v e rw d m 光网络发展 的情况，接着介绍了w d m 光网络中的业务量疏导技术，然后介绍了w d m 光网 络采用的可生存性技术的研究状况，并对当前一些研究成果的优点和缺陷作了具 体分析，最后简单介绍了全文的组织结构和在m p l so v e rw d m 网络中可生存性业 务量疏导方面的研究贡献。 电子科技大学硕士学1 口论文 11m p l so v e rw d m 光网络发展概述 w d m 光网络的发展 随着个人计算机和国际瓦联网络( i n t e r n e 0 的进一步普及，以及电子商务、会 议电视、远程教育、远程医疗、视频点播等多种宽带业务的日益兴起，基于i p 的数据、i k 务最得到爆炸式增长。因此这需要对传送网络的整体构架、技术模式、 组网方式| 三【及业务节点的实现方式等方面进行改造，以满足删络业务这种指数增 跃的需求。 为了能够满足对带宽需求呈指数增长的需要，人们开发出了波分复用 ( 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 ) 技术来提高光纤的传输容量1 1 。近几年 由于市场的驱动和技术上的重大突破，波分复川系统发展十分迅猛：目前16 1 b 1 “s 的w d m 系统已经商h j ；n e c 和a l c a t e i 公司的w d m 分别实现丁总量为 】09 t h i n s ( 2 7 3 4 0 g b i t s ) k n1 02 t b i l s ( 2 5 6 x 4 0 g b i t s ) 的传输系统。显然，w d m 点对 点传输技术提供的丰富带宽资源使以光网络传输和交换海量的互联网业务成为可 能。同时，光于技术的不断成熟使在w d m 层直接处理光信号、建立和动态分配 光通道、快速恢复与保护成为可能。并将推动高效、稳定、灵活和能充分利用w d m 传输技术提供丰富带宽资源的新一代光网络的建设”4 “ l ”。 + ，如 - - - - i 卜 霉当 ! z 。丑七丑 - - - - - - - 卜 一：。s o i ( a ) 光交叉连接器o x c 丑丑 t - - - - - - - + r f ”心” 。，五：。i 丑，丑， m ) 光分插复刚器o a d m 田1 1 两个基础网络节点设备 普通的点到点波分复用通信系统尽管有巨大的传输容量。但只是提供了原始的 传输带宽。为了将传统的点到点w d m 所提供的巨大原始带宽转化为实际组网可 以灵活应用的带宽，需要在传输节点处引入灵活的光节点实现光层联网，构筑光 羞 第一章绪论 传送网( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，o r n ) 。波分复用技术不仅仅可以充分利用光 纤中的带宽，而且其多波长的特性还具有光通道直接联网的优势，为进一步组成 以光子交换为交换体的多波长光纤网络提供了基础。最常用的光网络节点主要有 用于网间交叉连接的光交叉连接器o x c 、能够提供本地业务上路和下路( a d d d r o p ) 功能的光分插复用器o a d m ( 如图1 1 所示) 。o x c 的功能类似s d h 网络中的数 字交叉连接器( d x c ) ，一个波长信道上的信号直接交换到出口光纤的相应波长上 去( 如果没有使用波长变化器时，出口、入口波长必须相同；如果使用了波长变换 器，出口、入口波长可以不同) ，其具体实现可以分为全光型o x c ( 无需进行光电 电光转换和电信号处理，直接通过o x c 中的光交叉矩阵交换到) 和非全光型o x c ( 即需要进行光一电一光转换实现交换) 。o a d m 节点的功能也类似于s d h 网络中 的分插复用器( a d m ) ，但也是直接以光信号作为操作对象。o a d m 节点只需要 选定具有本地业务的波长上下路，而其它波长无阻塞地通过网络节点。由于具有 灵活疏导能力的o x c 和o a d m 可以将不在本地下路的大量业务从光层旁路掉， 因此不仅减轻了网络节点所要处理的业务量，降低了对网络节点规模的要求，而 且也降低了网络节点的成本。全光型o x c 、o a d m 具有灵活的可重构特性，使得 网络具有了波长路由能力，在这种网络中就可以提供端到端的波长通路( 或称为光 路，l i g h t p a t h ) 的动态分配和恢复。这是由于光交叉连接器o x c 、光分插复用器 o a d m 等技术的不断进步和成熟，使得光网络组网方式从点到点传输系统向w d m 联网的光传送网络发展b ，1 4 ，l6 ，1 7 j 。 1 1 2 多协议标记交换( m p l s ) 简介 m p l s 是定位于x 2 5 层的网络技术，为i p 层与链路层的交互提供了一个统一 的操作平台，具有很强的适应性和灵活性，能支持现有网络层和链路层的各种协 议( 比如对网络层支持i p v 4 、i p v 6 、口x 、a p p l e t a l k 等，对链路层支持f r 、a t m 、 p p p 等) 【1 8 】。m p l s 是一种能够大幅度提高路由转发速度的技术，它的体系结构分 为两个独立的组件，即转发组件( 也叫数据层面) 和控制组件( 也叫控制层面) 。转 发组件使用标记交换机维护的标记转发数据库，根据分组携带的标记执行数据分 组的转发任务。控制组件负责在一组互联的交换机之间建立和维护标记转发信息。 m p l s 网络由标记边缘交换路由器( l a b e le d g es w i t c hr o u t e r , l e r ) 和标记交 换路由器( l a b e ls w i t c hr o u t e r , l s r ) e t m j 。m p l s 的工作原理是：当数据分组到达 m p l s 网络的入口l e r ，入口l e r 通过分析数据分组的信息头来决定该分组属于 3 电子科技大学硕士学位论文 哪个转发等价类( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c yc l a s s ，f e c ) 。f e c 使一些具有某些共性 的数据流集合，这些数据在转发过程中被l s r 以相同的方式进行处理) ，然后查 找标记信息库( l a b e li n f o r m a t i o nb a s e ，l i b ) ，将一个与该f e c 相关联的标记加 在数据分组前。在后继的l s r 中，不需要再查找i p 分组头，只需要根据数据分组 的标记来查找l i b ，即可决定其转发出口，在转发前将新的标记取代旧的标记，然 后转发到下一个l s r 。当数据分组到达出口l s r 时，出口l s r 将l a b e l 从数据 分组中去掉，又按照传统的i p 转发方式对数据分组进行转发。其中，所有与f e c 绑定的标记分发和l s p 的建立都是由标记分发协议( l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c o l ， l d p ) 来完成。 m p l s 技术是种在开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的新技 术。它的价值在于能够在一个无连接的网络中引入连接模式的特性；其主要优点 是减少了网络复杂性，兼容现有各种主流网络技术，能降低5 0 网络成本，在提 供i p 业务时能确保q o s 和安全性，具有流量工程能力，是下一代最具竞争力的通 信网络技术。 m p l s 技术的主要特点为：( 1 ) m p l s 在网络中的分组转发是基于定长标签，由 此简化了转发机制，使得转发路由器容量很容易扩展到1 b i t 级；( 2 ) 充分采用原有 的i p 路由，在此基础上加以改进，保证了m p l s 网络路由具有灵活性的特点；m p l s 是一种面向连接的传输技术，能够提供有效的q o s 保证；( 3 ) m p l s 是一种与链路 层无关的技术，它同时支持x 2 5 、帧中继、a t m 、w d m 等网络，保证了多种网络 的互连互通；( 4 ) m p l s 支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有良好的网络扩展性； ( 5 ) m p l s 的标签合并机制支持不同数据流的合并传输；( 6 ) m p l s 支持流量工程、 q o s 和大规模的虚拟专用网。 m p l s 技术的的优势为：( 1 ) m p l s 在定长标签的严格匹配下简化了转发过程， 这大大减少了设备制造商的研发投资；( 2 ) 由于m p l s 将路由与分组转发从i p 网中 分隔开来，这使得在m p l s 网中可以通过修正转发方法来推动路由技术的演进；( 3 ) 新的路由技术可以在不间断网络运行的情况下直接应用到网络中，而不必改动现 有路由器上的转发技术，由此减少了网络维护成本和扩展性问题，在m p l s 网中 可以直接使用显式路由，增强了口网络流控和自愈恢复能力，为支持更多的新业 务提供了保障，同时m p l s 在保证连接可靠性的条件，使得各种新业务可以在基 于m p l s 的i p 网上实现；( 4 ) m p l s 技术进一步促进了网络功能的划分，它将复杂 的事务处理推到网络边缘去完成，这有利于在一个大的网络中维护i p 协议的扩展 性；( 5 ) m p l s 网络中标签堆栈的使用将庞大的路由表变得很小，极大地改善了路由 4 第一章绪论 扩展能力；( 6 ) m p l s 可用于多种链路层技术，最大限度地兼顾了原有的各种技术， 保护了现有投资和网络资源，m p l s 能够以无连接方式或显式路由的方式提供面向 连接的业务，这使得m p l s 适用于动态遂道技术，并保障数据传输业务的q o s 需 求，q o s 的保障是i p 网上实现语音、实时多媒体信息传输的基础作为综合平台。 1 1 3m p l so v e rw d m 网络发展概况 由于m p l s 具有良好的q o s 和v p n 功能，以及强大的路由信令功能及其在统 一控制平面上的应用，使得m p l s 成为了适配i p 和w d m 的最佳选择。因此，以 m p l s 作为适配层的i po v e rw d m 网络被称为i p m p l so v e rw d m 网络。基于各 项优势，m p l so v e rw d m 网络在全世界获得了比较迅速的发展。 目前基于i p m p l so v e rw d m 的网络体系结构正在日渐成熟，国际上的标准化 组织如i e t f 、i t u t 和o i f 以及各大电信设备制造商和各大运营商都在积极酝酿 相关的标准，如路由协议( o s p f t e 、i s i s t e ) ，信令协议( c r l d p 、r s v p r e ) ， 以及基于m p l s 的统一控制平面问题【1 9 1 。2 0 0 1 年，随着m p l s 技术的初步成熟及 w d m 网络的快速发展，各运营商纷纷开始采用m p l s 新建或升级其网络。2 0 0 2 年，中国电信在中国大陆建立其高密度的i p m p l so v e rw d m 网络。中国电信美 国公司则将向在中国有业务的美国公司提供m p l sv p n 、通达中国内地各处的专 线业务和到c h i n a n e t 的直接i p 接入等业务。 m p l so v e rw d m 网络分为业务层和服务层，在业务层，由m p l s 流量工程控 制层来执行至关重要的选路、监控和网络存活性，即就是使用m p l s 来提高网络 性能和执行流量工程( t e ) ；在传送层由w d m 光网络来提供w d m 传输和波长路 由的光层联网技术。这样可实现更加紧密的i p 到w d m 的集成网络结构。随着 m p l s 和数字包封器标准的制定，以它们为基础的自愈恢复、q o s 选路、流量工程 和网络管理、性能监测等技术将快速发展，这将使本来的光互联网具有更优越的 性能。m p l so v e rw d m 网络既具有m p l s 的标签交换和流量工程能力，也可以直 接在w d m 层处理光信号、建立和动态分配光通道的先进的高速网络系统。 1 2w d m 光网络中的业务量疏导问题 在w d m 光网络中，为了充分利用带宽，一个波长上传输的通信速率常较高， 例如o c - 4 8 、o c 1 9 2 、o c 一7 6 8 ( 对应的速度为2 5 g b s 、1 0 g b s 、4 0 g b s ) 。这样， w d m 光网络提供的速率或带宽是粗粒度，也就是以波长数为单位。然而在实际应 5 电子科技大学硕士学位论文 用中，每个业务的通信速率与一个波长上的可通速率相比常是较低的，例如 o c 1 、o c 3 、o c 1 2 ( 5 1 8 4 m b s 、1 5 5 5 2 m b s 、6 2 2 0 8 m b s ) 。显然，为每个低速业 务提供一个专用波长，资源利用率低且不经济。并且由于光纤中波长数目的限制、 网络节点中光收发器数目的限制( 一个光路的建立需要在其两个终点各使用一个光 收发器) 等，不可能为每个业务连接建立端到端的独立光路连接。因此为了提供细 粒度的速率或带宽需求，同时降低网络建设成本和运营成本，提高网络性能，需 要为这些低速业务有效地建立端到端的连接。业务量疏导( t r a f f i cg r o o m i n g ) m 仉n 1 技术可以解决这个问题。 1 2 1 业务量疏导( t r a f f i cg r o o m i n g ) 技术简介 疏导源于复用( m u l t i p l e x i n g ) 和捆绑( b u n d l i n g ) ，即将多个低速业务汇集到高 容量的传输单元上传输，是用来描述传输系统中有效利用容量的优化设计问题瞵j 。 在光网络中不同的域可以使用不同复用技术实现疏导 8 , 2 2 1 ： ( 1 ) 空分复用( s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，s d m ) 技术：将物理空间分区以达到 提高传输系统的容量。例如，将多根光纤捆绑到一根光缆上，或者多个光缆作为 一个链路连接网络中相邻两节点。 ( 2 ) 频分复用( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f d m ) 技术：将频谱分成不重 叠的一系列独立的通道。光网络中的波分复用w d m 或者密集波分复用d w d m 技 术即是采用了f d m 技术。 ( 3 ) 时分复用( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 技术：在时域内将带宽分成固 定长度的时隙( s l o t ) 。使用t d m 技术，多路信号只要在时间上不重叠可以