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波分复用光网络中业务量疏导研究 摘要 波分复用( w d m ) 技术已经广泛用于骨干传送网中，它能够满足因特网和电信 业务量爆炸性增长对网络带宽的需求。波分复用把光纤带宽分离为许多非交叉的 波长( w d m 信道) 。一个波长的带宽接近于电传输的峰值速率一几个吉比特每 秒( g b p s ) ，然而，这样大粒度( g r a n u l a r i t y ) 的波长带宽容量对一些业务请求来 说太大了，一种解决方法是把波长容量分解多个时隙，将来的网络很可能采用一 种同时使用波长路由和电交换技术的混合分层结构，这样波分复用网络可以为用 户提供动态业务，这些业务的对带宽的需求比一个完整的波长容量要小得多，此 外，在实际规模的网络中，源目的节点间业务连接请求的数量可能要比可以利 用的波长数量大的多，因此，要设计一个有效提供各种子波长速率业务的w d m 网络是非常困难的，必须有效地解决业务量疏导问题、路由和波长分配问题及网 络管理。波分复用光网络中的业务量疏导定义为复用、解复用和交换低速率业务 流到高容量光路的行为。本文研究这种光网络的设计和工作相关的问题。 业务量疏导方面的研究工作主要集中于有效地设计波分复用环网。不少研究 人员已针对该问题提出了一些算法，这些业务量疏导算法的目标是减少整个网络 的费用，但仍然存在计算结果不够理想、不够完善等问题。本论文中，首先对波 分复用环网的业务量疏导进行了研究。业务量疏导和波长分配问题是单向 s d h w d m 环网中的重要问题。对于距离依赖业务量，通过理论分析得到了网络 中需要分插复用器( a d m ) 数量的下边界。对于均匀业务量问题，把该问题表 示成一个组合优化数学模型，并采用模拟退火法来解决该问题。仿真实验表明： 模拟退火法得到了令人满意的结果。对于双向s d h w d m 环网，我们分别为单跳 ( s i n g l e h o p ) 和多跳( m u l t i h o p ) 提出了两种启发式算法来解决业务量疏导问题。 给定节点间的业务量请求，我们的目标是使得网络中使用的波长数量最小。数值 结果表明：本文提出的算法可以得到近优化解。 除了环型拓扑结构外，我们还研究了网格型拓扑结构网络中的业务量疏导问 题。网格型网络业务量疏导的研究主要包括三部分：1 ) 业务路由子问题一为每 个业务流在虚拓扑结构上寻找一条适当的路由；2 ) 把网格型网络的业务量疏导 问题表述为整数线性规划问题，目标是使得整个网络中使用的收发器数量最少； 3 ) 研究了有业务量疏导能力的波分复用光网络中连接请求的阻塞特性。 通过研究业务路由子问题，我们提出了一个基于暂态混沌神经网络的路由算 法来在w d m 逻辑拓扑上为每个业务流寻找一条适当的路由。该路由算法的目标 是接纳所有的业务请求，同时使用尽可能少的网络资源。数值结果表明：提出的 算法可以有效地选择路由，同时占用了较少的网络资源。 收发器费用是在核心光网络的主要费用之一，我们把网格型业务量疏导问 题表述为整数线性规划问题( i l p ) ，目标函数是网络中使用的收发器数量最少。由 于在网络规模较大时，i l p 规划的运算复杂度较高，不能在短时间内求得最优解， 因此，我们提出了一个启发式算法来解决该问题，数值结果表明：提出的启发式 算法可以得到与i l p 法接近的结果。为了减少网络中使用的收发器数量，可以有 效地把低速率连接请求疏导到高容量的光路上。 通过研究网格型w d m 网络的阻塞特性，提出了一个分析模型来计算有业务 量疏导能力的网格型波分复用网络中业务请求的阻塞性能。该分析模型首先把 原始网络分解为多个路径子系统，然后对这些路径子系统分别求解，再对这些子 系统进行适当地组合就可以得到整个网络的解。对于给定的网络拓扑和业务量模 式，该分析模型抓住了链路负载和链路阻塞事件的相关性，仿真结果表明：提出 的分析模型给出较准确的结果。 1 关键词：光网络，波分复用，业务量疏导，路由，阻塞性能，网格型网络 t r a f f i cg r o o m i n g i no p t i c a lw d m n e t w o r k s a b s t r a c t w ，e l e n g md i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) h a sb e e nw i d e l yu s i n gm t h ew l d e a r e ab a c k b o n en e t w o r k s w d mi s ap r o m i s i n gt e c h n o l o g yt oa c e o m l 血o d a t e t h e e x p l o s i v eg r o w t ho fi n t e m e ta n dt e l e c o m m u n i c a t i o nt r a f f i ci nw i d e ，m e t r o a r e 鹆a 1 1 d l o c a l a r e an c t w o 收s w d md i v i d e s t h ea v a i l a b l ef i b e rb a n d w i d t hi n t o as e to f n o n o v e r l a p p i n gw a v e l e n g t h ( w d mc h a n n e l ) t h eb a n d w i d t ho naw a v e l e l l g t | l 1 s c l o s et ot h ep e a ke l e c t r o n i ct r a n s m i s s i o ns p e e do fa f e wg i g a b i t sp e rs e c o n d ( ( j b p s 工 h o w e v e r t h j sl a r g eg r a n u l a r i t yo fw a v e l e n g t hc a p a c i t yi st o ol a r g ef o rc e r t a m 仃a 土n c r e q u i r e m e n t s o n es o l u t i o ni st od i v i d ea w a v e l e n g t hc a p a c i t yi n t om u l t i p l et i m es l o t s i ti sl i k e l vt h ec a s et h a tn e t w o r k so f f u t u r ew i l le m p l o yah y b r i d ，l a y e r e da r c h i t e c t u r e ， u s i l l 2 b o t hw a v e l e n g t hr o m i n ga n de l e c t r o n i cs w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s s u c h 、粕m n e 似o r k sa r er e q u i r e dt op r o v i d ed y n a m i cs e r v i c e st ot h eu s e ra ta r a t et h a ti sm u c h 1 0 w c rm a l l 也e 触1w a v e l e n g t hc a p a c i t y i na d d i t i o n ，i nn e t w o r k so fp r a c t i c a ls i z e , t h e n u m b e ro fs o u r c ed e s t i n a t i o nt r a f f i cc o n n e c t i o n si s s t i l la l lo r d e ro fm a g n i t u d eh i g h 贸 m a i l 也en u m b e ro fa v a i l a b l ew a v e l e n g t h s d e s i g ns u c h an e t w o r k ，t op r o v i d eav a n e d 啪g eo fs u b 翰t et r a f f i cs e r v i c e si nc o s te f f e c t i v es e r v i c e si nc o s t e f f e c t i v em a i m e r , i sa d i 伍c u nt a s k t r a 伍cg r o o m i n gi nw d m n e t w o r k sc a nb ed e f i n e da st h ea o to f m u r i p l e x i n g ，d e m u l t i p l e x i n g a n ds w i t c h i n gl o w e rr a t et r a f f i c s t r e a m so n 协t 1 1 9 n c a p a c i t yl i g h t p a t h s i nt h i st h e s i s ，w es t u d yn e t w o r kd e s i g na n d o p e r a t i o nm e 也0 d st 0 i m p r o v et h en e t w o r k u t i l i z a t i o n m o s to fn l ew o r k0 nt r a f f i cg r o o m i n gh a sb e e ni nt h ea r e ao f p r o v i d i n ge m c i e n t n e 帆o r kd e s i g n si nw d mr i n g s t h eo b j e c t i v eo f t h e s et r a f f i cg r o o m i n ga l g o r i t h m s1 s t 0r e d u c em ec o s to f o v e r a l ln e t w o r k s h o w e v e r , t h er e s u l t so f t h e s ea l g o r i t h m sa l en o t p e l 彘c t h 1 1 n i d 眈c t i o n a ls d h w d mr i n g st r a f f i cg r o o m i n g a n dw a v e l e n g t h a u s s i 鲫础p r o b l e mi sv e r yi m p o r t a n t w ef o r m u l a t et h ep r o b l e ma sa c 锄b m a t o n a i o p 缸l i z a t i o np r o b l e m f o rd i s t a n c ed e p e n d e n c et r a f f i cp a t t e r n , w e o b t a i na1 0 wb o u l l d o fa d m s ( d l b ) b ya n a l y s i s t h e nw ep r o p o s eas i m u l a t e da n n e a l i n g ( s a ) h e u r i s t i c a 1 蛳m mt os o l v et h ep r o b l e mf o ru n i f o r mt r a f f i ca n dd e p e n d e n c et r a f f i cp 撒锄n l n s h o w st h a ts ac o u l dg e ts a t i s f i e dr e s u l t s f o rd i s t a n c ed e p e n d e n c et r a f f i cp a t t e r n ，w e c o m p a r ed l bw i t ht h er e s u l to b t m n e db ys a f o rb i d i r e c t i o n a ls d h w d mr i n g s ，w e p r o p o s et w oh e u r i s t i ca l g o r i t h m s ，f o rs i n g l e h o pa n dm u l t i h o pr e s p e c t i v e l y , t os o l v e t h ep r o b l e m g i v e nt h et r a f f i cs t r e a m sb e t w e e nt h en o d e s ，o u ro b je c t i v ei st om i n i m i z e t h en u m b e ro fw a v e l e n g t h sr e q u i r e di nt h en e t w o r k s t h ec o m p u t a t i o n a le x p e r i m e n t s s h o wt h eh e u r i s t i ca l g o r i t h m sc a ng e tn e a r - o p t i m a ls o l u t i o nw i t h i nv e r ys h o r tt i m e b e s i d e st h er i n gt o p o l o g y , w ea l s os t u d yt r a f f i cg r o o m i n gi nm e s ht o p o l o g y t h e m a i nr e s e a r c hi nm e s ht o p o l o g yi n c l u d et h r e ep a r t s ：1 ) t r a f f i cr o u t i n gs u b p r o b l e m ： r o u t ee a c ht r a f f i cs t r e a mt h r o u g ht h el i g h t p a t h s ；2 ) w ef o r m u l a t et h et r a f f i cg r o o m i n g p r o b l e mi nm e s ht o p o l o g ya sp r o p o s e dai n t e g e rl i n e a rp r o g r a m ；3 ) w ei n v e s t i g a t et h e b l o c k i n gp r o b l e mi nw d m n e t w o r kw i t ht r a f f i cg r o o m i n g ar o u t i n ga l g o r i t h mb a s e do nt r a n s i e n t l yc h a o t i cn e u r a ln e t w o r ki sp r o p o s e dt o s o l v et h ep r o b l e mi nw d ml o g i c a lt o p o l o g y t h eo b j e c t i v e so ft h er o u t i n ga l g o r i t h m a r ea c c o m m o d a t i n ga l l 舰m cr e q u i r e m e n t sa n du s i n gl e s sn e t w o r kr e s o u r c e t h e s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mi se f f i c i e n ti nt h er o u t i n gs e l e c t i o n , m e a n w h i l et h ea l g o r i t h mc a nu s el e s sn e t w o r kr e s o u r c e t r a n s c e i v e r sb e c o m et h ed o m i n a n tc o s tf a c t o r i nac o r eo p t i c a ln e t w o r k e f f i c i e n t l yg r o o m i n gl o w s p e e dc o n n e c t i o n so n t oh i g h c a p a c i t yl i g h t p a t h sw i l lr e d u c e t h en u m b e ro ft r a n s c e i v e r si nt h en e t w o r k t r a f f i cg r o o m i n gi sf o r m u l a t e da sa l l i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m ( i l p ) ；t h eo b j e c t i v ef u n c t i o n i sm i n i m i z i n gt h en u m b e ro f t r a n s c e i v e r si nt h en e t w o r k t h e nah e u r i s t i c si sa l s op r o p o s e da n de v a l u a t e d an o v e la n a l y t i c a lm o d e li sp r o p o s e dt oc a l c u l a t et h ec a l lb l o c k i n gp r o b a b i l i t yo f w d mm e s hn e t w o r kw i t ht r a f f i cg r o o m i n gc a p a c i t i e s f i r s tt h ea n a l y t i c a lm o d e l d e c o m p o s e st h eo r i g i n a ln e t w o r ki n t oi n d i v i d u a ls u b s y s t e m s t h e nt h e s es u b s y s t e m s a r ea n a l y z e di s o l a t i o n ，a n dt h ei n d i v i d u a lr e s u l t sa r ea p p r o p r i a t e l yc o m b i n e dt oo b t a i n as o l u t i o no ft h eo v e r a l ln e t w o r k f o rg i v i n gt h en e t w o r kt o p o l o g ya n dt r a f f i cm a t r i x ， t h ea n a l y t i c a lm o d e lc a p t u r e st h ec o r r e l a t i o no fb o t hl i n k1 0 a d sa n dl i n kb l o c k i n g e v e n t s s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ep r o p o s e da n a l y t i c a lm o d e lg i v e sa c c u r a t er e s u l t st o t h ed i f f i c u l tp r o b l e m k e yw o r d ：o p t i c a ln e t w o r k , 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 ，t r a f f i cg r o o m i n g , n e t w o r kb l o c k i n gp e r f o r m a n c e ，r o u t i n g ，m e s hn e t w o r k i - 海交通大学海父逋大字 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：参强民 日期衫年7 月细 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 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和汇编本学位论文。 保密留，在之年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文毒者签名：毒携纪指导撕签名：茨雏 日期：p 哆年夕月二e 1 日期：溯年7 月2 日 第1 章绪论 1 1 光网络概述 光网络用来传输数据的物理介质是光纤。光纤在低损耗区能提供大约3 0 t h z 的带宽，而当前铜缆可利用的带宽为4 0 g h z ，光纤带宽比铜缆的带宽高许多倍。 此外，光纤比任何其它传输介质的比特误码率要低的多，并且能抗电磁干扰。光 纤的这些特性使得它成为长距离传输高速率数据的首选介质。 起初，光网络仅仅使用光纤作为传输介质，所有交换和数据处理需要在网络 节点电域来完成。这种第一代光网络在公用电信网中广泛使用，第一代光网络中， 在每根光纤的一个传输方向使用1 3 1 0 n m 或1 5 5 0 r i m 波长传输一路数字信号。光 纤通道、光纤分布式数据接口( f d d i ) 、和同步光网络同步数字系列 ( s o n e t s d h ) 等都属于这种网络。其中s o n e t s d h 是最成功和广泛使用的。 北美采用的是s o n e t 标准，亚洲和欧洲使用是s d h 标准，两者非常相似。 s o n e t s d h 是二十世纪八十年代为高比特速率光纤传输开发的标准。 s o n e t s d h 的引入消除了基于准同步数字系列( p d h ) 电信网络中存在的复用 和互操作等问题。s o n e t s d h 帧结构中有足够的开销比特( 开销比特占总容量 的1 3 0 ) ，这些开销中管理信息可用来监视网络性能、提供网络保护，在环形拓 扑结构中通过自动保护倒换功能( a p s ) 使网络具有高度的自愈能力。 然而，由于因特网( i n t e m e t ) 的出现，用户对带宽的需求急剧增加，增加光 纤容量的最直接解决方案是采用更高速率电子设备来增加比特速率。但是，这种 传统的时分复用( t d m ) 形式受电子瓶颈的约束。这要求在t d m 网络中的每个 端口不但要处理它自身的业务，而且还要处理网络中其它节点经过该端口的业 务。因此，端口电子设备需要处理的比特速率大约等于端口的数量乘以每端口的 比特速率，随着端口数量和每端口的比特速率的增加，电子设备要处理的业务量 将超过数字逻辑技术可实现的最快速率。此外，当t d m 技术向4 0 g b p s 发展时， 对于这样的高容量通信系统来说，由放大器串联引起的传输损伤、色散、非线性 效应和串扰等将变得非常严重。在光t d m 和光孤子传输领域还有许多研究工作 要做，如采用色散管理和使用色散移位光纤来消除色散的影响。 波分复用( w d m ) 已成为利用光纤潜在带宽最有希望的技术i l j ，从而可以满 足对带宽不断增长的需求，w d m 把光纤的巨大带宽分成许多不重叠的波长通道， 并在这些通道中传输不同的数据流，每个通道使用适中的数据速率( 大约在 上海交通大学博士论文 2 5 g b p s 到1 0 g b p s 之间) 来传输信号，当今使用的常规电信息处理设备可以很好 地处理以该数据速率传输的信号。将来，电域上处理的数据速率可能会扩展到 4 0 g b p s ，这将进一步增加单个波长信道的传输容量。w d m 技术的出现主要受惠 于一大批光学器件技术的进步。单模光纤的引入不但消除了模间色散的影响，增 加了传输距离，而且极大地增加了传输比特速率。这些商用单模光纤工作于光纤 的零色散点1 3 1 0 n m 。随着对应于光纤最低损耗区1 5 5 0n l n 激光器的出现，在 1 5 5 0 n m 窗口色散为零的色散移位光纤被开发出来。单纵模分布反馈式( d f b ) 激光器的开发使w d m 信号比特速率超过g b s 量级。但是最重要的进展是掺铒 光纤放大器( e d f a ) 的发明，它使得整个行业发生重大变革。e d f a 第一次允 许在很宽的光谱范围内不经过光电转换直接放大光信号。这样光纤链路的传输能 力就可以通过增加更多的波长而不仅仅是通过增加比特速率来实现。为了消除色 散的影响，开发出了色散补偿光纤，它对在高比特速率容纳较宽的波长范围有益。 光纤光学的发展使得研究人员可以开发非零色散光纤和全波光纤，非零色散光纤 可以减弱一根光纤中w d m 信号间的串扰，全波光纤消除了1 3 9 0 n m 的水峰，使 得光纤可以使用这个光谱区域。到1 9 9 8 年，9 0 以上的美国传送网在点到点传 输链路上采用了w d m 技术。 w d m 光网络的研究和开发近年来已经相当成熟，且呈迅猛发展之势，电信 传输技术领域内还没有任何其它的传输技术能像w d m 技术一样发展得如此迅 速。近几年有许多期刊、杂志和会议关注这个主题的专题讨论【2 刁】。 绝大多数早期的研究和实验主要集中在广播选择型网络上【f & 1 3 】。起初，这种 网络被认为在建设局域网( u 埘) 和城域网( m a n ) 有很大的吸引力，一般采 用星型和总线型拓扑结构。在这种网络中，所有传输的信号合并在一起再广播到 网络中的所有节点，信号的交换是通过波长选择来实现的，波长选择采用适当的 媒体访问控制( m a c ) 协议和固定发射机和接收器组合来实现的。尽管许多实验 室开发了广播选择网测试床( l a m b d a n t t l 4 】，n 丌【1 5 】) ，但是这种网络并没有广泛商 用。主要原因是这种网络比采用其它技术( 如交换式以太网) 的网络费用要高得 多，这使得这种网络没有竞争力。 近年来，光分插复用器( o a d m ) 技术和光交叉连接器( o x c ) 技术等光学 系统技术的进步进一步使得w d m 从点到点网络发展到适用于广域网( 删) 的全电路交换式波长路由网络。在o a d m 和o x c 中最关键的光器件是光开关， 该器件能把一个给定输入端口的信号交换到指定的输出端口。这种光学系统可以 有选择地处理( 插入、分离和交换) 不同的波长，而无须进行光一电- 光( o e o ) 转换，可以在两个非近邻节点间建立称为光路的直接传输通道。这样可以在物理 拓扑上建立虚拓扑网络，在虚拓扑网络中光路表示虚链路。由于最大比特速率及 与链路功率预算相关的其它一些参数可以预先确定，电路交换式光路业务在本质 2 上海交通大学博士论文 上对协议和数字信号的比特速率是透明的。因此，这种网络可以支持现有的协议， 在不影响原有协议数据流的条件下，引入新协议也非常容易。 使用o a d m 和o x c 的波长路由网络通常采用环型拓扑或网格型( m e s h ) 拓 扑结构。w d m 环网通常用于支持广泛使用的s d h 业务流。环网中的波长交换 能力也可以用于提供业务量保护特性，这与s d h 环网中的自动保护倒换( a p s ) 相似。w d m 网格网可能用于连接w d m 环的主干网络中，或连接多个接入网。 因此，这种类型的网络可以看作是为高层提供光路服务的光层网络。到目前为止， 已经建立和开发了多个证明w d m 网格网可行性的许多测试床。9 0 年代初，美 国国防部的先进项目暑( d 心) 即着手部署光网络及其支持技术方面的重大 研究计划，d a r p a 资助由b e l l c o r e 公司承担的多波长光网络( m o n e t ) 项目是 一个波长路由测试床，该网络中使用间隔为2 0 0 g h z 的8 个波长，每个波长上的 数据速率为2 5 g b s 。该测试床在环网上使用o a d m 与长距离主干网络的o x c 相连。在欧洲，在先进通信技术和服务( a c t s ) 计划的领导下，开发了泛欧光 网络【1 6 】。现在，可重构的动态o a d m 和o x c 已经商用。 我们将在下面2 个小节分别介绍s o n e t s d h 技术和w d m 光网络技术，这 些技术有的已经在公用和专用光通信网络中使用。在1 4 小节，我们将讨论与论 文相关的研究问题，然后在1 5 小节，介绍本文的要点和贡献。 l 1 2 第一代光网络s o n e t s d h 1 9 8 5 年美国国家标准协会( a n s i ) 为使设备在光口互连起草了光同步标准， 并命名为同步光网络( s o n e t ：s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) 。1 9 8 6 年，r r u t 的前身叫c 玎，r 以s o n e t 为基础制定了同步数字体系( s d h s y n c h r o n o u s d i s t a lh i e r a r c h y ) 标准，使同步网不仅适用于光纤传输，也适用于微波等其它传 输形式。 在s d h 体系结构中，同步传输模块( s t m ) 是用来支持复用段层连接的一 种信息结构，它由信息净( 负) 荷区和段开销区一起形成一种重复周期为1 2 5us 的块状帧结构。这些信息安排的适于在选定的媒质上，以某一与网络相同步的速 率进行传输。基本的s t m 是速率定于1 5 5 5 2 0 k b i t s 的s t m l ，更高容量的s t m 是以此基本速率乘n 的速率形式。目前，只定义到n = 6 4 。s t m 一1 的帧结构是一个 2 7 0 字节9 行。s t m 帧由三部分组成： 段开销( s o h ) 前9 列的1 3 行为再生段开销( r s o h ) ，5 - 9 行为复 用段开销( m s o h ) 。 a u 指针前9 列的第4 行。 信息净荷其余2 6 1 列，即1 0 2 7 0 列的全部字节。 3 上海交通大学博士论文 在s t m 一1 中，放净荷的区域叫做虚容器v c 4 ，它也是一个块状信息结构，其重 复周期为1 2 5l - ts 。v c 一4 在s d h 设备中是常用的信息处理模块。从网络的功能来 说，它用来支持s d h 的通道层连接。s t m - n 可以通过交替插入n 个s t m 一1 的 字节来获得。i t u tg 7 0 7 建议的s d h 复用映射结构见图1 1 【1 7 】。 1 3 9 2 6 m 击i t s 4 4 7 研妯i t s 燃i 讹 6 3 1 2 k b i t s l 骆i k b i t s 图1 ir r u - tg 7 0 7 建议的s d h 复用映射结构 f i g 1 1 s d hm u l t i p l e x i n ga r c h i t e c t u r er e c o m m e n d e db yn u tg 7 0 7 s d h 网络常用于点到点链路、线性网络和环型网络中，由于环型网络能够在 网络出现故障的情况下通过s d h 的自动保护倒换( a p s ) 特性提供业务保护， 环型网络得到了更广泛的使用。图1 2 给出了s d h 网络结构中使用的各种网元。 点到点链路由链路端点的线终端设备组成。在线性网络中a d m 用于把低速率业 务流插入到高速率业务流中或高速率业务流中分出。环型网也由a d m 构成， a d m 除了完成插入分出业务量的功能外，还要在网络出现故障时，完成自动保 护倒换。根据自动保护倒换的不同，环型网可以配置为单向路径交换环( u p s r ) 或双向线交换环( b l s r ) ，b l s r 在节点间采用两根光纤( b l s 陇) 和四根光纤 ( b l s r 4 ) 。要连接两个环网，一般采用数字交叉连接器( d c s ) 。d c s 提供交 换功能，用来交叉连接环网间的业务量。d c s 和a d m 通过交换和合并低速率业 务流到高速率业务流中来疏导业务流。 在工作通路失效时，s d h 的自动保护倒换( a p s ) 特性通过把失效路由上的 业务量自动地导向备用路由来提供保护功能。保护切换的典型时间大约为5 0 m s 。 当前，保护倒换支持两种机制：1 + 1 和1 ：1 保护。在1 + 1 保护机制中，业务在 两条路径上同时传输，目的节点根据失效条件决定接收哪条路径的信号。在1 ：1 保护机制中，也要分配两条路径，但是业务只在其中一条路径中传输，该路径称 为工作路径，另一条路径称为保护路径，一旦工作路径失效，保护路径将接管它 的功能。 4 上海交通大学博士论文 s d h 由四个子层组成：通道、复用段、再生段和物理层。最低的物理层涉及 到信号比特在光纤中实际传输、光的物理特性及使用的光纤等。该层使用扰码来 防止数据中的连续多个1 或多个0 出现。再生段层位于网络中每个中继器或数字 复用设备之间，处理单个点到点传输通道的业务传输，该层在发送端负责产生标 准帧，在接收端处理该帧。复用段层负责把多个支流信号复用到s t m n 模块中， 在传输路径失效的情况下，该层还完成保护倒换功能来恢复业务。通道层处理端 到端的问题，负责监视连接的状态。 尽管s d h 能够通过虚电路( v c n ) 和s t m - n 帧模块有效地支持常比特速 率业务，但对于变比特速率业务基于分组的用户，如：因特网协议( p ) 或异步 传输模式( a t m ) ，使用常比特速率s d h 信号是不经济的，为了解决该问题，开 发了用于在s d h 上使用p 和a t m 技术的传输协议。a t m 论坛定义了s d h 接 口，这涉及到如何将a t m 信元映射到信息净荷里，由于整数个5 3 字节地a t m 信元不能适配为一个s t m 帧，a t m 信元将直接连续地映射进s d h 信息净荷里， 在接收端使用a t m 信元头中的循环冗余校验功能来从s d h 净荷中分离出信元。 要在s d h 上传送疋，首先，需要使用a t m 作为中间层，要使用多协议逻辑链路 控制( l l c ) 和子网连接点( s m 心) 封装功能把口数据包封装到a t m 的第5 类适配层( 址一5 ) 帧中，再把得到的a a i ，5 协议数据单元( p d u ) 分割到a t m 信元的净荷里，最后，再把a t m 信元映射到s d h 帧中。然而，这样将在s d h 4 开销的基础上再增加1 0 左右的开销。因此，提出了使用点到点协议( p p p ) 和高级数据链路控制( 印) l c ) 协议来把p 映射到s d h 帧中，在这种机制中， d 数据包首先封装到p p p 分组中，然后使用h d l c 协议把p p p 分组封装为h d l c 帧。最后，对h d l c 帧数据扰码后填充到s d h 净荷中。这种映射机制大约降低 2 的开销。 1 3w d m 光网络技术 1 3 1 点到点w d m 光纤传输系统 点到点w d m 光纤传输系统已经用于扩大骨干网络容量，采用w d m 技术的 主要驱动因素是不断增长的通信带宽需求，当带宽需求超过现有光纤的容量时， 采用w d m 技术与敷设更多的光纤相比更经济。 图2 为点到点w d m 光纤传输系统的组成图。图中光放大器为掺铒光纤放大 器( e d f a ) ，用于放大光信号，标准的光发送器由半导体激光器和激光调制器件组 成，用来把电信号转化为光信号，光复用器可将不同波长九l 、x 2 、的支路 信号复用成一个含有多个波长九l 、k 、h 的光信号( 每个支路信号使用一个 上海交通大学博士论文 单独的波长) ，在一根光纤中传输，接收端的解复用器完成与复用器相反的工作。 图1 2 点到点w d m 光纤传输系统 f i g 1 2 p o i n tt op o i n tw d mf i b e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m 文献 7 比较了把点到点传输链路的容量从s t m 1 6 ( 2 5 g b s ) 升级到s t m 6 4 ( 1 0 g b s ) 3 种方案的相对费用。 方案一、安装敷设新的光纤和终端设备( 多纤方案) 。 方案二、采用4 波长通道w d m 系统。 方案三、采用s t m 6 4 ，一种“更高数据传输速率“的解决方案。 文献 1 8 的分析表明：对于距离小于5 0 k i n 的传输链路来说，多纤方案是便 宜的；但是对于距离大于5 0 k i n 的情况，“w d m ”方案是最便宜的。 点到点w d m 系统目前的商用以1 6 至4 0 波的2 5 g 或1 0 g 为主，1 6 0 波的 1 0 g 逐渐开始商用，并向超长距离和超高密度两个方向发展。n e c 宣称已实现了 容量达1 0 9 2 叽) s 的d w d m 系统。 1 3 2 广播一选择型w d m 网络 许多w d m 光网络的研究主要集中在广播选择型网络【黏1 3 】。广播选择型 w o m 网络拓扑结构如图1 3 所示，这种类型网络的典型配置是：每个网络节点 通过双向光纤连接到一个无源星型耦合器，每个节点配有多个信息发送机和接 收机，它是这样工作的：节点通过双向光纤接入一个星型耦合器，在星型耦合 器中，从一个节点输入到某个波长上的光信息流被平均分配到所有其它节点， 而只有那些接收机调谐到该特定波长的节点才能接收到信息流。在这种w d m 网络中，每个网络节点一般配置较少数量的发送机和接收机，其中部分收发器 ( 发送机和接收机) 能动态调谐到不同的波长，源节点和目的节点间的通信可 以通过两种方式来完成：单l 珧( s i n g l e h o p ) 8 】和多跳( m u l t m o p ) 【9 1 。 6 上海交通大学博士论文 图1 3 广播选择型w d m 网络拓扑结构 f i g 1 3b r o a d c a s t s e l e c t i o nw d mn e t w o r k 在单跳系统结构中，网络节点间没有中间节点，网络节点之间的通信只能经 过一跳，这需要在节点之间进行大量动态的协调，至少在分组传输期间，源节点 的某个发射机和目的节点的接收器必须调谐到相同的波长信道，为了使系统能有 效地工作，发送机必须具备一定的灵活性( 如：它们必须能够快速调谐) 。当前 光收发器的调谐范围有限，并且它们的调谐时间相对较长( 与分组发送时间相 比) ，就需要开发协议来完成适当的协调作用，以便系统能进行有效的传输。文 献【l9 】介绍了多种用于这类网络的协议。 ： 而在多跳系统中，节点收发器调谐到的波长信道是相对静态的，除非包含所 有收发器的一种新的全局配置方案比当前方案更有效，一种先前确定的配置通常 是不希望改变的，在这种系统中的节点对间未必有直接通道，因此，一般情况下， 从源节点发送到目的节点的分组可以经过一个或多个中间节点。多跳系统结构的 一个例子见图1 4 ，图1 4 a 中的物理拓扑是星型结构，而它对应的虚拓扑是2 x 2 t o r u s ( 图1 4 b ) ，在这个例子中可以看n - 节点1 可以通过波长w 1 和w 2 直接与节 点2 和节点3 的通信，但是节点1 要与节点4 通信，信息必须经过节点2 和节点 3 才能到达节点4 。 尽管收发器的调谐时间对单跳系统的性能和特性影响很大，但是由于多跳系 统的虚拓扑本质上是静态的，它们对多跳系统的影响很小。要设计一个性能优越 的多跳系统，需要考虑两个重要的问题。第一个问题是：需要根据某个指标选择 虚拓扑结构，这个指标可以是节点间的平均跳距离尽可能小、平均分组延迟小或 者虚拓扑中的任意链路的最大流量最小等。第二、节点处理复杂度尽可能小，在 高速通信系统中只能允许非常小的处理时间，因此必须采用简单的路由机制。 7 上海交通大学博士论文 ( a )( b ) 图1 4 、2 x 2 ( 4 节点) 多跳网络：( a ) 物理拓扑( b ) 虚拓扑 f i g 1 42 x 2 ( 4n o d e s ) m u l t i h o pn e t w o r k ( a ) p h y s i c a lt o p o l o g y ( b ) v i r t u a lt o p o l o g y 1 3 3 波长路由网络 另一个被广泛研究和试验的w d m 网络波长路由网络【2 9 1 。波长路由光网络 的结构见图1 5 ，这种网络的每个节点中有一个有源光交换机或者波长分插复用 器( w a d m ) 和电交换器件，两个相邻的节点由一根或多根光纤连接，构成任意 图1 5 、波长路由( 广域) 光w d m 网络 f i g 1 5w a v e l e n g t h m u t e d