（通信与信息系统专业论文）ipmpls+over+wdm光网络的规划和设计.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 i p 业务的快速增长对通信网的传送承载能力提出了越来越高的要求。现有的网络是以 多层协议栈的方式来实现。随着各种新技术和新思路的不断涌现，网络各层的功能将重新 整合。i p m p l s o v e r - w d m 双层网络的研究成为一个热点。本文就是研究 i p m p l s o v e r - w d m 网络的设计。 在研究i p m p l s o v e r - w d m 网络的规划和设计时，本文首先采用候选邻节点图法设计 网络，该方法将路由器接口限制、光路传播距离、网络节点的波长转换能力等多个因素考 虑在内，为规划i p m p l s o v e r - w d m 网络提供了一种思路。在阐述候选邻节点图进行网络 规划时，通过具体实例的比较，得出m r e 启发式算法比一般的m d f 、m r f 算法要优越。 然后把i p m p l s o v e r - w d m 双层网络的优化建模为混合整数线性规划模型，在把双层 网络优化问题分为两个子问题进行解决的基础上，提出了最优化全网单位成本收益的迭代 算法。然后借助于c p l e x 工具，通过本文迭代算法的详细求解，实现了i p m p l s o v e r - w d m 网络的优化设计。实验数据显示了本文所提迭代算法的优越性。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 网络技术与应用 作者：2 0 0 5 级研究生李锋指导教师唐宝民 题目：i p m p l so v e rw d m 光网络的规划和设计 英文题目：t h ep l a n n i n ga n dd e s i g no fi p m p l so v e rw d m o p t i c a ln e t w o r k 主题词：多协议标记交换波分复用逻辑拓扑路由器 光路 k e y w o r d s ：m p l sw d m l o g i c a lt o p o l o g y r o u t e r l i g h t p a t h 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h er a p i dg r o w t ho fl ps e r v i c e sr a i s e st h ed e m a n d so ft h en e t w o r kt r a n s m i s s i o nc a p a c i t y a t p r e s e n t ，t h en e t w o r ki si m p l e m e n t e db ym u l t i l a y e rp r o t o c o ls t a c k 。w i t ht h en e wt e c h n o l o g i e s a n dav a r i e t yo fn e w i d e a s ，t h en e t w o r kl a y e r sw i l lb er e i n t e g r a t e d t h e r e f o r e ，t h e i p m p l s o v e r - w d mn e t w o r kb e c o m e si m p o r t a n tt os t u d y t h i sp a p e ri sas t u d yo ft h ep l a n n i n g a n dd e s i g no fl p m p l s - o v e r - w d mn e t w o r k i nt h ep r o c e s so fp l a n n i n ga n dd e s i g n i n gi p m p l s o v e r - w d mn e t w o r k ，w ep r o p o s et h e c a n d i d a t en e i g h b o rg r a p h t h i sm e t h o dp r o v i d e saw a yo fc o n s i d e r i n gm a n yf a c t o r s ，s u c h 鹊 r o u t e ri n t e r f a c e s ，l i g h t - p a t h sl i m i t a t i o n s ，w a v e l e n g t hc o n v e r s i o na b i l i t y , a n ds oo n t h r o u g h s p e c i f i ce x a m p l e s ，w er e a c ht h ec o n c l u s i o nt h a tm r e h e u r i s t i ca l g o r i t h mi sab e t t e rm e t h o dt h a n m d fa n d m i 疆 t h e nw es u b s t i t u t et h ei p m p l s o v e r - w d mn e t w o r ko p t i m i z a t i o np r o b l e mt oa m i x e d i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e l o nt h eb a s i so fd i v i d i n gt h et w o - l a y e rn e t w o r k o p t i m i z a t i o ni n t ot w os u b p r o b l e m s ，w ep r o p o s ea ni t e r a t i v ea l g o r i t h mw h i c hp u r s u i t st h e o p t i m i z a t i o no fu n i tc o s tb e n e f i to f t h ew h o l en e t w o r k w i t ht h eh e l po fc p l e x ，w eg i v ea d e t a i l e dp r o c e s so ft h ei m p r o v e di t e r a t i v ea l g o r i t h mi no p t i m i z a t i o nf o ri p m p l s o v e r - - w d m n e t w o r k t h er e s u l ts h o w st h es u p e r i o r i t yo ft h ei t e r a t i v ea l g o r i t h m 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学通信与信息系统 研究方向： 网络技术与应用 作者：2 0 0 5 级研究生李锋指导教师唐宝民 题目：i p m p l so v e rw d m 光网络的规划和设计 英文题目：t h ep l a n n i n ga n dd e s i g no fi p m p l so v e rw d m o p t i c a ln e t w o r k 主题词：多协议标记交换波分复用逻辑拓扑路由器 光路 k e y w o r d s ：m p l sw d m l o g i c a lt o p o l o g y r o u t e r l i g h t p a t h 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 埠 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：撵导师签名： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 网络信息量爆炸式增长和i p 技术的深入人心促进了宽带i p 主干网的出现和发展。而 宽带i p 网络必须建立在现有的网络技术基础上，建立在当前最先进的网络传输技术基础 上。 人们针对当前i p 网络所面临的各种问题提出了两种解决方案：一是利用多协议标签交 换m p l s 技术，另一个就是以密集波分复用( d w d m ) 互联网技术为代表的光网络技术。 随着m p l s 技术的进步以及基于波长级的互联网光网络技术的发展，人们自然而然地想到 能否将m p l s 技术和光网络技术结合起来。也就是说在数据网络范畴内，由m p l s 的控制层 来执行至关重要的选路和网络生存性。即使用m p l s 来提高网络性能和执行流量工程( t e ) ， 而由下层的光网络层来提供w d m 传输和波长路由的光层“电路级”联网技术。这样就可 以构建一个性能更加优越的集成模型的解决方案，这种想法促使了p m p l s o v e r - w d m 技 术的出现。这样，m p l s 和w d m 集成的方式，即i p m p l s o v e r - w d m 就成为下一代互联 网核心网设计中的一个可行的方案【6 】。它降低了网络设备和管理的成本以及网络的复杂性， 简化了下一代因特网的体系结构，使得n g i 核心网建成一个：上层基于d 的分组层是由 i p m p l s 路由器组成，下层基于w d m 层是由o x c 连接而成的网络。 但是，波分复用使光纤网络在网络部件失效时可能遭受比传统网络更大的损失，如一 根光纤断裂会使经过它的所有光路( l i g h t p a t h ) n j 时失效。网络生存。i 生( n e t w o r ks u r v i v a b i l i t y ) 是网络能够恢复受到失效( 如链路、节点等失效) 影响的业务的能力。因此网络的保护机制 引起的生存性研究对于w d m 网络显得更加重要。对此，本文也进行了相关的讨论。 1 2 论文研究方向 当i n t e m e t 网络中的用户数不断增加，网络的业务流量呈爆发性增长后，对新型的 i p m p l s o v e r - w d m 双层网络的研究也就变得非常重要。本文针对目前的研究热点 i p m p l s o v e r w d m 双层网络进行了详细的介绍，包括整个通信网的发展以及未来网络的 体系结构，介绍了i p m p l s o v e r w d m 网络结构、生存性、保护和恢复等机制，然后重点 研究了i p m p l s o v e r w d m 的网络的设计问题。 我们发现，有许多问题，在实际的网络设计中，是不可忽视的。比如路由器接口数量 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 的限制、波长转换器的限制、光路传播距离的限制等。在没有考虑这些因素时，网络的设 计问题已经非常麻烦，当引入这些因素后，网络设计将更加复杂，但是我们又不得不考虑。 为了解决这个矛盾，本文提出了一种候选邻节点图法。利用图形的帮助，我们可以清楚、 直观的进行网络设计，并且双层网络中的约束条件，在一张图中，就可以完全表达。为了 说明这个思路，我们在一个示例网络中，进行了详细的设计。并通过讨论需求加入的顺序， 利用三种不同的启发式算法，进行了双层网络的规划。 在当前i p m p l s o v e r - w d m 双层网络的设计中，一般是把网络建模为混合整数线性规 划问题【7 】，但是，这个混合整数线性规划问题是非常大的，因为其变量和约束条件的复杂 性，往往网络建模后，就是一个n p 完全问题【8 1 1 9 1 。为了解决这个n p 完全问题，以往的研 究把整个m i l p 问题划分为几个子问题分别求解，这是有益的，为我们提供了一个很好的 思路。为了解决这个m i l p 问题，我们首先精简网络优化的因素，对网络进行重新建模。 然后，我们利用一个改进的迭代算法对这个m i l p 问题进行求解，把那些在每次迭代中， 计算出的负载小、但是代价高的链路进行删除。从而在我们要求的最优化的条件下达到最 优，即达到全网单位收益最高的目标。 本文采用i l o gc p l e x 数学软件【l o 】来解决混合整形规划问题，实现为业务连接建立的 近似优化路径，我们也借助于c p l e x 工具，进行了分析和优化设计。优化结果显示了本 文算法的优越性。 1 3 论文结构 第一章，绪论，在下一代互联网n g i 的阐述中，介绍了i p m p l s o v e r - w d m 的组网 方案，并提出了本文在双层网络模型设计中的重点，以及我们在设计i p m p l s o v e r - w d m 网络时所用到的主要工具和研究方法。 第二章，详细介绍了i p m p l s o v e r w d m 网络的发展趋势，介绍了该网络的体系结构 及其演进趋势，并对其弹性业务以及网络建模进行了初步的研究。借助于c p l e x 工具对 其最优化目标函数进行了分析。 第三章，把路由器接口限制、光路传输距离等因素全部考虑到双层网络设计中，从整 体上把握双层网络规划原理。对网络进行建模，并提出了候选邻节点图法，来解决这个复 杂的双层网络规划问题。 第四章，把双层网络优化设计问题建模为m i l p 问题。讨论了i p m p l s - o v e r w d m 网 络的优化问题，并针对本文提出的双层网络设计问题的迭代算法，借助于c p l e x 优化工 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 具进行了详细的分析和计算。 第五章，总结。 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p m p l so v e r w d m 双层网络技术和业务 第二章i p m p l so v e rw d m 双层网络技术和业务 2 1w d m 光网络的发展 由于网络技术的飞速发展和多媒体技术的广泛应用，人们对网络带宽的需求呈指数增 长。最初铺设的光纤已无法满足网络发展的需要，再投资重新铺设的费用又太高，于是光 纤网中的复用技术的研究受到广泛关注，并有多种复用技术被提出，其中波分复用 ( 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 ) 技术被认为是最具潜力的光网络复用技术之一， 也是现在人们普遍采用的一种复用方法。 波分复用技术最早应用在美国。它是指在一根光纤上同时传送多个不同波长的光载 波。这样以来，原先在一根光纤上只能传送一个光载波的单一信道就变成了可传送不同波 长光载波的多个信道，从而使光纤的传输能力成倍增张。另外也可以利用不同波长沿不同 方向传输来实现单根光纤的双向传输。 w d m 的优势在于：由于能够在一根光纤上复用多个光业务流，所以w d m 网络可灵 活地扩展带宽，降低复用成本。特别是在光交换机等全光器件引入后，光电光转换不再 成为必需功能，w d m 网络的传输速度可得到进一步的提高。 目前，i po v e rw d m 是利用各种成熟的网络和传输技术，以多层协议栈的方式来实现。 随着各种新技术和新思路的不断涌现，尤其是多协议标签交换( m p l s ) 向光层的渗透，网络 各层的功能将重新整合，多层协议栈也会逐渐坍塌。最终，i po v e rw d m 光网络将向着紧 凑的集成模型演进。具体来说，演进过程如下： 2 1 1i po v e r 点到点w d m 光网络 刚开始，由于光联网技术远未成熟，w d m 系统仅作为路由器间的点到点传输系统而 存在。i po v e r 点到点w d m 系统网络结构如图2 1 所示。w d m 系统仅是相邻路由器间的 带宽通道，光层基本不具备智能，其控制由管理系统承担。网络通过多层协议栈来承载i p 业务，如图2 2 所示。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p m p l so v e rw d m 双层网络技术和业务 图2 1i po v e r 点到点w d m 网络 图2 2i p 业务承载方式 1 a t m s d h w d m ：a t m 层完成流量控制和q o s ；s d h 层负责网络性能监测、i p 层与光层间的带宽适配；w d m 层提供传送通道。这种承载方式可提供完善的系统功能。 但其协议栈过于复杂，导致网络各层功能重叠，带宽利用率低，层间控制和管理困难。另 外，a t m 适配层复杂的拆装功能( s a r ) 也将限制系统速率的进一步提高。 2 i p p p p h d l c s d h w d m ：这种承载方式也称为p o s ( p a c k e to v e rs d h ) ，其中点到 点协议( p p p ) 负责多协议封装，高速数据链路控制规程( h d l c ) 实现定界组帧，带宽适 配和数据传送仍然由s d h 和w d m 来完成。p o s 技术成熟，传输效率较高，通过s d h 设 备可获得完善的网络管理和保护功能。不足之处在于h d l c 协议需要监测帧同步字节来实 现帧定界。为防止伪同步，发送端需要通过比特填充来解决用户数据与定帧字节编码相同 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p m p l so v e rw d m 双层网络技术和业务 的问题，接收端则需要进行去填充操作。这种比特级的填充和去填充操作会限制系统速率 的提高。为解决这一问题，l u c e n t 提出了一种新型的成帧协议一简化数据链路协议( s d l ) 。 s d l 借鉴了a t m 信元定界的思想，在帧头添加净荷长度指示字节和帧头循环冗余校验 ( c r c ) 字节。在预同步阶段可利用c r c 校验识别帧头，同步后通过长度指示字节即可快速 地实现帧定界。基于以上改进，s d l 可将p o s 的速率提高到2 5g b i t s 。 3 i p g e ( g i g a b i te t h e m e t ) w d m 该方案在纯计算机网络环境中具有很大优势。( 1 ) 与 s d h 相比，以太网更适合承载突发性的i p 业务：( 2 ) 全网都采用一致的以太网帧格式，不 需要路由器完成任何的映射或分段重组操作，因此网络接口简单，工作效率很高；( 3 ) 通 过局域网即可实现i p 业务的接入和支路传输，成本低。该方案的不足之处在于：以太网的 帧结构中缺乏必要的管理与维护开销，在长距离传输时不能提供与s d h 一样的性能监测 和故障定位能力。而且，以太网采用异步传输，当传输距离较长时，网络对抖动和定时敏 感，传输质量难以保证。 2 1 2i po v e rw d m 波长交换光网络 i po v e r 点到点w d m 系统在很大程度上缓解了i p 业务的迅速发展对带宽的渴求。但是， 随着i n t e m e t 流量的迅速膨胀，这类技术的固有缺陷也逐渐凸现出来：首先，多层协议栈 造成了系统冗余，增加了维护成本；其次，由于光层无联网功能，完善的系统功能需要由 多层协议栈来实现，因此协议栈中的任何一层都可能限制整个系统的发展；还有最重要的 一点，w d m 系统仅充当点到点的高带宽传输通道，i p 分组的交换和路由仍依赖于路由器， 网络流量的中继需要高吞吐量的核心路由器来完成。由于处理负担重，核心路由器往往技 术复杂、成本很高。但是，由于电器件的集成度受限于m o o r e 定理，随着光层传输带宽的 不断增加，核心路由器必将成为制约系统发展的瓶颈；最后，光层不具备智能，其资源调 度策略不能与i p 业务的统计特点相匹配，网络资源利用率低。 为解决i po v e r 点到点w d m 系统的诸多不足，人们提出了i po v e rw d m 波长交换光网 络的概念。i po v e rw d m 波长交换光网络的网络结构如图2 3 所示。光网络由光交叉连接 器( o x c ) 或光分插复n 器( o a d m ) 组成。这些网络节点在分布式控制平面的控制下，具有 波长交换功能，可为边缘路由器动态提供端到端的光通道( l i g h t p a t h ) ；边缘路由器通过光 接口直接与o x c 相连，负责汇聚流量、实现i p 层与光层之间的带宽适配。所以，i po v e r w d m 波长交换光网络也称为i po v e r 可重构w d m 网络。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p m p l so v e rw d m 双层网络技术和业务 图2 3i po v e r 波长交换光网络 波长交换光网络通过引入智能化的控制平面，使网络能够根据业务的波动和网络拓扑 的实时变化动态调整和分配网络资源，从而提高网络传输效率。 为了实现i po v e rw d m 波长交换光网络的传输，出现了多协议波长标签交换( m p l s ) 技术，它将标签交换的概念扩展至包括波长选路和波长交换的光通道。从而将m p l s 流量 工程控制与波长交换光网络巧妙的结合了起来。m p l s 的交换颗粒是波长，标签是信道或 者波长。利用i p 选路协议来发现和广播网络拓扑，利用m p l s 信令协议来实现波长通道 的自动指配。这种方法可以使边缘路由器动态地要求光网络提供所需波长，实现统一的网 络控制和快速的业务供给，使网络资源得到最佳利用；同时，它也简化了的网络管理和控 制，降低了网络运行和业务拓展成本，利于网络的扩展。 在i po v e rw d m 波长交换光网络中，随着m p ) , s 和波长交换技术的应用，传统的i po v e r w d m 多层协议栈将逐渐坍塌，网络结构也会得到很大程度的简化。然而，多层协议栈的 坍塌并不是简单地丢弃某些层，而是通过引入m p l s 和m p a , s 等技术，对原来a t m 、s d h 等每一层的功能进行了重新分解与整合：在i p 层，由m p l s 来支持标签交换，执行流量 工程：在光层，由m p l s 控制光节点为承载i p 业务提供波长路由，由光层开销整合s d h 的网络管理和性能监测能力。这种更加紧密的i p 到w d m 的集成网络结构简化了层间管理 与控制，提高了操作效率，增加了节点吞吐量，并使光层能够快速响应i p 层的带宽需求。 但是在i po v e rw d m 波长交换光网络中，为了实现带宽适配，边缘路由器往往需要进 行大量的复用和解复用操作，以便把高速光信号变换成可处理的低速电信号。这不仅增加 了设备的复杂性和成本，而且使边缘路由器成为新的电子瓶颈。另外，波长交换本质上是 一种光层的电路交换，其处理颗粒和带宽分配策略并不适合承载突发性的i p 业务。所以， i po v e rw d m 波长交换光网络有逐渐向i po v e r 光分组交换网的方向发展的趋势。它将电分 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p m p l so v e rw d m 双层网络技术和业务 组交换技术向光层延伸。因为这种技术还未成熟，也不是本文讨论的重点，我们在此不再 详述。 2 2i po v e rw d m 技术 2 2 1i po v e rw d m 的原理 i po v e rw d m 的基本工作原理是光纤直接与光耦合器相连，耦合器把各波长分开或组 合，输入和输出端都用简单的光纤连接器。在发送端，将不同波长的光信号组合( 复用) 送入一根光纤中传输：在接收端，又将组合光信号分开( 解复用) 并送入不同的终端。因 此，i po v e rw d m 是一个真正的链路层数据网，可以通过指定波长作旁路或直通连接，网 络的业务工程可以只在i p 层完成。由于使用了指定的波长，结构更灵活，并具有向光交换 和全光选路结构转移的可能。 i po v e rw d m 网络的主要部件除了激光器、光纤、光放大器和光耦合器外，还包括光 再生器、光转发器、光分插复用器( o a d m ) 、光交叉连接器( o x c ) 和高速路由交换机。 高性能激光器是w d m 系统中最昂贵的器件。光放大器主要作用是放大w d m 的波长。光 耦合器用于将各波长组合在一起或分解开来，起复用和解复用作用。长途w d m 系统中有 电再生中继器。光转发器用于变换来自路由器或其它设备的光信号，并产生要插入光耦合 器的正确波长光信号。光分插复用器和光交叉连接设备在长途w d m 系统中运用较广泛。 光交换机可使a d m 和交叉连接设备作动态配置。 2 2 2i po v e rw d m 的特点 i po v e rw d m 具有如下特点： ( 1 ) 充分利用光纤的带宽资源，极大提高了带宽和相对传输速率： ( 2 ) 对传输码率、数据格式及调制方式透明，可传送不同码率的a t m 、s d h 和干兆以太 网格式的业务； ( 3 ) 目前，w d m 系统的网络拓扑结构只是基于点对点方式，还未形成光网。并且尚未实 现波长标准化，一般取1 9 3 1 t h z 为参考频率，间隔为1 0 0 g h z ； ( 4 ) 不仅可与现有通信网络兼容，还可以支持未来宽带业务网及进行网络升级，具有可 推广性和高度生存性等特点； ( 5 ) w d m 系统的网络管理应与所传输信号的网管分离，但在光域上的光信号处理技术还 r 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p ，m p l so v c rw d m 双层网络技术和业务 不完善，从而导致w d m 系统的网络管理尚不成熟。 2 2 3i po v e rw d m 协议规范 i po v e rw d m 的分层模型，主要有数据网络层、光网络层及适配和管理功能组成。数 据网络层提供数据的处理和传送：光网络层负责提供网络，数据网络和光网络相互独立。 数据网络层的组成设备主要包括a t m 网络层交换机和路由器等，光网络层的组成设备主 要是w d m 终端、光放大器及光纤等。在i po v e rw d m 光网络中，高性能的数据互连设备 ( 如交换机和路由器等) 可直接与光纤相连，也可以连接在向各类客户( 如a t m 交换机、 路由器或s d h 网元设备等) 提供光波长路由的光网络层上。 i po v e rw d m 的协议模型，包括i p 层协议、i p 适配协议、光传输段协议、w d m 光 复用段协议和w d m 光传输段协议等。i p 层协议包括i p v 4 和i p v 6 等。i p 适配层协议用于 进行口多协议封装、分组定界、差错检测以及服务质量控制等。光通路协议包括数字客户 适配、带宽管理( 比特率和数字格式透明) 和连接性证实等功能。光复用段功能包括带 宽复用、线路故障分段、保护切换及其它传送网维护功能。光传输段功能包括高速传输( 色 散补偿) 和光放大器故障分段等功能。 2 。3m p l s 技术 2 3 1m p l s 原理 多协议标记交换m p l s 是一种新出现的技术，旨在解决与当前联网环境中使用的分组 转发技术相关的许多问题。m p l s 体系结构描述了实现标记交换的机制，这种技术兼有基 于第二层交换的分组转发技术和第三层路由技术的优点。m p l s 体系结构被分为两个独立 的组件：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 换机维护的标签转发数据库，根据分组携带的标签执行数据分组的转发任务。控制组件负 责在一组互联的标记交换机之间创建和维护标签转发信息。图2 4 显示了执行一个i p 路由的 m p l s 节点的基本结构。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p m p l so v e rw d m 双层网络技术和业务 厂、 七嚣嚣 标签转发表埘：麓卿 x 节点的数据平面 图2 4m p l s 节点结构 在p 层( 第三层) 路由器根据分组头的信息来决定如何转发。先对分组头进行分析， 然后通过一定的路由算法来决定转发处理，可以视为两个步骤的处理。将分组划分为一系 列的转发等价类f e c ( f o r w a r d i n ge q u i p m e n tc l a s s e s ) ，每一个转发等价类都映射到下一跳 上。同传统的i p 网络相比，当分组进入m p l s 网络时就被分配一个标签。在接下来的转发 中，标签用来查询转发表得到下一跳的地址和一个新的标签。旧的标签同新的标签交换， 分组被转发到下一跳。分组所经过的路经称为标记交换路径l s p ( l a b e ls w i t c h e dp a t h ) 。如 果这些l s p 按照同一种方式进行转发，他们就可以在一些特殊的结点合并在一起( 例如， 通过同一个下游路径，有同样的转发处理等) 。这称为标记合并。 m p l s 的一个关键特点是一旦l s p 所需要的标签经过l s p 建立、标记分发协议分配后， 通过l s p 传送的媒介标记交换路由器l s r 就不需要再验证l s p 上数据分组的内容。几个标签 可以同时放在同一个分组上形成一个标签栈，几个l s p 隧道之间相互嵌套。因此最外面的 l s p 成为通过中间l s r 的隧道，这样就简化了这些l s r 的转发表。显示路t 虫l s p 是通过非 正常i p 路由方式确立的。这需要一个l s p 的管理系统代表。 m p l s 优点如下： 一、m p l s 节点转发分组时不需要分析i p 分组头，这样就加快了转发的速率。 二、将一个分组划分到一个f e c q b ，入口路由器可以像接口一样利用分组的分组头内容之 外的信息。因此，f e c 的分配不会影响到网络中的所有路由器。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p m p l so v c rw d m 双层网络技术和业务 三、通过入口的路由器对分组作出如何在网络中的转发的决定。分组只能沿一条路由进行 选路。 2 3 2m p l s 与光网络的集成 传统的网络构架是基于s d h s o n e t 的光网络，这种网络结构通过协议转换将i p 业务 映射至s d h 帧中，然后在w d m 系统中传送。这样就不能有效地对i p 业务进行区分，并 且分层数目的增多增加了头部开销，降低了分组的效率，从而影响网络的传送效率。如 i p o v e r - a t m o v e r - s d h 的头开销达2 0 多。另外，协议分层的增加造成各层间的功能重复。 这些技术的发展已经在前面章节中介绍过。因此，目前的研究重点向着更加简单有效地将 i p 直接到w d m 的集成方式的方向发展，见图2 5 。随着m p l s 技术和基于波长级的光互 联网技术的发展与进步，人们自然而然地想到能否将m p l s 技术和光网络技术结合起来，在 数据网络范畴内，由m p l s 业务量工程控制层来执行至关重要的选路、监控和网络生存性。 即使用m p l s 来提高网络性能和执行流量工程( t e ) ，同时由光网络层来提供w d m 传输和 波长路由的光层“电路级 联网技术。简而言之，那就是i p m p l s o v e r w d m 技术，如图 2 5 。本文讨论的光网络就基于这种技术。 i p 。 a t m s d h i p 巾以p l s 扁平化 、d m w d m 图2 5w d m 网络的演化 2 4w d m 网络上的业务分配 提及光纤网的优化设计，不可避免的一个问题就是，如何在网络上合理分配业务以及 设置链路尺寸。对于业务需求种类和数量越来越复杂的w d m 网络来说，网络的设计者在 需要考虑的网络吞吐量、用户公平性、网络鲁棒性等多方面因素之间艰难做着取舍。以求 达成一个最合理的分配结果。作为w d m 网上的带宽和链路分配的常识。下面，先来了解 一下常见的弹性业务和分配策略。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p m p l so v e rw d m 双层网络技术和业务 2 4 1 弹性业务 因特网设计之初，是用来为分组业务提供“尽力而为 的服务，这类业务最大的特点 就是可以容忍一定的分组时延和一定数量的丢包率。当可用的网络带宽下降，不足以容纳 用户业务需求时，就会引起丢包和时延。而网络带宽下降的直接原因是用户占用网络资源 的贪婪性，也就是说，当用户业务量增大，需求网络资源增加时，如果网络有剩余资源可 用，它会马上去争抢占用，导致网络带宽下降。这类应用很多，比如w e b 、n p 、e m a i l 等 等。由于这类业务在不同的带宽条件下，具有一定的适应性，我们称之为“弹性业务 。 和“弹性业务 想对应的一种业务，我们称之为“非弹性业务 【l 引，这类业务主要是具 有q o s 要求的实时业务，比如q o sv r o i p 。它对网络的时延和丢包具有严格的要求。为了 满足这样的业务需求，网络需要为这种业务保证一个最小的带宽值。 如果我们定义一个用户可用性函数u ( b ) ，来描述分配给用户的带宽b 和用户需求的满 足程度之间的关系。那么“弹性业务”和“非弹性业务”之间的对比可以用图2 6 说明。 3 b 图2 6 用户可用性函数( 虚线表示“弹性业务 ，实线表示“非弹性业务 ) 2 4 2 网络设计中的公平性策略 网络中的带宽分配，有很多策略。在w d m 骨干网络中，为了防止有的用户相对于其 他用户来讲，获得过多的网络资源，而有的用户却不能获得所需网络带宽，无法完成业务 传输。我们有必要设定一些公平性策略，以防止此类现象的发生。这就是，尽量为相对的 低网络资源占用率用户增加带宽，同时保证整个网络的总带宽利用率尽可能最大。这就是 网络业务分配中的公平性。 下面，我们分三种情况来讨论带宽分配策略。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p m p l so v e rw d m 双层网络技术和业务 2 4 3 带宽分配策略 为了描述优化网络的过程，我们需要一系列严格的数学公式和逻辑推算，还有一个实 际的网络结构图。下面的文章中，我将引入一个给定网络节点和链路分配的具体网络。同 时，将明确在这个网络上的流量需求。 先定义一些参数，这些参数： d = 1 , 2 d 节点之间的流量需求，单位是m b p s 。 e = 1 , 2 e链路 j = 1 , 2 m ( d )实现需求d 的路径 b ：给定链路成本 d ：需求d 的单位收益 c 。：链路e 的代价，用于计算最短路径 a e d j ：如果路径j 中的链路e 实现了需求d ，则a e d j = 1 ；否则为o x d j ：需求d 分配在路径j 中的带宽，单位是m h z 。 y e ：链路e 的容量 我们将致力于以下三个目标： i 如果链路容量没有提前指定，将首先考虑y c 的最优化： 2 实现需求d 的路径j 的最优化： 3 带宽分配】【d i 的最合理配置。 1 最大吞吐量策略 一个最简单的网络分配策略是，得到最大的网络吞吐量。即： m a x i m i z e d 6 0d x d s u b j e c t t o cc e y e =b jx a j= x od = 1 , 2 ，d de ja e a j x d j= y ee = 1 , 2 ，e x d j ，y e = 0 这是一个经典的最优化问题，我们也不难论证：为使得d d ) ( d 最大，所有流量的路由应 保证符合最短路径法则。证明如下： cc e y e = zcc c d z ja c d j 2 d c c c z ja e d j x d j = d e y j c e a e d jx a = d 毛d x d2b l3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i p m p l so v e rw d m 双层网络技术和业务 ( 1 ) 要使得zdd x d 默：，需要) ( d 最大，而由( 1 ) 式可知，需要毛dj 豪j 、，由毛d = 。j c 。a c d j ， 我们很容易得到，需要符合最短路径法则。 我们也容易得到：如果唯一存在一个d 亏d = m a x d 毛d ；d = 1 , 2 ，d ) 。所有的流 量，需要都用于承载需求d 毒，这样，才能使得吞吐量最大。 2 最大最小公平性策略 最大最小公平性策略注重的不是网络的最大吞吐量，而是致力于小用户需求的满足。 因为它考虑了用户的公平性，所以在很多网络中得到应用。它的实施原则可以用下述过程 描述：设定各链路容量和各需求的路由，所有流量初始化为0 ，然后它们同时增加相同的 增量，直到其中一条受限阻塞。然后，剩余的需求再按照相同方式增加相同增量，如此反 复，直到最后一个需求受限阻塞为止。这种方式，我们称为字典序列最大化。数学表达式 如下： 字典序列最大化s o r t ( x l ，x 2 ，x d ) s u b j e c t t o e c e y c =b j 2 x dd = 1 , 2 ，d d ja e d j x d j 2 y e e 2 1 , 2 ，e x d j ，y c =0 因为这种分配方法最大限度的照顾到了各需求的公平性， 价函数： 巾( x ) = m i n ( x ) x d 3 比例公平性策略 所以我们在这里引入公平性能评 ( 2 ) 我们不难猜测，在最大公平性策略的基础上，引入一些比例因子，可能使得公平性得 到保证的同时，总的吞吐量有所增加。文献【1 7 】提出的比例公平性策略便论证了这种假设。 在图2 6 中，我们可以看到，在非固定分配带宽的网络中，链路对用户的可用性函数 是对数形式的。我们在此引入链路对于用户的可用性，即可得到比例公平性策略。线性规 划表达式如下： m a x i m i z e x d ( od l o g x d 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p m p l so v e rw d m 双层网络技术和业务 s u b j e c t t o ec e y e =b e j x a j=xad = 1 , 2 ，d d e ja c a j x d j= y ee = 1 , 2 ，e 酗，y e =0 应用对偶理论【1 8 】，这个凸规划问题可以得到解如下： x d = o b ( 写d d 6 2d ) ，d = 1 , 2 ，d ( 3 ) y c = d ja e d j x a j ，e21 , 2 ，e ( 4 ) 其中，毛d = m i n 毛d j ；j = 1 , 2 ，m ( d ) 。 可以看出，比例公平性策略在把带宽分配给具有最短路径用户需求时，是以保证流量 的对数与收益之积为最大值的前提下进行的。取对数，显然比最大吞吐量策略中取线性函 数有优势。其中最明显的一点是，它保证了每一个用户需求得到的带宽分配都不可能为o 。 这就在一定程度上保证了用户的公平性。 2 4 4 具体设计实例 接下来，通过具体实例演示一下各种分配策略的优缺点。本文假定一个有五个节点和 七条链路所组成的网络模型进行演示。并设网络成本为b = 2 0 0 ，所有路由最大跳数为3 。 为了简洁起见，我们一律用矢量形式标示。如流量) ( d 表示为矢量形式为：x = ( ) ( 1 ，) 【2 ， x d ) ：链路容量和收益系数分别表示为：y = ( y l ，y 2 ，y e ) ，6 2 = ( 6 21 ，6 22 ，d ) 。 于是，网络吞吐量可标示为：0 ( x ) = x c ot o 1 具体网络结构 我们假定所有链路的节点、链路号以及链路代价c 。如图2 7 ： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i p m p l so v c i w d m 双层网络技术和业务 图2 7 具体网络结构( 括号内的是链路成本) 需求以及相关参数如表2 1 ： 表2 1 图2 7 所示网络的需求以及相关参数 d = 1d = 2 d = 3 d = 4 d = 5 d = 6d - - - 7d = 8d = 9d = 1 0 节点l ，2 1 ，31 ，41 ，52 ，3 2 ，42 ，5 3 4 3 ，54 ，5 125 5 ，6 3 4 2 ，5 76 可选路径3 7 5 ，4 1 ，31 ，42 ，7l ，21 ，53 ，43 ，4 ，65 , 2 ，7 ( 链路)4 ，6 2 ，35 ，4 ，32 , 3 ，41 ，4 ，62 ，5 ，43 ，7 ，67 ，62 , 5 ，64 ，3 ，7 收益 1 82 42 12 73 51 03 o2 21 63 2 系数( u d ) 最短路径 l252 ，7343 ，73 ，476 毛d 1 64 12 65 42 01 53 33 51 33 9 2 最大吞吐量策略 结合图2 7 以及表2 1 ，我们把变量值带入2 4 3 节的整数线性规划表达式，利用c p l e x 求解如图2 8 ： 1 6 南京邮电学硕士研究生学位论文第= 章i p m p l s w d m 双层阿瞎技术自业务 o 4 1 一o n 1 6 7 7 r 一= e r