（通信与信息系统专业论文）波分复用光网络中生存性策略的研究.pdf

摘要 波分复用光网络中生存性策略的研究 摘要 基于波分复用和波长路由技术的波分复用光网络不仅能够以低廉的成本传输巨 大的容量，而且能够实现对不同传输码率、数据格式和调制方式的透明传输，因此 目前已经被作为高速骨干网的最佳解决方案。由于在波分复用光网络中传送的信号 容量极大( t b p s 量级) ，即使短时间的网络故障也会造成大量的信息丢失，因此w d m 光阿络的生存性问题显得至关重要，一般要求在5 0 m s 以内恢复网络故障。虽然目前 己经提出了许多生存性策略，然而这些策略都陷入了一个两难境界，即如果保证了 网络故障的快速保护恢复，就不得不牺牲网络资源的利用率，相反，如果想提高网 络资源的利用率，又不得不牺牲网络故障的保护恢复速度。 本文对波分复用光网中的资源分配和生存性策略进行了研究，旨在寻找一种能解 决上述困境的生存性策略，即在保证快速保护恢复网络故障的同时，设法提高网络 资源的利用率以降低网络运营的成本。本文的第一章是绪论，第二章详细介绍了预 置保护圈的概念，我们所做工作主要集中在第三至第五章，主要包括以下内容： 第三章研究了预置保护圈( p 圈：p r e c o n f i g u r e dp r o t e c t i o nc y c l e ) 的优化设计问 题。我们首次提出了多容量预置保护圈的概念，并建立了相应的整数线性规划( i l p ： i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) 模型，在充分考虑每条圈链路上的备份资源的实际使用 情况后，计算出每一条圈链路上真正需要配置的备份资源。在此基础上又提出了一 个备份资源修正算法，以调整求解 l p 模型得到的结果以确保多容量p 圈的预置特 性。由于在为每一条圈链路配置备份资源的时候，充分考虑了故障恢复时的真实需 求，因此可以获得比传统p 圈( 即等容量p 圈) 更高的网络资源的利用率。在这一 章，我们还首次提出了两种p 圈保护倒换策略，即折回路由保护倒换策略和源路由 保护倒换策略。这两种p 圈保护倒换策略分别在恢复路径长度、网络资源利用率和 保护恢复速度等方面作了折衷，因此分别适用于不同的需求。 第四章研究了动态业务下的预置保护圈优化设计问题。我们融合预置保护圈( p 圈) 和保护容量包封( p w c e ：p r o t e c t e dw o r k i n gc a p a c i t ye n v e l o p e ) 两种思想，独立 提出了一种全新的基于p 圈的最大保护容量包封的保护策略，即p c m p w c e 上海交通大学博士论文 f p c y c l eb a s e dm a x i m u mp w c e ) 。这种保护策略可以直接应用于保护动态业务，而不 像传统的p 圈设计方法只适用于静态业务。我们提出的p c m p w c e 保护策略分两步 实现，即( 1 ) 首先，建立一个整数线性规划模型( i l p ) ，通过求解该i l p 模型，得 到一个给定网络中的最大保护容量包封( m p w c e ) 和一个用于保护这个m p w c e 的p 圈集：( 2 ) 其次，在这个m p w c e 中采用最短路径算法为业务请求建立一条最 短工作路径。由于算法的第一步已经保证了在m p w c e 中的工作容量已经由一个预 置的p 圈集提供1 0 0 的保护恢复，所以只要在这个静态预置的m p w c e 中路由的所 有工作业务都是可以被1 0 0 保护恢复的。也就是说，采用p c m p w c e 时，只需要 为到达的业务请求建立一条最短工作路径即可，而不再需要同时为它建立另外一条 保护路径。可见，p c m p w c e 策略的网络操作非常简单，而且具有良好的扩展性。 通过对p c m p w c e 和其它几种经典算法( 如1 + 1a p s ，f i r 和s p r 等) 仿真比较 后发现，p c m p w c e 具有优越的综合性能即可以同时具有快速的保护恢复速度、 高效的网络资源利用率、良好的网络扩展性能以及简单的网络操作管理。特别地， p c m p w c e 可以很好地避免l + la p s 和共享路径保护策略的t r a p 问题，因此在这 种情况下p c m p w c e 具有更加突出的性能。 第五章研究了如何在遵循目前标准组织所采纳的机制的前提下实现网络故障的 快速保护恢复和网络资源的高效利用。尽管第四章中提出的p c m p w c e 算法具有优 越的综合性能，但由于所采用的保护工作容量包封( p w c e ) 的方法与目前设备制各 商和标准组织采纳的机制( 即工作路径被另一条链路不相关的备份路径保护) 不相 同，因此，p c m p w c e 可能在短时间内无法被设备制备商和标准组织采纳。因此， 我们在第五章提出了一个崭新的概念，即p b u s 。和预置保护圈相比，p b u s 具有两 个明显的优势：( 1 ) p b u s 具有更加灵活的构造形式。预置保护圈( p 圈) 只是p b u s 的一种形式。( 2 ) p b u s 不仅遵循目前保护机制的标准，而且可以直接为动态业务提 供灵活的保护恢复。我们通过数值仿真的方法，把p b u s 保护策略和三种经典的网 络保护策略进行了比较，数值结果表明p b u s 保护策略不仅能够快速保护恢复网络 故障，而且和i + i 自动保护倒换策略相比，明显提高了网络资源的利用率和网络阻 塞性能。特别地，p b u s 保护策略可以很好她避免l + l 自动保护倒换策略和共享路 径保护策略的t r a p 问题。在那些容易产生t r a p 的网络中，p b u s 保护策略可以表现出 比共享路径保护策略更加优越的性能。 关键词：波分复用光网络生存性策略，预置保护圈，预黄保护线，整数线性规划， 启发式算法 i i 摘要 s t u d i e so fs u r v i v a b l es t r a t e g y i nw d mo p t i c a l n e t w o r k s a b s t r a c t 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 ) o p t i c a ln e t w o r k s ，b a s e do nw a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga n dw a v e l e n g t h r o u t e dt e c h n o l o g y , h a v ee m e r g e da sap r o m i s i n g t r a n s p o r ts o l u t i o na n dat e c h n o l o g yo fc h o i c ef o ri m p l e m e n t i n gn e x t - g e n e r a t i o nd a t a n e t w o r k s i tf e a t u r e sn o to n l yo nt h eh u g eb a n d w i d t h ，b u ta l s oo nt h et r a n s p a r e n c yo f d 诳 e r e n tt r a n s p o r tc o d er a t e s d a t af o r m a t sa n dm o d u l a t i o n s a st h ea m o u n to ft r a m c c a r r i e di s l a r g e la n ys i n g l e f a i l u r ec a nb ec a t a s t r o p h i c s u r v i v a b i l i t yb e c o m e s i n d i s p e n s a b l ei nw d mo p t i c a ln e t w o r k s t h e r e f o r e ，i ti si m p e r a t i v et od e s i g nn e t w o r k s t h a tc a nq u i c k l ya n de f f i c i e n t l yr e c o v e rf r o mf a i l u r e s t h et y p i c a lr e s t o r a t i o nt i m e r e q u i r e m e n ti nw d mo p t i c a ln e t w o r k si so ft h eo r d e ro f5 0 m s o pt on o w av a r i e t yo f s u r v i v a b i l i t ys t r a t e g yh a v eb e e np r o p o s e df o rw d mo p t i c a ln e t w o r k s ，s u p p o r t i n gar a n g e o f t r a d e o f f sa m o n gr e s t o r a t i o ns p e e d , c a p a c i t ye f f i c i e n c ya n ds c a l a b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ei n v e s t i g a t i o no fr e s o u r c ea l l o c a t i o na n ds u r v i v a b i l i t y s t r a t e g yi nw d mo p t i c a ln e t w o r k s w et r y t of i n das c h e m et ob r e a kt h ec h a l l e n g i n g t r a d e o f f sa m o n gr e s t o r a t i o ns p e e d ，c a p a c i t ye f f i c i e n c ya n ds c a l a b i l i t y t h ef i r s tc h a p t e ri sa ni n t r o d u c t i o np a r t t h es e c o n dc h a p t e ri st h ed e t a i li l l u s t r a t i o no f t h ec o n c e p to fp - c y c l e s ( p r e c o n f i g u r e dp r o t e c t i o nc y c l e ) m o s to fo u rw o r ki sd e s c r i b e d f r o mc h a p t e r3t o5 t h em a i n w o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： t h et h i r dc h a p t e rd i s c u s s e st h eo p t i m a ld e s i g no fp c y c l e si nw d m o p t i c a ln e t w o r k s an o v e lc o n c e p to fm u l t i - c a p a c i t yp - c y c l e s ( m c c ) i sp r o p o s e d i np r e v i o u s l yp r o p o s e d p - c y c l e s ，e a c ho n - c y c l es p a ni sa l l o c a t e dw i t ht h es a m es p a r ec a p a c i t y , e v e nt h o u g hi ti s n o tr e q u i r e df o rs o m es p a n s t h a ti s ，t h ep r e v i o u s l yp r o p o s e dp - c y c l e s ，r e f e r r e dt oa s s i n g l e c a p a c i t yp - c y c l e s ( s c c ) ，m a yo v e r e s t i m a t et h eb a n d w i d t ht h a tn e e d st ob e i 上海交通大学博士沦文 r e s e r v e do ns o m eo n - c y c l es p a n s h o w e v e r , i nm c c ，e a c ho n c y c l es p a nm a yr e s e r v e d i f f e r e n ts p a r ec a p a c i t ya c c o r d i n gt ot h eb a n d w i d t hr e q u i r e m e n to nt h es p a nf o rf a i l u r e p r o t e c t i o n t h e r e f o r e ，m c cc o u l da c h i e v eh i g h e rc a p a c i t ye f f i c i e n c yt h a ns c c m c ci s d i m e n s i o n e db yt w os t e p s ：( 1 ) i nt h ef i r s ts t e p ，a ni l pm o d e li sf o r m u l a t e dt of i n das e to f c y c l e s ，w h o s ee a c ho n c y c l es p a nh a sd i f f e r e n tc a p a c i t y ；( 2 ) i nt h es e c o n ds t e p ，f o re a c h m c c ，t h ec a p a c i t yi ne a c ho n c y c l es p a ni sa d j u s t e dt ok e e pt h ep r e c o n f i g u r a t i o nf e a t u r e o fp - c y c l e s t w op r o t e c t i o n s c h e m e s ，i e ，w r a p p i n gp r o t e c t i o n ( w p ) a n ds t e e r i n g p r o t e c t i o n ( s p ) ，a r ea l s op r o p o s e dh e r e ，s u p p o r t i n gar a n g eo ft r a d e o f f sa m o n gr e s t o r a t i o n s p e e d ，c a p a c i t ye f f i c i e n c y , a n dt h el e n g t ho f r e s t o r a t i o np a t h s t h ef o r t hc h a p t e ri n v e s t i g a t e st h eo p t i m a ld e s i g no fp - c y c l e sw i t hd y n a m i ct r a f f i c w e i n d e p e n d e n t l yp r o p o s e das c h e m e ，r e f e r r e dt oa sp - c y c l e s b a s e dm a x i m u mp w c e ( i e ， p c m p w c e ) ，w h i c hc a no f f e ra na t t r a c t i v ec o m b i n a t i o no ff e a t u r e s ：r i n g l i k es p e e d ， m e s h - l i k ec a p a c i t ye f f i c i e n c y , g o o ds c a l a b i l i t y , a n ds i m p l i c i t yo fo p e r a t i o n s p c m p w c e i sr e a l i z e db yt w os t e p s ：( i ) t h em a x i m u mp w c e ( m p w c e ) i nag i v e nn e t w o r ki s d e t e r m i n e db ya ni n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ( i l p ) m o d e l ；( 2 ) e a c hl i g h t p a t hr e q u e s ti s r o u t e dv i ai t ss h o r t e s tp a t hi nt h em p w c e av a s tn u m b e ro fs i m u l t a n e o u s l yp r o v i s i o n e d w o r k i n gp a t h sc a r lb ea c c o m m o d a t e dw i t h i nt h es t a t i c d i s t r i b u t e dm p w c e ，a n dt h e w o r k i n gp a t hi nt h em p w c e c a nb ep r o t e t e c t e di n h e r e n t l yb yt h ep - c y c l e sd e t e r m i n e db y t h ei l pm o d e l t oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fp c m p w c e ，w ec o m p a r ei tv i a s i m u l a t i o n w i t hl + 1a p sa n dt w ow e l l k n o w ns b p p ( s p ra n df r o ) o u rs i m u l a t i o ns h o w st h a t p c m p w c ec a na c h i e v em u c hb e r e rb l o c k i n gp e r f o r m a n c et h a n1 + 1a p s ，a n dp e r f o r m t h es i m i l a rb l o c k i n gp e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t ye f f i c i e n c ya ss b p pw i t h o u ti n c r e a s i n gt h e l e n g t h so fr e s t o r a t i o np a t h s i nt h ef i f t hc h a p t e r , w ep r o p o s ean o v e lc o n c e p to fp r e - c o n f i g u r e db u s ( i e ，p - b u s ) ， w h i c hi sap r e c o n n e c t e dp a t ho fs p a r ec a p a c i t y u n l i k ep - c y c l e s ，p - b u sc o u l db ea n a r b i t r a r yl i n ea sl o n ga si ti sp r e - c o n f i g u r e db e f o r ef a i l u r eo c c u r r i n g t h e r e f o r e ，p - c y c l ei s j u s tac a s eo fp b u s m o r e o v e r , p - 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c y c l eb a s e dm a x i m u mp w c e p r o t e c t e dw o r k i n gc a p a c i t ye n v e l o p e q u a l i t yo f p r o t e c t i o n r e l i a b i l i t yo fs e r v i c e 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 h a r e db a c k u pp a t hp r o t e c t i o n s h o r t e s tp a t i lf i r s t s h o r t e s tp a t hr e s t o r a t i o n s h a r e dp r o t e c t i o nr i n g s t e e r i n gp r o t e c t i o nb a s e dp c m p w c e v w pv i r t u a lw a v e l e n g t hp a t h 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 w p w a v e l e n g t hp a t h w - p c m p w c ew r a p p i n gp r o t e c t i o nb a s e dp c m p w c e 自动保护交换 可靠性分类 专用保护环 完全网络信息保护策略 完全波长转换器 整数线性规划 最小拥塞路径 最小负载路径 有限波长转换器 混合整数线性规划 光分插复用器 光码分复用 正交时分复用 预置保护圈( p 圈) 预置保护总线 基于p 圈的最大p w c e 受保护工作容量包封 保护质量 服务可靠性 波长路由分配 共享路径保护策略 最短路径优先 最短路径保护策略 共享保护环 基于源路由保护策略 的p c m p w c e 虚波长路径 波分复用 波长路径 基于折回路由保护策略 的p c m p w c e 上海交通大学学位论文答辩决议f 5 所扫二。# 科 中i 打肴 祝姻龙_ i i 】i 信倍髓，系统 ( 0 i ，) 论文题h波分复h 4 比i 嘲络中，l 存性策略的研究 播辩日州2 0 5 年3 川1 0f i ：|地r 海交人消然高科挫人坦 答辩委受会成员 蚓名 单位 职称签轵 自英彩 上海交人 教援 锩警兰 高传善复口大学教授 旁己拓 i ! i f j 甲生上海交人教授 1 ；：旧蔓 黄肇踢 ? 上海人学教授 雷摩师 陈云志光桥科技上海研发中心研究员 嘁舻 肖“林 上海交大教授 谁如 曾庆济 上海交大 教授 弧 评语和决议：l 嚷沧业矗国内外现有母f 究盛粜的薹毽对谪丹蔓用光同络中生存悱最喀进行了潭 的_ 宪囊荐7 栅下斛轿性研甓成果。瓷 堂选题具有重要的理谁孽义祁蛮用价值。 讨赦提m # 窖量礅置保护匿的概念- 采用多嚣鞋孙置懈护圈保护蘸蝣可耻获得比传统琢蕾慑护蟹更高的网络赉谭捌用奉酋 援提m 一种适 相箕保护圈的保护鲥换方亍士哿折龉m 保护倒换方法舟l 潭路由懈护倒换方法提出基千便置僚护匿的墨 保护i 件喜昔乜封律护蕺蟾- 邸p d m p w c e p e m f v ：c en 肯优良的练台性德快逢竹嚣护馁璧、高箍的瞬络诲谭利甩率，矗好的扩 喂矬啦腱琦单d 同 苫操作管理苜援撮出了p b u i 的槲念片为f - i l u s 保护镶喀建立了启麓式算陆p 粕懿护薰略币侗巷精b 簖 设嚣制造商轴际准缜捂所采纳髀机耕旃且逛r 器娅建保护饿复能力柙- 嬗舯阡培餐潭利用率 - e 内挥克宝，慨念正确。作者琏哀丁# 耩破目榆常的学术论盈掉申请了多项凰衷麓晦e 刺替雠过程中缸琏清斯，i 嶙 符超i f 龋 e t # m 吣垛卉水中厦峨* 嚣c 掌擞r h i 卓n 0 删皓聃k b 柑舔境蹀入姚专虬“谐鞋* 腱啦科蜡l 怍的能力慢蹭粹辩 萎挺垒k 谴扛心尝挺r k t 拽阿盎埘址溉埘地f 量呐蚪学“论史棒耕讣述谊授f _ i i ；f 学噼t 学雠 表决芝魏辩参黔置记络般豫左农，一狱l 罨乏缸枕田蕙t 薅善锯博士罾瞄乏美 黼一稚髑摹王棒盼 答锻雌。螂麟魂杉， 刚。歹h o 上海交通大学 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：祝国龙 锄酶 日期：2 0 0 5 年3 月日 上海交通大学上海父逋大罕 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、使用学位论文的靓定，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。 本学位论文属于 保密口，在一年解密后适用本授权书。 不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：祝国龙 现矾 日期：2 0 0 5 年3 月日 指导教师签名：曾庆济 日期：2 0 0 5 年3 月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着科学和技术的发展，人们对信息的需求与日俱增。随着上网人数的不断增加， 数据、图像、语音和视频业务占用了大量的网络资源，而且网络中数据业务量已经 超过了传统电话网络中的语音负载。因此，人们迫切需要建立一个低成本高带宽的 网络。这了实现这一目的，采用近3 0 t h z 巨大带宽容量的光纤来传输信息成为通信 发展的潮流 1 】。 随着密集波分复用技术( d w d m - d e n s ew a v e l e n g t hd e v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的发 展，通信传输容量得到了极大地提高 2 ，3 】。利用光分插复用( o a d m ：o p t i c a la d da n d d r o pm u l t i p l e x e r ) 和光交叉连接( o x c ：o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ) 技术构成的波长路由 全光网络已经成为当今光纤通信发展的热点。但是，由于光网络中传送的信号容量 极大( t b p s 量级) ，所以短时间的网络故障也会丢失大量的信息。比如光缆的断裂会 影响大量的应用，从而在经济上造成巨大的损失 4 】。据美国明尼苏达大学的研究结 果估计，通信中断l 小时可以使保险公司损失2 万美元，使航空公司损失2 5 0 万美 元，使投资银行损失6 0 0 万美元。如果通信中断2 天则足以使银行倒闭。可见通信 网络的生存性己成为现代网络优化设计的至关重要的衡量指标，也成为市场开放环 境下网络运营商或业务提供商之间在争夺用户时重要的竞争焦点。而如何使得网络 更加安全、更加可靠地运行；如何在故障发生时能够尽快恢复业务同时尽量保证现 有服务，尤其是保证关键服务的连续性，即实现网络的生存性，已经成为目前网络 研究的一个热点。 1 2 w d m 光网络 随着个人电脑普及而带来的的飞速发展，信息爆炸刺激了全球通信业务的疯狂增 长。由于光纤的传输速率高、错误率低，使得光通信网络迅速成为骨干传送网的主 要传送平台。基于光网络可望实现视频点播、实时多媒体会议、实时远程医疗、计 算可视化、高速并行和分布式计算等许多应用。 为了进一步提高带宽资源的利用率，目前提出了三种光通信网的复用技术，即波 上海交通大学博士论文 分复用( w d m ：w a v e l e n g t hd e v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、时分复用( o t d m ：o r t h o g o n a l t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 和码分复用( o c d m ：o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 。 所谓波分复用技术，就是在发送端将不同的波长信号复用起来，并耦合到光缆线路 上的同一根光纤中进行传输，在接收端又将复用起来的光信号解复用，并做进一步 处理后恢复出原信号以送入不同的终端。w d m 技术使光纤的传输容量得以极大提 高，为高速大容量的宽带综合业务网的传输提供了有效的途径。近年来，密集波分 复用( d w d m ) 技术的发展使光纤的利用率得到了进一步的提高，使点到点的光纤 大容量传输技术取得了突破性的进展。目前，单根光纤的最大传输容量约为1 0 9 2 t b p s ( 2 7 3 个波长，每个波长承载的最大传输容量为4 0 g b p s ) 。b e l l 实验室已有报道，可 以在单根光纤上传输1 0 2 2 个波长。近年来，光时分复用( 0 t d m ) 技术的研究取得 了一定的突破。由于该技术在光纤中采用单一波长进行传输，不存在多路光信号叠 加而产生串扰和拉曼散射问题，非常有利于光交叉连接设备进行上下业务。最近人 们开始研究如何将d w d m 、o t d m 和0 c d m 三种技术结合起来，比如在每一个时 隙进行码分多址复用，然后进行时隙复用，最终进行密集波分复用，这样可以使整 个网络的传输速率接近光纤的可用带宽资源。 w d m 技术不仅可以充分利用光纤中的带宽，而且其多波长特性还具有将光通道 进行直接联网的优势，促使波分复用系统由传统的点到点传输系统向波长路由光网 络的方向发展，因此，一般地，把单信道低速的点到点传输系统称为第一代光网络， 而把波长路由光网络称为第二代光网络。 在第一代光网络中，光主要应用于点到点的传输过程，为了获得比铜质电缆低得 多的误码率和高得多的容量，光纤成了理想的替代品，然而复用、交换、保护等与 网络传送相关的功能都需要转化到电层来处理实现，低速业务流在每一个中间节点 都要经过光电光( o e o ) 变换处理。因此，在第一代光网络中w d m 技术被仅 仅用于点到点传输，它提供了原始的传输带宽，但不能实现灵活的组网。 在第二代光网络中，采用了光线路终端( o l t ：o p t i c a l l i n e t e r m i n a t i o n ) 、光分插 复用器( o a d m ) 和光交叉连接器( o x c ) 等核心网元，实现了在光域中对业务流 的交换和路由功能。节点能把经过而不是起止于该节点的业务在光域中进行交换， 避免了在本地的电处理，从而大大减轻了节点上进行电处理的压力，消除了中间节 点的电处理瓶颈。第二代光网络被称为波长路由光网络( w a v e l e n g t h r o u t e do p t i c a l n e t w o r k ) ，又称为光传送网( o t n ：o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 【5 - 7 。o a d m 能够提 供上下或者旁路业务，它常常用来组成环形网络，而o x c 能把从一根光纤某一波长 进来的业务交换到另一根光纤的同一波长( 如果该波长空闲的话) 中去，o x c 能够 第一章绪论 用来构建复杂的w d m 网络，如格状网。通过o a d m 或者o x c 构建的w d m 网络 的一个共同特点是低速业务流可以经过多个节点仍在光域中传输，无须经过电处理。 o a d m 和o x c 能够在入纤和出纤之间进行波长交换的功能也使得光网络的重构成 为可能。 1 3w d m 光网络的波长路由分配问题 所谓波长路由问题，就是指在w d m 光网络中为一个连接请求建立一条通信路 径，并为该通信路径所经过的每条链路上分配一个波长的问题。典型的连接请求可 以是静态的( s t a t i c ) 、增长式的( i n c r e m e n t a l ) 和动态的( d y n a m i c ) ，我们分别称之 为静态业务模式、增长式业务模式和动态业务模式。在静态业务模式下，要建立的 所有连接请求都是预先确定的，问题是如何为这些连接请求建立光通道以使得网络 中所使用的波长或光纤链接资源最少，或者是在给定的波长资源下建立尽量多的连 接请求。对于增长式业务模式，连接请求依次到达，并且建立后的光通道一直保留 在网络中。而动态业务模式下，网络为每一个到达的连接请求建立光通道，并在连 接释放请求到达时释放对应的光通道，每个光通道只在网络中存活一段有限的时间。 增长式业务模式和动态业务模式下路由和波长分配的目标都是最小化连接被阻塞的 概率，或者是最大化网络中任一时刻能够建立的连接数。 静态业务模式下的路由和波长分配问题可以形式化为混合整数线性规划公式 ( m i l p ：m i x e di n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) ，并采用一些常见的线性规划软件如l p s o l v e r ，l i n g o ，c p l e x 等来求解，但由于它是一个n p 完全性问题 8 】，m i l p 算法只 适用于中小规模的网络，对于大规模网络则要采用启发式算法。增长式业务模式和 动态业务模式下的路由和波长分配问题更加复杂，一般采用启发式算法来求解。 为了减少问题的复杂性，r w a 问题常被划分为路径选择和波长分配两个子问题 分别进行处理。为了最小化网络的资源( 如波长，波长转换器等) ，r w a 成为提高 网络性能的关键。r a m a s w a m i 等证明r w a 是个n p 完全性问题 7 。 1 3 1 常用路由算法 在采用启发式算法进行波长路由时，常采用的路径选择策略有固定路由( f i x e d r o u t i n g ) 备选路由( a l t e m a t i v er o u t i n g ) 芹 f l 自适应路由( a d a p t i v er d u t i n g ) 三种 9 1 3 。 固定路由( f i x e dr o u t i n g ) ：即在每次路由时都遵循固定的路径，而通常又以固 定最短路由s p f ( s h o r t e s tp a t hf i r s t ) 最为常用，例如d i j k s t r a s 算法、b e l l m a n f o r d 上海交通大学博士论文 以及计算出所有节点对之间的f l o y d 算法。固定路由算法简便、快速，前两者的计算 复杂度为0 ( 2 ) ，而f l o y d 计算复杂度为0 ( 妒) ，其中为网络中的节点数。但是， 固定路由算法在网络负载重时会带来很高的阻塞率，且在对待网络的故障方面显得 无能为力。 固定备选路由( f i x e d a l t e r n a t er o u t i n g ) ：与固定路由不同，备选路由同时考虑 多条路径，一般同时选出k 条最短路径，并按升序排列，依次路由。在对网络生存 性的支持上，各选路由k s p f 有两种实现，即边不相关的k s h o r t e s t l i n k d i