（通信与信息系统专业论文）波分复用光网的业务疏导.pdf

波分复用光网的业务疏导 摘要 j 基于波分复用技术的光传送网络能够以低廉的成本提供巨大的传 输带宽，被广泛认为是下一代i n t e r n e t 的基石。实际网络应用中，大 多数用户的业务需求量仅仅是一条波长通道容量的小部分，并且用 户连接请求的数目大大超过波分复用光网中的波长数目。未来的波分 复用光传送网必须能够满足用户多样的业务需求，包括亚波长粒度的 需求。业务疏导被定义为低速数据流和高速光通道之间有效的复用、 解复用和交换。适当的业务疏导算法能够使得多个用户的数据流有效 的共享波长通道，提高网络的资源利用效率。 业务疏导研究开始于s d h s o n e t 波分复用环网，算法的目的是 通过有效的在波长通道上传输低速用户数据，相应的在各个逻辑 、 s d h s o n e t 环上配置a d m ，来减少所需的s d h s o n e t a d m 数目。，r 一 ， 本文研究了单跳波分复用环网的静态和动态业务疏导，提出了一 种基于演化程序和一种基于混合遗传算法的静态业务疏导算法。数值 计算证明，所提出的算法具有很高的效率和性能。本文还提出了一种 基于遗传算法的单跳动态业务疏导算法。这种算法可以和其它动态业 务疏导算法相补充，共同使用。 摘要 在实际网络建设中，不可能用一个环网覆盖所有结点。尽管更一般 的网状拓扑网络将成为今后的主流，但由于环网技术非常成熟，而且 具有优秀的故障保护能力，因此多环网结构仍然有着大量应用。本文 研究了采用双宿主互连的多个波分复用环网的业务疏导问题，尤其考 彳 虑了多粒度波分复用光网。j 本文提出了一套完整的数学规划公式。由 于得到的公式是非线性的，无法直接求解，所以提出了分步求解的策 略。作为第一步，提出了一种简单的贪婪业务疏导算法，用于在互连 、 环网中确定逻辑拓扑和低速数据流的路由。卜a 。 本文给出了一种具有代表性的多跳多粒度光交叉连接结点结构框 图。探讨了通用多协议标记交换控制平面。f 多粒度波分复用光网业务 t 疏导算法是通用多协议标记交换控制平面的重要组成部分，而通用多 协议标记交换中的多级标记交换通道的概念也和多粒度波分复用光网 、厂厂 中的业务疏导很好的吻合。】最后本文指出动态多粒度业务疏导算法对 于未来光传送网t 光因特网具有非常重要的意义。 关键词：波分复用光网，业务疏导，演化程序，多粒度光网，逻辑拓 扑设计，控制平面 摘要 t r a f f i cg r 0 0 m i n gi n f a v e l e n g t h d i v i s l 0 n m u u t i p l e x i n g o p t i c a ln e t w o r k s a b s t r a c t o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k s ( o t n ) b a s e do nw a v e l e n g t h d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g yh a sm a d e i tp o s s i b l et op r o v i s i o ne n o i t n o u st r a n s m i s s i o nc a p a c i t y w i t hv e r yl o wc o s t ，a n dt h u si sw i d e l yc o n s i d e r e da st h ec o r n e r s t o n eo fn e x tg e n e r a t i o n i n t e r n e t c h o w e v e r , i np r a c t i c a l n e t w o r k a p p l i c a t i o n s ，m o s t u s e r s o n l yr e q u i r e b a n d w i d t h st h a ta r es m a l lf r a c t i o n so ft h ef u i lc a p a c i t yo faw a v e l e n g t h f u n l l e r m o r e t h en u m b e ro fu s e rc o n n e c t i o nr e q u e s t se x c e e d st h en u m b e ro f w a v e l e n g t h sb yaf e w o r d e r so fm a g n i t u d e s f u t u r ew d mo t n sm u s tb ev e r s a t i l et op r o v i s i o nv a r i o u s s e r v i c e st oc u s t o m e r s ，i n c l u d i n gc o n n e c t i o nr e q u e s t so fs u b w a v e l e n g t hg r a n u l a r i t y t r a 币cg r o o m i n gi sd e f i n e da st h ea c to fe f f i c i e n tm u l t i p l e x i n g ，d e m u l t i p l e x i n g ，a n d s w i t c h i n g o fl o w e r r a t et r a f f i cs t r e a m so n t oh i g h c a p a c i t yl i g h t p a t h s a p p r o p r i a t e t r a f f i cg r o o m i n g a l g o r i t h m se n a b l em u l t i p l eu s e t st oe f f i c i e n t l ys h a r et h eb a n d w i d t h so f w a v e l e n g t h s ，a n dt h u si m p r o v e t h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fn e t w o r kr e s o u r c e s r e s e a r c ho nt r a f f i c g r o o m i n gb e g a ni n t h ea r e ao fs d h s o n e tw d m r i n g n e t w o r k s t h eo b j e c t i v eo ft r a f f i cg r o o m i n gi st or e d u c et h en u m b e ro fs d h s o n e t a d m sr e q u i r e db ye f f e c t i v e l ya s s i g n i n g1 0 w e r = r a t eu s e rd a t at r a f f i cs t r e a m so n t o i i g h t p a t h s ，a n da c c o r d i n g l ya r r a n g i n g t h ep l a c e m e n to f a d m so n w a v e l e n g t h s t h i st h e s i ss t u d i e ss t a t i ca n dd y n a m i ct r a 币cg r o o m i n gi ns i n g l eh o pw d m r i n g n e t w o r k s a n e v o l u t i o n a r yp r o g r a m m i n g b a s e dh e u r i s t i ca n da h y b r i dg e n e t i c a l g o r i t h mb a s e dh e u r i s t i ca r ep r o p o s e df o rt h ep r o b l e m n u m e r i c a lc o m p u t a t i o n s h o w s t h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m sh a v eh i g he f f i c i e n c ya n ds u p e r i o rp e r f o r m a n c e t h i s t h e s i sa l s op r o p o s e sag e n e t i ca l g o r i t h mb a s e dd y n a m i ct r a f f i cg r o o m i n ga l g o r i t h mf o r s i n g l eh o pw d mr i n g n e t w o r k s 1 1 1 ea l g o r i t h mc a nb ea p p l i e di nc o n j u n c t i o nw i t h o t h e rd y n a m i ct r a f f i c g r o o m i n ga l g o r i t h m s ，a n d w o r ka sah e l p f u l c o m p l e m e n t a r y a l g o r i t h m i np r a c t i c a ln e t w o r kd e p l o y m e n t i ti si n f e a s i b l et oc o v e ra l ln o d e sw i t has i n g l e r i n g a l t h o u g h t h em o r e g e n e r a l m e s h t o p o l o g y w i l l e v e n t u a l l y b e c o m e st h e p r e d o m i n a n tp h y s i c a lt o p o l o g y i nn e x tf u t u r e0 t n s i n t e r c o n n e c t e d m u l t i 。r i n g n e t w o r k sa r es t i l l w i d e l yd e p l o y e do w i n gt o t h em a t u r i t yo fr i n gn e t w o r k sa n di t s 摘要 e x c e l l e n tf a u l t p r o t e c t i o nc a p a b i l i t y t h i s t h e s i ss t u d i e st r a m c g r o o m i n g i n i n t e r c o n n e c t e dw d m r i n gn e t w o r k sa d o p t i n gt h ed u a l - h o m i n gs t r a t e g y i np a r t i c u l a r ， m u l t i g r a n u l a r i t yf m g lo p t i c a ln e t w o r k sa r ea d d r e s s e d t h i st h e s i sd e v e l o p sas e to f f o r m a lm a t h e m a t i c a lp r o g r a m m i n gf o r m u l a t i o nf o rt r a f f i cg r o o m i n gi ni n t e r c o n n e c t e d m g - w d mr i n g s b e c a u s et h ef o r m u l a t i o nt u r n so u tt ob en o n l i n e a r , t h eo v e r a l l p r o b l e m c a n n o tb es o l v e d d i r e c t l yu s i n g t h e f o r m u l a t i o n t h e r e f o r e 。 a d i v i d e - a n d - c o n q u e rs t r a t e g y i sa d v o c a t e df o rs o l v i n gt h ep r o b l e m a st h ef i r s ts t e p ，a s i m p l e g r e e d y h e u r i s t i ci s p r o p o s e d t o d e s i g n a ne f f i c i e n t l o g i c a lt o p o l o g y a n d c a l c u l a t et h er o u t e so fl o w e r - r a t et r a f f i cs t r e a m s i nt h e l o g i c a lt o p o l o g y i n i n t e r c o n n e c t e dw d m r i n g s t h i st h e s i s p r e s e n t s t h ea r c h i t e c t u r eo fat y p i c a lm u l t i h o p m u l t i - g r a n u l a r i t y ( m h m g ) o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ( o x c ) n o d e d i s c u s s i o n s o nt h e i n t e g r a t i o n o f 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 ( g m p l s ) c o n t r o lp l a n ei n t ow d m0 t n s a r ea l s o p r e s e n t e d t h i s t h e s i sd e m o n s t r a t e st h a tt r a f f i c g r o o m i n ga l g o r i t h m s f o r m g w d mn e t w o r k sa r ea ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fg m p l sc o n t r o lp l a n e ，a n dt h e c o n c e p to f l s ph i e r a r c h y i ng m p l sa n dt h ec o n c e p to f t r a f f i cg r o o m i n gi nm g w d m n e t w o r k sa r ep e r f e c t l ym a t c h e d t h i st h e s i sc o n c l u d e sb yp o i n t i n go u tt h es i g n i f i c a n c e o fd y n a m i ct r a f f i c g r o o m i n ga l g o r i t h m s i nm g w d mn e t w o r k sf o rn e x tg e n e r a t i o n o t n sa n d o p t i c a li n t e m e t s k e yw o r d s ：w a v e l e n g t d i v i s i o n m u l t i p l e x i n go p t i c a ln e t w o r k s ，t r a f f i cg r o o m i n g ， e v o l u t i o n a r yp r o g r a m s ，m u l t i - g r a n u l a r i t yo p t i c a ln e t w o r k s ，l o g i c a lt o p o l o g yd e s i g n c o n t r o lp l a n e 第一章：绪论 第一章绪论 1 1 波分复用光网业务疏导的研究背景 波分复用( w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术在最近几年来得到了大量的 应用，成为骨干传送网的基础技术，同时也f 在向城域网和接入网领域进军。波 分复用技术充分挖掘光纤的传输容量，能够在一根光纤上同时传输多个波长信道。 目前已有单根光纤上传输1 2 8 个波长，每个波长信道的容量高达4 0 g b s 的报道i ”。 如此大的传输容量一方面提供了满足当前对通信网络带宽爆炸性增长的要求，另 一方面也给网络中的电层交换处理设备，例如s d h s o n e t 分叉复用设备( a d m ) 、 a t m 交换机、i p 路由器等等，带来了巨大的处理负担，也就是所谓的“电子瓶颈”。 大量的通信网络流量分析表明经过网络结点、特别是骨干传送网络中的结点 的业务有相当大的一部分既不在陔结点上路，也不在该结点下路仅仅是经过改 结点，并不需要电层的处理。通过在波分复用光网络中装备光交叉连结( o x c ) 和光上下路复用设备( o a d m ) ，可以利用波长路由技术，将仅仅是传送路过某一 结点的业务的波长直通过欧结点，不再经过光电光转换和电层处理。图1 1 和1 2 口 给出了使用o a d m 提供光旁路的示意图和o x c 的一般框图。关于o a d m 和o x c 的详细功能、结构和应用描述参见文献3 1 1 4 1 。 图】：利用光上下路复用设备提供光旁路 f i g u r e1 1 ：u s i n g a f to a d mt op r o v i d eo p t i c a lb y p a s s 需要指出的是，o a d m 和o x c 的上下路和交换操作的粒度是一个波长。在光 信号处理技术还不够成熟的情况下，还无法实现全光的时隙交换或者分组交换。 在当前和今后帽当长一段时矧里，获得大量实际应用的仍然是光域交换粒度为波 长的o a d m 和o x c 设备。 本文中研究的波分复用光网模型仅仅限于波长路由光网。波长路出光网具有两 个显著特点：( a ) 波长决定了光信号的路径，若从一给定的结点中发送多个波长 信号，它们可以到达不同的目的地：( b ) 由于每个波长信号均被限制于特定的路 径，因此允许同一波长在不同路径中重用( 即波长重用) ，只要这些路径不共存于 同一光纤中。在波长路由光网中，终端结点之间通过光通道( 1 i g h t p a t h ) 进行通信， 每条光通道分配一个波长如图1 3 【5 j 所示。光通道的建立是通过配置网络中的路 海交通大学颤i 学位论史 由结点而实现的。 波k 解复川器空分开戈波艮变换器波睦复用器 图1 2 ：光交叉连结设备的一般结构图【2 】 f i g u r e1 2 ：t h eg e n e r a la r c h i t e c t u r eo f o x c s 口s m w f “- c i m l m o i ”a m * 一 “脚，- m 忡e “ 图卜3 ：波长路由光网1 5 i f i g u r e1 3 ：aw a v e l e n g t h r o u t e do p t i c a ln e t w o r k 在波长路由光网中，光通道中间可以经过多个波长路由结点。波长路由结点通 常有几个输入和输出光纤端口，每一个输入输出端口包含着不同的波长信号。波 长路出结点的功能在于将光通道从给定的输入端口交换到所需的输出端口。各波 长信号的路由交换是独立的。这种路由可以是固定的或是动态的。波长路由结点 可以有多种结构，总的来说可以分为固定波长路由结点和可重构波长路由结点。 在实际应用中，固定波长路由结点虽然设备简单、价格低廉，但是没有灵活r 性， 因而没有普遍应用的价值。可重构波长路由结点可以动态改变光通道路由。如果 可重构波长路由结点中不包括波长变换，则该结点结构又称作波长选择性交叉连 2 笫一章：绪论 接( w a v e l e n g t hs e l e c t i v ec r o s s c o n n e c t ，w s x c s ) 。如果可重构波长路由结点中具 有波长变换功能，则浚结点结构称作波长变换交叉连接( w a v e l e n g t h j n t e r c h a n g i n g c r o s s c o n n e c t ，w i x c s ) ，图1 2 给出的就是w i x c 的结构吼 根据波长路由结点是否具有波长变换功能，在波长路由光网中存在着两种光通 道路出方案：在使用w s x c 情况下，每一条光通道在它所经过的光纤链接中必须 分配给一个相同的波长，称为波长通道( w a v e l e n g t hp a t h ，w p ) ：而在使用w i x c 的情况下，光通道可以在所经过的每根光纤链接中被分配到不同的波长上传输 这又可称为虚波长通道( v i r t u a lw a v e l e n g t hp a t h ，v w p ) 。它们之间的关系如图1 4 所示f6 1 。 p 1 w i x c p 3 p 4 ： 3 ( a ) w a v e l e n g t h p a l h ( b ) v i ”8 ”。】e n g l h p 8 1 h 图1 - 4 波长通道和虚波长通道的比较i ” f i gi 一4c o m p a r i s o n o f w a v e l e n g t hp a t ha n dv i r t u a lw a v e l e n i g t hp a t h 当网络具有波长变换功能，也就是网络可以通过虚波长通道进行通信时，光 通道的路由和波长分配可以使用非常简单的算法。在这种情况下，波长变成了一 个局部的网络传输资源，因而可以实现逐个光纤的波长分配。当网络扩展时，它 不象其它通信方式一样问题的复杂性也随之增加，而只需考虑网络传输资源的可 用性。当网络不具有波长变换的功能时，波长通道的波长分配是一个端到端的过 程，而且与光通道的路由选择密切相关。如图l - 4 所示，在相同的通信模式下，如 果它们采用相同的路由，从图中不难看出在网络波长需求上波长通道路由方案 要比虚波长通道路由方案要大，例如波长通道路由的情况下( 图1 4 ( a ) ) ，网络 需要3 个波长才能满足通信要求，而在虚波长通道路由的隋况下( 图1 4 ( b ) ) ， 网络只需要2 个波长。但是如果我们仔细观察可以发现在图1 4 ( a ) 中，光通 道p 2 不采用从结点1 2 - 5 6 的路由而是采用从结点1 4 5 6 的路由。这样，网络 在采用波长通道路由的情况下也只需2 个波长就可以满足通信要求。因此在网络 j 海交通大学琐_ ：学位论文 资源的优化设计中，必须认真考虑路由选择和波长分配问题。 虽然波长变换器的使用可以简化光通道的波长分配，但它的使用要求附加的管 理丌销，这可能使得网络的管理特别复杂。由于全光波长变换目前正在研制丌发 中，商业产品主要采用的是光电变换，而这是与比特率相关的，并且不对业务格 式透明，价格也比较昂贵。在目前对业务疏导的研究中，还没有见到有关考虑( 全 光) 波长变换作用的报道。本文中也假设w d m 光网中没有( 全光) 波长变化能 力。 尽管诸如i n t e m e t 服务供应商( i s p ) 之类的w d m 光传送网络客户对于带宽有着 很大的要求，例如，可能要求一条甚至多条s t m 1 6 6 4 的线路。但是还有大量 的用户( 例如有着大量通信量需求的企业或者居民小区) 每一个网络连结请求只 需要一个波长通道提供的s t m 1 6 6 4 这样巨大的带宽的一小部分，例如s t m 1 。 但是这样的连结请求的数量确很大。今后的光传送网必须能够灵活的满足各种业 务需求，因而也必须能够有效的满足这一类用户的业务需求。无疑，给每个这样 的用户提供一条专用的光通道既不经济，也不现实。在目前的w d m 传输系统中， 尽管一根光纤上可以传输的波长数目已经可以达到几百个甚至更多。但是和用户 的数目相比，w d m 光传送网内的波长数目仍然要小几个数量级。解决数目不多而 容量巨大的波长通道和带宽要求不大而数目众多的用户需求之间的矛盾的关键就 是有效的安排用户低速数据流共享高速的波长通道。 根据上面的讨论，可以将业务疏导定义为f 7j 有效的低速数据流复用到高速波长 通道，高速波长通道数据流解复用成为低速数据流，以及低速数据流在不同高速 波长通道上的交换。 有关w d m 光网中的业务疏导研究报道最早见于参考文献 1 2 。从1 9 9 8 年丌 始，包括麻省理工学院信息和决策系统实验室( l a b o r a t o r yf o r i n f o r m a t i o na n d d e c i s i o ns y s t e m s m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) t 8 1 1 9 1 t e l l a b s t l 1 加利福利 亚大学戴维斯分校网络实验室州e t w o r k s l a b o r a t o r y ，u n i v e r s i t y o f c a l i f o r n i a d a v i s ) ”1 1 3 1 ，依阿华州立大学( i o w as t a t eu n i v e r s i t y ) 【7 j ，纽约州立大学 布法罗分校( s t a t eu n i v e r s i t yo fb u f f a i o n e wy o r k ) ”“，北卡罗来纳州立大学州o r t h c a r o l i n as t a t eu n i v e r s i t y ) t ”j ，佐治亚理工学院( g e o r g i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) “6 1 ， a t & tr e s e a r c hl a b o r a t o r y ”】，a l c a t e lu s a ”1 ，得克塞斯大学达拉斯分校( u n i v e r s i t y o ft e x a s d a l l a s ) i 1 b i t l 9 】，伊利洛伊理工学院( i l l i n o i si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) i ”】等等众 多高校和研究机构的研究者对w d m 光网中的业务疏导问题进行了大量的研究。 由于w d m 光网中的业务疏导研究从1 9 9 8 年才开始，目前在国内外的有关学 术期刊和会议上尚未见到国内其他高校和研究机构在业务疏导方面开展研究工作 的相关报道。 在w d m 光网中的业务疏导研究初期，大量工作集中在如何有效的减少 s d h s o n e tw d m 环网中的电层处理设备，也就是s d h s o n e t a d m 。给定一个 特定的业务需求模式( 各结点的业务要求的带宽可以是波长通道容量的一部分) ， 通过有效的安排环网中o a d m 结点上的波长上下路配景，确定低速业务数据流在 光通道上的路由和波长分配可以显著减少整个环网配霞所需要的s d h s o n e t a d m 数量。由于目前随着w d m 技术的发展，在s d h s o n e t w d m 环网中波长 已经不再是非常昂贵的资源，电层处理设备已经成为s d h s o n e t w d m 环网总体 4 第一章：绪论 成本的主要成分。s d h s o n e tw d m 环网中的静态业务疏导方面开展的工作因此 具有重要的实际意义。s d h s o n e tw d m 环网中的动态业务疏导也有相关报道 【2 1 1 。 由于当前的传送网基本上都是基于s d h s o n e t 的，环形拓扑是最常用的选 择。但是随着i n t e r n e t 数据业务的急剧增长，不断有新的网络加入骨干传送网中， 从而使得更为一般的网状拓扑的传送网成为今后骨干传送网发展的必然趋势。 w d m 网状光网中的业务疏导研究目前也有了报道，但是相对于w d m 环网中的业 务疏导的研究还是很少。目前的研究报道包括了在任意物理拓扑中的静态业务疏 导【i ，静态业务需求模型下的最佳逻辑拓扑设计【2 2 l ，任意物理拓扑的具有业务疏 导能力的w d m 光网动念呼叫接入阻塞概率分析模型和算法2 ”。 1 2 波分复用光网网络结构 在当前和未来的光传送网中，存在着多种网络结构。这些网络结构的共同点是 都基于w d m 技术，但是各自在灵活性、容量、保护性能和扩展性等方面各有特 色。每一种网络结构都根据自己的特点由光线路终端( o l t s l ，o a d m s o x c s ， s d h s o n e ta d m ，i p 路由器，标已交换路由器( l s r s ) 等结点组成。这些结点按 照特定的业务疏导和路由算法来传送数据业务。每种网络结构都有多种故障保护 恢复机制。图1 5 t “j 所示为一种分层的w d m 光网络体系结构模型。 图1 5 ：全光w d m 通信网分层结构模型1 2 4 1 f i g u r ei - 5 ：t h el a y e r e da r c h i t e c t u r eo f a l l o p t i c a lw d mn e t w o r k s 在目前的技术条件下，w d m 光网的主要应用场合是骨干传送网和城域网，相 应的物理拓扑可以是环网、互联坏网和更为一般的网状网。 1 _ 2 1 波分复用环网 环形网络结构在传送网络中得到了很普遍的应用。环是连结度为2 的所有拓扑 卜海交通大学硕：i 学位论文 结构中最简单的一种。由于在任何一对结点之间都存在两条链路和中间结点都不 相同的路径，环网具有很好的故障恢复性能。 不同类型的环网有两个重要区别：( a ) 环网上业务传输的方向性；( b ) 保护机制。 在单向环网中，所有的结点通过两根传输方向相反的光纤相连。根光纤称为 工作光纤，另一根光纤称为保护光纤。业务在工作光纤和保护光纤上沿着两个相 反的方向传输。例如，工作光纤上的光信号沿着顺时针方向传输，而保护光纤上 的光信号沿着逆时针方向传输。 在双向环网中，不论是工作信号还是保护信号都可以在环网中双向传输。具体 实现可以是四纤双向或者是二纤双向。四纤和二纤的区别在于四纤双向环网中两 根光纤作为工作纤，另外两根作为保护纤。而在二纤双向环网中是将每根光纤的 容量一分为二，一半用作传输工作信号另一半用作传输保护信号。 按照保护方式的不同可分为通道保护、段( s p a n ) 保护和线路保护。这些保护方 式和环网是单向网还是双向网是有联系的。实际常用的几种环网结构是：( a ) 单向 通道倒换环网( u p s r ) ：( b ) 4 纤双向线路倒换环网( b l s 刚4 ) ；( c ) 2 纤双向线路倒换环 n ( b l s r 2 ) 。 在通道保护中，发送结点将信号同时在工作光纤和保护光纤上传输。接收结点 根据信号质量确定从工作纤还是保护纤上接收信号，所咀保护倒换的过程不需要 任何信令和控制过程。 在线路保护中，保护纤上平时并不传输工作纤上传输的业务的副本，因而可以 利用保护纤在平时传输优先级低的业务。在发生保护倒换时，工作业务将切换到 保护纤上传输，挤占低优先缄的业务。很明显线路保护方式的实现要比通道保护 复杂得多。但是对于光纤带宽的利用率也要高得多。图1 6 所示为b l s 刚4 的线路 保护倒换过程。 图1 - 6 ：四纤双向线路保护倒换自愈环网 f i g u r e1 6 ：f o u r - f i b e rb i d i r e c t i o n a ll i n es w i t c h i n g ( b l s r j 4 1s e l f - h e a l i n gr i a g 段保护是b l s r 4 特有的一种保护方式。如果在一条链路上的工作光纤发生故 障而保护光纤完好，则可以将业务切换到保护光纤上继续传输。 关于这几种环网及其保护机制更进一步的内容可以参见文献 2 6 。 表1 1 1 2 # 1 总结了u p s r ，b l s r 2 b l s r 4 的主要特点。 6 第一章：绪论 参数 u p s rb l s r 4b l s r ，2 光纤对数 12 】 i 光电发射，接收单元 242 数( 每结点) 是否带宽空间重用 否是 是 保护弈量 = 工作容量= 工作容量 = 工作容带 链路故障保护方式通道保护段线路保护线路保护 i 结点故障保护方式 通道保护线路保护 线路保护 故障恢复迷度怏慢慢 结点技术复杂度 简单复杂复杂 土要麻_ l j 场合接入网骨干网或城域网骨干网或城域网 1 2 2 波分复用环网互联 表i - i ：不同类型的w d m 自愈环网比较2 6 i 波分复用坏网出于其实现相对简单( 作为主要设备的o a d m 已经得到商用) ， 并且具有良好的故障保护性能而得到了大量的应用。但是对于一个比较大的地理 区域来说，由于技术上和政策上的种种原因不可能用一个环覆盖所有结点。为此， 需要将多个环网互联，形成覆盖宽广地理范围的骨干传送网。 出于网络生存性的考虑，环网的互联不能只在一个结点上。否则当这个结电 出现故障时，相连的环网将被分割开来，无法对跨越多个环网的业务进行保护。 所以在实际应用中互联环网都采用了双宿主( d u a l h o m i n g ) 的策略，每个环网至少 通过两个结点和其他环网相连。互联结点都支持下路- 转发( d r o p & c o n t i n u e ) 功能 3 1 能够对互联结点和链路的故障进行保护。图卜7 所示为通过支持发送接收的下 路转发功能的o x c 互联的u p s r s 。 图i 7 ：通过支持发i t , g t 收的下路转发功能的o x c 互联的u p s r s f i g u r e1 7 ：l m e r c o n n e c t i o no f u p s r st h r o u g ho x c ss u p p o r t i n gd & c f o rb o t ht r a n s m i ta n dr e c e i v e 一：! 堕窒望查兰堡主兰堕堡茎 在w d m 自愈环网互联方面也有大量的研究工作报道。给定一组结点和业务 需求，在某些情况中下还给定存在的光纤链路，确定结点和光纤链路的划分方案， 分别归入多个环网t 并且在得到的互联环网中计算所有业务的路由。在互联方案 中有两种选择：( a ) 在逻辑上把互联安排成分层次的结构，抽象出不同层次的环网， 在这些环网中计算不同环网之间业务的路出f 2 7 】【2 8 】；( b ) 不作这样的分层次的划分， 将所有的环网在一个层次上加以考虑1 2 9 j ，计算业务路由。前者的路由问题要比后 者简单得多但是后者的灵活性更大。 1 2 3 波分复用网状网 图1 8 ：光通道层1 + 1 通道保护结构口0 f i g u r el - 8 ：o c h1 + 1p a t hp r o t e c t i o na r c h i t e c t u r e 图1 - 9 ：光通道层共享恢复结构【3 0 j f i g u r ei 9 ：o c hs h a r e dm e s hr e s t o r a t i o na r c h i t e c t u r e i n t e m e t 在性能和生存性等方面的发展需要要求今后基于i p 协议的网络具有很 第一章：绪论 好的性价比、生存性和扩展性，并且提供有效的控制手段来优化网络性能。针对 i p 网络这样的要求，光传送网必须做到灵活、可重构、经济、并且能够提供多种 方式的光层故障保护恢复功能。 以上的发展要求使得今后的光传送网必然从点到点和环网的简单拓扑向着网 状网方向发展。 网状网中的保护恢复方式也可以有光通道层1 + i 通道保护和光通道层1 ：1 或 者1 ：n 共享恢复等等。图1 8 所示为光通道层1 + l 通道保护结构。图1 9 所示为光 通道层1 ：1 或者1 ：n 共享恢复。 1 3 论文的主要内容和安排 本论文集中研究波分复用光网中的业务疏导问题。由于目前尚未见到国内其 他高校和研究机构在此领域的研究报道，本文的工作在国内居于前列。 第二章介绍了单个波分复用环网中的业务疏导问题。综述了从1 9 9 8 年以来在 波分复用环网静态业务疏导方面的研究。包括静态业务疏导和动态业务疏导两方 面。重点介绍了一种有效的分两步的业务疏导算法 1 4j 和利用此算法的“圈”的概 念提出的整数线性规划( i l p ) 和模拟退火算法i i “。 第三章先介绍了演化程序和遗传算法。随后提出了一种基于演化程序的疏导 算法。在此基础上，进一步提出了一种遗传算法和贪婪算法混合的“圈”疏导算 法。在均匀业务需求模式下，提出的算法在某些数值计算实例中取得了当前有文 献报道的最佳结果。随后又讨论了波分复用环网动态业务疏导在文献 2 1 提出的 拓扑合并方法基础上，用遗传算法扩展了泼方法。 第四章讨论了多粒度互连多环w d m 光网的业务疏导问题。提出了一套数学 舰划公式。随后针对其中的逻辑拓扑设计和低速业务路由问题。提出了一种简单 的贪婪启发式算法。 第五章讨论了在未来的光传送网中实现业务疏导算法的结点结构和控制平 面。探讨了在通用多协议标记交换( g e n e r a l i z e d 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 ) 框架 下业务疏导算法的实现，以及g m p l s 控制平面设计的其它热点问题。 最后第六章总结了全文，并且展望了今后可能的进一步研究。 上海交通大学硕士学位论文 第二章波分复用环网的业务疏导 2 1 波分复用环网网络模型 目前的传送网络基本上都是基于s d h s o n e t 的。由于s d h s o n e t 环网具有 良好的自愈性能，并且网络管理容易实现，因而环形s d i - f s o n e t 网络得到了大 量的应用。这些s d w s o n e t 环网的结点上配置s d 础s o n e t 上下路分叉复用设 备( s d i - j t s o n e ta d m s ) 或者数字交叉连接( d x c s ) ，通过一对或者两对光纤联结。 随着w d m 技术的发展，在原来s d h ，s o n e t 环网的基础上用w d m 技术加以升 级改造，在一对光纤上可以传送多个波长，从而在逻辑上得到多个s d h j s o n e t 环网，也就是所谓的s d w s o n e t w d m 环网。但是在每一个逻辑s d s o n e t 环 网上传输业务都需要配置相应的s d h ，s o n e t a d m s 。 随着波长数目的增多，光纤和其他光学器件的成本在整个网络的成本中不再是 主要部分。数目众多而价格昂贵的s d h s o n e t a d m s 这样的电层处理设备成为决 定网络成本的因素。 通过使用o a d m ，可以选择性的决定在某个结点哪些波长需要上厂f 路，经过 光电一光转换和s d h s o n 】玎a d m 的处理。而对于那些没有承载任何从该结点起 始或者终止在该结点的波长则可以直接通过该结点。图2 - 1 1 3 l j 所示为一个简化的 s d 础s o n e t w d m 环网的网络结点结构。 图2 - l ：一般s d h s o n e t w d m 环网结点的简化结构图 f i g u r e2 - 1 ：s i m p l i f i e d n o d ea r c h i t e c t u r e o f a g e n e r a l s d h s o n e t w d mr i n g n e t w o r k 需要指出的是，尽管s d h s o n e tw d m 环网的应用非常普遍，但是这种w d m 自愈环网的应用并不限于s d h s o n e t 网络，完全可以是其他的电层处理设备， 1 0 第二章波分复用环网的业务疏导 如a t m 交换机、i p 路e h 器1 等等。由于大部分w d m 环网的静态业务疏导问题都 是在s d h s o n e t w d m 环网的模型下加以讨论的，本章也沿用这一网络结构。在 图2 1 所示的结点结构中，s d h s o n e t a d m 没有时隙交换的能力，s d h s o n e t a d