（通信与信息系统专业论文）基于格状网的智能光网络生存性的研究.pdf

重庆邮电学院删1 5 2 文 摘要 智能光网络是一种可以动态分配网络资源的宽带大容量光通信网络。本文对 智能光网络，特别是新一代智能光网络自动交换光网络( a s o n ) 的生存性 进行了深入的研究和分析。针对智能光网络的生存性特征，提出一种控制平面控 制下的分区恢复方案。 论文首先分析了传统光网络的生存性特征，给出s d h 和w d m 网络的保护 倒换机制。接着，分析了传统光网络及其生存性存在的局限和不足，指出智能化 是光网络发展的必然趋势。然后，分析了光网络智能化的主要特征，以及对光网 络及其生存性带来的好处，并指出控制平面的出现是格状网拓扑得以应用的基 础。 相对于传统光网络的环网保护机制，格状网恢复机制是智能光网络生存性的 一个主要特点，可以大大提高后备带宽资源的利用率，降低保护带宽的冗余度。 因而本文在智能光网络生存性机制的研究中，重点放在了格状网的快速恢复上。 首先，分析与介绍了智能光网络快速恢复机制的优化路由算法与控制方式。然后 对近期内有望大规模商用的自动交换光网络( a s o n ) 的生存性机制进行了深入 的研究，7 提出一种控制平面下集中式和分布式控制相结合的分区快速恢复方案。 最后，对如何提高a s o n 恢复速度作了思考，为今后的进一步深入研究起到理 论指导的作用。 关键词：智能光网络，控制平面，自动交换光网络，生存性 里鏖业! ! 兰堕竺! ：丝墨 a b s t r a c t i n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r k ( i o n ) i sab r o a d b a n do p t i c a ln e t w o r kw i t hd y n a m i c r e s o u r c ea l l o c a t i o n i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ha n da n a l y s i sa b o u ti o n ，e s p e c i a l l y a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ( a s o n ) i sp e r f o r m e d b r i n g st h r o u g ha n s u b a r e ar e s t o r em e c h a n i s md e p e n d e do nt h ec h a r a c t e r so fi o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r so ft r a d i t i o n a lo p t i c a ln e t w o r kf i r s t l y , g i v e st h e p r o t e c t i o ns w i t c hm e c h a n i s mo fs d ha n dw d m t h e n ，a n a l y z e st h es h o r t a g ea n d l i m i to ft r a d i t i o n a lo p t i c a ln e t w o r ka n di t ss u r v i v a b i l i t y , b r i n g st h r o u g hi o ni st h e d e v e l o p m e n tt r e n do fo p t i c a ln e t w o r k t h e n ，a n a l y z e st h em a i nc h a r a c t e ro fo p t i c a l n e t w o r k si n t e l l i g e n c e ，c o n c l u d e st h ec o n t r o lp l a n ei st h eb a s i so fa p p l i c a t i o no ft h e m e s ht o p o l o g y m e s hr e s t o r a t i o nm e c h a n i s mi sam a i nc h a r a c t e ro ft o ns u r v i v a b i l i t yc o n t r a c t i n g t op r o t e c t i o ns w i t c hm e c h a n i s mi nt r a d i t i o n a lo p t i c a ln e t w o r k ，e n h a n c e se f f i c i e n c yo f t h es p a r eb a n d w i d t ha n dd e c l i n e st h er e d u n d a n c yo fp r o t e c t i o nb a n d w i d t h t h u s ，i n t h er e s e a r c ho fi o ns u r v i v a b i l i t y , t h i sp a p e rd e p l o y st h ek e y s t o n eo fr e s e a r c hi nm e s h f a s tr e s t o r a t i o n f i r m l y , a n a l y z e sa n di n t m d u c e st h eo p t i m i z a t i o nr o u t i n ga l g o r i t h m a n dt h ec o n t r o lm o d eo fi o n ss u r v i v a b i l i t ym e c h a n i s m t h e n ，r e s e a r c h e st h e s u r v i v a b i l i t yo fa s o n ，w h i c hm a yb ec o m m e r c i a la p p l i e di nr e c e n t l y ，a n db r i n g s t h r o u g h af a s tr e s t o r a t i o nm e t h o ds u b a r e a - b a s e du n d e rt h ei n t e g r a t i o no f c e n t r a l i z a t i o nc o n t r o la n dc o n t r i b u t i o nc o n t r 0 1 a tl a s t ，t h i sp a p e rc o n s i d e r sh o wt o e n h a n c et h er e s t o r a t i o ns p e e do fa s o n ，w h i c hs e l v e sa st h e o r e t i cg u i d a n c ef o r f u r t h e rd e e ds t u d y k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r k ，c o n t r o lp l a n e ，a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e d o p t i c a ln e t w o r k ，s u r v n a b i l i w i v 重庆邮电学院硕上论文 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 为获得重送由g 电堂院或其他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。 学位论文作者签名： 必龟聋签字吼护u 吖月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废皂5 电堂睦有关保留、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。本人授权重麽鲣曳堂院 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适用本授权书) 学位论文储签名：乒脚、 签字日期：。呼年r 月1 日 剔磁形区何 签字目期：a o 中年厂月谚日 重庆邮屯学鲩硕士论文 1 1 引剖惶3 1 第一章概述 从近年来的光传送网发展中，我们发现整个传送网的发展过程集中体现了传 送网的“映射”现象。8 0 年代前传统语音业务是通信业的主要业务形式，在这 种情况下基于t d m 技术的s d h 传输体制，由于能够灵活地实现t d m 业务端到 端的传送，成为当时光传送网的主要传输技术。后来，随着数据业务的出现与发 展，由于数据业务所具有的动态、突发等特点，原先t d m 所既有的固定时隙、 静态带宽指配的特性已难以适应数据业务的传送。因而，从8 0 年代开始在技术 与业务需求的推动下，为实现更灵活的带宽分配并提供更高级的业务，人们在 s d h 层之上又引入了一种功能更为丰富的传输技术a t m 。通过在a t m 中使 用统计复用与适配层( a a l ) ，较好地支持了多种类型语音与数据业务的传送， 并大大提高了带宽的利用率。由于这种以成本换取q o s 和带宽合理利用的做法 较好迎合了当时数据业务的传送需求，因此到9 0 年代前期a t m 一直是传输技术 发展的一个热点。再后，随着数据业务的发展特别是i p 业务逐渐成为主导，如 何将这种新型的网络层业务承载于此前的两层传送网中，于是人们又在a t m 层 上引入了i p 层，即通过i po v e r a t mo v e rs d h 结构来传送i p 数据业务。 为能够满足当前对带宽需求呈指数增长的需要，人们开发出了波分复用技术 ( w d m ) 。由于根光纤上同时可以传输多个波长，使得原先的传输容量呈倍数 ( 波长数) 增长，从而大大提高了网络的带宽容量。近年来，随着技术上的突破 和市场的驱动，w d m 技术发展迅猛，创下了1 0 9 2 t b i t s 的传输容量新高。伴随 着w d m 技术的应用，传统光传送网中在s d h 层下又出现了一个新的层面 w d m 层，即所谓的s d ho v e rw d m 。综上所述，在数据传送的技术与市场驱动 下，将传统光传送网映射成i po v e r a t m o v e rs d ho v e r w d m 四层体系结构。 在i p o v e r a t mo v e r s d ho v e r w d m 网络结构中，i p 层用于业务的承载； a t m 层用于集成多种业务，并为每种业务提供相应的服务质量保证；s d h 层用 于细粒度的带宽分配，并为业务的传输提供可靠的保护机制；w d m 层用于提供 大容量的传输带宽。在此结构中，数据业务的传送通常要经过四层处理：首先将 业务映射进i p 包，然后以a t m 信元封装，再将a t m 信元映射进s d h 帧，最后 转换为光信号在光网络上进行传送。 尽管这种四层结构的传输方式可以保证数据业务的可靠传输，但随着i p 业 务的飞速发展，这种结构同益暴露出诸多不足，主要表现为以下几个方面： 里鏖些! ! 兰堕堡土堡苎 ( 1 ) 带宽分配过程过于复杂，人工配置工作量过大。由于i p 业务的突发、 多变特性需要动态的带宽分配与配置，这种靠人工的分配与配置不仅耗时费力， 更严重地阻碍了网络的发展与新业务的拓展。 ( 2 ) 四层结构带宽粒度过多，功能重叠。在此结构中，由于每个层面上有 着不同的带宽分配粒度( 如i p 包、a t m 信元、s d h 帧和w d m 波长) ，需要分 别对它们进行管理，使得各层之间的功能如保护机制等存在着一定的重复，从而 造成了资源的浪费与功能间的相互冲突l 。 ( 3 ) 四层结构存在着“瓶颈”效应。带宽的指配受限于每一层设备的可用 带宽，因为及时绝大多数设备有空闲带宽可用，但每一层的设备存在着带宽的“瓶 颈”，都可能限制整个网络的带宽或容量的扩展。 ( 4 ) 传输效率低下。a t m 的开销量在整个净荷中所占的比重太大，造成了 资源的浪费，直接影响到数据业务的传输效率。虽然s d h 技术可以很好地提供 保护恢复等功能，提高网络的生存性( s u r v i v a b i l i t y ) ，但由于指配和网络管理过 于复杂，导致网络的初始设备投资太大以运营成本过高等弊端。 ( 5 ) 最后，随着传输链路带宽的不断增加( 己达到g 和t 比特) 和数据业 务量成为主导，各层中原先为语音业务所设计的部分功能逐渐成为多余。 因此，在新一代光传送网中需要此结构进行简化，需要将a t m 层和s d h 层 从四层结构中分离出来，它们的功能可以融合到i p m p l s 层和w d m o t n 层中， 直接让i p 业务在w d m 光路上传送，即i po v e ro p t i c a l 或i p o v e r w d m 。图1 1 给出了光传送网结构的演进趋势。 我们知道，m p l s 采用基于约束的路由技术可以实现流量工程和快速重新选 路，可叹满足业务对服务质量的要求。所以，采用m p l s 的基于约束的路由技术 完全可以取代a t m 的流量工程策略。丽且，快速重新选路作为一种恢复手段也 可以取代s d h 的保护机制。由此可见，使用基于m p l s g m p l s 的控制平面技 术可以将传输的传输网络跨过a t m 和s d h 两层，直接实现i po v e rw d m 。 口 a t m s d h w d m 口 ，i ) m ， o 呵n 图1 1 由多层重叠向两层网络结构的演进 另一方面，目前的光传送网拓扑s d h 以环为主，w d m 主要为点对点链路， 辅以少量环。随着光联网的发展需求，这种点对点与环形拓扑越发显示出不足。 ( 1 ) 尽管点对点w d m 系统有着巨大的传输容量，但只提供了原始的传输 蕃庆邮也学院坝f 。论义 带宽。然而，光传送网的发展不仅要解决带宽问题，更重要的是让网络具有智能 性，实现带宽的动态分配和资源的自动配置。因而需要在传送网中引入灵活的光 节点将点对点结构扩展成高效的网状( 格状网) 拓扑，实现带宽资源在全网中的 共享，为实现网络资源的快速寻找与最优化的光路由打下基础。 ( 2 ) 环形拓扑虽然具有简单、可靠性高与健壮性好等优点，但它的带宽利 用率较低，如s d h 环网中为实现网络的保护通常要配置5 0 的冗余带宽容量， 造成了带宽资源的极大浪费。然而，在格状网中一般只需整有3 0 的冗余容量即 可完成网络的保护与恢复，大大提高了带宽资源的利用率。实现证明，格状网的 带宽利用率相对于环网可以提高2 0 到6 0 左右；而且从网络的生存性角度看， 基于格状网的光传送网，它的生存性不仅只停留在保护这个层次，还可以利用网 状拓扑进一步对故障进行恢复处理，提高了网络生存性的性能。因此，环形拓扑 也将难以胜任新一代光传送网的发展需求。 从以上分析看出，格状网将逐渐成为下一代光传送网网络拓扑的发展趋势。 事实上，格状网也不是一种什么新型的网络结构，此前的大多数骨干网都已具有 格状网的物理拓扑。在网络组网时之所以采用环网而非格状网本文认为主要是 从网络生存性的实现角度来考虑的。首先，格状网网络的保护与恢复需要执行复 杂的恢复算法，时间延迟比较大，一般情况下难以做到5 0 m s 内实现网络的保护 与恢复；其次，传统传送网中的保护与恢复是依靠网管功能来执行的，丽当前的 网管能力有限、运行速度慢，在网络故障或繁忙时便不堪重负，更不要说处理复 杂的网络恢复算法。随着基于m p l s 的独立控制平面的出现，将传统光网络的管 理体系逐渐被演变成基于管理平面、控制平面和传送平面的三层面管理结构，为 格状网隈络拓扑的应用提供了重生的机会。 综上所述，下一代光传送网的发展要考虑以下几个因素，一是网络分层结构 的扁平化，从传统四层结构分离出中间的a t m 层与s d h 层，形成只有i p 和光 的两层体系结构；二是网络的拓扑的格状网化，将传统光传送网从点对点、线形 结构演进成高效的网状拓扑，实现所谓的光传送网( o t n ) ；三是网络的智能化， 通过在光传送网中引入信令和动态交换能力，实现资源的自动配置和带宽的动态 分配。 1 2 智能光网络的研究与发展现状 1 2 1 智能光网络的标准化现状m 7 羔9 。0 “j 2 为实现自动光通道交换、带宽的按需分配，智能光网络必须有一套通用的标 准化网络框架结构和相关的标准接口，以实现不同厂商设备之间的互连互通。标 准化在传送网产业和技术发展中起着十分重要的作用，通过标准化工作的执行可 重盎业堕堂垦堕主堡兰 以很好地实现传送网的互联互通，以及保证网络的性能等问题。 ( 1 ) i t u t ( 国际电信联盟标准部) i t u t 是通信行业最主要的标准化组织之一，它制定的标准和提出的建议往 往成熟而完善，对通信市场有着深远的影响。但是i t u 制定标准的速度相对较 慢，其关于自动交换光网络的标准化工作主要由s g l 5 负责。目前，i t u t 提出 了一种基于重叠模型的自动交换光网络的结构模型a s o n ，其结构如图1 2 所示。 图1 2a s o n 的结构示意图 与其它标准化组织的不同，i t u t 从整体结构的角度来研究光网络。目前， i t u t 已制定出一系列的标准，其框架如图1 3 所示。 圈1 3i t u t 制定的a s o n 标准关系图 其中： g 8 0 7 y 1 3 0 1 ：自动交换传送网的要求，从网络的观点对控制层进行了定 义，定义了自动交换传送网业务的建立、维护、拆除等功能； g 8 0 8 0 y 1 3 0 4 g a s o n ：自动交换光网络的结构。在g 8 0 7 的基础上定义 了a s o n 的三层结构：控制层、传送层、管理层，以及各层中包括的功 能节点和各层之间的接口和参考点； 重垦唑生鲎堕堡主堡= ! 三 g 7 7 1 3 ( 3 d c c m ：分布呼叫与连接控制，定义了a s o n 的信令结构，控制 节点之间建立连接的过程，其中包含三个具体的信令协议：g 7 7 1 3 1 ( 基 予a t m 论坛的p n n i 信令) 、o 7 7 1 3 2 ( 基于g m p l s _ r s v p - t e ) 和 g 7 7 1 3 3 ( 基于g m p l s c r l d p ) ： g 7 7 1 4 g d i s c ：自动发现协议，定义资源和邻居自动发现，目前已定义出 g 7 7 1 4 1 ，用于s d h s o n e t 和0 7 0 9 定义的o t n 网络的自动发现： o 7 7 1 5 g r t g ：路由协议，具体是扩展o s p f 还是t s 。i s 路由协议还未定义： g 7 7 1 6 g i r a ：链路管理协议； g 7 7 1 2 g d c n ：数据通信网总体要求，与g 7 0 9 、g 7 8 2 道定义了a s o n 的传送层协议，其中g 7 0 9 定义了光传送网的接口，o 7 8 2 定义了光传送 网的特征。 另外，还有一些生存性与传送方面的协议：如保护协议( g 8 4 1 、g 8 4 2 、 g g p s ) ，恢复协议( g o m r e s ) ；传送协议：物理层协议( g 7 5 9 1 专c o m t 5 - 1 7 ) 、 结构与映射( g 7 0 9 一专g 7 0 9 、g g f p ) ，设备( g ，7 9 8 专d 5 8 ) ，数据通信网 ( g 、d e c g 、d e n ) 等。 ( 2 ) i e t f ( 互联网工程任务组) i e t f ( i n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s k f o r c e ) 是由网络设计者、运营商、设备供应 商和研究人员共同组成的一个开放式国际性团体，目的是开发i n t e m e t 的标准和 规范。i e t f 的标准是开放而非私有的，并且可以免费提供。虽然对这些标准的 遵守是自愿的，但由于i n t e m e t 的快速普及，这些标准得到了广泛的应用。 i e t f 定义了一种对等的智能光网络，其协议系列为o m p l s ，主要由s u bi p 工作组下面的c c a m p ( c o m m o nc o n t r o la n dm e a s u r e m e n tp l a n e ) 、m p l s 、i p o ( i po v e r o p t i c a l ) 等组织进行相关的标准化工作。i p o 工作组的目标包括：制定 i p 0 p t i c a l 网络的体系结构，提出光网络服务的特点和需求：i p o p t i c a l 网络的 流量工程、保护和恢复；使用基于i p 协议的信令协议在i p o p t i c a l 网络中扩散网 络拓扑状态信息。该工作组的目的是确保s u bi p 其它工作组开发的通用技术可 以满足光网络的特殊需求。i p o 工作组提出的i p o p t i c a l 网络体系结构基于 o m p l s ，最终目标是i p o p t i c a l 网络中的所有控制协议都基于i p 技术。g m p l s 中的对等模型示意如图1 4 所示，可以注意到，在这种模型中没有u n i 接1 3 。 重庆邮电学院硕十论文 图1 4g m p l s 中对等模型结构示意图 需要说明的是，g m p l s 是套协议而不是一个协议，它是由m p l s 协议扩 展而来。g m p l s 协议族包括：链路管理协议( l m p ) ，用于邻居发现：扩展的 开放最短路径优先( o s p f ) 协议和中间系统中间系统( i s i s ) 路由协议，用于 链路状态传播分发；资源预留协议流量工程扩展( r s v p t e ) 和基于约束的标签 分发协议( c r - l d p ) ，用于通道管理和控制。 l r pr s v p - t ei c r _ l d p m b 6 p i “誓裂l 删 面t i t 。岫。， i p s o n e tl 嚣兰j m a c g e l a t m f ，m e k ，”i f r d 旺i 图1 5 g m p l s 协议栈 目前，g m p l s 的标准化工作还没有完成，有些功能特别是网间互联信令功 能还在进一步研究中：通道管理和控制规范( 信令协议) 已经基本完成：链路管 理协议和路由协议还有许多工作要做。 ( 3 ) o i l ：( 光互联论坛) o i f ( o p t i c a li n t e m e t w o r k i n gf o r u m ) 组织成立于1 9 9 8 年，其宗旨是开发网 络中光层和已经在o s i 模型中定义的其它层之间能够协同工作的协议。o i f 下面 设置了体系结构、运营商、运行告警维护配置( o a m & p ) 、信令、物理 链路层等工作组。0 i f 更多地是支持重叠模型，主要致力于网间信令0 一u n i 和 o - n n i 的制定工作。在制定的0 u n i 信令规范定义了u n i 信令参考配置、u n i 上 提供服务类型、邻居发现过程、信令通道的配置、服务发现过程、信令的属性和 信息类型和信令协议等。 0 一u n i 的作用是支持在光网络的客户之间快速建立连接，并提供不同等级的 保护和恢复能力，其信令包括用于建立连接的信令、自动邻居发现信令、自动服 务发现信令、故障监测、定位和通告信令等。0 u n i 处于重叠模型光网络中客户 端层( 用户) 和服务器端( 光网络) 之间，是实现重叠模型光网络的基础。o i f 重庆邮电学院硕上论文 的网络模型如图1 6 所示。 图1 6 0 i f 网络参考模型 o i f 中体系结构工作组和信令工作组是所有工作组中最为活跃的两个组织。 其中，体系结构工作组已制定出一个框架结构和u n l l 0 的需求，并定义了三种 基于s o n e t s d h 的服务：连接建立( 在一对终端节点之间建立一条具有相关 属性的连接) 、连接删除( 删除一条存在的连接) 和连接状态查询( 查询特定连 接的某些参数) ，其基本带宽颗粒为s t s 1 s t m 一1 。信令工作组f 在对当前用户 网络接口( u n i ) 的一些问题进行研究，并在研究下一代u n i 的范围和需求。该 工作组将制定u n i 的核心内容，包括服务发现、终端系统发现、信令协议定义 以及网络网络接口( n n i ) 与u n i 的相互关系。 1 2 2 智能光网络的研究现状 早在2 0 0 0 年，i o n 相继成为国际标准化组织i t u t 、o i f 、i e t f 的研究内 容。2 0 0 0 年初s y c a m o r e 联合一批小的设备供应商发起成立了光域业务互连 ( o d s i ) 联盟，旨在加速发展智能光网技术标准，不久后该组织被并入到光互 联论坛( o i f ) 组织。o i f 在2 0 0 0 年2 月成立了一个工作组专门讨论与i o n 相 关的i po v e ro p t i c a l 技术并总结了将多协议标记交换( m p l s ) 扩展至光层的经 验，相继推出了用户网络接口( u n i ) 、网络节点接口( n n i ) 标准，而且实现 了多厂商互操作性的演示。i e t f 组织在制定通用多协议标汜交换( g m p l s ) 标 准上起了带头作用，首次提出m p l a m d a s 。i t u t 几乎在同时正式确定开展自动 交换光网络g a s o n 建议的研究。基于其在电信和光联网标准化方面的经验， i t u t 将此方面的标准化扩大，确定了开发包括新定义的g a s t n ( 自动交换传 送网) 在内的共计西大类( 框架结构、指配和管理、生存性、传送) 约2 0 个建 议。 重盎些皇兰堕堡主堡苎 在标准化的同时，全球纷纷开展了智能光网络的研究与应用计划。实际上， a s o n 的发展伴随着标准化工作的进行。即在智能光网络产品开发与组网的同时 开发a s o n 标准，标准来源于产品的开发，并对产品的开发和网络的组网进行 进一步的扩展。例如2 0 0 1 年，“中国高速信息示范网”专项项目实施完成，第 一次系统性地攻克了新一代网络技术，建成了目前全球i p o t n 方面最具代表性 的高速信息示范网之一，使中国成为继美国、加拿大、法国、德国、日本之后第 6 个全面掌握该领域核心技术的国家，彻底扭转了中国在新一代信息网基础设施 建设中设备完全依赖国外的被动局面，取得了跨越式发展和群体突破。这一年 l i o n 计划也已经完成了第一期工作，建立了基于重叠模型的a s o n 试验平台， 含一个o x c 和3 个0 a d m 光节点。 2 0 0 2 年，美国a t & t 公司率先在美国全国范围内敷设了连接约1 0 0 个城市 的智能光网络，网络由c i e n a 提供的约1 0 0 台智能光交换机和8 0 0 多台s o n e t 多业务平台构成。前者主要完成4 5m b i t s 基础带宽颗粒的实时交换和动态指配； 后者主要在网络边缘汇聚低速业务至2 5 g b i t s 或1 0 g b i t s 速率，再经光交换选 路，基于实时的信令和选路算法通过网络。这标志着智能光网络开始进入实用。 同年，中国的第一阶段a s o n 研究计划宣告完成。清华大学完成了一个5 节点 ( 4 个o x c 和1 个o a d m ) 的a s o n 基础实验平台及模拟分析软件平台，上海 交通大学完成了4 节点o x c 的自动交换光网实验验证平台以及1 5 个节点的 g m p l s 协议可扩展性验证平台。 2 0 0 3 年，中国“8 6 3 ”计划启动了第二阶段的a s o n 研究计划，在光通信主 题中列出了三个研究课题：自动交换光网络节点设备研制与系统试验、自动交换 光网络分层路由技术和自动交换光网络测试技术。研究成员将以企业为主( 如烽 火、中兴通讯、华为) 联合著名大学( 如上海交大、北邮、清华) 等，开发实用 化的a s o n 节点设备。因此，中国自主开发的a s o n 设备指日可待。 在标准化方面，随着相关标准的不断完善，各标准组织之间开始注重合作， 以加快a s o n 标准化的进程。各个标准组织间的合作必将促进a s o n 标准的快 速建立，有利于加强a s o n 标准体系的完整性、互操作性和可实现性。2 0 0 3 年 3 月在美国亚特兰大召开的光纤通信会议上，o i f 组织了光网络控制平面的互操 作性演示。1 2 家成员公司成功地展示了集成的u n i - n n i 接口，实现了多厂商光 网控制平面路由和信令协议的兼容。这次演示进一步验证了智能光网络的可行 性，为将来的实际铺设和应用奠定了基础。有关n n i 信令协议( n n l l 0 ) 的功 能要求草案也已提交给了1 1 u - t ，该草案主要包括网络参考模型、运营商业务、 控制平面调用、连接管理需求、编址方案、生存性、可扩展性、域间互连、路由 收敛、安全性等内容。 - 毫- 要鏖塑皇兰堕婴主丝塞 目前，i o n 系列建议还没有最后完成，目前只是完成了结构、功能性的抽象 描述和对系统分层、分块及相互关系的描述，但每个模块内具体实现的实施方法 还没有定义，特别是对于选路，g m p l s 依然有许多工作要做。a s t n 标准化借 鉴了许多i p 网络行之有效的方法，增加了适应于光网络的特殊约束条件。相信 随着各方面工作的不断深入，新一代智能光网络的时代不久将会来临。 1 3 论文的组织结构 1 3 1 论文的主要研究内容 根据目前智能光网络的发展现状和趋势，以及本人在研究生阶段所做的研究 工作，论文主要研究以下内容： ( 1 ) 给出智能光网络的主要体系结构及其特征，对其控制平面的功能与组 成进行分析：对智能光网络的标准化现状和目前国内外智能光网络的发展情况进 行总结与阐述。 ( 2 ) 分析传统光网络的不足和局限性，指出智能化是传统光网络的旋展趋 势：对传统光网络向智能光网络的演进路线进行探讨，并归纳出新一代智能光网 络a s o n 的切入策略。 ( 3 ) 研究传统光网络的生存性机制，对传统光网络中使用的点对点、自愈 环等保护方式进行分析；探讨了影响传统光网络生存性的主要因素，以及执行保 护倒换的判据。 ( 4 ) 重点对a o s n 网络的生存性机制进行分析，在基于现有研究成果上， 进一步给出几种新型的网络生存性方案。研究重点放在格状网光传送网的生存 性，特别是优化恢复方案的选择；i po v e ro t n w d m 多层生存性机制等。 1 3 2 论文的组织与说明 本文共分为5 章，第1 章为概述部分，给出传统光网络的不足以及如何发展， 指出智能光网络a s o n 发展和研究的现状。第2 章给出了传统光网络的生存性 特征，以及各种应用的生存性机制，通过这些生存性机制的介绍与分析看出传统 光网络的生存性上的不足。第3 章为本文的过渡，给出了智能化是传统光网络发 展的必然趋势，以及在智能化过程中对网络生存性所带来的优势，并详细的总结 与归纳了智能化的主要特征。第4 章进入智能光网络的生存性机制的研究中，本 文研究重点放在格状网的快速设复上，给出一种基于格状拓扑的智能光网络恢复 路由优化算法和恢复控制机制。第5 章为本文的重点，提出一种分布式与集中式 控制相结合的快速分区恢复方案，详细地给出了方案的操作流程，并在a s o n 重庆邮电学院硕士论文 快速恢复上作了进一步的考虑。 本文大部分内容来自于研究生阶段所发表的论文，以及受人民邮电出版社委 托所写的学术专著演进的电信传送网( 待出版) 。本课题的选择主要考虑的是 国家“8 6 3 ”计划重点项目“自动交换光网络技术研究”第一阶段研究所提出的 网络生存性方案基于的是传统的网管系统，并非控制平面的分布式控制协议。本 文在此研究成果上，对如何利用控制平面协议实施网络的生存性作了进一步的研 究。目前，i t u t 尚无制定出a s o n 生存性的框架和标准，只是对a s o n 传送 平面o t n 的保护制定了一些建议。所以，本文的研究是一种前沿理论研究。 重庆龆电学院硕十论文 第二章传统光网络的生存性机制 2 1 提高传送网生存性的主要途径 2 1 1 提高光网络生存性 传送网的生存性直接影响着电信网的完整性，因而在传送网演进过程中提高 网络生存性是一个重要的课题。通信网的完整性包含的意义有通信网提供的业务 的运行质量、可靠性和生存性等。这里，生存性( s u r v i v a b i l i t y ) 和可靠性( r e l i a b i l i t y ) 有所不同，其中生存性描述在发生故障时传送网自身完成生存功能的能力，而可 靠性是指器件、部件的正常使用寿命。可靠性的基础是对器件和部件寿命的统计 资料，通过查阅资料得到每个元件的f i t 数，由此得到整个系统的可靠性，即从 统计的角度得出系统多长时间出次故障。而生存性所考虑的，简单来说是故障 发生时网络采取什么措施去补救，使其能够在最短时间内恢复业务的正常传输。 通常，影响传送网生存性的主要因素有： 1 、传输信道的故障。传送网故障的主要部分，如人为的施工、自然条件的 变化以及连接期间发生故障等； 2 、节点设备故障。主要由设备元件、部件失效引起； 3 、软件的缺陷。实际应用中，软件开发设计过程中没有发现的缺陷在一定 条件下被暴露出来。 提高网络生存性是一项全面的系统工程，可以从这几个方面入手： 1 、囱络的设计阶段。考虑可以提供的迂回，采用合适的保护或恢复措施； 2 、采用合适的机制以保证故障的快速检测： 3 、自愈设计。包括选用的拓扑、协议、自愈方案及算法等； 4 、人工修复的方便性和快速性，设备能力； 5 、复原能力。故障排除后迅速承担原来业务的能力。 对于整个网络而言，全网总生存率s 同组成它的各段的生存率和系统数有 关，系统数是指工作系统和备用系统的个数。当某一线路发生故障时，经各种备 用系统提供的保护和恢复机制，对网络故障所引起的中断进行恢复。 可以推出： s = f s i x i ) x 式中，s ，x 是第i 段的生存率和系统数，x 是全网络系统总数，m 为全网的 段数。由此可见，逐段地提高生存性和增加备用系统的配置是提高整个网络生存 重庆邮电学院硕士论文 性的关键。 2 1 2 光网络的保护和恢复 提高光网络的性能引起了人们的广泛关注。随着网络的不断发展，大量的业 务将集中在少数路由器和其它节点设备上，因而，发生网络设各故障时所造成的 影响将会非常巨大。同时，光纤断裂是光通信网中一个主要的网络故障形式，在 使用w d m 技术后，光缆上承载的业务量将十分庞大，如果光纤断裂，将会对这 些业务产业严重的影响。因此，我们必须建立一种快速、可靠的交叉连接及器件 保护倒换措施以确保网络的安全运行。尽管故障不能完全避免，但是快速检测、 识别出故障，并对其加以保护，将在一定程度上使网络变得更加可靠，避免造成 重大的损失。因而网络的拓扑结构必须具有很强的生存性，以便在故障出现时能 够由备用资源来替补原有资源。 网络的生存性借助故障的保护和恢复而实现。在网络的生存性研究中，网络 恢复和网络保护是两个不同的概念。恢复是利用网络具有的由所有节点共享的富 余带宽，将由故障所带来的阻断通过重新安排路由的方式来确保其畅通。而保护 通常是利用节点间预先分配的路由替代失效的路由，但备用资源无法在网络范围 内实现共享。 恢复通常利用节点之间可用的任何容量，包括预留的专用空闲备用容量、网 络专用的容量乃至低优先级的额外容量，还需要准确地知道故障点的位置，其实 质是在网络中寻找失效路由的替代路由，所以算法较为复杂。由于有复杂的算法， 还需要有相应节点的交叉功能的配合，因而完成恢复的时间较长。相比之下，环 和链中采用的保护机制由于保护带宽的专用性，操作将简单得多，相应地完成保 护倒换的时间也就短得多。 所以说，网络保护机制的要点是网络备用成分是专门针对网络工作成分而设 置的，换言之，网络中被保护的工作通路有专门为它备用的通路，以提供工作通 路发生故障时的替换通路。网络恢复机制的要点是网络的备用成分是为被支持的 网络工作成分所共用的，也就是说工作通路没有专门的备用通路，发生故障时从 整个备用资源中选用替换通路。至于备用通路如何替换上去，决定于保护或恢复 机制的方案和算法。 1 、对于同样规模的网络，保护算法比废复算法要简单，从而完成保护算法 所需要的时间比恢复算法要短，进而减少了网络中断的时间。 2 、目前自愈环可以在5 0 m s 内完成网络的保护。由于算法复杂，网络恢复所 需的时间相对较长，目前的实际水平还达不到5 0 m s 。 3 、对于同样规模的网络来说，网络保护所需的备用资源比网络恢复要多。 如果每条工作通路都要有一条保护通路，则总系统数中各有5 0 分别 重庆邮电学院硕士论文 用于工作和保护。由于采用了共享机制，同一时间网络中各段都发生故 障的概率较小，因而网络恢复的备用容量仅需3 0 就足够了。 表2 1 网络保护和恢复的比较 保护恢复 经常用于 链，环 m e s h ，格状网络和各种拓扑 需要留出的冗余带宽 5 0 比5 0 少 完成操作的时间5 0 m s 以内长得多 完成操作的算法简单 复杂 总的来说，在传送网演进中，首先大量采用了组网相对简单的保护机制。随 着网络规模的扩大，在生存性方案的选择上更倾向于能够节省资源的恢复机制。 然而，在智能光网络出现之前，由于恢复算法的复杂性阻碍了恢复机制的应用和 推广。智能化控制平面技术的出现大大推进了网络恢复机制的应用。 2 2 白愈环的基本概念 所谓自愈环是指环可以自动发现故障，并能够自动地重新提供正常的传送业 务。自愈环既可以基于s d h 体制，也可以基于w d m 体制，两者的工作原理相 似。 2 2 。1 单向环秘双向环 自愈环有单向环和多向环之分，其中单向环如图2 1 所示。图中两条反向传 输的光纤分别称之为内环和外环，其中外环为工作环，内环为备用环，用于外环 的保护。节点a b 之间传送a 到b 的通信信号，而b 到a 的通信信号则从余下 的工作光纤传送，即从c 经d 再到a 。从图中可以看出a 到b 和b 到a 的信 号是通过同一个方向( 图中为顺时针方向) 传输的。如果a b 之间的短路径出现 故障，则由保护环中a b 之间的长路径代替，同样，b a 之间电是如此。 图2 1 单向环 - 3 ， c 雯壁坚皇堂堕堡主堡塞一 双向环如图2 2 所示也有内环与外环之分。在外环a 到b 的短路径用来 传a 到b 的信号，内环的a 到b 长路径也传a 到b 的信号，两者之间一个是 主用，另一个为备用。b 到a 的通信也以相同的方式进行。发生故障时，通过 相应的备用路径对信号进行传输即可。图中a 到b 和b 到a 分别具有两条路径， 彼此互为保护，在路径未发生故障时都采用短路径对信号进行传输，由此可见a 到b 和b 到a 的传输方向是反向的。 2 2 2 单向倒换和双向倒换 图2 2 双向环 c 单向倒换是检测故障之后，只在被保护实体受影响的方向采取动作。例如， 图2 1 中a b 之间短路径的外环光纤中断，影响了a 到b 之间的通信，只需将 a b 间的通信由内环承担即可。而双向倒换则不同，只要其中任何一个a 到b 的 通信出现故障，b 到a 的通信也要倒换。例如，图2 2 中正常情况下a 到b 和b 到a 的通信由外环传送，如果a b 之间短路径外环光纤中断，则a 到b 和b 到 a 的通信都将倒换到内环。 2 2 3 倒换的判据 网络出现故障时靠什么来判别? 判别方法中，通过是否收到光信号进行判别 是最容易实现的一种方式，并且此方式在光和电的机制下都可以实旎。而以误码 水平进行判别则要增加电路的复杂度。 节点的中心部件是交叉部分，不问性质的交叉颗粒有所不同：在s d h 的交 叉中颗粒为v c n ，在w d m 光交叉中颗粒则是个波长。为完成恢复和保护， 需要对信号流的方向进行例换，倒换操作由节点的交叉部分完成。那么，交叉又 由哪部分控制? 分不同情况：通道保护环受中断检测直接控制，复用段共享保护 环受k 字节处理器控制。不论是环还是其它拓扑，没有控制平面的交叉设备由 网管控制，智能光网络由控制平面控制。 重庆邮电学院硕士论文 2 3s d i t 自愈环i 5 2 3 1 通道保护白愈环 通道保护环为s d h 自愈环中常见的种形式，通常在环的一个节点将业务 映射到一个v c - n ，经过环传到另一个节点时再将该v c - 1 1 从分插口输出，这样 便构成了一个v c n 通道，而通道保护环则是利用冗余资源组成另外一条通道对 这个通道进行保护。 图2 3 通道保护环举例 通道保护环有很多的实现方案，图2 3 是其中的一种，其主要思路是“并发 优收”，即在通道的发送端，将信号同时“拷贝”到两个方向相反的通道中，接 收端在两个通道中选择一个接收。其中，选择的最基本的标准就是选择信号未发 生中断的那一个通道，如果两边都未发生中断，则任意采用一个。当然，接收端 有相应的电路来判断信号是否发生中断。 在通道建立时，将首先通过网管将各站的交叉状态配置好，如图2 3 所示。 图中画出了从a 到e 这一个方向，另一个方向e 到a 与此相同。其中e 点可以 选择从