（通信与信息系统专业论文）多粒度光网络中基于负载平衡的动态路由和波长分配算法研究.pdf

重庆邮大学硕士论文摘要 摘要 随着i n t e r a c t 网络数据业务的飞速增长和光纤传输能力的提高，对现有光网络 的功能提出了更高的要求，要求其具有智能性、交换容量大、阻塞概率低和成本低 等性能。传统的光网络已无法满足这些要求，而基于自动交换光网络( a s o n ) 架构的 多粒度光交换系统在传送层面引入了多粒度的交换技术，并在光层之上引入智能， 从而保证了业务多种粒度的灵活传送和智能控制，将成为下一代光传送平台的核心 技术。无论从技术的角度看，还是从运营者的角度来看，多粒度光交换技术都能够 满足网络发展的需求。 多粒度光交换技术已成为光通信领域中一个重要研究方向，而多粒度节点交换 结构又是其中的热点之一。多粒度光交换节点结构主要有单层结构、多层结构，而 多层结构又可分为串联结构和反馈结构，不同的节点结构在自身构成、网络性能、 灵活性等方面均由所区别，文中对这几种节点结构进行了分析比较，并探讨研究了 多粒度节点结构设计中几个关键技术问题。 本文研究的重点是多粒度光交换的另一个热点波带交换技术。首先介绍了 光网络中路由和波长分配算法的基础知识，以及波带交换的一些关键技术，重点分 析与比较了现有多粒度光网络中的路由和波长( 波带) 分配算法的差异与优缺点， 发现它们主要是以减少交换端口为目的，很少考虑网络中链路波长资源的具体情况， 基于此提出了基于负载平衡的动态路由和波长( 波带) 分配算法。该算法结合w d m 网络中负载平衡思想，综合考虑波带通道和链路波长资源，在保证使用较少的端口 前提下，将业务均衡分布在整个网络的所有链路上，提高网络资源利用率，降低阻 塞概率，最大程度上体现多粒度光交换的优势。最后在o p n e t 仿真环境下，通过c 语言编程自建模块，仿真结果表明，该算法达到了预期的目标，能有效的减少网络 阻塞概率。 关键词：多粒度光交换，路由和波长分配，波带交换，负载平衡 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p i n go fd a t as e r v i c e si ni n t e r n e tn e t w o r ka n dt h ei n c r e a s i n go f o p t i c a l f i b e r s t r a n s m i s s i o n c a p a b i l i t yr e q u e s tt h eo p t i c a ln e t w o r kt o h a v em o r e i n t e l l i g e n c e ，b i g g e rs w i t c h i n gc a p a b i l i t y , l o w e rr a t eo fb a c k u pa n dl e s sc o s t , w h i c ht h e t r a d i t i o n a lo p t i c a ln e t w o r kc a n tp r o v i d e s oc o m e st h em 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 b a s e do nt h ea u t o m a t i cs w i t c h e d o p t i c a ln e t w o r k ( a s o n ) t h a tc a np r o v i d es e v e r a lg r a n u l a r i t i e so fs w i t c h i n gi nt r a n s f o r m p l a n ea n db ei n t e l l i g e n t i tw i l lb et h ek e m e lt e c h n o l o g yi nt h en e x tg e n e r a t i o no fo p t i c a l n e t w o r k s o e v e rs e e i n gf r o mt h et e c h n i c a l p o i n t ，o rf r o m t h eo p e r a t o r sp o i n t , m u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g yw i l lb ea b l et om e e tt h er e q u i r e m e n to f n e t w o r kd e v e l o p m e n t n o w a d a y s ，t h er e s e a r c h e so fm u l t i - g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g ya r e c a r d e do ni nm a n yc o u n t r i e s t h i st h e s i si n t r o d u c e sah o t s p o ti nt h em u l t i g r a n u l a r i t y t e c h n o l o g y i ti n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r e so fm u l t i g r a n u l a r i t yn o d es t r u c t u r ea n dg i v e s s o m ea n a l y s i so ft h e i rp e r f o r m a n c e s t h e nt h et h e s i sm e n t i o n ss o m ep o i n t st h a tw es h o u l d p a ya t t e n t i o nt od u r i n gt h ed e s i g n i n go fm u l t i g r a n u l a r i t ys w i t c h i n gs t r u c t u r e t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so na n o t h e rh o t s p o ti nm u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n g - - - w a v e b a n ds w i t c h i n g f i r s t l y , t h eb a s i ck n o w l e d g eo fm u t i n ga n d w a v e l e n g t h a s s i g n m e n ta n dt h ek e yt c c h n o l o g y so fw a v e b a n ds w i t c h i n ga l ei n t r o d u c e d t h e n , b a s e d o nt h e a n a l y s i s a n dc o m p a r et h em e r i t sa n dd i s a d v a n t a g e so fe x i t i n gr o u t i n ga n d w a v e l e n g t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h m si nw a v e b a n ds w i t c h i n gn e t w o r k s ，i ts h o u l db ef o u n d t h a tm o s te x i s t i n ga l g o r i t h m so n l yc o n s i d e r e dr e d u c i n gt h en u m b e ro f s w i t c h i n gp o r t s ，b u t r a r e l yc o n s i d e r dt h ea c t u a lc o n d i t i o no fw a v e l e n g t hr e s o u r c e s f i n a l l y , an e wd y n a m i c r o u t i n ga n dw a v e l e n g t h ( w a v e b a n d ) a s s i g n m e n ta l g o r i t h mw i 廿lt r a f f i c - b a l a n c ei s p r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e st h et r a f f i c b a l a n c ei d e ai nw d m ，a n dt a k e sw a v e b a n d c h a n n e l sa n dw a v e l e n g t hr e s o u r c ei n t oa c c o u n tt o g e t h e nb e s i d e st h e o b j e c t i v et o m i n i m i z et h et o t a lp o a so na na v a i l a b l er o u t e ，i tc a nc a ns p r e a dt h et r a f f i cu n i f o r m l ya l l o v e rt h ew h o l en e t w o r kw h i l ei th a sl o w e rb l o c k i n gp r o b a b i l i t y t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n s h o wt h a tt h ea l g o r i t h mm e e t so u r e x p e c t a n to b j e c t i v ew e l l k e y w o r d s ：m u l t i g r a n u l a ro p t i c a ls w i t c h i n g ，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 ( r w a ) ，w a v e b a n ds w i t c h i n g ，t r a f f i c - b a l a n c e 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 光网络概述 第一章绪论 2 0 世纪末出现的i n t e m e t 标志着人类社会进入了一个崭新的信息化时代，全球 信息量呈级数增长，通信业务由传统单一的电话业务转向高速m 数据和多媒体为代 表的宽带业务，对通信网络的带宽和容量提出了越来越高的要求，这些都依赖于光 网络巨大带宽的支持。 随着光器件的发展和光系统的演进，以光纤作为基本的传输链路，并充分利用 光纤所独具的特性而组成的一种通信体系光通信网络逐渐成为现代通信网的 基础平台。光纤通信系统经历了几个发展阶段，从8 0 年代末的准同步数字系列 ( p d h ) 系统，9 0 年代中期的同步数字系列( s d h ) 系统，以及近几年的波分复用 ( w i ) m ) 系统，光纤通信系统自身在快速地更新换代。采用w d m 系统改变了光 传输容量的增长方式，极大地突破了“电子瓶颈”或电子极限的限制。基于w d m 技 术的光网络己经由最初的线形点到点传送结构，逐步转变为环形结构、网型结构。 随着信息领域相关技术的发展，特别是i n t e m e t 对数据业务增长的强大推动， 人们对现有的光网络的功能提出了新的、更高的要求。要求光网络能够实时地、动 态地调整网络的逻辑拓扑结构，能够快速、高质量地为用户提供各种带宽服务与应 用，实现资源的最佳利用和实时的流量工程，从而引发了智能光网络的发展。在智能 光网络的解决方案中，自动交换光网络( a s o n ) 已吸引了国际学术界和工业界的 广泛注意，成为下一代光网络的发展方向。 1 2 多粒度交换技术的产生背景与研究热点 网络带宽和容量的发展导致了每根光纤中的波长数量，以及光交叉连接( o x c ) 当中的交换端口数量大幅度增加。这使得节点的成本以及对其管理和控制的难度随 之增加。传统的光节点设备一般在光层采用基于波长单粒度的交换结构方案，由于 所有光路信号都必须适配到波长级别进行处理，其核心是一个超大容量的波长交叉 连接矩阵。目前提出的解决方法包括采用无阻的电交叉矩阵单元的o e o 方案和使 用无阻的全光交叉矩阵的o o o 方案【，2 3 】。前者受到电交叉芯片交叉能力及电背板 总线速度的限制，单板交叉能力都有限，采用多板扩展会造成交叉板数量成指数级 增长；同时外围又要进行大量的o e 、e o 变换，功能复杂，设备升级扩展性较差。 后者目前还没有实用的大规模交叉矩阵，采用小规模光开关阵列扩展同样面临交叉 重庆邮电大学硕士论文第章绪论 矩阵数量巨大的困境，且完全无阻配置下必须配置与总波长数等量的光转发单元 ( o u t ) ，同样增加了节点成本。总之，单粒度交换的大容量光节点设备在目前的 技术水平下交叉规模受限、成本高、灵活性差、扩展比较困难，无法满足高速网络 交换的需求。 另一方面，在光网络交换节点处，如果将所有光信号都不加区分地从光纤级解 复用到波长级进行单粒度交换，这与实际网络中旁路传输占主干网络中整个传输量 的6 0 8 0 ，而仅仅只有少量的光信号需要解复用到波长一级进行交换的情况不 吻合，造成了交换端口的增加及随之而来的设备成本的提高，具有灵活的交换粒度 是数据业务发展的迫切要求。伴随着智能光网络和通用多协议标签交换( g m p l s ) 控制技术的出现，结合了空分、波分以及时分等多种交换方式的多粒度交换技术应 运而生。通过在多个粒度( 波长、波带、光纤) 层次上进行有选择的分层交换，光 节点的结构可以大大简化，端口数减少，设备的成本随之显著降低。 多粒度光交换技术的概念最早出现在2 0 0 0 年。其含义是指在同一光节点内可同 时进行光纤交换、波带交换和波长交换。多粒度光交换技术可以通过带宽容量在不 同粒度层面上的灵活分配，在满足整体容量需求的同时，借助对节点传送结构的优 化设计简化了设备功能，降低了成本。总的来说，多粒度交换技术具有以下一些突 出的优点： 简化节点结构，降低设备成本； 具有智能的多粒度控制系统和管理平台用于支持多粒度交换的实现； 支持流量工程及业务疏导功能，可有效提高网络资源的利用效率； 具有灵活的保护恢复能力，使网络在出现问题时仍能维持一定质量的业 务，可实现业务的快速恢复；可以为用户提供多种粒度的新型业务，诸如按需带宽 ( b o d ) 业务等。 多粒度光交换技术是一项崭新的光网络节点技术，更加符合未来光网络应用的 实际特点，也是下一代光网络传送平面的关键技术，内涵丰富具有极为广阔的应用 前景，对其进行研究和实验有重要意义。由于多粒度光交换技术的前瞻特性，国内 外的理论研究也在多方面展开。纵观国内外的研究情况，目前的研究热点集中在多 粒度交换的节点结构和波带交换1 4 1 ( w b s ，w a v e b a n ds w i t c h i n g ) 路由两个方面。 采用多粒度光交换技术后，首先需要对传统光网络进行改进的就是节点结构。 因为传统光网络节点只能对波长粒度进行交叉连接和上下路，所有的业务都只能宜 接承载在波长上，然后上路复用到光纤中进入网络传输；到了交换节点，必须将所 有入向光纤解复用到波长级，进行交叉连接和上下路后，再复用到出向光纤中进行 传输。而应用多粒度交换技术后，交换节点的交换粒度可以扩展到波带和光纤级， 实际上一个节点并不需要解复用出所有的波长，然后再对所有波长进行复用后输出， 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 它可以直接在波带或光纤级进行处理。因此，基于实现原理的变化，许多研究都集 中在多粒度光交换节点结构的提出上。目前，单层和多层结构都有提出许多的模型， 它们都有各自的特点，下文将会详细介绍。 另一方面，采用多粒度交换技术之后交换节点不必把所有的输入光纤都解复 用到单个的波长，因此可以大大降低光模块的数量，从而降低节点的成本。但o x c 成本的降低是以牺牲灵活性为代价的：在m go x c 中并不是所有光纤波带内的波 长都可进行上下路，或是自由交换到其它光纤波带中去，波带的情况与波长相似， 在节点灵活性稍有下降的情况下，为了提高网络资源的利用效率，降低网络的阻塞 率，设计一种好的路由与波长( 波带) 资源分配策略是非常重要的。因此，对此进 行研究也具有重要的意义。 1 3 论文工作内容与组织结构 1 3 1 工作内容 多粒度光交换技术是近年来光通信领域研究的热点。多粒度光交换的新技术、 新的解决方案、新的框架结构等层出不穷。在选择本课题的时候，正是考虑到多粒 度光交换技术已经成为当下的热门研究内容。同时，多粒度光交换技术的研究也具 有巨大的经济及现实意义。 在传统的纯波长交换光纤网络中，不同通道仅通过不同的波长来区别，即只有 波长连续性限制。但是在多粒度网络中，如果没有足够的波长变换器，那么一个波 带连接的各链路中分配的必须是不同光纤中的同一波带，因为同一光纤中的不同波 带由于使用的是不同的波长，而不能构成一个光连接，即具有了波带连续性的限制。 因此，在多粒度光交换网络中，不同光纤必须给以不同的标记，因为它们中的有些 属于波长交换，而有一些属于波带或光纤交换。在进行路由和波长分配时必须考虑 波长和光纤两个限制因素，从而使得r w a 问题将变得更加复杂。 基于这些，本文的主要工作内容有以下两点： 研究了多粒度光交换技术的背景知识。其中包括多粒度光交换技术发展现 状，交换节点的结构，以及波带交换等关键技术； 研究了现有的多粒度光交换技术中的波带交换及波长分配算法，提出了一 种改进的基于负载平衡的波带路由算法，提高网络资源利用率，改善网络的阻塞率。 其中，后者也是本论文研究的重点。在后文将可以看到，该算法结合了w d m 中负载平衡的相关思想，综合考虑负载平衡和减少端口使用数量，在实现了多粒度 光交换减少端口使用数量的最初目标的同时，提高了网络资源利用率。 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 2 论文结构 本论文总共分为6 章： 第一章为绪论部分，主要介绍多粒度光交换的产生背景与研究热点， 文的主要研究内容； 第二章研究多粒度的两种节点交换结构：单层节点和多层节点结构， 点结构设计中需要注意的问题，简要的对两种结构的性能进行了比较； 以及本论 分析了节 第三章主要介绍了光网络中路由和波长分配问题中的相关概念及常见算法； 第四章研究了多粒度光网络中波带交换的一些关键技术，在此基础上介绍并分 析了当前波带交换算法的优缺点； 第五章是本文的重点，提出了基于负载平衡的多粒度光交换算法，并在o p n e t 仿真平台上，通过自建仿真模块，对该路由算法进行了性能仿真； 第六章是论文总结，概括了论文的内容和结构，提出了论文中的不足之处和需 要进一步研究的问题。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换节点结构 第二章多粒度光交换节点结构 近年来，在爆炸性增长的i n t e m e ti p 数据业务的强大推动下，光网络技术得到 了迅猛的发展。以密集波分复用( d w - d m ) 为基础构建核心的光传送网( o t n ) 满 足了业务对大带宽、高速率的需求，同时也暴露出了传统的光网络与现有的i n t e m e t 发展不相符的地方。 光网络传输能力的大踏步前进一方面满足了i n t e m e t 业务爆炸性发展对网络带 宽的需求，但是同时也对网络节点的提出了更高的要求。传输带宽的提高使得网络 中节点的光( 光电) 交叉连接矩阵规模( 即交换端口数目) 的迅速增加，造成节点 的成本和对节点的管理和控制难度也随之增加。然而，传统的光网络一般采用基于 波长粒度的单级交换结构。在目前的技术水平的制约下，无法制造出单粒度的大容 量的光交叉连接矩阵。因此，只支持单粒度的光节点交叉规模有限，成本高，灵活 性差，扩展困难，无法满足光网络对大容量，高速度，多粒度，灵活性等多方面的 要求。 而从另一方面看，对网络业务流量的研究表明，相当一大部分的业务( 占到业 务总量的6 0 8 0 ) 在节点无须进行较小等级粒度( 如：子波长、波长) 的交换， 而可以在较大的粒度层次( 如波带、光纤) 上直通。因此，人们希望光网络中的节点 能具有灵活的交换能力。多粒度光交换技术是在2 0 0 0 年左右提出的，其含义是指在 同一光节点内可同时进行光纤交换、波带交换和波长交换，而多粒度光交叉连接结 构( m go x c ) 1 5 是多粒度光交叉交换的核心。通过在多个粒度( 波长、波带、光 纤) 层次上进行有选择的分层交换，光节点的结构可以大大简化，减小了设备体积 和功耗，端口数减小，设备的成本随之也显著降低。 多粒度光交换网络与传统光网络最大的不同就是在于节点的交换结构。传统的 光节点设备一般在光层采用基于波长的单粒度交换结构方案。由于所有光路信号都 必须适配到波长级别进行处理，其核心是一个超大容量的波长交叉连接矩阵。常规 的光交叉连接设备( o x c ) 想在单一波长粒度下解决的交叉连接及波长交换等问题， 尽管节点的交叉连接能力很强，但是交叉规模受限、成本高、灵活性差、扩展比较 困难。多粒度光交换技术则可以有效避免上述问题。 5 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换节点结构 2 1 现有多粒度节点结构分析 普通的光交叉连接( o x c ) 节点，即单粒度的o x c ，通常是在单一的波长粒 度下实现波长级业务的交换和波长变换等功能的，波长终结于或透明地穿过一个节 点，而且每个波长都需要一个交换端口。尽管这样的节点交叉连接能力很强，但是 存在交叉规模受限、成本高、灵活性差、扩展困难等缺点。 在下一代光网络中，多粒度光交换主要基于波长、波带、光纤三种粒度的业务 进行交换。例如，在具有波带交换能力的波带交换网络中，几个波长被分为一组作 为一个波带，波带通道随时可作为一个单独的单元交换( 也就使用一个波带端口) 。 在需要的时候，一个波带也可以被解复用为几个波长( 当此波带承载了一个或多个 需要上厂f 路的波长时) 。多粒度光交叉连接节点不仅可以交换多粒度的业务，如光 纤，波带和波长业务，还可以上厂f 路多粒度业务。业务可以通过复用器和解复用器， 从一个粒度级别转到另一个级别。 从节点的交换层次结构上来说，多粒度光交叉连接节点主要可分为两种类型： 多层结构和单层结构。而多层节点结构又可进一步分为反馈式和串联式。下面将分 别介绍这些节点结构，并对它们的功能特性进行简要地分析。需要说明的是，这里 的节点都没有考虑波长变换功能。 2 1 1 单层节点交换结构 单层节点交换结构是最基本、最简单的一种结构。文献【6 】提出了一种单层多粒 度光交叉连接结构，从图2 1 中可看出，光交叉连接矩阵在逻辑上分成光纤交叉连接 ( f x c ) 、波带交叉连接( b x c ) 、波长交叉连接( w x c ) 三个部分。有部分输入光 纤直接通过光纤交叉连接矩阵直接连接到输出光纤，另一部分光纤需要经过解复用 在波带交叉连接或者波长交叉连接矩阵中进行交换，再输出到输出光纤。它的解复 用器包含两级，最外面的是波带解复用器，能将光纤中的信号解复用为波带信号， 第二级为波长解复用器，能将波带信号解复用为单个波长。工作原理如下：进入端 口的光纤中包含直通信号的直接通过f x c 选路输出，含有波带或波长交换信道的光 纤则通过波带解复用器解复用为单个的波带信号，只有波带交换的信道通过b x c 选 路输出，含有波长交换的信道则通过波长解复用器进一步解复用为单个波长，通过 w x c 选路输出。另外每个交换层面都能提供上下路功能。 6 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换节点结构 图2 2 所示的是可重配置单层多粒度光交换结构【7 1 ，与图2 1 中的交换结构相类似 的，先预先配置部分输入光纤，只有这些光纤才能解复用为波带，而其他输入光纤 只能整体地直通该节点或者分接出该节点。同样，只有预先配置的波带才能解复用 为波长，而其他波带只能直通该节点或者分接出该节点。图2 1 和图2 2 所示结构的区 别在于：图2 2 中有a ，p 两个变量。0 【定义为可解复用为波带的光纤数占总光纤数的 比例，p 定义为可解复用为波长的波带数占某根光纤总波带数的比例。假设输入光 纤数为x ，某根光纤的总波带数为y ；那么可以解复用为波带的光纤数为嵌，可以 解复用为波长的波带数为p y 。采用这种结构可以动态调整0 【、随，亦即动态调整可 解复用为波带的光纤数目和可解复用为波长的波带数目。相对于固定比例的结构， 这种结构更具灵活性。由于网络中数据流的动态性越来越强，利用可重配置结构来 进行交换无疑更能够满足业务对网络的要求。 4 波带( 光纤到 图2 1 单层多粒度光交叉连接结构 单层的m g o x c 只有一级光开关矩阵，在逻辑上可以划分为光纤级( f x c ) 、 波带级( b x c ) 、波长级( w x c ) 。在单层的m g - o x c 中，只有固定的光纤可以被 解复用为波带信号，只有固定的波带可以解复用为波长信号。如图2 2 中，光纤1 ， 2 输入端口的信号永远只能进行光纤级的交换，而不能进一步解复用成为波带信号 进入波带级交换。由于单层m g o x c 中可以解复用为波带信号的光纤，可以解复 7 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换节点结构 用为波长信号的波带都是提前配置好的，所以单层m g o x c 相当于一种准静态的 节点，更适用于静态业务模型，或者业务量变化不大的网络中。 图2 2 可重配置单层多粒度光交换结构 2 1 2 多层节点交换结构 多层多粒度交叉连接结构与单层一样，其核心部分是f x c 、b x c 、w x c 三个交 换矩阵。与单层的区别是f x c 与b x c 直接通过波带复用解复用器连接，b x c 与w x c 直接通过波长复用解复用器连接，但f x c 与w x c 之间没有进行直接连接，每个交 换矩阵也提供上下路端口。其工作原理与单层基本相似，不同的地方是下层的交换 必须先经过上层的交换矩阵。如果光纤中有波长要进行波长级豹交换，先在f x c 交 换矩阵中交换蛰j f t b 端口，通过波带解复用器解复用成单个波带在b x c 交换矩阵中 交换到b t w 端口，通过波长解复用器解复用成单个波长在w x c c p 完成交换。如果 信号继续向下游传输，则经过相反的过程从下层交换矩阵逐层返回光纤输出端口。 多层节点交换结构又可以进一步分为反馈式结构和串联式结构。如图2 3 为反馈 式的结构峭j ，其q b b x c 层和w x c 层不仅具有光交叉连接矩阵，还具有光复用器光解 复用器。f x c 层包括光纤交叉连接矩阵，用来交换进入节点的光纤。可以看到只有 口而( n 为进a m go x c 的光纤数，口为能被解复用到波带的光纤数占总光纤 数的比例) 条光纤进入b x c 层，其余都被旁路掉。b x c 层包括光波带交叉连接矩阵， 8 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换节点结构 以及光纤到波带解复用器和波带到光纤复用器。该层有口凡( 为能被解服用 到波长的波带数占该层总波带数的比例) 条光波带进入w x c 层，其余都被旁路掉。 w x c 层包括光波长交叉连接矩阵，以及波带到波长解复用器和波长到波带复用器。 这层交叉连接矩阵用来旁路，填加和丢弃光路i g 。d 。经过计算，我们可以得到一个 基于图2 3 的m go x c 节点的端口数： 一1 = ( 1 + 口) 凡+ ( 1 + ) 口凡b + t ；t 而口矽+ 耽，d 式( 2 1 ) 同时，由图可知，w x c 层需要一个端口数为岱凡b x 形+ 耽，d 的交叉连接矩 阵，b x c 层需要一个端口数为( 1 + ) 口凡b 的交叉矩阵，f x c 层需要个端口 数为( 1 + 口) 忍的交叉连接矩阵。 这种结构的特点是输入光通道经过逐级解复用到小粒度的交叉连接模块进行交 换以后，然后返回底层的大粒度交换模块，。 图2 3 反馈型三层多粒度交换节点结构 图2 4 为串联式结构1 9 ，和反馈式结构一样，也可分成f x c 层、b x c 层和w x c 层。然而，串联式结构不像反馈式结构在b x c 层和f x c 层引入反馈，将来流量和去 流量放在一个模块里处理。串联式结构将来流量和去流量清晰的区分开处理。 为了便于对比，作同反馈式m go x c 一样的假设，即假设解复用到波带的光纤 比例为口，解复用到波长的波带比例为罗。经计算我们得到级联式m go x c 的节点 端口数： p o r t 一2 = 2 x f t + 2 x a ! x r b + p x a x f , x b x w + w o a 式( 2 2 ) 同时可知图2 4 中，w x c 层需要一个端口数为b a 而b x 矽+ 矾，d 的交叉连 接矩阵，b x c 层需要两个端口数为axe 。b 的交叉连接矩阵，f x c 层需要两个端口 数为r 的交叉连接矩阵。 由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，我们可以得到式( 2 3 ) 。由于相对其它乘积项而言，耽，d 很小， 9 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换节点结构 因此在式( 3 ) 中，我们将其忽略。而骨干网中旁路流量可占到总流量的6 0 7 0 可 得，口l ，1 ，且两者不能同时为l ，所以可以得到式( 2 3 ) 0 0 的比值小于1 。因 此，反馈式m g _ o x c 所需端口数小于串联式m g _ o x c 。 菥p o r t1 小i 击22 等b 黯警b 品 龆3 ) 一= 一一1 | 、i - 尸d 力2+口 + 口口 矿 、 卅：谁护 个b j b 一隹 、v x c 三| i 、卜 x f x b f ，1 cc 1bx x- q j ： 。tr i 百吐 叶 cc ； 上路下路 入i 图2 4 串连型三层多粒度交换节点结构 2 2 各种节点结构的性能分析与比较 许多文献n 仉1 对两类典型的多粒度光交叉连接体系结构进行了比较或分析。比 较的出发点主要是：结构的复杂度，控制的复杂度，结构的灵活性以及对性能( 光 信号衰减，阻塞率，吞吐量等) 的影响。 1 ) 从结构图和工作原理可知，单层m go x c 具有更简单的结构，各层交换矩 阵之间没有端口连接，每一层交换只经过一个交换矩阵，从而其控制相对来说要简 单；而多层m go x c 中，结构相对比较复杂，例如波长级的交换最多要经过3 个 交换矩阵，如果向下游传输，还需向上通过3 次交换，中间需要经过4 个复用解复 用器。因而，多层m go x c 的控制相对要复杂。并且由于光信号经过单层m go x c ， 只经过一个交叉连接矩阵，所以光信号的衰减比较小；而经过多层m go x c ，最多 有可能需要经过6 个交叉连接矩阵和两个解复用器和两个复用器，光信号的衰减比 较严重，有时需要对光信号进行整形和增强： 2 ) 单层m go x c 中，光通道的选择具有很大的局限性。某一波长信号如要进 入波长交换矩阵，必须在路由和波长指配时就选定特定的光纤，特定的波带。对于 简单的网络而言，在网络规划时考虑全面就能满足业务调度的需求，不会有太大的 困难，但是对大规模复杂的网络，单层m go x c 就很难满足其灵活的流量调度需 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章多粒度光交换节点结构 求。多层m go x c 具有更灵活的结构，各级信号都可以通过相应的复用解复用器 交换到其它级。例如波长可以通过w t b 复用器复用到波带，再可以通过b t f 复用器 复用到光纤，光纤可以通过f i b 解复用器解复用到波带，再通过b t w 解复用器解复 用到波长。 3 ) 对于同是多层交换结构的反馈式结构和串联式结构，如果在本地节点进行 波带级别的交叉连接，二者所经过的交叉矩阵数目是相同的。但是对于反馈式结构 来说，没有输入和输出w x c 、b x c 以及f x c 之分，二者是统一的。在只进行波带粒 度交叉的情况下，反馈式结构只需要穿越三级交叉矩阵，而串联式结构需要穿越四 级交叉矩阵；在只进行光纤粒度交叉情况下，反馈式结构只需要穿越一级交叉矩阵， 而串联结构需要穿越两级交叉矩阵。一般来说，在多粒度光网络中，底层传送资源 的配置时间是和所需要配置的交叉连接矩阵的数目成正比的，因此，在进行粗粒度 交换的情况下，反馈式结构所需要的时延应该少于串联结构所需要的时延。在动态 的多粒度信令方案中，有时候到达某一个节点信令信息需要等待本地资源配置返回 成功响应以后才能够向一个节点继续传送，在这种情况下，反馈式多粒度交换结所 需要的连接建立时延会优于串联式多粒度光交换结构。 总的说来，单层交换结构虽然简单，但不适合于组网应用；反馈式和串联式多 层结构在功能结构上是相同的，都可以实现光纤、波带与波长的三级交又，有所不 同的是反馈式结构在进行粗粒度交叉时要比串联结构功能简化。 2 3 节点结构设计中的关键问题 作为多粒度光交换的研究热点之一，节点结构的设计受到研究人员的非常重视， 已经提出了许多的结构。在多粒度光交换节点结构的具体实施方案中，需要综合考 虑下述特点进行相关的结构设计： 1 ) 阻塞设计 在w d m 光网络中，连到节点的光纤链路可能是几条到几十条，单纤配置的光 波长通道可能是几个到上百个，由于同一光纤内的多个波长间不需要交又连接，因 此把所有波长不加区分而进行波长级的无阻交叉连接会浪费掉大量的交叉连接资 源。光纤级、波带级的引入则可以避免在单一波长粒度上对超大容量全无阻交叉矩 阵的需求，从而降低了节点实现的复杂度。此外，通过在节点内部对所有端口间交 换能力的要求进行合理的阻塞设计，还可以进一步减小交又规模。通过在不同粒度 带宽的信号之间优化合适的分插比例，则可以在基本不损伤网络处理灵活性的同时 大大提高节点设备的性价比。 重庆邮电大学硕士论文 第二章多粒度光交换节点结构 2 ) 模块设计 模块化设计是节点结构灵活性的基础。对多粒度光交换节点而言其模块化的结 构设计尤为重要，特别是支持不同粒度层内交换和层间适配的模块化结构。此外， 对于光交换节点中一些昂贵的单元器件，如波长变换单元、光信号再生中继单元、 色散管理单元、功率管理单元、性能监测单元等，通过节点的模块化设计可有效提 高器件的共享水平。 3 ) 可扩展设计 多粒度光交换必须是可扩展的交叉结构，通过合理的模块化设计可以达到上述 目标。重点设计光模块的在线升级能力，这样可以做到在不中断光节点业务的前提 下提高其交换的灵活性。 2 4 本章小结 多粒度光交换节点结构是多粒度光交换技术的两个研究热点之一，这也是多粒 度光交换网络与传统光网络的最大不同之处。传统的光网络的节点结构一般只支持 波长单粒度的交换，而多粒度光交换网络中的节点结构可以支持光纤、波带、波长 三级粒度的交换。本章首先详细介绍了多粒度光交换的各种交换结构，比较了单层 结构和多层结构的基本组成原理和存在的差异，以及各种结构的优缺点，最后给出 了在节点结构设计中需要考虑的相关问题。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第三章光网络中路由和波长分配问题的基础知识 第三章光网络中路由和波长分配问题的基础知识 在讨论多粒度光交换网络中路由和波长分配算法之前，有必要先研究光网络中 路由和波长分配算法的一些基础知识，因为这些都是前者的研究基础。 由于在光网络中，可用波长数量限制了网络能够提供的最大端到端的连接数量， 而光纤链路上的波长信道间隔、光收发机的调谐能力等物理约束都限制了可用信道 的数量。另外，给每一个信道分配波长时，并没有考虑带宽需求等因素，所以带宽 粒度问题也同样限制了波长通道的带宽利用率。现有的光网络虽然已经取得了巨大 的进步，但由于各种物理的、技术的限制因素，使得光网络还不能够提供所有我们 所需要的连接率，所需要的波长数目与网络规模和网络节点之间的函数关系，就成 为一个重要的必须的研究课题，因为光纤的带宽不是无限的，而且现有光技术也大 大限制了可得到的波长的分割程度。由于光网络存在这些限制条件，为了优化网络 性能，就必须使用路由与波长分配( r w a ，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 ) 1 2 】 算法，如何在有限资源网络中为业务选择合适的路由和分配优化的波长将直接影响 到网络的传输效率。因此，光网络中路由和波长分配算法成为重要的研究课题。 r w a 问题经常被分解为两个子问题来考虑：路由子问题和波长分配子问题。 前者是依据优化目标，为业务选择合适的路由；后者则是为业务分配优化的波长。 其中，波长分配子问题又包括w s ( w a v e l e n g t hs e l e c t ) 和w i ( w a v e l e n g t hi n t e r c h a n g e r ) 两种方案【1 3 1 。w s 指在光网络中，为每个呼叫建立的波长通道具有波长连续性，w i 指为呼叫建立的光通道的波长可以不连续，因此它就需要波长变换器，或节点具有 光电光( o e o ) 变换能力。 通常光网络中建立新的连接请求时，先解决路由子问题，然后逐一为光通道分 配波长。路由选择从整体上讲划分为基于全网信息和基于局部信息的两种方式。所 谓基于全网信息是指做出路由决策的节点维护有全网每一条链路的资源信息。这种 方式既可适应子集中式控制的网络，也可适应于分布式控制的网络。基于全网信息 的路由策略是基于端到端的通路来选择路由的，而基于局部信息的路由方式是以逐 跳方式确定路由的。与基于全局信息的路由策略相比，基于局部信息的路由策略更 为灵活，具有很强的可扩展性，但其缺点是连接建立的时间较长，信令过程比较复 杂。目前，基于全网信息的路由方式是一种较为成熟的路由策略。 3 1 基本概念 在光网络路由和波长分配问题中，涉及许多的基本概念，以下将一一给出。 重庆邮电大学硕士论文第三章光网络中路由和波长分配问题的基础知识 1 ) 静态业务和动态业务 在光网络中，业务可以分为静态业务和动态业务。静态业务是指需要建立连接 的一组业务的连接需求是预知的，这些业务一旦建立，将“永久”维持连接关系，即 占用网络资源。静态业务通常采用整数线性规划( i l p ，i n t e g e r l i n e a rp r o g r a m m i n g ) 方法，其优化目标通常是用最少的网络资源( 如光纤、波长数量) 为静态业务建立 光通道。动态业务是指业务的到达按逐条方式随机在各个节点对间到达，业务持续 一段时间后将被拆除。动态业务算法通常发生在网络运行期间，其优化目标通常是 降低网络的阻塞概率，提高网络资源利用率。动态业务到达模型通常采用泊松 ( p o i s s o n ) 分布模型，业务的持续时间采用负指数( e x p o n e n t i a l ) 分布。 静态和动态业务路由和波长分配算法的区别在于：静态业务的一组业务的分配 顺序可变，同时，不需考虑静态业务的释放；对于动态业务，按业务到达顺序逐一 分配，经过一段业务连接时间后，该业务将会拆除。因此，针对不同业务属性，可 以采取不同的路由和波长选取策略。由于r w a 问题是n p 完备( n p c o m p l e t e ) f 1 4 1 5 】 问题，其计算时间随着网络的网络资源的增加而呈指数型增长，计算时间复杂度高。 因此，对静态和动态r w a 问题，均可拆解为两个子问题考虑。 2 ) 物理拓扑和逻辑拓扑 光网络的物理拓扑时指光网络的物理节点和光纤链路互连的物理结构，通过物 理拓扑，可以在节点对间建立由物理路由和承载波长构成的光通道。节点对间的业 务由光通道进行承载传送，而且光通道的配置可以通过在物理路由的节点上配置完 成。逻辑拓扑是所有已经在节点对间建立的光通道的集合，从业务角度衡量，也称 为虚拓扑。它表征了光网络节点对间的业务分配状况和组织形式，它同物理拓扑紧 密相关。物理拓扑中节点的度数是指和节点直接相连的光纤链路的数目，而逻辑拓 扑中指源节点或目的节点为该节点传送的业务数目。 3 ) 辅助分层图模型 辅助分层图模型是结合图论的相关知识来对光网络进行描述。它是利用光网络 的多波长特性建立起波长分层图模型，借助辅助分层图的方法同时解决路由与波长 分配问题。在多粒度光交换中，也可以借助波带辅助分层图来解决路由和波长分配 问题。 。 首先将网络的物理拓扑转换为分层图，即把全光网络物理拓扑复制w 份( w 为光网络中可复用的波长数目) ，分层图的每一层对应于一个波长，其拓扑与网络物 理拓扑一样，这样物理拓扑中的一个节点可以映射成分层图中的w 个节点。如图 3 1 ( a ) 表示网络的物理拓扑，3 1 ( b ) 表示依据物理拓扑建立的辅助分层图。r w a 问题 就可以转化为在分层图中寻找路由的问题。这样，当一对源、目的节点寻找到路由 后，根据它所在的分层图，对应的波长也能同时得到。 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章光网络中路由和波长分配问题的基础知识 在辅助分层图算法中，静态r w a 问题转化为在辅助分层图中寻找从源到目的 节点对间的最小代价路由问题。实验表明，在网络规模较小的情况下，使用辅助分 层图算法解决r w a 问题，效果较好。对于大型网络，光纤中波长复用数目较多的 情况下，由于节点数目过多，辅助分层图算法复杂度太高，不适合使用这种算法。 图3 1 ( a ) 网络拓扑图 3 2 路由选择子问题 w ： 3 2 1 ( b ) 辅助分层图 对于路由子问题，主要是为新到达的业务在业务接入点间选择一条优化的物理 路由。具体来说，路由的选择和确定是在连接请求建立阶段所进行的一系列操作， 在给定网络和连接建立需求的情况下，根据一定的算法或策略找到连接源节点与目 的节点之