（通信与信息系统专业论文）wdm光网络中共享通道保护策略研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 自2 0 世纪9 0 年代以来，数据业务的飞速发展推动了电信传送网络向 着高带宽和多业务的方向发展。w d m 技术的引进使得传输网络获得了潜 在的无限带宽。在这样一种高速、多业务的传送网中出现任何故障都会造 成不可估量的影响和损失，因此，当前对于网络生存性的研究更加迫切。 在阅读大量网络生存性相关文献并借鉴前人研究成果的基础上，对 w d m 光网络中生存性策略特点进行了比较研究，发现网络的生存性已成 为急需突破和发展的网络关键技术。当前网络的生存性研究主要集中在两 个方面，即保护机制和恢复机制。提高固定网络的潜在资源利用率和共享 性能，减少物理资源的开销，是w d m 光网络生存性研究中须解决的主要 问题。 本文首先概述了w d m 光网络的发展及特点，阐述了网络生存性的重 要意义和网络生存性包涵的范围，对网络生存性的评价指标和网络生存性 技术的发展方向进行了简要介绍。然后着重介绍了w d m 光网络中的保护 方案和恢复方案，并比较了这两个方案的特点，得出w d m 光网络中的保 护方案能够很好的解决网络的生存性问题。 本文第二部分，主要研究w d m 光网络共享通道保护策略中的单链路 失效保护。在分析了基于s r l g 限制的w d m 光网络的共享通道保护方案 的基础上，改进了一种基于s r l g 限制的并同时满足k 对业务请求的保护 算法，该算法利用d i j k s t r a 算法作为其基本算法并使用了工作路由集的概 念，在选路过程中，考虑了链路动态权重变化和局部优化等问题。通过实 验仿真，证明该算法能有效地降低源宿节点之间的权值，并减少业务的阻 塞率和提高资源利用率。 本文最后研究了w d m 光网络共享通道保护策略中的双链路失效保 护。并在第二部分的基础上，借鉴节点频度的概念，重点改进了一种适用 于w d m 光网络的双链路失效共享通道保护算法即f s d p p 算法，该算法考 虑了满足双链路保护的高可靠性要求和s r l g 分离的约束。通过实验仿真， 证明该算法能有效地降低网络资源的物理开销，并在阻塞率和资源利用率 上取得较好的性能。 关键词：w d m 网络，单链路，双链路，共享通道保护 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a bs t r a c t s i n c et h e19 9 0 s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fd a t as e r v i c ep r o m o t e st h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h e t e l e c o m m u n i c a t i o nt r a n s m i s s i o nn e t w o r ki nt h e d i r e c t i o no fh i g h b a n d w i d t ha n dm u l t i s e r v i c e t h ei n t r o d u c t i o no fw d m t e c h n o l o g ym a k e st h et r a n s m i s s i o nn e t w o r ka c q u i r eap o t e n t i a l l yu n l i m i t e d b a n d w i d t h i ns u c hah i g h s p e e da n dm u l t i s e r v i c et r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，a n y f a i l u r ew i l lc a u s et r e m e n d o u si m p a c ta n dl o s s e s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hf o r s u r v i v a b i l i t yi sm o r eu r g e n t a c c o r d i n gt oal a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r e sa b o u tn e t w o r ks u r v i v a b i l i t ya n d p r e v i o u ss t u d yr e s u l t s ，t h es t r a t e g i e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c si nw d mo p t i c a l n e t w o r k ss u r v i v a b i l i t ya r ec o m p a r e di nt h i st h e s i s i ti sf o u n dt h a tt h en e t w o r k s u r v i v a b i l i t yh a sb e c o m e ak e yt e c h n o l o g yw h i c hi si nu r g e n tn e e do fa b r e a k t h r o u g h t h e r ea r et w ok e yi s s u e so ft h en e t w o r ks u r v i v a b i l i t yi nc u r r e n t r e s e a r c h ，i e ，t h ep r o t e c t i o nm e c h a n i s ma n dr e c o v e r ym e c h a n i s m h o wt o i m p r o v et h ep o t e n t i a lr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n ds h a r i n gp e r f o r m a n c ei nf i x e d n e t w o r k ，a n dh o w t or e d u c et h ec o s to fp h y s i c a lr e s o u r c e s ，a r et h em a i ni s s u e s t ob er e s o l v e di nw d m o p t i c a ln e t w o r k ss u r v i v a b i l i t y f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c si nw d mo p t i c a ln e t w o r ki s a n a l y z e d ，a n dt h ei m p o r t a n c ea n dt h er a n g eo fn e t w o r ks u r v i v a b i l i t ya r e d e s c r i b e di nt h i st h e s i s t h ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r so fn e t w o r ks u r v i v a b i l i t y a n di t sd e v e l o p m e n td i r e c t i o na r es i m p l yi n t r o d u c e d a n dt h e nt h ep r o t e c t i o n a n dr e h a b i l i t a t i o np r o g r a m sa r eh i g h l i g h t e di nw d m o p t i c a ln e t w o r k ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s et w op r o g r a m sa r ec o m p a r e d i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e p r o t e c t i o np r o g r a mi st h eb e s tw a yf o rs o l v i n gt h es u r v i v a b i l i t yp r o b l e mi n w d m o p t i c a ln e t w o r k s e c o n d l y , s i n g l e l i n k f a i l u r ep r o t e c t i o ni nw d mo p t i c a ln e t w o r k si s m a i n l yr e s e a r c h e d t h es h a r e d - p a t hp r o t e c t i o np r o g r a mb a s e d o ns r l g c o n s t r a i n t si nw d m o p t i c a ln e t w o r k si sa n a l y z e di nd e t a i l a n do nt h i sb a s i s ， ap r o t e c t i o na l g o r i t h mi si m p r o v e dw h i c hi sb a s e do ns r l gc o n s t r a i n t sa n d m e e t st h ek p a i r ss e r v i c e s t h i sa l g o r i t h mu s e st h ed i j k s t r aa l g o r i t h ma si t s b a s i ca l g o r i t h ma n du s e st h ec o n c e p to fw o r k i n gr o u t ec o l l e c t i o n i nt h e r o u t i n gp r o c e s s ，t h ed y n a m i cc h a n g e si nl i n kw e i g h t sa n dl o c a lo p t i m i z a t i o n i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t p r o b l e m s a r ec o n s i d e r e d t h r o u g ho u re x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n ，i ti s p r o v e dt h a t t h i sa l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ew e i g h tb e t w e e nt h e s o u r c en o d ea n dt h ed e s t i n a t i o nn o d e a tt h es a m et i m e ，t h i sa l g o r i t h mc a n r e d u c et h es e r v i c eb l o c k i n gr a t ea n di m p r o v et h er e s o u r c eu t i l i z a t i o n f i n a l l y t h ed u a l - l i n kf a i l u r ep r o t e c t i o ni nw d mo p t i c a ln e t w o r k si s s t u d i e di nt h i st h e s i s a n dt h e no nt h eb a s i so ft h es e c o n dp a r t ，a c c o r d i n gt o t h ec o n c e p to fn o d ef r e q u e n c y ，ap r o t e c t i o na l g o r i t h mi si m p r o v e dw h i c h m e e t sd u a l - l i n kf a i l u r e s h a r e d - p a t hp r o t e c t i o na l g o r i t h m i nw d mo p t i c a l n e t w o r k s ( i e ，f s d p pa l g o r i t h m ) i nt h i sa l g o r i t h m ，i ti sc o n s i d e r e dt om e e t t h eh i g hr e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n t si nd u a l l i n kf a i l u r ep r o t e c t i o na n ds r l g c o n s t r a i n t s t h r o u g he x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n ，i t i s p r o v e d t h a tt h i s a l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec o s to fp h y s i c a lr e s o u r c e s a tt h es a m e t i m e ，t h i sa l g o r i t h mc a na c h i e v et h eb e s tp e r f o r m a n c ei nt h es e r v i c eb l o c k i n g r a t ea n dr e s o u r c eu t il iz a t io n k e yw o r d s ： w d mo p t i c a ln e t w o r k s ，s i n g l e - l i n k ，d u a l - l i n k ，s h a r e d p a t h p r o t e c t i o n i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 w d m 光网络的发展 第一章绪论 自上世纪9 0 年代以来，随着因特网的普及，数据通信业务得到了迅猛发展， 并直接导致了电信产业中以语音为主的电路交换业务向以数据为主的分组交换业 务转移。人类社会正步入一个因信息通信网的发展而足以改变我们生活方式的信 息爆炸时代。为了满足与日俱增的用户容量要求，未来的光网络必须具有良好的 扩展性，以及能够灵活地支持各种不同业务，并能提供不同的业务质量保障以及 数据的高速、可靠传输。 用户的需求、运营商的利益及通信增值业务的迅猛发展等因素，极大地驱动 了电信网和电信业务的发展，这种发展的最直接表现就是体现在对网络带宽的“无 限渴求 上，如何提高现代通信系统的带宽容量已成为人类追逐的焦点。基于此， 光波分复用技术进入了大规模的商用阶段，并且越来越多的光传输系统升级成为 w d m 系统，在w d m 技术逐渐从骨干网向城域网渗透的过程中，人们发现w d m 技术不仅能够提高传输能力，而且具有无可比拟的联网优势。 1 1 1w d m 光网络的主要技术及发展 w d m ( w 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 g ：波分复用) 技术首先是作为网络中的 一种传输技术而提出来的，它可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的 传输容量比单波长传输时的容量增加几倍、几十倍甚至几百倍。它利用一根光纤 可以同时传输多个不同波长光载波的特点，把光纤可能应用的波长范围划分成若 干个波段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号。 w d m 技术的实质是在光纤上进行光频分复用，只是因为在光域中光波通常 采用波长而不用频率来描述、监测与控制。其技术手段是在光纤传输可能应用的 波长范围内划分若干个波段，并把每个波段划为一个独立的通道，传输一种预先 设定的波长信号。波分复用技术的基本原理是在传输系统的发送端采用合波器将 已调制到不同波长的窄光谱光源上的待传输的多个光载波信号耦合后，在一根光 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 纤中进行传输。而在接收端，则采用光解复用器分离出已调制到不同波长上的光 信号，并把恢复出来的信号根据不同的目的地址送入到不同的终端。现行的波分 复用传输系统主要有单向传输的双光纤和双向传输的单光纤两种结构。在单向传 输的双光纤系统中，所有的光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送，而在反方 向上，则是由另外一根光纤进行传输。在进行双向传输的单光纤系统中，光通路 在一根光纤上同时向两个不同的方向传输，并且在传输过程中，所有波长相互分 开，以实现彼此双方全双工的通信联络。单向传输的双光纤w d m 系统在开发和 应用方面都比较广泛，双向传输的单光纤w d m 系统的开发和应用相对来说要求 更高，这是由于双向w d m 系统在设计和应用时必须考虑到几个关键的系统因素， 如要抑制多通道干扰，同时要使用双向光纤放大器等。 现行的光网络是由光传输系统和在光域内进行交换选路的电子节点组成，光 传输系统的容量非常巨大，同时电子节点的处理能力也非常强。而光技术用于两 个电子节点间的点对点传输，在每个电子节点中光信号都要转换成电信号由电子 节点来进行处理，两个网络边缘节点之间的连接通常为多跳连接，这将会增大传 输延迟，使电子节点的处理负担过重，同时限制了网络节点的吞吐量。随着光纤 通信技术的发展，“全光网络”的概念也应运而生，其本意是指网络中直到用户端 节点之间的信号通路都保持光的形式，即端到端的链路中间没有光电转换。换句 话说，只有信号在进入和离开网络时才进行电光和光电( e o 和o e ) 转换，而 在网络中的传输和交换过程中则始终以光的形式存在。由于在中间传输过程中没 有光电转换的障碍，所以存在各种不同的协议和编码形式，使信息传输具有很强 的透明性。目前的w d m 技术可大大增加传输链路的带宽，它将传输的带宽分成 很多的光波带，每个光波带以电子速率携带信息，就目前技术而言，w d m 技术 是全光网络发展的主要基础，下面简单叙述w d m 光网络的主要技术。 ( 1 ) w d m 技术 如前所述，在全光通信网络的现代通信中，如果采用常规的电光调制t d m 技术，由于电光器件的限制，其在理论上速度也很难再有新的突破，因此，单纯 地靠改良电器件特性来提高传输速率已经没有多少余地了。如果要进一步提高传 输速率，改善传输效率，构筑真正意义上的全光网络，目前可行的办法就是采用 光复用技术，由于在光的频域上信号频率差别比较大，人们更习惯采用波长来定 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 义频率上的差别，因而这样的复用方法称为波分复用。 图1 1w d m 系统原理图 在现行光网络中，采用w d m 技术可以将每根光纤的巨大带宽分成许多互不 重叠的波长信道，每个信道可以并行、异步和高速地传输数据，从而可以充分利 用光纤的巨大带宽，提供丰富而且廉价的带宽资源。由于不同波长的光载波信号 可以看成是相互独立的，从而在一根光纤中可实现多路光信号的复用传输。而 w d m 系统的双向传输中，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长即可。根 据实际中用到的合波器的不同，其可复用的波长数也不相同，从2 个到n 个不等， 现有技术可以使单根光纤上的波分复用数达到1 0 2 4 ，这取决于所允许的光载波波 长的间隔大小，w d m 系统原理如图1 1 所裂1 8 】。 w d m 技术的主要特点有：可充分利用光纤中的巨大带宽资源，使一根光纤 的传输容量比普通传输时增加几倍到几十倍。将n 个波长复用起来在单模光纤中 进行传输，这在大容量长途传输时可以大量节约物理资源。由于同一光纤中传输 的信号波长彼此独立，因而其可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务 信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及s d h 信号和p d h 信号的综 合和分离。波分复用的通道对数据格式是透明的，即与信号速率及调制方式无关。 一个w d m 系统可以承载多种格式的“业务 信号，a t m 、i p 或者将来有可能出 现的其它信号。w d m 系统完成的是透明传输，对于“业务 层信号来说，w d m 中的每个波长就像“虚拟的光纤一样。在网络扩充和发展中，是理想的扩容手 段，也是引入宽带新业务的方便手段，增加一个附加波长即可引入任意想要的新 业务或新容量。利用w d m 技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来 透明的、具有高度生存性的光网络。 ( 2 ) d w d m 技术 通俗而言，d w d m ( 密集波分复用) 技术其实和w d m 技术所采用的是同 一种技术，只不过它们是在不同发展时期对w d m 系统的不同称呼，它们与w d m 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 技术的发展历史有着紧密的关系。在光纤通信技术兴起之初，人们首先想到并采 用的是在光纤的两个低损耗窗口1 3 1 0 n m 和1 5 5 0 n m 窗口各传送1 路光波长信号， 也就是1 3 1 0 n m 1 5 5 0 n m 两波分的波长间隔为数十n l n 的w d m 系统，因为在当时 的条件下，实现几个a m 波长间隔是不大可能的。随着1 5 5 0 n m 窗口的e d f a 的 商用化，w d m 系统的应用已经进入了一个新的时期。人们只利用1 5 5 0 n m 窗口 来传送多路光载波信号。由于这些w d m 系统的相邻波长间隔只有( o 8 2 ) n l n 左右，甚至小于o 8 n m ，且工作在一个窗口内共享e d f a 光放大器，为了区别于 传统的w d m 系统，人们称这种波长间隔更紧密的w d m 系统为密集波分复用系 统。 现在，人们都已经习惯了用w d m 来称呼d w d m 系统。从本质上来讲， d w d m 只是w d m 的一种形式，由于对d w d m 缺乏明确和准确的定义，而w d m 又更具有普遍性。伴随着技术的发展，原来认为所谓密集的波长间隔，已经变得 不那么“密集 了。通常情况下，人们所指的w d m 系统就是d w d m 系统。 从历史上来看，光网络的发展经历了两代t 第一代光网络：s d h 网络。其主要特点是以点到点波分复用( w d m ) 传输系统 为基础，提供高可靠、长距离、大容量的业务传送，但该网络有一个致命的“瓶 颈 ，其所有的交换和选路都是在电路层实现，交换速度受到一定的限制。而上世 纪9 0 年代中期发展的密集波分复用( d w d m ) 光网络技术虽然挖掘了光纤的带宽 潜力，提高了网络的传输性能，但在联网技术上并没有实现统一。 第二代光网络：u t 于上世纪末提出的光传送网( o t n ) 。其主要特点是在 光层内实现交换和选路功能，从而成为真正意义上的“光 网络。而光分插复用 器( o a t ) m ) 、光交叉连接器( o x c ) 等光节点技术的成熟为o t n 的发展扫清了障碍。 光网络的拓扑形式也实现了从环形网向格形网的方向演化，一些复杂的网络功能 ( 如保护机制和恢复机i t i j ) 也得以实现。目前，实际中的光网络发展到了这一阶段。 随着光传送网技术的成熟，网络的智能化和自动化的程度也越来越高，同时 q o s 的保证和流量工程等特征也变得日益明显，这些都预示着光网络技术向着下 一代的方向的发展。以自动交换光网络( a s o n ) y g 代表的智能光网络正是在这样一 种历史发展潮流中从各项技术中脱颖而出的。智能光网络具有以下特点有：根据 业务特性的变化，动态地自动建立连接；多粒度交换，充分利用网络资源，为用 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 户快速、高质量地提供各种带宽服务：支持业务流量工程，适合波长和带宽出租 等业务，同时支持灵活v p n 的组网；具有很强的互操作性和可扩展性；而较低的 成本和增强的网络功能则迎合了城域网的发展方向。 由此可以预见，随着光网络各方面技术的不断发展和进步，光通信网络会向 着超大容量、多粒度交换、多业务和智能化的方向发展。 1 1 2 国内外光网络技术的研究现状 光纤通信技术是当前世界上发展最快的领域之一，也是我国与国际先进水平差 距最小的一个领域，我国于2 0 世纪7 0 年代初就投入了光网络的基础性研究工作。 起初主要是研究以大气作为传输媒质的光通信，之后很快就转向了以光纤作为传 输介质的光通信的研究。在2 0 世纪9 0 年代初期，我国开始了光纤通信系统的大量 建设阶段，新建的光纤通信系统几乎都采用单模光纤。市话中继，省内干线，国 家干线甚至包括农村通信都大量采用光缆来逐渐取代传统的电缆，建设成了现代 化的电信网。光纤通信的应用已经进入了邮电、电力、铁道、石油、广播电视、 交通、军事等各个通信领域。由国家8 6 3 项目计划支持的，利用国内自行研制成功 的光分插复用器( o a d m ) 、光交叉连接设备( o x c ) 、核心路由器( c r ) 等核心 设备构建了先进的示范网络，实现了跨越式的发展。同时我国研制开发出了一批 高水平、具有自主知识产权的研究成果，并促进了这些成果的产业化与推广应用。 目前看来，整个核心骨干网将会在未来几年内发展成为t b s 级的巨大容量，即向着 3 t 网络的方向发展。超大容量和超高速率将成为下一代网络的基本特征，解决网 络容量问题将是开发下一代网络的中心。我国已成功研制了t b p s 级光传输系统、 t b p s 级自动交换传送网络、t b p s 级双协议栈路由器等节点设备，该项目分别于2 0 0 6 年1 月和1 2 月通过技术验收和长三角示范网工程验收。3 t n e t 可以支持大规模并发 流媒体和交互式多媒体业务等，例如i p t v 。 另一方面，目前的北电等公司的1 6 t b i t s w d m 系统已开始商用，而在实验室 里西门子公司则完成了7 0 4 t b i t s 速率传输的试验，创造了传输总容量最高的记录， 预示了w d m 技术的巨大发展潜力。美国c o r v i s 公司在芝加哥到西雅图的几千公里 的通路上成功地实现了1 6 0 2 5 g b i t s 信号的传输，创造了中继传输距离最长、波长 数最多的世界记录。可以预见的是，整个骨干网必将在未来向着3 t 网络方向迈进， 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 从而为下一代电信网提供巨大的宽带资源，保证可持续发展的网络结构、容量和 性能以及廉价的成本，支持当前和未来发展的任何业务技术。 由于光网络技术具有诱人的前景，自上世纪9 0 年代以来，光网络技术特别是 w d m 光网络技术就一直是国际光通信网络领域的研究热点，许多国家将w d m 光 网络编入各自的重要研究计划之中。如： ( 1 ) 欧洲在r a c e 计划中已经将多波长光网络作为主要研究目标，并且在随后 的a c t s 计划中也构建了一系列的实验性w d m 光网络，如泛欧光网络( o p e n ： o p t i c a l p a ne u r o p e a nn e t w o r k ) 、城域光网络( m e t o n m e t r o p o l i t a no p t i c a l n e t w o r k ) 。 ( 2 ) 美国则是在国防部的高级研究计划署d a r p a 资助下，实施了一些大的研 究项目，也建成了一系列的实验室w d m 光网络，如多波长光网络( m o n e t ： m u l t i w a v e l e n g t ho p t i c a ln e t w o r k ) 、国家透明光网络等( n t o n - n a t i o n a lt r a n s p a r e n t o p t i c a ln e t w o r k ) 。 ( 3 ) 由加拿大政府资助的c a * n e t 3 国家光互联计划，现在已经发展为c a * n e t 4 ： ( 4 ) 德国已经投入研究的k o m n e t 计划： ( 5 ) 法国a l c a t e l 公司投入开发的o a d m 环型试验网； ( 6 ) 日本则是在本国政府的支持下由n r t 公司投入研究的o a d m 环网； ( 7 ) 由美国国家科学基金资助的o p f i p u t e r 项目( u s eo f o p t i c a ln e t w o r k i n g ，i n t e r n e t p r o t o c o lc o m p u t e rs t o r a g e ) ，在2 0 0 2 2 0 0 7 年，研究了在光网络上运行超级计算机解 决医学与地球科学中图像处理等业务的联网应用问题1 1 8 】。 1 2 光网络的生存性 近年来，由于光通信网络研究成果的不断应用和光纤通信系统潜能的进一步 挖掘以及数据业务和语音业务的飞速增长等因素促进了波分复用w d m 技术不断 发展。波分复用信道数已经由几条增加到几十条甚至上百条单波长信道。信息传 输速率也由2 5 g b i t s 提高到了4 0 g b i t s 。 对于现实这样的超高速并且超大容量的光网络，一旦有故障发生将会导致大 量的数据业务失效，并造成巨大的经济损失和不可估量的社会影响。网络中的故 障是可以通过提高系统的可靠性等指标来尽量减少的，但要求网络业务百分之百 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 的可靠性则是很不现实的。据美国联邦通信委员会报告称，在美国，平均每两天 就会发生一次影响超过几万用户的通信事故。按目前已经投入并使用的 1 0 g b i t s s d h 传输速率等级计算，一根2 4 芯的光缆若因意外被切断则可能丢失几十 万话路的信息，而速率t b i t s 的单根光纤失效将影响到千万对以上的电话业务。另 据美国的大学研究机构估计：如果现行的通信业务中断l d , 时的话，航空公司要损 失2 5 0 万美元，投资银行要损失6 0 0 万美元：如果中断时间以天计算的话，则足以 使某些银行和机构倒闭。在我国，也会经常发生此类事故。比如，2 0 0 1 年2 月和3 月发生的两起中美海底光缆断裂事故，仅故障维修费一项就高达1 亿美元，而相关 的其他损失更是无法估计。还有同年的1 2 月2 日，北京市城建部门在建筑施工时， 违章挖掘电信管道上方的土层，致使管道破损、并直接导致管道内三条光缆阻断， 造成了北京移动多个传输系统的瘫痪，影响近2 0 万部移动电话的正常使用，带来 了巨大的经济损失。而2 0 0 2 年4 月，由于道路施工人员的野蛮施工，中国境内一级 干线沪闽光缆被挖断，经济损失达数千万元。 由上可见，现代高速发达的通信系统使得光网络生存性问题变得更为突出。 如何提高光网络的生存性是当前光网络研究者迫切需要考虑的问题。总体说来， 减少网元失效次数是解决问题的一种途径。而在设计网络时，使网络本身就具有 较强的抵抗失效的能力和预先设定网络恢复策略，则是另一种途径，尤其是在 w d m 光网络中，后一种途径显得尤为重要。再者，伴随通信市场越来越激烈的 竞争，仅提供无保护能力的传输通道已经满足不了人们的需求。为了赢得市场和 提高综合竞争力，网络设计者迫切需要考虑如何提高网络生存能力和自愈能力。 网络的生存能力已经成为现行网络，特别是下一代网络设计中急需关注的重要内 容之一。这样，一个新的研究领域网络生存性策略研究近年来得到了快速的 发展，同时也成为通信网络研究的前沿重点之一。 光网络生存性能力是指光网络在经受了各种故障，甚至灾难性故障后仍能维 持可接受的业务质量的能力。目前，国际上的s d h 传输速率等级已经达到了几十 g b i t s ，其在带宽上相当于十几万条话路。因此，光纤通信网的失效将造成巨大的 社会影响和经济损失，网络的生存性问题已经成为了人们日益关注的问题。如何 提高网络的生存性和可靠性是当前网络运营管理者们所迫切要考虑的重要问题， 也正因为光网络的不断发展，使网络的生存性问题被提到了前所未有的高度，从 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 实用价值和理论的角度而言，研究网络的生存性具有非常重要的意义。 1 3 论文组织结构 光网络中共享通道保护策略是近年来光网络生存性领域研究的热点，对光网 络的共享通道保护策略的研究具有巨大的经济及现实意义。 本文的主要内容分为以下几点： 研究了w d m 光网络生存技术的背景知识。其中包括光网络生存技术发展现 状及问题；光网络生存性技术的研究意义。 在研究现有w d m 光网络的生存策略的基础上，结合现有业务的特点，分析 了w d m 光网络的保护和恢复方案，并比较了这两个方案的特点，得出光网 络中的保护方案较恢复方案具有无可比拟的优势。 在研究了现有的基于s r l g 限制的单链路失效共享通道保护算法的基础上， 改进了一种考虑k 个业务请求的基于s r l g 限制的共享通道保护算法，来改 善网络的阻塞率，提高网络的资源利用率。 在研究了现有的双链路共享通道保护算法的基础上，借鉴节点频度的概念， 改进了一种考虑节点频度的基于s r l g 限制的双链路共享通道保护算法，来 提高网络的资源利用率和改善网络的阻塞率。 论文的整体结构包括五章，其中： 第一章绪论，主要介绍了w d m 光网络的发展及光网络生存性的发展及研 究背景。 第二章介绍了w d m 光网络中的生存策略的基础知识。包括：w d m 光网 络中的生存特点，w d m 光网络中的保护方案和恢复方案以及这两个方案的比 较。 第三章研究了w d m 光网络中共享通道保护策略中的单链路失效保护，针 对现有的基于s r l g 限制的共享通道保护，改进了一种可以满足k 对业务的基于 s r l g 限制的共享通道保护策略算法，分析了这种策略的优势并通过实验仿真验 证了该算法的性能。 第四章研究了w d m 光网络中共享通道保护策略中的双链路失效保护，分 析了针对不同业务需求可靠性的不同，在现有单链路失效保护策略研究的基础上， 引入节点频度的概念，改进了种考虑节点频度的基于s r l g 限制的双链路通道 保护策略研究算法，并通过仿真验证了该算法的性能。 第五章总结了整篇论文，概括了论文的内容和结构，提出论文的不足以及需 要进一步研究的问题。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章w d m 光网络中的生存策略 第二章w d m 光网络中的生存策略 2 1w d m 光网络中的生存策略分析 2 1 1w d m 光网路中生存性特点 随着w d m 系统的迅猛发展以及新型光通信技术的广泛应用，组网方式已经 从点对点的方式发展到大量环网的应用，而网络拓扑也向格形化和混合化方向发 展。w d m 光网络技术的飞速发展使得直接由物理层提供网络保护功能己经从梦 想走向现实。w d m 光网络中的保护与恢复机制虽然与传统的s d h 网络相似，但 是由于其操作面是在物理层中的光域，而处理的对象是光波长粒度，其保护恢复 模式和能力与s d h 网络的保护与恢复模式和能力不可同日而语。总的来看，w d m 光网络中的生存性具有以下特点： ( 1 ) 保护颗粒较粗、保护恢复速度很快。w d m 光网络的保护是对物理层进 行的研究，亦即对光层中的波长粒度进行的操作，保护恢复的基本颗粒单元是波 长，而不是时隙，从而使w d m 网络保护的总带宽提高了一两个数量级，也在很 大程度上提升了保护和恢复的速度。 ( 2 ) 恢复成本低。w d m 光网络中的光层恢复比高层恢复需要更少的协调性， 并且也不需要其他业务层恢复所必需的数目众多的电子器件，从而避免了多层恢 复中各层之间的竞争，简化了相应的通信、管理、控制系统，极大地降低了成本。 ( 3 ) 可靠性高。w d m 光网络中的光层处于传送网络结构中的最底层，其操 作是在最底层上的操作，可以避免由于高层网络恢复不清楚底层物理拓扑结构， 而出现工作路由与替代路由共享光纤链路，造成保护恢复失效的问题。 ( 4 ) 透明性。w d m 光网络中的传送网是一个支持多协议、多业务的综合传 送平台。光层中波长路由保护恢复技术独立于高层使用的协议，可以为各种速率、 各种传输格式的信号提供一个公共生存平台【l 6 1 。 2 1 2w d m 光网络中生存性技术 w d m 光网络中的生存性技术主要包括两个方面：即保护和恢复。光网络的 保护主要是指在故障发生前为其所承载的业务提供预留的物理资源、故障发生时 用预留的资源来承载将要受损的业务；光网络的恢复主要是指在故障发生时，利 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章w d m 光网络中的生存策略 用网络的冗余资源使得由于故障所造成的业务损失迅速消除。保护技术由于其预 先设置好了备用资源，因此具有恢复速度快的特点，但从宏观上看，其网络的资 源利用率不高。恢复技术由于需要动态搜索网络中的冗余资源，虽然充分利用了 网络资源，但恢复时间较长。 光层的保护和恢复机制( 如图2 1 所示) 可分为：光通道( o c h ) 层和光链路 ( o m s ) 层保护恢复机制。光通道层的保护恢复机制主要是针对每个光通道的的业 务保护恢复，当故障发生时，光网络为受影响的故障通道分配一条完整的保护 恢复通路( 链路无关) 来恢复故障通道；而光链路层的保护恢复机制则主要是针 对光链路层的，当故障发生时，光网络为受故障链路寻找一条替代路由来同时恢 复故障链路上的所有业务。 图2 1 光层生存技术分类 通常情况下，网络中的空闲资源既能作为专用保护同时又能用作共享保护。 专用保护通常是指1 + 1 和1 ：l 通路保护。1 + 1 通路保护是指工作通路和保护通路 同时传送信号，在终端，宿节点动态监测接收信号的质量来决定选取工作通路信 号还是保护通路信号；1 ：1 保护通路则是指仅在工作通路传送信号，而保护通路的 资源作为预留使用，但保护通路可以传送业务优先级低的额外业务。共享保护允 许空闲的波长由多个工作波长共享以作为保护通路。当网络中有故障发生时，中 断的业务由保护资源传送。在操作上需要一些信令来通知网络节点新的传送通路， 并确保保护通路在不同链路上的保护波长能构成保护。 ( 1 ) 光网络生存性技术研究现状 光网络生存性技术的研究始于上世纪9 0 年代，目前仍处于探索和研究中。国 际电信联盟等其他相关组织也在积极开展这方面的工作，已制定了一系列标准， 如有关网络自愈环结构标准的6 8 4 1 和环问互连标准6 8 4 2 。并对光传送( o t n ) 和自动交换光网络( a s o n ) 的生存性技术进行研究和标准化。同时其也成立了 l o 重庆邮电大学硕士论文 第二章w d m 光网络中的生存策略 网络生存性和可靠性工作组，专门开展对本领域的研究。 同时，日本、美国和欧洲的电信公司以及大学的研究机构也致力于这方面的 研究。欧洲的一个研究小组提出了多层网络恢复模型并有效的解决了在恢复中多 层之间的竞争协调问题，大大提高了多层网络整体生存性能。同时在s d ho v e r w d m 和a t mo v e rs d h 的网络结构中，通过映射的方法，下层网络的备用资源 较好地利用了上层网络的备用资源，有效地降低了全网资源冗余度，从而提高了 网络资源的利用率。在美国，相关的国家机构也在不遗余力地资助相关问题的研 究。例如：综合控制策略建立问题，多层网络环境下的异构网络生存性问题，上 层网络有效地映射到下层网络以增强网络的抗毁能力的问题，网络生存性问题 以及多点故障等相关问题。国际大型的网络设备制造商的研究实验室也利用各种 基金的资助或自行在这方面展开研究。可以说，国际上对光网络的生存性技术研 究正如火如荼进行。 而在国内，近年来这方面的研究发展得也很快。目前，国内许多高校( 如清 华大学、北京邮电大学，电子科技大学，重庆邮电大学等) 及各大通信公司也正 在积极开展生存性技术的研究，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 和国家自 然科学基金委员会也将网络生存性策略的研究列为资助项目，光网络生存性技术 已成为近年来国内光通信领域研究的最热点。 ( 2 ) 光网络的生存性技术的发展 随着光网络所承载业务种类的不断增加，光网络规模日益庞大，其网络拓扑 结构也越来越复杂，光网络的生存性技术也得到了进一步发展，其总体趋势是向 智能化、多层面、多等级业务恢复的方向发展。通过嵌入到各个网络节点的控制 算法实现了网络节点的智能化，并基于此形成了网络生存性技术的智能化，所以 光网络的故障恢复的研究方向应是网络资源的智能控制和调度。光网络的多等级 业务恢复是网络为应对日益丰富的各类业务而提出的生存性要求，从整体的角度 为每种业务都提供尽可能优化的网络恢复资源也必然是以后光网络生存性技术研 究的一个重要方向。总之，光网络生存性技术研究的目标始终是快速的恢复时间、 高效的网络资源利用率和优良的业务传输服务。 光网络的生存性技术的实现是靠具体的保护和恢复措施来保证的。保护和恢 复均是在网络故障条件下，使受损的业务得以重新运行的具体措施。两者均是需 要重新选择其他路由来代替故障路由。 考察生存性策略的重要指标包括：请求阻塞率、资源利用率、故障恢复率、 恢复倒换时间、恢复粒度、控制复杂度、单或多故障的容忍度、及可扩展性。 网络生存性理想的目标是：对于给定的网络拓扑，在最短的时间内使故障获得最 大的恢复，同时保证最大的资源利用率。然而同时实现所有这些要求的难度很大， 重庆邮电大学硕士论文 第二章w d m 光网络中的生存策略 所以需要根据业务( 或用户) 需求以及网络本身的特点，相应地采取一种或多种生 存性策略来提高网络的生存性指标。从保护的策略上来看，目前光网络中主要采 用的是基于链路和通道的保护、共享和专用资源的保护等；而从恢复的策略上来 看，主要有基于链路的和基于通道的故障恢复、预先规划和动态计算的故障恢复 等；从控制方式角度看，有基于集中式控制和分布式控制的故障恢复；依据适用 的故障类型，有针对单链路故障、双链路故障和单节点故障的生存性机制。 2 2 w d m 光网络中的保护和