（通信与信息系统专业论文）自动交换光网络的路由技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 自动交换光网络( a s o n ) 是智能光网络的典型代表，它在传统的光网络中 增加了一个控制平面，集成了通用多协议标记交换( g m p l s ) 等相关协议。路 由技术是其核心技术之一。随着网络流量几何级数递增，不同类型的业务流要求 不同等级的服务质量( q o s ) 保证。而基于传统路由算法的当前网络无法很好的满 足这种保证。 在基于g m p l s 的网络中，多约束q o s 路由的目的是找出一条满足众多约 束条件的最佳路径，其中的约束条件有带宽、链路代价以及延迟等。但这种问题 已经被证明是n p 完全难度问题。目前一个很好的解决方法就是采用启发式的算 法，这样可以降低算法的复杂度并能够以较高的概率找到可行的解。 论文首先比较了两种c s p f ( c o n s t r a i n ts h o r t e s tp a t hf i r s t ) 算法，k s p d i s j o i n t ( ks h o r t e s tp a t hd i s j o i n t ) 算法和w e i g h t e d - s r l g ( w e i g h t e ds h a r e d 砒s kl i n k g r o u p ) 算法。在这两种算法的基础之上提出了一种改进的算法一e k s p f ( e n h a n c e dks h o r t e s tp a t hf i r s t ) 算法。该算法将链路带宽、延迟以及共享风险链路 组均作为考虑的因素。g l a s s ( g m p l sl i g h t w a v ea g i l es w i t c h i n gs i m u l a t o r ) 用 j a v a 语言开发一种仿真软件，用来对光网络进行建模以及性能评估，如路由协议、 链路恢复机制、信令协议等。作者通过仿真软件的算法接口对e k s p f 算法的j a v a 类进行了编程实现，并设计了一个q o s 类来设定网络的仿真条件，经过对算法 进行设计和仿真，结果表明e k s p f 算法具有网络快速重路由的功能和其他的传 统的c s p f 算法相比能够更好的降低网络的阻塞，保持网络负载均衡，满足q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的要求，该算法能够进一步的应用于基于t m p l s ( t r a n s p o r t 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 ) 的分组传送网当中。 关键词：通用多协议标记交换，q o s ，约束最短路径算法，自动交换光网络，传 输多协议标汜交换 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a s o n ( 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 ) i sat y p i c a lr e p r e s e n t a t i v eo f i o n ( i n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r k ) a s o na d d sac o n t r o lp l a n ei nt r a d i t i o n a lo p t i c a l n e t w o r k s ，a n di n t e g r a t e st h eg m p l s ( 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 ) a n do t h e rr e l a t e dp r o t o c o l s r o u t i n gt e c h n o l o g yi so n eo fi t sc o r et e c h n o l o g i e s a s n e t w o r kt r a f f i ci n c r e a s e sg e o m e t r i c a l l y , t h ed i f f e r e n tt y p e so fs e r v i c ef l o w sr e q u i r e d i f f e r e n tl e v e l so fq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e e s m u l t i - - c o n s t r a i n e dq o sr o u t i n gi ng m p l s ( 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 l s w i t c h i n g ) n e t w o r ki st of i n da no p t i m a lp a t hs a t i s f y i n gs e v e r a lc o n s t r a i n t s ，s u c h 弱 b a n d w i d t h ，c o s ta n dd e l a y t h ep r o b l e mh a sb e e np r o v e da san p c o m p l e t ep r o b l e m a tp r e s e n t ，ab e t t e rm e t h o di st oa d o p tt h eh e u r i s t i cr o u t i n ga l g o r i t h mw h i c hi sl o w e r i nc o m p l e x i t ya n d h a sh i g h e rr a t et of i n daf e a s i b l es o l u t i o n c o m p a r i s o n o ft w o c s p f ( c o n s t r a i n t s h o r t e s tp a t h f i r s t ) a l g o r i t h m s ， k s p d i s j o i n t ( k - s h o r t e s td i s j o i n tp a t h ) a n dw e i g h t e d - s r l g ( w e i g h t e ds h a r e dr i s k l i n kc r o u p ) ，a r ef i r s td i s c u s s e di nt h ep a p e r b a s e do nt h et w oa l g o r i t h m s ，t h ep a p e r p r o v i d e san e wa l g o r i t h m ，e k s p f ( e n h a n c e dks h o r t e s tp a t hf i r s t ) ，w h i c ht a k e s b a n d w i d t h ，s r l ga n dd e l a yi n t oa c c o u n t g m p l sl i g h t w a v ea g i l es w i t c h i n g s i m u l a t o r , s h o r tg l a s s ，i saj a v ab a s e dn e t w o r ks i m u l a t i o nt o o lw h i c hf a c i l i t a t e st h e e v a l u a t i o no fm u t i n g ，r e s t o r a t i o na n ds i g n a l i n gp r o t o c o l si na no p t i c a le n v i r o n m e n t e k s p fi si m p l e m e n t e db a s e do nt h ea l g o r i t h mi n t e r f a c ea n dac l a s sn a m e dq o si s d e s i g n e dt os e tt h en e t w o r ks i m u l a t i o nc o n d i t i o n s t h e nt h ea u t h o ru s et h es o f t w a r et o f i n i s ht h ed e s i g na n ds i m u l a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a t ：e k s p fa l g o r i t h mh a sf a s t r e r o u t ef u n c t i o n a l i t ya n di sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lc s p fa l g o r i t h mi nt h e l o a d - b a l a n c e dp e r f o r m a n c e ，w h i c hc a nf u r t h e re a s et h en e t w o r kc o n g e s t i o np r o b l e m s ， e n h a n c et h eq u a l i t yo fs e r v i c ea n db ea p p l i e dt ot h et - m p l sb a s e dp a c k e tt r a n s p o r t n e t w o r k k e yw o r d s ：g m p l s ，q o s ，c s p f , a s o n ，t - m p l s i i 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得南京邮电大学或其它 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 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：箬。扯日期：垒暂上叠n 一 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 差枢 导师签名： 日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光网络演进以及自动交换光网络的提出 宽带业务的需求和业务的融合带来了信息、交换、处理和存储技术方面的快 速发展。电信基础设施因此正走向下一代网络演变和融合。近1 0 年来，随着网络 的不断演进和巨大的信息传输要求，对光纤通信提出了更高的要求，同时也促进 了光纤通信技术的发展。光网络作为整个信息网络的基础网路之一，在2 0 年左右 的时间里经历了从单纯提高容量到实现灵活指配光连接，在到光层智能等i l l 几 个重要阶段的飞跃发展。 光纤通信引用取得突破性的进展的重要标志是光波分复用技术( w d m ) 的 引用，使得多个光波长在一根光纤里进行多通道复用同时传输多路信息成为可 能。从此光纤通信取得了飞速的发展。面对迅速增长的多种实时、非实时的数据 业务对传送网提出了网络带宽、多业务接入、组网灵活性、网络稳定性等多方面 的要求，为了适应这种需要，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 ) 技术 应运而生。 随着信息化进程的加快，数据业务呈现持续爆炸性增长，数据、话音和多媒体 都趋向于以i p 作承载，使得对业务的需求激增。但口业务具有突发、多变和不 可预见等特点。因此，在i p 网中不仅要解决带宽问题，更需要具有灵活提供带宽的 能力。技术的发展和市场的需求都需要有一种创新的光联网技术，以支持未来大 容量的数据业务。光互联网( o i ：o p t i e a li n t e m e t ) 是一种i p 直接承载于光网上的 互联网，也称作i po v e rd w d m 或者i po v e ro p t i c a l ，具有扁平化、简洁化等突出 的特点。目前国际上对相关的体系结构网络模型和多层网络生存性机制等重要的 方面尚在研究之中。 但目前的光网络具有其局限性，如在网络的资源利用方面不能进行实时的流 量工程控制，不能根据数据业务的需求，实时动态的调整网络的逻辑拓扑结构， 很难实现资源的最佳配置并保障服务质量( q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c e ) ；在网络的维 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 护和管理方面缺乏不同层之间的协调恢复机制；在新业务提供方面，不能快速的 高质量的为用户提供各种带宽服务与新型应用等。针对这种局限性，自动交换光 网络( a s o n ：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 ) 应运而生，它是一种标准化 的智能光网络，是智能光网络的典型代表。 1 2 自动交换光网络( a s o n ) a s o n 具有智能化自动完成光网络交换连接的能力 2 1 ，是在s d h 和d w d m 网 络基础上发展起来的，s d h 网络和d w d m 网络虽然提供了大容量的光传输通道， 但是，其传输通道是静态的，需要通过管理面人工的干预来建立和改变信息传输 路径，自动交换光网络的本质区别是增加了控制面，通过控制面的控制，实现光通 路的自动连接和拆除，使原来的静态通路变为动态通路。自动交换光网络的控制 面将i p 网络中的m p l s 协议扩展为g m p l s 协议，可实现电领域和光领域的统一控 制。自动交换光网络是面向业务的网络，它能够根据数据流量类型实现数据业务 的分类，并对网络、资源和业务流量行更加智能化的配置，动态地按需为用户提供 端到端的光连接能力，且在网路出现故障时，根据网络拓扑信息、可用的资源信 息、策略信息等智能地指配最佳恢复路由，实现网络的强大保护和故障恢复。 a s o n 除了继承传统光网络的主要特点之外，还具备以下的突出优点： 1 ) 呼叫和连接过程的分离：z e a s o n 中连接的建立是通过信令的交互自动 完成的，一条通路的建立需要呼叫和连接2 个过程，呼叫过程主要进行用户接入全 线的认证，连接过程进行资源的预留和分配，通过呼叫和连接a s o n 根据用户的需 要动态的建立和拆除连接通路 2 ) 自动资源发现功能：通过信令协议实现网路资源( 包括拓扑结构和服务资 源) 的自动识别，它使a s o n 的网元或者终端系统能够确定它们是否正确的相 互连接，并可确定通过这些连接能提供什么样的业务。资源发现过程的自动化对 于网络资源的扩展非常重要，它避免了由于手工配置网络可能引发的错误，并能 帮助诊断是否存在错误连接 3 ) 网络生存技术：由于智能控制功能的引入，高效、灵活、可靠的保护与恢 复能力成为a s o n 所必需具备的重要特征之一。a s o n 主要采用网格状拓扑结构 网络，可提供灵活的选路方式、多样的业务保护策略和可靠的业务生存能力：在控 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 制平面采用经扩展的g m p l s 协议，可快速、灵活地实现多粒度的、多种类型的网 络保护恢复功能，提高了网络的可靠性 4 ) 多粒度交换：自动交换光网络结合空分、波分和时分交换技术，可以进行 多粒度的交换，包括分组、帧( 信元) 、时隙、波长、波带以及光纤等多种不同粒 度的交换，在此基础上提供分组、时分、波长、波带和光纤等不同粒度的接口。 a s o n 的总体框架结构主要包括三个部分，传送平面( t p ：t r a n s p o r tp l a n e ) 、 控制平面( c p ：c o n t r o lp l a n e ) 和管理平面( m p ：m a n a g e m e n tp l a n e ) 。本文的第二章 将进行详细的介绍。 路由技术和生存性技术是a s o n 的两大核心技术，其中路由技术属于控制平 面的技术也是本论文的主题所在。 1 2 1 智能光网络控制平面技术的基本概念 传统的光网络中，连接的建立和拆除主要依赖于网络管理系统( n m s ： n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m ) 以及手工操作，因此存在业务配置慢和网络的资源 利用率低、效率低下等缺点，在网络中发生节点或者链路失效时业务恢复需要时 间长。为了解决这些问题，研究人员提出了智能光网络的构想。智能光网络的基 本思路是在光网络中引入独立的控制功能，使得光网络能够根据业务层的需求灵 活地建立和拆除连接，同时在网络中发生业务故障时能够快速进行恢复。智能光 网络与传统光网络相比，创造性地引入了具有独立控制功能的控制平面，依托控 制平面的控制功能赋予光网络以智能，并于传送平面、管理平面一起构成了智能 光网络的体系结构1 3 】。 显然，控制平面是智能光网络的核心层面，它负责完成网络连接的动态建立 以及网络资源的动态分配，这也是智能光网络区别传统光网络的特点所在。控制 平面的引入赋予了智能光网络以智能性和生命力，给网络带来了新的特点：( 1 ) 能实现流量工程，使得网络资源能够动态地分配给业务路由；( 2 ) 应用详细的控 制平面协议代替了只有很少原语集的通用网络管理协议，并且对于不同的传送技 术可重用控制平面协议：( 3 ) 使信令具有可扩展能力，可实现在多厂商环境下的 连接控制；( 4 ) 能根据传送网络资源实时的使用情况，动态地进行故障的排除； ( 5 ) 支持各种新的业务类型( 例如带宽按需分配和虚拟专用网) ，并具有快速的 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 服务指配功能。 智能光网络中控制平面采用的是基于口的信令技术，控制平面的信令、路 由协议都是沿用原有的m 网络协议并在此基础上做了相应的扩展以适应在光网 络中的应用。可以这么说，智能光网络控制平面实际上就是一个以数据通信网 q d 作为物理支撑的用于控制传送平面设备的球网络，相应的控制节点就是 口控制节点。在智能光网络中，传送平面和控制平面不像在使用多协议标签交 换( m p l s ：) 技术的i p 网络中那样联系紧密。实际上，他们可以认为是两个分 离的网络，不需要相同的拓扑结构。一个典型的智能光网络节点结构可由一个光 交叉连接交换矩阵和一个分离的控制平面处理器组成。我们可以简单地认为交换 矩阵是传送平面的节点，而控制平面处理器是控制平面的节点。在光网络中控制 平面一般使用纤外或者纤内带外的控制信令通道连接各个节点，而传送平面使用 数据业务通道，传送和控制平面拓扑不必相同。在传送平面相邻的两个传送网元 其控制节点在控制平面可以不相邻，反之亦然。从光连接的可靠性方面来说，要 求控制平面的故障不会对传送平面造成影响。 控制平面由独立的或者分布于网元设备中的多个控制节点组成，它们通过信 令通道连接起来。而控制节点又由路由、信令和资源管理等一系列逻辑功能模块 组成。在n u t 的建议中，把控制平面节点的核心功能组件分成八大类：连接 控制器( c c ) 、路由控制器( r c ) 、链路资源管理器( l i 湖) 、流量策略( t p ) 、 呼叫控制器( c 甜l c ) 、协议控制器( p c ) 、发现代理( d a ) 、终端适配器( ，i ：a p ) 。 这些组件分工合作共同完成控制平面的功能。具体各个功能组件的细节见第三 章。 1 2 2 网络生存性综述 网络的生存性是指网络抵制故障业务中断或干扰的能力，在网络发生任何故 障后能尽快将受影响的业务重新选路到空闲资源，以减少因故障而造成的社会影 响和经济上的损失，使网络维护一个可以接受的业务水平的能力。生存性问题可 以从不同的角度进行分类。从单层恢复的角度来说，主要包括基于链路和路径的 故障恢复、基于集中式控制和分布式控制的故障恢复、预先规划和动态路由计算 的故障恢复、基于专用资源和共享资源的恢复、从相互作用的恢复策略来看，主 4 南京邮电大学颈士研究生学位论文第一章绪论 要包括多层恢复的策略和集成的恢复策略，其中多层恢复的策略又可以分为最底 层恢复、最高层恢复和在多层恢复3 个子问题，而集成的恢复策略又可以分为并 行触发和顺序触发两个子问题。 智能光网络的生存性机制具有智能化、多样化的特点。智能化主要体现在控 制平面的引入，在于具有智能控制功能的通用多协议标签交换( g l s ) 协议 族的使用，特别是它对于保护、恢复机制在信令、路由和资源管理等方面的支持； 而多样化体现在智能光网络格状网络结构对于多种保护、恢复方式的支持，适合 于多种生存性机制的实现。 网络的生存性使得网络能够在故障情况下维护一定等级标准的业务。网络生 存性通过在网络提供弹性( r e s i l i e n c e ) 机制而获得。当业务流通过的路径上发 生了故障时，需要一些基本的故障恢复过程如：故障检测、故障定位、故障通知 和故障恢复。 1 ) 故障检测 执行恢复动作的关键需求就是要快速而准确地检测到网络中的故障。网络中 的故障可以利用各种机制进行检测，这些机制可分为：硬件故障检测，检测信号 质量，软件故障检测，在信号流中插入控制消息。下面讨论一些针对主要故障类 型的故障检测方法。 ( 1 ) 信号丢失( l o s ) 电链路的故障在通常情况下是最先由线路卡( 端口) 检测到的。为了触发顺序的恢复动作，检测到的故障必须报告给节点的控制平面。 接收到这样的故障通知后，节点可以开始重路由程序或者触发受损连接倒换到一 条预先配置好的备用路由上来。 ( 2 ) 光丢失( l o l ) 光链路的故障可归咎于激光器故障或者光纤断裂。就 像电域中的l o s 故障一样，故障信息要通知给节点的控制平面以触发必要的恢 复动作。 ( 3 ) 操作、管理和维护类( o a m ) 流在s d h 中，o a m 流利用了开销字 段，如在s 咖4 帧的开销字段中保留了一些特殊字节。在a t m 中，o a m 流利 用含特殊v p i 和v c i 值的o a m 信元来实现。 ( 4 ) 链路管理协议( l 御) 在g m p l s 协议中，l m p 用于发现和检测链路。 在这些功能中，协议可以用双向的带外控制信令检测到链路故障。 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 ( 5 ) h e l l o 和k e e p a l i v e 信号h e l l o 和k e e p a l i y e 消息被多协议标签交换信 令所定义用来监视相邻节点的状态和相连的链路。资源预留( i 峪v p ) 协议用h e l l o 消息，而标签分配协议( l d p ) 用k e e p a l i v e 消息。如果丢失三个h e l l o 消息， 就认为可靠地检测到故障了。为了减少信令的负载，这些信号之间的间隔时间相 对较长，因此，用这种信令机制检测硬件或者底层故障相对来说时间较长。这种 信令故障检测方法的一个优点就是它能检测到软件和协议故障，而通常这些故障 是不能被底层硬件设备检测到的。故障检测一般应该在最靠近故障的层进行。对 于光网络来说，是物理( 光) 层。在物理层故障检测的通常方法是检测无l o l ， 其他基于光信噪比、光测误码率、色散、串扰和衰减的检测技术也在发展中。 2 ) 故障定位 在检测到故障后，需要对故障发生的位置进行定位。故障定位需要节点间互 相通信以决定故障发生在何处。用l o l 方法来检测故障的一个现象就是沿着连 接的路径，l o l 会向下游传播，因此所有的下游节点会检测到故障。l m p 中包 括了用来在透明( 全光) 和不透明( 光电) 网络中进行故障定位的方法。这是通 过与数据通道相分离的控制通道在相邻节点间发送l m p 通道失效消息来实现 的。这种控制平面和传送平面相分离的方式使得一个单独的消息集被用于故障定 位，而不管传送平面的编码方式。 3 ) 故障通知 在一个节点检测和定位到故障后，必须通知给网络的其他节点采取合适的动 作进行故障的恢复。 ( 1 ) l s p 错误信令和通知 m p l s 恢复的一个重要方面就是l s p 错误的故障信令和通知。当一个已经建 立的l s p 发生故障时，就要报告给入口l s r 。然而，l s p 故障通知不会像硬件 检测这么快，但它能直接触发恢复动作。 ( 2 ) g m p l s 通知消息 在g m p l s 中，通知消息扩展了l s p 错误信令。通知消息能发送给负责恢复 失效l s p 的任何节点，并且消息能包含附加的信息，例如关于多个故障l s p 的 信息。 4 1 故障恢复 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 恢复机制通常分类为保护倒换和路由恢复，这取决于备选的路径是在故障发 生前预先计算好的，还是在故障发生后根据信令计算的。保护又分为专用、共享 保护，链路、路径保护。恢复可分为路径恢复、链路恢复和部分恢复。一旦故障 被检测和定位后，保护和恢复就可用来缓解故障。保护和恢复的区别集中体现在 它们不同的操作时间长度上。保护需要预分配资源能快速地响应故障。另一方面， 恢复依靠动态资源的建立，恢复连接比保护倒换需要经历更多的状态。恢复涉及 到动态路由的计算，如果备用路由没有预先计算或者预先计算的资源不再可用， 则这种动态路由计算的代价很高。 1 3a s o n 组网方案 从a s o n 作为骨干网的组网技术、而传统环网作为汇聚组网的方式来看，骨干 网能够通过a s o n 的引入对数据业务和语音业务提供不同的保护方式以适应不 同的时延敏感度从而实现较高的通道利用率。 1 3 1a s o n + d w d m 组网 利用d w d m 系统的大容量和长途传输能力以及a s o n 节点的宽带容量和灵活调 度能力，可以组建一个功能强大的网络。在这样的网络中，尤其在骨干和汇聚层 网络，a s o n 节点可以完成传统s d h 设备所能完成的所有功能，并提供更大的节点 宽带容量，更灵活和更快捷的电路调度能力，同时网络的建设和运营费用也比较 低。a s o n 节点所能提供的单节点交叉容量可以大大缓解网络中节点的瓶颈问题。 1 3 2a s o n 和s d h 混合组网 a s o n 可以基于g 8 0 3 规范的s d h 传送网实现，也可以基于g 8 7 2 规范的光传 送网实现。因此，a s o n 可与现有s d h 传送网络混合组网。a s o n 与现有电信网 络的融合是一个渐进的过程，先在现有的s d h 网络形成一个个小的a s o n ，然后 逐步形成整个的a s o n 网络。这一发展过程与p d h 向s d h 设备的过渡非常相似。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 4a s o n 的发展研究现状 自动交换光网络的概念一经提出立即受到极大的重视，i t u t 、i e t f 、o i f 等组织都对其进行了深入的研究，并提出了各自的一些相关的标准草案或建议， i n j - t 主要从网络的总体架构方面定义了a s o n 的体系结构。国际上许多通信 设备商都投入力量开发这类产品，l u c e n t 、n o r t e l 、a l c a t e l 、c i n e a 、s y c a m o r e 等公司都有了一些相关的产品。美国a t & t 公司率先在全国范围内建设了连接近 1 0 0 个城市的智能光网络增加了网络容量，也简化了网络结构层次，极大地缩短了 新业务配置时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务，恢复时间仅为数百m s 。 国家8 6 3 项目已经开始a s o n i o n 的研究，华为、中兴、烽火等一些国内设备制 造商也已经在进行智能光网络设备的研发，并具有了一定的成果，这些都说明 a s o n 进入了实际使用阶段。 1 5 论文的章节安排 论文共分为七章，各章节的研究内容如下： 第一章首先介绍了智能光网络的发展趋势以及a s o n 的一些基本概念。 第二章介绍了a s o n 的功能结构和基本原理以及核心节点o x c 的主要功能 和性能指标。 第三章介绍了a s o n 控制平面的技术，其中重点介绍了路由技术以及 g m p l s 协议集。 第五章介绍了基于g m p l s 网络中的多约束q o s 路由算法，并加以分析。 第六章介绍了仿真软件g l a s s 的一些仿真特性，以及数据建模( d m l ) 语 言的语法知识。 第七章介绍了基于g m p l s 的a s o n 网络中的一些分离路径的算法并加以比 较，然后在此基础之上提出了一种新的路由算法e k s p f 。 第八章对本文的工作加以总结和展望，并提出可作进一步研究的一些问题。 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章a s o n 体系结构与基本原理 第二章a s o n 体系结构与基本原理 2 1a s o n 体系结构 a s o n 与传统的光传送网相比，突破性地引入了更加智能化的控制平面，从 而使光网络能够在信令的控制下完成网络连接的自动建立、资源的自动发现等过 程。其体系结构主要表现在具有a s o n 特色的3 个平面、3 个接口以及所支持的 3 种连接类型上。 2 1 1a s o n 的总体框架结构 a s o n 的总体功能构架模型如图2 1 所示，涉及3 个部分，管理平面( 御) 、 控制平面( c p ) 和传送平面( t p ) ，各平面之间通过相关借口相连，其中控制平 面是a s o n 中最具特色的部分。此外还包括用于控制和管理通信的数据通信网 ( d c n ：d a t ac o m m u n i e a t i o i ln e t w o r k ) 。 控制平面是a s o n 最具特色的核心部分，它由路由选择【4 】、信令转发以及链 路资源管理等功能模块和传送控制信令的信令网络组成，完成呼叫控制和连接控 制等功能。控制层面通过使用接口、协议以及信令系统，可以动态地交换光网络 的拓扑信息、路由信息以及其它控制信令，实现光通道的动态建立和拆除，以及 网络资源的动态分配，还能在连接出现故障时对其进行恢复。 管理平面的重要特征就是管理功能的分布化和智能化。a s o n 引入g m p l s 协议构建了自动交换光网络控制平面的体系结构。a s o n 管理平面与控制平面技 术互为补充，可以实现对网络资源的动态配制、性能监测、故障管理以及业务管 理等功能。 传送平面由一系列的传送实体组成，它是业务传送的通道，可提供端到端用 户信息的单向或者双向传输。a s o n 传送网络基于网状网结构，也支持环网保护。 光节点使用具有智能的光交叉连接( o x c ) 和光分插复用( o a d m ) 等光 交换设备。另外，传送平面具备分层结构，支持多粒度光交换技术。多粒度交换 技术是a s o n 实现流量工程的重要物理支撑技术，同时也适应带宽的灵活分配 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章a s o n 体系结构与基本原理 和多业务接入的需要。 图2 1 显示了控制、管理、传输平面之间的一般关系，每一个平面在功能上 是相对独立的，但它们之间也需要进行信息的交互。 管理平面 - - u n i ：用户网络接口c c l ：连接控制接口p i ：物理接口n e ：网络单元 n n i ：网络网络接口o c c ：光连接控制器a d ：管理域n m i - t ：传送网络 i - n n i ：内部n n ir a ：请求代理n m i - a ：a s o n 控制平面网元网管 e - n n h 外部n n is n c ：子网连接网管接口接口 图2 ，la s o n 功能结构模型 1 ) 管理平面和传送平面间的交互 管理平面通过操作一个合适的管理信息模型来实现对底层传送资源的管理。 信息模型的对象是完全基于传送资源建立的，并且和传送资源通过特殊功能模块 的管理信息接口来实现互动。这种接口被配置在被管理对象和控制组件上，如上 图2 1 所示，管理和传送平面间通过管理t 接口( t ) 交互信息。 2 ) 控制平面和传送平面的交互 在控制平面中，主要有两个功能组件和传送平面资源有很强的关系，它们是 连接控制器和终端适配器。连接控制器提供一个起控制连接作用的信号接口，这 个组件在物理上是和传送平面的连接功能联系在一起的，它将更加详细的硬件细 节隐藏。同时，终端适配器在物理上位于提供适配和终止功能的传送平面物理设 备处，它可以提供链路连接的控制平面视图。终端适配器隐藏了和硬件之间的交 互作用。控制和传送平面之间的交互接口抽象为连接控制接口( c c i ) ，如图2 1 i o 7 一火嗡 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章a s o n 体系结构与基本原理 所示。当控制和传送平面进行交互时，应用下面的互操作规则： ( 1 ) 控制平面依赖于传送平面并获得传送平面的资源信息。 ( 2 ) 控制平面的视图和其相应的传送网络元素之间必须保持一致性，即首 先必须保持垂直方向上的一致性。 ( 3 ) 一旦本地的一致性建立了。就需要对水平方向的一致性进行尝试，这 里是通过控制平面的组件同它们临近的组件之间的同步来实现的。这个过程被用 来重新建立对网络中路由、呼叫和连接状态的一致视图。 ( 4 ) 如果控制平面内部发生恢复，传送平面现存的连接不会发生改变。 3 ) 管理和控制平面间的交互 管理平面同样也通过操作一个适当的信息模型来和控制平面进行交互，模型 可以使管理系统看到控制平面底层的组件。管理信息模型的对象被定位于控制组 件处，并通过这些组件的监视和配置接口来实现对它们的管理和数据的采集。在 被管理对象和控制组件之间配有这样的接口。而这些接口的集合被统一地抽象为 管理平面和控制平面之间的管理a 接口( n m i a ) ，如图2 1 所示。 2 1 2a s o n 的功能构件 a s o n 主要由以下网络结构原件构成： ( 1 ) 请求代理( r a ：r e q u i r e a g e n t ) ：其主要的逻辑功能是通过与光连接控 制器协商请求接入传送平面内的资源： ( 2 ) 光连接控制器( o c c ：叫i c a lc o n n e c t i o nc o n t r o l l e r ) ：其逻辑功能是负 责完成连接请求的接受、发现、选路和连接功能； ( 3 ) 管理域( a d ：a d m i n i s t r a t i o nd o m a i n ) ：其逻辑功能包含的实体不仅处 于管理域，也分布在传送平面和管理平面； ( 4 ) 接口( i n t e r f a c e ) ：主要功能是完成网络平面之间和功能实体之间的链 接。 接口的主要功能是完成各网络平面之间和功能实体之间的连接。 a s o n 中的接口共有6 类，即用户网络接口( u n i ) 内部网络节点接口 ( i 小i n i ) 、外部网络节点接口( e - n n i ) 、连接控制接口( c c i ) 、网管接口( n m i ) 和物理接口( p i ) 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章a s o n 体系结构与基本原理 u n i 是用户终端( 包括i p 路由器、a t m 交换机、s d h 分插复用设备) 到控 制平面的接口，是用户发起各种连接请求的信令通道。用户通过此接口完成连接 建立、连接拆除、连接修改和状态查询等功能。 n n i 为网络网络接口，根据网络实体规模可分为两种：负责同一区域网元 之间信息交互的内部接口i - n n i ，负责a s o n 不同区域之间信息交互的外部接口 e 心d 。 c c i 是连接控制接口，是a s o n 控制平面与传送平面之间信令交互的接口。 传送平面通过此接口向控制平面上报节点状态和资源信息，控制平面通过此接口 向传送平面网元发送交叉连接命令或修改现有连接配置。 n m i 是网络管理接口，可进一步分为n m i - a 和n m i t 。前者实现对控制平 面的管理，主要体现在以下几个方面：管理系统对控制平面初始网络资源的配置， 管理系统对控制平面控制模块的初始参数的配置，连接管理过程中控制平面和管 理平面之间的信息交互，控制平面本身的故障管理；后者实现对传送平面的管理， 主要体现在：管理系统对传送网络资源基本的配置管理，日常维护过程中的性能 监测和故障管理。使用的网络管理技术包括简单网络管理协议( s 舯) 和公共 管理信息协议( c m 口) 等。 p i 为物理接口，即传送平面实体间的光纤信道接口，传送平面通过此接口 传送业务数据。 2 2a s o n 的实现原理 本节将从网络模型、链接类型等方面讲述a s o n 的实现原理【5 1 。 2 2 1a s o n 的网络模型 i t u t 针对a s o n 的网络体系结构，提出了两种网络模型，分别是重叠模型 ( o v e r l a ym o d e l ) 和对等模型( p e e rm o d e l ) 。 1 ) 重叠模型 重叠模型又称客户服务者模型，是i t u 、0 i f 和0 d s i 等组织所支持的网络 演进结构。其基本思路是把光传送层特定的控制智能完全放在光传送层独立实 施，客户层和光层成为两个分离的智能网络层，两者之间不交换路由信息。 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章a s o n 体系结构与基本原理 重叠模型的优势在于将业务层和光网络层功能分隔得比较明晰、简单，为光 层未来支持多业务信号不局限于i p 路由器奠定了基础。同时，通过u n i 协议完 成连接请求，屏蔽运营商光网络的拓扑细节，这也符合运营商实际运营需要。另 外，这个模型可以实现两层各自发展互不制约，且允许子网分割，为运营商充分 利用现有资源和未来引入新技术铺平了道路。但是，重叠模型在分离的控制平面 之间造成功能的重复，使业务层面的路由不能有效利用下层光传送层的拓扑资 源，从而造成资源浪费。同时，网络的点到点连接由边缘设备来建立，这会最终 产生大量控制信息，从而限制了网络边缘设备的数量，使这种结构难以扩展。 2 ) 对等模型 对等模型是由i e t f 提出的网络结构，在这个模型中，i p 业务层和光网络层 是对等的，即在两个层面上运行同一套路由和信令协议，它们的地址空间也是完 全一样的，没有明显的边界和u n i 接口，采用统一集成的控制平面( i e t f 将这 种控制平面技术称之为g m p l s 技术) ，i p 路由器和光波长路由器可以真正实现无 缝平滑连接，简化网络的管理和控制，无论是恢复还是路由都可以做到全网的全 局优化。 对等模型的特点在于边缘设备可以看到核心光网络的内部拓扑结构，参与路 由决定，消除了不同网络区域间的壁垒。对于路由协议，每个边缘设备只需与相 邻的光交换机而不是其它边缘设备交换路由选路信息，这使得路由协议能够扩展 到支持大规模的网络。 但是这种模型的缺点比较明显，为实现全网的统一控制，需要在网络中交换 大量的状态和控制信息，对网络性能造成的影响还不能确定。从标准化的进程来 看，还需要较长的时间才有可能实现与光层的互操作性。另外，为了实现路由器 对光层的全面控制，必须对客户层开放光层的网络拓扑等细节，从而无法保证光 网络拥有者的秘密和知识产权，这一点对于网络运营商极为不利。 从上面的讨论可以看出，重叠模型和对等模型各有优缺点。但总体来说，对 等模型还不够成熟，从技术实现角度看，对等模型至少在目前实现难度较大，实 际应用中可能会存在比较多的问题。从多运营商竞争的光域光网络角度看，重叠 模型比较现实。因此，我们以重叠模型为主要的研究目标。 1 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章a s o n 体系结构与基本原理 2 2 2a s o n 支持的连接类型 a s o n 中，根据不同的连接需求以及连接请求对象的不同，提供了3 种类型 的连接：永久连接( p c ：p e r m a n e n tc o n n e c t i o n ) 、软永久连接( s p c ：s o f tp e r m a n e n t c o n n e c t i o n ) 和交换连接( s c ：s w i t c h e dc o n n e c t i o n ) 。 1 ) 永久连接 永久连接是由网管系统指配的连接类型，沿袭了传统光网络的连接建立形 式，连接路径由管理平面根据连接要求以及网络资源利用情况预先计算，然后沿 着连接路径通过网络管理接口( 订i - t ) 向网元发送交叉连接命令，进行统一指 配，最终完成通路的建立过程。 2 ) 软永久连接 软永久连接由管理平面和控制平面共同完成，是一种分段的混合连接方式。 软永久连接中用户到网络的部分由管理平面直接配置，而网络部分的连接由控制 平面完成。可以说，软永久连接是从永久连接到交换连接的一种过渡类型的连接 方式。 3 ) 交换连接 交换连接是由控制平面发起的一种全新的动态连接方式，是由源端用户发起 呼口l 请求，通过控制平面内信令实体问信令交互建立起来的连接类型。如图2 2 所示。交换连接实现了连接的自动化，满足快速、动态并符合流量工程的要求。 这种类型的连接集中体现了自动交换光网络的本质要求，是a s o n 连接的最终 实现目标。 图2 2 交换链接示意图 1 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章a s o n 体系结构与基本原理 光交叉连接器( o x c ) 采用全光处理方式，在a s o n 光网络核心节点上实现 光域的优化，路由、保护等功能。其中本论文的试验采用的是全部由o x c 构成 的全光网