（检测技术与自动化装置专业论文）光网络生存性策略及算法研究.pdf

翟燮篓麓警鬻= 2 翟鬻黧嚣需懋篙搿删酲? 嚣篡鬻嚣翟鬈，翟黜舞艺墨謦篡蕊嚣翟薯翟嚣露嚣嚣甓嚣嚣嚣篡茹= 髻鄹嚣裂嚣穰譬嚣嚣鬻篡臻勰凇搿嚣烈嚣譬搿：= 瓢写黼揣黝揣黼盎搿；掣= 一嵩：茹二蒿；一：描姑端茹；二z ；，。 ；i ? k 、n t 捌书m “t 一。p 一，“办0 p 1 n 0 、k h p ? t o 一译 t + o p 。 ：? _ # “j q ”j | 。舻“+ 。；一 唧饿“一t n q r 坤 | 飙 啦扎q s 7 7 _ z 4 吖础* qw 。0 一m 。孰，4 ”；t 撕v # 。l ” * 商瓠班”；：婚 蹦 1 | 1 i 糖m 蕊；r 乱 独创性声 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，也不包含为获得重迭由e 皇太堂或其他教育机构 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：南芳 签字日期：1 。口8 年6 月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重迭也电太堂有关保留、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。本人授权重鏖自e 电太堂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) 学位论文作者签名： 新苦 签字日期：2 口0 8 年月f 日签 导师签名： 字日期：z二为日效、了年d n v 口 重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 波分复用技术的发展为下一代网络带来了巨大的传输容量优势，而以波分复用 技术为核心的光网络( w d m ) 逐渐取代传统网络成为最有竞争力的传输网络，在光网 络中，由于每一条链路都承载了大量业务，任何链路或节点的失效都导致巨大的损 失，因此，在光网络中很有必要引入有效的生存性策略。保护和恢复策略是生存性 策略的两大类，相比之下，保护策略以其较快的故障恢复时间成为一种有效的抗毁 机制，而共享资源的保护方式因其能有效节省网络资源更是受到了广大运营商的青 昧，因此，本论文所研究的生存性策略及算法就主要围绕这种共享保护方式展开， 在第一二章的背景介绍中对于光网络保护策略相关的一些问题，如最基本的保护策 略分类，一些典型的保护算法以及下一代光网络控制平面技术q 仰l s 等一一做了 介绍。 论文第三章，在分析了基于优先级的m ：n 保护策略的基础上，将g m p l s 的 信令机制扩展，引入到该保护策略的研究中，提出了一种基于a 洄l s 信令机制的 并考虑优先级抢占的m ：n 保护的网络模型及相关的信令流程，并分析了这种模型 下的恢复阻塞率和平均恢复时间，同时与无优先级区分的机制进行了对比。分析表 明，该模型总能满足高优先级路径恢复时的低阻塞性来实现区分生存性的服务，并 保证在平均恢复时间上与无优先级区分的机制相当。同时，通过仿真进一步验证了 在节约保护资源的前提下，高优先级路径恢复请求被阻塞的现象比无优先级区分时 有明显的改善。 论文第四章，在研究了负载平衡问题的背景下，将使链路波长使用数均衡的负 载平衡思想引入光网络共享保护算法的研究中，提出了基于负载平衡的共享保护算 法l b s p p ，针对优化目标，建立了整数线型规划模型，通过大量的仿真实验验证 了该算法的性能良好。同时，针对仿真中反映出来的一些问题，如跳数延迟过大和 不能妥善解决“自陷”问题，本章的后半部分提出综合考虑跳数和负载平衡因素的 选路算法- j c s p p ，并通过删除“冲突链路的办法来解决算法在找寻风险无关的 工作保护路径对的自陷问题。性能仿真验证了该算法在阻塞性能方面和路径延迟方 面的改善，也进一步验证了这两种算法在不同的拓扑环境中具有不同的适应性。 关键词：波分复用，生存性，共享保护，负载平衡，自陷 a b s t r a c t t t l ed e v e l o p m e n to fw 删e l e n g t h d i 、，i s i o nm m p l e x h l gm 峋t e c h n o l o g ) ，b 血gm e o b v i o l l sa d v 锄t a g ei nt r a l l s m i s s i o nc 印a c 酊f o rn e x tg e n e 谢o n r k ，锄dt l l ew d m n e t w o r k ，w l l i c hi se x a c t l yu s i n gt h ew i v e l e n g t l l d m s i o n 瑚l u h i p l e x i n g 嬲i t sk e m e l t e c h n o l o g y t 啪b e c a m et l l ei n o s tc o m p e t i t i v e 咖s i i l i s s i o nn 舐加r k 莎a d u a l l yr e p l a c i n g t 1 1 et i 砸i t i o r l a ln e t w d r k mw d m r ke v e r ) rs i n g l el h l l 【c 嘶e sh u g et m m c ，锄y i n v a l i d a t i o no fl i n u n o d ec a i lc a l l s eh u g el o s t ，s 0i ti sm c e s s a 巧t oc o l l s i d e rs u r v i v a b i l 埘 s t r a t e g ) r i 1 1 o p t i c a l n e t w o r ks u r v i v a b i l 毋s t r a t e g ym a i l l l y i 1 1 c l u d ep r o t e c t i o n 锄d r e s t o r a t i o nm e c h a l l i s m ，g e n e r a l l ys p e a l ( i n g ，p 绯c t i o ni sm em o s te 舵c t i v es u n ，i v a b l e m e c h a n i s mw h i c hc o s tl i t t l e | u l tr e s t o r a t i o nt i m e ，如m l e m l o r c ，s h a r 酣- p m t e c t i o nh 弱 b e c 锄et h er n o s tf a | 旧r a b l ec h o s ef o rn e t 、o r kp r o v i d e r sb ym er e a s o n t 1 1 a ti tc a i l e f f e c t i v e l yr e d u c et h er e s o u r c ec o n s 眦n p t 抽n n l ek e yi s s u ea i r n e dt os o l v ei i lt t l i sp 印e ri s m a i l l l ya b o u tp r o t e c t i o ns 似e 既s 0 恤r c l c v 趾t r c s e a r c hb a c k g r 0 吼d ，a u sm ed i v i s i o n 孤d r e a l i z a l i o no fs u r v i v a b i l 时s t r a t e 蹈s o m e 慨d i t i o 砌p r o t e c t i o na l g o r i t i l l l la u sw e l l 嬲n e x t g e n e e a t i o no p t i c a ln e t w o r kc o n n d lp l a n et e c l l l l o l o 妒( m i p l sa r ea l lg i v ei i l c h a p t e r1 a 1 1 dc h a p t e r2 c h a p t e r3f o c u so nm es t i l d yo fm ：ns h a r e dp r o t e c t i o ns 妇锄鹦b ye x p a n d l n g g m p l ss i 9 1 】西m e c l l a i l i s m ，an e t 、o r ka r c h i t c c t u r ea p p l i e d i nm ：np r o t e c t i o n m e c h a i l i s mc o n s i d e r i n gp r e e m p t i o ni si n 叻d u c e d ，锄dc o n e s p o n d 妇gs i g n a lp r o c e s si s s h o w n n l r o u 曲t h ea 1 1 a l y s i so fm er e c o v e 巧b l o c k i n gr a ：c e 嬲w e l la sa v e m g er e c o v e 巧 t i m eu 1 1 d e rt h ep m p o s e da r c l l i t e c t u r e ，n l es c h e m eg u a r a l l t e e sal o wr e c o v e 巧b l o c k i n gr a t e o fl l i 曲面。衄p a mt op r o v i d ed i 疵r e n t l ys u r v i v a b 嘶s e i c e ，m e 删1 em a k es e a l m o s tm es 锄er e c o v 吖t i m ec o m p a r e dt om ：np r o t e c t i o ns c h e m e 谢mn 0 面。衄 d i 毹r e n c e f i n a l l y ，s i m u l a t i o nr e s u 怄矗m h e rp r o v et h a tu n d e r l ep 陀m i s eo fr e s o u r c e r e d u c t i o i l ，ag r e a ti m p r o v e m e n ti sm a d e0 nm el l i 曲p r i o r 时p a m sr e c o v e 可b l o c k i n gr a t e c o m p a r e d t om es c h e m en oc o i l s i d e r i n gp r c e m 】p t i o n h lc h a p t e r4 ，b a s e do nt l ：i er e s e a r c ho fl o a db a l a n c ei s s u e ，ar o u t i n ga l g o r i t h mm a t m a k es u f ee v e r ys i n g l el 址c o n s 啪地a h n o s t 雠s 锄er e s o u r c e ，i sc o i l s i d e r e dc o m b i n e 、v i mt h es t u d yo fs i 埘e d - p a t l lp r o t e 以o ns t r a t e g y s 0t ：h es h a r e d p a mp r o t e c t i o na l g o r i t i l i n c o i l s i d e r i n gl o a db a l 锄c e l b s p pi sp r e s e mh e r e ，a 舭rb u i l d i r 培i i pm o d e l ，觚db u i l d i n g s i m u l a t i o np l a 怕n nu s i n gm e t i 。a bt o o l ，m e9 0 0 dp e 触吼c eu n d e r 也ep r o p o s e d a l g o r i t h ma r ep r o v e d a tm e 跚et i i i l e ，p o i n t t 0c e n a i np r o b l e ms h o w e d0 nn l e i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tm a t “谢ub r i n gm o r es i g i l a jd e l a yw h e nc o m p a r i n gw i lm e t r a d i t i o n a ld i j k s t r aa l g o r i t h m ，a n di th 嬲o b v i o u ss h o r t a g ei nd e a l i n g 谢m l e h a p ” p r o b l e m 谢mi s d l l ct 0s t r i c ts ：h e dr i s k l i r 出掣伽pl i m i 僦o l l ， ai m p r o v e d m e 也o d s h a r e d p a ：t hp r o i t e c t i o na l g o r i 血mb a s e dj o i n tl i n kc o s t j c s p p ：i sd e s c r i b e dl a t e r ， c o 仃e s p o n d i n gs i l i l u l a t i o n 、v o r ks h o wt h eo b v i o u si n l p r 0 v e n l e n to np e r f o 胁a i l c e 硒 b l o c k i n gm t ea n dd e l a yw h e nc o m p a r e dt ol b s p p a n d 缸曲e ri m l ) r o v e dt l l a tt h e 觚o a l g o m h mp r e s e n t e dh e r eh a v ed i 虢r e n ta d a 埘v en 鲍o r ke n v 衲眦饥t k e yw o r d s ：w d m ，s u r v i v a b i l i t y ，s h a r e dp r o t e 血o i l ，l o a db a l a l l c e ，t r 印 、 i i i 重庆邮电大学硕士论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 目录1 1 0 7 第一章绪论1 1 1 光网络发展概述。l 1 - 2w d m 网络中生存性问题的提出5 1 3w d m 光网络生存性研究的现状6 1 4 本文结构8 第二章w d m 光网络生存性技术概述9 2 1 生存性的概念和分类9 2 2 光网络生存性技术介绍1 0 2 2 1 保护机制及实现。1 0 2 2 2 恢复机制及实现。1 3 2 2 3 保护和恢复机制的比较。1 4 2 3 与光网络保护策略有关的几个问题1 5 2 3 1 路由和波长分配问题。1 5 2 3 2 一些典型的保护算法1 6 2 3 3m ：n 共享保护策略的延伸1 9 2 3 4 目前研究中存在的问题2 0 2 4g m p l s 与光网络的生存性2 1 2 4 1g m p l s 技术的出现21 2 4 2g m p l s 的生存性信令机制及路由机制2 1 2 4 3g m p l s 的故障管理流程2 2 第三章光网络中基于优先级的m ：n 保护策略及实现。2 4 3 1 研究背景2 4 3 2m ：n 保护策略的分析2 5 3 2 1m ：n 共享保护策略的实现2 5 3 2 2m ：n 共享保护系统阻塞概率的分析2 5 3 2 3g m p l s 信令引人m ：n 保护系统的意义2 9 3 3 考虑优先级抢占的m ：n 保护信令及性能分析2 9 重庆邮电大学硕士论文目录 3 3 1 考虑优先级抢占策略下的信令。3 0 3 3 2 性能分析及仿真3 2 3 4 本章小结3 5 第四章光网络中考虑负载平衡的共享保护算法研究3 7 4 1 研究背景3 7 4 2 基于负载平衡的共享保护算法研究3 8 4 3 本章符号定义4 0 4 4 算法实现4 2 4 4 1 仿真条件及拓扑4 4 4 4 2 仿真中关键模块的设计4 5 4 4 3 仿真结果及分析4 9 4 4 4 结论5 4 4 5 改进的算法及仿真5 5 4 5 1 算法描述5 5 4 5 2 仿真结果分析5 7 4 6 两种算法的复杂度分析6 0 4 7 本章小结砧“6 l 第五章全文总结6 2 1 改谢6 3 攻读硕士学位期间从事的科研工作6 4 参考文献。6 5 v 爱黑霉雾i 雾瑟焉露雾甓秀鬻要甓飘零琴鬻嚣臻嚣髻鬟鬻案i 零誊影嚣麓繁糍誊嚣麓雾獗罾：黔：鬻瓢滚。 。，。一一一一一一： 一 。 一 一-?， 。： 一一。t o ：。二 重庆邮电大学硕士毕业论文 第一章绪论 第一章绪论 宽带视频、多媒体等业务的日益兴起，业务的快速增长，对广域骨干网的带宽9 提出了越来越高的要求。虽然目前的骨干网多数已使用光纤链路来传输数据，但是 传统的s d h s o n e t ( s y n c l 啪n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s ) ，i l c h r o n o l l so p t i c a ln 咖o r k ) 技 术只能以特定的传输速率( 如2 5 g m i t s ) 在光纤中的单个波长通道上传输数据。单纯依 靠增加单波长传输速率的方法，例如使用更高速的时分复用( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i i l g ，t d m ) 技术，将碰到诸如因传输速率逼近电层处理极限而使设备成本迅 速增加等问题。使用光分插复用器( 叫i c a la d pm l l l t i p l e x e r ，o a d m ) 和光交叉连 接( 0 巾t i c a lc r o s s c o i l l l e c t ，o x c ) 的w d m 光传送网将逐渐在骨干网中占据主导地位【1 ， 2 3 】。w d m 技术可以充分利用光纤的低损耗带宽，在一根光纤中的不同波长上异步、 高速传输多种格式的信号。w d m 技术以它的传输容量大，对高层协议和技术适应 性强，以及易于扩展等优点而备受青睐。因此，采用波长分配和路由选择的w d m 光传送网被认为是下一代高速广域骨干网的最具竞争力的候选者【4 j 。 1 1 光网络发展概述 随着以i p 为代表的数据业务的爆炸式增长，新的高速率大容量传输技术应运 而生，以满足网络不断增长的带宽要求。近年来以波分复用( w d m ) 技术【5 j 为代表的 高速大容量传输系统发展非常迅速，并在世界范围内得到非常广泛的应用。 w d m 技术是将多个波长复用在一根光纤上进行传输的技术。w d m 为了充分 利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一个信道广播频率的不同可以 将光纤的低损耗窗口划分为若干个信道，如图1 1 所示，它在发送端用合波器，将 不同规定波长的信号光载波信号复用在一起，送到一根光纤上进行传输，在接收端 用分波器，将这些不同波长承载不同信号的光载波分离开来，送到相应的接收端， 在光纤上传输的过程中用掺饵光纤放大器进行无再生的光放大。由于不同波长的光 载波信号可以看作互相独立的( 不考虑光纤非线性时) ，因而只需要将两个方向的信 号分别安排在不同波长传输，也可实现双向传输。 可见，w d m 的实质是在光纤上进行光频分复用，只是因为光波通常采用波长 而不用频率来描述、监测与控制，在波分复用技术高度发展，以及每个光载波占用 的频度极窄、光源发光频率十分精确的前提下，或许使用光频分复用来描述更恰当 些。在实际应用中，通常将信道间隔为4 0 0 0 g h z ，2 0 0 0 g h z ，1 0 0 0 g h z 或5 0 g h z 重庆邮电大学硕士毕业论文第一章绪论 图1 1 波分复用系统传输示意图 的w d m 系统统称为d w d m 系统【6 】，在d w d m 系统中，各信道分别占用不同的 光波长频率。与传统的w d m 系统不同，d w d m 系统的信道间隔更窄，以便充分 利用掺饵光纤放大器的带宽，一起使用是目前提高光纤通信容量的最直接有效的方 法之一。由此看来，、加m 和d w d m 应用的是同一种技术，它们是在光通信技术 不同发展时期对w d m 系统的称呼。 波分复用系统最大的优点是节约光纤。它将原来需要多对光纤承载的系统复 用在一对或一跟光纤上传输，大大节省光纤的用量，对于租用光纤的运营商来说更 有吸引力；其次波分复用系统大大延长了无电中继的传输距离，减少中继站的数目， 节约了建设和运行维护成本；波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及 电调制方式无关，可以承载多种业务，在现在多业务需求的运营环境下很有竞争力； 利用波分复用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。 w d m 网络【7 ，8 】是光纤通信技术发展的下一个目标，w d m 技术的建立将在干线 网的交叉节点上引入光交叉连接设备( o x c ) ，光分叉复用设备( o a d m ) 和光波长变 换，从而引入端到端之间的“虚波长”通路，实现用户端到端的全光信号连接。这 将使线路之间的调配和转换变得简单和方便。从发展趋势来看，形成了一个真正的， 以w d m 技术及光交换技术为基础的光网络层，建立纯粹的w d m 光网，接入i p 等多种业务信号已成为光通信发展的必然趋势，它完全符合“传送网 的分层化， 并简化了网络结构，提高了网络的可靠性，并且与业务和承载信号无关，尤其是 g m p l s 技术和自动交换( a s o n ) 技术的引入更赋予了w d m 光网络优异的性能，具 有重要的现实和长远意义。在现阶段，w d m 光网络主要作为各类数据业务( 如s d h 帧、筒r m 信元或正分组) 的传送平台，因此也被称为w d m 光传送网。 2 重庆邮电大学硕士毕业论文第一章绪论 图1 2 波长选路的w d m 光传送网示意图 ， 在w d m 光网络中，网络节点被称为波长路由节点( w 打e l e n g m 1 b u t e dn o d e s ， w r n s ) 或光交叉连接( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，o x c ) ，若将输入波长信号转换到不同 的输出波长上，称为波长转换( w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n0 rw a v e l e n g mt r a n s l a t i o n ) ，波 长转换需要引入额外的代价，技术实现也比较复杂。无波长转换能力的路由节点称 为波长选择交叉连接器( w a v e l e n g 1 s e l e c t i v ec r o s s c o 衄e w s x c ) ，有波长转换能 力的路由节点叫波长转换交叉连接器( w a v e l e n g mi n t e r c h a i l g i n gc r o s s c o 皿e c t ， w i x c ) 。路由节点x ，y 通过光纤互连，接入节点a b c d e 通过光纤连接到路由节 点。在接入节点，多个端用户( e n d u s e r ) 可复接到同一波长信道。通常情况下我们 将路由节点和与之相连的接入节点看作一个整体，通称为网络节点。 图1 3 所示为一种w s x c 的原理图。任一输入光纤上的任一波长信号可以经过 解复用器( d e m m t i _ p l e x e r ) 解复用、相应波长的光空分交换器交换，最后复用 ( m u l t i p l e x i n g ) 输出到任一输出光纤的同一波长上。利用w s x c 就能在不同的端用户 之间建立端到端的光路。当路由节点没有波长转换能力时，光路必须在其路由经过 的光纤链路上使用同一波长，如图1 2 中a 到c 的光路采用地，d 到e 和a 到b 采用九l ，这一限制称为波长连续性限制( w a v e l e n g t l lc o n t i 肌卸c o n s t r a i n t ) 。波长连 续性限制也是波长路由网络区别于传统的电路交换( c 硫u i ts 丽t c h e d ) 网络的特性之 一。 波长连续性带来的限制使得波长资源的利用率下降，尤其是在动态业务下会增 加光路的阻塞率( b l o c l ( i n gp r o b a b i l i 劬。如图1 4 ( a ) 所示，当节点a 到b 在九l 上、b 到c 在地上己建有光路时，尽管a 到b 和b 到c 的链路上分别有空闲波长也和九l ， 仍无法建立从a 到c 的光路。如果在节点b 中引入波长变换，将输入的k 波长信 号变换到输出光纤的波长九l 上，就能够克服波长连续性限制，建立a 到c 的光路。 这种含有不同波长的光路被称为虚光路( 、，j r t l 塌lw - a v e l e n g n lp a m ，v 、p ) ，而相应的遵 守波长连续性限制的光路则被称为w p ，2 i v e l e n g t l lp a m ) 【9 ，1 0 ，l l 】。在w s x c 的光空 分交换器的输入或输出端口配置波长变换器，就可以得到具有波长变换能力的 重庆邮电大学硕十毕业论文第一章绪论 w c 。如果路由节点都是w c ，并且都能实现任意输入波长到任意输出波长的 全范围波长变换( f u l l 一砌i i l g ew a v e l e n g t l lc o n v e r s i o n ) ，本文的研究内容就专注于这种 具有波长变换能力的光网络。 输入光纤 2 n 2 n 图1 3 波长选择光交叉连接器结构示意图 输出光纤 ( a ) 无波长变换 ( b ) 有波长变换 图1 4 波长连续性限制造成的波长冲突 除o x c 外，目前己广泛使用的一种具有波长选路功能的w d m 设备是光分插 复用器( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ，o a d m ) 。o a d m 的作用是从光纤的众 甲甲甲 图1 5 0 a d m 功能框图 4 重庆邮电大学硕士毕业论文第一章绪论 多波长中解出任意一路，或者向光纤中加入新的波长，其结构如图1 5 所示。o a d m 为w d m 光传送网提供了异步接入的功能，使得光网络设备可以提供与各种业务的 直接接口。例如，s d h ，a t m 、帧中继和口等各种业务可通过占用o a d m 提供的 某个波长接口直接进入w d m 光传送网进行传输。 光传送网是在光领域对客户信号提供传送、复用、选路、监控和生存性功能的 综合实体。i t u tg 8 7 2 建议( 草案) 已明确在光传送网加入光层( o p t i c a ll a y e r ) ，按照 建议，光层由光信道层、光复用段层和光传输段层组成，如表1 1 所示。光信道层 ( o p t i c a lc h a r l e ll a y e r ，o c h ) 负责为来自电复用段层的各种格式的客户信号( 如s d h ， a t m ，i p ) 建立端到端的光信道连接( 光路) ，包括选路和波长分配，处理光信道开销， 提供光信道层的检测和管理功能，并在故障发生时，通过重选路由或直接把工作业 务切换到预留的保护路由来实现保护倒换和网络恢复。光复用段层( o p t i c a l m u l t i p l e x i n gs e c t i o nl a y e r ，o m s ) 保证相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信 号的完整传输，为多波长信号提供网终功能，包括：为灵活的多波长网络选路重新 安排光复用段功能；为保证多波长光复用段适配信息的完整性处理光复用段开销： 为网络的运行和维护提供光复用段的检测和管理功能。光传输段层( o p t i c a l 1 r a n s m i s s i o ns e c t i o nl a y e r ，o t s ) 为光信号在各种类型的光传输媒质( 如g 6 5 2 ，g 6 5 3 ， g 6 5 5 光纤等) 上提供传输功能，同时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等。 表1 1 光传送网的分层结构示意图 电路层电路层虚通道 p d h 通道层s d h 通道层虚通道 电复用段层 电复用段层( 没有) 光信道层o c h 光复用段层o m s 光传输段层o t s 物理层( 各种光纤，如g 6 5 2 ，g 6 5 3 ，g 6 5 5 ) 1 2w d m 网络中生存性问题的提出 随着社会的进步，通信现今可以说已经融入了我们这个社会经济生活的各个方 面，回顾过去，网络资源的可得性，从最初的电话业务开始，可以说就是网络结构 设计过程中的关键。即在正常情况之下，要求呼叫的阻塞率足够低，也即呼叫成功 率要足够高，而当网络发生故障时，要求仍然能够确保必要的级别较高的通信业务 能正常通信，这就是我们所说的网络的生存性( s u r v i v a b i l i 妫能力。网络生存性实质 h “ 5 重庆邮电大学硕士毕业论文第一章绪论 是指网络经受各种故障，甚至灾难性大故障后仍然能够维持可接受的业务质量的能 力【l2 1 3 j ，它是网络完整性的一部分。现在的社会对信息的依赖度性越来越强，通信 网络一旦出错或失效，将会给社会造成极大的损失，因此在设计网络时，首要问题 就是确保网络的生存性，特别是随着光纤通信技术的高速发展，目前系统的速率已 达1 0 g b i t s ，不少公司实验室已开发出4 0 g 他i t s 的系统，而且引入d w d m 技术后， 系统总传输容量达到l o t b i 体的水平，由于w d m 技术的不断发展，将来每根光纤 可传输的速率会更高，不言而喻，如果一根光纤或一个节点出现故障，给网络经营 造成的损失将会比以前更大。 网络生存性研究具有深远的意义。首先，生存性网络可以给国家和个人挽回巨 大的经济损失，避免社会经济的动荡不安。随着中国加入世贸组织后国内电信市场 的逐渐开放，通信业的竞争越来越激烈，从而具有生存性的网络对一个网络运营商 来说极其重要，因为网络运营商能否提供可靠的通信，已经与其商业信誉，综合竞 争力等密切相关。再次，随着人们生活水平的提高，社会经济生活及个人的日常生 活越来越依赖于通信网络，只有智能的会自动恢复的信息网才能满足人们的高质量 的生活需求。所以，网络的生存性问题是我们首先要考虑的问题之一。 1 3w d m 光网络生存性研究的现状 目前已有大量的文献对w d m 光传送网的生存性问题进行了研究，w d m 光传 送网中的生存性机制可分为两种：基于预先分配好资源的保护和实时寻找可用资源 的动态恢复【1 4 】机制。在保护( p r o t e c t i o n ) 方案中，网络提供的生存性服务是利用专用 ( d e d i c a t e d ) 资源实现的，可以针对每个可能的失效预留专用的空闲资源，也可以在 多个不会同时出现的失效之间共享( s h a r e d ) 这些空闲资源，保护的范围可以是链路级 ( 1 i n k ) 的或通道级( p a t h ) 的。在恢复方案中，只有当网络部件出现失效后，控制机制 才开始实时寻找可用资源来恢复受影响的业务。在动态恢复方案中，可分为基于链 路的和基于通道的故障恢复，由于采用实时寻找可用资源，实现了空闲资源的完全 共享，因此在资源利用效率上高于保护方案，而且采用动态恢复方案还可以应付多 种类型的失效( 如多链路同时失效的情况) 。但是，保护机制能够获得更快的恢复速 度，并且能够确保l o o 的业务恢复【b j 。 光传送网保护的早期研究工作，借鉴了s d h 自愈环的研究成果。o g e r s t e l 等 人研究了链路、节点、信道这三种故障情况下，w d m 点对点系统和具有有限波长 转换功能的环形网络的保护方案【l 引，并从所需的备用资源角度，对各种方案进行了 对比。由于网络的层次结构向简单化、扁平化的方向发展，i p o v e r w d m 最有希望 成为未来的光网络结构，i po v e rw d m 生存性的研究成为了热点。l s a l l 嬲r a b u d d l l e ， 6 熏黑黑黧需露雾霉熏零需要雾孽景雾薷雾霹霁露露零鼍翳勇焉曩器露瑟囊隳曩琴爨霁嚣嚣熏嚣蓊鬻纛黧鹭露i w j 。i 、# k 胁o i ； ，t ib - r 一? ，”u j 。一t 。? 。- 冉| b 矗i ! 。一* 7 十，”i 孙啊矗 一，1 = j +4 i 一。n j ， 。，1 j 。” 一j ：* 一， 1 3 ”1 1 。一1 、”。1 j “+ _ - _ _ - - _ j _ - _ - _ ：。- 。上。赢“一。 ， ；一= 一：一一一一一一二一。：一一，。一二，= 二。五。：j 二。? 。j 。：。，。赢二u ；。：晶；：，二。0 。，二! ；：。蠡i 赫；：。? 重庆邮电大学硕士毕业论文第一章绪论 s 黜吼锄u m l y 和b m u k h e 巧e e 研究了w d m 共享通路保护和口层的恢复l j 这两种 i po v e rw d m 网络的生存性机制，用数学方法阐述了生存性问题，提出了寻找有效 生存性方案的启发式算法，并分析了这两种机制所需的备用资源和故障恢复时间。 结果表明在网络的任意节点任意波长都有一个收发机的条件下，w d m 层共享通路 保护在故障恢复时间上远低于i p 恢复，在资源利用率上比m 恢复略低。d z h o u 和s s u b r 锄a l l i 锄对已有w d m 光层保护方案的性能特征以及适用环境进行了定性 的分析和比较1 5 j 。o g e r s t e l 和r r a m a s 袱m 1 i 从通信业务运营商的角度阐述不同 w d m 光层保护方案的优缺点1 6 j 。从实现的角度分析了光层保护方案需要考虑的几 个基本问题：支持快速保护、支持低优先级业务、支持网状网保护、支持所有的故 障模型以及波长转换能力对保护的影响【_ n 。随着网络的拓扑结构从简单的点到点网 络到环型网，进一步发展到最复杂的网状网结构，网状网的生存性研究成为当前研 究的重点。s 吼锄咄c h y 等人以全网使用的波长总数最少为优化目标，研究了 w d m 网状光网络单链路故障保护的各种方案，给出了在静态业务条件下专用通路 保护、共享通路保护和共享链路保护的i l p 描述【ls 】，并比较了三种保护方案对波 长总数的要求，研究表明，共享通路保护占用的网络资源相对较少，他们还分析了 这三种保护方案的故障恢复时间，当交叉连接( 0 x c ) 的开关配置时间较低( 小于1 0 “s ) 时，共享链路保护方案的故障恢复时间较短，共享通路保护方案的故障恢复时间较 长；当交叉连接的开关配置时间较高( 大于5 0 0 m s ) 时，专用通路保护的故障恢复时 间较短，共享通路保护的故障恢复时间较长。继静态业务条件下的保护设计【2 0 ，2 1 j 之后，动态业务的保护方案成为研究的重点。gm o h a i l 等人提出了一个动态建立主 光路和备用光路的方案1 2 2 】，网络在为连接请求建立主光路的同时，为每一个要求 保护的主光路分配备用光路，只要主光路不同时发生故障，它们的备用通道可共用 相同的波长信道，此时，一个已经预先分配给别的主光路的备用光路，可以分配给 一个新的主光路。 在共享保护策略的基础上，除目前提到的1 ：l ，1 + 1 ，m ：n 保护方案以外【2 3 j ， 考虑优先级的。m ：n 保护和m ：n 共享保护组( g s p 卜弋m ：n ) n 的思想被提出。 而在共享保护算法中，g 啪g z l l il i 等人提出了比较经典的f i r 算法【2 6 】和p i r 算法 曙7 1 ，两种算法都采用自适应选路方式，即设定权重通过权值的更改动态地选择最佳 的恢复路径，两种算法要解决的问题，都是为业务请求计算好工作路径后，如何选 择能共享资源的备用路径以进一步提高资源利用率，在此基础上的一些更为全面的 研究如考虑优先级的，考虑共享风险链路组限制的，考虑区分可靠性等的算法 都有见文献报道，这些内容将在第二章节做具体介绍，而一些未解决的问题，也给 学者留下了比较充足的研究空间，可见，保护策略及算法的研究是光网络生存性研 究的一个热点，因而也是本论文研究的重点问题。 7 重庆邮电大学硕士毕业论文 第一章绪论 1 4 本文结构 第一章，指出网络生存性的意义，介绍w d m 波分复用原理和光传输网的发展， 对w d m 光网络生存性问题的意义，光网络生存性问题的研究现状作了简要的介绍 第二章，简要介绍w d m 全光传送网及其关键问题，并介绍了网络生存性的概 念、网络生存性技术的分类，主要阐述光层生存性技术及其特点，并针对本文的研 究内容，对有关的光网络保护策略及算法的背景一一做了介绍。 第三章，针对m ：n 共享保护策略，对恢复阻塞概率这一影响该保护系统性能 的重要指标结合参考文献给出了详细的推导，并将g 】p l s 的信令扩展，用于支持 考虑优先级抢占的m ：n 保护系统的实现，即提出了一种基于g m p l s 信令机制的 并考虑优先级抢占的m ：n 保护的网络模型及相关信令流程，并对这种模型下的恢 复阻塞率和平均恢复时间进行了分析，并与无优先级区分的机制进行了对比，以验 证该保护系统的性能。 第四章，将负载平衡问题和光网络的共享保护算法结合起来，提出了一种基于 负载平衡的并考虑共享风险链路组限制的保护算法，给出了该算法的整数线型规 划、算法流程和仿真平台搭建的介绍，通过仿真，验证了该算法的性能相比子传统 算法的优越性。针对该算法的某些缺陷，又提出了改进的算法基于综合链路代 价的共享保护算法，并通过仿真验证了该算法的性能。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章w d m 光网络生存性技术概述 第二章w d m 光网络生存性技术概述 2 1 生存性的概念和分类 网络生存性是指网络经受各种故障，甚至灾难性大故障后仍然能够维持可接受 的业务质量的能力1 1 2 1 ，它是网络完整性的