（通信与信息系统专业论文）组播光网络的节点结构和路由及流量疏导研究.pdf

海交通大学博士学位论文 组播光网络的节点结构和路由及流量疏导研究 摘要 当前各种宽带数据应用层出不穷，迫切需要数据传送网络提供有效的数据流 绍 爵能力。下一代数据光传送网络将是能够自适应地直接在光域透明地传送包含 i p 数据流在内的各种封装格式和编码格式的数据流，直接在光域以组播方式传 送数据流量将是较普遍的技术需求。 本文的研究对象是面向光路( l i g h t p a t h ) 交换的光传送网中的光组播技术。 具体研究内容涵盖组播节点结构设计、考虑传输损伤的组播光网络纽网方案及传 输损伤约束的组播路由方案设计、w d m 环网光组播实现方案设计、光组播流量 疏导问题。 在第一章，首先简要评述新一代宽带业务的组播需求和业务特征；接着比较 i p 组播和光组播；然后简述光纽播相关问题及其研究进展和现状。 第二章研究光组播节点结构，涉及到组播光交叉连接( m u l t i c a s t c a p a b l e o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，m c o x c ) 和组播光分插复用器( m u l t i c a s t c a p a b l eo p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r , m c o a d m l 。相对于睢播光交叉连接( o p t i c a l c r o s s - c o n n e c t s ，o x c s ) ，组播光交叉连接不仅要完成光端口之间的光路连接的交 叉还要实现光信号的复制。通常使用无源的分光器实现组播信号光域复制，这种 方式结构简单器件造价低，但不具有波k 变换能力。另外，近年来利川半导体光 放大器( s o a ) 的各种波长变换机制实现的多波长变换器研制已有所突破。多波 长变换器能将一个输入波长信号同时复制到多个不同的输出波长。但多波长变换 器使用成本居高且变换、扇出( f a n o u t ) 能力办有限，为此，本文提出了一种联 合使用分光器和多波袄变换器的联合组播光交叉连接( i o i n tm u l t i c a s t c a p a b l e o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，j m c o x c ) 结构并借助离散事件仿真模型分析其动念网络 性能。文中还以有源垂直耦合器件为例探讨了利用平面光波导电路( p l c ) 技术 实现信号复制和交换集成以构造集成m c o x c 的方案。此外，本章还提出了一 组播光列络的节点结构和路由及流量疏导研究摘要 种提供信号电再生能力的半透明m c o x c 结构；研究分析了一种用于实现w d m 环网光组播的组播o a d m 结构。 第三章研究传输损伤约束的光组播路由。鉴于当前全光信号再生技术并不成 熟可商用，本文提出将电信号再生设备稀疏配置到网络交换节点构造半透明 m c o x c 进而组建半透明组播光网络。首先设计了基于“再生权”的电再生设 备稀疏配置方案：光路连接经过概率大的网络节点将具有较大的再生权；然后提 出基于“再生域”的组播路由方案：一个再生域由一个配置有信号再生设备的组 播节点和与其连接的组播目的节点以及相应的连接链路构成。仿真结果表明仅需 在网络中稀疏配置少量电再生设备就能获取近优的网络性能提升。 第四章研究光组播流量疏导问题。由于组播会话连接具有多个目的接收站点 ( 叶子) ，遵循单播流量疏导中目的站点完全吻合才可汇聚一起的原则来实施组 播流量疏导，疏导成功概率会很小。为了提高流星疏导成功概率，文中提出了一 种允许组播目的( 叶子) 冗余的流量疏导方案，允许组播目的用户数较少的新组 播流量汇聚到一个现有的同源的组播目的用户数较多的光树上。这棵丈尺寸的光 树上的某些目的( 叶子) 节点对小组播尺寸的新组播流量来说足冗余的。这种冗 余显然会占用并浪费网络带宽，但本文仿真结果表明这种适量的带宽浪费换取的 网络性能提升是可观的。 第血章研究分析采用组播o a d m 构造的w d m 环网中的光组播，文中采用 环网的最短路径算法设计组播路由并给出仿真分析。我们的工作表明，采用组播 o a d m 能以少的波长资源占用供应高效的光组播。 最后，总结全文并展望下一步工作。 关键词：组播光网络，光组播，组播光交叉连接，传输损伤，半透明组播光网络 组播光分插复用器，组播流量疏导 u 卜海交通大学博 学位论文 n o d e a r c h i t e c t u r e ，r o u t i n g ，a n d t r a f f i c g r o o m i n g i n m u l t i c a s t - c a p a b l eo p t i c a ln e t w o r k s a b s t r a c t a sv 撕o n sb r o a d b a n d a p p l i c a t i o n sk e e ps u r g i n g , t h e r e r i s e sa n u r g e n t r e q u i r e m e n to nd a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r k st oe f f i c i e n t l yd e l i v e rm u l t i c a s tt r a f f i c s i n c en e x t g e n e r a t i o no p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r kw i l la u t o m a t i c a l l ya n dt r a n s p a r e n t l y t r a n s p o r tv m o u sk i n d so ft r a f f i cw i t hd i f f e r e n tf o r m a t si n c l u d i n gi p , m u l t i c a s t i n g d i r e c t l ya tt h eo p t i c a ll a y e r ( o p t i c a lm u l t i c a s t i n g ) m a yb ep o p u l a ri nn e x t - g e n e r a t i o n o p t i c a ln e t w o r k s o p t i c a lm u l t i c a s t i n gr e l a t e dt e c h n i q u e si nt h el i g h t p a t h - o r i e n t e do p t i c a ln e t w o r k a r e i n v e s t i g a t e d i nt h et h e s i s s u c h t e c h n i q u e s a r ea r c h i t e c t u r e d e s i g no n m u l t i c a s t - c a p a b l eo p t i c a lc r o s s c o n n e c t ( m c o x c ) ，t r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t s c o n s t r a i n tm u l t i c a s tn e t w o r kd e s i g na n dt r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t sa w a r em u l t i c a s t r o u t i n g , o p t i c a lm u l t i c a s t i n gi nw d mr i n g ，a n do p t i c a lm u l t i c a s tt r a f f i cg r o o m i n g i n c h a p t e r1 ，a tf i r s t ，w eb r i e f l ya n a l y z et h em u l t i c a s t i n gr e q u i r e m e n t sa n d c h a r a c t e r so fn e x t g e n e r a t i o nb r o a d b a n dd a t ac o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s n e x t ，w e c o m p a r ei pm u l t i c a s t i n gw i t ho p t i c a lm u l t i c a s t i n g a n dt h e ng i v eab r i e fi n t r o d u c t i o n o nt h es t a t e - o f - a r ti n v e s t i g a t i o n si no p t i c a lm u l t i c a s t i n g c h a p t e r2c o n c e r n so n a r c h i t e c t u r ed e s i g no ft h em u l t i c a s t - c a p a b l en o d e s i n c o m p a r i s o nw i t ht h eu n i c a s to p t i c a lc r o s s - c o n n e c t s ( o x c s ) ，am u l t i c a s t c a p a b l e o p t i c a lc r o s s w o n n e c t ( m c - o x c ) n e e d sn o to n l yt oi m p l e m e n ts i g n a lc o p y i n gb u ta l s o t oi m p l e m e n t s w i t c h i n gt h e s ec o p i e st ot h e i ro u t p u tp o r t s u s u a l l y , t h ep a s s i v es p l i t t e r s a r eu s e dt op e r f o r mo p t i c a ls i g n a lc o p yw i t h i nt h eo p t i c a ld o m a i n s u c hs p l i t t e r sa r e s i m p l ea n di n e x p e n s i v e ，b u th a v en ow a v e l e n g t hc o n v e r s i o nc a p a b i l i t y r e c e n t l y , t h e r ei sab r e a k t h r o u g ho nm u l t i w a v e l e n g t hc o n v e r t e r sb u i l to ns e m i c o n d u c t o r o p t i c a l i i i 组播光刈络的节点结构和路由，! 之流量琉导研究 a b s t r a c t a m p l i f i e r ( s o a ) am u l t i w a v e l e n g t hc o n v e r t e rc a ns i m u l t a n e o u s l ya n do p t i c a l l yc o p y t r a f f i cc a r r i e do nt h ei n p u tw a v e l e n g t ht om u l t i p l ed i f f e r e n to u t p u t s h o w e v e r , a m u l t i w a v e l e n g t hc o n v e r t e ri se x p e n s i v ea n di t sf a n o u ti sl i m i t e d s ow ep r o p o s ea t r a d e o f fm c o x c ，i e ，j o i n tm c - o x c ，u s i n gb o t hs p l i t t e r sa n dm u l t i w a v e l e n g t h c o n v e r t e r s a s s o c i a t e dp e r f o r m a n c es i m u l a t i o ni sa l s oc a r r i e do u tb yw a yo ft h e d i s c r e t ee v e n tm o d e l w ea l s od i s c u s st h ei n t e g r a t i o no fs i g n a lc o p ya n ds w i t c hu s i n g p l a n a rl i g h t w a v ec i r c u i t ( p l c ) ，t r a n s l u c e n tm c o x ca r c h i t e c t u r es u p p o r t i n gs i g n a l r e g e n e r a t i o n ，a n da r c h i t e c t u r eo fm u l t i c a s t - c a p a b l eo p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r s ( m c o a d m s ) s u p p o r t i n gm u l t i c a s t i n gi nw d mr i n g c h a p t e r3 c o n c e n t r a t e so nd e s i g no ft r a n s l u c e n tm u l t i c a s tn e t w o r ka n d i m p a i r m e n ta w a r em u l t i c a s tr o u t i n g d u et ot h ei m m a t u r eo fc u r r e n tt e c h n i q u e so n o p t i c a ls i g n a lr e g e n e r a t i o n ，w ep r o p o s eat r a n s l u c e n tm u l t i c a s tn e t w o r ku s i n gs p a r s e l y p l a c e de l e c t r o n i cs i g n a lr e g e n e r a t i o ne q u i p m e n t s t od i m i n i s hs i g n a ld e g r a d a t i o n c a u s e db yt r a n s m i s s i o n i m p a i r m e n t s f i r s t l y , as t r a t e g y o fe l e c t r o n i c s i g n a l r e g e n e r a t i o ne q u i p m e n t sa s s i g n m e n tb a s e do nr e g e n e r a t i o nw e i g h ti sp r o p o s e d t h e m o r ec h a n c e sb e i n gp a s s e db yl i g h t p a t h san o d eh a s ，t h eb i g g e rr e g e n e r a t i o nw e i g h t t h en o d eh a s n e x t ，w ep r o p o s eam u l t i c a s tr o u t i n gs c h e m eb a s e do nr e g e n e r a t i o n d o m a i n a r e g e n e r a t i o nd o m a i nc o n s i s t so f o n em u l t i c a s t c a p a b l en o d ee q u i p p e dw i t h s i g n a lr e g e n e r a t o r s ，a n di t sl e a v e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tu s i n gal i m i t e d n u m b e ro fs p a r s ep l a c e de l e c t r o n i c s i g n a lr e g e n e r a t i o ne q u i p m e n tc a no b t a i n s u b - o p t i m a ln e t w o r kp e r f o r m a n c eg a i n s i nc h a p t e r4 ，m u l t i c a s tt r a f f i cg r o o m i n gi si n v e s t i g a t e d s i n c et h e r ea r em u l t i p l e d e s t i n a t i o n si nam u l t i c a s ts e s s i o n ，t h ec h a n c e si nf i n d i n ga ne x i s t i n gl i g h t t r e eh a v i n g t h es a m es o u r c ea n dt h es a m ed e s t i n a t i o n sa st h ec o n n e c t i o nr e q u e s ti sn e g l i g i b l e t o i m p r o v et h eg r o o m i n gp r o b a b i l i t y , w ep r o p o s eam u l t i c a s tt r a f f i c g r o o m i n gs c h e m e l e t t i n gam u l t i c a s tt r a f f i cw i t hs m a l ld e s t i n a t i o ns i z et ob ea g g r e g a t e do n t oa ne x i s t i n g l a g e rd e s t i n a t i o ns i z el i g h t t r e e s o m ed e s t i n a t i o n so nt h es e l e c t e dl i g h t t r e eh a v et ob e r e d u n d a n ta n dw a s t e dt ot h en e wm u l t i c a s ts e s s i o n h o w e v e r , t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a tt h el i m i t e da m o u n to fb a n d w i d t hw a s t a g ew i l la c h i e v es i g n i f i c a n tn e t w o r k p e r f o r m a n c eg a i n s 卜海交通大学博i 岸位论文 i n c h a p t e r5 ，w e d i s c u s sm u l t i c a s t p e 】渤肌a n c e o nw d mr i n g u s i n g m c o a d m s t h es h o r t e s tp a t ht r e ef s p t ) a l g o r i t h mi su s e di nt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t o u rw o r ks h o w e st h a tr i n gu s i n gm c - o a d m sc a l lp r o v i d ee f f i c i e m o p t i c a lm u l t i c a s t i n gb u to c c u p i e sl e s sw a v e l e n g t hr e s o u r c e s a tt h ee n do ft h et h e s i s ，w es u m m 删z ea 1 1o u rw o r k sa n dp u tf o n v a r dt h e d i r e c t i o n sf o rf u r t h e r r e s e a r c h k e y w o r d s ：m u l t i c a s t c a p a b l eo p t i c a ln e t w o r k s ， o p t i c a l m u l t i c a s t i n g , m u l t i c a s t - c a p a b l eo p t i c a lc r o s s c o n n e c t s ( m c o x c s ) ，t r a n s m i s s i o ni m p a i r m e n t s ， t r a n s l u c e n tm u l t i c a s t - e a p a b l eo p t i c a ln e t w o r k s ，m u l t i c a s t c a p a b l eo p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e r s ( m c - o a d m s ) ，m u l t i c a s tt r a f f i cg r o o m i n g v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：7 型云 吼矽7 砺 1 窃 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 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和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 。 不保密囱7 。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者 日期： 签名嘭云啐躲七恍 月z 万日 日期：年月日 i ：海交通大学博 学位论文 第一章绪论 当前，信息技术正呈现数字化、网络化、宽带化、泛在化和融合化的发展趋 势，各类通信网络也在提升和扩展各自的通信能力，向网络融合的方向发展。以 i n t e m e t 为代表的数据通信网络所承载的业务不再仅限于收发e m a i l 、远程访问 ( t e l n e t ) 、文件传送( f t p ) 、网页浏览( w w w ) 等数据传送模式，因为基于i n t e m e t 的音讯、多媒体视讯业务，如视频会议、网络电视等通信业务在持续地迅猛增长； 原来提供语音呼叫连接业务的各类电信网络已经提供互联网冲浪功能：就连原来 业务单纯的广电网络也在升级以提供数字媒体甚至互联网功能。“三网合一”业 已悄然潜行，且网络通信能力不断地被提升以支持层出不穷的新业务。 在网络融合的新业务中，越来越多地涉及到诸如i p t v 、视频点播、三重播 放( t r i p l ep l a y ) 等点到多点或多点到多点的通信，即组播( m u l t i c a s t ) 。借助组 播通信技术，数据从数据源发出后，在中丑j 节点复制，以树状通信信道传向各目 的节点。组擂通信能优化业务带宽占用因而提升网络性能。 在商用的信息系统中，数据流组播应用大部是在i p 层实现的，i p 组播凼其 固有的“尽力而为”性质，无法大规模支持未来宽带组播应用，需要探索更高效 率的组播通信技术。 近年来，波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , w d m ) 技术已大规模 商用【l 】，在单根单模光纤中能同时传送上百个波长信道，单波长信道的数据传 送速率现已高达4 0 g b i t s 。同时，随着微电子机械系统( m e m s ) 光开关矩阵、 光交叉连接( o x c ) 、光分插复用器( o a d m ) 等逐步成熟，随着外围高速电子 集成电路持续发展以及计算机软件技术的成k ，可望实现w d m 光联网，如只益 成熟的自动交换光网络( a s o n ) 。 由于w d m 对所传数据业务流的格式和协议透明，直接在光层实现组播数据 传送将是非常有效的组播方式。光组播不仅要实现在光域复制数据流，还要在光 域完成光信号副本的交换和传输，具有与i p 组播不同的技术特点和实现方案， 因此，有必要对其作深入的研究。 - l 一 组播光网络的节点结构和路由发流量疏导研究第一章绪论 1 1 组播业务和i p 组播 1 1 ，单播、广播、组播和任播 传统互联网所承载的业务限于收发e m a i l 、远程访问( t e l n e t ) 、文件传送 ( f t p ) 、网页浏览( w w w ) 等点到点的数据通信应用，这是单播( u n i c a s t ) 通 信模式：传统的电信网络是提供一对一的语音呼叫连接业务，这也是单播通信模 式；传统的广播电视通信网络工作模式是向所有用户终端同时推送所有的节目内 容，而每个用户终端同一时刻仅选择其中个频道，这是广播( b r o a d c a s t ) 通信 模式。但是，很多情况下，并非全网所有用户终端话点均同时接收某一数据流， 而往往仅是某一组用户需要接收该数据流，这需要有选择地向部分网络用户传送 数掘流，此通信方式即为组播( m u l t i c a s t ) 。 最理想的通信模式应该是能灵活地按需实现涵盖单播、组播、广播的任播 ( a n y c a s t ) 。同时，就某种意义上讲，单播和广播也可视为组播的两个极端特例： 单播是刚络中任何两个节点问一对一的连接：广播是由一个源向全网所有其他节 点发布信息的一对多连接：组播涵盖单播和广播，由源向金网部分网络市点发布 信息。单播和广播可统一于组播，因此研究组播通信具有更广泛的应用价值。 组搔可以通过改造或扩展原有的单播或广播来实现，也可以结合相关技术的 进展探索全新的组播实现技术。针对原本面向巾播通信而设计的互联网和电信 网，关键是扩展单播网络的组播能力，既包括单播交换设舔的组播扩展，也包括 控制层面的信令、协议组播扩展；针对广播模式的网络，如无源光接入网p o n ， 关键要考虑根据实际通信需求而降低广播的范围从而实现有效的组播。本文研究 前者。 1 1 2 组播业务特征 - 2 新代的宽带组播应用的主要特征足：宽带、实时、互动等。 新一代宽带组播应用对带宽的需求越来越高，譬如，单路标准清晰i p t v 需 l ：海交通人学博i ：学位论文 2 m b i t s 以上的带宽；单路m p e g 4 视频格式的高清晰度i p t v 需8 m b i t s 以上的 带宽；而未来的三维电视将需至少3 5 m b i t s 的单路传输带宽。若网络中同时传输 数百路i p l v 流，关键链路的传输带宽需求将达数g b i f f s 特别地，未来宽带组播应用将较多的是对实时性要求较高的互动应用，譬如， 多方网络视频会议、多方视频聊天、多专家远程协作医疗等。互动性对网络的传 输延时抖动要求较严格，需要网络提供有q o s 保证的实时组播通信能力，否则， 在多方网络视频会议应用中，若组播通信的实时性不能保证，除了会出现画面不 流畅外，通信各方还会出现严重的不同步，致使视频会议无法进行。同时，为满 足交互应用，还需要网络特别是接入和驻地网络要同时提供较宽的上行和下行信 道。 1 1 3l p 层组播 随着组播业务需求的开益增长，业界首先把注意力集中在i p 组播上，因为 i n t e m e t 是当前最庞大的数据通信网络。i p 组播流可采用如图i 1 所示的三种方 式传送：h a i v eu n i c a s t 、i pm u l t i c a s t 和o v e r l a y 【2 】。 嚅口 ( a )( b ) 图1 1i p 组橘的二种方式：( a ) n a i v eu n i c a s t ( b ) i pm u l t i c a s t ( c ) o v e r l a y 2 f i g 1 it h r e es c h e m e s o f i p m u l t i c a s t i n g ：( a ) n a i v e u n i c a s t ，( b ) i p m u l t i c a s t ，a n d ( c ) o v e r l a y 【2 】 n a i v eu n i c a s t 是采用单播技术实现的组播，由源生成若干数据副本然后沿相 互独立的单播路径传向各目的节点，这是在网络缺乏组播支持能力的情况下经常 采用的视频流传送方式。显然这种方式下，往往会出现在同一链路上并行传送相 同数据流的情况，带宽使用效率会很低。随着宽带数据流量的持续蓬勃增长，这 种方式会在局部紧要链路造成流量拥塞，需要设计高效的组播方案。 3 组l 播光网络的节点结构和路由及流量疏导研究第一章绪论 1 9 8 8 年，s d e e f i n g 首次提出i p 组播方式 3 】，在i p 组播方式中，任何通信 链路不会并行传送同一组播数据流。图1 1 ( b ) 是i p 组播的一个示例，这是一 个树状的结构，采用地址( i p v 4d 类地址2 2 4 0 0 0 2 3 9 2 5 5 2 5 5 2 5 5 范围的低 2 3 b i t 位) 来标识组播组以便中问节点对数据流做复制转发。i p 组播是由接收端 发起的，这就意味着如果一个接收机想接收某个数据流，它须要向网络提出申请 然后由网络将其加入到该组播组，而发送器无须知道它所发送的组播流的具体目 的接收机。这种方式比较容易解决带宽效率和组播组扩展问题，同时也易于支持 多源组播。但是，i p 组播路由器须维护每个组的状态库，即组播转发表。组播 转发表要明确各组播地址所对应的一组输出端口。这给路由器带来如下两个难 题：1 ) 组播转发表收敛：2 ) 组播转发表条目随目的客户主机的加入和撤离而频 繁地更新。这大大增加了路由器的运行代价。 【4 5 】提出了如图1 i ( c ) 所示的o v e d a y 的【p 组播模式。在图1 1 ( b ) 所示 i p 组播模式下，所有中间节点是具有数据复制转发功能的路出器；叶子节点足 接收器，无须转发、复制数据。而在o v e r l a y 模式下，叶子节点不仅接收数据也 可复制、转发数据( 在接收数据流的同时将该数据的一个或多个副本转发出去) 。 o v e r l a y 架构彻底把组播从基本的单播路幽结构分离出来，从而方便实现：终端 主机只需维护与其相关联的组播组的状态信息。这些信息相对i p 组播方式中的 核心路由器所要维护的状态信息至少低一个数量级。【6 7 】已成功应用o v e d a y 模 式传送组播视频流。但是这种模式要求较宽的终端主机上行带宽。组扩展性不高， 而且这种模式下，有的目的站点可能会因经历繁多的复制转发判断处理和时间差 异严重的传送路径，无法得到实时数据业务必需的延时和抖动保证，因而o v e r l a y 模式也不能适应大规模刚络应j 甘。 综合以上，无论是n a i v eu n i c a s t 、i p 组播还是o v e d a y 组播模式，出于其组 播通信是在i p 层以“尽力而为”模式实现的，无法保证延时抖动等q o s 要求， 应用规模有严格限制，若大规模承载实时宽带视频组播流，譬如，演播室质髓的 h d t v 、3 d t v ，i p 组播，则可能会面i 临难以逾越的技术障碍。 由于下一代光网络将能提供面向连接的光波故粒度级的高速可靠的对包含 i p 在内的数据流量保持格式透明的光通路( l i g h t p a t h 和l i g h t t r e e ) ，直接在光层 实现组播可望能解决i p 组播所遇到的上述困难。因此，近年来，光组播引起了 - 4 l ：海交通大学博i ：学位论文 学术界的关注。 须说明的是，光组播并不排斥i p 组播：光组播在网络核心执行大粒度流量 ( 如波长粒度) 的组播：i p 组播在网络边缘仍然利用已有的i p 网络设备执行一 定规模的i p 组播，这就形成了多层组播或层叠组播的模式。 1 1 4 多层组播 由于技术发展历史等原因，传统的光网络传送i p 数据大都是以i p o v ( ! r a t m o v e l s d ho v e rw d m 或i po v e rs d ho v e rw d m ( 包括e o s ，e t h e r n e to v e rs d h 和p o s ，p a c k e t so v e rs d h ) 多层层叠模式来提供。这种模式将i p 包或a t m 信 元封装到s d h 数据帧，显然，这种模式依然要历经逐节点的电处理。 为了减少封装层次，提高效率和降低运营维护成本，业界开始研究、验证 一种称为i p o v e r w d m 的技术，即i p 和w d m 的直接集成。i p o v e r w d m 模式 去掉了原a t m 层和s d h 层将相应功能并入i p 层和智能化了的w d m 层。文献 8 】提供了在i po v e l w d m 情形下的三种如图1 2 所示的组播模式：i p 组播、基 于光路( 1 i g h t p a t h ) 的组播和直接在w d m 层采用分光技术( l i g h ts p l i t t i n g ) 实 现的组播( 光组播) 。 图1 2i p o v e r w d m 架构f 的组播模式：( a ) i p 纽橘：( b ) 基丁光路的纲播；( c ) 光组橘 8 】 f i g 1 2m u l t i c a s tm o d e si nt h ei po v e l w d ms c e n a r i o ：( a ) i pm u l t i c a s t i n g ，( b ) l i g h t p a t hb a s e d m u l t i c a s t i n g ，a n d ( c jo p t i c a lm u l t i c a s t i n g 8 】 在i p 组播模式下，依然采用基于i p 的逐跳复制转发方法，光层仅在i p 路 - 5 组播光列络的节点结构和路由发流量疏导研究第一章绪论 由器之自j 提供点到点的单播光信道。 在基于l i g h t p a t h 的模式下，利用l i g h t p a t h 构造的虚拓扑，将数据流直接由源 沿一条l i g h t p a t h 以单路由跳( s i n g l e i pr o u t e r - h o p ) 的方式发向各个目的接收点。 由于从源到每个目的点仅有单个路由跳，减少了不必要的光电光转换，提高了 转发效率且保证了业务质量，但是，这种基于光路的组播模式是采用单播光路实 现的光组播模拟，网络带宽使用效率低。 在w d m 层实现的光组播则利用w d m 层的某些光器件( 如分光器) 的组播 ( 分光) 能力直接在光层以“光树”的形式实现组播，网络资源( 此处指波长信 道) 使用效率较高。 总之，光组播相对i p 组播有如下潜在优势 8 】： i ) 由于是在物理光层实现的组播，相对上层的i p 组播，光组播更清楚物 理w d m 层的拓扑结构，能提高带宽使用效率降低传输延时从而能够建立更高效 率的组播树。 2 ) 由于w d m 层的组播光交叉连接( m u l t i c a s t c a p a b l e o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ， m c o x c ) 使用分光器实现数据复制，利用光丌关矩阵结构( 如：微电子机械系 统m e m s ) 实现数据转发，因而比i p 组播更直接、效率_ 更高。 3 ) w d m 层光组播对数据比特率和码形格式透明，能以统一的方式支持i p 、 a t m 、s d h 、e t h e r n e t 及某种专用编码格式的流媒体业务数据。 事实上，经过l o 多年的发展，特别是w d m ( 波分复用) 技术的引入，光 纤通信网络已经成了包括i n t e r n e t 在内的区域、跨区域的通信网络事实卜的基础 骨干传送网络。随着光接口电路和光端机性能不断提升，单波长的数据容量已达 到! o g b i f f s ( o c 1 9 2 s t m 一6 4 ) 、4 0 g b i t s ( o c 7 6 8 s t m 2 5 6 ) ，单光纤容量达到 t b i t s 的最级。另外，某些光器件如无源分光器天尘就具有组播功能，能提供高 效的宽带组播业务。因此，直接在光层执行组播引起了业界的极大兴趣。 同时，由于现实应用中很少有单个组播应用的数据流需要i o g b i t s 、4 0 g b i t s 的带宽，光组播通常应该处f 核心骨干网中，用来传送由边缘网络执行流量会聚 ( 疏导) 形成的大粒度的数据流。边缘网络依然可以采用现有的基于i p 的网络 6 l 二海交通人学博i ：学位论文 来实现小粒度、小规模的组播同时借助如多业务传送平台( m s t p ) 等设备会聚 ( 疏导) 需跨越核心网络的组播流量。这种层叠组播模式可望既能充分发挥核心 光网络的快速高效传输能力又保留已有的i p 设施和成熟技术。 核心光骨干网络的光组播相关问题是本文研究的对象，本文称其为光组播， 同时，称具有组播能力的光传送网络为组播光网络；称具有组播能力的光交叉连 接为组播光交叉连接( m u l t i c a s t c a p a b l eo p t i c a lc r o s s - c o n n e c t ，m c o x c ) 。 1 2 组播光网络 光组播可存在于从骨干光网络到接入光网络多种规模的光网络中，从而表现 为不同形式的组播光网络。当前学术领域所探讨的主流光组插足针对网状( m e s h ) 网络的，这也是本文所要研究的重点。由于城域环网拓扑结构相对简单，组播问 题也似乎较容易实现，但为了提供更高质量的组播业务，也有必要探讨在城域 w d m 环网实现光组播的方案和技术。 1 2 1 完全组播和光树 o 口 兜网络 袅心纽橘竹 ( m c - o x c ) 兜网络边缘客j 、特点 ( 带光接口的l p 路由器、s d h 设箭、m s t p 设矫等) 光纤链路 光波长信道2 一光波长倩道l 酗1 3 网状组播光网络示例 1 一 纽播光删络的节点结构和路由及流量疏导研究第一章绪论 f i g ，1 3 a n e x a m p l eo f t h em e s hm u l t i c a s to p t i c a ln e t w o r k s 网状( m e s h ) 网络通常是由传统环网互联丽成或通过提高节点连接度重新组 建而成，图1 3 即是这类网状光网络的一个示例。 借助光波分复用器件( 如a w g ) 、光组播功能器件( 如分光器) ，m c o x c 可以完成波长粒度的光信号组播复制和交换，从而在光核心网络构建传送波长粒 度流量的树状透明( 全光) 通信信道。这种树形透明光信道被称为“光树 ( l i g h t t r e e ) ”【9 】。 假定光网络节点均具有组播能力，即光网络具有“完全的”( c o m p l e t e d ) 组 播能力，就很容易在光网络中建立“光树”。例如在图1 3 所示的网状核心组播 光网络示例中，边缘节点a 作为组播源，边缘节点c 、e 、g 、j 是组播目的。假 定出a 的光发射机( 如激光器) 发出波氏光载波l 到光节点i ，然后经光节点2 、 3 、5 和6 构成的一棵光树送达各目的站：a 是树根，c 、e 、g 和j 是树叶子( 目 的) 。图中，光节点2 除具有组播光复制和交换功能外，还具有波k 变换能力： 它使用另一波长2 连接其下游光节点5 。波长变换通常足解决w d m 光网络波长 信道冲突的一种有效方式。 值得一提的是，除了实现光组播外，光树还使得光网络具有许多潜在的应用： 增加网络边缘客户节点问的虚连接能力、提高光网络l + l 光信道保护生存性能 力等 4 7