（通信与信息系统专业论文）网状wdm网中基于可用性的连接提供研究.pdf

摘要 摘要 随着网络业务量的爆炸性增长、网络技术的飞速发展以及高性能的光网络设 备( 如o x c 、o a d m ) 的出现，波分复用技术成为下一代骨干网络的核心技术。w d m 技术可以大大提高链路的传输容量，同时也使网络的生存性问题日渐突出。在 w d m 光网络中，网络部件失效时可能遭受比传统网络更大的损失，比如一根光纤 断裂将导致所有经过该光纤的光路都失效，而每条光路都能以g b p s 的速率传输数 据，这样的失效对网络中业务的影响是非常严重的。所以，光网络的生存性研究 具有重要的应用价值。 同时，不同业务对网络的可用性要求也是多样化的。如电子商务、银行间业 务结算等业务对网络的可用性要求很高，需要非常可靠的传输，并且愿意为所受 到的高质量的服务支付更多的费用。其他一些应用，比如w w w 服务、f t p 服务、 e m a i l 服务等所需的可用服务质量要低得多。向用户提供区分的可用性服务是光 网络趋势之一。在当前服务多样化的背景下，如何为用户提供这些可用性区分服 务，并且使所使用的网络资源最少是近年来的研究热点。 本文重点研究了网状w d m 网中的可用性问题，涉及到了连接可用性的计算， 在动态业务情况下可用性保证的连接提供等问题。 在第二章，作者针对以往文献对共享保护可用性计算方法的不足，提出了两 种连接可用性的近似计算方法。第一种方法是针对在固定波长共享技术下共享路 径保护连接的可用性计算，作者采用了简化的连续时间马尔科夫链，并通过求解 稳态概率得到连接可用性的解析计算式，最后通过对上下限的求解，验证了这种 算法的精确度；第二种方法是针对在链路向量技术下共享路径保护连接的可用性 计算，作者提出了一种求解的思路，并给出了启发式的算式。 第三章中作者研究了支持动态业务下可用性保证的连接提供算法。作者根据 网络是否具有全波长转换能力，分别进行了研究，提出了几种连接提供算法，并 在算法中应用了第二章盼可用性计算方法。算法的目的是在波长连续性约束和连 接可用性的约束下，使得网络对动态到达的连接请求的资源分配最优。 在第四章，作者针对上一章中全波长变换的一种算法进行仿真，验证了这种 算法，能够为n s f 网络中有可用性约束的连接请求进行路由和资源分配。 摘要 关键词：w d m 光网络，可用性，连接可用性，连接提供 i i a b s t r a c t a b s t r a ct w i t ht h e e x p l o s i v ei n c r e a s e i nn e t w o r kt r a f f i ca n dt h e e m e r g e n c eo fh i g h p e r f o r m a n c eo p t i c a ln e t w o r kd e v i c e s ，s u c ha so p t i c a lc r o s s - c o n n e c t ( o x c ) a n do p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r ( o a d m ) ，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 ) t e c h n o l o g y b e c o m e st h ec o r et e c h n o l o g yo fn e x tg e n e r a t i o nb a c k b o n en e t w o r k s w d mt e c h n o l o g y p r o v i d e st h et r e m e n d o u sb a n d w i d t h ，w h i l ep o s e st h es u r v i v a b i l i t yi s s u eu r g e n t i nw d m n e t w o r k ，t h ef a i l u r eo fan e t w o r kc o m p o n e n tc a nl e a dt ot r e m e n d o u sl o s st h a ni no t h e r t r a d i t i o n a ln e t w o r k s f o re x a m p l e ，af a i l e df i b e rl i n kc a nl e a dt ot h ef a i l u r eo fa l lt h e l i g h t p a t h st h a tt r a v e r s et h ef a i l e dl i n k ，s i n c ee a c hl i g h t p a t hi se x p e c t e dt oo p e r a t ea ta r a t eo fs e v e r a lg i g a b y t e sp e rs e c o n d ，af a i l u r ec a nl e a dt oas e v e r ed a t al o s s r e s e a r c ho n t h es u r v i v a b i l i t yi nw d mn e t w o r k sh a sh u g ea p p l i c a t i o nv a l u e a tt h es a m et i m e ，t h er e q u i r e m e n t so fn e t w o r ka v a i l a b i l i t yo fd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s c a nb eq u i t ed i f f e r e n tt o o s o m ea p p l i c a t i o n s ，s u c ha se - c o m m e r c ea n dt h ei n t e r - b a n k c l e a r i n go p e r a t i o n s ，h a v ev e r yh i g hr e q u i r e m e n t so nn e t w o r ka v a i l a b i l i t y , a n dn e e dt h e t r a n s m i s s i o nt ob ev e r yr e l i a b l e ，a n da r ew i l l i n gt op a ym o r ef e e sf o rh i g h q u a l i t y s e r v i c e s s o m eo t h e ra p p l i c a t i o n s ，s u c ha st h ew w ws e r v i c e ，f t ps e r v i c e s ，e m a i l s e r v i c e s ，e t c ，h a v em u c hl o w e rr e q u i r e m e n t so na v a i l a b l eq u a l i t yo fs e r v i c e i ti so n eo f t h et r e n d si n o p t i c a ln e t w o r k s t op r o v i d eu s e r sw i t hs e r v i c e so fd i f f e r e n t i a t e d a v a i l a b i l i t y i nt h ec u r r e n tc o n t e x to fd i v e r s i f i c a t i o no fs e r v i c e s ，h o wt op r o v i d eu s e r s w i t hs e r v i c e so fd i f f e r e n t i a t e da v a i l a b i l i t yw h i l em a k i n gt h eb e s tu s eo fn e t w o r k r e s o u r c e sa tt h es a n l et i m eb e c o m et h ef o c u si nr e s e a r c hi nr e c e n ty e a r s t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ea v a i l a b i l i t yi s s u e si nw d mm e s hn e t w o r k s ，i n c l u d i n g t h ec o m p u t a t i o no fc o n n e c t i o na v a i l a b i l i t y , d y n a m i cp r o v i s i o n i n gw i t ha v a i l a b i l i t y g u a r a n t e e ，e t c i nc h a p t e r2 ，w ep r o p o s et w om e t h o d se s t i m a t i n gc o n n e c t i o na v a i l a b i l i t ya g a i n s t t h ed i s a d v a n t a g e si np r e v i o u sr e f e r e n c e so na v a i l a b i l i t yc o m p u t a t i o nw i t hs h a r e d p r o t e c t i o n t h ef i r s tm e t h o ds o l v e st h ec o n n e c t i o na v a i l a b i l i t yc o m p u t a t i o nw h e r et h e f i x e dw a v e l e n g t hs h a r i n gt e c h n i q u ei sa p p l i e d w ee m p l o yas i m p l i f i e dc o n t i n u e s t i m e i i i a b s t r a c t m a r k o vc h a i na n da r r i v ea tt h ea n a l y t i ce x p r e s s i o nf o rc o n n e c t i o na v a i l a b i l i t yb y s o l v i n gt h es t e a d y - s t a t ep r o b a b i l i t y a n dw ev e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h em e t h o db y s o l v i n gi t st h r e s h o l d t h es e c o n dm e t h o ds o l v e st h ec o n n e c t i o na v a i l a b i l i t yc o m p u t a t i o n w h e r et h el i n kv e c t o rt e c h n i q u ei sa p p l i e d w eb r i n gu pa ni d e at os o l v et h ep r o b l e m ， a n dg i v eah e u r i s t i cf o m u l a i nc h a p t e r3 ，w ea n a l y z et h ed y n a m i cp r o v i s i o n i n gw i t ha v a i l a b i l i t yg u a r a n t e e w e d ot h er e s e a r c ha n dp r o p o s es e v e r a l a l g o r i t h m s f o rt h e p r o v i s i o n i n gs e p a r a t e l y a c c o r d i n gt ow h e t h e rt h en e t w o r kh a st h ea b i l i t yo ff u l lw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n w e a p p l yt h em e t h o d sp r o p o s e di nc h a p t e r2f o ra v a i l a b i l i t yc o m p u t a t i o ni nt h ea l g o r i t h m s t h er e s e a r c hi sa i m e da tm a k i n gb e s tu s eo ft h en e w o r kr e s o u r c e sf o r d y n a m i c c o n n e c t i o nr e q u e s t s c o n s i d e r i n gw a v e l e n g t hc o n t i n u i t ya n dc o n n e c t i o na v a i l a b i l i t y c o n s t r a i n t i nc h a p t e r4 ，w ei m p l e m e n tt h es i m u l a t i o nf o ro n ep r o v i s i o n i n ga l g o r i t h mi nl a s t c h a p t e rw h e r et h en e t w o r kh a st h ea b i l i t yo ff u l lw a v e l e n g t h c o n v e r s i o n v e r i f i c a t i o ni s d o n ef o rt h i sa l g o r i t h m a n dt h i sa l g o r i t h mc a nb eu s e dt od ot h er o u t i n ga n d r e s o u r c e a l l o c a t i o nf o rt h ec o n n e c t i o nr e q u e s t sw i t ha v a i l a b i l i t yc o n s t r a i n t si nn s fn e t w o r k k e y w o r d s ：w d mo p t i c a ln e t w o r k s ，a v a i l a b i l i t y , c o n n e c t i o n a v a i l a b i l i t y , p r o v i s i o n i n g i v 简略字表 a g b s c g d i r d p p f d m i l p i s p m t t f m t r r o a d m o t n o x c q o s s d h s p p s r l g t d m t t f m w d m 简略字表 a v a i l a b i l i t yg u a r a n t e e d b a c k u p s h a r i n gc o n n e c t i o ng r o u p d i f f e r e n t i a lr e l i a b i l i b y d e d i c a t e dp a t hp r o t e c t i o n f r e q u e n c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g i n t e m e ts e r v i c ep r o v i d e r m e a nt i m et of a i l m e a nt i m et or e p a i r e o p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l e x e s o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k o p t i c a lc r o s sc o n n e c t q u a l i t yo fs e r v i c e s s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s h a r e dp a t hp r o t e c t i o n s h a r e dr i s k l i n kg r o u p t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m e t of a i l t i m et or e p a i r 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 v i i i 可用性保证的 共享保护连接组 区分可靠性 专用通路保护 频分复用 整数线性规划 因特网服务提供商 平均正常工作时间 平均修复时间 光分插复用器 光传送网络 光交叉连接器 服务质量 同步数字系列 共享通路保护 共享风险链路组 时分复用 失效间隔时间 修复时间 波分复用技术 独仓唾性声明 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，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。 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。 签名：i 弛羔：重 日期：跏彦年莎月p 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名：导师签名：拳氏 日期：2 。脾7 月瑚嗣 第一章绪论 1 1w d m 光网络概述 第一章绪论帚一早三；百1 = 匕 1 1 1w d m 光网络技术及特点 随着全球“信息高速公路 的发展，以及宽带视频、多媒体等业务的日益兴 起，特别是通信运营商综合业务的快速增长，对广域骨干网的带宽提出了越来越 高的要求。如何有效地增加骨干网的传输能力成为众多通信业务提供商必须面对 的重要问题。由于光纤具有巨大的潜在带宽( 接近5 0 t b s ) ，同时还具有成本低、信 号失真和衰减低( 可达0 2 d b k m ) 、功率要求低以及空间要求低等优点，因此，目 前在骨干网中大多使用光纤链路来传输数据。但是，由于传统的s d h s o n e t ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) 技术只能以特定的 传输速率( 如2 5 g b i t s ) 在光纤中的单个波长信道上传输数据，此时要增加传输 带宽只能单纯依靠提高单波长的传输速率来实现。从理论上看，单路波长的传输 速率上限主要受限于集成电路硅材料和镓砷材料的电子迁移率；其次，还受限于 传输媒质的色散和极化模色散以及所开发系统的性能价格比是否合算。目前看来， 材料问题已不是主要限制，已有人在进行1 6 0 g b i t s 速率的试验；但是，后两项限 制使这一速率的实用化前景变得十分暗淡，目前认为4 0 g b i t s 为单路波长的最高 实用化速率。可见，采用电的时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 来提 高传输容量的做法已经逐渐接近极限，没有太多潜力可挖。因而唯一现实的出路 是转向光的波分复用( 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 ) 方式。波分复用 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、高速地 传输各种格式的信号，是挖掘光纤巨大带宽资源的最佳技术。波分复用技术是节 省光纤线路，提升传输容量的现实最优技术。它具有传输容量大，对高层协议和 技术适应性强，以及易于扩展等优点。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，每个信道都可以并行、异步和高速地按当前电 子处理数据的极限速率来传输数据，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。因此，使用光分插复用器( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x i n g ， 电子科技人学硕士学位论文 o a d m ) 和光交叉连接设备( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，o x c ) 的w d m 光传送网 ( o p t i c a l t r a n s p o r tn e t w o r k ，o t n ) 将逐渐在骨干网中占据主导地位。 经过近十年的发展，w d m 技术已经取得了巨大的突破，目前在单光纤上的容 量可达6 4 t b s 甚至1 6 t b s ，在单根光纤上的波分复用数可达1 0 2 2 个。欧洲的i 一2 1 网络中，采用w d m 技术使一条路由上的通信容量高达1 0 0 0 t b s 。目前点到点的 w d m 传送技术已经成熟，并且已经大量在长途干线和海底光缆系统中使用。全球 实际铺设的w d m 系统已超过5 0 0 0 个，一些产品，如同本h i t a c h i 的a m n 6 0 0 0 、 l u c e n t 的w a v e s t a r o l s 4 0 0 g 以及n o r t e l 的m u l t i w a v e l e n g t ho p t i c a lr e p e a t e r ( m o r ) p l u ss y s t e m 等都可以处理高达3 2 0 g b i t s 或4 0 0 g b i t s 的数据传输率。自 1 9 9 5 年以来，美国各大长途电话公司已经在其干线网络中逐步引入w d m 设备， 到1 9 9 9 年底其干线上已经基本实现w d m 传输。我国从1 9 9 7 年开始引入w d m 设备，目前光通信的发展已经初具规模。我国在多条省级光缆干线上已经使用了 w d m 技术，在2 0 0 0 - 2 0 0 4 年间又采用w d m 技术对我国“八纵八横 光缆网进 行改造、扩容和升级。2 0 0 0 年l o 月2 8 日，中国网通开通宽带高速互联网c n c n e t ， 该工程一期工程已建成8 4 9 0 公里，1 0 6 个中继站，1 7 个节点，贯通了东南部的1 7 个重点城市，网络总传输带宽高达4 0 g b p s 。 采用w d m 技术虽然可以充分利用光纤的潜在带宽，从而能够极大地提高线 路的传输能力，但是，由于目前的传送网中，光技术仅仅局限在点到点的应用， 在节点上采用的是电时分复用技术，还需要进行光一电转换，这大大限制了网络 的速度和灵活性。另外，目前电子交换的发展已逼近电子速率的极限，为了摆脱 电层交换瓶颈的制约，引入光交换技术已成为必然趋势。光交换技术分为光路交 换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 、光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 和光分组交 换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 三种。由于受到成本和技术方面一些问题的制约， 如缺少光随机访问存储介质以及对光分组头的同步比较困难等，直接在全光域中 完成分组级交换的实用化还需待以时日。目前受到青睐的是光路交换和光突发交 换。相对光分组交换和光突发交换而言，基于光路交换的w d m 光传送网更容易 实现，而且其特有的波长重用( w a v e l e n g t hr e u s e ) 能力也使它具有良好的可扩展 性。因此采用光交叉连接设备( o x c ) 和光分插复用器( o a d m ) ，提供可调度光 路的w d m 光传送网被认为是下一代i n t e m e t 的极具竞争力的候选者。 从上面的叙述可以看出，随着光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接设备 ( o x c ) 的出现，已经使w d m 技术从最初的点到点传输技术逐渐转变为一种网 络技术。基于w d m 技术的光传输网已在世界范围内引起了广泛关注。w d m 宽带 2 第一章绪论 光联网已经成为继s d h 电联网之后的又一次新的光通信发展高潮。而且近年来在 w d m 传输技术、吉比特以太网以及吉比特太比特交换路由技术等方面的长足进 步，都为基于i p 业务的w d m 光联网的发展创造了极好的条件。 波分复用( w d m ) 实质是光域上的频分复用( f d m ) 技术，每个波长通路通 过频域的分割实现，每个波长通路占用一段光纤的带宽。w d m 技术使用独立的电 比特流调制各自的光载波，经复用后在同一根光纤上传送。由于它们的光谱成分 不同，在大气传输中是各不干扰的。在接收端使用解复用器( 等效于光通带滤波 器) 将各个载波上的光信号分开。 厂 厂 一信道1 _ 叫光源1l ，叫i 检测器r 信道l + 一信道2 十 三三三二) _ 三 j i i l 单根光纤， 至i 三j i ! ：f ；一， ! i i i 信道 卜 ， 、 厂 ，厂 一信道n - 叫光源n 71 检测器卜- 信道n + 图l l 波分复用系统 w d m 技术在光传输网中的典型应用如图1 1 所示。w d m 系统由光合波器( 光 复用器) 和可以提取独立光波长的光分波器( 光解复用器) 组成。发射端的光发 射机发出光波长不同且精度和稳定度能满足一定要求的光信号，经过光合波器、 掺铒光纤放大器( 光纤线路中可根据需要设置光线路放大器) ，送入光纤中传输。 到达接收端后，经光纤前置放大器放大，通过光分波器恢复成原来的各路光信号。 w d m 使单波长传输变成了多波长同时传输，从而可以大大增加光纤的传输容量。 例如，如果每个波长的传输速率为2 5 g b s ，在一根光纤中同时使用4 个波长，则 光纤总的传输容量就可达到2 5 4 = 1 0 g b s 。一根光纤可以传输几百个甚至几千个 信道，因此，。w d m 技术可以充分利用光纤的巨大带宽资源( 多于5 0 t h z 的理论 可用带宽) ，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。可以认为，w d m 技术将为光传输网的发展提供几乎取之不尽的资源。 w d m 技术具有下述特点： 1 传输容量大，可节约宝贵的光纤资源。对单波长光纤系统而言，收发一个信 号需要使用一对光纤，而对于w d m 系统，不管有多少个信号，整个复用系统只 需要一对光纤。 3 电子科技人学硕士学位论文 2 对各类业务信号“透明”，可以传输不同类型的信号，如数字信号、模拟信 号等，并能对其进行合成和分解。 3 网络扩容时不需要敷设更多的光纤，也不需要使用高速的网络部件，只需要 换端机和增加一个附加光波长就可以引入任意的新业务或扩充容量，因此w d m 技术是理想的扩容手段。 4 组建动态可重构的光网络时，在网络节点使用光分插复用器( o a d m ) 或者 使用光交叉连接设备( o x c ) ，可以组成具有高度灵活性、高可靠性、高生存性的 全光网络。可以想象，要是网络的一条通路坏掉了，那么损失的数据是非常大的， 代价也是很大的，在现在的高容量网络中考虑高可靠性显得尤为重要了! 正是因为w d m 技术的上述特点，使其在近几年得到了迅猛的发展，并且随 着研究的不断深入，w d m 技术将更广泛地应用于未来超高速的传输网中，随之而 来的就是我们这篇文章主要的目标，更加系统、深入地研究网络的可用性。 近年来，基于w d m 技术的骨干网以其容量大和可靠性高等特点推动了 i n t e m e t 的迅猛发展。网络结构由于能够提供快速有效的容量配置，现已成为长距 离骨干网的主要组网方式。网状w d m 网提供的基本业务是在两个业务接入点间 建立一系列波长通道，即光路( l i g h tp a t h ) ，在网络边缘的客户( 如i p a t m 路由 器) 使用这些光路由作为传输数据话音业务的大容量管道。由于一条光路由可能 聚合了大量的用户业务，但光路由的失效将会造成巨大的损失。因此基于w d m 技术的网络生存性问题得到了特别地关注。 目前网络生存性技术有多种。基于通路的保护机制由于恢复速度快而且实现 简单，已成为网络生存性的有效机制【l o 】。它的工作原理是为每个连接需求建两条 “物理分离”的光路，分别为工作路由和保护路由。一旦工作路由失效，可以立 刻切换到保护路由上运行。物理分离根据失效程度不同具有多种含义，如节点分 离、链路分离和区域分离等。i e t f 于2 0 0 1 年在草案中提出了共享风险链路组 ( s h a r e dr i s k l i n kg r o u p s ，s r l g ) 4 2 】的概念，对“物理分离”概念进一步抽象和 扩展。s r l g 是指共享相同物理资源( 或共同失效风险) 的一组链路。每个s r l g 都有唯一的标识，称为s r l g 标识( s r l gi d e n t i f i e r ) 。网络操作者通过指定物理 链路属于不同的s r l g 来满足不同用户对可靠性的要求。显然，s r l g 概念的引入， 能更灵活地保证网络生存性。 通路保护机制中的备用光路可用专用方式，也可用共享方式。共享方式只在 对应的工作光路均为链路( 或s r l g ) 分离并且是单链路失效的情况下时才有效， 优点是资源利用较好。在网状w d m 网中，通路保护机制可分为专用保护( d e d i c a t e d 4 第一章绪论 p r o t e c t i o n ) 和共享保护( s h a r e dp r o t e c t i o n ) 【l 】。专用保护中，不同保护路由之间 不共享资源，任何工作路由的故障和保护路由的激活不会影响其他的工作路由与 保护路由，典型的例子如1 + 1 保护与1 ：1 保护。而在共享保护中，只要工作路由 是s r l g ( 链路) 分离的，彼此没有共享风险，它们的保护路由就可以共享资源； 这种方式可以恢复任何单个s r l g ( 链路) 故障。显然，共享保护的所需的备份资 源比专用保护要少，提高了网络资源利用率。 1 1 2w d m 光网络技术的发展 目前点到点的w d m 传送技术已经成熟，并已应用于长途干线和海底光缆系 统。自1 9 9 5 年以来，美国的各大长途电话公司已经在其干线网络中逐步引入w d m 设备，到1 9 9 9 年底，已在其干线上基本实现w d m 传输。w d m 设备自1 9 9 7 年进 入中国市场，1 9 9 8 年至1 9 9 9 年度，中国电信在多条省级光路干线上使用了w d m 技术。2 0 0 0 年6 月，南京一武汉光缆干线3 2 0 g 波分复用实验工程正式开工，这 标志着我国建设超大容量传输骨干网正式拉开了帏幕。中国电信准备在2 0 0 0 2 0 0 4 年间，采用w d m 技术对我国“八纵八横”光缆网进行改造、扩容和升级。 2 0 0 0 年1 0 月2 8 日，中国网通宽带高速互联网c n c n e t 一期工程正式开通试运营， 该工程一期工程已建成8 4 9 0 公里，1 0 6 个中继站，1 7 个节点，贯通了东南部的1 7 个重点城市，网络总传输带宽高达4 0 g b p s 。这些都标志着中国信息业务己从窄带 逐步发展到宽带，同时也拉近了中国信息基础设施建设与国外的距离，为中国信 息产业进一步繁荣与发展奠定了基础。 w d m 技术虽然能极大地增加线路的传输容量，但同时也对交换系统提出了更 高的要求。目前的电子交换的发展已逼近电子速率的极限，为解决电层交换瓶颈 的制约问题，引入光交换已事在必行。相对光分组交换而言，采用光路交换的 w d m 光传送网比较容易实现，其特有的波长复用能力也使之具有良好的可扩展 性。因此，采用波长分配和路由选择的w d m 光传送网( o t n ，o p t i c a lt r a n s p o r t n e t w o r k ) 技术，被认为是未来骨干通信网向宽带、大容量发展的首选方案。 9 0 年代以来，w d m 光传送网已成为网络界的研究热点。早在9 0 年代初， 欧洲就已经在其r a c e ( 欧洲先进通信方式的研究与技术开发) 计划中将多波长传 送网列为研究目标。在后继的a c t s ( 先进的通信技术与服务) 计划中，又在欧洲 各地建立了一系列实验性的w d m 光传送网，如o p e n ，p h o t o n 和m e t o n 等。 美国在d a r p a ( 国防部高级研究计划局) 的资助下，组建了多个研究团体，建立 电子科技人学硕士学位论文 了一系列的光传送实验网，如由a t & t 、b e l l c o r e 和朗讯科技牵头建设的m o n e t ( 多波长光网络) 实验网，用于实验和验证各种新技术。1 9 9 7 年丌始建设并由加 拿大政府资助的加拿大研究和教育i n t e r n e t 骨干网( c a n a d ar e s e a r c ha n de d u c a t i o n i n t e m e t b a c k b o n e ) c an e t 3 采用高速路由器和w d m 设备直接相连的i p o v e r - w d m 结构，开创了光互联网( o p t i c a li n t e r n e t w o r k i n g ) 建设的先例。日本则是以大公司 的投资建设为主，如n t t 建立的o p n 。国际标准化组织i t u t 也正在积极地制 定有关光传送网的建议。 我国的一些研究机构也开展了光传送网的研究工作。“七五和“八五”期间， 中国“8 6 3 ”主题开展了光交换基础技术的研究工作，在“十五”8 6 3 计划中又开 展了光通信技术专题研究1 9 9 8 年5 月，国家自然科学基金委员会发布了重大项目 “w d m 全光网基础研究 ，由我国的一些知名高校，如清华大学、北京大学等， 以及其它一些单位共同承担，这些单位在各自的领域都取得了可喜的成果，这无 疑将为我国全面推广w d m 光传送网技术奠定坚实的理论基础。1 9 9 9 年6 月，国 家高技术项目智能计算机主题、光电子主题和通信主题联合提出实施“中国高速 信息示范网( c a i n o n e t ) ”研究开发项目，建立一种基于光因特网技术的高速 信息网实验环境，为以光因特网技术为代表的先进网络技术的研究、开发和测试 提供一个实验平台。 从以上国内外的研究进展情况可以看出，基于w d m 技术的光传送网已在世 界范围内引起了广泛关注。在未来的一段时间里，人们将继续对光传送网的关键 技术进行全面、深入的研究。这些关键技术包括：业务接入和一体化技术 ( 口一o v e r - w d m ，s d h o v e r - w d m 等) ；光分插复用技术；光交叉连接技术；光放 大技术；全光的波长转换技术；波长选路和波长分配技术；光网络重构技术以及 光网络的管理和控制技术等。 就发展而言，如果某一个区域内所有的光纤传输链路都升级为w d m 传输， 就可以在这些w d m 链路的交叉处设置交叉连接的光连接设备( o x c ) 和进行光 上下路的光分插复用器( o a d m ) ，则在原来由光纤链路组成的物理层上就会形成 一个新的光层。在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成 一个跨越多个o x c 和o a d m 的光通路，完成端到端的信息传送，并且这种光通 路可以根据需要灵活动态地建立和释放，形成新一代的w d m 全光网络。 6 第一章绪论 1 2 网络的节点设备 网状拓扑结构由于配置灵活、能够提供快速有效的容量配置、带宽利用率高 等优点现已成为长距离骨干网的主要组网方式。如图1 2 所示，网状网络物理拓扑 由具有w d m 接口的边缘端节点和由o x c 节点组成的波长路由核心网通过光纤互 连而成。其中，边缘端节点形成了源到目的的业务量，需要能汇聚业务的电处理 设备来实现业务汇聚。核心网中的o x c 节点具有多种标准的光纤接口，可对任一 光纤信号或其波长信号与其他光纤信号进行可控的连接和再连接，它可能具有波 长转换能力，不过只能以波长级的粒度交换业务。下面简单叙述一下w d m 网络 节点设备。 图l - 2 波长选路的w d m 光传送网示意图 w d m 网络中的节点o a d m 和o x c 设备，通常由w d m 复用解复用器、光 交换矩阵( 由光开关和控制部分组成) 、波长转换器和节点管理系统组成。主要完 成光路上下、光层的带宽管理、光网络的保护、恢复和动态重构等功能。o x c 节 点的功能类似于s d h 网络中的数字交叉连接设备( d x c ) ，只不过是以光波信号 为操作对象在光域上实现的，无需进行光电电光转换和电信号处理。o x c 又分为 静态节点和动态节点，在静态节点中，不同光路信号的物理连接状态是固定的， 其技术实现的难度比较小，目前研究开发的o x c 节点基本上属于这一类。o x c 对传输的光信号是完全透明的，即其操作实现与光信号的调制方式和信号格式无 关。若将输入波长信号转换到小同的输出波长上，称为波长转换( w a v e l e n g t h c o n v e r s i o no rw a v e l e n g t ht 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。o x c 可分为无波长变换和有波长变换( 也可以是部分端口有波长变换 或波长变换的范围有限) 两种：无波长变换o x c 的作用是将一根输入光纤上的某 一波长信号连到另一根输出光纤的同一波长上，这类无波长转换能力的路由节点 7 电子科技人学硕士学位论文 称为波长选择交叉连接器( w a v e l e n g t h s e l e c t i v ec r o s s c o n n e c t ，w s x c ) ，；有波长 变换则是将一根输入光纤上的某一波长信号连到另一根输出光纤的另一波长上， 这类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 t hi n t e r c h a n g i n g c r o s s c o n n e c t ，w l x c ) 。波长选择o x c 工作模型如图1 3 所示。 2 输入竞纤 n 2 输出走纤 n 豳1 - 3 波长选择o x c 於结枣示意图 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 u l 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，这 一限制称为波长连续性限制( w a v e l e n g t hc o n t i n u i t yc o n s t r a i n t ) ，如图1 4 所示。 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 i r c u i ts w i t c h e d ) 网络 的特性之一。 在很多文献中【3 0 一1 1 ，这种含有不同波长的光路被称为虚光路( v i r t u a l w a v e l e n g t hp a t h , 珊) ，两相应的遵守波长连续性限制的光路剩被称为w p ( w a v e l e n g t hp a t h ) 。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w i x c 。如果路由节点都是w l x 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 r a n g ew a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ) ，则相应的w d m 网络模型等价于传统的电路交换网络。 第一章绪论 ( 协有波长变换 图1 - 4 波长连续性限制造成的波长冲突 除o x c 外，目前已广泛使用的一种具有波长选路功能的w d m 设备是o a d m 。 o a d m 的作用是从光纤的众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。 空分交换 图1 5o a d m 功能框图 o x c 在未来的全光通信网络中，起着十分重要的作用，甚至可以说，它是真 正意义上的网络节点。当光缆中断或节点失效时，