（通信与信息系统专业论文）自动交换光网络中的rwa算法研究.pdf

摘要 摘要 随着现代信息社会对信息传递和交换业务量需求的急剧增长，迫切要求传 统通信网向新一代网络进行演变。作为未来智能光网络的代表之一的自动交换 光网络( a s o n ) 一经提出，便因其种种优点引起了业界的广泛关注。与传统光 网络类似，智能光网络中也存在路由选择和波长分配( r w a ) 问题。由于光网 络承载的业务需求正呈爆炸式增长，而目前光网络的可用资源( 波长，光纤等) 却有限，因此，如何在有限资源网络中为业务选择合适的路由和分配优化的波 长将直接影响到网络效率。r w a 问题对于改善光网络的性能、节省建网的投资、 优化网络的配置等都具有举足轻重的作用，是实现智能光网络核心功能需解决 的关键问题之一。 本论文主要对a s o n 中的r w a 问题进行了研究。首先对r w a 问题存在的网 络环境基础进行了介绍，主要包括a s o n 的网络体系结构、路由体系结构、路由 消息属性、o x c 节点等方面的内容。接着对已经提出的r w a 算法进行了归纳总 结和比较分析，讨论了不同算法的思想、步骤、优化目标以及性能。在此基础 上，对a s o n 中的r w a 问题进行了研究，通过仿真分析了已有路由策略对a s o n 网络阻塞率的影响。提出一种优化的路由选择算法l h e ，算法利用路由跳数因 子使所选路由占用尽量少的网络资源，同时通过链路成本附加因子考虑了链路 的负载均衡。仿真结果表明，在l h e 算法下网络阻塞率有了明显的降低。论文 还讨论了与a s o n 生存性相关的r w a 问题，给出一种a s o n 优化恢复路由算法 k p r ，利用多条最短路径对应的最优化恢复带宽差异较大的现象，选择总代价最 小的业务路径和恢复路径对，从而占用较小的恢复带宽资源。k p r 算法在算法复 杂度增加不多的情况下，提高了网络资源的利用率。 关键词：自动交换光网络，路由和波长分配，负载均衡，生存性 a b s t r a c t 册坞t r a 佑cr e q u i r e m e n to f i n f o r m a t i o nt r a n s f e r r i n ga n ds w i t c h i n gg r o w sm p i d l y i nm o d e ms o c i e t y i tr e q u i r e st h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ke v o l v ei n t oan e w g e n e r a t i o nn e t w o r ku r g e n t l y t h ea u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ( a s o n ) i s o n eo ft h er e p r a s e n t a t i v c so ft h ei n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r ki nf u t u r e w - h b 翦lf i r s t p r e s e n t e d ，i ta t t r a c t sp e r v a s i v ea t t e n t i o nb e c a u s ei t sa d v a n t a g e s t h e r ea r et h er o u t i n g a n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ( r w a ) p r o b l e m si na s o n ，j u s tl i k et h et r a d i t i o n a l o p t i c a ln e t w o r k t h er w ap r o b l e mh a sad i r e c ti n f l u e n e 七o nt h en e t w o r kc 佑c i e n c y , b e c a u s et h e r ei sa l w a y st h eg a pb e t w e e nt h el i m i t e d 懈o u r s u c ha sw a v e l e n g t ha n d f i b e r s ，a n dt h eb o o m i n gt r a f f i cr e q u i r e m e n t t h er w ap m b l e mh a sv e r yi m p o r t a n t e f f e c to nt h ei m p r o v e m e n to f n e t w o r k e f f i c i e n c y ，t h es a v i n go f i n v e s t m e n ti nn e t w o r k c o n s t r u c t i o na n dt h eo p t i m i z i n go fn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n i t so n eo ft h ek e y p r o b l e m so f c o r ef u n c t i o n si m p l e m e n t i n gi ni n t e l l i g e n tn e t w o r k t 【l i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c ho ft h er w ap r o b l e m si na s o n f i r s tt h en e t w o r ke n v i r o n m e n ti si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h en e t w o r kh i e r a r c h y , r o u t i n g h i e r a r c h ys t r u c t u r e ，r o u t i n gm e s s a g ea t t r i b u t e s ，o x cn o d ea n d 8 0o n t h e nt h er w a a l g o r i t h m st h a ta l r e a d ye x i s t e da r es u m m e du pa n da n a l y z e d ，a c c o r d i n gt ot h e i r a l g o r i t h mi d e a s ，s t e p s ，o p t i m i z i n gt a r g e t sa n dp e r f o r m a n c e ，o nt h eb a s i so ft h e r e s e a r c hb e f o r e , t h er w ap r o b l e m si na s o na r es t u d i e d t h ei n f l u e n c eo ft h e r o u t i n gs 竹m e # e sa l r e a d ye x i s t e do nt h en e t w o r kb l o c k i n gr a t ei sa n a l y z e dw i t ht h e e m u l a t i o n an o wo p t i m i z e dr o u t i n gs e l e c t i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ，w h i c hn a m e d l h - e i tm a k e st h ep a t ho c o a p yt h el 懿tn e t w o r kr t 落o u r e ew i t ht h er o u t i n g h o pf a c t o r a n di ta l s oc o n s i d e r st h el o a de q u i l i b r i u mw i t l lt h ea d d i t i o n a ll i n kc o s tf a c t o r n 圮 e m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h en e t w o r kb l o c k i n gr a t ei sr e d u c e do b d o u s l yu n d e rt h e l h ea l g o r i t h m t l l i sp a p e rd i s c u s s e st h er w a p r o b l e m sr e l e v a n tt ot h es u r v i v a lo f a s o n a no p t i m i z e dr e c o v e r i n gr o u t i n ga l g o r i t h mk p ri sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt o t h a tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eb a n d w i d t h so fr e c o v e r i n gp a t h sc o r r e s p o n d i n gw i t h d i f f e r e n ts h o r t e s tw a f f l ep a t h sa t es i g n i f i c a n t ，k p rs e l e c tt h ep a i ro fr e c o v e r i n gp a t h a n dt r a f f i cp a t hw h i c hh a st h el e a s tt o t a lc o s t k p ra l g o r i t h mm a k et h er o u t i n gp a t h o c c u p yl e s sr e c o v e r i n gb a n d w i d t h i ti m p r o v e st h eu t i l i t yr a t * o fn e t w o r kr e s o u f c e w i t hal i t t l ei n c r e a s eo f a l g o r i t h mc o m p l e x i t y k e yw o r d s ：a s o n ，r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ，l o a de q u i l i b r i u m ，s e r v i v a l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：毫动键 硼7 年弓月廖日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：钥_ 豪尹纱 学位论文作者签名： 年月 日年月日 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：电动键 7 田年月歹日 第1 章引言 第1 章引言 现代信息社会对信息传递和交换业务量需求的急剧增长，特别是以因特网 业务为主的数据业务飞速增长，迫切要求传统通信网络要向新一代网络进行演 变。对于下一代光网络来说，智能光网络将会是人们不可替代的一种选择。其 中，国际电信联盟( i t u ：i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ) 提出的自动交 换光网络( a s o n ：a u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a ln e t w o r l 【) 方案就是未来智能光网 络的代表之一。在a s o n 中，由于引人了控制平面，使它能根据用户和业务的 需求提供不同类型、灵活的连接方式，并可通过路由和信令协议的交互实现自 动而快速的连接建立功能。a s o n 因其种种优点引起了业界的广泛关注，成为国 际上备大电信公司和标准化组织竞相研究的热点技术。 1 1 a s o n 概述 1 1 1a s o n 提出的背景 随着骨干网络容量的闩益增大以及城域接入能力的多样化，对传输网络具 备良好自适应能力的需求逐步提上日程，对网络带宽进行动态分配并具有高性 价比的解决方案已是人们追求的目标。a s o n 正是在这样的市场环境下应运而生 的新一代光网络技术。 基于同步数字体系( s d h ：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 ) 的网络和基于波 分复用( w 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 ) 的多波长网络已有多年的应 用。现有的典型核心光网络结构是以s d h 环形网为基础形成的，为了扩大传送 容量，要引入点对点传输的w d m 系统。但在传统的网络体系结构下，w d m 技 术提供的巨大带宽难以得到充分的利用，传输层的物理带宽难以有效转化成用 户实际可用的带宽。随着通信技术的发展，分组化、快速化、多业务化等需求 都对传统光网络提出了挑战，具体表现在： ( 1 ) 对交换的需求 光网络的覆盖面越来越大，结构越来越复杂。而传统的光网络是没有交换 功能的。面对网络中不同类别的节点，需要在不同的节点分插多种不同的类型， 不同大小颗粒的业务，从而不仅需要强大的交叉能力和支持级联的能力，而且 l 第l 章引言 需要对交叉按照分插的需求进行自动控制。而传统的设备几乎没有控制功能。 ( 2 ) 多业务的需求 最初s d h 的设计是为了满足基于电路交换的业务。它的特点是固定地划分 一定的工作和保护带宽，专为某一业务对象服务。当以口为代表的基于分组的 交换发展起来以后，光传输链路上传送分组的任务也日益繁重。分组业务是突 发的，不需要专门为某一个业务对象开辟一条通路。为同时满足上述两种业务 的传送，出现了新一代s d h 的多业务传送平台，基本要求是必须具有准同步数 字体系( p d h ：p l c s i o c h r o n o u sd i 西t a lh i c r a r c h y ) 、s d h 、异步转移模式( a t m ： a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 、以太网等多业务接口，在s d h 机制上加上具有 e o s ( e t h e m e t o v e r s d h ) 等能力。多业务平台很好地解决了不同业务进入s d h 的接入。但当多业务平台设备组成一个较大的两络运行时，只有将多业务能力 同全网可控制可管理的交换结合起来，才能进一步发挥多业务平台的效率，提 高带宽利用率。 ( 3 ) 提高传送质量的要求 传统的s d h 设备和一般的基于w d m 的多波长设备都只能平等地对待来自 不同接口不同类型的业务。由于多业务的引入，由于网络覆盖的服务对象的多 样化，由于不同的用户对实时性要求的不同，由于对付费重要性等方面存在的 明显差剐，要求在传输中有服务质量( q o s ：q u a i i wo fs e r v i c e ) 机制。有了这 种机制，可以在传送质量，保护或恢复时间，可靠性等方面对不同等级的业务 赋与不同的优先级别。 ( 4 ) 管理和配置的要求 传统的s d h 设备和w d m 设备靠网管来管理网络的性能、安全、配置、维 护、计费、告警等。随着网络的复杂化，网管任务日益繁重，在需要网管快速 做出反映时就难以办到，与传输设备的高速率性极不匹配。传统光网络不能满 足配置的快速和简单操作要求。 正是在这种情况下，自动交换光网络a s o n 应运而生了。在a s o n 中，业 务可实现动态连接，时隙资源也可进行动态分配，其原理是在现有的光网络上 增加一层控制平面，并利用这层控制平面来为用户建立连接，提供服务和对底 层网络进行控制，同时支持不同的技术方案和不同的业务需求，具备高可靠性、 可扩展性和高有效性等特点。对运营商来说，有了智能光网络，网络业务的调 配变得更加灵活，可将话音信号传输、i n t c r n c ti p 业务传输、a t m 信号传输、帧 2 第1 章引言 中继传输、数字图像信号传输融为一体；可以在同一传送平台提供话音信号、 数据信号、图像信号的传输，实现传输网络的统一。智能光网络使传输服务提 供商在较低的投资下提供全业务传输服务，增强传输业务服务商的竞争能力， 且业务升级容易，网络维护管理费用降低，同时还可提供多种类型的网络恢复 机制。在建立智能光网络的管理平台以后，借助平台支持的分布式管理，邻居 发现，风险分组和相应的最佳路由运算，以及在平台上的控制信息的传送，完 全可以解决自动、快速的配置。 1 1 2a s o n 的优点 采用自动交换光网络技术后，可以从光网络层直接承载业务，避免了传统 网络中业务升级时受到的多重限制。和传统光网络技术相比，这种网络结构最 大的优点就是支持电子交换设备动态向光网络申请带宽资源。电子交换设备可 以根据网络中业务分布模式动态变化的需求，通过信令系统或管理平面自主地 去建立或拆除光通道，不需要人工干预。概括来说，a s o n 存在以下几方面的优 势： ( 1 ) 能够快速、高质量的为用户提供各种带宽服务与应用：自动交换光网 络使得业务供应商可以在几分钟甚至几秒钟内迅速地为用户提供一个波长通 道，实现“光拨号”，还可以基于a s o n 技术开发“波长批发”、“波长出租” 及“光v p n ( 虚拟专用网：v i r t u a l p r i v a t e n e t w o r k ) ”等各种业务，有效的将光 纤的物理带宽转化为最终用户带宽，从而使得网络运营商能够迅速开通各种增 值业务。 ( 2 ) 更好的网络性能：由于光交叉连接器( o x c ：o p t i c a lc r o s sc o n n t o r ) 和光分插复用器( o a d mo p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 的引入，光信号可以在 光层进行路由，这样可以最大限度地降低了由i p 路由器带来的信号延时和信号 抖动，有利于保证服务质量q o s 。 ( 3 ) 实时、动态的流量工程控制：这是a s o n 的一个主要特性，它允许网 络根据当前客户层的业务需求，实时、动态的调整网络的逻辑拓扑结构以避免 拥塞，实现资源的“按需分配”。 ( 4 ) 快速、有效的网络保护和恢复机制：当网络发生故障时，a s o n 的管 理平面和控制平面相配合以保证故障信息能够及时、准确的在网络中传播，备 用或恢复路由可以快速启动，从而增强了网络的生存性。 3 第1 章引言 ( 5 ) 良好的设备互操作性和网络可扩展性：通过定义统一的、标准的网络 接口，不同网络运营商的设备可以很容易的实现互联互通；如果进一步在网络 接口中配各自动资源发现、自动业务发现等各种功能，可进一步减轻设备互连 时所需要豹人工干预和手工配置，理想情况下能够达到类似于计算机设备“即 插即用”的功能。 a s o n 这种能够根据网络中光层拓扑情况动态改变路由的能力造就了一个 高效和快速响应的传输网络，为新型宽带网络服务铺平了道路。 1 2a s o n 的体系结构 a $ o n 中弓l 入了单独的控制平面，从而使光网络具备了智能。其体系结构 主要表现在a s o n 的三个平面和三种连接类型上【i 】。 ( 1 ) a s o n 中的三个平面 a s o n 主要由传送平面、控制平面、和 管理平面三个独立的平面组成，如图1 1 所示。 传送平面负责数据业务的传送，是业务 传送的通道。传送平面与控制平面和管理平面 都有通信接口，通过这些接口，管理平面和控 制平面就可对传送资源进行控制和管理。传送 平面还可以提供控制平面和管理平面的通信 信道。a s o n 传送平面支持多粒度光交换技 术，它是a s o n 实现流量工程的重要物理支 撑技术。 图1 1a s o n 体系结构 控制平面是整个a s o n 的核心部分【2 】，由分布于各个a s o n 节点设备中的 控制网元组成。控制网元主要由路由选择、信令转发以及资源管理等功能模块 组成，而各个控制网元相互联系共同构成信令网络，用来传送控制信令信息。 控制平面完成对连接的建立和删除以及其他操作的控制功能，并能在连接出现 故障时，进行快速有效的恢复。控制平面可以在管理平面的控制下实现连接的 建立，也可以独立完成连接的建立和释放等功能。 管理平面完成传送平台、控制平面和整个系统的维护功能，着重对网络运 行情况的掌握和网络资源的优化配置p j ，负责所有平面间的协调和配合。管理平 4 一 一零 第1 章引言 面对于整个网络拥有比控制平面更高的权限，管理平面可以划分管理平面和控 制平面各自使用的网络资源。在某些情况下，管理平面可以强制拆除控制平面 建立的连接。管理平面与控制平面之间通过网络管理a 接口( n m i - a ) 进行相 关的信息交换，实现管理平面与控制平面之间功能的协调。 a s o n 中的三个平面在功能上相对独立，但它们之间也需要进行信息的交 互。管理和传送平面间通过管理t 接口( n m i t ) 交互信息，控制和传送平面 之间的交互接口为连接控制接口( c c i ) ，管理和控制平面之间的交互接口为管 理a 接口( n m i - a ) 。 ( 2 ) a s o n 中的三种连接 在a s o n 中存在着三种不同类型的连接：永久连接( p c ：p e r m a n e n t c o n n e c t i o n ) 、软永久连接( s p c ：s o f t - p e r m a n e n tc o n n e c t i o n ) 、交换连接( s c ： s w i t c h e dc o n n e c t i o n ) 。不同类型的连接对应不同的连接需求以及连接对象【4 】。 永久连接是从管理面直接配置传送面资源来建立连接的。p c 的路径由管理 平面根据连接请求以及网络资源利用情况预先计算，然后管理平面沿着计算好 的连接路径通过n m i t 向网元发送交叉连接的命令进行统一指配，最终通过传 送平面各个网元设备的动作完成通路的建立过程。这种连接的发起者和配置者 都是管理平面，一旦建立连接，在没有管理平面的相应拆除命令情况下连接就 一直存在。 交换连接是一种由于控制平面的引入而出现的全新的动态连接方式。s c 的 请求由终端用户向控制平面发起，在控制平面内通过信令和路由信息的动态交 互，在连接终端间计算出一条可用的通路，最终通过控制平面和传送网元的交 互建立连接。这种连接是应用户的请求而建立的，一旦用户发送拆除请求，那 么这条连接就在控制面的控制下自动拆除了。 软永久连接是介于前两种连接方式之间的一种混合连接方式。用户到网络 的部分由管理平面直接配置( 像建立p c 一样) ，而网络部分的连接通过管理平 面向控制平面发起请求，然后由控制平面完成( 像建立s c 一样) 。可以说s p c 是一种从通过网络管理系统配置( p c ) 到通过控制平面信令协议实现( s c ) 的 过渡类型连接方式。 交换连接的引入是整个a s o n 的核心所在 5 1 。正是由于交换连接的引入， 光网络才有了智能，从而可以根据用户的要求自动提供所需的光通道。交换连 接在控制平面的控制下实现，是a s o n 连接实现的最终目标。 5 第l 章引言 1 3a s o n 中的关键问题 a s o n 中的关键问题包括自动发现技术、路由和波长分配算法、路由信息的 分发、信令以及网络生存性等。 自动旋现技术是指网络能够通过信令协议实现网络资源的自动识别，包括 自动业务发现和自动资源发现【6 1 。自动资源发现技术涉及的内容包括：( 1 ) 控制 实体间的自动发现。在a s o n 中，每个网元和或终端系统中的控制实体都具有 全网唯一的地址，它与传送平面中的网元和或终端系统的地址标识处于不同的 地址空间。由于a s o n 中传送平面网络资源的发现的前提条件是要实现控制平面 内的控制实体问的自动发现，因此首先必须要实现控制平面的资源( 拓扑) 发 现。从而实现控制平面豹正常运行。( 2 ) 利用测试消息或路径踪迹实现传送平 面网络内的相邻网元和或终端系统问的资源自动发现。在实现控制实体间的自 动发现之后，本地网元的控制实体可以以一定的时间间隔持续地从其所有的出 口端口( 传送平面的数据链路) 向其所有邻近网元的控制实体发送包含本网元 资源信息的测试消息，直至本网元已接收到从其邻近网元发送回的确认消息。 在这些确认消息中，包含有邻近网元的资源信息，这样本地网元就可以获得与 邻近网元之间所有的连接关系，得到本地网元与邻近网元之间的资源( 端口) 映射关系，并存储于本地网元控制实体的弼络资源数据库中。自动业务发现是 指智能光网络中的边缘网元通过用户网络接口自动发现用户网络需要建立连接 的类型、带宽( 粒度) 、信息格式等信息。 路由和波长分配算法。在a s o n 中建立一条连接，需要确定一条路由( 即要 经过的链路和节点) ，同时要为这条连接分配一个可用的波长，这就是光网络中 的路由和波长分配( r w a ：r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ) 问题。在传统 的电路交换网络中，如果一条连接跨越多条链路，每条链路上只要有空闲的带 宽资源的话就可以建立连接。但是在缺少波长交换器的波长路由光网络中，如 果要建立一条端到端的波长通道，那么不仅要求在经过的链路上有空闲的波长， 而且在这些链路中必须有相同的空闲波长，这种波长连续性限制是缺少波长变 换器的波长路由光网络中一个重要的限制条件【7 】。路由和波长分配算法就是要在 光网络中特定的限制条件下获得可用的路由和波长。由于o t n 承载的业务需求 正呈爆炸式增长，而可用资源( 如波长、光纤等) 却有限，因此r w a 问题的研 究显得尤为重要。目前，已有多种基于不同优化目标( 如资源利用率、网络阻 6 第1 章引言 塞率、生存性等) 和适用范围的r w a 算法存在。在这些算法中，根据不同的网 络结构、业务的特点以及不用运营商的要求会有不同的选择。因此，我们需要 考虑r w a 问题在智能光网络环境中的具体解决方式。 网络资源信息的分发。由于在a s o n 中采用分布式的连接控制，对于源路由 方式来说，在所有的网络边缘网元( 或业务接入网元) 都具有一个涵盖该子网 或路由域的拓扑和资源数据库。一般来说所获得的网络资源信息越多，路由计 算的准确性和效率就越高，但是这两者是相互矛盾的，如果在网络中过多频繁 地传送这些网络资源消息，网络的可扩展性将受到约束。随着光网络的发展， 网元和网元之间的光纤数目将越来越多，而单根光纤中的可用的波长数也是越 来越多，这样在网元间的波长链路可能会达到成百上千条，如果在网络中传送 如此多的波长链路信息，光网络的可扩展性将变得很差。现在通常的解决方案 是采用链路捆绑的方式，屏蔽过多的本地信息。也可以使用绝对或相对的可用 带宽阈值的信息分发模式，就是说链路资源信息的分发不是每次在分配或释放 某一波长资源后实现的，而是当链路上绝对或相对的可用带宽在低于某些阈值 时，才分发这些变化的资源信息，这样可以减少资源信息分发的开销。 连接的管理。呼叫的建立、拆除和更改以及连接的建立和拆除等操作是由 a s o n 中的信令协议来实现的f s 】，包括呼叫方的呼叫请求、呼叫更改、网络侧的 呼叫接纳( 拒绝) 、被叫方的呼叫接纳( 拒绝) 、网络中的连接建立请求、连接 建立的确认( 拒绝) 等等。信令协议不是孤立的，是与网络中的资源信息的分 发模式紧密联系的。比如在采用分布式的连接控制方式的智能光网络中，网络 资源信息的分发可能包括具体的波长占用信息，也可能不包括这些信息，而只 在网络中分发链路上的可用带宽信息。如果边缘网元具有该路由域( 或管理域) 内所有波长的使用信息，那么就可以采用源端路由的方式确定路由并分配波长； 如果边缘网元只具有该路由域( 或管理域) 内所有链路的可用带宽信息，而没 有具体的波长占用信息，那么在源端节点就只能获得路由，而不能同时为该连 接的这条路由分配波长，波长的分配就需要采用逐跳方式来进行。在这两种不 同的链路状态信息分发模式下，连接建立的信令协议也是不同的。 网络的生存性技术保证网络族发生故障时对受损业务进行恢复。在发生故 障时实现业务的快速保护和恢复是a s o n 所必须具有的功能之一，这其中所研究 的内容很多，涉及到故障的探测、定位和故障信息的分发、自动保护倒换协议、 恢复路由的计算和配置等。现在网络故障的探测一般采用的方法有：光功率、 7 第1 章引言 光信嗓比、误码率等1 9 ，但是探测的时间较长，在几个毫秒到十几毫秒范围，因 此研究新的故障探测技术，降低探测的时间对于业务的快速保护恢复来说是非 常重要的。另一方面是故障信息的通知机制，这主要与信令传送有关。快速有 效的恢复路由算法是其中另一个主要研究内容，业务的保护是在连接建立的同 时已经配置或预留了资源，在实现保护时只是进行倒换或连接配置，不需要实 时计算路由。而对于业务的恢复来说，恢复路由的选择和波长的分配需要依赖 于当前的网络拓扑和资源，因此该算法的复杂性对业务恢复来说是有相当影响 的。 1 4 论文的结构与安排 本论文主要对a s o n 中的r w a 问题进行了研究。 首先对r w a 问题存在的网络环境基础进行了介绍。第l 章对a s o n 提出的背 景、特点、网络体系结构等进行了介绍。第2 章则针对a s o n 的路由技术进行了 探讨。包括路由体系结构、路由属性、信令消息、路由新特点以及网络节点o x c 等内容。 第3 章对已提出的r w a 算法进行了归纳总结，分类比较和分析。讨论了不 同算法的算法思想、算法步骤、优化目标以及性能。 第4 章集合a s o n 的特点，对a s o n 中的r w a 问题进行了研究。分析了a s o n 中与r w a 问题相关的因素，对a s o n 中的路由子问题和波长分配子问题进行了 深入的讨论。给出了智能光网络中的r w a 模块，分析了已有路由策略对a s o n 网络性能的影响。在此基础上提出一种优化的路由选择算法l h e ，该算法同时 考虑了路由跳数和负载均衡的因素，仿真结果表明其使网络具有更好的性能。 第5 章讨论了与a s o n 生存性相关的r w a 问题，分析了a s o n 生存性的特 点，讨论了g m p l s 实现的生存性机制和方案，并在总结a s o n 恢复路由优化算 法的基础上，给出一种优化恢复路由算法k p r ，该算法在算法复杂度增加不多的 情况下，提高了网络资源的利用率。 第6 章对本论文进行了总结和展望。 8 第2 章a s o n 路由技术 第2 章a s o n 路由技术 2 1a s o n 的路由体系结构 玎u t 的g 7 7 1 5 协议定义了在a s o n 中建立交换连接和软永久连接选路的 功能结构和要求，提出了a s o n 的路由体系结构o l 。a s o n 路由体系结构支持 g 8 0 8 0 协议定义的不同路由方式，即：层次路由方式、源路由方式和逐跳路由 方式。 2 1 1 路由功能结构 a s o n 路由功能体系结构包括与协议无关的部件如链路资源管理器( l r m ) 和路由控制器( r c ) ，以及与协议相关的部件如协议控制器( p c ) 。r c 处理用 于路由的抽象信息。p c 依据信息经过的参考点( 如e n n i ，i - n n i ) 处理与协议 相关的消息，并将路由原语传递给r c 。如图2 1 所示。 路由控制器：r c 为连接控制器提 供所负责域内连接的路由信息。这种信 息可以是基于端到端的，也可以是基于 下一跳的，同时也能响应拓扑请求信 息。这些信息既包括拓扑信息( 链路信 息) ，也包括在给定层中相应终端点的 地址信息。路由控制器中也有同一层中 其它对等子网的地址信息，此外，它还 包含有子网端点( s n p ) 的状态消息， 图2 1a s o n 路由功能结构 以便能进行两个或多个s n p 之问约束路由的计算。详细的路由信息类型包括可达 性信息和拓扑信息。 路由控制器组件的具有三个接口，分别为路由表查询接口、本地拓扑接口 和网络拓扑接口。路由表查询接口输入需要查询的路由单元，并且输出一系列 这个路由控制器负责区域范围内的连接，输出形式可以是逐跳转发式和源路由 式。本地拓扑接口使用本地拓扑信息和本地拓扑更新信息来完成对路由表的配 9 第2 章a s o n 路由技术 置，路由控制器所负责的是域内的路由信息。网络拓扑接口使用网络拓扑信息 和网络拓扑更新信息来完成对路由表的配置，r c 负责区域外的简化路由信息。 r c 是与协议无关的。 路由信息数据库( r d b ) ：r d b 存储本地拓扑、网络拓扑、可达性和其它 通过路由信息交换获得的信息，以及配置信息。r d b 可以包含多个路由域的路 由信息。r c 可以接入r d b 的一个视图( 视图是一个虚表，它自己没有存储空间， 而是从实际存放在数据库中的表中导出的f 1 1 】。视图用法与物理表相同，并可使 不同用户看到同样数据的不同格式，以及利用授权模式控制用户对敏感数据的 存取) 。图2 1 的虚线框表示了这种关系。r d b 是协议无关的。由于r d b 可以包 含多个路由域的路由信息( 即可能是多层网络) ，因此接入r d b 的r c 可能共享 路由信息。 链路资源管理器：l r m 向r c 提供所有子网端点池( s n p p ) 链路信息，并 将其控制的链路资源的任何状态改变告知r c 。l r m 组件对s n p p 链路进行管理， 包括对s n p 链路连接的分配和拆除，并提供拓扑和链路状态信息。 协议控制器：p c 将路由原语转换成特定路由协议的协议消息，因此是与协 议相关的。p c 还处理用于路由信息交换的与协议相关的控制信息。 2 1 2 三种路由模式 a s o n 智能光网络中的路由功能实现需要不同层次、不同路由域、不同子网 的合作来完成，因合作方式的不同形成了三种路由模式，即g 8 0 8 0 协议中所定义 的层次路由、逐跳路由和源路由。不同的模式导致了节点之间控制功能模块的 不同分布和连接控制器之间的不同关系。 1 层次路由模式 层次路由模式中，a s o n 在水平方向一般可划分成不同的路由域，每个路由 域又可分为不同的子网。子网间可相互嵌套，即一个大的子网( 上层子网) 内 部可包含若干小的子网( 下层子网) ，形成层次结构。每个子网内部节点了解 本子网的拓扑信息，但是不知道上下层或者同一层次的其他子网的拓扑信息。 连接请求信息一般先提交给最高层子网的主节点，由它计算出源宿节点对闯路 径所需经过的下层子网以及它们之间的链路连接，然后通知这些下层子网的主 节点分别建立自己子网内部的连接，下层子网重复相同的操作，直至得到完整 的连接路径。 1 0 第2 章a s o n 路由技术 在层次路由中，子网层次的每一级都有一个包含r c 、c c 和l r m 的主节点 负责本级子网的选路。如图2 2 所示，连接建立的过程如下： ( 1 ) 在子网边界处有一个连接请求( 用一对子网端点s n p 表示) 到达最上 层节点a 的c c ，节点a 的c c 查询路由组件，并返回要建立这条连接涉及到的一 系列链路和子网络。从节点a 中的l r m 处获得链路连接( 用s n p 对的形式确定) 。 节点a 告诉各个下层子网络( 如b 、f 和c 控制的子网) 要建立连接的s n p 对，即 可得到子网络中的子网连接。这样的过程可以重复进行。 ( 2 ) 下层各子网内的节点b 、f 和c 的子r c 得到在给定s n - p 之间的路由，其 c c 从l r m 得到链路连接。 ( 3 ) 由在最底层的不具备任何路由和链路分配能力的交换节点( 如d 、e 、 g 和h ) 来提供所需要的子网连接。连接建立完成，发送连接已经建立的消息。 连接请求消息 建立连接 设备节点 。子网 图2 2 层次路由模式中的连接建立信令流程 2 源路由模式 源路由方式中，通常根据地理位置、设备提供厂商等原则划分路由域，各 个路由域之问不存在层次关系。节点只了解本路由域内的拓扑信息。当连接请 求产生时，源节点首先判断目的节点是否在本路由域内，如果在则路由控制器 可直接得到连接路径，否则判断该连接路径所经过的下一个路由域、本路由域 和下一个路由域之间的链路连接以及相应的本路由域内的边界节点，然后在本 路由域内得到输入边界节点至输出边界节点的路径，将连接请求传递给下一个 1 1 第2 章a s o n 路由技术 路由域。下一个路由域重复这样的过程，直至得到完整的连接路径。 源路由模式中连接建立的信令流程如图2 3 所示，建立过程如下： ( 1 ) 一个连接请求( 用子网边界的一对节点a 和g 表示) 到达a 节点的连接 控制器( c c ) ，查询a 节点路由组件r c 。返回出口链路l ，和附加链路l 1 、k 。 链路l l 同本地节点相关的，从l r m 中得至i j l i 的链路连接。 ( 2 ) 包含剩余路由信息( k 、l 3 和g ) 的请求被转发到下一个对等的节点 b 的连接控制器中，从b 节点的l r m 中得到k 的链路连接。 ( 3 ) 包含路由剩余信息( l 3 和g ) 的请求被传递到下一个对等的c 节点连 接控制器中，从c 节点的l r m 中得到l 3 的链路连接。 ( 4 ) 包含路由剩余信息( g ) 的请求被传递到下一个对等的d 节点的连接 控制器中，d 节点的c c 查询r c 并得到链路l 4 ，并从l r m 中得弱l 4 韵链路连接。 ( 5 ) 包含路由剩余信息( g ) 的请求被传递到下一个对等的e 节点的连接 控制器中。接下来的过程同前面描述相同，直到到达目的节点。 连接请求消息口设备节点( 二) 路由域 建立连接。子同 图2 3 源路由和逐跳路由模式中的连接建立信令流程 3 逐跳路由模式 逐跳路由模式与源路由模式大致相同，不同之处在于在逐跳路由模式中， 路由的选择是以节点为单位逐跳选择的，与l p 网中数据包转发的方式类似0 2 1 ； 而源路由模式是以经过的路由域为单位逐段选择路由的。 逐跳路由模式中的信令流程和连接建立过程与源路由模式也大致相同。不 同之处在于，前述例子中a 节点的路由控制器r c 只能支持链路l l ，而不能支持 1 2 第2 章a s o n 路由技术 链路k 和l 3 了，要通过b 节点的连接控制器查询b 节点的路由控制器才能得到k 。 2 1 3 路由域的分级 通常，运营商会基于管理、技术、地理位置以及网络层次等方面的考虑， 把网络划分为若干个路由域( r a ) ，包括水平方向的分割和垂直方向的分层。 路由域提供路由信息的抽象，这样可以有效减少网络路由负荷，提高网络伸缩 性和可管理性。路由域是通过路由执行器( r p ) 来提供服务的，路由执行器是 路由控制器( r c ) 的联盟，每个r p 负责控制一个r a 。r p 在其提供路由服务的 路由域中支持通道计算功能，它支持g 8 0 8 0 提出的三种路由模式( 层次、源和逐 跳) 。 路由域可以分级包含，在路由等级中每个路由域与一个独立的r p 相关联。 路由等级中的每一层面可以使用支持不同路由模式的l i p 1 3 1 。r p 的实现可以是基 于分布式的路由控制器。r c 提供路由服务接口，即为r p 定义的服务接入点。r c 同时负责路由信息的协调和分发。r c , q 臣务接口在一个给定层面的n n i 参考点提 供路由服务。不同的r c 实例由于其提供服务的组织不同，从而可能受到不同的 策略限制。策略的执行可以通过不同的机制，如使用不同的协议。 匿 囝 隐藏内r c d 分发=髓分发接 部细节接口特征口特征 命 臼 臼 图2 4 r a 、r p ，r c 和r c d 之间的关系 r c 的实现可以是一组分布式的实体，这一组实体称为一个路由控制域 ( r c d ) 。r c d 是一个抽象的实体，它隐藏了路由控制域的内部细节，而提供 与r c 分发接口相同特征的接口。r c d 之间交换的路由信息属性包含了r c 分发接 1 3 第2 章a s o n 路由技术 口之间交换的路由信息的共同语义，并允许每个域内使用不同的表达方式。r c d 的实现依赖于具体的实施方式。 如图2 4 所示，r a 包含r a ，递归的定义了连续的分层路由等级。一个独立 的r p 与一个r a 相关联。依此类推，r p 自身是由分布式的r c 来实现的，r c i 由 r p m 而来，r c 2 由r p m l 和r p r a 2 而来。可以发现r c d 分发接口与r c 分发接口的 特征是一致的。 2 2a s o n 路由属性 通过路由协议分发的路由信息可分为基于链路的和节点的信息。这里的节 点可表