（电磁场与微波技术专业论文）ip+over+wdm网络的联合运行.pdf

上海交通大学硕士学位论文 i po v e r w d m 网络的联合运行 摘要 f 近十年来，随着因特网的快速膨胀以及光通信技术的蓬勃发展，传统的电信网络正在发 生深刻的变化。p o v e r w d m 网络是未来信息通信的主流发展方向，将因特网协议与基于波 分复用技术的光交换网络最有效地结合起来，提供按需分配的带宽，本文通过研究网络与 w d m 网络的联合运行，探讨未来里掣蝴m 网络舶蔓系结构和墼燮中的若干问题。 首先我们讨论了支撑i po v e rw d m 网络关键的全光交换技术，分析归纳全光交换的种 t 类和模型，以及其构成光交叉连接以及多层交换光传送网的方式和规律。俄们总结了两种全 光交换模型，广播选择型和转换合并型。在多层交换的光传送网中，空分交换一般在光传 送网络的最下层，时分交换在光传送网的上层，而波分交换界于两者之间，或与之混合。多 层交换的光传送网是i po v e r w d m 网络数据平面的光层部分。f c 然后我们从三个角度分析了i po v e r w d m 网络中联合运行需要考虑的问题和解决方法。 第一是如何消除冗余的中间层。阪们通过计算数据链路层的开销比较了不同适配层数据封装 技术，得出对妒而言i p s d l 和p o s 的带宽利用率较高，而a t m 和千兆以太网的带宽利 用率较低。而标记交换概念的引入，使得球网络和w d m 网络的联合运行更为清晰，从而 消除传统冗余的中间层而不丢失必要的网络功能。本文总结了统一的通用标记交换体系下 i po v e r w d m 网络的结构及其互联模型0 。 第二是如何跨越两种交换网络的巨大差异。w d m 网络和i p 网络的基本差异是交换粒 度和交换时间。在联合运行的方式中，口数据包交换网络和w d m 网络联合起来建立动态 连接，使得w d m 光网能够适配i p 网络数据业务的动态变化。本文对动态虚拟拓扑通过数 学模型进行描述，给出了联合运行的分析模型，并在此基础上给出了评价虚拟拓扑的参量以 及获取最佳虚拟拓扑的线性规划方法和启发式算法。同时，在解决跨越两种交换网络差异问 题中，我们对光数据流交换做了深入讨论，将两种光数据流交换( 即光波长标记交换和光突 发交换) 统一在一个二阶段标记交换体系结构下。这两种光数据流交换均采用统计复用的 方法来跨越i p 与w d m 网络间差异，也都符合联合运行的模式。 第三是如何提供按需分配带宽服务，实现具有智能的光传送网。洮传送网的智能通过软 件以及一系列网络层和应用层协议来实现，具体表现为控制管理平面的实现方式。我们讨 论了智能光传送网控制平面所需考虑的问题，特别是路由与信令在光网中如何实现，归纳了 三种不同的光网路由信息。最后，我们介绍了s h a o n e t 的网络管理实现，介绍管理系统 实现的功能，以及管理模型并给出管理信息库的定义a + + 关键词： i p0 v e rw d m 、联合运甙全光交换、s h a o n e t 、光因特赢智能光传送网 网络管理_ 控制平面、业务疏导、动态虚拟拓扑、带宽利用 圭堡至望查堂堡主堂竺笙塞 t h ej o i n t o p e r a t i o n o f i po v e rw d mn e t w o r k s a b s t r a c t 1 1 lt l ep a s td e c a d e t o g e t h e rw i t ht h ef a s te x p l o s i o no f i n t e m e ta n d t h e s t e a d yd e v e l o p m e n to f o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , d r a m a t i cc h a n g e sh a v eb e e nt a k i n gp l a c ei nt h e t e l e c o m m u n i c 撕o n n e t w o r k s i p o v e r w d m n e t w o r k s l c a d t h e w a y o f d e v e l o p m e n t i n t h e f o t u r e i n f o c o mw o r l d t h en o v e ln e t w o r km o s t e m c i e n f l yc o m b i n e st h ei n t e m e tp r o t o c o la n dt 1 1 e o p t i c a l - s w i s h i n gn e t w o r k b a s e do n w a v e l e n g t hd i v i s i o n e dm u l t i p l e x i n g ，p r o v i d i n gb a n d w i d t ho n d e m a n d t h r o u g hs t i i d yo nt h e j o i n to p e r a t i o nb e t w e e ni pa n dw d mn e t w o r k s ，t h i sp a p e r d i s c u s s e ss e v e r a li s s u e si na r c h i t e c t u r e c o n t r o la n d m a n a g e m e n to f i po v e rw d m n e t w o r k s f i r s tw er e v i e wt h ed e v e l o p m e n to fa l lo p t i c a ls w i t c h i n g ，ak e ye n a b l i n gt e c h n o l o g yf o r 口 o v e rw d m n e t w o r k s ，a n a l y z et h ec a t e g o r i e sa n dm o d e l so f a l lo p t i c a ls w i t c h i n g ，a n db r i n ga b o u t t h em e t h o d sa n dr u l e sf o rb u i l d i n gu po p t i c a lc r o s s - c o n n e c t o r so fv a r i o i l sa r c h i t e c t u r e sa n d f o r m i n gm u l t i - l a y e rs w i t c h i n go p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k w ec o n c l u d et h a ta l lo p t i c a ls w i t c h i n g c o n f o r m st ot w og e n e t i cm o d e l s ，b r o a d c a s t - s e l e c tm o d e la n dt r a n s l a t e - m e r g em o d e l i nt h e m u l t i - l a y e rs w i t c h i n go p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k , s p a c e - d i v i s i o n e ds w i t c h i n gi sg e n e r a l l yl o c a t e da t t h eb o t t o ml a y e r s ，t i m e d i v i s i u n e ds w i t c h i n g u p p e rl a y e r s ，w h i l ew a v e l e n g t h - d i v i s i o n e ds w i t c h i n g b e t w e e nt h ef o r m e rt w o o r o p t i o n a l l yi nm i x t u r e w i t ho n eo f t h e m t h e nw ed i s c u s st h ei s s u e si nj o i n to p e r a t i o no fi po v e rw d m n e t w o r k s ，a n df i n dw a y st o a d d r e s st h g s ei d e n f i f i e di s s u e s w es t u d yt h i sf r o mt h r e ep o i n t so fv i e w s f i r s tv i e wi sh o wt o r e d u c et h er e d u n d a n ti n t e r m e d i a t e l a y e r s w ec o m p a r ev a r i o u s t e c h n o l o g i e s o fd a t a e n c a p s u l a t i o ni nt h e d a t aa d a p t a t i o nl a y e r b yc o m p u t i n gt h ea c c o r d i n g o v e r h e a d w ef i n dt h a tf o r t h ei pi r a m c p s d la n dp o sh a v er e l a t i v e l yh i g b e rb a n d w i d t he f f i c i e n c y 也a na t ma n dg i g a b i t e t h e m e t t h ei n 仃o d u c t i o no fl a b e ls w i t c h i n gc l a r i f i e st h ec o n c 印to fj o i n to p e r a t i o no fi pa n d w d m w h i c he l i m i n a t e sr e d u n d a n ti n t e r m e d i a t e1 a y e r sw i t h o u tl o s i n gk e yn e t w o r kf u n c t i o n s t h i sp a d e rs u m m a r i z e s 也ea r c h i t e c t u r ea n dt h ei n t e r - w o r k i n gm o d e l sf o ri po v e rw d mn e t w o r k s u n d e rt h eu n i f o r i l lf h t m e w o r ko f g e n e r a l i z e dl a b e ls w i t c h i n g t h es e c o n dv i e wi sh o wt ob r i d g et h eh l l g eg a pb e t w e e nt h et w os w i t c h i n gn e t w o r k s t h e b a s i cd i s t i n c t i o n sb e t w e e npa n dw d mn e t w o r k sa r co nt h e i rs w i t c h i n gg r a n u l a r i t ya n d s w i t c h i n g t i m e i nt h ej o i n to p e r a t i o nm o d e ，t h ei pp a c k e t - s w i t c h i n gn e t w o r ka n dt h ew d mn e t w o r k j o i n t l yd e c i d e st h ed y n a m i cd a t ac o n n e c t i o n s ，e n a b l i n gt h ew d m n e t w o r kt oa c c o m m o d a t et h e d y n a m i ci pt r a f f i cc o n d i t i o n s t h i sp a p e rd e l i n e a t e sam a t h e m a t i c a lm o d e lf o rd y n a m i cv i r t u a l t o p o l o g y a n db u i l d sa na n a l y t i c a lm o d e lf o r j o i n to p e r a t i o n b a s e do nt h i sm o d e l ，w e b r i n g a b o u t t h ek e yv a r i a b l eo ft r a f 五cg r o o m i n gi ne v a l u a t i n gv i r t u a lt o p o l o g i e s ，a n dg a i nt h eb e s tv i r t u a l t o p o l o g yi nt h i ss e n s eb yw a yo f l i n e a rp r o g r a m m i n ga n dh e u r i s t i ca l g o r i t h m s m e a n w h i l e i i l a d d r e s s i n gt h ei s s u eo fg a pb r i d g i n g ，w es t u d yo p t i c a lf l o ws w i t c h i n g t w om e t h o d so fo p t i c a l f l o ws w i t c h i n g ，t h el a m b d al a b e l i n ga n do p t i c a lb u r s ts w i t c h i n ga l ed i s c u s s e da n dc o m b i n e di n t o 上海交通大学硕士学位论文 o n ef r a m e w o r k o f t w o - s t a g e dl a b e ls w i t c h i n g b o t h o f t h e s et w ow a y s o f o p t i c a lf l o ws w i t c h i n g l e v e r a g e s t a t i s t i c a l m u l t i p l e x i n g t o b r i d g et h eg a pb e t w e e ni pa n dw d mn e t w o r k s t h e y c o n f o r mt ot h e j o i n to p e r a t i o nm o d e t h el a s tv i e wi sh o wt op r o v i d et h eb a n d w i d t h - o n - d e m a n ds e r v i c ea n d a d di n t e l l i g e n c ei n t o o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k t h ei n t e l l i g e n c e o fo p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r ki sr e a l i z e d t h r o u g h s o r w a r ea n dp r o t o c o l sa tt h en e t w o r ka n da p p l i c a t i o nl a y e r s t h i si s t y p i c a l l ya ni s s u ei nt h e c o n t r o l m a n a g e m e n tp l a n e w ed i s c u s st h e s ei s s u e s ，e s p e c i a l l yt h er e a l i z a t i o no fr o u t i n ga n d s i g n a l i n g i nt h e o p t i c a ln e t w o r k s ，a n dp r o p o s e t h r e ed i f f e r e n t c a t e g o r i e so fo p t i c a lr o u t i n g i n f o r m a t i o n f i n a l l y , w ep r e s e n tt h ei m p l e m e n t a t i o no fn e t w o r km a n a g e m e n tf o rs h a o n e t , i n c l u d i n gt h em a n a g e m e n tf u n c t i o n s ，m o d e l sa n d t h ed e f i n i t i o no ft h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n b a s e k e y w o r d s ： i po v e rw d m ，j o i n to p e r a t i o n ，a l lo p t i c a ls w i t c h i n g ，s h a o n e t , o p t i c a li n t e m e t ， i n t e l l i g e n to p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，n e t w o r km a n a g e m e n t ，c o n t r o lp l a n e ，t r a f f i c g r o o m i n g ，d y n a m i c v i r t u a lt o p o l o g y , b a n d w i d t hu s a g e 上海交通大学硕士学位论文 图表目录 图二1 广播一选择型全光交换模型1 2 图二2 转换合并型全光交换模型1 3 图二3 交叉连接器模型1 4 图二- 4o x c 的一般结构8 ”1 4 图二5 无波长变换的o x c 结构【2 7 j 1 5 图- - 6 传送耦合开关矩阵口”1 5 图二7 多层交换的光传送网模型1 6 图二- 8 传输损伤对透明距离的影响口1 8 图三1 由标记交换路由器产生的快速直通通道口。心j 。2 8 图三2 光网的数据平面与控制平面一水平视图【2 0 1 1 2 ”2 9 图四1 光网的数据平面与控制平面一垂直视图f 2 0 i 1 2 ”3 5 图四2 点对带宽利用状态i ：单跳业务占主导4 0 图四3 点对带宽利用状态i i ：同时支持多跳和单跳业务。4 0 图四- 4 点对带宽利用状态l l h 同时支持多跳和单跳业务4 0 图四5 不同业务需求下的虚拟拓扑效率4 3 图四6 光数据流交换的功能模块4 6 图五i o x c 或o a d m 的管理信息库定义5 2 上海交通大学硕士学位论文 表格目录 表一1r r u t 与光传送网有关的建议内容 表二1 几种光开关技术的物理参数比较口” 表三i 因特网数据业务的自相似性9 “ 表三2i po v e r a r m o v e rs d h 开销计算。 表三3i po v e r a t mo v e r 基于信元的物理接口的开销计算 表三- 4 i po v e rp p po v e r s d h 的开销计算 表三5i po v e rs d lo v e rw d m 的开销计算 表三6 千兆以太网的开销计算 表三7 五种数据封装，帧格式的开销比例与链路数据容量比较 表四1 动态虚拟拓扑设计中的变量及参数 表四2 各点对上数据连接地带宽利用状态 卫趣”筋”笛拍拍拍弘” 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 第1 节课题研究背景 1 1 网络的发展 从2 0 世纪6 0 年代后期开始，光通信技术得到了飞速发展。自8 0 年代第一个商用的光纤传 输系统被安装使用【l 】到现在，光通信系统和网络在世界范围内已经无所不在了。光通信带来 了无与伦比的特性，如巨大的带宽、灵活的结构、高可靠性、低廉的成本，在电信业掀起一 场革命。特别是在9 0 年代，波分复用技术和全光交换技术的发展口”使得在传送网的底层得 以产生一个新的光传送网( o t n ) 。i t u t 对光传送网的定义是：光传送网由一系列光网元 经光纤链路互联而成，能按照g8 7 2 的要求提供有关客户层信号的传送、复用、选路、管理、 监控和生存性功能的网络。l t u t 将光传送网分为光传输段层、光复用段层和光信道层三个 层次p 】1 6 】。 与此同时，从9 0 年代开始，因特网在全球范围内迅速膨胀。这种增长使得数据业务将很 快超过话音业务成为未来的主流业务。带宽的需求增长大大超过现有网络的发展，从而迫切 需要具有非常高带宽的网络传输和交换设备。因特网的快速增长也使得计算机网络与电信 网络逐渐合并成为信息网络。这种合并的意义是深刻的。关于i p o v e r x 的讨论几乎一年一个 变化，从i p o v e r a t m 到口o v e rs d h 到i po v e r g b e 到i p o v e r w d m ，宽带因特网体系结 构正在呈多样性发展口】。网络体系结构逐渐向精简协议、简化控制与管理的方向发展。i p o v e r w d m 在光上直接运行口，又称为光因特网，逐渐成为研究热点9 “。 宽带因特网技术的快速发展也迫使各标准制定组织迅速回应，各种新概念伴随新技术不 断涌现。多协议标记交换( m p l s ) 0 0 是9 0 年代后期的一项热门技术。其关于标记操作和控 制平面等成功的概念有可能使各种传送和交换技术统一在一个体系结构下，即通用多协议标 记交换体系结构( g m p l s ) 。0 q ”】【”】【“】随着这些新型体系结构的发展，智能光传送网逐渐 成为可能。智能光传送网是在光层支持动态的自动控制和重构的光传送网，提供按需分配 带宽服务。光传送网的智能是通过软件以及一系列网络层和应用层协议来实现的。 光因特网和智能光传送网仍然代表数据通信( d a t a c o m ) 和电信通信( t e l e c o m ) 两个领域的 发展方向。但随着这两个领域进一步合并统一成为信息通信( i n f o c o m ) 领域，两者将互相渗透， 差异将逐渐消除，成为统一的网络体系。由于p 和w d m 在网络发展中的重要性，在本文中 除非特别声明，我们将文献中出现的光因特网、智能光传送网、i po v e r o p t i c a l 和i f o v c i w d m 统称为i po v e r w d m 网络。本文研究口o v e r w d m 网络的联合运行问题，涉及到i p o v e r w d m 网络的支撑技术、体系结构、带宽分配、控制与管理等问题。 上海交避大学硕士学位论文 1 2 标准化组织 目前在光因特网特别是光网中m p l s 领域的标准化组织主要有i t u a n s i t i a 、i e t f 、 0 i f 和o d s i 。【1 5 l 这些组织分别从不同角度来解决这两个技术的结合问题。其中一些的重点 在网络中特定部分，如用户- 网络接口( u n i ) ，而另一些则覆盖更大的方面。他们都努力修 改原本为铜缆媒质网络通信而设计的现有协议。使其更为一般化，而满足透明光物理层的特 殊要求。 i 国际电信联盟电信领域( i t u t ) 国际电信联盟电信领域( i t u - t ) ：i t u - t 是负责国际电信标准的组织。a n s i t l 和t i a 是美国官方向1 1 u t 提供建议的组织。在过去几年中，i t u t 定义了下一代光传送网( o t n ) 的协议结构。u t 从1 9 9 7 年开始考虑o t n 的标准化问题，现在已形成系列框架性标 准，包括g 8 7 1 g 8 7 5 、g 7 9 8 、g 7 0 9 、g 6 6 4 、g 9 5 9 1 等，列表如表一1 。 标准建议建议内容 g 8 7 l 光传送网的框架结构。其目的是为了协调i t u 内对o t n 建议的开发活动，以 使开发的建议包括o t n 的各个方面并保证一致性。 g 8 7 2光传送网的分层结构。特征信息、客户服务层之间的关联、网络拓扑和分层 网络功能，包括光信号传输、复用、选路、监控、性能评估和网络生存性等， 并研究由于各种网元的引入和网络拓扑而造成衰减的积累。 g 8 7 3光网络性能要求。规范光数目要求、网络性能要求以及s d h p d h 通道和光 传送嘲上其他数字客户信号的抖动性能要求等。从原子功能和分子功能两方面 描述设备功能，以及两方面之间的联系，整体性能要求，并具体描述设备性能。 g 8 7 4光传送网网元管理。该建议着重规范了光传送网网元管理，包括光传送网一个 或多个分层网络的传送功能。 g 8 7 5光传送网网元信息模型。该建议描述了光传送网o t n 的信息模型，该模型包 括被管理的对象等级和它们的特征。 g 7 0 9光网络网络节点接口( 帧结构) 。 g 7 9 8光传送网功能块特性。规范光设备的功能定义、光保护倒换和光通道保护；客 户信号适配功能等。 g 9 5 9 1光网络物理层接口和要求。 g 6 6 4 光网络安全要求。 g 6 7 1光器件和光子系统性能要求。规范在长途网和接入网中与传送技术相关的所有 类型的光器件特性。 g a s o n在光通路层实现自动倒换光网络，使得光网络具备灵活的业务工程设计能力。 本建议提出并描述了自动光交换网络( a s o n ) 的结构特征和功能特性，以及 一些结构因素( 如信息模型、控制信令通道等) 。利用信令协议来实时建立光 通道连接，将是a s o n 下一步研究的一个主要内容，其中包括支持a s o n 所 需的具体的信令内容和构成，以及信令通道的具体连接组网方式 表一- 1i t u t 与光传送网有关的建议内容 上海交通大学颂士学位论文 i i 因特网工程任务组( i e t f ) 与r r u - t 相对比，i e t f 的在光网方面的工作主要重心在数据链路层和网络层，目标是 加强现有协议的功能，并使其能够在不同的物理层上运行，而光纤只是其中之一。早在1 9 9 6 年，i e t f 便开始开发m p l s 协议组，其中很多工作现已经成熟。1 9 9 9 年1 1 月的工作会议 上，有人提出多协议波长交换( m p l a m b d a s ) ，将m p l 8 的概念扩展至o x c 的交换矩阵。 在m p l a m b d a s 中，o x c 以与l s r 将f e c 和标签相关联相同的方式将f e c 和波长相关联。 o x c 按照这种关联将光数据流从不同输入端口导向正确的输出端口。2 0 0 0 年3 月在澳大利 亚的会议上专门对i p o v e r o p t i c a l 网络进行了讨论。会议总结了m p l s 工作组对于将m p l s 适用到光物理层的努力成果。 m p l s 工作组同时也在研究光联网的问题，特别是与网络单元间信令有关的问题。其目 标是保证m p l s 足够普适以适应任何传输介质，而不是仅为光物理层专门设计m p l s 。其中 对于提高通道建立速度，由两方同时分别对r s v p - t e 和c r - l d p 协议进行扩展，以支持双 向通道和比波长级交换更细粒度的交换。另外，该工作组也在考虑扩展i s l s 和o s p f 链路 状态路由协议，以支持m p l a m b d a s 。 l i i 光域业务互连( o d s i ) o d s i 是在2 0 0 0 年1 月份由专门研究光交换的新兴公司s y c a m o r en e t w o r k s 会同5 0 家 业务提供商和光交换厂商提出的，主要目的是解决通信网中光网元和电网元之间的互操作问 题。预计网络中光网元与电网元将并存很长一段时间，但现有的网络中，光网元与电网元是 并没有信息交互。例如，位于高层的组网设备，诸如p 路由器和a t m 交换机这样的电网元 无法通过位于底层的诸如光交换机这样的光网元向光网络提出带宽请求。o d s i 包含相关的 开放接口和信令协议，使上层的业务网络能够与动态光网进行互操作。从而使业务提供商能 自动地为它们的球网提供带宽，更有效地用来自多厂商的设备构筑它们的网络，满足宽带 业务的需要。o d s i 还可以用于在不同的传送网之间提供互操作性，使我们能够提供跨过几 个不同网络的端到端电路。 i v 光联网论坛( o i f ) 针对基于光联网技术而完成交换和路由功能的设备或服务，0 i f 致力于在其之间建立可 互通的一致性。自1 9 9 8 年成立以来，0 i f 主要重心在s 0 n e t s 阴产品上。2 0 0 0 年2 月的技术会 议上，0 i f 成立了一个新的工作组，即信令工作组，研究m p l so v e rw 0 8 的问题，如终端系统 发现、服务发现、光通道( 线路) 属性及其使用、以及信令机制等。同时也建议是否制定n n i 接口。 1 3 论文项目来源 七五和八五期间，我们宽带光网研究发展中心在国家8 6 3 计划的资助下一直从事光交换 上海交通大学硕士学位论文 技术的研究。九五期间上海交通大学就率先提出了开展全光通信网的研究计划，获得了国家 8 6 3 3 1 7 主题重大预研项目立项支持，并承担了“全光通信实验网”课题任务，于1 9 9 8 年8 月和1 2 f l j 先后实现了一个含三个o a d m 节点的双纤单向环网和一个含四节点( 两个o a d m 和 两个o x c ) 的双环网，结点间光纤距离5 0 公里，网上运行6 个波长，称s h a o n e t ( s h a n g h a i a l lo p t i c a ln e t w o r k t e s t b e d ) 。 s h a o n e t 是国内第一个w d m 全光试验平台。【16 】【1 7 心填许多性能指标可以与国际上的 同类光网计划相比较，能够实现波长路由动态配置和波长重用，其突出特点是有很强的自愈 功能。恢复时间目前已经可以做到小于4 m s 。s h a o n e t 采用了口a t m d w d m 方式，包 括配置完整的光层、电交换层和应用层。网上已开通和演示数据传输、会议电视和视频点播 ( v o d ) 等宽带多媒体业务，在光纤发生断路时，网络上业务不受任何影响。 全光网络的管理与控制是全光网走向实用化的一个必不可少的部分。光网的运行管理 技术涉及两方面的内容，一类是实现网络监控、管理通信、故障保护等功能而采用的具体方 法：另一类是为实现开放式网络管理而采用的管理协议以及对网络资源抽象信息的描述。作 者在该项目中参与并承担了网络管理系统的软件设计与实现任务，并亲自设计了管理信息库 【1 9 1 。 经过了七五、八五期间的预研以及九五期间全光通信试验网s h a o n e t 的建设以后，国 家科技部1 9 9 9 年正式启动了“中国高速信息示范网”项目，上海交通大学也是项目承担者 之一。作者参与了其中的子课题“i po v e r w d m 体制的跟踪研究”，对i po v e r w d m 的联合运 行问题进行了深入探讨，特别是对虚拟拓扑结构，业务疏导，光数据流交换等给出了功能模 型和数学模型。主要研究结果发表在i c c t 等国际会议和核心期刊上【2 0 】【2 1 1 1 2 2 1 。 第2 节论文的主要内容和安排 本文的主要研究内容是i p o v e r w d m 网络的联合运行问题，包括全光交换技术、光交叉 连接结构、光因特网体系结构、联合运行的功能模型和数学模型、带宽分配与业务疏导、光 数据流交换、以及智能光传送网的管理与控制等。各章节的具体内容安排如下： 第二章讨论全光交换与光交叉连接设备结构，描述多层交换的光传送网体系结构。全光 交换是全光网络必不可少的重要一环按交换轴的物理特性区分，可以将全光交换分为空分 交换、波分交换和时分交换。本章首先综述了三种全光交换技术的最新发展；然后通过对不 同光交叉连接结构的总结，将三种交换概括为两种全光交换模型( 即广播- 选择型和转换一合 并型) ；由于三种交换在交换时间、交换规模和物理特性上的不同，它们在多层交换的光传 送网中各自处于不同的层次，起到不同的作用。本章总结了多层交换光传送网各层交换的特 点。 第三章讨论光因特网体系结构。随着密集波分复用技术和多协议标记交换( m p l s ) 技 术的发展，光因特网逐渐成为现实本章首先总结了宽带因特网的发展趋势和业务特征；然 后描述了三种主要的宽带因特网体系结构，即i p o v e r a t m ，i po v e r s d h 和i p o v e r w d m 。 在光因特网的发展中，前二者可以作为p 与w d m 之间的适配层；本章通过数据链路层的 开销比较了不同适配层数据封装技术，综述了主要的适配层协议。随后，本章介绍了标记交 换的概念及其在光因特网结构中的重要作用，描述了i po v e rw - d m 网络结构，总结了三种 山 上海交通大学硕士学位论文 网络互连模型。 第四章着重展示了联合运行的数学分析。要将i p 与w d m 网络集成起来需要跨越两个 网络之间的差异。目前和即将出现的w d m 网络层本质上是个粗粒度的、面向连接的、 线路交换网络，而i p 网络本质上是一个细粒度的、面向无连接的、包交换网络。本章给出 了i p 与w d m 联合运行的功能模型和数学模型，用数学公式表达了路由和业务疏导，并给 出点对带宽利用的三种不同状态。不同状态对单跳和多跳业务具有不同的支持程度。然后， 本章对i po v e rw d m 网络最优的虚拟拓扑结构进行了分析，给出了获得最优解的线性归纳 方法和启发式算法。本章的第三个内容是对光数据流交换的分析。通过对光波长标记和光突 发交换两种新型光交换体系的比较研究，本章提出了统一的光数据流交换模型，1 1 1 - - 阶段标 记交换模型。光数据流交换通过统计复用的方法来跨越i p 与w d m 网络间差异，符合联合 运行的模式。 第五章讨论智能光传送网的控制与管理问题。智能光传送网是在光层支持动态的自动控 制和重构的光传送网，提供按需分配带宽服务。在智能光传送网中，控制，管理平面与数据 平面是分离的。本章首先比较了传统光传送网和智能光传送网的异同，然后讨论了控制平面 所需考虑的问题，特别是路由与信令在光网中的实现问题，归纳了三种不同的光网路由信息。 本章然后指出管理与控制的区别是控制信息在网络层交互，管理信息在应用层交互。然而光 网智能软件将逐渐淡化管理与控制的差异，在网络层和应用层交互信息，从而完成控制与管 理的统一。本章的第三个内容是介绍s h a o n e t 的网络管理实现，管理实现的功能，管理 模型以及管理信息库的定义。在管理信息库的定义中特别考虑了端口的信息描述。 上海交通大学硕士学位论文 第二章全光交换与光交叉连接设备 第1 节全光交换的发展 1 1 背景 通信网络的发展m - - 方面的因紊决定：传输、交换和协议。 2 3 1 2 4 】高速网络通信离不开 这三个能力中任何一个。长期以来，主导传输和交换的技术是电子的。而光技术的飞速发展 打破了电在这方面的垄断。光纤有着巨大的频带资源和优异的传输性能，是实现高速率、大 容量传输的最理想的物理媒质。随着波分复用( w d m ) 技术的成熟，一根光纤中已经能够 传输几百吉比特每秒到太比特每秒的数字信息。 然而建立灵活的高速网络需要将如此巨大的传输容量按需分配给用户，这就是交换的任 务。但是，目前的电子交换和信息处理网络的发展已接近电子速率的极限。其中所固有的 r c 参数、中歪、飘移、串话、响应速度慢等缺点限制了交换速率的提高。为了解决电子瓶 颈限制问题，需要在交换系统中引入光技术，实现全光交换。全光交换消除了反复的光电光 转换，降低了网络成本，同时能够保证未来速率升级的能力。 光信号的分割复用方式主要有三种：空分、时分和波分。与之对应，光交换也主要有三 种：空分、时分和波分，其交换信道分别称为空分信道、时分信道和波分信道【3 】【2 3 1 【2 4 l 【2 5 肼】。 1 2 。光空分交换 空分光开关完成空分光交换，是一种典型的全光交换开关。作为器件级的设各，空分光 开关具有广泛的用途，并可集成在各种不同的光网络设备中，其主要应用包括： 自动保护切换：空分光开关常用于光纤断路或发送设备故障的保护切换。光信号通过选 择一个新的路径绕过光纤断路或发生故障的发送设备。这是最简单的光开关，常采用 i x 2 或2 x 2 的空分光开关。 网络监视：采用简单的l x n 空分光开关，就可以在远端通过光时域反射器( o t d r ) 对 连接的多个光纤进行光纤断路监视。光开关也可用于取下光信号或插入网络分析设备， 从而对网络进行实时监视而不影响业务传输。 光设备测试：用于对器件、光缆光纤、子系统的制造与成品测试。通过使用光开关可以 针对一个测试参数同时对多个交换通道上的光器件进行测试，从而提高了光设备现场测 试的效率。 光分插复用设备( o a d m ) ：o a d m 在光网络中用于取下多波长信号。这种设备使运营 商能够大大降低设备成本，提高网络可靠性，缩短服务配给时间。o a d m 在长途和城 域网络中都有用途。在城域网中，o a d m 主要用于环网结构中。o a d m 可以有多种光 器件构成方式，但大量的是采用空分光开关( 最常见的是2 x 2 空分光开关) 来灵活地从 d w d m 光束中取出和加入波长信道。采用空分光开关的o a d m 给运营商动态上下的 上海交通大学硕士学位论文 便利，这意味着运营商可以用软件控制波长上下，而不是固定被动的分配特定的波长。 根据网络的要求，o a d m 可以用多个2 x 2 空分光开关，也可以采用一个大的空分光交 换矩阵，如在城域中用1 6 x 1 6 ，长途中采用6 4 x 6 4 的空分光交换矩阵。 光交叉连接设备( o x c ) ：这是一个大的空分光交换矩阵，是核心网络革命性的产品。 这里的o x c 确切的说是空分光交叉连接，位于大容量网络交叉点，可用于任何类型光 信号的交换，或者是光纤，或者是复用的波长束，或者是单个波长。这些交换设备可完 成从网络恢复到动态波长通道管理各种功能。 空分光开关如按工作介质划分，有自由空间开关和波导开关；如根据工作原理和所用材 料，又可分为光电、热电和机械开关，具体有光机械，光热，m e m s ，铌酸锂，聚合物，声 光，液晶，喷墨等。各种类型的光开关各有不同的用途和各自的优缺点。不能说一种光开关 会一统天下，取代所有其它光开关。光交叉连接对光开关的要求主要有低插损( 1 0 d b 以下) 、 低串扰( - 5 0 d b 以下) 、低开关时间( 几l l r l $ 以下) 以及无阻塞运作。 以下列出比较光开关技术的主要指标 交换矩阵规模：目前光网络市场上已出现1 , 0 0 0 x l ，0 0 0 量级的空分光交换矩阵，这些矩 阵可用于未来上千个波长通道的密集波分复用光交叉连接系统。当然这样的巨型交换矩 阵是否有市场实用性还有待考证，因为例如运营商要备份一个这样的千端口交换矩阵， 就需要使用上千个1 x 2 小开关来做保护切换。目前更多实用的交换矩阵是8 、1 6 、3 2 或6 4 端口的，用于o a d m 或城域网络设备中。 可扩展性：可扩展性是一个重要特性。一些光交换技术在这方面优于其它交换技术，可 以应用户需求增长扩大交换容量。 交换速度：在交换速度上有两个关键的极限值。第一，如果光开关能在几毫秒内完成光 信号从一个端口到另一个端口的交换，则足以用于业务故障的恢复。作为比较， s d h s o n e t 能够在网络故障发生后5 0 毫秒内恢复而不影响上层业务数据传输。第二， 如果光开关能够在几纳秒内完成光交换，则能够用于转发数据包。这种光开关可应用于 所谓光路由器中。但目前空分光开关并不读取数据包信头而据此路由，而且光存储技术 尚未成熟，真正意义上的光路由器尚不存在