（计算机应用技术专业论文）基于网络编码的波长资源优化型光层组播研究.pdf

究成 人已 机构 献均 学位 定， 阅和 有关 文。 学位 签字 重庆邮电人学硕士论文摘要 摘要 近年来，光层组播和网络编码逐步成为热点研究领域。随着网络技术 的发展，w d m ( w a v e le n g t hd iv is i o nm u l ti p l e x in g ) 己经成为了一种主流 传输技术；与此同时，日益增加的多播业务给网络带宽造成了很大的冲击。 在传统的网络组播中，网络节点只对数据进行路由或复制，很难达到网络 组播的最大传播容量，2 0 0 0 年，a h l s w e d e 等基于网络信息流提出了网络 编码的思想，其核心是在网络的中间节点引入编码功能。网络编码理论是 网络通信研究领域中的一项重要突破，网络的中间节点不再是简单的信号 存储转发，而是将经过其节点的信息进行编码后再发送出去，从而提高了 整个网络的传输效率、容量和健壮性，并且可以达到网络资源利用率的上 限。 在w d m 网络中，可用波长数量决定了网络能够提供的最大端到端连接 数量。在具有多个组播源的光组播中，传统光组播为每个组播源分别建立 组播树，即有源树，并且要为每棵有源树单独分配波长，这样势必造成波 长资源需求过大，又由于光网络中可用的波长资源还十分有限，对现有的 可用波长资源需要高效、合理地利用，因此波长资源的优化配置是一个重 要的必须研究的问题。 为了优化传统光层组播波长资源消耗，本文将网络编码应用于光组播 树的建立中，对多源多播只建立一棵含网络编码路径的共享树进行信息传 输，且对建立的网络编码共享树只分配两个波长，从而与有源树相比能有 效达到减少波长资源消耗。鉴于此，本文针对传统光组播方案没有更好地 考虑节省网络波长资源消耗和链路负载均衡性问题，结合网络编码的优 势，提出了一种基于分布式网络编码的共享树光组播算法。算法首先选取 一个中心点作为树根，然后逐步将中心点到各接收节点的最短路径加入共 享树中，最后从接收节点出发，搜索并建立具有网络编码节点的路径加入 共享树，网络编码结点由控制中心获得分布式编码向量后对收到的信息进 行编码转发。分布式网络编码共享树与传统光组播树的差别在于分布式网 络编码共享树中分布有一个或多个具有网络编码功能的节点( 或路由器) ， 且能对收到的信息进行编码。 仿真结果表明，本文提出的基于分布式网络编码的共享树光组播算法 相比有源树算法和传统共享组播树算法能有效达到均衡网络负载和减少 重庆邮电人学硕十论文 波长资源消耗。 关键词：网络编码，光树，共享树，光组播，资源消 n 重庆邮电人学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ， t h eo p t i c a l l a y e rm u l t i c a s ta n dn e t w o r kc o d i n gh a s g r a d u a l l yb e c o m eah o tr e s e a r c hf i e l d w i t ht h ed e v e l o p m e n t0 fn e t w o r k t e c h n o l o g y ， w d m( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) h a sb e c o m ea m a i n s t r e a mt e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ；a tt h es a m et i m e ， m u l t i c a s tb u s i n e s si s g r o w i n ga n di s9 0 i n g t 0g i v en e t w o r kb a n d w i d t hc a u s e d ag f e a ti m p a c t i nt h et r a d i t i o n a lm u l t i c a s tn e t w o r k ，n e t w o r kn o d eo n l yh a s r o u t i n g 0 f d a t a0 rc o p yf u n c t i o n ，i ti sd i f f i c u l tt 0a c h i e v et h e g r e a t e s t t r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo fm u l t i c a s tn e t w o r k i n2 0 0 0 ，a h l s w e d ee ta l p u t f b r w a r dt h ei d e a0 fn e t w o r kc o d i n gb a s e do nn e t w o r ki n f o r m a t i o nf l o w ，t h e c o r eo fw h i c hi st oi n c r e a s et h e c o d i n g i nt h e g a t e w a y n o d e si n n e t w o r k n e t w o r k c o d i n gt h e o r y i sa ni m p o r t a n t b r e a k - t h o u g h i nn e t w o r k c o m m u n i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t t h eg a t e w a yn o d e si nn e t w o r kn o t0 n l y f o c u s0 ns i m p l es t o r e - a n d - f o r w a r d ，b u ta l s oe n c o d et h ei n f o r m a t i o nt h a tp a s s e s b y ；t h e r e f o r e ，t h ec o d i n gh a v ee n l a r g e dt h ec a p a c i t ya n ds t a b i l i t y0 fe n t i r e n e t w o r k a tt h es a m et i m e ，i tc a nr e a c ht h eu p p e rl i m i lo ft h eu t i l i z a t i o no f n e t w o r kr e s o u r c e s i nw d mn e t w o r k ，t h en u m b e r0 fa v a i l a b l ew a v e l e n g t h sc a nd e c i d et h e n e t w o r kt op r o v i d et h eg r e a t e s tn u m b e ro fe n d t 0 - e n dc o n n e c t i v i t y t r a d i t i o n a l 0 p t i c a lm u l t i c a s tc o n s t r u c t sam u l t i c a s tt r e ef o re a c hm u l t i c a s ts o u r c en o d ei n t h eo p t i c a lm u l t i c a s t0 fm u l t i p l em u l t i c a s ts o u r c e s ，t h a ti st h es o u r c et r e e e a c h s o u r c et f e em u s tb ea s s i g n e dw a v e l e n g t h s ，t h i sn e e d sal a r g en u m b e ro f w a v e l e n g t hr e s o u r c e s i na d d i t i o n ，t h en e t w o r kr e s o u r c e sa v a i l a b l ea r el i m i t e d ， t h ee x i s t i n ga v a i l a b l ef e s o u r c e ss h o u l db ee f f i c i e n t la n dr a t i o n a lu t i l i z a t i o n s 0 t h e0 p t i m a la l l o c a t i o n 0 fw a v e l e n g t hr e s o u r c e si sa ni m p o r t a n tr e s e a r c h q u e s t i o n i no r d e rt o o p t i m i z ew a v e l e n g t hr e s o u r c ec o n s u m p t i o n0 ft r a d i t i o n a l 0 p t i c a ll a y e r ，n e t w o r kc o d i n gi su s e di nc o n s t r u c t i n g0 p t i c a lm u l t i c a s tt r e e ， m a n yp o i n t t o m u l t i p o i n tm u l t i c a s tc o n s t r u c t sas h a r e dt r e eb a s e d0 nn e t w o r k c o d i n gt ot r a n s f e rd a t a s t h es h a r e dt r e eb a s e dt h en e t w o r kc o d i n gi sa s s i g n e d o n l yt w 0w a v e l e n g t h s ，s oi tc a nr e d u c ec o n s u m p t i o no fw a v e i e n g t hr e s o u r c e s i n c o m p a r i s o n w i t ht h es o u r c et r e e i nv i e wo ft h i s ，b e c a u s ef e s o u r c e i i i 重庆邮电大学硕士论文abstfact c o n s u m p t i o na n dn e t w o r kl i n kl o a db a l a n c i n gd o e sn o tb et a k e ni n t 0b e t t e f a c c o u n ti nt h et r a d i t i o n a lm u l t i c a s ts h a r e dt r e ea l g o r i t h m ，t h i sp a p e rp r o p o s e s an e ws h a r e dt r e eo p t i c a lm u l t i c a s ta l g o r i t h mb a s e do nd i s t r i b u t i n gn e t w o r k c o d i n g f i r s t ，t h ea l g o r i t h ms e l e c t saf o c a ln o d ea st h er 0 0 t ；a n dt h e ng r a d u a l l y i n s e r t st h es h o r t e s tp a t hf r o mt h ec e n t e ro ft h en o d et ol h er e c e i v en o d ei nt h e s h a r i n gt r e e ；a tl a s t ，s t a r t i n gf r o mt h er e c e i v en o d e ，s e a r c h sa n dc o n s t r u c t s p a t h sw i t hn e t w o r kc o d i n g n o d e s ，a n di n s e r t st h es h a r e dt r e e ，a f t e rg e t t i n g d i s t r i b u t e de n c o d j n gv e c t o ff t o mt h ec o n t r o lc e n t e f ，t h en e t w o r kc o d i n gn o d e s w i l le n c o d ea n dt r a n s m i tt h er e c e i v e di n f o f m a t i o n t h ed i f f e r e n c eb e t w e e n d i s t r i b u t e dn e t w o r kc o d i n gs h a r e dt r e ea n dt r a d i t i o n a lm u l t i c a s ts h a r e dt r e ei s t h a tt h e r ei so n eo fm o f en o d e ( o rr o u t e r ) w i t hf u n c t i o no fn e t w o r k c o d i n g s i m u l a t i o n sd e m o n s t f a t et h a tt h i s a l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yb a l a n c e n e t w o r kl o a da n dr e d u c ec o n s u m p t i o n0 fw a v e l e n g t hr e s o u r c e si nc o m p a r i s o n w i t ht h es o u r c et r e e a 1 9 0 r i t h ma n dt h et r a d i t i o n a lm u l t i c a s ts h a r e dt r e e a 1 9 0 r i t h m k e yw o r d s ：n e t w o r kc o d i n g ，l i g h t - t r e e ，s h a r e dt r e e ，o p t i c a lm u l t i c a s t ， r e s o u r c ec o n s u m p t i o n ，i o a db a l a n c e l v 重庆邮电大学硕十论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论- 1 1 1 论文选题背景及意义1 1 2 光层组播研究现状2 1 3 网络编码的研究现状2 1 4 网络编码亟待解决的问题4 1 5 论文主要工作5 1 6 论文组织结构5 第二章光层组播与网络编码基础及融合机制7 2 1 组播技术的发展7 2 2 光层组播原理8 2 2 1 光层组播模型9 2 2 2 光树1 0 2 2 3 波长路由分配1 1 2 2 4 已有波长分配算法研究1 3 2 3 网络编码的提出1 3 2 4 网络编码理论1 4 2 4 1 网络流与信息流1 4 2 4 2 网络编码组播的最大流限1 5 2 4 3 线性网络编码1 7 2 5 基于网络编码的光层组播1 9 2 6 光层分布式网络编码的编解码构造方法2 0 2 7 基于网络编码的光组播节点功能结构2 1 2 8 基于网络编码的光层组播的优势及缺点一2 3 2 9 本章小结2 4 第三章基于分布式网络编码的共享树光组播算法2 6 3 1 算法基本思想2 6 3 2 有源树和共享树2 7 3 2 1 组播有源树2 7 3 2 2 组播共享树2 7 3 3 核心节点选择算法3 0 3 3 1 以往核心节点选择算法3 0 v 重庆邮电人学硕士论文 3 3 2 本文核心节点选择算法 3 4 网络编码共享树建立算法及波长分配 3 5 本章小结 第四章数值仿真与性能分析 4 1 算法评价标准 4 2 网络拓扑模型j 4 3 本文算法网络拓扑 4 4 各种算法建树及波长分配 4 5 算法性能仿真比较 4 6 本章小结 第五章结论及未来的工作 5 1 结论 5 2 未来工作 致j 射 攻硕期间从事的科研工作及取得的研究成果 参考文献 v i 重庆邮电大学硕七论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文选题背景及意义 随着信息时代的不断发展和用户数量的激增，网络服务的多样化以及 针对网络传输质量要求的不断提高，如何提高现有网络资源的利用率，优 化网络，已成为当今网络通信研究的重要课题之一。 在现有的计算机通信网络中，信息传输都是由源节点经过中间节点， 以存储转发的方式传送到目标节点的。除了数据复制以外，一般来说在网 络的中间节点并不需要做任何数据处理。在许多实际应用中，人们为了信 息分析、信息安全以及交换的目的，总是要在中间节点进行某种形式的数 据处理。人们普遍认为，中间节点所进行的数据处理对数据传输过程本身 并不会带来任何好处；然而，2 0 0 0 年在i e e e 信息论会刊上发表的一篇论 文，彻底推翻了这一结论，a h l s w e d e 等基于网络信息流的概念提出了网络 编码的思想。通过允许网络节点进行编码，可以获得网络组播速率的最大 流限，即网络资源利用率的上限，而通过传统的路由和复制并不一定能够 获得该最大流限，通过网络编码还可以改善网络链路的负载平衡。 n e t w o r kc o d i n g 的理论创新具有普遍意义，应用前景十分广阔。因而 近年来，n e t w o r kc o d i n g 的理论及应用在信息论、编码理论、网络交换、 无线通信、计算机科学、运筹学、矩阵理论以及许多其他学科领域，都受 到人们的普遍关注，n e t w o r kc o d i n g 的新应用不断涌现。 在光网络建立光连接的过程中，不但要确定路由，还要为该路由分配 合适的波长资源，使得路由与波长分配密切联系在一起，在w d m 网络中， 可用波长数量决定了网络能够提供的最大端到端连接数量。而现阶段的研 究中对光组播树的建立通常只研究路由问题，而没有考虑应用于光网络中 时组播路径所需要的波长分配问题。由于现有的技术条件还不能充分利用 光传输巨大的带宽，网络中可用的资源还十分有限，对现有的可用资源需 要高效、合理地利用，由于光网络的不断发展，使网络所能承载的信息容 量和通信速率成阶梯型增长，这种现状使网络的资源优化问题被提到了前 所未有的高度。因此在光层组播中如何优化减少波长资源消耗，提高组播 效率是现在要考虑的重要问题。 在具有多个组播源的光组播中，传统光组播方案为每个组播源分别建 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 立组播树，即有源树，并且要为每棵有源树单独分配波长，这样势必造成 波长资源需求过大，于是，本文结合网络编码的优势，提出了基于网络编 码的波长资源优化型光层组播研究，主要研究基于网络编码的光层组播树 构建及维护机制，将网络编码应用于光组播树的建立中，以优化减少传统 光组播方法即光树的波长资源消耗，有效均衡网络链路负载。因此，基于 网络编码的波长资源优化型光层组播研究具有非常重要的意义。 1 2 光层组播研究现状 在光网络中，将点到点的光连接方式扩展为点到多点的光连接，就形 成了光组播。通过把组播技术推广到光网络，运营商能够提高会议电视、 高清晰度电视( h d t v ) 、视频点播、企业互连、远程教学、存储区域网( s a n ) 和多媒体业务的传输性能，因此，光网络组播有很大的应用前景。 目前的光网络主要是面向点到点通信设计的，并不能有效地支持组播 功能。因此，研究光组播具有重要的现实意义和紧迫性。利用光网络来实 现组播有3 种基本的方式：在电层复制信息实现组播；利用网络上的 多个单播实现组播；利用光层的分光来实现组播。 自动交换光网络( a s o n ) 能够实现实时的光通道指配以及灵活的带宽 管理，给光组播的实现和部署提供了出路和保障。在光网络中实现组播功 能，能够最大程度地节省链路带宽和端口资源，实现网络性能的优化，提 高服务水平。可以说，光节点设备的发展为光网络组播的实现提供了机会。 a s o n 的出现为光组播的实施创造了前提条件，解决了光组播的建立和管 理难题，给光组播的发展带来了生机。 最近，随着对光分组交换( o p s ) 网络研究的深入，基于光分组交换的组 播技术也开始得到关注，并可以通过多波长变换的方式实现组播。但是 由于这种网络本身尚有很多需要解决的问题，基于光分组交换网络的组播 技术相当长一段时间内还不会成为光组播的主流技术。 1 3 网络编码的研究现状 网络编码已被证明是可以逼近网络传输容量极限的有效方法，其在提 高网络的吞吐量、鲁棒性和安全性方面的优势已得到国际学术界和工业界 2 重庆邮电人学硕士论文第一章绪论 人士的广泛认同。网络编码的早期研究仅限于有线网络的组播传输，目前 的研究领域已发展到覆盖有线和无线网络的各个层面，并且新的理论和应 用方向仍在不断涌现。从目前的发展现状看，网络编码的理论研究尚处于 初级阶段。 关于网络编码的研究方向综合起来有以3 类：线性网络编码和非线性 网络编码；分布式网络编码和集中式网络编码；网络编码在组播和非组播 网络中的应用。 目前，组播集中式线性网络编码算法主要有两种：一种是由r k o e t t e r 和m m e d a r d 给出的线性编码的代数结构，可以将先前的结论推广到任意 网络，而且网络具有健壮性，并对有环的方向图运用最大流最小割定理证 明了这个结论。这种构造方式需要知道整个网络的拓扑信息，用一个系统 转移矩阵描述信源输入的信息和信宿上接收到的信息之间的关系，并通过 构造符合要求的系统转移矩阵来实现网络编码。另一种是p s a n d e r s 和 s j a g g i 等人针对无环、无时延图中的单源组播问题，提出了多项式时间算 法。这种方法将网络编码的构造进一步简化，它也是在己知拓扑的情况下， 首先通过最大流最小割算法找到完成组播所需路径的集合，在找出的这个 子图上确定各个节点所需要进行的操作。这种方法不但把网络编码构造的 复杂度从指数级降到了多项式级，而且有效降低了网络编码中所采用的字 母表的下限。另外，c f f a g o u l i 给出了在有两个信源情况下严格的基域大 小，且认为有两个信源的组播网络，其网络编码是一个图论的着色问题【9 1 。 上述方法都是基于已知整个网络的拓扑信息，同时有人又提出了不需 网络拓扑信息的分布式网络编码和随机网络编码。分布式网络编码的实 现，是在网络中传输的每个数据包上留出一些比特，用来记载此数据包在 前面各个节点上所经历的各种操作，那么接收节点就可以从接收到的数据 包中直接译出信源所发送的信息。这种方法可以在不知网络拓扑信息的情 况下实现网络编码，但是增加了网络负载。另外一种不需网络拓扑信息的 方法是随机网络编码，在网络的中间节点上对接收到的信息，在一个有 限域内随机选择一个元素作为组合的系数。研究表明只要有限域足够大， 这种方法的失败率就可以很低。这种方法的缺点是以一定的概率实现正确 无误的传输和需增大通信网络中所需的字母表的大小。有许多随机编码的 应用协议相续提出。其中s d e b 和m m e d a r d 运用随机线性编码提出了一 种g o s s i p ( 闲聊) 协议。 线性网络编码不但可以用在已知拓扑的构造方式中，也可以用在不需 网络拓扑信息的分布式网络编码和随机网络编码中。参考文献【l 】推测线性 3 重庆邮电大学硕+ 论文第一章绪论 网络编码可以实现所有的可解网络的网络编码。而参考文献f 2 1 己经构造了 一个特殊的网络，说明了线性网络编码的局限性。即存在一些网络使用非 线性网络编码可以实现最大流最小割确定的网络容量的上限，但是线性网 络编码却无能为力。 上述研究都是针对有线网络的，关于无线网络中的网络编码的研究也 是网络编码研究中的一个热点。由于无线网络自身的一些特性不同于有线 网络，使得网络编码在无线网络中的应用有一些新的好处。 现在关于网络编码与其他领域结合的研究很多。如网络编码和纠错码 及加密体制的结合可以防止窃听，网络编码还可以用于分布式网络管理 等，但这些多数是基于理论分析，仿真试验很少。 网络编码的应用潜力巨大，应用领域涉及无线网络、p 2 p 系统、分布 式文件存储和网络安全等网络的多个层面。总之，现在关于网络编码的研 究是百家争鸣，各种方法和应用层出不穷，但是没有一个统一的标准，而 且多数是基于理论分析，试验仿真很少。到目前为止，网络编码应用到实际 网络中去还比较少，所以关于网络编码的研究还有很多东西去做，这是一 个相当诱人的新领域。 1 4 网络编码亟待解决的问题 由于网络编码的理论研究还处于初级阶段，以后还有大量难题亟待解 决，主要体现在以下几方面： 网络编码理论的进一步完善。现有的网络编码理论研究主要集中 于单源组播网络的线性网络编码。针对多源组播网络和非组播网络的网络 编码理论研究还远不够深入，如何利用非线性网络编码优化网络性能，也 是未来一个重要的研究方向。 网络编码与其他相关领域的技术的融合，包括网络编码和信源编 码s l e p i a n w 6 l f 的联合设计与优化、网络编码与信道编码和调制技术的进 一步结合以及网络编码与多描述分层编码的结合等【3 ，4 ，5 1 ，都是值得关注的 方向。 降低网络编码的复杂度，网络编码对网络性能的提升伴随着设计 和实现复杂度的增加。综合考虑性能增益和网络开销，实现最小代价的网 络编码是将来需要深入研究的问题1 6 j 。 网络编码在实际网络和复杂流量条件下的性能改进，网络编码在 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 无线网络和p 2 p 系统中具有广阔的应用前景目前涉及实际网络编码系统 的性能分析和评估的研究还较少。针对实际网络的拓扑结构，结合i p 路由 技术、交叉层设计思想以及优化理论，实现编码感知的高效路由和调度算 法将成为今后研究的重点问题。此外，在流量动态变化的真实网络中，具 有可变速率的网络编码技术也将是值得关注的研究方向l _ 。网络编码作为 一项新兴技术，从理论到实际应用都还处在不断完善和丰富的阶段，需要 展开全方位的系统研究。上述问题的深入研究必将对网络编码的理论和应 用起到极大的促进作用。 1 5 论文主要工作 通过对网络编码和光层组播的深入研究，结合二者各自的优点，将网 络编码和光层组播进行融合，提出了一种新的建立核心节点的算法和基于 分布式网络编码的共享树光组播算法，然后运用图论的思想，将网络拓扑 图转化为邻接矩阵，用v c 编程实现建立核心节点的算法和分布式网络编 码共享树算法，并与传统有源树建立算法进行仿真对比，得出了新算法能 减少网络波长资源消耗，并且在均衡网络负载、提高网络链路资源利用率 方面有很大的优越性。 1 6 论文组织结构 本文重点研究基于网络编码的光层组播树构建及维护机制，使之全网 对波长需求较其他传统方法( 如：l i g h t t r e e l i g h t f o r e s t ) 不但低，而且还更 优化，提出了一种基于分布网络编码的共享树光组播算法，并通过模拟仿真 实验，检验算法设计的正确性和有效性。论文全文共分五章： 第一章绪论。详细讲述了论文选题背景，重点介绍了光层组播和网 络编的研究现状以及网络编码亟待解决的问题，最后对文章的研究内容和 结构作简单介绍。 第二章光层组播与网络编码基础及融合机制。本章介绍了组播技术的 发展及光层组播原理，重点介绍了网络编码的概念，阐述了网络编码组播 的最大流限、基于网络编码的光层组播与传统组播差异，给出了网络编码 与光层组播的融合机制，详细讲述了网络编码融合到光层组播中会带来什 5 重庆邮电大学硕十论文第一章绪论 么好处。 第三章基于分布式网络编码的共享树光组播算法。本章提出了一种 新的核心节点选择算法和基于分布式网络编码的共享树光组播算法，接着 以实例分析了核心节点的选择过程和基于分布式网络编码的共享树光组 播算法的执行流程。 第四章数值仿真与性能分析。本章中对提出的一种基于分布式网络 编码的共享树光组播算法的性能进行了评价、模拟，并与有源树算法和传 统共享树法在波长资源消耗、链路平均负荷以及链路资源利用上作了对比 分析，最后总结和分析了实验结果。 第五章结论及未来工作。对所做的研究与设计工作进行了总结，并 阐述了将来进一步的工作计划。 6 重庆邮电入学硕十论文第二章光层组播与网络编码基础及融合机制 第二章光层组播与网络编码基础及融合机制 本章首先介绍了组播技术的发展及光层组播原理，然后重点介绍了网 络编码的概念，阐述了网络编码组播的最大流限及线性网络编码，接着介 绍基于网络编码的光层组播与传统组播差异，讲述了光层分布式网络编码 的编解码构造方法，最后详细讲述了网络编码融合到光层组播中会带来什 么好处。 2 1 组播技术的发展 组播技术被认为是w w w 技术推广之后出现的最令人激动人心的网 络技术之一。组播的概念最早是在1 9 8 8 年由s t a n f o r d 大学的s t e v ed e e r i n g 发展起来的，当时是为了促进i n t e r n e t 上实时音频和视频的传输。i p 组播 的核心思想是通过一个i p 地址向一组主机发送数据( u d p 包) 。组播技术是 通信网络将发送端的信息复制多份同时传递给多个接收方的一种信息传 递技术，即点对多点的通信。与多个点对点通信方式相比，组播技术最主 要的优势和特点在于它可以极大地节省带宽，避免广播带来的全网范围的 泛洪，因为它消除了从源端对每一个目的端都发送一个信息副本的必要。 随着网络技术的不断发展和用户需求的不断变化，组播业务日益成为 一种重要的业务模式。需要组播技术支持的业务类型主要是一些带宽密集 型的业务，如：视频会议、软件文件的传递和镜像站点的文件复制、虚拟 现实游戏、远程教学、电子商务、视频点播等等。组播在并行处理和电网 络领域己经得到广泛研究。尽管对需要组播技术支持的业务需求很大，但 由于现有的网络都主要是面向点到点通信而设计的，所以并不能有效地支 持组播功能。 w d m 技术有效地利用了光纤巨大的带宽，w d m 网络能够提供超宽 带和高质量的服务来满足i n t e r n e t 对带宽的爆炸式的需求。事实上，经过 1 0 多年的发展，特别是w d m ( 波分复用) 技术的引入，光纤通信网络己经 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，单波长的数据容量己达到 1 0 g b i t s ( 0 c 19 2 s t m 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 的量级。另外，某些光器件如无源分光器天生就具有组播功能， 7 重庆邮电人学硕士论文第二章光层组播与网络编码基础及融合机制 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。 2 2 光层组播原理 光层组播是指通过在物理层使用能够对输入光信号进行功率分柬的 无源器件实现点对多点的连接，与电层的分组组播相比光层组播的性能有 所提高，因为光的分束较之在电的缓存里面复制分组要简单。光层组播的 实现是基于光分束器( s p l i t t e r ) 将一路输入光信号分割成多路输出光信号， 从而将点到点的光路连接方式扩展为点到多点的光连接，点到多点的光连 接称为“光树 ( 1 i g h t t r e e ) 。光网络中的组播问题早就被研究多波长路由 光网络的研究人员所提出。在多波长路由的光网络中，一条由一个光发射 机和一个光接收机构成的光传输通道被称为光路，光路可以实现点到点的 通信。光树是对光路扩展后一种新的连接关系，在波长路由网络中，一棵 光树是包含一个光发射机和多个光接收机的传输通道，因此，光树实现能 点到多点的通信。 在w d m 网络中实现光层组播首先要建立点到多点的光连接方式，从 而形成光组播树，并为其分配波长，即路由与波长分配( r w a ) 。 与电层的分组组播相比，光层组播的性能有所提高，这是因为：首先， 物理层( 光层) 的拓扑和i p 层( 电层) 的拓扑有可能不同，且数据包由l p 层复 制时要经过o e o 的转换，而在光层能建立更有效、响应时间更短、带宽消 耗更少的光树：其次，光层复制采用光分束器进行功率分束，比i p 层的电 域复制简单、有效，具有提供数据的比特率和编码方式的透明性；最后， 在传统的( 电) 组播交换网中，每个源同时发送相同的数据到多个目的地址， 但是每个目的地址一个时刻只能接收一份数据，因此对于目的地重叠的多 个组播连接，需要采用复杂的调度策略来避免冲突，而在采用w d m 的光层 组播中，每个源可以同时发送不同的数据到多组目的节点，每个目的节点可 以同时通过多重连接接收不同组的数据，这样不仅可以解决组播中点对多 点的连接冲突问题，还可以解决多点对点和多点对多点的连接冲突问题。 虽然由于使用光分束和波长变换使得w d m 层比i p 层的组播更有效，但是 由于光缓存器、光分束器和波长变换器等光器件的限制，使w d m 组播受 这和全光网和光标签交换相矛盾。 8 重庆邮电人学硕士论文第二章光层组播与网络编码基础及融合机制 2 2 1 光层组播模型 在文献【3 6 】中给出了光层组播模型的详细描述，一个w d m 网络通常 由n 个输入端口和n 个输出端口组成，每个端口的光纤链路上有k 个波长 九1 、九2 、h ，图2 1 表示一个n n 的k 个波长的w d m 网络，为了充分 利用带宽，每个输入( 输出) 端口都配备了多波长发射机( 接收机) 。中间的 w d m 交换节点可以分为两种类型：第一种由波长转换器和空分开关组成， 一路波长输入信号只能从一个输出端口以某一波长输出，不具备光分路功 能，称为m i ( m u l t i c a s ti n c a p a b l e ) ；第二种增加了光分束器和可调谐滤波器， 一路波长输入信号可以以相同或者不同的波长从几个输出端口输出，甚至 可以用不同的波长发送组播拷贝到同一输出端口输出，具备光分路功能，称 为m c ( m u l t i c a s tc a p a b l e ) 。w d m 层组播的实现正是依赖于w d m 交换器 的m c 能力实现的，这同时也是有别于l p 组播的关键之处。 输入端口 入l ，入2 ，入k 入l ，入2 ， k 入l ，入2 ，入k n n 入l ，入2 ，入k w d m 网络 入i ，入2 ，入k t ，入2 。入k l 2 输出端口 冀 图2 1k 个波长的n nw d m 网络 如图2 2 所示，具备组播能力的w d m 交换可分为以下三种类型： a ) 组播源和所有目的节点都分配相同的波长，称为同波长组播模式( m u l t i c a s t w i t hs a m ew a v e l e n g t h ，m s w ) b ) 所有目的节点都分配相同的波长，而源节点 分配不同的波长，称为目的节点同波长组播模式( m u l t i c a s tw i t hs a m e d e s t i n a t i o nw a v e l e n g t h ，m s d w ) ：c ) 源和每个目的节点都可以使用不同的波 长，称为任意波长组播模式( m u l t i c a s tw i t ha n yw a v e l e n g t h ，m a w ) 。由图可 见，m s w 包含在m s d w 中，m s d w 包含在m a w 中，但反之则不成立。 a ) 脚 b ) j l s 胛c ) 姒- 图2 2w d m 中的组播模型 传统的电交换网络可以看成是一个波长的w d m 网络，因此可以看成 9 重庆邮电人学硕士论文第二章光层组播与网络编码基础及融合机制 是m s w 模式下的组播。 w d m 中的组播模式需要使用光分束器和波长变换器来实现，光分束 器把个信号分成波长相同的一组信号，波长变换器则把信号从一个波长 变换到另一个波长。不同的组播模型需要的波长变换器数量和位置都各不 相同。m s w 模式不需要波长变换器，只需要光分束器就可以实现；m s d w 模式对每个组播连接至少需要一个波长变换器，并且放置在光分束器前 面，如图2 3 a ) 所示；m a w 模式对每个组播连接需要的波长变换器数目不少 于组播连接数，因为每个光分束器的输出端口都需要一个波长变换器，如 图2 3 b ) 所示。 2 2 2 光树 a ) m s d - 波长转换器 b ) m a 图2 3m s d w 和m a w 的实现方式 光树是光层组播里的一个重要的概念。光树一个吸引人的特点在于它 本身可以在光域实现组播。这里我们主要介绍光树的概念与光树的应用。 波长路由网络的运行是基于光通路( 1 i 曲t p a t h ) 的概念的。光通路是一 条连接源节点发送器和目的端接收器的点对点全光波长通道，两个端节点 之间可以跨过多条光纤链路和多个中间节点。在每个中间节点，一个光交 叉连接设备( o x c ) 将输入的光信号交叉连接到对应的输出端口。为了支持 w d m 层的组播，s a h a s r a b u d d h e 等人首次在波长路由网络中引入了光树的 概念【8 】。将点到点的光连接方式扩展为点到多点的光连接，就形成了光树。 更准确地讲光树是点对多点没有环路的光通路。图2 4 所示为全光网络中 1 0 重庆邮电人学硕士论文第二章光层组播与网络编码基础及融合机制 的光树。光树是一条点对多点的光通路的概念的归纳。波长路由网络中的 组播，需要为每个组播请求建立光树。光通路通信可以极大地减少分组经 过的跳数，这样可以极大的提高网络的吞吐量。通过在路由节点引入组播 能力来扩展光通路的概念，从而增加网络的逻辑连接性并进一步降低跳距 来达到提高网络吞吐量的目的。 光树上的每一个上游节点有不止一个的下游节点1 3 4 1 。光树技术的应用 能够使一个节点中的一个发射机同时具有多个逻辑上的邻居节点，从而使 原本物理连接关系十分简单的网络逻辑互联图变得复杂多样，而且使得原 有的一些物理连接的跳数大大降低。如果在一个w d m 光网络中嵌入一套 光树连接，则可以增强该网络的单播、组播和广播能力，但是相应地就需 要网络具有支持组播的o x c 和更高的功率阈值以弥补由于信号分束而造 成的功率损耗。 在光网路中实现组播连接的实质就是建立一棵从源端到所有目的端 的光树，而一棵好的组播树应该具有如下的特性： 低成本 低时延 可扩展性( s c a l a b i l i t y ) 支持组播组成员的动态性 生存性( s u r v i v a b i l i t y ) 公平性( f a i r n e s s ) 2 2 3 波长路由分配 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 ) 将光纤的带宽分为互不重叠的 并行通道，每个通道使用一个波长传输信号。w d m 是充分利用网络