毕业设计（论文）-光网络中基于网络编码的分段保护机制研究.doc

摘 要随着网络传输速度的飞速发展，网络故障对网络的影响越来越大，因此光网络保护成为越来越引起研究者的注意。根据所保护网元的范围，可将保护方法可以分为链路保护、路径保护和分段保护3类；根据备用路径上资源的使用情况，可以将保护方法分为共享保护和专有保护2类。如何缩短故障倒换时间并降低资源消耗是当前光网络生存性研究所面临的主要问题。分段保护的保护范围适中，保护方式较为灵活，因此得到了广泛关注。现有的分段保护方法通常将整个工作路径划分为多个工作段实施逐段保护，这样的完全保护方式虽然能够实现链路的可靠保护，但需要消耗大量的网络资源；并且，在动态网络环境下，这种完全保护方式属于被动的保护设计方式，即预先考虑到所有可能发生的故障位置并对其全部预留保护资源，无法对直接影响网络可靠性的重负载链路实现重点保护，因此不能适应动态变化的突发性网络环境。网络编码作为最新兴起技术，其思想是一种融合编码和路由的信息交换技术，该思想在传统存储转发的路由方法基础上，通过允许对多个数据包进行编码信息融合，增加单次传输的信息量，从而提高网络整体性能。网络编码的主要优势在于如果己知网络的拓扑结构及链路容量，就可以计算出源点到多个目的节点的最大信息吞吐量，它可以使资源得到充分利用，并且能使网络资源利用达到理论上限，这有赖于网络节点在转发信息前对接收数据进行编码。光网络中采取共享保护的模式，改进一种新的基于单链路故障的1+N保护机制此机制在核心节点处进行线性组合，在不通过故障监测和定位的情况下仍然能准确地恢复出由于链路故障丢失的数据。本文针对现有波分复用（WDM）网络保护机制倒换时间长、资源消耗较大的问题，提出了一种低开销的动态1+N 专有分段保护（DSDP）策略，能够根据当前网络资源耗费情况动态地确定需要保护的网元，采用线性编码方法，利用单个工作路径对多个工作路径进行专有保护。根据文献提出策略能极大地降低用于保护的网络资源消耗，同时能有效地利用光网络资源。【关键词】：光网络 网络编码 分段保护 1+N保护ABSTRACTWith the rapid development of the network transmission speed, the increasing influence of network faults on the network, optical network protection become more and more aroused the attention of researchers. Protected by a range of network elements, protection methods can be divided into link protection, path protection and segmentation to protect three categories; resource usage on the alternate path protection methods can be divided into shared protection and proprietary protection classes. How to shorten the fault switching time and reduce resource consumption is the main problem facing the current optical network survivability Institute. Segmented protection scope of protection is moderate, the protection of a more flexible way, so get wide attention. Segment protection method is usually the working path is divided into multiple working segment in the piecewise protection, full protection mode to achieve the reliable protection of the link, but need to consume large amounts of network resources And dynamic network environment, this fully protect a passive protection design, that is, anticipate all the possible fault locations and all of its reserved for the protection of resources, can not be a direct impact on network reliability, the heavy load chain Road key protection, and therefore can not adapt to the sudden dynamic changes of network environment. Network coding as the latest rise of technology, its thinking is a fusion of coding and routing information exchange technology, the routing method based on the forward thinking in traditional storage, by allowing multiple packets to encode information fusion, single transmission The amount of information, thereby improving overall network performance. The main advantage of network coding is known to the network topology and link capacity, we can calculate the maximum information throughput of the source to multiple destination nodes, which can make the resources are fully utilized and enables utilization of network resources to achieve theoretical limit, which depends on the network node to encode the received data before forwarding information. 1+N protection mechanism based on a single link failures is proposed in this paperwhich take shared protection mode1This mechanism performs linear combination in the core nodesand it can still accurately recover lost data due to 1ink failures without fauh monitoring and locationCompared with the traditional protectionsimulation experiments show that 1+N protection can reduce the wavelength resource consumptionWith l+N protection their resources are still available to conduct shortterm recoveryInordertosolvetheissuesoflong switchingtimeandhighresourceconsumption for protection in wavelength division multiplexing(WDM) network, an effective low-cost dynamical segmentel 1+N dedicated protection strategy is introduced. According to resource consumption condition , the strategy can dynamically determine the sements for protection .Based on network coding, a single backup path can be established to provide dedicated 1+N protection for multiple working paths. Simulations show that the strategy can reduce the wavelength consumption. Moreover, the strategy also can use the network resources effectively. 【Key words】 Optical Network network coding segmented protection 1+N protection目 录前 言1第一章 光网络2第一节 光网络的发展2第二节自动交换网络（ASON）3第三节 光网络的优点4第四节 本章小结5第二章 光网络保护与网络编码6第一节 光网络中的保护技术6一、WDM光网络的保护和恢复技术6二、WDM光层保护和恢复技术的优点7第二节 光网络中保护的方式8一、WDM网状光网络路由方式的保护方式9二、当用路径上资源的使用情况不同时的保护方式9第三节网络编码的提出和发展现状10一、网络编码的提出10二、网络编码的好处12第四节 网络编码的分段保护机制16第五节 本章小结21第三章 分段保护机制研究22第一节 分段保护22一、1+N 节点保护模型22第二节 保护段的建立方式24第三节低代价的动态1+N保护策略26第四节 基于单链路故障的新的1+N的保护思想28第五节 本章小结31结 论33致 谢34参考文献35附 录38一、英文原文38二、英文翻译42 V前 言随着网络技术的不断进步，业务模型在不断的变化，业务量也随之爆炸式的增长。网络正向下一代因特网(NGI，Next Generation Internet)和下一代网络(NGN，Next Generation Network)迅速的变革，为了适应这种变化，光网络也正朝着更加智能化、灵活、透明、优质和安全的下一代光网络发展。网络编码的主要优势在于如果己知网络的拓扑结构及链路容量，就可以计算出源点到多个目的节点的最大信息吞吐量，它可以使资源得到充分利用，并且能使网络资源利用达到理论上限，这有赖于网络节点在转发信息前对接收数据进行编码。具备了网络编码功能的节点从各个输入链路获得信息，并进行编码，然后把信息传送给所有输出链路。研究表明，网络编码除了能够提高系统的容量外，在数据压缩、负载均衡、降低节点能量消耗、减少传播时延、提高网络健壮性及信息安全等方面都有重要的应用前景。根据所保护网元的范围，可将保护方法可以分为链路保护、路径保护和分段保护3类，根据备用路径上资源的使用情况，可以将保护方法分为共享保护和专有保护2类。如何缩短故障倒换时间并降低资源消耗是当前光网络生存性研究所面临的主要问题。分段保护的保护范围适中，保护方式较为灵活，因此得到了广泛关注。现有的分段保护方法通常将整个工作路径划分为多个工作段实施逐段保护，这样的完全保护方式虽然能够实现链路的可靠保护，但需要消耗大量的网络资源；并且，在动态网络环境下，这种完全保护方式属于被动的保护设计方式，即预先考虑到所有可能发生的故障位置并对其全部预留保护资源，无法对直接影响网络可靠性的重负载链路实现重点保护，因此不能适应动态变化的突发性网络环境。第一章 光网络第一节 光网络的发展近几年，随着IP业务的快速增长，对网络带宽的需求不仅变得越来越高，而且由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切。传统的方法主要靠人工配置网络连接，耗时费力易出错，不仅难以适应现代网络和新业务提供拓展的需要，也难以适应市场竞争的需要。一种能够自动完成网络连接的新型网络概念自动交换传送网（ITUTSG13命名为ASTN，主要从高层描述）或自动交换光网络（ITUTSG15命名为ASON，主要从相对细节的结构描述）应运而生。这是一种利用独立的ASTN/ASON控制面，通过各种传送网（包括SDH或OTN）来实施自动连接管理的网络，这种具有独立控制面的光网络称为智能光传送网。在网络中，引入ASTN/ASON的好处主要有：允许将网络资源动态地分配给路由，缩短了业务层升级扩容时间，明显增加了业务层节点的业务量负荷；具有可扩展的信令能力集；快速的业务提供和拓展；降低了维护管理运营费用；快速的光层业务恢复能力；降低了对用于新技术配置管理的运行支持系统软件的要求，只须维护一个动态数据库，减少了人工出错机会；还可以引入新的业务类型，如按需带宽业务、波长批发、波长出租、分级的带宽业务、动态波长分配租用业务、带宽交易、光拨号业务、动态路由分配、光层虚拟专用网（VPN）等，使传统的传送网向业务网方向演进。作为网络敷设实例，美国ATT公司已经率先在全国范围内敷设了连接约100个城市的智能光网络，由约100台智能光交换机和800多台SONET多业务平台构成。前者主要完成以45Mbit/s为基础带宽颗粒的实时交换和动态指配，后者主要在网络边缘汇聚低速业务至2.5Gbit/s或10Gbit/s速率，再经光交换选路通过网络，基于实时的信令和选路算法。新网络不仅降低了成本减少了指配出错机会，使运作流畅、容量增加，也简化了网络结构层次，极大地缩短了企事业用户的高速电路指配时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务。恢复时间仅为数百秒。按照FrostSullivan公司最近的预测，尽管全球电信设备市场总体呈低迷状态，但为了降低成本、增加收入，全球光交换的市场将仍然从2001年的3.36亿美元增加到2006年的60亿美元，智能光网络将成为未来几年传送网发展的重要方向和市场机遇。第二节 自动交换网络自动交换光网络（ASON）是智能光网络的主要模式之一，一般由DWDM（密集波分复用）组成的光传送网组成的光传送网（OTN）加上光交换机组成；在有DWDM组成的网状主要节点，设置具有数百Gbits交换能力的光交换机，组成ASON的核心层。按照我国光纤的技术体系，光交换机最小颗粒度可以设定为155Mbit，网络节点接口（NNI）可以任选STM-1STM-4STM-16STM-64，用户网络接口（UNI）用于连接SDH（同步数字系列）、ATM（异步转移模式）、以太网路由器等。在接入业务较多的网络中，应该在核心层和接入层之间，加入汇接层。汇接层采用多业务交换平台，汇聚DXC（数字交叉连接设备）、SDH的TM（终端复用器）和ADM（分插复用器）、ATM交换、以太网交换等功能，上接核心层，下接接入层。这种三层结构的组网方式能够充分体现ASON的技术和经济优势。ASON模式能够充分利用既有的网络资源，降低智能光网络的成本，为较多的电信运营商所采用。智能光网络与目前国内电信运营商广泛运用的SDH组网方式相比，有许多技术上和经济上的优点： 超大容量和丰富的接口，为电信业务发展奠定了基础利用超大容量的DWDM技术，可以在一根光纤上传送96个以上的波长，以每一个波长承载19G信号计算，传输网的容量将达到960G。光分插节点采用大容量的光交换机，交换机容量可以达到640G以上。智能光网络可提供各类标准接口，能完成波长的交换和波长子速率的交换，粗交叉颗粒为单个波长，细交叉颗粒为STM-1信道。这样的配置使网络的容量发生几何倍数的增长，随着技术的升级，交换容量会更大，能够满足将来信息流量爆炸型增长的需求。 高效的网络管理和保护技术，使网络运行高效、安全、稳定智能光网络通过多种网络保护方案，包括传统的环网和链路1:1、1：N、1+1的线路自动倒换，在环网和链路光纤发生故障时，能提供快速的恢复。智能光网络通过OSRP协议，使网络的每一个网元都能够主动和其他网元交流链路和容量信息，掌握整个网络的拓补结构。当链路发生故障或增加新途径时，网元向网络的所有节点发出事件广播，各个网络节点收到信息后，重新计算达到各个节点发出事件广播，各个网络节点收到信息后，重新计算达到各个节点的最佳路由，进行路由表的更新，保持了信息数据库的实时动态、可扩展性和可收敛性。第三节 光网络的优点智能光网络的网络管理系统能够把用户分成不同的等级，用户优先级低的可以采用保护带宽通信，优先级高的用户随时可以占用优先级低的用户的带宽。通过实现VLSR（虚拟线路交换环）FASTMEST（快速格状网恢复）保护以及系统容量机制，在两点之间实现高性能的电路级保护和快速的通路恢复，大大提高了网络的生存能力。降低运营成本，增加了利润增长点。硬件方面：智能光网络的单机集成了多种ADM和DCS设备的功能，简化了网络。光网络完成粗颗粒的整个波长交叉和细颗粒的交换，使带宽利用度达到了最大，并且拥有各种业务接口，适用于各种网络环境，能够提供用户所要求的任何服务。智能光网络的灵活组网和扩展能力也能够为电信运营商节约网络扩展的费用。软件方面：通过控制面功能，实现自动化的快速的点对点的配置能力，增强了运营商快速提供优质服务的能力，并且能够根据时间段和需求安排，及时高速网络带宽的利用度，能够适应互联网业务或相类似的突发性要求，从而降低了网络的操作费用，提高了经济效益。智能光网络能够提供波长批发，波长出租、带宽交易（包括超带宽服务和非标准带宽服务）、动态路由分配、OVPN（光虚拟专用网）等新的业务类型，为电信运营商提供了新的利润增长点。 第四节 本章小结随着网络的发展，光网络以明显的优势取代了以前的网络。本章首先提出了光网络的基本概念，然后分节介绍了光网络的快速发展，自动交换网络（ASON）和光网络生存能力高，运营成本低的优点，从而引出光网络中的保护方法。 第二章 光网络保护与网络编码本章介绍在分析传统路由方式不足的基础上，引出网络编码的概念。随后介绍了网络编码的研究现状以及网络编码相对于路由方式的优势。第一节 光网络中的保护技术一、WDM光网络的保护和恢复技术波分复用WDM技术以其传输容量大、对高层协议和应用技术适应性强以及易于扩展等优点而备受青睐，利用WDM传输技术的光传送网被认为是下一代高速广域骨干网最具竞争力的选择，保护和恢复是WDM网络中经常采用的两种生存性机制。在网络发生故障后，恢复机制寻找可用网络。保护技术(Protection Technique)主要通过各种方法预先为业务分配一定的备用保护资源，当网络出现故障时，通过这些备用保护资源及时将工作通道上的业务的不同，可以划分为环网保护技术和网状网保护技术两类。光网络中，光层的保护和恢复发生在WDM层，具有高速响应、快速实现保护和恢复的特点。光网络的生存性基于共享资源和动态恢复资源。光网络生存技术通常包括两种技术：保护和恢复。光网络的保护是指为光网络的承载业务提供预留的保护资源，当网络故障时，故障业务将由预留的保护资源进行传送来恢复受影响的业务；光网络的恢复是指为光网络的承载业务动态寻找网络中剩余资源，通过利用网络提供的富裕资源使得由于故障所带来的阻塞快速而准确地得以消除。保护技术由于其预先指定网络的保护资源，因此具有快速恢复业务的特点，但网络资源的利用率不高；恢复技术能动态搜索网络剩余资源，充分利用了网络资源，但恢复时间受到限制。光层的保护和恢复技术又可分为：光信道层和光复用段(OMS)层保护/恢复技术。光信道层保护/恢复技术是针对每个信道的，当故障时，光网络为受影响的故障信道分配一条完整的(通常是通道无关的)保护/恢复通路来恢复故障信道；OMS保护/恢复技术是针对复用段层的，当故障时，光网络为受故障链路寻找条替代路由来同时恢复故障链路上的所有业务。通常空闲资源既能专用保护(空闲资源为某条工作通路专用)同时又能用作共享保护(空闲资源能同时为多条工作通路提供保护)。专用保护通常是指1+1和1:1通路保护3。1+1通路保护时，工作通路和保护通路同时传送，宿节点终端动态监测接收信号的质量来决定选取工作通路信号还是保护通路信号；1:1保护通路时，仅在工作通路传送信号，保护通路资源预留，但保护通路可以传送业务优先级低的额外业务。共享保护允许空闲的波长由多个工作波长共享以作为保护通路。当故障发生时，中断的业务由保护资源传送。在操作上需要一些信令来通知网络节点新的传送通路，并确保保护通路在不同链路上的保护波长能构成保护。二、WDM光层保护和恢复技术的优点高速光网络的保护是指为光网络的承载业务提供预留的保护资源，当网络故障时，故障业务将由预留的保护资源进行传送来恢复受影响的业务；光网络的恢复是指为光网络的承载业务动态寻找网络中剩余资源，通过利用网络提供的富裕资源使得由于故障所带来的阻塞快速而准确地得以消除。光网络中WDM层的恢复比其他高层的恢复速度更快，因为节点能在故障出现时就迅速动作，而不需要等待高层的指示信号。简单光网络中，光层的保护和恢复发生在WDM层，具有高速响应、快速实现保护和恢复的特点。光网络的生存性基于共享资源和动态恢复资源，所以有光层快速实现保护和恢复的特点它比高层的恢复需要更少的协调性。高效保护技术由于其预先指定网络的保护资源，因此具有快速恢复业务的特点，但网络资源的利用率不高；恢复技术能动态搜索网络剩余资源，充分利用了网络资源，因为资源是由不同的服务层共享的，所以光层的回复可更有效地利用回复资源。透明性波长的路由保护技术是独立于高层使用的协议。第二节 光网络中保护的方式WDM光网络技术以其传输容量大、对高层协议和应用技术适应性强以及易于扩展等优点而备受青睐，利用WDM传输技术的光传送网被认为是下一代高速广域骨干网最具竞争力的选择。保护和恢复是WDM网络中经常采用的两种生存性机制。在网络发生故障后，恢复机制寻找可用网络资源并通过重路由使业务绕过故障网元，因此故障恢复时间长，常常不能满足光网络ms级要求。保护机制是一种与网络拓扑结构息息相关的快速生存性技术，通过提前为业务分配备用资源，可以有效预防可能出现的网络故障。WDM网状光网络中的保护按照路由方式的不同可以分为链路保护、通路保护和分段保护3类6；根据备用路径上资源的使用情况，可以将保护方法分为共享保护和专有保护2类。如何缩短故障倒换时间并降低资源消耗是当前光网络生存性研究所面临的主要问题。分段保护的保护范围适中，保护方式较为灵活，因此得到了广泛关注。现有的分段保护方法通常将整个工作路径划分为多个工作段实施逐段保护，这样的完全保护方式虽然能够实现链路的可靠保护，但需要消耗大量的网络资源；并且，在动态网络环境下，这种完全保护方式属于被动的保护设计方式，即预先考虑到所有可能发生的故障位置并对其全部预留保护资源，无法对直接影响网络可靠性的重负载链路实现重点保护，因此不能适应动态变化的突发性网络环境。一、WDM网状光网络路由方式的保护方式链路保护(Link Protection)：链路是指端到端光传输通道上两个光交换节点 间的通道。链路保护预先为每条链路建立一条彼此分离的备用链路，并且预留相应的网请故障倒换的范围。通道保护(Path Protection)：这种保护技术在网络为业务请求建立工作通道的同时，建立一条从业务请求源节点到目的节点的端到端备用通道，这条备用通道和工，源节点收到故障告警信息之后可以迅速将业务数据流倒换到备用通道上继续传输。分段保护(Segment Protection)：分段保护是近年来提出的新型保护技术。这种保护技术将一条端到端工作通道划分为多个工作段，每个工作段可以由若干条链路倒换。分段保护的保护范围介于通道保护和链路保护之间，并且在技术上能够同时兼顾较高的资源利用率和较低的业务恢复时间的优点。二、 当用路径上资源的使用情况不同时的保护方式 共享保护(Shared Protection)：共享保护采用多条工作通道使用一条或若干条进行保护。当把一条备用保护通道分配给N条工作通道使用。如果有多条工作通道发生故障，则按工作通道的优先级配置，优先保护级别最高的工作通道。 M:N保护方式：保护方式和1:N保护方式类似，即将M条备用通道分配给N条工作通道使用。只要工作通道同时发生故障的数目少于M，则选取优先级较高的M条工作点是网络资源利用率较差。而1:1、1:N和M:N 三种保护方式在故障比有所增加。但是，1:N 和M:N 两种保护方式的网络资源利用率较高，1:N 保护方式的资源利用率可以达到1/N，而M:N保护方式的资源利用率更高，可以达到M /N。 专有保护(Dedicated Protection)：专有保护技术采用资源独占的方式为工作通道分配保护资源，备用保护资源不能被其他工作通道使用。专有保护可以继续细分为：1+1和1:1 两种方式。1+1保护方式：业务请求发送端在彼此链路分离的工作通道和保护通道上同时发送业务数据流，接收端选择接收质量最好的业务数据流，即所谓“并发优收”的保护方式。流重新倒换到保护通道进行传输，如果保护通道正传输较低优先级的业务数据流，需要舍弃该数据流，保证业务数据流的传输。 第三节 网络编码的提出和发展现状一、网络编码的提出2000年，香港中文大学的Ahlswede等人发表了一篇题为“网络信息流”的文章，提出了“网络编码”这一概念，该理论通过允许中间节点对在转发信息前对输入信息流进行编码来实现网络多播容量的极限。一个通信网络可以用有向图来表示，根据图论中的最大流最小割定理可知，一个网络可以传输的最大流量等于其最小割9。但传统的存储转发式路由方式，并不能实现网络的最大流传输，所以它并不是最佳的。Ahlswede等人指出，没有必要对路由节点的功能加以限制，即允许对其接收到的信息先进行编码后再传输出去。在接收端，目的节点通过一定的译码算法译出所需的信息，则可以大大提高网络的传输速率，充分利用网络中的链路资源，从而实现最大流最小割定理给定的信息传输速率的上限。我们通过一个简单的例子对网络编码的基本思想进行解释，参考图21所示的通信网络（a） (b)图2.1 源节点s多播信息到接收节点Fig.2.1 Source node s multicasts to receiver 图21(a)给出了一个组播网络，不考虑时延和传输差错。其中S是源节点，是目的节点，每条边的信息速率均为1比特每单位时间。假如网络中的节点只对其收到的信息进行复制转发，则此网络多播速率无法达到2比特每单位时间。因为接收节点3在一个单位时间内只能转发从节点1和2过来的两个比特中的一个，如果3转发从l节点过来的信息，则接收节点可以收到2比特每单位时间，但是接收节点只能收到1比特每单位时间。假设从源发向节点1的信息比特为，从源发向节点2的信息比特为。21(b)图中的3节点将分别从节点l和2过来的信息和进行模2加，然后发向节点4，于是接收节点在一个单位时间内收到了和+，于是可以通过 “+户运算来得到，也就是说，接收节点在一个单位时间内相当于收到了和。同理我们可以知道接收节点在一个单位时间内也相当于收到了和。于是21(b)图的传送方法达到了多播速率2比特每单位时间二、网络编码的好处Ahlswcde等在提出网络编码时指出，通过网络编码可以提高网络多播的容量，达到网络多播的最大流限，这是网络多播的理论上限。通过对网络编码的研究，人们发现网络编码多播较传统的路由多播的好处不仅仅局限在网络多播的容量方面。下面我们将具体讨论网络编码多播的好处。(一)、网络多播容量的改善网络编码最主要的应用就是提高多播系统的信息传输速率，即达到网络拓扑图的最大流，而传统的路由方式则无法实现。对于一个单源多播网络，最大的信息传输速率为，其中T是多播接收节点集合，该值是多播传输速率的理论上限值，称之为多播容量，网络编码可以达到该多播容量。我们通过一个典型的网络拓扑指出，只有采用网络编码才能获得网络多播的最大流限，而无法通过传统的路由多播获得。但是这并不能完全刻画基于网络编码的多播与传统的IP多播在多播容量性能上的差异，因为网络编码的容量依赖于网络节点的连接情况以及网络中每一条链路的容量的变化情况。因此在评价网络编码多播的容量时，我们必须考虑多种网络拓扑结构以及链路的容量。对一编码和多播的容量性能进行了比较15。其随机生成节点数为50的网络拓扑结构，并随机选取10个接收节点。对于网络链路的容量，采用两种模型：一种是链路的容量在1,10区间内随机的选取的非均有模型(heterogeneous model)，另一种是链路容量为常数5的均匀模型(homogeneous model)。因为多会话IP多播更能有效的利用网络的资源，所以将网络编码多播和多会话IP多播的多播容量进行了比较。我们可以看到，在均匀和非均匀的两种链路容量模型下，基于网络编码的多播通常较多会话IP多播获得更高的多播容量。此外，网络编码多播和多会话IP多播的容量差异随着网络节点的平均度数的增加而增加。（二）、负载均衡现有的口多播路由经常造成网络流量的不均衡分布，因此在多播通信中，链路流量的负载平衡一直是人们关注的问题。现有的多播路由协议主要可分为基于核心的路由协议和基于信源的多播路由协议。基于核心的路由协议经常造成流量过分集中于某一节点。而基于信源的多播路由协议也会由于多个多播树的叠加，造成某一链路流量的过载，影响网络的服务质量。基于网络编码的多播利用多条路径进行信息数据的传输，可以平衡网络链路的负载。 （a） （b） （c） 图2.2 路由方式与网络编码方式的网络负载的比较Fig.2.2 Load comparision of IP and network coding based multicast如图22所示的链路容量为2的网络，源节点s将信息多播到接收节点Rl，R2， R3.假设网络编码多播使用一半的链路容量，在这种情形下，路由方式与网络编码方式多播速率均为2比特每单位时间。但采用路由方式(如(b)所示)时，2比特的信息是通过5条链路来传输的，另外5条链路空闲。当使用网络编码方式(如(c)所示)时，1比特的信息是通过9条链路来传输的。因此，通过网络编码，负载被分配到了整个网络中。另一方面，在路由方式中，共有10比特的信息量需要传输，而使用网络编码时，仅需要传输9比特，这就意味着网络编码可以节省10的带宽。当网络编码多播使用链路的全部容量时，不但可以获得4比特每单位时间的多播速率，而且此时的链路资源的利用率达到了最佳。（三）、减少节点能量消耗在一些Ad hoc网络中尤其是无线传感器网络中，节点是通过有限的电池来提供能量的，因此有效能量利用成为衡量一个无线能量受限网络性能的重要指标。 （a） （b） 图2.3 通过网络编码节省节点的能量消耗 Fig.2.3 Energy saving through network coding图23(a)是一个由8个节点组成的无线网络，信源节点s多播信息到接收节点和，节点传输范围有限且仅能与周围的两个节点直接通信。假设一次物理层的传输要消耗1个单位的能量，则传统的路由方式多播单位比特信息需要消耗的总能量为5。图2.3b)基于网络编码实现了信息的多播传输，信源节点将两比特信息和分别传输到接收节点和，节点和再将其传输到中间节点e，节点e对和做模2运算后，再将其广播到节点和，这样两个接收节点就可以同时恢复出信源的信息比特和。在采用网络编码的多播过程中，我们总共用到了9次物理层广播，所以每比特消耗的能量为4.5。因此采用基于网络编码方式的多播，可以有效地降低无线网络信息传输过程中的能量消耗。另外，无线多播网络中，通过跨层的设计可以将网络编码与物理层无线广播传输特性相结合，实现网络的最小能量多播，最大限度的延长网络的生存期。（四）、减小信息传播时延考虑具有链路时延的网络，相对于路由方式，通过网络编码进行多播传输时可以获得较小的传播时延。 (a) (b) 图2.4 路由和网络编码多播的路径时延比较 Fig.2.4 Delay comparision of route and network coding based multicast 对于图2.4所示的单信源三个接收节点的多播网络。设每条链路具有单位时间的传播时延，节点的处理时延相对于链路的传播时延可以忽略不计。我们可以发现基于传统路由方式(如(a)所示)多播，信息从信源发送到接收节点的最大时延为3，而对于基于网络编码(如(b)所示)的多播来说，最大的传输时延是2。因此对于特定的多播网络来说，通过网络编码可以减小信息传输的路径时延。另外，还可以通过网络编码对相关信源的数据进行压缩，减少网络中传输的信息量，从而减少节点能量消耗，延长网络的生存周期。通过网络编码可以抵抗网络中的链路和节点的非各态历经失败对网络链接的影响，提高网络链接的鲁棒性，减少网络管理的开销。网络编码在信息安全领域的应用产生了一种基于数据包的随机网络编码检测策略，对原数据进行的简单多项式函数哈希变换，然后把得到的结果添加到原始数据包中。接收节点通过比较解码后的数据和哈希值就可以判断数据包是否被修改过，这样就可以防止中间人攻击，提高数据的安全系数。第四节 网络编码的分段保护机制一、网络编码的分段保护机制的原理一种基于网络编码的动态专有分段保护机制，与传统分段保护机制对业务进行逐段完全保护的方法不同,该机制通过动态感知网络负载状况及时发现影响网络可靠性的关键链路,进而对多个关键链路组成的工作段实施重点保护。利用网络编码技术,网络仅需要较少的保护资源即可对关键链路上的各波长业务进行有效的保护。二、WDM 光网络分段保护的意义随着WDM 光网络传输速率向100Gbps演进，WDM 光网络的生存性设计成为制约网络发展的重要因素。WDM 光网络的生存性技术主要分为保护技术和恢复技术两类21。根据保护范围的不同，保护技术可以分为通道保护、链路保护和分段保护三种。1)通道保护：源节点建立到达目的节点的工作通道，同时建立端到端备用通道，并且预留相应的网络资源。工作通道故障时业务可以倒换到备用通道上传输。2)链路保护：针对工作通道上的每条链路准备一条避开该链路的备用通道，并预留相应的备用波长。当某条链路失效时，所有经过它的工作通道直接在此链路附近寻找备用路由和备用波长，从而绕过失效部分而无需源节点和目的节点参与，工作通道上未失效的部分保持原状。3)分段保护：将端到端工作通道划分为多个较小单元即段，并为每个段建立备用通道提供保护。工作通道上划分出的每个单元称为工作段(Working Segment, WS)，而每个工作段所对应的备用通道称为备用段(Backup Segment, BS)。当工作通道的某个工作段发生故障时，只有故障发生处的备用段被激活，而工作通道上其他工作段仍保持原状。 (a) 链路保护 (b) 通道保护 (c) 交迭段保护 (d) 非交迭段保护 图2.5 通道、链路、分段保护对比图分段保护技术又可以进一步分为交迭段(Overlapped Segment)保护和非交迭段(Non-overlapped Segment)保护两种方式。交迭段保护方式中的各工作段之间可以存在相同的链路或者节点，而非交迭段保护方式则要求不同工作段之间首尾相连，不能包含相同的链路。图2.5(c)和2.5d)分别为交迭段保护和非交迭段保护示例。其中工作通道为(1-2-3-4-5)，交迭段保护方式将工作通道划分为(1-2-3-4)和(2-3-4-5)两个工作段，并建立(1-4)和(2-5)两个备用段进行保护。从图上可见两个保护段上包含相同的链路(2-3)和(3-4)。而如果采用非交迭段保护方式，工作通道将被划分为(1-2-3)和(3-4-5)两个首尾相连的工作段，分别用(1-3)和(3-5)两个备用段进行保护。从上面的示例可以看出，交迭段保护方式与非交迭段保护方式的主要区别在于工作链路是否可以受到多于一个备份段的保护。虽然两者都可以对工作段上的链路 (如链路2-3)提供保护，但是交迭段保护方式还可以对工作段上的节点(如节点3)提供保护，因此，交迭段保护方式的故障生存能力要优于非交迭段保护方式，但缺点是需要耗费更多的网络资源。 分段保护技术通过使用多个备份段来为整条端到端工作通道提供保护，与通道保护技术相比，其优点是缩小了故障恢复范围，当链路或节点发生故障时，只有故障点对应的备用段被激活，因此能够缩短业务恢复时间。另外，由于并不是为工作通道上的每条链路都提供一个备用段，因而分段保护技术和链路保护技术相比具有更高的资源利用率。总体而言，分段保护技术综合了通道保护技术的高资源利用率以及链路保护技术的快速业务恢复两个特点，因此针对WDM光网络的分段保护技术进行研究具有重要意义。三、WDM光网络分段保护的研究现状(一)、专有和共享分段保护技术 根据备用段上资源使用方式的不同，分段保护可以分为专有分段保护(dedicated shared protection，DSP)方法和共享分段保护(segment shared protection , SSP)方法两类23。专有分段保护方法的备用段使用专有保护技术来分配保护资源，即采用备用段预留资源为工作段独占的1+1保护方式，其保护资源不能被其他备用段使用。这种保护方法具有较快的倒换速度，但资源利用率不高。而共享分段保护方法的备用段保护资源可以被多个工作段同时使用，即1：N保护方式25，因此能够提高资源利用率，节约网络资源。但是由于需要进行故障检测和告警信息传递，并且需要业务重新传送，因此需要额外增加大量的业务恢复时间。目前已有大量文献对分段保护方法进行研究。基于分域的思想，提出一种基于较短跳数的启发式算法，将工作通道划分为几个相互重叠并且跳数相同的保护域，然后为每个域中的工作段建立SRLG分离的备用段。这种保护方法虽然减少了通道保护的范围，但由于没有考虑备用段的资源分配情况，因此阻塞率较高。提出一种类似的分域方法对光网络进行分割，将大型WDM光网络先分为较小的域，然后将穿过多个域的工作通道在每个域内划分为多个工作段，每个域为工作段在域内建立备用段。通过限制备用段的范围，路由计算复杂度有所降低。域内的资源仅分配给该域使用，可以实现资源的快速分配，并且具有较短的恢复时间。早期的文献并没有提出分段保护的数学模型和代数方法27。针对这一问题，提出了一种PROMISE共享分段保护算法，通过使用整数线性规划算法和启发式算法来建立数学模型确定工作段和对应的备用段。该算法在为工作通道确定工作分段时就充分考虑网络是否能为该工作段对应的备用段预留网络资源，以此提高保护成功率。在PROMISE方法的基础上，进一步提出了一种级联多元路由(CDR)分段保护方法。该方法由整数线性规划算法和启发式算法组成，其优化目标是查找代价和最小的工作段和备用段组合，从而减少路由计算时间，简化分段算法的复杂性。然而， PROMISE方法和CDR方法的分段设计并不完善，因此针对如何对工作通道进行合理分段，并计算相应的备用段提出了一种递归式子通道保护算法。该算法首先将工作通道的合理设计归纳为四项条件，然后设计算法来优化选择分段的起始节点和终止节点，使得建立的工作段满足上述的四项条件。经过仿真验证该算法具有较低的业务恢复时间，并且算法更加灵活。与先前对整个工作通道提供分段保护的思想不同，以连接可靠性为指标提出一种部分分段的新颖保护思路。该文献指出，在满足生存性要求的前提下，可以仅对工作通道的重要工作段提供保护，从而有效降低资源使用量和业务恢复时间。在设计保护机制时，针对不同业务的服务质量问题，一种通用分段保护(GSP)方法。该方法具有两个特点：1)动态考虑业务请求到达时的资源分配问题，根据资源可用情况将工作通道动态划分为多个交迭工作段，并设计了相应的启发式算法来实现。2）针对不同业务的服务质量要求不同，根据保护倒换时间这一重要指标设计不同的保护策略，保证