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东北大学硕士学位论文摘要 智能q o s 通信量疏导机制的研究与仿真实现 摘要 随着网络通信量爆炸性增长以及高性能网络设备的出现，密集波分复用d w d m ( d e n s ew 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 ) 技术将会成为下一代i n t e r n e t 骨干网的核心技 术。在日趋成熟的d w d m 网络中，如何解决波长带宽( 例如o c - 4 8 ，o c ，1 9 2 ，o c 7 6 8 ) 与一个典型业务连接带宽( 例如o c 1 ，o c 3 ，o c 一1 2 ) 之间的巨大差距也开始成为一 个研究新热点。显然，为每个业务提供一个专用波长，资源利用率低且不经济，并且由 于光纤中波长数、网络节点中光收发器数等的限制，不可能为每个通信量请求建立端到 端的独立光路连接。为此，需要引入通信量疏导机制，将低速通信流组合到高速波长信 道上，从而极大地提高网络带宽资源利用率。 本文研究了i p d w d m 光i n t e r n e t 中网状拓扑下的通信量疏导问题。网状拓扑下的 通信量疏导问题已证明是n p 难的，需要采用启发式算法或者智能优化算法来解决。本 文把服务质量q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的概念引入到通信量疏导中来，以最小化网络 资源占用率和最大化用户整体q o s 满意度为目标，基于正交设计多目标演化算法 ( o m o e a ) 、稳定淘汰算法( s e e a ) 和捕食搜索算法( p s a ) 设计了三种智能q o s 通 信量疏导机制。另外，建立了基于博弈论和纳什均衡的通用模型，并在该通用模型下应 用上述三种算法设计了三种博弈论智能q o s 通信量疏导机制。引入分层图思想，一体化 解决通信量疏导过程中的路由和波长分配问题。 为了评价本文设计机制的性能，开发了仿真软件，基于多个拓扑进行了仿真。仿真 结果表明，本文设计的通信量疏导机制可以有效地解决i p d w d m 光i n t e r n e t 中的通信 量疏导问题，具有良好的性能。 关键词：通信量疏导；博弈论；正交设计多目标演化算法；稳定淘汰算法；捕食搜索算 法 一一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n ds i m u l a t e di m p l e m e n t a t i o no nt h ei n t e l l i g e n tq o st r a f f i c g r o o m i n gm e c h a n i s m s a b s t r a c t w i t ht h ee x p l o s i v ei n c r e a s ei nn e t w o r kt r a f f i ca n dt h ee m e r g e n c eo fh i g hp e r f o r m a n c e o p t i c a ln e t w o r ke q u i p m e n t s ，d w d mo p t i c a li n t e r n e ti sc o n s i d e r e dt ob eam o s tp o t e n t i a l c a n d i d a t ef o r t h en e x tg e n e r a t i o ni n t e m e tb a c k b o n e s i n c ee a c hw a v e l e n g t hc a nb eo p e r a t e d a tv e r yh i g hs p e e d , e g ，o c - 4 8 ，o c 一1 9 2a n do c 一7 6 8 ，t h eh u g eb a n d w i d t hg a pb e t w e e nt h e c a p a c i t yo faw a v e l e n g t ha n dt h eb a n d w i d t hr e q u i r e db yl o w - r a t et r a f f i cs t r e a m s ，e g ，o c - 1 ， o c 一3a n do c 一1 2 ，a l s ob e i n gd e e p l yd i c u s s e d t oa c c o m m o d a t es u c hk i n do fl o w r a t et r a f f i c s t r e a m sf o rc o n n e c t i o n s ) w i t ho n el i g h t p a t hw i l ll e a dt oi n e f f i c i e l l tr e s o u r c eu t i l i z a t i o n a tt h e s a m et i m e ，i ti si m p o s s i b l et oe s t a b l i s he n d - t o e n dl i g h t p a t h sf o ra l lt h ec o n n e c t i o nr e q u e s t s ， d u et ot h el i m i t so ft h en u m b e ro fw a v e l e n g t h sp e rf i b e ra n dt h en u m b e ro ft r a n s c e i v e r sp e r n o d e t h u s ，t h ec o n c e p to ft r a f f i cg r o o m i n gi si n t r o d u c e dt os o l v et h i sp r o b l e m r a f f l e g r o o m i n gi s at e c h n o l o g yt h a tc a nm u l t i p l e xs e v e r a ll o w s p e e dt r a f f i cs t r e a m so n t oa l l i g h s p e e dw a v e l e n g t hc h a n n e l i no r d e rt ou s et h en e t w o r kr e s o u r c ee f f i c i e n t l y l o w - s p e e d t r a f f i cs t r e a m sn e e dt ob ee f f i c i e n t l ym u l t i p l e x e d ，o r , a sw ec a l l i t , g r o o m e d ，o n t o h i g h s p e e dl i g h t p a t h s a n di tc a ni m p r o v et h eu t i l i z a t i o no f t h en e t 、v o r kr e s o u r c eg r e a t l y i nt h i sp a p e r , t r a f f i cg r o o m i n gp r o b l e m si nt h ei p d w d mo p t i c a li n t e r n e ta r ed i s c u s s e d ， w h i c hh a v eb e e np r o v e dn p h a r dp r o b l e m s i nt h eu a i 强cg r o o m i n gp r o b l e m ，w ei n t r o d u c e t h ec o n c e p t o f q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，i no r d e r t o m i n i m i z e t h e n e t w o r kr e s o u r c e u t i l i z a t i o n r a t ea n dt om a x i m i z et h eq o sd e g r e eo ft h eu s e r sa tt h ef f m r f l et i m e ，t h r e ek i n d so fi n t e l l i g e n t q o st r a f f i cg r o o m i n gm e c h a n i s n m b a s e do n o m o e a ( o r t h o g o n a lm u l t i o b j e c t i v e e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ) ，s e e a ( s t e a d y e l i m i n a t i o n e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ) a n d p s p r e d a t o r ys e a r c ha l g o r i t h m ) a r ed 韶i g n e d w es e tu pag e n e r a lm o d e lb a s e do nt h e g a m et h e o r ya n dn a s he q u i l i b r i u m ，a n dt h e na p p l ya b o v em e n t i o n e dt h r e ea l g o r i t h m st o d e s i g nt h r e ek i n d so fg a m et h e o r yi n t e l l i g e n tq o st r a f f i cg r o o m i n gm e c h a n i s m s b y i n t r o d u c i n gl a y e r e dg r a p h , 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 tc a l lb es o l v e di n t e g r a t e d l yi n t h ep o e e s s i n go f g r o o m i n g t oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo f t h ed e s i g n e dr o u t i n gm e c h a n i s m s ，s i m u l a t e ds o f t w a r eh a s b e e nd e s i g n e da n dd e v e l o p e d l o t so fs i m u l a t e ds t u d i e sh a v eb e e nd o n e ，a n dt h er e s u l t sh a v e s h o w nt h a tt h ed e s i g n e dt r a f f i cg r o o m i n gm e c h a n i s m sc a l ls o l v et h et r a f f i cg r o o m i n g i i i 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o b l e m si ni p d w d mo p t i c a li n t e r n e te f f i c i e n t l ya n de f f e c t i v e l y k e y w o r d s ：t r a f f i cg r o o m i n g ；g a m et h e o r y ；o m o e a ( o r t h o g o n a lm u l t i - o b j e c t i v e e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ) ；s e e a ( s t e a d ye l i m i n a t i o ne v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ) ；p s a ( p r e d a t o r y s e a r c ha l g o r i t h m ) 一一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：一专多 签字日期：u 研畋w 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：导师签名 签字日期：厶司q 签字日期 。倒 ：易刀7 ，二加 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早三；百下匕 1 1i p d w d m 光i n t e m e t 1 1 1 基本概念 1 1 1 1 光纤原理 光纤是一根优质圆柱形玻璃纤维( 纤芯) ，光可以在其中高速传输。纤芯外是一层 同心玻璃镀层，其外还包裹着一层薄塑料套作为保护。纤芯反射指数比玻璃镀层稍高一 些，这两个反射指数比定义了临界角以。光纤工作原理是全反射原理：当一束光从纤芯 到达了镀层表面，如果其入射角小于以，则这束光被全部反射回纤芯中。 纤芯中光线可以不同角度发射出去，其中，每条光线有一个不同的模，有这样性质 的光纤称为多模光纤，多模会导致发射光线之间相互干涉，会限制采用多模光纤可以获 得最大比特率。如果纤芯直径非常小，光纤就像一根波导管，这样光线就可以沿光纤中 轴直线传播，具有这样性质的光纤称为单模光纤。单模光纤传输速率可以达到g b i t s 级， 传输距离可达几公里，但其造价较为昂贵。多模光纤纤芯直径约5 0 a n ，而单模光纤纤 芯直径只有8 - 1 0 a n 。 与传统铜缆相比，光纤衰减小，信号传输距离长；光纤径细，占用空间小，安装成 本低：光纤抗干扰能力更强，而且不易受化学物质腐蚀，所以可工作于更为恶劣的环境； 光纤不漏光，难于拼接，不易被监听，因而保密性好；光纤容量和传输速率比铜缆要大 得多。光纤本身质地脆，机械强度低，容易被折断，而且一旦光纤被折断，故障点很难 被找到，与铜缆相比，这是光纤一个缺点。 从上面比较看来，与铜缆相比，光纤优点要远远多于缺点，尤其是从人们对信息量 需求爆炸式增长这一趋势来看，光纤代替铜缆已成为必然。从二十世纪八十年代开始， 高带宽光纤就开始逐渐代替窄频带金属电缆，成为数据传输介质。 影响光纤传输质量因素主要有线性失真( 包括损耗和色散) 及非线性失真。它们在 一定程度上限制了光传输系统传输距离和容量，光纤非线性失真会限制波长在长距离传 输的数量、信号传播距离和信号注入功率。 1 1 1 2 光网络中复用技术 尽管我们已经和正在逐步地采用更快、更大容量的光纤替代电话线路作为通信系统 一】一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 主要传输介质，但是商用化电子设备速率最高只可能达到4 0 g b p s 1 1 ，而光纤信道带宽可 以达到4 0 t b p s ，电子器件瓶颈作用明显，光纤宽传输频带等优点并没有得到充分利用。 可见，现在所面临问题不是如何进一步提高光器件带宽，而是如何充分挖掘通信技术潜 力，消除光电器件之间这种严重带宽不匹配问题，从而使低速电设备不再是整个高速光 网络瓶颈。解决方法之一就是利用各种复用技术建立适宜机制和协议，进而把大量电子 终端( 如工作站、网关等) 数据复用到光通道中去。 复用技术主要包括时分复用t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术、空分复用s d m ( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术、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 ) 技术和频分复用f d m ( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术。下面主要讨论光时分复 用o t d m ( o p t i c a lt d m ) 、s d m 、w d m 和光分插复用o a d m ( o p t i c a la d dd r o p m u l t i p l e x e r ) 方式。 ( 1 ) o t d m 技术 在通信系统中，当信息传输速率很大时，高速电子器件和半导体激光器直接调制能 力将受到限制，光时分复用技术就是为了克服这一限制所采用的扩大传输容量的复用方 式，该技术采用多个电信道信号调制具有同一个光频的不同光信道，这些光信道经复用 后在同一根光纤上进行传输。它采用光纤耦合器来复用不同信号以实现扩容的目的。其 工作原理如图1 1 所示【。 n 两闹网 光 隈 i 激光卜_ 叫制卜叫光延卜 全1 器li 器il 时线i 功 时 光 ： 娄厂、 分 解 塞 型埒 交 n 分 复 。换 用 配倒 弋 i 锁模l 广钉厂可耍 器 u 葬粪器i i 激光卜蚓制卜叫光延l 壁l 矍il 堕堡i 图1 1 0 t d m 系统原理 f i 9 1 1t h e o r yo f t h eo t d ms y s t e m 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 o t d m 可以大大提高光谱带宽利用率，但是目前该技术还只处于研究状态，实现这 一技术所需光学元件仍旧在实验室里，有一些关键技术如皮秒脉冲产生和信号的复用 解复用及同步处理，解决色散问题的光孤子技术等，还没有完全解决。o t d m 技术还是 一项更长期的技术。 ( 2 ) s d m 技术 对s d m 一般理解为多条光纤复用即光缆复用。在某些地方，有现成光纤通信网管 道，并且还有空余位置。为了增加容量，可以在管道中拉入更多光纤，这比电子方法更 便捷。对于s d m 另一种理解是在一根光纤中实现空分复用，即对于光纤纤芯区域光束 空间分割。因为单模光纤纤芯部分芯径仅有8 - 1 0 a n ，而且传输光束波面各点相位要存 在涨落，因而这种波面空间分割极为困难。尽管最近有人提出了相干度理论分割方法， 但是距离实用化还很远。 ( 3 ) w d m 与d w d m 技术 w d m 是多个信源电信号调制各自光载波，经复用后在一根光纤上传输，在接收端 可用外差检测相干通信方式或调谐无源滤波器直接检测常规通信方式实现信道选择。采 用w d m 技术不仅可以扩大通信容量，而且可以为通信带来巨大经济效益。因而，近年 对这方面研究方兴未艾。w d m 技术在一根光纤上承载多个波长( 信道) 系统，将一根 光纤转换为多条“虚拟”纤，每条“虚拟”纤独立工作在不同波长上。当光复用系统光 信道间隔较小，一般指峰值波长间隔在1 - 1 0 r i m 量级时，w d m 系统称为密集波分复用 系统，即d w d m 系统。每个信道运行速度高达2 5 - 4 0 g b p s 。它最大优点是可以充分利 用光纤巨大带宽资源，使系统通信容量成指数级增加。w d m 工作原理如图1 2 所示【m 】： - - - - - - - 斗 图1 2 w d m 系统原理 f i 9 1 2t h e o r yo f t h ew d ms y s t e m d w d m 技术之所以得到人们关注，主要是基于以下几点原因： 一3 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一，从需求角度看，由于通信网络业务量飞速增长，人们对网络带宽有了新需求， 这就使得原有通信网络已无法满足不断增长的业务发展需要，从而推动了d w d m 技术 发展。 第二，全光器件发展极大促进了w d m 技术进一步发展。掺铒光纤放大器出现及其 商品化可以说是加速w d m 技术发展一个重要因素。利用掺铒光纤放大器可以在线路中 继点同时放大多个波长，而无需电中继，从而降低了整个系统复杂度和成本，使波分复 用商用化成为可能；其他器件如多波长高隔离度复用器解复用器、波长稳定窄线宽激光 器、高速外调模式等逐渐成熟，使得w d m 系统可以比较稳定工作，满足了用户对质量 需求。 第三，t d m 和码分多址复用c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 对电子器件速 率要求很高，而w d m 技术对电子器件速率没有什么特别要求，完全跳出了电处理技术 瓶颈，在不增加单信道容量情况下大幅度扩展系统容量，从而降低了扩容成本。 第四，d w d m 技术对信号速率、信息比特和数据格式是透明的，这就降低了系统 复杂度，使已经建成的光纤通信系统扩容方便。 第五，利用d w d m 可实现单根光纤全双工通信，这会大大降低组网成本。 可见，d w d m 技术对网络扩容升级、发展宽带新业务、充分挖掘和利用光纤带宽 能力、实现高速通信等都具有十分重要意义。d w d m 更有利于实现网络交换和复用， 有利于实现未来透明、具有高度生存性光网络。 采用d w d m 技术应当注意如下几个问趔3 】：单根光纤上波长数，每个波长串行比 特率、放大机制以及在信号到达终点或再生之前所经过节点个数与类型。 i p d w d m 技术就是d w d m 技术一种应用，随着光器件不断完善，必将拥有更加 广阔的应用前景，对其进行深入研究很有价值【卜3 1 。 ( 4 ) o a d m 技术 在w d m 光网络领域，人们兴趣越来越集中到光分插复用器o a d m 上。这些设备 在光波长领域内具有传统s d h 分插复用器在时域内的功能。特别是，o a d m 可以从一 个w d m 光束中分出一个信道( 分出功能) ，并且一般是以相同波长往光载波上插入新 信息( 插入功能) 。o a d m 具有选择性，可以从传输设备中选择下路信号或上路信号， 或仅仅通过某个波长信号，但不影响其他波长信道传输。o a d m 在光域内实现了s d h 中a d m 在时域内完成的功能，而且具有透明性，可以处理任何格式和速率信号。它能 - 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 提高网络可靠性，降低节点成本，提高网络运行效率，是组建全光网必不可少的关键性 设备。 1 i 1 3 光网络发展过程 根据光网络中使用的光交换技术，光网络可以分为三代：静态点到点光网络：波长 路由光网络w r o n ( w a v e l e n g t hr o u t e do p t i c a ln e t w o r k ) ：光分组交换o p s ( o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ) 网络和光突发交换o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 网络。 ( 1 ) 点到点光网络 在相邻路由器之间使用w d m 系统来作为点到点高速通道。一个非常典型例子是把 同步光纤网s o n e t ( s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k ) 用来在w d m 信道中设计和传输p 信息。在现在骨干网中，基于点到点环形s o n e t 传输结构已经被广泛采用，在这些网 络中，将m 分组封装在s o n e t 帧中进行传递。然而，s o n e t 并不是一种传输数据包 的好方法。s o n e t 从电信运营商角度来设计，光网络仅仅被认为是可以传输大量数据 的管道。随着数据为中心的i n t e m e t 不断发展，在许多操作中都要求高度智能化，比如 说光网络管理和控制。 ( 2 ) w r o n w r o n 中有一个很重要光学器件光交叉连接器o x c ( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t i o n ) 。这个设备可以将点到点光纤链路连接成任意拓扑网络。实际上o x c 是一种空分 复用设备，可以将光数据流从一个入口切换到一个出口。在o x c 中，有一个控制层面 处理器，用来实现光域信号和路由协议。在o x c 入口处可能进行光电转换，在出口处 可能进行电光转换，或许是全光域转换。在全光w r o n 中，在光路两个端点之间，传 输数据不需要进行处理，不需要进行光电转换，在中间节点不需要进行缓存。光节点 中有复用和解复用矩阵，还有o x c ，每个o x c 操作一个不同波长，这就意味着每个 o x c 输入波长都一样。所有光输入流在切换之前都会解复用到波长层次，o x c 每个输 入都来自不同解复用器，相应输出连接到不同复用器。 在w r o n 中，使用连续波长通道光路将消息从一个节点传送到另一个节点， 在中间节点处不需要进行任何光电转换或缓存操作，这个过程就是所谓的波长路由。在 中间节点处使用o x c ，可以在光域上完成对光路进行路由。光路两个端节点把发射器 或接收器调整到一条光路使用波长上，可以对光路进行访问。光路是通过为数据传输整 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 条路径上所有链路分配同样波长而建立起来的，它是两个节点间一条全光通信信道。光 路同时也是一个高带宽管道，可以用若干g b p s 速率传送数据，它由物理链路和波长唯 一定义。 在所选路径所有链路上必须使用相同波长，这一性质称为波长连续性限制。由于波 长连续性约束，可能无法为所有节点对建立光路。不同波长分配限制要求对同一光纤上 两个不同光路不能分配相同波长，否则产生波长分配冲突，但如果是互不重叠链路组成 不同光路，则可以同时使用相同波长，这一性质称为波长重用。 在可用波长有限情况下，波长重用有利于建立更多光路，同时使波长路由光网络有 很高的可扩展性。波长重用使光路中发射能量不必分裂给不相干端节点，从而网络可以 覆盖更广范围。 波长路由光网络具有波长可重用、与协议无关和高可靠性等优点，非常适用于广域 网。 3 ) o p s 和o b s 网络 o p s 通过对共享带宽进行统计复用，提高了带宽利用率。o p s 最终目标是整个分组 都在光域进行处理。然而，这个技术现在还没有实现，还需要进行光电转换。一种解决 方法是在电域处理分组头部，而负载部分在光域处理。 o p s 设备包括三个部分：一个包含光同步装置的输入接口，它可以将收到的分组实 时进行排列；交换核心部分，可以将分组路由到正确的出口，并且解决争端；输出接口， 为分组插入新头部，还有可能重新生成数据。 o p s 逐渐成为全球研究热点。w d m 分组交换在实验室已经成功实现。然而，在其 进入市场之前还有很多技术上挑战需要解决。光分组交换网络和电分组交换网络中一个 很大区别就是光随机访问存储器设计，在实验阶段，用光延迟栈来代替光随机访问存储 器，然而，这个方法并不是长久之计，因为其可能导致控制机制比较复杂、网络资源占 用率较低等缺点。这方面研究目标是找到一个分组交换网络，可以在网络资源比较缺乏 情况下提供可靠服务。 o b s 的数据传输单元是一个突发，它是一个分组链，这个分组链中所有分组入口节 点和出口节点都相同，并且在相同中间节点进行转换。一个突发通常由头部和数据部分 组成。头部又叫做控制突发c b ( c o n t r o lb u r s t ) ，数据部分又叫做数据突发d b ( d a t a b u r s t ) ，它们的传输相互之间是独立的。首先沿着路径传输c b 来为相应的d b 预留带 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 宽，然后沿着c b 预留的路径来传输d b 。o b s 可以实现较高带宽利用率，因为它一次 处理一个分组链而不是处理单个分组，这就使得平均处理过程要比单纯分组交换要低。 同样可以通过操作控制分组和突发数据之间时间差来实现q o s 。o b s 组合了w r o n 和 o p s 网络优点。在w r o n 中，在中间节点不需要进行缓存和电处理。同时，o b s 通过 短时间预留信道增加了网络资源占用率。 由于其显著性能，o b s 在光交换和o p s 之间取得了良好平衡，为光网络提供了暂 时解决方案。然而，还有很多技术问题需要研究和完成，比如说协议和结构以及信号接 口和q o s 支持。 1 1 1 4i p d w d m 光i n t e m e t 的发展 口与d w d m 光网络结合经历了如图1 3 所示几个过程。这个过程也是网络结构由 复杂到简单的进化过程。从图1 3 中可以看到，传统网络存在着多个层面和多种技术结 合，这也就造成了网络结构和管理复杂，同时组网成本及运营成本较高。随着口与光 技术发展，将可以实现直接在光传输层面承载p 业务。与光传输将可以实现统一控 制平面，从而使得口与光传输网融为一体。 匡i p 匪匡三 ( a )c o )( c )( d ) 图1 3 i p d w d m 网络的体系结构发展 f i 9 1 3e v o l u t i o no f i p d w d mn e t w o r ka r c h i t e c t u r e s 图1 3 ( a ) 中所示结构可以针对多种应用提供不同服务，它通过a t m 层来保证业 务q o s 特性，通过s o n e t s d h 实现对网络的保护、恢复和故障定位等。但同时，这种 网络也存在着很多问题，由于a t m 高开销使得传输效率较低，而s o n e t s d h 结构也 造成了网络管理复杂、组网费用高等缺点。i p a t m d w d m 和 s 0 n e t s d h d w d m 分别省略了图1 3 ( a ) 中的s o n e t s d h 层和a t m 层，也相应地克服了 i p a t m s o n e t s d h 的对应不足。i p d w d m 结构，如图1 3 ( d ) 所示，是只使用p 和d w d m 两层网络，这一结构传输效率高，组网和管理费用低，适用于城域网及广域 网骨干网，必将成为下一代i n t e r n e t 骨干网选择。 1 1 2 互连模型 一7 一 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 1 1 2 1 对等模型 对等模型是【3 1 由i n t e m e t 工程任务小组i e t f ( i n t e r a c te n g i n e e r i n gt a s kf o r e ) 提出 的网络结构，其基本思想是将光层控制智能转移到p 层，由m 层来实施端到端控制。 在这个模型中，m 业务层和光网络层对等，即在两个层面上运行同一个路由协议，采用 统一集成控制面。i e t f 将这种控制面称之为通用多协议标签交换g m p l s ( g e n e r a l i z e d m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ) 技术，这是对传统m p l s 路由、信令协议和控制机制的进一 步拓展。网络中所有节点( 包括路由器和o x c 等) ，都被当作可对等互通标记交换路由 器l s r ( l a b e ls w i t c h e dr o u t e r ) ，在统一控制下进行路由选择和链路状态信息发布等分 布式操作。此时，任何一个路由器( 不必与光网络邻接) 都可以自动以源路由方式创建 标记交换路径l s p ( l a b e ls w i t c h e dp a t h ) ，该l s p 所经过光节点设备被同样看作是可按 照“标记”进行转发的l s r 。此时，光网络和口网可以看作一个集成网络，光交换机 和l s r 之间可以交换所有信息并运行同样选路和信令协议，实现一体化管理和流量工 程，即由单个控制面跨越核心光网络和周围边缘客户层设备，允许边缘客户层设备看到 核心光网络内部拓扑结构，参与路由计算和选择。 然而，对等模型也有相应缺陷。首先，为实现全网统一控制，需要在网络中交换大 量状态和控制信息，为此而造成的对网络性能的影响还不是很清楚。其次，两个层面技 术也会互相牵制，另外，运营商往往不愿意向客户公开其内部网络信息( 例如拓扑信息 等) ，同时，运营商希望网络尽量保持稳定，对于全网范围内业务配置、保护恢复等有 全面管理，因此，如果网络动态程度过高，不仅使路由器选路工作量负担过重，还会影 响路由稳定性。此外，采用集成模型后，网络运营商无法提供灵活策略控制和分级域管 理体制；光层在选路和保护恢复方面与m 层有明显的不同限制，对形成统一的选路和 保护恢复控制有相当的难度。这种模型使口与光传送层之间有大量的状态和控制信息 需要交换，从标准化的角度较难实现光传送层的互操作性。 1 1 2 2 重叠模型 重叠模型【3 1 ，又称客户一服务器模型。重叠模型是由光互联论坛和国际电信联盟t 1 r u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) 等国际标准组织所提倡的网络模型。在这个 模型中口业务层和光网络层是完全独立的两层，这两个层面拥有各自独立的控制面， 一个在核心光网络层，而另一个在客户层( p 业务层) ，它们通过一个公共的用户网络 接口u n i ( u s e r - t o - n e t w o r ki n t e r f a c e ) 协议来完成互联，而边缘客户层设备和核心网络 层设备之间不交换网络内部信息( 例如光网络拓扑信息等) ，实施独立选路。边缘客户 一8 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 层设备只能看到动态或静态配置的跨越核心网光通道，看不到核心光网络内部拓扑。将 光层特定控制智能完全放在光网络层独立实施，无须客户层干预，光网络层成为一个开 放通用传送平台，可以为包括口层在内所有客户层提供动态互联。对客户层而言，光 网络是黑匣子，客户层协议通过标准u n i 接口向光网络层申请电路交换光通道通路，最 大限度地实现了光网络层和客户层控制分离。每个边缘客户层设备利用标准u n i 接口直 接与光网络通信，而光网络由予网组成，予网之间互联利用标准的网络网络接口n n i ( n e t w o r k - t o n e t w o r ki n t e r f a c e ) 。核心光网络为网络边缘客户( 诸如路由器、a t m 交换 机和a d m ) 提供波长业务。 由客户层设备提出传输带宽请求，光网络层如果有容量，连接将被建立。针对不同 服务等级协议s l a ( s e r v i c e l e v e l a g r e e m e n t ) ，通过u n i 协议，甚至还可以在提出连接 请求的同时也随路提供诸如合同标识和所需业务质量等级等信息。例如，可以要求光网 络层提供高可靠性保护连接或者提供没有任何保护的连接服务。 重叠模型将业务层和光网络层功能分隔得比较明晰、简单，为光网络层未来支持多 业务信号( 不仅限于口路由器) 奠定了基础。同时，通过u n i 协议完成连接请求，屏 蔽运营商光网络拓扑细节，这也符合运营商实际运营需要。另外，这个模型可以实现两 层各自发展互不制约，且允许子网分割，为运营商充分利用现有资源和未来引入新技术 铺平了道路。另外，采用这种方式后在网络运营商和客户层信号间有一个清晰分界点， 允许网络运营商按照需要实施灵活的策略控制和提供灵活的s l a 。最后，这种模型可以 利用成熟的标准化u n i 和叮，比较容易在短期内实现多厂家光网络中互操作性，迅 速实施网络商用化，这对网络运营者十分重要。 重叠模型的缺陷在于分离的控制平台之间造成功能重复，使业务层面路由不能有效 地利用下层光传送层拓扑资源，从而造成资源浪费，并且，分层控制面在协同工作具体 实施方面也有一定复杂性。同时，网络点到点连接由边缘设备来建立，需要在边缘设备 之间建立d ( 2 ) 条点到点网状路径之后才能传送数据。这些点到点连接同时需要被路由 协议使用，而一次链路状态公告l s a ( l i n ks t a t ea d v e r t i s e m e n t ) 会在点到点网格产生 o ( 3 ) 的消息，导致很大网络开销，进而限制了允许联网边缘客户层设备的数量，使这 种结构难以扩展。 在这种模型下，口层路由、拓扑分布和通信协议与光域中路由、拓扑和协议是不相 关的，需要为光域单独配制一个控制层，与m 域内控制层相互独立。重叠路由可以支 持这种模型。这种路由方法采用重叠机制，允许边缘路由器注册和寻找扩展地址信息。 一9 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 3 扩展模型 可以说，重叠模型是对等模型功能子集，只要将对等模型中交换路由拓扑信息屏蔽， 同时保持其信令功能就可以实现重叠模型。从这一层面上考虑，两者在本质上一致。扩 展模型【3 j 贝u 是要将两个模型进行有机结合。在扩展模型情况下，运营商可以对自己内部 p 网和光网络采取对等模型构建，而对于要连接的其他运营商网络和其他客户层信号可 以采用重叠模型来构建。 扩展模型中，口域和光域控制面在功能上相互分离，各自运行自己寻路协议，但是 它们之间利用标准协议在u n i 上交换网络可达性信息。例如，可以为光网络设备分配 疋地址，并由光域路由协议承载，把这些信息提供给m 域，从而实现一定程度自动寻 路。这种模式集成了前两种模式优点，而且相比于对等模型在短期内也较容易实现，其 光网络规划和恢复过程可以与客户网络路由相互独立。另外，这种方法还支持通常情况 下光网络和客户网络由不同实体管理情形。这种模型关键问题在于如何在d 一光u 】蛆 接口处进行路由信息交换。可能会采用如下两种措施：( 1 ) 采用域问口路由协议b g p ， 可以在口和光域间交换路由信息；( 2 ) 考虑使用o s p f 域( 此时o s p f 可以支持两级路 由机制) 在两域间交换路由信息。 本文研究主要针对对等模型。 1 2 通信量疏导 1 2 1 通信量疏导问题的产生 在以往路由算法中，通常是以波长为最小粒度，为通信量请求分配带宽。在 i p d w d m 光i n t e r n e = t 中，由于采用了d w d m 技术，使单根光纤的带宽容量达到a n b p s ， 光纤中每个波长也可提供高达g b p s 传输容量。但与此同时，网络中很多通信量请求带 宽需求远远小于一个波长带宽，如o c 1 、o c 3 和o c 1 2 等。如果为每个带宽需求小于 波长粒度的通信量请求分配一个独立波长信道，会使网络带宽资源利用率不高。为降低 网络费用，提高对网络带宽资源利用率，需要将多个低速通信流请求汇集到一个大容量 光路中传输。因此，引入了通信量疏导概念。通信量疏导是一种可以将低速通信流组合 到高速波长信道上的技术瞪- 7 1 。 通信量疏导问题可以描述如下：给定一个网络配置和一个连接请求集合，网络配置 由网络提供商给定，连接请求集合代表用户需求，包括带宽、延迟等多方面确定怎样建 立光路来满足这些连接请求，为了节省网络资源，有多个连接可能需要复用到相同光路 一1 0 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 上去。 通信量疏导可以分为两种：静态通信量疏导和动态通信量疏导。静态通信量疏导是 指连接请求集合提前给出，它是一个双重优化问题，在无阻塞情况下，优化目标是最小 化网络费用，当有阻塞时，最大吞吐量又成为其优化目标。对于动态通信量请求，连接 请求依次出现，优化目标是最小化每个请求使用的网络资源，这样可以减少后来请求的 阻塞率。 通信量疏导可以分为四个子问题，它们之间不是相互独立的【6 l ： ( 1 ) 确定虚拟拓扑，即一系列端到端光路构成的拓扑结构； ( 2 ) 在物理拓扑上路由光路； ( 3 ) 对光路进行波长分配； ( 4 ) 在虚拟拓扑上路由通信量。 其中，虚拟拓扑设计已证明是n p 难的f 7 】另外，路由和波长分配也是n p 难的【7 1 。 因此，通信量疏导也是n p 难的。 解决通信量疏导问题有两种方法。一种方法是“分而治之”，通过分别解决四个子 问题来解决通信量疏导问题。首先确定虚拟拓扑，然后进行路由和波长分配，最后路由 通信量请求。因为有关每个子问题的解决方法已经有很多研究成果，可以将它们应用于 解决通信量疏导问题。尽管这种方法使得通信量疏导问题变得比较容易解决，但也存在 着一个问题即每个子问题最优解不一定是整个问题最优解，因为每个子问题之间不是互 相独立的，一个子问题的解决可能会影响别的子问题的解决，而且这种方法需要提前知 道所有的通信量请求，因此不能满足动态通信量疏导问题，另外一种方法是将四个子问 题作为一个整体来解决。因为它同时考虑四个子问题的约束，这种方法得到解的性能可 能会更好一些。本文就是采用这种集成方法来解决通信量疏导问题。 1 2 2 复用技术在通信量疏导中的作用 不同复用技术在通信量疏导中的作用不同。 ( 1 ) s d m ：分割物理空间以提高传输带宽，例如将一组光纤捆绑为一根光缆或在一 条网络链路中使用多根光缆。 ( 2 ) w d m ：将可用频谱分割成一组相互独立信道。在光网络中应用w d m 或d w d m ， 使给定光纤能够在不同波长上传送信息。w d m 将光谱粗略地分成若干波段，每个波段 又可进一步细分为波长信道。 一l 】一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) t d m ：将波段时间域分成不断重复等长时间槽，时间上互不重叠多个信号通过 使用t d m 技术共享同一个给定波长。 1 3 课题来源 本课题得到如下项目