（计算机系统结构专业论文）ipdwdm光internet中通信量疏导机制的研究与仿真实现.pdf

东北天学硕士学位论文摘要 i p d w d m 光i n t e r n e t 中通信量疏导机制的研究与仿真实现 摘要 随着i n t e m e t 在全球范围的发展，人们对通信系统的容量、带宽及传输质量等都提 出了更高的要求。采用密集波分复用技术( d w d m ，d e n s ew a v e l e n g t h - d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 的光网络可以提供很高的带宽，有利于充分发掘光纤的带宽资源，有利于 发展新型业务、保证传输质量，因而成为人们瞩目的焦点。l p 是数据传输中应用最为 广泛的协议。i p 技术与d w m d 光网络的结合- - i p d w d m 光i n t e m e t 将是下一代 i n t e m e t 骨干网的重要选择， 在1 p d w d m 光i n t e m e t 中，用户的一个通信量请求所需要的带宽往往小于网络中 一个波长信道的容量。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的 波长信道。会造成网络带宽资源的浪费，为此，引入了通信量疏导机制。它是一种将低 速通信流组合到高速波长信道上的技术，可以极大地提高i n t e m e t 的带宽资源利用率。 本文针对i p d w d m 光i n t e m e t 中网状拓扑下的静态和动态通信量疏导问题分别进 行研究。网状拓扑下的通信量疏导问题已证明是n p 难问题，需要采用启发式算法或智 能优化算法来解决。针对静态通信量疏导，本文把服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s 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，基于博弈论和分层图的思想，建立了可应用智能优化算法的通用框架结构，并 在该框架中应用人工免疫算法，对该问题进行求解。针对动态通信量疏导问题，本文提 出了一种新型启发式算法，为新到达的通信量请求路由和分配带宽等网络资源，同时最 小化满足该通信量请求的网络费用。 为了验证算法的可行性和有效性，用v c + + 6 o 开发了一个仿真环境，同时以美国自 然科学基金网n s f n e t 、中国教育和科研计算机网c e r n e t l 和c e r n e t 2 以及欧洲巨 人网g i i a n t 等的骨干网拓扑为仿真用实例，将本文设计的算法与已有的经典启发式算 法进行性能比较，并对网络参数对算法的影响进行了分析。仿真结果表明，本文提出的 静态和动态通信量疏导算法是可行和有效的。 关键词：i p d w d m ，光i n t e m e t ，通信量疏导，启发式算法，博弈论，人工免疫算法 i i 查垄查兰壁主兰堡垒圭j 塑坠! ! 生 r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o ni m p l e m e n t a t i o no nt h et r a f f i c g r o o m i n gm e c h a n i s m s i ni p d w d mo p t i c a li n t e r n e t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e ta tt h ew o r l ds c o p e ，h i g h e rc a p a c i t y ，h i g h e r b a n d w i d t h ，a n db e t t e rd e l i v e r yq u a l i t y a r e r e q u i r e d t h et e c h n o l o g y t op r o v i d eh i g h b a n d w i d t ho v e rt h eo p t i c a lf i b e r s ，b yt h em e a n so fd w d m ( d e n s ew 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 ) ，i sa v a i l a b l e i pi st h ep r o t o c o lm o s tw i d e l yu s e di nd a t at r a n s p o r t t h u s ，t h e c o m b i n a t i o no fi p , t o g e t h e rw i t hd w d mo p t i c a ln e t w o r k s i po v e rd w d mo p t i c a li n t e r n e ti s c o n s i d e r e dt ob eam o s tp o t e n t i a lc a n d i d a t ef o rt h en e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e tb a c k b o n e i nt h ei p d w d mo p t i c a li n t e r n e t ，t h e r ee x i s t sal a r g eg a pb e t w e e nt h ec a p a c i t yo fa w a v e l e n g t hc h a n n e la n dt h eb a n d w i d t hr e q u i r e m e n to f at y p i c a lc o n n e c t i o nr e q u e s t i tw i l lb e ag r e a tw a s t eo ft h eb a n d w i d t hr e s o u r c et oa l l o c a t et h ee n t i r eb a n d w i d t ho ft h ew a v e l e n g t h c h a n n e lt oal o w s p e e dc o n n e c t i o nr e q u e s t t h u s t h ec o n c e p to f “t r a f f i cg r o o m i n g ”i s i n t r o d u c e dh e r et os o l v et h i sp r o b l e m t r a f f i cg r o o m i n gi sat e c h n o l o g yt h a tc a nm u l t i p l e x s e v e r a ll o w s p e e dt r a f f i c so n t oah 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 k r e s o u r c e se f f i c i e n t l y , l o w - s p e e dt 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 e c a l li t ，“g r o o m e d ，”o n t oh 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 ft h e n e t w o r kb a n d w i d t hg r e a t l y i nt h i sp a p e r , s t a t i ca n dd y n a m i ct r a f f i cg r o o m i n gp r o b l e m sa r ed i s c u s s e ds e p a r a t e l y , 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 es t a t i ct r a f f i cg r o o m i n gp r o b l e m ，w e i n t r o d u c et h ec o n c e p to fq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) ；i no r d e rt om i n i m i z et h en e t w o r kc o s t u t i l i z a t i o nr 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 es a n l et i m e ，w es e tu pa g e n e r a lf r a m e w o r kb a s e do nt h eg a m et h e o r ya n dt h ei d e ao ft h el a y e r e dg r a p h ，a n dt h e n a p p l yt h ei n t e l l i g e n tc o m p u t i n ga l g o r i t h m t h e a r t i f i c i a li m m u n ea l g o r i t h mt ot h e f r a m e w o r kt os o l v et h ep r o b l e m a si sf o rt h ed y n a m i ct r a f f i cg r o o m i n gp r o b l e m ，an o v e l h e u r i s t i ca l g o r i t h mi sp r e s e n t e d ，w h i c hr o u t e sa n da s s i g n sw a v e l e n g t h sf o rt h en e w c o m i n g c o n n e c t i o nr e q u e s t ，a n dm i n i m i z e st h ec o s tf o rt h er e q u e s ta sw e l l i no r d e rt oc h e c kt h ef e a s i b i l i t ya n dt h ev a l i d i t yo ft h ep r o m p t e da l g o r i t h m s ，as i m u l a t i o n e n v i r o n m e n ti sd e v e l o p e d 、v i mv c + + 6 0a n ds e v e r a lp r a c t i c a lo p t i c a ln e t w o r k s ，s u c ha st h e n s f n e t , t h ec e r n e t l ，t h ec e r n e t 2a n dt h eg e a n t , a r et e s t e da n dh a v eg o ts a t i s f y i n g r e s u l t s i l l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e yw o r d s ：i p d w d m ，o p t i c a li n t e r a c t ，t r a f f i cg r o o m i n g ，h e u r i s t i ca l g o r i t h m ，g a m et h e o r y , a r t i f i c i a li r l l i l u r l ea l g o r i t h m i v 独创声明 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：筒、嘲学 签字日期：2 , 0 0 6 _ 锌- i 岛 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：件r 日半 导师签名 签字日期：妒多a a 签字闩期：彦伽孑，爱 东北大学硕士学位论文第一章i p d w d m 光i n t e r a c t 概述 第一章i p d w d m 光i n t e r n e t 概述 在过去2 0 余年的时间里，i n t e m e t 技术得到了迅猛的发展和广泛的应用，现在全世 界一年的通信量相当于过去几年甚至几十年的。随着信息化程度不断加深，人们对通信 的容量、速度、质量以及服务种类等各方面的要求也越来越高，传统的以电话线路为基 础的网络早已无法满足人们的需求。光纤以其传输频带宽、容量大、损耗低、抗电磁干 扰性强、线径细、资源丰富等优点，正在逐步替代铜缆成为新通信介质。 1 1 光纤通信 光纤是一根优质的圆柱形玻璃纤维( 纤芯) ，光可以在其中高速地传输。光纤结构 如图1 1 所示。光纤有多模和单模之分i m l 。纤芯中的光线可以按不同的角度发射出去， 其中，称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，会限制信号的传输距离，合理采用多模光纤可以获得最大比特率。 如果纤芯的直径非常小，光纤就像一根波导管，这样光线就可以沿光纤的中轴直线传播。 具有这样性质的光纤称为单模光纤。 倒1 1 光纤的结构 f i g 1 1s t r u c t u r eo f t h eo p t i c a lf i b e r 与传统的铜缆相比，光纤的衰减小，信号传输距离长；光纤的线径细，占用空间小， 安装成本低；光纤的抗干扰能力更强，而且它不易受化学物质的腐蚀，所以可工作于更 为恶劣的环境；光纤不漏光、难于拼接，这就使得它不易被监听，因而保密性好；光纤 的容量和传输速率比铜缆要大很多，但同时光纤本身的质地较脆，机械强度低，容易被 折断，而且一旦光纤被折断，故障点是很难被找到的。与铜缆相比，这是光纤的一个缺 点。 从上面的比较来看，与铜缆相比，光纤的优点要远远多于缺点，尤其是从人们对信 息量需求的爆炸式增长这一趋势来看，光纤替代铜缆已经成为必然。从八十年代开始， 高带宽的光纤就已经逐渐代替窄频带的金属电缆，成为传输数据的主要介质。 影响光纤传输质量的因素主要有线性失真( 包括损耗和色散) 及非线性失真。线性 失真在一定程度上限制了光传输系统的传输距离和容量，光纤的非线性失真会限制长距 查些查堂塑主堂堡垒圭 苎= 主! ! 尘! 旦坚垄! 坐! 翌! ! 坠 离传输中的波长数量、信号的传播距离和信号注入的功率。 1 2 密集波分复用技术 我们现在所处的社会是一个信息爆炸的社会，全球信息业务正处于疯狂增长的状 态，人1 f x t 代表通信容量的带宽的需求正处在一种所谓“无限渴求”的状态。尽管我们 已经和正在逐步地采用传输速度更快、传输容量更大的光纤替代电话线路，作为通信系 统的主要传输介质，商用化的电子设备的速率最高只可能达到几十个g b p s ，而光纤通 道的带宽可以达到几十个t b p s 甚至更高，电子器件的瓶颈作用明显，光纤的高带宽带 等优点并没有得到充分的利用。可见，我们现在所面临的问题不是如何进一步提高光器 件的带宽，而是如何充分挖掘通信技术的潜力，消除光电器件之间这种严重的带宽不匹 配问题，从而使低速的电设备不再是整个高速光网络的瓶颈。解决方法之一就是利用各 种复用技术建立适宜的机制和协议，进而把大量电子终端( 如工作站、网关等) 的数据 复用到光通道中去。 目前，光通信网络中的复用技术有波分复用( 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 ) 、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 ) 和码分多址( 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 ) 复用技术。其中的波分复用技术是当前最引人注目的光 域复用技术。 1 2 1 波分复用技术 w d m 1 ，2 j 技术就是在同一条光纤中能同时传输具有不同波长的几个甚至几十个以 上的光载波，而每个载波又各自荷载一群数字信号的技术。它将单模光纤的可用带宽( 波 段) 划分成多个独立的波长，每个波长是一个信道。在发送端采用合波器将不同的波长 信号复用起来，并送入一根光纤中进行传输；在接收端，再采用分波器将光信号解复用， 并送到不同的终端。所以，w d m 又称多路复用技术。它最大的优点是可以充分利用光 纤的巨大带宽资源，使系统的通信容量呈指数级增加。w d m 工作原理如图1 2 所示： 图1 2 w d m 系统原理 f i g 1 2t h e o r yo f t h ew d ms y s t e m 一2 一 查苎查芏塑主兰堡堕查 1 2 2 密集波分复用技术 第一章i p t d w d m 光i n t e m e t 概述 当光复用系统的光信道间隔较小，一般指峰值波长间隔在1 - 1 0 纳米量级时，w d m 系统称为密集波分复用系统，即d w d m 系统。d w d m 系统在同一光纤中可并行传输 上百个波长，波长的传输速率可达几十个g b p s 或者更高，单根光纤的传输速率更可达 到几十个t b p s 以上。如2 0 0 5 年1 2 月成功开通的中国电信8 0 x 4 0 g b p s d w d m 上海 杭州光传输系统工程，每个波长的传输速率为4 0 g b p s ，单根光纤的传输速率达到了 32 t b p s 。 d w d m 技术之所咀得到人们更多的关注，主要是基于以下几点原因； 首先，从需求角度看，由于通信网络业务最的飞速增长人们对网络带宽有了新的 需求，这就使得原有通信网络己无法满足不断增长的业务发展需要，从而推动了d w d m 技术的发展。 其次，全光器件的发展极大地促进了波分复用技术的进一步发展。掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 的出现及其商品化可以说是加速波分复用技术发展的一个重要因素。利用 e d f a 可以在线路中继点同时放大多个波长，而毋需电中继，从而降低了整个系统的复 杂度和成本，使波分复用的商用化成为可能：其他有源无源器件如多波长岛隔离度的复 用器解复用器、波长稳定窄线宽的激光器、高速外调模式等的成熟，使得波分复用系统 可以比较稳定的工作，满足了用户对质量的需求：全光域的波长转换器也逐步达到了商 品化的阶段，降低了传输过程中电处理的时间，提高了信号传输的速率。 第三，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 的复杂度，使已经建成的光纤通信系统扩容方便， 第四，利用d w d m 可实现单根光纤的全双工通信。这会大大降低组网成术。 可见，d w d m 技术对网络的扩容升级、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的意义。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的、具有高度牛存性的光i n t e m e t 。 i p d w d m 光i n t e r n e t 就是密集波分复用技术的一种应用。它代表着光网络未来的 发展方向，随着光器件的不断完善，i p d w d m 光i n t e m e t 必将拥有更加广阔的应用前 景，对其进行深入的研究是很有价值的1 ”。 景，对其进行深入的研究是很有价值的【i 。i 。 查些垄兰堡主兰堡垒查 1 3i p d w d m 光i n t e r n e t 第一章i p d w d m 光i n t e r n e t 概述 1 3 1i p d w d m 光i n t e m e t 的体系结构 i p 与光网络结合经历了如图1 - 3 所示的过程。这一过程也是光网络体系结构由复杂 到简单的进化过程。从图1 3 中可以看到，传统的网络中存在着多个层面和多种技术的 结合，这也就造成了网络的结构和管理复杂，组网的成本及运营的成本较高。随着i p 与光技术的发展，将可以实现直接在光传输层面承载口业务。i p 与光传输将可以实现 统一的控制平面，从而使得i p 与光传输网融为一体啦“。 r p a t m ls 。n t r r 店。h id w d m i 球 a t m d w d m i p s o n e t j s d h d w d m ( b ) ( c ) p d w d m 图1 31 p d w d m 网络的体系结构发展 f i g 1 3 t h e p r o g r e s so f i p d w d m n e t w o r k a r c h i t e c t u r e s 1 3 1 1i po v e r a t mo v e rs o n e t s d ho v e rd w d m i p o v e r a t mo v e rs o n e t s d ho v e r d w d m 结构如图1 3 ( a ) 所示。传统的运营商在 提供a t m 和i p 时使用了所有i p 、a t m 、s o n e t s d h 和d w d m 技术。运营网络中包 括这四种技术，导致了网络体系结构也是由这四种技术组成的一种重叠的结构。其中， i p 层用来提供i p 业务，下面的a t m 层可以保证业务能够以极好的q o s 特性来传输， 再下面的s o n e t s d h 层在网络保护、恢复、故障定位和抵抗光纤断裂方面具有极好的 特性，d w d m 层可以提供很高的传输带宽。 虽然利用多种技术可以针对不同的业务提供不同的功能，但是这种重叠的网络结构 也带来了很多缺陷。首先，坤数据包需映射成a t m 信元，由此形成的传输开销约占整 个传输费用的2 0 3 0 ，从而导致了网络传输效率低。此外，还需要解决p 地址与a t m 地址多重映射的矛盾，以及i p 网络的面向非连接特性与a t m 面向连接特性之间的矛盾， 这就造成了网络管理比较复杂，从而使得这种网络结构对超大型的i p 骨干网不太适用。 东北大学硕士学位论文 第一章i p d w d m 光i n t e r a c t 概述 虽然利用s o n e t s d h 技术可以提供很好的保护和恢复功能，能够抵抗光纤的断裂，但 由于其复杂的配置和网络管理，造成了网络的初始设备投入太大和网络费用过高的弊 端。此外，由于这种网络结构中存在了多个层次的重叠，各种技术之间需要协调也导致 了网络管理复杂，管理费用高。 1 - 3 1 2i po v e r a t mo v e rd w d m i p o v e r a t m o v e r d w d m 结构如图1 3 ( b ) 所示，它与前面图1 3 ( a ) 的结构类似，只 是取消了s o n e t s d h 层。这一结构的优点是可以充分利用a t m 的快速交换和完善的q o s 保证功能，确保网络q o s ；网络具有很好的扩展性和灵活性；支持将多种业务，如数据、语音 和视频，汇集到同一个网络上，为不同业务类型提供不同的q o s ；有很好的网络流量管理和 控制功能，a t m 在流量控制方面非常精细，这一点对带宽非常宝贵、线路费用非常高 的广域网来说就显得格外重要，这也是目前a t m 技术能够在广域网中被广泛采用的原 因之一。但是如前面所说，由于i p 数据包需映射成a t m 信元，造成了该结构传输效率 低的缺点；同时由于该结构的网络管理比较复杂、设备昂贵，不太适用于超大型l p 骨 干网。 1 t 3 1 _ 3i po v e rs o n e t s d ho v e rd w d m i po v e rs o n e t s d ho v e rd w d m 结构如图1 3 ( c ) 所示。能支持多种业务曾经是 a t m 独一无二的特点，但是，随着i p 技术的发展和网络硬件的不断完善，今天的m 已 成为各种业务的核心，语音、数据和视频业务都可由口承载，a t m 的优点已逐渐被 技术所取代，特别是当数据业务量超过语音和视频时，更显得a t m 没有存在的必要， 况且去掉a t m 层还可以提高传输效率。因此，i po v e rs o n e t s d h 应运而生，这技 术极大地动摇了a t m 在广域网中的地位。 采用这种体系结构的优点是：坤业务可直接被s o n e t s d h 层所传送，去掉了a t m 层，也同时消除了由于a t m 包头开销导致的传输效率低下的问题，简化了网络结构， 降低了运营成本；对i p 路由的支持能力强，具有很高的传输效率；符合i n t e m e t 业 务的特点，如有利于实施多播方式；能利用s o n e t s d h 技术本身的环路和网络自愈合 能力达到链路纠错的目的；同时又可以防止链路故障造成的网络停顿，提高了网络的稳 定性；将i p 网络技术建立在s o n e t s d h 传输平台上，可以很容易地跨越地区和国界， 兼容不同技术标准，实施全球联网。 i po v e rs o n e t s d h 的缺点是：目前尚不支持虚拟专用网( v p n ，v i r t u a lp r i v a t e n e t w o r k ) 和线路仿真；在所有包交换技术中，a t m 对q o s 的支持是最好的，它可以做 东北大学硕士学位论文第一章1 p d w d m 光i n t e m e t 概述 到线路仿真，而i po v e rs o n e t s d h 技术只能进行业务分级，不能提供更好的q o s ；对 大规模的网络，必须处理庞大、复杂的路由表，而且查找困难，传输路由信息要占用比 较大的带宽。 1 3 1 4 i p o v e r d w d m i po v e rd w d m 结构如图1 3 ( d ) 所示。i po v e rd w d m 组网技术是在i po v e r s o n e t s d ho v e rd w d m 的基础上发展起来的。它不采用s d h 时分复用，而是将原来 的多个时分复用信道改为波分复用d w d m ，只使用i p 和光d w d m 技术的两层网络， 即我们这里所说的光网络。其优势是减少了网络各层的中间冗余部分，减少 s o n e t s d h 、a t m 、i p 等各层之间的功能重叠，从而降低了设备操作、维护和管理的 费用；这样能够充分利用光纤的宽带资源，极大地提高了网络带宽资源利用率和相对传 输速率，不仅与现有的通讯网络兼容，还可以支持未来宽带业务网升级，并具有可推广 性、高度生存性等特点。i po v e rd w d m 结构适用于城域网及广域网骨干网，很有可能 成为下一代光i n t e m e t 骨干网的选择。 1 3 2i p d w d m 光i n t e m e t 中的互连模型 1 3 2 1 对等模型 在这种模型下，i p 控制层和光传输网络控制层是对等的，也就是说i p 域和光域使 用同一个控制层；认为i p 域和光网络运行相同的光网络协议，允许一个路由器计算它 通过光网络到达另一个路由器之间的端到端的路径。这种模型可以对i p 业务提供很好 的支持。 对等模型3 l 的优点是能够充分利用全网资源，实现网络的优化。在对等模型下，光 传输网络和i p 网可以看成是个集成的网络，维持单个拓扑，具有统一的选路区域， 有利于实现一体化的管理和流量工程。该模型的缺点是为实现全网的统一控制，需要在 网络中交换大量的状态和控制信息，对网络性能造成一定的影响。网络中各层次间的独 立性和灵活性受到限制。 1 3 2 2 叠加模型 在这种模型 3 1 下，i p 层的路由、拓扑分布和通信协议与光域中的路由、拓扑和协议 是不相关的，需要为光域单独配置一个控制层，与i p 域内控制层相互独立。叠加路由 可以支持这种模型。叠加模型最适合那些已具有大量s d h 网络基础设施，而同时又需 要支持分组化数据业务的网络运营商。 东北大学硕士学位论文 第一章1 p d w d m 光i n t e m e t 概述 该模型的优点是可以实现光传输层和客户层各自的发展，互不制约，且允许子网分 割，使得运营者既可以充分利用原有基础设施，又可以在网络的其他部分引入新技术， 而不会为原有基础设施所累。该模型可以利用成熟的、标准化的u n i 和n n i ，从而易 于在短期内实现多厂家光网络的互操作性，这对运营商来说是十分重要的。 该模型的缺点是功能重叠，两个层面都需要有网管和控制功能( 例如都有选路功 能) ，使得业务层面的路由不能有效利用光传输层的拓扑资源，从而造成资源浪费；扩 展性受限，为了实现数据转发，需要在边缘设备间建立点到点的网状连接；管理两个独 立网的成本较高，带宽利用率较低；由于两个层面存在两个分离的地址空间，因此需要 复杂的地址解析。 1 3 2 3 扩展模型 也称集成模型1 3 】。在这种模型下，i p 域和光域有独立的路由请求，一个路由请求的 某种信息也可以传递给另一个路由请求。支持这一模型的一种路由方法是分域路由，光 域和i p 域中的路由是相互独立的，在域间再运行一个标准的路由协议。与对等模型相 比，灵活性较高。 本文所提到的i p d w d m 光i n t e m e t 指的就是对等模型下采用了图1 3 ( d ) 所示体系结 构的光网络。 1 3 3i p d w d m 光i n t e m e t 中的主要相关光器件 1 3 3 1 波长转换器 在波长路由光网络中，波长的分配必须满足波长连续性的限制，即建立光路时要求 在其所有链路上采用相同的波长。但是，如果中间节点具有对信号的波长进行转换的功 能，就可以放松甚至是取消这一限制。波长转换器的功能就是将输入信号的波长转换成 为系统允许的某一波长，再沿下一个链路进行转发。该器件在光通信网中广泛地用于波 长路由、光交换、波长再用等，是波分复用光纤网络中不可缺少的关键器件。在中间节 点安装了波长转换器之后，任何经过该节点的光路就可以通过波长转换器来改变它所使 用的波长而非必须使用同样的波长，这样可以最大限度地利用波长资源，从而尽量避免 了阻塞的发生。波长转换技术分为两类：光电波长转换和全光波长转换。 一种波长转换器节点的结构如图1 4 所示。进入节点的光信号经解复用后被送入一 个光开关，不需要进行转换的波长直接进入相应的输出链路，而那些需要转换的波长送 入波长转换器库( c o n v e r t e r b a n k ) d f l 进行转换，转换后的波长再进入相应的输出链路。 东北大学硕士学位论文 第一章i p d w d m 光i n t e m e t 概述 以往的波长转换多采用光电波长转换技术，即一个波长的光信号要转换成另一个波 长的光信号要经过“光电光”的转换过程。信号在电域中的处理速度远远低于其在光 域中的传播速度，因而容易导致信号传输过程中电子器件的速度瓶颈限制问题，在一定 程度上限制了d w d m 光网络的发展。 波长 嚣 波长1 波长n 光复 谴长j 波长n 光纤 青 开用 器 关器 光纤 图1 4 波长转换器节点 f i g 1 4 t h e a r c h i t e c t u r eo f a w a v e l e n g t h c o n v e r t e r n o d e 全光波长转换器省略掉了波长转换过程中的电处理过程，避免了电子器件的速度瓶 颈限制，极大地提高了网络中信息传输的速度。进入9 0 年代以来，国际上已经提出了 全光网( a o n ，a l lo p t i c a ln e t w o r k ) 的概念，在a o n 的传输和交换中，信息始终由光 波携带，不必转换成电信号。全光波长转换器顺应通信需求，成为了光纤通信领域研究 开发的热点。 目前，对全光波长转换器的研究已取得了突破性的进展。在国外，以色列的k a i l i g h t 光学公司( 前身为c h i l i g h t 科技公司) 于2 0 0 5 年9 月宣布，该公司将在国际光纤通信 与展览会上展示新近开发的全光波长转换器，这将是业界第一次出现1 0 g 速率的全光波 长转换技术。在国内，国家8 6 3 计划信息领域光电子主题( 3 0 7 ) 宣布该项目的课题组 采用创新的结构，实现了l o g b p s 光信号在1 5 5 0 m 波段的全光波长转换，其消光比 8 5 d b ，基本消除了码型效应，并对信号啁啾有补偿作用，使得转换后的信号质量得到 很大改善，成功地实现了8 0 公里g 6 5 2 单模光纤和2 4 0 公里g 6 5 5 单模光纤的传输实验， 成果达到了国际同类研究的先进水平。 1 3 3 2 光路交换路由设备 目前的许多网络中都采用电交换器件作为路由设备，它的主要优点是灵活，但是如 果应用于光网络中，在节点要进行的光电、电光转换有延迟，这会使网络的透明性下降， 于是就产生了对光交换器件的需求。全光网络的发展也促进了光交换器件的发展，它毋 墨! ! 垄兰塑主兰堡笙墨 须进行光电、电光转换转换 主要的光路交换路由设备有 ( 1 ) 光交叉连接器 第一章i p d w d m 光i n t e m e t 概述 增强了数据传输的透明性。在i p d w d m 光i n t e m e t 中 光交叉连接器( o x c ，o p t i c a lc r o s s c o n n e c t o r ) 是应用于光纤网络节点的设备，主 要由光交叉连接矩阵、输入接口、输出接口、管理控制单元等模块组成。图1 5 是一个 具有波长转换功能的o x c 节点结构图。o x c 节点功能强大，可以实现光通道的交叉连 接、数据寻路和传送功能，可以帮助在网络平台上实现光域的优化、路由、保护和恢复 功能，满足网络管理可靠性和灵活性等要求。o x c 节点主要应用于骨干网的网间互联 和业务流量较大的网络节点处。 图1 5 0 x c 节点结构 f i g 1 5 咖c n l r eo f o x cn o d e ( 2 ) 加入分流复用器 加入分流复用器( o a d m ，o 砸e a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 是光传送网中用于组网 的重要器件，其功能是从传输设备中有选择地下路( d r o p ) 通往本地的光信号，同时上 路( a d d ) 本地用户发往另一节点用户的光信号，并且不影响其他波长信号的传输。o a d m 的一种节点结构如图1 6 所示。 o a d m 可分为可重构和非重构两种。可重构指能动态调节o a d m 节点上下路波长， 从而达到光网络的动态重构能力。其结构复杂且具有延时，但可咀使网络的波长资源得 到良好的分配。 非重构指节点的路由是确定的。它缺乏灵活性，但性能可靠且没有延时。其主要功 能是配置光层，根据网络业务需求建立或撤消波长连接，最大效率地利用系统容量；提 供光路层保护，当线路或节点出现故障时重新指配业务的路由。 一9 东北大学硕士学位论文 第一章i p d w d m 光i n t e m e t 概述 图1 6 0 a d m 节点结构 f i g 1 6s t r u c t u r e o f o a d m n o d e 1 4i p d w d m 光i n t e m e t 中的几个研究方向 光网络中连接两节点的光层链路称为光通道( o p t i c a lc h a n n e l ) 1 2 。如果一条端到端 光通道在其经过的所有链路上都使用了同一波长，就称其满足波长连续性，这样的光通 道称为光路( 1 i g h t p a t h ) ，也叫做波长信道【3 1 。在具有波长转换功能的光网络中，波长连 续性可以只在两个波长转换器之间满足。具有波长转换功能的元件称为波长转换器，其 功能就是将输入信号的波长转换成为系统允许的某一波长，再沿下一个链路进行转发， o x c 可作为波长转换器使用。当中间节点安装了波长转换器之后，任何经过该节点的 路径就可以通过波长转换器来改变它所使用的波长而非必须使用同样的波长，这样可以 提高波长资源的利用率，从而尽量避免阻塞的发生。下面，介绍i p d w d m 光i n t e r n e t 中几个重要的研究方向： ( 1 ) 路由和波长分配 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l ，就是根据 给定的网络物理拓扑和一组需要在网络上建立的端到端的光通道请求，为每一个连接请 求选定路由和分配波长以建立光通道的问题。研究r w a 问题的目的是在给定的光通道 数目及波长数目下，如何分配波长、建立通道，以使光网络路由最优化，使网络中的阻 塞率最小或平均传输速率最快。r w a 问题通常可分为路由选择子问题和波长分配予问 题来解决。 ( 2 ) 虚拟拓扑构造 虚拟拓扑( v i r t u a lt o p o l o g y ) ，又称逻辑拓扑( l o g i c a lt o p o l o g y ) ，是由一系列端到 端光通道构成的拓扑结构【2 1 。根据给定的物理拓扑和网络中通信量的平均状况，构造最 佳的网络虚拟拓扑结构，可以缓解信号传输过程中电子器件的速度瓶颈限制，从而使网 络性能得到优化。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文 第一章i p d w d m 光i n t e m e t 概迷 ( 3 ) 网络优化配置 网络优化配置1 1 。3 1 可以从很多方面着手，如优化物理拓扑的结构、配置网络中的各 种光器件等。这里主要是指当网络的物理拓扑己给定时，在保证信号传播的速率较高、 网络的阻塞率较低等的前提下，如何配置最少的光器件，使通信系统的成本最低，如光 放大器的配置。光信号在光纤中传播的过程中是有损耗的，光放大器的作用就是补偿这 些损耗。其优点是只要一个光放大器就可以放大放大器带宽内所有波长上的光信号。但 是，由于光放大器作为一种新型的光器件其价格十分昂贵，这就要求网络设计人员设计 网络时，在保证网络正常运转的前提下，尽可能减少网络中配置光放大器的数目，以降 低组网的成本。此外，还有其他光器件( 如波长转换器等) 的配置，目的都是在保证网 络正常运转的前提下，尽量降低网络的组网和运营费用。 ( 4 ) 标记交换技术 在对等模型中，d w d m 光层被看作是i p 层的对等层，所有光节点只需要使用i p 地址来标识。网络可以用现有的路由协议为i p 包选择路由，然后根据路由结果建立下 层连接。这种技术称为标记技术，其特点在于它为分组进行标记分配，并将标记作为对 i p 包处理的唯一信息。标记交换技术有很多方案，其中最炙手可热的是多协议标记交换 技术( m p l s ，m u l t i p r o t o c o ll a b l es w i t c h i n g ) ，它很好地解决了无连接的i p 网络向面向 的a t m 网络的映射问题。今天，当需要i p 层直接移向d w d m 之上时( 见1 3 节) ，进 一步发展和改进m p l s 、使之向i p d w d m 光i n t e r a c t 移植已成为标记交换技术中的研 究热点。 ( 5 ) 光组播 通信网络正朝着综合业务的方向发展。新出现的多媒体通信带来了组播1 ，5 1 的需求， 计算机会议、计算机协同工作等具有组播要求的业务日益增多，并受到广泛重视。组播 支持多点通信，它要寻找连接源节点和一组目的节点的一棵组播树，信息可沿这棵树决 定的路径进行发送，信息只需在树的分支处进行复制，以便节省网络资源。当有大量的 数据包需要进行点对多点的传送时，组播将是很好的选择。 ( 6 ) 网络生存性 网络生存性“如是指网络在经受各种故障之后能仍够维持可接受q o s 的能力，特别 是在战争、失火、地震、光纤断裂、有害辐射以及其他人为的或自然的灾难中维持q o s 的能力，而不是通常的抵抗电磁干扰或串音等影响。网络生存性是网络完整性的一部分。 实现网络生存性一般有两类方法：网络保护与网络恢复。 东北大学硕士学位论文第一章i p d w d m 光i n t e m e t 概述 ( 7 ) 通信量疏导问题 为了解决i p d w d m 光i n t e m e t 中低于波长粒度的带宽请求路由问题，提出了通信 量疏导的概念，这一问题也是本文所研究的主要问题，将在以后的内容中作详细的介绍。 1 5 课题来源 本课题得到如下项目资助：国家自然科学基金资助项目( 6 0 4 7 3 0 8 9 ) ；新世纪优秀 人才支持计划资助项目；国家发改委c n g i 示范工程资助项目( c n g i 0 4 1 3 2 t 和 c n g i 一0 4 6 2 t ) 。 东北大学硕士学住论文 第二章i p d w d m 光i n t e m e t 中的通信量疏导 第二章i p d w d m 光i n t e m e t 中的通信量疏导 2 1 i p d w