（电路与系统专业论文）基于Ppath和Pcycle混合配置的光网络生存性动态机制研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于p p a t h 和p - c y c l e 混合配置的 光网络生存性动态机制研究 摘要 现今社会，人们对信息的需求不断增加，这就要求通信网络能够 提供更大容量，更高稳定性的优质服务而网络故障作为通信当中一 个重大问题也就得到了越来越多的重视和关注。目前，针对光网络故 障提出的光网络生存性技术得到了巨大发展的同时，也亟待有新思路 新方法出现来弥补现有策略的不足，因此，从静态配置到动态配置的 转化和多种生存性技术的综合利用方面的研究就成为了新的热点。 本论文从光网络生存性技术的意义出发，分章节论述了光网络生 存性的概念和性能指标，生存性技术主要的内容和现今主要的生存性 技术，不同类型光网络的生存性分析，继而从理论和仿真两方面介绍 了作者提出的两个光网络生存性模型 第一个是为了解决w d m 网络中由于流量分布变化而导致网络 中预配置p c y c l e 保护资源分配不准确的问题，提出了可重构p c y c l e 的概念，并建立了一种基于网络性能参数进行重新配置的p c y c l e 模 型。这一模型可以解决静态p c y c l e 不能根据网络状况变化实时进行 重分配，由此造成保护资源利用率过低或者由于保护资源分配不够造 成网络拥塞的问题，从而能够在最大程度上合理利用保护资源，在保 证网络状况良好的情况下尽可能的减少网络开销。 第二个模型则是动态的p p a t h 和p c y c l e 混合的模型。该模型可 以根据光网络实际状况，抽选出最优的满足规定的预配置结构，根据 不同的预配置数目确定保护资源的合理配比，从而达到最优的效果。 因此，它可以很大程度的降低网络冗余度，达到很高的保护资源利用 率。该模型的最大特点是可以和其他动态模型兼容。 在o p n e t 仿真平台上，基于泛欧c o s t 2 3 9 网络拓扑结构，对 这两个模型进行了仿真。仿真结果同理论分析的结果一致，从而证明 了这两个模型的优越性。 关键词：光网络，生存性，动态机制，p p a t h ，p c y c l e 第1 页 s t u d yo nd y n a m i cs c h e m e sf o ro p t i c a ln e t w o r k s u r v i v a b i l i t yb a s e do nt h ec o m b i n a t i o no fp p a t ha n d p - c y c l e a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ed e m a n do ft h ep e o p l ef o ri n f o r m a t i o ni si n c r e a s i n g s h a r p l y , w h i c hr e q u i r e sm a tc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sc a l lp r o v i d eg r e a t e r c a p a c i t ya n dh i g h e rq u a l i t ys e r v i c e s on e t w o r kf a i l u r ew h i c hi sam a j o r p r o b l e mo fc o m m u n i c a t i o n sh a sb e e ng o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n c u r r e n t l y , t h o u g hs u r v i v a b i l i t yt e c h n o l o g yo ft h e n e t w o r kh a sb e e n t r e m e n d o u s l yd e v e l o p e d ，n e wi d e a sa n dn e wm e t h o d sa r en e e d e dt om a k e u pt h ei n a d e q u a c yo ft h ee x i s t i n gs t r a t e g y s ot h et r a n s f o r m a t i o nf r o m s t a t i ca l l o c a t i o nt od y n a m i ca l l o c a t i o na n dt h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o n o fv a r i o u ss u r v i v a b i l i t yt e c h n o l o g yh a v eb e c o m ean e wr e s e a r c hp o i n t i nt h i st h e s i s 。f i r s t l y ，f r o mt h ev i e wo ft h es i g n i f i c a n c eo ft h en e t w o r k s u r v i v a b i l i t yt e c h n o l o g y , t h ec o n c e p to fn e t w o r ks u r v i v a b i l i t ya n dt h e p e r f o r m a n c ei n d e x 。t h em a i nc o n t e n t sa n dt h ev a r i e t yo fs u r v i v a b i l i t y t e c h n o l o g y ，a n dt h ea n a l y s i so fs u r v i v a b i l i t yt e c h n o l o g i e sf o rd i f f e r e n t n e t w o r k sa r ed i s c u s s e d t h e nt w os u r v i v a b i l i t ym o d e l so fo p t i c a l n e t w o r k sw h i c ha r ed e v e l o p e db yt h ea u t h o ra r ei n t r o d u c e d i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ei n a c c u r a t ep r e c o n f i g u r e dp c y c l e r e s o u r c e sd i s t i l b u t i o nc a u s e db yv a r y i n gt r a 伍ci nw d mn e t w o r k t h e c o n c e p to fr e c o n f i g u r e d p c y c l em o d e lb a s e do n p c y c l e i s d e v e l o p e d n e t w o r kp e r f o r m a n c e a n dt h er e c o n f i g u r e d i se s t a b l i s h e d t h e s e p r o b l e m st h a tt h el o wp r o t e c t i o nr e s o u r c eu t i l i t yr a t i od u et ot h es t a t i c p c y c l ec a n n tb er e a l l o c a t e dw i t hv a r y i n gn e t w o r k ss t a t u sa n dt h e c o n g e s t i o nc a u s e db yi n a d e q u a t ep r o t e c t i o nr e s o u r c e sa r er e s o l v e db yt h i s m o d e l s ot h ep r o t e c t i o nr e s o u r c e sa r eu t i l i z e dr e a s o n a b l yb e s ta n dt h e n e t w o r k ss p e n d i n gi sr e d u c e da sp o s s i b l eu n d e rt h eg o o dn e t w o r ks t a t u s c o n d i t i o n s 第n 页 t h es e c o n dm o d e li st h ec o m b i n a t i o no fd y n a m i cp - p a t ha n dp c y c l e t h i sm o d e lc a ns e l e c tt h eo p t i m u mp r e c o n f i g u r e ds t r u c t u r ea c c o r d i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h en e t w o r k s ，a n dd e t e r m i n et h er e a s o n a b l e p r o t e c t i o nr e s o u r c er a t i oa c c o r d i n gt ot h en u m b e ro f t h ep r e c o n f ig u r e d s t r u c t u r e s ot h er e d u n d a n c yo ft h en e t w o r kc a nb er e d u c e dl a r g e l ya n da t l i 曲r e s o u r c eu t i l i z a t i o nc a nb ea c h i e v e db yt h i sm o d e l t h ep r o m i n e n t a d v a n t a g ei st h a tt h em o d e l c a nc o m p a t i b l ew i t ho t h e rm o d e l s t h e s et w om o d e l sa r es i m u l a t e do nt h eo p n e ts i m u l a t i o np l a t f o r ma n d b a s e do nt h ep a n e u r o p e a nc o s t 2 3 9n e t w o r kt o p o l o g y t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa r ei na c c o r d a n t ew i t ht h a to ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s ot h e a d v a n t a g e so ft h e s et w om o d e l sa r et e s t i f i e d k e y w o r d s ：o p t i c a ln e t w o r k s ，s u r v i v a b i l i t y ，d y n a m i cs c h e m e s ，p p a t h ， p - c y c l e 第1 i i 页 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 本人签名：丛蚂逻日期：。! 翌：i ：兰 | 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学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，允许学位论文被查阕和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 1 1 网络生存性技术概论 1 1 1 网络生存性技术的产生 第一章绪论 通信网络自出现以来就故障频发，无论人们设计多么高级的通信网络，采用 多么周密的方法，都没有完全消灭网络故障，它伴随着通信网络的出现而出现， 发展而发展。引发网络故障的原因也非常多，网络内在的技术因素( 网络节点内 的硬件或软件突然失效等) 、人为破坏或是不可抗拒的自然因素( 火灾、地震， 泥石流等) 都可能会引起网络故障对于目前广泛使用的光纤网络而言，情况也 是一样。无论人们采用多么高级的保护技术或方法，光纤出现故障的概率平均下 来的故障点数目仍为每年每千英里4 3 9 个f 1 1 ，换句话说，一条l o 万英里的光纤 网络平均每天至少会出现1 2 个故障，这可能让人更容易的理解了网络故障的频 繁程度。由此我们可以看出网络故障的一个根本特征就是：不可避免性。 现今社会，人们对各种信息的需求不断增加，人们的工作和生活也就随之越 来越依赖于通信网络，通信网络出现一次故障就可能使银行、航空、铁路和公共 安全等多方面陷入瘫痪，其后果将完全可能是金融、经济和政治被阻断和失控， 严重时甚至还会引起社会骚乱等。另一方面，随着光纤通信技术的不断发展，现 在的链路传输能力已达l o g b s ( 单波长传输能力) ，这样一条链路的故障将影响 到数目惊人的业务。比如：2 0 0 1 年2 月和3 月接连发生两起中美海底光缆断裂 事件，仅其故障维修费用就高达1 亿美金【，相关的经济损失更是难以估计；2 0 0 1 年1 2 月2 日，北京市城建部门在远大路西口和四环路交接处施工，违章使用机 械挖掘电信管道上方的土层，使管道破损，导致管道内三条光缆阻断，造成北京 移动多个传输系统瘫痪，影响了2 0 万部手机的正常使用。由于当时采用的是人 工修复，花了将近一天的时间才使通信恢复正常【1 1 ，由此带来了巨大的经济损失； 2 0 0 2 年4 月，由于道路施工人员的野蛮施工，中国一级干线沪闽光缆被挖断， 经济损失达数千万元【l 】。由此可见网络故障的又一明显特征：巨大的危害性。 网络故障的不可避免性和巨大危害性使人们必须找到并且应用各种技术和 策略来应付这个经常面对的破坏力巨大的网络问题，由此，网络的生存性 ( s u r v i v a b i l i t y ) 技术应运而生。网络的生存性技术可定义为：在网络发生意外故障 或失效的情况下，使网络仍能维持或是恢复到可接受的性能指标的方法和策略 【1 6 】。网络的生存能力也就是网络发生故障时，仍可继续提供服务的能力。尽管网 第1 页 络的故障不可避免，但通过对网络故障的快速检测、定位和恢复却可以使网络更 为可靠。 网络的生存性问题可以从不同的角度进行分类。从单层恢复的角度来说， 主要包括基于链路，分段和路径的故障恢复、基于集中式控制和分布式控制的故 障恢复、预先规划和动态路由计算的故障恢复、基于专用资源和共享资源的恢复。 从相互作用的恢复策略来看，主要包括多层恢复的策略和集成的恢复策略，其中 多层恢复的策略又可以分为最低层恢复、最高层恢复和在多层恢复3 个子问题， 而集成的恢复策略又可以分为并行触发和顺序触发两个子问题。如图卜l 所示。 雄羼锻复 图卜1 生存挂问题的分类 评估一种网络生存性技术的优劣目前主要从恢复时间，冗余资源，恢复率和 健壮性四个指标来考虑【4 】。其中，恢复时间和冗余资源是两个最常用到的评价指 标，几乎在所有讨论网络生存性技术的文章中都可以看到这两个参量。 恢复时间是指从网络故障发生到网络业务恢复正常传输所需的时间【4 】。这是 一项最为直接、最能体现生存性技术效果的衡量指标。因为对于网络用户来说， 他所在意的，亦即他所能感觉到的就是网络提供的业务质量，而恢复时间的长短 将直接影响业务的服务质量和网络的稳定性。比如，当网络的恢复时间小于5 0 m s 时，大部分网络业务感受不到网络故障的发生，比如话音业务；但当恢复时间大 于2 s 时，大部分网络业务都将受到影响，除了一些根本对时延没有要求的业务。 因此5 0 m s 是一个成功的网络生存性技术要达到的理想回复时间门限，而2 s 是业 界公认的一个实时恢复的时间上限，也即一个生存性技术最大程度可以忍受的时 间。 网络的冗余资源是指为了实施网络生存性技术在网络中必须提前预留的备 用资源，以便保护发生故障的链路和节点 4 1 。冗余资源虽然对于用户是不可见的， 第2 页 盘魁豫匠壤隧壤 鼙瑕霞襄疆塔 但它直接影响运营商建设网络和运营网络的成本，在市场竞争日益激烈的今天， 降低成本是所有企业生存的根本，所以减少冗余资源是网络优化的一个重要目 标。 恢复率是指网络发生故障时所能恢复的业务占所有受损业务的比例，它反映 的是生存性技术的效率嗍。 健壮性是指经历过一次网络故障后，网络再次承受故障的能力，它主要是衡 量生存性技术的可持续性 4 1 综上所述可以看出，网络生存性技术所追求的目标是：利用最少的网络资源， 在最短的时间内，以最稳固的方式提供1 0 0 的故障恢复。 1 2w d m ( w a v ed i v i d e dm u l t i p l e x i n g ) 光网络技术发展 1 2 1 概述 随着人类步入2 l 世纪，信息革命所带来的机遇和挑战正在不断地改变人们 的生活现实。我们正迈向一个信息化的社会，在信息化社会里，无论我们在任何 时间、任何地点都能方便地得到任何形式的信息。但是随着信息化程度的不断加 深，人类对通信的容量、速度、质量以及服务种类的要求也越来越高。个人计算 机和国际互联网络的普及、数据业务与电子邮件通信以及各种宽带接入技术的飞 速发展，都给今天的通信网络提出了革命性的要求，并给整个网络的技术模式、 整体架构及业务节点的实现方式、组网形态、业务能力等诸多方面都带来了深远 的影响。在以i p 为代表的数据业务量井喷式增长和新型业务不断涌现所导致的 巨大带宽需求的刺激下，全球通信网络主导业务正在由以话音业务为中心向以数 据业务为中心过渡，与此同时，网络体系架构也正在向高速大容量和高质量服务 方向飞速发展，其发展势头之大正猛烈冲击电信运营商原有的技术发展思路和运 营策略。 据此来看，一种灵活的、规模可伸缩的、具有所有必须的潜在能力的通信信 息基础设施，是十分重要的基本要求。如何以及用什么样的技术才能满足几乎是 无限的“e 的需求。只有光波技术才能为现有的及未来的网络提供强有力的发 展平台并使之造福人类。 光通信技术有着巨大的潜力一一带宽资源庞大( 约5 0 t b i t s ) 、损耗极低 ( 0 2 d b k m ) 、信号传输变形小、功率低、占空小、成本低廉，因而光通信技术 成为我们满足信息化社会各种需求的最佳技术 2 1 。光纤作为一种很好的传输介质 所具有的优良特性已被大家所共知，但是有一点必须注意，那就是只有当光纤通 过适当的、合理的、科学的体系结构互联以后才能组成真正理想的网络体系结构， 并提供高速、宽带、高质量的业务服务。当电子设备逐步达到其物理极限时，w d m 光交换技术以其独有的技术优势和多波长特性，正在向人们展示通过波长通道直 第3 页 接进行联网( 即光网络) 的巨大潜力和光辉前景。光网络技术的迅速发展为 i n t e r a c t 日益膨胀的信息流量提供了强大的网络支持更为重要的是，光放大器 和波分复用等光通信新技术的不断进步，不仅强化了光联网的重要地位，而且将 光逐渐扩大到网络边缘并显示出强大的生命力。另外，i n t e r a c t 业务的指数级增 长正在改变着业务层与下层光传输层的关系。随着网络传输容量的增长，驱 使光交换层的交换能力也在不断增强，使之向更易于管理、更加灵活和更具有健 壮性，同时业务指配和故障恢复也能够更快地自动完成并向具有智能性的方向发 展。 1 2 2 技术简介 信息社会给人类带来了巨大的挑战，人们希望能够实现无论何时、无论何地、 无论通过何种方式都能够方便地获取需要的信息。信息爆炸刺激了全球通信业务 的疯狂增长，而这种疯狂增长的最直接后果是出现了所谓的对代表通信容量的带 宽的“无限渴求 现象。目前，可商用化的电子设备速率最高可达几十g b i t s ， 而光通道带宽可达到几十t b i t s 。要弥补这样大的带宽差距，就得建立适宜的机 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。 因此，我们面临的任务就是充分挖掘光通信技术的潜力，不遗余力地消除带宽不 匹配现象，以满足未来信息互联的需求。 目前的光通信网络的复用技术有波分复用( w d m ) 、时分复用( t d m ) 和 码分复用( c d m ) 三种【1 8 l 。其中t d m 和c d m 对电子器件的速率要求很高，而 在w d m 中，电子设备的速率只需一个波长信道的速率即可( 波长信道速率在理论 上可以是任选的) 。因为w d m 对电子速率没有特别的要求，所以它成为最吸引 人的光域复用技术。 w d m 是一种光纤传送技术，它在一定的带宽上将输入的光信号调制到特定 的频率上，然后将调制后的信号复用在一根光纤上【3 1 。复用后的信号经传送后到 达链接的远端，再经过分离或解复用出不同的波长，然后由不同的检测器将各自 的光信号转换成电信号，或者直接获取各自的波长信号，并且将它们连接到其它 的w d m 线路上。w d m 系统通过使用不同的波长( 在1 5 5 0 n m 附近) 来承载多 个通路的信号，其中可包含大量的2 5 g b i t s 和1 0 g b i t s 信号。在实验室中，己 成功地实现了在1 2 0 k i n 长的光纤上传送2 6 t b i t s ( 即复用1 3 2 波，每波2 0 g b i t s ) 信号的试验。 w d m 的优势在于复用多个光业务流到一根光纤上，允许灵活地扩展带宽， 降低复用成本，重复利用现存的光信号。特别是在光放大器引入后，光一电转换 不再成为必须。w d m 光联网实现的关键是光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接 第4 页 器( o x c ) 的引入，组成这些元素的基本模块是空分交换模块，建立起输入和输 出端口之间的信道联接。所有这些将使电信网络通路的组织、调配、安全保护等 更趋灵活w d m 传送网分为三层结构：电路层、通道层和传输媒质层【l s l 。其中 光通道技术是关键技术，能够同时提高线路传送容量和节点的吞吐量，而且在宽 带宽、终端到终端的通信中，能够显著降低传送网的成本光通道模式分为两种 结构：波长通道( 、p ) 和虚波长通道( v w p ) 。w p 在整个路由分配唯一一个波长， 而v w p 在每个链路上分配一个波长。w p 具有全局意义，而v w p 只具有局部意义。 这两种结构各具特点：采用v w p 技术，波长利用率和路由选择的自由度将高于 胛技术，对于同一物理网络结构和同样数目的波长，v w p 可以容纳更多的光通道； 从波长的管理角度考虑，w p 方案要求对全网进行集中控制，而v w p 采取链路到 链路的分布式控制。在w p 方案中，若不能分配一个从源节点到目的节点波长一 致的光通道，就会发生波长阻塞，而v w p 只存在由于没有空闲的波长通道造成的 容量阻塞。光通道交叉连接( o p x c ) 提供了v w p 方案所要求的波长转换能力。 o p x c 通过传送一祸合型矩阵开关( d c s w ) 的应用，为v w p 提供高性能的调制 和升级能力嘲。 w d m 光网络已由最初的线形点到点式传送结构，逐步转变为环型结构、网 型结构现在的w d m 系统与s d h 在结构上非常相似，w d m 光网络是在s d h 的基础上，应用o a d m 和o x c 设备建立起来的。与后者相比，其网络容量不 断提高，保护能力也日益增强。 1 2 3w d m 在现代通信网中的应用 由于口的爆炸性增长，i po v e ra t m 、i po v e rs d h s o n e t 、i po v e rw d m 都将得飞速发展，下一代i n t e m e t 或基于i p 的多媒体通信骨干网必将是这三种 i p 技术的混合体。在这样一个多协议光互联网中，其核心骨干网将采用i po v e r w d m 技术，次骨干网及其边缘则采用i po v e rs d h s o n e t 和i po v e r a t m 技术。 但由于i po v e rw d m 具有i po v e r a t m 和i po v e rs o n e t 无可比拟的体系简单直 接、网络设备少、网管复杂性小、额外开销低、延时小、传输效率最高等特点， i po v e ra t m 和i po v e rs d h s o n e t 最终都将发展为i po v e rw d m 。 i po v e rw d m 技术将对现有电信网络产生深刻的影响，将使现有的三个网 络：计算机网、电信网和c a t v 网走向融合，以i po v e rw d m 技术为基础的 “统一网络已成为电信网络发展的大趋势。基于i p 技术的网络正在把话音、 数据和视频传送结合在一起在w d m 网中传输，成为各国信息基础设施的基础。 全球正在进入一个新“统一网络的时代。 随着人们对通信需求的不断增长，特别是i n t e m e t 业务的爆炸性发展，为 第5 页 了缓解通信网络的拥挤状况，增加网络的灵活性及适应数据业务的需要，人们开 始考虑在城域网中采用w d m 技术，美国和欧洲正在进行这方面的研究和实验工 作，而且在某些地区的城域网中已采用了w d m 技术，可以预见，w d m 技术将 逐渐从骨干网渗透到城域网、企业网和接入网中，最终实现全光网。 1 2 4w d m 技术应用于城域网中的原因 随着通信需求的不断增长，城域网中的空闲光纤己很少，而w d m 技术则可 以很好地解决光纤短缺的问题，不需铺设新的光纤。更重要的是，在城域网中采 用w d m 技术不仅仅解决了光纤短缺问题，还可以给网络提供更多的功能和更大 的灵活性。因此，即使在光纤不短缺的城市里，同样可以很经济地引入w d m 技 术来加强网络的灵活性，以使网络能适应当前各种业务迅速发展的需要。 w d m 系统对业务的透明性使得它可以同时承载各种不同的业务，例话音、 数据、图像等，即它提供了一个通用的光层传输平台，可以同时传送各种不同类 型的业务，而且w d m 的各个信道的速率可以不同。w d m 技术的以上优点对于 城域网更加重要。因为，城域网中业务的类型很多，而且不同的业务要求的速率 和带宽也不相同，w d m 对业务和数据速率的透明性及分插复用能力使得电信运 营商能够迅速向用户提供所需的业务，适应当前信息业务快速发展的需要，占领 市场，增加收入。此外，w d m 的技术的使用给新业务引进提供了极大的方便性， 只需增加一波长通道就可以随意地引入或增加一新型的业务。 w d m 技术可改善城域网和企业网的服务质量，采用w d m 技术可以在光 层对网络进行保护，这比在电层进行保护要经济的多。因为光层的保护不涉及具 体的业务类型，所以对所有业务均可采用统一的恢复保护措施，从而在传统和新 型业务中均可向用户提供更好的服务质量。 w d m 在接入网方面应用的优点与其在城域网中应用的优点类同，在此不再 赘述。接入网的特点就是其传输的距离更短，而且由于直接面向用户，所以需要 配置更为灵活和方便。由于目前用户所需业务的带宽还不是很大，而且o a d m 技术尚不成熟，设备价格有很高，所以似乎w d m 技术用于接入网没有必要。但 从m 的爆炸性增长以及近几年来用户业务需求量剧增的趋势我们可以看到，以 往的接入设备明显不堪重负，对接入设备进行扩容和升级己是迫在眉睫之事。而 w d m 无疑是彻底解决这一问题的首选方案。 1 2 4w d m 光网络发展展望 由于光纤通信及其相关技术的飞速发展，使得单色传输网在新世纪向多色宽 第6 页 带网过渡己成为必然，多色宽带网必将在世界范围内得到大面积推广光波长转 换技术，光色散补偿和管理技术、光交叉连接和光交换技术等高新技术已经取得 了很大成果，在下世纪的前十年内，有关技术必将逐渐成熟，全光通信网的前景 是光明的建设以密集波分复用为基础的多色宽带网，将为全光网络的实现铺平 道路，并最终将建成智能全光网。 1 3 光网络生存性技术的研究现状和发展趋势 网络生存性技术的研究始于1 9 8 7 年，目前仍处在进一步探索和研究中。国 际电信联盟( m 卜一瑚删o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i t ) 正在积极开展这方面 的工作，己制定了有关同步数字系列( s d hs y n c h r o n o u sd i 西t a lh i e r a r c h y ) 自愈环 结构标准的6 8 4 1 和环间互连标准6 8 4 2 。并对自动交换光网络( a s o n a r c h i t e c t u r ef o rt h ea u t o m a t i c a l l ys w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ) 和光传i 差( o t n o p t i c a l t r a n s p o r tn e t w o r k ) 的生存性技术进行研究和标准化。a n s i t i 委员会专门也成立 了网络生存性和可靠性工作组，开展对本领域的研究。i e t f ( i n t 锄醴e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ) 的i p o ( i po v e ro p t i c a l ) 及c c a m p ( c o m m o nc o n t r o la n dm e a s u r e m e n t p l a n e ) t _ 作组也正在开展对a s o n 的保护和恢复方案的研究和标准化工作嗍。 此外，美国、欧洲、日本的电信公司和大学的研究机构也致力于这方面的研 究。隶属于欧洲高级通信技术和业务( a c t s a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g i e s & s e r v i c e s ) 计划的a c 2 0 5 p a n e l ( p r o t e c t i o na c r o s sn e t w o r kl a y e r s ) 项目组提出了多层网络恢复模型，提高了多层网络整体生存性能在s d ho v e r w d m 和a t mo v o rs d h 的网络结构中，通过将上层网络的备用资源映射到下层 网络备用资源的方法，有效降低全网资源冗余度，从而提高了网络资源的利用率。 美国国防部高级研究计划局( d a r p a - d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c y ) 也在资助相关问题的研究。例如：异构、多层网络环境下的网络生存性 问题，综合控制策略建立问题，上层网络有效地映射到下层网络以增强网络的抗 毁能力的问题，多点故障的相关问题，m 网络生存性等问题。国际大型的网络 设备制造商的研究实验室也利用各种基金的资助或自行在这方面展开研究，例如： 朗讯的b e l l 1 a b s 、北电和u n i v e r s i t yo f a l b e r t a 的t r l a b 联合实验室、n t t 公司、 n e wy o r k 大学、c i n c i n n a t i 大学、c o l o d a d 大学、q u e e n 大学等。近年来国内在 这方面的研究发展也比较快。目前，国内许多高校( 如北京邮电大学，电子科技 大学，清华大学，上海交通大学等) 及通信公司也正积极开展生存性技术的研究， 国家自然科学基金委员会和国家高技术研究发展计划( 8 6 3 ) 计划也将网络生存性 策略的研究列为资助项目。 光网络生存性技术的发展总是以光网络自身的发展为基础和前提的，伴随着 第7 页 光网络的规模日益庞大，拓扑结构也越来越复杂，光网络所能提供的业务种类也 在不断的增加，光网络的生存性技术也必然需要进一步发展，其总体趋势是向智 能化、多层面、多等级业务恢复的方向发展。网络生存性技术的智能是依靠网络 节点的智能来实现的，而网络节点的智能化通过把控制算法嵌入到各个网络节点 来实现，所以光网络的故障恢复的研究方向应是网络资源的智能控制和调度光 网络的多等级业务恢复是网络为应对日益丰富的各类业务而提出的生存性要求， 网络业务的不断发展，使其对网络资源的需求更为灵活繁杂，从整体的角度为每 种业务都提供尽可能优化的网络恢复资源也必然是以后光网络生存性技术研究 的一个重要方向。总之，光网络生存性技术研究的目标始终是快速的恢复时间、 高效的网络资源利用率和优良的业务传输服务。 自2 0 世纪9 0 年代以来，世界上各大通信公司在此领域进行了卓有成效的 研制和开发。9 0 年代初，美国国防部的先进研究项目署( a r p a ) 己着手进行全光 网络的研究计划，目前在器件技术、网络结构、网络管理和控制，以及现场实验 取得了显著的进展。在中国，1 9 9 9 年1 月，由北京大学、北京邮电大学和清华 大学联合完成的全光通信网已经通过专家组验收，形成了8 波长4 波长混合，7 个o a d m 和6 个o x c 的全光通信实验网；2 0 0 1 年7 月份，中国高速信息示范 网3 个o a d m 环网也已通过国家有关部门组织的鉴定。经过两年关于 ( 8 - 4 0 ) x 1 0 g b s w d m 系统的点对点和复用段环的讨论和现场试验。中国电信启动 了升级国家主干网的战略决策，采用1 6 t ( 1 6 0 x l o g ) 的w d m 设备来升级国家主 干网，到目f i 为止已经完成了光纤总长为1 4 0 0 0 k m 的3 个国家骨干环的建设，而 且作为各个省的省骨干网也均采用w d m 系统。同时中国联通和中国铁通也开始 将其主干网升级为l og 的w d m 系统。 在光网络方面进行的研究涉及内容广泛，包括对基本的光器件的改良和进 一步优化，对全光通信网方面的新技术，新思路的拓展等等，尤其是全光通信网 是目前大家关注的一个焦点问题。在这里面，全光交换，光调制和光标记领域的 研究都是国内外重点项目。国内的研究虽然得到了深入开展，但是在进度上还是 有一定的滞后性，所以每年的国家自然科学基金都会大力支持这一方面的研究。 清华大学，北京邮电大学，上海交通大学，华中科技大学，北京交通大学在全光 通信网方面的研究处于国内大学的领先地位，而清华大学，北京大学，北京邮电 大学，湖南大学则是在光器件方面有一定的基础和成果。 1 。4 主要研究内容和论文结构 本文主要研究了光网络的生存性机制，建立了一种基于网络性能参数进行重 新配置的p 圈模型和动态的p - p a t h 与p - c y c l e 混合的模型。全文结构如下： 第8 页 第一章介绍了光网络生存性的意义和主要的研究发展现状；第二章对网络生 存性基本技术进行了介绍，从整个网络生存性的角度出发，分析了网络生存性解 决的主要问题类型和主要处理流程；第三章介绍了w d m 网络的链型保护，说明 了链型保护的结构和主要异同：第四章对光网络中的p 圈保护方式进行了详细说 明；第五章论述了建立两种生存性技术模型的详细理论，并进行了仿真分析；第 六章是全文总结和未来研究展望 第9 页 第二章生存性技术基本概念 2 1 故障恢复的基本过程 网络的生存性技术使得网络能够在发生故障的情况下仍然保证一定等级的 业务。它通过一个完整的过程实现这样的目标。当业务流通过的路径上发生故障 时，故障恢复须经历以下步骤：故障检测、故障定位、故障通知、故障恢复和复 原 6 1 。除了复原，其他四项是必不可少的。另外，故障检测、故障定位和故障通 告可以统称为故障管理。 下面本文将分别讲述故障恢复所须的几个步骤： 2 1 1 故障检测 要完成恢复动作，很重要的一个关键是要快速地检测到网络中是不是已经 发生了故障。如果发生了故障，就只有快速的检测到故障，才能进行后续故障定 位、故障通知等几个恢复动作。那么网络故障包括各种各样的网络硬件和软件资 源的失效。与之对应，网络中的各种故障检测机制可分为：硬件故障检测机制， 我们可以通过检测信号质量来判断；软件故障检测机制，我们可以通过在信号流 中插入控制消息来确定。下面介绍一些常见故障类型的检测方法 ( 1 ) 电信号丢失( l o s l o s to f s i g n a l ) 电链路的故障通常情况下是最先由线路卡检测到的，其特征可能是电信号的 丢失。为了触发后续的恢复动作，检测到的故障必须报告给节点的控制平面。继 而，控制平面接收到故障通告后，可以开始重路由程序或者触发受损伤连接倒换 到一条预先配置的备用链路上来的动作。 ( 2 ) 光丢失( l o l l o s to fl i g h t ) 光链路的故障可归咎于激光器故障或光纤断裂，此时光接收机将探测不到光 信号的存在。就像电域中的l o s 故障一样，故障信号被通知给节点的控制平面 以触发后续的恢复动作。在此不再赘述 ( 3 ) 操作、管理和维护( o a m ) 流 在s d h ( 同部数字序列) 中，利用o a m 流开销字段检测故障，如s t m n 帧的段开销( s o h ) 和通道开销( ( p o h ) 分别是为了保证s t m n 的信息净负荷正 常、灵活传送所必须附加的供网络操作、管理、维护使用的字节和操作、管理、 维护低速信号的字节。 除了以上所述，故障检测机制还可以利用g m p 协议中的l m p 协议 第1 0 页 i s l r s v p - t e l 9 1 协议中使用到的h e l l 。消息等故障检测一般应该在最靠近发生故障 的层进行因为这样可及时的发现故障，并且能够帮助简化故障恢复技术对于 光网络来说最靠近故障的就是物理层目前，在物理层故障检测的通常方法是检 测l o l ，其他基于光信噪比、色散、串扰和衰减的检测技术也在发展中 2 1 2 故障定位 在检测到故障发生后，需要明确故障发生的位置。因为故障发生后，工作路 径上故障点的后续节点都可能会检测到故障，比如用l o l 方法来检测故障的一 个现象就是沿着连接的工作路径，l o l 会向下游传播，因此所有的下游节点都 会检测到故障。这样，故障定位需要节点间相互的通信以确定故障究竟发生在何 处。比如。s o n e t 的告警指示信号a i s 用来在区间定位故障；l m p 中也提供 了对故障定位的支持，它通过在相邻节点间的控制通道上发送l m p 数据通道失 效的消息实现故障定位。 2 1 3 故障通知 故障通知是指检测到故障的节点把故障信息传给故障处理节点的过程。故障 通知可以由控制平面完成1 6 。 l s p 错误处理信令和通知：m p l s ( 多协议标签交换) 故障恢复的一个重要 方面就是l s p 错误的故障处理信令和通知( 如e r r o r 消息等) 。当一个已经建立的 l s p 上的某条链路发生故障时，就可以通过通知消息把故障报告给入口l s r 。然 而，u p 故障通知不会像硬件故障检测那么快，但它会直接触发恢复动作。 g m p l s 通失l ( n o t i f y ) 消息：在g m p l s 中，通知消息扩展了l s p 错误处理信 令。通知消息能发送给负责恢复失效l s p 的任何节点( 故障处理节点) ，并且消息 能包含附加的信息，例如关于多个故障的l s p 消息。当然，在g m p l s 中错误 ( e r r o r ) 消息也可以用于故障通知。 2 1 4 故障恢复 恢复机制一般可分为保护和恢复( 注意：此处的恢复是相对于保护的一种特 定技术，而非一般意义上的恢复技术) ，他们的差别在于备份路径的资源是在故 障发生前分配的，还是在故障发生后分配的。若备份路径上的资源在故障发生前 已经分配则为保护；否则，若是在故障发生后分配的，则为恢复r 玎。 一般认为保护和恢复主要使用了三种技术：基于路径的技术、基于链路的技 第1 l 页 术和基于分段的技术嘲在基于路径的技术中，认为整条工作路径不可用，这样 备份路径是和工作路径链路不重叠的另外一条路径而基于链路的技术中，认为 故障发生在故障链路连接的节点间。这样备份路径是故障链路连接的节点间不同 于故障链路的另外一条路径。基于分段的技术认为故障发生在工作路径上故障链 路附近几条链路上，因此备份路径只在故障链路附近几个链路建立 一旦故障被检测出来了，保护和恢复就可用来恢复故障。保护和恢复的明显 差别体现在不同的操作时间长度上。保护需要预先分配资源( 典型的需要1 0 0 的 资源富余量，如下面的i + 1 保护) 但能够快速地恢复故障( 少于几百微妙) 。例如， $ d f u s o n e t 自动保护倒换( a p s ) 可在5 0 m s 内把业务从工作路径倒换到备份路 径上去。这样做需要同时在工作路径和保护路径上同时传输业务( 叫做1 + 1 保护) ， 在接收节点处用选择器根据信号的质量来选择使用的路径。这种方式同没有a p s 保护的路