（电磁场与微波技术专业论文）解决obs网络中qos的更优方案.pdf

- - i ：要 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做的任 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， 本人签名：il 筮 本人承担一切相关责任。 日期：垒出：主，坌 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，允许学位论文被查阅和借 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) 斓一也必 缀 ， 一 一 删嘲 一 一 蝴一午 途保 一扳一 位于 一吞缉、 嚣协雾 一 f 解决o b s 网络中q o s 的更优方案 摘要 因特网“尽力而为 的业务模型不能针对不同i p 应用业务提供 不同级别的服务。在光域中没有光r a m ，因此基于缓存的q o s 方案 在全光交换的网络中无法应用。对于全光交换网络中的数据包传输竞 争冲突，解决出发点是当冲突发生时，较高优先级分组突发抢占较 低优先级的资源，或将较低优先业务分段，被冲突的部分直接丢弃或 通过偏射路由等机制迂回。 采用偏射路由等机制迂回被冲突部分的方式存在以下一些问题。 如后续节点很难知道较低优先级的分组突发是否被冲突、丢弃，且 被丢弃的分组，仍有可能与其它分组发生冲突；降低了网络的利用率， 且当负载较重时，低优先级业务很难有机会得到服务，丢包率太大。 因此，需要对此种解决方式进行改进，以同时兼顾不同优先级业务。 本文按照o b s 网络负载的需求，对控制协议进行了改进，形成 了动态的适应网络的i n i a 改进控制协议，提高了网络对实时业务和 非实时业务的支持。从仿真的结果可以看出，新的网络控制协议解决 了单独一种网络控制协议无法有效支持两种业务的问题，可以通过对 c l a s s 值的动态调整改善网络的性能，以适应当前业务传输需求；更 可以通过对不同要求业务设置不同c l a s s 值来对业务进行区分。新型 网络控制协议对传统业务和不断增加的因特网业务需求提供了更好 的支持，改善后的o b s 网络能为各种业务需求提供更优质的服务。 关键词：光突发交换混合控制信令丢包率q o s l “ ，l ab e t t e r 硷yt os o i e t h e q o so f t h eo b sn e t w o r k a b s t r a c t b e s t - e f f o r tm o d e lo v e ri n t e m e tc a nn o ta p p l yd i f f e r e n t l e v e l so f s e r v i c ef o ri po nd i f f e r e n ts e r v i c e s t h e r ei sn oo p t i c a lr a mi no p t i c a l d o m a i n ，s oq o sp r o g r a m s ，w h i c hb a s e do nc a c h e ，c a l ln o tb ea p p l i e di n a l l - o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k s f o rt h et r a n s m i s s i o n sa n dc o n f l i c t so f p a c k e t so v e ra l l o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k ，i ti st h eo r i g i n a lw a yt h a tt h e h i g h e r - p r i o r i t yp a c k e t b u r s tw o u l ds e i z et h er e s o u r c e so f al o w e ro n eo r t h ec o n f l i c tp a r to fal o w e r - p r i o r i t yp a c k e t b u r s tw o u l db ed i s c a r d e d d i r e c t l y , w h e nc o n f l i c to c c u r s i nu s i n gd e f l e c t i o nr o u t i n gm e c h a n i s m st od e a lw i t hc o n f l i c tp a r t s ， t h e r ea r es o m ep r o b l e m sa sf o l l o w i ti sd i f f i c u l tf o rt h en e x tn o d et o k n o ww h e t h e rt h el o w e r - p r i o r i t yp a c k e t b u r s ta r ec o n f l i c t e d ，o rt h e d i s c a r d e dp a c k e t sm a yc o n f l i c tw i t ho t h e rb u r s t w h e nt h el o a do ft h e n e t w o r ki sh e a v y , i ti sh a r df o rt h el o w p r i o r i t yb u s i n e s st oa c c e s st h e s e r v i c e w en e e dt oi m p r o v et h ep a c k e tl o s sa n da c c o u n tt h ep r i o r i t y - c l a s s s e r v i c e o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gi s o n eo ft h em o s tp r o m i s i n go p t i c a l s w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ee x i s t i n gm e c h a n i s m o fb u r s ts i g n a l i n gs c h e m e ，s u c ha st a w , j e t ，i n i ，a n a l y z i n gt h e i r a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s an e wb u r s tc o n t r o ls o l u t i o np r o p o s e dt o p r o v i d ea na d a p t i v es e c u r i t ys o l u t i o ns u p p o r tq o s a i m i n ga ta d a p tw h i c h n o d ei n t e r m e d i a t en o d ei s ，1 n i ac a ni m p r o v et h ed e l a ya n dp a c k e tl o s s r a t e a n di ti ss u i t a b l ef o rt h er e q u e s to ft h es e r v i c e k e yw o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gh y b r i ds i g n a l i n gs c h e m e p a c k e tl o s sr a t eq o s 一 ， 目录 第一章绪论。卜 1 1 弓l 言1 1 2 研究背景1 - 1 3 课题意义3 1 4 研究方法及文章结构4 1 4 1 研究方法一4 1 4 2 文章结构4 第二章光突发交换网络理论基础4 2 1 光网络的发展历程5 2 1 1 同步数字体系5 2 1 2 波分复用6 2 1 3 光传送网7 2 1 4i po v e rw d m 技术8 2 1 5 自动交换光网络9 2 1 6 下一代光网络发展趋势一l o 2 2 光突发交换体系结构分析1 1 2 2 1o b s 网络的提出一1 3 2 2 2o b s 网络结构1 4 2 2 3o b s 网络工作方式1 5 第三章光突发交换网络关键技术简介17 3 1o b s 网络控制协议1 7 3 2 突发数据包冲突机制2 1 3 - 3 波长变换2 2 3 4 光延迟一2 3 3 4 1 基本原理2 3 3 4 2 优缺点2 4 3 5 偏射路由2 4 3 6 突发包分段2 5 3 7 资源预留和调度机制研究2 5 3 7 1l a u c 一2 6 3 7 2l 久u c v f 2 7 3 7 3 基于优先级的调度算法一2 8 第四章仿真平台介绍一3 0 4 1n s 2 仿真平台的介绍3 0 4 1 1n s 2 分裂对象模型3 1 4 1 2n s 2 工作机制3 2 4 1 3n s 2 仿真元素一3 3 4 2o b s n s 仿真平台的介绍一3 4 4 2 1 边缘节点模块3 5 4 2 2 核心节点模块一3 6 第五章新犁光突发自适应控制协议i n i a 3 8 5 1i n i 混合信令协议3 8 5 1 1t a w 控制协议3 8 5 2 2i n i 控制协议3 9 5 2 新型光突发自适应控制协议的改进4 0 5 3 新协议在创新方面的尝试4 3 5 4 仿真模型及结果分析4 3 5 5 对于资源预留和调度机制的研究4 5 5 5 1q o s 冲突处理方案4 5 5 5 2 针对l a u c 进行的改进一4 7 第六章未来展望4 8 参考文献一4 9 致i 射5 2 攻读学位期间发表的学术论文目录5 3 北京邮l u 人学颁i j 学位论文 解决o b s 悯络中q o s 的也优方案 1 1 引言 第一章绪论 随着近年来光纤光缆大量被选作更换铜线电缆的通信媒质，光纤通信将迎来 大展拳脚的机会。同步数字系列( s d h ：s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 【l j 采用 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【2 1 ，数字传输速率达到1 0g b p s ， 即在一根光纤的一个光载波调制传送的数字速率为1 0g b p s 。伴随着波分复用 密集波分复用( 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 d w d m ：d e n s e 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【3 叫的发展，光纤的实际传送速率已经远 远高于基于t d m 的1 0g b p s 数字速率，也就是说，一根单模光纤的1 5 5 0n l n 波 长窗口能够同时传送几十路、几百路、甚至上千路的光载波。根据报道，光纤的 传输速率已经可以达到1 0t b p s ( s + c + l 波段) 。基于此，我们不难得到这样的 结论：为了满足未来通信网络对高速海量数据的传送要求，w d m 技术将助光纤 通信发展一臂之力，通过多路并行传输扩大通信网络的运营能力，为通信业务的 快速增长提供帮助。从成本上讲，一根光纤采用n 路w d m 系统远比铺设n 根只 能传送一路光载波的光纤要经济得多。w d m 将成为通信业务发展和网络增容的 最优选择。 伴随着册【7 - 8 】、f 1 广r p 和1 0g 以太网【9 】等传送技术的发展和不断增长的传 输需求，人们着力于研究如何经济有效地进行基础设施投资以满足带宽需求。光 信息转发的路由和控制节点是制约当前光网络发展的瓶颈，光传输和电处理节点 已经严重失调。因此，研究全光的光交换技术( 电控或光控交换) 事在必行。 光突发交换( o b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h ) t o 】是一种应运而生的光交换技术， 力图解决通信网络中存在的节点瓶颈。它的传输单位是光突发，即多个包通过相 应的汇聚算法产生合并，包的传输时间主要在“s 级别。o b s 是一种介于光路交 换( o c s ：o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 和光分组交换( o p s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) i h 2 】之问的传输形式，它兼顾了o c s 和o p s 带宽效率高、吞吐量高、易于实现 等优点，更克服了光路交换粒度大、不灵活、效率低以及光分组交换对光器件要 求高、难以实现的缺点。o b s 中的i po v e rw d m 1 3 j 4 】的探索是下一代光网络的 理想交换方式，它将成为光交换领域的热点研究课题之一。 1 2 研究背景 北京i l l l f i l l 人学顾i ：学位论文 解决o b s 喇络中q o s 的蜓优方案 c h u n m i n gq i a o 4 , 6 , 1 5 - 1 9 j f f j s t u m o r 等人分别提出了光突发交换。在光突发交 换中，使用的带宽粒度介于光路交换和光分组交换之问。光突发交换跟光路交换 相比更加灵活，带宽利用率更高，同时降低了对光器件的要求；跟光分组交换相 比更加实用。因此，可以说光突发交换结合了光路交换和光分组交换的优点并且 克服了两者的部分缺点，是两者之间的平衡选择，是一种适合下一代城域网的发 展方向。 在电路交换中，要等到确认信息才能确定一条通道的建立并开始发送数据。 在o b s 网络中，控制包在数据包之前发送，控制包走单独的信令通道，不需要 等待确认信息。当控制包发送并预留资源后，即开始发送数据。 在o b s 网络中，突发包由一些口包组成，而这些口包可以来自传统口网 中不同电域的i p 路由器。o b s 网络中的控制分组作用相当于分组交换的分组头， 它与突发数据( 净载荷) 在物理信道上是分离的，每个控制分组对应一个突发数 据。例如，在w d m 系统中，控制分组占用一个或几个波长，突发数据则占用所 有其它波长；在光时分复用系统中，控制分组占用一个或几个信道；在带状光缆 中，控制分组占用一根或几根光纤。 在光突发交换网络中，数据始终在光域内传输交换，控制分组也在光域中传 输，但是在每个中间节点要经过o e 转换，在电域内处理后再经e o 转换在光 域内传输。边缘节点将具有相同目的地址和服务质量的i p 包组装成突发包，突 发包是光突发交换中的基本交换单元，这些突发包可以是固定长度的也可以是可 变长度的，这取决于边缘节点的组装算法。边缘节点给每个突发包分配一个突发 控制包( b c p ：b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) ，控制分组头中包含了突发包长度、偏置 时间、路由信息等，控制分组在到达中间节点后经过o e o 转换并经电处理后， 中间节点用这些信息为数据预留带宽，在经过一定的偏置时间( o f f s e tt i m e ) 后， 边缘节点发送突发数据到数据信道。如果资源预约成功，数据将在数据信道上无 需光电转换透明地传输到目的节点；如果资源预约失败，该数据分组将被丢弃或 使用偏射路由送到其它节点。 基于波分复用技术的o b s 网络，源端和目的端在物理上虽然只有一根光纤 相连，但是逻辑上有多个波长相连。当不同光纤上的同一个波长丑上的两个数据 同时向同一根输出光纤输出时，就会产生竞争，这时如果没有其它解决竞争的机 制，就会对后到的突发包进行丢包。但是如果将其中一根光纤上的数据通过波长 变换器转换到其它的空闲波长上，例如疋上，则数据将占用输出光纤的无波长， 这样就可以有效地解决输出端口的竞争问题。 光突发交换中的信令主要采用恰量时间协议( j i t ：j u s ti nt i m e ) b 9 与充分 时| 日j 协议( j e t ：j u s te n o u g ht i m e ) 2 0 】两种信令。在j e t 协议中，节点发送控制 北京邮i 乜人学硕i ：学位论文解决o b sm 络中q o s 的史优方案 分组后，等待一个偏置时间后才发送突发数据。所以中间节点不需要光缓存器来 弥补控制分组的处理时延；而且j e t 协议还可以使用延时预留( d r ：d e l a y r e s e r v e ) 策略来有效地利用带宽；还可以通过偏置时间的长短来为业务提供不 同的q o s 支持。而j i t 协议在控制分组到达中间节点时就建立了连接，导致带 宽利用率的降低。 传统o b s 存在着这样一些问题，如当前没有可供快速波长变换和快速交换 的成熟技术。从协议方面考虑，o b s 是基于控制包携带信息，通过中间节点构 建交换结构，并交换到对应输出端口的架构。但是，当发生拥塞或遇到输出端口 被冲突时，中间节点对该突发数据包会采取直接丢弃的处理方案。这样来说，对 于通过独立路由传输并已经给定数据源端和目的端的突发数据包将造成极大的 资源浪费。 截止到目前，人们提出可用在o b s 网络中的q o s 解决方案主要有两种：一 种是基于额外偏置时间的方案，另一种是比例q o s 方案。 基于额外偏置时间的q o s 解决方案是通过在控制分组与数据分组突发之间 设置额外偏置时间，不同的额外偏置时间表示不同的优先级，其丢包率将不同， 因为额外偏置时间越大，它预留成功的机会越大。 比例q o s 的基本原理为根据各优先级的比例因子，当较高优先级的分组发 生丢包时，故意丢弃一些较低优先级的分组使它们的丢包率始终保持一定的比例 ( 在一段时间内) ，这样给较高优先级业务多一些预约成功机会。 为了降低i p 分组的丢包率，在应用上述方法的同时，可以采用分段丢弃方 式，尽可能降低业务分组的丢包率，这样需在突发数据分组中，为每个m 分组 加一些开销，用于口分组定位与识别。 如何兼顾各级q o s 的传输要求，为之提供更加灵活的传输方案，并对传输 的资源进行合理调度是摆在我们面前的问题，也是本文所要重点进行研究的方 面。 1 3 课题意义 因特网“尽力而为”的业务模型不能针对不同i p 应用业务提供不同级别的 服务。在光域中没有光r a m ，因此基于缓存的0 0 s 方案在全光交换的网络中无法 应用。对于全光交换网络中的数据包传输竞争冲突，解决出发点是当冲突发生时， 较高优先级分组突发抢占较低优先级的资源，或将较低优先业务分段，被冲突 的部分直接丢弃或通过偏射路由等机制迂回。 采用偏射路由等机制迂回被冲突部分的方式存在以下一些问题。如后续节点 北京l l i b l i 巳人学硕i ：学位论文解决o b s 嗍络中o o s 的也优方案 很难知道较低优先级的分组突发是否被冲突、丢弃，且被丢弃的分组，仍有可 能与其它分组发生冲突；降低了网络的利用率，且当负载较重时，低优先级业务 很难有机会得到服务，丢包率太大。因此，需要对此种解决方式进行改进，以同 时兼顾不同优先级业务。 1 4 研究方法及文章结构 1 4 1 研究方法 通过对国内外最新研究进行调研，深入思考光突发交换网络自身的优缺点。 通过对不同偏置时间、不同竞争解决方案、不同冲突汇聚方法、不同调度机制的 协调的了解，寻找一种分级的q o s 策略展开研究，形成一条思路清晰、逐级扩 展的研究路线。针对光突发交换网络混合信令和资源调度提出新协议解决方案， 并搭建网络仿真平台对新协议性能进行测试验证。 1 4 2 文章结构 本论文的章节安排如下： 第一章为绪论：介绍文章研究背景、课题意义、研究方法和结构安排等； 第二章介绍光突发交换网络理论基础：介绍光网络的发展历程和光突发 交换体系结构的组成等，通过对相关技术的介绍，了解当前发展情况， 结合各种技术的优劣方面，综合考虑对所需提升部分进行相对应的优 化，整理出优化方向； 第三章研究o b s 网络关键技术：对光网络的各项关键技术进行阐述和 介绍，通过对关键技术的介绍，了解光突发交换网络各部分的特点和性 能； 第四章介绍仿真平台：介绍n s 2 仿真平台和基于此的o b s n s 仿真平 台的模型和工作机制，并对节点和核心模型进行介绍； 第五章描述新型光突发自适应控制协议：在已有研究的基础上提出改进 控制协议，对其进行仿真和分析，并在此基础上，对与之匹配的资源预 留和调度机制进行设计； 第六章为未来展望：对光网络未来发展和研究走向进行预测。 第二章光突发交换网络理论基础 北京邮l 【1 人学颂l ：学位论文 解决o b s 刚络中q o s 的更优方案 2 1 光网络的发展历程 光交换技术也是一种光纤通信技术，它是指不经过任何光电转换，在光域 直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换技术可分成电路光交换技术和分 组光交换两种类型，前者可利用光分插复用( o a d m ：o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e r ) 1 2 1 】、交叉连接( o x c ：o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ) 2 2 】等设备来实现， 而后者对光部件的性能要求更高，由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完 成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电信 号来控制，即所谓的电控光交换。 随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。分组 交换光系统所涉及的关键技术主要包括：o p s 技术、o b s 技术、光标记分组交 换( o m p l s ：o p t i c a lm u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 1 2 3 】技术、光子时隙路由( p s r ： p h o t o n i cs l o tr o u t i n g ) 技术等，这些技术目前主要是在实验室内进行研究与功能 实现。光交换技术能确保用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术， 即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。 s d h 的出现标志着现代光网络的正式兴起。随着光器件的大幅度发展和因 特网所不断带动的相关业务需求，光网络得到了飞速发展。光网络在发展过程中， 主要经历了以下几个发展阶段，并将伴随着科技的发展寻求自身突破，继续向前。 2 1 1 同步数字体系 随着在电信网中光纤通信被越来越大范围的使用，1 9 8 4 年美国贝尔通信研 究所正式提出了同步光网络( 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 ) 的概念。 后来，i t u t 前身c c i t t 将同步光网络发展成为同步数字系列( s d h ) ，并使之 成为了一种将高速大容量光纤传输技术和网络管理控制技术相有机结合的新体 制，建立了世界性的统一标准。由此，s d h s o n e t 开始在全世界范围内进入了 建设的高潮，这成为了现代光网络兴起的重要标志。 s d h s o n e t 先后统一了北美、日本和欧洲三个地区性的标准。正是因为各 种数字传送信号在s t m 1 等级以上获得了统一，使得国际电信的互通成为可能。 s d h s o n e t 电信传送由于采用了同步复用方式和灵活的映射结构，通过利用软 件实现高阶支路信号与低阶支路信号之间的异步复用，上下行业务变得十分容 易，从而大大地简化了交叉连接设备。s d h s o n e t 还通过采用标准光接口代替 了旧有的大量电接口，进而节省了网络投资，提高了网络性能，并实现了多厂家 北京邮l u 人学颀l ：学位论文 解决o b s 朋络中q o s 的世优方案 之间设备的互联，便于复杂网络的组成。除此之外，由于s d h s o n e t 帧结构中 安排了大约占总信号二十分之一的开销比特，最大范围地增强了网络的运行、管 理和维护能力( o a m ：o p e r a t i o n ，a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t e n a n c e ) 。正由于这些 优点，s d i - u s o n e t 自打出现以来就迅速发展成为长途传送网方面的主要技术。 截止到现在，全世界遍布了超过1 5 万个s d h s o n e t 环网。 虽然s d h s o n e t 已成为世界各地其他网络架构的网络基础，但是在 s d h s o n e t 中主要起传输媒介作用的光信号，它的控制管理信令的处理都是需 要通过电域才能完成。针对此，不仅要求增加光电、电光的变换设备，而且要 求增加开销的处理时间。更进一步来讲，光电转换抵消了光传输所带来的信息 透明性的优点，而且伴随着网络规模的扩大，s d h s o n e t 开销已经不再那么充 裕，多级复用还造成了带宽利用率低的缺点。更为重要的一点是，伴随着业务的 增长，s o n e t s d h 难以跟上数据业务高速发展的步伐，既不便于支持数据业务 格式，又有容量匮乏之虞。总之，s d h s o n e t 的不足已充分表露，光网络有进 一步发展的迫切要求。 2 1 2 波分复用 数据通信发展得十分迅猛，特别是因特网的业务量呈爆炸性地增长，对数据 传输网络的带宽需求越来越高，这种传输网络对于信息容量的需求的增长，使得 当前的光纤通信系统已经出现了负载能力饱和的情况，这也被成为“光纤耗尽” 现象，针对网络的扩容改造刻不容缓。 现在网络中最主要的扩容复用技术包括：波分复用( w d m ) 3 - 5 】、时分复用 ( t d m ：t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 、码分复用( c d m ：c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 。其中，时分复用和码分复用对电子器件的要求较高。波分复用技 术将系列载有信息、但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输；在接 收端再用某种方法，将各个不同波长的光信号分开。这种技术可以同时在一根光 纤上传输多路信号，每一路信号都由某种特定波长的光来传送，这就是一个波长 信道。伴随着掺铒光纤放大器( e d f a ：e r b i u md o p e df i b e r a m p l i f i e r ) 的发明和 使用，波分复用在上世纪的9 0 年代中期以后迅速走向成熟并进入商业化应用。 北京邮i u 人学颂l ：学位论义 解决o b sl 自9 络中o o s 的更优方案 ，光发射机p l l掣裟 、 、 镪 光发射机1 2 2复 光发射机l a 3 用 - 复 器 用 ：，一 ? 掺铒光纤放大器 学 、q 光赢机 光茇射机b e d f a 图2 _ lw d m 系统构成 波分复用技术充分利用光纤的低损耗波段，增加光纤的传输容量，使一根光 纤传送信息的物理限度增加一倍至数倍。目前我们只是利用了光纤低损耗谱 ( 1 3 1 0 r i m 1 5 5 0 n m ) 极少一部分，波分复用可以充分利用单模光纤的巨大带宽约 2 5 t h z ，传输带宽充足。 波分复用技术的突出优点在于对于有源光设备的共享性，对多个信号的传送 或新业务的增加降低了成本。并充分利用了光纤的带宽资源，增加了系统的传输 容量，而且还能提高系统的经济效益。对已建光纤系统，尤其早期铺设的芯数不 多的光缆，只要原系统有功率余量，可进一步增容，实现多个单向信号或双向信 号的传送而不用对原系统作大改动。 当然，目前的波分复用无法实现灵活的网络互联，还是主要以点到点的方式 为主。而且，波分复用网络的每个节点内，光信号都要经过点处理，转换成电信 号。电子节点过重的处理负担，限制了网络节点的吞吐量。因此，光网络节点瓶 颈的问题被提上日程。 2 1 3 光传送网 光传送网( o t n ：o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 功能上来评价其设计目的是达 到子网内的全光透明，并在子网边界处采用光电光( o e o ) 转换技术( 波分 复用系统只采用线路系统传输技术，不涉及到组网技术，这与波分复用系统有很 大的区别) 。光传送网在光域内，可以实现业务信号的传送、复用、路由选择、 监控，并保证其性能指标和生存性，最大限度上支持各种上层技术，是适应各种 通信网络演进的理想基础传送网络。 光传送网是从网络功能和重要特征的角度提出的，其不限制实现的技术基 础。波分复用、光时分复用( o t d m ：o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 、光码 分复用( o c d m ：o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 等各种复用技术都可以用 于光传送网。由于波分复用技术的突破性进展，波分复用光传送网用光波长作为 最基本的交换单元，客户信号以波长为单位来完成传送、复用、路由和管理的。 7 北京邮l u 人学硕l ：学位论文解决o b s 嗍络中q o s 的业优方案 当前光传送网正面临基于因特网业务爆炸性增长所伴随的前所未有的巨大 挑战。数据业务的发展带来了诸如突发性、多变性、多样性、不对称性等一系列 问题。光传送网不仅需要解决带宽问题，更需要具备灵活地提供带宽的能力。通 过将交叉连接( o x c ：o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ) 等设备引入，把传统的点到点的 光网络逐渐演进成高效的网状结构。 随着业务量的增长和业务特性的变化，在如何灵活地、有效地提供带宽等方 面，光传送网仍存在着一些不足。如何更好的适应数据业务传输的需要，将是光 传送网能否广泛应用的关键问题。 2 1 4i po v e r w d m 技术 i p 技术具有简单、灵活、控制粒度细、可扩展性好、极具智能性等众多优 点。更为重要的是，因特网业务的爆炸性增长，使得传统网络不断向着多业务支 撑网络的方向发展。结合近些年来的网络发展趋势分析，m 技术成为各种业务 均能良好支撑的首选技术。 w d m 传输设备拥有完善的光层保护能力，能够全面提供光复用段1 + 1 、光 通道1 + 1 、光通道l ：n 、两纤双向光复用段通道共享环网保护等多种保护方式， 可以有效保证所承载数据业务的高网络生存性要求。此外，光层保护在倒换时间 性能上能够提供大大优于i p 路由器保护恢复性能的q o s 保证。 i m _ 南l i 。p t ；c a - n 娟v o r k 图2 2i po v e rw d m 的适配技术方案 w d m 传输设备通过大量减少数据设备之间的光纤连接，可以使原有呈星型 分布的数据网网络结构简化为呈线形环形的网络结构，便于网络的规划和维护 操作。 i p 技术与光网络技术的融合【1 3 1 可以实现多种方向上的优势互补：通过结合 光层和i p 层的路由功能，提供动态的波长路由；通过结合光层的保护和i p 层的 北京邮i 乜人学硕i j 学位论文 解决o b s 叫络中q o s 的更优方案 恢复功能，提供多种保护恢复方案，进一步提高网络生存性；i p 智能控制协议 丰富而标准化程度高，具备多年实践经验等。显然，i po v e rw d m 势在必行。 i po v e r w d m 技术，使i p 数据流直接进入了光通道，有利于充分综合w d m 技术大容量与i p 技术统计复用的优势。从错误l 未找到引用源。3 可以看出， 由于中间省略了a t m 层和s d h 层，它能充分利用带宽资源，在i p 层与光层之 间实现流量工程、保护恢复、q o s 和网络管理等的优化配置，整个网络体系结构 简单而高效。在m 与w d m 之间的中间层，如m p l s 、o b s 、o p s 等，还有待 研究与完善。 i po v e rw d m 技术将伴随新型网络控制协议的完善和多波长光网络技术的 进步而不断发展。i po v e rw d m 网络模型为面向数据业务的光网络发展提供了 有益的思路。 图2 3i po v e rw d m 协议栈的发展 在i p 数据网络与传输网络的融合发展过程中，网络快速重路由、网络业务 带宽动态分配、i p 业务性能检测等问题将成为i po v e rw d m 技术发展中亟待解 决的问题。 2 1 5 自动交换光网络 i t u t 最先提出了一种通用意义上的网络概念，这种网络的概念剥离了具体 的网络技术，而是提供一种控制功能层面的定义。这种在传送网络上自动建立、 释放连接的网络概念被称作为自动交换传送网络( a s t n ：a u t o m a t i cs w i t c h e d t r a n s p o r tn e t w o r k ) 。i t u t 特别为自动交换传送网络制定了标准建议g 8 0 7 。 g 8 0 7 标准建议规范了a s t n 的体系结构和与其连接相关的一组控制功能，描述 了a s t n 控制平面的网络级需求。a s t n 由传送平面、控制平面和管理平面等3 个平面组成。控制平面的基本功能包括：在传送平面建立和释放多种形式的连接、 维护端到端的连接、连接接纳允许控制、路由选择、连接和资源管理等。 符合g 8 0 8 0 框架要求并以同步数字体系( s d h ) 和光传送网( o t n ) 为基 北京邮i u 人学颐i j 学位论文解决o b sm 络中o o s 的史优方案 础的自动交换传送网，被称为自动交换光网络( a s o n ：a u t o m a t i cs w i t c h e d o p t i c a ln e t w o r k ) 2 4 】，这种网络通过控制平面来完成自动交换和连接控制的光传 送平台，树立了自动交换传送网络技术在光网络层面上的一种具体应用的实例。 传统的传输系统主要包括网管和传输2 个层面。a s o n 最大的进步是在这两 个层面的基础上，引入了第三层面控制层面。a s o n 使用控制层面承载网管 层面的功能，采用了分布式控制，首次在传送网中引入动态交换概念；第一次将 交换、传输、数据等综合了起来。分布式控制有以下优点：建立电路时间短，可 快速适应各种业务需求；可扩展性强，接口标准化程度高；保护倒换、恢复速度 快；可以适应i p 业务本身不可预见性和不确定性；可以解决建立跨越不同厂商 电路的问题；减少了对网管系统的要求等等。 统一网络管理特别是端到端电路配置和保护恢复，一直是运营商头痛的问 题。由于a s o n 网络将保护恢复功能和通道端到端的调度管理转移到控制层面， 控制层面目前看来更容易实现互联互通和互操作。在网管平面没有实现统一管理 的情况下，未来有可能由控制层面实现端到端的电路调度、保护恢复。 尽管a s o n 展示了光通信发展的美好前景，但其真正大规模商用还面临诸 多难题。多厂商环境大规模组网时的互联互通难以解决是最突出的问题。因此， 现阶段运营商引入a s o n 只有继续等待标准化或者先建设、后完善两种选择。 前者风险比较小，但是进度较慢；后者在不同区域采用不同控制层面和路由算法， 域间采用固定连接，在域问路由成熟后再引入路由，对设备厂商产生了很大程度 上的依赖。 此外，a s o n 的安全性问题也是极为突出的。数据业务的信令和路由协议都 是基于i p 网络的原有协议扩展而来，而且在具体使用时也是采用i p 包来传送， 这样i p 技术潜在的不安全特性对于a s o n 网络的安全性威胁很大。a s o n 网络 的稳定性也需要时间来考验。随着i n t e r n e t 业务的突发性越来越大，a s o n 在带 宽利用效率和带宽灵活提供等方面还是存在一定的缺陷。有必要研究o b s 、o p s 等一些新组网技术以解决当前存在的问题。 2 1 6 下一代光网络发展趋势 近年来，随着互联网的迅猛发展，i p 业务呈现爆炸式增长，口网络承载了 包括语音、图像、数据等在内的多种业务。如何构建可有效支持i p 业务的下一 代光网络已成为人们广泛关注的热点之一。对承载的光网络而言，不仅仅要面对 超大容量和宽带接入等明显需求，还需要光层能够提供更高的智能性并在光节点 上实现光交换，通过i p 层和光层的适配与融合，建立一个灵活扩展、经济高效、 北京邮i 乜人学帧i ：学位论文解决o b si 畸络中q o s 的鬯优方案 支持业务q o s 的光网络，满足i p 业务对信息传输与交换系统的要求。 尽管目前光通信提供的带宽可以满足现有的业务需求，但这并不表示每个环 节都可提供无限的容量潜力，更不表示运营商使用带宽可以不计成本。在任何时 候，有效利用带宽都是运营商的一个基本出发点。 传统的话音网络要求格式化、标准化的传输体系，但数据业务具有突发、不 稳定的特点，存在极为突出的“带宽相对不足”矛盾，对传统的固定时隙带宽分 配方式提出了挑战。针对这种发展需求，目前已经提出了多种与之相适应的新型 技术，如通用成帧过程、链路容量调整机制、虚级联技术和基于数据业务为主的 弹性分组环技术等。 全光网络技术的应用研究从上世纪9 0 年代就开始了，美国、欧洲、日本等 发达国家纷纷确立了光网络技术及应用的战略技术和部署，如美国国防部先进研 究项目署( a r p a ) 的重大研究计划，美国国家、企业、高校联合的下一代因特 网( n g i ) 发展计划等；加拿大科研工业教育发展网( c a n a r i e ) 计 划，欧洲先进通信方式的研究与技术开发( r a c e ) 计划；日本邮政省先进电信 组织( t a o ) 等的s t a r 计划、e - j a p a n 战略等；还有中国高科技8 6 3 计划等。 这些战略计划的研究内容都是与光网络发展相关的光器件、光系统，以及光传输、 光交换、光控制等技术及应用。 光网络技术发生革新的主要动力来自于数据业务的驱动。随着数据业务( 尤 其是m 业务) 的持续高速发展，光分组交换与光突发交换将逐步发