（电磁场与微波技术专业论文）光网络生存性的理论研究与仿真.pdf

北京邮电大学硕士论文 摘要 光网络生存性的理论研究与仿真 摘要 生存性技术是保证网络性能的支撑性技术，在网络故障情况下，生存性技 术用于实现受损业务的恢复。在光网络中，生存性技术的研究随着网络的演进 而得到不断的发展。多粒度交换是智能光网络传送平面的一项特色技术，也是 未来网络发展的一个重要方向。对于多粒度光网络生存性机制的研究还是一个 相对较新的研究领域，是一个具有挑战性的问题。而在下一代光网络中，随着 流媒体、视频会议等业务的开展，组播( 点到多点) 应用将得到普及。相对于 传统的单播业务，组播承载的业务量更大，而且往往对时延等参数敏感。这时， 提供生存性得到保障的光网络组播显得尤为必要。研究下一代光网络中组播的 生存性机制具有重要的意义。 本论文中的工作紧密围绕光网络的生存性而展开。在对光网络的生存性进 行了全面、系统的分析后，进一步就多粒度光网络的生存性和光网络组播的生 存性进行了深入的研究。 本论文主要的工作及成果包括： 从网络生存性策略、各层网络的生存性等角度对光网络生存性技术进行了 全面、系统的回顾和总结，并针对智能光网络中所特有的生存性问题控制 平面的生存性进行了分析。 研究了智能多粒度光网络的路由技术，并在此基础上对智能多粒度光网络 中的生存性机制进行了研究。提出并实现了波带交换光网络中的专用通道保护 和三种不同形式的共享通道保护机制，并针对不同机制进行了算法的性能仿真 分析。同时，提出了波带交换光网络中基于波带通道进行恢复的新方案。 研究了光网络组播的路由技术，建立了光网络组播树的i l p ( 整数线性规 划) 模型，给出了组播树建立的启发式算法，并在此基础上对光网络组播生存 机制进行了研究。提出了两种新的组播生存策略：基于树的备用通道选择策略 和同一组播树主备用容量共享策略。提出了三种组播备用资源预留算法，并搭 建了组播生存性仿真平台，对不同机制的算法进行了性能仿真分析。 结合国家8 6 3 项目，参与建立了多粒度光网络系统实验平台和a s o n 协议 栈，开展了智能多粒度光通道建立、多粒度光网络恢复等实验研究。 关键词：下一代光网络生存性技术多粒度光交换光组播 北京邮电大学硕士论文摘要 r e s e a r c ha n ds i m 【。a t i o nf o rt 日eo p t i c a l n e t w o r ks i 珏瓯1 n 後b j i t y a b s t r a c t s l m 打a b i l 毋i sav i 诅lt e c h n 0 1 0 9 yw h i c hg r e a n y 呦a c t s 也ep e r f o m a n c eo f o p 矗c a l 玳舰旧r k s s u r v i v a b ih 眵t e c h l o l o g ye n s u r e st h er e s t o 瑚瞳o d so f 盛c t e d 倾匝c si n 越h 聃锨斌d o n 耽er e s e a r c hf o rs l l r 、雨a b ：i l i t yt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e d a l o n gw i 也也ee v o l v e m e n to fn e 孙，o r ki i l 仕l eo 砸c a ln c i t w o r k ，n l e 加u l t i 目a n _ u l a r 埘 s w i t c hi sn o to n l yac h a 工t e r i s d ct e c h l l o i o g y 证m e 缸a n s p o r tp l a n eo fi n t e n i g e n t o p t i c a ln c 舰旧r kb u ta l s oa ni i l l p o r t a n tw a yt o 也ed e v e l o p m e n to ff 叶u r en e t v 旧r k i t i san e 、) l ，丘e l dc o r r e s p o n d i n 甜ya n dac h a l l e n g i l l gp r o b l 锄f o r 也er e s e a r c ho f s u i 啊v a b i h 锣s c h e m ei 1 1 也em u l t i 一掣a n u l a r 毋0 p 廿c a ln c 曲m r k m e 缸【w 扯1 e ，f o rt h e n e ) ( tg e n e r a 丘o no p 缸c 址n c 加r k 也em 皿缸一c 雒ta p p l i c a 丘o nw i l 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n n o v a t i v er e s u n sa r el i s t e da sf o o w ： 1 w em a ：k ea ne ) ( t e n s 沁ea n ds y s t e m a t i c a ls 伽皿a 血a t i o no fo p 如a ln c t 、) l ，o r k s u r v i v a b i l 埘t e c h n o l o 既舶ms u r v i v a b m 够s 仃a t e g yt o删一l a y e r咖r k s u r v i v a b i l i 蚬a n dm 呔ea na 1 1 a l y s i sf o r 也ec o n 打o lp l a n es 1 1 州v a b i l 姆i nt 1 1 e 血e l l i g e n to p 廿c a ln e 铆o r k 2 w er e s e a r c h e d 也er o u t 堍t e d m 0 1 0 西e si i l 血e l l i g e n t 瑚出一g r a 砌嘶o p d c a l n e t 、硼r k b a s e do n 也a t ，s m a b i l 蚵s c h e m e si i li 】1 t e l l i g e mm _ u l t i 一乎a n u l a r 埘。皿c a l n e l w o r ka r es t u m e d h 1w b sn 咖r k ，d e d i c a t ep a 也- b 2 l s e dp r o t e 砸o n p ) s c h c m e a n dt b r e e 姊e so fs h a r ep a k b a s e dp r o t e c t i o n ( s p ) s c h e m e sa r ep r e s e n t e d a - 1 s o s o m es i 】n l l l a t i o nr e s l l l t sa r ea n a l y z e d ma d d i 6 0 1 1 ，b a s e do n 仃砍l i t i o 瑚lr e s t o r a 垃o n s c h e m e s ，an e ww a v e b a n dp a _ f l l - b a s e dr e s t o r a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d 证w b s n e 咖r k 北京邮电大学硕士论文摘要 3 w br e s e a r c h e d 仕圯o p 矗c a lm u l n c a s tr o u t m gt e c h l l 0 1 0 9 i e s ，e s t a b l i s h e d 也e p m o d m eo fo p d c a lm m t i c a s t 缸e ea n dp r o p o s e ds o m e 毓s t i ca l g o r i t h s b a s e do n 也a t ，t h eo p t i c a lm u l t i c a s ts u r v i v a b m t ys c h e m e sa r es t u d i e d t w on o v e lo p t i c a l m u l t i c a s ts u r 访v a b i l i t yp o h c i e sm e eb 2 l s e db a c k 坤p a 也r o u t 证gp o l i c y ，p 矗m a r ya n d b a c k ：u pr o s o u r c es h 痂gp o l i c y ) a r ep r e s e n t e d a n d 也r e en e wm m d c a s tb 鹎k ：u p r e s o u r c ea s s i 印m e n tm g o a r ep r e s e n t e d w be s t a b l i s h e ds i i n u l a t i o np l a 怕n n ， a 1 1 da n a l y z e d 也ep e r f o m l a n c eo fd i 丘e r e n tp r o t e c t i o na l g o r i t h n s 4 p a n i c i p a 血g 、斩也也e 疏p l e m e n to fm u h i - 留a l “a r i t ) ro p t i c a ls 婀t c g s y s t e ma n da s o np r o t o c 0 1s t a c k s e v e r a le x p e r 洫e n t sr e l a t e dt ot h ea s o nr o u t i l l g ， m g l i 曲印a 也e s t a b l j s m e n ta n dr e s t o r a t i o na r ed e m o n s 仃a t e dw i 出也e s ep l a 仃o m l s k 皿y w o r d s ：n e ) ( tg e n e r 撕o no p 廿c a ln e t 、o r k s 嘶种a b i l i 够t e c h n 0 1 0 影 m u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c ho p t i c a lm u l t i c a s t i i i 独创性声明 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，本人承担呓g 相关责任。 本人签名：二工盎鱼 日期：地：! 即 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) 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：工生鱼 导师签名： 北京邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 光网络技术发展 第一章绪论 近年来，光传输网络有了长足的进步，无论是从光传输技术还是光传输网 络的部署和应用都日趋成熟。光传输市场在经历了2 0 0 1 年比较低迷的状态之 后，又露出了日渐复苏的势头。根据不断出现的各种新兴网络业务以及新技术， 我们可以简要回顾和展望一下可持续发展的光传输网络。 s d h 网络可以算是第一代的光网络，它的特点是以点到点波分复用 ( w d m ) 传输系统为基础，提供大容量、长距离、高可靠的业务传送，但所有 的交换和选路在电层实现。9 0 年代中期发展的密集波分复用( d w d m ) 光网络 技术进一步挖掘了光纤的带宽潜力，提高了网络的传输性能，但在联网技术上 没有实现统一。 ， i t u t 于上世纪末提出的光传送网( o t n ) 可以认为是第二代光网络，主 要特点是在光层实现交换、选路等功能，从而成为真正意义上的“光”网络。 光分插复用器( q 如m ) 、光交叉连接器( o x c ) 等光节点技术的成熟为o n 订 的发展铺平了道路，光网络的拓扑形式从环网向格形网演化，一些复杂的网络 功能( 如保护和恢复) 也得以实现。目前，实际中的光网络发展到了这一阶段。 随着光传送网技术的成熟，网络的智能化和自动化的程度越来越高，同时 q o s 保证和流量工程的特征也日益明显，这些都预示了光网络向下一代的发展。 以自动交换光网络( a s o n ) 为代表的智能光网络正是在这一历史发展潮流中 从各项技术中脱颖而出的。 智能化的a s o n 网络在i t u 。t 的文献中定义为“通过能提供自动发现和动 态连接建立功能的分布式( 或部分分布式) 控制平面，在o 烈或s d h 网络之 上，实现动态的、基于信令和策略驱动控制的一种网络。 智能光网络具有以下特点： ( 1 ) 根据业务特性的变化，动态地自动建立连接： ( 2 ) 多粒度交换，充分利用网络资源，为用户快速、高质量地提供各种带宽 服务； ( 3 ) 支持业务流量工程，适合波长、带宽出租业务，支持灵活) n 的组网； ( 4 ) 具有很强的互操作性和可扩展性； ( 5 ) 较低的成本和增强的网络功能迎合了城域网的发展方向。 可以预见，随着光网络各方面技术的不断发展和融合，在未来的5 1 0 年内， 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 光网络将逐步朝着下一代而演进，主要特征如下： 超高速、超大容量、超长距离 多业务、多粒度、大交换容量 智能化、可控可管 面向业务应用、可盈利 1 2 光网络生存性的重要意义 网络的生存性( s u r v i v a b i l 时) 定义为网络抵制故障业务中断或干扰的能力， 即在网络发生任何故障后能尽快将受影响的业务重新选路到空闲资源，以减少 因故障而造成的社会影响和经济上损失，使网络维护一个可以接受的业务水平 的能力。目前，国际上的s d h 传输速率等级已达到4 0 g b 州s ，商用化的己达到 1 0 g b i t s ，相当于十几万条话路。若一根2 4 芯的光缆被意外事故所切断，则可 能同时丢失几十万条话路。因此，通信网尤其是大容量高速通信网络的失效将 造成巨大的社会影响和经济损失，网络的生存性已经成为了人们日益关注的问 题。据美国有关资料分析，如果通信中断1 小时，航空公司要损失2 5 0 万美元， 投资银行要损失6 0 0 万美元；如果通信中断两天，足以使投资银行倒闭，因此 如何提高网络的生存性和可靠性是网络运营管理者所迫切要考虑的重要问题， 也正因为光网络的不断发展，使网络所能承载的信息容量和通信速率成阶梯型 增长，这种现状使网络的生存性问题被提到了前所未有的高度，从实用价值和 理论的角度而言，研究网络的生存性具有非常重要的意义。 1 3 光网络生存性的研究现状 虽然标准化的工作还没有完成，但是由于生存性技术是现在光网络中必须 解决的关键技术，所以目前国内外有很多的研究结构和高校都在从事光网络生 存性的研究，也已经发表了很多文献，其中比较有代表性的就是澳大利亚 m e l b o u r n e 大学g r o v e r 教授领导的生存性研究小组，他们在基于光环网实现的 生存性方面做了相当多的工作，提出p 环，虚保护环等等许多新的观念。 随着网络技术的发展，数据网络和光网络技术的融合，po v e rw d m 技术， a s o n 技术的应用和发展以及下一代光网络的提出，也要求有相应的生存性技 术与之相适应，这方面的研究工作，国内外各研究结构和高校也在积极进行。 生存性对于光网络的重要性现在已经得到业界的广泛重视，在光网络快速 发展的今天，研究光网络的生存性技术，提出实用化的解决方法，已经成为发 展和建设光网络必须解决的一个关键问题。 北京邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 4 论文主要内容和章节安排 本论文的结构安排如下： 第一章：绪论，主要是介绍光网络的技术发展，并由此引出网络生存性的 重要性，简要介绍了当前光网络生存性的研究现状。 第二章：光网络生存性技术研究，主要是总结介绍当前在网络中使用的生 存性技术和机制。 第三章主要是研究多粒度光网络的生存性机制，重点研究了波带交换光网 络的保护算法和恢复机制，并进行了相应的网络仿真分析。 第四章主要是研究光网络组播的生存性机制，重点研究了适于组播保护恢 复的备用通道选择策略和备用资源共享策略，并进行了相应的网络仿真分析。 第五章主要是总结介绍了我在读研期间所参与从事的科研项目。 北京邮电大学硕士论文第二章光网络生存性技术研究 第二章光网络生存性技术研究 网络的生存性技术保证网络在发生故障时对受损业务能够进行恢复。对于 智能光网络来说，其生存性技术具有自身的特色。本章首先从网络生存性策略、 各层网络的生存性及生存性技术的分类三个方面概述了各种网络的生存性技 术，然后对智能光网络中生存性技术的特点尤其是控制平面自身的生存性进行 了探讨研究。 2 1 网络生存性技术概述 2 。2 1 网络生存性策略一保护和恢复 生存性是网络的一个重要指标，其实现是靠具体的保护和恢复措施来保证 的。保护和恢复均是在网络故障条件下，使受损的业务得以重新运行的具体措 施。两者均是需要重新选择其他路由来代替故障路由。但就其具体实施方式而 矗 言，保护和恢复方法又各有不同。 保护是指利用节点间预先分配的容量实施网络保护，即当一个工作通路失 效时，利用备用设备的倒换，使工作信号通过保护通路维持正常传输。保护往 往处于本地网元或远端网元的控制下，无需外部网管系统的介入，保护倒换时 间很短，但备用资源无法在网络范围内共享，资源利用率低。 恢复则通常利用节点之间可用的任何容量，包括预留的专用空闲备用容量、 网络专用的容量乃至低优先级业务可释放的额外容量，还需要准确地知道故障 点的位置，其实质是在网络中寻找失效路由的替代路由，因而恢复算法与网络 选路算法相同。使用网络恢复可大大节省备用资源，但恢复倒换由外部网络操 作系统控制，具有相对较长的计算时间。 表征网络生存性能的主要技术指标有： 冗余度：定义为网络中总空闲容量( 为恢复保留) 与总工作容量之比。 恢复率：定义为已恢复的通道数与原来失效的总通道数之比，或定义为已 恢复的失效容量与原来失效的总容量之比。 恢复时间：它是与恢复率紧密相关的，定义为以一定的恢复率为目标，恢 复网络所需要的时间。一般情况下，冗余度越大，恢复时间越短，恢复率 也就越高。如果允许的恢复时间越长，恢复率也就越高。如果网络有足够 的冗余度，恢复率可能接近或达到1 0 0 。 开销以及复杂度。 4 北京邮电大学硕士论文第二章光网络生存性技术研究 为比较详细地分析保护和恢复之间的差别，下面从以下几个方面来分析， 即从两种方案的实现速度，实现机制，实施粒度，对拓扑结构的要求，资源利 用的效率和实现的方式逐一进行比较和分析。 从对资源的利用率角度讲，保护方案的资源利用率较低，而恢复的资源利 用率相对较高。 从实现的机制上讲，保护是在系统中专门预留资源来实现的，而恢复是在 系统发生故障的情况下，按照一定的算法和优化准则，从空闲资源中，为失效 的业务重选路由的一种机制。 从时间角度分析，由于实施保护和恢复方案中，保护路由是预设的，所以 保护动作需要的时间比较小，在r r u t 建议中，对于符合一定条件的网络和保 护措施，保护动作一般要求在5 0 m s 内完成。而恢复路由由于其运行机制为在 故障发生时，按照一定的波长路由算法为受损业务选取可替代路由，这样不仅 需要故障定位时间，信令传播时间，算法运算时间还需开关动作时间，所以恢 复对时间的要求相对宽松一些，一般要求在几百毫秒或几秒内完成即可。一般 而言，对于同一个拓扑结构，在同样的则忱算法下，在集中式控制机制中， 恢复需要的时间较长，在分布式控制机制中，恢复需要的时间就较短。 从粒度上讲，保护的粒度可粗可细，从节点的保护，到光缆，光纤，波长 组，波长和业务均可实施保护方案；而恢复的粒度相对较细，它是专门针对业 务而言的，对于全光网中最小粒度就是波长，对于口o v 】三rw d m 系统中，其 粒度为p 业务。 从对拓扑结构的要求上比较，保护对拓扑结构没有过于严格的要求，保护 可以在点对点系统中实现，也可以在复杂网络中实现，当然典型的保护方案是 环形网络的保护，因为环形网络具有自愈性；而恢复则要求网络的连通性较好， 而且一般用于m e s h 网中，因为它是利用网络中的空闲资源来实现的，而且在 实现中还要经常满足一些路由限制条件。 从对节点的要求而言，保护要求节点支持保护倒换功能，包括通道保护和 复用段保护的结构，而恢复则对节点内部通道的阻塞性能有一定的要求。 从实现的控制方式上而言，保护应该是分布式的控制方式，而恢复则既可 以采用分布式控制方式实现，也可以采用集中式控制方式实现，这主要是从两 者实现的时间要求上得出的结论。 从逻辑层次上而言，保护既可以是针对资源的( 物理层) 也可以针对业务 层进行，而恢复则总是针对业务层来实现的。 从适用范围来讲，保护适用于轻载网和环网网络，而恢复则适用于s h 网络或者重载网。 北京邮电大学硕士论文第二章光网络生存性技术研究 此外，保护还可以在节点内部实现，而恢复则必须在网络中进行。 但同时，保护和恢复方案均是为了实现网络的生存性，都是对网络中空闲 资源的利用，对于业务级的保护和特定条件下的恢复已非常相似。两者都有一 定的时间要求，都处于下一代网络中的控制平台，即要求直接面向对w d m 网 络的控制。在大型网络中，需要两种方案协同操作，共同来提高网络的生存性。 为提高网络的生存性，往往采用保护和恢复折中的办法，即既要保证故障 情况下的时效性，同时又要保证网络资源的合理化利用，这就变成了以网络生 存性为约束条件的资源优化的问题，由于网络优化的参数很多，所以这会有很 多的方案。一般而言，保护和恢复的选择方案可依据下述原则进行，对于重要 的业务采取保护的方案，此外对于一些特殊的拓扑，如链形，环形或环网相交 等也采用保护方案；而对于网络拓扑连通性强，且对网络的资源利用率要求较 高的一些网络，则选用合适的恢复方案。总之，在大型网络中，需要两种方案 协同操作，共同来提高网络的生存性。 2 2 2 各层网络的生存性 在不同技术的网络中通常都有自己相对独立的生存性技术。其中，口、a t m 、 s d h 和w d m 网络中的生存性技术是当前几种具有代表性的生存性技术： 1 i p 网络的生存性 在d 网络中能够恢复多种故障类型的业务，对业务的操作粒度也很小，但 在口层的重路由恢复方式速度较慢，无法在故障出现时进行快速的恢复。目前， 在口层中融入了多协议标签交换( m p l s ) 技术，使得在p 网络中同样能提供 面向连接且有q o s 保证的业务。在p m p l s 网络的生存性方案中，主要包括动 态的恢复路由方案和多协议标签交换( m p l s ) 的保护倒换方案，两种方案都可 以基于链路级或通道级进行。通常情况下，动态的重路由方案的恢复时间长， 但网络资源的利用率高；而m p l s 保护倒换方案的保护时间短，且对业务的恢 复性能有一定的保障。 2 a t m 网络的生存性 a t m 层具有强大的生存能力。与s t m 相比，基于v p ( v i 巾】a 】p a t h ) 的删 技术具有下列特征： 非分级的通道结构； 通道路由建立和容量分配的独立； 丰富、灵活快速的0 a m 信元； 由于只改写v p i 的路由表，v p x 的逻辑重构很快。 v p 路由和容量管理的独立性以及分级的通道复用导致了删网络的两个 北京邮电大学硕士论文第二章光网络生存性技术研究 重要特性：动态容量分配和适应性网络重构，两者均可应用于触m 层的恢复技 术中，再加上o a m 信元的应用，使得触m i 层更能有效、快速地检测软故障。 例如检测1 0 e 4 1 0 e - 5 的误码率，触 m 只需要1 麟，而s d h 需要2 s 。可见触m 技术能够大大提高网络的生存能力。 3 s d h 网络的生存性 s d h 和w d m 光网络都是面向连接的复用网络。s d h 是基于同步数字复用 的，而w d m 是基于波长复用。s d h 网络中的生存性技术可分为保护倒换和恢 复方案。其中，自动保护倒换( a p s ) 和自愈环( s 职) 是s d h 网络中最常用 的保护方法。 自动保护倒换( a p s ) 技术典型的被用于链路故障的恢复。它主要包括1 + 1 、1 ：l 和m ：n 三种方式。这三种保护方式的不同在于分配不同的保护资源。 在1 + 1 的a p s 方式下，工作通道和保护通道上均传送业务，接收端比较两个 信号的质量并接收更好的信号，即所谓的“并发优收 机制；在1 ：1 的a p s 方 式下，信号由工作通道传送，当接收端信号质量劣化时，信号倒换到保护通道 中传送。此时，需要a p s 信令协助工作通道切换到保护通道；在m ：n 的a p s 中，n 条工作通道共享m 条保护通道。 自愈环( s h r ) 是一种非常成功的网络生存性技术，它比a p s 具有更灵活 的特点，可以处理节点故障和链路故障。在自愈环保护方式中，主要分为两纤 单向通道倒换环( 2 舶e ru p s r ) 、两纤双向线路倒换环( 2 舶e rb l s r ) 和四纤 双向线路倒换环( 4 。舶e rb l s r ) o 此外，动态恢复方式是指在网络故障时，动态地发现网络的空闲资源来恢 复受影响的业务。恢复比保护具有更高的资源使用效率，但恢复时间更长，同 时不能确保能1 0 0 地恢复故障业务。在s d h 网络中用数字交叉连接系统 ( d x c ) 和控制器把多个环网连接起来形成格状网络，可实现动态的资源恢复 功能。 在s d h 网络中，保护和动态恢复方案是否优劣要取决于网络的拓扑。例如， 对于点对点系统，a p s 是最好的解决方案；在环形网络中，s 腿是最好的解决 方案。目前，基于s d h 的传输通信网络中大多使用保护方案。 4 w d m 网络的生存性 在光网络中，光层的保护和恢复主要发生在w d m 层。w d m 光层保护和 恢复技术的优点是高速、简单、高效和具有透睨性。光层的保护和恢复技术又 可分为：光通道( o c h ) 层和光复用段( 0 m s ) 层保护恢复技术。光通道保护 恢复技术是针对每个通道的，也就是我们通常所说的基于波长通道( 业务) 的 保护广恢复。当发生故障时，光网络为受影响的故障波长通道分配一条完整的( 通 北京邮电大学硕士论文第二章光网络生存性技术研究 常是链路无关的) 保护恢复波长通道来恢复故障信道；光复用段保护恢复技术 是针对复用段层的，即我们通常所说的基于链路的保护恢复。当发生故障时， 光网络为受故障链路上的业务寻找替代路由来恢复故障链路上的所有业务。 通常空闲资源既能用作专用保护( 空闲资源为某条保护通道专用) 同时又 能用作共享保护( 空闲资源能被多条保护通道所共享) 。专用保护通常是指1 + 1 和1 ：1 通道保护。其中，1 ：1 保护时，仅在工作通道传送信号，保护通道资 源预留，但保护通道可以传送业务优先级低的额外业务。共享保护允许空闲的 波长由多个工作通道共享以作为保护通道。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倒换到新的传送通道。 w d m 光层恢复路由算法的作用是为需要恢复的业务动态地寻找一条替代 路由，其恢复路由可基于故障后的最短路径优先选取。故障类型通常考虑的是 节点故障和链路故障，而链路故障是常见的故障。当网络出现链路故障时，恢 复的路由算法可基于两种备用路由策略：链路无关策略、通道无关策略。 2 2 3 生存性技术的分类 上一小节从分层的角度概述了不同网络层的生存性技术特点，本节将对生 存性技术作进一步的划分。 如下图2 1 所示，光网络的生存性机制可以从不同的角度进行分类。从单 层保护恢复的角度来说，主要包括以下几种分类方式： 单层保护恢复 警 搔 瞎 盎 划 塔 巡 蚺多层协调恢复i 一皂乏需上ll 士 魁 嘲 肄 暖 姐 喽 蚺 图2 1 生存性机制的分类 根据恢复粒度大小，可分为基于链路的和基于通道的保护恢复机制 基于链路的保护j 恢复是以链路为基础进行业务的故障恢复。当发生链路故 障时，选择的保护恢复路由和故障链路无关，即在当前光网络资源中寻找故障 链路两端节点间的一条最短路由来替代故障链路，这条通路和原业务通路未受 故障影响的部分共同组成新的业务通路。基于通道的保护恢复是以波长业务为 北京邮电大学硕士论文 第二章光网络生存性技术研究 单位，在源宿节点间建立保护，恢复通道，即选择的路由同原故障业务路由没有 共同链路，一般是在当前网络资源中寻找一条除去原业务路由资源后的最短路 由。 根据保护资源能否共享，可分为专用和共享的保护机制， 在共享的保护机制中，在保证相应的工作通道之间链路不相关的前提下， 多个保护通道在路径重叠的部分可以共享相同的波长资源，而在专用保护中各 条保护通道必须使用专用的资源。因此，与专用保护相比，共享的保护机制具 有较高的资源利用率，有利于网络阻塞率的降低。 根据恢复光通道的计算方式，可以分为预计算与实时计算的恢复 在预计算策略中，恢复光通道的路由是在故障发生之前根据一定的计算策 略离线计算的。实时计算策略是指在故障发生之后才计算恢复通路，因此需要 实时地进行故障定位和计算恢复路由。而在目前光网络中故障定位存在困难， 因此与预计算策略相比，实时计算策略恢复速度较慢，但其恢复路由的计算能 够考虑到当前的网络拓扑与可用资源，从而具有较高的恢复效率( 成功率) 和 网络资源利用率。 根据路由计算机制和恢复实现的控制机制，可分为集中式和分布式控制恢 复 集中式恢复是一种基于全局状态信息的恢复机制，恢复路由的计算节点一 般是网络的中央控制节点，要求此节点必须掌握整个网络的链路状态信息，及 时维护更新网络的拓扑和资源信息。在分布式策略中，通常是由业务的源宿节 点或者是故障链路的端节点来启动恢复路由的计算过程，只需根据邻接链路的 状态信息来计算恢复路由。集中式恢复策略可以更优化地进行业务的恢复，各 恢复路由之间可以更充分地实现恢复资源的共享，恢复成功率较高，且网络资 源的利用率较高，但很难扩展到较大的网络中。在格状光网络中采用分布式恢 复机制来计算恢复路由是具有优势的，同时集中式恢复机制一个可以汲取的优 点是路由的恶预先计算，因此恢复路由的分布式预先计算将会是很好的一种组 合策略。 而多层网络的生存性是指在分层网络之间可能存在的生存性方案的嵌套和 这些方案之间的相互作用。多层恢复策略可分为最底层恢复、最高层恢复和在 多层协调恢复三种方式，而多层协调恢复方式又可分为并行触发和顺序触发两 种方案。 2 2 智能光网络生存性特点 智能光网络( a s o n ) 中的生存性机制同样可以分为保护和恢复两种，但 9 北京邮电大学硕士论文 第二章光网络生存性技术研究 由于控制平面的引入，为网络生存性的实现带来了新的机遇，同时也带来了新 的挑战。 智能光网络中的生存性机制具有智能化、多样化的特点。智能化主要体现 在基于g i 汩l s 协议族的控制平面的引入，体现在具有多种智能的控制功能， 特别是它对于保护、恢复机制在信令、路由和资源管理等方面的支持；而多样j 。 化体现在a s o n 格状网络结构对于多种保护、恢复方式的支持，适合于多种网 络生存性机制的实现，上节中的多种生存性机制都可以在a s o n 网络中实现。 与此同时，控制平面在维护传送平面可靠性的同时，自身的生存性也需要 得到保障，这是a s o n 生存性要求的新的特点。对于控制平面可靠性的一个关 键问题就是要使得控制平面故障的影响降低到最小。在智能光网络中，有三种 主要类型的故障会影响控制平面，这些控制平面的故障不应该影响已经存在的 连接。 1 控制平面链路故障 控制平面传送的是基于口的控制消息，包括路由和信令消息。控制平面的 故障链路可用专用备份控制链路进行保护，或者通过重路由和隧道流量技术等。 几种方式进行恢复。 如果使用专用备份控制链路，那么就要为每一条工作控制链路提供一个各r 用控制链路，当控制平面检测到控制链路故障时，备用链路就被倒换用来转发 控制消息。这种方法快速而简单，但代价较高，需要大量的空闲资源。一个替 代的技术就是用p 层的重路由，它需要进行故障检测和路由协议的聚合，刷新 i p 消息的转发表。只要控制平面仍然是连接的，这种方法就是可靠的，但它的 缺点是需要的恢复时间较长，故障后路由表聚合的时间比较长，并且口控制平 面设计时必须考虑有足够的富余量来处理故障。另一种可用的方法就是在故障 时通过预先算好的备用路径传送控制包。一般要求控制平面的链路故障不会影 响光层的基本操作。 2 控制平面节点故障 控制平面的节点相当于一个处理信令消息的i p 路由器。通过周期性的h e u o 消息和路由协议可以检测到控制平面节点故障。控制平面节点故障消息会被通 知给所有控制平面的其他节点，一旦路由协议已经聚合( 收集) 了这些新信息， 新的连接将不会通过这个节点进行选路。由于控制平面的节点管理着传送平面 节点的状态和维护通过传送平面的连接信息，在控制平面节点发生故障时，不 应该对相应的传送节点进行任何操作。只要传送平面节点没有失效，已经建立 的连接就不会由于控制平面节点故障而失效或者重路由。 然而，当控制平面的故障节点不可用时，网络仍然可能会发起传送平面连 l o 北京邮电大学硕士论文第二章光网络生存性技术研究 接的删除命令。由于故障的控制平面节点不能处理或者转发任何删除消息，通 过控制平面故障节点的连接将不会被完全地删除。一个可保证连接完全删除的 可选方法是如果沿着连接路径中有一个控制平面节点发生了故障，就不进一步 处理连接删除工作了。一旦控制平面节点检测到了故障，发起删除请求的节点 就会得到通知。而在故障节点恢复之后，起始节点就发送消息给检测到故障的 节点要求重新开始删除过程。 而如何实现控制平面节点的故障恢复，除了采用p 动态重路由机制之外， 最快速有效的方式是进行控制节点的热备份，其相应的成本较高，但考虑到控 制节点的重要性，这一方案在实际应用中是可取的。 3 软件模块故障 控制平面模块可能由于软件、硬件错误或者协议逻辑错误而发生故障。同 样，如果有备份的软件模块的话，恢复这样的故障可以倒换到热备份上。然而， 这种条件并不一定能满足。 如果路由和信令模块是独立实现的，那么它们可能会独立地发生故障。如 果信令模块故障，则通过这个节点不能建立新的连接，并且已存在的连接也不 能被删除。这种情况和控制平面节点发生故障的情况相似。如果故障没有快速 地修复，路由模块会撤除与故障节点相连链路信息的广播，或者广播相关链路 没有可用带宽，以避免新的连接请求试图通过这个节点来建立连接。一 如果节点中的路由模块发生了故障，节点仍能处理新的连接请求并且能删 除存在的连接。这样，信令模块仍可保持工作状态，继续处理请求。路由程序 必须能检测到邻居路由程序的故障。在d 路由中，一旦检测到了这样一个故障， 路由程序立即放弃对与故障节点相连的链路的广播，因为那些链路对于数据包 的转发不再是可用的。而在光网络中如果路由模块发生故障，以前由故障节点 路由程序广播的传送平面链路仍然是可用的。但是，由于没有了可用的路由模 块，本地状态的改变不能广播到其他节点，这种情况会一直持续到路由模块被 修复，于是其他节点只能使用过时的链路信息。假设信令模块仍然可用的话， 宁愿节点继续使用过时的信息，而不撤除由故障的路由程序广播的链路。 2 3 小结 本章中，首先对网络的生存性技术进行了概述，分析了各种网络( 包括p 、 删、s d h 和w d m 网络) 中的生存性机制，然后，阐述了智能光网络中生存 性机制的一些特点，尤其是控制平面自身的生存性。 北京邮电大学硕士论文 第三章多粒度光网络的生存性研究 第三章多粒度光网络的生存性研究 多粒度交换是智能光网络传送平面的一项特色技术，也是未来网络发展的 一个重要方向，生存性机制是多粒度智能光网络中需要研究的一个重要领域。 在本章中，首先概述了当前智能多粒度光网络多方面的特点。然后，以波带交 换网络为研究对象，在两种新的波带分配算法基础上，对多粒度光网络中的生 存性机制进行了深入的研究。提出了波带交换光网络中的专用通道保护和三种 不同形式的共享通道保护方案，并对不同方案进行了算法的性能仿真分析。同 时，对于波带交换光网络中的恢复方案进行了相关讨论和研究。 3 1 多粒度技术概述 近年来，在爆炸性增长的互联网p 数据业务的强大推动下，光网络技术得 到了迅猛的发展。以密集波分复用( d w d i ) 为基础构建核心的光传送网( o t n ) 满足了业务对大带宽、高速率的需求，并促使光分插复用器( o a d m ) 和光交 叉连接器( o x c ) 等设备逐渐走向商用化。 网络带宽的发展导致了节点中光( 光电) 交叉连接矩阵规模( 即端口数目) 的迅速增加，这使得节点的成本以及对其管理和控制的难度随之增加。传统的 光节点设备一般在光层采用基于波长单粒度的交换结构方案。但是，单粒度交 换的大容量光节点设备在目前的技术水平下交叉规模受限、成本高、灵活性差、 扩展比较困难，无法满足高速网络交换的需求。 而另一方面，对网络业务流量的研究表明，相当一大部分的业务( 占到业 务总量的6 0 8 0 ) 在节点无须进行较小等级粒度( 如，子波长、波长) 的交 换，而可以在较大的粒度层次( 如波带、光纤) 上直通。因此，人们希望光网 络中的节点能具有灵活的交换能力。伴随着智能光网络( a s o n ) 和通用多协 议标签交换( g m p l s ) 控制技术的出现，结合了空分、波分以及时分等多种交 换方式的多粒度交换技术应运而生。通过在多个粒度( 子波长、波长、波带、 光纤) 层次上进行有选择的分层交换，光节点的结构可以大大简化，减小了设 备体积和功耗，端口数减少，设备的成本随之也显著降低。 总的来说，多粒度交换技术具有以下一些突出的优点： 简化节点结构，降低设备成本； 具有智能的多粒度控制系统和管理平台用于支持多粒度交换的实现； 支持流量工程及业务疏导功能，可有效提高网络资源的利用效率； 具有灵活的保护恢复能力，使网络在出现问题时仍能维持一定质量的业务， 北京邮电大学硕士论文第三章多粒度光网络的生存性研究 可实现业务的快速恢复； 可以为用户提供多种粒度的新型业务，诸如按需带宽( b o d ) 业务和光层 虚拟专用网( o n ) 等。 目前，国际上许多通信设备制造厂商相继投入力量开发此类产品，比如： c 口孙队公司的m e 怕d i r e c t o r 和c o r e d 沁c t o r 智能光交换机，支持从t d ms t s 1 到波长级的多粒度上的交换。在多粒度的交叉连接设备方面，阿尔卡特公司也 研制出了能够支持波长级、波带级以及光纤级交换的交叉连接结构，这种交叉 连接设备的样机已经在丹麦、挪威、比利时和法国的实际网络中得到了实际应 用。 3 2 波带交换光网络 波带交换光网络是多粒度技术在光网络中的具体应用和实现，其主要思想 是把几个波长分成一组，作为一个波带，然后使用一个波带端口来交换这个波 带。相应的，波带交换网络中的光节点结构中只存在波带和波长两级交叉矩阵。 波带交换光网络可通过减少波长交换