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i l j 光网络生存策略及算法研究 摘要 随着信息与通信网络技术的飞速发展，网络的规模和用户数量都 在急剧增长。与此同时，由于网络是随不同业务而重叠建设的，因此 网络运营效率低下，增量不增收的问题目益突出。这种情况下，推动 网络层次的简化或称之为网络融合便成为一种必然趋势，这其中构建 i p w d m 光网络不失为一种很有前途的网络方案。特别是随着w d m 技术的发展，不但每根光纤中的波长数越来越多，而且在光网络节点 所能承载新的增殖业务的能力也在不断提高，为该方案的实现奠定了 坚实基础。不过，由于工p 本身的网络生存性很差，因此这就要求光 网络要具有很强的网络生存性。目前，针对光网络的生存性研究方向 主要集中在策略和算法。在生存性策略方面，主要研究的是多层网络 生存性策略之间的协调和合作；在生存性算法方面，研究的重点是光 网络的路由波长分配算法等问题。 本文的主要工作如下： 首先，在大量阅读网络生存性相关文献并借鉴前人分析研究成果 的基础上，对i p w d m 光网络各层生存性策略特点，以及多层网络 生存性策略之间的协调机制进行了比较研究。 其次，在理论分析和建模的基础上，在第四章提出了基于共享风 险链路组业务分离的共享通道保护算法。该算法利用具有疏导功能的 网络节点，通过将同一共享风险组中的业务进行动态分离的方法，以 实现共享通道保护，节省用于保护的带宽资源。该算法的时间复杂度 与最短路由算法的时间复杂度密切相关，为o ( ( i n i 吲) z ) 。 最后，构建了生存性仿真平台，对所提算法进行了模拟仿真，得 出：该算法在相同业务量情况下，优于一般专用通道保护算法，并在 保证可靠性的同时，改善了网络的资源利用率，并在资源匮乏时，大 大减少丢包率的结论。 关键词生存性共享通道保护算法共享风险链路组i p w d m 1 吖 r k ， 掌 - r e s e a r c ho ns u r v i v a b i l i t ys c h e m e sa n d a l g o r i t h m so f o p t i c a ln e t w o r k s a b s t r a c t a st h et e c h n o l o g yo ft e l e c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o nd e v e l o pa t v e r yf a s ts p e e d ，t h ec a p a c i t yo ft h en e t w o r ka n dt h en u m b e ro ft h eu s e r i n c r e a s es h a r p l y a tt h es a met i m e ，t h et y p e so ft r a f f i co nt h en e t w o r k b e c o m ed i v e r s i f o n n ，s ot h ea r c h i t e c t u r eo ft h en e t w o r ki so v e r l a p p e d t h e e f f i c i e n c yo ft h eu t i l i z a t i o no ft h en e t w o r ki sp o o r u n d e rt h i sb a c k g r o u n d , i ti sc e r t a i nt h a tt h el a y e r so ft h en e t w o r kp r e d i g e s t t h eo p t i c a ln e t w o r k a r c h i t e c t u r ea si p w d mi sah o t s p o tb l u ep r i n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f 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 ( w d m ) t e c h n o l o g y , t h ec a p a c i t yo ft h e f i b e rb e c o m el a r g e r , a n dt h es p e e do fh a n d l i n gt h et r a f f i ci nt h en o d e so f o p t i c a l n e t w o r kb e c o m ef a s t e r a l lt h e p r o g r e s so ft h et e c h n o l o g y p r o v i d e sab a s ef o rt h eb l u ep r i n t t h es u r v i v a b i l i t yc a p a b i l i t yo fi p n e t w o r ki sp o o r , s oi ti sn e c e s s a r yt h a tt h es u r v i v a b i l i t yc a p a b i l i t yo f o p t i c a ln e t w o r k i ss t r o n g n o w a d a y s ，t h ek e y s t o n eo nt h es t u d yo ft h es u r v i v a b i l i t yo fo p t i c a i n e t w o r ki st h ec o l l a b o r a t i o no ft h es u r v i v a b i l i t ys c h e m e so ft h el a y e r sa n d 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 ( r w a ) a l g o r i t h m t h em a i nr e s e a r c ho ft h et h e s i si sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , ih a v er e a dl o t so fp a p e r sa b o u ts u r v i v a b i l i t yo fo p t i c a l n e t w o r k ，a n dr e s e a r c hf o r m e rm e t h o do nt h es u r v i v a b i l i t ys c h e m e s a f t e r r e s p e c t i v e l ya n a l y z i n gt h eo w ns u r v i v a b i l i t ys c h e m e so f i pl a y e ra n d w d m l a y e r , ih a v er e s e a r c h e dt h es u r v i v a b l ec o o r d i n a t i o ns c h e m e so f i p w d mn e t w o r k se c o n d l y , ih a v ep r o p o s e dt h es h a r e dp a t hp r o t e c t i o na l g o r i t h mb a s e d o d s p l i tt r a f f i cf o rt h es h a r e d r i s k - l i n k g r o u p ( s r l g ) t h ea l g o r i t h m si n t h i sp a p e rc a nm a k eu s eo ft h en o d ew i t ht h ec a p a b i l i t yo ft r a f f i cg r o o mt o s p l i tt h et r a f f i cw h i c hb e l o n g st o t h es a m es h a r e d - r i s k - l i n k g r o u p a tl a s t ，ih a v ed e s i g n e da ne m u l a t es y s t e m ，e m u l a t i n gt h ea l g o r i t h m ， a n dg i v i n gt h ec o n c l u s i o n t h ea l g o r i t h mc a nr e d u c eb l o c ko fp r o b a b i l i t y , c a n p r o t e c tw o r k i n gr o u t i n g ，a n dc a nm a k ep a c k e t l o s sr a t i ol e s sw h e n t h e c a p a c i t yi sl a c k k e yw o r d ：s u r v i v a b i l i t ys h a r e d - - p a t h p r o t e c t i o ns h a r e d r i s k - l i n k - g r o u p i p 刀d m l 、 呻 用 擘 谴 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：三斟j 霪j 牝 本人承担一切相关责任。 日期：皇咀玉耻一 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) 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： 北京邮电大学硕二i ：学位论文光网络生存策略及算法研究 第一章绪论 光纤及其相关设备的发展为光纤传输系统的诞生创造了有利的条件。1 9 7 6 年，第一条速率为4 4 7 m b i t s 的光纤通信系统在美国亚特兰大诞生后，各种光 纤通信系统在世界各地建立起来，显示出光纤通信优越的性能和强大的竞争力， 成为电信网中重要的传输手段。步入2 1 世纪，随着信息社会的到来，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。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，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。因此，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。光通信技术带宽资源庞大、损耗极低、信号传输变形小、功率低、占空小、 成本低廉，因而光通信技术能够满足信息化社会各种需求，为现有的及未来的网 络提供强有力的发展平台。 在信息化社会里，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，得到高速、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，波分复用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光网络通信的巨大潜力和光辉前景。光网络技术的迅速发展 为疯狂增长的通信业务提供了强大的网络支持。 1 1 光网络发展概述 1 1 1 光纤与光器件 1 1 1 1 光纤简介 损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性。损耗在很大程度上决定着传输系 统的中继距离。损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。由于色散的 存在，光脉冲在传输过程中将被展宽，这极大地限制了光纤的传输容量或传输带 宽。从机理上说，色散可分为三种：模式色散、材料色散以及波导色散。 光纤能够成为新一代网络的传输媒质，主要因为其具备以下的许多优点： ( 1 ) 容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出8 9 个数量级， 故所开发的容量很大。 北京邮电大学硕士学位论文 光网络生存策略及算法研究 ( 2 ) 衰减小。光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里衰减 要低一个数量级以上。 ( 3 ) 体积小，重量轻。 同时有利于施工和运输。 ( 4 ) 防干扰性能好。光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗 电磁脉冲能力也很强，保密性好。 ( 5 ) 节约有色金属。一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或铅等有色金属。光 纤本身是非金属，可节约大量有色金属。 1 1 1 2 光纤放大器 在光纤通信系统中，随着传输速率的增加，传统的o e o 中继方式的成本 迅速增加。光放大器能直接放大光信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性， 使得整个系统更加简单和灵活。光纤放大器一般都由增益介质、泵浦光和输入输 出耦合结构组成。目前光纤放大器主要有掺稀土光纤放大器和常规光纤放大器两 种。掺铒光纤放大器属于掺稀土光纤放大器，而光纤拉曼放大器属于常规光纤放 大器，根据其在光纤网络中的应用，光纤放大器主要有三种不同的用途：在发射 机侧用作功率放大器以提高发射机的功率：在接收机之前作光预放大器以极大地 提高光接收机的灵敏度；在光纤传输线路中作中继放大器以补偿光纤传输损耗， 延长传输距离。 掺铒光纤放大器是利用量子力学中的粒子数反转的原理，它的出现克服了半 导体放大器许多不够完善的地方。掺铒光纤放大器主要由掺铒光纤、泵浦光源、 耦合器、光隔离器等组成。有同( 前) 向泵浦、。反( 后) 向泵浦和双向泵浦三种 泵浦方式，其区别在于信号光与泵浦光的注入方向不同。同向泵浦也称为前向泵 浦，它的信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入。反向泵浦也称为 后向泵浦，它的信号光与泵浦光以两个不同方向注入进掺铒光纤。双向泵浦就是 同向泵浦与反向泵浦合并的方式。 因为掺铒光纤放大器的工作波长为1 5 5 0 n m ，与工程应用最广的g 6 5 2 和 g 6 5 5 光纤的低损耗波段一致，所以是目前技术最成熟和工程应用最广的掺稀土 光纤放大器。它具有以下优点： ( 1 ) 信号增益谱较宽且较平坦，尤其适合密集波分复用系统c 波段信号的放 大，其对应工作波长为1 5 4 0 - 1 5 8 0 n m 。 ( 2 ) 密集波分复用系统中，高饱和功率的掺铒光纤放大器可用来弥补每个波 道的光损耗，扩展带宽载波能力。由于光纤放大器对信号光功率的放大与信号码 速率无关，故使用光纤放大器的网络可以在现存的网络基础上增加发射机，以满 足对带宽的需求，这样可以节省昂贵的发射设备并灵活地升级现存的网络，从而 4 北京邮电大学硕士学位论文 光网络生存策略及算法研究 降低成本。 ( 3 ) 具有较高的饱和输出功率，利用它作前置放大器或后置放大器可以提高 无中继线路传输距离( 即光放段长度) 或分配的光节点数，并可使系统具有较高 的富裕度。 ( 4 ) 与光纤线路的耦合损耗小。 ( 5 ) 具有较低的噪声。 ( 6 ) 增益与光纤的偏振态无关，故稳定性好。 ( 7 ) 驰豫的时间很大。 ( 8 ) 所需的泵浦功率低。 1 1 1 3 复用器、解夏用器 复用器及解复用器是通信系统中的一种关键光无源器件，它的作用是对光波 波长进行分离与合成。在w d m 系统中常用的复用器、解复用器可以分为四大类 型：角色散型、干涉型、光纤方向耦合器型和光滤波器型。而光分插复用器o a d m ( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 就是复用器和解复用器的组合。光信号由解复 用器分成单路的波长，某些路信号“分下 到本地节点，其它路波长又进入复用 器，与节点处“插上”的本地信号复用起来作为w d m 信号输出。 现在大多利用集成光学制成平面光路p l c ( p l a n e rl i g h t w a v ec i r c u i t ) ，特别 j 是利用阵列波导光栅a w g ( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ) 可以用作复用器、解复 ? 用器或分插复用器。 誓 1 1 1 4 半导体激光器 半导体激光器是以直接带隙半导体材料构成的p n 结或p i n 结为工作物质 的一种小型化激光器。其工作原理是，通过一定的激励方式，在半导体物质的能 带( 导带与价带) 之间，或者半导体物质的能带与杂质( 受主或施主) 能级之间， 实现非平衡载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转关态的大量电子与空穴复合 时，便产生受激发射作用。半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注入式、 光泵式和高能电子束激励式。电注入式半导体激光器，一般是由g a a s ( 砷化镓) 、 i n a s ( 砷化铟) 、i n s b ( 锑化铟) 等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏 压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器，一般 鬻用n 型或p 型半导体单晶( 如g a a s 、i n 、a s 、i n s b 等) 做工作物质，以其他激 毒光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器，一般也是用n 。型或者p 型半导体单晶( 如p b s 、c d s 、z b o 等) 做工作物质，通过由外部注入高 能电子束进行激励。 北京邮电大学硕士学位论文光网络生存策略及算法研究 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本 条件： ( 1 ) 增益条件：建立起激射媒质( 有源区) 内载流子的反转分布，在半导体中 代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要 实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在 低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内 注入必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中 去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。 ( 2 ) 要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反 馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形 成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。 ( 3 ) 为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔 引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必 须要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的 增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时，具有特 定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。在半导体激 光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。量子阱是半导 体激光器发展的根本动力。 从2 0 世纪7 0 年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以 传递信息为目的的信息型激光器，另一类是以提高光功率为目的的功率型激光 器。目前主要的半导体激光器有f p 腔半导体激光器、量子阱半导体激光器、分 布反馈激光器( d f b ) 。 1 1 1 5 波长转换器 波长路由光传送网络是由光纤连接的路由节点组成的，其中一些路由的节点 与若干接入点相连，终端用户在接入点处把数据复用到不同的波长上进行传输， 若传输过程中不进行光电转化，则该光网络为全光传输网络。全光波长路由网络 与电路交换网类似，都必须在传输数据之前建立连接，但是全光波长路由网络需 要沿通路的所有链路具有同一个空闲波长，即全光波长路由网络受到波长一致性 限制( w a v e l e n g t h c o n t i n u i t yc o n s t r a i n t ) ，这种波长路由网络成为波长一致性网络。 波长一致性限制使波长一致性网络不同于电路交换网络：在电路交换网络中，仅 当通道上出现某一段链路带宽不够时才无法建立连接、阻塞呼叫；而在波长一致 性网络中，当光通路上没有全程空闲的波长时，就阻塞呼叫。如图1 1 所示，网 络中只有两种波长，图中已经建立了两条光通路，即节点1 与节点2 之间利用入 6 北京邮电大学硕士学位论文光网络生存策略及算法研究 i 建立的光通道、节点2 与节点3 之间利用入2 建立的光通道。如果在节点1 和节 点3 之间想再建立一条光通道，虽然从节点1 到节点3 每段链路上都有空闲波长， 但是因为两段链路上空闲的波长不同，还是不能在这两个节点之间建立光通道， 这就是由于波长一致性限制制约了第3 条光通道的建立。由此可以初步推出波长 一致性网络比电路交换网络的阻塞率高和资源利用率低的结论。 入1 一 节点l 节点2 入， 入1 节点3 一 入， 图1 1 波长一致性网络 如果能够在节点2 。处把数据从一个波长转换到另一个波长上，就可以消除波 长一致性限制，提高波长的利用率，这种技术就是波长转换技术( w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ) ，具有改功能的全光网络为波长可变光网络。所有节点都支持波长转 换的波长可变网络在功能上与电路交换网络相当。在图1 2 中，节点2 处配置了 波长转换器，它可以把节点1 传来的数据从入2 转换到入l 并转发到节点3 ，这样 就可以在节点1 和节点3 之间建立起一条新的光通道。在波长可变光网络中，利 用了波长转换器之后，一个光通道能够在各段链路上分别使用不同的波长，因此 波长转换技术解决了光通道之间的波长冲突问题、提高了波长资源的利用率、降 低了网络的阻塞率、提高了光网络的传送效率。 入1 入i l 节点2 节点1沙节点3 u 入 一 入，入， 图1 - 2 波长可变网络 波长转换器的功能是把接收到的数据从一个波长转换到n 个波长中的某一 个波长上，并把转换后的数据发到下一个链路上去。 理想的波长转换器应该具有以下特性： 1 ) 对信号的比特率和信号的格式透明； ：彰2 ) 波长转换调节的速度快； ：毒3 ) 既可以向短波长方向转换也可以向长波长方向转换，而且两者的效率和 一。 性能应当相近； 4 ) 只需适当的输入光功率即可完成波长转换； 北京邮电大学硕士学位论文光网络生存策略及算法研究 5 ) 允许输入波长和输出波长相同，即不进行波长转换，或称为零波长差转 换； 6 ) 对输入信号的偏振态不敏感； 7 ) 输出信号具有低啁啾、高消光比、高信噪比特性；实现简单易行，且插 入损耗低。 波长转换器包括：光电转换式波长转换器，以及全光波长转换器( 基于混频 效应实现的全光波长转换器、由互调效应实现的全光波长转换器、借助半导体激 光器互调效应实现的波长转换器) 。 最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成j 此 外系统中还包含一些互联与光信号处理部件，如光纤连接器、隔离器、调制器、 滤波器、光开关及路由器等。 光纤通信系统根据不同的标准，可以分成不同的类型。按光纤的模式分类( 多 模光纤通信系统、单模光纤通信系统) ，波长分类( 短波长、长波长、超长波长) ， 传输速率分类( 低速、高速、) ，传输信号的类型分类( 模拟通信系统、光纤数字 系统) ，应用范围( 公用光纤通信系统、专用光纤通信系统) 。 1 1 2 波分复用技术原理 随着以i p 为代表的数据业务的爆炸增长，新的高速率大容量传输技术应运 而生，以满足网络不断增长的带宽需求。近年来以波分复用( w d m ) 技术为代 表的高速大容量传输系统发展非常迅速，并在世界范围内得到非常广泛的应用， 在北美的骨干网上大量地装备了波分复用系统，我国的干线网上波分复用系统也 占有相当大的比重。 w d m 技术是指将多个波长复用在一根光纤上进行传输的技术。w d m 技术 为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，根据每一个信道光波频率 的不同可以将光纤的低损耗窗口划分为若干个信道，如图卜3 所示，它在发送端 用合波器，将不同规定波长的信号光载波信号复用在一起，送到一根光纤上进行 传输，在接收端用分波器，将这些不同波长承载不同信号的光载波分离开来，送 到相应的接收端，在光纤上传输的过程中用掺铒光纤放大器进行无再生的光放 大。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立( 不考虑光纤非线性时) ，因 而只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输，也可实现双向传输。 北京邮电大学硕士学位论文光网络生存策略及算法研究 图1 - 3 波分复用系统传输示意图 在实际应用中，通常将信道间隔为4 0 0 0 h z ，20 0 g h z ，10 0 g h z 或5 0 g h z 的w d m 系统统称为d w d m 系统。在d w d m 系统中，各信道分别占用不同的光波长 频率。与传统w d m 系统不同，d w i ) m 系统的信道间隔更窄，以便充分利用掺 饵光纤放大器的带宽，一起使用是目前提高光纤通信容量的最直接有效的方法之 一。由此看来，w d m 和d w d m 应用的是同一种技术，它们是在光通信技术不 同发展时期对w d m 系统的称呼。 根据系统是否配有波长转换器，可以将系统分为集成式系统、开放式系统和 半开放式系统。集成式系统指的是w d m 系统所承载信号的发送机发出的是 w d m 系统要求的特定波长信号；开放式系统指的是在发送端和接收端都配有波 长转换器( o t u ) 的w i ) m 系统；半开放式系统指的是仅在发送端配有波长转 换器( o t u ) 的w i ) m 系统。根据在一根光纤上传输光信号的方向可以将系统 分为单纤单向系统和单纤双向系统。 波分复用系统最大的优点是节约光纤。它将原来需要多对光纤承载的系统复 用在一对或一根光纤上传输，大大节约光纤的用量，对于租用光纤的运营商更有 吸引力：其次波分复用系统大大延长了无电中继的传输距离，减少中继站的数目， 节约了建设和运行维护成本；波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率 及电调制方式无关，可以承载多种业务，在现在多业务需求的运营环境下很有竞 争力；利用波分复用技术选路来实现网络交换和恢复，从而可能实现未来透明的、 具有高度生存性的光网络。 以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为 核心并面向i p 互联网的w d m 技术已构成了今天的光纤通信的研究热点。从发 展趋势来看，w d m 传送系统将朝着更多的信道数、更高的信道速率和更密的信 道间隔的方向发展。 当前，w d m 技术作为最引入注目的高速宽带传输技术，其应用已开始铺开 无论是陆地线路、海底光缆线路，还是已建光缆线路、新建光缆线路，都在享用 9 北京邮电大学硕士学位论文 光网络生存策略及算法研究 w d m 技术进行扩容。其作为超高速、大容量的w d m 配套技术也已相当成熟， 如多信道的w d m 传输设备、宽带放大器、放大器的增益均衡器、增益功率的控 制技术等已经完成，宽带波长可变滤波器、光交叉连接等己取得了一定的成果， 先进的数据编码技术也已成功地应用于w d m 系统中，以提高传输距离。以上这 些成果也为超高速、大容量的w d m 技术全面应用打下了良好的基础。采用w d m 技术来扩容是当前唯一现实的超大容量传输技术。它不仅可以节约大量光纤而迅 速扩容，而且还可以节约大量再生中继器，以降低整个系统的成本。从长远意义 来看，它奠定了未来全光网络的基础。 2 0 0 1 - 2 0 0 6 年，将是w d m 技术迅速发展的时期运营公司将大量采用w d m 光网络技术作为宽带网络的基础结构，基于波长选路及波长变换的光网络将大量 采用，以保证网络的快速恢复及高可靠性。同时，w d m 系统的价格将大幅度下 降，低费用的光设备将大批量生产，使用波长可调谐光源的s d h 终端将被采用， 平面波导技术也将成熟，这将有利于光波找路、可调谐激光器阵列、低费用的光 路由及交换机的产品发展。w d m 技术将进一步走向成熟。 w d m 网络是光纤通信技术发展的下个目标，w d m 技术的建立将在干线 网的交叉节点上引入光交叉连接设备( o x c ) 、光分插复用设备( o a d m ) 和光波 长变换，从而形成端到端之间的“虚波长 通路，实现用户端到端的全光信号连 接。这将使线路之间的调配和转接变得简单和方便。从发展趋势看，形成一个真 正的、以w d m 技术及光交换技术为荃础的光网络层，建立纯粹的w d m 光网，接 入i p 等多种业务信号已成为光通信发展的必然趋势，它完全符合“传送网”的 分层化，并简化了网络结构，提高了网络的可靠性，并且与业务和承载信号无关， 尤其是自动交换光网络( a s o n ) 技术的引入更是赋予了w d m 光网络优异的性 能，具用重要的现实和长远意义。 总的来说，w d m 技术的发展呈现出从简单到复杂，通路数从少到多，容量 从小到大，应用灵活性越来越高的趋势。 1 2 光网络生存性问题的提出 随着社会的进步，通信现今可以说已经融入了我们这个社会的经济生活的各 个方面。回顾过去，网络资源的可得性，从最初的电话业务开始，可以说就是 网络结构设计过程当中的关键。即在正常情况之下，要求呼叫的阻塞率足够低， 也即呼叫的成功率要足够高。而当网络在发生故障时，要求仍然能够确保必要的 级别较高的通信业务能正常通信。这就是我们所说的网络的生存性( s u r v i v a b i l i t y ) 能力。现在的社会对信息的依赖性越来越强，通信网络一旦出错或失效，将会给 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 光网络生存策略及算法研究 社会造成极大的损失，因此在设计网络时，首要问题就是确保网络的生存性。特 别是随着光纤通信技术的高速发展，目前系统的速率已达1 0 g b i t s ，不少公司试 验室己开发出4 0 g b i t s 的系统，而且引入d w d m 技术后，系统总传输容量已达 到1 0 t b i t s 的水平，由于w d m 技术的不断发展，将来每根光纤可传输的速率会更 高。不言而喻，如果一根光纤或一个节点出现故障，给网络经营造成的损失将会 比以前更大。 网络生存性研究具有深远的意义。首先，生存性网络可以给国家和个人挽回 巨大的经济损失，避免社会经济的动荡不安。其次，随着中国加入世贸组织后国 内电信市场的逐渐开放，通信业的竞争越来越激烈，从而具有生存性的网络对一 个网络运营商来说极其重要，因为网络运营商能否提供可靠的通信，已经与其商 业信誉、综合竞争力等密切相关。再次，随着人们生活水平的提高，社会经济生 活及个人的日常生活越来越依赖于通信网络，只有智能的会自动恢复的信息网才 能满足人们的高质量的生活需求。所以，网络的生存性问题是我们首先要考虑的 问题之一。 1 3 论文总体思路 本文主要对光网络的生存策略和算法进行研究，在本章中主要介绍了光网络 的设备器件，也介绍了波分复用技术的原理，并对生存性问题研究的必要性进行 了简单说明。在论文的后续部分的结构主要如下： 第二章主要介绍光网络的发展趋势，以及网络生存性的基本概念，并在此基 础之上，对路由波长分配算法进行研究，分析和比较了各个算法之间的性能区别。 第三章中主要针对多层网络结构，对各个单层的生存性策略进行研究，分析 它们的优缺点，并在此基础之上，对i p w d m 多层网络之间的协调机制进行比 较和研究。 第四章中提出了基于共享风险链路组业务分离的共享通道保护算法，并构建 生存性仿真平台对所提算法进行仿真，得出结论。 第五章对全文进行总结，并指出以后研究方向。 北京邮电大学硕士学位论文 光网络生存策略及算法研究 第二章光网络生存性 2 1 网络层次结构融合 2 1 1 概述 因特网基于t c p i p 协议，将分布于世界各地的计算机网络连接成一个整体， 它是在不同的计算机之间交换数据和信息的现代数据网络形式。在进入9 0 年代 以后，在商业应用在因特网上取得飞速的发展。因特网是目前国际上规模最大的 计算机网络，世界上任何一个地方的因特网用户都可以从因特网上获取所需的信 息。因特网中储藏着大量的信息资源，为用户提供广泛的服务。随着新技术的不 断出现，因特网的运用也在不断拓展。而所有这些新的业务都需要越来越宽的网 络带宽、越来越快的网络传输速度。 网络层次变化的推动力来自两个方面：网络技术的发展和网络流量规模的不 断增大。宽带化是p 网络发展的趋势，也是当前网络规划和建设中需要考虑的 问题。在网络技术日新月异的情况下，网络建设时需要考虑如何选择合适的技术 才能在较长的时间内满足发展的需要。i p 是网络层技术，依赖于下层的传输技 术。网络流量规模的不断增大要求单个网络端口能够提供足够的带宽满足其需 要，而网络层次越低，带宽粒度越大闭；网络技术的发展则使原来必须由多个独 立的网络层次实现的功能可以在一个网络层次上实现：两者都促进了网络层次的 简化。如图2 一l 所示，当前的趋势是不断的减少i p 以下的层数，直至在光纤上 传输i p 数据，构建全光网络。 i 骨一- m 曩哩导 ：t 翻 i 玎巴，m 瞄卜 l 蝴l 鼬删i s i o , x 鞫舯啦帮ii 瓣确瓣螨i i1 翻 j 喇谢履i w b 嘲晨l _ l 篇d 醛展娥筮簿 ：钠勰 图2 - 1 网络层次简化过程 i po v e rw i ) m 网络框架的形成是技术和市场推动相结合的产物。最重要的两 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 光网络生存策略及算法研究 个因素是：其一，互联网规模及其用户数目指数式的快速增长，现在几乎所有的 业务( 语音、数据、图像等业务) 都可以在i p 上承载；其二， w q 3 m 传送网可 以满足越来越高的带宽需求，随着新技术和新设备的出现，w d m 的承载能力还 将继续提高。 i po v e rw d m 的最大优势在于w d m 拥有巨大的带宽潜力，w d m 具有若干 个波长信道，很容易兼容不同性质的业务，做到多业务融合，它还可以利用保护 光纤上的空闲带宽吸收突发业务量。i p 层和w d m 层都具备各自的保护、恢复 功能，可以将这两层的保护、恢复功能综合在一起，实现快速、高效的保护、恢 复功能。 2 1 2lp w d m 的网络框架结构 随着网元功能的完善以及与网络发展需求的结合，i p w d m 的网络框架结构 将经历大概三个阶段的发展：i po v e r 点到点w d m 、i po v e r 可重构w d m 、i po v e r 分组交换的w d m 。 2 1 2 i i po v e r 点到点w d m 在o x c 和o a d m 成熟之前；w d m 网络为点到点方式。i po v e r 点到点的 w d m 为第一代i p w d m 系统。在此系统中，w d m 系统仅作为路由器间的点到 点传输系统而存在，具有极少的智能。这类系统的主要缺点是不能提供直通光路， 路由器必须处理到达本点的所有业务量，尽管其中大部分并非终结于该节点，其 控制由管理系统承担。随着光传输速率的提高，路由器的处理速度成为限制此类 系统发展的瓶颈。如图2 2 所示。 图2 - 2 i po v e r 点到点w d m 网络框架图 该系统通过多层协议栈来承载工p 业务，如下图2 3 所示。 北京邮电大学硕士学位论文 光网络生存策略及算法研究 图2 - 3i po v e r 点到点w d m 网络业务承载方式 2 1 2 2i po v e r 可重构w d m i po v e r 可重构的w d m 为第2 代i p w d m 系统。如图2 4 所示，在这类结构 中，光网络由光交叉连接器( o x c ) 或光分插复用器( o a d m ) 组成，在分布式控制 平面的控制下，具有波长交换功能，可为边缘路由器动态提供端到端的光通道； 边缘路由器通过光接口直接与o x c 相连，负责汇聚流量、实现口层与光层之间 的带宽适配，从而可以实现光路的直通，减轻路由器的处理负担。通过适当的配 置o x c 的交叉连接状态，任何一个路由器均可与网内任何其他路由器的端口相 互连接。从而实现路由器之间相邻关系的任意配置。这种结构关键问题是引入智 能化的控制平面，使网络能够根据业务的波动和网络拓扑的实时变化，动态地调 图2 - 4i po v e r 可重构w d m 网络框架图 整和分配网络资源，从而提高效率和可靠性，智能化的控制平面一般有两种实现 方式：集中控制和分布控制前者便于实现网络资源的统一调度，收敛快，但灵 活性差、扩展性不好；后者则具备更好的灵活性、扩展性和可靠性。根据i p 层 与w d m 层之间的相互关系，这类系统可以分为3 种模型：重叠模型、对等模型 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 光网络生存策略及算法研究 和增强模型。 重叠模型又称客户- n 务器模型，是由国际电联( i t u ) 、光互联论坛( o i f ) 和光域业务互联( o d s i ) 等国际标准组织和准标准组织所提出的，如图2 5 所示。 这种模型的基本思路是将客户层( i p ) 和服务层( w d m ) 分成两个基本独立的具 有智能的层次，每个层次有自己独立的控制平面，独立的拓扑，各自独立选路， 互相不交换路由信息，只是通过用户一网络接口( u n i ) 交换控制信息。 图2 - 5重叠模式网络框架图 重叠模型结构简单，可以很容易实现统一透明的光传送平台。其次，i p 层的 服务请求通过u n i 传送给w d m 层，由w d m 层完成建立连接的工作，p 层不 需要了解w d m 层的网络拓扑。第三，这种模型使w d m 层和p 层网络技术可 以独立地发展，彼此不会影响。第四，这种模型既可以使运营商充分利用现有网 络资源，又可以引入新技术。最后，u n i 已经由o i f 实现标准化，有助于多家 设备厂商之间的产品实现互操作，迅速实施商用化a 这种模型的缺点首先是功能重叠，两个层面都需要有控制功能( 例如都有选 路功能) ；其次是扩展性受限，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：最后，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。 。 对等模型是由i e t f 提出的，其基本思路是将m p l s 的选路和信令功能加以 扩展形成一个控制平面的协议规范，以实现对i po v e rw d m 网络统一的控制和 管理，其结构如图2 6 所示，在此模型中，两层控制面坍塌为一层，路由器与 o x c 相当于集成在一起，被看作一个集成的网元。二者使用相同的控制面，共 同的地址方案，以及同样的路由与信令协议，光通道的适配以及保护恢复都是 基于i p m p l s 的协议来控制的，用户可以按需申请带宽，网络自动为其分配。 北京邮电大学硕士学位论文光网络生存策略及算法研究 图2 - 6 对等模式网络框架图 这种模型的基本特点是将w d m 层的控制智能转移到i p 层，由i p 层来实施 端到端的控制。此时w d m 层和i p 层可以看作是集成在一起，维持单个拓扑， 具有统一的路由域和控制平面，两者之间可以自由地交换所有信息并运行同样的 选路和信令协议，实现一体化的管理和流量工程。这种统一的控制面可以消除由 管理分离的、控制和操作语义不同的混合光互联系统所带来的复杂性，并且由于 w d m 层节点和p 层节点是对等的实体，因此可以更好地实现对w d m 层资源 分配过程的控制。 在这种模型中，为了实现路由器对w d m 层的全面控制，必须对i p 层开放 w d m 层的网络拓扑等细节，这在大多数情况下是行不通的，比如当w d m 层 和p 层网络分别属于不同的运营商。其次，这种模型必须在p 层和w d m 层之 间进行大量的状态和控制信息交换，从标准化的角度看较难实现w d m 层的互操 作性。 增强模型可以看作是上述两种模型的折衷，在这种模型中，p 层和w d m 层 各自有独立的控制平面；属于不同的路由域，但是使用同一种寻址方式，比如都 使用i p 寻址，并且通过域问路由协议在两者之间交换拓扑信息。从i p 寻址的角 度看，增强模型下的i p 层和w d m 层相当于两个对等的路由域，既不像重叠模 型那样完全独立，又不像对等模型那样完全统一在一个路由域中。 2 1 2 3i po v e r 分组交换的w d m 在i po v e r 分组交换的w d m 系统中，如图2 7 所示，w d m 层直接提供分 组级的交换能力，即光分组交换，这是第3 代i p w d m 系统。光分组交换继承 了光网络固有的透明性和高速率的特点，具备在光域直接转发m 分组的能力， 因而绕开了传统的电子瓶颈，使网络节点的处理能力与光链路的传送能力相匹 配；光分组交换以光分组为单位实现对波长通道的统计时分复用，光网络的资源 1 6 北京邮电大学硕士学位论文光网络生存策略及算法研究 利用率高，带宽分配策略灵活，适于承载突发性的i p 业务；光分组交换网具有 很高的灵活性，既可逐跳转发i p 分组，提供无连接的服务，又可以在控制平面 引入多协议标签交换( m p l s ) 协议，通过光标签交换实现高效率的分组转发和面 向连接的服务，进而支持流量控制所以光的分组交换将是i p i w d m 网络的最终 理想方案。 屯 图2 - 7i po v e r 分组交换的w d m 系统网络框架图 2 2 网络生存性概述 ：+ 甏 现代网络生存性问题如此重要，己经引起越来越多的国家从政府到研究部门 的重视。从8 0 年代末，一些发达国家的研究机构就开始了现代网络生存性问题 的研究，9 0 年代中期更多的研究机构投入其中，如美国的b e l l 实验室、s r i i n t e r n a t i o n a l g t e l a b s 、加拿大的a l b e r t a 大学：欧盟的b t l a b 、i m