（电磁场与微波技术专业论文）基于javaspaces服务的分布式光纤通道的选择系统.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 在分布式光网络中，采用点对点的光纤通道是用户通信的重要途径。在用户提出 创建新的通信信道的申请后，若能够准确快速有效的为用户提供通道信息，并帮助分 析最后得出满足用户申请条件的结果，则能够保证网络用户通信的正常进行和业务的 顺利开展。但由于分布式光网络环境的资源繁多和控制复杂，想从网状结构分布的各 地获取信息进行分布式计算，最后综合得出结论，并不是一件容易的事情，因此本文 提出的点对点的光纤通道选择系统具有极其重要的意义。 本系统名称为“分布式光网络点对点光纤通道的选择系统”。系统接受用户提出的 寻求新的l p o 的申请，收集存储在分布式环境下各主机中的l p o 信息，分析得出满 足的l p o 组合，最后提交给用户。 系统采用j i n i 技术和j a v a s l ： a c e s 服务，提出两种算法来完成查找功能。j i n i 技术 能为分布式计算问题提供简明的解决方案，而j a v a s p a c e s 服务能提供共享的对象存储 空间。 本文采用d i j k s t r a 算法来验证，所的结果为：算法1 与d i j k s t r a 算法更接近，但因 为采用递归算法，而时间复杂度很大；算法2 时间复杂度较小，但不一定找到最佳l p o 组合，这取决于交换机序列选取的先后。在网络规模较小时，网络拓扑和l p o 信息不 多，d i j k s t r a 算法和算法t 、算法2 效率相同一旦网络范围扩大到城域网等级，d i j k s t r a 算法明显不如算法1 、算法2 快速有效和节省存储空间，因为运用d i j s t r a 算法需要预 先生成和初始化拓扑图模型。 此外，本文还讨论了系统运行的网络环境所涉及到的技术及相关现状，即光纤技 术、光纤网络和全光网络，并分析了光网络发展趋势。 关键词：分布式光网络光纤通道j i n i 技术 j a v a s p a c e s 服务 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h r o u g ht h el p oi s t h em o s ti m p o r t a n tw a yo fc o n l m t m i c a t i o nb e t w e e nu s e r si n d i s t r i b u t e dl i g h tn e t w o r k i ft h ei n f o r m a t i o no fc o m m u n i c a t i o nw a y si sq u i c k l ya c q u i r e d a n dt h er e s u l ti s c o r r e c t l y c o n c l u d e dt os a t i s f i e dt h ed e m a n do fu s e r s a p p l i c a t i o n ， u s e r s r e g u l a rc o m m u n i c a t i o na n db u s i n e s sd e v e l o p m e n tc a nb eg u a r a n t e e d t od r a wa c o n c l u s i o ni sn o ta 1 1e a s yt h i n gb e c a u s eo fv a r i o u sr e s o u r c e sa n dc o m p l i c a t e dc o n t r o li n d i s t r i b u t e dl i g h tn e t w o r k s ot h es y s t e mo fc h o i c eo f l p o si nd i s t r i b u t e dl i g h tn e t w o r kh a s v e r yg r e a tm e a n i n g t h es y s t e mi sc h o o s es y s t e mo fl p oi nd i s t r i b u t e dl i g h tn e t w o r k t h es y s t e m r e c e i v e si n f o r m a t i o nf r o ma p p l i c a n t s ，c o l l e c t sl p o sf r o ma l lc o m p u t e rd i s t r i b u t i n gi nt h e n e t w o r k , a n a l y z e s a l li n f o r m a t i o n ，s u b m i t ss a t i s f i e dl p o st oa p p l i c a n t s j i n ia n dj a v a s p a c e sa r eu s e da n dt w oc h o o s ea l g o r i t h m sa r ep r e s e n t s j i n ip r o v i d e s b r i e fs o l u t i o nf o rd i s t r i b u t e dc o m p u t i n gp r o b l e ma n dj a v a s p a c e so f f e r ss h a r e do b j e c ts t o r e s p a c e t w oc h o o s e a l g o r i t h m s a r et e s t e da n dv e r i f i e db yd i j k s t r a t h ec o n c l u s i o ni s ： a l g o r i t h m 1i sm o r ea p p r o a c ht od i j k s t r a , b u tt i m ec o m p l e xd e g r e ei s l a r g eb e c a u s eo f r e c u r s i o na l g o r i t h m ；t i m ec o m p l e xd e g r e eo fa l g o r i t h m2i ss m a l l ，b u tc o u l dn o ta l w a y sf i n d t h eb e s tl p o sd e p e n d e do nt h ec h o o s es e q u e o c eo fs w i t c hl i s t s w h e nn e t w o r ki si ns m a l l s c a l e ，t o p oi n f o r m a t i o na n dl p o i n f o r m a t i o ni sn o tv e r yg r e a t t h u sd i j k s t r ah a st h es a m e e f f i c i e n c yw i t ha l g o r i t h m1a n d 2 o n c et h en e t w o r ks c a l eg r o w st ow a n ，d i j k s 扛ah a sl e s s e f f i c i e n c ya n d n e e d sm o r e s p a c e s o ro t h e rr e s o u r c e st h a n a l g o r i t h mia n d 2 b e c a u 8 ei tn e e d s g e n e r a t ea n d i n i t i a t et h et o p om o d e l t na d d i t i o nt h et e c h n o l o g i e sa n dt h es i t u a t i o ni nt h en e t w o r ke n v i r o n m e n to f t h es y s t e m a r ed i c u s s e d ，s u c ha sf i b e rt e c h n o l o g i e s ，t h ec o n c e p t i o no ff i b e rn e t w o r k sa n do p t i c a l n e t w o r k s t h ed e v e l o p i n gt e n d e n c yo f o p t i c a ln e t w o r k si sa n a l y z e da sw e l l k e y - w o r d ：d i s u i b u t e do p t i c a ln e t w o r k l p oj i n i j a v a s p a c e s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：。硫孝 日期：辨年月弦 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：元专 日期：2 删眸年月力日 指导教师签名：弋卢 日期：伊y 年甲月5 口日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 因特网从产生至今，已经发生了翻天覆地的变化：网络规模成几何级数增长、业 务的类型和通信量越来越多、应用范围和范畴更广更宽、应用系统越来智能和友好。 从当前发展的潮流看，传输与交换正在融合，电路交换已向分组交换演进，网络向更 加宽带化、智能化、集成化、兼容性、灵活性和高可靠性的方向发展。虽然对网络的 需求在不断变化，但目前关注的始终离不开大容量和高速率。因此，光纤传输的产生 成为必然。 1 1 课题背景 在分布式光网络中，通信信道是以点对点的光纤通道形式提供给用户，这种点对 点的光纤通道被称为l p o ”。l p o 以光纤通道为基础，具有传输速率高、吞吐量大、 传输距离远、干扰小、信号质量高等诸多优点。l p o 中传输的是光信号，与非光网络 信道相比，具有一个额外的特性参数 。相同光网络段上的不同l p o 应具有不同的九， 以避免信号的互相干扰。l p o 的方向性可基于时隙分配，不同的时隙被不同方向的l p o 占用。l p o 信息存储在起点光网络交换机中，即光网络交换机中存储着以它为源的所 有l p o 信息。如果正确选择了l p o ，并使其良好地工作，则能够保证网络用户通信的 正常进行和业务的顺利开展。但是由于网络情况复杂、资源繁多，想从网状结构分布 的l p o 信息中挑选出用户满意的组合，并不是一件容易的事情，因此本文提出的l p o 选择系统具有极其重要的意义。 本文借鉴j i n i 技术，采用j a v a s p a c c s ，在分布式网络计算中提供统一的资源存储 标准。目前，国外对于j i n i 技术的研究较为全面和深入，已经提出了总体框架、实施 方案和部分可用的远程服务，本文采用的j a v a s p a c e s 就是其中一种。在国内，也有一 些科研人员对j i n i 进行了较为深入的研究，提出了新观点，并在实验的基础上，将其 应用与各自的领域，例如利用j a v a 字节码的平台无关性和j i n i 构架的网络资源运行时 动态自组织能力，提出j i n i s o l v e 网络异构平台分布式计算构架，并应用于遥感图像数 据的实验【2 】。本文也采用j i n i 技术，在还没有被研究的l p o 选择方面，提出两种算法， 华中科技大学硕士学位论文 并采用d i j k s t r a 算法吲来验证，得出各自的优缺点和执行效率。 1 2 系统概况 本系统名称为“分布式光网络点对点光纤通道的选择系统”，简称为“分布式光网 络l p o 选择系统”。本系统接受用户提出的寻求新的l p o 的申请，收集存储在分布式 环境下各主机中的l p o 信息，分析得出满足的l p o 组合，最后提交给用户。问题描 述如下： 前提 己知交换机节点空间为v ，任一交换机作为节点v v ，即v - ( v l ，v 2 ，v 3 ，v 4 ， o s ，) 。 一条交换机序列p 由多个交换机节点v 组成，例如p = ( v 1 ，v 2 ，v 3 ，v 4 ，v 5 ，v 6 o 交换机序列空间为p ，则p p 。 一条l p o 由号、状态、源站、目的站、所有者、使用者、租用者、带宽、存 活时间组成，即1 鼍i d ，s t a t u s ，s r ，d s ，o w r l e i ，c u r r e n t u s e r ，r e s e r v e d f o r ，b a n d w i d t h ： t i m e t o l i v e ) 。 l p o 空间为l ，则l l 。 p 为物理路径，l 为p 上的逻辑通道。 l p o 信息存储在源站的j a v a s p a c e s 空间中。 问题 在l 中寻找从v 。到v 。的一条l 或多条1 的组合，同时要满足o w n e r ；申请用户、 b a n d w i d t h = 申请带宽。v m 和v 。分别是申请用户指定的源站和目的站。 概念介绍 在大部分情况下，最后提交给用户的l p o 不可能是一条原先就存在的完整l p o ， 而可能是多条l p o 的组合。组合的概念有以下多种情况： f 1 1 连接 具有相同带宽等参数的多条l p o 首尾相接可以连接成新的l p o 。如图1 一l 所示， i d 为1 到6 的l p o 符合上述条件，可以连接成一条新的l p o 。 2 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 2l p o 聚合说明图 ( 3 ) 分割 分割分为两种情况。 1 ) 在源节点到目的节点的路径上，存在多条l p o ，它们的空闲带宽或与需要满足 的条件相等，或超过了条件，那么可将这些l p o 的部分空闲带宽划分出来，组成新的 l p o 。如图1 3 所示，存在i d 为l 到6 的l p o ，括号内为其上的空闲带宽。在这种情 况下，可以在6 条l p o 上均分割出2 m 带宽以组成新的l p o 。 华中科技大学硕士学位论文 图1 - 3l p o 分割说明图( 1 ) 2 ) 存在一条满足条件的l p o ，而用户申请的源节点到目的节点为其中的一段，那 么可以将此l p o 从中间断开，分成多条l p o 。如图1 - 4 所示，现有一条i o m 的l p o ， 可以分割成两条i o m 的l p o 。 1 3 系统难点 图1 - 4 l p o 分割说明图( 2 ) 本系统应用在分布式光网络环境中，主要难点集中在分布式和光网络两个方面。 此外，本文提出的l p o 选择问题也决定了，分析l p o 信息和建立新的l p o 两点也存 在定的难度。具体难点如下： ( 1 ) 分布式环境中l p o 信息的获取。 l p o 信息存储在网络中的不同主机中，主机间通信的方式决定信息获取的效率。 4 华中科技大学硕士学位论文 主机的平台类型多样，必须提出具有兼容性的通信方案以解决跨平台问题。另外，主 机可能因出现故障或规划决定而从网络中删除，也可能因修复或需要加入到网络中。 对于这些情况，必须提出即插即用方案以适应动态的网络。由于网络存在上述多种复 杂情况，而j i n i 技术正是为解决这些问题而产生的，因此本文采用j i n i 技术解决分布 式环境中出现的问题。 ( 2 ) 光网络特性 光网络与一般网络的区别在于，它具有波长参数。在光线中传输时，不同信 道具有不同的波长，同根光线中的多个波长不能相互干扰。所以在选择通信路径的同 时，必须考虑波长的分配。 ( 3 ) 选择算法和数据结构 当用户提出申请后，读交换机序列表，找到从源到目的的路径，即需要经过哪些 交换机才可到达目的的。路径可能不止一条，是一次读出，还是先取一条，找不到l p o 后，再取另一条? 那种效率高? 能否按照都先去回再寻找l p o 的方法? 解决这个问题 的关键在于设计良好的算法。同时，算法必须与数据结构结合。简单适用的数据结构， 能保证算法在实现上不会过于复杂。 ( 4 ) 建立新的l p o 经分析得到结果，提交给用户，在得到用户确认之后，就需要调用底层提供的及 联，可能要拆分或合并或及联某些l p o ，使最终建立端到端的一条l p o 。这需要了解 硬件知识，或者由硬件提供控制接口。因此，必须提出简洁的解决方案以便于控制l p o 的添加和删除，以及对l p o 的维护。 1 4 本文的主要研究内容 本系统设计两个方面：分布式计算技术和光纤网络。本系统重点在于分布式计算 技术的研究，对于分布式异构网络具有兼容性。然而，系统主要应用在光纤网络或者 全光网络中，同时需要了解光纤通道的控制和波长的分配，因此本文对于光纤网络作 了整体性介绍。 系统采用j a v a s p a c e s 服务和j i n i 的部分技术。j i n i 技术为动态分布式网络问题提 华中科技大学硕士学位论文 供了简洁统一的解决方案。对于整个j i n i 技术的实现，超出了本人的能力范围，因此 只就其中的j a v a s p a c e s 服务进行应用。全文组织如下： 第一部分介绍了本文研究的系统的背景、概念和技术难点，使读者对本文论述的 系统有个明确的概念。 第二部分介绍了系统研究的网络环境，即光纤技术和光纤网络的基本概念，分析 了光纤网络的发展趋势。 第三部分介绍了j i n i 的体系结构，以及j i n i 体系结构中的组件一基础设施、编程 模型和服务组件。本系统采用基础设施组件进行构架，因此对其进行重点讨论，尤其 是其核心部分一查找服务、发现和加入协议。 第四部分深入介绍了j a v a s p a e e s 服务的获得、安装和启动，以及应用j a v a s p a c e s 服务进行程序设计。 第五部分介绍了该系统的设计与实现 第六部分总结全文工作，提出存在的问题，和对未来的展望。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 光纤技术现状 2 光网络技术及现状 随着密集波分复用d w d m 技术、掺铒光纤放大器e d f a 技术和光时分复用 o t d m 技术的发展和成熟，光纤通信技术正向着超高速、大容量通信系统发展，并且 逐步向全光网络演进。采用光时分复用o t d m 和波分复用w d m 相结合的试验系统， 容量可达3 1 w s 或更高h ；时分复用t d m 的l o g b s 系统和与w d m 相结合的3 2 1 0 g b s 和1 6 0 x 1 0 g b s 系统已经商用化，t d m 4 0 g b s 系统已经在实验室进行试验【5 】。在如此 高速率的d w d m 系统中，开发敷设新一代光纤已成为构筑下一代电信网的重要基础。 要求新一代光纤应具有所需的色散值和低色散斜率、大有效面积、低的偏振模色散， 以克服光纤带来的色散限制和非线性效应问题。 光纤是光信号的物理传输媒质，其特性直接影响光纤传输系统的带宽和传输距离， 目前已开发出不同特性的光纤以适应不同的应用。目前常用的光纤种类有常规单模光 纤g 6 5 2 、色散位移光纤g 6 5 3 和非零色散位移光纤g 6 5 5 ，这些光纤的低损耗区都在 1 3 1 0 1 6 0 0 n m 波长范围内。色散位移光纤主要为1 5 5 0 n m 频段的单一波长高速率传输 研制的；非零色散位移光纤，它包括大有效面积光纤l e a f 、色散平坦光纤d f f 、全 波光纤a l lw a v e 等，真波光纤对波长窗口、色散和p m d 特性做了优化，使之适宜 1 5 5 0 n m 频带上高比特率d w d m 传输，朗讯的另一种非零色散位移光纤全波光纤消除 了1 3 8 0 n m 处的水峰，为大城市m e t r o d w d m 应用做了优化；c o m i n g 公司的l e a f 光纤，对抑制非线性效应有独到之处【6 。影响光纤传输的传输距离和传输性能的关键 性因素之一是色散，另一个影响传输系统尤其是d w d m 系统指标的重要因素是光纤 的非线性，它们对于不同类型光纤的传输性能有决定性的影响，特别是w d m 系统的 传输性能。 无论是核心网还是接入网，目前主要应用的还是g 6 5 2 光纤。在核心网中新建线 路已开始采用g 6 5 5 光纤，在接入网中已开始应用光纤带光缆。光纤的选型是波分复 用系统设计中很重要的一个问题。过去由于技术的限制光纤只有少数的几种，同时我 华中科技大学硕士学位论文 国已埋设的光纤几乎都是常规单模光纤，选型问题就不那么复杂。现在新型光纤越来 越多。在设计波分复用系统和进行传输网建设时，光纤的选型就十分重要。 2 2 光纤网络 光纤网络与电缆网络相比，具有许多优点：不产生电磁干扰、抗电磁干扰、 频带宽、传输损耗小、传输容量大、传输距离远、耐水耐热耐腐蚀性好、不串音、保 密性好等。因此，特别适用于：图像传输、数据库传输等信息量大的场合，或者野外、 地理位置分散、远距离传输、军事、化学、飞机等特殊场所。 光纤网络的发展大体上经历了三个阶段叽 第一阶段光缆l a n 光纤化。这一阶段主要是将电缆改为光缆速率不变。 第二阶段8 0 年代中期，随着光纤l a n 数量增多，性能得以改善，局域网标准开 始制订，例如1 9 8 6 年a n s ix 3 t 9 5 公布f d d i 标准。此外，该阶段还在光纤l a n 基础 上研究综合业务光线l a n 。 第三阶段8 0 年代后期，高速光纤l a n 实用化。同时，宽带综合业务光纤m a n 标 准制订完成。 光纤网络与电缆网络相比，主要是传输介质不同，因而两者的区别主要在物理层。 在f d d i 中，物理层被划分为两个子层：物理介质相关子层p m d ( p h v s i c a lm e d i u m d e p e n d e n t ) 和物理协议子层p h y ( p h y s i c a lp r o t o c 0 1 ) 。 物理协议子层p h y 的功能与电缆基本相同，主要完成线路编译码定时提取、位同 步、帧同步、码速调整等。不同之处在于，f d d i 不采用m a n c h e s t e r 编码，而采用4 b 5 b 编码，主要是为了少占用带宽。 物理介质相关子层p m d 在光纤网络中占有重要地位，其中包含了许多技术和设 计问题。p m d 子层主要由光发送机和光接收机构成，主要完成收发信号的光电转换。 p m d 子层主要由光纤、光器件( 包括光源、光探测器、光耦合器等) 和光纤活动连接器 构成。 典型光纤网络主要有两类：f d d i 和光纤总线网。 ( 1 ) f d d i ( f i b e r d i s t r i b u t e dd a t a i m e r f a c e ) 于1 9 8 2 年开始研制，8 0 年代后期实用化， 华中科技大学硕士学位论文 是9 0 年代l a n 主流产品之一。f d d i 物理拓扑上可为环形、星行式树形。逻辑上采用 双环结构，两个环的传输方向相反，每个环速率为1 0 0 m b p s ，跨越距离可达1 0 0 公里。 站间距离采用多模光纤时为2 公里，采用单模光纤时为3 0 公里。最多可按5 0 0 个结点， 采用1 _ 3 u m 多模光纤，后来允许使用1 3 9 m 单模光纤。f d d i 网的三大优点为：双加 接站( d a s ) ：有两套光收发器，同时连到两个环上；单加接站( s a s ) ：只有一套收发器， 只能通过集中器连到一个环上；集中器( c ) ：提供附加接口，称为m 接 2 ( m a s t e rp o r t ) 。 f d d i 采用的协议为计时令牌协议1 8 。 ( 2 ) 光纤总线网主要由光纤耦合器构成。由于光纤耦合器的传输损耗较大，故只 能容纳少数结点，一般在1 0 个以内，同时网径也很小。目前还没有实用的商品化产品。 2 - 3 全光网络 光纤的引入使通信网路的发展取得了长足的进步，但伴随网络传输容量的不断增 加，光纤网络中的问题逐渐暴露出来。一般，一根光纤可提供的理论传输带宽约为 5 0 t h z 。但是，目前串行电信号传输速率上限为4 0 g b p s ，即使用此速率在光纤上传输， 也仅利用了光纤容量的千分之一【9 】。同时，光的复用技术如波分复用( w d m ) 、时分复 用( t d m ) 、空分复用( s d m ) 越来越受到人们的重视并被广泛使用，但在以这些技术为 基础的现有通信网中，网络的各个节点要完成光电，电光的转换，受其中电子器件的 特性制约，在适应高速、大容量的需求上，存在着诸如带宽限制、时钟偏移、严重串 话、高功耗等缺点，由此产生了通信网中的“电子瓶颈”现象。为了解决这一问题， 全光网络的概念应运而生。 全光网( a o n ) 是指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，而其在各网络节点的交换则使用高 可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备( o x c ) 。在全光网络中，由于无需电信号 的处理，所以允许存在各种不同的协议和编码形式，具有对信号的透明性。因此，全 光网络以其良好的透明性、波长路由特性、兼容性和可扩展性，将成为下一代高速f 超 高速) 宽带网络的首选。 全光网络主要由核心网、城域网和接入网三层组成，三者的基本结构相类似，由 9 华中科技大学硕士学位论文 d w d m 系统、光放大器、o a d m ( 光分插复用器) 和o x c ( 光交叉连接设备) 等设备组成。 虽然目前关于全光网络的规范性结构尚未统一，但世界上有一些国家如美国、德国、 法国等已提出了自己的全光网络规划。从已提出的这些方案来看，它们的基本结构大 体一致，可以分为光网络层和电网络层 1 0 。 光网络层( 光链路相连的部分) 采用了w d m 技术，使一个光网络中能传送几个波 长的光信号，并在网络各节点之间采用o x c ，以实现多个光信号的交叉连接。光网络 层通过光链路与宽带网络用户接口和局域网b a n ) 相连。 电网络层中的a d m 为分插复用器，能够把高速s t m - n 光信号直接分解成各种 p d h 支路信号，或作为s t m 1 信号的复用器，它的速率可选s t m 1 ，s 1 m - 4 或s t m 1 6 。 d x c 相当于自动数字配线架的数字交叉连接设备，它可以对各种端口速率但d h 或 s d h ) 进行可控的连接和再连接，所谓交叉连接也是一种“交换功能”，电网络层中有 各种电子交换，从程控交换( 如p a b x ) 、a t m 交换( 如视频、数据信号的交换) 到未来的 某种交换( 如图像、多媒体信号的交换) 均属于交叉连接的范畴。 在广域网中传送口业务最为流行的方法就是采用a t mo v e rs o n e t ，即所谓的i p o v e r a t mo v e r s o n e t ，因为i p 是第三层协议，需要工作在a t m ( 第二层) 和s o n e t ( 第 一层) 上口”。目前，骨干网采用的技术主要是s o n e t s d h ，接入网速率通常为o c 3 和o c 一1 2 ，而长途网速率多为o c 4 8 和o c 一9 2 。可以想象，w d m 和i p 两种技术在未 来将会紧密结合在一起【1 “。从图2 1 可以看出，今后i p 骨干光网络技术的发展趋势 “2 j 。m p l m s 技术是m p l s 在a t m 网络中应用得很自然的一种扩展应用。i p 和光将在 核心网中集成。 图2 1i p 骨干光网络技术发展趋势 1 0 华中科技大学硕士学位论文 由此可见，在未来的先进网络中，光网络将起到重要作用。然而，由于它支持长 距离传输光到电的转换，因而存在许多要解决的问题，如：光网络结构、操作及控制、 子系统( 如传输系统及传送节点系统) 以及光设备和光器件等。这些问题并不是独立的， 网络大小、传送节点的数量、传输线路的长度、传送网络的功能等都是由这些技术问 题相互制约的。物理网络拓扑和传送节点的功能分配将确定逻辑连接模式。在研究数 字通路网络时，己对这些问题进行了考虑。然而，考虑到光网络的优点，光网络应当 首先从光及数字通路分配方面确定。考虑到光网络的特性，必须解决上面所提到的问 题，即光传送节点系统和传输距离1 1 3 】。 功能强大的网络管理系统也是光传送网络的重要组成部分，实用化的o a d m 和 o x c 设备需要具有能够控制波长组合以及处理故障的管理单元，以便在组网时实现光 传送网的可靠性和灵活性。按国际电信联盟i t u t 已给出光传送网的分层管理结构 的定义，光传送网的网元管理系统一般要求具备e c c 通信信道和对设备具有配置管 理、故障管理、安全管理和对设备性能进行监测的功能。 2 4 光网络发展趋势 从1 9 9 6 年开始，美国出现了一批新型通信网络运营公司，在全国范围内利用专用 线路大规模建设光纤网络，其目的很明显，就是利用现有的路由提高自身的网络运营 能力和价值。这些公司包括l e v e l 3 ，q w e s t ，p a t h n e t ，e n r o n 和p e n e t 。其中p e n e t 原是天然气公司，利用其天然气管道和石油管道资源拥有的5 7 0 0 0 k m 路由，初期准备 建立1 5 0 0 0 k m 光纤网，价值2 亿美元。全程全部采用朗讯科技的g 6 5 5 真波光纤，第 一阶段工程计划于2 0 0 0 年第一季度完成 1 ”。 近一两年在美国新兴的以经营i p 业务为主的电信公司正掀起新一轮大规模建设 光纤网的高潮，仅全国性的新建长途网就达6 个，计划新敷设的光纤路由约2 0 万k m 。 其动因主要是数据业务，特别是i p 业务的爆炸式增长以及市场开放和竞争的加剧，造 成核心网络的容量再次成为紧缺商品。而且这种大规模建设正逐渐从长途网向中继网 和接入网延伸，这就使得光纤芯数明显增加。在美国，各新兴运营公司的干线网络芯 数为1 4 4 芯到2 8 8 芯，而接入光纤网更达到8 6 4 芯【l5 1 。然而，采用电时分复用系统的 华中科技大学硕士学位论文 扩容潜力己尽，而光纤的全部可用带宽仅仅利用了不到1 ，为满足将至的而且不断 增长的带宽需求，w d m 已成为必然选择，以大幅度提高系统的传输容量，充分利用 光纤的巨大带宽资源。 目前4 0 0 g b i t s ( 4 0 x 1 0 g b i t s ) 系统已经投入商业使用，而且朗讯科技贝尔实验室已 经成功地实现了在3 0 0 k i n 真波光纤上传输3 2 t b i t s 的实验( 8 0 x 4 0 g b i t s ) ，创造了长距 离传输总容量最高的世界记录，揭示了波分复用技术的巨大发展潜力。正是这种需求 和技术的发展，为新一代光纤提供了舞台。现在的新兴网络公司在长途建设方面统一 采用新一代的非零色散位移光纤( n z d f ) ，特别是低色散斜率色散平坦光纤，如美国的 q w e s t 和p a t h n e t 公司，欧洲的g l o b a lc r o s s i n g 和v i a t e l ，南美的i m p s a t 都采用了朗讯 科技的真波r s 光纤。在城域网建设方面，北美和欧洲都在大规模敷设全波光纤，其 目的主要是为了转售光纤或波长，上述各个网络公司以及电力系统公司将自己网络中 的光纤波长出租或者出售给需要的运营公司及大用户。 中国已经走上了美国4 年前的发展道路，国家下决心打破通信网络的垄断，大量 新兴光纤网络公司出现( 如网通等) ，全国正值大规模光缆敷设的前夕。当前，随着 i n t e m e i 的普及、i p 的迅猛发展、c a t v 业务的拓展，以及网上购物逐步走向现实和商 务对商务( b 2 b ) 通信业务需求的不断攀升，光纤的数量将远远不能满足使用的要求，于 是资金大量投向光纤通信网络，电力、铁路、公路的路由必将成为争夺的对象。中国 电力系统漫长优质的电力传输网将具有不可估量的价值。当前高芯数a d s s 光缆的实 际应用( 朗讯科技为配合电力光传输网的发展，已开发并具备了8 6 4 芯a d s s 的生产能 力，而且4 3 2 芯a d s s 光缆己经在电力杆塔上实际应用) 再加上新一代光纤( 非零色散 位移光纤和全波光纤) ，为中国的电力光缆网络的建设提供了优质的选择。 华中科技大学硕士学位论文 3 1 系统方案的选择 3 系统方案一j i n i 技术 本系统应用于分布式环境中，选择正确的解决方案能缩短开发周期，开发出简明、 稳定、易维护的系统。像这样能满足要求的现今较为流行的解决方案有两个选择，j i n i 和j 2 e e 。 虽然当前大部分的企业解决方案都采用j 2 e e ，但是它只适用于w e b 系统的开发。 j 2 e e 的体系结构兼容了基于诸如b e a w e b l o g i c 、i b mw e b s p h e r e 以及s u no n e 等 多层结构的应用服务器，使得w e b 开发变得十分便捷和高效。w e b 程序工程师也不 必再过多关心如何解决系统稳定性、高负荷等问题，而能将精力更多地集中在如何实 现应用逻辑上。比如：现在，很少有人在采用了上述的中间件产品后，还问滓系统是 否稳定、如何扩容等问题。因为j 2 e e 的体系，已经解决了这些繁琐的技术难点。虽 然，j 2 e e 如此优秀以至于其成为现代企业解决方案的首选，而它却不适用于开发其他 的非w e b 系统，特别是一些基础分布式系统、实时系统及数据传输系统的开发项目。 此时，j 2 e e 己无法提供更多的帮助，而只能依靠程序员从系统最基本的功能开始开 发。除功能外，系统性能好坏，完全取决于开发人员的索质及经验。在短时间内构造 出如同w e b 应用一样稳定、高效的系统，简直成为一种梦想。所以，j 2 e e 通常为 w e b 中间件的兼容性提供解决方案。 本系统并不是基于w e b 的应用，底层的实现也不能采用w e b 的中间件。虽然可 以设计成那样，但是这样会使系统显得过于庞大、复杂。而且，本系统重点在于处理 动态的网络信息，这正是j i n i 擅长之处，所以本文采用l i n i 提供解决方案。 j i n i 是建立在j a v a 软件基础结构之上的一种新的技术。它使所有类型的数字设备， 在不需要大量的计划、安装或人为干预的情况下，可以非常简单地连接到任意无准备 的网络上，从而使得对新的网络服务的访问和发送变得就象接入电话一样简单。这些 设备提供了统一的服务或用户接口，能保证兼容性和可扩张性。 本质上，它是- - 3 * 基于网络动态的、自形成的和自管理的服务联盟，能够完成的 华中科技大学硕士学位论文 功能如下： ( 1 ) j i n i 是即插即用的：服务提供者加入j i n i 网络后，通过查找服务注册后即可向 使用者提供服务；服务的使用者加入j i n i 网络后即可通过查找服务使用相应的服务， 之后离开。 ( 2 ) 使用户可以很容易地访问网络中任何位置的资源，即使是用户在网络中的位 置经常变化。 ( 3 ) j i n i 以自发的方式实现实体间的互联。任何实体之间可以相互发现和加入j i n i 网络来组成一个j i n i 联盟。 ( 4 ) j i n i 消除了硬件和软件之间的差别：j i n i 把硬件和软件都抽象为服务，是一种 真正的基于服务的体系结构。 ( 5 ) j i n i 是一种分布式计算框架，使得分布式编程变得容易：j i n i 将j a v a 应用环境 由单独的j a v a 虚拟机扩展到一个j a v a 虚拟机网络；j a v a 虚拟机屏蔽了不同机器平台和 操作系统的异构性，降低了分布式编程的难度。 3 2j i n i 构架 分布式计算问题十分复杂，j i n i 能提供简明统一的分布式解决方案也是基于如下 假设1 6 】： ( 1 ) 有一个网络并且具有合理的网络延迟，以不影响j i n i 系统的性能( 要求网络底 层使用的通信协议是t c p 和u d p ) 。 ( 2 ) 每个支持j i n i 的设备具有一定内存和处理能力。 ( 3 ) 每个设备都需要装备一个j a v a 虚拟机。 ( 4 ) 服务组件要利用j a v a 实现。 在现实网络中，有许多设备并不满足上述条件，因此必须由一个满足条件的设备 或装有j i n i 系统的主机对其进行管理，使其能够间接访问网络和提供服务。 j i n i 的网络层次和其采用的通信协议如图3 1 所示，各协议说明如下1 7 ： 华中科技大学硕士学位论文 应闻嚣 。埘i 尊嚣鼢阪 应霜罨 隐_ j r ：i 献技j f l 銎撬、艇蕊翔鳓基 了协i 藏术 j a r a 技术 二j 蝴r m ： j 趼a 接术 _ l 外部徽胬l 操昨藩统操傅幕筑+ 网嚣糍鞴 。掰嚣；协键。 。网臻饽蠊 图3 1j i n i 网络各层连接协议 服务协议( s e r v i c e sp r o t o c 0 1 ) 是用j a v a 编程语言所写的一系列服务接口，例如打印 功能接口等，应用层之间调用服务就可以直接使用这些协议。 桥协议( b r i d g ep r o t o c 0 1 ) 当- - 个设备需要调用本网络之外的服务时，需要使用桥协 议调用外部设备。 j i n i 层使用的查找、发现和加入协议将服务连入网络。 j a v a 技术层采用r m i 方式调用远程对象服务。对不同网络层协议和操作系统都具 有通用性。 网络协议( n e t w o r k p r o t o c 0 1 ) 可以采用t c p i p 、i p x 、i r d a ( 对红外线) 等各种协议。 j i n i 需要j 2 s e 作为基础。然而，很少的非计算机设备能装载j 2 s e ，只能装载j 2 m e 。 j 2 m e 缺少加载和对象序列化的动态类【1 ”。有些造价很低的设备，集成了专业开发的 嵌入式服务，这种被称为瘦服务。有些瘦服务没有足够的资源运行j v m ( j v m ，s e e h t t p ：i a v a s u n c o m p r o d u c t s i d k ) ，以致不能为j i n i 提供运行环境，从而无法利用j i n i 技 术被服务请求者发现。然而若采用s e r v i c el o c a t i o np r o t o c o l ( s l p ) 1 9 1 t c p i p 协议族中 的一种轻量级服务发现标准，通过s l p j i n i 桥，这些服务便能够被j i n i 客户透明的发 现【2 0 1 。另外，可以采用p s i n a p t i c 公司开发出的j i n i 另一个版本。该版本既符合s u n 公司的j i n i 的标准，存储量又少于其存储要求口”。与瘦服务相对应的是瘦客户，不驻 留服务访问代码等细节在本地的客户即为瘦客户。当服务升级时，客户也需随之升级。 在j i n i 中，应用程序通常会用j a v a 编写，并采用j a v a r m i 通信。虽然j i n i 本身也 是用纯j a v a 实现，但是这并不表示j i n i 的客户和服务被限制于仅能用纯j a v a 2 2 1 。 系统组件 华中科技大学硕士学位论文 j i n i 体系结构由三个组件组成。 基础设施组件：提供一个在分布式系统中建立起j v m 联盟的框架。 编程模型组件：提供一组接口从而建立可靠的分布式服务。 服务组件：可以成为j i n i 服务联盟中的一部分并且向联盟中的其它成员提供服务。 j i n i 各组件构成如下图所示： 瓢、r a 扩壤r 】i i 穗借 发现枣务 m t 分鬻撇型黧 j a v 矗空间 枣努赣趣 图3 2j i ：n i 各组件构成 尽管j i n i 系统由三部分组件组成，但是它们之间的界限是模糊的，组件之间紧密 相连、彼此协作。 第二章的剩余部分将会对j i n i 基础设施组件的核心部分进行研究。系统利用它们 构筑了整个框架。对于编程模型组件，因设计到具体的编程细节，所以这并不是本文 需要讨论的。对于服务组件，因本系统采用的主要是j a v a s p a c e s 服务技术，所以留到 第三章中详细讨论。第二章还讨论了j i n i 的租用机制。租用机制为解决部分失败等棘 手的分布式问题提供了良好的方案。 3 3 采用的核心技术 基础设施组件是j i n i 体系机构中的重要部分，其目标是为设备、服务和用户提供 相应机制用于发现、加入、访问网络或与网络分离。它通常驻留在网络中的三个地方： 在查找服务中；在服务提供者中；或者在客户中。 基础设施组件有四个子组件组成：查找( l o o k u p ) 服务、发现i j n ) , ( d i s c o v e r y j o i n ) 华中科技大学硕士学位论文 协议、j a v ar m i 扩展实现和分布式安全系统。其中，l o o k u p 、d i s c o v e r y 和j o i n 三条 协议构成基础设施的核心，它们使得基于j i n i 的任何服务都可以随时加入或者退出联 盟，并且在加入联盟时无需进行安装和配置，从而达到了即插即用的效果。 3 3 1 查找服务 查找服务( l