（物理电子学专业论文）基于业务分级的ipwdm光网络管理技术的研究.pdf

摘要 摘要 咀w d m 技术为主体的光网络平台为日益丰富的网络应用和随之而来的呈爆炸式增长的数据传 输量提供了足够的带宽。i po v e rw d m 光网络是卜一代光i n t e m e t 的主要发展方向。通过取消中间 层，直接采川两层网络架构，可以提高传输效率，简化网络管理，降低网络建殴成本。然而，简化 后的网络架构也面临着如何实现网络资源的动态配置平ij 提供业务分级，以保证不同业务的q o s 需求 这一关键问题。本文提出，为了尽可能地满足用户对各类网络 ：i ! 用需求，网络管理和控制模块应具 有区分不同府用的业务数据流、给于不同传输质量保证的功能。通过业务分级，采用不同的传输策 略可以实现这一目标。同时，考虑到高速w d m 网络中，传输损伤对信号质量的影响已经不容忽视。 必须把物理层链路传输性能作为业务分级的依据之一这样才能合理且有效地实现不同类型业务的 q o s 保证。 本文在本课题组提出的i p w d m 节点网络管理模型基础上，重点讨论了其主要功能模块，综合 归纳了传输损伤评估模型重新评价了网络资源动态配置算法。从用户的角度分析了网络通信信息 性能j 榉，从信号传送的角度讨论了表征传输质量的参数，并把它们和_ | j 户荚心的网络鹿川性能对 应起来，提 u 了综合考虑传输损伤、时延和网络阻塞这二个因素的业务分级模型。同时还提山了新 掣的基于业务分级的r w a 定式，开发了套具有友好人机交互界面的仿真软件，可实现对资源动 态配置、业务分级以及链路传输损伤的计算机仿真。对c e r n e t 和m e s h z o r u s 仿真结果，充分证 明本模型可以为不同类型的业务提供有效的q o s 保证。本模型为r 一代光i n t e m e t 管理和控制系统 提供了新的思路。 _ 芙键字：1 p w d m 光网络q o s 竹点管理业务分级传输损伤传输策略 a b s t r a c t t h eo d t i c a l n e t w o r kt h a tb a s e d o nw d mt e c h o n o l g yp r o v i d e s e n o l t o o u s eb a n d w i d t h f o r t h e i n c r e a s i n g l yr i c hn e t w o r ka p p l i c a t i o n sa n d t h eb o o m i n gv o l u mo fd a t at h a tn e e d t ob et r a n s p o r t 8 d i po 8 。 w d mo d t i c a ln e t w o r ki st h ee v o l v i n gt r e n do fn e x tg e n e r a t i o no p t i c a li n t e r n e t ，w h i c hp r o m i s i n gb e t t e r t r a n s p o r te f f i c i e n c y , s i m p l i f i e dm a n a g e m e n t a n dl o w e ro p e r a t i o nc o s tb ye l i m i n a t i n gt h ei n t e r m 。d i 81 8 y 。5 h o w e v e t h ei s s u e s 。fc o n f i g u r i n gt h en e t w o r kr e s o u r c e sd y n a m i c l ya n dp r o v i d i n g t r a f f i cc l a s s i f i c a t i o nt o e n s u r et h eq o sr e a u i r e m e n to fd i f f e r e n tt r a f f i c sa r i s ei ns u c ht w o l a y e ra r c h i t e c t u r e i ti sp r o p o s e di n t h i s d i s s e r t a 缸o nt h a tt h em a n a g e m e n ta n dc o n t r o lm o d u l eo f t h en e t w o r ks h o u l dh a v et h ei n t e l l i g e n c et od i f f e r t h ed a af l o wo fd i f f e r e n tt y p e so ft r a f f i ca n dt op r o v i d ed i f f e r e n tt r a n s p o r tq u a l i t yg u a r a n t e e t h r o g h c l a s s i f y i n g t h et r a f f i ca n da d o p t i n gd i f f e r e n tt r a n s p o r tp o l i c y , t h ep e r f o r m a n c e d e m a n do fn e t w o r k a p d l i c a t i o na s k e db yt h eu s e rc a nb e m e t a tt h es a m et i m e ，t h et r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i co ft h el i n k s i n p h y s i cl a y e rs h o u l db et a k e n i n t oa c c o u n tt om a k et h eq o sg u a r a n t e er e a s o n a b l ea n de f f e c t i 。l y , 5 i “。 t r a n s m i t t ei m p a i r m e n ti sn o tn e g l i g i b l ea n y m o r ei nn o w d a y sh i g hs p e e dw d m n e t w o r k t h ef o c u so f t h i sd i s s e r t a t i o ni so nt h es t u d yo f t h em a i nf u n c t i o n a l i t yo f i p w d m n o d em a n a g e m e n t m o d e l w i t ht h ec o m p r e h e n s i v ec o n c l u s i o n sd r a w nf r o mt h ei m p a i r m e n te v a l u a t i o nm o d e l ，t h en e t w o r k r e s o u r c ed y n a m i ca l l o c a t i o na l g o r i t h mi sr e d e s i g n e d ，a t i e ra n a l y s i st h en e t w o r ka p p l i c a t i o np e r f o r m a n c e f e a t u r e sf r o mt h eu s e r sv i e w p o i n ta n dt h e nf r o mt h ep a r a m e n t e rt h a tm e a s u r i n gt h et r a n s p o r tq u a l i t y , a n e wt r a 衔cc l a s s i f i c a t i o nm o d e lt h a tc o n s i d e r st r a n s m i t ei m p a i r m e n t ，d e l a ya n db l o c ki n t e g r a t i v e l y , a l o n g w i t han o v e lr w a t h e o r yi sp r o p o s e da c c o r d i n g t h i sm o d e l ，g u i b a s e ds i m u l a t i o ns o f t w a r ei sd e v e l o p e d ， w h i c l lc a n i m p l e m e n t t h es i m u l a t i o no fr e s o u r c ed y n a m i ca l l o c a t i o n ，t r a f f i c c l a s s i f i c a t i o na n dl i n k i m p a i r m e n tc a l c u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h i sm o d e lc a r lp r o v i d ee f f e c t i v eq o sg u a r a n t e et o d i f f e r e n tt y p e so ft r a f f i c ，t h em o d e lg i v e ni n t h i sd i s s e r t a t i o ns h e dl i g h t o nt h ed e v e l o p m e n to ft h e m a n a g e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mf o rn e t xg e n e r a t i o no p t i c a li n t e m e t k e y w o r d ： i p w d m o p t i c a ln e t w o r k ， q o s ， n o d e m a n a g e m e n t ，t r a f f i cc l a s s i f i c a t i o n ， t r a n s m i ti m p a i r m e n t ，t r a n s p o r tp o l i c y i i 东南大学学位论文独创性声明 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：毯，蕴日期：趔，垒 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：琏垒导师签名：圣竺兰羹 日期：伽毒4 第一章绪论 第一章绪论 目前，i n t e m e t 已经深入到人们日常生活的方方面面，从火学里的科学研究到政府的行政办 公再剑企业的经营管理，以及家庭的娱乐休闲，各类新型的网络应j 【 ；i 不断提出。从早期的多 媒体业务服务，已发展到现今的遥测遥感遥控、各类基于网络的虚拟实时系统以及远科服务。 这样一个对人类生活产生巨大影响的网络世界，是构筑在由各种光器件和成千上万公里光纤光 缆所组成的光传输平台上的。光纤因其巨大的传输带宽，良好的保密性和抗干扰性，被公认为 是海繁数据传输的最佳介质。在实际麻用中，人们希望光网络除了具有高传输速率，良好的生 存性雨j 安全性外，还希望它能提供灵活的资源配置能力，对比特率和协议的透明性，提供q o s 保证的能力等。本章首先对光网络以及相关的传输网技术现状做一个概括性的描述。然后介绍 一些光网络技术的发展趋势和进展最后提出本文需要完成的主要工作。 1 1 光网络架构和技术现状 传输网作为网络应用的数据传输平台，已经存在和发展了很多年，从最开始的电路交换技 术到现在l l , 3 z 流的分组交换技术。从早期的电网络到近年来迅速发展的光网络传输网在传输 速率、可靠性、服务种类等方面有了巨人的迸步。日前最常见的传输网络架构是由i p 层、a t m 层、s o n e t s d h 层和w d m 层所组成的多层体系结构如图1 1 t 1 1 所示。 图1 1 多层体系结构【1 1 这个架构中的每一层利j _ jf 一层提供的服务，实现一定的功能，井为上层服务，r 面逐层 介纠它们的特点和基本功能。 查堕盔堂堡! ：兰些堡兰 一 一 l _ 1 1 w d m 层 本文中把应j ； ；| 了w d m 技术的光传送网( o t n ) 称为w d m 层，其主要功能是为上层网络 提供实际数据传输所需的物理介质和带宽。w d m 技术通过把多个波长信道复用到一根光纤中 来提高光纤的传输数据容耸，并利j _ j 波长放人器( 主要是e d f a ) 在无需o g l o 转换的情况f 对光纤中的各个波k 信道进行放大，从而延k 了光信号无中继传输距离，实现了长距离光传输。 w d m 系统人多f ：作在c 、l 波段上，单根光纤中可复用的波跃数已达上百个，单信道的传输 速率以达4 0 g b s 以上。而且，点对点的光纤链路已不能满足目前应用的需要，对网络资源的动 态配置和使j = | 以及光交换的要求日益突山。 波长路由器是w d m 系统中十分重要的器f 1 可蒯米完成以波长( 或是波带) 为单位的数据 交换和路由，并提供本地上f 路( a d da n dd r o p ) 功能，可动态提供端到端的波长路径。根据 实现交换的方式不同，波长路由器可分为二类：电波长路由器、光波长路由器和混合波氏路由 器。电波长路由器将解复用后的各个波长信道的光信号通过d i e 转换器转换成电信号，然后 送入一个电交换机进行交换。完成交换后再通过e o 转换将电信号转换成光信号，重新复用到 达交换机出口。电波长路由器的优点在于电交换技术已经十分成熟，实现起来难度较低。而且 通过o e o 转换。还可以完成信号再生、波长变换等功能。这种交换方式的缺点在丁雉以突破 电子瓶颈，交换速率很难进一步提高( 目前电交换的端口速率通常可以达到1 0 g b s - 4 0 g b s t 2 j ) 。 另外，由丁需要使州人鼙的o e 利e o 转换器，其成本也不低。而且使用电波长路由器时，即 使某个波长信道无需交换，它也必须经过o e o 转换，这样就降低了交换的灵活性。 与电波长路由器不同，光波长路由器完全f 作在光域，无需任何o e 和e o 转换，从而完 全消除了电波长路由器中的电子瓶颈。在结构上，光波陈路由器削光交换单元取代了原米的电 交换单元。光波长路由器的最大优点在于可以达到很高的交换速率( 数十t b i t s ) 【2 1 ，而且对传 输信号的码制、传输速率、传输协议等均是透明的它是未来全光网中必然的解决方案。但目 前，实现光波眭路由器所需的波长变换、光缓存、光信号处理以及光同步等技术还不成熟，因 此其性能和成本还不理想。 第二类波| j = = 路由器使混合波k 路由器。它综合了电波长路由器和光波艮路由器的优点，作 为从电到光的过渡产品，是目前使用最多的交换方式。混合波k 路由器的交换核心分为两个部 分，一部分是光交换单元，一部分是电交换单元。光交换单元埘米将某个波长从一根光纤交换 刨另一个光纤，电交换单元则川丁当输出光纤上相麻波臣已被i ，用的情况r ，通过波k = 变换( 由 o e o 转换实现) 来解决波长冲突。另外电交换单元还可以熠来对信号进行信号再生。通过 2 第一章绪论 结合电交换和光交换的优点，混合波艮路由器最人限度地利用了现有的技术条件，并考虑了采 来技术的发展方向。因此，目前乃至未来若干年内，混台波长路由器将占主导地位”。 1 1 2s o n e t s d h 层1 1 上世纪八十年代，为了克服准同步数字体系( p d h ) 传输速率低，标准不统一，缺乏光接口规 范，帧结构中管理开销太少等弊端，美国和欧洲及日本先后提出了s o n e t 和s d h 技术标准。 s o n e t s d h 的主要功能在丁提供有效利刚底部光传输层巨火带宽资源的方法。另外，对网络中的 突发故障，s o n e t s d h 也提供了必要的保护和恢复机制。s o n e t s d h 网络主要由四类网络器件组 成，它们是：分插复刚器( a d d d r o pm u l t i p l e x e r ，a d m ) 终端复川器( t e r m i n a lm u l t i p l e x e r t t m ) ， 数字交义连接( d i g i t a lc r o s s - c o n n e c t ，d x c ) ，再生器( r e g e n e r a t o r ) 。这些器件通过光纤连接在一 起，绸成了个s o n e t s d h 网络。在s o n e t s d h 参考模型中定义了三层，它们分别是路径层( p a t h l a y e r ) ，线路层( 1 i n el a y e r ) 垌i 段层( s e c t i o nl a y e r ) ，如图1 2 1 1 1 所示。其中路径层负责端到端连接传 递；线路层义叫复刚段层( m u l i t p l e xs e c t i o nl a y e r ) ，负责将多个低速率的信号复用成高速率信号， 或是从高速率信号中解复崩出低速率信号；段层也叫再生段层( r e g e n e r a t o r s e c t i o nl a y e r ) ，负责协助 光信号的传输和再生。为了完成传递信令、性能监测、保护切换等功能，s o n e t s d h 的每一层都 会在有效负荷前加上本层的控制信息，即开销( o v e r h e a d ) 。 i _ ii i l i ”皂乜y e ri c l i e n t 禹 二l c i i e n t 嘣$ e o t ；q n l & y e r o rs e c ti o nl a y e r d l i 一一 t 瑚o r o r t 啊一k o r 卜 t _ 1 户 d x c ，i 7 r e g e n e r a t o r 幽1 2s o n e t s d h 参考模型 为了、止各种速率的信号都能通过s o n e t s d h 传输，进入或是离开s o n e t s d h 层的信号都被 映射到某个合适的容器中。这种窑器在s o n e t 中叫v t ( v i r t u a lt r i b u t a r y ) ，在s d h 中叫v c ( v i r t u a l c o n t a i n e r ) 。在制定s o n e t s d h 标准时还考虑了如何兼容北美以及欧洲以前使州的时分复刚( t d m ) 体系中的各级信号速率的问题，幽1 3 ( 1 l 给出了一个s o n e t s d h 中各级信号映射和复州的人致情况。 查堕查兰堡! ：兰些堕兰 一 宁最 早：丽- u u j 卤仁广弓8 趋薯。 ! 上! 一： i ! 翼一： 削1 3s o n e w s d h 复川体系 s o n e w s d h 层的另一个土要功能就是在网络出现故障时提供快速的保护切换。在s o n e w s d h 中通常会预留山一部分容量用作保护也就是说网络中同时存在两个一模一样的拓扑结构。其中一 个是在网络正常状态r 使闱的，另一个是在网络出现故障时使川的。通过s o n e w s d h 帧开销，网 络1 y 点之间互相交换性能监测和保护信息，从而在网络出现故障时完成从工作光纤到保护光纤的自 动切换。s o n e t s d h 的保护机制可以在6 0 m s 内使网络恢复正常】i 作，因此通常情况f ，上层网络 是不会意识到有故障发生的。 1 1 3 a t m 层【1 s o n e w s d h 最初提出时，主要是针对电话语音业务的，困此它的复削方案和容器分配都是根 据语音业务来进行优化的：带宽一口分配就会一直保持到连接请求结束，即使这期间没有数据需要 传输。随着数据业务的不断发展，运营商需要一种更灵活得带宽分配方式以满足数据传输所具有的 的动态特性。二二十世纪八十年代起，电信商和设备商开始考虑在s o n e w s d h 层上再增加一层a t m 层，以提供一种更灵活的带宽分配方式和更多的服务功能。a t m 利用被称为“信元”( c e l l ) 的同定 人小的同步时间槽i 作每个信元包含5 3 个字m 其中5 个字。i y 是信元头，其余4 8 个字仃是净 荷。信元并不一定是放周j | j 性地发送出去，而是可以根据所提供的服务按需发送( s e n d o nd e m a n d ) 。 a t m 这种灵活的带宽分配方式很适合传输数据业务，因此，a t m 层的另一个重要功能就是把语音 业务平数据业务更有效地集成在同一层里来实现。 a t m 层由a t m 交换机以及连接它们的点到点的a t m 链路所组成其中a t m 交换机通过光接 口与s o n e w s d h 层相连，而a t m 链路则构成了一个逻辑拓扑。幽1 ，4 【1 i 给出a t m 的参考模型以及 它与o s i 参考模型的对应关系。这个模型由三个平台( p l a n e ) 构成，每个平台义分成若干层( 1 a y e r ) 。 其中控制平台负责产生和管理信令请求，h j 户平台负责传输数据。管理平台又进一步分成两部分： 1 部分是层管理，负责管理具体层的功能，比如故障监测和协议问题；另一部分是平台管理，负责 4 塑= 壁堡垒 管理和协调与整个系统有关的功能。另一方面，从层的角度米霜，a t m 参考模型分为以f 儿层：物 理层这一层类似o s i 参考模型中的物理层，负责管理介质相关的传输；a t m 层这一层与 a t m 适配层紧密相关，火致相当丁：o s l 参考模型中的数据链路层负责建立连接和在a t m 网络中 传输数据单元：a t m 适配层与a t m 层紧密相关，也类似于o s l 参考模型中的数据链路层，负 责将高层协议与a t m 进程的细1 y 隔离开米。至丁a t m 适配层以上的其他各层则负责接受用户数据 并将它们交给a t m 适配层。 o s ir e f e r e 哪m o d 0 1 t - r e f e r e n c ei f l o d e a p p i i to “ p r e s 6 n t a t i o n s e o s i o n i r a n e p a r t m e t w o r k d e t al - n k p h y s ；c a i 型及其与 为了传输多种类型的业务，a t m 定义了多种a a l 。每种a a l 都负责将上层进程较人的服务数 据单元( 比如说视频流) 转换成a t m 单元( 或是反之) 。其中a a l l 是面向连接的服务适台于电 路仿真应用，比如语音和视频会议。a a l 2 对于传输变比特率，与时间相关的业务进行了优化，它 最重耍的州途就是传输视频。a a l 3 4 既支持面向连接的业务，也支持无连接的业务。它是为网络 服务提供商殴计的。a a l 5 | i i i i 主要用来在a t m 上传输传统的i p ( c l a s s i c a li p c l i p ) ，业是l a n 仿真( l a ne m u l a t i o n ，l a n e ) 。 从本质上说，a t m 是一个面向连接的网络，因此它需要在传输数据前先建立起端到端的连接， 这是通过虚连接来实现的。a t m 中的虚连接分为两类：虚路彳：； = ( v i r t u a lp a t h ) 干| i 虚通道( v i r t u a l c h a n n e l ) 。每条虚路径由一绸虚通道组成，而若干条v p 就组成了一个传输路径( t r a n s m i s s i o np a t h ) 。 利州虚连接，a t m 提供了三类连接服务：永久虚连接，交换虚连接和无连接服务。永久虚连接 ( p e r m a n e n tv i r t u a lc o n n e c t i o n ，p v c ) 允许节点之间的直接连接其优点在于可以保证连接的可 川性，而且在进行交换时没有呼叫建立的过程，而它的缺点就是连接是静态的，而且建立时需要人 一确认。与p v c 不同，交换虚连接( s w i t c h e dv i r t u a lc o n n e c t i o n s v c ) 的建立和释放都是动态的， 而且只在由数据需要传输时才保持连接。动态呼叫的控制需要a t m 节点和a t m 交换机之间有某种 信令协议。s v c 的优点在于连接的灵活性，而且呼叫的建立可以由网络设备自动处理。它的缺点是 需要额外的( 相对丁_ _ p v c ) 时闻利开销来建立连接。 a t m 还提供了一定程度的服务质量( q o s ) 的保证，它有r 面二个部分组成：业务契约( t r a f f i c 5 东南大学硕士毕业论文 c o n t r a c t ) ，业务修整( t r a f n l cs h a p i n g ) 和业务策略( t r a f f i cp o l i c i n g ) 。当一个a t m 端系统连接到一 个a t m 网络时，它和网络就q o s 参数达成了一个“契约”。这个业务契约指定了一个描述所需数据 流的封包( e n v e l o p e ) ，这个封包规定了诸如峰值带宽、平均持续带宽、突发分组大小等参数。a t m 没备则通过业务修整米保证业务契约得到满足。业务修整是通过队列来控制数据突发分组，限制峰 值数据率以及平滑抖动等，从而使业务不超出同定的封包。而a t m 交换机则通过业务策略来进一 步加强甏约。交换机可以监洲实际的业务流并将其与达成约定的业务封包比较。如果交换机发现业 务超出了约定的参数，它就可以设置“违规”单元的单元丢失优先级( c e l ll o s s p r i o r i t y ，c l p ) 位。 在随厉的交换过程中，如果发生了拥塞，殴置了c l p 位的单元会被优先丢弃。 1 1 4 i p 层1 3 l 自从一十世纪七十年代t c p i p 协议被提出以来，t c p i p 及其相关的其他协议逐渐成为i n t e r n e t 中事实上的协议标准了。对于火多数网络应用释序来说，它们直接面对的就是由i p 路由器组成的i p 逻辑网络，也就是这里所说的i p 层。i p 网络是基丁分组交换的，参与交换的信息单元主要是k = 度 可变的包( p a c k e t ) 。i p 路由器通过检查传输过来的包中所包含的目的地址并和路由器中存储的路由 表比较，从而决定将该数据包转发到哪个端口。在i p 层。定义了一系列协议来完成诸如传输数据、 拓扑发现、地址解析等功能。图1 5 t ”是t c p ，i p 协议拽及其与o s i 参考模型的关系。需要指出的是， t c p i p 协议族是先t - o s i 参考模型提出的晟早的t c p 协议是在1 9 7 3 年提出的，而o s i 参考模 型丁1 9 8 0 年左右才被提出所以两者层与层之间之间并不存在严格的对应关系。 图i 5t c p i p 协议栈阱 i n t e r n e t 网络协议( i n t e r n e t w o r kp r o t o c o l ，i p ) 是t c p i p 协议族的基本传输机制。它是一种不 可靠的，无连接协议t 提供的是尽力而为( b e s te f f o r ) 的传输服务。i p 通过被称为数据报( d a t a g r a m ) 6 第一章绪论 的包来传输数据，每个包都是独立传输。数据报可能经过不同的路径到达目的地，而且到达的顺序 也不能保证。i p 协议不能跟踪报文经过的路径，也无法在报文到达目的地后对它们重新排序。但是 需要指出的是，上面这些有限的功能并不能看作是i p 协议的缺陷。冈为i p 仅仅提供了最基本的传 输功能，其使川者可以很方便地在其上添加他们所需的功能从而使得可以在保持协议精简的前提 r 达到最人的l ：作效率。 t c p i p 协议族中位丁传输层的两个协议是传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 和用 户报文协议( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，u d p ) 。其中u d p 比较简单，仅仅是在上层发来的数据里加 入端i ：l 地址( p o r ta d d r e s s ) ，校验利控制以及艮度信息。u d p 是一个无连接，不可靠的传输协议， 除了提供的是进程到进程( p r o c e s s - t o - p r o c e s s ) 而不是主机到主机( h o s t - t o h o s t ) 的通信外，它并没 有在f p 的基础上添加多少功能。作为一个简单的传输层协议，u d p 很适合于那些需要传输较小报 文，而且对可靠性不是那么关心的进程。相比较于u d p ，t c p 就提供了更多的功能。t c p 是一个面 向连接的，可靠的流传输协议。说t c p 是一个流传输协议，并不意味着t c p 是连续不间断地传输 数据。实际上t c p 是通过把数据分割成一个个的段( s e g m e n t ) ，再通过i p 来进行实际的数据传输。 t c p 为每一个段指定了一个序号和一个确认号。这样，利h ! i 序号，接收方的t c p 可以把接收到的段 按顺序重新排列后再递交给上层进程。而通过确认号，t c p 就可以利用不可靠的l p 协议来提供可靠 的数据传输服务。 为了完成i p 报文的传输，i p 层需要底层网络的支持。通常情况f ，i p 路由器是连接到a t m 交 换机上的。利用a t m 交换机雨i 连接交换机的a t m 虚连接构成的a t m 网i p 层为上层应用提供数 据传输服务。这些虚连接可以是静态的( 比如说永久虚连接) ，也可以是动态的( 比如说交换虚连接) 。 为了通过a t m 网络传输i p 数据，i p 路由器利_ _ i ja r p 找山目的l p 地址对应的a t m 交换机地址。 由丁i p 路由器是通过a t m 网络连接起来的，因此无法知道( 更无法影响) a t m 网络是如何建立起 到达目的i p 地址的连接的。这种模型被称为层叠模型( o v e r l a ym o d e l ) 。层叠模型在扩展性以及优 化路由方面存在一些问题，冈为a t m 路由协议无法知道i p 业务对i p 服务质鼙、服务质量映射、多 播请求、i p 优化路由等方面的要求因此也就无法作山相麻的处理和优化。为了解决这些问题，业 界提出了一种对等模型( p e e r - t o p e e r m o d e l ) 。这种模型把i p 和a t m 的路由协议视为i 作在同一层， 也就是j p 路由协议知道a t m 路由协议如何建立连接，a t m 路由汝议也可以根据i p 业务的需要进 行路由。有好儿种对等模型被提出，比如i p 交换( i ps w i t c h i n g ) ，t a g 交换等。但目前多协议标签 交换( m u l t i p r o t o c o l a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) 已经逐渐成为公认的标准，后面将会对其作更详细的 介绍。 7 东南大学颂1 毕业论文 1 2i po v e rw d m 一下一代光互联网 以w d m 技术为主体的光网络平台为日盏丰富的网络应用雨i 随之而来的星爆炸式增跃数据传输 龋提供了足够的带宽。但随着业务量的b 速增长，传统的多层网络架构已经开始显现出种种弊端。 首先，多层架构中的每一层都需要一定的开销用丁_ 本层的传输控制和管理。这势必火火影响整体的 传输效率。其次，多层架构中的每一层都有自己的网络设备来组成本层的网络。从而使整个网络的 建设平维护成本人人提高。第二，由丁各层都有白己的寻址路由机制，而且这些机制有的是动态 的( 比如i p 层) ，有的是静态的( 比如s o n e t s d h 层) ，冈此要使它们协调一致地工作比较难。再 考虑剑各层协议的功能往往会有一些重复，这种架构从：f - 作效率上来说也不理想。第四，目前网络 上l p 数据已经i i 主流因此如何让传输网很好地适应动态性的i p 数据就成为了一个需要解决的问 题，而多层架构中的带宽资源分配方式显然是难以胜任的。鼹后目前网络中存在的电子瓶颈、q o s 的提供利保证等问题也是促使人们考虑新的光网络架构利技术的原冈。 1 2 1i po v e rw i ) m 简介 幽1 6 未来传输网的发展趋势 目前，网络上的绝大多数应j = = l 都是基丁：t c p i p 游议的，而现有的在时分复用网络上传输j p 业 务的方法是针对传输类似语音这样的同步业务而提出的，阅此已经开始显得有些力不从心了。传统 网络通过s d h 在底层实现网络连接。而s o n e t s d h 网是由光纤环路、分插复用器以及数字交叉连 接构成，其复舶体系比较复杂，需要大量的设备投入。a t m 通常用来在s d h 网络之上提供数据传 输服务。a t m 的面向连接的特性使得运营商可以满足用户某种 ￥度上的q o s 要求，也可以提供虚 拟专川网( v i r t u a lp r i v a t e n e t w o r k ，v p n ) 服务。但是，这种基于t d m _ 手| i a t m 技术的网络需要火 域的运营成本，而且传输效率不高。比如在通过a t m 米传输i p 业务时，在分段和重组( s e g m e n t a t i o n a n dr e a s s e m b l y ，s a r ) 过程中会引入大量开销。通常情况f ，一个典型的a t m 帧需要2 0 的开销， r 一一 笙二童堕堡 也就是说在o c 4 8 s t m 1 6 的链路上由于a t m 的开销将要浪费差不多一个o c l 2 i s t m 一4 链路的容 量。随着技术的发展，传输速率的不断提高a t m 开销所浪费的带宽越来越不可接受。山丁i 二运营 成本、传输效率等方面的考虑，未来网络架构必然是朝着消除中间层，简化网络架构的方向发展， 如图1 6 1 1 】所示。 网络架构简化的最终结构将形成t p o v e rw d m 这样的两层结构。这样的两层架构在运营成本、 带宽利j = | j 效率、传输效率等方面与原有架构相比都有很大的优势。根据i p w d m 技术和网络架构的 发展情况，可以将其人致分成三代f 4 1 = 第一代：i po v e r 点对点的w d m 网络。在这样的网络架构中，w d m 系统被用作连接相邻i p 路由器的点对点的高带宽通道，i p 路由器通过复用了多个波长信道的光纤直接相连，如图1 7 4 1 所示。 此时，s o n e t 常州米将w d m 通道所需的开销信息成帧并进行传输，而i p 包则被封装在s o n e t 帧中，即p a c k e to v e r s o n e t 方案。i p o v e r 点对点的w d m 网络中，网络拓扑是阔定的网络的配 置也是静态的。目前很多l p 和w d m 设备商都提供可州于i p o v e r 点对点w d m 网络的设备，这种 网络架构在k 途干线网中被广泛使用。 剀1 7i po v e rp o i n t t o p o i n tw d mn e t w o r k l 4 】 第二代：i p o v e r 可配置的w d m 网络。在这种网络中，w d m 信道可以通过w d m 交叉连接， 住w d m 系统中进行路由。这样可以提高w d m 带宽资源和i p 接口的利用率。此时，i p 路由器的 接口连接到w d m 交叉连接的端口，而各个w d m 交叉连接之间则通过复用了多波i 雯信道的光纤互 连形成个网状格局如图1 8 【4 1 所示。由丁该网络架构中w d m 层具有可重新配置信道的能力冈 此可以直接将保护切换和恢复功能加入到光层而无需s o n e t 中间层。很多w d m 设备商卢称其 w d m 交义连接产品可以支持第二代i p w d m 网络。 第二代：i po v e r 交换w d m 网络。在这种网络架构中，l p 包直接在w d m 系统中通过w d m 包被交换和传输。也就是说此时w d m 系统直接支持逐包的交换。而不是提供一个从入口到出口 9 东南大学硕士毕业论文 ( i n g r e s s t o e g r e s s ) 的光路，这样可以提供更好的波氏信道流量复用粒度。目前主要的光包交换技 术包括有光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) ，光标签交换( o p t i c a ll a b e ls w i t c h i n g ，o l s ) 等。w d m 包交换技术目前还处丁实验室研究阶段，d a r p a 建立的光标签交换项目( o p t i c a ll a b e l s w i t c hp r o j e c t ) 已经成功地演示了这种技术，但要用于商业用途，仍需一段时间。 图1 8i po v e rr e c o n f i g u r a b l ew d mn e t w o r k 【4 l 对= 二第二代和第三代i p w d m 网络来说，有三种模型可以用来把i p 层和w d m 层组合在一起， 它们是：层叠模型( o v e r l a y m o d e l ) ，增强模型( a u g m e n t e d m o d e l ) 和对等模型( p e e r m o d e l ) 如图 1 9 所示n c “p e 蚪叽。n th d * | tm 0 d “ 幽1 9 不同的i p w d m 网络模型【4 o 第一章绪论 在层叠模掣中，i p 层硐i w d m 层之间是一个客户服务者的关系i p 层作为w d m 层的客户， 利州w d m 层提供的连接米形成自己的链路。此时，i p 层和w d m 层的管理，控制机制是相互独立 的，通过事先定义好的交互接口进行协调。在增强模型中，i p 层和w d m 层有统一的地址分配方案 但是进行路由时，仍采用相互独立的机制。因此，需要在两个路由机制之间传递控制信息。对等模 型则将i p 层和w d m 层的设备同等对待，采j = = | 相同的寻自t 路由机制。在此模型中，m p l s m p l m s 被州米提供一个统一的控制平台。 除了芙注i p w d m 网络架构的发展外，对于i p w d m 网络中的路由、资源分配与管理、交换机 结构等技术也进行了人量的研究。i s 讨论了w d m 聚合网( w d m g r o o m i n gn e t w o r k ) 中的动态路由 问题。所谓w d m 聚合网就是通过结合t d m 平w d m 两种复用技术，把每个波长在时域上按帧进 行划分，每一帧由若干个时间槽组成。同一波跃里每一帧中同一位置上的时间槽构成一个通道 ( c h a n n e l ) 。以通道为基本单位分配带宽，目的是为了提供更灵活的带宽分配粒度。路由和波长分 配( r w a ) 对丁在w d m 网中传输i p 业务十分重要，l a - u j 从如何减少波长资源碎片。提高资源利 用率羽l 网络- j 生能嚣方面对w d m 网络中的路由乖i 波k 分配问题进行了讨论。则提出了一种在i p o v e r w d m 网络中集成路由的算法。除了波长资源配置，i p o v e r w d m 网络中的资源管理和控制问 题也是一个关注的焦点，1 1 3 1 “1 如何将i p 的信令和控制机制用于己建成的s o n e t 网络中以及在一个 混合了电交换利光交换的网络中如何进行集成的资源管理等问题。另外，由丁光交换机是实现w d m 网从点到点的网络向格状网络( m e s hn e t w o r k ) 转变的关键器件，内此对，它的研究也很多。1 2 1 ” ”】对各种光交换机的结构、所削的交换技术以及性能等各方面进行了讨论。 1 2 2 多协议标签交换和多协议波长交换( m p l s m p l m s ) f 1 剧i 1 0m p l s 网络以及标签交换的示意剧 前面曾经说过，在传统的多层网络架构中所使_ h j 的层瞢模刑在可扩展性，t 作效率等方面存在 一些不足，阗此对等模型被提山。而多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，m p l s ) 是目 前最被看好的一种对等模型并已经基本上被标准化组织认可了。m