（计算机应用技术专业论文）全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究.pdf

全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究 摘要 信息社会的来临，正在改变生活中的许多方面，对信息的需求和依赖是这个社会的 一个标志因特网的迅猛发展和新业务的不断出现导致对带宽的需求越来越大，同时随 着光网络技术的发展，对服务质量的要求也越来越高，但是一个网络的性能不仅取决于 它的物理资源( 光学交叉连接器，转换器，光纤，每条光纤的波长数) 而且取决于它的控 制策略一个差的资源管理策略将会导致网络利用率和吞吐量大大降低然而基于光波 长复用的直接联网有它特有的局限性，现有的以s o n e t s d h 技术为主的广域骨干网络 越来越不能适应这种需求，迫切需要一种新的性价比更高的技术来满足人们对信息的需 求光的波分复用技术( 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 ) 为解决这种矛盾提供了一 个方案w d m 技术对光纤巨大带宽的充分利用可以导致传输数据的价格大的降低，这 使它已经成为广域骨干网络中最具吸引力的技术，而且可以预言远的将来，它还会在其 他网络领域中得到更广泛的应用 首先，同一条光纤复用波长数量有限，使得以波长为信道标识的网络的通道数量较 少再者，波长转换技术及其成本的限制使得网络结点一般没有波长转换能力，导致了波 长连续性限制，这使得源目的结点间的通信必须始终被承载在同一波长信道上w d m 网络中，波长变换技术是一项关键技术，然而却一直备受争议波长变换技术具有可以改 善网络的性能，简化网络的控制等一系列的特点，但是由于目前技术的限制，制造理想 的全光波长变换器还很困难，而且波长变换器仍处于实验室制造阶段，当它商用化时， 价格将较昂贵鉴于技术和价格的限制，有限范围波长变换的研究和稀疏节点波长变换 的研究应运而生为了充分有效地利用网络资源，在全光网络中进行波长路由和分配就 成为了最优设计问题中的核心问题 在全光网中利用波分多路复用技术，一条光纤可以同时传输几种信号，每个信号使 用不同的波长因此一个典型的问题( 也就是已知的波长选路问题) 就是在网络中接受 通信请求也就是说对每一对通信请求，在网络中找到一条路并为它指定一个波长使得 共享一条链路的两条路使用不同的波长这个问题可以抽象成路染色问题即给定一个路 的集合，给这些路指定颜色，使得共享同一边的路颜色不同本文的目标就是最小化使 用的颜色数目 网络的拓扑结构可以用图来表示，称为网络拓扑图可以通过研究图的性质来研究 网络的结构研究图的性质的理论就是图论，图的染色是图论的一个重要内容一般来 说，图的染色分为顶点染色和边染色边染色又可以分为严格的边染色和，染色图的 染色具有广泛的应用，本文所考虑的就是图的染色在全光网络理论中的应用由于规则 的拓扑结构已经研究的比较成熟，对于界限，平均值都容易获得规则拓扑上的路由算 法通常都很简单，通信路由子问题很容易解决而且当目标函数是最小化最大拥塞界时 规则拓扑所固有的负载均衡特征是很重要的因此本文决定用某一规则拓扑作为逻辑拓 扑来考虑问题 ， 本文主要研究了全光网络中的拓扑设计问题与静态网络中的波长分配以及波长路由 全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究 网络的逻辑拓扑最优设计问题，并得到了一些结果共分为五章 在本论文的第一章绪论中说明了文章研究的背景及问题的提出以及目前的研究进 展，论文的工作及文章的组织结构四个方面的内容；第二章介绍了图的一些基本概念； 第三章研究了w d m 波长路由全光网络中逻辑拓扑设计问题，给出了利用线图来设计网 络拓扑的方法；第四章讨论了w d m 全光网络中波长分配问题，给出了解决此问题的一 些方法；第五章给出总结并展望下一步要做的工作 关键词：全光网络，拓扑设计，图，波长分配，波分复用 全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究 a b s t r a c t t h ei n f o r m a t i o ns o c i e t yi sn o wc h a n g i n gm a n ya s p e c t so fo u rl i f c i nt h i ss o c i e t y , t h e d e m a n da n dd e p e n d e n c eo nt h ei n f o r m a t i o na r ct h em a i nc h a r a c t e r s w i t ht h ec o m i n go f t h ei n t e r n e tl t a al o to fn l w 叮i n f o r m a t i o ns c - v i c cw i l lb ci nu s ea n dt h en c c df o rt h e b a n d w i d t hw i l lb e c o m em o r ea n dm o r e a tt h es a m et i m ew i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g yo fo p t i c a ln e t w o r k s ，t h er e q u e s tf o rq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) i sm o r ea n dm o r e u r g e n t i no p t i c a ln e t w o r k si np a r t i c u l a ra n di nn c t w o r k sw i t hg u a r a n t c c dq u a l i t yo fs c r v i c c i ng e n e r a l ，r e s o u r c em a n a g e m e n ti sa ni m p o r t a n ti s s u e r e s o u r c e sm u s tb cr e s e r v e df o re v e r y c 强t a b l i s h c dc o n n e c t i o n ，a n dab a dr e s o u r c em a n a g e m e n ts t r a t e g ym a yl e a dt or e d u c e du t i l i z a - t i o na n dt h r o u g h p u to ft h en e t w o r k h o w e v e r ，o p t i c a ln c t w o r kb a s e do no p t i c a lw a v e l e n g t h h a si t si n t r i n s i cd c f c c t s t h e s ec a u s et h em i s m a t c hb e t w e e nt h en c c da n dt h et r a d i t i o n a l b a c k b o n en e t w o r ki nw h i c ht h es o n e t s d ht e c h n o l o g yi sd o m i n a n t i ti su r g e n to ft h e s e r v i c ep r o v i d e rt of i n da n o t h e rt e c h n o l o g yt h a th a sm o r ep e r f o r m a n c e t o - p r i c et h a nc v g rt o o v e r c o m et h i sm i s m a t c h t h ew 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 ) t e c h n o l o g yi sn o w c o m i n go nt h es t a g et os a t i s f yt h eu r g e n tn c c z i b e c a u s et h cw d mt e c h n o l o g yc a nf u l l y u t i l i z et h ee n o r m o u sb a n d w i d t ho ft h eo p t i c a lf i b e r ，t h ec o s tf o rt r a n s f c r i n gd a t ac a nb c g r e a t l yd e c r e a s e d t h i se n a b l c 搭w d mt e c h n o l o g yt ob ct h em o s ta t t r a c t a b l et e c h n o l o g yi n w i d eb a c k b o n en e t w o r k i ti sp r e d i c t c mt h a ti nt h en e a rf u t u r e ，t h ew d mt e c h n o l o g yw i l l b cw i d e l yu s e di no t h e rn e t w o r k s f i r s t l y , t h en u m b e ro fw a v e l e n g t h st h a tc a nb cm u l t i p l c x c di nt h es a m ef i b e ri sl i m i t e d ， w h i c hl e a d st oaf e wn u m b e r so fc h a n n e l si d e n t i f i e db yw a v e l e n g t he s t a b l i s h e di nw a v e l e n g t h - r o u t c dn e t w o r k s e c o n d l y , o p t i c a ln o d e su s u a l l yd on o tp o s s c 强st h ea b i l i t yo fw a v e l e n g t h c o n v e r s i o nf o rt h er e s t r i c t i o no fc o s ta n dt e c h n o l o g y o p t i c a ln e t w o r kb r i n g so u ts o - c a l l e d w a v e l e n g t hc o n t i n u i t yc o n s t r a i n tb e c a u s ec o n n e c t i o nm u s tb ce s t a b l i s h e do nt h ep a t ht h a tb c c a r r i e db yt h es a m ew a v e l e n g t hb e t w e e ns o u r c ea n dd e s t i n a t i o nn o d e s i nw d mn e t w o r k s ， w a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni sak e yt e c h n o l o g y , b u ti t i sa l w a y st h ef o c u so ft h ec o n t e n t i o n a l t h o u g hw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nc a ni m p r o v et h ep c r f o r m a n c co fw d mn e t w o r k s ，s i m p l i f y t h ec o n t r o l ，a n ds oo n ，i ti sd i f f i c u l tt om a n u f a c t u r et h ei d e a la l l o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v l t c r d u ct ot h el i m i to ft h et e c h n o l o g y a n dm o r et h et e c h n o l o g yi sn o wi nt h el a b o r a t o r y , w h e n i t i so nc o m m e r c i a lu s e ，t h ep r i c ew i l lb cv e r ye x p e n s i v e s oi t i sn e c e s s a r yt oc o n s t r u c t c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n dm a n a g er e s o u r c e se f f i c i e n t l y i na l l - o p t i c a ln e t w o r k s ，t h en u m b c ro fc h a n n e l s ( w a v e l e n g t h s ) i sas c a r c er e s o u r c e t o m a k ea se f f i c i e n tu s ea sp o s s i b l eo ft h eo p t i c a lb a n d w i d t h ，i ti sn e c e s s a r yt oc o n t r o lt w o p a r a m e t e r s ：t h em t m b c r o fp a t h st h a tu s et h es a m el i n ka n dt h es u mo fr e q u i r e dw a v e l e n g t h s i nt h i st h e s i s ，o u rg o a li st oc 撼t a b l i s hag i v e ns e to fc o n n e c t i o nr e q u e s t sw i t ham i n i m u m 1 1 1 n u m b e ro fw a v e l e n g t h s i ng r a p h - t h e o r e t i ct e r m s ，t h ew a v e l e n g t ha s s i g n m e n tp r o b l e mc a n b cv i e w e da sa s s i g n i n gc o l o r st op a t h ss ot h a tp a t h ss h a r i n ga l le d g er e c e i v ed i f f e r e n tc o l o r s an e t w o r kt o p o l o g ys t r u c t u r ec a nb ci n d i c a t e db yag r a p h w cc a ns t u d yt h es t r u c t u r e o fn e t w o r kb ys t u d y i n gt h ec h a r a c t e ro ft h eg r a p h t h et h e o r yo fs t u d y i n gt h ec h a r a c t c r o fg r a p h si st h eg r a p ht h e o r ya n dt h ec o l o r i n go fg r a p h si so n co ft h ei m p o r t a n tc o n t e n t s g e n e r a l l y , t h ec o l o r i n go fg r a p hi sd i v i d e di n t ov c w t c x - c o l o r i n ga n de d g e - c o l o r i n g e d g 伊 c o l o r i n gi sd i v i d e di n t op r o p e re d g e - c o l o r i n ga n d | 一c o l o r i n g t h ec o l o r i n g so fg r a p h sh a v e a p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d s s u c ha sw a v e l e n g t ha s s i g n m e n ti na o n r e g u l a rt o p o l o g i e sa r c g o o dc a n d i d a t e sa sl o g i c a lt o p o l o g i e ss i n c et h e ya r cw e l lu n d e r s t o o da n dr e s u l t sr e g a r d i n g b o u n d sa n da v e r a g e s ( c g ，f o rh o pl e n g t h s ) a l ee a s i 汀t od e r i v e a l g o r i t h m sf o rr o u t i n g t r a f f i co nar e g u l a rt o p o l o g ya r eu s u a n ys i m p l e a l s o ，r e g u l a rt o p o l o g i e sp o s s e s si n h c ”r c n t l o a db a l a n c i n gc h a r a c t e r i s t i c sw h i c ha r ci m p o r t a n tw h e nt h eo b j e c t i v ei st om i n i m i z et h e m a x i m u mc o n g e s t i o n s ow eo n l yc o n s i d e rr e g u l a rt o p o l o g i 搭 w cm a i n l ys t u d yw a v e l e n g t ha s s i g n m e n tp r o b l e m si ns t a t i ca l l o p t i c a ln e t w o r k si nt h i s t h e s i s ，a n do b t a i ns o m ci n t e r e s t i n gr e s u l t s t h et h e s i si sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s w ci l l u m i n a t et h eb a c k g r o u n do fo u rr e s e a r c ha n dp r o p o s et h ep r o b l e m s ，t h ew o r kw e d oa n dt h es t r u c t u r eo ft h et h e s i si nt h ef i r s tc h a p t e r s o m ep r e l i m i n a r i e si ng r a p h sa r c g i v c ni nt h es e c o n dc h a p t e r i nt h et h i r dc h a p t e rw em a i n l ys t u d yt h el o g i c a lt o p o l o g i e s f o rw a v e l e n g t h r o u t c x io p t i c a ln e t w o r k s r w ai nw a v e l e n g t h - r o u t e da l lo p t i c a ln e t w o r k sa r c s t u d i e di nt h ef o u r t hc h a p t e r t h ef i f t hc h a p t e rm a i n l yp r e s e n t su n s o l v e dp r o b l e m sf o rf u t u r e r e s e a r c h k e y m c n t ， w o r d s ：a l l o p t i c a ln e t w o r k ，d c s i g no fl o g i c a lt o p o l o g i e s ，g r a p h ，w a v e l e n g t ha s s i g n - w d m 1 v 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“”) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士e l 论文全光网中 的拓扑设计与波长分配问题研究，是本人在导师指导下，在曲阜师 ， 范大学攻读博士口硕士。学位期间独立进行研究工作所取得的成 果。论文中除注明部分外不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对 本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中已明确的方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：沟酱健日期：苦、 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ， ( 在口划“ ) 全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究系本人在曲阜师范大学 ， 攻读博士口硕士酵季位期间，在导师指导下完成的博士口硕士 学位论文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内 容不得以其他单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保 存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复 印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学， 可以采用影印或其他复制手段保存论文，可以公开发表论文的全部或 部分内容。， 作者签名：；焉艺佳日期：嘲了争占 导师签名：汤物谚l 日期：五种o c 全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究 1 1 背景和问题的提出 第一章引言 随着i n t c x n c t 的飞速发展，对于通信的需求呈现出加速增长的趋势，i n t c r n c t 以越 来越高的速度向全世界各地扩展，越来越多的用户接入、使用i n t c 习r n c t ，越来越多的因 特网应用开始出现，全球的因特网呈现全方位爆炸增长趋势，网络服务提供者和用户都 对其提出更多的要求：用户要求一个更高速和更全面的因特网服务；网络服务提供者则 要求网络运行得更有效和更经济在众多的传输媒介( 如同轴电缆、双绞线、光纤、射 频、卫星、和微波等) 中，光纤是唯一拥有足够带宽以满足快速增长的骨干网容量需求 的媒介光纤具有巨大带宽和优异的传输性能，越来越受到巨大关注 目前，可商用化的电子设备速率最高可达几十个g b i t s 而光通道带宽可达几十个 t b i t s ，由于光纤具有巨大的潜在带宽同时还具有成本低、信号失真和衰减低( 可达 0 2 d b k m ) 、功率要求低以及空间要求低等优点【u ，因此，目前在骨干网中大多使用 光纤链路来传输数据但是，由干传统的s d h s o n e t ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i c r a r - c h y s y n c h r o n o u so p t i c a ln c t w o r k ) 技术只能以特定的传输速率( 如2 5 g b i t s ) 在光纤 中的单个波长信道上传输数据，此时要增加传输带宽只能单纯依靠提高单波长的传输 速率来实现由于受限于传输媒质的色散和极化模色散以及所开发系统的性能价格比的 影响，使提高单路波长的传输速率达到极限，目前认为4 0 g b i t s 为单路波长的最高实 用化速率可见，采用电的时分复用( t i m cd i v i s i o nm u l t i p l c x i n g ：t d m ) 1 1 】来提高传 输容量的做法已经逐渐接近极限，没有太多潜力可挖因而唯一现实的出路是转向光的 波分复用( w a v c l c n g t hd i v i s i o nm u l t i p l c x i n g ：w d m ) 方式光纤波分复用技术1 2 1 w d m 是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术其基本原理是在发送端将不同波 长的光信号组合起来( 复用) ，并耦合到光缆线路的同一根光纤中进行传输，在接收端 又将组合波长的光信号分开( 解复用) ，并作进一步处理，恢复出原信号后送人不同的 终端就发展而言，如果某一个区域内所有的光纤传输链路都升级为w d m 传输，就可 以在这些w d m 链路的交叉处设置以波长为单位对光信号进行交叉连接的光交叉连接 设备( o p t i c a lc r o s sc o n n c c t i o n - o x c ) ，或进行光上下路的光分插复用器( o p t i c a l a d d - d r o pm u l t i p i c x c r o a d m ) ，则在原来由光纤链路组成的物理层上面就会形成一个 新的光层在这个光层中，相邻光纤链路中的波长通道可以连接起来，形成一个跨越多 个0 x c 和0 a d m 的光通路，完成端到端的信息传送并且这种光通路可以根据需要灵 活动态地建立和释放，这个光层就是目前引人注目的新一代w d m 全光网络 1 全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究 1 1 1 光纤波分复用技术 采用w d m 技术可以将每根光纤的巨大带宽分成许多互不重叠的波长信道，每个信 道都可以并行、异步和高速地按当前电子处理数据的极限速率来传输数据，从而可以充 分利用光纤的巨大带宽，提供丰富而且廉价的带宽资源【3 4 】波长分配和路由选择的波分 复用w d m 光传送网被认为是下一代高速广域骨干网的最有竞争力的候选者近年来， 能实现全光传输和交换的全光网已成为研究的热点问题之一在目前的通信网络中，光 信号在中间节点信号被转变成电信号形式，然后再被转换成光信号形式继续在光纤上传 输这种光一电一光的转换限制了连接的速度在下一代全光网中光信号除了在源和汇 节点处需要光电转换外，中间节点不再转换回电信号形式而是以光信号传输，无需光电 转换这种网络可以保证比较高的传输速度，同时可以减少电光光电转换的开支，使 得大容量光纤的使用更高效 在应用了带宽复用技术的光网络中，波长路由光网络通常被看作是具有更大实用价 值的光网络波长路由光网络是由波长路由节点和一系列点到点的光纤连接组成的波 长路由光网络的节点具有依据信号的波长信息来决定路由的功能，它能够按照网络中的 端到端的逻辑连接来选择输出，而不是将信息发往所有的输出端，因此大大节省了网络 的终端设备，并且可以在空间上重新利用波长 波长路由光网络可以在光层上向用户提供端到端的连接，这种连接被称为光通道， 每一个用户通过一个光通道与另外的用户实现全光相连在此全光网中利用波分多路复 用技术，一条光纤可以同时传输几种信号，每个信号使用不同的波长因此一个典型的 问题就是为每一个所建立的光通道选路和分配波长也就是说对每一对通信请求，在网 络中找到一条路并为它指定一个波长使得共享同一条链路的两条路使用不同的波长在 w d m 光传送网中给定一组连接请求，需要为之建立路由并在这些路由上分配波长，这 就称为选路和波长分配( r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m c n t ) ，简称r w a r w a 与 光网络类型、业务类型、网络生存性策略息息相关 ， r w a l 3 4 】由于光网络类型的不同而分为三种如果w d m 波长路由光网络节点没有 波长变换能力，这样的网络称为无波长变换网络，在无波长变换w d m 网络中，选路和 波长分配需要满足波长连续性的要求；如果w d m 光网络的每个节点都具有波长变换能 力，并且每个节点的波长变换数目可以满足任意波长变换的要求，则这样的网络称为具 有完全波长变换能力的网络，具有完全波长变换能力的网络，等同于目前电路交换的电 话网，r w a 问题得到简化，仅仅需要考虑路由子问题；如果网络中仅仅是某些节点具有 2 全光阿中的拓扑设计与波长分配问题研究 波长变换能力，或者具有波长变换能力的节点的波长变换数目有限，这样就不能满足任 意波长变换的要求，这样的网络可以称为稀疏波长变换网络对于稀疏波长变换网络， 选路和波长分配问题具有一定的特殊性在全光网中中间节点不再进行光电转换，这就 改变了通信网络的数学属性，因为信号从源点传输到目的点间的整条路上波长都是相同 的，这可以称为波长一致性或波长连续性限制，因此本论文仅考虑无波长变换网络 根据波分多路复用光阿络承载的业务类型角度，可以分为静态业务网络和动态业务网 络静态业务网络类似于永久式虚电路p v c ( p c r m a n c n tv i r t u a lc i r c u i t ) ，两个节点间的 路由及分配的波长都是固定的动态业务网络则像半永久式虚电路s p v c ( s c m i - p v c ) 或交换式虚电路s v c ( s w i t c hv i r t u a lc i r c u i t ) ，适合于承载突发业务的网络中，两点间 的路由和波长需要动态的选择和分配关于静态的波长路由光网络，它的主要问题是如 何优化其波长配置，降低网络所使用的波长数目而对于动态的波长路由光网络，它的 主要问题是如何优化其路由的选择和波长分配的策略，降低网络的阻塞率本文主要考 虑静态业务的波长路由光网络网络它通过在空间上实现了波长可重用，降低了网络建 造成本它在透明传输、灵活配置、网络管理等方面也具有优势 为满足业务增长对带宽的需求，光网络的发展需要其物理底层关键技术的支持以获 得更丰富、更低成本的网络带宽资源光网络资源的丰富与否决定通过r w a 实现光路 连接的难易程度现有的光网络虽然已经取得了巨大的进步，但由于各种物理的、技术 的限制因素，使得光网络还不能够提供所有所需要的连接率，所需要的波长数目与网络 规模和网络节点之间的函数关系，就成为一个重要的必须的研究课题，因为了得到的光 纤的带宽不是无限的，而且现有光技术也大大限制了可得到的波长的分割程度由于光 网络存在这些限制条件，为了优化网络性能就必须使用路由与波长分配( r w a ) r w a 是一个n p - c 问题【渊，计算比较复杂特别是规模比较大的网络，求解就更 加困难根据解决问题的模型的不同，r w a 算法通常可以分为两类；分解算法和并行 算法分解算法是把r 、v a 分解为路由选择和波长分配两个子问题，实际上分解后的两 个问题仍然是n p c 问题，但分解算法可以降低整个问题的复杂度并行算法则是同时 解决两个不同的子问题目前，大规模的全光阿络还不易实现，解决中小规模的光网络 r w a 工程问题具有实际意义本文中采用分解策略解决其中一个子问题波长分配问 题 1 , 2全光网络概述 光网络就是在光域内对信息进行处理的网络i t u t 在g 8 7 2 建议中定义光传送网 为一组可为客户层信号提供主要在光域上进行传送、复用、选路、监控和生存性处理的 功能实体，它能够支持各种上层技术，是适应公用通信网络演进的理想基础传输网络 目前光网络对信息的处理基本上还只是局限于传送和复用层面，而光域的选路、监控和 生存性处理却在一定程度上受到各种条件的限制现有的通信网络由光传输系统和电子 3 全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究 节点组成，光技术用于两个电子节点间的点对点传输因此，目前所说的光网络1 7 1 是由 高性能的光电转换设备连接众多的全光子网的集合，是i t u t 有关光传送网概念的通俗 说法 1 1 2 光网络结构 所谓全光网，就是网络中包括终端用户节点在内的所有信号通道保持着光的形式， 即任何端到端的完全光路，中间没有电转换的介入数据从源节点到目的节点的传输过 程都在光域内进行，而在其途径的网络节点则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉 连接设备( o x c ) 进行交换在全光网络中，由于没有光电转换的障碍，所以允许存在 各种不同的网络协议和编码形式，信息传输具有透明性，且无需面对电子器件处理信息 速率难以提高的困难 光网络的管理是决定全光网络实用性的关键因素，主要包括以下三个方面的内容： 结构管理：波长路由和波长转换，即在光波长层次上提供和重构网络；物理性质管理： 包括光功率、噪声、色散和波长对准等的管理，目的是维持连接的性能；差错管理：包括 局部或全部的保护倒换如对光纤的折断和节点的损坏作出反应；和现有的光电混合网 相比，全光网络的管理具有一定的特殊要求，主要包括两个方面：网络的光域状态，如 光交叉连接( o x c ) i s , 9 、光分插复用( o a d m ) ，光放大器、可调波长的光源和接收 器；另外，光网络的网管必须不依赖于传输信息所用的协议，即它需要自己独立的管理 信息结构和开销方案 基于波分复用技术的全光通信网，能比传统的电信网提供更为巨大的通信容量，可 使通信网具备更强的可管理性、灵活性、透明性而且全光网具备以往通信网和现行光通 信系统所不具备的优点：( 1 ) 超大容量传输；( 2 ) 节约光纤资源；( 3 ) 各通路透明传输、 平滑升级扩容；( 4 ) 充分利用成熟的t d m 技术；( 5 ) 利用掺饵光纤放大器( e d f a ) 实 现超长距离传输；( 6 ) 对光纤的色散无过高要求 在大规模地使用w d m 进行组网时，特别是通道调度时，可能需要把某一波长变换 为另一波长，或者需要整个波段的变换全光波长转换模块可在接入端对来自路由器或 4 全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究 其他设备的光信号进行波长转换，将非匹配波长上的光信号转换到符合i t u 规定的标准 波长上波长转换器用于波长交换节点时，可对光通路进行交换和执行波长重用功能， 因此它在波长路由全光网中有着非常巨大的作用宽带透明性和快速响应是波长转换器 的基本要求在全光波长交换的多种技术中( 包括交叉增益调制、交叉相位调制、四波混 频、非线性光学环境) ，最有前途的全光波长转换器是在半导体光放大器( s c m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ：s o a ) 【4 ，7 1 中基于四波混频原理集成的波长转换器，具有高速率、宽带 宽和良好的光域透明性等优点，目前被公认为是实现高速、大容量光网络中波长转换的 理想方案 w d m 全光网络的关键技术已日趋成熟，吉比特级系统得到广泛应用，太比特级系 统的商用也正在计划中目前，为了满足系统传输容量的持续增长，w d m 技术呈现出 增加复用波长数的发展趋势8 、1 6 、3 2 个波长的w d m 系统已经大范围使用，1 0 0 个波长的系统也走向商用实验室里早已完成了1 0 2 2 个波长的复用试验应用波长范围 受限时，要增加复用波长数，就必须缩小通路间隔目前的d w d m 实验中，通路间隔已 达到了2 5 g h z 全光网络拓扑的设计问题是很重要的课题网络拓扑是指用传输媒体互连各种设备 的物理布局，特别是计算机分布的位置以及电缆如何通过它们设计这个结构的过程和 方法称为网络拓扑结构设计计算机网络拓扑设计 1 0 1 1 l 在计算机网络设计中占有重要 的地位，网络拓扑结构设计的合理与否将直接影响到整个网络性能的实施，光网络中的 拓扑设计是一个很复杂的问题，而线图作为一个很有用的构图方法和分析工具，特别是 它在关于图的点和边命题之间起了桥梁作用，利用此工具提出了一些方法来研究网络拓 扑设计，解决了一些问题 1 3波长分配问题 路由选择及波长分配r w a 问题是w d m 光传送网中的一个重要问题在研究r w a 问题的文献中，通常将网络支持的业务分为两类：( 1 ) 静态业务：给定一组连接建立请 求，需要为这些请求寻找路由并在其路由上分配波长，以使某些性能指标达到最优( 如 全网吞吐量最大，所需波长数或光纤数最少等等) ；( 2 ) 动态业务：光路请求随机到达和 离开网络，相应的性能指标通常是光路请求的阻塞率w d m 网络中，路由与波长分配 算法的研究已经进行了许多年从最先研究的静态波长路由与分配算法到动态路由与波 长分配算法，以及最近的约束路由与波长分配算法，都是为了满足特定的网络需求而进 行的 静态路由与波长分配算法主要是为了解决网络的规划设计问题，当网络中各节点之 间的业务需求都已知的情况下，需要对网络的资源进行优化配置来满足这些业务的需 求通常节点之间的业务需求可以用业务需求矩阵来明确表示，网络资源优化的目标不 尽相同，比如。当网络节点之间的业务量确定时，每条光纤上需要多少波长才能满足这 5 全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究 些业务量，或是光纤上的波长数目己确定，需要多少条光纤才能满足需求一般来说， 当网络的规模不是很大时，可以用整数线性规划( i n t c g c rl i n c a rp r o g r a m i n g ：i l p ) 【1 2 】 的方法来进行而当网络的规模较大时，整数线性规划的方法就不能使用，需要一定的 启发式( h c t t r i s t i c ) 算法来进行路由的选择和波长分配通常路由的选择和波长的分配 是拆成两个独立的子问题来解决 图的着色法1 1 s , 1 4 1 这是一种支持静态业务的波长分配算法，优化目标是使得网络波 长需求最小首先把网络的拓扑图映射成着色辅助图，即光通道为辅助图的顶点，被多 个光通道共享的链路段为辅助图的无向弧然后按一定顺序给各个节点着色，使得相邻 顶点颜色不同这样，就把波长分配问题转化成通道着色问题辅助图中的颜色总数就 是网络的波长需求 以上主要考虑的是静态网络的波长分配算法，随着网络节点之间业务量不断发生变 化，动态路由与波长分配算法的设计被提到日程上来业务量的变化可以是分为两种： 业务需求递增型和业务需求动态型业务需求递增型是指节点之间的业务需求一直成增 长趋势，己建立的业务一直存在，这种情况相当于网络的扩容业务需求动态型是指节 点之间的业务需求是呈动态的，即光路既可以被建立也可以被拆除，这种相当于传统的 电路交换网络中呼叫的建立和拆除这两种业务量需求的满足都需要动态的路由与波长 分配算法在现在的网络业务量变化较大的情况下，动态路由与波长分配算法是需要仔 细研究的假定网络中已建立了一组光路( 己分配了波长) 当新的光路建立请求到达 时，动态波长分配算法的任务就是要沿预定的路由为它分配波长，同时要求在不对已有 光路产生任何影响的条件下使阻塞概率最小由于波长分配问题是一个n p c 问题，所 以需采用启发式算法动态路由与波长分配算法的解决方案可以有两类：一类是把路由 的寻找和波长的选择分开考虑另一类是综合考虑路由的寻找和波长的选择问题动态 波长分配算法都是启发式算法动态波长分配的目标不是将波一长需求最小化，而是假 定波长总数不变，使得建立的连接最多和对流量的阻塞概率最小在对动态波长分配问 题的研究中，出现了一系列的波长分配算法在不考虑网络状态的情况下，典型的有随 机r ( r a n d ) 算法 x l a 2 】、首次适配f f ( f i r s t f i t ) 算法随着研究的深入，研究 人员发现在分配波长时考虑网络的状态可以大大提高算法的性能，这类算法典型的有最 近最常使用( m o s tu s c d ) 算法、最近最少使用l u ( l c a s tu s c d ) 算法、全局最大总和 ( m a xs u m ) 算法和最小承载l l ( l c a s tl o a d c d ) 算法等，并且从最大化相对空闲波 长数的角度又提出了一些新的算法，如相对容量损失r c l ( r c l a t i v cc a p a c i t yl o s s ) 算 法、相对最小影响r l i ( r e l a t i v el e a s ti n f l u e n c e ) 算法、相对容量影响r c i ( r c l a t i v c c a p a c i t yi n f l u e n c e ) 算法、最小影响l i ( l e a s ti n f l l m n c e ) 算法、承载均衡l e ( l o a d e q u a l i z a t i o n ) 算法等此外，还从支持多优先级的角度提出了如基于r c l 算法的动态 门限法、公平分配限额波长分配算法等算法 接下来介绍一下具体的动态的波长分配算法随机波长分配算法：从空闲波长集中随 机挑选一条分配给光路，不考虑光路的长度( 经过的链路数) ，但是由于波长连续限制， 6 全光网中的拓扑设计与波长分配问题研究 该方法使得长光路较短光路更易被阻塞首次命中算法则是先对波长集排序，然后依次 检查波长集，并将找到的第一个空闲波长分配给光路其核心思想是，尽量用编号小的波 长支持已有连接，使得新的光路请求到达时能较容易地找到空闲波长理论分析和仿真 结果表明，固定路由下f f 算法在阻塞率性能上优于随机分配算法当网络负载较轻时， 网络阻塞主要是波长阻塞，这两种算法性能之间的差距非常大长路优先算法：按光路长 度递减的顺序，反复尝试将已有波长分配给所有可能的边( 物理链路) 不相邻的光路，当 且仅当无法用已有波长建立光路时才增加新的波长通过照顾长光