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北京邮电大学硕士学位论文 摘要 光网络的路由问题研究 摘要 随着通信技术的发展，光网络逐渐形成，而近几年来数据业务迅 速膨胀，使得骨干通信网的通信容量迫切需要扩大。光网络在此需求 的基础上迅速发展起来，从过去的点一点链路通信逐渐发展成为环网 或者网状网络，新业务需求的发展迫切要求光网络相应的技术随之发 展，受电的时分复用技术的启发，光的波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术迅速发展起来。w d m 的发展以及各种光 通信技术的成熟，使得光网络的进一步发展成为可能，2 0 0 1 年，i t u t 提出了自动交换光网络( a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ， a s o n ) 的体系结构，开辟了一个光网络研究的新时代。 自动交换光网络的发展要求有相应的技术与之适应，a s o n 控制 平面的引入对光网络的发展提出了新的要求，控制平面的主要功能是 实现快速的端到端光通路的建立和恢复，其主要途径就是使用路由技 术和信令协议。由此可见，光网络的路由问题成为下一代光网络的研 究重点。本人所在的课题组一直致力于光网络路由问题的研究，在国 家自然科学基金项目“下一代光网络业务和资源管理体系的研究”中， 主要针对光网络的路由问题进行研究。 本论文主要针对硕士期间的研究成果展开论述，在论文的第一章 对光网络当前的现状进行调研，提出了光网络的路由问题的研究需 求；第二章主要研究当前光网络的路由协议问题，引出了对当前路由 协议改进的迫切性和必然性；第三章针对当前光网络新业务的需要， 分别对适合网络内各种业务的路由和波长分配算法进行研究，重点研 究了适合处理光虚拟专用网业务的确知业务的基于时空组合优化的 路由算法；第四章针对当前光网络的发展形式，以及当前多粒度光网 络发展的需求，对多粒度网络的结构进行了分析，同时研究了适合于 多粒度网络的联合路由算法，重点对多粒度网络中的波带分配算法进 行研究；第五章是本文众多算法分析的依托部分，重点介绍了仿真软 件的实现问题，包括本小组具有自主研发的r w a 仿真软件和多粒度 网络性能研究的仿真软件平台。 关键词：自动交换光网络波分复用路由和资源分配路由协议 多粒度网络联合路由 北京邮电大掌硕士学位论文摘要 t h er e s e a r c ho fr o u t i n g p r o b l e mi no p t i c a ln e t w o r k a b s i r a c 。i w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , o p t i c a l n e t w o r kc o m e si n t ob e i n g t h eq u i c ke x p l o s i v eg r o w t ho fd a t at r a f f i c m a k e si tu r g e n tt oe x p a n dt h ec o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yo fb r o a d b a n d t r u n kn e t w o r k o nt h a tb o u n do p t i c a ln e t w o r kg r o w sf a s t ，a n d d e v e l o p sf r o mt h ep o i n t p o i n tc o m m u n i c a t i o nl i n kt or i n gn e t w o r k o rm e s hn e t w o r k n e wt r a f f i cd e m a n d sc a l lf o rc o r r e s p o n d i n gn e w o p t i c a ln e t w o r kt e c h n o l o g y o nt h ei l l u m i n a t i o no fe l e c t r i c a lt i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，o p t i c a lw a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c h n o l o g yd e v e l o p sq u i c k l y t h ed e v e l o p m e n to fw d m a n d t h em a t u r i t yo fa l l o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ym a k ei t p o s s i b l ep r o g r e s so p t i c a ln e t w o r kf u r t h e r i n2 0 0 1 ，i t u th a sp u t f o r w a r dt h ea r c h i t e c t u r eo fa u t o m a t i c a l l ys w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ( a s o ，t h i sg i v e san e wa g eo fo p t i c a ln e t w o r kr e s e a r c h n e wt e c h n o l o g yh a sb e e nr e q u i r e db yt h ed e v e l o p m e n to fa s o n ， a n dt h ei n t r o d u c t i o no fc o n t r o lp l a n et oa s o nb r i n g sn e wd e m a n d s t h em a i nf u n c t i o no fc o n t r o lp l a n ei st ob u i l dq u i c ke n d e n dc o n n e c t s o rr e s u m ec o n n e c t s i no r d e rt or e a l i z et h a tf u n c t i o nw en e e dt ou s e r o u t i n gt e c h n o l o g ya n ds i g n a lp r o t o c 0 1 f r o mt h i s ，w ec a nf o r e s e et h e r o u t i n gp r o b l e m i n o p t i c a l n e t w o r kw i l lb e c o m et h er e s e a r c h k e y s t o n eo fn e x tg e n e r a t i o no p t i c a ln e t w o r k o u rr e s e a r c hg r o u ph a s b e e nw o r k i n go nt h er o u t i n gp r o b l e mo fo p t i c a ln e t w o r ki nt h ep a s t t w oy e a r s i nt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t “t h e r e s e a r c hi nm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r eo fn e x tg e n e r a t i o n o p t i c a l n e t w o r kt r a f f i ca n dr e s o u r c e s ，a i ma tt h er e s e a r c ho fo p t i c a lr o u t i n g p r o b l e m t h i sp a p e rd i s c u s s e st h er e s e a r c hc o n t r i b u t i o n si nd e t a i l i nt h e f i r s tc h a p t e rw ep o i n to u tt h er e s e a r c hd e m a n d so fo p t i c a ln e t w o r k r o u t i n gp r o b l e mb a s e do nt h es t u d yo ft h ec u r r e n to p t i c a ln e t w o r k ； t h es e c o n dc h a p t e rw i l ld e a lw i t ht h er o u t i n gp r o t o c o l ，a n dg i v ea s u g g e s t i o n o f p r o t o c o la r c h i t e c t u r e ；t h e t h i r d c h a p t e rs t u d y 北京邮电大掌硕士学位论文摘要 s e p a r a t e l yt ot h er 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 ta c c o r d i n gt ot h e n e e do fn e wt r a f f i c ，a n dl a ys t r e s so nt h e r o u t i n ga s s i g n m e n t a l g o r i t h mo fs c h e d u l e do p t i c a lc h a n n e lf i t t ot h eo v p n b a s e do n t i m e s p a c ec o m b i n e do p t i m i z a t i o n ；t h ef o u r t hc h a p t e ra n a l y z e st h e s t r u c t u r eo fm u l t i g r a n u l a r i t ya c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so fo p t i c a l n e t w o r k , a tt h es a m et i m es t u d yt h ej o i n tr o u t i n ga l g o r i t h mi nt h e m u l t i g r a n u l a r i t yn e t w o r k t h em a i ns u b j e c ti st h eb a n da s s i g n m e n t a l g o r i t h m ；t h ef i f t hc h a p t e ri st h es u p p o r tp a r to ft h ea n a l y s i st ot h e a l g o r i t h m i nt h i sc h a p t e rw eg i v ea ni n t r o d u c t i o nt ot h ed e s i g no f s i m u l a t i o n s o f t w a r e ，i n c l u d et h er w aa n dm u l t i g r a n u l a r i t yn e t w o r k p e r f o r m a n c er e s e a r c hs i m u l a t i o ns o f t w a r ed e v e l o p e db yo u rg r o u p k e yw o r d s ：a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e d0 w a v e l e n g t h d i v i s i o n a s s i g n m e n t ，r o u t i n g r o u t e m u l t i p l e x i n g ，r o u t i n g p r o t o c o l ，m u l t i g r a n u l a r i t y p t i c a ln e t w o r k , a n d r e s o u r s e s n e t w o r k , j o i n t 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 本人签名 处，本人承担一切相关责任。 日期：逆。31 l 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土年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学 本人签名： 导师签名： ，适用本授权书。 日期：逆：圣：! 互 日期：趔二i ：“： j 匕京邮电大掌硕士掌位论文 第一章绪论 1 1 光网络的形成 第一章绪论 利用光进行通信，可以追溯到古代的烽火台通信、灯语、信号灯、旗语、望 远镜等目视光通信。但是这一切还是最原始的光通信，不能算作是真正的光通信。 过去近1 0 0 多年中，人们仍然没有对光通信失去兴致，光通信的出现比无线电通 信还早，早在1 8 8 0 年贝尔就成功的进行了光电话的实验，这被认为是近代光通 信的开始。1 9 5 5 年在英国伦敦英国学院工作的卡帕尼博士，发明了用极细的玻 璃制做的光导纤维。但因为这种光纤的损耗极大，使人们对利用光纤进行通信几 乎失去了信心。1 9 6 6 年7 月，英藉华人高锟( k c k a o ) 博士就光纤传输的前景 发表了具有重大历史意义的论文，指出了降低光纤损耗的方法，这篇论文使许多 国家的科学家受到鼓舞，加强了为实现低损耗光纤而努力的信心。随后在1 9 7 0 年激光器和低损耗光纤这两项关键技术取得了重大突破，使光纤通信开始从理想 变成可能。技术的突破促使各国电信科技人员竟相进行研究和实验，很快在1 9 7 7 年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速率为4 5 m b s 。进 入实用阶段以后，光纤通信的应用发展极为迅速，应用的光纤通信系统已经多次 更新换代。7 0 年代的光纤通信系统主要是用多模光纤，应用光纤的短波长( 8 5 0 纳米) 波段，( 1 纳米= 1 0 0 0 兆分之一米，即米) 。8 0 年代以后逐渐改用长波长( 1 3 1 0 纳米) ，光纤逐渐采用单模光纤，到9 0 年代初，通信容量扩大了5 0 倍，达到2 5 g b s 。进入9 0 年代以后，传输波长又从1 3 1 0 纳米转向更长的1 5 5 0 纳米波长，并 且开始使用光纤放大器、波分复用( w d m ) 技术等新技术，使通信容量和中继 距离继续成倍增长。自此光通信广泛地应用于市内电话中继和长途通信干线，成 为通信线路的骨干。 光通信最初的发展主要集中在传输容量的逐年增长上。随着制作光器件与光 源技术的改进，使光纤系统的通信容量大大增加。2 0 世纪8 0 年代光纤放大器的 发明，是光纤通信系统的一场革命，从而实现了波长透明、速率透明和调制方式 透明的光信号放大，从而诞生了极大提高光纤利用率的波分复用( w d m ) 光通 信系统。近几年来，随着各种新型光电子器件和技术的不断出现，q 6 5 2 光纤的 大量铺设和g 6 5 5 光纤的逐渐流行，新型光开关的不断推陈出新，以及新型光放 大器的使用，使得信号在光域上的传输和路由成为可能。尤其是借助于新型的光 开关，如m e m s 、光电集成和光的管理监控技术，光分插复用( o a d m ) 和光 交叉连接( o x c ) 都已经在实验室研制成功，并以投入商用。在这些技术进步 的过程中，光信号的传输方式不断改进，从最初的准同步数字体系p d h 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 ( p l e s i o c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 的传输体制逐渐发展成为具有标准光接口的 同步数字体系s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 到后来的光传送网o t n ( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 。所有这些技术的发展都使得在光层联网成为可能， 并可在光路上实现类似于s d h 在电路上的分插复用和交叉连接功能，从而形成 了光传送网。 1 2 光网络所面临的挑战 光网络形成以后，我们通常所说的光网络，是指包括所有的由以光信号为信 息载体和传输内容的光通信系统设备组成的通信网络。光网络从组网方式来看， 是沿着”链一环一多环一网状网”的方向发展的；从网络的传输速率而言，光传送 网络的传输速率已从4 5 m b i t s 增加到4 0 g b i t s ，不少实验室正在开发1 6 0 g b i t s 的系统；从其灵活特性上来看是按”静态一半动态一动态n 的方向发展的；从其应 用领域来看，光网络将沿着”干线网一本地网一城域网一接入网一用户驻地网” 的次序逐步渗透。由此可见光网络的作用范围在不断扩大，并逐渐向网络的边缘 扩展。 从以上光网络的发展特点来看，光网络一直沿着需求导向的方向发展，传输 大容量信号的需求使光网络的传输速率不断增加，在技术的局限难以突破单路波 长传输速率的上限时，受电的时分复用技术的启发，人们开始研究光波分复用 ( w d m ) 技术。波分复用( w d m ) 技术是一种光纤的传送技术，它在一定的 带宽上将输入的光信号调制到特定的频率上，然后将调制后的信号复用在一根光 纤上。复用后的信号经传送后到达链接的远端，再经过解复用分解出不同的波长， 然后有不同的检测器将各自的光信号转换成电信号，或者直接获取各自的波长信 号。通过采用w d m 技术，光传送网络的传输容量有了巨大提高，超高速大容量 系统的记录不断被刷新。目前北电等公司的1 6 t b i t s ( 两根光纤传1 6 0 x1 0 g b i t s ) w d m 系统已经成功商用，日本n e c 和法国阿尔卡特公司分别实现了总容量为 1 0 9 t b i t s ( 2 7 3 4 0 g b i t s ) 和总容量为1 0 2 t b i v s ( 2 5 6 x 4 0 g b i t s ) 的传输系统。 光网络的传输容量的不断发展使在传输速率的要求已基本满足通信的需要， 但要成为满足实际需要且能够不断扩展的网络，仅仅有传输容量是不够的。目前 实际的应用情况是尽管光网络中的话音业务继续保持稳定增长，但增长幅度已有 所减缓。同时随着数据业务的飞速膨胀，现有业务中i p 业务所占比重已变的越 来越大，数据流量已经超过了话音业务，但对于运营商而言，他们的收入仍主要 集中在话音业务上面，这些网络应用的一些现实情况决定了当前的光网络必须能 够整合p 技术、s d h 技术和w d m 技术的综合智能网络。 2 北京邮电大掌硕士学位论文 第一章绪论 m 技术是目前互联网中广泛使用的一种技术，它是在1 9 8 3 年在美国开始在 互联网上采用t c p i p 技术才逐渐广泛使用的。此后i p 技术不断的发展，以其协 议简单、配置灵活等优点得到广泛的应用。虽然后来曾经出现的功能强大的a t m 技术同i p 技术相比具有很大的优越性，但由于实现的复杂度等原因并没有冲击 到i p 技术的主流地位，d 技术的成功使未来的网络必须融合i p 技术。 s d h 技术最初的使用是为传递6 4k b p s 的话音业务而设计的，具有严格的同 步复用结构。它的最小复用速率为1 5 5m b p s ( s t m i o c 3 ) ，现在s d h 的传 输速率已经高达1 0g b p s ( s t m 6 4 o c 19 2 ) 甚至是4 0g b p s ( s t m 2 5 6 o c 7 6 8 ) 。 虽然s d h 的传输速率在不断提高，但这种为满足话音业务而设计的传输技术在 数据业务传输需求逐渐增大的条件下逐渐显得死板僵化，出现了局部带宽浪费和 应付突发数据业务的灵活带宽不足等速率传输效率低下的现象，因此需要新代 的光网络来解决此矛盾。 w d m 技术是在2 0 世纪8 0 年代末为了满足进一步增加光纤通信的容量需求 而提出的，w d m 技术的提出无疑极大的增加了光纤通信的传输速率。就目前的 w d m 系统而言，它仍然是由手工配置的，其网络组成结构比较僵化和固定。但 随着可重复配置的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 ) 以及o x c ( o p t i c a l c r o s sc o n n e c t o r ) 的使用，这种固定w d m 系统已向波长路由网络w i 矾 ( w a v e l e n g t hr o u t e dn e t w o r k ) 发生了转变。也即光网络已不在仅仅局限于传送 作用，它已具备了相当的网络交换及组网功能。同时现在光器件技术的进步也赋 予光网络以新的动力：光分插复用器o a d m 和光交叉连接器o x c 的引入推动 着当前光网络由环状网向网状网转变，这种变化类似于当年s d h 网络中分插复 用器a d m ( a d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 和数据交叉连接器d x c ( d a t ac r o s sc o n n e c t e r ) 推动s d h 网络由环状网向网状网转变。 从以上三种技术目前的现状来看，我们可以看出，运营商要满足当前数据 业务的需要必须结合i p 技术和光传输技术，因此可以预见未来的光网络应该既 能支持数据业务又能支持语音业务的综合化、智能化的光网络。 1 3 光网络的未来展望和研究需求 1 3 1 光网络的未来展望及智能光网络 从当前光网络所面临的挑战来看，在未来的光网络中，光层将部分承担起网 络交叉连接和恢复作用。同时虽然光网络层平面的引入将推动光网络的智能化发 展，但这一平面的引入同时也势必增加网络操作以及运营维护的复杂性。为协调 及简化这种复杂性，新一代的光网络就需要对网络操作及管理进行简化，而这就 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 最终导致了光网络向智能光网络的演进。 为了满足社会对通信网络的需求，我们可以设想未来的智能光网络应该具有 以下特点： 1 ) 能够在光层实现动态业务分配，可根据业务需要提供带宽，是面向业务 的网络； 具有端对端网络保护、恢复能力； 具有分布式处理功能； 必须独立于所传送客户层信号的比特率和协议，只有这样未来的智能光 网络才能支持多种客户层信号并且支持多种网络协议； 能够实现控制平台与传送平台的独立； 数据网元和光层网元协调控制，将光网络交流资料和数据业务的分布自 动地联系在一起； 与所采用的技术相独立： 网元具有智能性： 可根据客户层信号的业务等级( c o s ) 来决定所需的保护等级。 根据以上对光网络需求特点的分析，近几年国际标准化组织致力于于对智能 光网络的体系结构进行研究。i t u t ，i e t f ，o i f 等组织都对其进行了深入的研 究，并提出了各自的一些相关的标准草案或建议。i t u t 主要从网络的总体架构 方面定义了a s o n 的体系结构( e 8 0 8 0 ) ，并完成了关于d c n ( g 7 7 1 2 ) 、信令 ( g 7 7 1 3 ) 、自动发现( g 7 7 1 4 ) 和路i 妇( g 7 7 1 5 ) 等标准规范。同时，i t u t 正在进一 步规范具体的实施协议和网络管理方面的标准。砸t f 则专门成立了相应的工作 组( c c a m p ) ，负责g m p l s 和相关技术的开发，主要从信令和选路方面。c c a m p 的主要工作是定义用于自动交换光网络的控制协议，包括路由协议、信令协议和 链路管理协议等。o i f 则主要从用户网络接口方面对业务和相关信令提出了要 求，目前已经完成了u n u 0 接口的规范工作，并正在制订u n l 2 0 接口的规范， n n i 接口的测试工作也正在进行中。 目前，在智能光网络的研究上基本已经确定了整体框架。智能光网络在现阶 段也称为自动交换光网络，它与传统的光传送网相比，其最大的突破点在于引入 了更具智能的控制平面，控制平面的引入使光网络能够在信令的控制下完成网络 连接的自动建立、资源的自动发现、网络拓扑信息的自动更新以及故障的自动定 位及上报等功能。图1 1 为i t u t 提出的智能光网体系结构模型【8 1 9 1 1 0 】【1 i 】【1 3 】，整 个网络包括三个平面，即控制平面，管理平面以及传送平面。这三个平面的相互 联系是通过数据通信网( d c n ) 来完成的，d c n 负责实现控制信令消息和管理 4 刁分 $ 回 乃矽乃 北柬邮电 掌硕士掌位论文 信息的传送。 与现有的光网络相比自动交换光网络中增加了一个控制平面。控制平面是 整个自动交换光网络的核心部分，它由分布于各个智能光网节点设备中的控制网 元组成。控制网元主要由路由选择、信令转发以及资源管理等功能模块组成，各 个控制网元的相互联系就共同构成信令网络，用来传送控制信令信息。控制网元 的各个功能模块之间通过智能光网信令系统协同工作形成个统一的整体，实 现了连接的自动化，并且能在连接出现故障时，进行快速而有效的恢复a 图卜i 智能光网络的体系结构 控制平面是智能光网三大平面中最为重要和关键的一个平面。正是由于控制 平面的引入，才能实现对网络拓扑信息、路由信息及其它控制信息的动态交互， 实现光路的动态建立和拆除以及网络资源的动态分配等功能。控制平面的关键技 术主要涉及到网络接口、功能模块和信令协议三方面的内容。 智能光网路的管理平面和传统光网络的管理平面并不是完全相同的，它的主 要特征是管理功能的分布式及智能化。在传统光网络中，网络管理一般是由集中 式哺管系统来实现的，而在智能光网中，这种管理模式被一种基于传送平面、控 制平面和信令网络的新型多层面管理结构所替代，构成了一种集中管理与分布智 能相结合、面向运营者的维护管理需求与面向用户的动态服务需求相结合的综台 化的光网络管理方案。这种管理方式的出现进一步增强了网络的智能，极大的减 小了网络运营维护的负担。降低了运营商在这方面的投八。智能光网的管理平面 与控制平面技术互为补充，可咀实现对网络资源的动态配置、性能监测、故障管 理以及业务管理等功能。管理平面与控制平面之间通过网络一管理a 接口 ( n m i a ) 进行相关的信息交换，实现管理平面与控制平面之间功能的协调。 北京邮电大掌硕士掌位论文 第一章绪论 智能光网的传送平面是由一系列传送实体组成，它是业务传送的物理通道， 可为用户信息提供端到端的单向或者双向传输。智能光网的传送网络是一种基于 格状( 脏s h ) 网络的结构，光传送节点主要包括光交叉连接( o x c ) 和光分插 复用器( o a d m ) 等设备。另外，传送平面结构具有分层的特点，它由多个层网 络( 如光通道层、光复用段层和光传输段层) 组成。为满足智能光网的新要求， 智能光网传送平面着重在以下两个方面实现了突破：一个是增强的信号质量检测 功能，另一个是支持多粒度光传送交换技术。 1 3 2 智能光网络的控制平面及研究需求 智能光网络的控制平面 a s o n 是智能的、灵活的光网络，它和传统的光网络相比最主要的特点就在 于控制平面的引入。控制平面的主要功能是能实现快速的端到端光通路恢复，快 速地建立一条通过灵活光网络的光通路，其途径就是要使用路由技术和信令协 议。通过路由技术和信令协议来执行路由操作以及网络拓扑和资源的信息发现， 传递状态信息并计算点到另个节点的最佳路由通路，由此可见信令和路由协议 是智能光网络控制平面中的重要协议。智能光网中控制平面是由独立的或者分布 于网元设备中的多个控制节点组成，它们之间通过信令通道互连互通。而控制节 点又由路由、信令和资源管理等一系列逻辑功能模块组成。这种模块化结构使智 能光网络的控制平面具有足够的灵活性以适应不同的网络状况，它允许由供货商 和业务提供商来决定这些构件的位置，也允许由业务提供商来决定这些构件的安 全及策略控制。一个设计良好的控制平面体系结构在支持更快的和更精确的电路 建立的同时，还应该给业务提供商提供对于其网络更好的控制。控制平面本身应 该具备可靠性、可扩充性和高效性，而且还应该具备足够的通用性，以支持不同 的技术、不同的商业需求。通过a s 0 n 控制层面几个组件的协调工作，最后由连 接控制器来建立连接，业务传送完后，可以自动删除连接，这部分资源可以再给 别的用户使用。这种连接的自动建立、自动删除功能可以高效地利用网络资源。 而对于物理实体的网络配置是可以做到按需配置的，控制层面可快速建立光通道 连接，实现有效的网络控制，因此控制平面是a s o n 的中枢神经。 i t u t 的建议把控制平面节点的核心功能组件( c o m p o n e n t ) 划分为八大类， 它们分别是连接控制器组件( c c ) 、路由控制器组件( r c ) 、链路资源管理器组 件( l r m ) 、流量策略组件( t p ) 、呼叫控制器组件( c a l l a ) 、协议控制器组件 ( p c ) 、发现代理组件( d a ) 和终端适配器( 1 ：a p ) 组件。这些组件通过相应的 接口交互相关信息，形成对网络拓扑和资源的一致拓扑，共同完成控制平面的相 6 北京邮电大掌硕士掌位论文 应功能，控制平面内各功能关系模块图如图1 - 2 所示阱。 ；黧”。：ti ；嚣”。i i 篙8 图卜2智能光目控制平面功能组件关系图 从图1 2 中可以看到，智能光网控制平面的功能是由多个功能组件相互协调 共同完成的。其中各组件的具体实现功能为： 呼叫控制器( c a l l c ) 和连接控制器( c c ) 负责完成信令功能：分别实现智 能光网中分离的呼叫和连接两个过程。通过协调各组件的功能达到管理和监测连 接的建立、释放、修改过程，并可实现策略的认证。其中的信息流主要包括与 r c 交互的连接路由信息、与l r m 交互的链路资源状态信息等。 路由控制器( r c ) 负责完成路由功能：为连接控制器将要发起的连接建立 选择路由，同时它可从l r m 获得本地资源信息。 链路资源管理器( l r m ) 负贡完成资源管理功能：检测网络资源状况，对 链路的占用、状态、告警等特性进行管理。它相当于传送平面在控制平面的代理， 通过与传送面的接口得到传送设备的信息。 协议控制器( p c ) ：起到信令分类收集和分发的作用，它将通过接口的信息 正确送往处理的模块，它是节点间各个模块联系的桥梁。针对所处理信息的不同， 它又可分为信令协议控制器( 使用p n n i 、r s v p t e 或者c r - l d p 协议实现) 、 路由协议控制器( 使用o s p f 或者i s i s 协议实现) 。 流量策略( t p ) ：检查用户连接是否满足以前协商好的参数配置，该模块可 根据需要添加或舍去。 发现代理( d a ) ：多个发现代理( d a ) 联合工作在传送平面命名空间，并 且把控制平面名称和传送平面名称空间区分开。 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 终端适配器( t a p ) ：终端适配器在两个不同的时间进行操作，并且有着两 种不同的功能。当s n p 链路连接被绑定到和它们相应的c p 链路连接上面时候， t a p 负责把s n p c p 捆绑在一起。在智能光网中，发现代理( d a ) 、终端适配器 ( t a p ) 以及链路资源管理器( l r m ) 共同作用来实现自动资源发现功能。 智能光网络的研究需求 从以上对智能光网络控制平面的分析可知，智能光网络的控制平面具有几大 研究热点，这主要体现在控制平面具体的功能实现上。智能光网络的各个功能模 块相互独立，各自实现相应的功能，有的功能虽然在传统的光网络中已经有相应 的实现方式，但为了适应智能光网络的智能化和灵活化的需求，很多具体功能的 实现都需要经过系统的研究和实现。 从总体上说，控制平面的主要研究的问题包括信令、协议、路由和资源管理 等几大方面。其中信令功能主要负责整个网络的控制谐调，主要实现的是如何进 行最有效的呼叫、如何建立最快的连接等功能、如何处理呼叫的拆除等功能，这 些基本的信令功能在通信网建立初期就已经使用，只不过一直从简单到复杂，从 复杂到更有效逐步的发展，现已基本上发展到了非常成熟的地步；协议在最初通 信发展的初级阶段非常简单，一直没有被技术研究人员重视，但在通信技术不断 的发展开始组建网络后，协议的重要性越来越体现出来，从最开始只是为了保证 网络通信的一些约定，发展成了能够使网络通信更有效、更及时并且保证流量工 程的复杂的约定组合体。在光网络提上技术日程之后，对适合满足光网络中通信 要求的协议投入了很大的研究，目前虽然以及提出了雏形，但很多方面有待于更 加完善和成熟，是近几年的研究热点：路由问题本来是计算机互联网特有的问题， 当网络逐渐融合和发展，需要通信网络既有原来的可靠性又要引入互联网的灵活 和有效性，因此路由问题也是近几年需要研究和解决的焦点问题；控制平面的资 源管理问题相对于其它几方面来说是逐渐简化的，主要负责的是链路资源状态的 管理，这部分的功能在控制平面里要适可而止，不能做的太大，以免造成各个平 面分工混乱的局面。 1 3 3 智能光网络的实施现状 由于智能光网络所具有的强大优势，其发展得到运营商和设备商的极大关 注。因此，尽管a s o n 的标准化工作还没有最终完成，但多数光网络产品供应 商已经在o i fu n h1 0 和i e t fg m p l s 规范的基础上，开发出了具有一定智能 的节点设备，如l u c e n t ，n o r t e l ，a l c a t e l ，c i e n a ，s y c a m o r e 等公司都有了一些相 北京邮电大学硕士掌位论文 第一章绪论 关的产品。这些产品一定程度上可以实现智能光网络的一些功能，比如邻居自动 发现，交换式或软永久连接的建立、删除，分布式路由，网状网保护恢复等。中 国也在积极开展智能光网络的研究，国家8 6 3 计划在a s o n 方面有重大专项项 目对智能光网络的技术、标准等进行跟踪研究，通信设备制造商如华为、中兴、 烽火等也已经在进行智能光网络设备的研发并有了初步的产品。 目前，世界各国的电信运营商也在积极地进行智能光网络建设和试验。美国 a t & t 公司率先在全国范围内建设了连接近1 0 0 个城市的智能光网络，新网络不 仅减少了成本和配置差错率，使运作流畅，增加了网络容量，也简化了网络结构 层次，极大地缩短了新业务配置时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务， 恢复时间仅为数百毫秒。日本n t t 公司部署了有4 0 多个智能核心交换节点的智 能光网络。西班牙已经建立了十几个节点的国家骨干智能光网络，其目标是最终 在全国建立5 0 个智能核心交换节点。美国电信运营商t o u c h a m e r i c a n 和澳大利 亚著名电信运营商o p t u s 等也都开始进行智能光网络的部署。中国铁通公司2 0 0 3 年也在吉林省二级省网上建设了覆盖全省的1 0 个节点的智能光试验网，同时国 内其他各大运营商也都在积极跟踪研究，准备试验网项目的建设工作。在2 0 0 5 年1 月1 9 日，国内首个采用自动交换光网络( a s o n ) 技术的智能光网络正式 投入运行，该网络是由朗讯构建的江苏电信省级光传输网络。江苏电信省级智能 网络的顺利开通为a s o n 技术未来在中国的大规模应用奠定了坚实的基础。 1 4 本论文的主要研究内容 本人在攻读硕士学位期间，参加了以下项目： 国家自然科学基金项目“下一代光网络业务和资源管理体系的研究” 国家8 6 3 项目“多粒度光交换技术与系统应用” 依托以上项目的资助，本论文以w d m 光网络中路由问题为研究对象，在对 光网络的当前状况进行广泛调研，以及对只能光网络发展现状进行调研的基础 上，提出了光网络路由问题的研究需求，在对研究需求进行分析的基础上，简要 的分析了当前光网络的路由协议问题，重点放在对适合当前光网络新业务发展现 状的路由算法问题的研究上，提出了适合光虚拟专用网络中路由分配算法的确知 业务的路由分配算法问题，同时针对当前多粒度技术发展的现状，提出了适合多 粒度光网络的路由和资源分配算法，并利用仿真的方式对几种路由和资源分配算 法进行了比较分析。最后对进行算法研究的仿真软件的实现问题进行了分析。 9 北京邮电大掌硕士论文第二章光网络的路由协议问题 第二章光网络的路由协议问题 2 1 光网络路由单元的功能结构 关于自动交换光网络的路由功能单元，i t u t 已定义了一整套完整的路由功 能结构。这种体系结构主要由控制平面内的多种功能组件组成，包括与协议无关 的组件，如链路资源管理器( l r m ) 和路由控制器( r c ) ，也包括协议控制组件 协议控制器( p c ) 。r c 主要用于处理同路由相关的抽象信息，而p c 依据信息经 过的参考点( 如e - n n i 、i 心烈i ) 来处理与协议相关的消息，并将路由原语传递 给r c 。自动交换光网络( a s o n ) 路由功能的总体结构图如图2 1 所示。 图2 - i智能光网路由功能组件关系图 图2 1 中各功能组件的作用如下： 路由控制器( r c ) 路由控制器( i 坨) 是整个路由模块的核心，它的功能包括与对等端r c 交 换路由信息，并通过对路由信息数据库的操作来回复路由查询( 路径选择) 信息。 r c 是与具体的协议无关的。 路由信息数据库( r d b ) 路由信息数据库( r d b ) 是存储包括本地拓扑、网络拓扑、可达性和其他通 过路由信息交换获得的信息的数据库。同一个r d b 可以包含多个路由域的路由 信息，不同的r c 单独获得r d b 的一个视图，并获得相应的信息。图2 1 的椭 圆框就具体表示了这种关系，r d b 也是同具体协议无关的。 链路资源管理器( l r m ) 链路资源管理器( l r m ) 负责向r c 提供所有子网端点池( s n p p ) 链路信 息，并将其控制的链路资源的任何状态的改变情况告知r c 。 协议控制器( p c ) 北京邮电大掌硕士论文第二章光网络的路由协议问题 协议控制器( p c ) 将路由的原语转换成特定路由协议的协议消息，因此， p c 是与具体协议相关的。p c 还处理用于路由信息交换并与协议相关的控制信 息。 2 2 光网络路由的特点 从理论上讲，任何网络路由方面的研究需求都包括三个不同的部分，它们分 别是网络体系结构的研究需求、网络协议的研究需求和具体网络路径计算的研究 需求。结合光网络的实际情况，这三种不同研究需求可具体化为： 光网络在路由方面的体系结构研究需求包含以下几个方面：路由控制器间信 息的交换要服从参考点的策略限制；路由域间的路由信息交互不依赖域内的协 议；路由域间路由信息的交互不依赖控制方式是集中或分布方式；路由邻接拓扑 和传送网拓扑不必匹配；每个路由域要在运营者网里唯一标识；路由信息支持单 独域的抽象观点等要求。 光网络的协议需求包含以下几方面：协议支持多级结构、支持摘要路由信息； 支持节点间的多链路以及链路和节点多样性；支持路由的结构升级；对链路、节 点、路由层次数量可扩展：路由协议应支持和提供诸如安全目录属性等在内的附 加属性。 光网络的路径选择需求包含以下几个方面：路径选择不能造成环回路径；路 径选择至少支持g 8 0 8 0 中的路由策略的一种( 层次路由、源路由、逐跳路由) ； 路径选择应支持一类路由限制条件。 根据对光网络的理论分析，并结合近几年对光网络发展的实际展望，以及未 来光网络的发展需融合i p 技术与光通信技术的实际需要，通过对光网络路由问 题和口网络的路由问题进行比较，我们可以发现光网络的路由问题具有以下特 点： 1 控制和传送通道的分离 智能光网和p 数据网的一个重要区别在于其控制平台和数据平台拓扑的分 离。不同于m 数据网，智能光网中控制信息传送通道是同数据信道相分离的， 也即是智能光网一般不采用带内传送控制信令的方式，就此而言，智能光网实现 了数据域和控制域的更大分离，它的控制信息一般是通过带外信道来传递的。 2 面向连接的建立方式 智能光网本质上仍然是一个面向连接的网络，因此这种本质属性就决定了当 其在进行连接建立时，采用的是基于端到端的、面向连接的方式。任何一条光路 的建立都必须事先建立连接，这一点是同传统p 网络内基于逐跳转发、面向无 连接的建立方式有着天壤之别。 北京邮电大掌硕士论文第二章光网络的路由协议问题 3 带宽资源的管理机制不同 光网络和i p 网结构的不同导致光网络和i p 网中对带宽资源管理和