（通信与信息系统专业论文）wdm全光传送网生存性的研究.pdf

塑些 摘要 随着通信容量的增加和现代社会对通信依赖性的增强，光刚络的生存性问 题越来越突出。光层保护恢复具有保护速度快、可靠性高、成本低、透明性强、 可为各种业务提供一个公共生存平台的特点，因而成为研究的热点问题。然而由 于全光传送网处理的是光信号，以具有模拟特征的波长为单位，使得全光传送网 的生存性技术与比较成熟的s d h 生存性技术相比，有了影i ：多新的特点，有许多 问题期待解决。本文的研究重点是有成本效益的光层保护方案与关键技术以及工 作通道与保护通道的路由与波长分配问题。 本文首先分析了当前对光传送阕生存性研究的现状和前人所做的主要工 作。然后对网络生存性的概念、光传送网的分层及节点结构以及光传送网生存性 的基本技术进行了总结，为以后各章节的讨论提供了理论基础。随后研究了光层 保护的网络故障监测、倒换判椐、故障定位、倒换协调、保护倒换时间等问题， 提出了主通道光功率监测、备用通道背向散射曲线监测的故障监测方法。本文还 针对网络最大故障源光缆故障，设计完成了一个光层复用段保护系统，给出了 详细的软、硬件结构、通信协议及测试结果。该系统已通过天津市科委组织的技 术鉴定，并荣获市科技进步二等奖。 对网状光网络工作通道和保护通道路由与波长分配算法的研究是本文的另 一重点。文中从提高网络生存性角度m 发，对链路不相关算法进行了改进，提出 了一个新的路由波长分配算法一光纤物理路由最大不相关算法。文中给出了各种 保护机制下的 l p 描述与启发式算法，并给出了范例。最后给出了算法实现的计 算机仿真软件。分析表明，光纤物理路f 扫最大不相关算法避免了光缆阻断、通信 管道塌陷等恶性事故引起的工作通道与保护通道同时失效的情况，减少了保护失 效概率。 关键词：生存性光层保护r w a o t n 光纤监测 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t ya n dm o d e r ns o c i e t y s d e p e n d e n c e o nc o m m u n i c a t i o n ，s u r v i v a b i l i t yo f o p t i c a l n e t w o r kh a sb e c o m eac r u c i a lp r o b l e m o p t i c a ll a y e rp r o t e c t i o nh a sc h a r a c t e r i s t i co ff a s tp r o t e c t i o nr a t e ，h i g hr e l i a b i l i t y , l o w c o s ta n dt r a n s p a r e n t ，i tc a np r o v i d eac o m m o ns u r v i v a b l ep l a t f o r mf o ra l lk i n d so f t r a f f i c h o w e v e r , s u r v i v a b l et e c h n o l o g yi na l lt r a n s p o r tn e t w o r k ( o a n q ) i sd i f f e r e n t f r o ms d hb e c a u s et h ef o r m e rh a n d l eo p t i c a ls i g n a la n dt h el a t t e rh a n d l ee l e c t r i c a l s i g n a l al o to f p r o b l e m o f s u r v i v a b i l i t yi no t n n e e dt ob es o l v e dt h ec o s t e f f e c t i v e s u r v i v a b l es c h e m ei no t na n dk e yt e c h n o l o g y p r i m a r yp a t ha n dp r o t e c t i o np a t h 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 r e t h e t o p i c si nt h i st h e s i s f i r s t ，a l la n a l y s i so fp r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o nw a sg i v e ni nc h a p t e r1 s e c o n d ，a s u m m a r y o f t h e r e l a t i n gc o n c e p t sa n dt e c h n o l o g yo f o p t i c a ln e t w o r ks u r v i v a b i l i t yw a s g i v e ni nc h a p t e r2 ，w h i c hi st h ef u n d a m e n t a lf o r f a r t h e rd i s c u s s i o n t h i r d l y , s o m ek e y t e c h n o l o g i e so fo p t i c a ll a y e rp r o t e c t i o ns u c ha sf a u l tm o n i t o r i n g ，l o c a t i o n ，s w i t c h i n g c o r p o r a t i o n ，p r o t e c t i o ns w i t c h i n gt i m ew e r es t u d i e di nc h a p t e r3 ，am e t h o do f o p t i c a l p o w e rm o n i t o r i n gf o rp r i m a r yp a t ha n do t d rm o n i t o r i n gf o rp r o t e c t i o np a t hw a s p r o v i d e d t h e na no m sp r o t e c t i o ns c h e m ew a sd e s i g n e da n dr e a l i z e di nc h a p t e r4 t h i sp a p e rd e s c r i b e r st h et e c h n i c a ls c h e m e ，h a r d w a r e ，s o f t w a r ea n de x p e r i m e n t a l r e s u l to ft h es y s t e m t h er e s u l ts h o w st h es y s t e mi ss a f ea n de f f i c i e n tt ot h ep r o t e c t i o n o f t h et r a n s p o r tn e t w o r k a n o t h e rt o p i co ft h i sp a p e ri sr w a a l g o r i t h m so fp r i m a r yp a t ha n dp r o t e c t i o n p a t h i n o r d e rt o i m p r o v es u r v i v a b i l i t y o fo p t i c a l n e t w o r k ，an e wr o u t i n g a n d w a v e l e n g t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h m s d i v e r s e f i b e r p h y s i c a lr o u t i n ga l g o r i t h m s i s p r e s e n t e d t h i sp a p e rp r e s e n t st h ei d e a ，i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m s ( 1 l p ) a n dh e u r i s t i c a l g o r i t h m s ，s i m u l a t i o n m o d e la n de x a m p l e t h er e s u l ts h o w st h a td i v e r s ef i b e r p h y s i c a lr o u t i n ga l g o r i t h mi sh e l pt oa v o i dp r o t e c t i o nf a i lb e c a u s eo p t i c a lc a b l ec u to r c o n m m n i e a t i o nd u c td e n t ，s oi tc a nd e c r e a s ep r o t e c t i o nf a i lp r o b a b i l i t y k e yw o r d s ：s u r v i v a b i l i t y , o p t i c a ll a y e rp r o t e c t i o n ，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 ) ，o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ( o n ) ，o p t i c a l f i b e rm o n i t o r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘茔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。 学位论文作者签名：曹俊之，签字日期： 加；年多月2 岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 营侵，害， 导师签名：。雏祓烈、 l j 签字日期：2 口刃年岁月2 5 日 签字日期：吱口彤年月吨，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光网络技术的发展对网络生存性的要求 1 1 1 巨大的传输容量使得光网络的生存性问题更为突出 近l o 年来，随着数据业务和语音业务的增长，特别是i p 业务年增幅高达 3 0 0 的爆炸式增长，驱使光网络传送速率不断提高。单波长信道传送速率由 2 5 g b i t s 到l o g b i t s 到4 0 g b i t s ，波分复用信道数由几个到几十个到几百个， 2 0 0 0 年o f c 会议已经报道，总容量为3 2 t b s ( 2 0 g b s 1 6 0 信道) 的系统不采用 f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 前向纠错编码) 成功传输1 5 0 0 k m ，误码率小 于1 0 “。而随着宽带接入技术的进一步发展、大量宽带新业务和新应用的产生 ( 如i p 视频业务、高清晰度电视、虚拟现实) 以及用带宽换服务质量轻载策略 的实施，都要求下一代网络具有更高的传输容量，预计未来1 0 年骨干网所需的 容量将至少是今天的数十、上百倍，超大容量将成为下一代光网络的基本特征。 巨大的传输容量使得网络生存性问题更为突出，一旦网络失效，将造成巨大 的经济损失和社会影响。按目前已实用化和商用化的l o g b i t s 传输速率计算， 一根2 4 芯的光缆因意外事故切断，则可能丢失几十万话路的信息，而传输容量达 t b i t s 的单根光纤失效，将影响1 2 0 0 万对以上的电话业务。据美国明尼苏达大 学的研究结果估计，如果通信中断1 小时，航空公司要损失2 5 0 万美元，投资银 行要损失6 0 0 万美元；如果通信中断2 天，则足以使投资银行倒闭，因此，如何 提高网络生存性是网络运营管理者所迫切要求考虑的首要问题。同时，随着网络 传输容量的增加，也要求采用“颗粒”粗的光层保护，以减少保护切换时间，提 高保护效率。 1 1 2 面向数据业务对网络生存性机制提出了新的要求 最近几年的事实表明，虽然语音通信业务量仍保持每年继续增长，但i n t e r n e t 数据通信业务量的每年增长率远大于语音业务量的每年增长率“1 。预计不久之 后，数据通信业务量特别i p 业务逐步取代话音业务量成为电信网的主要业务量， 这将导致电信网由传统电话网不可避免地过渡到以数据业务为中心的电信网”。 下一代的电信网络应当是以数据( 或者说是i p ) 为中心，以分组交换( p a c k e t s 。i t 。h ) 为基础。这一发展趋势要求未来的传送网必须能够支持数据业务传送， 除此之外，传送网必须能够动态分配带宽，以确保传送不同业务；还必须有效地 进行路由选择，并准确地检测网络或链路故障及性能劣化，进行迅速地恢复；使 第一章绪论 业务网的逻辑拓扑与传送网物理拓扑无关。 与传统电话相比，数据业务特别是i p 业务具有业务量大小不可预测性、业 务量发展的突法性和不可预测性、收发数据的严重不对称性等特点。而在目前的 光传送网上，s d h 自愈环是最流行的网络结构，s d h 传送网采用时分复用技术， 以电路为基础，为音频和数据提供固定带宽的t d m 传送通道。这种传统s d h 环非 常适合于可预测的电话业务量，但是当数据特别是i p 业务量大景增加时，作为 支持电路交换方式的s d ht d m 环结构将不再是一种实用的有效结构，产生严重的 低效率。s d h 信号帧结构中开销大、环保护和网络恢复成本过高的缺点将极大地 限制了s d h 传送网的发展，需要探讨新的更有效的网络结构，研究新的网络保护 机制。 1 1 3 网络分层结构向“扁平化”方向发展的趋势对生存性的要求 分层和分割是传送网中很重要的两个概念”3 。分层是以操作相互独立，功能 相对完整为原则把传送网络分为若干个层次的一种逻辑操作。分割是在分层基础 上对层网络进行功能分离的一种逻辑操作。网络发展的一大趋势是减少网络层 次，简化网络结构。 目前的网络分层结构如图i - i 所示，是四层或三层结构。i p 和其它业务承 载在用于流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 的a t m 上，再承载在用于传输的 s d t l s o n e t 上，最后再承载在用于扩容的w d m 上。或去掉a t m 层，把i p p p p l c 放入s d h s o n e t 帧中，再承载在w d m 上。多层结构功能互有交叠，缺乏灵活性， 效率低、成本昂贵、管理复杂等问题，在生存性方面存在多层的相互协调问题。 m a p l s a 圳 删铷 日 仰m m 忡t s s 【】f i s 0 r 删 w d m 技术最初只 是作为点到点扩充网 络容量、增加带宽的 方法。随着复用波段 由c 波段向l 波段和 s 波段的扩展，以及 光纤水峰的消除，可 用波长数有了大大增 加。光分插复用器 ( o a d m ) 、光交叉连接设备( o x c ) 、波长变换器、可调谐激光器、可调谐滤波器 等光器件也有了很大发展，从而使光信道直接联网成为可能，在w d m 多波长网 络上可直接承载i p 业务。i po v e rw d m 有利于充分利用光纤带宽、减小处理延 时和减少网络建设成本，并且更具有透明性，两层结构对于高容量的网络更具灵 2 i 第一章绪论 活性、扩展性、高效性以及更好的流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 。因而i po v e r w d m 可望成为下一代网络的主要构架形式，而多协议标签交换( m p l s ) 作为i p 与光层结合的结构，将是i po v e r w d m 的未来发展方向。在下一代网络结构中， i p 层由于增加了m p l s 技术，其功能类似于传统i p 层功能和a t m 功能的综合， 而光网络层则是综合了s d h 特性和多波长联网技术。在业务层，用m p l s 流量工 程控制层来执行选路、监控功能；在传送层，由w d m 光网络来提供w d m 传输和波 长路由的光层联网。 在传统阿络结构里，网络的生存性机制是：i p 层通过重选路由实现业务的 恢复，a t m 通过v p 、v c 自动保护倒换环实现恢复、s d h 通过自动保护倒换、自愈 环保护、d x c 恢复等实现业务恢复。在两层的i p 优化光网络中，由于不使用s d h 和a t m ，其生存性机制又有新的特点。传统的i p 动态路由机制虽然能够通过重 选路由绕出失效的链路或节点恢复受影响的业务，但失效恢复的延时相当大( 会达到秒的数量级) ，且重选路由时未考虑保证备用路由上己存在业务流的q o s ( 服务质量) 。因此，对于以数据为中心的i p 直接o v e rw i ) m 的，光层的生存 型研究至关重要“1 。 1 1 4 光传送网( o t n ) 及其生存性机制的特点 为解决现有光传输系统的光电、电光转换出现的“瓶颈”现象，在2 0 世纪 9 0 年代，提出了“全光网络( a o n ) ”的概念，即从端到端采用完全光路，不通 过任何光电转换，但后来人们逐渐发现实现全光的处理十分困难。放大、整形、 时钟提取、波长变换等在电域很容易实现的功能在光域实现十分困难，有些虽然 经过复杂的技术能够实现，但效果并不理想，且成本昂贵。另外全光网的管理和 维护信息处理也是一个重要问题，无法在光域上增加开销对信号进行监视，管理 和维护。因此，在全球或全国范围内组成全光网，实现全网内的波长调度和处理 短期内还不现实。 1 9 9 8 年，i t u _ t 提出了光传送网( o w n ) 的概念取代过去全光网的概念。按 照g 8 7 2 建议，光传送网由一系列由光纤链路相连的光网络元件组成，能够在光 域内完成业务信号的传送、复用、路由管理、监控和生存性”1 。o t n 的一个重要 出发点是在一个有限区域的子网内全光透明，而在子网边界处采用o e o 技术 ( i g 与目前w d m 系统有很大区别，w d m 系统只采用线路系统传输技术，不涉及组 网技术) 。采用光传送网可以消除电设备导致的带宽瓶颈并减少网络故障的发生、 降低对业务节点规模的要求、大幅度降低建网成本和运营维护成本等a 因此，向 光传送网的演进是历史的必然，是整个网络向下一代网络演进的物理基础。 第一章绪论 w d m 光传送网与s d h 网络不同，它是一个模拟传送网络，而不是数字网络； 它处理的对象是光波长( 模拟频率时隙) ，而不足时隙。而且，w d m 光传送网要 保持透明性，支持多协议、多业务，要为各种信号( 包括i p 、a t m 、s d h 、视频 信号等) 提供一个公共生存平台，且这些业务所要求的业务质量也不尽相同：因 而，w d m 光传送网的保护和恢复就出现了一些新的问题，譬如故障监测问题、故 障恢复判断问题、信令传送问题、层间协调问题、节点间倒换协调问题、路由波 长分配问题、满足不同业务的恢复要求等等，都有待于进一步的研究。 1 2 基于w d m 技术全光传送网生存性研究进展 1 2 1 研究热点 由于网络生存性问题越来越突出，而光层保护具有保护速度快、成本相对较 低、对业务格式、传输速率透明等优势，业界己经对光传送网的生存性进行了大 量研究，提出了多种光层保护或恢复的方案。研究的重点集中在两个方面：一是 在可接受的生存性等级条件下，寻找提高资源利用率的方法，也就是寻求最大的 减低成本的办法；二是在资源( 光纤、波长) 数量一定的条件下，寻找更高的生 存性保证，包括减少光路失效时间，提高保护效率等等。 d z h o u 和s s u b r a m a n i a m 对当今主流光层保护方案的功能特征以及适用环 境进行了定性分析和比较”1 。0 g e r s t e l 和r r a m a s w a m i 阐述了不同光层保护方案 的背景，从服务提供者的角度阐述了它们的优缺点”1 。从实现的角度分析了光层 保护方案需要考虑的几个事项，如支持快速保护、支持低优先级业务、支持网状 网保护、支持所有的故障模型以及波长转换对保护的影响0 1 。 由于s d h 自愈环的成功，对光传送网保护的早期研究集中在光环网上。0 g e r s t e l 、r r a m a s w a m i 和ghs a s a k i 研究了w d m 点到点链路和带有限波长转 换的环形网络的三种故障情况( 链路、节点、信道故障) ，提出了每种情况的恢 复科l s t j “。按照方案要求的硬件和管理开销，对方案进行了对比。同时还提出了 一个集成的方案，通过有限节点的协调可处理所有类型的故障。 由于网络的发展趋势足向m e s h 网过渡，对m e s h 网的生存性研究成为研究的重 点。s r a m a m u r t h y 和b i s w a n a t hm u k h e r j e e 研究了w d m 网状光网络单链路故障 保护的各种方案，以全网使用的波长总数( 包括工作光路使用的波长和为保护光 路预留的波长) 最少为优化目标，给出了在静态业务条件下，使专门通道保护、 共享通道保护和共享链路保护的整数线性规划( i l p ) 描述【l ”。比较了三种保护 方案的波长容量要求，得出了共享通道保护节省容量的结论，他门还分析了不同 保护方案的保护倒换时间【1 2 】，得出结论足：在交叉连接配置时间低( 1 0 l as ) 时， 4 第一章绪论 共享链路保护保护倒换时间鼹短，共享通道保护保护倒换时间最长；在交叉连接 配置时间高( 5 0 0 m s ) 时，专用通道保护保护倒换时间最短，共享通道保护保护 倒换时间最长。b o o s h i 等人研究了在给定一系列光通道和网络资源条件下可保 护的最大通道数，以及在给定要求下工作通道和保护通道所需要的最小容量n 3 1 。 提出了一个分布式算法，并指出共享通道保护要求6 0 一9 0 的富余容量，而专用 通道保护则几乎要2 0 0 。自愈环( s h r ) 的独特优势使得将m e s h 网分解成多个s h r 的方案很具吸引力。其中有种不需要波长转换的m e s h 环回( l o o p b a c k ) 保护恢 复方案“。它将网状网分成若干个环，每个环的链路有两根光纤，光纤1 中的工 作波长段与光纤2 的预留的保护波长段相同，光纤2 中的工作波长段与光纤1 的预 留的保护波长段相同，从而避免了波长转换。此外，还有一个基于冗余数的光通 道预选路由集中保护方案“。其主要观点是在网络中建立两个顺行的树，网络中 链路或节点故障时，源节点通过至少一个数与其它节点保持连接。 由于w d m 网络的物理保护需要大量的冗余资源而难以实现，出现了一种新的 结合w d m 层和高层通道的网络保护策略一设计保护“，其主要思想就是在业务网 络实现对w d m 网络故障的处理，而帅m 网络自身并不直接恢复被中断的光路径。 继静态业务条件下处理故障的网络设计“”1 之后，动态恢复方案成为研究的 重点。g m o h a n 等人提出了一个动态建立工作和保护通道的方案“。他们在建 立工作通道同时为每一个要求保护的工作通道分配共享方式的保护通道，只要工 作通道链路不相关，备用通道可复用到相同的信道上。其主要观点称为主一备复 用。在这里，一个以前分配的保护通道可分配给一个新的工作通道，因此故障发 生时恢复失效。但其研究结果表明：轻载时在恢复保证率( 代表一个链路故障时 能恢复的连接平均值) 为9 0 ，可达到9 0 的阻塞性能增益( ( b , o o - b 。) ( b o o - b o ) ， b ；是对于保证率为x 的阻塞率) ，重载时其阻塞性能增益也大于恢复保证率的减 少。m u r a r is r i d h a r a n ，m u r t iv s a l a p a k a 和a r u nk s o m a n i 研究了动态业务 下的网络优化问题。以整数线性规划法描述了可生存性w d m 网络的各种运行情 况。并提出了一个适于快速的、适合于在线重配置的基于l p 松弛( r e l a x e d ) 技 术的启发式算法【2 u 1 。 由于网络分层结构向简单化方向的发展趋势，i po v e r w d m 生存性的研究也 成为一个热点。l s a h a s r a b u d d h e ，s r a m a m u r t h y 和b m u k h e r j e e 研究了i p o v e rw d m 的两种故障管理技术：w d m 共享通道保护和i p 恢复【2 lj 。用数学方 法阐述了故障管理问题，提出了在典型网络中寻找有效方案的启发式算法，并分 析了两种技术的最大网络保证容量和恢复时间。结果表明在诸如每个节点每个波 长有一个收发机的条件下，w d m 层保护技术胜过i ：p 恢复技术。 随着光网络技术的发展，多光纤网络性能的研究正逐步被重视起来。s t e f a n o 第一章结论 b a r o n i 等人研究了具有抗毁机制的多纤波长路由光网络( w r o n ) 的设计1 2 2 】， 给出了以全网络使用的光纤数最小为优化目标的路由波长分配问题( r w a ) 的 i l p 描述，包括w i x c 和w s x c 两种情况。并提出了相应的启发式算法。得出 以下结论：( 1 ) 对于小型网络，通道恢复方案最佳。( 2 ) 在没有恢复或有恢复但 终端设备波长可调谐的情况下，o x c 引入波长变换好处不大。( 3 ) 物理连通度 和嘲络大小的结合对故障恢复需要的额外容量有着重要影响。( 4 ) 考虑到高层的 恢复方案( 例如s o n e t s d h 环) ，可以节省许多容量。( 5 ) 业务增长时，波长 转换可以提高资源利用率，收益的大小取决于网络的大小、物理连通度、波长 复用数。 在近几年的著名的光通信会议o f c 一卜，每年都有数篇关于光网络生存性的 文章。在2 0 0 0 年的o f c 会议上，w o k a m a w a r i 等人设计了一个用于i p 长途骨干 传输网的基于点到点的光复用段保护w d m 网络。”。m y a m a s h i t a 等人提出了一个 不牺牲恢复时间可处理多个故障的可重配置的1 ：n 保护系统“。该系统是先将故 障信号恢复到一个空闲路由上，然后冉将信号移开，将空闲路由用于其他可能发 生故障的信号。其主要技术是在重配置过程中，利用了l i n b o 。光开关的分支状 态，将光信号分给两个路由，以确保在将光信号移到新路由前的信号质量。 c h a o - x i a n gs h i 和l i p i n gc h e n 使用一个新的4 纤w d m 环实现了对a t m 业务 的光层保护，该系统可承载额外业务“。p e t e ra r ijs 和p i e td e m e e s t e r 描述 了w d m 共享保护环和专用保护环的属性和优势，以及如何混合设计，以减少成本、 提高效率嘶1 。r i c h a r d b a b e l 等人讨论了各种光域性能监测方案的优势，证明光 域性能监测以极快的监测时间、大的监测范围、尽量小的纷争解决时间可以为运 营商节约成本“”。 c d i m o p o u l o s 和d s i m e o n i d e u 对在船m 骨干和分支网络中 使用1 ：n 波长保护方案对物理层的要求进行了理论研究。其计算机动态性能仿 真结果表明：为使l ：n 保护成功，接收机的自动增益控制( a g c ) 或域值优化 应在故障后几个微秒内响应”。 在2 0 0 1 年的o f c 会议上，p i n h a n 和h t m o u f t a h 提出了i po v e rw d m 网络在光层完成对单个故障端到端通道保护的新方案一s l s p ( 短跳跃共享保护， s h o r tl e a ps h a r e dp r o t e c t i o n ) “”。s l s p 以精细的恢复“颗粒”提供了一个 宽的保护服务频谱，提高了普通的1 ：n 通道保护的扩展性、恢复时间和服务类 别。c h i n g f o n gs u 和x u ns u 提出了一个新的保护通道寻路算法，目标是使非 同时发生的故障事件的保护光通道波长最大化共享”。s t e v e ns u m e t t a 等人 通过对多种故障恢复的考察，研究了故障定位和网状网链路恢复算法的关系。“。 g o k h a ns a h i n 和m u r a th z i z o g l u 提出了一个基于顶点着色法的有效的服务与 恢复波长分配算法，通过对需要波长上限的分析与仿真表明这个算法能实现使需 6 第一章绪论 要的波长数最小，并能减低故障监测成本和信令的复杂性。“。s u n a ok a k i z a k i 等人设计完成了一个使用m e m s 光开关的高速低成本的1 + 1 光层保护系统，系统 保护由s o n e t 性能监视器触发。实验结果显示系统的光路恢复倒换时间为9 8 0h s 3 “。m j i ，i 等人报道了一个两纤光通道共享保护环的实验。完成了一个新的使 用4 x 4 热光开关的节点结构、一个信令协议和通过光监控信道传输的信息信道， 以及控制硬件和软件。实验结果显示系统的保护倒换时间为1 2 m s ，恢复到正常 状态的时间为3 m s 。“。d a v i ds 1 e v y 等人提出了一个新的对立于服务信道速率 和协议的光层共享保护方案o “。实验结果显示对于5 个节点光网络保护倒换时间 为1 5m s 。这个保护方案对环上各个节点保护倒换的同步控制采用基于i p 的光 控制网络，采用i p 协议提高了通用性，不需要额外设备，减低了成本。 在2 0 0 3 年的o f c 会议上，m g o y a l 等人提出t ) l 个将单个信道恢复信令信 息结合在一起的恢复信令聚集方案，并证明了这些方案比预连接信令大大减少了 恢复时间o “。r r a m a m u r t h y 等人经过实验证明，利用对共享保护信道的共享限 制可以避免出现共享信道保护大量光通道的情况，且限制选择合适时，容量没有 损失，并指出对于许多拓扑和需求，6 个通道的限制是合适的。“。n g a r g 和r s i m h a m3 指出：在全光网络中如果主用信道和保护通道仅仅是链路无关的，一个 主通道中的光源故障或受到攻击时，备用信道会因为信道的串扰而性能恶化，因 此主用通道和备用通道需要光不相关。他们建议对不能找到光才；相关通道的网络 拓扑，采用增加电开关的方式来帮助建立光不相关通道。文献给出了计算任意网 络拓扑光不相关通道的启发式算法。n ，s i n g h a l 和b m u k h e r j e e 研究了多点传 送光网络的保护问题，提出了基于段和通道对的两种有效的保护方法”。d s c h u p k e 和r p r i n z 研究了双重故障下，光网络通道保护( 专用和共享) 和 重路由的恢复率和需要的容量“。 1 2 2 研究现状的分析 ( 1 ) 针对单光纤网络的生存性的文献相对较多，对多纤光网络生存性研究 较少。 ( 2 ) 大部分文献的工作主要集中在解释光层保护的基本原则、各种保护方 案的分类、网络设计优化等，具体详尽的保护恢复方案相对较少。对光层保护一 些关键技术的研究还不深入，一些问题尚待解决，譬如备用光信道的性能监测问 题、故障定位问题等。 ( 3 ) 保护恢复算法没有考虑到光纤的实际物理路由情况，存在保护失效问 题。 ( 4 ) 保护方案都是基于对多种故障的考虑，缺乏针对性。且都是从网络设 7 第一章绪论 计的角度研究网络生存性，很少从运行维护角度考虑。此外，对成本也缺乏考虑。 1 3 作者主要工作和论文内容安排 1 3 1 本文主要工作 基于w d m 的全光传送网生存性技术，是一个相对较新的研究课题，还有许 多问题期待解决和提高，且在下一代网络设计占有重要地位。本文围绕全光传送 网络的生存性，主要做了以下工作： ( 1 ) 查阅大量文献资料，研究全光传送网的生存性特点，比较和分析当前全光 网络的生存性技术，提出期待解决的问题。 ( 2 ) 设计光层保护方案，进行科学实验，并对光传送网保护关键技术进行研究。 ( 3 ) 研究波长路由光网络( w r o n ) 各种保护机制下新的路由与波长分配算法 ( r w h ) 。 ( 4 ) 建立仿真模型，对波长路由光网络的工作与保护通路路由分配进行计算机 仿真模拟。 1 3 2 内容安排 本文共分六章： 第一章提出下一代光网络的特点及其对生存性的要求，介绍前人在全光传 送网生存性技术上已做的工作，明确当前全光网络生存性技术的研究现状，指出 期待解决的问题，为下文的工作明确方向。并阐述论文的主要内容及创新点。 第二章介绍网络生存性的基本概念以及相关知识，为下一步的研究分析提 供理论基础。 第三章设计全光传送网的保护方案，分别对线形、环形、m e s t i 网、w d m p o n 网的保护策略进行研究；并对全光网络保护中的一些关键技术，如、故障检测、 倒换判据、故障隔离与定位、倒换协调等进行研究。 第一章绪论 第四章对单纤与多纤波长路由光网络各种保护机制下的路由与波长分配算 法进行研究，给出整数线性规划( i l p ) 描述，提出启发式( h e u r i s t ic ) 算法， 并对求解结果进行分析。 第五章建立全光传送网保护路由分配仿真模型。 第六章为结束语。给出论文的结论，指出尚存在的问题和以后的改进设想。 1 3 3 主要创新点 ( 1 ) 首次提出了主通道光功率监测、备用通道背向散射曲线监测的光域故 障检测方法。该方法相对成本较低、易于实现、既可监测硬故障也可监测软故障， 且在保护倒换后能对工作光纤故障进行定位。 ( 2 ) 针对光网络的最大故障源一光缆故障，结合光纤实时监测技术，设计 并完成了一个实用的光层复用段保护系统。该系统安全可靠，是全光传送网保护 的有效方法。该系统已通过天津市科委组织的技术鉴定，并荣获市科技进步二等 奖。 ( 3 ) 提出了基于光纤物理路由最大不相关的单纤、多纤波长路由光网络各 种保护机制下的路由与波长分配算法，并建立了计算机仿真模型。该算法避免了 光缆阻断、通信管道塌陷等恶性事故造成的保护失效问题，大大减小了保护失效 概率。 第二章全光传送网生存性技术 第二章全光传送网生存性技术 在实际的通信网络中，网络故障在频繁地发生并带来了灾难性的后果，因而 网络生存性并不是一个纯理论的问题，而是有着很现实的意义。网络被划分为不 同的层面，各层通常提供相对独立的生存技术。在各种生存性技端光层生存性 技术具有响应快速、灵活、高效可靠、透明等特点，能有效提高网络服务质量 ( q o s ) ，减少业务损失。本章回顾了各种生存性技术，重点总结了光层的各种 生存性技术。 2 1 网络生存性概念 网络生存性是指网络经受各种故障后仍能维持可接受的业务质量的能力“， 它是网络完整性的一部分。网络的生存性是和网络损伤相关联的。网络损伤可以 用参数( u 、d 、e ) 来表示。u ( u n s e r v i v a b i l i t y ) 是指在网络故障时的一些业 务或全部业务的不可服务性；d ( d u r a t i o n ) 是指业务损伤的持续时间；e ( e x t e n t ) 是指网络故障所影响的程度和范围。 网络生存性研究的主要目的是使网络具有自愈功能。所谓自愈是指在网络发 生故障时，无需人为干预，即可在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携带的 业务，使用户感觉不到出现故障。其基本原理就是使网络具备发现故障并找到替 代路由的能力，在较短时间内重新建立通信。 实现网络生存性的方法有保护和恢复两种”。两者的主要区别在于适用的 网络拓扑、业务的恢复速度以及保护容量的确定性等因素。保护是利用节点之间 预先分配的容量提供快速恢复，适用特定拓扑的技术( 例如线形或环形) 。它往 往处于本地网元或远端网元的控制之下，无需外部网管系统介入，保护倒换时间 很短，但备用资源无法在网络范围共享，资源利用率低。恢复是利用网络提供的 富余度使得由于故障而带来的阻塞快速而准确地重新安排路由而确保畅通。其实 质是在网络中寻找失效路由的替代路由，恢复算法与网络选路算法相同。恢复通 常可以利用节点之间可用的任何容量，包括预留的专用空闲备用容量、网络的专 用容量乃至低优先级的额外容量，因而可大大节省备用资源。但恢复机制通常采 用集中控制方式，需要外部网管介入，时间较慢，恢复响应不确定，业务恢复时 间可能长达数秒至分钟量级。 表征网络：生存性的主要技术指标有： 冗余度：网络中总空闲容量与总工作容量之比。 恢复率；已恢复的通道数与原来失效的总通道数之比，或已恢复 1 0 第二章全光传送网生存性技术 容量与原失效的总容量之比。 恢复时间：以定的恢复率为目标，网络恢复的时间。 开销以及复杂度 此外，还要考虑初始成本、易于操作运行维护、彳午级或增加节点的灵活性等 等。 生存性网络设计的主要内容包括： 防护：从网络的规划、安装、路由选择开始，就注意尽可能地避免不安全 因素。 迅速检测：故障发生后如何快速发现并定位。 鲁棒性的自愈设计：包括拓扑结构、自愈算法、协议确定、执行逻辑等。 人工修复、更换硬件、接续光纤光缆等。 复原能力：故障排除后，将资源返还原系统。 其中鲁棒性的自愈设计和复原能力两项是生存性网络研究的主要热点问题。 2 2 非光层的生存性技术 2 2 1i p 层的生存性技术 在i p 层中，i p m p l s 能够恢复多故障业务，同时对业务的操作粒度也很小， 但i p 层恢复的速度较慢，无法在故障出现时快速恢复。目前，在网络层i p m p l s 完成的生存性方案通常考虑的是动态重路由方案和多协议标记交换( m p l s ) 的保 护倒换方案m ，此外还有弹性分组环( r p r ) 和d p t ( 动态分组传送 技术。 ( 1 ) 动态重路由方案 i n t e r n e t 可以看作由许多自治系统( a s ) 组成，而每一个a s 由属于同一个 管理域的路由器组成。一个a s 中的路由器通过内部网管协议( i g p ：i n t e r i o r g a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 交换路由信息，常用的i g p 是开放式路由最短协议( o s p f ) 。 当主通道中的两个节点( 路由器) 间的链路发生故障时，i g p 可以动态的计算和 寻找到一条两个节点间的有效备用路由，此来替代网络的故障路由，恢复故障业 务。这使得i p 包能使用备用动态路由绕过故障链路或故障节点，恢复业务的传 送。具体来说就是：路由器检测到线路故障后将重新计算受影响的路由并更新路 由表，然后将更新的路由信息通过u p d a t e 消息，如链路状态发布( l s a ) 或边界网 关协议( b g p 一4 ) ，通知邻接的路由器。可见，动态重路由方案能充分利用网络的 空闲资源，不受网络资源拓扑改变的影响，但由于重选路由必须等路由表收敛以 第二章金光传送网生存性技术 后才能进行，因此对规模较大的网络失效恢复的延时相当大。此外，由于 i p 属于“尽力而为”，其操作具有不可预测性。 ( 2 ) m p l s ( 多协议标签交换技术) 保护倒换方案 m p i ，s 属于第三层交换技术，它通过预置一系列不同等级的通路，即标记交 换通路( l s p ) ，来完成保护倒换“。这些标记交换通路在分配工作业务时已经计 算完成，预先放置在分组包头的标签堆栈中作为备用通路。一旦出现路径故障， 可以根据存储的标记快速提供另一条路径。保护的实体可采用动态或预先决定的 方式建立。预先设定是同时配置两条l s p ，一条激活，一条备份，一旦主l s p 故 障，业务立刻导向备份的l s p 。动态方式是建立一条l s p ，当它出现故障时，检 测到故障的节点，向工作通道上的上游标记交换路由器( l s r ) 发出故障标示信 号( f i s ) 。f i s 被l s r 逐级向上游转播，直到最终到达可切换通道的标记交换 路由器( p s l ) ，即工作通道和备用通道交汇的l s r 。从而在p s i 和p m l ( 通道结 合标签交换路由器) 之间重新建立一条l s p 。目前m p l s 的标准正在制定中，但 可以确定的是，它的自愈恢复时间能够达到与s d h 相当的水平。 ( 3 ) 弹性分组环r p r ( r e s i l i e n tp a c k e tt r a n s p o r t ) r p r 的核心基础是以太网技术，其处理的基本数据单元是分组数据包。其典 型结构是利用两根光纤或其他介质连接而成的双环结构( 内环和外环) ，内环和 外环上的信号传送方向相反。这样，节点在环上可有两个方向到达另一节点。r p r 环上的每一根光纤既发送数据，又传输同向控制信号。控制信号以最高优先分组 的方式发送。 r p r 实现保护的方法有“环回”和数据流“绕开”故障点两种方式1 。“环 回