（电磁场与微波技术专业论文）ipwdm网络生存性相关问题研究.pdf

北京邮l 乜人学坝i ：学位论文 p w d mi 删络生存性相关问题 i j f 究 lp w d m 网络生存性相关问题研究 摘要 随着i n t e m e t 市场的推动和光电子技术的成熟，w d m 可以传输 的带宽越来越宽，可以实用化传输速率已经达到6 4 x 4 0 g b i t s ，而公 布的实验室中可实现的传输速度已达2 7 3 4 0 g b i t s 。因此，i p w d m 网络成为解决下一代互联网框架极具吸引力的方案，而网络的生存性 不可避免地成为i p w d m 网络商用化的重大障碍和挑战。 本论文在第一章介绍了光纤通信系统的组成、波分复用技术的原 理、! p 技术与网络、以及i p w d m 网络的框架结构。第二章首先论 述了生存性的基本概念和基本机制，然后重点比较了保护策略和恢复 策略，在分析了i p 层、w d m 层各自的生存性策略之后，研究了 i p w d m 网络的生存性策略和调度策略。第三章从网络冗余度开始， 引出空闲资源的配置方法，为第四章的算法提供理论支持。第四章在 理论分析、推导的基础上，首次提出了一种基于拆分的专用通道保护 算法，并做模拟仿真，最后给出结论的应用范围和策略。第五章讲述 了自主开发的i p w d m 网络生存性的研究平台的组成、业务处理流 程等内容。第六章总结了自己研究生期间的工作。 在整个项目科研过程中，围绕i p w d m 网络生存性进行了深入 的研究和探讨，所做的工作摘要如下： 1 、大量阅读i p w d m 网络生存性相关的文献，总结前人研究的 结论和成果，在数据通信发表l 篇相关文章。 2 、借鉴前人a t m 网络空闲资源的配置方法，研究分析i p m d m 网络空闲资源的配置方法。 3 、在网络空闲资源的配置方法相关结论的启发下，提出了“交 换w d m 网络中基于拆分的专用通道保护算法”，发现至今尚未有人 发表过基于动态拆分思想的生存性策略算法。本算法的时间复杂度与 d 算法的时间复杂度密切相关，为。( d l 例) ：) 。具有实际应用价值。 该算法在保证可靠性的同时，可以改善网络的资源利用率，并在资源 匮乏时，大大减少丢包率。根据仿真结果建议：在具有拆分能力的交 北京| | i j i u 人学删i 学位论义p w d mh 络生存性相关问题f j f 宄 换w d m 网络中中低负载的情形使用s d p p 算法，而在高负载的情形下 使用i d p p 算法。1 篇文章通信学报终审中。 4 、为了更好地研究i p w d m 网络的生存性，独立开发了具有模 块化思想和面向对象的研究平台。该平台由波长分配模块、常用图论 算法模块、业务量模块、呼叫到达处理模块、路由模块、伪随机模块、 生存性策略模块、服务结束处理模块、网络资源模块等模块( 或类) 构成。该平台可以实现相关的保护和恢复算法的研究，而且可以对仿 真过程进行实时监控，并可方便的统计出相关的参数，如阻塞率。 关键词i p w d m 生存性专用通道保护算法资源配置 r e s e a r c ho n s u r v i v a b i l i t yo f i p w d mn e t w o r k s a b s t r a c t w i t ht h e i m p e l l i n g o ft h ei n t e m e tm a r k e ta n dt h e m a t u r i n g o f p h o t o e l e c t r o nt e c h n o l o g y , w i d t ho fb a n dt r a n s m i t t e db yw d mi sw i d e r a n d w i d e r a p p l i e dt r a n s m i s s i o ns p e e dh a sr e a c h e d6 4 4 0 g b i t s ，w h i l e i n l a b ，i th a sa l r e a d ya c h i e v e d2 7 3 4 0 g b i t s s oi p w d mn e t w o r k s w o u l db et h ev e r ya t t r a c t i v et oc o m p l e t et h en e x tg e n e r a t i o na r c h i t e c t u r e o fi n t e r n e t s u r v i v a b i l i t yo fn e t w o r k s i n e s c a p a b l yb e c o m e st h eb a r r i e r a n d c h a l l e n g ei nt h ec o m m e r c i a la p p l i c a t i o no fi p w d mn e t w o r k s i nc h a p t e ro n eo ft h i st h e s i s ，t h es y s t e mo ff i b e rc o m m u n i c a t i o n s ， t h ep r i n c i p l eo f 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 ) t e c h n o l o g y , i p n e t w o r k s ，a n dt h ea r c h i t e c t u r eo fi p w d mn e t w o r k sa r ei n t r o d u c e d i n c h a p t e rt w o ，t h eb a s i cc o n c e p ta n dm e c h a n i s mo fs u r v i v a b i l i t ya r e f i r s t l y d i s c u s s e d t h e nt h e p r o t e c t i o n a n dt h er e s t o r a t i o n s t r a t e g y a r e c o m p a r e d a f t e rr e s p e c t i v e l ya n a l y z i n gt h es u r v i v a b i l i t ys c h e m e so fi p l a y e r a n dw d m l a y e r ，i h a v er e s e a r c h e dt h es u r v i v a b l ec o o r d i n a t i o n s c h e m e so fi p w d mn e t w o r k s i nc h a p t e r t h r e e ，t h ep l a c e m e n tm e t h o d s o fl e i s u r er e s o u r c ea r ei n t r o d u c e df r o m a n a l y s i st h en e t w o r k sr e d u n d a n c v w h i c ho f f e r st h e o r i e sb a s ef o rc h a p t e rf o u r sa l g o r i t h m i n c h a p t e rf o u r , ih a v ef i r s t l yp r o p o s e dt h ed e d i c a t e dp a t hp r o t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do n s p l i t t r a f f i ca n d g i v e n t h ec o n c l u s i o n s a p p l y i n g s i t u a t i o n b o t ht h e p l a t f o r m ( c o m p l e t e db ym y s e l f ) a n dt h et r a f f i cp r o c e s sa r ep r e s e n t e di n c h a p t e rf i v e i nc h a p t e rs i x ，ih a v es u m m a r i z e dm yw o r kd u r i n gm y g r a d u a t e t h em a i nr e s e a r c hi sa sf o l l o w s ： 1 ih a v er e a dl o t s o fp a p e r sa b o u t s u r v i v a b i l i t y o fi p w d m n e t w o r k s ，s u m m a r i z e dt h o s e p a p e r s c o n c l u s i o n s ，a n dp u b l i s h e do n e p a p e r o nt h ei s s u ei n s h u j u t o n g x i n 2 a f t e rr e s e a r c h i n gf o r m e rm e t h o d so nt h e p l a c e m e n to fl e i s u r e c a p a b i l i t yi na t mn e t w o r k s ，ih a v ea p p l i e dt h o s e m e t h o d st oi p w d m n e t w o r k s 3 i l l u m i n e db yt h ec o n c l u s i o no np l a c e m e n to fl e i s u r er e s o u r c e i h a v e p r o p o s e dd e d i c a t e dp a t hp r o t e c t i o na l g o r i t h mb a s e ds p l i t i n s w i t c h e dw d mn e t w o r k s if o u n do u tt h a tt h e r ew a sn or e s e a r c h a c h i e v e m e n t p u b l i s h e d o n a l g o r i t h m s b a s e do ns p l i tt r a f f i c t h e a l g o r i t h m si nt h i sp a p e rc a nr e d u c eb l o c k o fp r o b a b i l i 妣c a np r o t e c t w o r k i n gr o u t i n g ，a n d c a nm a k e p a c k e t l o s s r a t i ol e s sw h e nt h e c a p a c i t yi s l a c k f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，i ti ss u g g e s t e dt h a ts d p pi s a p p l i e di nr e l a t i v e l yl o wd y n a m i c t r a f f i cl o a dw h i l ei d p pi sa p p l i e di n r e l a t i v e l yh i g hd y n a m i c t r a f f i cl o a d 4 。i no r d e rt or e s e a r c hs u r v i v a b i l i t yo fi p ? w d mn e t w o r k sm o r e e f f e c t i v e l y , ih a v ei n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e dt h ep l a t f o r mf o r t h ei s s u e t h e p l a t f o r m i s c o m p o s e d o fn i n e m o d u l e s t h r o u g ht h ep l a t f o r m ， p r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o na l g o r i t h m sc a nb ea c h i e v e d ；r e a l t i m e s u p e r v i s i o n t ot h es i m u l a t i o n p r o c e s s c a nb ed o n e ，a n dr e l a t i v e p a r a m e t e r s s t a t i s t i c sc a nb et a k e n c o n v e n i e n t l y ，s u c h a s b l o c k i n g p r o b a b i l i t y 【k e yw o r d s 】 i p w d m s u r v i v a b i l i t y d e d i c a t e dp a t hp r o t e c t i o n c a p a c i t yp l a c e m e n ta l g o r i t h m v 独创性( 或创毅性) 声明 本人声明所黧交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取褥的研究 成果。尽我所知，除了文中特剐加以标注和致谢中所罗剐的内容戳外，论文中不 戗食其他人已经发表或撰碍过的研究成果，也不包禽为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书丽使用过静材辩。跨我一瀚工作的闷恚对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的蜕明并袭示了谢意。 申请学位论 本人镶名： 疑，本人承掇一切稻关责任。 同期型垒翻竺堡 关于论文傻籍授投的说雳 擎鬣论文露卷完全了怨j 索帮电丈擎窍关绦辫稻菠蠲攀蕴谂文弱麓囊，繇： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单能属北京邮电大举。学校有权保 黎著囊国家有关部门或辊稳送交谂文的笺馨馋强磁盘，竞诲学位谂文被查舞释诺 阅；学校可以公稚学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印残其它 笺涮手段绦存、汇缓学位论文。( 保密懿学位论文在鼹密矮遵守我攘定) 保密论文注释；本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位沦文不隳予保密藏函， 本人簸名：圣蝰 导题签名：一 适瘸本授权书。 同期： 冠期； 丝芏垒兰曲堑回 j 雹乏牟上蹲蕴丞 ， 北京邮电大学硕士学位论文 i p w d m 网络生存性相关问题研究 第一章i p w d m 网络技术研究 1 1 波分复用技术研究 1 1 1 光纤通信系统 光纤和光电器件的发展为光纤传输系统的诞生创造了有利的条件。从1 9 7 6 年，第一条速率为4 4 7 m b i t s 的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞 生后，各种速率的光纤通信系统如雨后春笋般在世界各地建立起来，显示出光纤 通信优越的性能和强大的竞争力，并很快代替电缆通信，成为电信网中重要的传 输手段。 i 1 1 1 光纤简介 人类对光纤特性的认识，也是光通信发展的缩影。 光纤从多模发展到单模，从短波长( 使用0 8 5 帅窗口) 发展到长波长( 使 用1 , 5 5 m 窗口) ，虽然在局域网和短距离通信中仍然使用多模光纤，但是已经公 认在长距离通信线路上使用单模、长波长光纤。 损耗和色散是光纤的两个主要的传输特性。损耗在很大程度上决定着传输系 统的中继距离。损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。由于色散的 存在，光脉冲在传输过程中将被展宽，这极大地限制了光纤的传输容量或传输带 宽。从机理上说，色散可分为模式色散、材料色散以及波导色散。 光纤之所以能够成为新一代网络的传输媒质，主要因为其具备以下的许多优 点：频带宽，通信容量大：损耗抵，中继距离长；抗电磁干扰；无串音干扰，保 密性好：光纤线径细、重量轻、柔软；光纤的原材料丰富，可节约金属材料。 1 1 1 ，2 光器件的发展 半导体激光器 在半导体激光器中要形成激光，需要具备以下两个基本条件： 1 、有源区里产生足够的粒子数反转分布： 2 、存在光学谐振机制，并在有源区里建立起稳定的振荡。 制作半导体激光器的材料，必须是“直接带隙”的半导体材料。在短波长段 ( 0 8 5 9 r a ) ，采用g a a s 和g a a i a s 材料构成异质结构；在长波长段( 1 3 1 5 5 0 m ) ， 采用i n g a a s p 材料和i n p 材科构成异质结激光器。 从2 0 世纪7 0 年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以 北京邮电大学硕上学位论文 i p i w d m 网络生存性相关问题研究 传递信息为目的的信息型激光器，另类是以提高光功率为目的的功率型激光 器。目前主要的半导体激光器有f p 腔半导体激光器、量子阱半导体激光器、分 布反馈激光器( d f b ) 。详细可参见文献 1 。 光纤放大器 在光纤通信系统中，随着传输速率的增加，传统的o e o 中继方式的成本迅 速增加。光放大器能直接放大光信号，对信号的格式和速率具有高度的透明性， 使得整个系统更加简单和灵活。目前包括掺稀土光纤放大器( 掺铒光纤放大器 e d f a 、掺镨光纤放大器p d f a 、掺铥光纤放大器t d f a ) ，常规光纤放大器喇 曼光纤放大器瓜f a ，以及半导体光纤放大器s o a 。 掺铒光纤放大器是利用量子力学中的粒子数反转的原理，主要由掺铒光纤、 泵浦光源、耦合器、光隔离器等组成。e d f a 出现以后克服了s o a 许多不够完 善的地方，其作用有被光纤放大器替代的趋势。目前，半导体光放大器主要应用 在有线电视c a t v 多路模拟信号放大上和信号处理及光子交换等场合。详细可参 见文献 2 】a 复用器、解复用器 w d m 系统中常用的复用器、解复用器可以分为四大类型：角色散型、干涉 型、光纤方向耦合器型和光滤波器型。而光分插复用器o a d m ( o p t i c a l a d d d r o p m u l t i p l e x e r ) 就是复用器和解复用器的组合，光信号由解复用器分成单路的波长， 某些路信号“分下”到本地节点，其它路波长又进入复用器，与节点处“插上” 的本地信号复用起来作为w d m 信号输出。 复用器、解复用器和分插复用器都是无源光器件，现在大多利用集成光学制 成平面光路p l c ( p l a n e rl i g h t w a v ec i r c u i t ) 。特别是利用阵列波导光栅a w g ( a r r a y e dw a v e g u i d eg r a t i n g ) 可以用作复用器、解复用器或分插复用器。例如1 3 路w d m 使用的a w g ，输入和输出各有n 个端口，当用于解复用器时，就只利 用i 1 个入口中的一个入口，让包含n 个波长的w d m 信号输入，n 个出口则输出 n 个分离的波长；当用于复用器时，由n 个入口输入n 个分离的波长，而由n 个 出口之中的一个输出包含n 个波长的w d m 信号。 1 1 1 3 波长转换器 波长路由光传送网络是由光纤连接的路由节点组成的，其中一些路由的节点 与若干接入点相连，终端用户在接入点处把数据复用到不同的波长上进行传输， 若传输过程中不进行光电转化，则该光网络为全光传输网络。全光波长路由网络 与电路交换网类似，都必须在传输数据之前建立连接，但是全光波长路由网络需 要沿通路的所有链路具有同一个空闲波长，即全光波长路由网络受到波长一致性 北京邮电大学硕上学位论文i p w d m 网络生存性相关问题研究 限制( w a v e l e n g t h c o n t i n u i t yc o n s t r a i n t ) ，这种波长路由网络成为波长一致性网络。 波长一致性限制使波长一致性网络不同于电路交换网络：在电路交换网络中，仅 当通道上出现某一段链路带宽不够时才无法建立连接、阻塞呼叫；而在波长一致 性网络中，当光通路上没有全程空闲的波长时，就阻塞呼叫。如图1 1 所示，网 络中只有两种波长，图中已经建立了两条光通路，即节点1 与节点2 之间利用 l 建立的光通道、节点2 与节点3 之间利用12 建立的光通道。如果在节点l 和节 点3 之间想再建立一条光通道，虽然从节点1 到节点3 每段链路上都有空闲波长， 但是因为两段链路上空闲的波长不同，还是不能在这两个节点之间建立光通道， 这就是由于波长一致性限制制约了第3 条光通道的建立。由此可以初步推出波长 一致性网络比电路交换网络的阻塞率高和资源利用率低的结论。 i x l kl l 节点1 一 节点2节点3 l 一 一 一 i凡， ， 图l - 1 波长一致性网络 如果能够在节点2 处把数据从一个波长转换到另一个波长上，就可以消除波 长一致性限制，提高波长的利用率，这种技术就是波长转换技术( w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ) ，具有改功能的全光网络为波长可变光网络。所有节点都支持波长转 换的波长可变网络在功能上与电路交换网络相当。在图1 2 中，节点2 处配置了 波长转换器，它可以把节点1 传来的数据从x2 转换到 i 并转发到节点3 ，这样就可 以在节点l 和节点3 之间建立起一条新的光通道。在波长可变光网络中，利用了波长转换器 之后，一个光通道能够在各段链路上分别使用不同的波长，因此波长转换技术解决了光通道 之间的波长冲突问题、提高了波长资源的利用率、降低了网络的阻塞率、提高了光网络的传 送效率。 1凡i 节点2 一一一一一= l 节点1吖节点3 x u ， 一 x ， 图1 - 2 波长可变网络 波长转换器的功能是把接收到的数据从一个波长转换到n 个波长中的某一 个波长上，并把转换后的数据发到下一个链路上去( 如图l 一3 所示) 。在图1 - 3 中， s 表示输入信号的波长， c 表示输出信号的波长，九p 表示泵浦源波长； c w 是作为信号的连续光波( c o n t i n u o u sw a v e ) 。 理想的波长转换器应该具有以下特性： 北京邮电大学硕：七学位论文i p w d m 网络生存性相关问题研究 对信号的比特翠和信号的格式透明； 波长转换调节的速度快； 既可以向短波长方向转换也可以向长波长方向转换，而且两者的效率和 性能应当相近： 只需适当的输入光功率即可完成波长转换； 允许输入波长和输出波长相同，即不进行波长转换，或称为零波长差转 换； 对输入信号的偏振态不敏感： 输出信号具有低啁瞅、高消光比、高信噪比特性； 实现简单易行，且插入损耗低。 s = l ，z ，n c = l ，2 ，n 图1 3 波长转换器的功能 波长转换器包括：光电转换式波长转换器，以及全光波长转换器( 基于混频 效应实现的全光波长转换器、由互调效应实现的全光波长转换器、借助半导体激 光器互调效应实现的波长转换器) 。 注意：在本文研究的i p w d m 网络中，节点都具备波长转换功能。 i 1 1 4 光纤传输系统的结构及其类型 最基本的光纤通信系统由数据源、光发送端、光学信道和光接收机组成，此 外系统中还包含一些互联与光信号处理部件，如光纤连接器、隔离器、调制器、 滤波器、光开关及路由器等。图1 - 4 表明了最简单的光通信系统的基本框架。 图1 - 4 光纤通信系统框图 光纤通信系统依据不同的标准，可以分成不同的类型。按波长分类( 短波长、 长波长、超长波长) ，光纤的模式分类( 多模光纤通信系统、单模光纤通信系统) ， 传输信号的类型分类( 模拟通信系统、光纤数字系统) ，传输速率分类( 低速、 高速、) ，应用范围( 公用光纤通信系统、专用光纤通信系统) 。 北京邮电大学硕士学位论文p w d m 刚络生存性相关问题研究 1 1 2 波分复用技术 为了提高光纤的传输效率，出现了许多复用技术：光时分复用( o t d m ) 、 光波分复用( w d m ) 、光频分复用( f d m ) 及微波副载波复用( s c m ) 等技术。 波分复用( w d m ：w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术是在一根光纤中 同时传输多个波长信号的技术。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) ，并耦合到光缆线路上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，恢复出原信号后送入不同的 终端。w d m 系统的基本构成有两种形式：双纤单向传输和单纤双向传输。此文 中以双纤单向传输为例说明，如图1 5 所示。单向w d m 是指所有光通路同时在 图1 5 双纤单向传输示意图 一根光纤上沿同一方向传送，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调 光信号 1 ，x2 ，。 。通过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输， 由于各信号是通过不同光波长携带的，所以彼此之间不会混淆。在接收端通过光 解复用器将不同光波长的信号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另 一根光纤传输，原理相同。 1 2 i p 网络的发展 i n t e m e t 正是基于t c p i p 协议，将分布于世界各地的计算机网络连接成一个 整体，它是在不同的计算机之间交换数据和信息的现代数据网络形式。在2 0 世 纪9 0 年代以前，i n t e m e t 主要是用在科学研究、学术交流、教育以及新闻传播等 领域。在进入9 0 年代以后，尤其是从1 9 9 3 年以后，在商业应用在i n t e m e t 上取 得飞速的发展。i n t e m e t 是目前国际上规模最大的计算机网络，世界上任何一个 地方的i n t e r n e t 用户都可以从i n t e m e t 上获取所需的信息，i n t e m e t 被看作全球最 大的信息宝库和最大的图书馆。 i n t e m e t 中储藏着大量的信息资源，为用户提供广泛的服务。随着新技术的 不断出现，i n t e m e t 的运用也在不断拓展。这些新技术有：电子商务、远程教育、 北京邮电大学硕士学位论文i p i w d m 网络生存性相关问题研究 远程医、厅、电于图书馆、虚拟现实、视频点播等。而所有这些新的业务都需要越 来越宽的网络带宽、越来越快的网络传输速度。 由于i n t e r n e t 网络指数式地增长方式、以及其诱人的性价比和无法估量的前 景，使得e v e r y t h i n go v e ri p 成为可能。 1 3w d m 与i p 的融合 i 3 11 po v e rw d m 大势所趋 宽带化是i p 网络发展的趋势，也是当前网络规划和建设中需要考虑的问题。 在网络技术日新月异的情况下，网络建设时需要考虑如何选择合适的技术才能在 较长的时间内满足发展的需要。i p 是网络层技术，依赖于下层的传输技术。下 面的图1 - 6 给出了当前典型的宽带网络结构设计。当前的趋势是不断的减少i p 以下的层数，直至在光纤上传输i p 数据，构建全光网络。 圉围 四层结构三层结构两层结构 ：= = = = = = = = = = = = ：= = = = = = = = ：= = = = = = = = = ：= = 一 图i 6 几种典型的宽带网络设计结构 i po v e rw d m 网络框架的形成是技术和市场推动相结合的产物。最重要的 两个因素是：其一，互联网规模及其用户数目指数式的快速增长，现在几乎所有 的业务( 语音、数据、图像等业务) 都可以在i p 上承载；其二，w d m 传送网 可以满足越来越高的带宽需求，随着新技术和新设备的出现，w d m 的承载能力 还将继续提高。 i p w d m 减少了网络的设备，降低了网管的复杂性，减少了功能的重叠，它 的体系结构简单，通过业务量工程设计可以很好的与i p 业务的不对称性相匹配。 i p w d m 的成本要比传统的电路交换网低一、两个数量级。 i p n c d m 的最大优势在于w d m 拥有巨大的带宽潜力，w d m 具有若干个波 长信道，很容易兼容不同性质的业务，做到多业务融合，它还可以利用保护光纤 上的空闲带宽吸收突发业务量。i p 层和w d m 层都具各各自的保护、恢复功能， 可以将这两层的保护、恢复功能综合在一起，实现快速、高效的保护、恢复功能。 北京邮电大学硕士学位论文i p w d m 删络生存性相关问题研究 1 3 2l p w d m 的网络框架结构 随着网元功能的完善以及与实际网络发展需求的结合，i p w d m 的网络框架 结构将经历三个阶段的发展：i po v e r 点到点w d m 、i p o v e r 可重构w d m 、i po v e r 交换的w d m 。 1 ，3 1 1 i po v e r 点到点w d m 在o x c 和o a d m 成熟之前w d m 网络为点到点方式。i po v e r 点到点的 w d m 为第一代i p w d m 系统。在此系统中，w d m 系统仅仅作为相邻路由器之 间的宽管道，具有极少的智能。这类系统的主要缺点是不能提供直通光路，路由 器必须处理到达本点的所有业务量，尽管其中大部分并非终结于该节点。随着光 传输速率的提高，路由器的处理速度成为限制此类系统发展的瓶颈。如图1 7 所 示。 图1 7i po v e r 点i n 点w d m 网络框架圈 a 、b 、c 表示网元，“e ( o ”表示光电转换 1 3 1 2i po v e r 可重构w 明 i po v e r 可重构的w d m 为第2 代i p w d m 系统。在这类结构中，各个骨干 节点都是由i p 路由器和o x c ( o a d m ) 组成，从而可以实现直通光路，减轻路由 器的处理负担。通过适当的配置o x c 的交叉连接状态，任何一个路由器均可与 网内任何其他路由器的端口相连。从而实现路由器之间相邻关系的任意配置。根 据i p 层与w d m 层之间的相互关系，这类系统可以分为3 种模型：重叠模型、 扩张模型和对等模型。 重叠模型又称为客户服务器模型。即i p 层与w d m 层为客户服务器关系。 i p 层与w d m 层各自具有相互独立的控制面，彼此不交换任何路由信息。w d m 北京邮电丈学硕士学位论文 i p w d m 网络生存性相关问题研究 囝1 - 8i po v e l 可重构w d m 网络框架图 可以采用传统电信风格的控制与管理方案。对于l p 层来讲，w d m 光网络是为 其提供电路交换型光通道的黑匣子。如图1 _ 8 所示。 在扩张模型中，i p 层bw d m 层仍然各自具有不同的控制面，以及路由和 信令协议，但相互交换有限的路由信息，从而实现必要的协议。 对等模型又称为集成模型。在此模型中，两层控制面坍塌为一层，路由器与 o x c 相当于集成在一起，被看作一个集成的网元。二者使用相同的控制面，共 同的地址方案，以及同样的路由与信令协议，例如对目前的i p 和m p l s 协议进 行适当扩充。在该模型中，光通道的适配以及保护恢复都是基于i p m p l s 的协 议来控制的，即多协议波长标签交换或通用多协议标签交换方案。这样的用户可 以按需申请带宽，网络自动为其分配。也就是说，用户及其应用程序可以直接和 网络进行沟通。如图1 9 所示。 1 3 1 3po v e r 交换的w d m 图卜9 对等模型的网络框架图 在i po v e r 交换的w d m 系统中，w d m 层直接提供分组级的交换能力，即 北京邮电大学硕士学位论文i p w d m 网络生存性相关问题研究 光分组交换，这是第3 代i p w d m 系统。光分组交换由于动态共享、统计复用 宽带资源，可以极大提高网络宽带资源利用率，并使得网络具有很好的灵活性。 另外，可采用高速净荷、低速分组头，从而解决电子瓶颈问题。而且在光分组交 换中还可以实用m p l s 协议从而实现流量工程以及服务质量( q o s ) 保证。所以光 的分组交换将是i p ，w d m 网络的最终理想方案。 在对i p w d m 网络有了整体的了解之后，在接下的章节开始分析i p w d m 网络的生存性相关问题。 北京邮电大学硕士学位论文i p w d m 网络生存性相关问题研究 第二章i p w d m 网络生存- l 生的研究 2 1 网络生存性机制 网络生存性属于网络完整性的一部分。网终生存性泛指网络经受各种故障， 甚至灾难性故障后仍能保持业务连续的能力。网络的生存性主要包括两方面的内 容：空闲资源的配置和生存性策略。空闲资源的配置是研究生存性问题的基础； 而生存性策略是研究生存性问题的核心。本文将在第三章阐述网络空闲资源配置 的方法；在第四章中提出本文作者提出的一种通道保护算法交换w d m 网 络中基于拆分的专用通道保护算法，该算法是首次提出的基于拆分思想的保护算 法。 威胁网络生存性的因素主要有以下几个： 1 、网络节点故障。节点故障使与之相关联的业务都将受到影响。而且，随 着光电子和微电子技术的不断进步，以及系统集成度的不断提高，通信网络中的 节点数量也在逐步相对减少的同时，业务种类和流量却在增加。因此，一旦网络 节点发生故障，网络受到威胁的程度也在日益增长。 2 、光纤故障。光纤是在i p w d m 网络业务的最有效载体，由其构成的网络 也在朝着多波长、高速率和大芯束的方向发展。可见，如果这种网络的链路光纤 遭到无论是人为的还是自然的破坏都将造成非常严重的后果。 3 、网络遭受人为攻击故障。这种故障多为i p 及其以上层面和基于w e b 的 网管系统有关。攻击者可以通过某种网络协议缺陷来攻击网络的路、节点或时钟， 并使之失效。这个问题严格讲是个网络安全问题，但是客观上某条链路或某个节 点受到攻击时，该链路或节点上所承载的业务是需要保护的，且不论电信级的i p 业务，就是一般的i p 业务也需要“尽力而为”。 4 、通信软件缺陷故障。尽管这种情况出现的概率很小，但是由于软件测试 的不可遍历性，又决定了这种情况出现的必然性。 5 、自然灾害与人为因素故障。自然灾害包括地震、洪水、火灾、大风等现 象。人为因素包括挖掘和盗窃等情况，这些都将导致光纤断裂和网络节点被破坏。 显然，减少因各种因素使通信中断所造成的经济损失和社会影响，实现信息 业务全程全网安全、高效传送，不断适应人类对通信的依赖强度，则是提高网络 生存性的不竭动力。 注意：因为光纤网络发生的故障绝大部分属于单边光纤失效问题，所以，之 后本文各章中研究的重点是单边光纤的保护和恢复问题的研究。 考察生存性策略的重要指标包括：资源利用率、请求阻塞率、陕复倒换时 间、故障恢复率、恢复粒度、控制复杂度、单或多故障的容忍度、及可扩展性。 北京邮电大学硕士学位论文p i w d m 网络生存性相关问题研究 网络生存性理想的目标是：对于给定的网络拓扑，在最短的时间内使故障获得最 大的恢复，同时保证最大的资源利用率 9 。然而同时实现所有这些要求的难度 很大，所以需要针对业务( 或用户) 要求以及网络本身的特点，适当地采取一种 或多种生存性策略来提高网络的生存性。 从网络功能的角度划分，恢复技术可以分为业务恢复和设备恢复两种。业务 恢复用于由交换机和路由器等组成的交换网，而设备恢复用于由各种复用设备和 交叉连接及分插复用设备组成的传送网。业务恢复的特点是将单个呼叫围绕着某 个故障点重新进行选路。设备恢复是指围绕着某一故障点对传输带宽进行再分 配。由此可见设备恢复所需要的操作比单个呼叫的重新选路要少，因此能够在很 短的时间内恢复更多的业务。 网元设备具有的功能不同，相应的生存性策略就不同，如a d m 一 d x c ( s d h ) 、 o a d m - o x c ( w d m ) ：对应不同的网络拓扑结构( 点到点、环状网、网状网) ， 生存性策略也有所不同；网络的生存性是由人工操作向自愈网方向发展的。人工 操作的特点是，既费时又不准确，恢复时间长：如话音业务恢复的二分法。而自 愈网是指，无需人为干预，网络就能在极短的时间内从失效故障中自动恢复所携 带的业务，使用户感觉不到网络已出了故障。 从网络恢复控制机制上划分主要有集中控制和分布式两大类。所谓集中控制 方法，就是让一个集中控制系统，如网管系统对网络进行全面控制。所有网络信 息，包括节点、链路、通道、交叉连接矩阵表和优先级、空闲容量等信息都必须 存放于集中控制系统的数据库。一旦链路失效，故障信息便通过其它路径报给中 央控制系统，控制系统则利用数据库中的链路或节点等的权值参数计算模拟出可 能的替代路由权值表，并向与之相关的节点发出控制命令执行替代切换功能。 分布控制方法是针对集中控制提出的。当链路或节点失效后，检测到故障的 源节点立即产生请求空闲通道( 或路由) 消息并以广播方式发送给所有相邻节点， 各相邻节点收到该请求消息后向下广播转发，直到转发到失效段的另一个节点 ( 宿节点) 为止。这种控制方法的核心是源节点，在它向下广播请求消息的同时， 要求与其相邻的节点提供可用空闲通道的规格和空闲容量的大小，从中寻找出最 佳路由消息。在宿节点确认该消息并回传后，源节点立即要求替代路由上所有节 点执行切换命令。这种方法的另一个特点是当单一路由不能恢复所有失效业务 时，可以利用多条路由完成替代任务。 两种控制方法的比较。集中控制方法比较成熟，自愈算法存在于网管之中， 不需要节点之间通信，设备的兼容性较好。存在的问题主要是：i 、网络自动恢 复时间长，根据空闲容量的不同，一般为几分到几十分钟。减少恢复时间的关键 北京邮电大学硕士学位论文 i p w d m 网络生存性相关问题研究 是选择有效的恢复算法；2 、需要一个庞大的、能够适应网络规模动态变化的、 一致性准确的数据库，这必然会增加系统的复杂性及成本。分布式控制方法无需 全网的信息，每个节点只需存储与之相关联的终结链路容量信息，链路恢复时间 短，其中算法所需时间小于1 秒。存在的主要问题是：1 、对控制的响应消息及 路由算法实现困难；2 、控制系统复杂存在不可预见性，互操作性较差。 据有关资料分析，如果通信中断l 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，足以使投资银行倒闭。 w d m 商用的传输速率已经达到3 t b i f f s 以上，实验室达到1 0 t b i t s 以上。 如此高的传输速率之下，光纤被切断，将造成巨大的损失。因此，i p w d m 的生 存性引起了越来越广泛的重视和研究，是下一代高速网络需要解决的重大性科研 问题。 2 2 几个重要的概念 物理概念：反映事物的真实面，如光纤、光缆、o x c 等。 逻辑概念：为研究方便，经过简化和抽象后反映事物本质的概念，如节点、链路、 边等。 链路( 1 i n k ) ：两节点间，不可再分的最小逻辑单元，如光波、光通道、波带、资 源单元等。 边( s p a n ) ：两节点间，所有链路的集合。如光缆、资源单元总和( 空闲资源+ 工作 资源) 等。 路径( p a t h ) ：从源( s o u r c e ) 节点出发到宿( s i n k ) 节点结束，由一系列首尾相接的链 路( 无重边、无重端) 构成。对于实际而言，路径为有向链路构成更有意义；但 为了分析问题的方便，我们这里将链路作为无向处理，相应得出的结论可以方便 的应用于有向的情形。 度( d e g r e e ) ：与某一节点相关联的边的数目。 工作资源：在网络正常工作时，用于传送业务的资源。可以是链路、通路、路径、 l s p 等。 保护资源：也称为备用资源、空闲资源、恢复资源：在工作资源失效后，用于保 护受影响的业务，使之恢复的资源。 额外业务：当网络正常工作时，在保护资源上传送的业务，该业务不受保护。 保护倒换时间：从网络发生故障到保护倒换操作完成，包括初始化保护倒换的时 间+ 保护策略相互协调的延迟+ 倒换完成时间。 北京邮电大学硕士学位论文p w d m 网络生存性相关问题研究 恢复翠：已恢复的通道数( 或容量) 与总失效通道数( 或容量) 之比。 恢复时间：即在某恢复率条件下，网络恢复所需要的时间。在一般情况下，冗 余度越大，恢复时间越短，恢复率也就越高。如果允许的恢复时间越长，恢复率 也就越高。如果网络又足够的冗余度，恢复率可能接近或达到1 0 0 。业务恢复 时间有两个重要的门限。一个是5 0 m s ，此时可以满足绝大多数业务的质量要求， 可以认为5 0 m s 的保护恢复时间对于多数电路交换网的话带业务以及中低速数据 业务是透明的。第二个门限是2 s ，只要业务中断时间小于2 s ，则中继传输和信 令网的稳定性都可以保证。因此，2 s 门限已作为网络恢复的目标值，称为连接 丢失门限。 专用保护：保护资源唯一的服务于一个工作资源。 共享保护：几个工作资源共同分享同一保护资源。 2 3 保护策略与恢复策略 保护策略是指利用节点间预先分配的资源使受影响的业务不问断，即替代路 由事先明确。如1 + 1 ，1 ：1 ，l ：n 等，在s d h 中也被成为自动保护倒换( a p s ) 。而 恢复策略是指利用节点间可用的任何资源使受影响的业务不间断，实质是在网络 中动态地寻找失效路由的替代路由( 恢复路由算法)