（通信与信息系统专业论文）wdm光网络规划系统设计中路由与波长分配问题的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 波分复用传输系统是当前干线光通信系统扩容的主要手段和城域核心网的多 业务传送平台，被认为是下一代高速广域骨干网发展的主要方向之一。使用波分 复用技术的波长路由网络在空闲信道的所有链路上都要分配相同频率的波长，这 种限制称为波长连续性限制。这种限制使得波长连续网络比传统的电路交换网络 有更高的阻塞率，而波长转换技术的发展使得网络中的节点能够把数据从一个波 长信道转换到另一个波长信道上传输，这种方式削弱了连续性的限制，能够降低 网络的阻塞率。 在w d m 网络中为业务请求建立一条端到端的光通路，并分配合适的波长这 样的问题称为路由与波长分配( r w a ) i h - j 题。在光网络规划与优化过程中，结合生存 性设计的r w a 算法是光网络规划与优化的核心。本文主要研究了在光网络规划系 统设计中的路由与波长分配问题。 结合作者参与的“n e t n u m e n t o p ”光网络规划与优化软件系统项目，文章对 软件的架构设计、系统工作流程以及系统实现过程中采用的主要关键技术做出了 阐述，重点研究了软件系统中业务分配与保护模块的设计与实现方案。设计方案 考虑了网络中节点的波长转换能力，不同的业务保护策略以及保护通路的资源共 享问题。最后按照工程化的要求实现了规划系统中的业务分配与保护的功能。 文章接着对动态情况下w d m 光网络路由与波长分配问题进行了深入研究， 归纳总结了前人在r w a 问题上的相关研究，提出了具有创新性的部分波长转换条 件下的s p l g 算法和s p m f 算法。s p l g 算法以分层图模型为基础，在网络规模 较小的情况下并行解决了部分波长转换网络的路由与波长分配问题。仿真结果验 证了该算法在不增加网络阻塞率的情况下对算法效率的改善。s p m f 算法将上述问 题分解成为选路子问题和波长分配子问题两个问题分别加以研究。选路子问题中 确定了多条备用路由，并按照一定的顺序进行排序。s p m f 算法的波长分配方案通 过矩阵运算得到了所有可用波长集合，并选择了其中转换次数最少的波长集作为 分配结果，最后通过仿真测试验证了算法的性能。 关键词：波长路由网络，网络规划与优化，路由与波长分配，网络生存性，部 分波长转换 a b s t r a c t a b s t r a c t w d mt r a n s m i s s i o ns y s t e mi st h ee x p a n s i o no fr o u t eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dt h ep r i n c i p a lm e a n so fm e t r oc o r en e t w o r k sm u l t i s e r v i c ed e l i v e r yp l a t f o r i l l a n di s r e g a r d e da so n eo ft h em a i nd i r e c t i o no fd e v e l o p m e n ti nt h en e x tg e n e r a t i o nh i g h s p e e d w i d e - a r e ab a c k b o n en e t w o r k t h eu s eo fw d m t e c h n o l o g yw a v e l e n g t h r o u t e do p t i c a l n e t w o r k si na 1 1l i n k sm u s tb ea l l o c a t e do nw a v e l e n g t hw i t ht h es a m ef r e q u e n c y , s u c h r e s t r i c t i o n sa sac o n t i n u o u sw a v e l e n g t hl i m i t t h i sr e q u i r e m e n to fw a v e l e n g t h c o n t i n u i t yi n c r e a s e st h ep r o b a b i l i t yo fc a l lb l o c k i n gt h a nt r a d i t i o n a lc i r c u i t - s w i t c h e d n e t w o r k s a n dw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nt e c h n o l o g ym a k e st h en e t w o r kn o d e sw i l lb ea b l e t od a t af r o mo n ew a v e l e n g t ht oa n o t h e rc h a n n e lw a v e l e n g t hc h a n n e lt r a n s m i s s i o n ，a n d t h i sw a yu n d e r m i n et h ec o n t i n u i t yc o n s t r a i n t s ，c a nr e d u c et h ep r o b a b i l i t yo fc a l l b l o c k i n go ft h en e t w o r k s w d mn e t w o r ki nt h eb u s i n e s sr e q u e s tf o r t h ee s t a b l i s h m e n to fa ne n d t o e n do p t i c a l a c c e s s ，a n dt oa l l o c a t eas u i t a b l ew a v e l e n g t hs u c hi s s u e sa sr o u t i n ga n dw a v e l e n g t h a s s i g n m e n t ( r w a ) i s s u e i nt h eo p t i c a ln e t w o r kp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o np r o c e s si n c o n j u n c t i o nw i t ht h es u r v i v a lo ft h er w aa l g o r i t h mi sd e s i g n e do p t i c a ln e t w o r k p l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o no ft h ec o r e t h i sp a p e rs t u d i e st h eo p t i c a ln e t w o r kp l a n n i n g s y s t e mi nt h ed e s i g no fr 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 c o n j u n c t i o nw i t ht h ep r o j e c to fw d mo p t i c a ln e t w o r kp l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o n s o f t w a r es y s t e m ，t h ea u t h o rd e s c r i b e dt h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed e s i g n ，s y s t e mp r o c e s s e s a n ds y s t e m su s e di nt h ep r o c e s so fk e yt e c h n o l o g i e s ，f o c u so nt h es o f t w a r eb u s i n e s si n t h ed i s t r i b u t i o n s y s t e ma n dp r o t e c t i o nm o d u l ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e p r o g r a m t h ed e s i 萨c o n s i d e r e dt h en e t w o r ko fn o d e si nt h ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n c a p a b i l i t i e s ，t h ed i f f e r e n tb u s i n e s ss t r a t e g i e st op r o t e c ta c c e s sa n dt h ep r o t e c t i o no ft h e r e s o u r c e s h a r i n gi s s u e f i n a l l yi na c c o r d a n c ew i t ht h ed e m a n d so ft h ee n g i n e e r i n g , i m p l e m e n tt h ef u n c t i o no fd i s t r i b u t i o nb u s i n e s sa n dt h ep r o t e c t i o ni nt h ew a v e l e n g t h r o u t i n gn e t w o r k t h ea r t i c l ew e n to nt h ed y n a m i cc i r c u m s t a n c e sw d m o p t i c a ln 咖o r kr o u t i n ga n d w a v e l e n g t h a s s i g n m e n t c o n d u c t e d i n d e p t h s t u d i e s ，s u m m a r i z e di nt h er 伽貉 p r e d e c e s s o r so nt h ei s s u eo fr e l e v a n ts t u d i e s p u tf o r w a r dt h ei n n o v a t i v es p l g a l g o r i t h ma n ds p m fa l g o r i t h mi nt h es p a r s e - p a r t i a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nc o n d i t i o n s s p l ga l g o r i t h mb a s e do nt h eh i e r a r c h i c a lg r a p hm o d e li nt h en e t w o r ko fs m a l l e r p a r a l l e lc i r c u m s t a n c e st or e s o l v es o m eo fw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nn e t w o r kr o u t i n ga n d w a v e l e n g t ha s s i g n m e n ti s s u e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h md o e sn o t i n c r e a s ei nt h er a t eo fn e t w o r kc o n g e s t i o ns i t u a t i o nt o i m p r o v et h ee 币c i e n c yo ft h e a l g o r i t h m n ep a t ho fe l e c t i o ni s s u e si d e n t i f i e di nan u m b e ro fb a c k u pr o u t i n g ，a n di n a c c o r d a n c ew i t ht h eo r d e ro fac e r t a i ns o r t s p m fa l g o r i t h mw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t 1 1 p r o g r a mt h r o u g ht h em a t r i xc a l c u l a t i o ng o ta l la v a i l a b l ew a v e l e n g t h sc o l l e c t i o n a n d s e l e c tt h en u m b e ro fc o n v e r s i o n sa tl e a s to n es e ta st h ew a v e l e n g t ha s s i g n m e n to f t h e r e s u l t s f i n a l l y , s i m u l a t i o nt e s t sv e r i f i e dt h ep e r f o r m a n c eo f t h ea l g o r i t h m k e y w o r d s ：w a v e l e n g t hr o u t i n gn e t w o r k ，n e t w o r kp l a n n i n g a n do p t i m i z a t i o n ， r o u t i n g a n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ，n e t w o r ks u r v i v a b i l i t y , p a r t i a lo ft h e o p t i c a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n i i i 图目录 图目录 图2 一l 光交叉互联器原理6 图2 2 波长转换原理7 图2 - 3 光层保护恢复方案9 图2 - 41 + 1 保护1 0 图2 5l ：1 保护10 图2 - 6l ：n 保护l l 图2 7o c h - d p r i n g 工作原理1 2 图2 8o m s s p r i n g 工作原理13 图2 - 9 网状光网络的保护方案1 5 图3 1 网络规划与优化系统软件体系结构1 9 图3 2 系统工作流程图2 1 图3 3 业务分配与保护用例图2 3 图3 4 光路需求2 7 图3 5 邻接图2 7 图3 - 6m e s h 网容量约束下的波长路由流程3 l 图3 7m e s h 网容量约束下的波长路由流程3 2 图3 - 8m e s h 网无容量约束下的波长路由流程3 3 图3 - 9m e s h 网容量约束下的业务分配流程3 5 图3 一l om e s h 网无容量约束下的业务分配流程3 6 图4 1 波长路由光网络4 3 图4 2 物理网络与对应的分层图4 9 图4 - 3n s f n e t 物理网络拓扑图5 2 图4 4c e r n e t 物理网络拓扑图一5 2 图4 5s p l g 算法与a l g 算法在n s f n e t 网络下阻塞率的比较一5 3 图4 6s p l g 算法与a l g 算法在c e r n e t 网络下阻塞率的比较5 3 图4 7s p l g 算法与a l g 算法在n s f n e t 网络下效率的比较5 4 图4 - 8s p l g 算法与a l g 算法在c e r n e t 网络下效率的比较5 4 图4 9s p m f 波长分配方案5 9 图4 - 1 0 举例说明s p m f 波长分配算法6 0 图4 1 1 不同k 参数s p m f 算法在n s f n e t 网络下阻塞率的比较6 2 图4 - 1 2 不同k 参数s p m f 算法在c e r n e t 网络下阻塞率的比较6 2 图4 - 1 3s p m f 算法、f f 算法以及s pl g 算法阻塞率的比较6 3 图4 1 4s p m f 算法与s pl g 算法在n s f n e t 网络下效率的比较6 4 图5 一ln e t n u m e n t o p 系统主界面6 5 图5 - 2 业务矩阵属性设置窗口6 6 图5 - 3 业务编辑窗口6 6 图目录 图5 - 4 区域参数设置窗口6 7 图5 5 节点波长参数设置窗1 5 1 6 7 图5 - 6 业务分配窗口。6 8 图5 7 查看路由窗口7 0 v i i 表目录 表目录 表3 1s d h d w d m 网络层次结构2 0 表3 - 2t a p r 模块的具体实现( s d h 层w d m 层) 2 5 表3 3t a p r 模块( s d h 层w d m 层) 输入输出数据列表3 7 表3 4t a p r 模块( s d h 层w d m 层) 内部数据结构列表3 8 表4 - 1n f s n e t 网络k t h 部分路由结果5 7 表5 1 节点与链路对应关系6 8 表5 2 业务信息列表6 9 表5 3 业务分配结果列表7 0 表5 - 4 业务分配成功次数比较列表。7 1 v i i i ， 缩略词表 英文缩写 d w d m i l p k s p o t n o a d m 0 x c r 弭强 s d h s r l g s p p s t m v w p w d m w i x c w r o n w p w s x c 英文全称 缩略词表 d e n s ew 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 i n t e g e rl i n e a rp r o g r a m ks h o r t e s tp a t h s o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k o p t i c a la d d & d r o pm u l t i p l e x o p t i c a lc r o s sc o n n e c t 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 s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k s h a r e dr i s kl i n kg r o u p s h a r e dp a t hp r o t e c t i o n s y n c h r o n o u st r a n s p o r tm o d u l e v i r t u a lw a v e l e n g t hp a t h 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 w a v e l e n g t hi n t e r c h a n g i n gc r o s s c o n n e c t w a v e l e n g t hr o u t e do p t i c a ln e t w o r k w a v e l e n g t hp a t h w a v e l e n g t hs e l e c t i v ec r o s sc o n n e c t 中文释义 密集波分复用 整数线性规划 k 最短路由 光传送网 光分插复用器 光交叉连接 路由与波长分配 同步光网络 共享风险链路组 共享通路保护 同步传送模块 虚波长通道 波分复用 波长转换交叉连接器 波长选路光网络 波长通道 波长选择交叉连接器 主要数学符号表 符号类别 变量 矩阵 集合 数学符号li 主要数学符号表 示例 口 d 矿= v i f = l ， x 字体、说明或用法 斜体字符 大写粗体字符 大写斜体字符 求a 的大d , 权值个数 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 及取得的研究成果。据我所知，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 获得电子科技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 说明并表示谢意。 签名： 签二建日期：2 。口参年s 月) 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 垂：逮兰 导师签名： 日期：2 ，o o 客年罗月哆日 第一章绪论 1 1w d m 光网络的发展 第一章绪论 随着科学技术的发展，我们的社会进入了一个前所未有的信息爆炸时代。多 媒体通信业务的出现，个人电脑和因特网的发展以及移动电话等个人通信业务的 普及对传输网络的容量要求越来越大。这种要求的最直接表现就是出现了所谓的 “光纤耗尽”现象，即原先埋在地下的光纤都用完了。因此，如何增加光纤网络 的容量及灵活性是我们迫切需要考虑的问题。 为解决网络传输容量需求不断增加的问题，s d h 传输速率被不断提升，但由 于受到光纤物理特性限制和系统高成本的影响，使得单路波长的传输速率逐渐趋 近上限，因而现实的进一步大规模扩容的出路是转向光的复用方式，因此提出的 各种复用技术成为解决问题的关键。由于光纤具有巨大的潜在带宽( 接近5 0 n s ) ， 同时还具有成本低、信号失真和衰减低等优点，因此目前在骨干网络中多使用光 纤链路来传输数据。目前光通信的复用技术有波分复用( 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 ) 、时分复用( t d m ，t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 和码分复用 ( c d m ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 【l 】，其中t d m 和c d m 对电子器件的速率要 求很高。例如，传统的s d h 网络( s y n c h r o n o u sd i 西t a lh i e r a r c h y ) 只能以特定的 传输速率( 2 5 g b i t s ，1 0 g b i t s ，4 0 g b i f f s 等) 在光纤中的单个波长信道上传输数据， 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。考虑性能价格比的 实际因素，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 分复用来提高传输容量的做法已经逐渐接近极限，没有太多的潜力可挖，唯一现 实的出路是转向光的波分复用。而在w d m 中，电子设备的速率只需是一个波长 信道上的速率即可( 波长通道的速率在理论上是可以任选的) 。因为w d m 对电子 速率没有特别的要求，所以它成为最吸引人的光域复用技术。 1 9 8 6 年英国南安普顿大学制做出了最初的掺铒光纤放大器。它能直接对 1 5 5 0 n m 波长的光信号进行放大，这一贡献对光纤通信的发展具有重大意义。掺铒 光纤放大器的意义不仅在于可进行全光中继，更为突出的是在波分复用( w d m ) 光纤通信系统中的应用。波分复用是在一根光纤上传输多个光通道，从而充分利 用光纤宽带，有效扩展通信容量的光纤通信方式。由于掺铒光纤放大器具有3 5 n m 电子科技人学硕十学位论文 的带宽，可覆盖1 5 3 0 1 5 6 5 n m 波分复用信号的频带，因而用一支掺铒光纤放大器 就可以取代与信道数相应的光电光中继器，实现全光中继。这极大地降低了设备 成本，提高了传输质量。这一优越性推动了波分复用技术的发展。 波分复用技术，特别是密集波分复用( d w d m ) 技术，可以充分挖掘光纤的巨大 带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。自从1 9 9 1 年朗 讯公司提供了第一个实用的w d m 以来，波分复用解复用器、e d f a 、激光外调制、 色散管理等关键技术日趋成熟。1 9 9 5 年以后，国际上大容量d w d m 系统开始商用， 全球范围内迅速形成采用d w d m 系统对现有光纤通信系统传输容量进行扩容的 浪潮。截至2 0 世纪末，d w d m 系统实验室水平的传输容量已达6 4 t b i t s ，1 6 t b i 低 和3 2 t b i t s 的d w d m 系统也处于开发中。商用的d w d m 系统传输容量已达 4 0 0 g b i t s ，1 6 t b i t s 和6 4 t b i t s 的d w d m 系统即将投放市场。同时，波分复用技 术复用的波段由常规波段( c 波段) 向长波段( l 波段) 和短波段( s 波段) 拓展，1 0 0 个波 长通道的传输设备已经商用，2 0 卜1 0 0 0 个波长通道的传输系统正处于开发中。 2l 世纪初期，商用的d w d m 系统传输容量已达4 0 0 g b i t s ，那时1 m i t s 的 总容量也已突破，c i e n a 公司已经研发1 6 t b i t s 的系统；朗讯贝尔实验室的科研 人员认为商用的d w d m 系统容量最高将达到1 0 0 t b i t s 。截止到2 0 0 7 年，商用最 高光纤传输容量为1 6 t b i t s ，使用波段也从c 波段到l 波段，以至s 波段，朗 讯和北电网络提供的该类产品都采用1 6 0 1 0 g b i t s 方案，它在我国多个运营商 的网络中得到应用；以1 0 g b i t s 为基础的d w d m 系统己逐渐成为核心网的主 流。dwdm 系统除了波长数和传输容量不断增加外，光传输距离也从6 0 0 k m 左 右大幅度扩展到2 0 0 0 km 以上。1 2 8 t b i t s ( 1 2 8 1 0 g b i t s ) 的d w d m 系统已达 到无中继传输8 0 0 0 km ；实验室最高记录已达4 0 g b i t s 无电再生传输1 0 0 0 0 k m 。 光纤通信的高速发展及优越的性能使通信网的全光化成为必然趋势。目前光 纤通信的容量以每9 个月增加l 倍的速度发展，预计在今后的1 0 年内，光纤通信的 传输速率将提高1 0 0 倍，这意味着将可以为用户提供几乎无限的带宽。2 l 世纪的通 信网将成为光子网络，载有信息的光子将直接进入城域网、企业网、路由器和服务 器，甚至用户家庭。 1 2课题研究背景及意义 随着现代社会的飞速发展，通信在促进社会进步和经济发展，以及推动文化 交流等方面己具有了不可替代的作用。而通信网络是实现通信的基础设施，如何 2 第一章绪论 才能建设出既经济合理，又能满足用户各种需求的通信网络，一直是业界的热门 话题，也一直是困扰从业者的问题。通信需求纷繁复杂，通信技术日新月异，通 信市场千变万化，这些都对从业者的素质提出了很高的要求。把握时代前进的脉 搏，看清网络发展趋势，准确掌握网络过去、现在与未来需求的有机联系，做好 网络规划，是高起点建设最佳通信网络的必要条件【2 】。 国内外电信运营商和设备厂商也已经意识到对网络进行优化所带来的巨大经 济效益，特别是随着国内电信运营业竞争格局的形成，各大运营商为提升自身竞 争力，需要不断的优化现有网络、推出新业务、提升服务水平。因此，科学地进 行网络的优化已经成为运营商重点考虑的问题。而对于设备厂商来说，随着技术 的进步和市场需求的变化，其扮演的角色已经从过去单一的设备提供商，转变成 要求能够提供设备的应用、组网乃至运营等一系列解决方案的提供商角色。在这 种情况下，也迫切需要一套适合于自己要求的网络优化工具，以便能够更好地满 足运营商要求，提供优质的服务，增强自身的竞争能力。 针对目前对网络优化工具的市场需求，国内外各大公司、研究机构都已经展开 了广泛深入的有关网络优化技术的研究，并随之出现了不少基于某些特定的专业 网络的分析、规划、优化软件，而且这些工具也正不断地向智能化的方向发展。 通过合理、有效地利用这些新开发的软件工具和手段，可以大大提高网络优化的 效率，使整个网络达到最佳状况，使有限的资源得以高效的利用。但是现有的关 于通信网络优化的实用软件大都是针对无线网络提出的，如p l a n e t 、w i z a r d 、 n e t p l a n 、c e 4 等，其目标是提高频率资源的利用率、改善频率覆盖范围、提高 接通率等。而适用于光网络优化的软件还不多，基本上是由各大运营商或各大设 备厂商针对特定的网络环境而开发的专用软件，适用范围和功能性方面都还存在 不少缺陷。因此有必要对光网络优化技术进行研究，设计一套适用于光网络优化 的通用软件系统。 1 3国内外的研究现状 目前现有的关于通信网络规划的研究成果大都是针对无线网络提出的，目标 是提高频率资源的利用率、改善频率覆盖范围、提高接通率等等。而适应于 s d h w d m 传输网规划的专利几乎还是空白。业界常用的规划软件有p l a n e t 、 w i z a r d 、n e t p l a n 、c e 4 等，这些工具软件也主要是适用于移动通信网络开 发的，而适合于光纤传输网络规划和优化的软件还不多，基本上是由各大运营商 3 电子科技火学硕十学位论文 或各大设备厂商针对特定的网络环境而开发的专用软件。典型的有： v p i 公司开发的v p i s y s t 一系列软件，可以提供电信业务规划、光传输网 络规划和优化等功能。 c i e n a 公司2 0 0 3 年推出了基于j a v a 技术的综合网络设计工具软件l i g h t w o r k s o n d e s i g n e r ，该软件工具采用开放式的体系架构，可以自动实现网络规划的设计、 模拟和验证，能够同现有的网络运营之处系统o s s 以及其它设计工具相互交流。 n e c2 0 0 5 年推出的网络规划、优化总体支持工具w - c a r d ，该系统可以在 多方面对网络的规划和优化提供支持。 除此以外，a l e a t d 、l u c e n t 、n o r t e l 等著名大公司也相继拥有自己开发的光传 输网络规划和优化的软件系统。 目前我国的自主研发的传输网规划与优化软件暂时缺乏，主要是采用人工方 式进行网络的规划与升级，而优化也只能在小范围内局部实现，难以从全局长期 实现最优。业务规划与优化系统的研究仍然具有很大潜力。 本文的研究是围绕电子科技大学和国内某大型通信企业的合作项目开展的， 项目的主要内容是开发出一套名为“n e t n u m e n t o p 的光网络规划与优化软件系 统。 1 4 主要工作及创新点 本人在“n e t n u m e n - t o p ”光网络规划与优化软件系统项目的开发与研究工作 1 )参与设计了面向工程的光网络优化软件系统，并负责了软件业务分配 与保护模块的设计与实现，改进了一期项目中业务分配算法，使之更符合 实际工程的情况。负责了相关模块系统设计、详细设计以及测试文档的编 写工作。 2 )针对w d m 环状网络中部分节点具有部分波长转换能力的实际需求， 提出了适用于环网的波长分配算法。该算法简单且易于工程实现，可以根 据不同的业务需求选用不同的波长选择策略，具有较大的灵活性，是本论 文的第一个主要创新点。 3 )针对w d m 网状网络中部分节点具有部分波长转换能力的实际需求， 提出了分别适用于不同网络规模的路由与波长分配问题的s p l g 算法和 s p m f 算法。针对不同的网络规模，使用不同的路由与波长分配策略，在 4 第一章绪论 兼顾网络负载均衡的同时更有效地分配业务的工作和保护通道，最大可能 地共享保护资源，降低业务的阻塞率。算法已应用于n e t n u m e n t o p 软件 项目，解决了工程中部分波长转换网络的r w a 问题，是本论文的第二个 主要创新点。 1 5论文结构及内容安排 w d m 全光网络中的光交叉连接节点( o x c ) 引入了波长转换功能，提高了波长 利用率，降低了波长阻塞发生的概率。但是由于全光波长转换器技术和价格等因 素的限制，全光网络的商业化运行目前还不成熟。基于上述考虑，本文主要研究 在给定网络拓扑、有限范围波长转换节点、波长数和业务需求的条件下，w d m 网 络的路由与波长分配问题。 本论文的组织结构如下： 第二章首先介绍了w d m 光网络涉及到路由与波长分配问题的相关背景知识。 重点介绍了w d m 光网络中的生存性问题。规划系统项目中需要根据不同的业务 需求提供不同的保护策略来保证服务的可靠性。 第三章主要介绍了“n e t n u m e n - t o p ”光网络规划与优化软件系统的架构设计、 系统工作流程以及系统实现过程中采用的主要关键技术。基于作者参与开发的 n e t n u m e n t o p 软件，重点研究了软件系统中业务分配与保护模块的设计与实现方 案，按照工程化的要求，考虑不同的网络节点波长转换能力，不同的业务保护策 略，最大程度的共享保护资源，来实现该模块在波分路由网络中的业务分配与保 护的功能。 第四章对网络优化设计中的r w a 问题进行了进一步的深入研究。首先提出了 适用于小规模网络路由与波长分配并行算法一s p l g 算法，算法使用分层图模 型一次性解决网络中的路由与波长分配问题。进而提出了路由与波长分配分解算 法一s p m f 算法，降低问题复杂度的同时兼顾负载均衡。最后通过仿真试验对算 法的性能进行测试。 第五章通过模块功能仿真测试，验证了业务分配与保护的功能实现， 最后一章总结全文并对同领域的研究方向进行了展望。 5 电子科技人学硕士学位论文 第二章w d m 光网络背景知识介绍 2 1w d m 波长路由网络 波分复用网络在网络节点与它们的用户或者客户之间提供线路交换的端到端 的光学信道或是光学通道。在两个网络节点之间的光学通道由一个光学信道或者 波长构成，两个网络节点路由通过多个中间结点。中间结点可以进行开关转换和 转换波长。因此这些网络可以被认为是波长路由网络( w r o n ，w a v e l e n g t hr o u t e d o p t i c a ln e t w o r k ) 1 3 】【4 1 。 网络由通过光纤链路互联的光线路终端( o p t i c a ll i n et e r m i n a l ，o l t ) 、广分插 复用器( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r , o a d m ) 以及光交叉互联器( o p t i c a l c r o s s c o n n e c t ，o x c ) 组成。另外，光线路终端( o l t ) 、光分插复用器( o a d m ) 和光交叉互联器( o x c ) 自身可带有光学放大器可以补偿损耗。波长路由节点中 最重要的器件就是光交叉连接器，如图2 1 所示。 2 输入 n 解复用器复用器 2 出光纤 n 图2 1 光交叉互联器原理 波长路由网络是通过光通道( 1 i g h t p a t h ) 来实现通信的。光通道就是网络节点 之问的全光通信信道，拥有极高的带宽，可以跨越多个光链路。一条光通道中间 节点处的o x c 负责为光通道提供光域的路由，终端节点则把接收器或发射器调谐 6 第二二章w d m 光网络背景知识介绍 到特定波长上，以建立波长信道。 波长路由网络中的多个光学通道可以使用相同波长，只要它们不在任何链路 上重叠。这种空间上的再利用能力允许此类网络使用有限数目的波长来支持大量 的光学通道。对于没有波长转换器的波长选路光网络，能建立的光通道只能是波 长通道( 岍) ，在已经给定路由的情况下网络进行信道分配必须遵循以下限制条件 【5 】： ( 1 ) 波长连续性限s t j ( 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 t ) ：w r o n 的节点对之间 所建立的光通路必须在其路由的所有链路上使用同一波长。 ( 2 ) 不同信道分配限$ | j ( o i s t i n c tc h a n n e la s s i g n m e n tc o n s t r a i n t ) ：即同一根光纤 上的不同光通路不能使用同一波长。 若波长路由网络中有节点具有波长转换能力，则光学通道沿着它们的路由可 能会经历波长转换。波长转换可以在网络内部提高波长的利用率。如图2 2 所示， 在三节点网络中的每个链路可以携带三个波长。目前在这个网络中的每条链路上 建立一个光学通道，并且在节点a 和节点c 之间需要建立一条新的链路。图2 2 ( a ) 所示的情况是，节点b 不能执行波长转换功能。尽管在网络中有空闲的波长，两 个链路中共用相同的波长是不可能的。结果我们无法建立所需要的光学通道。另 一方面，如果节点b 可以转换波长，那么我们可以建立如图2 - 2 ( b ) q 虚线所示的光 学通道。 五 五 丑 五 五 五 abc ( a ) 节点b 不转换波长 ab c ( b ) 节点b 可以转换波长 图2 - 2 波长转换原理 一7 电子科技大学硕+ 学位论文 波长路由光网络中的节点可以将输入的光学通道波长转换到任何输出的波 长，这种类型的波长转换被称为全波长转换。具有全波长转换的网络节点，就不 存在波长连续性的限制，若网络中所有的节点都具有全波长转换能力，则相应的 w d m 网络模型等价于传统的电路交换模型【6 1 。 2 2w d m 光网络生存性 提供失效修复的能力是许多高速网络的一个重要的需求。随着这些网络携带 的数据越来越多，一个与网络相关的中断所引起的破坏的量也变得越来越重要。 一个连接在它的源和目的之间将被路由通过网络中的许多节点，沿着它的路径存 在着较多的网络元器件，都有可能失效。获得9 9 9 9 的可用性的惟一实际的方法， 是使得网络具有可生存性。可生存性就是在失效时能够继续提供服务。保护切换 是用来确保网络生存性的关键技术。这些保护技术包括在网络中提供一些冗余的 容量，以及使用这个冗余容量对失效的信息通量进行自动路由选择。 2 2 1w d m 光层保护和，恢复技术 提高w d m 光网络的生存性可以采用的生存性机制有两种：基于专用资源的 保护和实时寻找可用资源的动态恢复。在保护方案中，网络提供的生存性服务是 利用专用的、预留的资源实现的，可以分别针对每个可能的失效预留专用的空闲 资源，也可以在多个不会同时出现的失效之间共享这些空闲资源。在恢复方案中， 控制机制是在网络部件出现失效以后、实时地寻找可用资源来恢复受影响的业务。 相比之下，动态恢复方案在资源利用率上高于保护方案，因为前者实现了空闲资 源的完全共享。并且由于恢复是实时寻找可用资源，因此可以应付多种类型的失 效( 如多链路同时失效) 但是恢复机制的缺点是控制复杂，业务恢复慢，恢复时 间相对较长。另一方面，保护机制能够获得更快的恢复速度，并且能够确保1 0 0 的