（计算机应用技术专业论文）mplms实现ip+over+wdm的服务质量.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在过去的2 0 年中，i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 络和基于i p 网络的数据业务量的增 长如火如荼，传统光网络正朝着适于传输i p 业务的新一代光网络演进，这使得对 于基于下一代高速宽带网络尤其是i po v e rw d m 的研究成为世界瞩目的焦点。 过去几年，人们致力于研究硬件实现的高速电i p 路由器。i p 路由器现在可以 达到几百g b p s 的容量，但是仍不能达到w d m 光纤的传输容量要求。这是因为在 现有的分层结构中，网络各层功能重叠，复杂的分层处理过程所带来的网络服务 效率低下，这种结构已经不能适应网络的发展，需要重新设计整个网络结构来满 足i n t e m e t 增长对带宽的需求。i po v e rw d m 由于没有中间层，避免了中间层 s o n e t s d h 和a t m 层的功能冗余，被认为是下一代因特网最有前途的解决方 案。本文研究的目的就是如何实现i po v e rw d m 。通过引入多协议标签交换( m p l s ) 流量工程控制技术与光交叉连接相结合的一种新型光互联技术多协议波长标 签交换( m p l m s ) ，对原来a t m 、s d h 等的功能进行r 再新分解和整合，简化i p 到w d m 的中间层次。 论文研究和分析了m p l m s 网络的基本原理，提出了m p l m s 的控制平面模型。 探讨了基于m p l m s 的控制平面技术的几个功能模块及结构。 研究分析了波长标签的格式以及分配协议之后，提出了将优先级到标签的映 射方法和具体的实现格式，为实现q o s ( 服务质量) 提供保障。 为能在标签的分配中更好地体现q o s ，本论文重点对标签的分配策略进行分 析和设计，提出了一种新的反馈式轮转调度算法。在对w f q ( w e i g h t e df a i rq u e u i n 9 1 加以改进的基础上，将w f q 与反馈式轮转调度算法相结合，实现种新型的标签 分配算法。 采用网络仿真工具o p n e t 设计了基于m p l m s 的w d m 光网络仿真平台，并 对标签分配算法进行实验仿真。仿真结果表明，这一新型的标签分配算法的传送 延迟少，能够改善i p 的服务质量，具有较好的性能和更强的适应性。 本论文提出的轮转调度和公平排队调度算法相结合的新型算法对网络的优化 设计和全光网络中路由器的研究都具有重要借鉴作用。 关键词：i po v e rw d m ，服务质量，多协议波长标签交换，统控制平面 轮转调度，分组调度 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep a s t2 0y e a r s ，t h ei n t e r n e tt r a f f i c ，i pb a s e dn e t w o r k sa n da p p l i c a t i o n s a r eg r o w i n ga te x p o n e n t i a lr a t e ，t r a d i t i o n a ln e t w o r k sa r ee v o l v i n gi n t oan e w g e n e r a t i o no p t i c a ln e t w o r k sw h i c ha r ef i tf o rt r a n s m i t t i n gi pt r a f f i c t h i sh a sm a d e aw o r l d w i d ef o c u st or e s e a r c ht h ei pb a s e dh i g h s p e e db r o a d b a n dn e t w o r k s ， e s p e c i a l l yt h ei po v e rw d m t h ep a s ts e v e r a ly e a r sh a v es e e ng r e a te f f o r t si nb u i l d i n gh a r d w a r e - b a s e d h i g h - s p e e de l e c t r o n i ci pr o u t e r s i pr o u t e r sw i t hc a p a c i t yu pt oaf e wh u n d r e d g i g a b i t sp e rs e c o n da r ea v a i l a b l en o w h o w e v e r ，t h e r ei ss t i l las e r i o u sm i s m a t c h b e t w e e nt r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo fw d mf i b e r sa n dt h e s w i t c h i n gc a p a c i t yo f e l e c t r o n i ci pr o u t e r s i ti st h a ti nc u r r e n tl a y e r e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r ec a u s e db y m u l t i l a y e rf u n c t i o n a ld u p l i c a t i o n a n dc o m p l i c a t e d p r o c e s s i n g t h el a y e r e d n e t w o r ka r c h i t e c t u r ei sn ol o n g e ra d a p t e dt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e t w e n e e dt od e s i g nn e wn e t w o r ka r c h i t e c t u r et om e e tt h eb a n d w i d t hr e q u i r e m e n to f i n t e r n e tt r a f f i c i po v e rw d mi sc o n s i d e r e da sap r o m i s s i n gs o l u t i o nf o rt h en e x t g e n e r a t i o ni n t e r n e ts i n c ei th a sf e w e ri n t e r m e d i a t el a y e r sa n dc a nv o i ds o m e f u n c t i o n a l i t yr e d u n d a n c yi nt h ei n t e r m e d i a t el a y e r sl i k es o n e t s d h t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e e ri sh o wt or e a l i z et h ei po v e rw d m w ei n t r o d u c e m p l m st e c h n o l o g y ，w h i c hc o m b i n e sm p l st r a f f i ce n g i n e e r i n gc o n t r o lo v e r o p t i c a ln e t w o r k b yd e c o m p o s i n ga n dr e o r g a n i z i n gt h ef u n c t i o n a l i t yo fa t ma n d s d h ，w es i m p l et h em i d d l e l a y e ro fi po v e rw d m i nt h i sp a p e r ，a f t e rs t u d y i n ga n da n a l y z i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm p l m s ，w e d i s c u s st h et e c h n o l o g yo fm p l m su n i f i e dc o n t r o lp l a n e p a r t i c u l a r l yt h ef u n c t i o n a l m o d u l e sa n dt h ef r a m e w o r kf o rt h eu n i f i e dc o n t r o lp l a n ea r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l a f t e rs t u d y i n gt h es t y l eo fw a v e l e n g t hl a b e l ，w eb r i n gf o r w a r dt h em e t h o do f m a pf r o mp r i o r i t yc l a s st ow a v e l e n g t hl a b e l f i n a l l y ，t h es t r a t e g yo fl a b e l d i s t r i b u t i o ni se m p h a s i z e dt od i s c u s s e d ，a n dan e wf e e d b a c kr o u n dr o b i na l g o r i t h m w a sp r o p o s e d o nt h eb a s i so fi m p r o v i n gw f q ，an o v e lc o m b i n e dw f qa n d f e e d b a c kr o u n dr o b i na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt od i s t r i b u t et h el a b e l w ed e s i g na s i m u l a t i o np l a t f o r mu s i n go p n e t 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 ep r o p o s e d a l g o r i t h mc a nr e d u c et h et r a n s f e rd e l a y m o r e o v e r ，p r o v i d eb e t t e rp e r f o r m a n c ea n d s t r o n g e ra d a p t a b i l i t y n 江苏大学硕士学位论文 t h en e wt y p e a l g o r i t h mi s o fi m p o r t a n t r e f e r e n c e s i g n i f i c a n c e t ot h e n e t w o r ke q u i p m e n tp r o v i d e r sa n dt h ew d mr e s e a r c h e r s k e y w o r d s ：i po v e rw d m ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，m u l t i p r o t o c o ll a m b d a l a b e l s w i t c h i n g ，u n i f i e dc o n t r o lp l a n e ，r o u n dr o b i na l g o r i t h m ，p a c k e t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ， n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密臼，在年解密后适用本授权书。 不保密囱。 指导教师签名：荦卸 砌r 年6 月f 阳 石n 、 日q 卜 月氰厂 签 年 者 l 作 似 文 沧 位学 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：、心薹 日期：如。j 年厂月h 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 网络技术的革命从其底层的物理层技术来说经历了三个阶段。第一阶段为基 于铜线和微波无线电技术的网络，它出现于光纤技术之前，全部采用电设备。这 样的例子包括大家已熟知的以太网令牌总线，令牌环等。第二阶段网络已经采用 了光纤传输技术的一些优点。比如激光二极管和光学组件的高速度，以及光纤的 低损耗和色散。这些网络的特点是使用石英光纤来替代铜线的点到点的链路，由 此改善了系统性能，比如提高了数据的传输速率，降低了系统的误码率以及减小了 电磁干扰等。然而相对于第一阶段网络来说，光纤主要是用作传输介质，数据处 理及交换都在电域进行；第二阶段网络的例子包括s d h s o n e t 、f d d i 和d q d b 等。第三阶段网络也就是光网络利用了复用技术，包括波分复用( w d m ) ，光时分 复用( o t d m ) 和光码分复用( o c d m ) 来综合开发光纤巨大的带宽。这方面的一个研 究热点是w d m 全光网( a 1 1 o p t i c a ln e t w o r k ) ，所谓全光网络是指光信息流在网络 中的传输及交换始终以光的形式存在着，而不需要经过光电、电光转换。 它以波长路由光换技术和波分复用传输技术为基础，在光域上实现信息的高速传 输和交换，数据信号在网络中从源节点到目的节点的传输和处理过程中始终保持 在光域内，从而避免中间节点产生的电子瓶颈。全光网是研究第三代网络的有益 尝试。因为光信号在传输过程中没有经过电的处理，所以基于波长路由的全光网 结数据格式，各种不同的协议和编码形式透明，可以支持各种各样的业务，但是目 前全光网的全网透明性很难实现，而且缺乏光逻辑和光存储的支持，完全在光域 进行处理还有不少困难，因此目前研究集中在光传送网上。 国际电联一电信标准化部f ( i t u t ) 在某些方面1 9 9 7 年4 月定义了光传送网在 光域对客户信号提供传送、复用、选路、监控和生存性功能的实体，公布了关于 光传送网的g o t n 协议。i t u tg o t n 协议与其它其它光联网的建议间的相互关系 可以见图1 1 h 。 9 8 年以后，当i p 越来越成为公认的网络平台后，i t u t 开始与i e t f ( 特网 工程师工作组) 合作，9 9 年8 月宣布全面转向i p 的战略转移，把促进电信网络环 境支持和容纳i p 作为领域内最高优先级的研究工作 3 】，由此推动了研究下一代网 江苏大学硕士学位论文 络，推进电信网和i p 全面融合的高潮。这方面最热的热点起初是i po v e rw h a t 的 讨论，到底采不采用a t m 、s d h 技术是争论的热点，2 0 0 0 年以后，i p o v e r w d m 成为公认的最优模式h ，但是如何实现i po v e rw d m 成为新的焦点。本文的工作 在这样的背景下展开，研究目标在找出一种兼容当前i p 网，并且可以平滑过渡到 以光交换为主的未来网络中的合理的i po v e rw d m 实现方式。 n e t w o r kr e q u i r e m e n t a r c h i t e c t u r e ( g o n r , g o t n ) e q u i p m e n tf u n c t i o n s ( g o e g ，g o e o m a n a g e m e n ta s p e c t s ( g o n m ) i n f o r m a t i o nm o d e ( g o n i ) s t r u c t u r e sm a p p i n g ( g o n s ) p h y s i c a li a y e r r g o n v ) c o m p o n e n t s f g o n e ) 1 2 研究意义 图1 1 i t u to p t i c a ln e t w o r k i n g 建议的相互关系 随着互联网技术的迅速发展，数据业务逐渐成为网络的主流。而传统i po v e r a t mo v e rs d ho v e rw d m 的结构方式却日益成为制约数据业务快速发展的障碍，迫 切需要开发新技术来解决这一问题。m p l s ( 多协议标记交换) 已被证明是一种非常 适合于在电网络中传输数据业务的技术。m p l s 采用流量工程技术，可以满足业务对 服务质量的要求，而受限路由技术和快速重选路由则可实现快速保护和恢复。 m p l m s ( 多协议波长标签交换) 是传统电m p l s 在光域上的扩展，所以，使用m p l m s 技 术完全可使未来的传输网络跨过a t m 和s d h 两层，直接实现i po v e rw d m 。显然，这 种i pv i am p l so v e rw d m 的网络将是一个操作更简单、最适合数据业务传输的网络。 传统的i p 网络不能很好地提供服务质量( o o s ) 和支持流量工程。m p l m s 在本质 上是一种分组转发策略，它能有效地解决传统网络所面l 临的问题并提高其灵活性、 传输速率和节点吞吐量。m p l m s 技术将是未来i p 网络解决q o s 的的一种理想方案。 1 3 国内外研究现状 新兴的光网络起最初只在长途骨干传输网上，如今的w d m 系统已经渗透到 其他很多应用环境中，如边缘、城域和接入段等等。但是在目前的光网络中，数 江苏大学硕士学位论文 据经过网络各个节点时要经过多次的光电、电光的转换，其中的电子器 件存在诸多如带宽限制、高功耗等严重缺点，由此产生了网络中的“电子瓶颈” 现象。 w d m 全光网的研究在9 0 年代中后期是国际上的研究热点，尤为突出的是美国、 欧洲和日本的研究。美国的国防高级研究项目署( d a r p a ) 资助下，组成一系列协 作集团，建设国家规模的全光传送网，有n t o n 、m o n e t 、w e s t 、i c o n 、a o n 、s e c u r e a o n 、 t b o n e 等：欧洲早在8 8 9 4 年期间在先进通信技术研究开发计划( r a c e ) 中就把多 波长传送网( m w t n ) 列为重点，并在通常情况下8 4 - 9 8 年期间过渡到a c t s 计划中。 在欧洲的各个地区和国家又有一系列容量较低的w d m 光传送网建设，如o p e n 网( 分 两部分，比利时和法国以及挪威和丹麦合建) 、p h o t o n 网( 德国、奥地利合建) 以 及k e o p s 、m e t o n 和w o t a n 及法国的a 1 c a t e l 网等。日本以大公司为主，有一系列 的网络建设，如n t t 的光路网( o p n ) 等。国内有北京大学、清华大学、北京邮电 大学和上海交通大学以及烽火通信科技股分有限公司等一批研究机构，都较早地 开展了这方面的研究工作f 5 j 。 i t u t 从网络级的观点对光光传送网的功能结构进行了描述，使它成为解决当 今通信容量急剧增长压力的主要技术途径，但是以9 9 年以后，由于市场的推动和 i p 网本身的一些优点，开放灵活的因特网( i n t e r n e t ) 成为最能满足用户对新业务、 新技术追求的选择，i p 网已经成为实现有线电视网、电信网和计算机网的三网合 一公认的网络平台，由此带来的i p 通信业务量的爆炸式增长已成为世界注目的焦 点和推动全球信息业发展的主要力量。因此，为了满足迅速增长的用户数、用户 需求和适应多媒体通信的广泛应用研究下一代宽带i p 网( 或称为下一代的光传送 网) 已成为世界各国竞相追逐的一个焦点。美国、欧洲、加拿大和日本等发达国家 都已投入巨资建设i p 宽带实验网。 有关光因特网的几个典型例子是美国的n g i ( h t t p ：w w w n g i o r g ) 、 i n t e r n e t i i 、a b i l e n e 和加拿大的c a * n e t 3 ( h t t p ：w w w c a n a r i e c a 或 h t t p ：w w w c a n e t 3 n e t ) 。我国也于近年内启动了几个国家级宽带网建设与研究 项目，其中较著名的有国家自然基金委建设的中国高速互连研究试验网n s f c n e t ； 中科院的中国先进互联网络c a i n e t ，这三个试验网络主要是为宽带i p 网络技术、 设备及先进的应用提供一个研究与试验平台( t e s tb e d ) ；而于2 0 0 0 年l o 月开通 的中国网通宽带高速互联c n c n e t 则是直接采用i p d w d m 技术建设的商业化大型高 速宽带网络。 江苏大学硕士学位论文 i p 网的宽带化主要依靠下层技术，如a t m 、s d h 、w d m 等。目前，几种承载i p 的方式为：i po v e ra t mo v e rs d ho v e rw d m 、i po v e rs d ho v e rw d m 等等。随 着i n t e r n e t 流量的迅速膨胀，这类技术的固有缺陷也逐渐暴露出来。如：系统冗 余、运营成本高、光层不具有智能，其资源调度策略不能与i p 业务的统计特点相 匹配，资源利用率低等。这就迫切需要一种新的方法来承接i po v e rw d m ，这f 是 本文的研究重点。 1 4 论文的研究的内容及关键技术 本文研究的目的是简化i p 到w d m 的中间层次，解决i p 技术如何与w d m 光 网相结合、如何提供保证的q o s 服务等问题。提出了用多协议波长标签交换 ( m u l t i p r o t o c o ll a m b d a l a b e ls w i t c h i n g ，m p l m s ) 来实现w d m 光网络的智能管理，使 用光交叉连接( o x c ) 作为标记交换路由器( l s r ) ，波长作为标签直接采用第一层 ( 光波长级) 的交换来处理第三层的i p 路由转发，将标签与w d m 波长信道关联起 来，其分立波长或光纤信道类似于标签，并通过m p l m s 信令来指配光信道。文章 对m p l m s 构建的新型网络的管理控制平台进行了探讨，建立了统一的控制平面模 型，通过它可将i p 等各种业务无缝的接入到具有巨大带宽的光纤网络上来。论文 研究的关键技术是m p l m s 控制平面的模型建立、利用o p n e t 网络仿真软件建立基 于m p l m s 的i po v e rw d m 模型结构的仿真平台、光网络中的路由技术、为了适应 光网络运用对传统的标签分发协议r s v p - t e 和c r l d p 进行了更新和扩展以及如何 实现标签的分配，将i p 地址映射到标签上，通过标签和波长的映射关系实现全光 网络的传输等等。 1 5 论文的组织安排 全文的组织结构安排如下： 第一章在跟踪国际先进技术的基础上，提出了本论文研究的主要内容。 第二章首先对w d m 光网络的技术进行概述，接着分析了传统的i po v e r w d m 的各种方案。随后着重分析了目前国际上研究最热的将多协议标签交换 ( m p l s ) 流量工程控制技术与光交叉连接相结合的一种新型光互联技术一一多 协议波长标签交换( m p l m s ) 。提出了光网络的发展需要一个统一的控制面，来 完成智能化的资源发现、状态信息散播、通道选择和通道管理：设计出了 m p l m s 的控制面模型的结构。 4 江苏大学硕士学位论文 i p 网的宽带化主要依靠下层技术，如a t e l 、s d h 、w 洲等。目前，几种承载t p 的方式为：i po v e ra t m o v e rs d ho v o _ w d m 、i po v e rs d ho v e rw d m 等等。随 着i n t e r n e t 流量的迅速嘭脏，这类技术的固有缺陷也逐渐暴露出来。如：系统兀 余、运营成本高、光层不具有智能，其资源调度策略不能与i p 业务的统计特点相 匹配，资源利用率低等。这就迫切需要一种新的方法来承揍i po v e rw d ，这下屉 本文的研究重点。 1 4 论文的研究的内容及关键技术 本文研究的目的是简化i p 到w d m 的中间层次，解决i p 技术如何与w d m 光 网相结合、如何提供保证的q 0 s 服务等问题。提出了用多济议波长标签变携 ( m u l d p r o t o c o l1 w n b d a l a b c ls w i t c h i n g ，m p l 珈s ) 来实现w d m 光网络的智能管理，使 用光交叉连接( o x c ) 作为标记交换路由器( l s r ) ，波长作为标签直接采用第一层 ( 光、破长级) 的交换来处理第三层的工p 路由转发将标签与w d 波长信道关联起 泉，其分立驶长或光纤信道类似于标签，并通过m p l m s 信令米指配光信道。文章 耐m p l m s 构建的新型网络的管理控制平台进行了探讨，建立了统一的控制平面模 型，通过它可将i p 等各种业务无缝的接入到具有巨大带宽的光纤网络上来。论文 研究的关键技术是m p l m s 控制平面的模型建立、利用o p n e t 网络仿真软件建立基 于m p 】，m s 的i po v e r 帅帕模型结构的仿真平台、光网络中的踌由技术、为了适应 光网络运用对传统的标签分发胁议r s v p - - t e 和c rl d p 进行了更新和扩展以厦如何 宴现标签的分配，将i p 地址映射到标签上，通过标签祁波长的映射关系实现垒光 网络的传输等等， 15 论文的组织安排 全立的组织结构安排如下： 第章在跟踪国际先进技术的基础上，提出了本论文研究的主要内容 第二章首先对w d m 光网络的技术进行概述接着分析了传统的【po v e r w d m 的各种方案。随后整重分析了目前国际上研究最热的将多协议标签交换 ( m p l s ) 流量工程控制技术与光变叉连接相结旨的一种新型光互联投术一多 协议波长标签交换( m p l m s ) 。提出了光网络的发展需要一个统一的控制面，来 完成智能化的资源发现、状态信息散播、通道选择和通道管理；设计出了 m p l m s 的控制面模型的结构。 m p l m s 的控制面模型的结构。 江苏大学硕士学位论文 第三章分析了m p l m s 网络的基本原理、关键技术；探讨了波长标签的格 式以及波长标签分配协议等重要技术。 第四章节分析了q o s 的意义，提出了用m p l m s 解决服务质量的方案：同 时提出了i p 到标签的映射方法。 第五章中重点对轮转调度算法进行改进，提出了按照优先级划分时间片， 根据实时的队列情况调整时间片的反馈式轮转调度算法。然后，如果分组的长 度不同，要发送的分组又很多，则长的分组的必然影响短的分组服务质量。提出 了一种新型的调度算法反馈式轮转调度与公平排队调度算法相结合的算法。 通过建立的仿真平台上对算法进行仿真测试，并对仿真结果数据进行分析讨论。 江苏大学硕士学位论文 第二章i po v e rw d m 光网络分层体系结构 当今通信领域有两大显著发展趋势：第一，i p 业务流量激剧增长，近几年以 来，传统语音业务每年的增长率只有5 1 0 ，而i n t e m e t 网络规模、用户数量以及 业务量呈指数增长，i n t e m e t 数据业务量在2 0 0 1 年已经达3 5 t b s ，大大超过了话音 业务。随着基于i p 的语音、视频和其它多媒体应用业务的发展，2 0 0 5 年底可望达 到3 0 0 t b s 。今后各种通信业务可能都由i p 分组承载，这将对通信网路的设计产生 重大影响。网络将由基于线路交换、优化承载话音业务向基于分组交换、优化承 载数据业务发展：第二，w d m 技术的成熟使得以较低成本提供巨大的网络容量成 为现实，在此基础上形成了w d m 光层。i t u - t 制定了光传送网( o t n ) 结构标准【3 j ， 详细定义w d m 光层。随着光子技术的发展，光网络日趋完善【6 】，光层实现较完整 的网络互联功能已经成为可能。今后的骨干通信网路将是w d m 光网络。 两大趋势的结合使得如何实现i p 分组在w d m 光网上的优化传输成为当今研 究热点。目前，w d m 光网络尚不具备智能，i p o v e r w d m 只能利用各种成熟的网 络技术，以多层协议栈的方式来实现，但是是随着m p l m s 向光层的渗透，网络的 各层将重新整合，多层协议栈最终将被m p l m s 所代替。本章研究了w d m 网络 技术，比较了正在研究中的各种基于传统协议分层结构的i po v e rw d m 方案。最 后提出了多协议波长标签交换这种新方案以及在这种方案下的统一控制面模型。 2 1w d m 技术 随着通信容量不寻常的增长，i n t e m e t 通信容量的爆炸性增长，骨干网的带宽 显得不够使用。w d m 技术作为提升网络容量的最有效办法，成为研究和商业应用 的热点。w d m 是一种并行传送多个波长通道的技术，其概念提出可以追溯到7 0 年代，但直到8 0 年代末9 0 年代初掺铒光纤放大器得以商用以后，w d m 技术才得 到迅速发展。它开始时的商业应用重点在点到点链路升级。如图2 1 所示，五1 、 a 2 五n 共n 路波长作为信道载波，通过复用器耦合到一个单模光纤中传输，在 传输过程中采用掺铒光纤放大器对信号进行放大以补偿信号在耦合与传输等各环 节中引起的损耗，在传输终点由一解复用器将n 路不同波长的信号分开，经光电 转换后接收，完成n 路信号的并行传输。由于每个通道的传输码率很高，再乘上 通道数，w d m 能够提供的容量非常之大，如c i e n a 的m u l t i w a v e 系列，容量可 6 江苏大学硕士学位论文 以从4 0 g b s 到2 t b s ，而我国的武邮、华为等，容量可以从1 0 g b s 到8 0 g b s 。 图2 1w d m 系统组成 w d m 光网络是一个突破传统电传送网络容量和距离限制的新一代网络，它具有 如下优点： 消除电设备导致的带宽瓶颈：电联网的链路容量受限于单个电中继器的传 输容量，不超过g i t s 。而电联网的节点s d x c ( 电的s d h 交叉连接器) 的吞吐量 大约为1 6 0 3 2 0 g b i t s ，无论节点或链路的容量均无法赶上数据业务量的指数增长 速度。 网络节点更加简单高效：利用光器件的业务透明性，可以研制出具有灵活 疏导业务能力的0 x c ( 光交叉连接器) ，可以在光层高效的完成大量业务的路由功 能，降低了对网络内传输信息的处理复杂度。 大幅度降低建网成本和运营维护成本：光联网可以简化网络层次和结构， 减少网元和电光转换设备的数目，从而也简化了网络管理和规划。 实现网络光层的可重构性：它实现了在波长级、波长组级和光纤级灵活重 组网络，特别是波长级的连接可以提供端到端的波长业务。 实现网络对客户层信号的透明性：允许互连任何新老系统和不同格式的信 号，不仅s d h 信号，而且也可以直接支持i p 、以太网、f r 和a t m 信号等。 2 2 传统的i po v e rf f d m 结构 传统的i po v c rw d m 协议堆栈结构大致可分为两类：开放式和封闭式【7 j ，如 图2 2 所示。封闭式结构以s d h 为基础：开放式则不依赖于s d h 或其它某种时 分复用系统。封闭式结构源于使用w d m 技术扩充s d h 时分复用系统容量。w d m 光层在很多功能上还依赖于s d h ，表现出了一定的协议透明性，问题在于如何提 供一个标准的交接口。 7 江苏大学硕士学位论文 封闭式开放式 图2 2i p o v e r w d m 协议结构 i po v e rw d m 适配的协议分层结构不能用o s i 七层模型简单描述【s j 。例如a t m 和s d h 本身都可以看作还包括若干子层，不能简单归于数据链路层或网络层。图 2 3 表示了修改过的i p o v e r a t mo v e r s d h 协议分层模型。i p 作为网络层，把a t m 层作为自己的链路层，而a t m 层又把s d h 层当作自己的链路层。s d h 层内部包 含三个子层，可与传统分层模型中的网络层、数据链路层和物理层模拟。s d h 通 路层向端结点提供连接，一条连接可包含多条链路和中间结点，可以认为通路层 起到了o s i 模型中网络层的作用。线路层把通道层建立的连接复用到某两个结点 间的物理链路上，并实现保护功能。线路层类似于o s i 数据链路层。s d h 的物理 层则负责最后实际比特流传输。 网络层 数据链路层 网络层 数据链路层 网络层 数据链路层 物理层i s d h a t m 图2 3i p o v e r a t m o v e r s d h 分层结构 在引入光传送网之前，w d m 技术仅限于提供点到点的连接，w d m 网络仅仅 是是相邻路由器间的带宽通道，光层基本不具备智能，其控制由管理系统承担， 网络通过多层协议栈来承载i p 业务。在i t u - - t 定义了光层之后，w d m 不再局 限于o s i 模型的物理层。光层向高层协议提供光通道，也即向两个需要建立连接 的结点提供端到端连接。这条连接可以有多个中间结点，中间链路上的波长可以 江苏大学硕士学位论文 不同。一条光通道的全部容量都用于源和目的地结点间的通信。光层包含三个子 层：光通路层、光复用段层和光传输段层【2 】。光通路层包括数字客户适配和带宽管 理、连接性证实等功能。提供透明的点到点连接，可以传输不同格式( 如s d h 、p d h 、 a t m ) 的数字信号和模拟信号。光复用段层包括带宽复用、线路故障分段保护和保 护切换以及其它传送网强制维护功能。光传输段层管理光信号在介质中的传播和 光放大器故障分析等功能。这三层的功能又分别类似于o s i 模型的网络层、数据 链路层和物理层。引入光层后的s d h 分层结构如图2 4 所示。 s d h 图2 4 引入光层后的s d h 分层结构 以上的多层协议栈结构存在很多不足，集中体现在复杂的层间管理、过多的 开销和功能的冗余上，嵌套形式的分层结构就说明了这点。如i p a t m s d h w d m 方案从i p v c s t m w d m ，整个适配经四层映像，开销很大。表2 1 列出了 几种适配方案的开销情况。i p o v e rs d h 开销显著减少，采用数字链路协议( s d l ) 可进一步降低。w d m 、s d h 、a t m 和i p 都不得有路由、故障恢复的功能，这会 造成资源浪费，还可能出现各层间的相互冲突【9 】。克服上述不足的办法就是实现i p 层与w d m 光层更直接的融合，即i po v e rw d m 。 表2 1 不同封装方法的开销代价和链路有效容量 注：前四种方法中假设链路为s t m 1 6 。后一种的线路速串为i2 5 g b s 2 3 基于分层模型的i po v l 3 rw d m 目前i po v e rw d m 的研究工作主要是讨论如何简化i p 到w d m 的中间层次。 i po v e rw d m 的关键是设计i p 电层与w d m 光层间的适配层。适配层向不同的高 9 江苏大学硕士学位论文 层协议提供光通道，在这里引入了光用户网络接口o u n i 的概念1 0 】，分层模型如 图2 5 所示。 l p m p l m s 光适配层 物理层 图2 5i p o v e r w d m 分层模型 在没有s d h 层定帧时，光适配层需要提供定帧功能。从i p 分组到w d m 层 光通路可以沿用p p p h d l c 定帧，i p p p p h d l c 帧直接映像到光通道上。但目前 认为p p p h d l c 方案不适合于今后的i po v e r w d m 高速网络。h d l c 的b i t b y t e 填 充去除涉及在b i t b y t e 层次的复杂实时操作，在超过1 0 g b s 的高速传输系统中硬 件很难实现，同时也不利于业务量工程和q o s 机制的实现。简单s d l 是一种较好 的选用。s d h 层尽管被省去，但s d h 帧结构的完善的故障监测功能是s d l 不能达 到的，因而可能使用简化的s d h 帧。 光适配层负责管理w d m 信道的建立和拆除，提供光层的故障保护恢复。其 中需要考虑的重要问题包括：光通道路由、网络生存性、故障检测和监控、光层 寻址、业务透明性和服务质量。 光通道路由是光传送网的关键技术。波长路由大大减轻了结点电层的处理负 担。通过在骨干i p 路由器间建立端到端的光通路，使得并无物理链路直接连接的 路由器在虚拓扑图中直接相连。如果波长路由器是动态的，则i p 路由协议在计算 路由时需要考虑到网络拓扑会随网络负荷情况而变。计算路由和波长分配的传统 方法是将i p 路由和w d m 波长分配部分问题分别处理。先按给定的虚拓扑i p 层路 由优化选择，确定了i p 路由表后进行光层的波长路由优化选择。但这两层优化覆 盖的时间范围相差很大，常常导致网络资源的低效利用。如何弥补高带宽、粗粒 度的光通路与低带宽、细粒度的高层i p 分组间的差异是一个需要解决的难题。 如果简化去s d h 层，光层必须提供快速的故障恢复功能。光层以上的高层协 议往往也提供了保护恢复功能，例如i p 层，然而一个很重要的问题是如何协调光 层和高层协议保护机制的动作。目前提出了所谓的“升级策略”( e s c a l a t i o n s t r a t e g i e s ) ，其基本思想是先通过光层实现故障恢复。如在一定时间内故障信号未 解除，再启动高层的保护机制。 s d h 层利用帧开销来检测故障、监控网络性能。目前光层中尚无标准的光通 道故障检测性能监控方案。光监控信道( o s c ) 方案已有应用，但还不普遍。在 1 0 江苏大学硕士学位论文 较长的一段时间内还需要电层帧，可以沿用s d h 帧结构，也可采用全新的方案， 如l u c e n t r j b m rd i g i t a lw r a p p e r 。d i g i t a lw r a p p e r 具有很好的业务透明性，同时也利 于使用前向纠错码( f e c ) 技术。 光适配层需要完成光结点寻址。在广阔的地理区域内实现光网互联需要一套 类似于i p 层的多级寻址方案，需要在光层引入域、子域等概念。定义域间协议使 得域控制器能获得全局拓扑信息、定义域内协议来管理资源分配。目前这方面的 研究刚刚开始，在寻址方案上可以考虑借鉴i p 的a r p 协议、a t m 中的m p o a 协 议或i e t f 的n h r p 协议。 光适配层还应实现网络的业务透明性。为了保证传输质量，在网络中仍然需 要中继器。目前已有与比特率无关的光电中继器，可以实现比特率透明中继。通 过定义0 u n i ，可以实现协议透明性。协议的透明和比特率的透明结合起来就能 保证业务的透明性。 i p 的q o s 机制正在积极研究，而光层的q o s 机制研究才刚起步。在光适配层 中是否应该q o s 的实现机制还有待分析。需要比较q o s 在i p 层实现和光层实现 的利弊，还要考虑有些功能能否在光层上有效实现。 光适配层之下是物理层。物理层负责比特率流的可靠传输，包括光信号的放 大、波长交换、波长转换、光上，下路复用和光电光转换等。基本上是完成i t u t 的g 8 7 3 定义的光传输段功能。 当前i po v e rw d m 研究主要是基于传统的协议分层模型。这种方案易于实现 业务的透明性，但在简化协议堆栈的同时，引入光适配层又给网络带来了新的复 杂因素：另外，这种方案没有充分考虑光网络由线路交换向分组交换网发展对网 络体系结构的影响。i p 正在承载越来越多的业务，今后完全有可能出现i p 一统天 下的局面。此外，目前还有i p 承载a t m 或帧中继等其它业务的研究。因而业务 透明性也许在今后不会成为一个非常重要的因素。 出于以上考虑提出了多协议波长标签交换( m u l t i p r o t o c o ! l a m b d a l a b e l s w i t c h i n g ，m p l m s ) 7 2 y 案【l ”。在i po v e rw d m 的光网络中，随着m p l m s 的应用， 传统的i p o v e r w d m 多层协议栈将逐渐坍塌，网络结构也会得到很大程度的简化， 但是多层协议栈的逐渐坍塌并不是简单地丢弃某些层，而是通过引入m p l m s 技 术，对原来a t m 、s d h 等的功能进行了重新分解和整合：在i p 层由标签交换执 行流量工程；在光层由