（通信与信息系统专业论文）多子网分层式网络资源联合规划算法及性能仿真.pdf

摘要 本文结合华为技术有限公司科技基金项目“大规模网络分层与资源联合规划关 键技术及其实现软件研制”，考虑现有网络模型结构和未来发展的特点，及其对 q o s 的要求，并针对已有研究所存在的问题，在课题组前期研究成果基础上，研 究一种可用于多种网络模型的新型多子网分层式网络路由算法和资源联合调度机 制。其主要特征是实现了q o s 路由策略和分层网络整体资源的联合调度，即考虑 不同用户的q o s 要求，又做到网络资源的最合理利用，达到使网络运营商收益最 大化。 本文详细研究了多子网分层式网络的体系结构及其资源优化算法，在已有算法 的基础上做出改进，使路由策略可用于多种网络模型中，并设计与实现该改进路 由策略的算法软件。通过计算机仿真，从多个方面对所提机制进行了性能分析和 验证，为研制多层混合光网络的路由选择和联合资源规划实用软件，提供了良好 的前期理论和技术基础。最后，作者总结全文，并提出下一步研究工作的方向。 关键词：服务质量，多子网结构，分层式网络，资源联合调度，下一代网络 a b s t r a c t s p o n s o r e db yt h et e c h n o l o g yf u n dp r o j e c tn a m e d k e yt e c h n o l o g ya n di m p l e m e n t i ns o f t w a r ei n l a r g e - s c a l el a y e r e d n e t w o r ka n dr e s o u r c ej o i n tp r o g r a m m i n g o f h u a w e it e c h n o l o g i e sc o l t d ，t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e st h em e n c h i s mo ft h e r o u t i n ga l g o r i t h ma n dr e s o u r c ej o i n t e dp l a n i n gu s e di nm u l t i s u b n e th i e r a r c h i c a l n e t w o r k s ，w h i c hc a nb eu s e di nv a r i o u sn e t w o r km o d e l s c o n s i d e r i n gp r e s e n tn e t w o r k s s t r u c t u r e ，f u t u r ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e q u i r e m e n t so fq o s ，t h a tm e n c h i s mi s b a s e do nt h ep r e v i o u se f f o r to ft h er e s e a r c hg r o u p ，a n di s t oo v e r c o m et h ee x i s t i n g p r o b l e m s i nc u r r e n ts t u d i e s t h em a i nc h a r a c t e ro ft h a t m e c h a n i s mi st h e i m p l e m e n t a t i o no fq o sr o u t i n ga n dt h er e s o u r c e sj o i n tp r o g r a m m i n gi nt h ew h o l e l a y e r e dn e t w o r k ，i e i tc o n s i d e r e dt h eq o sr e q u i r e m e n to fd i f f e r e n tc u s t o m e r sw h i l e u t i l i z i n gn e t w o r kr e s o u r c e sm o s tr e a s o n a b l y ，s ot h ep r o f i to fn e t w o r ko p e r a t o r sc o u l d c o m et ot h em o s t t h i sd i s s e r t a t i o nc a r e f u l l yi n v e s t i g a t e st h ea r c h i t e c t u r eo fm u l t i s u b n e th i e r a r c h i c a l n e t w o r k sa n di t sr e s o u r c eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m o nt h eb a s i so f i m p r o v i n g o i le x i s t i n g a l g o r i t h m s ，t h er o u t es t r a t e g yc a nb eu s e dt om a n yk i n d so fn e t w o r km o d e l s t h e s o f t w a r et or e a l i z et h ei m p r o v e da l g o r i t h mh a sa l s ob e e nd e s i g n e d t h ep e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e dm e c h a n i s mi sa n a l y s e da n dv a l i d a t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nm u l t i p l e a s p e c t s t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o nl a i dt h ea c a d e m i ca n dt e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o r t h e d e v e l o p m e n to ft h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ew h i c hi su s e df o rr o u t i n ga n dr e s o u r c ej o i n t s c h e d u l i n gi nm u l t i l a y e r e dh y b r i dn e t w o r k s f i n a l l y , t h es u m m a r yo fw h o l ed i s s e r t a t i o n i sp r e s e n t e da n dt h ei s s u e st ob es t u d i e di nt h ef u t u r ea r ea l s o p o i n t e do u t k e yw o r d ：q u a l i t yo fs e r v i c e ，m u l t i s u b n e ts t r u c t u r e ，m u l t i 1 a y e r e dn e t w o r k ， r e s o u r c ej o i n ts c h e d u l i n g ，n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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 包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文( 与学位论文相关) 工作成果时署名单位仍然为西安 电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可 以公布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论 文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在上年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 进入2 l 世纪的人类已经迈入了一个全新的信息化时代，网络作隽国家信息基 础设施的主体和骨干，发挥着越来越重要的作用，成为社会发展、人类活动必不 可少的重要组成部分，特别是在近一、二卡年中，网络靓模增长的速度可以用“爆 炸性增长 来形容，业务也从最初单一的语音或数据到现在的多媒体业务。然而， 随着网络规模迅速扩大，应用逐渐广泛，网络信息流量也迅速增加，这使德网络 变得拥挤不堪，严重影响了网络的使用质量。并且由于用户需求的多样化，对业 务服务等级要求也在变化j 特别是具有实时要求的业务出现，就更要求网络能够 提供离效保证质量的端到端q o s 服务。 而传统网络由于只考虑在某层对资源进行优化，层次问缺乏整体考虑，路 由选择和资源仅在本层网络中达到最优，致使网络整体资源利用率低和可靠性差， 且不能对现有业务进行很好的支持。为了解决这个问题，学者们提出多种网络体 系结构，如：m p l s i po v e rw d m 、s d ho v e rw d m 、m p l s i po v e rs d ho v e rw d m 等。同时随着网络结构的进步和宽带技术的蓬勃发展，传统网络迅速向下一代网 络演进，下一代网成为近一段时间内学术界和产业界共同研究的热点。下一代网 泛指不同于当箭网络，大量采用新技术，以l p 为核心，支持多种业务的融合网络， 在这其中能否提供端到端的q o s 是关键，而传送网做为下代网络业务的承载部 分，对提供端到端的可靠通信起到至关重要的作用。一方面，传统传送网主要是 为电话业务而设计，所以能够提供很好的q o s ，但是不能支持突发性数据业务的 需求，并且资源利用率较低。相反，现有i n t e r n e t 是一种分组网，服从尽力褥为的 服务模型，是一种无连接、与状态无关的机制，业务流的传送都是基于i p 路由协 议进行选路转发，网络资源分布不均匀和相互竞争使得网络性能下降，q o s 不能 得到保证。因此，要保证端到端q o s 下尽量提高网络资源利用率低，那么就需要 引入能够确保业务的q o s 路由策略和资源联合调度机制。 如何在网络中通过合理的路由策略和资源优化机制是本文研究的出发点。本 文结合当前已有研究及相关热点技术，在下一代网络的功能模型基础上，从网络 资源联合调度角度出发，综合考虑m p l s 、s d h 及w d m 层的拓扑关系和路由策 略，提出一种基于多子网的分层式网络路由策略和资源联合调度机制。 兰2 传送网及q o s 路由技术的研究现状 传送网是整个电信网的基础，它为整个网络所承载的业务提供传输通道和传 输平台。传送网经历了由模拟传输向数字传输的发展转变，5 0 年代至年代一壹 三多子网分层式网络资源联合规划算法及性能仿真 采用的是模拟传输方式，8 0 年代中期随着光纤通信传输系统在我国通信领域开始 获得广泛的应用，实现了从模拟通信向数字通信的跨跃。近年来随着电信业务对 带宽需求的不断提高，传送网络的规模也不断扩大，为业务网提供了巨大的带宽 资源。同时，在网络的生存性、可扩展性方面也有了巨大的进步。传送网技术经 过多年的高速发震之蓐，目前进入比较平稳的技术演进期。 随着传送网技术的广泛应用，网络规模不断扩大，网络的性能得到了很大提 升。但科技发展的趋势要求未来的传送嬲不尽能够支持数据业务，还要麓够实现 动态带宽分配，确保可传送不同类型的业务，保证用户所需的q o s ，而传统传送网 并不能很好有效地支持用户的这些需求，由此，如何更好地提供端到端q o s 成为 传送网的一个关键闯题。 q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e ) ，即服务质量，它有多种等价或互补的定义形式。 r f c 2 3 8 6 中描述为：q o s 是网络在传输数据流时要求满足的一系列服务要求，具体 可以量化为带宽、延迟、延迟抖动、丢失率、吞吐量等性能指标。此处的服务具 体是指数据包( 流) 经过若干豳络节点所接受的传输服务，强调端到端( e n d - t o 。e n d ) 或网络边界到边界的熬体性。q o s 反映了网络元素( 例如，应用程序、主机或路 由器) 在保证信息传输和满足服务要求方面的能力。 另一种描述为：q o s 是指发送和接收信息的用户之间以及用户与传输信息的综 合服务网络之间关于信息传输的质量约定。该约定可以被理解为服务提供者与用 户之间的一份服务契约，即服务提供者承担支持给定的服务质量，当且仪当用户 按照约定的信息流特征产生数据。换句话说，服务质量包括用户的要求和网络服 务提供者的行为两个方面，是用户与服务提供者两方面主客观标准的统一。用户 的要求是指用户在i n t e r n e t 上进行多媒体通信时所要求的服务类型以及相应的传输 性熊和质量等；网络提供服务者的季亍为则指i n t e r a c t 针对某一类服务所能提供和达 到的性能和质量。 q o s 控制的目标是为网络应用提供服务区分和性能保证：服务区分是指根据不 同应用的需求为其提供不同的服务：性能保证则要解决诸如带宽、丢失、延迟、时 延抖动等性能指标的保证问题。 然而，在阚络中，特别是在i n t e m e t 这样大规模的全球网络中提供o o s 绝非易 事，其原因有下面几点。首先，目标节点对数据流的q o s 需求一般是多方面的。 例如，视频会议对延迟时间及视频质量都有严格要求。丽寻找一条满足两个独立 加性q o s 约束的路径的路由问题就是n p c ( n p c o m p l e t e ) l i ，j 题，除非其中一个约束 条件是跳数。对于多播q o s 树路由问题，其最简单的情况即不考虑其他q o s 约束 仅仅优化支撑树的代价a 数所对应的问题称为最小代价树或s t e i n e rt r e e 问题，该 问题也是n p c 问题。其次，如果不仅需要考虑目标节点的o o s 需求，同时需要考 虑所有连接所在节点或链路的q o s 需求，闷题将变为结合资源分聚的路由润题， 第一章绪论 3 一 从而更加复杂。最后，实际情况中，网络是高度动态的，任何连接的建立和释放， 链路负载的变动，链路的失效和修复等等都会导致网络信息发生变化。网络规模 的不断扩大也使得实时网络信息的采集变得越来越困难，如果采用过时的网络信 息进行q o s 路由计算将会严重损害网络性能。虽然各种动态的，需要较少网络信 息的分布式算法已经提出，但是作为网络基本路由策略的静态路由算法或源路由 算法必须反映动态的及非确定的网络环境对路由策略的影响。 综上所述，目前关于传送潮技术研究大多是一种全薪的更新换代，当然这对 解决未来新建网络十分有用，但就目前多种传输技术共存的情况就无能为力了， 因此如何利用现有网络发挥最大效益就是一个值褥研究的方向。此外，在现有网 络基础上如何提供可靠端到端q o s 保证也是一个有趣的问题。 1 3 本文内容及安排 本文主要内容安排如下： 第一章篙要分析网络技术的发展现状及萁面褊的闷题，重点论述传送黼及其 q o s 路由技术的发展现状及存在的问题，阐述论文的研究背景及意义，并说明论 文的主要内容。 第二章对论文研究问题的相关背景技术进行介绍，首先重点论述传送网的概 念及特点、主要技术及体系结构，然震系统地介绍分层与分割、予网划分，最后 对传送网中的q o s 路由策略以及资源调度进行了分析。 第三章提如适用予多子网分层式网络模型，并具备区分服务等级的多子网分 层式通用路出算法和网络资源联合调度桃制。首先建立全新的基于多子嬲分层式 的传送网模型及参数定义，然后阐述多子网分层式通用路由算法及资源优化目标 函数的核心思憋，最藉对全局资源优化配置和屡闽资源联合调度机制的原理进行 详细介绍。 第四章论述基于多子网分层式网络路由算法及资源联合规划软件的设计与实 现，首先介绍该软件实现的功能、设计目标与实现方法、程序界面化的实现。其 次叙述整个系统的组成和处理流程。最后，讨论了此路由算法和资源调度机制在 实际网络中的应用。 篇五章讨论上述算法仿真的目标、业务源的设计和网络拓扑的设计，并给出 了仿真结果。欲业务魏数、子网内业务阻塞率、子网癸涟务阻塞率、耗费时阆等 多个角度对上述算法在不同模式下的性能和效率进行了对比分析，验证了多子网 分层式路出算法和网络资源联合调度辊制的有效性和可行性。 第二章传送网及其q o s 路由技零及资源调度兰 第二章传送网的q o s 路由策略及资源调度 2 1 传送网技术的主要特征及体系结构 传送技术是电信网发展的关键技术之一。早期传送功麓的实现主要是采用点 到点的传输技术，将信息由一地传递到其他地方。随着社会进步人们对通信的需 求迅速膨胀，新业务层出不穷，同时光纤通信技术昀发震将信息传输能力提高到 一个新的水平。为实现对带宽资源的合理配置与高效利用，提高信息传送的灵活 性和安全性，传送手段正在囱智能化和网络化方向发展，涌现出各种不同的传送 网技术。 2 。1 。1 传送溺主要特征 一、传送网技术特征 电信网现有的传送技术包括异步数字体系( p d h ) 、同步数字体系( s d h ) 等。p d h 是一种早期的传输体制，适合用于中低速率点到点的数字通信。8 0 年代后期，光 纤通信技术的进步为高速率的信息传输提供了可能，原有的p d h 体制已成为制约 这一发展趋势的束缚因素。s d h 诿是为满足高速通信的需求和解决p d h 存在的闻 题而提出的一种新的数字传送网体制。它以同步复用为基础，引入灵活的映射复 接结构，增强了开销管理能力，具有良好的业务兼容性翻适应性，目前已褥到广 泛应用。9 0 年代以后，全光放大和密集波分复用技术的网益成熟推动了光纤通信 向纵深层次的发展。光纤作为构筑未来信息高速公路的基石，其地位已无可反驳。 如何充分发挥光纤的带宽优势，合理高效地利用其传输资源，是传送网技术进一 步发展的当务之急。 隧着两络体系结掏酶演变和宽带技术得发展推动，传统网络向下一代网络 n g n 的加速演进，n g n 是一个基于分组的网络，它能够提供包括电信业务在内的 各种敛务并裁都使用多种带宽的且有q o s 保证的传输技术。作为隧络的传送层面， 下一代传送网n g t n 的目标就是满足n g n 的传送需要，结合这些需要下代的 传送网络应当具备以下特征： 1 ) 以充分的技术措施支持下一代电信网络获得最大利润； 2 ) 以对分组业务最佳的传送方式支持下一代网络实现分组化； 3 ) 以独立的控制平面支持传送网络的智熊化控制功能，从焉保证下一代网络 在传输安全和传输质量上的要求； 4 ) 区分不同业务的不同q o s ，实现业务的分等级传送，使传送瓣成为保证全 网q o s 链的段； 5 ) 以先进高效的网络拓扑和网络组织保证下一代网络的多业务化，并保证传 至 多予嘲分层式网络资源联合规划舞法及性熊仿真 送方式与业务种类无关； 6 ) 鼷络组成癜平化，避免业务传送体系功熊的冗杂与重复，尽霹能节省传送 网络需要的开销； 7 ) 传送网络管理商度智能化，而且成为整个网络管理的一部分。 二、传送丽传送分组业务的畿力 随着数据业务的出现与发展，分组网络作为交换和传送这些北务最为缀济的 一种方式，利用分组霹络酶统计复用特性可黻大大提高嘲络资源的利用率。困丽， 下一代网络的网络层采用了分组交换模式，业务以i p 分组的形式襁网络中进行传 输。选择了l p 也就选择了瑟两无连接戆连接模式。i n t e r n e t 的或功褥盏于无连接特 性，假其在电信级进行种种扩展式又收到了限于无连接特性。无连接方式条件下， 尽管目翦采用了多种提离i p o o s 的机制( 如i n t s e r v 、d i f f s e r v ) ，但为了达到电信级 要求的o o s 还需采取攒施。 n g n 中在采用l p 协议的同时，还需要引入一些面向连接的特性，通过西向连 接的傣令的协议来配合糟以改遴o o s 。m p l s 技术薛出现势l p 的铷s 带来了希 望，m p l s 可以根据需转发的分组对应的类- 另u ( f e c ) 选择跨过该核心网的一条标签 交换遴遂( l s p ) ，有撬地将第三层撑踺潦和第- - n 的a t m 交换结合在一起，在第 三层碍l 入第二层的交换速度。网前，虽然m p l s 还不是端到端的协议，还没有最 终解决q q s 的阏题，傻等| 入瑟向连接的髂令来改进璎包的传送的方式，相比其他 技术要更为理想和成熟，m p l s 将会在n g t n 中起到应有的作用。 面对业务的分组化发展，新代传送网n g t n 又该如何面对分组化的趋势? 基于分组的传送给n g t n 带来了以下新特征：在传送节点设备进行直接处理数据 分组，推动了传输和交换的融合，推动传送网络的独立的控制平面的出现，促进 传送随络熬提离带宽利用靛各种措施，健进雩| 入智能蠢二的阕络管理。 三、传送网谢向业务的技术特征 佟炎一业务驱动鄹络，n g n 瓣络的盛利主要是通过多媒体化、个性化、多样 化服务来实现。n g n 支持的业务非常广，包括传统的电信业务、高速上网带来的 各种应用、v o d 、流媒体等的视频业务、多媒体业务等；还要支持广泛的具有移 动性和游牧性的业务，特别是簧更多酶支持人与机器( p 2 m ) 、枫器与机器r ( m 2 m ) 的 通信业务。m r rd o c o m o 估计2 0 1 0 年又2 3 的移动通信连接将是非p 2 p ，a n a l y s t s o v u m 预测2 0 1 0 年移动运营商掬瓣袭入将来自m 2 m 。鉴于进务酶多样，以及今后 新业务的源源不断的潲现，需露n g n 采取灵活的，面向未来的分层结构。 将遭务与转送层进行分离，通过开放簏a p i 接口接入多种类型熬业务是n g n 采用的全新的业务分滕结构，如图2 1 所示。 下代嗣络在功能上可分为如下四屡： 1 ) 接入和传输层：将用户连接至网络，集中用户业务将它们传递至瞪的地， 第二章传送网及其q o s 路由技术及资源调度z 包括各种接入手段。 2 ) 媒体层：将信息格式转换成为能够在网络上传递的信息格式。例如：将话音信 号分割成a t m 信元或i p 包。此外，媒体层可以将信息选路至隧的地。 3 ) 控制层：提供呼叫控制和连接控制功能，实现各种信令协议的互通和转换。 4 ) 网络服务层：提供增值业务逻辑、业务开发平台和第三方可编程接口。 n g n 图2 1n g n 分层体系结构 这种分层结构带来n g t n 的特点： 1 n g n 中传送层功能由下一代传送蹰n g t n 来承担。传送层主要是采用光通信 技术( d w d m 、s d h 等) ，提供点到点连接的电路或光路与n g t n 相关的， 承载层是一个分组网络，适应于各种信源的菲匿定速率特征和提供统计复用功 能，在承载层组建不同的承载v p n ，为不同信源通信提供其所需的q o s 保证 和网终安全在他们之上，业务层针对各种信源通信的特点和属性进彳亍编址、 控制信令、媒体处理等不同的个性化问题。后两层的分组，q o s 等要求映射到 传送层。 萄面对业务鼷的多样化，相应地，在传送嘲中不同业务的传送级别也应有新差别， 实现不同等级业务的分等级传输。 2 1 2 传送网拓扑与体系结构 一、传送网的主要拓扑 阏络拓扑是传送蹰中的一个重要内容，其发展是从点刘点的拓扑到链路拓扑、 单环拓扑、环间互连的拓扑，再到格状网络拓扑。在智能光网络出现之后，这个 趋势还在进步延 拳。对于光网络来说，目翦有两类较为广泛的网络节点，一类 是基于s d h 的电复用设备，一类是基于光的复用设备，两者可以结合在一起应用。 两类节点所组成的拓扑也基本相同。在履面的网络拓扑讨论中，将首先考虑s d h 苎 多予网分层式网络资源联合规划算法及性能仿真 的拓扑，然后再讨论光复用设备组网的拓扑。事实上，传送网演进中也符合这一 发展趋势。首先使用的是s d h 拓扑，霜来的o x c 等组成的网终沿用了类似的拓 扑。 其中环的构成原则是： i ) 所有可以分撬业务的节点都由a d m 或d x c 、o a d m 或o x c 组成，它们 对指定大小的颗粒( v c n 或波长) 进行交叉连接。通过交叉连接，使设备节 点至少具有分下和插上的功能。 2 ) 每个节点间有两根或四根光纤或其他媒质信道，且其中一半信道传输的信 号方向与另半相反。 3 ) 可以执行规定的环保护机制。 还有一种拓扑为格状网，其组成原则是： 熏) 所有节点都壶d x c 或o d x c 构成，它们对指定大小的颗粒( v c n 或波长) 有交叉和分插能力 2 ) 每个节点都有多条到达其他节点的直逶的光纤或其他媒质物理通道，或穿 越其他节点的v c n 或波长通道，每两点间的通道有两个相反方向 3 ) 至少熊够执行网络恢复机制，也可同时执行环和链的保护机制 m e s h 网拓扑要求网络中每两个节点之间都有直达的物理通道，例如直接连接 的光纤或波长，穿越其他节点的波长或v c - n 。当节点较多、覆盖较广时如果要求每 个节点丽其地理上相邻的节点闻都有直达物理通道难以实现，这时要求只在需要 的节点间建立波长或v c - n 。这样节点多、覆盖面积广的情况下所构成的拓扑形状 是格状的。 上述三个原则适合于m e s h 网。这里谈到的格状网完全满足第1 、3 条原则， 但在实际组网时没有严格地满足第2 条。例如一个城市的骨干网，可以每个节点 到其他各个节点都有直达的光纤或波长或v c n 。而在一个覆盖面很大的长途骨干 网，由于地理上分布很广，则不一定要求完全按照条件2 组网。 下面用一个例子来说臻上述原则，设有1 2 个节点，如图2 2 所示，可以用a d m 将它们组成环，也可以用d x c 将其组建成个格状网。 最上方舀表示王2 个节点和它稍之间的业务需求。线条越粗说骧节点越重要， 或业务量越大。左下图和右下图分别是用环和格状网络组网的例子。在组网时， 不仅需要考虑业务量，还要考虑重要节点的高生存挂和阙络建立保护或恢复路径 的可行性，需要对各种因素进行综合考虑。此外，本例中格状网没有做到任何两 个节点之间间有直接的光纤或v c n 通道。 在以上讨论中可以看出： 1 ) 交叉连接机制在网络中的重要性； 2 ) 圈样的地理分布，同样的资源配置，网络的拓扑不同，溯络的生存性也不 第二章传送网及其q o s 路由技术及资源调度 竺 同； 3 ) 环实施鼷络保护机制，丽格状网必须能实旌网络恢复机制，也可实施嬲络 保护机制： 4 ) a d m 即使具有多个光翻，有较大的交叉容量，如果不能支持格状网络恢 复机制就不能称之为d x c ； 5 ) 即使把多个d x c 连接成网格状，如果没有运行恢复机制，就不能称之为 真正的格状网； 6 ) 支持网络恢复的设备条件是有充分的交叉容量和软件环境的支持。 圈2 2 举侈i j 说明如何体现环和格状网组成原则 传送网拓扑与网络的生存性、网络的经济效益和传输质量等性能息息相关， 是影响新一代传送网发展的一个重要方谣。传统的拓扑以环为代表，其主要优点 是简单、快速，但存在备用容量大等缺点。而格状网的优越性在于备用容量较环 少，健其恢复算法较为复杂，从而使在懑前水平下恢复时闻比环要长。随着网络 的发展，用环环相交的方式来覆盖整个网络已经逐渐不能适应传送网的发展要求， 采用格状踺渐渐成为薪一代传送网的主要拓扑形式。 二、传送网的体系结构 王、传送网体系结构 随着通信技术的发展与用户需求的日益多样化，现代通信网难处在变革与发 展之中，网络类型及所提供的业务种类在不断增加和更新，形成了复杂的通信网 络体系。图2 3 描述了典型的传送网络的体系结构，将传送网分成几个层次。该种 竺多子网分层式网络资源联合规划算法及性能仿真 多层安排减少了通过路径转换的交叉连接或a d m 节点的数目。我困骨干传送网是 由数字交叉连接系统按网状配置与光传送高速( 吉比特级) 链路相连的数字交叉连 接系统组成。骨干网通常由许多节点组成，同时在相邻的节点之间的距离通常相 当大。因而，传送花赞部分相对较高，其结果是，传送线路能力的有效使用变得 毒 常重要。再者，点对点业务量需求的增加速度可能菲常高。这要求在节点之闻 的高的连接性在节点处的推荐能力以及使网络从失败中恢复出来所需的空闲能力 的最小化。因两，具有交叉连接系统的网状网络配置可缝是有效的解决方案。 图2 3 传送网络举例 区域网可以由一个或多个网络层组成。每一个区域网由相对少得节点组成， 同时相邻节点之间的距离相对短。因而，在简化网络结构上获得的传送节点花费 和网络操作花费上的减少较通过传送线路的利用率所实现的传送花费的减少更多 一些。再者，在区域瓣中业务需求要求的增长速率相当固定豆增长较慢。因此， 由于具有a d m 的环结构配置可以快速并简单地从故障中恢复出来，故这种结构通 常是优选的结构。根据所提供的业务，在一些层弓| 入了业务节点。对于公用电话 第二章传送网及其q o s 路由技术及资源调度翌 业务，至少要实现两层交换系统，本地的交换系统和中继交换。 2 、传送网的分层与分割 由于通信网络十分复杂，所以通过在网络功能结构的基础上将网络分层和分 割可以简化网络的设计、开发和运营，并允许网络平稳发展。 分层概念使得每一个网络层利用对每一层特定的新技术独立于其它网络丽发 展变得容易。采用分层模型有以下几方丽好处： 1 ) 单独地设计和允许每一层网络要沈将整个网络作为单位试题设计和运行 简单得多： ” 2 ) 剩用分层网络模型有劲予规定电信网内的管理目标； 3 ) 每一层网络能够有独立的执行能力，如保护机制、自动故障恢复机制等； 4 ) 分层方式可以使网络的规范与具体实施方法几乎无关，使规范能保持相对 稳定性，不随技术换代而轻易地更换； 5 ) 从网络结构观点看，对某一层网络的改变不会影响其它层，便于某一层独 立地弓| 进新技术和拓扑面不影响其它层。 传送网分层后，每层网络可能仍然很复杂，地理上可能覆盖很大的范围， 毽磊为了便于管理，在分层的基础上，褥对每一层网络划分为若于今分离的部分， 组成网络管理的基本骨架。分割往往是从地理上将层网络再细分为国际网、国内 网和地区网等，并独立地对每一部分行使管理。图2 4 显示了传送网分割与分层概 念的般关系。 采用分割的概念对手同一网络层内对网络结构进行规定是十分重要的。例如 当同层网络由不同的网络运营商联合提供端到端的通遂时，采溺分割的概念后 可能对管理界限进行规定。当同一层网络只有一个网络运营商时，也可以借用分 割概念对不同区域的界限进行规定，以便将性能指标分配给子系统。采翔分割概 念还可以对独立的路由选择区域规定边界。 采用分割概念的最重要特点是允许层网络的一部分被层网络的其余部分看作 一个单独实体，因而层网络的内部结构是封装起来的，这对减少层网络管理控制 的复杂性十分有利，使网络运赣商可以囱由地改变其子网或者使之最佳化，而不 会影响层网终的其余部分。 图2 4 是个基于s d h 的传送网分层模型并示出了传送网络的个层之间的关 系。幽图可知，传送网大致分为三层，从上到下依次为电路层、通道层网络和传 输媒质层网络，s d h 传送网支持不同的业务，主要涉及通道层和传输媒质层。 传送媒体层网络取决于像光纤或无线电波一类的传送媒体，它涉及段层a p 之 间的信息传递并支持一个或多个通道层网络，它为通道层网络结点提供合适的通 道容量。传送媒体层网络可进一步分成段层网络和物力媒体层网络，其中段层网 络涉及保证通道层两个结点之间信息传递的完整性，而物理层涉及具体的支持段 丝多子网分层式网络资源联合规划算法及性能仿真 层网络的传输媒质，如光缆或无线。在s d h 传送网中，段层网络还可以进一步细 分为复用段层网络和羁生段层网络，其中复用段层网络涉及复用段终端之间的端 到端信息传递。而再生段层网络涉及荐生器之间或再生器与复用终端之间的信息 传递。物理层网络主要完成光电脉冲形式的比特传送任务，与开销无关。 通道层网络为电路层鼹络结点提供透明的逶道，通道的建立由交叉连接设备 负责，能提供较长使用时间。通道层网络由各种类型的电路层网络共享并能将各 种电路层业务映射为复用段层新要求的格式。在s d h 传送网中，通道层瓣络还可 被分为高阶通道层网络和较低阶通道层网络，较高阶通道由v c 3 、v c 4 、v c 4 x c 路径组成，丽较低阶路径由v c - l 王、v c _ 1 2 、v c _ 2 x c 等路径组成。 回 圈圃囝： fff fr 卜 、 日 州啪j ( ) ( 一j ( 一复赢层一 ) 、 囝一二一童 图2 4 基于s d h 的传送网络分层模型 电路层黼络涉及电路层a p 之闽的信息传递弗直接为用户提供通信业务。该层 网络是面向公用交换业务的，如电路交换业务、分组交换业务、租用线业务和 b i s d n 虚通路等。按照提供业务的不同可以区分不同的电路层嘲络，电路层网络 与相邻的通道层网络是相互独立的。电路层网络设备包括用于各种交换业务的交 换枫( 例如电路交换机或分组交换机) 和用于租用线业务的交叉连接设备。通常，电 路层网络端到端电路连接由交换机建立，而且电路建立和释放的时间很短。 2 1 3 传送网爨前所存在的问题 电信网主要由两个层面组成，下面是传送网层面，负责快速、高效、透明地 传送所有客户层信号( 包括s d h 、a t m 、以太网等) 。上藤是业务网层面，主要由 第二章传送网及其q o s 路由技术及资源调度里 各种业务节点经光传输链路互联而成，不同的业务节点构成不同的业务网，如电 路交换厨、a t m 网，计算机互联网( i p 朗) 等。两者在功能上是独立的，但骨干业 务节点和骨干传送节点有可能在物理上集成在一起。 从运营的燕度来看，在传送网层藤，建成了大规模的光同步数字传输网 ( s d h s o n e t ) 署i 密集波分复用传输链路( d w d m ) 等，下一步的发展面临以下问题： 1 ) 联网问题：运营的s d h s o n e t 以环为主，运营的d w d m 以点到点的链路 为主，有少量环，没有实现灵活的网络互联和全互联。 2 ) 网络资源管理问题：因前述联网问题，导致全网资源的调配阏难，基本不可 熊全网调配霹络资源，现行的透过网络管理系统来调配( 予网) 网络资源的速度慢 ( 耗时数月) 、成本高、灵活性差。 3 ) 与业务网的集成阀题：传送网在支撑业务网时，在物理上可能位于同一个点 ( 机房) ，但在功能上是独立的，之间的关联性差、耦合力弱，传送网不能根据业务 网的需要变化和新的需求，动态地、优化地为业务网服务。 支撑数据网闻题：传送网过去主要面向话音网，一悫是基于电路交换技术发 展的。现在，面向数据业务的急剧增长， 理位置、业务分布和技术演变的多样性， 交换能力。 尤其是在城域网的边缘汇聚层，因其地 需要能满足多种监务汇聚、集成传输和 5 ) 如俺点熹暗光纤：光纤是电信网的主要物理姿源和信息比特流的主要传输载 体，全球运营商敷设了大量的光纤资源，实际利用的只是一部分，剩余部分的光 纤暂时还属于暗光纤( d a r kf i b e r ) ，等待用网络新技术和新设备来点亮，同时也点 亮信息高速公路的新曙光和新希望。 2 2q o s 路由策略及资源调度 在早期计算机网络和分组转发网中，网络只提供尽力而为业务。对进入网络 的业务流，都以先来先服务的方式对业务流分组进行服务。随着i n t e m e t 和各种业 务的迅猛发展，尤其是视频、话音等多媒体业务的迅猛增长，网络也由以前单一 的数据网变成了多业务的综合数字网。此时，传统的网络没有服务质量保证的弱 点已经显示出来。为此，业界提出了q o s 的概念，即希望能对不同业务提供相应 的q o s 保证。 2 2 1q o s 当前主要技术及相关问题 由于q o s 问题是解决网络承载多业务的关键因素，因此对o o s 的研究- 直是 当今业界研究的热点。从当前的研究成果看，主要有以下几种解决方案： 、 i n t s e r v 针对q o s 的闯题，i e t f 在早期提密了i n t s e r v ( i n t g r a t e ds e r v i c e s ) 模型。i n t s e r v 兰 多子网分层式网络资源联合规划算法及性能仿真 模型又称为集成服务模型，其基本思想是在传送数据之前，根据业务的q o s 需求 进行网络资源预留，从而为该数据流提供端到端的q o s 保证。为此，集成服务通 常采用面向流的资源预留协议( r s v p ) 在流传输路径上的每个节点为流预留并维护 资源：主机利用r s v p 向网络为应用流提出q o s 的请求。路由器利用r s v p 将q o s 请求信息传给流的路径中的其他路由器，并建立和保存该服务的信息。r s v p 请求 将会使得沿着数据路径的资源在路由器处预留。 这种模型的优点是能提供端到端的绝对的q o s 保证，但由于这种模型在实现 上是非常困难的，主要体现在：( 1 ) 由于预留是基于每个流而进行的，因此使得节 点中要保留每个流的状态信息，导致核心路由器负担太重，因此可扩展性很差。( 2 ) 网络中每个节点都要维护各类数据库，并实现复杂的功能模块( 如资源预留、路由、 接纳控制等) ，造成了极大的复杂性。 二、d i f f s e r v 由于i n t s e r v 的局限性，i e t f 又提出了d i f f s e r v ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 模型， 又称为区分服务模型。区分服务模型的基本思想是在网络的入口处为每个数据包 分类，并在数据包中标记相应的区分服务代码点( d s c p , d i f f s e r vc o d ep o i n t ) ，用于 指示数据包在网络转发路径的中问结点上被处理的方式。在网络内部的核心路由 器中只保存简单的d s c p 与p h b ( 每跳行为) 的对应机制，根据数据包头部中的 d s c p 值对数据包进行相应的优先级转发，而业务流状态信息的保存与流量控制机 制的实现等都在网络边界节点进行，内部节点是与状态无关的。 区分服务具有实现简单，扩展性好的特点。目前在传送网中区分服务得到了 绝大部分厂家的支持，其具体实现技术包括分类、重标记，速率限制、流量整形、 拥塞避免、队列调度等。 但区分服务也有自己的局限性，主要体现为： ( 1 ) i x 分服务只承诺相对的服务质量，因而不能对用户提供绝对的服务质量保 证。 ( 2 ) 在拥塞发生时，区分服务模型只能采取丢弃报文的方式，而不能采用例如 旁路的方式使部分流量通过其它路径到达终点。 ( 3 ) 对相同优先级业务而言，设备在拥塞时对报文的丢弃是非智能化的，也就 是说，设备只能随机的丢弃报文，其结果是所有业务的服务质量都受到影响。而 此时希望的结果是只丢弃少部分业务流的报文，从而避免剩下的大多数的业务流 的服务质量受到影响。 三、 i n t s e r v 与d i f f s e r v 结合 目前业界还提出了把i n t s e r v 与d i f f s e r v 结合的方式，其思路为：在用户网络 仍使用r s v p 协议、在运营商的d i f f s e r v 网络边界将i n t s e r v 的业务类型映射为 d i f f s e r v 的业务类型，这样利用i n t s e r v 的架构来解决端到端的q o s ，同时也利用 第二章传送网及其q o s 路由技术及资源调度 d i f f s e r v 来提供好的扩展性。 但这种方法仍然存在i n t s e r v 的信令管理和复杂等问题，而且由于在运营商的 网络采用d i f f s e r v ，因此在这一段网络也只能提供相对的q o s ，从而使端到端的 服务质量得不到硬性的带宽保证。该方法目前仍处于一种理论的研究阶段。 匿、m p l s & q o s 利用多协议标签交换m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 技术，可以协助解决 q o s 闯题。m p l s 是一种结合第二层和第三层的交换技术，雩| 入了基于标签的枧制， 把路囱选择和数据转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径。m p l s 网络 由核心部分的标签交换路f l 搂( l s r ) 、边缘部分的标签边缘路由器( l e r ) 组成。 由于m p l s 采用标签交换来进行m p l s 转发，因此其转发效率高于传统i p 通过路由表的转发，从丽通过减少转发时间来提离q o s 。此外，m p l s 的报文头中 包含个3 b i t 的e x p 字段，通过该字段可以来标记该m p l s 报文的优先级，从而 使设备在转发该m p l s 报文时能根据该优先级标志进行区别对待。 这种方式的局限性在于：首先它必须基于m p l s 网络实现，丽当前许多网络 上并没有实施m p l s ；另外随着近几年芯片技术的不断发展，路由转发与交换转 发之赫的性能差异也越来越小；而且通过e x p 进行优先级区分实际上也是d i f f s e r v ? 的实现方式，因而这种方式也不可避免具有d i f f s e r v 所具有的一些局限性。 五、m p l s 鼍& q o s 流量工程( t e ，t r a f f i ce n g i n e e r ) 是