（光学工程专业论文）ipgmpls+over+wdm多层网络生存性的研究.pdf

摘要 随着互联网业务流量以指数级增长，一个前所未有的转变正在发生着，那就是 静态配置的面向连接的业务( 比如传统语音业务) 正在被动态配置的无连接的i p 业务所取代。通信网巨大的业务量使网络的可靠性变得尤为重要。 波分复用( w d m ) 技术以其可观的带宽容量被业界所接受，在传送网中担当重 要的角色。i po v e rw d m 是将多层网络简化，使i p 层直接承载于光层之上。因特网 工程任务组( i e t f ) 已经提出了广义多协议标签交换( g m p l s ) 技术，将多协议标签 交换( m p l s ) 技术扩展到光域，使之能够支持智能光网络( i o n ) 的动态控制和信令 传递，从而能够动态的为用户分配网络资源，同时使网络的保护恢复技术更完善。 本文将研究i po v e rw d m 网络的保护和恢复技术。在光层提供生存性机制是相 当诱人的，但考虑到光通道的聚合特性以及较粗的业务恢复粒度，会产生了很多问 题和挑战。但是，m p l s 技术以及它的扩展g m p l s 技术的出现，使在i p 层和光层提 供联合的集成多层生存性机制成为可能。 本文首先介绍了网络生存性的基本问题，以及i p g m p l so v e rw d m 网络分层体 系结构。在此基础之上，分别研究了i p g m p l s 层和w d m 层的恢复机制，提出了相应 的恢复算法：在g m p l s 层提出采用c r l d p 信令协议实现镜像保护恢复，在w d m 层提 出采用i l p 算法和启发式算法实现链路故障恢复。然后，进一步研究了以i p 为核心 基于w d m 的光网络的双层联合生存性机制，首先从光层启动生存性机制，在光层无 法恢复所有受影响业务的情况下，g m p l s 信令或者一个保持定时器将触发i p g m p l s 层的生存性机制来恢复所有业务。基于仿真的分析将表明，联合的双层生存性机制 的恢复性能将优于独立的单层生存性机制。仿真还将说明i p 层较细粒度的恢复在性 能上的优越一陛和光层粗粒度恢复在速度上的高效率。网络参数对恢复性能的影响也 在仿真的分析之中。文章最后进行了总结，并提出了需要进一步研究的问题。 关键字：i p g m p l so v e rw d m整数线性规划算法启发式算法镜像恢复集成 的多层网络生存性 a b s t r a c t w i t ht h ee x p o n e n t i a lg r o w t ho ft h ei n t e m e ta 1 1 dm e r e s u i t i n gt r a 瓶cp e r h o s t ，a n u n p r e c e d e n t e d s h mh a so c c u r r e di n订a m c p a t t e m 厅o mf i x e d c o n f i g u r e d c o 皿e c t i o n o r i e n t e ds e r v i c e s ( e g ，v o i c es e r v i c e ) t od y n a m i cc o n n e c t i o n l e s si ps e r v i c e s n e t w o r kr e l i 曲i l 时g a i n si n l p o r t a i l c e 、v i t hm eh u g ev 0 1 u m eo ft r a m cc a r r i e db ys u c h n e t w o r k s w a v e l e n 殍h d i v i s i o nm l l l t i p l e x i n g ( w d m ) t e c l l l l o l o g i e s w i t h s u b s t a m i a l l yh i g h b a l l d 晰d t l lc a p a c i t ya r ee x p e c t e dt op l a yad o m i n a n tr o l ei 1 1s u c hn 乩o r k s i po v e rw d m i sa s i m p l ee x 锄p l eo f am u l t i l a y e rn e t w o r k ，w h e r en l em l a y e rr e s i d e sa b o v e a i lo p t i c a l n e t w o r k t h ei n t e m e t e n g i n e e r i n g t a s kf o r c e ( i e t f ) h a s p r 叩o s e dg e n e r a l i z e d m u l t i p m t o c o l l a b e ls w i t c l l i n g ( g m p l s ) t e c l l l l o l o g y ，w h i c hi s t 1 1 er e s u l to fm p l st o e x t e n dt oo p t i c a ln e t w o r k i tc h a n g e sc l a s s i c a lm p l st os u p p o r t 血ei m e l l i g e n to p t i c a l n e t w o r kf o rd y l l 锄i cc o n t r o la n ds i g n a l i n g 仃a n s m i m n g ，w h i c hm a k e sg m p l sc a n d y n a m i c a l l yp r o v i d e n e t w o r kr e s o u r c et o u s e r 出l d 。s a t i s 母血ep r o t e c t i o n r e s t o r a t i o n r e q u i r e m e n t o f n e t 、v o r k i nt h i sa r t i c l ew ei n v e s t i g a t et 1 1 ep r o b l e mo fp r o t e c t i o na 1 1 dr e s t o r a t i o ns c h e m ef o ri p o v e rw d m n e t 、v o r k s p r o v i d i n gs l l r v i v a b i l i t ya tt 1 1 eo p t i c a l l a y e ri si n h e r e n t l ya n r a c t i v e ， b u tr a i s e sm a i l yq u e s t i o n sa n dc h a l l e n g e s ，g i v e nm ec b a r a c t e r i s t i co fo p t i c a la g g r e g a t e d 1 i 曲t p a t h a n dr e l a t i v e l yc o a r s et r a f f i c g r a n u l 盯i t y t h ee m e r g e n c eo fm p l sa n d i t s e x t e n s i o n ，g m p l s ，o p e n su p 1 1 e w p o s s i b i l i t i e s f o r d e v e l o p i n gs i m p l ei n t e g r a t e d p r o t e c t i o n r e s t o r a t i o ns c h e m e s t h a tc a nb ec o o r d i n a t e da tb o t hm ei pa n do p t i c a ll a y e r s t h i sa n i c l en r s tg i v e sa no v e r v i e wo f b a s i cp r o b l e m so fn e t 、o r ks u r v i v a b i l i t ya i l d t h es y e t m es t r u c t u r eo fi p g m p l so v e rw d mn e t w o r k w i t ht h i su 1 1 d e r s t a n d i n gw e s t u d yt h er e c o v e r ym e c h a l l i s m so fi p g m p l sl a y e ra n dw d ml a y e rr e s p e c t i v e l ya n d p r o p o s e t w o a 塘o r i t l l m s t h e n w er e s e a r c haj o i n tt w o l a y e rr e c o v e r ys c h e m ef o r i p - c e n t r i cw d mb a s e d0 p t i c a ln e t w o r k sw h e r et h eo p t i c a ll a y c rw i l lt a k et h er e c o v e r y a c t i o n sf i r s t ，a n ds u b s e q u e n t l y 也eu p p e ri pl a y e ri n i t i a t c si t so 、v nr e c o v e r ym e c h a 血s mb y g m p l s s i g n a l i n go rah o l d o f rt i i n e r ，i ft h eo p t i c a ll a y e rd o e sn o tr e s t o r ea l la 彘c t e d s e i c e s as i m u l a t i o n - b a s e da i l a l y s i ss h o w st h cb e n e f i t so ft h c p r o p o s e dt w o l a y e r r e c o v e r ys c h e m eo v e rs i n g l e l a y e r r e c o v e r ys c h e m e s w ed c m o n s 仃a t e 血ea d v a l l t a g e so f f m e r 舯n u l 缸i t y i ni pl a y e rr e e o v e f ya n d 也ee f f e c d v e n c s si ns p e e do nt h eo p t i c a ll a y e r t h e i m p a c to f s e v e r a ln e t w o r kp a r a m e t e r so nr e c o v e r yp e r f o r i 】1 孤c ei sa l s os t i l d i e di nm e a r t i c l e t h i si sf 0 1 l o w e db yac o n c l u s i o n ，a n ds u g g e s t i o n so fa r e a s 、_ h 盯ef u m l e rw o r kc a l l b ed o n ei nt h el a s ts e c t i o n k e y w o r d s ： i p g 【p l so v e rw d m ， i m e g e rl i n e a rp r o 罂砌a l g o r ， h e t l r i s t i c a l g o r i m m ，m 丽r e s t 嘲i o n ，i n t e 擎鑫t e d m u l t i l a y e r n e 钳o r k s u r v i v a b i l 姆 南京邮电学院学位论文独创性声明 了6 2 8 9 9 5 本人声明所里交的学位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 含为获得南京邮电学院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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 南京邮f b 学院顶b 学位论文 第一章绪论 第一章绪论 近年来随着i n t e m e t 的发展以及全球范围内数据业务量的迅猛增长，对目前 网络传输设备的容量和网络带宽提出了更高的要求。另一方面，基于w d m 技术 的光传送网以传输容量大、对高层协议和技术适应性强，以及易于扩展等优点而 倍受青睐，使业界普遍认为i po v e rw d m 将成为下一代i n t e m e t 的基本框架“1 。 同时，i n t e m e t 应用的增长对网络的服务质量和网络的控制能力提出了更高 的要求。由于传统的i p 网络不能很好的提供服务质量q o s 和支持流量工程，为 此，国际标准化组织i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 提出了m p l s 的概 念”1 。m p l s 在本质上是一种分组转发策略，基本的思路是在m p l s 域入口节点 处基于转发等价类f e c 给数据包分配一个固定长度的短标记，在整个m p l s 域 内，和数据包相捆绑的标记将决定数据包的转发，这时将不再考虑数据包的包头。 它能有效解决传统i n t e m e t 网络所面l f 每的问题并提高其灵活性、传输速率和节点 吞吐量。为了实现i p 与w d m 的无缝结合，g m p l s 。3 对m p l s 标签进行了扩展， 使得标签不但可以用来标记传统的数据包，还可以标记t i ) m 时隙、光波长、光 波长组、光纤等。i p 、v i t hg m p l s 将是未来i p 网解决q o s 并与w d m 无缝结合 的理想方案。 现代社会对通信的依赖性越来越大，通信的容量和故障的影响面也越来越 大。通信网络的生存性已经成为现代网络至关重要的设计考虑。在i p ，g m p l s o v e rw d m 网络中，一条光路往往承载了大量的i p 业务，网络部件失效( 如光 纤链路断裂) 对网络的影响远大于传统网络部件失效带来的影响。同时，网络结 构的变化，对网络生存性也提出了很多新的要求和技术问题。任何单层的生存性 机制h ”都不能很好的解决所有网络中出现的故障，因此必须实施多层生存性机 制间的合作与集成。 本文结构安排如下： 第二章简要介绍了网络生存性的基本问题，第三章介绍了i p g m p l s o v e r w d m 网络分层体系结构。在此基础之上，第四章和第五章分别研究了w d m 光层和 i p g m p l s 层的生存性策略，提出了相应的保护恢复的算法：在w d i 层提出采用 南京邮电学院硕士学位论文第一蠹绪论 i l p 算法和启发式算法实现链路故障恢复，在g m p l s 层提出采用c r l d p 信令协 议实现镜像保护恢复。第六章在概括了单层生存性策略的缺点基础上，阐述了多 层网络生存性特征，并相应的提出了集成的多层网络生存性策略，基于i p g m p l s o v e rw d m 网络结构，从多层生存性技术的研究、互联策略和空闲资源管理三个 方面加以阐述。并且提出了基于计时器( h 0 1 d o f ft i m e r ) 和基于恢复令牌 ( r e c o v e r yt o k e n ) 的生存性策略的互联协调方法。这章最后将单层与多层生存 性策略的性能进行了比较，通过四个仿真实验的结果加以分析，这四个仿真实验 分别为单层和集成多层生存性策略的比较，不同交换粒度参数下集成多层生存性 策略的比较，集成多层生存性策略中计时器策略和恢复令牌策略的比较，有无波 长转换器情况下集成多层生存性策略性能的比较。最后一章为全文总结，并提出 进一步需要研究的问题。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章网络生存性的基本问题 第二章网络生存性的基本问题 2 1 网络生存性的概念和意义 所谓网络生存性就是指网络在经受网络失效和设备失效期间仍能维持可接 受的业务质量等级的能力。1 。目前，网络的生存性以及对故障的保护和恢复问题， 在提高光网络互联性能方面越来越引起人们的关注。随着科学和技术的发展，现 代社会对通信的依赖型越来越大，另一方面，通信的容量与故障的影响面也越来 越大。据美国明尼苏达大学的研究结果估计，通信中断i 小时可以使保险公司损 失2 万美元，使航空公司损失2 5 0 万美元，使投资银行损失6 0 0 万美元。如果通 信中断2 天则足以使银行倒闭“3 。可见通信网络的生存性己成为现代网络优化设 计的至关重要的衡量指标，也成为电信市场开放环境下，各网络运营商之间在争 夺用户时重要的竞争焦点。 在对传统公共交换电话网络长期以来所发生的故障进行详细分析后可知，人 为故障、自然行为和流量过载是主要的网络故障源。衡量网络生存性的主要参数 有：故障发生次数、故障持续时间、会影响多少个用户以及每次网络故障对用户 通信的影响有多少的用户分钟( 定义为受影响的用户不能通信的分钟数) 。 光纤断裂是光纤通信网络中的一个最主要的网络故障。而且当使用w d m 技术 时，光缆上将承载十分巨大的业务量，这时一旦光纤或光缆发生故障，则造成的 损失就非常严重。现在商用化的光纤传输系统在单根光纤上可提供8 个波长信道 或更多波长信道的复用，而每个单信道速率可达1 0 g b i t s ，也就是说在这样的 波分复用系统中单根光纤上的总传输容量将超过8 0 g b i t s 。如果按平常的每根 光缆包含1 0 0 根光纤计算，则一根光缆断裂就会造成几个t b i t s 的信息丢失。 最常见的电信网络故障形式是被埋藏的光缆遭到意外破坏。虽然架空的光缆也会 受到破坏，但遭破坏的几率远远小于铺设的光缆。建设施工、闪电、啮齿动物咬 光缆、火灾、火车出轨、有意破坏、汽车冲撞及人为错误等因素都可造成光缆断 裂。地下电信用光缆经常遭受破坏的另一个主要原因是铺设的光纤与其他公共传 输媒体如自来水管道、天然气管道、有线电视网等公用同一通道 虽然网络节点故障是第二大网络故障源，但在实际中，网络节点故障对用户 南京邮叱学碗项二 ? 学位论文第二章网络生存性的基本问题 造成的影响却远远超过光缆断裂的破坏力。例如，当交换机发生故障，则所有与 之相连的通信连接均会遭到破坏。自然现象( 地震j 洪水、火灾) 、人为错误和 硬件老化都会引起节点故障。 造成网络故障的因素概括起来主要有0 1 ： 1 、随着光电予器件以及大规模集成电路技术的进步，网络所支持的业务量越来 越大，性能不断完善，设备的集成度越来越高，使得主要功能和容量集中在 更少的节点和线路上，单个节点或链路的失效将波及到相当大的范围。 2 、作为传输媒介，光线具有卓越的技术性能以及良好的经济性而成为信息高速 公路的主要载体。但是大容量光纤比电缆更容易受人为事故以及自然灾害的 损坏，据贝尔实验室报告，在网络故障中光纤切断是最主要的系统故障。在 美国，实用光纤网络中光纤的可用度为9 6 5 ，而无线网络的可用度为 9 9 9 8 5 。一根4 8 芯光缆的毁坏将影响几百万甚至上千万个话路。 3 、软件在给电信网络带来智能化和灵活性的同时，也给系统带来整体崩溃的可 能性。而且软件测试的不可遍历性，使这种情况尽管出现的概率很小，但是 无法从根本上避免。 4 、自然灾害如地震、洪水、火灾、暴风雪以及人为因素如盗窃或挖掘导致光缆 断裂或交换局损坏。 人类社会对通信的依赖性越来越大，通信中断所带来的经济损失和所造成的 社会影响极为严重。因此，为了实现信息的安全传送，对电信运营商而言，提供 全程全网的生存性是绝对必要的。故障导致的并不仅仅是电信公司经济上的损 失，同时还直接影响了顾客对其服务水平的信任度。 2 2 用户对业务恢复时间的要求 业务恢复时间因保护恢复的方法不同可以在相当大的范围内变化，少则几十 毫秒，长至几分钟乃至几小时。不同的业务对业务恢复时间也有完全不同的要求 吐 一般说，大型金融机构和银行的自动取款机对业务的可靠性要求最高，不仅 要求业务能1 0 0 的恢复，而且希望业务恢复时间短于5 0 m s 。而另一方面，普通 的居民用户只要业务资费较低，则对业务的中断时间要求不高，他们可容忍3 0 4 堕塞塑里兰堕堡主兰堡垒茎 兰三垦里垒生童堡竺茔查塑望 分钟的业务恢复时间a 介于上述两个极端情况之间的一些业务应用，如数据业务、 i p 业务、8 0 0 号业务，某些企事业的电话业务尽管也需要1 0 0 的业务恢复，但 却可以容忍范围不同的业务中断时间。 通常，当业务中断时间在5 0 2 0 0 m s 之间时，交换业务的连接丢失率小于 5 ，对于7 号信令网和信元中继业务的影响不大。当业务中断时间在2 0 0 m s 至 2 s 之间时，交换业务的连接丢失概率逐渐增加。当业务中断时间达到2 s 时，所 有电路交换连接、专线、n 6 4 k b i t s 和2 m b i t s 拨号业务都将丢失连接。当业 务中断时间达到1 0 s 时，多数话音数据调铝4 解调器超时，面向连接的数据会话( 如 x 2 5 ) 也可能已超时。当业务中断时间超过1 0 s 后，所有通信会话都将丢失连接。 如果中断时间超过5 分钟，则数字交换机将经历严重的阻塞。 综上所述，业务中断时间有两个重要门限。第一个是5 0 m s ，此时可以满足 绝大多数业务的质量要求，除了瞬态冲击外业务不中断，因而可以认为5 0 m s 的 保护恢复时间对于多数电路交换网的话音业务和中低速数据业务是透明的。第二 个门眼是2 s ，只要业务中断时间短于2 s ，则中断传输和信令网的稳定性可以保 证，电话用户只经历短暂的通话间歇，几乎所有数据会话协议仍能维持不超时， 业务图像则会发生帧丢失和图像冻结现象( 几秒) ，但多数人能勉强接受。当故 障状态持续( 2 ，5 + o 5 ) s ，则数字交换机将发告警信号，拆除有关话音通路连接 并停止记费，这类故障显然已无法容忍。因此2 s 门限已作为网络恢复的目标值， 称为丢失门限。 即使网络有了具有生存性的拓扑结构，同时也应该具备坚固的可操作性条 件，为了确保重要的信息在光纤或器件出现故障时不致丢失，网络资源有一定的 富余度是必须具备的。一种网络除了应该具有健壮的生存性拓扑结构以外，同时 还要具有快速的故障检测、故障识别、故障定位及业务恢复特性。因为恢复的越 快，丢失的数据就越少，因此恢复时间是很重要的一个生存性参数。保护恢复的 速度问题不仅是一个影响运营商收益的经济因素而且对于现有网络所支持的一 些重要业务而言也尤为重要。在以前，一次断接仅仅意味着一个电话呼口q 的中断 和再接上过程，而现在的一次断接则要影响到银行、股市交易、航空运输及公共 安全等事关国计民生的许多要害部门的正常运转。 南京邮电学院硕士学位论文 第二章网络生存性的基本问题 2 3 生存性原理 在第一节中已经提到过，生存性就是指当发生网络故障或设备故障时，网络 还能将业务服务维持在一定的可接受的水平上的能力。而多层生存性是指构成网 络的各个子层都具有各自的生存性策略，而这些不同层的生存性的相互协调问题 就是多层网络的生存性问题。 当一个运营商要设计建造个网络，同时他也必须确定使用一种网络的生存 性机制，采纳的这种生存性机制必须同样能够支持现有的和将来会不断扩大的网 络结构，因为光网络的规模发展十分迅猛，因此生存性对网络可扩展性的适应显 得非常重要。 一个好的生存性机制，能够使电信运营商在某种特定的q o s 水平上，支持各 种各样的业务。换句话说，一种好的生存性原理必须能够满足不同业务等级许可 s l a 所需要的某种q o s 服务质量保证水平。 对于生存性来说，另一个关键点是网络的某些资源必须能够进行外部的管理 控制，而且业务所提供的服务应该具有跨越多个运营网络域的能力。 我们可以将网络的生存性分为三大类，如图2 1 所示。 蚓2 一l 各种吾样的生存性技术 端到端的生存性：即网络只使用单个生存性机制来提供端到端的生存能力。 级联的生存性：即在网络中同时使用多种生存性机制，当在某一个子域内使 用某种生存性策略来处理完网络故障后，又继续由另一个子域的生存性策略进行 6 立堕型堕堂堂至兰j ! 垡兰苎 苎三兰婴竺生查丝堕茎查塑墨 故障的恢复处理，直到整个恢复完成为止。 第三种，也是最普通的一种生存性策略就是嵌套的生存性，即在一个子域内 使用多种生存性策略。这些生存性策略之间的关系既可以是相互级联的，也可以 是端到端的。 通常，嵌套的生存性策略使用两种生存性技术，一种是保护，种是恢复， 其工作原理如图2 2 所示。 2 3 1 保护 图2 2 同时使用恢复和保护的嵌套式生存性原理 保护作为一种由底层网络提供的生存性技术，可以优先预防诸如光纤断裂等 普通故障对业务的影响。保护是与网络拓扑结构息息相关的一种特定的快速恢复 技术，但是它不能对节点故障或多点故障提供保护功能。保护技术常用于环形网 络中。 保护往往处于本地网元或远端网元的控制下，无需外部网管系统的介入，保 护倒换时恻很短。网络中每一个网元都配备了保护倒换开关，任何本地的故障检 测都会触发丌关的倒换操作。这种故障探测非常迅速，例如物理媒质的故障能够 在几个m s 内被检测出来。保护一般需要预留固定数量的冗余容量，只有这样才 能实现快速的业务倒换。 根据网络对这种预留保护容量的使用方式，我们可以将保护分为专用容量保 护和共享容量保护两种策略。 在专用容量的保护策略中，网络总容量的5 0 都要被预留作为保护容量使 南京邮电学院硕士学位论文 第二章网络生存性的基本问题 用，因此很明显专用容量保护的生存性水平很高，但对网络容量的使用率很低。 专用容量保护最典型的应用实例就是在s d h s o n e t 环网中所使用的单向通道倒 换环( u p s r ) 结构。 在共享容量的保护策略中，只有部分容量专门留作保护使用，而且这些容量 作为保护通道被所有工作通道所共享。共享保护容量的一种典型的应用实例就是 m p l s t e 所使用的保护策略，这时多条l s p 隧道的保护工作是由一条l s p 隧道 来承担的。 2 3 2 恢复 恢复可以看成是一种过载机制，一般对网络故障的处理为秒量级。恢复不仅 可以处理链路故障，而且可以处理节点故障和多点故障，这一点和保护截然不同。 恢复机制常用于网状网拓扑结构的网络中。 恢复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、网络专 用的容量乃至低优先级业务可释放的额外容量，还需要准确地知道故障点的位 置，其实质是在网络中寻找失效路由的替代路由，因而恢复算法与网络的选路算 法相同。使用网络恢复可大大节省备用资源，但恢复倒换由外部网络操作系统控 制，具有相对较长的网络计算时间。 恢复机制既可以采用集中控制方式也可采用分布控制方式。不管使用哪种 方式，网络故障首先由本地节点探测到，然后必须将该信息传送到负责控制恢复 处理的控制器中以启动网络恢复功能。 通常，分卸式恢复对业务的恢复速度比集中式恢复的速度快。分布式恢复技 术如果和预计算备用路由通道的方法结合起来使用，将完全能够使网络端到端的 恢复时间达到可按受的水平，这样就可以使基于网状网的、分布式的恢复策略成 为光网络的一种很好的网络恢复解决方案。 南京邮电学院硕士学位论文 第三章i p o v c r 、d m 光网络分层体系结构 第三章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的发展趋势：一是i p 业务量的急剧增长，随着i p 的语音、视频和其他多媒体应用业务的发展，今后的各种通信业务可能都由i p 分组承担，这将对网络的设计产生重大的影响，网络将由基于线路交换、优化承 载语音业务向基于分组交换、优化承载数据业务发展；另一方面，基于w d m 技 术的光传送网以传输容量大、对高层协议和技术适应性强，以及易于扩展等优点 而倍受青睐，使业界普遍认为i po v e rw d m 将成为下一代i m e m e t 的基本框架“。 3 1 传统的l po v e rw d m 光网络分层体系结构 传统的i po v e rw d m 协议结构大致可分为两类：开放式和封闭式“，如图 3 一l 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 或其他某种时分复 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 ，如网络管理。开放式机构则不依赖于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光接口。 封闭式 开放式 - 口 罱 主 a r o 图3 1 目前i po v e rw d m 的协议结构 9 南京邮电学院硕： 学位论文 第三章i p o v e rw d m 光刚络分层体系结构 i po v e rw d m 的协议分层结构不能用o s i 七层模型简单描述。如a t m 和s d h 本身都可以看作还包含若干子层，不能简单的归于数据链路层或网络层。图3 2 表示修改过的i po v e ra t mo v e rs d h 协议分层模型。i p 作为网络层，把a t m 作 为自己的链路层；而a t m 又将s d h 作为自己的链路层。s d h 层内部包含三个子层， 可与传统分层模型的网络层、数据链路层和物理层类比。s d h 通路层向端节点提 供连接，一条连接可包含多条链路和中间节点，可以认为通路起到了o s i 模型中 网络层的作用。线路层把通路层建立的连接复用到某两个节点间的物理链路上， 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 比特流的传输。 乌 譬 图3 2i po v e r t mo v e rs d h 分层结构 引入光传送网前，w d m 技术仅限于提供点到点的连接。i t u t 定义光层后， w d m 不再局限于o s i 物理层。光层向高层协议提供光通道，也就是向两个需要建 立连接的节点提供端到端连接。这条连接可以有多个中间节点，中间链路上的波 长可以不同。一条光通道的全部容量都用于源和目的节点间的通信。光层包括三 层：光通道层、光复用段层、光传输层。光通道层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。光复用段层提供多波 长光信号的复用功能。光传输层管理信号在这之中的传播。这三层的功能又分别 堕! ! ! 堕兰堕堡主主垡笙兰 一蔓三皇! ! 旦：! ! 塑里坚鲞旦垡坌墨堡墨笙塑 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3 3 所示。 图3 3 引入光层后的s d h 分层结构 以上的多重协议堆栈结构存在很多不足，集中体现在复杂的层问管理、过多 的开销和功能的冗余上，嵌套式的分层结构就说明了这一点。如i p a t m s d h w d m 方案，整个适配要经过四层映射，开销很大，带宽浪费严重。表3 1 列出了几 种适配方案的开销情况。i po v e rs d h 开销已经显著减少，采用简单数字链路协 议( s d l ) 可以进一步降低。们m 、s 明、a t m 和i p 都有路由、故障恢复的功能， 这将造成资源浪费，并有可能出现各层之间的相互冲突。克服上述不足的方法是 i p 层与w d m 层的直接融合，即i pd i r e c t l yo v e rw d m 。 表3 1不同开销代价利链路有效容量 封装开销链路容量( m b f 讹) i p a t m s d h2 2 1 9 4 4 i p ，a t m c e l lb a s e d1 9 2 0 1 1 i p p p p s d h 6 2 3 3 8 i p s d l3 2 4 】1 i p g e2 8 9 0 2 注：前四种方法中假设链路为s t m 一1 6 ，后一种的线路速率为1 2 5 g b i t 5 南京邮电学院硕士学位论文第三章i po v e rw d m 光网络分层体系结构 3 2 基于分层模型的i pd i 怕c u yo v e rw d m 方案 i pd i r e c t l yo v e rw d m 的关键3 是设计i p 到w d m 的中间层次，即i p 电层 与w d m 光层间的适配层。适配层向不同的高层协议提供光通道。i po v e rw d m 的 分层模型如图3 4 所示。 i p ，m p l s 光适配层 物理层 图3 4i po v e rw d m 分层模型 在没有s d h 层定帧的情况下，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 帧直接映射到光通道。但是目 前认为p p p h d l c 方案不适合于今后的i po v e rw 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l o g b i t s 的高速传输 系统中硬件很难实现。同时也不利于流量工程和q o s 机制的实现。简单的s d l 是 一种较好的选择。s d h 尽管被省去，但是s d h 帧结构的完善的故障检测功能是s d i 不能达到的。因而可以使用简化的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有：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q o s 。 光通道路由是光传送网的关键技术。波长路由大大减轻了节点电层的处理负 担。通过在骨干i p 路由器间建立的端到端的光通路，使得并无物理链路直接连 接的路由器在虚拓扑途中直接相连。如果波长路由是动态的，则i p 路由协议在 计算路由时需要考虑网络拓扑会随网络负荷情况而变。 如果简化掉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，如i p 层。一个重要的问题是如何协调光层和高 层协议保护机制的动作。目前提出的所谓“升级镶略”，其基本思想是光层实现 故障恢复，如果在一定时间内故障信号仍末解除，再启动高层的保护机制。i p o v e rw d m 多层网络生存性机制的协调是本文的重点，文章后面会详细讨论。 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 南京龆屯学院顾：l 学位论义 第三章f p 0 v e rw d m 光掰络分层体系结构 通道故障检测性能监控方案。光监控信道( 0 s c ) 方案已有应用，但还不普遍， 在今后较长的段时间内还需要电帧层，可以沿用s d h 帧结构，也可以采用全新 的方案。如朗讯公司提出的d 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节点的寻址。在广阔的地理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 、a t m 中的m p o a 或i e t f 的n h r p 。 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。目前已经有与比特率无关的o e 中继器，用于实现比特率透明传输。 通过定义光用户网络接口( o u n i ) ，实现协议透明性。协议的透明性和比特率 的透明性相结合就能实现业务的透明性。 i p 的q o s 机制正在进行积极的研究中，而光层的q o s 机制的研究才刚起步。 在光适配层中是否应该包含q o s 的实现机制还有待于分析。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。 光适配层下是物理层，物理层负责比特流的可靠传输，包括光信号的放大、 波长转换、波长交换、光上下路复用和o e o 转换等，基本上完成g ，8 7 3 定义 的光传输段层功能。 目前i po v e rw d m 研究主要是基于传统的协议分层模型。该方案易于实现业 务的透明性，但是简化协议堆栈的同时引入了适配层，又给网络带来了新的复杂 因素；另外，该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，今后完全可能出现i p 一统天下的 局面。此外，还有i p 承载a t m 或帧中继等其他业务的研究。因而业务的透明性 在以后也许不会是一个非常重要的因素。出于以上的考虑，提出i pv i ag m p l s o v e rw d m 技术。 3 3i pv i ag m p l so v e rw d m 技术 鉴于m p l s 技术和基于波长级的光互联网络技术的发展和进步，自然而然的 南京邮电学院硕士学位论文 第三章i p o v e r w d m 光网络分层体系结构 想到能否将m p l s 技术和光网络技术结合起来n 3 1 ，在数据网络范畴内，由m p l s 控 制层来执行至关重要的选路、监控和网络生存性，即就是使用m p l s 来提高网络 性能和执行流量工程( t e ) ，同时由光网络层来提供w d m 传输和波长路由的光层 “电路级”联网技术。简而言之，那就是i pv i am p l so v e rw d m 技术，它可以 在很大程度上多层网络的分层结构，如图3 5 所示。 由光 提供 此层 i p a t m s 0 n e t 方案， i p ，p p p a a l 5 s o n e t 目前的i p ，0 v e r ，w d m 解决方案，使 用i p ，p p p 小d l c 封装，使包直接承载 于光路径上。如果取消了s d h 层，则 有4 个管理层，具有最主要的帧封装和故障恢复由光适配层 谦乡侦开销。来完成因而只1 辆个管巍于m 刚 p o s 方案，将i p p p p h d l c 供运营级可靠性， 放入s o n e t 帧，需要3 个管 位的监控帧“子j r理层。l m p l s 承担。如鼻 l m p l s i 层二直接封装( j a t m f p 巾“p l s 17 s o n e ts o n e ti p ，m p l si p ，m p l s 光层 光层光层监控馈 物 理层 器) 来代替s o n t 的帧封装。 图3 5i po v e r 帅m 协议栈的发展过程 值得注意的是，多层协议栈的坍塌不是简单的丢弃某些层，而是将a t m 交换、 s o n e t s d h 复用解复用和i p 层寻址等每一层的不同功能进行了合理的分解和组 合。在最右边所示的最直接的i pv i am p l so v e rw 附方案中，由于i p 层增加了 m p l s 技术，因此其功能就类似于传统i p 层功能和a t m 功能的综合。而这时的光 网络层也综合了s o n e t s d “特性和d w d m 多波长联网技术。使用多协议标签交换 ( m p l s ) 技术增强了i p 层的功能，可有效解决传统i n t e r n e t 所面临的问题并有 效提高其q o s 保证、网络灵活性、传输速率和节点吞吐量。同时，由于基于波长 分配和路由的“电路交换”技术的成熟，不仅充分发挥了多波长w d m 层的波长联 网功能，而且加速了光传输网的响应时间，增加了不同业务提供网之间的互操作 南京邮电学院硕士学位论文第三章i po v e rw d m 光网络分层体系结构 性。 通过i pv i am p l so v e rw d m 技术可以实现m p l s 与光网络的高效集成，特别 是它将光网络节点看作为i pm p l s 设备，而且在光网络的边缘使用标签栈原理， 从而将由边缘网络中电的m p l s 网络节点上来的粒度较小的标签交换路径( l s p ) 整合进粒度更大的波长级光信道l s p 中。为了提高转发速度，在数据传输的整个 过程中，网络中问的光的m p l s 节点上只能执行部分的电的标签处理操作。 然而，m p l s 毕竟是一种位于o s i 七层模型中的第三层网络层和第二层之间 的2 5 层技术，而w d m 属于光层，是第一层物理层的技术。因此，要让m p l s 跨 过数据链路层直接作用于物理层，则必须对其进行修改和扩展。在此情况下，国 际标准化组织i e t f 适时地推出了可用于光层的通用多协议标签交换技术 一一g m p l s 。 为了实现i p 与w d m 的无缝结合，g m p l s 对卿l s 标签进行了扩展，使得标签 不但可以用来标记传统的数据包，还可以标记t d m 时隙，光波长，光波长组，光 纤等；为了充分利用w d m 光网络的资源，满足未