（光学工程专业论文）智能光网络动态路由与波长分配算法的实现.pdf

哈尔滨t 稃大学研究生学伊论文 摘要 采用路由选择和波长分配( r w a ) 的智能光网络被认为是下一代高速广 域骨干网的最有竞争力的候选方案。r w a 是智能光网络中的一个重要问题， 它是指网络某对节点间有光路建立请求时，如何寻找从源节点到目的节点的 路由并在该路由上分配波长。优化光通道的选路和波长分配( r w a ) 是网络设 计的核心问题，其主要任务是寻找一条合适的光路并为之合理地分配波长， 使有限的资源充分发挥作用，以提供尽可能大的通信容量。r w a 问题可分为 静态r w a 和动态r w a 两类问题。本论文首先介绍了r w a 问题的相关概念及常 见算法，主要研究解决动态r w a 问题的智能优化算法。 为了更好的解决路由与波长分配( r w a ) 问题，本论文提出了一种基于当 前路由的路由算法。该算法是一种基于分层图( l g ，l a y e r e dg r a p h ) 模型的 r w a 算法，它使得光网络的路由和波长分配两个子问题同步解决。主要研 究了无波长转换机制下的波长路由型全光网，利用分层图模型，在有限的波 长数中，动态的调节选路策略，以求在波长连续性限制下有效的利用带宽资 源。最后该章利用o p n e t 对给定的网络建模、仿真。仿真结果表明，与常 用的f i r s t - f i t ( f f ) 算法相比，该算法显著的降低了网络呼叫阻塞率，同时它也 能改变公平性。 最后，研究了具有波长转换能力的w d m 全光网的网络性能。仿真结果 表明，波长转换器的加入，大大降低了网络的呼叫阻塞率，从而实现了网络 综合性能的优化。 关键词：w d m 光网络：路由与波长分配( r w a ) ；波长路由；o p n e t 哈尔滨，t 程大学研究生学待论文 a b s t r a c t n 圮i n t e l l i g e n to p t i c a l n e t w o r k s e m p l o y i n gr o u t i n g a n dw a v e l e n g t h a s s i g n m e n t ( r w a ) a r ec o n s i d e r e da st h em o s tc o m p e t i t i v ec a n d i d a t e sf o rn e x t g e n e r a t i o nb a c k b o n en e t w o r k s r w ai sa l li m p o r t a n ti s s u ei ni n t e l l i g e n tn e t w o r k s w h i c hr e f e r st or o u t ef i n d i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n tw h e na l i g h t p a t hi st ob e e s t a b l i s h e db e t w e e nan o d ep a i r ak e yi s s u ei nn e t w o r k sd e s i g ni st oo p t i m i z e 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 ( r w a ) f o rl i g h t p a t h r w as o l v e sh o wt o f i n do u ta na p p r o p r i a t el i g h t p a t ha n da s s i g na w a v e l e n g t hr e a s o n a b l yi no r d e rt o m a k e 砌lu 8 eo ft h el i m i t e dr e s o u r c ea n dp r o v i d ec o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t ya s l a r g ea sp o s s i b l e t h er w a i n c l u d e ss t a t i cr w aa n dd y n a m i cr w a i nt h i s t h e s i s ，f i r s t l y ，t h eb a s i cc o n c e p t i o n sa n de x i s t i n ga l g o r i t h m sf o rr w ap r o b l e ma r e p r e s e n t e d ，t h i st h e s i sm a k e sc o m p a r a t i v er e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o n a i g o r i t h mf o rd y n a m i cr w a i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mo 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 ( r w a ) m o r ee f f i c i e n t l y ，a na l g o r i t h mi nt c l l l l so fc o n t e m p o r a r yr o u t i n gi s p r o p o s e d t h ea l g o r i t h mb a s e do nt h el a y e r e d g r a p hm o d e li su s e dt or e s o l v et h e t w os u b - p r o b l e m so 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 ts i m u l t a n e o u s l y t h i s p a p e rs t u d i e st h ew a v e l e n g t h r o u t i n ga 1 1 一o p t i c a ln e t w o r k sw i t h o u tw a v e l e n g t h c o n v e n e r ，t h ea l g o r i t h me m p l o y st h el a y e r e d - g r a p hm o d e l ，a d j u s t ss t r a t e g yo f s e l e c t i n gr o u t e sd y n a m i c a l l yf r o mt h el i m i t e dn u m b e ro fw a v e l e n g t h s a t t e m p t st o e 伍c i e n t l yu t i l i z i n g r e s o u r c eo fb a n d w i d t hu n d e rt h e w a v e l e n g t h - c o n t i n u i t y c o n s t r a i n t f i n a l l y ，0 p n e ti su s e dt om o d e l i n ga n ds i m u l a t e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t b l o c k i n gp r o b a b i l i t yc a nb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e dc o m p a r e dw i t h f i r s t - f i t ( f f ) a l g o r i t h m f a i r n e s si si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l yt o o a tl a s t ，t h i sp a p e rs t u d i e sn e t w o r kc a p a b i l i t yo ft h ew d ma l l o p t i c a l n e t w o r k sw i t hw a v e l e n g t hc o n v e n e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb l o c k i n g p r o b a b i l i t y c a l lb es i g n i f i c a n t l yr e d u c e da f t e r u s i n gw a v e l e n g t h c o n v e r t e r c o n s e q u e n t l y t h en e t w o r ki n t e g r a t e dp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d k e yw o r d s ：w d mo p t i c a ln e t w o r k ；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 ( r w a ) ；w a v e l e n g t h r o u t e d ；o p n e t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中己 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。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。 作者( 签字) 倒终 日期：剃7 年护月2 3 日 哈尔滨工程大学研究生学位论文 第l 章绪论 随着人类进入2 1 世纪，信息革命所带来的机遇和挑战正在不断地改变人 们的生活现实。电子商务向传统的商务活动提出挑战，同样人们生活的其他 领域也正面临着各种各样网络化的挑战。这对于各种大小机构和企业实体甚 至个人来说也都是一种新机遇! 我们正迈向一个信息化的社会，在信息化社会里，无论我们在任何时间、 任何地点都能方便地得到任何格式的信息。但是随着信息化程度的不断加深， 人类对通信的容量、速度、质量以及服务种类的要求也越来越高。个人计算 机和国际互联网络( i n t e m e t ) 的普及、数据业务与电子邮件通信以及各种宽带 接入技术的飞速发展都给今天的通信网络提出了革命性的要求，并给整个网 络的技术模式、整体架构及业务的实现方式、组网形态、业务能力等诸多方 面都带来了深远的影响。在以m 为代表的数据业务量井喷式增长和新兴业务 不断涌现所导致的巨大带宽要求的刺激下，全球通信网络主导业务正在以话 音业务为中心向以数据业务为中心过渡，与此同时，网络体系架构也正在向 高速大容量和高质量服务方向飞速发展，其发展势头之大正猛烈冲击电信运 营商原有的技术发展思路和运营策略。 光通信技术有着巨大的潜力带宽资源庞大( 约5 0 t b i 讹) 、损耗极低 ( o 2 d b k m ) 、信号传输型变小、功率底、占空小、成本低廉，因而光通信 技术成为我们满足信息化社会各种需求的大救星。光纤作为一种很好的传 输介质所具有的优良特性已被大家所共知，但是有一点必须注意，那就是只 有光纤通过适当的、合理的、科学的体系结构互联以后才能组成真正理想的 网络体系结构，以提供高速、宽带、高质量的业务服务。当电子设备逐步达 到其物理极限对，波分复用( w d m ) t 2 1 3 i 、光交换技术以其独有的技术优势和 多波长特性，正在向人们展示通过波长通道直接进行网络互联( 即光网络) 的巨大潜力和光辉前景。光网络技术的迅速发展为i n t e m e t 日益增长的信息 流量提供了强大的网路支持。更为重要的是，光放大器和波分复用等光通信 新技术的不断进步，不仅强化了光联网的重要地位，而且将光逐渐扩大到网 络边缘并显示出强大的生命力。另外，i n t e m e t 业务的指数级增长正在改变着 i p 业务层的关系。随着网络传输容量的增长，驱使光交换层的交换能力也在 不断增强，使之向更易于管理、更加灵活和更具有健壮性，同时业务指配和 哈尔滨t 程大学研究生学位论文 故障恢复也能够更快地自动完成并向具有智能性的方向发展。 1 1 光网络的发展概述 “光网络”是一个通俗用语，从光通信发展历史看，所有以光纤做传输 媒质连接传输设备( 节点) 构成的网络都可以称为光网络”。 1 9 7 0 年，第一根损耗较低的石英光纤( 2 0 d b k m ) 研制成功，同年，g a a i a s 异质结半导体激光器实现了室温下的连续工作，从而开始了光纤通信迅速发 展的时代。在过去的3 0 余年中，光纤通信以人们预想不到的速度迅速发展着， 极大地提高了信息的传输容量，在人类向信息社会过渡的过程中扮演着重要 的角色。 回顾光纤通信的发展历程，在第一个十年中，光纤通信由起步到逐渐成 熟，并开始商用。在2 0 世纪8 0 年代中，光纤通信得到长足的发展，迅速由 o 8 5 a m 波段转向1 3 a n 波段，由多模光纤转向单模光纤。第二代光纤通信系 统( 1 3 u n 波段单模光纤系统) 获得广泛的应用，并充分显示出光纤通信的 低损耗、大容量的优势和强大的竞争力，很快替代电缆通信，成为电信网中 主要的传输手段。在这个时期，基于电时分复用的光纤通信系统的传输速率 几乎以每五年提高九倍的速度在迅速增长，其增长速度超过了摩尔定律。 2 0 世纪9 0 年代以后，为了满足人类社会向信息化过渡中对带宽和容量 的巨大需求，适应因特网迅猛发展对网络结构和功能提出的新的需求，光纤 通信发生多次重大的变革。首先表现在由单波长系统向多波长系统的发展。 在2 0 世纪9 0 年代，首先是掺饵光纤放大器的实用化和1 5 5 朋z 波段传输系 统的开发，接着是密集波分复用( d w d m ) 技术的应用，d w d m + e d f a 被称 为2 0 世纪9 0 年代的新一代光纤通信系统。几年来，d w d m 一直向更高的单 波长比特率( 已达到8 0 g b i t s ) 、更密集的波分复用( 最多路数己达1 0 2 2 ) 、 更宽的可用波长范围( c ，l 和s 波长带) 、更长的光放大段( 数百k m ) 、 更长的无电再生传输距离( 实验室中环路循环传输距离达到7 3 8 0 k m ) 、更大 容量( 最大容量达到1 0 9 2 t b i t s ) 的方向迅速发展着，并在全球干线网中扮 演重要角色。 第二个重大的变革是由点到点的w d m 系统向全光网络的发展和演变。 随着传输系统容量的快速增长，交换系统的压力越来越大，在交换系统中引 入光子技术的需求日渐迫切。另一方面，w d m 技术不仅具有巨大的传输容 量，而且具有良好的联网能力，从而引发了全光通信网的发展。 全光网已被i t u - t 定义为光传送网( 饼烈，o 口t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) ， 2 哈尔滨i i = 程大学研究生学位论文 光传送网是在现有的传送网中加入光层，提供光交叉连接( o x c ，o p t i c a l c r o s s - c o n n e c t ) 和分插复用( o a d m ，o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x ) 功能，提供 有关客户层信号的传送、复用、选路、管理、监控和生存性功能。由于全光 通信网在光上进行交叉连接和分插复用，从而减轻电交换节点的压力，大大 提高整个网络的传输容量和节点的吞吐容量。光传送网成为2 0 世纪9 0 年代 中期以后光网络的研究热点，也是网络升级的优选方案。 光通信的另一重大变革是，光网络与数据网的融合及光网络向智能化的 发展”。1 9 9 8 年，全球范围内的数据业务量已经超过传统的话音业务量。 随着m 流量的迅猛发展和传送方式的成功，i p 将成为未来传送网络业务的主 要承载方式。而w d m 具有惊人的传送能力，成为构建下一代传送网络最有 潜力的技术之一。因此，光网络和数据网络的融合成为必然的发展趋势，i p o v e rw d m 成为人们注目的热点研究问题。 随着信息领域相关技术的发展，特别是i n t e m e t 对数据业务增长的强大 推动。人们对现有的光网络的功能提出了新的、更高的要求。要求光网络能 够实时地、动态地调整网络的逻辑拓扑结构，能够快速、高质量地为用户提 供各种带宽服务与应用，实现资源的最佳利用和实时的流量工程。从而引发 了智能光网络的发展。在智能光网络的解决方案中，自动交换光网络 ( a s o n ) ”1 已吸引了国际学术界和工业界的广泛注意，成为下一代光网络的发 展方向。 1 2 智能光网络的业务 1 2 1 传统光网络的智能化演迸 正如本文前面所述及的，当前的传送网络必须要向下一代能提供多种服 务及应用的具有智能性的业务驱动型网络发展。而一个智能的业务驱动型光 传送网络，必须是一个能够支持动态带宽调配，易于管理维护并具有高度灵 活性的、具有统一传送核心以及支持多功能适配层的光传送网。 目前，传送平面技术的发展虽然降低了运营商在基础网络建设方面的投 入，但这种成本的降低还不足以充分保证运营商收入的提高。更重要的是， 传输网络规模的不断扩大，电路数量的不断增加以及数据业务对传输需求的 突发性要求都造成基础骨干网络管理维护上的极大困难。尽管电信网络管理 技术一直是备受关注的问题，但由于网络结构本身的限制，单纯依靠管理平 面的技术进步难以从根本上消除传统光网络带宽配置固定、资源利用率不高、 管理维护复杂等缺点”。 哈尔滨工程大学研究生学位论文 因此，智能光网络的概念应运而生，其主要特点是除传送平面和管理平 面以外，在光网络中引入控制平面，从而实现光层的交换、路由和其它智能 功能。随着控制平面技术的发展成熟，网络的智能化和自动化的程度越来越 高，使得网络运营商能够更加灵活和高效地新增或改变业务服务。 1 2 2 智能光网络体系架构特点 i t u t 的g 8 0 8 0 和g 8 0 7 定义了一个与具体技术无关的智能光网络体系 架构( 如图1 1 所示) ，它包括三个独立的平面：即控制平面( c p ) 、传送平 面( t p ) 和管理平面( m p ) ”，三个平面通过d c n 相连，d c n 是一个负责路由、 信令、链路资源管理以及网络管理信息传送的信令通信网( s c n ) 。 用户 设备 图1 1 智能光网络的体系结构 管理 平面 与传统的光传送网相比，智能光网络最大的突破点在于加进了具有智能 特性的控制平面，它的引入使得光网络能够在信令的控制下完成网络连接的 自动建立、资源的自动发现、网络拓扑信息的自动更新以及故障的自动定位 及上报等功能。 传送平面由一系列的传送实体组成，用来为不同的用户传递业务信息、 以及部分控制信息和网络管理信息。管理平面用来对传送平面和控制平面进 行管理并对各平面的操作进行协调。通常，管理平面的在智能性上不如控制 平面，其部分的管理功能被控制平面所取代。 正是由于智能光网络控制灵活、管理有效等特点，使得其可以从光域( 波 长) 提供多种新型的高速率、高附加值的业务。以波长业务为基础，业务提供 商构思了多种增强业务( 如波长批发，波长出租，带宽运营、光虚拟专网等) ， 这些业务都能根据现有的和将来以数据为中心的组网应用而扩展，在满足最 4 哈尔滨工程大学研究生学位论文 终用户多重需要的同时，为电信运营商带来可观的经济收益“。可见，智能 光网络正是建立“精细型”、“业务驱动型”下一代光传送网络的发展方向。 1 2 3 智能光网络业务 由于以a s o n 为代表的智能光网络是构造在各种传送技术之上的，也就 是在传送平面s d h 、光传送网w d m 之上增加了独立控制平面，因此它支持 目前传送网可以提供的各种速率和不同信号特性( 如格式、比特率等) 的业 务。智能光网络可以在两个客户网元之间提供具有固定带宽的传输通道，通 道界定在光网络的输入接入点和输出接入点之间。常见的业务有： 1 、s d h 业务，g 7 0 7 定义的s d h 连接颗粒v c - n 和v c - n - v x 。 2 1o t n 业务，支持g 7 0 9 定义的0 t n 连接颗粒o d u k 和o d u k n v x 。 3 1 透明或不透明的光波长业务。 4 11 0 m b s 、1 0 0 m b s 、1 g b s 和i o o b s 的以太网业务。 5 ) 基于光纤连接( f i c o n ) 、企业系统连接( e s c o n ) 和光纤通道( f c ) 的 存储域网络( s a n ) 业务。 智能光网络对新业务类型具有可扩展性，可以支持多种类型的业务模型， 每种业务模型都有自身的业务属性、目标市场和业务管理需求”。 为了支持增强型业务( 如按需带宽分配，多样性电路指配和捆绑连接等) ， 智能光网络应支持呼叫和连接控制的分离。呼叫和连接控制的分离可以减少 中间连接控制节点过多的呼叫控制信息，去掉解码和解释消息的沉重负担。 智能光网络支持的连接拓扑类型包括：双向点到点连接、单向点到点连接和 单向点到多点连接。 由于呼口q 和连接分离，一个呼叫可以对应多个连接，目前双向点到点连 接是最主要连接方式。智能光网络支持3 种业务网络连接类型：永久连接 ( p c ) 、交换连接( s c ) 、软永久连接( s p c ) 。p c 和s p c 连接都是由管理平面 发起的对连接的管理。p c 和s p c 的区别在于光网络内建立连接是利用网管 命令还是实时信令，这两种方式都是由运营商发起建立的业务连接。s c 连接 通过u n i 信令接口发起，用户的业务请求通过控制平面( 包括信令代理) 的 u n i 发送给运营商，即由用户直接发起建立业务连接。 目前的传输网不能按照服务等级制定相应的资费政策，造成资源配置的 浪费，而智能网络可以方便地对业务电路的优先级进行划分，从而提供有服 务品质协议( s l a ) 的传输业务电路。客户对不同连接的可靠性有不同的要求， 这些要求可以采用“业务等级”来表述。在智能网络中，业务等级主要是通 哈尔瞑r = 程大学研究生学位论文 过映射到不同恢复、保护选项和相关连接的优先级来实现的，例如建立优先 级，保持优先级( 是否可以预空闲) ，恢复优先级。 建立优先级主要是指业务的建立响应时间，分别为在天、小时或分钟内 建立业务连接。保持优先级( 是否可以预空闲) 主要是指在出现其他系统故 障时系统是否会被空闲出来承载更重要的业务，业务连接本身有没有保护。 恢复优先级则是考虑系统出现故障时的恢复时间和恢复等级( 如恢复业务百 分比) 。 将单个业务等级映射到一系列保护、恢复选项，每个运营商有着不同的 选择。控制层面支持基于每个连接链路优先级的设定，并支持将带宽资源预 留作为恢复目的和失效修复后路由归一化。一般支持如下业务连接等级：专 用连接( 1 + l 和l ：1 ) ；共享保护( 1 ：n 和m ：n ) ：不保护( 在主用电路上传送) ； 不保护业务( 在保护电路上传送) 。 从安全角度，网络资源应该避免没有授权的接入，业务接入控制就是限 制和控制实体企图接入到网络资源的机制，特别是通过u n i 和外部网络节点 接口( e n n i ) 。连接接纳控制( c a c ) 功能应支持以下安全特征： 1 ) c a c 适用于所有通过u n i ( 或者e n n i ) 接入到网络资源的实体。 2 ) c a c 包括实体认证功能，以防止冒充者通过假装另一个实体欺骗性 地使用网络资源。己经认证了的实体将根据可配置的策略管理被赋予一个业 务接入等级。 3 ) u n i 和网络节点接口n n i 上应提供机制来保证客户认证和链路信息 完整性，如链路建立、拆除和信令信息，以用来连接管理和防止业务入侵。 u n i 和e - n n i 还应包括基于c a c 的应用计费信息，防止连接管理信息的伪 造。 4 ) 每个实体可以通过运营者管理策略的授权利用网络资源。 1 2 4 智能光网新业务实例模型 目前运营商网络大多只支持p c 专线永久连接，但是智能光网络可以提 供更加丰富的业务模型，如加强型专线业务( p b s ) 按需带宽业务( b d s ) 和光 虚拟专网( o v p n ) 业务模型。每个运营商都可以根据其商业策略和环境定义 自己的业务模型。 1 、加强型专线业务 加强型专线业务模型提供增强的租用线专线业务，此业务是由p c 或 s p c 的业务管理接口( m d 指配的。这种指配可以是实时的或近实时的。它具 6 哈尔滨工程大学研究生学位论文 有以下特性： 1 ) 连接请求需要经过管理接口。 2 ) 客户和光网络之间是客户服务的关系。 3 ) 光网络对客户是不可见的，光连接的建立依赖于网络智能。 智能光网络网管平面与控制平面配合实现s p c ，s p c 可以快速提供业务。 客户只需要告诉运营者在哪个地方需要什么样的业务，运营商就会通过网管 平面和控制平面近乎实时地建立符合用户需求的业务连接，而且可以迅速改 变业务的属性( 在用户到运营商的线路满足条件的情况下) 。 2 、按需带宽业务 按需带宽业务模型通过u n i 信令接口提供按需分配带宽的自动连接，连 接指配是实时的，使用s c 光连接。它具有以下特性： 1 ) 用户或其代理可以直接通过u n i 发起连接请求。 2 ) 根据所使用的互连模式和网络管理策略不同，光网络对客户可以不具 有或者具有有限的可见性。 3 ) 根据控制平面互连模型的不同，连接依赖于网络或客户智能。 在u n i 发起业务建立时，传送网可以按要求建立和删除业务连接。客户 设备必须具有从用户网络接口网络侧( u n i - n ) 获得传送网业务信息的业务发 现能力。在连接建立过程中，必须确定业务属性信息。属性包括：成帧方式、 信号类型、透明方式、级联方式等。通过u n i 包括用户在u n i 上请求业务的 模式有直接请求和间接请求两种。对直接请求模式而言，用户网络接口客户 侧( u n i c ) 功能在客户设备中实现，客户端可以直接请求传送网业务。而对 间接模式来说，u n i c 独立于客户设备，代表一个或多个客户执行u n i 功能 ( 如图1 2 所示) 。 i s i ：网内互联接口 u n i * 用户互联接口 u n i cu n i n 客户 x u n i c、u n i 了一、k li s i 、 i u n i - n l 【一 陌t #y _ - ( a ) 直接请求方式 ( b ) 间接请求方式 图1 2 直接请求方式和闻接请求方式 7 哈尔滨工程大学研究生学位论文 b d s 实现了真正的按需分配带宽。可以根据用户动态提出的连接申请配 置连接，真正实现智能化。智能光网络在对用户进行适当的呼叫控制( 例如 一定的认证) 后，对客户开放核心网络中的连接服务和地址编码。 3 、光虚拟专用网 随着电信市场的放开，租用电路和网络资源越来越普遍。网络运营者可 以将一些网络资源及其许可权力分配给客户，这一部分网络资源构成虚拟专 用网( v p n ) ，如何对客户租用的波长或通道进行有效管理就成了人们关心的 问题。o v p n 模型在光层为特定的用户组提供虚拟专用网业务。它具有以下 特性： 1 ) 客户签约特定的网络资源( 如光连接端口、波长等) 。 2 ) 像v p n 一样，支持封闭用户组( c o g ) 概念。 3 ) 根据指配模式的不同，光连接可以是p c ，s p c 或s c 。 4 ) 一个o v p n 站点可以请求动态重新配置其在同一封闭用户组c u g 内 的站点之间的连接。 5 ) 在客户业务合同允许的范围内，客户具有对网络资源的可见性和控制 能力。 可以将传送网划分为多个v p n ，但每一部分网络资源只能属于一个 v p n ，虚拟专用网的用户终端可以根据网络的授权对相应的资源直接进行管 理。 1 3 国内外智能光网络研究现状 目前，国际上主要有i t u t 、i e t f 和o i f 等标准组织从事智能过网络体 系结构和相关协议的规范工作，而自动交换光网络( a s o n ) 就是由1 1 u t 提 出的重叠模型的智能光网络标准。从功能层面上讲，a s o n 包括传送平面、 控制平面和管理平面。同传统的传送网相比较，a s o n 的一个明显特征是在 网络中引入了给整个光传送网带来了革命性的变化，使光传送网从此具备了 自动完成网络带宽分配和动态分配电路的能力。 智能光网络技术仍处于快速发展阶段，已经得到了个标准化组织、研究 机构、电信运营商和设备制造商们的广泛关注。如何将智能光网络应用到电 信运营网络中，更是业界普遍关注的问题。 1 4 课题研究的目的和意义本论文主要的研究内容 随着互联网技术更加广泛的普及，人们对通信和信息的需求呈现强劲增 8 哈尔滨丁稃大学研究生学位论文 长，因此世界各国光通信网络建设规模不断扩大，使得对这种大规模光网络 的运营管理和维护成为网络发展的主要问题。另一方面各种新型业务( 如视频 点播、带宽租用、v p n 等) 不断涌现，i p 数据业务流量呈现爆炸性增长，为 了传输这大量的i p 数据业务，同时为了满足不断增长的带宽需求以及服务质 量需求，光网络正朝着易于管理和控制的智能化方向发展，而路由与波长分 配( r w a ) 问题正是光网络智能化中的关键技术之一。 本文首先介绍了路由与波长分配( r w a ) 问题的相关概念和常见算法，并 提出了一种基于当前路由的路由算法。该算法主要研究了无波长转换机制下 的波长路由型全光网，利用分层图模型，在有限的波长数中，动态的调节选 路策略。该算法显著的降低了网络呼叫阻塞率，更加有效的利用带宽资源， 同时它也能改变公平性。 本文的内容安排如下： 第一章主要介绍了光网络的概念及发展历程，智能光网络的结构和业务。 通过对智能光网络的新业务实例模型分析，阐述了今后智能光网络的发展方 向。 第二章首先简单介绍了智能光网络路由技术。然后分析了波长选路网， 说明了光网络中通信的特点。介绍了相关网络拓扑学中图论知识和后面研究 所用到的光网络的拓扑结构，以及相关约定。同时介绍了研究r w a 问题的 相关概念及常见算法。如路由算法中的f r ，f a r ，a r 算法和波长分配算法 中的f f ，l u ，r c l ，r l i 等算法均是本文研究r w a 问题的基础算法。 第三章对o p n t e t 仿真工具的介绍。 第四章首先介绍了路由中的最短寻径问题，着重介绍了d i j k s t r a 算法， 并对其进行了数学分析和权重设计分析；然后详细介绍了动态波长分配问题 的数学分析模型；深入的研究了动态波长路由分配算法，并通过o p n e t 建 模、仿真，与现有的f f 算法相比较，新算法显著的降低了网络呼叫阻塞率， 更加有效的利用带宽资源，同时它也能改变公平性。 第五章深入研究了波长转换器对网络阻塞性能的影响，通过仿真分析， 得出波长转换技术的引入，可以大大降低网络的阻塞率，提高网络的整体性 能。 9 哈尔滨工程大学研究生学位论文 第2 章光网络中的波长和路由分配问题 2 1 智能光网络路由技术简介 智能光网络的控制面可以实现路由、信令和链路资源管理这三个方面的 功能，其中路由功能的实现是最为复杂的，它不仅负责网络内拓扑结构发现 及网络资源使用信息的获取分发，还要根据各种约束策略计算出网络的最佳 路由。目前国际三大标准化组织都提出了路由协议的相关草案：i t u t 的 g 7 7 1 5 y 1 7 0 6 定义了a s o n 网络的路由结构和路由需求，但是对于具体的 协议实现并没有给出建议。另一方面i e t f 的g m p l s 控制面协议体系对传统 的开放最短路径优先协议( o s p f ) 和中间系统协议( i s i s ) ，进一步进行扩展实 现光网络的流量工程，g m p l s 提出的路由协议草案主要实现网络路由域内 的拓扑结构和网络资源信息的分发。而o i f 组织正在进行u n i 和e - n n i 接 口标准的制定工作，并要求e n n i 和i n n i 路由协议的选择相互独立。 下面对a s o n 网络路由技术和i p 网络路由技术进行比较，目的是为了 清楚阐明a s o n 网络的路由结构和路由需求。 在口网络中，数据的转发是逐跳进行的，无需事先建立连接。光网 络实质是电路交换网络，数据的交换是端到端的，因此需要事先建 立连接。 在i p 网络中，每个路由器根据数据包的目的地址独立进行路由选择， 因此每个路由器节点必须实现相同的网络链路状态数据库和路径选 择算法。而在a s o n 网络，由于光网络的连接是显式路由，并且对 于某一连接请求，路由计算是由接受连接请求的单一网元单独完成， 因此不同网元使用的路径选择算法可以不同。 在i p 网络中可以事先配置好保护通路，在失效发生以前并不占用网 络资源。面在a s o n 网络中，建立保护通道需要占用相应的资源。 邻居发现过程是i p 路由协议的基本过程，而在光网络中邻居发现机 制是由链路管理协议的自动发现机制来实现的。 2 1 1 路由体系结构的功能组件 从整体上讲，a s 0 n 路由体系结构包括与协议无关的组件如链路资源管 理器l r m ( l i n kr e s o u r c em a n a g e r ) ，路由信息库r d b ( r o u t i n gi n f o r m a t i o n 堕查鋈三堡盔兰竺蚕生耋堡篁童 d a t a b a s e ) 和路由控制器r c ( r o u t i n gc o n t r o l l e r ) ，以及与协议相关的组件如协 议控制器p c ( p r o t o c o lc o n t r o l l e r ) 。这些具体的路由功能组件的构成如图2 1 所示： q 圉 i 篁管理嚣卜叫“藤9 l i! 竺il j l际点翮 r7 i竺r 图2 。1 路由功能组件构成 在上图所示的路由功能组件的功能描述如下： 1 )路由数据库r d b 组件：用于存储本地网络拓扑结构，可达性，路由策略 配置和其它通过路由信息交换获得的信息，同时还可能包含有配置信息。 r d b 可以包含多个路由域的路由信息，那么访问同一个r d b 的r c 就 可能共享路由信息。 2 )链路资源管理器l r m 组件：主要负责本地链路资源的发现和管理，一 旦发现本地资源发生变化，则将其控制的链路资源的任何状态改变告知 r c ，更新r d b 。 3 )路由控制器r c 组件：负责响应连接控制器为了建立连接而对通道或路 由信息的请求，包括与对端r c 交换路由信息，并通过对路由信息数据 库的操作回复路由查询( 路径选择) ，同时也负责向管理网络发送所需 的拓扑信息。r c 是与协议无关的，从路由控制器中得到的信息使得它 能提供它所负责域内的路由。 4 )协议控制器p c 组件：将路由原语转换成特定路由协议的消息，因此是 与协议相关的。p c 还处理和路由协议相关的控制消息，这些控制信息用 哈尔滨 稗大学研究生学位论文 于路由信息交换的管理和维护。 2 1 2a s o n 路由技术的需求 i t u - tg 7 7 1 5 y 1 7 0 6 草案关于a s o n 路由技术的需求主要表现在以下 三个方面： l 、框架结构要求： 在r c 间的信息交换取决于参考点处的约束策略条件； 任何层次r p 的操作都与其他层次的路由协议r p 无关； r c d 间的路由信息的交换与域内协议的选择无关，与域内控制器的 分布策略( 集中式完全分布式) 无关： 路由邻接拓扑和传送网拓扑结构不是完全等同的； 每个路由域应该在同一运营商网络内是唯一标识的； 路由信息应该支持对个别域的抽象视图，抽象程度受运营商策略 影响； r p 应该具有恢复系统错误( 如内存耗尽等) 的能力。 2 、路由协议要求： 路由协议要支持多层次的路由结构和分级路由信息的分布( 包括 概要路由信息) ； 支持节点间的多链路以及节点和链路的多样性； 能够支持网络体系结构的演变和扩展( 如路由分层数量的增加、域 分段和汇聚的复杂程度提高、链路和节点数量的变化) ； 路由信息数据库中拓扑更新和可达性更新能够实现快速响应。 3 、路径选择要求： a s o n 体系结构中的连接控制器c c ( c o n n e c t i o nc o n t r o l l e r ) 用于根据信 令建立光路径，需要将路径选择算法得到的路径作为参数来建立光路径。路 径选择可以通过管理平面“脱机”方式实现，也可以通过控制平面“联机” 实时在线提供。选择哪种方式取决于计算的复杂性、可靠的拓扑信息、特定 的网络上下文环境； 路径选择不能产生闭合通道； 路径选择应支持约束路由； 路径选择应支持分层路由、源路由、逐跳路由其中一种路由方式。 哈尔滨t 程大学研究生学位论文 2 2 波长选路网 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。光通道就是网络结 点之间的全光通信信道，可以跨越多个光链路。一条光通道上中间结点处的 o x c 负责为光通道提供光域的路由。光通道的终端结点则把接收器或发射器 调谐到特定波长上，以建立波长通道。 在没有波长转换器的w d m 网络中，一条光通道输入端口和输出端口上 的波长应该相同，这一点就被称为波长连续性需求，如图2 2 中由a 到e 的 通道和由d 到f 的通道就满足波长连续性的条件。带有波长转换器的光网络 不必满足这一需求，如图2 2 中由b 到c 的通路。 口 o 业务接入站：包含( 可调谐) 收发机 波长路由交按机：可能包含波长转换器 图2 2 一种波长路由光肋m 网络结构示例 波长路由网路的基本要求是同一光纤链路上的不同光通道必须具有不同 的波长，以免通道间互相干扰。 图2 3 表示由五个接入结点a 、b 、c 、d 、e 构成的波长选路网结构。 网络中有两个波长选路器m 和n 。若结点a 要同时发送信号到结点d 和结 点e ，则a 到d 的信号传输可采用波长 ，a 到e 得信号传输采用厶，经 波分复用送到m 。m 不是将这些信号广播到所有结点上，而是先用解复用器 将 和五分离出来，分别送到d 和路由器上。五经处理后送到结点e 。与此 同时，若结点b 要发送信号到c ，则仍可使用 。依靠n 的选路功能完成b 到c 的光路连接，而不会发生像在同一根光纤上因使用同一波长传送两路信 哈尔滨工程大学研究生学位论文 号而导致的冲突。在这个例子中，三条通信光路只使用了两个波长，这是因 为用了波长选路器而实现了波长重用的结果。这说明，波长选路网可以用较 少的波长支持较多结点的通信。因此在网络中建立两点之间的连接，若选择 一条最佳路由和合适的波长，可极大的提高网络的效率，减少波长的阻塞， 通过优化网络的路由和波长，还可减少结点设备的端口数，降低网络成本。 且一一一 五一一 图2 3 波长选路过程举例 2 | 3 图论相关知识 通信网络的拓扑结构可以用图论学的知识来描述。 一个图由两部分组成：一部分是节点，图的术语中也称之为顶点；另一 部分是顶点的偶对，称之为边。通常，图的任意一对顶点问都允许有一条边。 树和链表也可看作受限图，从某种意义上说，图是最基本的数据结构。 图可用g = ( 矿，e ) 来表示，每个图都包括一个顶点集合 v ( v = v l ，v 2 ，v 。 ) 和一个边集合e ( e = e l , e 2 ，b 。 ) ，其中e 中每条边都是 v 中某一对顶点的连接。顶点总数记为i v i ，边的总数记为吲。边数较少的图 称为稀疏图，边数较多的图称为密集图。 如果图中的边限定为一个顶点指向另一个顶点，则此图称为有向图。如 果图中的边没有方向性，则称之为无向图。光网络中由于每条链路，都可在 其连接的两个节点间的任一方向进行通信，因此，代表它的图应是无向图。 如果从顶点v ，到顶点v 。( ，i 七) 的边均存在，则称顶点序列 ( v ，v ，+ ，v 。) 构成一条长度为k 一，一l 的路径。如果路径上各顶点均不同， 则称此路径为简单路径。路径长度是指路径包含的边的数目。如果一条路径 1 4 哈尔滨t 程大学研究生学位论文 将某个顶点连接到它本身，且其长度大于等于3 ，称此路径为回路。 图中某节点i 的度数等于与该节点相关联的边数。如果一个节点的度数 为零，称它为孤岛。一个具有个顶点的图g ，在去掉任意k 1 个顶点后 ( 1 - k 0 ( 4 2 ) 光路建立后的服务时间服从均值为1 z 的负指数分布，即对某一连接， 其连接保持时间乃满足概率： p ( l 、= z e 一矾 单位时间内的连接请求数为旯， 则全网总的业务负载为： 乃0 ( 4 - 3 ) 每次连接占用信道的平均时间为1 g ， p = h ( e r l a n g ) ( 4 4 ) 前面已经提到过，动态业务的到达时间和持续时间都是随机的，因此实 际的计算机仿真中需要产生符合一定概率分布的随机数和随机变量。 对于产生 o ，1 】间均匀分布的随机数，通常采用线性同余法，原理如下： h “= ( i x ，+ c ) ( m o dm ) 、 k ：x ， 扛0 1 2 q 。5 叩，即为 0 ，1 之间均匀分布的随机数。为了保证所产生随机数的均匀性 和独立性，采用文献 3 4 中的方法，取爿= 5 ”，c = l ，m = 2 ”。 生成【o ，l 】之间均匀分布的随机数后，就可以用反变