（通信与信息系统专业论文）下一代ip+over+dwdm光网络中的协议和机制.pdf

摘要 摘要 近几年通信需求的不断增加给计算机网络技术的发展提供了很好的机遇，也提出了很多 挑战。由于可以提供近乎无限的带宽，以光为媒介的网络成为运营商用以构建骨干网，甚至 城域网的最常用技术。d w d m 技术的发展使得在今后很长一段时间内，带宽将不再是人们 首要关注的问题。在现有的基于s o n e t 的光网络中，建立一条光网络边缘到边缘的通路费 时费力，非常复杂。而d w d m 技术的出现使得链路上波睦数目早倍数增长，进一步增大了 这一过程的复杂度。如何利用d w d m 的可提供的无限带宽灵活地组网，成为下一代光网络 研究的重点内容。 普遍认为，未来数据网络中占主导地位的业务将是基于口的。因此，用基于i p 分组的 统计复用技术，将低速业务聚合成适合于d w d m 网络传输的数据流，将是未来主要的数据 复用技术。这一统计复用功能将由位于光网络边缘节点上的i p 接入单元或者位于接入网络 的路由器来完成。这样，由具有d w d m 交换能力的光节点和完成i p 统计复用的边缘节点 或路由器组成的下代智能的i p o v e r d w d m 网络，有可能旁路传统网络中s o n e t s d h 或 a t m 层，提供更加灵活，更高性价比的服务。 智能i p o v e r d w d m 全光网络的核心是控制面。传统的静态和低效率的服务提供模式已 经完全不能适应网络快速发展和新业务不断增加的需求。研究开发控制面已经成为构建卜一 代智能光网络的核心任务。本文围绕波k 路由网络中控制面的建立，对该类网络中的信令机 制，路由和波长选择算法等进行了深入研究，并结合路由和波长选择，对业务疏导问题进行 了探讨。本文的主耍研究工作和创新点如卜： 在光网络中，信令协议被用来建立从边缘到边缘的连接，是光网络控制面的核心组成部 分。在不同的网络配置和运行策略f 需要运行不同的信令协议。本文首先提出了简单光路建 立协议s l e p ( s i m p l el i g h t p a t h e s t a b l i s h m e n t p r o t o c 0 1 ) ，并给山了其实现原型，给出了该协议 的消息格式，会话标识的设置方法，以及节点上用以完成连接管理的重要数据结构和路由表 项结构等。s l e p 实现了常见的两种资源预留方法，即前向预留和反向预留方法。我们利用 s l e p 的实现原型对光网络中信令协议的运行特性，包括信令消息负载、连接建立时间平波 长集合选取对阻塞概率的影响、使用多选路由对网络性能的提升等做了详细的分析和仿真。 s l e p 的实现原型及利用s l e p 所得到的分析仿真结果对实际网络中信令= 作模式的选取和 信令参数的设置具有参考价值。 在对两种基本的信令工作模式进行了充分的分析之，l ； 彳，我们提出了一种混和式光路建立 协议c l e p ( c o m p o u n dl i g h t p a t he s t a b l i s h m e n tp r o t o c 0 1 ) 。提出这个协议的出发点是：由于入 口节点缺乏准确的网络资源信息，无法准确地选择波长，所以即使在通路上有空闲波长的情 况下仍旧会产生阻塞。c l e p 首先尝试使用前向预留的方式建立光路，同时收集通路上各个 中国科学技术大学博士学位论文 节点的可用波长。如果到达某个下游节点时入口节点所选择的波长不再可用，则c l e p 自动 转向反向预留的方式来建立光路。这样，在网络负载相对较低时，大部分连接使用前向预留 的方式建立，从而保证平均连接建立时间比较短，信令消息负载比较低：而随着网络负载的 增加，更多的连接转向用反向预留的方式建立，从而保证网络的阻塞概率较低。 路由和波长选择问题也是光网络控制面的重要组成部分。波长和路由选择过程直接影响 到光网络的阻塞性能和吞吐量。本文对动态路由问题做了综述，分析了波长路由网络中动寻 路由问题的特点，讨论了和动态波长路由相关的关键问题。在此基础上，我们提出了一种基 于固定多选路由的资源信息分发机制( o r x f ：d i r e c t e dr e s o u r c ei n f o r m a t i o nf l o o d i n g ) 。多选 路由是开销和性能良好的折衷，d r i f 充分利用多选路由的特性，以较小的开销实现了节点 之间资源信息的交换。以d r i f 为基础，我们提出了一种半动态寻路机制，由于提高了寻路 的准确性，连接建立时间大大缩短。我们进一步提出结合使用波长集合和捆绑更新，可以在 不影响网络性能的前提下迸一步降低控制消息负载。 以上讨论的是光传输网中和光路建立相关的技术。随着光网络逐渐由骨干网向城域网， 甚至园区网延伸，处在光网络边缘的节点可能需要自己完成用户接入，将多个用户的低速业 务汇聚成可以在d w d m 链路上交换的数据流。这就是光网络的业务疏导问题。我们在第5 章给出了使用多选路由的亚波长路由网络中业务疏导的整数线性规划模型。由于该问题是 n p 难解问题，我们进一步给出了启发式的方法，并对各种疏导策略进行了分析。 在本项目过程中，我们利用网络仿真t 具n s ，实现了一个光网络仿真平台。该平台已 经被来自美国、新加坡、韩国、日本和中国等的研究人员f 载，作为研究光网络的j ：具。本 文的最后，我们给出了电灯实例，详细说明了n s 中c + 十和o t c l 混和编程的基本原理，这 是学习和使用n s 的重点和难点所在。然后本文提出利用n s 2 构建的基y - a g e n t 的光网络仿 真平台。该设计利用独特的基于a g e n t 的方式实现分组转发和信令机制，具有非常好的灵活 性和较小的开销。这种方法可以被使用在其它上层协议的仿真系统的设计中。 关键词：全光网络波长路由信令寻路协议业务疏导网络仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a ln e t w o r ki sw i d e l yu s e d i nc a r r i e r s b a c k b o n ea n dm e t r o a r e an e t w o r k s b e c a u s eo fi t sv a s tb a n d w i d t h t h ee m e r g e n c eo fw d m t e c h n o l o g yp u t sa ne n dt ot h e c r i s i so fb a n d w i d t hi nb a c k b o n e s h o w e v e r , t r a d i t i o n a ls o n e t s d hb a s e do p t i c a l n e t w o r k ss h o wl i t t l er e s i l i e n c ei nf a s ta n df l e x i b l es e r v i c ep r o v i s i o n i n g i ti sw i d e l ya g r e e dt h a ti pb a s e dt r a f f i cw i l lb ep r e d o m i n a n ti nf u t u r ed a t an e t w o r k s s t a t i s t i c a lm u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g i e sb a s e do ni pp a c k e tw i l lb et h ep r e d o m i n a n t m u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g i e sf o rd a t as t r e a m sl o w e rt h a nt h o s es u i t a b l ef o rd w d m t h i s m u l t i p l e x i n gp r o c e d u r ew i l lt a k ep l a c ee i t h e ro na c c e s ss t a t i o n so fe d g en o d e si n o p t i c a ln e t w o r k s ，o ro nr o u t e r si na c c e s sn e t w o r k s a ni n t e l l i g e n ti po v e rd w d m o p t i c a ln e t w o r kc o m p r i s e do fc o r en o d e sc a p a b l eo fd w d ms w i t c h i n ga n de d g e n o d e sc a p a b l eo f 口m u l t i p l e x i n g w i l lb ea b l et ob y p a s ss o n e t s d ha n da t m l a y e r si nt r a d i t i o n a ln e t w o r k s ，a n dp r o v i d ef l e x i b l ea n dc o s t e f f e c t i v es e r v i c e s t r a d i t i o n a ls e r v i c ep r o v i s i o n i n gm e c h a n i s m sa r es t a t i ca n di n e f f i c i e n t t h e yc a nn o l o n g e rm e e tt h ef a s ti n c r e a s eo fc o s t u m e rd e m a n d ，ac o n t r 0 1p l a n ej se s s e n t i a li n b u i l d i n ga ni n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r k t h i sp a p e rf o c u s e so nk e yt e c h n o l o g i e si n b u i l d i n ga r to p t i c a ln e t w o r kc o n t r o lp l a n e t h ec o n t e n ti n c l u d e s ：s i g n a l i n gp r o t o c o l s ， 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 ，d y n a m i cl i g h t p a t hp r o v i s i o n i n gi nw a v e l e n g t h r o u t e do p t i c a ln e t w o r k s ，a n dt r a f f i cg r o o m i n gi ns u b - w a v e l e n g t ho p t i c a ln e t w o r k s t h er e s e a r c ht o p i c sa n do u rc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s a sa k e yc o m p o n e n to fac o n t r o lp l a n e ，s i g n a l i n gp r o t o c o l sa r cu s e dt od y n a m i c a l l y s e t u pa n dt e a rd o w nc o n n e c t i o n s d i f f e r e n tt y p eo fs i g n a l i n gp r o t o c o l sa r en e e d e d d u r i n g d i f f e r e n tn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n sa n dd i f f e r e n to p e r a t i n gp o l i c y w ef i r s t p r e s e n ts i m p l el i g h t p a t he s t a b l i s h m e n tp r o t o c o l ( s l e p ) a n di t sp r o t o c o l i m p l e m e n t a t i o n t h em e s s a g ef o r m a t s ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fs e s s i o ni d ，a n dd a t a s t r u c t u r e sf o rc o n n e c t i o nm a n a g e m e n to nn o d e s ，a sw e l la s r o u t i n gt a b l e s a r e p r e s e n t e d b o t hf o r w a r da n db a c k w a r dr e s e r v a t i o nm e c h a n i s m sa r ei m p l e m e n t e di n s l e p i t sp r o t o c o li m p l e m e n t a t i o ni su s e dt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fs i g n a l i n g p r o t o c o l s t h ep r o t o c o li t s e l f a n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sc a l lp r o v i d es o m eg u i d a n c ei n t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs i g n a l i n gp r o t o c o l sa n dt h ec o n f i g u r a t i o no f p r o t o c o lp a r a m e t e r s a f t e re x p e r i m e n t i n ge x t e n s i v e l yw i t ht w os i g n a l i n gm e c h a n i s m s ， w ep r e s e n tc l e p ( c o m p o t m d l i g h t p a t he s t a b l i s h m e n tp r o t o c 0 1 ) c l e pu s e sf o r w a r d i i i 中国科学技术大学博士学位论文 r e s e r v a t i o nt os e t u pal i g h t p a t ha tt h es a n l et i m ec o l l e c t i n ga v a i l a b l ew a v e l e n i g t ha l o n g t h ep a t h i ft h ew o r k i n gw a v e l e n g t hi su s e db ys o m eo t h e rc o n n e c t i o n s ，w h i c hw i l l b l o c kt h eo n g o i n gs e t u pp r o c e s sn o r m a l y , c l e pw i l la u t o m a t i c a l l ys w i t c ht 0 b a c k w a r dr e s e r v a t i o n i nt h i sw a y , m o s to ft h ec o n n e c t i o n sc a l lb es e t u pw i t hf o r w a r d r e s e r v a t i o nw h e nn e t w o r kl o a di sl o w , t h u sm i n i m i z i n ga v a r e g ec o n n e c t i o ns e t u p d e l a ya n dc o n t r o lm e s s a g eo v e r h e a d w h e nt h en e t w o r kl o a di n c r e a s e s ，c l e pu s e s b a c k w a r dr e s e r v a t i o nt om i n i m i z ec o n n e c t i o nb l o c k i n gp r o b a b i l i t y t h i sp r o b i n gi d e a i sa l s ou s e dt oo p t i m i z er c l d r c l ，w h i c hl e a d st ot h ep r o p o s e da l g o r i t h md p r c l d p r c lh a sl o w e rc o n t r o lm e s s a g eo v e r h e a d ，i sm o r ef l e x i b l ea n de a s yt oi m p l e m e n t t h eb l o c k i n gp e r f o r m a n c eo f d p r c li sc l o s et or c l d r c l t h ed y n a m i cr o u t i n gp r o b l e mi st h e na d d r e s s e d w ef i r s tp r e s e n ta no v e r v i e wo f d y n a m i cr o u t i n gi no p t i c a ln e t w o r k s ，a n dt h e nt h ep r o p o s e dr e s o u r c ei n f o r m a t i o n d i s t r i b u t i o na l g o r i t h m d r i f ( d i r e c t e dr e s o u r c ei n f o r m a t i o nf l o o d i n g ) ，i sp r e s e n t e d d r i fi sb a s e do nf i x e da l t e r n a t er o u t i n g ，w h i c hh a sb e e np r o v e dt ob eag o o d t r a d e o f fb e t w e e nc o m p u t a t i o n a lo v e r h e a da n dp e r f o r m a n c e ，d r i fe x p l o r e r st h e i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c so ff a rt h u sc a np r o v i d ea c c u r a t er o u t es e l e c t i o ns u p p o r t w i t hl o wc o m p u t a t i o n a la n dc o n t r o lm e s s a g eo v e r h e a d w ea l s od i s s c u s st h ei n t e r p l a y b e t w e e nl a m b d a s e ta n db o u n d i n gu p d a t e w ep r o v et h r o u 曲s i m u l a t i o n st h a tt h eu s e o fl a m b d a s e ta n db o u n d i n gu p d a t ec a ns i g n i f i c a n t l yr e d u c ec o n t r o lm e s s a g eo v e r h e a d ， w i t h o u ts a c r i f i c i n gc o n n e c t i o nb l o c k i n gp e r f o r m a n c e i na d d i t i o nt ou s i n go p t i c a ln e t w o r ka st r a n s p o r tn e t w o r k ，w ea l s oa d d r e s st h et r a f f i c g r o o m i n gp r o b l e mi ns u b 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 s ，w h i c hm a yb eu s e di n t h ea c c e s sp a r to fc a r r i e r s n e t w o r k s w ed i s s c u s st h et r a f f i cg r o o m i n gp r o b l e mi n o p t i c a ln e t w o r k sw h e nf i x e da l t e m a t er o u t i n g sa r eu s e d t h ei n t e g e rl i n e a r p r o g r a m i n gf o r m u l a t i o ni sp r e s e n t e d a n ds i n c et h i sp r o b l e mi sn p - h a r d ，w ep r o p o s e d s e v e r a lh e u r i s t i cm e t h o d sf o rt r a 衢cg r o o m i n gw i t hf i x e da l t e m a t er o u t i n g f i n a l l yi nt h i sp a p e r , w ep r e s e n tab r i e fi n t r o d u c t i o nt on sw i t ha ni l l u s t r a t i v el a m p e x a m p l e t h es i m u l a t i o np l a t f o r mw i t ha na g e n t b a s e da r c h i t e c t u r ei sp r e s e n t e di n d e t a i l t h i sa r c h i t e c t u r ec a nb eu s e di nt h es i m u l a t i o no f n l g hl e v e lp r o t o c o l s k e y w o r s ：a l lo p t i c a ln e t w o r k ，w a v e l e n g t hr o u t i n g ，s i g n a l i n gp r o t o c o l ，n e t w o r k s i m u l a t i o n ，t r a f f i cg r o o m i n g 第l 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 近年来，随着通信技术与计算机技术的飞速发展，i n t e m e t 规模不断扩大。i n t e m e t 入网 的主机数、上网的人数都在飞速增艮。图1 - 1 给出了从1 9 9 1 年到2 0 0 1 年i n t e m e t 入网主机 数的增长曲线 1 2 ，预计到2 0 0 5 年间，入网主机总数将达到1 , 0 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 针3 。图1 - 2 给出了在线用户数统计f 4 】f 5 】，预计到2 0 0 5 年，在线用户总数也可以达到1 , 0 0 0 ，0 0 0 ，0 0 0 人。 在入网主机数和上网人数增长的同时，i n t e m e t 的网站数量也在上升( 图1 - 3 ) 5 】，到2 0 0 1 年3 月，商业网站( 仅c o r n ) 已经达到3 6 ，3 5 2 ，2 4 3 个f 6 。主机数、上网人数以及网站数目 的增长使得i n t e m e t 的流量以每年4 倍的速度递增 6 】 8 】( 图1 _ 4 ) ，预计到2 0 0 5 年，骨干 节点的流量可以达到1 0 0 t b p s 。 图1 1 1 9 9 1 年到2 0 0 1 年t n t e r n e t 主机数增长曲线( 单位：百万) 图1 - 2i n t e r n e t 全球在线用户数统计( 单位：百万)图1 _ 3i n t e r n e tw e b 站点增长趋势 帅舳 柏加 。 中国科学技术大学博士学位论文 图1 4 美国i n t e m e t 流量趋努图 在i n t e m e t 的规模飞速增长的同时，业务种类也越来越多，由数据通信、e - m a i l 、w w w 业务向集音频、视频数据为一体的多媒体方向发展。而近一两年基于p 2 p 技术的应用显著 增多 9 - 【1 5 ，大量的海量音视频文件和软件的传输极大地消耗了网络的带宽。在这些不断 增长的需求的推动下，网络设备的吞吐能力不断地得到提升，以光为媒介的网络技术也得到 了迅猛的发展。 1 1 1 光网络的发展历史 1 1 1 1 以s o n e t s d h 为基础的光网络 商业用途的光通信在2 0 多年前就开始了 1 6 ，研究人员一赢致力于提高根单模光纤 所能提供的传输容量。近几年来，研究人员开始研究开发在光域里进行信号传送和寻路的设 备与技术。网络的营运商也逐渐意识到带宽的急速增加要求他们的网络具有很好的可扩展 性，以满足将来不可预计的用户需求。 s o n e t s d h 技术被用来建立单通道的光传输系统，它给出了一系列不同速率的接口标 准，从o c 一1 到o c 1 9 2 。s o n e t 最初由b e l l 通信研究室建立，后被a n s i 采纳为标准。s d h 是s o n e t 的微小变体，被r r u _ t 采纳为标准。 s o n e t 使用特定的帧格式来传输数据净荷和开销，通过使用帧内部的指针来保证复川 后通道的解复用和同步。s o n e t 分为4 个子层：通道子层( p a t h ) ，线路子层( 1 i n e ) ，段子 层( s e c t i o n ) 和物理子层( p h y s i c a l ) 。通道子层监控连接的状态和性能；线路子层将多个通 道子层的连接复埘到一个链路或者光纤上，同时负责山错保护；每条链路由多个段构成，段 第1 章绪论 由信号再生器定界；物理子层提供光纤上数字信号的传输。每层在s o n e t 的帧中都有各自 的开销，其中比较重要的是d 1 d 1 2 和k 1 k 3 这些字节。d 1 d 3 形成端数据通信信道，用 来完成段实体间的数据通信，实现告警、维护，控制和监测等功能。k i 和k 2 提供自动保 护切换( a p s ) 功能。d 4 - d 1 2 提供一个5 7 6 k b p s 的信号，可以用来进行线路的告警、维护， 控制和监测等功能。s o n e t 的帧格式如下所示。 图1 - 5s o n e t 基本帧的结构，每1 2 助s 发送一帧 如图1 5 所示，s o n e t 的基本信号速率是s t s 1 ( 5 1 8 4 m b p s ) ，在1 2 5 # s 的时隙内装入 多个基本帧，就可以得到更高的速率。在更高的速率下，帧将经过重新组织，所有的开销 ( o v e r l o a d ) 被放置在连续的列中。对于速率低于s t s 1 的恒定速率信号，s o n e t 采用虚 支流v t ( v i r t u l at r i b u t a r y ) 来传送。v t 由帧内特定的列构成，通过使用帧内的指针，可以 有效地将低速信号解复用。s o n e t 提供的低速速率有v t l 5 ( 1 7 2 8 m b s ) ，v t 2 ( 2 3 0 4 m b s ) 等等。 局间和长距骨干网络中的可生存体系结构反应了对组网可靠性和高性能的要求。随着网 络带宽的急速增加，网络可靠性和白恢复能力显得越来越重要，其中包括在光缆设施出现灾 难性故障时的生存能力，在线路中心故障时重要链路的恢复时间等等。s o n e t s d h 提供了 很好的保护恢复的机制。从光网络演进的角度来讲，很多s o n e t s d h 的功能将被转移到 光的传输网络中。 1 1 1 2d w d m 技术 传统的传输网络多适合于窄带和较宽带宽( 从6 4 k b p s 到2 m b p s ) 的业务。为了适应带 宽增加的需求，它们必须提供更大的通信信道，从而可以承载宽带音频，视频和数据业务以 及其它可能出现的宽带业务。在这些因素的推动下，在全球范围内，波分复用技术( w d m ： w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 得到广泛的应用，网络营运商们利用它来增加氏距离和光 纤数目有限环境下的网络带宽。 w d m 是一种允许多个光信号同时在一根光纤中传输的技术。它的机理和频分复用 ( f d m ：f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 很相似。最开始w d m 利用了光信号在1 3 0 0 n m 和 1 4 0 0 n m 两个波段处衰减较小的特性，在光纤中同时传输两个波长的信号。后续的研究发现， 中国科学技术大学博士学位论文 在一个窗口内可复用的光信号的数目只和相应的光器件( 例如分布式反馈激光和掺铒光纤) 的精度有关。随着制造技术的发展，一根光纤内可以复用的光信号数目越来越多。典型的 w d m 系统有4 或者1 6 个信道，如果超过4 0 个信道，就称为密集波分复用( d w d m ：d e n s e w d m ) 。光纤传输容量近几年的增长情况如表1 - 1 所示【1 7 】。 ( 波长数x 单路容量)光纤容量时间 8 x 2 5g b s2 0 g b s1 9 9 6 1 6 x 2 5g b s4 0 g b s1 9 9 7 3 2 x 2 5 ( 弛s8 0 g b s1 9 9 9 8 0 x 2 5 ( 、b s2 0 0 g b s2 0 0 0 4 0 x 1 0g b s4 0 0 g b s 2 0 0 0 下半年 1 6 0 x 2 5g b s 4 0 0 g b s2 0 0 0 下半年 8 0 x 1 0g b ，s8 0 0 g b s2 0 0 1 下半年 1 6 0 x 1 0g b s1 6 t b s 2 0 0 2 下半年 4 0 x 4 0g b ，s1 6 t b s2 0 0 2 下半年 8 0 x 4 0g b s3 2 t b s2 0 0 3 年2 0 0 4 年 1 0 0 x 4 0g b s4 t b s2 0 0 5 1 6 0 x 4 0g b s6 4 t b s2 0 0 7 表1 1 光纤容量发展趋势 w d m 的出现标志了传输网络的一次革命。由于具有很高的性能价格比，很快被应用在 点到点的传输环境中。w d m 技术在点到点传输网络中的应用可以用图1 - 6 来表示。其中光 线路系统o l s 用以连接点到点的d w d m 链路，提供波长复用解复用；光放大器通常被放 置在累计衰减较大的长距路径上。s o n e t s d h 的a d m 完成业务的上下路，d c s 完成各个 接口之间业务的交换，t m 只完成s o n e t 中的复用，用米完成多个支流信号的聚合。通过 这种方式，d w d m 为核心网络或者长距传输网络提供点到点的连接。 s o n e t s d h 概念：a d m ：a d d d r o pm u l t i p l e x e r , d c s ：d i g i t a lc r o s s - e o m l c c ts y s t e m ，t m ：t e r m i n a lm u l t i p l e x e r d w d m 概念：o l s ：o p t i c a ll i n es y s t e m o a ：o p t i c a la m p l i f i e r 图1 6d w d m 技术在点到点传输网络中的应用 4 第l 章绪论 近儿年d w d m 在点到点环境中的应用日趋成熟。不断增大和多样话的业务需求使得仅 仅将其用在点到点的应用中无法满足要求。光交叉连接( o x c ：o p t i c a l c r o s s c o t m e c t ) 4 7 4 8 】 和光分插复用器( 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 e r ) 4 8 等技术的发展使得d w d m 可 以被应用在构建环形和网状结构的网络上。这样d w d m 不再仅仅被用以扩充链路带宽，而 进一步成为光联网的一种重要手段。 1 1 1 3 光网络协议栈的演迸 现在的s o n e t 和s d h 为语音和租用线路提供完善的管理和传输可靠性，这些业务在 1 9 9 5 年之前占据主导地位。但是1 9 9 5 年之后，随着i n t e m e t 的发展，数据业务和v p n 业务 急速增加。在世纪之交，数据业务开始超过并将继续领先语音业务 1 8 】，降低网络费用的需 求也越来越大。这种需求和对更大数据吞吐量的需求，要求服务供应商用一种性价比最高的 方式来提供火容量的数据业务。在现有的网络体系结构下，做到这一点很难。现在的数据网 络通常分四层：层、a t m 层、s o n e t s d h 层和d w d m 层。其中i p 层用于支持各种数 据和业务，a t m 层用于实现流量工程，s o n e t s d h 层用以实现传输功能，而d w d m 层用 以提供带宽。 普遍认为，基于i p 的数据传输将是网络上的主要业务，因此发展高速路由器，将各种 低速的数据流复用到可以用o x c 进行交换的速率是很关键的技术。同时，对低速的不适合 于d w d m 的数据流的复用技术也倾向于采用基于i p 的统计复用方式。随着路由器技术和 o x c 技术的快速发展，在网络体系结构上旁路a t m 层和s o n e t 层已经成为可能。而a t m 和s o n e t s d h 所提供的功能( 包括流量工程和生存性能力等) ，将被直接实现在路由器、 o x c 和d w d m 中。 近几年来i po v e rd w d m 协议栈的演进趋势如图1 7 所示 1 8 】。 图1 - 7 光网络分层结构的演进 ( 1 ) i po v e r a t mo v e rs o n e t s d ho v e rd w d m 传统的服务提供商提供t d m ，a t m 和i p 业务，通常使用i p a t m s o n e t d w d m 四层 结构的网络。这种结构下由a t m 引入的开销，例如a a l 5 和a t m 的头标，使得网络的传 输效率比较低。s o n e t s d h 提供了应对光纤断裂导致通讯中断的自愈方法，但是此类网络 中国科学技术大学博士学位论文 初期建设成本和运营成本高，网络的性能价格比低。另外，多层的结构使得这种网络难以比 较快地扩展到很大的吞吐量。 ( 2 ) i po v e r a t mo v e rd w d m 和第一种结构类似，但是去掉了s o n e t s d h 层。具有较多租用线路和语音业务的服务 供应商通常使用这种结构。由于a t m 层仍然存在，这种结构保持了原有结构中的强q o s 保 证能力，但是其传输效率不高。 f 3 ) i po v e rs o n e t s d ho v e rd w d m 以数据业务为主的服务供应商通常采用这种结构的网络。p a c k e to v e rs o n e t s d h ( p o s ) 技术可以用来传输i p 分组，从而消除a t m 带来的开销。这种结构的网络也可以用 来承载传统的话音业务。 ( 4 ) i po v e rd w d m 最后一种方式同时去掉了a t m 和s o n e t s d h ，从而得到只剩下d w d m 层和i p 层的 两层结构的网络。服务供应商可以用这种方式来提供数据服务和v o i p 服务。这种结构和前 面的各种结构相比，具有更高的传输效率和更低的建设运营成本。 1 1 2i po v e rd w d m 光传送网的交换技术 1 1 2 1 光突发交换( o b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 一个4 4 字节的分组在1 0 g b p sw d m 信道中仅仅持续3 5 2n s ，因此光路由器中寅接把 i p 分组作为交换单元的主要困难在于电系统的处理和控制能力上存在瓶颈。为了减少配置 光交换结构的电器件的负担，增加整个路由器的吞吐量，必须将交换的粒度增大，这种考虑 导致了“b u 哑s w i t c h i n g ”概念的诞生。o b s 是将拥有相同目的地址和一些其它相同属性( 例 如q o s 参数) 的i p 分组组装成一个突发单元( b u r s t ) 进行转发的一种交换技术【1 9 2 0 】 2 1 。 o b s 网络是由处于网络边缘的边缘路由器、位于网络中心的光核心路由器( o b s 交换 机) 以及波分复用( w d m ) 的链路组成( 图1 8 ) 。分组在o b s 网络入口( 也就是边缘路由 器) 处被组装成突发数据( b u r s t ) ，经过光核心路由器的交换，然后在网络的出口处被分解 成分组，并被转发到直接和o b s 网络相邻的另一个接入网络。 6 第1 章绪论 图1 8 0 b s 网络结构 在o b s 中，b u r s t 由控制头标( b h p ：b u r s th e a dp a c k e t ) 和有效载荷( d b ：d a t ab u r s t ) 两部分组成( 如图1 - 9 所示) ，它们通过光核心路由器时各自在电域和光域交换。b h p 包含 所有必要的控制信息，o b s 主干网的每一跳的交换控制单元根据这些信息来配置光交换矩 阵，以便在光域交换d b 。d b 和b h p 独立传输和交换不仅有助于对头标进行电处理，降低 光核心路由器光电转换的需求，而且可以提供入口到出口的透明光通路来传输d b 。 d a t a i m r s ti 二 - 秘 匿蚕羹薹翟嗣 ，功 ；8 m2b i p i |国 口 ，c 卜t 叫 t ：偏裙时闻 图1 - 9w d m 链路上的d b 及其对应b h p 的传输情况 在o b s 中，信道( c h a n n e l ) 表示两个相邻路由器间的某种单向传输能力。信道可以由 一个波长或者时分( 码分) 复用r 的波长的一部分构成。传输d b 的称为数据信道传输 b h p 的称为控制信道。信道组( c h a n n e lg r o u p ) 是一组具有相同类型和节点信息的信道组 成。一个w d m 链路代表两个路由器间的整体传输能力。通常每个方向都有一个数据信道组 ( d c g ：d a t a c h a n n e l g r o u p ) 和一个控制信道组( c c g ：c o n t r o l c h a n n e l g r o u p ) 组成( 如图 l 一1 0 所示) 。d c g 和c c g 在物理上既可以是同一条光纤又可以属于不同的光纤。 7 中周科学技术大学博士学位论文 d c c i ：, d a t ac t u u m e lg r o u p c c o ：c o n t r o l0 1 a r m e lg r o u p 图1 1 0o b s 网络中的b u r s t 传输 图1 - 9 所示的b u r s t 偏穆时间t 的初始值t 0 由入口边缘路由器设置。每个b u r s t 的偏移 时间既可以相同也可以不同，b u r s t 偏移时间的功能取决于光核心路由器的设计。当光核一t 3 路由器使川光纤延迟线( f d l ：f i b r ed e l a yl i n e ) 来延迟发往交换矩阵的d b 时，控制单元 有充裕的时间来处理b h p ，偏移时间的可以很小或者设有。如果光核心路由器没有f d l ， 为了使光核心路由器在每一跳都有足够的时间处理b h p ，我们需要为偏移时间设置一个比 较人的初始值加，与b u r s t 在o b s 网络路由过程中所经过的跳数以及每一跳的处理时延 成正比。 不同的o b s 网络架构定义了不同的信令机制