（通信与信息系统专业论文）基于ovpn的多源并发组播算法设计.pdf

摘要 摘要 多源并发组播是一种广义的组播，各个组播源在发送自己数据的同时，还要 接收其它组播源的数据信息。因此，这种高交互式的应用不仅对带宽有较高的要 求，而且对时延也有严格的限制，而现阶段各种快速增长的带宽密集型应用，比 如分布式存储，网格计算，流媒体应用，银行业务结算，视频会议以及即将出现 的物联网技术等等，又大大促进了多源并发组播技术的应用和发展。 w d m 光网络中多源并发组播路由和波长分配( r o u t i n ga n dw a v e l e n g t h a s s i g n m e n t , r w a ) n 题是一个n p 完全问题，而现有的启发式算法要么没有很好 地解决路由问题造成流量失衡，要么没有很好地解决波长分配问题造成带宽资源 浪费，因此，如何能有效地解决多源并发组播r w a 问题，是一个新的研究课题。 与此同时，动态建立于波长之上的光虚拟专用网络( o p t i c a ly p n ) 由于其规模 较小，带宽较高等特点使得自身极其类似于局域网，也使得o v p n 内部多源并发 组播会话频繁发生。因此，怎样能够结合局域网的现有机制有效解决o v p n 场景 中的多源并发组播路由和波长分配问题，又是一个值得研究的课题。 本文主要针对上述问题进行如下研究： 首先，通过对现有的多源并发组播算法进行研究，并对w d m 光网络中多源 并发组播的r w a 问题进行分析，构建基于w d m 光网络的多源并发组播流量疏 导的网络模型，并且针对实际中组播源的带宽需求可能远远小于一个波长容量的 情况，研究如何在解决多源并发组播r w a 问题的同时，对波长信道资源的使用 进行优化，从而有效克服现有启发式算法中单源树算法可能造成的带宽资源浪费 现象和共享树算法所造成的流量失衡现象。 其次，通过对光虚拟专用网络场景中多源并发组播的流量疏导问题进行分析， 并且针对o v p n 自身类似于局域网的特点，设计基于o v p n 的多源并发组播流量 疏导模型，通过引入令牌环局域网工作机制来得到一种全新的基于0 v p n 的多源 并发组播的静态流量疏导算法，同时达到对波长信道资源的优化效果，但是令牌 环的信道访问机制中关于优先级的概念过于复杂，而且很容易造成低优先级应用 由于直得不到令牌而出现带宽饿死现象，这对于多源并发组播等实时性应用来 说简直是不可接受的，因此，在借鉴令牌环工作机制的同时，还要对其进行简化 摘要 和改进，使之能够更好地工作于o v p n 环境。 关键词：光虚拟专用网多源并发组播路由和波长分配流量疏导 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i s o u r c e sm u l t i c a s ts i m u l t a n e o u s l y ( m s m c s ) i sag e n e r a lm u l t i c a s tm o d ei n w h i c hs e v e r a ls o u r c e sm a y b em u l f i c a s td a t as t r e a m st oo t h e r sa tt h es a m et i m e w h e n t h es o u r c e ss e n dt h e i rd a t a , t h e ya l s oh a v et or e c e i v et h ed a t af r o mo t h e r s ，b e c a u s et h e y a r en o to n l yt h es o u r c e s ，b u ta l s ot h ed e s t i n a t i o n so fo t h e r s s oi th a sah i 曲 r e q u i r e m e n t f o rt h eb a n d 谢d _ ma n d d e l a y m e a n w h i l e t h ee v e r - g r o w i n g b a n d 、7 i ，i d n l - i n t e n s i v ea p p l i c a t i o n ss u c ha sd i s t r i b u t e ds t o r a g e ，西dc o m p u t i n g ，t h e a p p l i c a t i o no ft h es t r e a mm e d i a , v i d e oc o n f e r e n c i n g ，s e r v i c es e t t l e m e n to ft h eb a n ka n d t h ef o r t h c o m i n gi n t c m e to ft h i n g s ，h a v es of a rd r a m a t i c a l l yd r i v e nt h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to ft h em s m c s i nw d m o p t i c a ln e t w o r k s ，m s m c sm e a n sr 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 ) p r o b l e m , w h i c hi sa l s oan p - c o m p l e t ep r o b l e m i ng e n e r a l ，t h eh e u r i s t i c s e x i s t e df a l li n t ot w oc l a s s e s e i t h e re a c hm u l t i c a s tt r e ei ss e tu pf o re v e r ys o u r c ea n d t h e naw a v e l e n g t hi sa s s i g n e dt oe a c ho n e ，o ras h a r e - t r e ei sb u i l tf o ra l ls o u r c e sa n d t h e nt h eb a n d w i d t hi sa s s i g n e dt oe a c ho n ea c c o r d i n gt ot h e i rr e q u i r e m e n t s i tp e r h a p s r e s u l t si nt h eb a l l d w i d t hw a s t ef o rt h ef o r m e rb e c a u s et h eb a n d w i d 血o fs o m ed a t a s t r e a m sa r ef a rl e s st h a nt h ec a p a c i t yo faw a v e l e n g t h , a n dt h es a t u r a t i n go ft h el i n k s f o r t h el a t t e rf o ro v e r - c e n t r a l i z a t i o no fr o u t e a l s o ，t h e0 一e 一0t r a n s f c r mi n v o l v e di nt h e t r a f n cg r o o m i n go ft h er w an o to n l ye n l a r g e st h ep o w e rd i s s i p a t i o n , b u ta l s oi n c r e a s e s t h ee n d t o e n dd e l a y s oi ti san e wr e s e a r c hs u b j e c tt od e s i g nah e u r i s t i c sw h i c hc a n s o l v eb o t ht h er o u t i n ga n dt h ew a v e l e n g t ha s s i g n m e n tp r o b l e me f f e c t i v e l yw i t h o u tt h e u s a g eo ft h e0 - e - 0t r a n s f o r m e r o nt h eo t h e rh a n d , t h eo v p n ( o p t i c a lo v o ，s e tu pb yw a v e l e n g t h sd y n a m i c a l l y ， b e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a rb e c a u s eo fi t ss e c u r i t y ，r e l i a b i l i t y ，a n dr i c hb a n d w i d t h r e s o u r c e s a tt h es a m et i m e ，t h ec h a r a c t e r sl i k es m a l ls c a l e ，c o m m o ni n t e r e s t s ，m u t u a l t r u s ta m o n gn o d e sa n dt h en e g o t i a t i o nw a yt os e t t l et h ep r o b l e m sa n ds oo n ，m a k ei t s e l f l i k et h el a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) a n da l s om a k eg r o u pm u l t i c a s to f t e nh a p p e n s i n s i d ei t s o ，i ti sa n o t h e rn e wr e s e a r c hs u b j e c tt h a th o wt os o l v et h er w a p r o b l e mo f m s m c s e f f e c t i v e l yi nt h eo v p n i nt h i sp a p e r , w eh a v ed o n es o m er e s e a r c h e so nt h e i a b s t r a c t p r o b l e ms t a t e da b o v e f i r s t , t h er e s e a r c h e so nm u l t i - s o u r c e sm u l t i c a s ts i m u l t a n e o u s l y r o u t i n ga n d w a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ( m s m c s r w a ) i nw d m h a v eb e e nd o n e ，s oh a v et h e a n a l y s i so nt h ea l g o r i t h mo fs t a t i ct r a f f i cg r o o m i n gi nm s m c s - r w a an e wh e u r i s t i c s o nm s m c s r w ah a sb e e np r o p o s e db a s e do nw d m o p t i c a ln e t w o r k s s e c o n d ，t h er e s e a r c h e so nm s m c s r w ai no v p nh a v eb e e nd o n e 0 v p nh a s m a n yc h a r a c t e r ss u c ha ss m a l ls c a l e ，m u t u a lt r u s t sa m o n gs t a t i o n sa n ds oo n , s 0i t s s i m p l et om a n a g e ，a n da l lk i n d so fq u e s t i o n sc a l lb ec o n s u l t e db ye v e r y o n e a c c o r d i n g t ot h e s eg o o dc h a r a c t e r s ，a na l g o r i t h mo nm s m c s - r w ah a sb e e np r o p o s e db a s e do n 0 v p n k e y b o a r d ：o v p n ，m s m c s ，r w a ，t r a f f i cg r o o m i n g i v 图目录 图目录 图2 - 1 光网络总体结构5 图2 - 2o x c 基本结构7 图2 - 3o a d m 基本结构8 图2 - 4v p n 基本模型8 图2 - 5o v p n 参考模型。1 0 图2 - 6o v p n 连接建立过程1 1 图3 - 1 波长路由交换机2 2 图3 - 2t r e e r i n g 算法整体流程图2 6 图3 - 3 组播源子类构建过程2 7 图3 - 4s g t 环构建过程2 8 图3 - 5 树环构建过程2 9 图3 - 6 波长分配过程2 9 图3 - 7s u b g r o u p 的形成及扩展过程3 1 图3 - 8 树一环转换过称3 1 图3 - 9n s n 姬t ( 跨距为o 6 c ) 3 3 图3 1 0n s f n e t ( 跨距为0 4 c ) 3 3 图3 1 ln s f n e t ( 不同节点规模) 3 4 图3 - 1 21 0 0 n o d e 网络拓扑：3 4 图4 - 1 环网3 7 图4 - 2 环的侦听和发送模式3 8 图4 - 3 环的帧格式3 9 图 4r i n g 算法整体流程图4 l 图4 - 5 最小环构建过程4 2 图4 - 6 波长分配过程4 3 图4 7 时间槽分配过程4 3 图4 ：8r i n g 算法4 3 图4 9 最小环算法举例4 4 v i 图目录 一一 图4 1 0n s f n e t ( 1 0 个组播源) 4 5 图4 1 11 0 0 - n o d e 拓扑( 1 0 个组播源) 4 6 图4 1 21 0 0 - n o d e 拓扑( 3 0 个组播源) 4 7 图4 1 3n s f n e t ( 1 0 个组播源) 一4 8 图4 1 41 0 0 一n o d e 拓扑( 1 0 个组播源) 4 8 图4 1 51 0 0 n o d e 拓扑( 3 0 个组播源) 4 9 i x 缩略词表 英文缩写 v p n o v p n g m 呼l s a s o n m s m c s o x c o a d m 足f 翰 缩略词表 英文全称 v m u a lp r i v a t en e t w o r k o p t i c a lv i r t u a lp r i v a t en e t w o r k g e n e r a lm u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g a u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k m u l t i - s o u r c e sm u l t i c a s ts i m u l t a n e o u s l y o p t i c a lc r o s sc o n n e c t s o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r 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 x 中文释义 虚拟专用网 光虚拟专用网 通用多协议标签交换 自动交换光网络 多源并发组播 光交叉互连 光分插复用器 路由与波长分配 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：缈年莎月钐日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期翻口 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 随着i n t e r n e t 的发展，人们对于网络的要求也越来越高，比如安全、可靠的 数据传输能力，比如独立于公网之外的私网运营能力，再比如能够实时传播大量 音视频数据的网络承载能力，总之是要求网络具有高带宽、低时延的快速反应能 力。而智能光网络的出现，将满足所有这些要求。通过在光传送平面上引入智能 控制，它不仅可以很好地满足数据业务动态、灵活的连接需求，提供一个响应快 捷、成本低廉的智能化底层传输网络，而且还可以提供多种新型的带宽密集型业 务，如视频会议，网格计算以及即将出现的物联网技术等。 光虚拟专用网( o v p n ) 是指运行于波长之上的，可动态建立的网络，即采用 光波长所建立的虚拟专用网络( v p n ) 。它是v p n 向光域的延伸，是将v p n 与大 容量的光网络相结合的产物。在0 v p n 中，信息通过相互独立，安全可靠的波长 通道进行传递，不再引入复杂的加密技术，从而安全性高而且实现简单。 组播是一种将源节点的数据发送给多个目的节点的点对多点的通信方式，它 能有效地使用网络带宽和收发设备资源，组播通信是v p n 环境的典型应用和广泛 需求。在v p n 场景中，用户站点之间需要频繁执行组播通信，特别是在视频会议 等应用环境，各成员站点之间需要同步实施多个组播会话，即多源并发组播。而 光组播的实现和i p 组播又有很大的区别：光网络要实现数据的传输，必须事先建 立一条连接。源端节点需要通过管理平面查找定位机制或者自动发现机制，得知 组内其他目的节点的地址，再利用信令机制在各个光节点上沿途预留相应的资源 并进行交叉连接，从而建立业务通道，所以光组播无法像i p 网络一样，由参与节 点自主生成组播树。由于基于智能光网络的组播可以提供巨大的带宽资源和快速 的业务拆迁能力，所以在光组播之上可以开展诸如视频会议，网格计算，光存储 区域网络等众多增值业务。 总之，将光网络技术与组播技术相结合，将会极大地推动光组播技术和业务 的发展，反之，将组播技术与光虚拟专用网相结合，也能极大地推动网络技术和 应用的发展。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 相关研究现状 在视频会议、e - s c i e n c e 等应用场景中，各站点间经常进行组播通信，尤其是 在v p n 应用中，还会存在多个站点间的多源并发组播通信需求。虽然当前已经有 大量的针对三层i p 组播和一层光组播的研究，但针对v p n 环境的组播特别是多 源并发组播方面的研究仍然很少。 由于某些光器件( 如无源分光器) 具有分光能力，可以用在w d m 光层构建组 播光树l i g h t t r e e ，这可视为l 1 组播。近些年来，学术界对光层组播做了大量的 研究，主要包括组播节点结构，组播路由设计，组播树生存性设计、组播流量疏 导等等。就目前相关研究来看，主要是学术界展开算法设计等理论方面，而且还 仅限于点到多点的光树模式。此外，即使是针对多源并发组播会话的流量疏导问 题的相关研究也大部分是基于同源组播流量，不适应未来o v p n 应用中广泛存在 的多源并发组播模式的技术需求。 总之，现有的组播研究基本上是围绕i p m p l s 组播的协议规范和w d m 层的 组播树构建理论展开的，很少涉及到o v p n 环境的组播应用。虽然i e t fl 3 v p n 工作组最近发布了基于m p l s b g p 的i pv p n 组播方案以及通用需求建议，但是 具有针对性的研究还是很少。常规i p m p l s 组播问题还没有很好地解决，基于 o v p n 的多源并发组播更是一个挑战性问题。 现有的l l 层组播研究虽然涉及到多源并发组播流量疏导方面，但大部分仍 然是基于单源组播展开的，不适应于o v p n 环境。在o v p n 多源并发组播情况下， 作为组播源的o v p n 节点同时也是其他组播源的目的节点，具有新的特征，因此， o v p n 的组播问题特别是多源并发组播问题，具有很大的研究空间和研究价值。 1 3 主要研究内容 本文着重围绕基于l 1 v p n 的多源并发组播的算法设计进行研究，考虑到光 网络应用环境，所以一般不考虑带宽不足的问题，但是把节约波长信道的使用量 作为优化目标。具体的研究内容包括： 1 、基于w d m 网络的多源并发组播流量疏导理论和算法、多源并发组播实现 机制和相关协议。 2 、基于o v p n 的多源并发组播流量疏导理论和算法、多源并发组播实现机 2 第一章绪论 制和协议。 1 4 结构安排 本文主要研究了基于o v p n 的多源并发组播的原理和拓扑结构，并且分别设 计出一种基于w d m 网络和o v p n 的多源并发组播的算法。 本文共分为五章，具体内容安排如下： 第一章为绪论，简要地介绍了本论文的选题背景，相关研究现状以及主要研 究内容。 第二章对o v p n 及组播技术进行了概述，全面分析了基于光网络的组播现有 技术，特别是基于w d m 网络的多源并发组播的现有算法研究。 第三章通过对已有的基于w d m 的c t h 多源并发组播算法进行分析，对其 进行改善，从而得到一个新的基于w d m 的多源并发组播算法，并通过仿真结果 说明改进后算法的优越性。 第四章在第三章讨论的基础上进一步深入，结合o v p n 的应用环境，设计出 一个基于o v p n 的多源并发组播算法，并结合仿真结果对算法性能作了说明。 第五章是本文的结论部分，概括总结本文的主要工作，并简要概述今后要做 的工作。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 光网络概述 第二章o v p n 及组播概述 2 1 1 光网络的基本概念 光网络，就是光纤与网络的结合物【l 】，光纤提供一种大容量，长距离，可靠 性高的链路传输方式，而网络则是在各种媒质之上，利用电子或光子交换技术， 同时引入管理和控制机制，实现节点之间的互通互连。从历史发展角度来看，光 网络经历了三个时期：第一时期的光网络只是用光作为大容量的数据传输手段， 而交换，路由等技术都在电域内实现，比如s d h 网络。第二个时期的光网络是在 子网内实现透明的光传输技术，而在子网边界处采用光电光的再生技术，从而 构成一个完整的光网络，或者是全光网络，即传送、复用、选路、监控等操作全 在光域完成。第三个时期的光网络则是以a s o n a s t n 为代表的智能光网络，即 通过提供自动发现和动态链接等功能的分布式智能控制平面，在光传输网络之上 实现动态的，基于信令的控制。 2 1 2 光网络的基本构成 大致来说，光网络由两部分组成：光传输系统和具有交换选路功能的光节点， 光传输系统的带宽容量非常大，光节点的处理能力也非常强，通常的电域操作放 在网络边缘处进行，而边缘网络中的节点之间则采用光通信专用通道直连【2 】。具 体结构如图2 1 所示： 其中光网络节点具有交换和路由等功能，用于分配光信号传播的路径以及创 建源、目的节点之间的点点连接，而且还能对不同连接间的数据流进行流量疏导。 随着光分插复用( o a d m ) 和光交叉互连( o x c ) 技术的越来越成熟，它们与w d m 技 术( 其实就是光域的频分复用f d m 技术) 结合起来，不但能实现从任意一条线路中 上下波长中的信息数据，而且还可以灵活地实现节点间的互通互连，从而构成 w d m 光网络。 4 第二章0 v p n 及组播概述 o a d m ：光分插复用器o x c ：光交叉互连器：光通信专用 图2 1 光网络总体结构 光网络按其拓扑结构又可以分为三种：星形，环形和网状结构。光网络还可 以横向分割为核心网、城域本地网、接入网三种。其中核心网一般为网状结构， 城域本地网多采用环形结构，而接入网通常是环形和星形结构的混合体。 2 1 3 光网络的发展历程 光网络从出现到现在也只是经历了s d h 网络，即第一个时期的光网络，而光 传送n ( 0 t n ) 或全光网络还没有正式出现。在光传送网络中，交换、路由等功能 主要在光域实现，而o a d m 和0 x c 等技术的日益成熟也大大加速了o t n 的发 展。由于w d m 技术自身的显著优势和已经取得的突破性进展，选择基于w d m 网络的o t n 方案最具有发展前景。w d m 光传送网采用波长作为基本的带宽单位， 并且以波长为单位实现信号的传送、复用、选路和管理。 随着i n t e r n e t 的快速发展，光网络的变革也在不断深入，其发展的一个主要 方向就是i p 层和光层的智能融合，即智能光网络，其核心就是在当前只包含传输 平面和管理平面的光网络中引入独立的智能控制平面。同时也出现了通用多协议 标签交换( g m p l s ) 技术，即多协议标签交换( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ) 与光交换 电子科技大学硕士学位论文 技术的有机结合，实质上就是将日益成熟的i p 协议应用于光网络之中。 总之，无论网络发展到何种地步，业务如何变化，应用如何复杂，其底层的 物理传输媒质都只能是容量无限大的光纤，而未来光网络的主要特征也不仅仅是 超容量，超高速和超远距离，而且还应包括多业务，多粒度和大容量交换、智能 化，面向业务，可管可控等等。 2 1 4w d m 网络 i n t e r a c t 信息爆炸式的增长导致对带宽无限的渴求，此种情况下，怎样提高通 信系统的容量，同时还要满足不断增长的互联网和电信的业务需求，就成了一个 棘手的问题。也正是在这种需求的拉动下，w d m 走进人们的视野。它不单单具 有超强的传输能力，而且还具有无可比拟的联网性能。越来越多的光传输系统已 升级为w d m ，而w d m 自身也不断从骨干网向城域网和接入网渗透。 光波分复用技术( w d m ) 是指在一根光纤中同时传输多个不同波长的光载波， 即在光纤传输可能使用的波长范围内划分出若干个波段，以每一个波段为一个独 立信道来传输一种预选波长的光信号。在w d m 传输系统的发送端使用光耦合器 将已经调制到不同波长上的窄光谱光源上的待传输的多个光载波信号合并到一起， 然后在一根光纤中传输。在接收端再采用滤波器分离出不同波长的光信号并送至 不同的终端。 w d m 把复用技术从电域转移到光域，并在光域上按照波分复用的方式提高 信道利用率和传输效率。它使得光信号能够在光域直接被复用、放大而不需要回 到电域进行处理，能充分利用光纤的巨大带宽资源，使得传输容量大大提升；在 大容量长距离传输时，它能够大量节约光信号再生器，大大降低传输成本；由于 光域的直接复用与信号速率、电域调制方式没有关系，所以，波分复用信道对信 息比特和数据格式是透明的，从而可兼容不同体制和不同设备，扩容极其方便。 同时，w d m 可以试想单根光纤的全双工通信，可以灵活地上下路波长信号，并 使得网络效率大幅度提升。 总之，w d m 技术对于网络扩容升级，发展宽带业务，充分挖掘现有的光纤 带宽资源，实现超高速超容量通信等都具有十分重要的意义。 最后，着重讨论一下光交叉连接器( o x c ) 及光分插复用器( o a d m ) 的工作原理 和基本结构。 o x c 具有多个标准的光纤接口，如图2 2 所示是光开关矩阵以及波分复用器 6 第二章o v p n 及组播概述 和波分解复用器o x c 结构，首先使用波分解复用器把链路中的w d m 光信号分 解开，然后利用光开关矩阵实现波长路由和交换，完成变换后的各波长信号直接 经过波分复用器复用到输出链路中。o x c 能够完全在光域内完成把输入端的任意 光纤中的任意波长信号连接到输出端的任意光纤中的任意波长，因此，通过使用 光交叉互连器件，数字交叉互连器件( d x c ) 的电子瓶颈问题可以有效地得到解决。 空间光开关矩阵 2 n ：o x c 的入纤端口数 n ：n + l d x c ：数字交叉互连 图2 - 2o x c 结构 2 和o x c 一样，光分插复用器o a d m 也是构成全光网络的重要器件之一，通 过使用o a d m ，可以大大减少光通道中信息的等待和处理时间，减少节点器件的 复杂度，也可以使得光信号能够透明地进行传输和上下路，如果应用在光环形网 中，还可以大大增强网络生存性。o a d m 的主要功能就是将本地用户发往另一节 点的光信号上路，同时有选择地将通往本地的光信号下路，同时又不影响其他波 长信道的传输。如图2 3 所示，o a d m 在每一节点上对上下路波长进行复用和解 复用处理，而通过节点的其他波长也同样要在光域进行复用和解复用操作。从功 电子科技大学硕士学位论文 能上讲，o a d m 可以看作是特殊的o x c 。 2 2o v p n 技术概述 2 2 1v p n 技术简介 图2 - 3o a d m 基本结构 随着i n t e r a c t 的日益普及，越来越多的企业或用户群体希望在公网之上拥有属 于私人的同时具备专用网络所具备的各种功能的虚拟网络，虚拟专用网v p n 技术 因此就迅速出现并发展起来。与传统专网不同，它并不切实存在，而是利用公网 基础设施，通过资源配置方式所构建的虚拟专网环境，但是从用户使用的角度来 看，v p n 与传统专网并不存在任何区别。 c e ：用户边缘设备p e ：服务供应商边缘设备p ：服务供应 图2 - 4v p n 基本模型 8 第二章o v p n 及组播概述 v p n 的参考模型如图2 - 4 所示。其中p e 和c e 一般来说可能是路由器( r 0 u t e r ) ， 标签交换路由器( l s r ：l a b e ls w i t c hr o u t e r ) 或者是l 2 交换机。v p n 技术的实质 就是通过提供不同的隧道技术，在跨越公共网络的同时，将来自不同v p n 的流量 区分开来。其中，p e 之间的v p n 隧道可以建立在i s o 参考模型的下三层，分别 对应于l 1 v p n ，l 2 v p n ，l 3 v p n ，而l l v p n 又称为o v p n ，工作于物理层，在 c e 之间提供波长通道或者t d m 连接，其实质也就是一个从c e 端口到c e 端口 的v p n ；l 2 v p n 在c e 之间提供数据链路层之间的连接；而l 3 v p n 工作于网络 层，它使用i p 寻址、转发、路由等机制所构建，也就是以i p 技术为基础提供v p n 服务，现有的技术如b g p m p l sv p n 等。 如上所述，v p n 基于隧道技术，即将基于一种协议的数据包封装成另一协议 格式的数据包。这里着重介绍一下基于m p l s 的v p n 技术。 m p l s 技术利用第二层的交换能力提高第三层路由转发能力，通过使用标签 交换的转发表，它将网络层的转发路径映射到数据链路层的交换路径，从而使得 分组的转发主要通过硬件来完成，继而大大提高了网络的传输速度和使用效率。 m p l s 本身就相当于一种隧道技术，因此可以用来构建v p n 。同时又由于 m p l s 是一种完备的网络技术，所以用它来建立v p n 站点之间简单、高效的连接 再自然不过。m p l sv p n 采用标签交换技术，每一个标签对应一个用户数据流， 因此非常易于实现用户间数据的隔离，再利用区分服务( d i f f - s e r v ) 技术就可以轻易 地解决困扰i p 的q o s 问题。 2 2 2o v p n 原理概述 光虚拟专用网络( o v p n ) 是指运行于波长之上，可动态建立的网络，也就是说， o v p n 是采用波长所建立的虚拟专用网络，它代表一种潜力巨大的新型网络增值 业务，体现了用户参与的服务原则，同时也可以最大限度地满足带宽租用客户的 各种要求。它代表了v p n 发展的方向，有效结合了传统v p n 技术和光网络各自 的优点。o v p n 技术不仅能在客户基础上优化利用网络带宽，而且能在用户之间 快速分配合适的带宽进行连接，并提供线型、环形、网格型等多种保护措施和恢 复机制。 和l 2 v p n 以及l 3 v p n 不同的是，l 1 v p n ( 且po v p n ) f l 皂够赋予用户带宽资源 的专有权，能够提供安全可靠的面向连接的业务通道，并且能够支持透明的业务 传输，这使得o v p n 能够满足用户对网络传送资源需求量大，网络具有透明性， 9 电子科技大学硕士学位论文 o o s 以及安全性能等严格要求 屋q 且一 q 且 c e ：用户边缘设备 o v p n - 2 p e ：服务供应商边缘设备p ：服务供应商内部设备 o n e ：o p t i c a l n e t w o r ke l e m e n t 光网络单元 且 且 图2 - 5o v p n 参考模型 o v p n 参考模型如图2 - 5 所示。服务提供商光网络由多个光网络单元 o n e ( o x c 或d x c ) 构成。o n e 又分为po n e 和p eo n e 两种，po n e 只与服务 提供商网络内部的网络设各相连，而p e o n e 既与服务提供商网络内部设备相连， 又与服务提供商嘲络外部设备( c 日相连。c e 是直接面向用户并且与运营商边缘 设备相连的o v p n 设备单元，它可以是路由器( r o u t e r ) ，交换机( s w i t c h ) 或者光 交叉连接器( o x c ) 。单个c e 可以连接到一个或者多个p eo n e 之上，而一个p e o n e 也可以连接到一个或者多个c e 之上它们之间的任意一条链路又可以由一 个或者多个信道( 波长或者时隙) 组成。 o v p n 业务的基本单元是c e 之间的光连接或者是t d m 连接，或者更准确地 说，是在本地和远端端口之间所建立的连接。o v p n 连接建立过程如图2 - 6 所示。 服务提供商p 向c e 提供一张包含本o v p n 中所有其它c e 地址信息的列表， 当c e 从p e o n e 得到远端c e 的c p i 信息后，就可以请求建立到远端c e 的连接。 这可以通过g m p l s 信令技术来请求服务提供商建立一条到目的端口的光连接通 道。c e 发起的请求中包含用于建立光连接的本地c e 特定端t ( c p i ) 和远端c e 的 目标端口c p l 。当g m p l s 请求信息到达( 与发起请求的c e 相连的) 入口p eo n e 设备后，p e o n e 选择一个与特定o v p n 相关联的端口信息表进行确认，然后利 用端口信息表中所包含的地址信息寻找与目标端口c p i 相对应的用于建立连接的 p p i ，最终，g m p l s 请求信息会到达与目标端口c p i 相对应的c e 端口。如果目 习一曰 捆 悃 第二章o v p n 及组播概述 的c e 端口接受此连接请求，那么连接就会被建立。 g m p l s ：通用多协议标签交换 c p i ：c e 端口标识符 p p hp e 端口标识符 r e s v ：响应信息 2 3 组播技术概述 图2 - 6o v p n 连接建立过程 组播指的是在通信网络中将信源的数据复制若干份，然后传递给若干个信宿 的一种点对多点的信息传输技术，接收信源数据信息的目的节点集成为组播组。 组播与单播有很大的不同。单播属于点到点通信，而通过阻止信源在通向每 一个信宿的链路信道上都发送一个信息数据的拷贝，组播极大地节省了网络带宽。 组播与广播也不同，广播是将信源信息向全网洪泛，而组播保证只有本组播组内 的成员才能收到组播信息，网络中其他节点接收不到此组播信息。所以相比较广 播而言，组播也同样节省了网络带宽，同时又避免了网络信道的堵塞现象。 2 3 1w d m 光组播 i n t e m e t 业务数据量爆炸式的增长带来的最直接后果就是电子瓶颈问题的出 现。因为i p 组播需要对组播数据的电信号进行拷贝。相反，在光组播中，由于使 电子科技大学硕士学位论文 用了光组播路由器( 包含光分路器、光交叉互连器) ，所以它对光信号的复制跟电 信号的复制大相径庭，只需要对光信号进行分束就可以完成复制操作。光分路器 把输入光信号分束成多路同样的输出光信号，这比电组播要容易的多，因为电组 播要完成把一个包复制到缓冲器中的过程。因此，相比较电组播，光组播要快很 多，最重要的是，不会带来电子瓶颈问题。 最简单的在w d m 光网络中实现组播的方法是在源节点与各个目的节点之间 分别建立一个单播点对点光通道，源节点重复发送的组播数据流的数量等于目的 节点的个数，这样无疑会浪费大量的波长信道。如果在w d m 光网络中引入光分 路器和光交叉连接器，则可以节省大量的波长信道的情况下实现光组播。 ， w d m 技术本身的特点就可以做到基本无阻塞的组播通信，以及短暂的组播 时延。光域中对光信号的复制是通过对光进行分束来完成的，这本身就比电域中 复制分组要简单的多，光交换设备中固有的分束能力可以做到比在电域复制分组 更加迅速简单。因此，与电域的组播相比，光组播的性能更好。 2 3 2 光组播路由和波长分配 由于光组播需要预先建立波长连接通道，而且如果没有波长转换器，光纤路 径的建立过程还要考虑波长一致性等限制，所以在业务路径的建立过程中就要涉 及路由和波长分配( r o u t ea n dw a v e l e n g t h a s s i g n m e n t ，r w a ) l 司题1 3 - 7 。 一般来说，路由和波长分配问题分为路由和波长分配两个子问题来单独研究。 而光组播的路由问题要么基于环【8 d o 】，要么找到一棵以组播源节点为树根，同时 覆盖所有目的节点的组播树【1 1 。1 6 】。其中组播树一般又分为信源树和共享树两大类。 在信源树中，组播源为树根，树根到每一个组播目的节点之间都是用最短路 径连接起来的，因此信源树又称为最短路径树。这也是信源树最大的优点，它使 得组播源到目的节点的端到端时延最短，但这也是它的最大的缺点，因为这要求 路由器中必须为每一个组播源保存路由信息，从而占用大量的系统资源。 与信源树不同，共享树以某一个路由器作为树根节点，即汇聚点，同时将树 根到各个目的节点用最短路径连接起来。这样对于任意一个组播会话，只需要建 立一棵组播树即可。组播源向树根发送组播数据，然后树根节点再向所有目的节 点转发组播数据，所有的目的节点都使用这棵共享树来接收组播数据。共享树最 大的优点就是它对于路由器的要求并不像信源树那样严格，因为路由器只需保存 一棵树的状态信息。但它的缺点就是组播源发出的数据要先发送给树根，然后经 1 2 第二章o v p n 及组播概述 树根再转发给各个目的节点，这样从组播源到接收者之间的路径就不一定是最短 路径，从而端到端的时延并不一定最短。同时共享树对汇聚节点的性能要求很高。 w d m 光网络是由路由节点所组成的，这些节点之间又由点对点的光纤互连， 其中每根光纤中都存在多个波长。w d m 光网络中源节点到目的节点之间用光路 连接。组播通信要求信息从单个节点传送到多个目的节点，这样一个源节点到e i 的节点之间建立的连接就是光树。在光组播中，光树可能会要求某些节点把单个 输入信道连接到多个位于不同光纤之中的输出信道。 光网络中的波长分配问题就是为光路中的每一段链路分配一个合适的波长。 如果网络中没有波长转换器存在，那么一个连接或一条光路只能使用一个波长， 即波长一致性。如果网络中配备有波长转换器设备，那么光路中的每一段链路上 可以随便使用任意空闲波长。但是波长转换技术目前还不很成熟，造价也很昂贵， 所以一般都假设网络中不存在波长转换器。 2 4 对现有的