（通信与信息系统专业论文）ip+over+wdm城域网的仿真研究与光纤拉曼放大器实验.pdf

街人学颧l | | i j 究生l # 业论文 摘要 本论文主要包括两部分的_ 1 j 作：光分组交换城域网仿真和光纤拉曼放火器的 实验。 本论文在对o p t i c a lp a c k e to v e rw d m 城域网的网络结构和实现方式进行研 究的基础上，针对环网拓扑的光分组交换 ( 】9 建立了仿真甲台。仿真、严台采用模块 化的设计方法以增加其灵活性，并用图表的形式表示仿真结果。本沦文在建立系 统仿真平台的基础上，研究了下面几个方面的内容：1 ) 重点对媒质接入控制 ( m a c ) 层的接入簧略进行了分析和研究，提出了改进接入公平性问题的双波 长r o u n d r o b i n 波长分配方式；2 ) 在研究m a c 接入策略的纂础上二，论文通过半 马尔可夫模型分析了网络节点吞吐量和节点延迟特性，推导出了阀络节点吞吐量 和延迟的解析表达式；3 ) 研究了网络的i p 服务质量( q o s ) 保证体系，提出r 相应的面向连接的q o s 方案，利用此方案，城域网内部节点可以建立实时对话 连接或者具有其他q o s 要求的对话连接：4 ) 研究了网络的生存性问题，根据光 纤城域网的特点，提出了利用光层完成故障发q 三时迅速恢复嗍络运行的方案，此 方案充分利用了备用光纤的容量，叮以实现快速业务保护和倒换功能。 作为光纤网络中的关键技术，光放大器一直都是研究的热点和重点。光纤拉 曼放大器由于其自身固有的全波段呵放大特性和可利用传输光纤做在线放大的 优点，举成为光纤放大器家族的新贵。论文的实验工作是光纤拉曼放大器的研 制工作。在完成光纤拉曼放大器样机研制的基础上，作者完成了光纤拉曼放夫器 增益谱特性( 包括光纤拉曼放大器的丌关增益、增益带宽、增益平坦度、偏振桐 关性等) 和噪声特性( 主要是等效噪声系数指标) 的研究和实际测量t 作，获得 了满意的结果。 关键词：光城域网，分组交换，系统仿真，波分复用，光纤拇曼放火器 海人学坝i 。研究生毕业论义 a b s t r a c t t h i s p a p e rm a i n l yi n c l u d e s t w oa s p e c t s ：t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho fo p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n gm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ( m a n ) a n de x p e r i m e n t so fo p t i c a l r a n l a l l a m p l i f i e r t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h eo p t i c a lp a c k e to v e rw d m m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ( m a n ) a n d i t sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e as i m u l a t i o n s y s t e m h a sb e e nb u i l tu di na l l u s i o n t or i n gt o p o l o g y t h es i m u l a t i o ns y s t e mi sa d o p t e dw i t hm o d u l a r i z ed e s i g n b a s eo n t h i ss i m u l a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h e s es h o w e da sf o l l o w i n g ：1 ) t h i s p a p e r r e s e a r c h e st h em e d i u ma c c e s s c o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o l sa n d t h ea c c e s s s t r a t e g i e s t oi m p r o v et h ef a i r n e s sp r o b l e mi n d u c e db y t h er o u n d - r o b i nw a v e l e n g t h a s s i g n m e n t ，at w o - w a v e l e n g t h r o u n d r o b i n a s s i g n m e n t i s p r o p o s e d 2 1 a s e m i m a r k o vm o d e li s a n a l y z e dt oo b t a i nt h et h r o u g h p u ta n dd e l a yo f t h en e t w o r k n o d e s 3 ) t h e i p q u a l i t y o f s e r v i c e ( q o s ) s y s t e m i sr e s e a r c h e da n da c o n n e c t i o n - o r i e n t e dq o ss c h e m ei sp r o p o s e d w i t ht h i ss c h e m e t h en e t w o r kc a l ls e t u par e a l t i m es e r v i c ea n ds o m e o t h e rs e r v i c e st h a th a v em o r eq o s r e q u i r e m e n t s 4 ) t h e s u r v i v a b i l i t y o fn e t w o r ki sa l s os t u d i e di n t h i s p a p e r a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so f o p t i c a lm a n ，as c h e m ew h i c h c a l lr e s u m et h en e t w o r kq u i c k l yi n o p t i c a ll a y e ri sp u tf o r w a r d t h i ss c h e m ec a nm a k et h eb e s to fc a p a c i t yo fs p a r e o p t i c a lf i b e r sa n dr e a l i z et h es e r v i c e sp r o t e c t i o na n ds w i t c h i n gq u i c k l y a sak e yt e c h n o l o g yo f o p t i c a ln e t w o r k ，t h eo p t i c a la m p l i f i e ri sah o t s p o ti nt h e f i e l do f o p t i c a ln e t w o r kr e s e a r c h o p t i c a lr a m a na m p l i f i e rh a sb e c o m ea ni m p o r t a n t n e wm e m b e ro ft h eo p t i c a lf i b e ra m p l i f i e rf a m i l yd u et ot h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i co f a l l - w a v e b a n da m p l i f i c a t i o na n di n l i n ea m p l i f i c a t i o nw h i c hu s e st r a n s m i s s i o nf i b e r t h ea u t h o ro ft h i s p a p e rt a k e sp a r t i n t ot h eo p t i c a lr a m a na m p l i f i e ra n dh a v e c o m p l e t e dt h eo p t i c a lr a m a na m p l i f i e rs u c c e s s f u l l y b a s e do nt h e s ew o r k ，t h eg a i n c h a r a c t e r i s t i c s ，p o l a r i z a t i o n - d e p e n d e n c e c h a r a c t e r i s t i ca n dn o i s ec h a r a c t e r i s t i c so f o p t i c a l r a n l a n a m p l i f i e r a r eo b t a i n e d f i n a l l y , t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e st h ee f f e c t so n i po p t i c a ln e t w o r ki n d u c e d b yo p t i c a l r a n l a n a m p l i f i e r k e yw o r d s ：o p t i c a lm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，p a c k e ts w i t c h i n g ，s i m u l a t i o n ， w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( w d m ) ，o p t i c a lr a m a n a m p l i f i e r 海人学碳 研究生毕业论文 第一章引言 自一卜世纪八十年代以束，以微电子、光电子为基础的数字通信、光纤通信 和计算机等技术蓬勃发展，高新技术不断涌现，。场促进世界进步的第：次浪潮 信息技术革命逐步展丌。二十一世纪人类跨入“信息时代”已成为客观发展 的必然趋势。在信息社会时代，出信息技术、信息传送( 服务) 、信息资源所构 成的信息产业已成为生产力的基本要素。社会对信息需求的小断增长，各种通信 新技术的不断涌现，迫切要求各种专业信息系统其同经过一个信息网络，能使任 何入在任何地点、任何时间，将任何信息传送给在任何地点的任何其他人，这就 是圆家信息基础设施( n i i ) 。 我国城市地区经济发达，各类商业用户及普通用户密集，既是传统话爵和数 据业务的主要消费集中地，也是宽带q k 务需求急剧增长的地方。城域刚是数据骨 j f 网和长途电话网在城域范围内的延伸和覆盖，承担着集团用户、商用大楼、智 能小区等的业务接入和电路出租业务。城域网将是运营收入的主要来源。建设城 域网、实现城市信息化，无疑是全民信息化的重点内容和前期目标。随着宽带业 务需求发展和潜在的巨额利润，更多的网络运营商和业务提供商，将进入这一领 域。 本章首先介绍了城域网的概念和目自u 采用的主要技术，然后探讨了未来光包 交换城域网的演进趋势，最后介绍了本论文的主要研究内容。 1 1 城域网概述 本文从城域网的概念丌始，阐述了儿种主流的光纤城域网的技术。 1 1 1 城域网的概念 城域网( m e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ，m a n ) 概念是由计算机网络演化而来的， 连接着广域网和局域网，在城市及郊区范围内实现信息传输与交换的一种网络。 这晕所说的城域网，由于数据通信和电信技术的发展而被赋予城域网新的内涵。 城域网是适用于城市地区的信息基础设施，是连接固家信息高速公路与城市j 。大 用户的中问环节。建造城域网的目的是：提供单、通用和公共的网络构架，籍 以高速有效地传输数据、声音、图像和视频等信息，满足用户闩新月异的需求。 目前在世界许多发达国家，城域网正和国家信息高速公路同步地发展着1 1 。2 j 。 城域网是一个以i p 和a t m 等电信技术为基础，集数据、语音、视频服务为 一体的高带宽、多功能、多业务接入的可发展和丌放的多媒体通信嘲络。城域嘲 的设计与规划是一项复杂的系统工程，从横向来看，它包括骨干层、接入层与终 端；从纵向来看，它包括光传输、网络互联、业务整合、与高层唐用等各种技术。 城域嘲是为了满足网络接入层带宽大幅度增长的需求而出现的，其地理范例 海人学坝j 删f 究生毕业论文 局限于城市内部。它在技术上综合采用广域网技术( 如i p o v e r a t m 、i p o v e r s d h 、 i p m p l s 、a t m m p l s ) 、局域网技术( 如1 0 m b s 、1 0 0 m b s 、1 0 0 0 m b s 以 太阿技术、v l a n ) 。从技术层面看，它既不是局域网在地珲范田 ：的简单扩大， 也小是广域嘲在规模、地理范围上的缩小，瓶足两者巧妙、科学、合l 单的综合应 用、融合和交互。当前城域网在传输媒质上主要采用光纤、铜线、同轴电缆、5 类u t p 电缆、微波及其组合，而在接入方式上则主要采用以太网、x d s l 、d d n 、 f r 、l m d s 、a t m 、扩频微波等技术。 1 1 2 城域网己成为当前我幽网络建设的热点川 城域网成为当前我国乃至世界网络建设的热点，生要有f 面的两个原因。 i 城市信息化步伐加快 我国信息基础设施经过十几年的建设，各种网络的规模已步入世界先进行 列，固定电话、移动电话和有线电视网络规模分别位居i ! 上界第二位、第二位和第 一位嘎 随着网络经济的持续发展，各种应用陆续推出，“电子商务”、“企业上网”、 “政府上网”、“智能化小区”等工程的启动，到目i i i “信息港”等概念的兴起， 政府、学校、企事业单位和用户对数据业务的需求也h 益增k ，提供宽带多媒体 业务，已成为网络运营商丌拓市场的新的空问。城域网已成为信息高速公路建设 的重要部分。 2 我国宽带市场竞争激烈 ( 1 ) 信息服务市场开放程度进一步加大 我国已出台电信管理条例，电信市场改革的步伐将加快，我国的电信市 场，将成为中外电信运营商和投资者竞争的焦点，更多的运营商将进入我国信息 服务市场。 ( 2 ) 建设宽带城域网，丌拓信息服务新空间，满足客户多层次的业务需求 建设宽带城域网，提供宽带业务，开发新业务和新应用，特别是可以为商业 用户密集用户提供话音、数据等宽带通信的一揽子解决方案，有助于进步挖 掘客户群，丌拓信息服务市场新的发展空间，并叮以获取较大的利润。建设宽带 城域网，可以在提供特色宽带业务的基础上，同时提供现有的窄带业务，令呵满 足客户多层次的业务需求，并进一步加强信息服务市场竞争的基础。 ( 3 ) 提供新的拓展手段 建设宽带城域网，既可以提高运营商的品牌形象，也是各类商家提高服务质 量，提升品牌的热点。如房地产市场中的“宽频小区”、“宽带业务全面到户”等 广告，既提升了商业小区、商业大厦的档次，满足了用户需求，又一u 以从中获得 卜分可观的回报。 ( 4 ) 满足高速增长的宽带业务需求 海人学坝l j i j f 究生毕业论文 同前，对于困内运营商而言，宽带、务、数据业务市场1 r 处于成长期，预计 到2 0 0 5 年，我幽数据业务将j + i 通信业务的4 0 以上，而宽带业务，特别足基于 i p 的宽带业务将高速发展。 ( 5 ) 宽带业务市场将加快运营商格局的变化 随着通信技术和通信产业的发展，通信运营商将逐渐分为两类 体：城域网 络运营商和业务提供商，即所谓c a r r i e r sc a r r i e r 和a s p ( a p p l i c a t i o ns e r v i c e p r o v i d e r ) 。现在我国不少电信运营商，他们既是承载网络运营商，又是业务提供 商。但将术为了提高核心竞争力，他们将更专注于自己的核心业务。具有嘲络资 源的运营商，通过带宽批发占领市场，而更多的业务提供商，将通过提供不同的 业务，包括语音和更多的增值服务来实现市场定位。 ( 6 ) 竞争主体将多样化 随着宽带业务需求的发展和潜在的巨额利润，更多的网络运营商和业务提供 商，将进入这一领域。具有丰富网络资源的中国电信和有线电视网，以及新型的 电信运营商和业务提供商，将构成我国宽带业务市场的竞争主体，宽带城域删市 场将更加激烈。城域网是数据骨干网和长途电话网在城域范围内的延伸和覆盖， 承担着集团用户、商用大楼、智能小区的业务接入和电路出租任务。城域网将是 运营商收入的主要来源。因此，城域网将是以宽带传输为，r 放平台，通过各类网 关实现话音、数据、图像、多媒体、i p 接入和各种增值服务及智能业务，并与 各运营商长途网与p s t n 互通的本地( 市) 综合业务网络。 1 1 3 主流光城域网技术 近年来，以1 0 gs d h 和d w d m 技术为代表的光纤传输技术有了蘑人突破， 骨干网带宽从g b s 向t b s 发展；在企业和居民用户端的网络速率，则随着古比 特以太网技术进入商业应用而向g b s 发展。这两个趋势使城域传送嘲产生了巨 大的带宽压力和多种新的功能需求，主要包括：高带宽、大量的用户节点及众多 的类型、灵活的带宽分配、多业务支持和协议无关性、保护和自愈以及便捷的网 络管理等。 有需求就有创薪，满足上述要求的光城域网技术蓬勃发展，、i k 界将其统称为 m s p p ( 多业务供应平台，m u l t i s e r v i c ep r o v i s i o n i n gp l a t f o r m ) 或m s t p ( 多业务传输 平台，m u l t i s e r v i c e t r a n s m i s s i o np l a f f o r m ) 。由于应用技术不同，它的主要发展有以下 几个方向1 5 6 j ： 1 以太嘲为主的城域传送网技术 作为城域传送网的最初形态，以太网直连被看做是最简单的城域传输连网方 式，其较低的成本及便捷的丌通、运营方式。度受到服务供应商的肯睐。 g e ( 吉比特以太网) 、1 0 g e ( 1 0 吉比特以太网) 大容量以太网技术使城域 网应用卜一个新的台阶，i e e e 也在8 0 2 3 标准中明确对其进行了定义。这种技 海人学坝f j 碓f 究生毕业论文 术适应了城域网中占据主导地位的i pq k 务的增长的需要，日支持附加大带宽、 高成本的城域核心网络，可与t d m 或d w d m 光纤网络进行无缝连接，满足更 人容量组嘲的需求。该技术的不足之处是占用光纤时数较多；带宽是静念分配的， 传送l p 数据业务的效率相对较低；不能满足以太网业务对可靠性的要求，q o s 没有保障；不支持电路业务的丌展等。 解决以太网城域传送方式缺憾的方法是采用光以太网r p r ( 分组弹性坏， r e s i l i e n tp a c k e tr i n g s ) 技术( o p t i c a le t h e m e tr p r ) 。r p r 综合了以瓜网和s d h 的 优点，使设备能共享环上的所有或部分的带宽：它定义了一个独立的物理层一弹 性分组环媒介访问控制层，给各个厂商提供互通性，从而增加竞争，降低了_ i = f j 户 的投资；它提供了一个双环结构，在环上传送反方向的信号，并提供小j ：5 0 m s 的保护倒换。在业务方面，r p r 可以结合m p l s 协议，利用帧结构中的m p l s ( 多协议标签交换，m u l i t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 标签的c o s 字肖标识，提供 四种等级的业务：快速传送业务、保障传输业务1 ( 对时延和抖动无特殊要求， 但有带宽承诺，无突发的图像、数据业务) 、保障传输业务2 ( 有带宽承诺，属突 发型数据业务，采用尽力传送机制) 、尽力传送业务。这种技术如果得到大范围 应用，将解决城域网中多业务传输问题。 2 以s d h 为平台的城域m s t p 技术1 4 l 由于具有可靠的业务保护能力，s d h 技术也f 在成为城域传输网的一种选 择( 实际上也是现在常见的一种选择) 。但是令人感到棘手的问题是：对于崮定 速率的业务( 如传统话音业务) ，s d h 很容易将其适配到固定容量通道中，但对 于可变速率v b r 业务和任意速率业务，s d h 则显得不够灵活，特别是传送效率 不高。s d h 的高市场占有率以及城域网的巨大增值潜力使s d h 的倡导者们费尽 心思，在原有s d h 的基础上加入对数据业务层的处理，比如以太网的二层处理、 a t m 的统计复用等功能，使其更适合数据业务的传送。 对于以太网业务，其在映射到v c 之前需要经历处理的过程有：= 层交换、 协议封装、映射前的处理等。 将以太网数据通过专用协议映射到s d h 帧结构中，目前有三种方案： ( 1 ) 通过点到点协议p p p 转换成h d l c 帧结构，再映射到s d h 的虚容器v c 中，简称p o s ( p a c k e t o v e rs d h ) 。 ( 2 ) 将数据包转换成l a p s 结构映射到s d h 虚容器v c 中，这是中国人自己 提出的i po v e rs d h 提案，已被正式批准作为国际电联标准，其标准号为 x 8 5 y 1 3 2 li po v e rs d h 。 ( 3 ) 将数据包通过简化数据链路协议s d l ( s y n c h r o n o u sd a t al i n k ) 的方式 映射到s d h 虚容器v c 中。 3 以w d m 为平台的城域传输技术坤1 海人学坝l j 研究生毕业论文 继在骨干网及长途网络中应用后，波分复用技术也丌始在城域网应用，特别 足其巨大的容量、网络的扩展性及业务的可扩充性，在城域网中显示l 叶| 特有的优 势。但是w d m 技术的高成本是城域网环境无法接受的；另外针对城域删客户层 业务的多样性及复杂性，城域波分复用技术必须向高效承载多业务方向演进。解 决这些矛盾之后，c w d m ( 粗波分) 和o a d m ( 光分插复用) 环刚技术将逐渐成 为该技术的主导力量。 ( 1 ) 、c w d m 城域传输技术 c w d m 技术一般应用于小型城域网或大型城域网的汇聚、接入层，它的波 长数目一馓为4 波或8 波，最多1 6 波，波长从1 2 9 0 n m 1 6 1 0 m n ( 1 6 波系统1 。 f 面是目前c w d m 的波长分伽情况：0 波段为：1 2 9 0 n m 、1 3 1 0 n m 、1 3 3 0 n m 、 1 3 5 0 n m ；e 波段为：1 3 8 0 n m 、1 4 0 0 n m 、1 4 2 0 h m 、1 4 4 0 h m ；s + c + l 波段共有8 个波长：从1 4 7 0 n m 到1 6 1 0 n m ，波长间隔为2 0 n m 。这些波长覆盖了整个光纤的 可用波段，包括过去常用的波长1 3 1 0 n m 、1 5 5 0 n m 。 由于波长间隔较宽，c w d m 系统可以使用非制冷的d f b 激光器和带宽滤波 器，这样既延续了d w d m 技术的优势，又具备了d w d m 技术所不具备的一些 特点：低成本、低功耗、小尺寸等。它的出现解决了长久困扰城域网建设的性价 比问题，而且它最大限度地利用了现有城域光纤基础设施，进而满足了未束小型 城域网及大型城域网汇接、接入层业务所需要的带宽。当然，c w d m 技术也有 其不足之处，比如要建设一个1 6 波的c w d m 系统，其带宽范围覆盖了近4 0 0 n m 的光纤工作窗口，其中包括1 3 8 0 n m 的高衰减区，普通的光纤介质根本无法适应， 需敷设全波光纤才能满足要求，因此这单存在成本和可行性的问题。 ( 2 1 、城域o a d m 传输技术 城域o a d m 环网技术是在考虑客户信号的可靠性基础上发展起来的。利1 1 1 = | 该技术，可以实现灵活的波长保护和调度。当l j i ，同定波长的o a d m 在实际t 程中已经被采用，波长町调、动念重构的o a d m 产品也即将走向商用。 o a d m 系统主要由合波器、分波器、上路波长转换器( o t u a ) 、下路波长转 换器( o t u d ) 、光功率放大器、光前置放大器、子速率复用解复用器( 可选) 等单 元组成，为开放式w d m 系统。其中光功放和前放是可选件，子速率复用解复 用器的应用只要是为了解决网中小颗粒客户信号的承载而设计的。由卜 ：_ f 波的 数目及要求习i 同，o a d m 又分为串行、并行、串并结合三种类硝。串行结构在 节点上只对需要上下路的波长进行处理，对通过波长不做光层的复用( m u x ) 和解 复用( d e m u x ) 处理；并行结构对上下路波长、通过波长都进行复用和解复用处 理；串并行混合结构先通过子波带滤波器将在本节点上下路的1 个或多个子波带 进行滤波，然后对子波带内的每个波长进行复用和解复用处理，而其它子波带在 经过子波带滤波合波器的处理后直通。 海大学坝 研究生毕业i 仑立 6 城域波分复用系统的应用，既解决了火容量业务的承载问题，也考虑了不同 粒度客户信号的兼容性，同时也为刚上运行的业务提供了可靠的保护措施，不失 为一种城域光网建设的优选方案。 4 新乍事物m s r ( m u l t i s e r v i c er i n g ，多业务环) m s r 是一个新生的概念，由武汉邮科院的余少华博士首次提出。它将交换 和传输简化，同时也把交换和传输这两项技术进行了有机的集成，使之成为个 整体。m s r 可提供e t h e r n e t 、g e 、d v b 、a t m 、p o s 和x 8 6 支路接r 1 ，能以动 念数据分组环的方式工作，像路由器一样在环上转发包括i p 包在内的分组，在 环上运行的业务可提供单播、组播和广播模式。山m s r 组成的网络有以卜- 特点： 环上的业务是透明的；数据、视频和t d m 可集成在一块芯片上，实现i 蚓融合； 在5 0 毫秒以内实现二层保护倒换，具有自动拓扑发现和性能管理功能：环和环 上运行的业务具有弹性，可大呵小、可多可少：接入环和骨干环可以互相嵌套； 双向对称反转环都被用柬传送数据、信令和网管帧：群路业务可以是 s t m 1 6 o c 4 8 、s t m 6 4 o c 1 9 2 、g e 、1 0 g e 、h o v c 的级联；可进行动态的节 点添加和删除；所有支路业务、信令和网管帧有提供优先级队列和服务质量等级 的功能，支持三层( 包括i p 包在内) 的存储转发；m s r 帧格式与群路的类型、速 率无关。 5 城域网的下一步发展趋势 如果谈到趋势，不得不说到a s o n ( 自动交换光网络a u t o m a t es w i t c h i n g o p t i c a ln e r o ) 。在大多数人眼中，a s o n 还仅仅是一个概念。但是有专家预 高，a s o n 的最先的应用可能是在城域网，原因如下：首先是城域阀中大型的业 务结点及带宽需求，其次是城域网有实时变化的业务流向，第三就是a s o n 的 独特的网络恢复机制【7 j 。 实时变化的业务流量，特别是以i p 为主导的网络业务仍然是不可预知的， 需要传输网络具有更好的自适应能力。这种适用能力不仅是指网络接口或网络容 量的适应能力，更包含网络连接的自适应能力。因此有必要引入交换信令的概念， 而a s o n 就是我们能够实现的智能传输网络协议，它在传输网络中引入了动态 交换，使得动态分配带宽成为可能。现有的集中式格形网恢复方法不能适应业务 容量急剧上升的情况，而a s o n 可通过邻居发现、链路状态更新、路山计算、 光通路管理、端到端保护等多方面功能的相互协调建立一种可行可靠的保护恢复 机制，实现了网络资源和拓扑结构的自动发现，提供了智能的光路出并可以提供 分布式的智能恢复算法。 有了智能光网络，城域网的业务的调配就变得更加灵活；网络运营商呵以提 供更多类型的业务服务( 如带宽批发) ：提供更多类型的保护恢复机制；针对不同 种类的业务级别，提供不| 一类型的服务等级等等。 海人学倾i 刈f 究生毕业论文 1 2 本文的研究目的和主要内容 1 2 1 研究目的 随着i t 泡沫的破灭，人们对电信行业的投资明显4 i 足，从而出现电信行业 持续低迷。在前几年的出现的投资热潮中敷设的大量光纤在如今的这种行业低迷 状况下嗣现出“光纤过剩”的现象。因而有人提出了“用带宽换速度”、“用带宽 换效率”的建议。在短期内，这种提法似乎是可行的，但显然是一种过渡性的利 用带宽的办法。从长远来看，随着新的、能吸引人的业务的开发和发展，以及电 信业的复苏，这些带宽将是我们重要的资源。这在城市地区显得尤为明显。山于 城市地区的管道资源有限，以后不可能大规模的敷设光纤，这为城域网的建设带 来了一定的困难，也要求我们在设计城域网的结构和选择城域网技术的时候充分 考虑到这一点。 正如前所述，当前城域网研究和建设已经成为低迷的电信行业中的热点和亮 点，为整个行业的复苏带来了信心和资会。但是当| ；j 的城域嘲技术并不能完全适 应未来业务的需要，因而对新型光城域阏的研究( 包括城域网的结构、技术等) 显得尤为重要。 目前计算机仿真已成为高性能网络设计中不可缺少的手段。仿真的意义r 在于 可以通过仿真系统上测试新的思想、新的协议算法和新的改进方案等，仿真的结 果可以为实际网络的搭建提供指导，而无需花费大量资会、时问来建立相关的实 验系统进行测试验证。在光通信领域著名的仿真软件系统公司有o p t i w a v e 、 v i r t u a lp h o t o n i c s 等，他们为光纤制造、光器件产品设计( 如e d f a 设计) 及光 通信系统设计等提供了一整套的解决方案。但这些仿真软件系统都比较复杂，而 且价格昂贵，因而每个研究团体都配置这些仿真软件并不现实。我们希望能通过 我们的工作，提供一种新的思路，自主搭建自己的简单的、小型实用的仿真系统， 协助完成我们的预定研究目标。 1 2 2 本文主要研究内容 本文其他部分的内容安排如下： 第二章分析了几种主流的p a c k e to v e rw d m 城域网的结构和技术进行了探 讨和比较，详细介绍了本文的主要研究对象一h o r n e t ( h y b r i do p t o - e l e c t r o n i c r i n g n e t w o r k ) 网络，同时对一些在光包交换城域网中可能会用到的关键技术进 行了阐述。 第三章利用c 和m a t l a b 的s i m u l i n k 建立h o r n e t 的仿真系统，并在此基 础上研究了光包交换城域网m a c 层接入技术及其改进协议：研究了网络的q o s 保证体系；针对h o r n e t 的情况，对网络的可靠性进行了研究，并提出了相应 的解决办法；本文还推导出了网络节点吞吐量和包延迟的解析式。最后本章利用 仿真系统对h o r n e t 的逻辑性能进行仿真，并埘结果进行分析。 海人学坝i j 研究生毕业论艾 第四章是论文的实验研制工作。阐述了光纤拉曼放大器的放大原理和特点、 分类，并通过仿真设计软件对光纤拉曼放大器进行了仿真设计。在仿真设计的基 础上，论文作者参与了光纤拉曼放大器样机的研制工作和测试工作，完成了光纤 拉曼放大器的样机，并对样机进行了性能测试( 包括增益特性、噪卢特性及偏振 相关特性等) 。 第五章是对论文工作的总结，并对后续的t = 作进行了展望。 海人学坝 删f 究生毕业论文9 第二章o p t i c a l p a c k e to v e rd w d m 城域网结构及关键技术 山于城域网能提供高速数据传输，支持综合业务服务，近年来它已成为计算 机界和通信界的热门研究课题。城域网的研究包括许多方嘶，如何充分利用新技 术给予的机会设计出更有效率的网络拓扑和协议是其中重要的组成部分。近年来 提出的城域网网络拓扑和协议有很多种，大多数脱胎于研究的比较透彻的局域网 拓扑和协议。选择一种适合于某个特定区域的城域网拓扑和协议并小是一。件十分 容易的事情。作为覆盖整个城市区域的计算机和通信网络，它的拓扑和协议牵涉 到网络中其他方面的许多问题。由于覆盖范围不像广域网那样辽阔，城域网中在 不使成本过于昂贵的情况下增设节点和链路，这一方面带来了网络设计极大的灵 活性。另一方面也使在选择拓扑和协议时带来一定的困难，特别是当几种拓扑和 协议提供相当性能的时候。由于城域网的覆盖范围要比局域网大得多，选择网络 拓扑是对许多闯题应当有其独特的考虑，例如町靠性闽题；同时城域列对话音业 务以及其他的一些业务( 包括未来可能出现的业务) 的支持，以及公平性问题、 管理、收费、安全性和防止非法用户使用等问题，都是在选择网络拓扑羊i i 协议时 应一并考虑的问题。 下面将简要介绍几种比较典型的城域网拓扑和协议，使读者对城域网的拓扑 和协议有一初步了解。 2 1 几种城域网网络拓扑及协议 2 1 1f d d i l l 2 j 3 1 f d d i ( 光纤分布式数据接口) 是最早出现的以光纤为传输介质的城域网和 局域网网络，出美国的a n s i 委员会x 3 t 9 5 技术委员会负责丌发，目前已发展 出产品系列。相应的国际标准为i s 0 9 3 1 4 。f d d i 的标准光纤通道传输速率为 1 0 0 m b s ，最多可以连接5 0 0 个工作站，最大站距离2 k m ，环周长1 0 0 k m 。f d d i 的网络拓扑采用具有冗余的双环结构，有两个旋转方向相反的主环和次坏构成 ( 见图2 1 ) 。这样的结构可以充分保证阀络的可靠性。在卜常情况下可以仅用主 环传输信息，也可以同时使用双环来工作。当主环或某。节点失效，可以启用次 环，重新构成一个新的工作环来维持通信。另外，f d d i 节点中的旁路开关还可 以隔离产生故障的工作站或链路，所以它是具有容错能力的高可靠性网络。 f d d i 的网络协议以i e e e 8 0 2 5 的令牌环协议作为基础，根据新技术的发展 和为更好的配合光纤介质又做了不少重要地改进，改进后的协议一般称作定时令 牌环选环协议( t i m e dt o k e nr o t a t i o n ，简称t t r ) 。这一协议作重要的改进是， 当某一节点完成发送后，能立即发送个新令牌，这样在同一时刻允许有多个令 牌在环中存在。f d d i 网络的协议能保证网络在莺负荷的情况卜让所有的工作站 海人学坝 1 州究生毕业论文 公平地使用网络，这点很符合城域网的要求。他的另外一。个显著优点是容易求 得某个工作站获得发送权的最人延迟时问，适合某些需要实时控制的领域。它的 丰要缺点足工作站能否发送信息决定于它能否获得令牌，所以网络的传输速度就 收到令牌传送速度的限制。而这、_ 平均等待时间，随着网络的覆盖范 i ：j 和网络负 载的增加而增加。这就表明，f d d i 环网的传输速度和效率与网络的人小和负载 有关，这就不太符合高速城域网的要求，特别是不能用于范围较大，速度要求较 高的网络。 h 】 户 图2 1 光纤分布式数据接u ( f d d i ) _ # 吲。位 图2 2 双总线分椰式排队 ( d q d b ) 2 1 2d q d b 1 5 】 d q d b ( 分布式队列双总线) 它是目前可供商用速度较快的城域网产品。 d q d b 的最初概念出西澳大利亚大学的r n e m a n 等人在1 9 8 4 年提出。1 9 8 7 年， 在对各种实现城域网的方案进行分析和比较后，i e e e 8 0 2 ，6 组( 城域网标准化组) 惟式发稚分布队列双总线标准，简称d q d bm a n ，同时工业界也达成应用d q d b 在城域网中的协议。 d q d b 网出两条信息流动方向相反的单向光纤( 称为双总线对) 和挂在其上 的网络节点构成( 见图2 2 ) ，总线的标准速率是1 5 0 m b s 。d q d b 的双总线结构 有着公共数掘网必需的强壮性和可靠性，网络的操作实际上独立于个别节点的操 作，它的头站和尾站可放在一起，组成一个物理上的双环，如果链路发生故障使 总线中断，网络可以通过重构而产生。一个新的双总线结构。 d q d b 的基本问题是在重负载情况下，节点不能得到公平的服务。特别是存 大数量文件进行长距离传送时，研究表明节点得到服务的程度依赖十它在双总线 的位置。d q d b 协议另一个闯题是当网络的传播延迟大于时间片传播时问时，排 队系统就破坏了，协议就不能正常地工作。对于这些问题已经提出了不少的改进 建议1 15 1 。 f d d i 和d q d b 成功地在城城阕领域中得到了应用。但对于极高速度( 速率 达到i g b s 以上) 的数据传输，由于这两类网络部属于单通道( s i n g l ec h a n n e l ) 性 卜卜秒 海人学坝i 。研究生毕业论立 质，总的网络吞吐量受到通道速率的限制，为此科学家们又探讨在能提供并行传 输的多通道网络中实现高速传输的可能性，卜面的介绍一种删络，属f 枷则网状 嘲络。这种网络的特点是充分利用f c ) 9 络的规整性简化节点结构和协议。 2 1 3m s n t l 6 i m s n ( 曼哈顿街道网络) 的网络拓扑是山规则性刚格两两相连而组成，恰如美 国纽约市曼哈顿区整齐排列的街道( 见图2 3 ) 。m s n 也沿用街道的称呼，每一列 链路称为一条街( s t r e e t ) ，每一行链路标为一条道( a v e n u e ) 。街和道的数日保持为 偶数，节点位于街和道交界之处，边缘节点用环绕线连接在一起，相邻节点问的 链路长度相同，相邻街和道的数据流向交替的改变，所以整个拓扑是全对称和各 向吲性的。 m s n 网络协议巧炒地利用了其拓扑的特点。采用偏转式路由算法( d e f l e c t i o n r o u t i n g ) ，就是当一个节点中有两个输入的信息包竞争同一条输出链路时，不像 远程网那样将一个信息包储存在节点中排队等候，而是将这个信息包偏转到另一 条输出链路中并在网络中回转。由于每个节点都有相同的两条输入链路和两条输 出链路，所以进入节点的信息包始终和输出节点的信息包数目相同。此外，被偏 转的信息包回转的路径长度不会超过4 个单位。这一算法大大地简化了节点的管 理功能，从概念上说，也可以认为这样做是利用链路多余的频带将信息包储存在 网络中，而不是存储在节点中，其代价是增加了系统的容量，而这正好利用了光 纤的丰富的频带资源。 m s n 网有着许多比f d d i 和d q d b 网优越的特点，首先它为信息包提供了 并行传输的手段，从而大大地增加了网络的容量。高度的可靠性和结构卜的灵活 性是m s n 网的另一优点，在某一条链路或某个节点发生故障时很容易找到另 一条链路来保证通信畅通。结构上的灵活性还表现在容易实现节点或链路的增加 和删除。这在城域网的情况卜是经常会发生的。m s n 网第三个优点是能自动提 供流量控制，这是因为当网络负载增加时，在网络中回转的信息包也相应增加， 这将阻止更多的信息包进入网络，这一事实趋向于在重负荷情况卜自动节制输入 信息流。m s n 充分利用了现存局城网的大部分良好的性能，同时又吸收了网状 网络的主要优点。 m s n 是一种规则网状网络。规则网状网络突破了单通道系统对高速传输的 限制，这一类网络在城域网领域很有发展前途的i i ”。 2 1 4l u n e t l l 7 , 1 8 1 l u n e t 网络由分布在双总线环上的一个头节点( h e a dn o d e ) 和很多网络节 点组成，两个环a 和b 二的数据流向相反。图2 4 所示为l u n e t 刚络的节点结 构。每个节点又与多个接入节点相连。双环路备份总线配置i u 在节点故障或光纤 断裂的情况卜增强网络的生存性，即紧邻故障节点或光纤的网络节点把业务从 海人学倾f ：研究生毕业论文 个环路转移到另一个坏路上，有些类似于s o i l 环网的自愈特点。因此，这种网络 结构与现存的s d h 环网兼容。另外，头节点还作为故障管理器，其它节点i 自头 符点报告它们的状态及相关信息。因而，其它嘲络部件故障时也将通知头节点。 头节点处配置集中式多波长光源1 17 1 ，用f 各网络节点问的数掘通信，从而其它网 络节点小需要再配置激光源。这种集中光源方式具有易于控制和维护的优点。集 中化光源允许对发射波长和光功率进行集中监控，从头节点输出的连续光波中没 有加载信号，各个节点通过光调制器将信号加载到光载波上。 冷 ，、 6 + (卜- o心 q 审 o ，火 岛 少 _ ，罩、 ，鼢丫 u 图2 3 曼哈顿街道网络( m s n ) 图2 4l u n e t 网络结构 信号通过1 t f r ( 可调波长发送固定波长接收) 或f t t r ( 固定波长发送i j j 调 波长接收) 方式接入。对t t f r 方式来说，每个节点分配一个固定波长用于数据 接收。第i 个节点只接收第f 个波长信道。想发送信息给第i 个节点的节点把发 射波长调节到第f 个波长上。对f t l l r 方式来说，每个节点分配一个固定波长用 于数据发送。当第，个节点发送数据给第f 个节点时，i 节点需要将接收波长调至 ，节点的发射波长上去。l u n e t 采用a c