（电磁场与微波技术专业论文）基于分组的光网络数据链路层与网络层协议算法的研究.pdf

北京邮电太学硕士毕业论文基于分组的光网络数据链路层与蜊络层帅 义算法的研究 基于分组的光网络数据链路层与网络层协议算法的研究 摘要 从光信号的复用方式来看，光网络通常包括光时分复用 ( o t d m ) ，光波分复用( w d m ) 和光码分多址复用( o c d m a ) 三 种技术，基于比特问插的时分复用光网络和定长的分组交换式光网络 都属于o t d m 光网络的范畴。而根据信息流在光域上的承载方式， 从交换形式的角度，又可以将光网络区分为电路交换式光网络、突发 交换式光网络( o b s ) 和分组交换式光网络( o p s ) 。通常意义上， 电路交换式光网络包括的是基于比特间插的o t d m 光网络与w d m 光网络两种类型；分组交换式光网络( o p s ) ，则可以划分为定长分 组和不定长分组两类，o p s 网络应能完成目前现有的分组网络完成的 所有功能。 论文正是基于上述思想，利用开放的网络协议仿真平台n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r ) 来搭建和演示电路交换和分组交换两种交换式 光网络的协议模型，并在路由算法和控制机制上对协议加以改进。电 路交换的模型选取了w d m 网络中常用的f i r s t f i t 波长路由算法，在 华盛顿大学o w n s 软件包的基础上进行进一步研究与分析；分组交 换的模型选取并优化了解决全光网络中端口竞争的偏射路由协议，和 实现超高速城局域网公平性的折叠总线型c r m a 协议，这两个协议 的共同点在于都要求基于分组定长，同步的网络环境。利用开放的 n s 2 平台，不仅可以对仿真的协议进行量化分析和数据统计，还能够 演示网络拓扑模型，以及协议的动态运行情况。同时，论文还专门在 o p n e t 平台上对c r m a 的资源预留机制进行了仿真分析，进一步验 证了折叠总线型c r m a 网络极佳的公平性，增强了分析结果的可信 性。 除了利用多种网络仿真工具对几种具体的光网络协议进行分析 外，论文还对智能交换光网络的整体构架和u n i 技术做了较深入的 研究。要真正的实现未来全光网络的智能化，还要在光传送网o t n ( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 的传送平面上添加一个能实现自动交换 能力的独立的控制平面，这就是国际电联i t u t 正在标准化的自动交 北京| ! i i i 电火学硕：卜毕业论文 基于分组的光网络数据链路层与网络层协 义算法的研究 换光j 网络a s o n ( a u t o m a t i c s w i t c h i n go p t i c a ln e t w o r k ) 的基本出发 点。作为智缝光嬲终中黪关键技术，u n i 扮演了铸输瓣翻察户端设鍪 之间的服务控制接口的角色。u n i 使得用户之间利用与g m p l s 倍令 相兼容的信令方式动态建立光连接，著耀寒实现嚣个楚化笈杂网终管 理的机制：邻居发现和业务发现。这一部分内容最后，还根据首先在 子瞬内部逐是子黼之闻号 入控制平面鲍连接控制提蹬了嚣静现嬲到 智能光网络的演进策略。 关键宇：自动交换光网络，a s o n ，用户网络接口，u n i ，折叠总线 型光网络，c r m a ，n s 2 ，波长路由算法，分组交换式光网络，o p s ， 偏射路由 北京邮电人学硕 1 毕业沦义基于分组的光嘲络数据链路崖j 恻络层饥议算法的宄 r e s e a r c ho np r o t o c o l so fd 姒 l i n kl a y e ra n dn e t w o r kl a y e r o fp a c k e t - b a s e do p t i c a ln e t w o r k s a b s t r a c t d u et oo p t i c a ls i g n a l s m u l t i p l e x i n gm o d e ，o p t i c a ln e t w o r k su s u a l l y i n c l u d et h r e et y p e s ：o p t i c a lt i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x ( o t d m ) n e t w o r k s 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 ( w d m ) n e t w o r k sa n do p t i c a l c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s sn e t w o r k s b i t i n t e r t e a v e db a s e dt i m ed i v i s i o n m u l t i p l e xn e t w o r k s a n dl e n g t h f i x e dp a c k e t s w i t c h i n g n e t w o r k sa r e b o t hb e l o n gt ot h es c o p eo fo t d mn e t w o r k s o nt h eo t h e r h a n d ，i np o i n t o f s w i t c h i n gm o d e ，o p t i c a l n e t w o r k sc a nb ed i v i d e di n t oc i r c u i t s w i t c h i n gn e t w o r k s ，o p t i c a l b u r s tn e t w o r k sa n d o p t i c a l p a c k e t s w i t c h i n gn e t w o r k s g e n e r a l l ys p e a k i n g ，c i r c u i ts w i t c h i n gn e t w o r k s i n c l u d eb i t i n t e r l e a v e db a s e d0 t d mn e t w o r k sa n d1 d mn e t w o r k s w h i l eo p si n c l u d et w ot y p e s ：o p sn e t w o r k sw i t hl e n g t h f i x e d p a c k e t a n dt h o s ew i t hl e n g t h - u n f i x e d p a c k e t b a s e do nt h ea b o v et h i n k i n g ，i nt h ed i s s e r t a t i o n ，w eh a v ec o n s t r u c t e da n d d e m o n s t r a t e ds e v e r a lt y p e so fn e t w o r kp r o t o c o l sm o d e l ，a n di m p r o v e d t h o s ep r o t o c o l si nr o u t i n ga n dc o n t r o lm e c h a n i s m s f o rc i r c u i ts w i t c h i n g m o d e ，f i r s t f i t ，t h ef a m o u sa r i t h m e t i co fr o u t i n gw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t h a sb e e ns e l e c t e d a n df o ro p s ，w es e l e c t e dt w o p r o t o c o l sm o d e l s ，o n ei s d e f l e c t i o nr o u t i n ga n dt h eo t h e ri sc r m a p r o t o c o lu s e di nf o l d e d b u s v 苎皇坐! ! 苎兰塑主兰、业兰茎 兰三坌塑竺垄翌望垫塑壁堕星兰坚塾星鲨竺兰堡望! 塑 s l o t t e d n e t w o r k s 。u s i n gn s 2 s i m u l a t i o n p l a t f o r m ，w e c a r ln o t o n l y c o m p l e t e n u m e r i c a ls t a t i s t i ca n dp r o t o c o l s a n a l y z e ，b u t d e m o n s t r a t e n e t w o r kt o p o l o g ya n dd y n a m i cr u n n i n go f m a t e r i a lp r o t o c o l s b e s i d e sn s 2 ，a n o t h e rn e t w o r ks i m u l a t i o nt o o l ，o p n e th a sa l s o b e e n u s e dt os i m u l a t ec r m a p r o t o c o l s o n b o t h p l a t f o r m s ，t h ef a i r n e s so f t h i s k i n do ff o t d e d b u ss l o t t e dn e t w o r k sh a v eb e e nv e r i f i e d 。 a d d i t i o n a l l y , d e t a i l e d r e s e a r c ho ns o m e k e yt e c h n o l o g i e s i n a u t o m a t i cs w i t c h i n go p t i c a ln e t w o 呔s h a sb e e nd o n ei nt h ed i s s e r t a t i o n ， i n c l u d i n ga s o n sa r c h i t e c t u r ea n du n i t e c h n o l o g y u n ip l a y st h er o l e o fs e r v i c ec o n t r o li n t e r f a c eb e t w e e no t na n dc l i e n te q u i p m e n t s e n d u s e r sc a ne s t a b l i s hd y n a m i co p t i c a lc o n n e c t i o nt h r o u g hu n i ，w h i l eu s i n g s i g n a l i n g m o d e sc o m p a t i b l e w i t ht h o s ei ng m p l s ，t w oi m p o r t a n t a u t o m a t i cd i s c o v e r y m e c h a n i s m so fu n ih a v ea l s o b e e ni n t r o d u c e d ： n e i g h b o rd i s c o v e r ya n d s e r v i c ed i s c o v e r y a tt h ee n do f t h i ss e c t i o n ，t w o e v o l u t i o nw a y sf r o mt o d a y so t n t oa s o nh a v eb e e nd i s c u s s e d k e y w o r d s ：a s o n ，u n i ，c r m a ，n s 2 ，r o u t i n g w a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ， 0 p s 。d e f l e c t i o nr o u t i n g v i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列 的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京邮电大学或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 趑趣唾 日期： 11 1 生i ：f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京邮电大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 堡丝l ：l 北京邮电大学硕：l 毕业论文基于分组的光网络数据链路崖与i 叫络层褂泌算法的 6 f 究 1 1 引言 第一章绪论 现有光网络由光传输系统和光电转换节点组成，光技术用于两个光电转换 节点间的点对点传输，在每个光电转换节点中光信号都要转换成电信号由光电 转换节点进行电处理，两个网络边缘节点之间的连接通常为多跳连接，这将会 增大传输延迟，使节点的处理负担过重，限制网络节点的吞吐量。2 0 世纪9 0 年代以来，随着光纤通信技术的迅速发展，出现了“全光网络”的概念，即信 号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输和再生，而交换和 选路则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接设备( o x c ) ，中间不经 过任何光电转换，以达到全光透明性。 全光网络由光传输系统和在光域内进行交换选路的光节点组成，光传输系 统的容量和光节点的处理能力非常大，电处理通常在边缘网络进行，边缘网络 中的节点或节点系统可采用光通道通过光阿络进行直接连接。由于传输节点不 再进行电处理，因而具有很大的吞吐量，可大大地降低传输延迟。全光网络具 有光通道的保护能力，以保证网络传输的可靠性。 由于光器件技术的局限性，目前全光网络的覆盖范围还很小，要扩大网络 覆盖范围，必须要通过光电转换来消除光信号在传输过程中积累的损伤( 色散、 衰减、非线性效应等) ，进行网络维护、控制和管理。因此，目前所漉的“光 网络”是由高性能的光电转换设备连接众多的全光透明子网的集合，是i t u t 有关“光传送网”概念的通俗说法。i t u t 在g 8 7 2 建议中定义光传送网 为一组可为客户层信号提供主要在光域上进行传送、复用、选路、监控和生存 性处理的功能实体，它能够支持各种上层技术，是适应公用通信网络演进的理 想基础传送网络。最近提出的自动交换光网络也属于光传送网的范畴。 1 2 光网络中的复用技术 从光信号的复用方式来看，通常包括光时分复用( o t d m ) ，光波分复用 ( w d m ) 和光码分多址复用( o c d m a ) 三种技术，以下主要对前两种复用技 术进行介绍。 从技术实现的角度，o t d m 网络又分为基于比特间插的o t d m 网络和分 组交换式o t d m 网络。基于比特间插的o t d m 技术通过将各个信道的超短光 北京邮电大学硕士毕业论文 基于分组的光舟鲳数据链路层与嘲络屉协议算法的研究 脉冲，在时间上进行间插，实现了多个信道的复用，从而增加传输容量。图1 i 是一个典型的基于比特间插o t d m 点到点传输系统，锁模激光器作为超短脉 冲光源在时钟的控制下产生重复频率等于时钟频率的超短光脉冲，然后采用外 调制方式将数据调制到超短光脉冲上，调制后的信号经过不同的时延后用合路 器合并成一路信号，完成复用功能，即形成了高速的o t d m 信号：o t d m 信 号经光纤传输到达接收端后首先进行时钟提取，然后将提取的时钟和o t d m 信号分别输入解复用器的数据输入端和时钟输入端，以实现对o t d m 信号的 同步解复用，最后解出单信道数据信号，实现对单信道数据的接收。点对点的 o t d m 系统的关键技术主要包括高速率超短脉冲光源技术，超短脉冲传输技 术，时钟提取技术以及高速信号处理即解复用技术。o t d m 技术本身符合业务 突发性的要求，适合于应用在局域城域互联领域：而且不需要电域的4 0 g b i t s 或更高的传输和处理技术，容易实现单信道的超高速传输，为研究超高速信号 传输( 如超过1 0 0 g b i t s ) 奠定了基础。 c h l c h 4 图1 1 0 t d m 系统结构 o t d m 光分组网络的网络结构，如图1 2 所示，该网络应能完成目前现有 的分组网络完成的所有功能。o t d m 在节点处使用高速光分组交换代替目前电 的分组交换。一个节点接收分组信号，读识信头并将其交换到适当的输出端口。 该节点也可以在该分组上加一个新的信头。节点还需能处理输出端口的争用问 题，如果两个来自不同端口的输入分组信号需要在同一输出端口输出，则其中 一个分组信号将被缓冲，或发送到另一端口。理想地，所有节点内的功能将在 光域完成，但是目前实际上某些功能还需在电域内完成，如信头处理和交换控 制等。这是由于在光域内的处理能力有限，其中一个重要的原因是由于缺乏光 缓冲器，另一个原因是光交换技术的还不太成熟。 d 北京邮电大学硕士毕业论文旗于分组的光网络数据链路层与| 嘲络层协波算法的州究 翻l ，2 0 t d m 光分组网络 凌分组交换载溅终中，惑要具有熬复杂鲍选鼹窥浚量控铡以解决网络争网 问题，而在龛光的网络中，幽于数据速率非常高，每节点的选路和流量控制 必须尽哥笈篙擎。 熟簸是说镪节点只需实鼢处理一小部分邋过它的信息( 分 组信头) 流，这可以大大简化节点的结构，提高运行速度。 警羧入分组缓号争用嗣一绩出端鄹，链路会发生阻塞。农传统的分组交换 的网络，一个分组信号正向传送，另一个分缀信号存储在缓冲器中赢到通道空 闲，这秘方法糖分组信号经南最短通路选路到目的地，最短通鼹是预先决定的。 因为瞄前具礴足够容量、较籁等待时间、可随机接入的光存储器还不成熟，只 有一魑功能裔限的光纾延迟环路系统，导致光域上没有真正慧义上的存储，所 以采糟偏射辩由算法戳解决0 t d m 分组网的端日竞争湾题。与存德转发路e | ；j 算法不同，使用偏射路由算法时，网络中的数据包并不总是嫩最佳路由，当出 现多个数据纯争用同个出瓣端日瞬，只有一个数攒爸麓觚该端日爨射，蒸它 的数据包将从其它端口偏射。所以，在这种路由网络中，数据包所走的路由怒 随机瓣，数撩包驮源节点到骚标节点逯程中掰经历静澎转次数也是馥祝懿，英 平均跳转次数高于存储转发路由算法( 关于光分组网中偏射路由算法的详细研 究受论文第弱帮分) 。 基于比特间插的o t d m 技术类似于传统电路时隙交换，一般采用点到点 或者楚捱叠憨线黧豹箍羚穰甏，著逶箨予届蠛羁或蠹是城域潮中；嚣嚣基于分缝 的o t d m 技术属于o p s ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 的范畴，通过程折叠总线 型或者是楚袄网夔强馨摸整孛熬庭麓，逶建予麦雾予嬲豹簧浚。 与o t d m 技术在时域的复用不同，w d m 技术利用了单根光纤可以同时传 羧多个不强波长戆爽载波豹特点，恕必纾可憝应曩的波长范麓翅分成若于个波 段，每个波段用作一个独立的通道传输一种预定波长的光信号，光波分复用的 实矮是在先终上进行走频分笈弱。我波分复月接输系统豹发送蠛，爨要采用波 分簸用器将待传输的多个光载波信号进行复接，而禚接收端采用解鬟用器分离 出不同波长豹光信号。通信系统的设计不同，每个波长之阗媳间隔宽度也育差 北京邮电大学硕士毕业论文基于分组的光嗣络数据链路屡与两络层蜘议算法的研究 别，当通道间隔小于或者等3 2 n m 时，称作d w d m 。通道可以是等间隔的， 也可以是非等间隔的。采用非等间隔是为了缓和光纤中f w m ( 四波混频) 的影 响。 d w d m 技术在提高传输能力的同时，还具有无可比拟的光信道直接联网 的优势。由于o a d m 和o x c 技术的成熟，使得光纤通信逐渐从点到点的单路 传输系统向w d m 联网的光网络方向发展。光层联网就是利用动态路由和波长 分配实现透明的端到端“虚波长通道”，使光信号在经过中间节点时不通过电 子路由器而直接从光路径上通过节点。在给定网络的物理拓扑和所需的端到端 光信道的情况下，为每个带宽请求决定路由和分配波长以建立该光信道的问 题就是波长选路由和波长分配问题( r w a ：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 p r o b l e m ) 。目前较成熟的技术有最短路径法、最少负荷法和交替固定选路法等。 根据节点是否提供波长转换功能，光通路可以分为波长通道和虚波长通道。波 长通道可看作是虚波长通道的特例，当整个光路都采用同一波长时就称其为波 长通道，反之是虚波长通道，这正类似于传统的面向连接的虚电路技术。 在波长通道网络中，由于波长通道是端到端的，每个通路都与一个固定的 波长关联，在动态路由和分配波长时一般必须获得整个网络的状态，因此其控 制系统必须采用集中式控制，即在掌握了整个网络所有波长复用段的占用情况 后，才可能为新呼q 选一条合适的路由。这时网络动态路由和波长分配所需时 间相对较长。而在虚波长通道网络中，波长是逐个链路进行分配的，因此可以 进行分布式控制，这样可以大大降低光通路层选路的复杂性和选路所需的时 间，但却增加了节点操作的复杂性。 由于波长选路所需的时间较长，近期提出了。种用波长作为标签的多协议 波长标签交换m p l m s ( m u l t i p r o t o c o ll a m b d a l a b e ls w i t c h i n g ) 的方案，它将 光交叉互联设备视为标签交换路由器进行网络控制和管理。在基于m p l m s 的 网络中，光路由器有两种：边界路由器和核心路由器。边界路由器用于与速率 较低的网络进行业务接入，同时电子处理功能模块完成m p l m s 中较复杂的标 签处理功能，而核心路由器利用光互联和波长变换技术实现波长标签交换和上 下路等比较简单的光信号处理功能。它可以更灵活地管理和分配网络资源，并 能较有效地实现业务管理及网络的保护和恢复。 另外，由于可用的波长数目是有限的，为了优化网络性能，无论哪一种类 型的光通路层网络，都需要根据网络的物理拓扑结构和各节点间的业务需求， 设计最优的网络逻辑拓扑连接方案。要实现真正的自适应路由和波长分配，还 必须考虑业务流量制约下的选路问题。论文在第四部分利用n s 平台对波长路 由算法进行了仿真运算。 北京1 i j l f 电大学硕士毕业论文基于分组的光耐络数据链路层与网络层协议算法的 i j | _ 究 光码分复用( o c d m ，o p t i c a lc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x ) 是近年来兴起的另 一种充分利用现有光纤带宽的复用技术。在电通信领域，码分复用是一种扩频 通信技术，在发送端将不同的用户信息采用相互正交的扩频码序列进行调制后 再发送，在接收端采用相关解调来恢复原始数据。o c d m 与电c d m 相比，无 论是在适用范围、目的，还是在实现技术上都有显著的不同，同w d m 和o t d m 技术相比具有崭新的特点。w d m 将信道带宽以频率分割的方式分配给每一个 用户，o t d m 将时间帧分割成小的时间片分配给每一个用户，用户在时间上顺 序发送信号并同时占有整个带宽。o c d m 系统中，用户被预先分配一个特定的 地址码，各路信号在光域上进行编解码来实现信号的复用，所有用户同时占有 整个带宽，在时间和频率上重叠，利用地址码在光域内的正交性来实现彼此的 区分。 由于这种伪随机地址码序列可以对光信号的任意信息进行标记来实现编 解码，如光振幅编解码，光相位编解码，光波长编解码等，因此o c d m 的 实现方式是多种多样的。每一种编解码方式都要求不同伪随机地址码序列的正 交性。同w d m 和0 t d m 相比，o c d m 并没有严格的系统容量定义，它只是 随着用户数的增加而系统性能不断降低，是一种干扰受限系统。 1 3 光网络的分层结构与光网络的扁平化 光网络可横向分割为核心网、城域网和接入网三部分。核心网倾向于采用 网状拓扑结构，城域网多采用环形结构，接入网将是环形和星形相结合的复合 结构。光传送网可纵向分层为客户层、光通道层( o c h ) 、光复用段层( o m s ) 和 光传送段层( o t s ) 等层，两个相邻层之间构成客户服务层关系，通常光通道层， 光复用段层和光传送段层也合称为光层( o p t i c a ll a y e r ) ，如图1 1 所示： 客户层：由各种不同格式的客户信号( 如s d h 、p d h 、a t m 、i p 等) 组成： 光通道层：为透明传送各种不同格式的客户层信号提供端到端的光通路联网 功能，这一层也产生和插入有关光通道配置的开销，如波长标记、端口连接性、 载荷标志( 速率、格式、线路码) 以及波长保护能力等，此层包含o x c 和o a d m 相关功能，在故障发生时，实现保护倒换和网络恢复； 光复用段层：为多波长光信号提供联网功能，包括插入确保信号完整性的各 种段层开销，并提供复用段层的生存性，波长复用器和高效交叉连接器属于此 层： 光传送段层：为光信号在各种不同的光媒体( 如g 6 5 2 、g 6 5 3 、g 6 5 5 光纤) 上提供传输功能，同时实现对放大器和中继器的检测和控制。通常涉及功率均 北袁她电大学硬士毕业论文纂于分组驰光厨络数据链踌层姆嬲络雇协议算法的酬究 衡，e d f a 增益控制，以及包散的积累和补偿问题。 sd h a t u ipp d h其他 so n e t 竞进遥痞( 0 c h ) 光蔓霜段层( o m s ) 光倍送段层( 0 t s ) 阉1 3 光传送网的分屡结构 为了捷竣数握业务，骥蠢款传竣瓣络中，臻屡劐光层鲶逶配采耀霾屡续橡 的方式，如图1 4 ( a ) 所示腰o v e r a t m o v e r s d h o v e r w d m 。其中i p 层用于 承载业务；a t m 屡用于集贼多秘、业务，并为每秘渡务提供蠲应弱e 受务质爨保 证：s d h 鼷用于细粒度的带宽分配，并为业务的传输提供可靠的保护机制； w d m 层即光层用于提供大容量的传输带宽。这秽赠层缝枚躲传竣方式虽然可 傈证数据业务的传输，但在使用中鞠存在诸多问题。 首先，四层结槐方式存在”瓶颈“效应。在这种缝梅中，带宽的搬配非常麻 烦。不仅需要很长的人工配鬣时间，而且带宽的指配受限子每一层设备的可用 带宽。即使绝大多数设备有窆闲带宽可用，但任意一层的任意一个设备的带宽 瓶颈，都可能限制熬个阚络的带宽戏容量鲍扩充。闷时，程何一层设备出现敞 障都会影响攘个网络的稳定性；其次是传输效率低下。由于a t m 和s d h 都有 大羹的额头开销，麓接影响到数据妲务的镥输效牵。倒蓟，对于一个l o g b s 的s t m 1 6 ( 净负荷容量为9 6 g b s ) ，采用四层结构承载1 m 业务时，大约有2 4 g b t s 的带宽癸瘸子俦输各种开镑字节，实黪传输熬、韭务只商7 。2 g b s ，传输效 率只有7 5 ，可见效率之低；第三，四层结构带宽颗粒度过多，功能重叠。四 蘑绣麓懿繁宽分配采霜西种完全不鬻稳方式，郢聋包、a t m 信元、s d h 梭、 w d m 波长，而实际使用时，完全不需要如此多的带宽颗粒。而在功能上，每 一漾都带鸯襁邻器熬凌麓，特别是绦护弱恢复功髓，每一豢都有，逑或卡分复 杂旗至相互冲突的周面。 霹圉 ( a ) 嘲壤网络模型 ( b ) 两瘩9 嚼络模裂 图1 4 光传送潮的分屠结构 近几年迅速发展的m p l s ( 多协议标记交换) 已被证明是一种非常适合于 在电网络中传输数据业务的技术。m p l s 采用基于约束的路由技术可以实现流 量工程和快速重新选路，可以满足业务对服务质量的要求。所以，采用m p l s 的基于约束的路由技术完全可以在流量工程中取代a t m 。同样，快速重新选 路作为一种保护恢复技术也完全可以取代s d h 。由此可见，使用i p m p l s 控 制平台提供的流量工程和快速重新选路，将使未来的传输网络完全可以跨过 a t m 和s d h 两层( 见图1 4 ( b ) ) ，直接实现i po v e r w d m 。无疑，这种i pv i a m p l so v e rw d m 的网络将是一个操作更简单、花费最低、最适合数据业务传 输的网络。 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d p l s 。 为了实现诤与w d m 的无缝结合，g m p l s 对m p l s 标签进行了扩展，将 t d m 时隙、光波长、光纤等也用标签进行统一标记，使得g m p l s 不但可以 支持口数据包和a t m 信元，而且可以支持面向话音的t d m 网络和提供大容 量传输带宽的w d m 光网络，从而实现了口数据交换、t d m 电路交换( 主要 是s d h ) 和w d m 光交换的归一化标记( 如图1 5 ) 。g m p l s 定义了五种接口 类型来实现以上的归一化标记，分别是： ( 1 ) 、分组交换接口p s c ( p a c k e ts w i t c hc a p a b l e ) ：进行分组交换。通过识 别分组边界，根据分组头部的信息转发分组。例如m p l s 的标签交换路由器 l s r 基于”s h i m “标签转发数据： ( 2 ) 、第二层交换接1 ：3l 2 s c ( l a y e r 2s w i t c hc a p a b l e ) ：进行信元交换。通 过识别信元的边界，根据信元头部的信息转发信元。例如a t ml s r 贝j 基于a t m 的v p i v c i 转发信元； ( 3 ) 、时隙交换接口t d m c ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gc a p a b l e ) ：根据t d m 时隙进行业务转发。典型如s d h 的d x c 设备的电接口，可根据时隙交换s d h 帧： ( 4 ) 、波长交换接口l s c ( l a r n b d as w i t c hc a p a b l e ) ：根据承载业务的光波 长或光波段转发业务。例如o x c 设备是一种基于光波长级别的设备，可以基 于光波长作出转发决定。更进一步还可以基于光波段作出转发决定。光波段交 换是光波长交换的进一步扩展，它将一系列连续的光波长当作一个交换单元。 使用光波段交换可以有效减少单波长交换所带来的波形失真，减少设备的光开 关数量，还可以使光波长之间的间隔减小。； ( 5 ) 、光纤交换接口f s c ( f i b e rs w i t c hc a p a b l e ) ：根据业务( 光纤) 在物 理空间中的实际位置对其转发。例如o x c 设备可对一根或多根光纤进行连接 操作。 图1 5g m p l s 的五种接口类型 对于m p l s 来说，其l s p 与分组相对应，可以进行连续颗粒度的带宽分 配。但对光网络来说，却存在带宽资源分配的颗粒度问题。一个o x c 只能支 持很少量的光波长，每个光波长具有粗糙和离散的带宽颗粒( 例如s t m 1 、 s t m 一4 、s t m 一1 6 等等) 。显然，这种固定带宽建立的光通道的方式必然导致资 源浪费。因此有必要在一个相对高容量的光通道中映射进多个低带宽l s p ，这 就是g m p l s 中的l s p 分级技术。l s p 分级是指低等级的l s p 可阻嵌套在高等 级的l s p 中，从而将较小粒度的业务整合成较大粒度的业务。使用l s p 分级 技术就可允许大量具有相同入口节点的l s p 在g m p l s 域的节点处汇集，再透 明地穿过更高一级的l s p 隧道，最后再在远端节点分离。这种汇集减少了 g m p l s 域中用到的光波长的数量，有助于处理离散性质的光带宽，提高资源 利用率。使用l s p 分级技术时，要求每条l s p 的起始和结束都必须在相同接 口类型的设备上，且在每一个方向上都必须共享一些公用的属性，例如都具有 相同的类型、相同的资源类别集合等等。典型的l s p 分级技术应用如图1 6 所 示，一条起始和结束都在p s c 接口上的l s p 可以嵌入到一条t d m c 类型的l s p 中，而t d m c l s p 则起始和结束在t d m 接口上：与此同时，t d m c l s p 也可 以嵌入一条起始和结束在f s c 类型的l s cl s p 中；而l s cl s p 又可嵌入到起 始和结束都在f s c 接口上的l s p 上。 o 北京i d f f 电犬学硕士毕业论文基于分组的光网络数据链路层与刑络层协泌算法的研究 图16l s p 分级技术应用 为了充分利用w d m 光网络的资源，满足未来一些新业务的开展( 如v p n 、 光波长租用等) ，实现光网络的智能化，g m p l s 还对信令和路由协议进行了修 改和补充，指定了r s v pt e ，c rl d p 作为扩展信令协议，o s p f t e ，i s i s t e 作为扩展路由协议；为了解决光网络中各种链路的管理问题，g m p l s 设计了 一个全新的链路管理协议l m p ( l i n k m a n a g e m e n t p r o t o c 0 1 ) ；为了保障光网络 运营的可靠，g m p l s 又对光网络的保护和恢复机制进行了改进。由于g m p l s 不是论文研究的重点，协议的详细内容不再赘述。 1 4 智能光网络 要真正的实现未来全光网络的智能化，还要在光传送网o t n ( o p t i c a l t r a n s p o r tn e t w o r k ) 的传送平面上添加一个能实现自动交换能力的独立的控制 平面，这就是国际电联u t 正在标准化的自动交换光网络a s o n ( a u t o m a t i c s w i t c h i n go p t i c a l n e t w o r k ) 的基本出发点。a s o n 是一种客户服务器的运行机 制或者说重叠网络模型，上层电网络是客户，下层光网络是服务器，电网络通 过发出请求得到响应的方式得到相应的带宽，这种模型显著的特点是在客户网 络与提供商域之间存在清晰易辨的边界。而对光层而言，这种给请求提供相应 带宽的过程是主要是通过控制平面完成的，有时也需要管理平面协同工作来实 现。a s o n 的关键技术如下： 交换技术 采用光交换将使透明光网络成为可能，并可以实时地依据业务的需求和控 制信令的指配动态地进行光开关交换矩阵的倒换，实现按需动态配置波长，从 而在透明光网络中建立端到端的光通道。而以动态可重配置的、多粒度的光交 换设备为主构建的智能化的透明光网络极大地简化了网络和节点的体系结构， 降低了网络的运营成本和管理的复杂性，使得各种不同网络的互联互操作变得 北京邮电大学硕：七毕业论文 基于分组的光两缗数据壁堕星墨塑垫星坠丛蔓鲨塑至堡塑 简单可行，易于实现动态有效的端到端的带宽分配和光通道建立的智能性。因 此，在未来的a s o n 中作为光交换主角的将是o x c 、0 a d m 和波长路由器等 节点设备。 网络的智能化控制和管理 a s o n 提出的控制平面涉及接口、协议和信令3 个方面的问题，负责连接 的提供、维护以及网络资源的管理。在网络中连接的提供需要路由选择算法、 沿被选路由的请求和建立连接的信令机制。一旦一个连接被成功地建立起来， 它就需按照业务等级协议( s l a ) 进行维护。而获得网络的拓扑( 包括网络总 体情况和连通性) 以及可用资源的信息是网络操作的基本功能。理想地浇，网 络的拓扑和可用资源应该自动发现，以实现邻居和终端系统发起的请求机制、 算法以及信息在网络中的通告。此外，有效的网络资源的利用要求维护一个网 络总体的当前可用网络资源信息，这都是完成控制功能、实现连接动态提供的 基础。a s o n 正是有了这样的控制平面，有了接口，通过协议和信令系统动态 地交换网络拓扑状态信息、路由信息及其它控制信息，才具备了实现光通道的 动态建立和拆除的能力，具备了自动交换的能力。 传输网络的生存性 在a s o n 中实现保护恢复与光网络的保护恢复并没有特别的不同，不过它 更强调保护恢复的自动性，所以对保护恢复策略的标准化提出了更高的要求。 另一方面，自动交换光网是一套标准，更强调与光网络层上成熟的电网络技术 的互通和统一的控制管理，所以a s o n 中的保护恢复更强调保护恢复的协调性 和统一性。当然，在a s o n 中提供可靠有效的控制平面、管理平面以及相关的 算法是a s o n 固有的问题，随着a s o n 中这些问题的解决，保护恢复的信令 信道问题、相关的恢复路由算法问题以及与电层保护恢复机制的协调问题，都 能够借助于a s o n 的标准化或和a s o n 标准化一起得到解决。同时，相对s d h 环来说，a s o n 增加了新的选项以支持更加灵活的保护恢复机制，比较典型的 两个例子是网状网保护和虚环保护。 保护恢复的级别在a s o n 中将与业务等级协定s l a ( s e r v i c el e v e l a g r e e m e n t ) 紧密相关，u n i 中的业务等级属性指示了服务的种类。一个电信 运营商可以规定一系列预先指定了不同保护恢复级别和其它属性的业务等级， 然后用户可以通过s l a 来向电信运营商来请求所需的保护恢复级别。 在已有的保护恢复级别中，主要包含四个级别，他们分别是： 专用的( d e d i c a t e d ) 保护恢复：这种保护恢复级别最高，保护时间一 般在5 0 毫秒以内，保护容量1 0 0 共享的( s h a r e d ) 保护恢复：这种保护恢复的资源也是预留好的，一 北京邮电大学硕士毕业论文基于分组的光网络数据链路层与阐络层协泌算法的研究 旦故障发生，业务能马上切换到保护通道，保护恢复时间在秒的量级， 由于保护通道是共享的，网络资源的利用率相应更高。 动态的( d y n a m i c ) 保护恢复：这种方式一般不预留保护恢复资源，而 是在检测到故障后，为业务重新路由。 不提供保护恢复：级别最低的保护恢复。 1 5 论文主要工作 论文研究的重点包括两部分内容：下一代智能光网络关键技术的研究和几 种基于分组交换的o t d m 光网络协议模型的分析研究。智能光网络的关键技 术主要涉及了a s o n 的体系架构和用户网络接口技术( u n i ) ，并着重对u n i 技术的实现进行了全面和深入的研究。第三章和第四章描述了o t d m 光分组 网在数据链路层和网络层的协议模型，包括基于预留的折叠总线型网络 ( c r m a ) 以及特定的m e s h 网拓扑下的偏射路由模型，前者研究的重点在于 分析网络不同的负载度，预留分组的发送间隔等条件对于协议公平性和接入时 延的影响，后者则通过协议仿真对偏射型网络和存储转发型网络进行了比较。 两种协议模型( c r m a 与偏射路由) 都在n s 2 开放软件平台上实现了专用的 协议软件。此外，论文还将波长路由中的f i r s t f i t 算法作为光域上的电路交换 式光网络模型进行了性能分析。 北京邮电大学硕士毕业论文基于分组的光网络数据链路层与网络层协议算法的研究 第二章自动交换式光网络的关键技术研究 2 1 引言 大容量d w d m 传输系统的出现只是解决了带宽问题，而要真正使节点发 挥巨大的灵活组网能力，还要充分利用光交换实现光网络的智能。当前不仅对 网络带宽的需求变得越来越大，而且由于p 业务量本身的不确定性和不可预 见性，对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切。传统的主要靠人工配置网络 连接的原始方法耗时费力，不仅难以适应现代网络和新业务提供拓展的需要， 也难以适应市场竞争的需要。一种能够自动完成网络连接的新型网络概念 智能的自动交换传送网( a s t n ) 应运而生。这是一种利用独立的控制面来实 施动态配置连接管理的网络，其中专门以光传送网( o t n ) 为基础的a s t n 又 称为自动交换光网络( a s o n ) ，是开发a s t n 的主要方向。 过去，传送网只涉及客户层信号的传送、复用、交叉连接、监控和生存性 处理，通常不含交换功能，只具备较低的智能。因此，在传统的传送网中引入 动态交换的概念不仅是几十年来传送网概念的重大历史性突破，也是传送网技 术的一次重要突破，使传送网具备了自动选路和管理的更高智能。而且，这类 新型网络的一个重要特点是支持多种客户信号，是一种独立于客户和技术的网 络。总的看，在网络中引入a s t n 或a s o n 的好处主要有： 支持