（电路与系统专业论文）智能光网络数据流动态管理及生存性研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

智能光网络数据流动态管理及生存性研究 摘要 智能光网络( i n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r k , i o n ) 作为构建新一代光网络 的核心技术，以兼容性、扩展性良好的硬件系统为支撑，配备先进的软 件系统，把光传输媒介层由静态变成了一种动态的、智能的光交换网络结 构，并可以直接通过光域快速提供各种灵活的高速增值业务，形成一个以 数据为中心的基础平台，全面提升通信网络的传送效能。智能光网络是以 光传输为基础的光层组网技术和以i p 为基础的网络智能化技术迅速发展 并结合后形成的，其本质就是光传送网与智能化相结合，其着眼点是要把 富有潜力的光网络发展成能高度自动的、应对业务需要的、经济有效的、 可在光层上直接为全网提供端到端服务的智能网。因而，如何在智能光网 络中提供更好的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证和有效的网络生存性，成为急 需解决的重要问题。 本文首先介绍了智能光网络的q o s 机制以及国内外的发展现状，从各 种光交换技术及其q o s 机制入手，分析了i po v e rw d m 网络、 w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 网络的q o s 机制。之后，在对 g m p l s ( 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 ) 对等模型的流量工程、智 能光网络层叠模型和对等模型的特点进行分析的基础上，对基于g m p l s 对等模型的智能光网络的q o s 机制进行了分析与仿真。结合w d m 网络 的光区分服务( d i f f e r e n t i a t e do p t i c a ls e r v i c e s ，d o s ) 模型，提出了一种智能 光网络的q o s 模型。通过仿真，验证了此模型能够有效地减小业务时延， 提高链路利用率，给网络带来优越性。 其次，本文研究了智能光网络的生存性技术问题。从不同网络的生存 性入手，分析了网络生存性的意义，重点介绍了智能光网络的各种保护机 制、恢复机制，探讨了多层生存性问题，对单层及多层网络中的生存性技 术以及关键问题进行了研究总结。通过对多层网络生存性的多层独立恢复 策略和协调恢复策略的研究，以及底层恢复、高层恢复和多层恢复三个子 问题的深入探讨，提出了一种多层生存性策略卅i ，m ( r e s t o r a t i o nl a y e r m a n a g e m e n t ) 策略。随后，对恢复层管理算法进行了仿真研究，验证了该 策略的有效性。 关键词智能光网络a s o ng m p l s 生存性q o s t h es t u d yo nd y n a m i cd a t af l o w m a n a g e m e n ta n ds u r v i v a b i l i t yi ni o n a b s t r a c t a st h ec o r et e c h n o l o g yo fn e x tg e n e r a t i o no fo p t i c a ln e t w o r k ，i o n ( i n t e l l i g e n to p t i c a ln e t w o r k ) i ss u p p o r t e db y ag o o dh a r d w a r es y s t e m ，w h i c h h a sg o o dc o m p a t i b i l i t ya n ds c a l a b i l i t y , a n di se q u i p p e dw i t ha na d v a n c e d s o f t w a r es y s t e m i tc h a n g e dt h es t a t i co p t i c a lt r a n s m i s s i o nl a y e ri n t o a d y n a m i c ，i n t e l l i g e n ts t r u c t u r eo fo p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k ，a n dc a nd i r e c t l y u s et h eo p t i c a ld o m a i nt or a p i d l yd e l i v e rf l e x i b l eh i g h - s p e e d v a l u e 。a d d e d s e r v i c e s i ta l s of o r m sad a t a - c e n t r i cp l a t f o r mt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft h e t r a n s m i s s i o nn e t w o r k i o ni sf a s td e v e l o p e da f t e rc o m b i n i n gt h eo p t i c a l n e t w o r kt e c h n o l o g y ，w h i c hi sb a s e do nt h eo p t i c a lt r a n s m is s i o n ，a n di p b a s e d i n t e l l i g e n tn e t w o r kt e c h n o l o g y t h ee s s e n t i a l o fi o ni sac o m b i n a t i o no f o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r ka n dt h ei n t e l l i g e n c e t h ea i mo fi o n i st od e v e l o p 3 t h e p o t e n t i a lo p t i c a l n e t w o r k si n t oh i g h l ya u t o m a t i c ，e a s i l ys e t t l e d ， e c o n o m i c a l l ye f f e c t i v en e t w o r k ，a n dc a nd i r e c t l yp r o v i d ee n d - t o e n ds e r v i c e s f o rt h ee n t i r eo p t i c a ln e t w o r k s s o ，h o wt os u p p l yab e t t e rq o sa n dm o r e e f f e c t i v es u r v i v a b i l i t yh a sb e e nb e c o m eo n ei m p o r t a n tt o p i ct h a tn e e d st ob e s o l v e dw i t h o u th e s i t a t i o n t h er e c e n tr e s e a r c h e sa n dd e v e l o p m e n tb o t hi nc h i n aa n da b r o a do f t h e q o sm e c h a n i s m sh a v eb e e ni n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h eq o s m e c h a n i s m so f d i f 瓷r e n tn e t w o r k sa r ea n a l y z e d ，s u c ha si po v e rw d m n e t w o r k ，w d m n e t w o r k t h e nt h eq o sm e c h a n i s mo fi o nb a s e d o ng m p l s ( g e n e r a l m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) p e e rm o d e li s s t u d i e da n ds i m u l a t e da f t e r a n a l y z i n g t h et r a f f i ce n g i n e e r i n g o fg m p l s p e e r m o d e la n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo v e r l a ym o d e la n dt h ep e e rm o d e lo fi o n c o m b i n i n g w i mt h ed o s ( d i f f e r e n t i a t e do p t i c a ls e r v i c e s ) m o d e lo fw d m n e t w o r k ，a n e wq o sm e c h a n i s mo fi o ni sp r o p o s e d t h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo fl o w e r t i m ed e l a ya n dh i g h e ru t i l i z a t i o no ft h i sm e c h a n i s m i sv e r i f i e db ys i m u l a t i o n s e c o n d l y , t h es u r v i v a b i l i t y o fi o ni ss t u d i e d t h es u r v i v a b i l i t yo f d i 舵r e n tn e t w o r k s i s a n a l y z e d t h ep r o t e c t i o n m e c h a n i s m ，r e s t o r a t i o n m e c h a n i s m ，a n dm u l t i l a y e rs u r v i v a b i l i t yo fi o na r ee m p h a s i z e d t h ek e y i s s u e sa n ds u r v i v a b i l i t yt e c h n o l o g yo fs i n g l el a y e ra n dm u l t i l a y e rn e t w o r k s 4 a r ed e v e l o p e da n ds u m m a r i z e d an e wm u l t i l a y e rs u r v i v a b i l i t ys t r a t e g y - - r l m ( r e s t o r a t i o nl a y e rm a n a g e m e n t ) f o rg m p l si sp r o p o s e da f t e rs t u d y i n gt h e m u l t i l a y e ri n d e p e n d e n ta n di n t e r w o r k i n gr e s t o r a t i o ns t r a t e g yo fm u l t i l a y e r s u r v i v a b i l i t y , t h eb o t t o ml a y e rr e s t o r a t i o n ，i pl a y e rr e s t o r a t i o n ，a n dm u l t i l a y e r r e s t o r a t i o n t h ea d v a n t a g e so fs m a l l e rb l o c k i n gp r o b a b i l i t ya n dg o o dr e s o u r c e u t i l i z a t i o na r ed e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o n k e yw o r d si o na s o ng m p l ss u r v i v a b i l i t yq o s 5 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已在论文中 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：日期：坦! ：兰：望 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 生在校攻读学位期问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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：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： 期 期 日 日 1 1 课题的目的与意义 第一章绪论 随着科技的发展和社会的进步，现有的光传送网无法满足通信运营商对经济性和 高效性的要求，不能充分利用网络资源，业务提供能力有限且升级复杂，极大地阻碍 了通信事业的发展。人们在激烈的市场竞争、技术发展和面向以数据业务为中心的业 务驱动下，提出了智能光网络的概念。其本质是如何将光网络发展成能高度自动的、 应对业务需要的、经济有效的、可在光层上直接为全网提供端到端服务的智能网，那 么，研究智能光网络的q o s 机南0 和生存性机制便具有新的内涵和现实意义】。 智能光网络已经从传统的简单肩负传送和通道任务的网络转向业务服务型网络， 因此传统的q o s 机制逐渐不能满足r 益增长的需求。本课题融合传统i p 网q o s 模型 和智能光网络q o s 机制，提出一种基于g m p l s 对等模型的智能光网络区分服务模型， 探索新的智能光网络q o s 模型。 基于g m p l s 对等模型，智能光网络中区分服务模块的各数据业务流量的参数有： 延迟( d e l a y ) 、整个网络的平均误码率b e r 、包丢失率( p a c k e tl o s sr a t i o n ) 和点到点链 路的吞吐量0 1 u o u 曲o u t ) 及其利用率( u t i l i z a t i o n ) 等等1 2 】。从仿真实验入手，详细研究这 种智能光网络q o s 模型的实现方案。并对此模型下的数据业务的各参数的仿真性能 结果进行分析，从而验证其可行性。 多层网络环境中，仅仅利用单层的网络生存性技术难以在多层网络中获得满意的 故障恢复效果，因此在这样的网络中需要引入新的解决方案。隶属于欧洲高级通信技 术和业务( a c t s a d v a n c e d c o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g i e ss e r v i c e s ) 计划的 a c 2 0 5 p a n e l ( p r o t e c t i o na c r o s sn e t w o r kl a y e r s ) 项目组提出了多层网络恢复模型【3 】， 提高了多层网络整体生存性。美国国防部高级研究计划局( d a r p a d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 也在资助相关问题的研究。例如：异构、多层网络环境下的 网络生存性问题，综合控制策略建立问题，上层网络到下层网络的有效映射问题，增 强网络的抗毁能力问题，多点故障问题，i p 网络生存性问题等。多层网络的生存性 问题的研究在国内刚刚开始，并且尚未标准化，有许多问题还有待进一步的探讨和研 究【4 1 。 传统的多层网络的保护和恢复是在每一层网络中分别实现的，在层间缺乏相应的 生存性协调机制，这样不仅不能对各种故障情况进行有效的处理，而且会造成网络资 源的浪费。因此，研究如何在多层网络结构下，建立有效的多层生存性协调机制，以 避免不同单层恢复机制之间的竞争，提高层问备用容量的协作和共享等性能，就成为 了生存性问题研究的另一个重要领域【5 i 。 i p 、a t m 、s d h 、w d m 等多种技术的引入构成了多层重叠结构的网络，网络各 个层面上有自己的生存性机制，如何统一协调各层的生存性来提高整个网络的生存性 就尤为重要。本课题将研究g m p l s 的控制平面，分析各层面的保护、恢复机制，在 已有的多层生存性技术上提出新的观点，提高整体生存性。 1 2 本课题研究背景与现状 自2 0 0 0 年初国际电信联盟( i t u ) 提出了自动交换光网络( a u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a l n e t w o r k ，a s o n ) 概念，a s o n 取得了各大运营商、系统提供商、终端制造商以及研究 组织的青睐，但其全网统一的实现过程将是较为漫长的，而g m p l s 可以针对l p 业 务的特点实现网络资源的最优利用，是下一代光传送网的重要模型。尽管光网络消除 了骨干网的带宽“瓶颈”，但智能光网络的q o s 技术与传统i p 网络q o s 技术不同， 仍然是关注的重点。 1 2 1ip 网的o o s 技术 i n t e m e t 近年来以惊人的速度蓬勃发展，己逐步由单一的数据传送网向数据、语 音、图像等多媒体信息的综合传输网演化。所谓i pq o s ，概括地说是指i p 流通过一个 或多个网络时的整体性能，包括可提供的服务种类、时延、时延抖动、吞吐量、包丢 失率等因素。没有i pq o s ，各种应用和服务都无法得到保证。 对于q o s 的实现，不同国际组织和团体提出了不同的控制机制和策略。i e t f 首 先提出的是综合服务模型，引入了一个重要的网络控制协议r s v p ( 资源预留协议) 。 r s v p 使得i p 网络为应用提供所要求的端到端的q o s 保证成为可能，但为了支持这 种能力，数据包所经过的每个网络单元( 子网和i p 路由器) 都必须能够支持r s v p 控制 服务质量的机制。集成服务模型利用r s v p 全程信令将原本面向无连接的i p 网络改 为面向连接的网络，存在许多缺点，如扩展性差，对路由器要求较高，要求所有路由 器必须实现r s v p 、接纳控制、m f 分类和分组调度，使网络的核心复杂。针对这些 缺点，i e t f 组织指定了一个相对扩展性较强的方案，来保证i p 网络的服务质量( q o s ) ， 这就是区分服务模型。区分服务模型主要是重薪利用了i p 数据包头中的服务类型 ( t o s ) 字段( 或者d s 域) ，使得对r s v p 网络控制协议的使用仅局限在用户网络一侧， 而将骨干传送网从r s v p 中解脱出来m j 。 多协议标签交换( m p l s ) 将灵活的三层i p 选路和高速的二层交换技术完美地结合 起来，从而弥补了传统i p 网络的许多缺陷。它引入了新的标签结构，对i p 网络的改 变较大，并引入了“显式路由”机制，对q o s 提供了更为可靠的保证。总的来说， 从实现方式上来说可以分为下列两个方面：流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ，t e ) 和q o s 的直接实现。 流量工程可以说是一种间接实现q o s 的技术。它通过对资源的合理配置，对路 由过程的有效控制使得网络资源能够得到最优的利用，在网络的运行中使得路由能够 自动的绕开网络故障、网络捌塞与网络瓶颈。当网络资源得到充分利用时，自然而然 地，网络的各项q o s 指标也将随之大大改善。 q o s 的直接实现实际上就是根据各项q o s 指标在网络中的各个节点上对各种业 务流采取相应的措施，以保证这些指标的实现，这是一种直接的q o s 解决方案。 1 2 2 智能光网络的q o s 机制 i p 网络提供的传统q o s 机制很难应用到全光网络，这主要因为在电域中电子包 交换设备具有存储转发功能，能够在连接过程中通过排队和缓冲分组包来操纵网络带 宽的竞争，而光域交换设备中没有这样的功能。i p 网是“尽力而为”的，而i po v e rw d m 网络就必须设计q o s 保障机制。这些机制必须考虑到光域的物理特性和限制。目前 i po v e r w d m 网中几种典型的q o s 方案主要表现在三种光交换模型中：波长路由， 光分组交换，光突发交换。目前对i po v e rw d m 全光互联网q o s 机制的实现还处于 研究阶段，波长路由网络( w a v e l e n g t hr o u t i n gn e t w o r k s ，w r n ) 、光分组交换网络 ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k s ，o p s n ) 、光突发交换网络( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g n e t w o r k s ，o b s n ) 中通用的q o s 机制有着不同的成熟度模型，其中w r n 有较成熟的 q o s 模型。o p s n 中q o s 机制的实现处于初步研究阶段，o b s n 中的q o s 机制简单， 不需要缓冲。但是，i po v e rw d m 光网络在部署q o s 机制方面仍有待测试、验证和 完善。 作为i p 接入网的过渡网络，d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 城 域网使少数波长部署在骨干网中，其点到点的传输能力具有定的q o s 保障，但不 能在整个网络中提供q o s 服务。当具有大量可用波长的d w d m 网络应用到大量数据 的城域网环境中时，就要求典型的针对在光域的服务，如优先级恢复、可扩展性、动 态实施容量和路由，q o s 保证等【9 】。实践表明，d w d m 在单个波长中能提供数g b i t 的速率，将成为下一代觋络的核心技术，然而，为了满足城域网环境中高速增长的互 联网流量，必须利用d w d m 提供的空前的带宽资源，同时必须使d w d m 网络优化， 从而提供i pq o s 能力。d w d m 网络提供了多种可选的光路径，不同的光路径代表不 同的光质量( 在源和目的地之间) ，根据光传输质量、可靠性和其他的性能参数，来给 每条可选的光路分类。 1 ，2 ，3 智能光网络的生存性机制 网络的生存性是指网络发生故障时恢复受损的业务，使网络维持可以接受的业务 水平。网络的故障恢复分为保护和恢复两种，保护是利用节点之问预先分配带宽对网 络故障的恢复，而恢复是不进行预先的带宽资源的预留，发生故障以后，利用节点之 间的可用资源动态地进行重路由来替代故障路由， 生存性技术是现在光网络中必须解决的关键技术，目前标准化的工作还没有完 成，目前国内外有很多的研究结构和高校都在从事光网络生存性的研究，也已经发表 了很多文献，其中比较有代表性的就是澳大利亚m e l b o u r n e 大学g r o v e r 教授领导的 生存性研究小组，他们在基于光坏网实现的生存性方面做了相当多的工作，提出p 坏，虚保护环等等许多新的观念。随着网络技术的发展，数据网络和光网络技术的融 合，i po v e rw d m 技术，a s o n 技术的应用和发展以及下一代光网络的提出，也要求 有相应的生存性技术与之相适应，这方面的研究工作，国内外各研究结构和高校也在 积极进行。生存性对于光网络的重要性现在己经得到业界的广泛重视，在光网络快速 发展的今天，研究光网络的生存性技术，提出实用化韵解决方法，已经成为发展和建 设光网络必须解决的一个关键问题。 在各种技术的网络中( 如i p ，s d h 和w d m 网络等) 都有自己相应的生存性机制， 而对于智能光网络来说，其生存性技术更具有自身的特色。在光网络中，生存性技术 的研究随着网络的演进而得到不断的发展。光网络引入了智能后，生存性技术研究出 现的热点问题和新的领域主要包括以下几个方面【l u j ： 1 格状拓扑的网络生存性：智能光网络的拓扑结构是格状的，格状网络连通度 高，网络拓扑的生存性高。在a s o n 坏境下，研究和提出适用的格状光网络的保护 和恢复机制具有重要的意义。 2 区分生存性业务：由于在智能光网络中可实现多种生存性策略，而顾客也有 不同的业务需求，故区分生存性业务成为了智能光网络引人注目的一项服务。 3 g m p l s 控制协议实现生存性：控制平面的引入为在a s o n 中实现多样的、 高效的生存性机制提供了强有力的手段，而g m p l s 协议中的信令、路由和资源管理 机制也需要进行不断的改进以实现a s o n 中智能化的生存性要求。 4 控制平面的生存性技术：控制平面是a s o n 中的核心层面，它负责了传送平 面中业务的可靠传输，值得注意的是它自身也需要有相应的生存性机制保证其正常的 工作，这也是a s o n 中所特有的新问题。 5 多层网络的生存性：网络层次结构的发展由复杂逐渐趋向简单，i p i o n 的结 构将成为未来网络发展的趋势。如何在这样的多层网络结构下保证生存性策略的协调 实现，成为了智能光网络出现以后需要解决的问题之一。 6 多粒度光网络的生存性：多粒度交换技术是智能光网络中传送平面的一项重 要技术，它在节约网络成本的基础上能够合理地疏导网络中不同粒度的流量，实现资 源的优化利用。原有传统光网络中的生存性技术都是基于单波长粒度的。 这些都是智能光网络生存性技术中需要迫切解决的关键问题。 1 3 论文完成的主要工作 1 3 。1 主要工作 在全面了解i p 网络、w d m 网络和智能光网络的q o s 机制以及生存性机制等内 容的基础上，作者展开了自己的工作，具体如下： 1 提出了一种智能光网络q o s 模型 业务的多样性和不断出现的新业务正在推动网络的发展，不同的q o s 对网络提 出了新的挑战。根据智能光网络层叠模型和对等模型的特点，提出了种基于g m p l s 的智能光嘲络区分服务模型，并在一定的拓扑结构下对时延、链路利用率等参数做了 仿真，并且对不同链路的情况进行了比较。通过比较可以看出，基于g m p l s 对等模 型的智能光网络q o s 模型可以满足客户对更高级别服务的需求，能够满足q o s ，并 且可以很好地满足网络的要求，对构建智能光网络有重要的参考价值。 2 对单层及多层网络中的生存性技术以及关键问题进行研究总结 在当前的多层网络环境中，仅仅利用单层的网络生存性技术难以在多层网络中获 得满意的故障恢复效果，因此在这样的网络中需要引入新的解决方案，即多层网络生 存性机制。多层网络的生存性机制是指在多层网络之间可能存在的单层网络生存性方 案及这些方案之间的相互作用，通过对单层恢复方案的有效协调，以获得对网络故障 的有效恢复。通过对多层网络生存性的多层独立恢复策略和集成恢复策略的研究，以 及底层恢复、高层恢复和多层恢复三个子问题的深入探讨，为新的多层生存性策略的 提出提供了可能。 3 提出了一种多层生存性策略 随着i n t e m e t 和数据业务的迅速发展，要求产生新的技术以满足日益增长的带宽 需要。波分复用( w d m ) 技术的发展为网络提供了巨大的带宽资源，每根光纤可以有 很大的带宽资源，网络中任何网元发生故障都会带来巨大损失。随着传统的开销大、 功能重叠的多层网络向扁平化的两层智能光网络发展，智能光网络的多层生存性问题 有待解决。 论文通过对基于g m p l s 的智能光网络的多层生存性技术的研究，针对如何决定 究竟是选用逻辑i p 链路还是波长链路来进行故障的恢复这一问题，提出了一种恢复 层管理策略( r e s t o r a t i o nl a y e rm a n a g e m e n t ，r l m ) ，并对所提出的算法进行仿真研究。 通过仿真，比较了不同负载下的阻塞率和资源占用情况，从而验证了该策略的有效性， 使得多层网络的牛存性可以协调一致地实现。 1 3 ，2 论文结构 第l 章：绪论。给出了本论文课题的目的与意义，介绍了智能光网络q o s 机制 和生存性机制的国内外研究发展现状，完成的主要工作及论文的组织结构。 第2 章：智能光网络的q o s 机制。主要介绍了i po v e rw d m 网络的q o s 机制， w d m 网络的光区分服务模型，以及g m p l s 对等模型的流量工程，对各种光交互技 术进行分析，并且总结出了不同光交换技术中的q o s 机制。 第3 章：基于g m p l s 的智能光网络区分服务模型的实现。介绍了仿真软件 o p n e t 的基本工作原理与一般仿真步骤，并给出了基于g m p l s 的智能光网络区分 服务模型的设计思想，最后，对此模型下的时延、链路利用率等参数进行了分析与仿 真。 第4 章：智能光网络的生存性技术。介绍了不同网络的生存性技术，重点介绍了 智能光网络的通道倒换、链路倒换、保护机制、恢复机制，并对智能光网络的生存性 面临的问题进行了总结，最后对多层生存性机制中的多层独立恢复策略和集成恢复策 略进行了介绍与讨论。 第5 章：恢复层管l 里( r l m ) 算法。给出了算法的描述以及相关假设。然后，建立 了仿真模型，本文选择了n s f n e t 网络进行仿真。对恢复层管理算法进行了仿真， 分别对阻塞率、资源利用率等参数进行了分析。 第二章智能光网络的q o s 机制 智能光网络很难直接应用i p 网络提供的传统q o s 机制，这主要因为在电域中电 子包交换设备具有存储转发功能，能够在连接过程中通过排队和缓冲分组包来操纵网 络带宽的竞争，而光域交换设备中没有这样的功能。本章介绍了目前i po v e rw d m 网中几种典型的q o s 方案，它主要表现在三种光交换模型中：波长路由，光分组交 换，光突发交换。并依次介绍了w d m 网络的q o s 机制，以及基于g m p l s 的智能 光网络的流量工程，对智能光网络的q o s 机制进行了全面而具体的概括。 2 1lpo v e l w d m 网络中的0 0 s 机制 随着密集波分复用设备、光层直接接入技术和可实现动态带宽分配的智能光交换 机、光路由器的相继研发成功，i po v e rw d m 光互联网的观念应运而生。w d m 这种 光复用技术很好地挖掘了光纤超大容量传输带宽的能力，同时在多种频率和波长上传 送i p 数据包。然而在基于i po v e rw d m 光互联网上提供实时话音和视频数据业务时， q o s 保障却存在问题。i po v e rw d m 光互联网的q o s 技术与传统i p 网络q o s 技术是 不同的，主要因为在电域中路由器交换机具有存储转发功能，能够在连接过程中通 过排队和缓冲分组包来操纵网络带宽的竞争，而光域交换设备中没有这样的功能。虽 然w d m 设备中缺少“包排队包缓冲 这样的概念，但是光存储器技术的出现改变 了这一看法。光存储器技术的关键就是光纤延迟线( f i b e rd e l a yl i n e s ，f d l s ) 的应用， 它是固定长度的光纤，用于在特定时间段内延迟光信令信息分组【l 。作为排队缓冲技 术的一种可替代方法，光网络用额外的信令信息在光交换数据到达之前来预置路出带 宽。但是光纤延迟线不能充分提供典型q o s 模型( 集成服务和区分服务) 中的缓冲能 力。因此在i po v e rw d m 光互联网中如何针对不同交换技术实现通用的q o s 机制就 显得尤为重要。 2 1 1 光交换技术分析 在i po v e r w d m 光互联网中主要部署了三种光交换技术来传输i p 流量，因此i p o v e rw d m 网络可以被区分为：波长路由网络w r n ( w a v e l e n g t hr o u t i n gn e t w o r k ) 、光 分组交换网络o p s n ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k ) 、光突发交换网络 o b s n ( o p t i c a lb u s ts w i t c h i n gn e t w o r k ) 。 波长路由网络( w r n ) 在w d m 网络中使用电路交换技术时，是以波长交换的形式来实现的，在相邻节 点间的每条链路上，一个波长就对应一个用于交换的光通道。目前光传送网技术就是 基于波长路由技术，提供端到端的虚波长路由。在波长路由网中全光波长通路在网络 的边缘建立起来，这个光路径被称为光通路。波长路由网络由o x c ( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t i o n ) 设备通过光纤任意点到点相连而构成。o x c 设备通过判断数据流入口和 波长参数，就有能力区分不同的数据流业务。在点到点的光通路中传输数据流时，中 间节点不需要任何处理，不需要任何电一光和光一电转换，也不需要缓冲数据。i po v e r w d m 组网结合了波长路由和i p 路由的技术。波长路由提供了大粒度的复用，而i p 路由提供了细粒度的复用，两者的结合为i p 应用提供了优化的环境。但是波长路由 交换网络是传统电路交换网络的一种形式，不能统讨1 复用共享带宽资源，所以带宽 利用率比较低。 光分组交换网络( o p s n ) 电域的包分组交换在光域上表现为光分组交换o p s 是基于虚电路方式、固定长 度短数据包格式、光时分复用方式的。一般基于t d m 来使用光纤中的所有带宽，数据 净荷以光信号方式存在，信头开销可以是光形式，又可以是电形式，通过带外波长或 副载波复用传送控制开销使之与业务数据分开，两者之间的时延用光纤延迟线( 光存 储器) 来实现，而可变长度的光分组，可使用串联的光纤延迟线来实现。主要优点是 能通过统计复用网络带宽资源提高带宽利用率，但光分组交换网络的最终目标是完全 在光域中处理头部信息，一种可行的解决方案足传输与交换在光域实现，路由和转发 功能以电的方式实现。由于通过光电转换处理控制信息，所以带来的时延问题比较 严重。 光突发交换网络( o b s n ) 光突发交换网络结合了波长路由网和光分组交换网的优点，o b s 网络通过在有 限的时问段预留带宽来提高网络利用率。基本交换实体就是突发帧，它是在入口节点、 中间节点、出口节点之问移动的一串数据包。突发帧主要由头部控制突发帧( c o n t r o l b u r s t ) 干l j 数据突发帧( d a t ab u r s t ) n 成，它们之间各自独立传送。控制突发帧被先于数 据突发帧传送用来沿路径预留带宽，接着数据突发帧随着控制突发帧预留带宽的相同 路径传送，同时有三种突发交换协议t a g ( t e l l a n d - g o ) 、i b t ( i n b a n d t e r m i n a t o r ) 、 r f d ( r e s e r v e a f i x e d d u r a t i o n ) 来协调控制突发帧和数据突发帧之间的协同工作( 即它 们之问的发送偏置时间) 。 2 1 2lpo v e rw d m 网络的o o s 机制 传统i p 网络是“尽力而为”的业务模型，用户公平竞争带宽，无法满足实时业 务的应用。i e t f 组织提出了集成服务和区分服务模型来满足对q o s 的需求。前者是 通过r s v p 为端到端数据流在所有中间路由器交换机节点预留带宽来完成的，这对 历经的路由器负担太重，常用于具有丰富带宽的边缘网络。而后者定义了逐跳行为 p h b ，p h b 为不同的流量分类来满足不同的q o s 级别，提供了一定的q o s 保证，对 流量处理任务繁重的主干网络比较适用。它的操作简单，开销较r s v p 要小的多，适 用于核心网络。为了实现在光网络中区分服务的q o s 能力，许多探索性的措施已经 被实现，早期的方法就是用智能队列管理来保证不同数据流有不同数据包的处理性 能，然而在光域中实现q o s 有其独特的一面。 w r n 中的q o s 机制 w r n 提出一种通用的区光分服务d o s ( d i f f e r e n t i a lo p t i c a ls e r v i c e ) 模型来提供区 分服务能力【1 2 】。在d o s 模型中考虑了w r n 中光路径上独一无二的参数和行为，如 误比特率，时延，保护恢复，监控，安全等。这些参数和行为提供了光路径上测量 q o s 的基准。区分光服务模型主要包括6 个功能组件，这些功能组件主要在边缘设备 和光资源分配中实现。 1 ) 服务类别：d o s 服务类别是通过一组参数( 用来特征化光路径上承载的光信号的质 量和损失率) 来区分的。这些参数可能是：时延，平均误比特率b e r ，带宽，或者 基本的监控，保护恢复，安全能力等。 2 ) 路由波长分配算法：在整个光路由路径上必须被预留特定的波长，路由波长分配 算法就是被用来在光路径上选择波长和路由的算法。为了在w r n 中提供q o s 能 力，必须用路由波长分配算法来考虑不同波长通道的q o s 特征( 时延、容量、损耗 等) 。 3 ) 光路径组：r w n 网络中光路径被分为组的形式来反映光传输独特的质量，每组光 路径与一种d o s 业务对应。 4 ) 流量分类器：位于入口交换机上，来区分网络所支持的业务流量。 5 ) 光路径分配算法：用于不同的服务类别建立不同的光路径，将可用的路径分为不 同子集，每个子集代表一种业务类型。光路径分配算法可以是静态的、静态租用 和动念的。如果静态分配那么固定的路径子集被指派到每种业务类型上，而且每 组自己的路径数量取决于业务类型，比如高q o s 的业务类型对应的子集被分配较 多的路径。当静态路径租用被允许时，不同优先级的业务根据一定的标准来租用 不同的路径，流量级别低的可以租用流量级别高的路径，但不允许反向租用。动 态分配过程中，网络一开始就不为业务类型预留路径，而是产生一个可用的路径 缓冲池用于分配给动态需求的业务类型，动态路径分配用成比例的差别方式完成， 在比例区分模型中，可以根据网络服务提供商预先设置的区分因子来按比例的调 节特定q o s 业务区分度。 6 ) 接纳控制器：类似于区分服务模型中的带宽代理实体，被称为w d m 网络中用于 处理动态提供路径的光资源分配器。光资源分配器保持着对波长、链路、o x c 、 放大器的数量、链路利用率、时延、平均误比特率、保护恢复、安全能力的监控。 o p s n 中的q o s 机制 o p s n 网络提供数据路径和控制路径分离，这样路由和转发功能在数据包头的光 电转换之后由电子芯片完成，而数据净荷在光域中透明的交换无需任何转换。从分 组交换的观点来看，当大量的数据包在同一时刻被转发到相同的输出路径时将发生竞 争或拥塞，可见o p s n 网络的q o s 技术就是要在竞争或拥塞发生的时候通过波长和 f d l 的分配算法来提供区分服务的能力。在o p s n 网络中提供区分服务能力的通用 q o s 技术有两种。 1 ) 波长分配w a ( w a v e l e n g t ha l l o c a t i o n ) ：这种技术将可用波长划分为不相交的子 集，并为每个子集按照不同的优先等级指派不通的可用波长。这样波长分配算法 可能与以上所述光路径分配算法相似。此技术仅仅将波长域用于服务区分而没有 利用光纤延迟线的缓冲能力。 2 ) 联合波长分配和门限筛选w a t d ( w a v e l e n g t ha l l o c a t i o na n dt h r e s h o l dd r o p p i n g ) ： w a t d 技术用门限筛选来区分不同的优先级。当光纤延迟线缓冲占有时间达到特 定门限之上时，低优先级的分组被丢弃。通过为每种优先级分配一定的门限值， 就能提供不同的服务类别。此技术通过波长域( w a ) 和时问域( f d l s ) 来提供区分服 务能力，因此比无缓冲能力的w a 技术有较高的计算复杂性。 虽然这些技术很容易提出，但在o p s n 网络中的实现并非这样容易。由于需要在 包头和包净荷问提供同步技术，此过程要求包分组净荷数据被延迟直到包头被处理和 分组被分类，此后分组被分配一个特定波长来传送。采用的“逐包( p a c k e tb yp a c k e t ) 处理 机制限制了交换速度，同时在f d l s 中个别可变长度的分组不能被随机访问， 这些都是有待解决的问题。 o b s n 中的q o s 机制 在骨干光网络中应用o b s 技术实现q o s 有几种方法。首先，我们可用控制 l s p ( l a b e ls w i t c h i n gp a t h ) 的建立，使其只具有一个较小的突发阻塞概率，方法是通过 o b sm a c 层的统计整形特性和在l s p 建立时应用接入许可控制机制来使拥塞概率最 小