【基金标书】2010CB328200-Pbits级可控管光网络基础研究

项目名称： 可控管光网络基础研究 首席科学家： 陈章渊 北京大学 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部门： 教育部 一、研究内容 针对上述关键科学问题和未来 10 15 年的重大需求，本立项将在已有研究工作基础上，继续深入研究 s 级可控管光网络问题，推动与之相关的前瞻性应用基础研究，力争做出创新性的贡献。 本立项拟就 s 级可控管光网络开展如下 6 个方面的基础研究。 1 s 级容量 光网络体系架构 （ 1） s 级海量数据流交换机制 光网络容量 是光链路传输容量、网络节点交换容量与边缘网络业务适配能力的三者综合性能的反映，对高速大容量多粒度光交换机制进行研究，将能够提高光传送网容量、满足 s 级海量数据交换需求。 本项目针对光网络的海量信息流、多业务和多颗粒的特点，研究适用于 点研究业务映射、复用、适配、光电混合汇聚和光传送通道结构等方面的总体构架与实现机理，解决支持 s 级海量数据流交换的光网络的普适性问题。 （ 2）光网络资源的时空特性与时空标记模型 当前网络的标记体 系是基于空间（节点及节点内部的端口）来实现面向业务的资源调度和配置，没有考虑资源在时间上的调度和优先级，是导致网络链路资源利用率下降的原因之一。 本项目重点研究光网络资源动态分布特征，探索其时空描述方法，建立光网络资源的时空标记模型；研究时空标记分发、处理、应用、以及相应的网络资源优化理论，探索时空标记体系与其它光网络之间的互连互通策略和实现方法。 （ 3）时空标记网络的互连互通及其实现 基于时空标记光网络的互连互通研究，探索可用于我国电信网络平滑升级的光网络升级策略与方案。 2超大容量光交换节点结构与控管 机制 （ 1）可扩展 光交换矩阵结构与 s 光节点模型 网络节点交换容量是目前和可预见到将来制约光网络容量的最主要因素之一，交换结构规模庞大，交换模式种类繁多，导致超大容量交换实现困难，资源调度效率低下，交换的可扩展性差。 基于大粒度光交换、细粒度电交换的思想，本项目研究 s 多粒度全光交换机制与节点模型， s 容量全光节点的阻塞和多播 /组播问题以及可扩展的超大规模交换矩阵的结构优化，解决网络节点的大容量交换及高扩展性。 （ 2） s 级节点和每通道 s 传输链路中的物理限制 随着链 路容量以及节点交换容量的迅猛增长，节点内部结构以及传输链路之间的相关物理效应将不容忽视。本项目探索节点结构与每通道 s 传输链路相关物理效应理论分析模型，研究 s 全光节点的光功率均衡问题、光纤传输效应对 s 全光节点和每通道 s 传输性能的影响以及 s 全光节点的串扰问题。 （ 3）集中与分布的协同控管机制 网络规模的扩展给网络的控制增加了许多不稳定因素，如控制效率下降、信令风暴、动态控制过程振荡等现象。 本项目对集中与分布协同、时空资源优化的智能控制管理体系，以支撑光网络的时 空标记体系的控管。以分层、分域控制结构为出发点，重点研究光网络层/域划分策略与方法、单域集中、全网分布的协同控管机制，构建层 /域的动态控管模型，解决光传送网高可扩展性问题。 （ 4）基于光网络快速建链 /拆链的控制模式 光网络建链 /拆链过程存在着快速与高资源利用率的矛盾，这也是光网络控管的核心问题之一。本项目研究信令和路由协同优化的策略，提高建 /拆链路信令的效率；基于业务等级，优化光网络资源的动态分配过程；探索光网络建链 /拆链过程中资源冲突避免策略，研究光网络快速建链 /拆链高成功率的策略及其基于时空标记体系的控 管模式。 （ 5）多约束条件下光网络快速路由算法及其可扩展性 路由算法一方面影响建链的速度，另一方面又影响着光网络资源的利用率，是光网络控制核心问题之一。路由算法的效率不仅和算法自身的复杂度相关，还和网络当前资源状态、网络业务状态密切相关。当前普遍采用的 于法，但对于多粒度、超大容量的光网络而言，该算法约束条件过多（ 络中的流量工程约束；光传送多粒度的约束；光域性能的约束：光学非线性自 /交叉相位调制 /调制不稳定、偏振模色散、色度色散、噪声、串扰）引发优化算法效率下降、存在扩 展性差问题。 本立项在现有线性模型的基础上，分析光网络多约束条件对模型的影响，建立多约束条件下路由优化的非线性网络模型。 研究网络资源占用模型及其预测方法、多约束条件下路由优化的非线性网络模型、分层 /域路由算法中的并行计算模式和可扩展的路由算法，实现大规模网络路由算法收敛时间的快速机制 3多重故障下超大容量光网络的生存性 （ 1）多故障快速发现、甄别与定位机制 网络规模的扩大，使得发生多重故障的概率增加，将降低光网络带宽提供的可靠性，增加保护恢复资源配置冗余和调度的复杂性。 从分析故障状态与恢复过程的时空特征 出发，建立多重故障下超大容量光网络的生存性模型，研究快速的多故障推断和甄别机制，研究多故障物理位置的层间映射机制，实现故障快速定位与高可靠的带宽提供。 （ 2）支持多点失效 的层域 容错 机制 超大容量光网络的多点失效，将增加层域生存性解决方案的复杂度。本项目探索快速的保护恢复与高效的资源利用之间的内在机理与制约关系，研究多层多域光网络中并发故障保护恢复的冲突避免机制，以及满足多点失效和资源时空分布需求的层域容错机制。研究基于多共享风险组的资源配置与联合优化模型，研究多目标函数和多约束条件下的快速生存性优化算法。 （ 3） s 传送 下业务的端到端生存性保障机制 s 传送中，多业务端到端质量需求和光网络多重故障生存性之间存在复杂的关系，影响到业务端到端的可靠传送。传统的光网络生存性机制对业务逐个进行端到端的保护 /恢复，其特点为：时间长，效率低，不能适应 s 级信息流的需求。本项目考虑 s 超大容量交换和组网中故障影响，考虑业务等级，对网络链路及交换节点进行高效端到端保护与故障恢复。同时，充分考虑路由不稳定性的影响和时空标记资源的调配，解决 s 传送下由于信令的复杂及多径传送带来的数据容错及 故障恢复问题。 4基于业务感知的光汇聚 （ 1）多种业务感知机理与接纳允许控制模型 传统承载网以带宽提供为核心，带宽提供和业务 /应用分离，难以适应新型业务（如 ）需求。光传送网边缘节点的业务感知，是多业务高效传送的前提之一。本项目探索区分集成策略的光网络接纳允许控制机制，建立相应模型，研究不同类型业务传送中的光网络资源优先级机制和公平性机制，研究光网络跨层驱动机制。 （ 2）多层网络的协调融合策略 传送网络正由过去单一的时隙交换向分组、时隙和波长混合传送的多层网络演进。现有多业务传送体系汇聚策 略单一，缺乏有效的疏导机制，使得网络的可扩展性和灵活性差，传送效率低。 本项目建立光网络的实时、预约和预测等混合业务传送模型，研究其汇聚策略和核心的疏导策略。研究多粒度虚拓扑控制策略，研究支持多粒度业务传送的混合信令机制（混杂（ 嵌套 (缝合 (。 （ 3）光电混合汇聚以及支持 320s 以上速率的全光汇聚 随着链路传输速率的不断提高，光传输技术从单一的幅度调制向偏振复用、多电平相位调制、正交频分复用技术发展。本立项以当前发展的传输技术为基础 ，研究细粒度电汇聚、大粒度光汇聚光电混合汇聚机制、支持 320s 以上速率的全光汇聚策略。 5面向光路由应用的新型光纤器件和关键技术 （ 1）探索新型光路交换网络的生存性，及相关的科学问题 研究大城市间大通信容量高度安全的新型的分布式波分、纤分全光交换网的网络结构，并对其可行性、经济性、实用性、防攻击的机制进行分析研究，解决相关的科学问题；研究社区间或局域网间光节点的结构，并对其可行性、经济性、实用性、防攻击的机制进行分析研究，解决相关的科学问题。 （ 2）研究新型的面向端对端有连接、有信令系统的光路交 换信息安全网的光纤器件及相关科学问题 任何通信网络的实现和推广都是建立在实用、经济的网络器件的基础之上的。研制新型的面向端对端有连接、有信令系统的光路交换信息安全网的光纤器件已经关系到新型 光路交换安全信息网 能否实现的重大研究课题。本课题组将提出并研究超大规模直线波导的 其研制设备；基于光纤光栅不对称强耦合理论，研制大规模合波器和分波器；利用 术研制可选波长光纤光栅激光器；研制基于光纤光栅的调制器和基于双芯光纤的 涉原理的调制器；研制能覆盖 O、 E、 S、 C、 L 和 U 等所有波长范围的新型特种光纤 ；在此基础上利用大功率二极管阵列和包层泵浦掺杂光纤光栅研制成一泵数十个不同波长的光纤光栅激光器或者光纤放大器；同时研究它们的工作机制和科学内涵，解决相关的科学问题。 （ 3）研制具有 200 用户的端对端有连接、有信令系统的光路交换演示系统 利用上述新型的光纤器件，研制具有 200 用户的端对端有连接、有信令系统的光路交换演示系统。即光路交换网络中受信者与发信者之间有固定的光路连接，有其独特的信令系统，只有双方 “握手 ”后，才可能进行信息的交流。这就从结构上解决了网络安全问题。 （ 4）探索光路交换网络与现有互联网的兼容 机制和共存性的科学问题 研究光路交换网与互联网的兼容机制和共存性的科学问题，不仅可以进一步提高网络的生存能力，还可以使已配置的资源和将要配置的资源得以优化利用。 6支持 s 节点容量的全光交换网络试验平台 s 可控管光网络试验（ s 称 络）平台， 对适应海量信息流高效传送的 光网络所涉及 的 模型、算法、协议进行验证和试验研究。研究 支 持至少 10 个真实节点 /仿真节点 的 拓扑结构，可支持 s 级的节点容量，可支持 s 级速率，可支持多速率光电接口，具有较完整的控制面，支持分组交换功能、多粒度全光汇聚和光电混合汇聚、支持分层分域的可控可管功能、支持快速链路建立与撤消功能（ 100级 ）、支持多个故障下网络保护和恢复功能 、可试验多种拓扑和各种性能损伤组合 的 网络试验平台 ，验证 本项目有关成果，并探索可用于 电信网络平滑升级的光网络升级策略与方案。 二、预期目标 （一）总体目标 面向我国光传送网发展的重大需求，研究和建立新型光交换与调度机制， 研究低成本、大容量、绿色（低功耗）光传送网和交换节点；基于时空标记，研究大容量高速光网络的新型控管架构。解决光传送网向 s 级发展过程中涉及到的光交换机制和控管模型等基础科学理论和关键支撑技术，使我国的基础光网络具有很强的可控性，灵活的适应性、生存性和可扩展性 ,满足我国未来 10 15 年甚至更长时期信息增长的需求。 （二）五年预期目标 (1) 预期取得 国际同期先进水平的重要成果 ： 1 支持 分利用光的波段、波长、偏振和相位等物理特征实现 新型交换； 2 一种新的网络架构：面向多业务、海量信息流的时空标记光突发 /光流交换的光网络控制管理体系； 3 一种新的光网络链路快速配置机制，基 于信令和路由的捆绑实现链路建立和拆除时间从当前几小时甚至几周缩短 到 100毫秒量级； 4 多业务、 过快速链路建立和撤除的逻辑双网流量模型与资源调度； 5 多重故障（ 3个）下超大容量光网络基于时空特征的层域生存性模型； 6 具有 10个真实 /仿真节点的光网络实验验证平台。 (2) 在下列重要前 沿领域做出有国际影响力的创新工作： 1 网络资源时空分布、分配及其博弈关系； 2 新型亚波长粒度交换机制和关键技术； 3 海量信息流快速交换的控制与调度； 4 面向光路由应用的光纤器件理论和关键技术。 (3) 知识产权： 申请国家发明专利 20 项，提交国际标准建议和提案 10 项；在国内外核心刊物及重要国际会议发表论文 300 篇，其中 录论文150 篇 。 (4) 人才培养： 培养学术骨干 12 人、博士研究生培养 40 人、硕士研究生 70人。 三、研究方案 （一）学术思路 立项总体研究思路如下图所示。 图 立项总体研究思路 在本立项围绕 s 级网络及其控制管理两个中心，解决如下关键问题： s 级可控管光网络体系架构 新型光交换机制与节点结构 时空标记控制管理架构 资源调度与业务感知关联机制 大容量光网络生存性 关键模型、算法和功能模块的验证 （二）研究方案 1 s 级可控管光网络体系架构 针对光网络的海量信息流、多业务和多颗粒的特点，从业务映射、复用、适配、光电混合汇聚和光传送通道结构等方面研究基于时空标记的海量信息流高效传送机制，实现光网络资源的多维一体化指配 与调度。 依据光网络资源动态分布特征，研究光网络时空描述方法、光网络资源的时空标记模型，提出基于时空标记的信令路由模型与实现机制，实现时空标记分发、处理与应用机制。注重光网络边缘节点的功能强化，减缓光网络核心节点的负担。在业务适配方面，针对多业务的特点，研究基于区分服务类型的适配机制，以提高业务映射、复用等效率；在光网络边缘节点，采用新型汇聚技术，提高多粒度海量信息流的传送效率。 基于时空标记的 s 级可控管光网络控制管理架构如图 示。时空标记控制管理将 s 级光网络分成：光网络指配层（ 光配层）与光网络智能控制层（智控层）。光配层涉及网络拓扑、节点结构、新型光交换机制等的理论与关键技术，降低光传送过程中的物理限制和电子 /光子瓶颈，支持智控层的智能操作。智控层涉及到亚波长粒度的时空标记一体化指配、业务感知与业务的多维一体化调度、支持业务快速恢复的多故障自动保护与容错理论，以及时空标记的映射与解析，以实现网络的可扩展性、容量高效性、服务可靠性和网络生存性。 图 s 级可控管光网络体系控制管理理论体系架构 时空标记的核心是：充分利用空前发展的高速电处理技术，在分域内采用 精确预置（ 由的方式实现太比特乃至皮比特数据在网络各节点间的透明、自由、无冲突的传送。 P 比特级光网络的控制体系采用分层分域控制结构，通过对光网络层 /域划分方法、单域集中全网分布的协同控管模型和实现机制，解决超大容量光网络的高可扩展性问题。网络的节点由两类组成：“枢纽节点”与“汇聚节点”。如下图 级可控制管理光网络体系示意图。 图 s 级可控管光网络体系架构示意图 网络中所有的枢纽节点都是汇聚节点，但汇聚节点不一定是枢纽节点。汇聚节点实现流量的高效汇聚。枢纽 节点在其控制的范围内，实现波长资源的预置（ 配，首先利用 式实现波长资源在其域内的可控可管 ， 每个枢纽 节点 在波长粒度上 控制并精准指配自己域 内 的资源 ；其次 ， 利用 同各域之间的控管， 对于跨越而来 波长请求， 若没有冲突发生，就继续执行 ，否则 该 枢纽 节点就把从外域来的 请求 先接纳之后，再把其当作自己域 内的请求 重新处理，扮演着 能。 这种分布与集中协同的控管模式， 目的就是为了 实现光网络资源“集约型”利用模式的同时，也 实现状态 数据库 的 风险分散要求 ，增强了光 网络的生存性。这一机制有助于光网络在遭受 自然灾难（例如地震）或突发事件（例如战争）， 光 网络中的一个或多个 状态数据 库可能面临突然全面瘫痪的风险 之时 ，整个 光 网络受到的震荡降到最低，网络仍能正常运行。 如下图 利用时空标记指配与调度资源过程示意图。 图 时空标记指配与调度资源示意图 采用基于时空标记的网络控制管理体系架构的目的是 把现有面向 “传输 ”的、“粗放型 ”资源使用模式的光网络转型为面向 “服务 ”的、 “集约型 ”资源利用模式的、高效低成本可靠性的 超大容量 光网络 。 2新型 s 级光节点结 构与交换机制 针对 络的海量信息流高效传送、高扩展性和可控可管性问题，从可扩展全光交换矩阵结构与 s 全光节点模型、 s 级节点和传输链路中的物理限制、时空资源调度和智能化快速控管机制、基于光网络快速建链 /拆链的控制模式、多约束条件下光网络快速路由算法及其可扩展性等方面开展 s 级光节点结构与交换机制研究。 （ 1）融合亚波长粒度交换的光电混合多粒度交换模型 从光通信发展历程上来看，波分复用是作为提高光纤传输容量的技术而提出的，随着光网络的发展基于波分的交换应运而出，可以认为传输 技术带动了网络交换研究的发展。目前传输技术已经利用了光的功率、波长、相位、偏振等特征实现了多种复用方式；相应地，在光交换方面，将研究融合亚波长粒度交换的多粒度光交换结构，针对光网络的海量信息流、多业务和多颗粒的特点，从业务映射、复用、适配、光电混合汇聚和光传送通道结构等方面研究 络的海量信息流高效传送机制和交换模型。同时，在光网络边缘节点，研究亚波长粒度全光汇聚以及光电混合汇聚技术，针对多业务的特点，研究基于区分服务类型的适配机制，以提高业务映射、复用等效率。 如图 示为融合亚波长粒度的 络多粒度交换节点结构图。 多 粒 度 光交 换 节 点电 路 由 器光 纤 空 分 交 叉波 带 交 叉核 心 节 点核 心 节 点核 心 节 点解 复 用 复 用光 纤 空 分 交 叉波 带 交 叉核 心 节 点核 心 节 点核 心 节 点核 心 节 点定 长 光 分 组 交 换变 长 光 分 组 交 换边 缘 节 点边 缘 节 点边 缘 节 点边 缘 节 点定 长 光 分 组 交 换变 长 光 分 组 交 换边 缘 节 点边 缘 节 点边 缘 节 点边 缘 节 点波 长 交 叉波 长 交 叉波 长 交 叉亚 波 长 交 叉图 络多粒度交换节点结构示意图 （ 2）超大容量交换节点的多粒度分层结构模型与实现方法 基于大粒度光交换、细粒度电交换思想，适应快速、高效调度多粒度、多等级业务，采用分层分域控制结构，研究提出光网络层 /域划分方法、单域集中全网分布的协同控管模型和实现机制，研究超大容量交换节点结构模型。具体包括：传送粒度的划分方法及其与传送和交换效率之间的关系研究；超大规模交换矩阵有限状态转移的优化设计方法；交换矩 阵的时空调度策略与算法；超大容量交换节点的多粒度分层结构模块划分和实现方法研究。 （ 3） s 级节点和传输链路中的物理限制 s 级全光交换节点与传统光网络节点相比，其规模大、结构复杂、光信道数多，光信号传输的物理性能将直接制约网络规模。随着传输技术的发展，光信号已采用新型光调制格式（如多进制相移键控调制、光正交频分复用等）以提高比特率和频谱效率，研究在新调制格式下多信道传输物理性能与网络规模之间的复杂关系，分析信号在大规模交换矩阵中的传输特性，建立多信道传输的同频、异频串扰以及多信道均衡的数学 模型，实现 P 比特级节点的合理设计。 单通道 s 传输链路的实现可以有单载波和多载波两种实现方法，图 s 多载波 射机的实现方案。在这一方案中，首先利用光梳技术或光纤非线性效应，由单波长的光载波得到一系列正交的光子载波，并将s 数据分别调制到各个光子载波上，从而实现单通道连续波段的高频谱效率传输。采用多载波的传输方案，并结合偏振复用、多进制电平调制等技术，可以大大降低 s 速率数据的调制和解调的难度，并实现更好的传输性能。此外，相比单载波方案，多载波传输方案更适 于 s 交换节点结构，数据的交换可以采用更灵活的以光子载波为交换单位。 调制器通道 s 多载波 射机的实现方案 3光交换网络的时空标记控管机制 本立项以光交换为出发点来应对当前骨干网中面临的挑战，解决社会重大需求问题。因此，本立项要解决如何实现真正意义上的光交换网络就成为重中之重。就当前光交换网络所涉及到的发展水平与技术成熟条件来说，从功能上实现光交换已经完全可能。最大的挑战就是如何控管光交换网络。因为光交换网络中，承载大量数据的光信号将被透明交换，也就是说光信号不再需要做光 电光的转换，在节点做路由与信令处理。光交换解决了当前核心网的电子瓶颈等重大挑战，但是其自身的控管就成为光交换网络成败的关键。正是基于这一出发点，我们提出了光交换网络的时空标记控管机制。 光交换网络的核心任务就是为新链接请求建立端到端的光通道，并能够实现跨域管理。时空标记控制机制就是把网络中的信令与路由信息格式化为在时间域与空间域上的标记，而且时空标记是为具有全网唯一性以及通用性的标识符。在每个单域之内采用集中控制模式，因此域内的网元状态信息与配置是完全可支配的，这为光交换通道的建立准备了前提条件。如果光通道 仅仅限于该域之内，该域内的主控节点就可以完全控制该通道建链以及拆链请求，光通道端到端的配置与管理可以顺利实现。如果该条光通道配置请求跨越多域，相关域之间需要为该通道请求彼此做预约处理，由于时空标记的唯一性，该预约处理一旦被确定，就具有高度的可靠性。我们以图为例来说明时空标记控制机制的执行方式。如下图所示，如果在华东域内的一条光通道配置，就可以完全由该域内的主控节点完成。如果该光通道跨越华南、华西两个域，该两个域的主控节点在收到新链接请求之后做预约处理，在光层资源可执行的情况下配置该条光通道请求。每条光通道的路由与信令将在时空二维同步完成，利用唯一标识符在全网标记，因此时空标记控制机制实现了路由与信令的集成，简化了层间控制协议。其次，在每个域内，时空标记控制集中的主控节点是以主动模式执行光通道的端到端配置，因此无需状态更新与报告。再次，时空标记控制机制可以在多约束条件下实现光网络快速路由算法：在现有线性模型基础上，分析光网络多约束条件（ 络中的流量工程约束；光传送多粒度的约束；光域性能约束：光学非线性自 /交叉相位调制 /调制不稳定、偏振模色散、色度色散、噪声、串扰）对模型的影响，建立多约束条件下路由优化 的非线性网络模型。基于现有业务状态与网络资源占用信息，预测下一时间段网络资源占用模型，采用离线算法优化网络资源，以提高光传送网路由与资源优化的整体速度；进一步，为适应动态网络的需求，采用在线动态路由算法资源优化，增加路由优化算法的动态特性。研究离线算法和在线算法的协同优化，实现优化路由的可靠性与稳定性。 时空标记控管机制与 比，不仅突破了 光通道端到端管理的屏障，而且具有三大显明特征：第一、路由与信令集成于时空二维上，简化了网络层间协议。在 中，光通道的控管由控制平面与管理平面共同完成，期间各个协议之间的协调增加了控管的难度以及开销与复杂度。时空标记控制机制中只有高度集成化的控管层面，保证了资源管理的唯一性与独立性；第二、对光层的状态信息采用主动控制与更新模式，消除了当前光网络中对光层资状态信息更新的被动模式带来的大量信令开销以及状态滞后效应，为光通道端到端配置与管理提供了实现的前提条件。在 中，控制平面对交换通道的配置状态要周期性向管理平面报告，其状态延迟效应不可回避，而状态延迟效应是光通道端到端配置的致命因素，这也是 中无法实现光通道的端到端管理的一个根本原因之一；第三、集约模式的控管方案确保了端到端光通道的鲁棒性与光层资源的利用效率，极大的降低了核心网络的运行成本。集约式控管模式集成了分布式与集中式控管的优点而避免了它们的缺陷。因此集约式控管模式不是分布与机制模式的简单混合，而是有机融合。集约式控制模式中，跨域预约机制也是以单域集中控制为前提，确保了光通道配置的有效性与可靠性。 图 国骨干网分域的光网络示意图 4多重故障下 网络的生存性 多重故障是指当第一个故障对网络的影响还未消除，又一个或者 多个新的故障发生（它们的空间和时间关系可以是随机或者关联的）。多重故障对超大容量光网络生存性的主要影响包括： 高可靠的光网络保护恢复模式：例如 1+1 和 1： 1 保护，在工作和保护资源同时发生故障（空间随机，时间并发）时，其 100%的保护质量要求就无法得到满足。这种问题主要是针对有固定的备用路由的保护情况，相当于多重故障引起主用路径和预设的备用路径同时中断，此时光网络的生存性一定会降级。因此在预先规划网络资源时，就必须对这种保护方式进行优化考虑。一方面尽量降低这种同时故障发生的可能性，如进行共享风险组的划分策略分 析与优化安排，除了保证避免同缆光纤的风险外，还需要考虑对光缆沟、甚至同路由等约束条件的风险性，即尽量选择低约束耦合的共享风险组安排保护和备用资源，避免多故障条件下的资源配置竞争与冲突。另一方面，增加主备用的层次关系，采用 1： ： N 方式提高光网络保护对故障风险的抗御能力。 拓扑和流量工程（ 息不同步：在连续发生多次空间随机的故障后，由于网络连接和资源占用状态发生改变，那么相关的拓扑和 息无法进行有效泛洪，难以实现拓扑和 息的同步，节点是根据过时的拓扑和 息进行选路和资源分配，有可能在进行 实时的选路恢复时，正好选择的路由也中断，而拓扑信息并没有及时地更新，造成选择的恢复路由也会中断，从而这样会降低多故障光网络实施可靠恢复的能力。 在通常计算保护路径的算法中，计算出的每一条备份路径与所有的工作路径都是 相关的，这样，可以保证所有的工作链路在出现故障的情况下，都可以得到恢复。然而，所有的备份路径之间的 关性，我们并没有过多要求。因此，在多故障的情形下，如果新发生的故障影响到备份路径的连通性 (由于多故障导致所有的备份链路都不再连通 )，网络就不能保证业务能够得到很好的恢复，会给网络的 服务质量造成很大的问题。这是多故障相对于单故障生存性复杂的关键问题。 首先对多故障情况下的保护恢复采取分层、分域处理的方式，这样可以为快速的故障恢复创造了条件，同时，可以有效的应对多点失效，以及子网（区段）故障和大面积网络故障。 对于分层分域的情况下，按照时空标记控管的机理，我们采用预配置 M： 得到高资源利用率，并且快速、稳定的多故障保护 /恢复路由。在多故障情况下，如果源宿节点对相同的 M： N 不能解决问题，采用传统的域内重路由等机制，将产生较长的计算和配置路由时间和较低的效率 ,我们 将采取域内预配置的子路径保护，将业务倒换到域间的网关节点上，由域间进行环回保护。对于域间多故障情况，如图 示。 基 于 可 靠 带 宽 提 供 的 快 速 多 故 障 保 护 / 恢 复信 息 搜 集业 务 属 性 判 别生 存 性 分 类分 层 处 理 的 快 速 环多 故 障 保 护 / 恢 复时 空 多 故 障精 确 定 位/甄 别自 适 应 生 存性 性 能 检 测预 配 置 子 路 径保 护 / 恢 复M : N 多 故 障 机 制边 缘 节 点核 心 节 点故 障层 域保 护 环图 空标记下基于层域的多故障快速保护 /恢复示意图 在时空标记模式下，首先在边缘节点需要按照 细粒度等业务特点，进行生存性初步分类，包括业务等级，业务属性，故障情况，保护恢复要求等，两者在自适应触发中采取不同的处理过程，根据传送模块的定期资源检测，确定网络的资源变化，进行生存性的多故障资源预测，以对网络资源进行 自适应潜在调整，解决由生存性导致的资源配置不合理问题。自适应触发采取自动触发和管理模块触发结合的方式。同时，考虑故障恢复时可用资源状态的时间要素，通过优化资源信息的时空分配，提高多故障条件下保护恢复的成功率和资源利用率。 借助严格的分层分域算法，自下而上的以生存性为目标划分网络层域关系。同层内用环保护圈连接两两相邻域，提供快速的域间链路恢复。对于圈内域间链路的多故障情况，可以在分层分域算法中规定：保证不同层上的组圈方案不重合。如图 示，在下层的域划分过程中，使用链路 1 和 2 组圈， 3 和 4 组圈，给域间链路和 各域内的网关节点保证快速的恢复。然而如果在上层的划分方案中继续沿用此组合，将无法解决 1 和 2 链路同时故障，即单圈多故障的情况。因此，在本层划分方案中采用不用于下层的组合，将这些组合拆开，可以把一部分域间链路归到域内，用其他层的域内的保护方案予以解决本层的域间链路多故障情况，即将故障择层解决；或者简单的在上层采用重新配对的方法进行重组。例如，采用 1、 3 配对， 2、 4 配对。这样 1、 2 同时故障的情况仍然可以在上层得到快速恢复保障。 5业务感知机理及其与承载网资源优化调度的关联 应用层和光层接入集成控制要解决的一个基 本问题是多种类型业务（例如：实时和非实时等）对网络资源争用问题，可用的网络资源包括：链路带宽、缓冲池、节点交换引擎、保护单元以及调度算法的优先级别和权值等。针对各种不同类型业务的传送，合理配置、管理以及调度这些资源需要一整套的公平机制和优先级机制（也就是 制机制），才能确保满足网络运营商与客户达成的 从业务与时间关系角度，我们可以划分成实时业务、预约业务和预测业务。其中预约业务是针对某些企业或高端用户提前预约的请求，而预测业务是根据长期统计得到的，目的是减少网络的不稳定性。 考虑到扩展性和 实用性的原则，服务等级的数量应相对较小，为此我们设计了如下的业务分类和光通道分类策略，应用层业务分类策略和 型的三种类型业务（ 一致， 子波长层服务等级可以根据调制格式、编码方式和带宽等参数划分， 光层服务等级的分类主要是基于光路的传输性能，表 表 出了示例 。 如图 示为针对面向业务和应用的光网络的研究思路。光传送网是面向连接的网络，与分组交换网络不同，目前还没有关于面向连接网络服务质量的统一规范，业务需求和链路动态供给能力失配。本项目提出根据生存性等 级和误码率特性等将链路划分为高质量和低质量连接。从连接性角度，光网络目前也仅能实现点到点连接，网络的可达性低，可扩展性差。本项目将研究点到多点、多点到多点的多可达性光网络及动态资源优化模型。为了实现灵活的动态光网络，本项目还将研究面向多种业务的跨层链路驱动机制，重点研究 射机理和连接性匹配算法。初步研究结果发表在 2004 年 11月和 2008 年 2 月 )。 表 用层服务等级分类 服务等级 业务类型 带宽需求 延迟 /抖动 /丢包 排队机制 要硬 证的服务等级业务（如：电信级以太网，） 峰值带宽确保 最小化延迟、抖动和无丢包 最好无排队（单跳） 要软 证的服务等级业务 (如： 格计算，游戏、视频聊天多媒体应用等 ) 有效带宽保证，超出部分不保证 延迟、抖动和丢包有上界 尽量少排队（业务疏导） 要传统尽力而为服务等级业务（如： ） 仅保证最小带宽或可达性 无 尽量多排队（充分利用虚链路资源） 表 层服务等级分类 服务等级 业务类型 生存性需求 安全性 可抢 占性 质量光通道等级 50 毫秒保护 确保 不可抢占 质量光通道等级 恢复 /无保护 不确保 可抢占 虚 拟专 网电 信 级以 太 网T D 数 字电 视网 格计 算存 储 应 用内 容 分 发F T 体游 戏视 频 聊 天硬 Q o S 保 证 软 Q o S 保 证 尽 力 而 为 高 质 量 连 接 低 质 量 连 接应 用Q o S 映 射光 网 络实 时 业 务（ O n D e m a n d ）预 测 业 务（ P r e d i c t e d ）预 约 业 务（ S c h e d u l e d ）Q o S 要 求多点到多点点到点点到多点以太网仿真组播单播可达性要求连接性匹配业 务 感 知跨 层 驱 动图 向业务和应用的光网络的研究思路示意图 由于我们在链路上采用了光 提高通信频谱效率，波长资源可以进一步细分为若干子载波。我们可以充分利用子载波的亚波长粒度带宽来实现与上层路由器或交换机的灵活互通，通过有效地业务汇聚降低核心光网络的控制复杂性，采用动态资源分配机制降低端到端业务延迟。图 动态自适应业务流 载波调度器示意图 ，业务流从上层路由器或交换机进入到 P 比特光边缘节点后，按照不同 求，在不同优先级队列中排队。光通信信道的状态如信噪比、损耗、色散、偏振模色散等参数通过监控机制反馈给调度器，调度器同时收集各个队列的状态信息。综合这些因素，实时调整队列的发送速率（ ），也即改变业务流的带宽，减少延迟；此外，调度器还将根据信噪比等参数调整编码和调制方式（ C/M），使得光纤通信容量最大化。 流 1业 务 流 2业 务 流 3业 务 流 波 1子 载 波 2子 载 波 3子 载 波 波 4C / 状 态 信 道 状 态调 整 速 率 调 整 编 码 、 调 制 方 式动态自适应业务流态自适应业务流 载波调度器 的研究思路 示意图 6 面向光路交换信息安全网的新型光纤器件 建立新型的网络需要各种关键光电器件的支撑。例如没有光纤和激光器的发展，就不可能有现代全球规模的 的建立和发展。因此，要建立分布式波分、纤分复用、端对端有连接、有信令系统的光路交换信息安全网络，首先需要研究原创的、廉价的、新型的关键光器件。 研制多波长大规模 先需要研制出新型的能制造大尺寸的超大规模直线波导的 设备。目前，国内制造 需要购置价格昂贵的 需外汇 100 万美元，而且只能 制作小尺寸的们长期从事特种光纤的研制，并自行研制了 纤预制棒车床。深知光纤纤芯的纯度达到 10下。 光路是以米来计算的，所以制造 超净空间达到 10可以获得低插损的器件。据此我们设计了以纯度为 6件的环境的新型 备的方案，在该设备中可以引入数以百计的光纤连接线。 研究光纤光栅不对称强耦合理论，在此基础上设计和研制出制造大规模合波和分波器的生产设备，这也是完成本项目的技术保障。 进一步 完善大功率二极管阵列与光纤耦合的工装设备（目前已经取得突破性进展）。 进一步完善在 制棒车床在线掺杂的工艺，并研究 i、 掺杂机制和存在的科学问题。 7 验平台 利用本立项所获得的理论成果和实验成果，辅以已有的研究基础条件，本立项将依托教育网 国高速信息示范网 高性能信息示范网 3络，研制一个具有 10 个真实节点 /仿真节点的 s 级时空标记可控管光网络 (验平台，该试验平台的拓扑对应我国核心城市节点示 意图如图 示，验证基础理论、体系架构、交换机制和协议算法。 沈 阳北 京上 海杭 州武 汉重 庆西 安郑 州济 南广 州图 网络试验平台对应我国核心城市节点拓扑示意图 其主要技术性能特点如下： 网络结构：支持网状网（ 扑结构； 节点规模： 10 个真实节点 /仿真节点； 节点容量：可支持 s 级； 传输链路：每通道 1s； 业务类型：以高清为代表的大规模汇聚流媒体、面向企业应用和科学计算的虚拟专网； 该试验平台在网络功能方面具有如下主要特点： 支持多粒度光 电混合汇聚功能； 支持基于时空标记的可控可管功能； 支持多粒度光交换； 支持链路快速建立与撤消功能（ 100级 ）； 支持多重故障（ 3 个）下网络保护和恢复功能 四、年度计划 第一年 研究内容： 络体系架构总体方案与仿真。 适用于 s 级容量光网络的多粒度光交换 机制 、 节点模型 、控管架构；光节点的阻塞和多播 /组播问题 ； 光节点的物理效应理论分析模型 ；单波长通路 s 传输仿真设计。 光网络动态控制的可扩展体系及其分析模型 ； 层、域路由的联合与协调机制，优化计算模式及其可扩展问题；控制复 杂度低、扩展灵活的控制新体系；超大容量光网络控制实验平台的设计。 多故障下 s 级可控管光网络层域生存性需求分析 ， 多故障推断和甄别过程的机理分析 ， 多故障物理位置层间映射过程的机理分析 ； 设计网络仿真环境。 多业务感知机理与接纳允许控制模型，光链路信噪比在线监控，波长交换光网络的分布式控制， P 比特网络的边缘节点结构方案与设计 。 设计出一套具有超大尺寸工作室的 统；研制“大功率二极管阵列与光纤高效率耦合”的耦合平台；进一步改进 线湿法掺杂的工艺流程和设备； 开展特种光纤的设计及制作探索工作 。 预期目标 ： 提出 络体系总体研究方案 。 提出 s 级容量光网络的多粒度光交换模型 ， 分析物理效应对 单波长通路 s 传输理论仿真 。 揭示光网络动态控制与光网络节点容量、网络规模等参数之间的关系 ，提出控制复杂度低、扩展灵活的光网络控制新体系。 完成多故障下 s 级可控管光网络层域生存性需求分析， 多故障推断和甄别 、 层间映射过程的机理分析；设计网络 故障 仿真环境。 提出多业务感知机理与接纳允许控制模 型、光链路信噪比在线监控、 完成 体结构和工作室的设计加工；构建“大功率二极管阵列与光纤高效率耦合”的耦合平台；完成在线湿法掺杂的工艺设备改造 。 发表论文 50 篇，申请发明专利 4 项。 第二年 研究内容： 光网络时空资源描述方法与光网络资源的时空标记模型；业务映射、复用、适配、汇聚和光传送的架构 。 可扩展的超大规模交换矩阵的结构优化 ， 超大规模交换矩阵有限状态转移的优化设计方法 ， 新型光交换机制实验研究 ， 单波长通路 s 传输实验。 光网络的信息交互模式与路由与带宽分配 优化的关系研究 ， 超大容量光网络路由与带宽分配优化算法的初步研究 ， 路径计算功能与层、域路径控制模式的协调研究 ， 超大容量光网络实验平台的研制。 建立多故障下 s 级可控管光网络层域生存性模型；提出有效的故障快速定位方法 、 多点失效的层域光组网结构与容错分析方法；完成网络仿真环境的主要功能。 可变子载波数目的光 发机方案，可变带宽波长选择开关方案，大规模 P 比特光网络的软件模拟试验平台，光链路信噪比在线监控试验研究 。 完成 统组装调试，建立相应的理论模型；基于改 进的在线湿法掺杂 工艺设备，研究 多 种元素共掺特种光纤 ；研究大功率二极管阵列与光纤高效率耦合；研制大规模合波和分波器的制造设备。 预期目标 ： 提出光网络资源的时空标记模型 、 多粒度节点分层结构模型 、 交换矩阵有限状态转移的优化设计方法 ， 实现单波长通路 s 传输 。 多粒度、大容量光网络路由及带宽分配算法；实验平台完成 源管理、信令模块，初步开展路由及带宽分配算法的实验研究。 建立多故障下 s 级可控管光网络层域生存性模型；提出有效的故障快速定位方法 、 多点失效的层域光组网结构与容错分析方法；完成网络仿真环境的主要功能。 提出可变子 载波数目的光 发机方案、超可变带宽波长选择开关方案；建立大规模 P 比特光网络的软件模拟试验平台 。 完成 统设备的调试工作；设计出大规模 出“大功率二极管阵列与光纤高效率耦合” 方案；总结多种元素共掺对光纤各方面性能的影响机理；建立能制造大规模合波和分波器的研究平台。 发表论文 60 篇，提交 发明 专利 申请 6 项 , 提交国际标准建议或提案 1 项 。 第三年 研究内容： 适用于 s 级容量光网络的多粒度光交换实现方案；时空标记分发、处理、应用以及相应的网络资源优化理论 。 多粒度光交换机制与多粒度 分层结构实现方法；适用于光网络集中与分布控管的光节点控管机制；新型光交换机制实验研究与系统平台设计 ；多路 s 通路光交换实验。 传输 物理效应对路由优化的影响研究 ， 路由算法稳定性增强方案研究 ，基于 层间流量工程研究 ， 进一步完善 控管 实验平台。 基于多共享风险组的资源配置和联合优化模型 ， 多目标函数和多约束条件下的单一故障快速生存性优化算法 ， 提出基于 多故障生存性功能验证方案，初步搭建