（通信与信息系统专业论文）智能光网络中基于波长传输质量分配的qos研究.pdf

学位论文版权使用授权书 i r l l f f l i iii iillf i l li iiifitill y 18 9 4 4 3 2 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电 子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被 查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数 据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中 国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授 权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：版琴 砷年易月日 分类号 型窆1 5 ：5 u d c 笪垒 密级 公珏 刍i 南号 兰q 2 窆旦s q 昼q 墨兰2 量 江荨大擎 硕士学位论文 智能光网络中基于波长传输质量分配的q o s 研究 r e s e a r c ho nq o sb a s e do nw a v e l e n g t hq o ta l l o c a t i o ni n a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k s 申请学位级别亟学科( 专业)通信皇信皇丕缠 论文提交日期 学位授予单位和日期 评阅人 江苏大学硕士学位论文 摘要 波分复用( w d m ) 技术的大规模应用极大地提高了点到点传输容量，给智能光网 络交换系统的发展带来新的机遇和挑战。随着传输速率的不断升级，在透明传送过程 中，温度变化、色散、偏振模色散以及增益抖动等各种损伤的积累无法避免，这些对 光信号质量的传输都会造成严重劣化。因此，根据用户响应在w d m 网传送层自动配 置出一条满足用户q o s 要求的端到端传输通道，现有网络还无法支持这一点。而网 络的发展越来越关注来自用户的服务质量( q o s ) 需求，力求为用户提供信号质量有保 证的传输服务。因此，提供具有q o s 保障的连接日益成为人们关注的问题。 论文针对智能光网络中提供具有q o s 保障的连接这_ 目标，深入研究智能光网络 中w d m 层q o s 服务提供机制和基于感知物理层损伤的路由波长分配的q o s ，以高 带宽利用率和支持q o s 公平性为设计目标，建立细粒度的交换链路。主要研究工作 和成果如下： ( 1 ) 提出了基于光区分服务的业务映射机制，实现光区分服务的功能组件，通 过流量汇聚的方法满足相似业务的q o s 要求。同时设置基于类的网络边缘接口的动 态缓存，为被阻塞的业务设置缓存时间，提高了连接成功率，同时改善网络性能。 ( 2 ) 提出了基于波长传输质量分配的q o s 算法，w d m 光网络中的边缘节点设 计了支持q o t 感知的q o s 的基于的r w a 动态分配策略。通过感知物理层损伤参数， 设计了按照波长质量排序的动态管理波长分配机制，为不同的q o s 连接分配不同质 量的光通道；建立了抢占机制，在网络资源不足时，排队缓冲区的高优先级连接可以 抢占低优先级连接的资源，保障q o s 服务。 ( 3 ) 建立了基于o p n e t 的i po v e rw d m 的仿真平台，仿真验证基于q o t 的波 长路由算法的性能。仿真结果表明，基于q o t 约束的r w a 算法具有更好的q o s 服 务能力。q o t _ r w a 算法具有更好q o s 提供能力，更高的带宽利用率，更低的平均包 时延。当网络负载增加时，在保证高优先级业务服务质量前提下，大幅改善了低优先 级业务服务质量。 关键词：w d m 光网络，服务质量感知，传输质量，抢占机制，波长路由算法 智能光网络中基于波长传输质量分配的o o s 研究 a b s t r a c t h r g e s c a l eu s i n g l et e c h n 。l o g y o fw d mh a sm c r e a s e d h e t r a l s m l s s l ：n c a p a c i t y o fp o i n t t o p o i n t ，w h i c hb r i n 萨t h e n e wc h a l l e n g e sa n d 。p p 。咖m 缸e s f o rt h e 二1 1 i g e n t 。p t i c a ln e 时。r k i n gs w i t c h i n gs y s t e m w i t h t h ec o n t i n u l n go f t r a ，n s m l s s l o n r a t e ，i nt 孟t r a n s p a r e n t t r a i l s f e rp r o c e s s ，t h e 啷r a t u r e c h a n g e s m s 譬r s l o n ， p o l 二a t i 。nm o d ed i s p e r s i o n a n dg a i n t h ea c e u m u l a t i o n 甜j i t t e m 硼。t h e ：d 鼍嗲 2 c a nn o tb ea v o i d e d ，i tw i l ld e t e 衙a t e t h eq u a l i t yo ft h e 。p t i c a l 鳙酬m 幽r ? 汕! t 0a u t o m a t i c a l l yc o m g i l r e do u t0 f a i le n dt oe n du s e ft r a n s m i s 虹伽c h a 仰e 1m ? u s e f sq 。sr e q u i f e m e n t si nw d m n e t w 。r k s ，t h ee x i s t i n gn e t w o r k c a nn o t s u p p o r t 。t h i s “ i n c r e a s i n 酉yc o n c e m e da b 。u tt h ed e v e l 。p m e n t o ft h en e t w 。r kq u a n t y0 f s e - 1 c e ：r o = ： t b eu s e r s r e q u i r e m e n t s ，a n ds t r i v e t op r o v i d eu s e r sw i t hg u a 舢t e e dq u a l l t ys 1 伊2 l i t f a n s m i s s i o ns e r v i c c s t h e r e f o r e ，p r o v i d i n g c o n l l e c t i v i t - y w i m q o sg i l a r 觚t e e s f 。：二r o v i d i n gq o sg i l a r a n t e e dc o n n e c t i o n i nt h “n t e l l i g e mo p n c a ln e 似o r 冀 d e e p l ys t u d i e dq o s s e i c ed e l i v e r ym e c h a n i s m sa n dq o s 。fr o 砸tn g 砌- ? k 竺 a s s 三二e n tb a s e d 。np e r c e p t i 。n 0 ft h ed 锄a g ei i lp h y s i c a l 1 a y e f r e s u hm m g t l b a ：w i d t hu t i l i z a t i 。n ，l o w e r 。p e f a t i 。n a l d e l a y ，a n de s t a b l i s h6 n e 。伊a i n e d e x c h a n g c 1i n k s t h em a i nr e s e a r c hw o r k a n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i t i sn m 。s e do f t h ed i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e sb a s e d o no p t 列m 霉m 鼍 m e c h a n i s m 。f b r - u ri s p i - n e s s ，r e a l i s e dt h ef u n c t i o n 。f 。p t i c a l c o m p 。n e n t s 。fd i 饿e n t l a t e d s e i c e s ，c o n v e r g e n c e dt h e f l o wt om e e tm eq 。sr e q u i r e m e n t s o ft h e s i m i l a r ，b ，u s i n e s s a tt h es a m et i l i l es e tt h ee d g eo f t h en e t w o r ki n t e r f a c e sb a s e d o nt h ed a s s 。fd y n 锄1 c e a c h i n g ，t h ei n t e 触i s t os e tt h ec a c h i n gt i m eo ft h eb l 。c k e d b u s i s s a n d1 m p m v e t h ec o n n e c t i o ns u c c e s sr a t e ，i m p r o v i n g t h ep e r f o r m a n c e0 ft h e n e 似o f k s 。 ( 2 ) i ti sp r o p o s e do ft h co o sa l g o r i t l 皿b a s e d o nw a v e l e n g t ht a n s m l s s l o nq u a l l t y a s s i 茹e n t ，仕l e e d g e n o d ei nw d m 。p t i c a ln e 觚。r k 弧d e 豇印e d t o ? u p p 竺 q 。i a w a r eq o sr w a b a s e d 。nd y n a m i ca l l o c a t i o n s t r a t e g y b y p e 觥m g 。：e d 锄a g ep a r 锄e t e r s 0 ft h ep h y s i c a ll a y e r ，d e s i g n e d d y n 锄渤h y m a n a ，。： w a v e 二n ；ha s s i 伊n l e n tm e c h a n i s m i i la c c o r d a n c ew i t ht h eq u a l i t yo fw a v e l e n 竺 a s s i 印e d d i f f e r e n t 。p t i c a l p a m f o rd i 骶f e n tq u a l i t y c o n n e 嘶0 n s 冀d ? 兰e p r e 二p t i 。nm e c h a n i s m ，w h e nl a c k i n g o fr e s o u r c e si nt h en e 帆。r k t h em 曲。p n o m y 1 i i 智能光网络中基于波长传榆质量分配的o o s 研究 c o n n e c t i o n si nt h eq u e u eb u f f e ra r e a sc a ns e i z et h er e s o u r c e so ft h el o w - p r i o r i t y c o n n e c t i o n s ，t og u a r a n t e eq o ss e r v i c e s ( 3 ) f i n a l l yu s i n gt h es i m u l a t i o n t o o lo p n e tt os e tu pt h ei po v e rw d m s i m u l a t i o n p l a t f o r m ，s i m u l a t ew a v e l e n g t hr o u t i n gp e r f o r m a n c eb a s e dq o t t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr w a a l g o r i t h mb a s e do nq o tc o n s t r a i n th a sb e t t e ro o s s e r v i c ec a p a b i l i t i e s q o t r w aa l g o r i t h mc a np r o v i d eb e t t e rq o sc a p a b i l i t i e s ，h i g h e r b a n d w i d t hu t i l i z a t i o n ，a n dl o w e ra v e r a g ep a c k e td e l a y w h e nt h el o a do fn e t w o r k i n c r e a s e s ，u n d e rt h ep r e m i s eo ft h eh i g h p r i o r i t yb u s i n e s si ne n s u r i n gt h eq u a l i t yo f s e r v i c e s ，i tc a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h es e r v i c eq u a l i t yo fl o wp r i o r i t y k e yw o r d s ：w d m n e t w o r k s ，q o s a w a r e ，q o t , p r e e m p t i o nm e c h a n i s m ，r w a 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 研究背景。1 1 2 研究现状2 1 3 论文研究内容3 1 4 全文的组织安排。4 第二章i po v e rw d m 网络技术 2 1i po v e rw d m 光网络结构5 - 2 1 1i po v e rw d m 网络模型5 2 1 2i po v e rw d m 分层协议7 2 2w d m 光层关键技术。1 0 2 2 1 基于w d m 的光传送网1 1 2 2 2 智能光网络。1 3 2 3i pq o s 与光q o s 1 5 2 3 1i pq o s 1 6 2 3 2 光网络q o s 1 8 第三章i po v e rw i d m 网光层q o s 业务映射模型设计2 0 3 1i po v e rw d m 网络中q o s 机制一2 0 3 2w d m 网光层q o s 模型建立2 1 3 2 1 区分光服务模型。2 1 3 2 2 实现区分光服务模型的功能组件。2 2 3 3w d m 网光层业务映射和区分服务2 3 3 3 1w d m 层的业务映射2 3 3 3 2 光区分服务。2 5 3 3 3 影响q o s 的网络性能参数2 6 3 4 光q o s 业务映射模型实例分析2 8 3 5 本章小结2 9 第四章基于波长传输质量路由q o s 分配3 0 v 智能光网络中基于波长传输质量分配的q o s 研究 4 1q o t s r w a 算法。3 0 4 2 基于o o t - 感知的o o s 3 1 4 3q o t s r w a 算法模型3 3 4 4q o t sr w a 接口连接缓存3 5 4 5q o t sr w a 中的光路建立3 7 4 5 1 计算最小色散路由3 8 4 5 2 波长分配3 8 4 5 3 光路建立算法。4 0 4 5 4q o t sr w a 中的抢占机制4 1 4 5 5q o t sr w a 的可扩展性4 1 4 6 本章小结4 2 第五章基于q o t sr w a 的系统仿真实现。4 3 5 1o p n e t 仿真工具4 3 5 2q o t sr w a 算法网络仿真4 4 5 2 1 边缘发送节点设计4 4 5 2 2 核心节点设计o 4 7 5 2 - 3 边缘接受节点设计4 9 5 3 实验仿真5 0 5 4 本章小结5 4 第六章总结与展望5 5 6 1 总结5 5 6 2 展望5 6 参考文献5 7 致谢6 ：! 攻读硕士学位期间发表的论文。 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着社会信息化的不断推进，人类对通信的容量、速度、质量以及服务种类 的要求越来越高。个人计算机和因特n ( i n t e m e t ) 的普及、宽带多媒体业务的应用 以及各种宽带接入技术的飞速发展给今天的通信网络带来了巨大挑战，迫切要建 立一个具有巨大带宽和能够灵活提供连接的传送网络。基于波分复用( w d m ) 【2 】 和波长路由技术的光传送网络，以其接近于无限的带宽潜力、卓越的网络传送性 能和优越的联网能力而倍受人们的关注，成为目前构建高速光域骨干网具有竞争 力的方案。尤其是近年来，通过在光网络中引入控制平面技术，光传送网正向智 能化和自动交换方向发展，为下一代i n t e m e t 构架在光网络上做好了准备。因此服 务质量( q o s ) 3 - 5 】问题是网络通信需要解决的基本问题。通信网络中对q o s 的需求 主要来自应用需求和服务区分，不同的应用要求的q o s 不同，市场竞争导致网络 运营商需要为不同的客户提供区分服务以实现对网络资源的优化利用。光网络作 为传送网络，能否提供q o s 和区分服务不仅对保证业务端到端的q o s 性能有着至 关重要的影响，而且也关系到光网络运营能否降低网络成本、提高网络利润的问 题。 w d m 技术的大规模应用极大地提高了点到点的传输容量，给交换系统的发 展带来新的机遇和挑战。然而电子交换和处理电路本身固有的时延、定时误差、 漂移、串扰等缺点，以及在节点入口和出口处需要进行光电转换等问题，不仅 增加了系统成本而且存在光连接质量的问题，同时不能保证高优先级的业务能够 分配到高优先的光通路上。随着通信业务的发展，未来的w d m 光网络需要处理 大容量，多q o s 等级的信息，因此需要研究有效的q o s 提供机制和算法使网络在 满足客户o o s 的前提下能有效利用网络资源。在全光网络中，由于电节点不具备 电信号的再生功能，各种网络单元不对光信号进行电处理，光连接在网络中受到 的处理行为主要是光信号的被交换、放大、而没有再生阶段，因此无法消除传输 过程中的信号损伤【6 捌，有时候接受到的信号质量会非常糟糕，最终表现为用户 数字信号的误码率的上升，导致光通路的不可用。为了避免这样的情况发生，需 智能光网络中基于波长传输质量分配的q o s 研究 要将物理层传输损伤纳入考虑。目前，w d m 光网络中分析多以阻塞率、吞吐量 等作为衡量网络性能和q o s 参数，通过提供不同的阻塞率保证来划分q o s 业务等 级。这种方法没有考虑到光信号传输损伤对网络性能的影响，事实上随着w d m 网络的复用波长的不断增加，传输速率的不断提高，传输损伤引起的网络性能恶 化已经不容忽视。 尽管对q o s 研究已经取得了很多成就，但是在光网路中对于q o s 的理解还很 起步，缺乏系统的研究，存在的主要问题有：( 1 ) 光层感知边缘网络业务不灵活； ( 2 ) 业务映射一致性问题；( 3 ) 物理损伤参数与波长通道质量和业务的q o s 结合不够 好；( 4 ) 波长分配算法实时性不强，且波长利用率不高。这些因素的克服，需要 对w d mq o s 的关键技术进行优化设计。正是鉴于以上的分析，论文在总结已有 的研究成果的基础上，对于相关因素做了更深层次的研究，提出了w d m 全光网 络中基于传输质量感知的波长q o s 分配技术。 1 2 研究现状 服务质量( q o s ) 问题是当今网络研究和发展的热门课题。光网络作为传送 网络，能否提供q o s 和区分业务不仅对于保证端到端的q o s 需求有着重要的影响， 而且也关系到光网络运营商能否降低网络运营成本，提高网络利用率的问题。目 前在光网络中也有对于q o s 的研究和讨论，到目前为止，主要进展包括以下几个 方面： ( 1 ) 波长路由分配算法【9 。1 1 】：研究的内容就是给定的一组节点间的全光连接 ( 光路呼叫) 请求：1 ) 首先寻找从源节点到目的节点之间的路由；2 ) 在这些 路由上分配波长。 ( 劲区分光服务模型：区分光服务( 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 ，d o s 3 1 】) 模 型，用来解决如何将客户层( 如i p ) 的q o s 要求映射到光层，并且提出了一套机 制来保证根据客户层业务的要求来选择合适的光通路，即将i p 网络中成熟的区分 服务模型使用至i w d m 光网络中，在w d m 光层中为不同q o s 级别的流量建立连接 ( 3 ) 基于流量分割的业务疏导机制f 1 2 】：光网络的业务疏导定义为复用、解复 用和交换低速率业务流到大容量的光路行为。可以充分利用波长带宽资源，降低 网络建设的成本。通常分为动态业务疏导和静态业务疏导，在区分服务环境中， 业务具有一定的优先级属性，为了保证高优先级业务的q o s 和接入优先，抢占机 2 江苏大学硕士毕位论文 制经常被应用在业务疏导中。 ( 4 ) 基于抢占机制的资源预留1 1 3 “】方案：提前预留资源是光网络计算中一种 重要的资源占用形式，能够很好的保障资源的协同服务需求和服务质量，而通过 设置抢占机制的多优先级资源预留方法，能够保障高优先级业务同时也能兼顾全 光网络的资源分配，在一定的程度上减少了资源的碎片，提高了资源的利用率。 除了上述研究，各国电信运营商都开始在原有的传输网络上逐步引入智能光 网络。美国是世界上智能光网络引入最积极和最早的地区，如a t t ，s p r i n t 和 t o u c ha m e r i c a 等。英国b t 于2 0 0 3 年5 月采用北美的o p t e r ac o n n e c th d x 光交换 机升级其泛欧光网络，2 0 0 3 年7 月德国电信采用马可尼m h s 光交换机家族的增强 型作为其全球无缝网络( g s n ) 研究和发展计划的智能。 中国“8 6 3 的重大项目“3 t n e t 包括了a s o n 技术的研发以及示范网的建 设，陔项目将在长江三角洲自主建设我国的新一代运营级的高性能宽带应用示范 网。北京通信采用上海贝尔阿尔卡特的m s s l 6 7 8 组建北京通信城域网2 0 多个骨干 传输符点的m e s h 网。 1 3 论文研究内容 论文在广泛研究国内外q o s 文献的基础上，设计并实现w d m 光层感知边 缘网络业务q o s 模型，支持不同o o s 流量分配不同q o s 级别的光通道，并且， 对w d m 光层中感知传输质量波长q o s 进行了优化，设计一个边缘交换结构来 缓存连接请求，并及时动态建立连接；在光域中管理高q o s 级别和低q o s 级别 的连接通路；高q o s 级连接抢占低q o s 级连接带宽；低优先级连接通过色散较 大通路，高优先级通过色散较小通路；通过考虑物理层参数设计一个基于q o t 感知的r w a 算法，满足q o s 等级要求。最后，利用o p n e t 网络仿真工具设计 并实现网络通信仿真平台，对其进行仿真验证。主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 研究和设计i po v e rw d m 网光层q o s 业务映射模型设计 在深刻理解现有较为成熟的i p 网络q o s 模型的基础上，在i po v e rw d m 网 络中，研究利用i p 网络中差分服务模型至w d m 光网络中。为w d m 网中感知 i p 层的q o s 信息提出一种解决方案。这种方案结合具体d i f f - s e r v 流量的q o s 参 数，围绕在基于跨层业务映射，同时在光层中感知连接的q o s ，划分o o s 参数 及等级，为不同流量汇聚、建立不同q o s 要求的光通路。 3 智能光网络中基于波长传输质量分配的q o s 研究 ( 2 ) w d m 全光网络中基于传输质量感知的波长q o s 分配 在深入分析w d m 光中波长分配策略以及考虑当前光器件发展状况的基础 上，为w d m 光网络中的边缘节点设计了支持q o t 感知的基于q o s 的r w a 动 态分配策略。它是通过感知物理层损伤参数，在光域中动态管理波长分配机制， 按照各个波长不同质量排序，为不同的连接分配不同光通道，同时设置了抢占机 制，在网络资源不足时，排队缓冲区的高优先级连接可以抢占低优先级连接的资 源，保障q o s 服务。 ( 3 ) 采用仿真工具o p n e t 设计一个通用的w d m 光网络综合仿真平台 在对w d m 光网络体系结构深入理解的基础上，采用o p n e t 仿真工具设计 一个w d m 光网络仿真平台，并对所设计的算法及关键技术进行性能测试与验 证。分析比较测试结果，检验所设计算法性能是否达到预期效果，并在此基础上 进行进一步改进。 1 4 全文的组织安排 根据研究的内容，本文共分为六章： 第一章，绪论：介绍w d m 光网络研究背景和意义，国内外研究现状以及本论 文所主要研究的内容 第二章， 第三章， 第四章， 第五章， 第六章， 4 介绍了w d m 光网络的体系结构及关键技术，并对q o s 技术进行了详细介绍 设计实现了i po v g rw d m 网光层q o s 业务映射模型 提出了一种基于q o t 感知的波长路由q o s 分配算法 基于o p n e t 仿真平台下的综合仿真平台设计和实现 总结与展望 江苏大学硕士学位论文 第二章i po v e rw d m 网络技术 智能光网络最初思路是源于i po v e rw d m 网络模型，是对该模型的进一步优 化，近几年来随着口等数据业务在骨干网上的爆炸性增长，w d m 技术被广泛 应用到网络中来，i po v e rw d m 组网模型被提出，这种模型同时将m 等数据包 通过相应的封装技术直接由w d m 或o t n 网络传送，从而省去了a t m 甚至 s d h s o n e t 层面，建设大容量的w d m 光传输网，从而保障业务质量。 2 1i po v e rw d m 光网络结构 随着密集波分复用设备、光层直接联网技术以及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 网的概念应运而生。w d m 很 好地挖掘了光纤的超大容量的带宽能力，能够在多个不同的频率和波长上传送m 数据包，具有对于传输码率、数据格式以及调制方式的透明性，可以与现有的网 络融合。i po v e rw d m 网络体系结构被公认为是下一代光网络传送i p 业务的最佳 方案，在该结构中，光交叉连接( 0 x c ) 通过光纤的连接构成光层，标签交换路 由器( l s r ) 构成了i p 层。光层为i p 层提供动态的光通路服务。 2 1 1i po v e rw d m 网络模型 在i po v e rw d m 光网络就是直接在光层上运行的因特网，根据i p 层和w d m 层的不同关系，可以分为三种类型：重叠模型( o v e r l a ym o d e l s ) 、增强模型( a u g m e n t m o d e l s ) 和对等模型( p e e rm o d e l ) 。 1 重叠模型又称为客户服务者模型，是i t u 和o i f - 等国际标准组织所支 持的网络演进模型。重叠模型是将光传送层特定的控制智能完全放在光传送层来 独立实施，口层和w d m 光传送层分成两个基本独立的智能网络层，而光传送层 将成为一个开放的通用传送平台，为包括i p 层在内的客户层提供动态互联。为此， 这种模型有两个独立的控制面，一个在核心光网络，即光网络层，而另一个在客 户层，边缘客户层设备与核心光网络之间不交换各自的路由信息，独立选路，有 独立的拓扑。核心光网络为网络边缘的客户提供波长业务。 5 智能光网络中基于波长传输质量分配的q o s 研究 这种模型最大好处是可以实现统一透明的光传送层平台，支持多客户层信 号；其次，客户层要通过特定的接口传送给光服务层，光网络层完成客户的连接 要求，可以屏蔽光传送层的网络拓扑细节；第三，这种模型允许光传送层和客户 层独立演进，这样光传送层可以继续快速演进；第四，采用子网分割原理，运营 者既可以充分利用原有基础设施，又可以在网络其它部分引入新技术；最后，这 种模型利用成熟的标准化的u n i 和n n i 接口，比较容易实现在多厂家光网络中的 互操作性。缺点是功能的重叠，两个层面都要有各自的网管和控制功能，另外建 立两个独立的物理网的成本也比较高，带宽利用率较低。 图2 1 重叠模型 2 对等模型是i e 1 所支持的网路演进结构模式，它是将光传送层的控制智 能转移至l j i p 层，光传送层和i p 层可以看作一个集成的网络。所以两个网络之间可 以自由的交换信息，并且使用同样的路由信息和信令协议，采用统一化的管理和 流量工程。 但是这种模型存在的缺点是，光网络层主要支持单一的业务，难以支持传 统的非i p 业务；其次，为了实现i p 层对光传送层控制，必须对i p 层开放光传送层 的网络拓扑等细节；第三，光层的物理故障会导致光开关的频繁动作，会使得路 由器选路的工作量负担增加，还会增加路由的稳定性；第四，光层网元在选路和 保护恢复方面与i p 层有明显不同的限制，对于形成统一的选路和保护恢复控制有 很大难度。 3 在i p 和光域中分别运行不同的路由协议。但是两种路由协议间有充分的 6 江苏大学硕士学位论文 信息交换，在此模型中，口和光层作为不同的域，各自运行着相应的路由协议， 域间路由信息的交互是通过边缘路由协议实现，在i p 网络中，可以通过向光域中 传播i p 网络的i p 地址前缀，也可以通过w d m 层来接受外部网络的地址前缀，边 界路由器和边界o x c 上运行e b g p 协议，通过u n i 接口来交互信息。互联模型结 合了对等和叠加模型的优点，相对较为容易实现。 2 1 2i po v e rw d m 分层协议 i po v e rw d m 的分层模型主要有光网络层、数据网络层及适配和管理功能组 成，如图所示，光网络层负责提供波长通道；数据网络层负责处理和传送数据； 层间适配和管理用于适配数据网络和光网络。包括保护和恢复、配置管理、性能 管理、连接管理和会话管理等。在连接过程中，数据网络单元和光网络单元通过 相应的协议进行协商，以提供连接所需要的带宽。连接管理过程如图所示。数据 网络单元和光网络单元之间的连接通过一系列的参数和连接请求完成。 巡兰要兰 宽带建立确认 ， 参数协商 开始提供带宽 带宽提供确认 数据网络单元 光网络单元 图2 2 分层模型与连接管理过程 i po v e rw d m 的协议模型包括i p 层协议、口适配层协议、光通路层协议、w d m 光复用段协议和w d m 光传输段协议。客户层协议包括i p v 4 和i p v 6 等；坤适配层 协议用于进行口多协议封装、差错检测、分组定界以及服务质量控制等：光复用 段功能包括线路故障分段、带宽复用、保护切换及其它传送网维护；光传输段功 能包括高速传输和光放大器故障分段等。i po v e rw d m 的帧结构有两种形式：以 太网帧格式和s d h 帧格式【1 5 1 。 ( 1 ) 以太网帧格式是目前局域网中主要采用的是帧结构。这种格式下报头 包含的网络状态信息并不多。但由于没有使用造价昂贵的再生设备，因而成本相 对较低。由于使用的是“异步 协议，故对抖动和定时不j t h s d h 帧敏感。 7 i 智能光网络中基于波长传榆质量分配的q o s 研究 ( 2 ) s d h 帧格式目前网络再生设备大多采用s d h 帧格式。此种格式下报头 载有信令和足够的网络管理信息，便于网络管理。但在路由器接口上针对s d h 帧的拆装分割处理耗时，且采用s d h 帧格式的转发器和再生器造价昂贵。 从协议的角度来考察今天的各种类型网络，其中光纤( 以及波长) 、铜线、 电磁波等物理媒介为第一层网络；s d h 、a t m 、f r 、d d n 等为第二层网络，它 们呢能为i p 业务提供传送服务；路由器构成的口网络为第三层网络。其中四个 关键功能层次的作用为：层承载应用程序，a t m 层处理流量控制，s d h 层管 理传输，d w d m 层提供大容量的带宽。但是他们有很多功能是相互重合的，因 此今后网络发展的一个大趋势是减少网络层次，简化网络结构，也就是未来网络 只有i p 业务网和d w d m 光网络两层【1 6 1 8 】，发展过程如下图所示。 图像话音数据 i p w d m d w d m 光纤 i po v e ra i m i po v e rs d hi po v e rd w d m 图2 3 多层网络重叠向双向网络发展 但在目前多种技术并存的情况下，d w d m 技术可以将几种不同的技术，包 括s d i - i s o n e t 、a t m 、i p 组合到同一网络中，这使得网络设计时，在兼容传统 方式和新兴的口技术方面有很大的灵活性。 1 传统的i po v e rw d m 协议堆栈 传统的i po v e rw d m 协议堆栈结构大致可以分为两类：开放式和封闭式。如 图2 4 所示。封闭式结构以s d h 为基础，使用w d m 技术扩充s d h 时分复用系 统容量。w d m 光层在很多功能上还依赖于s d h 。开放式结构则不依赖于s d h 或其他某种时分复用系统，表现出了一定的协议透明性【1 7 1 。 在引入光传送网之前，w d m 技术仅限于提供点对点的链接。i t u t 定义了 光层后。w d m 不再局限于o s i 模型的物理层。光层提供向高层协议提供光通道， 也即向两个需要建立连接的结点提供端到端的链接。这条连接可以有多个中问节 点，而中间链路上的波长可以不同，一条光通道的全部容量都用于源和目的结点 间的通信。 8 江苏大学硕士哮位论文 封闭式 开放式 图2 4i p o v e r w d m 协议结构 光层包括三个子层：光通道层、光复用段层和光传输段层。光通道层提供透 明的点对点连接，可以传输不同格式( 如s d h 、p d h 、触r m ) 的数字信号和模 拟信号；光复用段层提供多波长信号的复用功能；光传输段层管理光信号在介质 中的传播，这三层的功能又分别类似于o s i 模型的网络、数据链路和物理层。 2 协议与帧格式 对于网路应用而言，协议起到了极为关键的作用，不同协议将会得到完全不 同的总体性能。现在数据网的速率远低于光传送网络速率。所以怎样将两种网络 连接，i p 网络数据通过什么方式成帧并通过w d m 传输对i po v e rw d m 网的总 体性能将产生很大影响。 表2 。1 不同封装方法的开销代价和链路有效容量 封装定帧线路标准速率开销链路有效容量( m b s ) i b ，a l t m s d h s t m 一1 6 ( 2 5 g b s ) 2 2 1 , 9 4 4 i p 删c e l lb a s e ds t m 一1 61 9 2 ，0 1 1 i p p p p s d hs t m 1 66 2 , 3 3 8 艄d ls t m 1 63 2 ，4 1 1 i p 千兆以太网 1 2 5g b s2 89 0 2 在光缆上直接传输i p 数据包有两种方法，一种是单路传输，另一种是波分 复用多路传输。为了在传输过程中便于控制管理，对数据流进行分帧就显得非常 重要，已有的比较成熟的帧格式中目前可采用的主要有两种gs d h 帧格式和千 兆以太网( g b e ) 帧格式。相应的网络解决方案为i p s d h d w d m 和 9 智能光网络中基于波长传输质量分配的o o s 研究 i p g b e d w d m 协议结构。考虑到g b e 传输速率( 1 g b s ) 较低，同样占用一个 波长信道，不如采用s t m 1 6 ( 传输速率为2 5g b s ) 。但是一旦1 0g b e 标准出 现，由于它的帧格式与口数据分组相容，不像s d h 那样需要将m 数据分组拆 装到s d h 帧中，因此效率高，设备便宜，将会取代s d h 而被大量采用。 3 口层与光传送层的融合 回顾网络的演进历程，最初在核心口层，在没有流量工程时，通常i p 流按 照最短路径走，这样就会产生重负荷链路从而出现瓶颈。而利用m p l s 和流量工 程后可以保证网络负载均衡，使路由器间链路使用最佳化，再进一步则可能需要 有一种统一的跨层资源控制方法来完成两层网络的有机结合，即将m p l s 扩展到 光传送层( 包括光连接在内) 。所谓的多协议波长标记交换( m p l s ) 就是一种将 m p l s 流量控制面技术与光交换技术相结合的新思路，将标记交换的概念扩展至 包括波长选路和交换的光通道，让业务流来控制连接。口层与光传送网的融合 正展现出前所未有的光明前景，各种国际标准化组织都在全力开发相关的标准， i t u 重在规范整个体系结构，而i e t f 重在制定具体的选路和信令协议规范，提 出了通用多协议标记交换( g m p l s ) 的概念，旨在对目前比较成熟的选路和信 令协议进行修改、扩展的基础上，使之不仅支持分组交换，而且还支持时分交换、 波分交换和空分交换【1 8 - 2 1 1 。 2 2w d m 光层关键技术 光w d m 技术是一根光纤中同时传输多个不同波长光信号的技术。在光纤通 信中低损耗窗口的可使用光谱宽带划分为若干个较窄子频带，不同的光信号分别 调制到各个不同中心波长的子频带内，在发送端将这些不同波长的光信号进行复 用，耦合到同一根光纤中进行传输：在接收端将光信号通过解复用器分开，最后 通过进一步的处理恢复出原始信号送到各自不同的终端，简称光w d m 技术。 w d m 对多个波长进行复用，能够复用的波长数和相邻两波长的间隔有关：间隔 越小，复用的波长数就越多，间隔越大，能够复用的波长数就少。当相邻两峰值 波长的间隔为5 0 1 0 0 r i m 时，是w d m 系统；而当相邻两峰值波长的间隔为 1 1 0 n m 时，是密集波分系统( d w d m ) 系统【1 5 1 。 w d m 实质是每个波长信号占用一段光纤带宽，是光信号的频率分割传输高 速率的数字信号，w d