（通信与信息系统专业论文）ipmpls+over+wdm网络路由算法研究.pdf

捅矍 i p 业务的普及，高速路由器技术的快速发展以及w d m 技术的大量采用促使下 一代网络的体系结构正在发生着深刻的变化。由于m p l s 具有良好的q o s 和t e 功能 以及面向连接的特性，使得m p l s 成为了适配i p 和w d m 的最佳选择，并在核心网 络中逐渐形成了由i p m p l s 数据网络和底层的w d m 光网络构成的两层网络体系结 构目p i p m p l so v e rw d m 网络。 i p m p l so v e rw d m 网络控制机制分为三种，即重叠模型、增强模型和对等模 型。在前两种模型中，i p m p l s 层和光层拥有各自的资源信息。而对等模型中，所 有的资源信息都是两层共享的，因此川以预见对等模型能够提供更好的资源利用 率。但是如果i p m p l s 层和光层属于不同的管理域，对等模型的实现就极为困难。 因此本文基于重叠模型提出了两种路由标签交换路径( l s p ，l a b e ls w i t c h i n gp a t h ) 请求的算法。一种称为i p m p l s 层拥塞控制算法( i l c c ) ，在建立l s p 时它可以通 过限制可达路径的长度来缓解i p m p l s 层拥塞。另一种称为基于协商的最短路径算 法( c b s f ) ，该算法可以像对等模型下算法一样综合利用两层网络资源。最后通 过仿真结果表明这两个算法较重叠模型。卜的其它算法阻塞性能更优。 关键词：波分复用lp m p l so v e rw i ) m 网络重叠模型 阻塞性能 a b s t r a c t 1 i i ep r e v a l e n c eo fi ps e r v i c ea n dt h ef a s td e v e l o p m e n ta c h i e v e di nh i g l l s p e e d r o u t e rf i e l d ，i np a r t i c u l a rt h ew i d ee m p l o y m e n to fw d m t e c h n o l o g y ，h a v ep u tf o r w a r d t h ee v o l u t i o no fn e x t g e n e r a t i o nn e t w o r ka r c h i t e c t u r e d u et oi t se x c e l l e n tf u n c t i o n s s u c ha sq o sa n dt e ，a sw e t ia si t sc h a r a c t e r i s t i co fc o n n e c t i o n - o r i e n t e d ，m p l s t e c h n o l o g yi se x p e c t e dt ob ec h o s e na st h ea d a p t a t i o nl a y e ri nt h ei n t e g r a t i o no fi pa n d w d m ，w h i c hl e a d i n gt ot h ee m e r g e n c eo ft h et w o l a y e rn e t w o r ka r c h i t e c t u r ec o n s i s t i n g o f l p m p l sd a t an e t w o r ka n dt h eu n d e r l y i n gw d m o p t i c a ln e t w o r k ，i e ，i p m p l so v e r w d mn e t w o r k n e t w o r kc o n t r o lf o rl m p l so v e rw d mn e t w o r kc a nb ec l a s s i f i e da st h eo v e d a y a u g m e n t e d ，a n dp e e rm o d e l s i nt h ef i r s tt w om o d e l s ，t h ei p m p l sl a y e ra n dt h eo p t i c a l l a y e ro n l yh a v et h er e s o u r c ei n f o r m a t i o no f t h e i rr e s p e c t i v el a y e r s i nt h ep e e rm o d e l ，a l l t h er e s o u r c ei n f o r m a t i o ni sk n o w nt ob o t hl a y e r s ；h e n c e ，i tc a l lp o t e n t i a l l ya c h i e v eb e t t e r r e s o u r c eu t i l i z a t i o n u n f o r t u n a t e l y ，t h ep e e rm o d e la p p r o a c hi sg e n e r a l l yn o ta c c e p t a b l e t ot h eo p e r a t o r si ft h ei p m p l sl a y e ra n do p t i c a l l a y e rb e l o n gt ot w od i f f e r e n t a d m i n i s t r a t i o n s i nt h i s p a p e r , t w os i m p l e a n dn o v e l a l g o r i t h m s f o r r o u t i n g l a b e l e d - s w i t c h i n gp a t h ( l s p ) r e q u e s t sb a s e do nt h eo v e r l a ym o d e la r ep r o p o s e d o n ei s c a l l e di l c c ( i p m p l sl a y e rc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m ) w h i c hc a na l l e v i a t et h e c o n g e s t i o ni nt h ei p m p l sl a y e rb yl i m i t i n gt h el e n g t ho ff e a s i b l ep a t h sw h e ns e t t i n gu p t h el s p s ，a n o t h e ri sc b s f ( c o n s u l t e d - b a s e ds h o r t e s tp a t ha l g o r i t h m ) w h i c hc a nu t i l i z e r e s o u r c e si nb o t hl a y e r sa si nt h ep e e rm o d e l s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e d a l g o r i t h m sp e r f o r mb e t t e rt h a no t h e rr o u t i n ga l g o r i t h m sf o rt h eo v e r l a ym o d e l k e y w o r d ：w a v e l e n g t hd i v i s i o n gm u l t i p l e x i n g ，i p m p l so v e rw d mn e t w o r k ， o v e r l a ym o d e l ，b l o c k i n gp e r f o r m a n c e 独创性声明 y8 5 8 7 1 9 本人声明所呈交的论文是我个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；也不包含为获得西安电子科技大学 或其它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做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：迦：l ! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电予科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本人签名 导师签名 日期 日期 曲b i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 i n t e m e t 及相关应用的出现和飞速发展引发了电信业的革命。在当前的通信网 络中，几乎所有的终端通信都采用t c p 1 p 协议族作为载体，互联网协议( i p ， i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 成为通用的业务汇聚层协议势在必行。然而就e l 前搭建和运行 的网络来讲，其结构大部分都适用于承载语音业务，毕竟语音业务在较长的一段 时间里是运营商产生利润的主要业务形式。但是随着各种基于i p 的新兴业务( 如 v o i c eo v e r i p 、v i d e oo v e r i p 和各种多媒体服务) 的广泛应用，数据业务的盈利无 疑会超过语音业务。据统计，近年来世界范围内语音业务量的年增长率仅为1 0 ， 数据业务量的年增长率为4 0 ：而在中国，语音业务量年增长率为1 4 ，数据业 务量年增长率更高为4 0 0 。 随着数据通信的迅速发展，特别是i n t e m e t 业务量呈爆炸性增长，对数据传 输网带宽的需求越来越高。这种传输网信息容量需求的快速增长，带来的直接后 果是所谓的“光纤耗尽”现象，即现有的光纤通信系统出现了负载能力饱和的情 况，网络扩容问题首先提上了议事日程。网络扩容的复用技术包括波分复用 ( 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 ) 、时分复用( t d m ，t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 和码分复用( c d m ，c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 。其中，t d m 和 c d m 对电子器件的要求很高，目前还没有成熟的实用化产品，而在w d m 中， 电子设备的速率只要求是一个波长信道的速率即可，而且随着掺铒光纤放大器 ( e d f a ，e r b i u m d o p e d f i b e r a m p l i f i e r ) 的发明，w d m 在2 0 世纪9 0 年代中期 以后迅速走向成熟并进入商业化应用。因此，w d m 技术是光纤传输网络增容的 主要技术手段，目前的技术水平己达到2 7 3 x 4 0 g b i t s 。 i p 业务的快速增长加上w d m 技术产生的巨大带宽，使这两种技术的紧密结合 成为可能。i po v e rw d m 网络( 叉称光因特网或光互联网) 应运而生并迅速成为 业界关注的焦点2 l 。i po v e rw d m 技术使l p 数据流进入光通道，有利于充分综合 w d m 技术大容量和i p 技术统计复用的优势，为面向数据业务的光网络发展提供了 有益的思路。 1 2 本文内容及安排 本文主要研究了i p o v e rw d m 网络中的路由问题，既研究采用何种策略可以 优化利用网络资源，降低连接请求阻塞概率。首先。即论文的第一章绪论，从i p 业务爆炸性增长和w d m 技术成熟应用两个方面分析了i po v e pw d m 网络产生的 i p m p l so v e rw d m 网络路由算法研究 背景。 第二章简要介绍了w d m 技术的内容、传输形式和特点及其向光网络发展的 趋势。 第三章详细介绍了本文研究的特定场景i p m p l so v e rw d m 网络，m p l s 技 术作为i p 网络和w d m 光网络的适配层技术，为i p 和光的融合提供了最佳途径。 这章将在介绍m p l s 技术的基础上，讨论i p m p l so v e rw d m 网络的形成和交互 模型的发展。 第四章是本文的重点，以i p m p l so v e r 可重构w d m 网络重叠模型为背景， 分析了现有算法的缺点，提出了两种新算法，1 p m p l s 层拥塞控制算法和基于协 商的最短路径算法，并通过仿真得到其优于现有算法的性能曲线。 第五章介绍为考察算法性能而在o p n e t m o d e l e r1 0 5 下建立的仿真模型。 第二章波分复刚技术 第二章波分复用技术 所谓w d m 技术，就是在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传 输速度和容量获得倍增。早期的w d m 技术还以点到点的方式为主，无法实现灵活 的网络互联，只提供了原始的传输带宽，但通过增加光分插复用器( o a d m ，o p t i c a l a d d - d r o pm u l t i p l e x e r ) 和光交叉连接器( o x c ，o p t i c a lc r o s s - c o n n e c t ) 这类重构 型光联网节点来组网，可以丰富网络的拓扑形式，极大地改善网络的灵活性。本 章首先介绍了w d m 传输系统的基本形式，之后是光联网节点，最后研究了w d m 网络的构建。 2 1w d m 传输系统 2 1 1w d m 概述 波分复用技术是在一根光纤中同时传输多个波长光信号的一项技术。其基本 原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来( 复用) ，并耦合到光缆线路上的同 一根光纤中进行传输，在接收端又将组合波长的光信号分开( 解复用) ，并作进一 步处理，恢复出原信号后送入不同的终端，因此将此项技术称为光波长分割复用， 简称波分复用技术9 j 。 采用不同的波分复用器，可以复用不同数量的波长。由于目前一些光器件与 技术还不十分成熟，因此要实现光信道十分密集的光频分复用还较为困难。在这 种情况下，人们把在同一窗1 2 1 中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用 c 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 ) 。目前该系统是在1 5 5 0 r i m 波 长区段内，同时用8 ，1 6 或更多波长在一对光纤上( 也可采用单光纤) 构成的光通 信系统，其中每个波长之间的间隔为1 6 r i m ，o 8 n m 或更低，对应约2 0 0 g h z ，1 0 0 g h z 或更窄的带宽。w d m 和d w d m 在本质上没有多大区别。以往技术人员习惯采用 w d m 和d w d m 来区分是1 3 1 0 1 5 5 0 n m 简单复用还是1 5 5 0 n m 波长区段内密集复用， 但目前在电信界应用时，都采用d w d m 技术。1 抒1 3 1 0 1 5 5 0 n m 的复用超出了掺铒 光纤发大器e d f a 的增益范围，只在一些专门场合应用，所以经常用w d m 这个更 为广义的名称来代替d w d m 。 2 1 2w d m 传输系统的基本形式 光波分复用器和解复用器是w d m 技术中的关键部件，将= 千= 同波长的信号结合 在一起经一根光纤输出的器件称为复用器( 也叫合波器) 。反之，经同一传输光 纤送来的多波氏信号分解为各个波长分别输出的器件称为解复用器( 也叫分波 器) 。从原理上讲，这种器件是互易的，即只要将解复用器的输出端和输入端反 4 p m p l so v e rw d m 网络路南算法研究 过来用，就是复用器。 w d m 传输系统的基本构成主要有咀下两种形式： ( 1 ) 双纤单向传输 单向w d m 传输是指所有光通路同时在一根光纤上沿同一方向传送( 图2 1 所 示) ，在发送端将载有各种信息的、具有不同波长的已调光信号h 。也，k 通 过光复用器组合在一起，并在一根光纤中单向传输。由于各信号是通过不同光波 长携带的，所以彼此之间不会混淆。在接收端通过光解复用器将不同光波长的信 号分开，完成多路光信号传输的任务。反方向通过另一根光纤传输，原理相同。 n n 图2 1 双纤单向传输示意图 ( 2 ) 单纤双向传输 双向w d m 传输是指光通路在一根光纤上同时向两个不同的方向传输( 图2 2 所示) ，所用波长相互分开，以实现双向全双工的通信。 n n 图2 2 单纤双向传输示意图 单i 句w d m 系统在开发和应用方面都比较广泛。双向w d m 系统的开发和应用 相对来说要求更高，这是由于双n w d m 系统在设计和应用时必须要考虑n j l 个关 键的系统因素，如为了抑制多通道干扰( m p i ) ， 必须注意到光反射的影响、双 第二章波分复刚技术 向通路之间的隔离、串扰的类型和数值、两个方向传输的功率电平值和相互问的 依赖性、光监控信道( o s c ) 传输和自动功率关断等问题，同时要使用双向光纤 放大器。但与单向w d m 系统相比，双向w d m 系统可以减少使用光纤和线路放大 器的数量。 注意：在本文研究的i po v e r w d m 网络中，采用的都是双纤单向传输。 2 1 3w d m 技术的特点 波分复用技术的突出优点在于充分利用了光纤的带宽资源，增加了系统的传 输容量，而且还能提高系统的经济效益。它的主要特点为： ( 1 ) 极大地提高了光纤的传输容量，使单纤传输容量增加几倍至几十倍，大量 节约光纤，是在现有光纤紧张的情况下扩容最经济的方案。并且相对于t d m 方式 来讲，扩容的技术难度大大减小。 ( 2 ) 波分复用通道各波长相互独立并对数据格式透明，可同时承载不同格式、 信号速率及电调制的信号，如s d h 、p d h 、a t m 、i p 等格式信号。只要增加一个 附加波长，就可以引入不同新业务( 如c a t v ，h d t v ，b i s d n 等) ，极其方便。 ( 3 ) d w d m + e d f a 技术应用在长途骨干网时，可大大延长无电中继距离，并且 减少中继器的数目，降低成本。 ( 4 ) 利用w d m 波长路由技术来实现网络交换和恢复，可以实现透明的具有高 度生存性的光网络。 2 2 光联网节点 尽管点到点波分复用通信系统有巨大的传输容量，但只提供了原始的传输带 宽，需要有灵活的节点才能实现高效的灵活组网能力。于是业界的注意力开始转 向光节点，t i p o a d m ；和o x c ，靠光层面上的波长连接来解决节点的容量扩展问题， 即能直接在光路上对不同波长的信号实现上下和交叉连接功能。 2 2 1 光分插复用器 o a d m 作为光传送网用于组网的重要器件，如图2 3 所示它的功能是从传输设 备中有选择地下路( d r o p ) 通往本地的光信号，同时上路( a d d ) 本地用户发往另 一节点用户的光信号，并且不影响其他波长信道的传输。也就是说o a d m 实现了 传统的s d h 设备中的电分插复用在时域中的功能，相比较而言，它更具有透明性， 它可以处理任何格式和速率的信号，这一点比电a d m 更优越。 o a d m 可以分为非重构和可重构两种。前者主要采用复用器解复用器以及固 p m p l s0 v e rw d m 网络路由算法研究 定滤波器等无源光器件，在节点上下固定的一个和多个波长，节点的路由是确定 的。后者采用光开关、可调谐滤波器等光器件，能动态调节o a d m 节点上下话路 的波长，从而达到光网络动态重构的能力。相比较而言，前者缺乏灵活性，但性 能可靠且没有延时，后者结构复杂且具有延时，但可以使网络的波长资源得到良 好的分配。网络节点间的w d m 信道应允许重新配置以适应网络环境条件的变化， 这就需要可重构的o a d m 。o a d m 最适合的使用场合是w d m 环形网络【4 】。 2 2 2 光交叉连接器 图2 3o a d m 的基本功能结构 o x c 节点的基本功能是在各输入端和输出端光纤上复用的w d m 信道之间建 立全光的通道互联模式。o x c 主要由光交叉连接矩阵、输入端口、输出端口、管 理控制单元及本地上下路接口组成，如图2 4 所示嘲。光交叉连接矩阵实现单波长 信号的全光交叉连接；输入和输出端口分别完成w d m 光信号的解复用和复用功 能；管理控制单元用来管理和控制波长使用、配置o x c 开关等；每个o x c 还拥有 若下本地端口来生成或终结网络业务。故o a d m 可以看成是o x c 结构的功能简化。 本地j ：二f 赂 圈2 4o x c 功能结构框图 根据是否具有波跃转换能力可以将o x c 分为两类：无波长转换能力的波长选 第二章波分复j ；l = i 技术 能力的波长可变交叉连接节点( w i x c ，w a v e l e n g t hi n t e r c h a n g i n gc r o s s c o n n e c t ) 。 在没有波长转换的情况下，光路遵循波长连续性限制( w c c ，w a v e l e n i g t h c o n t i n u i t yc o n s t r a i n t ) ，即为建立条光路，必须为其路由上的所有链路分配相同 的波长。波长连续性限制将造成波长的利用率下降，尤其在动态业务条件下会增 加光路的阻塞概率。如图2 5 所示，每条光纤上只有两个波长，图中已经建立了两 条光路，即o x c ! 与o x c 2 之间利用h 建立的光路、o x c 2 与o x c 3 之间利用k 建立 的光路。如果在o x c l 和o x c 3 之间想再建立一条光路，虽然从o x c l 至i o x c 3 每段 链路上都有空闲波长，但是不能在这两个节点之间建立光路，这就是由于波长连 续性限制制约了第3 条光路的建立。 图2 5 无波长转换示意图 如果能够在o x c 2 处把数据从一个波长转换到另一个波长上，就可以消除波长 连续性限制，提高波长的利用率，这种技术就是波长转换技术( w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n ) 。在图2 6 中，o x c 2 处配置了波长转换器，它可以把o x c l 传来的数据 从也转换到x 1 并转发到o x c 3 ，这样就可以在o x c l 丰f l o x c 3 之间建立起一条新的光 路。利用了波长转换器之后，一个光路能够在各段链路上分别使用不同的波长， 因此波长转换技术解决了光路之间的波长冲突问题、提高了波长资源的剥用率、 降低了网络的阻塞率、提高了光网络的传送效率p j 。 i 。 o x c 2 | o x c l o x c 3 图2 6 波长转换示意图 o x c 在光层对波长信道的交叉连接能力极大提高了信号重新选择路由的速度 与精度，对于网络的高速传输和快速恢复都具有重要意义，是光网络最重要的网 络元件。o x c 匾 样也可以分为非重掏和可重构两种，可重构o x c 是组成w d m 核心 网状网的主要器件。 注意：在本文研究的i p o v e r w d m 网络中，o x c 节点都具备波长转换功能。 i p m p l so v e rw d m 网络路南算法研究 2 3 构建整体w d m 光网络 由于光分插复用器和光交叉连接器技术的成熟，当与w d m 技术孝只结合后，不 但能够从任意一条线路中任意上下路或几路波长，而且可以灵活地使一个节点与 其它节点形成连接，从而形成w d m 光网络。另外动态、可重构型o a d m u o x c 能 够使w d m 光网络对不同输入链路上的波长在光域上实现分插复用和交叉连接的 动态重构能力，增加网络对波长通道的灵活配冒能力，提高刚络通道的使用效率。 总之，o a d m 和o x c 的使用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。 w d m 光网络的基本思想是将点到点的波分复用系统用光交叉连接节点和光 分插复用节点连接起来，组成以端到端光路为基础的光传送网。波分复用技术完 成光传送嘲节点之间的多波长通道的光信号传输，o x c 节点和o a d m 节点则完成 对光通道的交换配置功能。 核心喇 城域 本地网 接入刚 图2 7 光网络的横向分割结构 w d m 光网络的基本结构类型有星形、总线形( 含环形) 和树形等，可组合成 各种复杂的网络结构。w d m 光网络可横向分割为核心网、城坳本地网和接入网。 核一i i , 网倾向于采用网状结构，城域本地网多采用环形结构，接入网将是环形和星 形相结合的复台结构，如图2 7 所示【4 l 。 网状( m e s h ) 光网络同其他技术形式相比，更能体现w d m 技术的联网优势， 例如环形网同网状网相比就不能充分利用资源，实现网状光联网的主要优势可以 体现在以下几个方面： 在相同条件下的建设成本节省近2 3 ； 第二章波分复川技术 在相同条件下的建设成本节省近2 3 ： 动态波长指配，实现实时指配，以秒的量级进行服务传递，很快产生收益； 动态的光路恢复，毫秒量级的恢复时间： 共享保护路由的选择增多，减少用于恢复的网络资源，提高光网络基础结 构的利用率。 使用动态波长实现光层和i p 层的互联，光交叉连接节点可以动态的为阻塞 的路由器分配波长进行重新选路，还可以根据路由器的动态带宽请求重新 配置网络，以满足新的网络业务模式。这也是i po v e rw d m 网络中采用 w d m 网状网网络拓扑结构的主要原因。 第二章i p m p l so v e rw d m 技术 第三章 i p m p l so v e r 帅m 技术 在过去的二十年中电信行业见证了数据业务量史无前例的增长及对网络技 术发展无止境的要求；而光通信领域中w d m 的应用标志着通信新纪元的开始。为 使i p 业务得到更宽的带宽，更好的网络可扩展性及更有效的操作性，近几年对在 w d m 网中如何有效地传输l p 业务进行了许多研究。传统的i po v e rw d m 网络结构 拥有多层协议栈( 如i p a t m s o n e t w d m ) ，增加了网络开销和管理复杂度。这 使得i p m p l s 直接承载于w d m 光传送网的简单结构成为近期和未来重要的网络解 决方案【6 t 7 】。此外多协议标签交换( m p l s ) 、通用多协议标签交换( g e n e r a l i z e d m p l s ) 等技术的兴起和标准化，也推动了i p ，m p l so v e rw d m 网络的实现。本章 首先基于m p l s 等技术介绍i p m p l so v e rw d m 网络的形成及组网模型，然后介绍 了可重构网络下的三种交互方案。 3 1 1m p l s 技术 3 1m p l s 和g m p l s 技术简介 随着网络的发展，人们发现了i p 技术存在很多问题，如传输效率低、服务质量 ( q o s ) 无法保证、不具有流量管理能力等，需要更强大有效的控制方案。近来， m p l s 技术成为研究的热点，它被业界认为是当今数据网络领域内最有前途的网络 解决方案之一。 m p l s 8 1 的基本思想是对协议栈进行简化，实现网络层和链路层媒体的紧密结 合，为实现各种高层业务提供一个简洁而高效的多协议技术平台。多协议是指其 上层协议和下层协议可以是当前网络中存在的各种协议( 如网络层协议i p ，i p x ， a p p l et a l k 等。链路层协议a t m ，f r ，p p p 等) 。m p l s 对分组进行分类，使用标签 来标识属于同一转发类型的分组，并将其作为决定转发操作的唯一标志。m p l s 将 网络层路由和数据链路层交换通过标签很好地结合在一起，既保持了路由的灵活 性，又提高了路由器的转发效率。同时，通过在面向非连接的i p 网中引入面向连接 的机制，使得它可以很容易实现流量工程，提供q o s 。 m p l s 网络由标签边缘路由器( l e r ，l a b e le d g er o u t e r ) 和标签交换路由器 ( l s r ，l a b e ls w i t c h i n gr o u t e r ) 组成，它们是m p l s 网络的基本元素。每个路由 器都分为控制单元和转发单元两个部分：控制单元主要负责标签的分配、路由的 选择、标签信息库( l a b e li n f o r m a t i o nb a s e ，l i b ) 的建立、标签交换路径( l s p ， l a b e ls w i t c h i n gp a t h ) 的建立和拆除等；转发单元则根据标签信息库对收到的标签 分组进行转发。通过标签分发协议( l d p ，l a b e ld i s t r i b u t i o np r o t o c 0 1 ) 在l e r 和l s r p m p l so v e rw d m 网络路南算法研究 以及l s r 和l s r 之间分发标签信息。位丁网络边缘的l e r 运行o s p f 等路由协议。 根据得到的路山以及有关的q o s 参数，使用标签分发协议为数据流分配标签，建立 标签交换路径。在网络内部，l s r 只根据数据流携带的标签决定下一跳，实现标签 替换，完成转发功能。当数据分组到达网络出d l e r 时，标记被去掉以进行l 3 操 作。m p l s 的网络结构如图3 1 所示。 l s r 图3 1m p l s 的网络结构 m p l s 相比于传统的i p 网具有以下优点： ( 1 ) m p l s 在标签的定义下简化了数据转发过程，通过类似于一次路由多次交 换的力式大大提高了网络数据的传输效率。这种将路由和分组转发相分离的思想 可以使目前网络得到非常平滑的过渡，不需要改动现有的路由技术及设备，保护 了运营商的投资、节省了用户的费用。 ( 2 ) m p l s 最重要的优势也是最主要的应用是在流量工程( t e ，t r a f f i c e n g i n e e r i n g ) 方面。通过引入流量工程d l , $ ；i j ，可以实现网络的负载平衡、解决网 络拥塞并能极大的提高网络带宽的使用效率，提高网络传输质量，鼹终满足用户 日盏增长的对网络性能的要求。 m p l s 技术的上述优势推动了它在现有i p 网络中的广泛应用，并且其面向连 接的特性也有利于w d m 光网络承载i p 业务。m p l s 在l po v o rw d m 结构中的应 用包括两种情况：第一种是m p l s 与i p 层结合，实现i p 分组的快速转发和l p 层 上的流量管理，其中m p l s 并不涉及w d m 光层，光层采用独立的管理机制；第 二种是m p l s 与w d m 光网络层的结合，是将m p l s 中流量工程的控制平面的思 想应用于w d m 光网络中，用来指配端到端的光路建立。其中的标签对应于不同 的波长，这种应用被稔为多协议波长交换( m p k s ，m u l t i - p r o t o c o ll a m b d a s w i t c h i n g ) 。m p l s 对l 3 层数据流进行l 2 层快速转发，而m p l s 是对l 3 层数据 疯在l l 上实现直接转发。 第二章i p m p l so v e rw d m 技术 3 1 2m p ) 。s 技术和g m p l s 技术 m p x s 把m p l s 标签交换的基本概念应用到了光域，采用光波长作为交换的 标签，利用波长来寻找路由，并标识所建立的光路，为上层业务提供快速的波长 交换通道。光网络节点被看作是m p l s 设备，称为光标签交换路由器o l s r 。 m p 熔光嗣络边缘的电m p l s 设备一电标签交换路由器e l s r ，将小带宽的标 签交换路径整合到大容量的波长l s p l 锄b d al s p 中。m p l s 域的中间节点在 数据传输过程中不再进行任何电的标签处理，并且只有有限个标签处理操作在光 域完成。 随着网络的发展，人们又继续扩展m p l s 的外延和内涵，提出t g m p l s t g 的 概念。g m p l s 的特点在于通过扩展包含了s d h s o n e t 的时分复用接口、波长交 换接1 7 、光纤交换接口。将原m p l s 的标签扩展为通用标签，从而可以标识一组 光纤中的某一光纤、一个光纤中的一个波带、一个波带中的一个波长、一个波长 中的一个时隙。 m p l s 、m p l s 、g m p l s 一脉相承，m p l s 是这个体系的基础，主要适用于 数据9 回络的分组交换：m p a s 将m p l s 思想扩展到了光网络中，提供波长光路级 交换能力；g m p l s 又在m f l s 的基础上进一步扩展，将m p l s 思想应用到t d m 时隙、光波长组、光纤等，m p l s 成了g m p l s 的一个子集。g m p l s 是i po v e rw d m 网络控制技术的发展方向，但就目前应用的网络设施来看近期内实现g m p l s 较 为困难因此它也非本文的研究重点。 3 2i p m p l so v e rw d m 网络的出现 3 2 1i p m p l so v e rw d m 网络协议栈的演进 i p m p l so v e rw d m 网络结构的形成也经历了从四层结构到两层结构的演化 过程。如图3 2 所示【1 “。可以看出，随着技术的发展和业务的变化，四层结构中 的独立a t m 层和s d h 层将会逐步消失，但其基本功能不会消亡，将会分别融入 i p m p l s 层和w d m 层中去。整个功能结构层次将变得更加简单，趋向扁平化的两 层结构， 最左边是一种经典盼结构。数据业务的提供需要经过四个功能层的处理。首先 将业务映射进i p 包，再封装进a t m 信无，a t m 信元再映射进s d h 层，最后转换为 光信号在w d m 光层上传送。这种经典的四层功能结构在相当长时间内仍然是无法 避免的。然而，随着网络中i p 2 1 k 务逐渐成为主导业务后，这种结构正暴露出日益严 重的内在缺陷。首先，在这种结构下，带宽的支配十分麻烦。不仅需要很长的人 i p m p l so v e rw d m 网络路由算法研究 工配置时间，而且带宽的支配受限_ 丁每一设备的可用带宽。即便绝大多数的设备 有空闲带宽可用，但四层结构中任意一层的任意单个设备的带宽瓶颈，都可能限 制整个网络的带宽或容量的可扩展性。其次，这四层结构在功能上是重叠的，其 带宽分为四种完全不同的粒度，即i p 包、a t m 信元、s d h 帧和w d m 波长，实际应 用却不需要这么多粒度，而且每一层都带有其它相邻层的功能，特别是保护恢复 功能，几乎层层都有，造成十分复杂乃至可能冲突的局面。最后，随着数据业务 量的带宽达到2 5 g b s 甚至1 0 g b s 后，各层中不少为语音业务设计的功能成为多余。 因此，目前的研究重点是由开销较大、功能重叠的多层协议向更为紧密的i p m p l s 直接到w d m 的集成化方向发展。 i p a t m s d h w d m 圉罡 四层结构三层结构两层结构 图3 2i p m p l so v e rw d m 协议栈的发展过程 鉴于m p l s 技术和基于波长级的光联网技术的发展和进步，人们自然想到了能 否将m p l s 技术和光网络技术结合起来，在数据网范畴内，由m p l s 流量工程控制 层来执行至关重要的选路、监控和网络生存性，也就是使f f j m p l s 来提高网络性能 和执行流量工程，同时由光网络来提供w d m 传输和波长路由的光层“电路级”联 网技术。这就促使了i p ，m p l so v g rw d m 技术的出现。 3 2 2i p m p l so v e rw d m 网络结构 在i p m p l so v e rw d m 网络结构中包含两个网络层次，一个是i p m p l s 层，另 一个是w d m 光层u 。光层的物理拓扑是由光纤链路连接的n 个光交叉连接节点 ( o x c ) 组成，这里假定每条光纤链路都包含两根传输方向相反的光纤，每根光 纤上有w 个波长，每个波长的容量为吉比特级。光层以光路( 1 i g h t p a m ，也称为信 道，c h a n n e l ) 的形式为标签交换路由器l s r 提供端到端连接，这里考虑的光路是 单向的，带宽粒度为波长级。光路是电终结的，即光路的源宿节点都是电域设备 l s r 。组成一条光路的各光纤链路可以采用同一波长( o x c 不具备波长转换能力) 或不同波长( o x c 具备波长转换能力) 。i p m p l s 层的逻辑拓扑由光路连接t 拘l s r 第三章i p m p l so v e rw d m 技术 构成，冈此光路又称为逻辑链路( 1 0 9 i c a ll i n k ) 。l s p 请求是i p m p l s 层的业务形 式，其路径由显式路由决定，并通过信令协议建立。 i p m p l so v e rw d m 网络中高性能的i p m p l s 路由器通过核心光网互联。光 层不能处理单个i p 分组，它只能以具有固定带宽的光路形式向i p 层提供连接。 由于采用m p l s 技术，i p 业务流从入口l s r 通过类似虚电路的l s p 传输到出口 l s r 。l s p 的请求带宽通常显著低于光路的容量，它们甚至具有不同的带宽粒度 ( l s p 业务流一般为几十兆到几百兆，而光路的容量是波长级的，甚至可以到达 4 0 g b i t s ) 。为了有效地利用网络资源，不应该为每条l s p 分配一个独立的光路， 而是要将多条低容量的l s p 复用( 或称之为疏导) 到大容量的光路上。 3 3 基于i p m p l so v e rw d m 技术的组网模型 i p m p l so v e rw d m 技术和网络结构的发展，总体上可以分为三个阶段： i p m p l so v e r 点到点w d m ( i p ，m p l so v e r p o i n t t o p o i n tw d m ) 、l p ，m p l so v e r 配 置w d m ( i p m p l so v e rp r o v i s i o n e dw d m ) 和i p m p l so v e r 可重构w d m ( i p m p l s o v e rr e c o n f i g u r a b l ew d m ) 1 1 2 。可以看至0 在w d m 技术的角色从点到点传输技术发 展为网络技术的同时，i p m p l so v e rw d m 网络结构也发生了相应的进化，其组网 模型更加灵活并易于传送l p 数据流。 3 3 1i p m p l so v e r 点到点w d m 在i p m p l so v e r 点到点w d m 网络结构中，标签交换路由器l s r 通过多波长光 纤链路互联。如图3 3 所示，在这种结构中邻居标签交换路由器之间的接口是固定 的。图3 4 更为详细地插述了标签交换路由器间互联的细节。在i p m p l s o v e r 点到 点w d m 网络结构中，网络拓扑是确定的，网络的配置也是静态的。其管理系统也 是典型的集中式管理，i p 网络与w d m 光网络之问的交互很少。 图3 3i p f m p l so v e r 点到点w d m 网络结构 i p m p l so v e rw d m 网络路南算法研究 多波长与 邻居l s r 相连 接入接口 g f l 3 4i p m p l so v e r 点到点w d m 网络l s r j f f 联模型 多波长与 邻居l s r 相连 3 3 2i p m p l so v e r 配置w d m 和i p m p l so v e r 可重构w d m 在i p m p l so v e r 可重构w d m 结构中，l s r 上的路由器接口与w d m 层上的光 交叉连接器的端口相连，如图3 5 。一个o x c ，0 j 以在其任意的输入输出端口间建立 交叉连接。图3 6 表明l s r 是如何与o x c 相连的。在这种结构中，o x c 由多波长光 纤连接成网状网。通过适当地配置o x c 可以将给定的某个l s r 接口与另一l s r 的任意接口相连。其结果是邻居路由器的互联接口是可重构的。 i p m p l so v e r 配置w d m 与i p m p l so v e r 可重构w d m 的网络结构类似，但不 同的是组成w d m 光网络的o x c 节点不具备可重构能力，它们只能完成固定波长的 交叉连接。光路的建立也是通过手工配置预先完成的，一旦建立将维持一段较长 的时间，不能