（计算机应用技术专业论文）下一代光网络中多粒度交换技术的研究.pdf

重庆邮电大学硕十论文 摘要 数据业务量的飞速增长以及光纤传输能力的大幅度提高，对光网络中的交换 结构和交换技术提出了更高的要求，多粒度光交换技术因此应运而生。无论从技 术的角度看，还是从运营者的角度来看，多粒度光交换技术都能够满足网络发展 的需求。在技术和市场的双重驱动下，多粒度交换技术逐步成为了光通信领域的 热点。而多粒度光交换技术的研究热点则集中在多粒度光交叉连接结构和波带路 由算法的研究上。 论文首先对现有的多粒度的光交叉连接结构进行了分析和比较。总结了不同 结构的特点，并从交换端口数目上比较了传统o x c 结构和m g o x c 结构。其次， 由于现有的结构主要考虑节省交换端口，而没有从整个光网络的角度去考虑成本 的问题。因此，从光网络整体的角度出发，考虑光网络中光器件对于光网络成本 的影响，提出了一种波长波带共享转换池的结构，将同时需要转换的波长或波带在 共享转换池中进行转换。从而减少光网络中波长转换器的数量，进一步降低了光 网络的成本。 最后，对于另一个研究热点波带路由进行了研究。论文比较了已有的多 粒度交换网络中的路由和波长分配算法的差异和优、缺点，发现现有的算法大多 从减少交换端口数目方面考虑，很少考虑波带中的波长资源利用问题，基于此提 出了一种波带路由算法。该算法从最大限度的利用波长资源，同时减少阻塞率的 角度出发考虑问题，以满足现有的业务请求的同时尽可能的为下个业务请求留出 足够的资源为思想。建立了仿真模型，进行了仿真。仿真结果表明，提出的算法 符合预期的想法，能够有效的减少阻塞率。 总的来说，论文具有以下贡献点： 1 提出了一种波长，波带共享转换池结构，其优势在于减少对波长转换器的需 求。基于该成果已申请国内技术发明专利一项。 2 基于波带中波长资源利用率较低的问题，提出了一种高效的波带路由算法， 其优势在于充分利用波带中的波长资源，减少业务请求阻塞率。 关键词：多粒度光交换，多粒度光交叉连接结构，波带交换，波带路由 重庆邮电大学硕十论文摘要 a b s t r a c t t h e r a p i dg r o w t ho f d a t at r a f f i ca n dt h el a r g es c a l ee n h a n c e m e n to f o p t i c a l f i b e r s t r a n s m i s s i o n a b i l i t yh a v eb r o u g h tf o r w a r dh i g h e rr e q u e s tt oo p t i c a ln e t w o r k ，s o m u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g ye m e r g e da st i m e sr e q u i r e b o t hf r o mt h e t e c h n i c a lp o i n t ，o rf r o mt h eo p e r a t o r sp o i n t , m u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n g t e c h n o l o g yw i l lb ea b l et om e e tt h ed e m a n df o rn e t w o r kd e v e l o p m e n t i nt e c h n o l o g y a n dm a r k e td r i v e n ，m u l t i g r a n u l a r i t ys w i t c h i n gt e c h n o l o g yg r a d u a l l yb e c a m et h e h o t s p o to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d a n df o c u so fi tw a sa r c h i t e c t u r eo fm g o x c a n dw a v e b a n dr o u t i n ga l g o r i t h m f i r s t l y ，t h ep a p e ra n a l y z e da n dc o m p a r e dt h ee x i s t i n ga r c h i t o c t u r eo fm g o x c s u mu pt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f f e r e n ts t r u c t m e s ，a n dc o m p a r e dn u m b e ro f s w i t c h i n gp o r to f t r a d i t i o n a lo x c a n dm g - o x c s e c o n d i y a st h ee x i s t i n ga r c h i t e c t u r e o fm g o x cm o s t l yc o n s i d e rt h er e d u c t i o ni nn u m b e ro fs w i t c h i n gp o r t s ，n o tf r o m e n t i r eo p t i c a ln e t w o r kw h e nc o n s i d e r i n gt h ei s s u eo fc o s t t h e r e f o r e ，f r o mt h eo v e r a l l o p t i c a ln e t w o r k ，t a k ei n t oa c c o u n te f f e c to fo p t i c a ld e v i c e so no p t i c a ln e t w o r kc o s t s ， p r e s e n t sa r c h i t e c t u r eo fw a v e l e n g t h w a v e b a n ds h a r i n gc o n v e r s i o np o o la n dc o n v e r t w a v e l e n g t ho rw a v e b a n dw h i c hn e e a ：i sc o n v e r ti nt h es h a r i n gc o n v e r s i o np 0 0 1 i tc o u l d r e d u c eq u a n t i t i e so fw a v e l e n g t hc o n v e r t e ri no p t i c a ln e t w o r ka n df u r t h e rr e d u c et h e c o s to fo p t i c a ln e t w o r k s f i n a l l y , s t u d i e da n o t h e rh o t s p o t - - w a v e b a n dm u t i n g w ed i s c u s s e da n dc o m p a r e d t h ed i f f e r e n c e ，m e r i t sa n dd i s a d v a n t a g e so fe x i t i n gr o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t a l g o r i t h m si nw a v e b a n ds w i t c i l i n gn e t w o r k s w ef o u n dt h a tm o s te x i s t i n ga l g o r i t h m c o n s i d e r e dr e d u c i n gn u m b e ro fs w i t c h i n gp o r t sa n dr a r e l yc o n s i d e rt h eu t i l i z a t i o no f w a v e l e n g t h r e s o u r o f si nw a v e b a n d s ow ep r e s e n t e dan e ww a v e b a n dr o u t i n g a l g o r i t h m f o rt h i sr e a s o n 1 1 1 ca l g o r i t h mc o n s i d e r e di s s u ew i t hm a x i m u mu t i l i z e d w a v e l e n g t hr e s o u r c e sw h i l er e d u c e db l o c kp r o b a b i l i t y i t sm a i ni d e ai sm e e t i n gc u r r e n t i r a t ! f i cr e q u e ga sp o s s i b l ew h i l er e s e r v i n ga d e q u a t er e s o u r c e sf o rn e x tr e q u e s t w eb u i l t s i m u l a t i o nm o d e la n ds i m u l a t e di t t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o wt h a tt h ea l g o r i t h m e x p e c t e dt om e e tt h ei d e at or e d u c et h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t ye f f e c t i v e l y o v e r a l l ，t h ep a p e rh a sf o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n s ： 1 p r e s e n ta r c h i t e c t u r eo fw a v e l e n g t h w a v e h a n ds h a r i n gc o n v e r s i o np o o l ，i t s a d v a n t a g ei sr e d u c i n gd e m a n do fw a v e l e n g t hc o n v e r t e r s b a s e do nt h er e s u l t , w e 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a p p l i e dp a t e n to f p r ct e c h n o l o g i c a li n v e n t i o n ( o p e nn u m b e r i sc n 1 9 0 9 7 4 1 ) 2 b a s e do nl o w e ru t i l i z a t i o no fr e s o u r e 2 so fw a v e l e n g t hi nw a v e b a n d ，p r o p o s e a ne f f i c i e n tw a v e b a n dr o u t i n ga l g o r i t h m ，i t sa d v a n t a g el i e s i nu s i n gr e s o u r c eo f w a v e l e n g t hi nw a v e b a n df u l l y , a n dr e d u c e sb l o c k i n gp r o b a b i l i t yo f r e q u e s t k e yw o r d s ：m u l t i g r a n u l a ro p t i c a ls w i t c h i n g ，m u l t i - g r a n u l a ro p t i c a lc r o s s c o n n e c t ( m g o x c ) ， w a v e b a n ds w i t c h i n g ，w a v e b a n dr o u t i n g 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆 邮电太堂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谢 意。 学位论文作者签名：套痞；工 签字同期：初口7 年月2 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废邮血太堂有关保留、使用学位论 文的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆鲣血太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：痞瓶；工 导师签名：7 疗争行 签字日期：施7 年6 月 z 日签字r 期：t ，哆年月同 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着i n t e r n e t 技术的普及和发展，全球数据业务量呈现出爆 炸式增长趋势，i n t e r n e t 接入、i p 电话、多媒体应用、电子商务、数字电 视等新型数据业务层出不穷。发展迅速的各种新型业务对通信网的带宽和 容量提出了更高的要求，现有的网络渐渐显得有些力不从心。而光纤有着 巨大的频带资源和优异的传输性能，是实现高速率、大容量传输的最理想 的物理媒质，所以人们把目光投向了光领域，寄希望通过光网络的发展来 解决现有的带宽和容量的问题。 随着密集波分复用( d w d m ) 技术的日趋成熟，光网络的传输容量不 断提升。正在建设中的d w d m 系统将采用8 0 0 ( 3 b i t s 系统。甚至在未来升 级到1 6 t b i t s i ”，可以满足业务流量传输对带宽和容量的要求。然而，在 传输能力提高的同时，网络节点处理速度慢又成为了网络发展的瓶颈，下 一代的光网络节点应该具有t b i t 级的处理能力，这对节点的结构提出了极 高的要求。 网络带宽和容量的发展导致了节点中光( 光电) 交叉连接矩阵规模( 即 端口数目) 的迅速增加，这使得节点的成本以及对其管理和控制的难度随 之增加。传统的光节点设备一般在光层采用基于波长单粒度的交换结构方 案。由于所有光路信号都必须适配到波长级别进行处理，其核心是一个超 大容量的波长交叉连接矩阵。目前提出的解决方法包括两种，采用了光电 转换方式的o e o 方案和全光交换的o o o 方案1 2 i 。前者受到电交换能力 以及光电转换速度的限制，设备升级扩展性差。后者受到光器件发展水平 的限制，无法制造出实用的大规模交叉矩阵，而采用小规模的交叉矩阵又 会面临交叉矩阵数量巨大的困境。同样增加了成本。另一方面，对网络业 务流量的研究表明，很大一部分业务在节点无须进行较小等级粒度的交 换，而可以在较大粒度层次上直通。因此，人们希望光网络中的节点能具 有灵活的交换能力，通过在多个粒度层次上进行有选择地分层交换，光节 点的结构可以大大简化，端口数能够减少，设备的成本随之显著降低。 多粒度光交换技术的概念最早出现在2 0 0 0 年。其含义是指在同一光 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 节点内可同时进行光纤交换、波带交换和波长交换。多粒度光交换技术可 以通过带宽容量在不同粒度层面上的灵活分配，在满足整体容量需求的同 时，借助对节点传送结构的优化设计简化了设备功能，降低了成本，更加 符合未来光网络应用的实际特点，是一项崭新的光网络节点技术，也是下 一代光网络传送平面的关键技术。 1 2 研究现状 在国际上，许多通信设备制造厂商看到多粒度交换网络巨大的市场潜 力，相继投入力量开发此类产品。比如：朗讯( l u c e n t ) 公司作为多粒度交 换技术积极倡导者之一推出了智能全光交换机l a m b d a r o u t e r ，基于 m i c r o s t a r “”3 dm e m s 技术，实现了多粒度的光交换，能够随时动态地提 供服务和波长管理功能；c i e n a 公司研发的m e t r o d i r e c t o r 和c o r e d i r e c t o r 智能光交换机，分别用于城域网和长途骨干网，这种交换机遵循o i f 的 u n i1 0 和i e t f 的g m p l sr s v p t e 标准，支持从t d ms t s 1 到波长一 级的多粒度上的交换：加拿大a c c e l i g h t 网络公司以及日本n t t 公司在 s u p e r c o m m 上推出的太比特g - m p l s 光交换机，支持来自租用线、光波长、 s o n e t 环的信号的优先级划分和交换；在多粒度的交叉连接设备方面，阿 尔卡特( a l c a t e l ) 公司也研制出了能够支持波长、波带以及光纤级交换的交 叉连接结构，这种交叉连接设备的样机己经在月麦、挪威、比利时和法国 的实际网络中得到了实际应用。a l c a t e l 还曾向i e t f 提交过一份“光多粒 度体系结构框架”草案垆1 ，阐明多粒度光交换的概念和指导思想，虽然该 草案己经失效，但思想己被传承。近期，韩国电信又向i e t f 提交了“扩 展g m p l s 支持多粒度光交又连接设备”的草案。 在国内。多所著名高校以及大型通信公司也正在从事多粒度光交换网 络设备的跟踪研究与丌发工作。北京大学提出了种基于标签的多粒度光 交换机结构j ，由多粒度光交换模块、电的控制器和信令代理组成，可以 实现l x l 的光纤交换、p ( l - i ) 个波带或波长组的交换、n ( l i ) 个波长的 交换，还可实现若干波带及波长上下路。上海交通大学研究了一种多粒度 混合光网络的自动交换控制方法，采用多个接口交换能力描述符表示链路 的多粒度疏导能力，各节点链路状态使用路由协议通告。 此外，由于多粒度光交换技术的前瞻特性，国内外的理论研究也在多 方面展开，主要围绕多粒度交换的节点结构、波带交换、基于g m p l s 的 控制技术等方面展开。 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 纵观国内外的研究情况，多粒度光交换技术的研究热点集中在多粒度 交换的节点结构和波带交换的路由两个方面。在节点结构方面，国内外的 研究多数只从端口数量方面考虑，只是关注节点内部结构的设计优化，很 少关注节点与网络整体的结合，没有考虑网络中波长转换的问题；在路由 方面，人们大多只考虑成本和阻塞率，却很少考虑到波带的利用率问题。 本文针对节点结构和路由现有研究的不足，提出了考虑整体网络中波长转 换问题的节点结构以及主要考虑波带利用率的路由算法。 1 3 依托项目及论文主要研究内容 多粒度光交换技术是近年来光通信领域研究的热点，对多粒度光交换 技术的研究具有巨大的经济及现实意义。本论文的研究是在国家“8 6 3 ” 项目一“动态灵活的光网络体系结构与关键技术研究”( 编号： 2 0 0 5 a a l 2 2 3 1 0 ) 的支持下展开的，研究内容属于该项目中的“智能的超高 速多粒度光交换关键技术”这一子项目。 本文的主要内容分为以下几点： 研究了多粒度光交换技术的背景知识。其中包括多粒度光交换技术 发展现状；多粒度光交换系统的结构；多粒度光交换的关键技术。 在研究现有的多粒度光交换系统结构的基础上，结合现有光网络的 特点，提出了改进的多粒度光交换系统结构。 研究了现有的多粒度光交换技术中的波带交换及波带路由，提出了 一种改进的波带路由的算法，来改善网络的阻塞率，提高网络的资源利用 率。 1 4 论文的组织结构 论文的整体结构包括五章，其中： 第一章是绪论，主要介绍了研究的背景知识以及所依托的研究课题； 第二章介绍了多粒度光交换技术的基础知识。包括：波带交换光网络 及波带交换的各项技术，多粒度光交换系统的结构，多粒度光交换技术中 的路由技术。 第三章在研究现有的多粒度光交换体系结构的基础上提出了一种针 对现有的光网络的特点的改进的多粒度光交换体系结构，分析了这种结构 的特点和功能。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第四章介绍了现有的波带交换中的波带路由算法，分析和探讨了现有 波带路由算法的优缺点，并在此基础上提出了一种波带路由算法，并通过 仿真验证了该算法的性能。 第五章总结了整篇论文，概括了论文的内容和结构，提出论文的不足 以及需要进一步研究的问题。 4 重庆邮电大学硕十论文 第二章多粒度光交换技术 第二章多粒度光交换技术 2 1 多粒度光交换技术概述 近年来，在爆炸性增长的互联网i p 数据业务的强大推动下，光网络技 术得到了迅猛的发展。以密集波分复用( d w d m ) 为基础构建核心的光传送 网( o t n ) 满足了业务对大带宽、高速率的需求，同时也暴露出了传统的光 网络与现有的互联网发展不相符的地方。 光网络传输能力的大踏步前进一方面满足了互联网业务爆炸性发展对 网络带宽的需求，但是同时也对网络节点的提出了更高的要求。传输带宽 的提高使得网络中节点的光( 光电) 交叉连接矩阵规模( 即交换端口数目) 的迅速增加，造成节点的成本和对节点的管理和控制难度也随之增加。然 而，传统的光网络一般采用基于波长粒度的单级交换结构。在目前的技术 水平的制约下，无法制造出单粒度的大容量的光交叉连接矩阵。因此，只 支持单粒度的光节点交叉规模有限，成本高，灵活性差，扩展困难，无法 满足光网络对大容量，高速度，多粒度，灵活性等多方面的要求。 而从另一方面看，对网络业务流量的研究表明，相当一大部分的业务 ( 占到业务总量的6 0 8 0 ) 在节点无须进行较小等级粒度( 如：子波长、 波长) 的交换，而可以在较大的粒度层次( 如波带、光纤) 上直通。因此， 人们希望光网络中的节点能具有灵活的交换能力。伴随着智能光网络 ( a s o n ) 和通用多协议标签交换( g m p l s ) 控制技术的出现，结合了空分、波 分以及时分等多种交换方式的多粒度光交换技术应运而生。多粒度光交换 技术【7 1 是在2 0 0 0 年左右提出的，其含义是指在同光节点内可同时进行光 纤交换、波带交换和波长交换，而多粒度光交叉连接结构喁j 是多粒度光交 叉交换的核心。通过在多个粒度( 子波长、波长、波带、光纤) 层次上进 行有选择的分层交换，光节点的结构可以大大简化，减小了设备体积和功 耗，端口数减小，设备的成本随之也显著降低。 多粒度光交换主要基于波长、波带、光纤三种粒度进行交换。多粒度 光交叉连接器可通过下列方式减少波长级交叉连接器的规模，从而降低交 叉连接器的整体成本： ( 1 ) 多个波长可被分为一组作为个波带，多个具有同样路由的波 长通道可由一条波带通道( 也称为波带隧道) 进行承载，一个波带在交叉 5 重庆邮电人学硕士论文 第二章多粒度光交换技术 连接器中可作为一个单独的单元由波带交叉连接器进行交换。因此，当一 条波带隧道跨越多个中间节点时，在波带隧道的中间节点处，可直接由波 带交叉连接器同时实现一个波带隧道内多个波长通道的交换，而无需经过 波长交叉连接器。 ( 2 ) 当一个波带中承载的多个波长通道具有相同的源节点时，则在 这些波长通道的源节点( 同时也是波带隧道的起始节点) 处，可直接将这 些波长通道复用进入一个波带实现上路，而无需经过波长级的交叉连接 器。 ( 3 ) 当一个波带中承载的多个波长通道具有相同的宿节点时，则在 这些波长通道的宿节点( 同时也是波带隧道的终止节点) 处，可直接将波 带隧道解复用为多个波长通道实现下路，而无需经过波长级的交叉连接 器。 ( 4 ) 一根光纤中包含多个波带，多个具有同样路由的波带通道可由 一根光纤隧道进行承载，一根光纤在多粒度交叉连接器中可作为一个单独 的单元由光纤级交叉连接器实现交换。因此，当一条光纤隧道跨越多个中 间节点时，在光纤隧道的中自j 节点处，可直接由光纤级交叉连接器同时实 现一个光纤隧道内多个波带通道的交换，而无需经过波带级和波长级的交 叉连接器。 ( 5 ) 当一根光纤承载的多个波长通道具有相同的源节点时，则在这 些波长通道的源节点( 同时也是光纤隧道的起始节点) 处，可直接将这些 波长通道复用进入一根光纤实现上路，而无需经过波长级的交叉连接器。 ( 6 ) 当一根光纤中承载的多个波长通道具有相同的宿节点时，则在这 些波长通道的宿节点( 同时也是光纤隧道的终止节点) 处，可直接将光纤 隧道解复用为多个波长通道实现下路，而无需经过波长级的交叉连接器。 通过以上这些方式，可以灵活的满足不同粒度的交换的需要，对于一 些无需经过波长级的业务，可以直接通过较大粒度交换传输，这样不仅 降低了节点的交换复杂度，而且可以减少节点整体的交换成本。 总的来说，多粒度光交换技术具有以下一些突出的优点： 简化节点结构，降低设备成本： 具有智能的多粒度控制系统和管理平台用于支持多粒度交换的实现； 支持流量工程及业务疏导功能，可有效提高网络资源的利用效率； 具有灵活的保护恢复能力，使网络在出现问题时仍能维持一定质量的 业务，可实现业务的快速恢复； 可以为用户提供多种粒度的新型业务，诸如按需带宽( b o d ) 业务和光 6 重庆邮电大学硕士论文第r 二章多粒度光交换技术 层虚拟专用网( o v p n ) 等。 目前国内外对于多粒度光交换结构的研究主要是在多粒度的交换结 构和基于多粒度交换结构的路由算法两个方面进行。 2 2 波带交换光网络 波带交换光网络是多粒度技术在光网络中的具体应用和实现，其主要 思想是把几个波长分成一组，作为一个波带，然后使用一个波带端口来交 换这个波带。相应的，波带交换网络中的光节点结构中只存在波带和波长 两级交叉矩阵。波带交换光网络可通过减少波长交换矩阵的端口数目来减 少光交叉连接( o x c ) 的复杂性。例如，当有n 1 个波长的连接请求从源端s 到目的端d 时，如果在波长交换网络中，则所有的中间o x c 节点都至少 在它的波长交换矩阵中有2 m 个波长端口：但如果是在波带交换光网络中， 假设一个波带中存在m 个波长的话，则中间的多粒度o x c 对于这些请求 只需有2 个波带端口，可大大节约节点的端口资源。 2 2 1 波带交换方案的分类 拌b 群w 图2 1 波带交换方案图 根据光纤中的波带数( b ) 是否固定，可以把波带交换( w a s ) 方案分为固 定和可变两大类【9 i ，如图2 1 所示。每一类又可以进一步根据波带中的波 ， 重庆邮电人学硕士论文 第二章多粒度光交换技术 长数( w ) 是否固定进行分类。对于固定的w 值，还可以进一步根据波带中 的波长组是预先确定的( 也就是有一组确定的波长子组) 还是自适应的( 可 以动态配置) 来进一步分类。通常，波带可以按照实际应用中不同的标准 划分，例如可以按l ，c ，s 波段来划分，也可以在c 波段内进行波连续或 者问插选取方式来划分波带等。 2 2 2 波带聚合机制 在波带交换网络中，波带通道的起始节点需要通过波长交叉矩阵 ( w x c ) 把波长汇聚成波带，终止节点把此波带分解成波长，而在它们之间 整个波带作为一个实体传输，中间节点只对其进行波带级而无波长级的交 换。由此可见，波带通道至少有两跳距离，且至少存在一个仅进行波带交 换的中间节点。 在静态业务模式下，网络的业务需求和业务路由都是预先知道的，则 在建立波长光通道时，按照波长通道绑定到波带通道的方式可以有四种不 同的策略： 同源同宿( s s s d ) ：只把具有相同的源和目的( s - d ) 的波长业务( 如 图2 2 中业务t l 和t 2 ) 进行组合，绑定到同一波带通道： 波长业务l ( t i ) s s s d s 1 - , - - - - r - - i ：- - + ! - - - i - 一, d 1 波长五( t 2 ) 、， 。 图2 2s s s d 组合策略示意图 同源不同宿( s s d d ) ：把具有相同的源( s o u r c e ) 而目的( d e s t i n a t i o n ) 不同的业务绑定到相同的波带通道中，如图2 3 所示； 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章多粒度光交换技术 不同源一同宿( d s s d ) ：把具有相同的目的而源不同的业务绑定到相 同的波带通道中，如图2 4 所示； s s i d d 丁2t i 回名书目目一国 垃静通道玉) 垃长j i ki t 2 ) _ 与i 一? 一铡 ! i = 骨f = 划一 d s - s d 母口； 倒i 屯予1 1 8 j - 一曰1 图2 3s s d d 组合策略示意图 ft 渡长通道 ，坟带逼遵佃口) i 咂 j 年于皇8 7 i 曰一- i 固= l i 一 图2 4d s - s d 组合策略示意图 不同源不同宿( d s d d ) ：也叫做子路径组合，即把具有相同的子路 径( 从任何一个源节点到任何一个目的节点) 的业务分为一组，绑定 到同一条波带通道中，如图2 5 所示。 通常，在静态业务下建立连接的优化目标是所使用的网络资源( 例如， 波长数) 最小化，而在波带交换网络中其目标是使用的节点端口数和波长 数最小化。如果选用的是固定路由，则其优化目标就只是要求使用的端口 数最少了。在上述四种组合策略中，前三种策略容易计算所需要建立的波 带通道，但是并不是最优化的。只有当光通道能组合成较长的波带通道时， 9 ，丹 重庆邮电大学硕十论文 第二章多粒度光交换技术 这些组合策略节约的端口数才会大大减少，其优势才能体现出来。第四种 d s - d d 策略实际上包含了前三种策略中通道的组合方式，它是最有效的， 因为它更具有灵活性，并且可实现资源的最优化，但同时它也是最复杂的 一种算法策略。人们通常会使用整数线性规划( i l p ) 等最优化方法来建 立相应的数学模型，实现静态业务下多粒度网络中端口资源的最优化。 d s d d 波带通道( 8 4 ) 司= 兰= 巨 。苫b x c 1 一l kl 厂目二：竺二巨 l 撼三 仁i = l l ：! r ll ： 图2 5d s d d 组合策略示意图 i 屯予j ：予j 在动态业务模式下，根据网络中选定业务路径上资源的不同状态，可 为新来业务建立波长光通道主要有三种不同的方式： a 1 ：新建逐跳的波长通道，即在光路径上的每一个节点中业务都要解 复用进入w x c 层，进行波长的交叉连接，这样的话，一个波长业务所新 占用的波长和波带端口数较多； a 2 ：新建从源到目的的波带通道，其中的波长业务嵌入到此波带通道 中，这样中问的节点只需要进行波带交换，则此波长业务占用的新的波长 端口数减少； a 3 ：利用此波长业务路径上的己有波带通道，则由于嵌入进了已有的 波带通道，此新来的波长业务新占用的端口数最少。即新建立的波长通道 使用已有的但未被占满的波带通道，使得网络中已被占用的波带端口资源 得到充分的利用，保证了后面的业务能够有足够的资源建立连接。 由此可见，这三种方式对于新来的波长业务来说新增占用的端口数依 次减少。对于动态业务网络来说，其路由和资源分配算法的目标通常是网 络阻塞率的最小化，而波带交换网络中波长连接的建立有波长资源和节点 端口两个因素的限制，且两者是相关联的，有空闲波长端口则说明有空闲 波长，但反之则不一定，故节点端口的限制占更重要的位置。因此，为了 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换技术 使网络阻塞率的降低就要求新增业务占用的节点端口尽量少，以保证后来 的业务能够有足够的端口资源可用。比较上面所述的三种方式，从a 1 到 a 3 ，新来波长业务所占用的端口依次减少，这样的话，可以按照a 3 ，a 2 ，a l 的优先级顺序来建立新来的波长业务。 另外，在波带交换网络中，考虑波长通道嵌入波带通道实现时，主要 遵循以下几条原则： 当一个已建立的波带通道中的波长没有被使用完时，其中的空闲波长 可以被新来业务所使用，但是新建立的波长通道不能终止于已有波带 通道的中间，它只可能整个地利用( 绑定到) 原有波带通道。 由于波带交换网络的节点中只有一定比例的波长交换能力。我们可假 设网络业务流量基本均匀，可把节点的交换能力均匀分布到链路上。 即沿着一个方向的光纤链路一定比例b 被分配用作波长交换，其余的 进行波带交换，这样算法实现能简化。 在一个波带通道里，一个波带里所有波长信道必须一起进行倒换。 由于讨论的是波长业务，因此在一个光通路的源和目的节点处必须进 入波长交叉矩阵进行业务的上下路。 一个波长业务通道可以经过多个波带通道。当一个光通路经过任意两 个通道时，在两个波带通道之间需要解复用到波长交叉连接( w x c ) 进行一次波长交换，这样，波带中的其他业务也要被组合或被拆开。 2 2 3 波带转换技术 波带转换和波长转换相似，但它们并不相同。w b s 网络中，虽然波长 转换确实给分组带来了方便，但完成波长转换需要每根光纤或每个波带首 先解复用到波长级别粒度，因此，这在一定程度上增加了端口数目。换句 话说，为了减少m g o x c 的端口数目，我们不应再通过简单的使用波长 转换以弥补在w r n 中不当的波长分配，即使波长转换本身并不增加成本。 因此，我们必须在w b s 网络中开发波带转换技术【l ，这并不同于w r n 网络中有限制的波长转换。在w r n 网络中，波带岛中不仅指定的波长需 要转换到另一波带b ，中相应的波长，而且在波带岛中的其他波长也需要同 时转换到b 中的相应波长。例如，假设每个波带中有2 个波长 厶， b o ， 五，五 岛， ，五l e6 2 。这时，通过波带转换，把波带b o 转换到波带岛或 6 1 ，这与有限制的波长转换是相似的。也就是说，厶只能被转换到如和丑， a 只能转换到五和 。不同之处在于，通过波带转换我们可以迫使岛将凡转 重庆邮电大学硕士论文 第二章多粒度光交换技术 换至五，或者也可以将 同时转换到五，如图2 6 所示。 旯。 彳 力： 一- 旯， ( a ) 有限波长转换 图2 6 波带转换技术 2 3 多粒度光交换节点结构 ( b ) 波带转换 多粒度光交换节点结构是多粒度光交换技术的两个研究热点之一。多 粒度光交换网络与传统光网络的最大不同就在于节点的交换结构。传统的 光网络的节点结构一般只支持波长单粒度的交换，而多粒度光交换网络中 的节点结构可以支持光纤、波带、波长三级粒度的交换。现有的多粒度光 交换节点结构主要分两类：多层结构和单层结构。在多层的节点结构中， 每个输入端口信号都能实现各个粒度层次的交换，而每层交换粒度的连接 都有一定比例进入下一层进行更细粒度的交换；在单层结点结构中，每个 输入端口的连接交换能力是固定的，或者是光纤级、或者是波带级、或者 是波长级的。多粒度光交换网络中的节点结构重点考虑的是交换的灵活， 提供多种粒度的选择；还要考虑的就是减少交换端口数量，节省交换成本。 在多粒度光交换节点结构的具体实施方案中，需要综合考虑下述特点 进行相关的结构设计。 阻塞设计 在w d m 光网络中，连到节点的光纤链路可能是几条到几十条，单纤 配置的光波长通道可能是几个到上百个，由于同一光纤内的多个波长间不 需要交又连接，因此把所有波长不加区分而进行波长级的无阻交叉连接会 浪费掉大量的交叉连接资源。光纤级、波带级的引入则可以避免在单一波 长粒度上对超大容量全无阻交叉矩阵的需求，从而降低了节点实现的复杂 度。此外，通过在节点内部对所有端口间交换能力的要求进行合理的阻塞 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换技术 设计，还可以进一步减小交又规模。通过在不同粒度带宽的信号之间优化 合适的分插比例，则可以在基本不损伤网络处理灵活性的同时大大提高节 点设备的性价比。 模块设计 模块化设计是节点结构灵活性的基础。对多粒度光交换节点而言其模 块化的结构设计尤为重要，特别是支持不同粒度层内交换和层间适配的模 块化结构。此外，对于光交换节点中一些昂贵的单元器件，如波长变换单 元、光信号再生中继单元、色散管理单元、功率管理单元、性能监测单元 等，通过节点的模块化设计可有效提高器件的共享水平。 可扩展设计 多粒度光交换必须是可扩展的交又结构。通过合理的模块化设计可以 达到上述目标。重点设计光模块的在线升级能力，这样可以做到在不中断 光节点业务的前提下提高其交换的灵活性。 可重构设计 可重构性是多粒度光交换节点的另外一个主要特征。可重构性依赖于 节点的交叉连接水平。重点在于光层的无瞬断切换能力，可以起到降低节 点交换规模、提高节点处理灵活性的作用。 2 4 多粒度光交换的波带分配和路由算法 多粒度光交换网络中的路由和波长( 波带) 分配算法是另一个多粒度 光网络的研究热点。路由控制是体现多粒度智能交换网络中动态选路、流 量工程等功能的核心部分。路由控制技术主要完成两个核心功能：实时更 新网络路由及链路资源信息、响应系统信令请求并返回满足要求的路由信 息。 采用多粒度交换技术之后，交换节点不必把所有的输入光纤都解复用 到单个的波长，因此可以大大降低光模块的数量，从而降低节点的成本。 但o x c 成本的降低是以牺牲灵活性为代价的：在m g o x c 中并不是所有 光纤或波带内的波长都可进行上下路，或是自由交换到其它光纤或波带中 去。波带的情况与波长相似。在节点灵活性稍有下降的情况下，为了提高 网络资源的利用效率，降低网络的阻塞率，设计一种好的路由与资源分配 策略是非常重要的。 在传统光网络中，有多种路由和波长分配算法( r w a ) 存在【l i o 在动态 环境下，波长分配在连接请求到达时进行，r w a 算法的典型目标就是要减 重庆邮电大学硕十论文 第二章多粒度光交换技术 少连接请求的阻塞率：而在静态环境中，连接请求集合是预先知道的，目 标是要最小化使用网络波长资源。 但在多粒度交换网络中，由于其网络设计的特点决定了这两个传统的 优化目标不再完全适用。因此，我们需要考虑的是网络设备成本、网络流 量负载以及网络运营收入等优化目标。目前，有多种针对多粒度业务的路 由和分配算法提出i ”j 。例如，适合于动态业务的动态通道分配( d t a ) 算法 1 2 】和适合于静态业务的负载均衡静态通道分配( c b s t a ) 算法等【13 】。 2 5 小结 本章主要是对多粒度光交换技术的基本概念以及目前多粒度光交换 技术的研究热点进行了描述。 首先，介绍了多粒度光交换技术在光网络中的具体应用一一波带交换 光网络。介绍了波带交换光网络中的各项技术：波带组合方案的分类，波 带聚合机制，波带转换技术。 其次，介绍了多粒多光交换技术中的两个热点一一多粒度光交换节点 结构和多粒度光交换的波带分配和路由算法。简单介绍了多粒度光交换节 点结构的分类及交换方式、多粒度光交换节点结构的设计应该考虑的问 题。对多粒度光交换环境下的波带分配和路由算法的产生及应该解决的问 题进行了简单的描述。 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第三章多粒度光交换节点结构 3 1 引言 第三章多粒度光交换节点结构 多粒度光交叉连接结构( m g o x c ) 的出现最初是为解决光传送网日益 增加的容量对光交换矩阵的高要求而提出的。它通过引入多粒度的交换机 制，有效的减少交换机的端口，节约交换节点的成本和减少体积、功耗等。 配合a s o n 中采用的通用多协议标签交换技术( m p l s ) ，更灵活的提供多粒 度交换能力，构建适应下一代光传送基础网络。 光纤、波带和波长以及其他粒度的引入可以避免在单一波长粒度上对 超大容量全无阻交叉矩阵的需求，从而降低节点实现复杂度l 】。多粒度光 交换节点的出现，不仅可以减少光交叉连接器( o x c ，o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ) 中的交换端口数量，从而简化0 x c 的结构，节约成本；而且具有较好的 可扩展性，提高网络的资源利用率。本章主要分析了现有的多粒度光交叉 连接结构，比较传统0 x c 和m g 0 x c 的交换端口数目，提出一种可共享 使用转换池的改进结构。 3 2 现有的多粒度光交叉连接结构分析 多粒度光交叉连接结构最大的特点就是可以大幅度的减少光交换矩 阵的规模。随着密集波分复用( d w d m ) 技术的发展，一根光纤中可以传 输的波长数越来越多。随着业务量的不断增长，预计未来核心光网络中， 一根光纤中可以有成百上千个波长进行传输。假设某节点处有2 0 根输入 光纤，2 0 根输出光纤，每根光纤中有1 0 0 个波长同时传输，如果采用普通 的o x c 进行传输，那么需要2 0 0 0 个输入端口，2 0 0 0 个输出端口，以及 2 0 0 0 x 2 0 0 0 的光开关矩阵。如果0 x c 包括本地上下路的功能，那么这个数 目还要大些。而采用多粒度的光交叉连接结构后，可以大幅度的减少交换 端口的数量和交换矩阵的规模。 现有的多粒度光交叉连接结构分为单层和多层两种结构，下面对单层 和多层结构分别进行分析。 重庆邮电大学硕士论文第三章多粒度光交换节点结构 3 2 1 单层多粒度光交换结构及端口数目 文献1 1 4 j 提出了一种单层多粒度光交叉连接结构。从图3 1 中可看出， 光交叉连接矩阵在逻辑上分成光纤交叉连接( f x c ) 、波带交叉连接( b x c ) 、 波长交叉连接( w x c ) 三个部分。解复用器包含两级，最外面的是波带