（通信与信息系统专业论文）wdm光网络虚拓鲁棒规划算法研究.pdf

摘要 摘要 随着全球“信息高速公路”的发展，以及宽带视频、多媒体、网络游戏等业 务的日益兴起，特别是i n t e m e t 业务的快速增长，对广域骨干网的带宽提出了越来 越高的要求。因此在有限的网络资源下，如何合理的配置、有效的利用光纤网络 资源，适应新业务的需求，是当今网络设计面l 临的一个重要问题。近年来，在许 多研究领域，如口网络中，n 资源配置、可扩展大规模交换结构，以及并行计算 机互联的研究人员陆续提出了许多新的网络设计方法或者资源配置方法。其目标 是在业务量矩阵不确定的情况下，如何配置网络节点之间的路由和带宽资源，使 得全网络资源得到最佳利用，并尽可能满足何种业务请求。这种在业务量矩阵不 确定的情况下的网络设计方法被称为“鲁棒设计”氓o b u s td 翳i 韶) 。作为通信骨干 网，w d m 网络已成为重要的基础设施，并提供吉比特( g i g a b i t s ) 或者太比特 ( t c r a b i 锯) 级的容量。本文将主要研究在业务量矩阵不确定的情况下，如何设计 规划w d m 光网络虚拓扑，优化网络资源，提高网络性能，主要包括以下部分： ( 1 ) 基于高斯分布业务矩阵下的虚拓扑鲁棒设计。主要包括两个部分：以最 小拥塞为优化目标的虚拓扑设计和以最小时延和时延抖动为优化目标的虚拓扑设 计。作为w d m 光网络设计的一个经典问题，虚拓扑设计问题已有大量的研究成 果。但是传统的设计方法都是基于精确业务矩阵，不适合不确定业务矩阵下的要 求。本文第二章首先将每个用户的实际业务需求描述为一特定的概率分布，并假 设用户之间的业务需求独立并具有相同的概率分布。因此，根据中心极限定理， 骨干网节点之间的业务需求为呈高斯分布的随机变量。根据这一业务模型，本文 引入了p 百分数来描述光路上的负载。并以减少网路拥塞为优化目标，引入不确 定因子，提出了新的启发式算法m m u d a 。本文第三章在高斯分布业务矩阵的 基础上，针对p 业务的特点，以分组传送的最短时延和最小时延抖动为优化目标， 提出了新的启发式算法w ) k 相对于传统的算法，w ) a 算法的核心思想是将 节点对间的业务量和物理链路的长度结合起来用以决定光路的搭建，同时将节点 间的跳数和路径长度结合用以决定最短路径。通过该算法得到的网络结构，具有 较小的时延和时延抖动。 ( 2 ) 基于h o s e 模型下的虚拓扑鲁棒设计。在w d m 光网络中，h o s e 模型给 出了流入，流出传送网节点的业务上限，但没有说明各个节点对之间的具体业务量。 摘要 近年来l g a n t 提出的负载平衡思想可以很好的适应口动态业务的特性，而且 其内在的多路径特性使得网络的生存性、业务的可恢复性得到了保障。但是v 矾i a n t 负载平衡思想需要全连接的网络拓扑。但w d m 光网络由于波长等资源的限制， 几乎不可能提供全连接的虚拓扑结构。在v a l i a n t 负载平衡两条选路网络的基础上， 本文第四章将主要研究以使全网代价最小为优化目标，用全网流代价为判决标准， 从全网n 个节点选出m 个节点做为两条选路虚拓扑结构的转发节点，进而完成基 于h o 业务模型下虚拓扑的构建。此虚拓扑设计方法具有良好的性能，搭建的网 络具有较小的网络代价和数据具有较短的时延。 本文的第五章介绍了仿真和计算工作，对仿真程序进行了简要的介绍。第六 章为全文总结。 关键词：鲁棒设计，、釉m 光网络，虚拓扑设计，不确定业务 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht 量l ed “e l 叩m e mo fi i 面加a t i o ns o c i e t y ，i ti sa 伊e a tc h a l l e n g ef - o rb a c k b o n e n e t w o r kt op r o 们d eh u g ea v a i l a b l eb a i l d 埘d t l lt os u p p o r tv a r i o u ss e r v i c e ss u c h 勰d e o o nd e r n 觚d ，m l l l t i m e d i aa n di n t e m e te n t e n 洳e mw h i c hh a v e b e e ng r e a t l ye x p l o i t e d 锄dc a l l s er a p i di n c f e a s ei i li m e r n e tn a m c t h 璐，i tr c q u i r c sr c a s o n a b l ec o n f i 黜t i o n 锄du l 妇l a i cu t i l i z a t i o l lo fb a c k b o n en e t w o r k ，r e c e n t l y ，al o to fn o v e lm e 幽o d sf o f n e t w o i kd e s i g n dc o n f i 母l r a t i o nb a v eb e e np r o p o s e d t h e s ed e s i g nm e m o d sa i l l lt o m a k eb e s tu s eo ft l l ew h o l en e h r o 】r kr e s o u r c e sb yp m p e d yc o 砌j g i | r i n gr o u t i n gs c h e m a a 1 1 dd i s 仃i b u t i i l gb a l l d 晰d t hr o b i l s tt ot r a 衢cd e m a l l du n c e r t a i n t i e sm l dm u sa r et e m l e da s f o b u s td e s i 驴”m 劬o d 缸a 卯i c a lb a c k b o n en e 咖o l 乜w d mo 砸c a ln e 咖r kh a s b e e nt 1 1 ei m p o n a n tf i i n d a m e n t a li 面咖t u r ea n dc 锄p r o v i d eb a i l d w i d t l ic a p 曲i l i t yi i l t e h n so fg i g a b i 协o r1 h a b i t s h lt l l i st 1 1 e s i s ，t 1 1 er o b u s td e s i 印o fv i r t l l a lt o p o l o g yf o r w d m o 砸c a ln e 咖) r k 、】l ，i l lb ee x p l i c m ye x p l o r e d 1 1 1 em a i nf o c u so f t l l i st h e s i si n c l u d e s f o l l o 诮n g 铆op a n s ： ( 1 ) r o b u s td e s i 弘o f v i n l l a l t o p o l o g ) ，u n d e r 仃a 捕cd e m a i l do f g a u s sd i s 劬u t i o n t h i st o p i ci n c l u d e s 似，op a r t s ：o n ei st od e s i g nv i r t l l a it o p o l o g yi no r d e rt o m i l l i m i z e 也en c t w o r kc o n g e s t i o n 卸dm eo t l l e ra i m st om i i l i m i z et h et i m ed e l a ya n d j m 盯1 1 1t h ep a 豇t h ev j r h l a lt 叩0 1 0 9 yd e s i 印b a s e do ns l a b l e 仃缅cm 枷xh 船b e e n e x p l i c i u ya i l a l y z e d h o w e v e r i ti sn o ts u i t a b l et oa p p l ys u c ht m d i t i o n a lm e t l l o d st ot 1 1 e u n 吲【a i l lt r a f f i ci i l a 砸x h l c h a p t e r2 ，e a c hu s e r s 仃a m cd e m a n di si d e n t i c a l l y c h a r a c t e r i z e db yac e 砌i np m b a b i l i 哆d i s t r i b u t i o na t l di n d 印e n d e n t e a c ho t l i n u s ， 也e 仃a 佑cd e m a n db e 如硷e nn o d ep a j sj nb a c k b o n en e t w o r kc a 】1b ec m r a c t e r i z e db y 0 躺sd i 嘶b 嘶o na c c o r d 啦t o c t r a jl i m i t 也e o 砌1 ”a d d i t i o n a l l y pp c r c 酬i l ei s 印p l i e dt 0d e s 甜b e 吐l e 仃a m cl o a do nl i g h t p a 也c o n s e q u e n t l y ，b a do nm i n i i i l i z m g n e t 、】l ，嘲【c o n g e s t i o n ，an o v e lh e i | r i s t i ca l g 耐t h mc a l l e di d m l ：r c i ai sp r e s e n t e d h c h a p t e r3 ，w ep r 0 1 ) o 辩锄0 1 1 1 e rh e l | f i s t i ca l g 商t h mc a j i e dw v d a 叻t h eb 鲫i so f m i n j m i z i n g 在m ed e l a y 锄dd e l a yj m e rt oa c c o m m o d a 把t i l er c q u i r e m e n to fi ps c r 们c e s c o m p a r e dt 0 仃a d i t i o i l a la l g o f i t l l i l l ，w v d al l s e s 协ep r o d u c to f 仃a m cd e m 肋da n d d i g t a l l c eb 曲w e e l ln o d ep a i r si nd e s c e n d i n go r d e rt od e t e r n l i n et h el i 曲t - p a t l la n dt 1 1 e i l t a b s t r a c t p r o d u c to f h 叩c o u n ta i l dd i s t a n c eb e 铆e e nn o d ep a i r st od e t e r i i l i n et l l es h o r t e s tp 甜lo n p h y s i c a lt o p o l o g y a p p l y i n gw v d a t od e t e m l i n ev i 巾m it o p o l o g y 、 ，ec a ng e ts m a i l e r 蛀m ed e l a ya n dd e l a yj i t t e r ( 2 ) r o b u s td e s 咖o f v i m i a it o p o l o g yu n d e rh o s et r a 伍cm o d e l h o s em o d e l 西v e sm et r a 筋cu p p e r b o u n do fn o d ep a i r s 锄dn o ld e t a i lt h et r a 舒c d e m a l l db e t 、e e ne a c hn o d ep a i f r e c e n t 坟t h el o a db a i a l l c ep m p o s e db yl - gv a l i 觚t c 肌e 衔c i e n t l ys u p p o r t 也ed y n a m i ci ps e r 、，i c ea 1 1 dc a l lp r o v i d eg i l a r a l l t e eo nn e 咖r k 戳】i v a b i l 时锄ds e r v i c er e c o v e r a b i l i 够h o w e v i ti sn e a r l yi n l p o s s i b l et o s e tu p 伽1 - c o 衄e c t e dl i g l l t - p a mi nw d mn 咖，o r kd u et ol i l l l i t e dr e s o w c e sw h e na p p l y i n g v a l i a n t sl o a db a l a i l c e h lc h a p t e r4 ，w c 洫v e s t i g a t e 也ep r o b l e mo f 枷l d t m g c o 啦e 仃吐v ev i m l a it o p o l o g yl l l l d c rt 1 1 eh o s eu n c e r t a i nm o d e l b 撇d s p e c i a l d o u b l e - h o pr o u t i n gn e t w o r ka r c h i t e c 呲，w ep r o p 0 靶ar o b u s td e s i 弘a l g o r i t i l l i lo f v i m l a 】咄纠o g yc a l 】e di s r l b ，w h i c hi sd e v e 】o p e d 疗o ms i t l b i s l 也bm a i n t a j l l st h e r e s i l i c n c ep r o p e n i e so f 、i a i i t sr l b ，a n dh 嬲t h ea d v 柚t a g ci nt e 姗so f d e i a y 趾d j i n e l a d d i t i o i l a l l y i s r l ba c h i e v c st l l ec o s tr e d l l c d o nc 伽呻a r e dt os r l bo nt h es i m l l l a t i o n n e t w o f kt o p o l o g y i nc h a p t c r5w eb r i e n yi n 仃o d u c es i m u l a t i o np r o 掣锄s f 岫l l y ，w e 洲m m a r i z cm e p a p e r k e o r d ：r o b u s td e s i g n ，w d mn 咖o r k ，v i m i a lt o p o l o g yd e s i 驴，锄仿cu n c e r t a i m i e s 简略字表 a s o n a s t n d w d m d x c g i ，t d a h l d a 玎m i j d a h f 口 i s r l b h u 坷 m ，p 0 a d m 0 b s 0 m 0 p s o t n o x c q o s r l b 露箨篮 s d h 简略字表 a u t o m a t i cs w i t c h c d0 p t i c a ln c 啪r k a u t o m a t i cs w i t c h e dt r a n s p o r tn c t 、o r k s d e n s ew h v e k n g t hd i v i s i 叽m u l t i p l e x i n g d i 西t a lc f o s sc 0 枷l e c te q u j p n 把n t g r e c d y o g i c a l1 b p o i o g yd e s i 朗舢9 0 删恤 h c u r i s t i ch 百c a lt o p o l o g yd e s i 萨甜g o r i t h m i n l p m v c dd e c r c 勰i i 培m u n i - h 叩 l o g i c a l t o p o l o g yd e s i 印a l g o r i t b m h n e m e te n 西n e e r i n g 协kf o r c e i n t e m e tp m t o c o l i m p r o v e d s e l c c t i v e r a n d o m i z e dl o a d b a i a i l c j n g 玎ut e l e c o m m u n i c a t i o ns t a l l d a r d i z a t i o ns e c t o f m i 】【e d - i n t e g e r 【j n e 缸p r o 舯m i n g 0 p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x c r 0 p t i c a lb u r s ts w i t c h o p t i c a li n t e m e t w o r k i n gf o 兀l m o p t i c a l p a c k e ts w i t c h o p t i c a lt r a n s p o r tn e 咐o r k 0 p t i c a lc 协s sc 0 皿e c t q u a h t yo fs e n r j c c s r a n d o m i z e dl d a db a i 她c i i i g r o u t 缸ga n dw 矗v e i c n 踟瓜s i 鄹【m e n t s y n c i 啪n o u sd i 西t a i 碰e r a r c h y 自动交换光网络 自动交换传送网 密集波分复用 数字交叉连接器 贪婪逻辑拓扑设计算 法 启发式逻辑拓扑设计 算法 降序多跳逻辑拓扑设 计改进型算法 因特网工程任务组 因特网协议 随机负载平衡改进型 算法 国际电信联盟远程通 信标准化组 混合型线性整数规划 光分插复用器 光突发交换 光联网论坛 光分组交换 光传送网 光交叉连接 服务质量 随机负载平衡 路由和波长分配 同步数字序列 简略字表 s o n e t s r i 卫 s v c t d m v p n w d m w r o n w v d a s y n c h r 0 u so p t i c a ln e t w o r k s e l e c t i v er a n d o m i z e dl o a db a l 锄c i n g s w i t c h e d n u a lc i r c l i “ 噩m ed i v i s i o nm u n i p l e 】【i n g r t u a lp r i v a i en e t w 0 1 r k w a v e l g t hd i v i s i m u l t i p l c x 吨 w 打e l e n 垂hr o u t e do p t i c a ln e 脚o r k w j i g h t e d - t r a 蚯cv i n u a ld e s i 舯舢g o r i t h m 同步光网络 选择随机负载平衡 交换虚电路 时分复用 虚拟专用网 波分复用 波长路由光网络 加权业务虚拓扑算法 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 坠堑 日期：沙7 年f 月珏日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名：盘查导师签名： 李永氏 日期：扫r 口7 年r 月2 乙日 第一章绪论 第一章绪论 随着全球“信息高速公路”的发展，以及宽带视频、多媒体、网络游戏等业 务的日益兴起，特别是i n t e m e t 业务的快速增长，对广域骨干网的带宽提出了越来 越高的要求。因此在有限的网络资源下，如何合理的配置、有效的利用光纤网络 资源，适应新业务的需求，是当今网络设计面临的一个重要问题。近年来，在许 多研究领域，如母网络中v p n 资源配置、可扩展大规模交换结构，以及并行计算 机互联的研究人员陆续提出了许多新的网络设计方法或者资源配置方法。其目标 是在业务量矩阵不确定的情况下，如何配置网络节点之间的路有何带宽资源，使 得全网络资源得到最佳利用，并尽可能满足何种业务请求。这种在业务量矩阵不 确定的情况下的网络设计方法被称为“鲁棒设计”偎o b u s td e s i g n ) 。作为通信骨干 网，w d m 网络已成为重要的基础设施，并提供吉比特( g i g a b i 协) 或者太比特 ( t e 蛆b i t s ) 级的容量。本文将主要研究在业务量矩阵不确定的情况下，如何设计 规划w d m 光网络虚拓扑，优化网络资源，提高网络性能，以适应信息社会发展 的需求。为了便于读者对后续研究有更好的理解，本章首先介绍了w d m 光网络 的发展情况，然后引入w d m 光网络虚拓扑设计技术，接着介绍当今网络鲁棒性 课题的研究动态，最后简单介绍全文的组织架构和对w d m 光网络虚拓扑鲁棒设 计研究所做的贡献。 1 1w d m 光网络发展概述 1 1 1w d m 技术的产生及其发展 当今社会已经进入到信息社会，信息社会正在改变我们的思维，生活等各个 方面。在信息社会中，人们对信息的依赖与需求一直呈高速增长趋势，尤其是因 特网的迅猛发展，以及万维网，视频点播，网络游戏，口t v 等各种新业务的出现， 使带宽的需求呈快速增长趋势，在半导体行业证明是可行的摩尔定律，即微处理 器的速度可以每1 8 个月就翻一番，已经不能适应因特网中业务量( 主要为数据，还 包括话音和视频) 的增长，据统计，这些业务量以每6 个月就翻一番的速度在增长， 这就对传统的骨干网络提出了巨大的挑战。传统的骨干网络使用的是s o n e t s d h 技术。传统的s o n e t s d h 技术以特定的传输速率( 2 5g b ，s 或1 0 g b s ，将来渴望 电子科技大学硕士学位论文 提高到4 0 g w s ) 在光纤中1 5 5 0 啪附近的单个波长信道上传输数据，传输带宽的增 加只能单纯依靠提高单个波长的传输速率来实现。s o n e t s d h 技术需要电的时分 复用( t d m ) ，而电领域的处理速度由于受量子理论的限制，提高的速度有限，目前 认为4 0 g b ，s 是单个波长最高实用化的速率，这些都使传统的s 0 n e t s d h 技术越 来越不能适应数据网络发展的要求。光的波分复用( w d m ) 技术正是顺应此潮流而 生的产物【1 】【2 1 【3 1 。 w d m 技术由于能充分利用光纤的巨大带宽，正在成为骨干长途网中最具吸引 力的技术。光纤的带宽可以达到几十1 吲s ，w d m 技术可以把光纤巨大的带宽划分 成许多不相重叠的波长信道，每个波长信道占用一个波长，波长信道的速率在目 前电信号处理的速率极限内，在光纤中可以同时传送多个波长信道的数据。目前 商用化的为每光纤3 2 个波长，最高达到1 6 0 个波长，实验室已达到1 0 0 0 个波长【4 j 。 w d m 技术的普遍应用主要得益于几点： ( 1 ) 光器件和系统价格的下降导致电信骨干网络的设计产生巨大改变，在以往 的设计规划中，鉴于光器件的昂贵，都是尽量少用光器件而多用电器件，而在过 去的十年中，随着光设备和系统的不断进步，w d m 设备的价格不断下降从而推动 其商业化。 ( 2 ) i n t e 鼢娓t 网络中数据业务量爆炸性的增长，使网络承运商在网络的各个 部分，从接入到核心都面l 临严重问题。 ( 3 ) w d m 技术的发展，提高了每条光纤可承载的波长数，同时每个波长信道 承载的速率也得到提高。这些都极大地推动了w d m 网络的进一步发展。 上个世纪九十年代以来，随着“信息高速公路”的建设，世界发达国家都在 逐步引入w d m 设备，美国各大长途电话公司已经在其骨干网络中基本实现w d m 传输【5 1 。我国从1 9 9 7 年开始引入w d m 设备，同时也在进行w d m 网络的设备的 研发和制造，目前光通信的发展己经初具规模。中国电信在多条省级光缆干线上 已经使用了w d m 技术，在2 0 0 0 2 0 0 4 年间又将采用w d m 技术对我国“八纵八 横”光缆网进行改造和升级嘲。2 0 0 0 年l o 月2 8 日，中国网通开通宽带高速互联 网c n c n e t 该工程一期工程己建成8 4 9 0 公里，1 0 6 个中继站，贯通了东南部的1 7 个重点城市，网络总传输带宽高达4 0 g b s 。目前点到点的w d m 传送技术已经成 熟，并且已经大量在长途千线和海底光缆系统中使用。已经有许多公司研制出一 些成熟的产品，如日立的a m n 6 0 0 0 ，朗讯的w 撕s 协ro l s 4 0 0 g 以及北电网络的 m u m w a v e l e n g t ho p t i c a lr e p e a t e r ( m o r ) p l u ss y s t e m 等，这些w d m 产品可以处理 的数据传输速率高达3 2 0 g b i 体或4 0 0 g b 彬s 。 2 第一章绪论 1 1 2 从点对点传输系统到w d m 智能光网络 w d m 点对点传输技术提供的丰富带宽资源使以光网络传输和交换海量的互 联网业务成为可能。同时，光子技术的不断成熟使在w d m 层直接处理光信号、 建立和动态分配光通道、快速恢复与保护成为可能，并将推动高效、稳定、灵活 和能充分利用w d m 传输技术提供丰富带宽资源的新一代光网络的建设1 7 8 州 普通的点到点波分复用通信系统尽管有巨大的传输容量，但只是提供了原始 的传输带宽。为了将传统的点到点w d m 所提供的巨大原始带宽转化为实际组网 可以灵活应用的带宽，需要在传输节点处引入灵活的光节点实现光层联网，构筑 光传送网( o t n ) 。波分复用技术不仅仅可以充分利用光纤中的带宽，而且其多波长 的特性还具有光通道直接联网的优势，为进一步组成以光子交换为交换体的多波 长光纤网络提供了基础。最常用的光网络节点主要有用于网间交叉连接的光交叉 连接器o x c 、能够提供本地业务上路和下路( a d d d r o p ) 功能的光分插复用器 0 a d m ( 如图1 1 所示) 。 ( a ) 光交叉连接器o x c( b ) 光分叉复用器o a d m 图l l 两个重要的网络节点设备 0 x c 的功能类似s d h 网络中的数字交叉连接器( d x c ) ，一个波长信道上的 信号直接交换到出口光纤的应波长上去( 如果没有使用波长变化器时，出口、入口 波长必须相同；如果使用了波长变换器，出口、入口波长可以不同) ，其具体实现 可以分为全光型o x c ( 无需进行光电电光转换和电信号处理，直接通过o x c 中 的光交叉矩阵交换到) 和非全光型0 x c ( 即需要进行光一电一光转换实现交换) 。 0 a d m 节点的功能也类似于s d h 网络中的分插复用器( a d m ) ，但也是直接以光 信号作为操作对象。o a d m 节点只需要选定具有本地业务的波长上下路，而其它 电子科技大学硕士学位论文 波长无阻塞地通过网络节点。由于具有灵活疏导能力的o x c 和0 a d m 可以将 不在本地下路的大量业务从光层旁路掉，因此不仅减轻了网络节点所要处理的业 务量，降低了对网络节点规模的要求，而且也降低了网络节点的成本。全光型 0 x c 、o a d m 具有灵活的可重构特性，使得网络具有了波长路由能力，在这种网 络中就可以提供端到端的波长通路( 或称为光路，l i g h tp 础) 的动态分配和恢复。这 是由于光交叉连接器o x c 、光分插复用器o a d m 等技术的不断进步和成熟，使 得光网络组网方式从点到点传输系统向w d m 联网的光传送网络发展。如图l - 2 所示【lo l l 1 2 1 。 露矿1 _ j点到点w d m ：线形系统l 卜国 图1 2 由点到点传输系统向w d m 光网络的演进 各种i p 数据业务的迅猛发展对带宽的需求不仅变得越来越高，而且由于m 业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切。 对网络带宽传统的方法主要靠人工配置网络连接，耗时费力易出错，不仅难以适 应现代网络和新业务提供拓展的需要，也难以适应市场竞争的需要。光网络必须 能够管理由d w d m 提供的巨大带宽容量，同时能够合理地指配用户的业务，能够 在业务节点之间快速建立光路连接，按照用户需求来分配带宽，同时对网络业务 提供保护和恢复能力，应该可以根据不同的用户需求在波长通道上提供不同的 q o s 服务和业务类型。一种能够自动完成网络连接的新型网络概念自动交换 传送网( a s t n ；i t u ts g l 3 命名为a s t n ，主要从高层描述) 应运而生，其中专门 以光传送网为基础的a s t n 又称为自动交换光网络( a s o n ；u ts g l 5 命名为 4 第一章绪论 a s o n ，主要从相对细节的结构描述) 自动交换传送网或自动交换光网络应运而生。 这是一种利用独立的a s l n ，a s o n 控制面，通过各种传送网( 包括s d h 或0 n d 来实施自动连接管理的网络。而具有智能特性的光网络通常被成为智能光网络， a s l n 从s o n 也是一种智能光网络【1 3 1 4 ，1 5 ，16 ，切。 智能光网络可以实现流量控制，允许将网络资源动态地分配给路由，缩短了 业务层升级扩容时间，明显增加了业务层节点的业务量负荷；具有可扩展的信令 能力集；快速的业务提供和拓展；降低了维护管理运营费用；快速的光层业务恢 复能力；降低了对用于新技术配置管理的运行支持系统软件的要求，只须维护一 个动态数据库，减少了人工出错机会；还可以引入新的业务类型，如按需带宽业 务、波长批发、波长出租、分级的带宽业务、动态路由分配、光虚拟专用网( o v p 等，使传统的传送网向业务网方向演进。目前，以i e t f 和i t u t 为代表的标准 化组织为智能光网络做了大量的研究工作，另外，还有光联网论坛( o p t i c a l i m e m e t w o r k i n gf o m m ，0 i f ) 等组织也在进行相关标准的制订工作。 1 1 3 光网络研究概况 w d m 光网络提供了一个经济、大容量、高生存性和灵活性的传输基础设施， 具有诱人的前景。在i p 数据业务的高速增长产生的带宽需求和w d m 传输技术提 供超大容量带宽资源的双重刺激下，光网络必须朝适于传输i p 等数据业务的方向 演进，建立一个更透明、更开放的传送平台，以使现存各种业务网络( 如：数据网、 电话网、电视网等) 的融合成为可能。自2 0 世纪9 0 年代以来，w d m 光网络技术 就一直是网络领域的研究热点，许多公司或组织将w d m 光网络编入各自的重要 研究计划之中。早在8 0 年代末期，欧洲就已经在r a c e 计划中将多波长传送网列 为主要研究目标，在随后的a c t s 计划中，又在欧洲各地建立一系列实验性的 w d m 光传送网，如泛欧光网( o p e n ) 、泛欧光子传送网( p h 0 1 o n ) 、城市光网 q 也1 o n ) 等。9 0 年代以来，美国d a r p a ( 国防部高级研究计划局) 资助了全光网 ( a o n ) 、光网技术联盟( o n t c ) 、多波长光网络洲o n e l ) 、国家透明光网 洲1 o 等几个大的研究项目，建立了一系列光传送实验网，如连接美国新泽西和 华盛顿的m o n e t ( 多波长光网络) 等，用于实验和验证各种新技术。加拿大政府 资助在1 9 9 7 年开始建设加拿大研究和教育h l t e m e t 骨干网c a n e t 3 ，其中采用的高 速路由器和w d m 设备直接相连的摩o v e rw d m 结构，开创了光互联网( 0 p t i c a l i m e m e t w o r k i l l 曲建设的先例。现在已经在建设c a n e t 4 。日本则是以大公司的投 电子科技大学硕士学位论文 资建设为主，如n t t 建立的o p n ，国际标准化组织i t u t 也正在积极制定有关光 传送网的建议。从1 9 9 8 年开始，w d m 光联网开始进入示范和实用化推广阶段。 我国的一些研究机构也开展了光传送网的研究工作。“七五”和“八五”期间， 中国“8 6 3 ”主题开展了光交换基础技术的研究工作，在“十五”8 6 3 计划中又开展 了光通信技术专题研究。1 9 9 8 年5 月，国家自然科学基金委员会又发布了重大项 目“w d m 全光网基础研究”，由我国的一些知名高校，如清华大学、北京大学等， 以及其它一些单位共同承担，这些单位在各自的领域都取得了可喜的成果，这无 疑将为我国全面推广w d m 光传送网技术奠定坚实的理论基础。1 9 9 9 年6 月，国 家高技术项目智能计算机主题、光电子主题和通信主题联合提出实施“中国高速信 息示范网( c a i n o n e d 研究开发项目，建立一个基于光因特网技术的高速信息 网实验环境，为以光因特网技术为代表的先进网络技术的研究、开发和测试提供 一个实验平台。2 0 0 5 年初，华为、北邮承担的8 6 3 重大项目“自动交换光网络分 层路由技术”在深圳通过验收。华为公司的a s o n 曾通过国际性的互通测试，参 加的厂商还有思科、北电、阿尔卡特、c i e l l a 、富士通、马可尼和s y c 锄o r e 等。2 0 0 5 年，烽火科技和上交大承担的8 6 3 项目“自动交换光网络节点设备研制与系统” 也通过了验收。此外，在8 6 3 支持下，清华大学的“大规模自动交换光网络试验 平台”通过了鉴定，中兴通讯公司也研制了a s o n 的节点设备i 1 8 训。 1 2w d m 光网络虚拓扑设计问题 1 2 1 虚拓扑和物理拓扑的联系和区别 网络中连接源目的电节点的透明逻辑链路由一系列通过光交叉连接设备互连 的物理光纤链路构成，这里称之为光路。光路是一种半永久通路，它们是随网络 状态的改变而改变。当两条不同的光路共享同一条物理链路时，它们需要使用不 同的波长。信息流在光路中传输时，光路的中间光节点对它不进行任何访问处理， 而只对它进行简单的交叉连接。网络所有的光路表达了节点之间的逻辑互连关系， 因而构成了网络的逻辑虚拓扑。 6 第一章绪论 ( a ) 物理拓扑( b ) 虚拓扑 图1 3 物理拓扑和虚拓扑 而物理拓扑则表示实际的物理网络结构，它表达了所有节点的物理连接关系。 如图1 - 3 ，即为一个网络的物理和构架在物理拓扑之上的虚拓扑。它们主要有以下 的区别【3 0 】： ( 1 ) 物理拓扑面向节点的物理连接，即光纤链路，虚拓扑面向节点的逻辑连接， 即光路； ( 2 ) 从传送网络层次模型上看，物理拓扑位于传输媒质层，虚拓扑位于通道 层； ( 3 ) 物理拓扑中的选路节点视为波分复用网络节点光部件的抽象，边代表光纤 链路；虚拓扑中的终端节点视为波分复用网络节点电部件的抽象，边代表光通道； ( 4 ) 物理拓扑中节点的物理度由与该节点有链路连接的节点数目和波长选路 开关的端口数量决定，虚拓扑中节点的逻辑出度和逻辑入度由该节点光发射机和 接收机数目以及电开关的端口数量决定； ( 5 ) 虚拓扑的结构可以不同于网络的物理拓扑，但是实现一个虚拓扑必须把它 嵌入物理拓扑中； ( 6 ) 物理拓扑设计是在保证网络传输性能的前提下，根据节点位置和可用部件 选择使建设费用和综合效益最适合的方案：虚拓扑设计是在物理拓扑基础上考虑 节点的业务分布情况，建立使信息传送性能达到最佳的结构方案。 光网络的结构划分为物理拓扑和虚拓扑的思想简化了组网设计过程，使设计 者可以依据不同的条件和面向不同的目标设计最佳的网络结构形式。分组网络的 7 电子科技大学硕士学位论文 虚拓扑设计问题尤其体现了光传送网结构的灵活性。在用分组业务光传送网中，节 点间的分组通信可以经过一个或多个光通道，称作分组信息在虚拓扑上的选径。虚 拓扑的结构设计、光路径在物理拓扑上的选路和波长分配以及分组选径过程统称 为网络的虚拓扑设计优化问题。确定最佳的网络虚拓扑结构和光路径选路方案，可 以充分利用有限数量的光收发机和可用的波长资源，最大可能地减小节点电上的 存储转发操作，使网络的性能指标得到优化。引入虚拓扑可以克服业务需求与网络 物理设计在目标和效能上存在的矛盾，对业务需求变化提供较强的适应性，并且 能够有效节约网络资源。 1 2 2 虚拓扑设计的意义 w d m 光传送网的设计目标是建立统一的传送平台，能够同时传输各种类型的 电信号。光传送网既可支持面向连接的电路业务，又可支持面向无连接的分组数据 业务。当传送不同类型业务信息时，光通道层自身的拓扑结构设计存在不同的特 点。 如果光传送网用于传送电路型业务，此时业务需求以单一波分信道的容量为 单位，通过路由选择和波长配置a r w a ) 过程建立用于业务传输的端到端光连接。 根据实际业务特点，又可具体分为静态业务和动态业务两种情况p o j 。 所谓“静态r 、张”问题，是指在网络物理拓扑已知条件下， 对一组固定的待 建光通道选择传输路由并分配波长。考虑到可用波长资源的有限性，此时光通道 层逻辑结构的设计应当以最小化所需波长数量为优化目标。 所谓“动态r 、”问题，是指在实时业务条件下的路由选择和波长分配优化 问题。此时光通道的连接请求是随机到达的，并且已建立的连接在维持任意一段 时间后会被撤销。根据上述业务特点，应当选择服务性能指标( 呼损率) 作为动态 r 、x 渔问题的优化目标。 如果光传送网用于传送分组型业务，因为分组业务和电路业务有着本质的区 别，所以在光层网络的优化目标和优化策略方面存在明显不同。由于目前在光域 识别地址信息的技术还不够成熟，因此要使在w d m 光网络上支持分组业务，其 中一种可行的办法就是采用光电结合的方式。也就是，采用透明的光层网络建立 光路进行透明传输，采用电网络层读取地址信息进行路由。如图1 3 ( a ) ，即为w d m 分组交换型光传送网的结构。图中的r l 、i 匕、r 3 、r 4 为光波长交叉连接设备， 它们负责建立光路传送光信号，由于它们根据波长信息而不是根据信号的路由信 3 第一章绪论 息进行交换，因此它们对信号不进行任何处理，所以它们构成了透明的网络层， 具体结构见图1 4 。图1 3 ( a ) 中的a 、b 、c 、d 分别为电交换设备，它们负责在信 息进人电域时或在信息进入另一条光路前对信号的地址信息进行处理并路由，它 们可视为透明网络层的访问节点。 图1 4 波长交叉连接设备结构 由于电节点的处理能力远比光节点低，而且光电及电光转换的代价较高，因 此使信号尽量在光域得到处理，减少电节点的转发次数显得很必要。 但是，在所有的电节点之间都建立光路是不可能川。因为设一个网络具有n 个节点，如果我们要在所有节点之间建立光路连接，则共需要建立n ( n 1 ) 条光路， 因此每个节点的出度和人度必须均为( n 1 ) ，但是网络的光节点的发射机和接收机 的个数有限，不可能随网络节点的个数的增加而无限地增加。而且当n 很大时， 为了支持这所有的n 0 1 ) 条光路，每根光纤中所要求复用的光波长数也将需要很 大。那么如何能在有限的网络资源下，建立一系列的光路使电节点的地址信息处 理次数尽量减少，这就归结到光网络虚拓扑的设计问题。支持分组业务的w d m 光传送网，其设计的核心是解决光网络虚拓扑设计的问题。 9 电子科技大学硕士学位论文 1 2 3 虚拓扑设计问题描述3 1 】 1 2 3 1已知条件： ( 1 ) 光纤网络的物理拓扑可以用加权的无向图g p ；( ve p ) 表示， v 代表顶点 集合，e d 代表边集，“无向”的含义是物理拓扑中的每条链路都是双向的。图中顶 点对应的物理实体是波长选路节点，边相当于连接节点的光纤链路，无向边则 意味着每条链路由两根光纤或同一根光纤上基于某种复用机制的两个独立的物理 信道构成。链路可以分配一定的权值，譬如两