光纤通信 第六章 光网络技术

第6章光网络技术光纤传感与通信网教育部重点实验室1内容提要：6.1光网络的发展概述6.2路由与波长分配6.3光网络的生存性6.4光网络的控制与管理26.1光网络的发展概述1网络现状2光网络的演进过程3光传送网31网络现状（1）不同的业务使用不同的接入网络电话业务：PSTN（PublicSwitchedTelephoneNetwork）公共交换电话网络IP：以太网电视：HFC网络导致各种业务网络重叠。41网络现状（2）基于SDH的骨干网分级复接：本地、地区和全国三级拓扑结构：环网自愈能力：时间长，几周~几个月。由于波分复用传输容量Tbps，导致电子瓶颈。56.1光网络的发展概述1网络现状2光网络的演进过程3光传送网62光网络的演进过程72光网络的演进过程多波长光网络：86.1光网络的发展概述1网络现状2光网络的演进过程3光传送网93光传送网提出背景：无法一步实现全透明光网。发展思路：从现有技术出发，逐渐演进。ITU-T：OpticalTransportNetwork,OTN；光传送网1）先发展透明子网（TransparentSubnet,TSN）；2）TSN之间光电处理后进行连接。103光传送网现在OTN结构：113光传送网分层结构：一个波长通道波长复用光纤传输123光传送网（1）光通路层（OpticalChannelLayer）功能要求：

1）光通路连接重组和网络选路；

2）光通路开销处理；

3）光通路监控功能；

4）网络的生存能力。

133光传送网（2）光复用段层（OpticalMultiplexingSectionLayer）功能要求：

1）多波长复用光信号的完整传输

；

2）重新安排光复用段

；

3）处理光复用段开销

；

4）为光复用段层的运行和维护提供检测和管理功能

。

143光传送网（3）光传输段层（OpticalTransmissionSectionLayer）功能要求：

1）提供传输功能

；

2）处理光传输段开销；

3）对光放大器或中继器的检测和控制功能

；

153光传送网光传送网（OTN）的发展趋势16内容提要：6.1光网络的发展概述6.2路由与波长分配6.3光网络的生存性6.4光网络的控制与管理176.2路由与波长分配1基本概念2路由子问题3波长分配子问题181基本概念波长路由：191基本概念路由与波长分配：RoutingandWavelengthAssignment，RWA。RWA问题定义：在给定一组需要在网络上建立的光路，以及给定最大可用波长数量限制的情况下，如何来决定具体的路径和分配合适的波长以使可建立的光连接最多（或使所需的波长数量最少，或使连接的阻塞概率最低）。

简言：为每一个光路选路，并给这些路径分配波长。201基本概念RWA问题分类：

1）静态RWA2）动态RWA静态业务配置动态业务配置211基本概念RWA问题限制条件：

1）波长连续性约束；

2）无波长连续性约束。无波长转换有波长转换RWA问题求解办法：严格求解：整数线性规划（IntegerLinearProgramming,ILP）近似求解：启发式算法。221基本概念启发式算法求解思路：分解为两个子问题；

1）路由子问题；

2）波长分配子问题。 启发式算法定义：一个具于直观或经验构造的算法。 可接受的花费（指计算时间或空间）下给出待解决组合优化问题每一个实例的一个可行解，该可行解与最优解的偏移程度不一定事先可以预料。236.2路由与波长分配1基本概念2路由子问题3波长分配子问题242路由子问题方法1：固定路由基本思想：无论什么时候，一个节点对之间的光路需求都用一条事先计算好的路径来承载。方法：如采用最短路径算法（Dijkstra算法）

优点：方法简单易用，复杂度低。缺点：负载不均衡，无保护功能。252路由子问题方法2：固定备份路由基本思想：为每个节点对事先多准备几条路径，而不是只准备一条路径。方法：

1）路由表中有到每一个目的节点的一定数量的固定路由；

2）主备路径部分重叠，也可以链路分离（link-disjoint）。

优点：降低了阻塞率，具有一定的保护功能。缺点：动态适应网络变化能力不足。262路由子问题方法3：自适应路由基本思想：根据当前网络状况，实时计算和选路。方法：

1）最不拥塞路径（Least-Congested-Path，LCP）；

2）跳数最小（最短路径）；

3）前K跳拥塞情况。优点：动态适应网络变化，性能比固定备份路由更好。缺点：计算复杂。276.2路由与波长分配1基本概念2路由子问题3波长分配子问题283波长分配子问题（2）波长分配子问题：1）静态分配方法：2）动态分配方法：图着色问题启发式方法图着色问题的方法：（着色的先后顺序如何确定？）1）最大最先：2）最小最后：波长连续性约束要求293波长分配子问题（2）静态波长分配：图着色法（最大最先）完成路由子问题：需要建立如图8条光路。波长连续性要求：重叠的链路不能使用相同波长。303波长分配子问题128374651）每条路径为图中一个点，并进行编号。313波长分配子问题128374652）路径之间如有重叠，进行连线。323波长分配子问题3）最大最先着色。1283746527514638不同的颜色代表不同的波长。33内容提要：6.1光网络的发展概述6.2路由与波长分配6.3光网络的生存性6.4光网络的控制与管理346.3光网络的生存性1基本概念2SDH网络中的保护技术3WDM网状网络中的保护与修复技术4网状网中基于环的保护方法5生存性路由与波长分配问题6动态修复技术351基本概念网络生存性问题：描述的是网络在出现故障或毁坏的时候，能否继续通信的问题。网络故障的可能性：硬件造成；软件造成。361基本概念解决网络生存性问题的办法：

1）保护（Protection）；

2）修复（Restoration）。故障恢复预先计算，提前预留动态计算单故障假设：（简化模型）

1）每次只有一个故障发生；

2）另一个故障发生之前，一个故障已经被修复了。共享风险组（SharedRiskGroup，SRG）单一故障可能会影响到的光信道的集合。如：一光纤中所有光波长信道；光缆中所有光纤。371基本概念SRG约束要求：

1）要求至少计算两条路径；

2）两条路径所从属的SRG必须没有重叠。光层故障恢复的必要性：链接故障是主要的故障形式共享风险链路组（SharedRiskLinkGroup，SRLG）

1）恢复速度快：容易检测到信号丢失或误码，几毫秒

2）效率高：一次可以恢复一个波长或光纤的所有连接。386.3光网络的生存性1基本概念2SDH网络中的保护技术3WDM网状网络中的保护与修复技术4网状网中基于环的保护方法5生存性路由与波长分配问题6动态修复技术392SDH网络中的保护技术自动保护倒换（AutomaticProtectionSwitching，APS）402SDH网络中的保护技术常见组网形式：自愈环（Self-HealingRing，SHR）类型：1）二纤单向路径倒换环（two-fiberunidirectionalpath-switchedring，UPSR）；2）二纤双向链路倒换环（two-fiberbidirectionallink-switchedring，BLSR/2）；3）四纤双向链路倒换环（four-fiberbidirectionallink-switchedring，BLSR/4）。

412SDH网络中的保护技术单向路径倒换环（UPSR）

结构：

保护方案：1+1缺点：资源利用率不高，有一半的容量专用于保护。未实现共享保护。双发选收

优点：简单、速度快。如何实现双向呢？422SDH网络中的保护技术四纤双向链路倒换环（BLSR/4）结构：

复用段倒换（spanswitching）：只有工作光纤断：切换到保护光纤上。环倒换（ringswitching）：工作光纤和保护光纤都断：切换到反向保护光纤上。保护方案：1:1是否需要这么多光纤连接呢？432SDH网络中的保护技术结构：

二纤双向链路倒换环（BLSR/2）保护方案：1：11：N同步选发选收442SDH网络中的保护技术保护带宽的空间重用

保护带宽共享被链路1、2共享456.3光网络的生存性1基本概念2SDH网络中的保护技术3WDM网状网络中的保护与修复技术4网状网中基于环的保护方法5生存性路由与波长分配问题6动态修复技术463WDM网状网络中的保护与修复技术WDM网状网（mesh网）

WDM环网相对于例：473WDM网状网络中的保护与修复技术两种典型的故障恢复机制：

1）保护（protection）：备用资源（路径和波长）是预先计算并且提前预留的，2）修复（restoration）：故障发生后，修复机制需要对每个被中断的连接都动态寻找另一路径以及空闲的波长对比：1）资源利用率：修复优于保护；2）恢复时间：保护快于修复。483WDM网状网络中的保护与修复技术保护范围分类：

1）路径保护；2）链路保护。路径保护特点：1）链路完全分离；2）备用资源利用率高；3）切换时间长。链路保护特点：1）链路部分分离；2）备用资源利用率低；3）切换时间短。保护链路工作路保护路工作路493WDM网状网络中的保护与修复技术保护资源利用率分类：

1）专用保护：保护路径所预约的资源是独占的，相互之间不能共享。

形式：1+1保护，工作路和保护路同时传输相同的信号。50保护资源利用率分类：

2）共享保护：备用资源是可以共享的。

形式：M：N保护，特例1：1保护，工作路正常时，保护路不传输信号或传优先级低的信号。3WDM网状网络中的保护与修复技术513WDM网状网络中的保护与修复技术保护资源利用率分类：

2）共享保护：M：N保护，M条工作路径共享N条保护路径。共享链路资源523WDM网状网络中的保护与修复技术保护按复原分类：

1）可复原的：工作路正常后，业务能重新被切换回工作路。2）不可复原的：工作路正常后，业务不能重新被切换回工作路。一般要求：

1）专用保护：无可复原的要求；2）共享保护：有可复原的要求。提高保护效率536.3光网络的生存性1基本概念2SDH网络中的保护技术3WDM网状网络中的保护与修复技术4网状网中基于环的保护方法5生存性路由与波长分配问题6动态修复技术544网状网中基于环的保护方法网状网与环网保护的比较：1）恢复时间：环网比网状网快；2）资源利用率：网状网比环网高。提高网状网恢复速度的办法：环覆盖方案（使用逻辑环来覆盖网状网）。554网状网中基于环的保护方法环组成：1）节点是物理节点。

2）链路由一个或多个波长信道构成。56业务分类：1）环内业务；

2）环间业务。4网状网中基于环的保护方法段由环提供保护。业务路径被分割成段。574网状网中基于环的保护方法A点到B点：1）环5和环2；2）环5和环4。环的堆叠：多个逻辑环的堆叠。584网状网中基于环的保护方法5个环覆盖5个节点组成的网络。如何通过环保护来选择保护路？594网状网中基于环的保护方法（a）保护圈（b）圈上链路的保护（c）弦链路的保护（d）弦链路的另一种保护方法图5.24保护圈示例保护圈技术：1）保护环；2）保护弦。环保护弦保护606.3光网络的生存性1基本概念2SDH网络中的保护技术3WDM网状网络中的保护与修复技术4网状网中基于环的保护方法5生存性路由与波长分配问题6动态修复技术615生存性路由与波长分配问题问题描述：路径保护+路由和波长分配；1）寻找一对链路分离的工作路和保护路；2）为工作路和保护路分配波长。S-RWA分类：静态和动态。生存性路由与波长分配问题（SurvivableRoutingandWavelengthAssignment，S-RWA）

625生存性路由与波长分配问题路由子问题：寻找最小代价的一对分离路径。代价：包括工作路代价和保护路代价之和；代价的定义：

1）为12）距离

3）链路利用率跳数最少；传播时间最小；负载均衡；关键问题：如何计算一对链路分离的路径？解决办法：1）两步算法；2）一步算法。635生存性路由与波长分配问题（1）两步算法算法思想：

1）首先计算最短工作路；

2）删除找到的工作路，计算保护路。存在的问题：

找到的工作路不是最佳，有可能导致找不到保护路。例：找到工作路删除工作路另一种方案645生存性路由与波长分配问题（2）一步算法算法优点：1）路径链路分离；2）代价总和最小。算法步骤：第一步：采用Dijkstra算法计算以节点s为根的最小代价路径树。令d(s,u)表示从s到节点u的最小代价。655生存性路由与波长分配问题算法步骤：第二步：按照下述方法将原图G转换为辅助图G’。G’中的任一链路(u,v)的代价c’(u,v)按下式计算：c’(u,v)=c(u,v)+d(s,u)

d(s,v)。其中c(u,v)是原图中链路(u,v)的代价。沿着第一步中计算出的s和d之间的最小代价路径，将该路径上的所有链路反向。第三步：在图G’中计算从s到d的最小代价路径。图G‘中的最小代价路径。665生存性路由与波长分配问题算法步骤：第四步，假定原图G中的最小代价路径为T，辅助图G’中的最小代价路径为T’。删除T和T’重叠的链路，T和T’中剩下的链路刚好构成一个圈。这个圈由从s到d的两条链路分离路径构成。这两条路径就是我们要求解的最小代价路径对。676.3光网络的生存性1基本概念2SDH网络中的保护技术3WDM网状网络中的保护与修复技术4网状网中基于环的保护方法5生存性路由与波长分配问题6动态修复技术686动态修复技术修复指标：

1）修复成功率：表示一个网络故障发生以后，成功修复的连接的数量与被中断连接的数量之间的比率。

2）修复时间：表示成功修复一个受破坏的连接所花费的平均时间。修复子问题：

1）控制方法：分布式控制：速度快，但资源利用不是最优；集中控制：速度慢，资源优化调度。

2）修复路径的计算：预先计算：速度快，资源利用率低；在线计算：速度慢，资源利用率高。696动态修复技术修复子问题：

3）重路由机制：基于路径的，基于子路径的，和基于链路的方案。

4）多个协议层次上的保护和修复机制如何协调。70内容提要：6.1光网络的发展概述6.2路由与波长分配6.3光网络的生存性6.4光网络的控制与管理716.4光网络的控制与管理1基本概念2基本功能3信令和资源预约721基本概念ASON：AutomaticallySwitchedOpticalNetwork体系结构网络结构：交换连接：提出组织：ITU，国际电信联盟731基本概念GMPLS：GeneralizedMultiprotocolLabelSwitching协议提出组织：IETF，互联网工作组主要内容：

1）将MPLS扩展到GMPLS；

2）改进OSPF、CR-LDP、RSVP协议。CR-LDP：为LSP的建立分配标签；RSVP：在路由器上进行资源预约。74CR-LDP:Example10.1.1.210.1.1.610.1.1.310.1.1.710.1.1.410.1.1.510.1.1.112.0.0.1POPMappingMappingMappingrequestRequestrequestRequestrequest1基本概念7510.1.1.210.1.1.610.1.1.310.1.1.710.1.1.410.1.1.510.1.1.112.0.0.1POPCR-LDP:Example1基本概念766.4光网络的控制与管理1基本概念2基本功能3信令和资源预约772基本功能网络控制管理的基本功能：1）资源管理；2）路由计算；3）信令；4）故障管理。（1）资源管理：网络资源的发现、更新和维护。

实现方式：节点之间互相发送链路信息。（2）路由计算：为连接请求选择路径。实现方法：根据运营商目标，定义链路代价，进行路由选择。（3）信令协议：负责链路连接的建立、修改以及拆除。实现方法：带内信令和带外信令。782基本功能网络控制管理的基本功能：（4）故障管理：故障发现和恢复