波分复用在光网络中支持业务划分的多粒度.docx

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波分复用在光网络中支持业务划分的多粒度

波分复用在光网络中支持业务划分的多粒度

业务量疏导算法的研究与仿真实现

摘要

新型互联网业务中的数据、语音和新的业务点的快速增长对互联网的网络带宽提出了更大的需求。

虽然波分复用技术能够满足大容量、远距离、高质量的传输，进而满足网络和业务的需求，但若是给网络中的每个业务都提供一条专用的波长通道（光路），相应的就会使得网络资源利用率较低，运行维护成本较高。

因此，为了达到更高的资源利用率和相对较低的成本的网络设备，有必要高效的复用一套低速率业务流到高容量的通路，于此相关的技术被称为交通疏导。

同时，随着在光纤中的可用波长数不断增加，普通光交叉连接设备的端口数量和成本也迅速增加。

如何统筹网络将不同速度、不同类型的光路打包成更高速的数据流传输业务，作为一个整体进行传输，在满足用户要求的前提下，达到最低光交叉连接设备端口的消耗，随之进行波带疏导，已是当今的研究热点。

针对上述问题，本文考虑到如何有效地将业务量疏导和波带疏导结合在一起，动态地为亚波长提供高速通道、大容量、端到端的连接以及波长以及波带粒度的业务，这一综合技术也叫做多粒度疏导。

本人设计了一套交通疏导机制，为了进一步提高全网性能，达到节省端口的目的，并设计了可重配置异类波带交换光网络中的多粒度业务量疏导机制--MGH，设计了四种启发式算法：

TG-MGH的辅助图算法MGH-WIAG、WS-MGH的辅助图算法MGH-BIAG、MGH的联合疏导辅助图算法MGH-IGAG、及MGH-IGAG的改进算法IMGH-IGAG。

为检查所设计的算法可行性和有效性，本文利用VC++6.0平台开发了仿真软件，进行了分析和仿真。

仿真结果表明，在端口节余方面，多粒度光网络中的MG-IGAG算法不但能有效地同时执行业务量疏导和波带转换，而且能够很好地解决业务量多样性问题。

关键词：

光网络，业务划分，多粒度疏导，启发式算

DesignandSimulatedImplementationofDynamicMulti-GranularityGroomingAlgorithmsBasedonTrafficPartitioninWDMOpticalNetworksAbstract

Newinternetbusinessindata,voiceandnewbusinesspointoftherapidgrowthofinternetnetworkbandwidthmadegreaterdemands.AlthoughtheWDMtechnologycanmeettheneedsoflargecapacity,longdistance,highqualitytransmission,whichsatisfiesthenetworkandbusinessneeds,butifforeachbusinesstoprovideadedicatedwavelengthchannel,thecorrespondingwillmakethecybersourceutilizationrateislow,theoperationandmaintenancecostishigh.Therefore,inordertoachievehigherresourceutilizationandtherelativelylowcostofnetworkequipment,itisnecessarytoefficientmultiplexingalowerratetrafficflowtothehighcapacitychannel,isrelatedtothistechniqueiscalledthetrafficgrooming.Atthesametime,alongwiththeavailableinopticalfiberwavelengthnumberincreasesceaselessly,ordinaryopticalcrossconnectequipmentportnumberandcostincreasesquickly.Howtoplanasawholenetworkofdifferentspeed,differenttypesofopticalpathispackagedintoahigh-speeddatastreamtransmissionservice,asawholetobetransmitted,tomeetuserrequirements,toachievetheminimumopticalcrossconnectequipmentportconsumption,subsequentlywavebandgrooming,hasbecomearesearchhotspot.

Inviewoftheaboveproblems,thispaperconsiderhowtoeffectivelythetrafficgroomingandwavebandgroomingtogether,dynamicallyforsubwavelengthprovidesahigh-speedchannel,largecapacity,theend-to-endconnectionaswellasthewavelengthandthewavesizebusiness,thisintegratedtechnologyalsocalledmulti-granularitygrooming.Idesignedasetoftrafficmanagementmechanism,inordertofurtherimprovethenetworkperformance,thepurposetosavetheport,andthedesignofthereconfigurableheterogeneousinwavebandswitchingopticalnetworkmuli-granularitytrafficgroomingmechanism--MGH,designedfourkindsofheuristicalgorithm:

TG-MGHalgorithm,WS-MGHauxiliarygraphMGH-WIAGMGH-BIAG,auxiliarygraphalgorithmMGHiointleadingauxiliarygraphalgorithmMGH-IGAG,andMGH-IGAGimprovedalgorithmIMGH-IGAG.

Tocheckthealgorithmfeasibilityandeffectiveness,thispaperusestheVC++6.0platformsimulationsoftwareisdeveloped,toanalysisandsimulation.Thesimulationresultsshowthat,intheportsavings,multi-granularityopticalnetworkMG-IGAGalgorithmisnotonlyeffectiveforsimultaneousperformingtrafficgroomingandwavebandswitching,andcanwellsolvetheproblemsofbusinessdiversity.

Keywords：

WDMopticalnetworks,trafficpartition,multi-granularitygrooming,heuristicalgorithm

第1章绪论-1-

1.1背景及目的-1-

1.1.1波分复用技术-1-

1.1.2WDM光网络体系结构-2-

1.1.3波分复用的光网络优势-4-

1.2通用多协议标签交换（GMPLS）-4-

1.2.1GMPLS演进过程-5-

1.2.2GMPLS中的LSP分级技术-5-

1.3链路管理LMP协议-5-

1.4多粒度业务量疏导-6-

1.4.1子波长级别业务量疏导-6-

1.4.2多粒度业务量疏导研究现状-6-

1.5论文的组织-6-

第2章MGH机制概述-8-

2.1研究背景-8-

2.2模型定义-9-

2.2.1节点结构-9-

2.2.2网络模型-11-

2.3可重配置异类波带交换光网络的实现-12-

2.4本章小结-13-

第3章支持MGH的动态多粒度疏导算法设计-14-

3.1支持TG-MGH的动态业务量疏导算法-14-

3.1.1研究背景-14-

3.1.2疏导策略及端口成本计算-14-

3.2支持TG-MGH的启发式算法MGH-WIAG-15-

3.2.1算法描述-15-

3.2.2算法时间复杂度分析-16-

3.2.3算法流程图-16-

3.3支持WS-MGH的动态波带交换算法-17-

3.3.1研究背景-17-

3.3.2波带融合策略及端口计算-18-

3.4支持WS-MGH的启发式算法MGH-BIAG-19-

3.4.1算法描述-19-

3.4.2算法时间复杂度分析-21-

3.4.3算法流程图-21-

3.5MGH-IGAG启发式算法-21-

3.5.1MGH-IGAG算法的举例说明-21-

3.5.2算法描述-24-

3.5.3算法时间复杂度分析-25-

3.6IMGH-IGAG启发式算法-26-

3.6.1基本思想-26-

3.6.2波长平面分配原则-26-

3.6.3辅助图模型-27-

3.6.4算法描述-27-

3.6.5算法时间复杂度分析-28-

3.6.6算法流程图-29-

3.7本章小结-30-

第4章算法仿真和分析-31-

4.1仿真目标-31-

4.2仿真拓扑-31-

4.3业务模型-32-

4.4性能指标-32-

4.5性能评价-32-

4.5.1MGH-WIAG算法仿真分析-32-

4.5.2MGH-BIAG算法仿真分析-34-

4.5.3MGH-IGAG与IMGH-IGAG性能比较-35-

4.5.4MGH-IGAG、RA-IAG以及MG-IGP算法性能比较-36-

4.6本章小结-39-

第5章结束语-41-

参考文献-42-

致谢-45-

第1章绪论

1.1背景及目的

在当今高速发展的网络信息时代，随着网络业务量的急速增长，随之出现了光交叉连接器和光分插复用器，这两种网络设备具有性能强成本低的特点。

由此推动了波分复用技术（Wavelength-DivisionMultiplexing，WDM）成为未来网络技术的核心骨干。

随着各种新业务的不断加入，用户要求的各种新型服务和需求随之应运而生，同时，光网络可以为用户提供带宽粒度的服务。

如今波分复用技术的广泛应用，一味的增加传输容量的大小已经不再拘泥在光纤带宽的层面上，而是路由器、交换机和复用器的硬件性能成为了限制因素。

显而易见，为了使资源利用率高并且性价比高，就不能对所有业务对应专有的波长。

同时光纤中节点数和波长数的限制，不能为所有业务提供点到点的独立连接。

这是应运而生的业务疏导功能就能够为其建立端到端的有效连接并且把低速业务汇聚到高容量的光路中最大化的使用波长带宽资源。

1.1.1波分复用技术

图1.1WDM网络构成图

Fig.1.1IllustrationofWDMSystem

在原始的波分复用网络中，波分复用使用的是点到点的传输系统，它的优点是具有极大的传送带宽功能，目前常见的光网络节点设备主要有以下两种，光分插复用器（OpticalAdd-DropMultiplexer，OADM）和光交叉连接器（OpticalCross-Connect，OXC）（如图1.2所示）。

为了能让其它波长畅通无阻的通过节点，只留下本地业务，它可以使网络中那些不用正在节点处通过的业务分流，光分插复用器正是具备该功能，它还主要负责提供本地业务上传和下载，操作目标多为光操作信号。

从而大大降低了网络节点设备大小的要求，从而降低了网络的总成本。

光交叉连接连接器和光分插复用器的特点是灵活的可重构性。

波长路由提供了点到点的波长动态分配和恢复。

才使得光网络的组网传输系统和OXC、OADM设备技术日趋成熟，并向着WDM联网的光传送网的方向不断更新演变中。

光交叉连接器OXC光分插复用器

图1.2两个网络节点设备

Fig.1.2Twoimportantnetworknodeequipment

1.1.2WDM光网络体系结构

模型结构当前主要以重叠模型、对等模型和混合模型这三种表现形式[1]。

控制结构主要使用IP为中心。

它的特点是将业务层和传送层之间的关系清晰地命名为客户/服务者结构。

对等模型特点是网络中所有的网元（路由器、光交叉系统）都处于对等的关系，也称为集成模型。

也就是说这两个模型分别表现了光传输界和数据界对智能光网络的不同理解。

随着研究的深入，为了弥补对等模型即重叠模型的劣势，人们又开始建立第三种网络模型，即混合模型，用来改善前两种模型中的不足。

1.1.2.1重叠模型

重叠模型[2]，又被称之为客户-服务模型，如图1.3（a）所示。

它是完全独立的两层，IP业务层和光网络层需要经过（UNI）来实现互联，它主要分布在核心光网络层及客户层两个部分，需要经过共同的用户网接口，两种设备核心网络层及边缘客户层两者需要交换网络内部信息而各自选路，边缘客户层看不见核心的网络内部拓扑，只是单独的见到静态或者是动态配置的跨过核心网的光通道。

客户层和光网络最大限度的控制分离，它需要经过客户层经过标准UNI接口向网络层申请电路达成协议来交换光通道路径。

由于光网络由子网络组成，它们之间采用标准的网络节点接口（UNI），所以每个边缘客户层还需要核心网络提供分波技术。

重叠模型是讲业务清晰地把业务层和光网络层的功能分割开，简单易行，为以后光网络层支持多业务信号打下了基础。

它的缺点主要是分离层的控制平台之间存在重复的功能，原因主要是业务层的路由比较复杂，不能有效地利用资源，也就是造成下层光传送资源损失。

分层控制面不能有机的配合。

要实现提高传送数据的功能，就有必要在设备边缘面构筑一条点到点形成网状的路径。

但就点到点的连接又受到一定的限制，它要在路由协议方向进行使用。

要想在点到点的网络中产生

条大量信息。

需要有1次链路状态公告方可实施，这样将投入大量的资源。

因此也就限制了联网的边缘客户层。

（a）（b）

图1.3光网络结构模型

Fig.1.3Opticalnetworkstructuremodel

1.1.2.2对等模型

对等模型[2]：

如图1.3（b）所示。

网络中全部节点看作LSR（LabelSwitchRouter，路由器使用标签交换），在集中的控制下进行链路状态信息发布、进行路由选择，它的功能主要是利用IP层来对光层端到端用控制只能的技术来实行控制。

这时，所有路由器全部主要指（LabelSwitchPath，LSP）路径进行交换标签。

经过光节点设备（LSP）被看作运用标签进行。

所有路由器创建标签交换路径（LabelSwitchPath，LSP）全部以自动进行源路由方式创建，光节点设备指LSP所遇到同样被当作进行标签转发时，这时，光网络和IP网就可以被称为一个集成网络，标签交换路由和光交换机两者可以交换信息，又共同进行信令协议和选择路由，从而实现流量工程和一体化的管理。

也就是客户层设备向跨越核心光网络及周围，改变单个控制项，可以使边缘客户层掌控核心光网络结构，进行路由核算和定夺。

即使客户层边缘设备之间的全部连接仍然存在问题，但它尽对于用户数据转发时才会出现这个问题。

但就协议路由来说，与边缘路由器相邻的仅仅是光交换机而不是其他的边缘路由器，即只与相临的光交换机交换选路信息，这也就允许路由协议扩展到大规模网络，也就具有长远的潜在发展前景。

本文采用的就是对等模型下的波分复用光网络体系结构。

1.1.3波分复用的光网络优势

WDM技术凭借自身具有的高带宽、透明传输及大容量等特点，解决IP业务在行业内始终被看作是最好的传输领域，该系统主要采用帧或者帧结构，它使得IP业务融入系统之中，它经过波分复用技术，使得IP业务达到了超大式带宽传输。

从而提高了光纤资源带宽利用率，节省光纤资源的同时，并且IP OVER WDM技术还有一定的突出技术优势：

也就是超大系统传输带宽，超长的传输距离，完善网络保护功能等优点。

但同时，WDM系统存在对小颗粒IP业务的汇聚传输功能不足的缺陷，后期需进一步发展完善。

1.2通用多协议标签交换（GMPLS）

由于INTERNET和光技术的飞速发展，用来解决IP和WDM系统中的无缝结合缺陷，用IETF提供的GMPLS技术，提供了一条良好思路。

IPoverWDM的分组技术正是实现了此种结合，有具有光传输层及IP层的功能，但一般程度的IPoverWDM使光传送层和IP形成重叠模型，也就是光传送层单一的受管理层控制，而IP层则是在控制部分受控制，光域选路和IP选路两者都是独立进行的，该路由器它并不掌握光域的拓扑。

因为两层独立控制不但光传送层的配备，并且管理也相对复杂。

因此形成业务的脱节现象，要使网管光传输层达到波长的调配较长时间和VC大容量，也就是很不容易在光层快速进行组合VPN，同时也不能适应突发业务的处理，IP层在发生故障时处理很慢，运用光传送层处理即使较快，但同时存在资源上的浪费。

这样建立相同的控制面，运用对等模型。

可以简单易行，同时也节省资源，又为信令实现对网络控制全过程创造了机会，为VPN客户及网路运营者在动态配备光传送层提供了功能，达到对难以掌握业务的快速分析处理，自动调节网络资源，达到恢复保护的效果。

MPLS几乎全部的协议和特性是由GMPLS传承的，它扩展了光网络，许多项相异功能形成的网路允许采用想通的平面控制来管理。

GMPLS对MPLS标记，不光标记原来的数据，还能标记TDM光纤、波长、时隙和波长组等，为提高WDM光网络资源利用率，为将来VPN光波长租用等新业务的发展，而达到智能化的光网络，GMPLS还对路由协议和信令进行了完善和修改;还设计了全新的链路管理协议，目的就是解决网络中各项链路的管理和应用缺陷，还对光网络的回复和保护机制进行了创新，目的是光网络运营更加可靠，还可以进行业务量分配，有效地使用资源分配策略和流量工程管理。

1.2.1GMPLS演进过程

1999年在IETF的互联网草案中光网络IP集中控制面第一次被确定下来[15]。

前提是在很多设备生产厂商提出了这个理念之后。

它是将多协议标签替换的概念转用到光网络中，初次被用作多协议波长交换。

首要目的是用它来控制全部的光电路交换网络，包括时分复用，波长交换和光纤交换能力接口等几个方面。

也称之为扩展的多协议标签交换这个术语，它可以用多协议标签交换协议来控制其他网络。

1.2.2GMPLS中的LSP分级技术

LSP分级存在于同异接口之间，允许采用相同的功能使某些类型的接口复用许多个LSP。

如经常见到的SDH虚容器映射技术，它允许SDH低等级融入到SDHLSP高等级接口之中，不同接口如PSC接口可以融入TDMC，TDMC也可以融入进LSC里。

在LSP各自的接口里，可以分为PSC、TDMC、LSC和FSC四个不同等级。

LSP的分级嵌套之间的关系如图1.4所示。

图1.4LSP的分级嵌套关系

Fig.1.4HierarchicalnestedstructureofLSP

1.3链路管理LMP协议

链路管理协议（LinkManagementProtocol，LMP）是GMPLS为了适应新的网络环境而提出的一种管理光网络链路的新方法。

这种方法并不规定控制通路的实际传输媒质，但控制通路必须终结在承载通路跨接的两个同族节点上。

LMP可以在任意光交叉设备上实现，与内部交换结构无关，但要求每条链路都有一条随路的双向控制，而空闲承载通路必须是不透明的，即能终结，一旦承载通路被分配就变为透明的了。

LMP是用于在相邻两节点之间提供控制信道管理、链路连接性验证、链路所有权关联。

具有自动拓扑发现能力，可以发现对等层的光节点、相应的端口识别符、链路速度、类型、端口和通路状态等。

1.4多粒度业务量疏导

1.4.1子波长级别业务量疏导

子波长通常根据多粒度疏导执行方式的不同，将多粒度疏导原理分为两种主要模式，一种具有层层节点绑定功能的疏导原理，另一种是具有业务量划分功能的疏导原理。

然而，由于仅考虑小粒度需求，这种模式实际上不能很好地解决业务量多样性问题。

1.4.2多粒度业务量疏导研究现状

目前，大多数文献只是单独研究TG或WS，而对两者相结合使用的，用于亚波长、波长、波带三级业务的多粒度业务量疏导算法的研究少之甚少。

目前，对于该问题的研究还处在开放阶段。

已有文献提出了一种用于多粒度业务量疏导的节点结构，即全光MG-OXC（多粒度全光交叉连接器）与OEO疏导单元相结合的MG-OXC+OEOtrafficgrooming[29]。

该文献还提出了有关多粒度业务量疏导的开放性建议，指出在波带交换光网络中，如何合理地将业务量疏导（TG）与波带交换技术（WS）相结合是一个新挑战，具有很大的研究价值。

一部分节点为具有多跳融合能力的全光MG-OXC，而其他节点为具有多粒度业务疏导能力的MG-OXC+OEOtrafficgrooming）中为各级别业务提供端到端的高速连接是当前研究动态业务条件下多粒度业务量疏导的热点问题，具有很大的研究价值和应用前景。

1.5论文的组织

第一章，首先介绍了课题的研究背景，分别对波分复用的光网络、波分复用的技术以及GMPLS协议进行了介绍。

第二章，介绍了MGH机制的研究背景，设计了一种支持可重配置异类波带交换光网络中的多粒度业务量疏导机制MGH。

第三章，基于MGH机制设计了支持TG-MGH（TrafficGroomingforMGH）的辅助图算法MGH-WIAG、支持WS-MGH（WavebandSwitchingforMGH）的辅助图算法MGH-BIAG、支持MGH的辅助图算法MGH-IGAG及其改进算法IMGH-IGAG。

第四章，通过仿真对本文所设计的几种启发式算法进行了分析，并同以往的几种传统算法进行比较，证明了本文所提算法的可行性和优越性。

第2章MGH机制概述

2.1研究背景

随着多媒体业务的增长和WDM网络的发展，IP级用户所要求的