WDM网络多播业务量疏导和保护算法研究

摘要

Internet业务爆炸式增长和高性能光网络设备(如光交叉连接器OXC、光分插复用器OADM)的出现，使波分复用(WDM)技术成为下一代骨干网络的核心技术。通过WDM传输技术和波长路由选择在物理网络上构架光层，可以为高层(如IP层)提供大容量且结构可变的传输通道，这将是下一代骨干网络的核心传输方式。同时，光网络要为不同用户提供各种带宽粒度和可靠性的服务，因此，能够自动完成网络连接、具有独立控制面的智能光传输网应运而生。 随着光网络的迅速普及，未来Internet骨干支撑的WDM光网络组网技术受到越来越多关注。由于光学技术的日益成熟，功能完善的各种光通信器件和设备也大量涌现，这使许多原来在业务交换层面完成的工作被更多的移植到光层。一个典型的例子是光网络多播技术，在分光器支持下可以实现光层多播路由交叉连接，WDM网状光网络中的单播路状路由也拓展为多播树状路由。多播连接是点对多点的连接请求，在光层构建光树比单播路由问题更加复杂。与IP层多播技术相比，光层多播设计具有一些特殊约束条件，如波长连续性约束、分光器件约束、光收发器约束、能量损伤约束等。基于通用多标记交换(GMPLS)作为控制平面技术的智能光网络，本文主要研究了WDM网状网中的多播业务量的疏导和保护设计问题，提出有效的启发式算法。 第一章主要研究在WDM光网络中，每个波长的传输速率越来越高，业务量疏导是将多个低速业务连接聚合起来用一个光通道传输，分为静态和动态两个方面。静态业务量疏导对给定业务连接矩阵进行疏导优化计算，主要应用于网络初期规划和周期较长的虚拓扑重配置设计。在实际运行网络中，业务连接请求动态到达和离开。本文主要研究WDM网状网中动态多播业务量的疏导问题。 第二章针对网络节点不具有光域波长变换能力，且节点光收发器数目以及光纤波长数目受限的情况，研究多播业务量疏导问题。首先分析了具有多播分光和疏导能力的交叉连接结构(MGC一OXC)以及多播业务量疏导的约束和目标。然后提出几种动态业务疏导策略和基于光树的多播业务量疏导算法LTIG，为WDM网中动态到达的低速多播业务连接请求，进行实时疏导、路由和波长分配(GRWA)计算。在WDM网状网中分光器件稀疏配置下研究低速多播业务疏导需要考虑多种约束条件，如分光能力、疏导能力、波长数目、波长连续性、光收发器数目等等，实质是低速业务疏导与多播路由树构造的联合优化问题。在具有光域分光和电域疏导的混合网络中，各种节点共存，为统一考虑这些节点对疏导路由计算的影响，我们对节点进行模型抽象，然后设计一组代价对模型的疏导路由综合取舍。 第三章提出了一种新的辅助疏导图模型，这种分层的辅助图可以描述多播节点的分光特性和疏导能力，包含光纤上波长通道信息、节点处空闲可调协光收发器信息、以及每个波长上带宽利用情况，并可以根据网络资源使用情况调整模型中各种边代价值。基于辅助疏导图模型提出一种新的动态多播业务量疏导算法EMGA。仿真表明EMGA算法可以有效利用WDM各种网络资源为低速动态多播业务请求进行疏导计算，具有较低的业务阻塞概率。 WDM技术提高链路传输容量的同时，也使网络抗毁问题日渐突出。由于每个波长传输容量可以高达吉比特/秒，光网络中承载了大量业务，任何网络故障(如链路断裂、节点故障)会导致巨大损失。因此，需要在WDM光网络中引入有效的生存性机制。光网络生存性机制主要包括保护(Protection)和恢复(Restoration)两大类。保护是指事先为请求业务预留备用资源，当故障发生时，该业务可以由预留的保护资源承载。恢复是指并不事先为请求业务预留备用保护资源，当故障发生后，动态地寻找当前网络中的冗余资源来承载受故障影响的网络业务。由于保护策略具有较短的故障恢复时间，满足实时业务的需求，因此很多研究是基于保护策略的。本文主要研究了网状WDM光网络中动态多播业务的抗毁保护设计问题。 由于WDM光网络的资源有限，要求每个工作树与保护树完全无重叠地使用资源是不现实的。因此结合考虑树状路由的特点实现多播树的分段保护。为提高光网络抗毁性能，IETF引入共享风险链路组(SRLG)概念，以描述实际网络中光纤链路由于共享相同物理设备(如管道、光缆)而具有的故障相关性。 第四章研究网状WDM光网络中基于SRLG约束的多播业务保护问题，提出动态多播共享段保护算法DSSPM。该算法为动态多播业务请求寻找最小代价工作光树，并依据工作光树上多播分光节点划分工作段，为每个工作段提供失效风险分离的保护段。根据当前网络状态合理设置链路代价，考虑网络负载均衡度和资源共享度。仿真表明DSSPM算法在WDM网络单SRLG故障下，为网络多播业务连接提供有效保护，具有较好的资源利用率和阻塞概率性能。随着网络规模的不断扩大和业务量的不断增加，发生双链路甚至多链路失效的可能性增加，失效导致的破坏性影响也增大。针对WDM光网络中双链路失效下单播业务保护的研究中，完全保护设计为每个业务同时分配一条工作通路和两条链路分离的保护通路，所需备份资源通常是工作资源的2-3倍。很多用户可能无法接受这种高消费的保护措施，因此可以考虑不事先预留多条保护路径的备用资源，而是根据网络业务连接和失效情况进行局部资源重配置。 第五章研究WDM网状网中的多播业务共享保护和局部资源重配置方案。分析了失效链路导致的网络不稳定性和多播业务连接的未保护情况，在此基础上提出一种新的具有资源重配置功能的动态多播业务共享保护算法SSPR。算法为网络多播业务提供工作光树和分段共享保护，并在发生链路失效，业务进行保护切换的同时，完成局部资源重配置。仿真表明SSPR算法可以有效降低网络中未被保护的多播业务连接数，在相继多链路失效情况下合理分配备用资源，提高网络抗毁性能。 WDM光网络中的多播保护设计比单播保护设计更具挑战性。一方面，网络链路失效对多播业务连接产生的影响比单播业务连接更大，一条失效链路下游的多个目的终端会同时接收业务失败；另一方面，网络支持多播业务保护比单播业务保护需要预留更多的备用资源。为了降低动态多播业务阻塞概率，需要考虑如何使网络配置尽量少的备用资源来保护尽量多的业务连接。 多播树的一个明显特点是树上各链路在发生失效时对多播业务流的影响是不一样的。定性地看，越靠近树根的链路越重要，失效后被中断的业务流也越多。因此，可以针对多播树上链路的重要性进行有区分的保护设计，即在分配网络中有限的波长资源时优先考虑重要链路，或者根据实际用户的特殊需求来预留保护资源。 第六章研究了网状WDM光网络中多播业务的部分保护问题，针对网络单链路失效，提出一种基于多播树关键链路的部分保护算法CPPM。该算法对承载多播业务连接的工作光树中连接多个目的节点的链路进行保护，旨在合理配置备用资源，降低多播业务阻塞概率，在网络资源使用和业务保护能力之间进行折中。当发生网络单链路故障，任意工作多播树上最多仅有一个目的节点接收业务失败。仿真表明CPPM算法具有一定的多播业务保护能力，通过减少保护波长资源的分配，有效降低了多播业务的阻塞概率。 第七章介绍了验证和评估WDM网状光网络中多播业务量疏导和保护算法的仿真平台，包括仿真运行环境和软件主体，给出了主要模块设计、重要数据结构及部分伪码。最后对论文工作进行了总结，突出研究重点，并对WDM光网络中多播业务疏导和保护方面有待深入研究的问题进行了归纳和展望。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：简略字表

声明

第一章绪论

1.1 WDM光网络的发展

1.1.1 WDM光网络概述

1.1.2国内外光网络研究情况

1.1.3 GMPLS技术

1.2 WDM网络多播技术

1.2.1多播路由

1.2.2光网络多播研究的主要问题

1.3 WDM网络业务量疏导问题

1.3.1疏导技术

1.3.2业务量疏导研究现状

1.4 WDM网络生存性问题

1.4.1生存性技术

1.4.2光网络保护研究现状

1.5本文的主要贡献及内容安排

第二章WDM网状网中多播业务量疏导算法研究

2.1研究背景

2.2网络节点结构

2.2.1支持疏导的OXC

2.2.2多播疏导OXC

2.3问题分析

2.4动态多播业务量疏导

2.4.1网络模型

2.4.2疏导策略

2.4.3 LTIG算法描述

2.5仿真和分析

2.5.1性能评价指标

2.5.2仿真结果分析

2.6本章小结

第三章WDM网状网分光器稀疏配置下多播业务量疏导算法研究

3.1研究背景

3.2问题定义

3.2辅助图模型

3.2.1辅助疏导图构造

3.2.2边代价确定

3.3基于辅助疏导图的EMGA算法

3.4仿真和分析

3.4.1性能评价指标

3.4.2仿真数据分析

3.5本章小结

第四章WDM网状网中多播业务共享段保护算法研究

4.1研究背景

4.2 工作树和保护段

4.3问题描述及符号定义

4.4动态多播共享段保护算法

4.4.1 风险分离的分段共享保护

4.4.2链路代价和资源预留

4.4.3 DSSPM算法描述

4.5仿真和分析

4.5.1性能评价指标

4.5.2仿真数据分析

4.6本章小结

第五章WDM网状网多播业务资源重配置保护算法研究

5.1研究背景

5.2链路失效与备用资源分配

5.3网络模型及符号定义

5.4多播保护资源重配置算法

5.4.1局部资源重配置

5.4.2链路代价和资源预留

5.4.3 SSPR算法描述

5.5仿真和分析

5.5.1性能评价指标

5.5.2仿真数据分析

5.6本章小结

第六章WDM网状网中多播业务部分保护算法研究

6.1研究背景

6.2基于关键链路的部分保护算法

6.2.1问题分析

6.2.2 CPPM算法描述

6.3仿真和分析

6.3.1性能评价指标

6.3.2仿真数据分析

6.4本章小结

第七章多播业务量疏导和保护算法的仿真实现

7.1仿真软件的总体框架

7.2仿真软件的实现

7.2.1重要数据结构

7.2.2事件处理

7.2.3子程序模块

7.3本章小结

第八章全文总结

8.1研究工作总结

8.2展望

致谢

参考文献

个人简历、参加的科研项目及发表和已录用的文章