WDM網(wǎng)絡多播業(yè)務量疏導和保護算法研究.pdf

1、Internet業(yè)務爆炸式增長和高性能光網(wǎng)絡設備(如光交叉連接器OXC、光分插復用器OADM)的出現(xiàn)，使波分復用(WDM)技術(shù)成為下一代骨干網(wǎng)絡的核心技術(shù)。通過WDM傳輸技術(shù)和波長路由選擇在物理網(wǎng)絡上構(gòu)架光層，可以為高層(如IP層)提供大容量且結(jié)構(gòu)可變的傳輸通道，這將是下一代骨干網(wǎng)絡的核心傳輸方式。同時，光網(wǎng)絡要為不同用戶提供各種帶寬粒度和可靠性的服務，因此，能夠自動完成網(wǎng)絡連接、具有獨立控制面的智能光傳輸網(wǎng)應運而生。 隨著光網(wǎng)

2、絡的迅速普及，未來Internet骨干支撐的WDM光網(wǎng)絡組網(wǎng)技術(shù)受到越來越多關(guān)注。由于光學技術(shù)的日益成熟，功能完善的各種光通信器件和設備也大量涌現(xiàn)，這使許多原來在業(yè)務交換層面完成的工作被更多的移植到光層。一個典型的例子是光網(wǎng)絡多播技術(shù)，在分光器支持下可以實現(xiàn)光層多播路由交叉連接，WDM網(wǎng)狀光網(wǎng)絡中的單播路狀路由也拓展為多播樹狀路由。多播連接是點對多點的連接請求，在光層構(gòu)建光樹比單播路由問題更加復雜。與IP層多播技術(shù)相比，光層多播設計具有

3、一些特殊約束條件，如波長連續(xù)性約束、分光器件約束、光收發(fā)器約束、能量損傷約束等?；谕ㄓ枚鄻擞浗粨Q(GMPLS)作為控制平面技術(shù)的智能光網(wǎng)絡，本文主要研究了WDM網(wǎng)狀網(wǎng)中的多播業(yè)務量的疏導和保護設計問題，提出有效的啟發(fā)式算法。 第一章主要研究在WDM光網(wǎng)絡中，每個波長的傳輸速率越來越高，業(yè)務量疏導是將多個低速業(yè)務連接聚合起來用一個光通道傳輸，分為靜態(tài)和動態(tài)兩個方面。靜態(tài)業(yè)務量疏導對給定業(yè)務連接矩陣進行疏導優(yōu)化計算，主要應用于網(wǎng)絡

4、初期規(guī)劃和周期較長的虛拓撲重配置設計。在實際運行網(wǎng)絡中，業(yè)務連接請求動態(tài)到達和離開。本文主要研究WDM網(wǎng)狀網(wǎng)中動態(tài)多播業(yè)務量的疏導問題。 第二章針對網(wǎng)絡節(jié)點不具有光域波長變換能力，且節(jié)點光收發(fā)器數(shù)目以及光纖波長數(shù)目受限的情況，研究多播業(yè)務量疏導問題。首先分析了具有多播分光和疏導能力的交叉連接結(jié)構(gòu)(MGC一OXC)以及多播業(yè)務量疏導的約束和目標。然后提出幾種動態(tài)業(yè)務疏導策略和基于光樹的多播業(yè)務量疏導算法LTIG，為WDM網(wǎng)中動態(tài)到

5、達的低速多播業(yè)務連接請求，進行實時疏導、路由和波長分配(GRWA)計算。在WDM網(wǎng)狀網(wǎng)中分光器件稀疏配置下研究低速多播業(yè)務疏導需要考慮多種約束條件，如分光能力、疏導能力、波長數(shù)目、波長連續(xù)性、光收發(fā)器數(shù)目等等，實質(zhì)是低速業(yè)務疏導與多播路由樹構(gòu)造的聯(lián)合優(yōu)化問題。在具有光域分光和電域疏導的混合網(wǎng)絡中，各種節(jié)點共存，為統(tǒng)一考慮這些節(jié)點對疏導路由計算的影響，我們對節(jié)點進行模型抽象，然后設計一組代價對模型的疏導路由綜合取舍。 第三章提出了

6、一種新的輔助疏導圖模型，這種分層的輔助圖可以描述多播節(jié)點的分光特性和疏導能力，包含光纖上波長通道信息、節(jié)點處空閑可調(diào)協(xié)光收發(fā)器信息、以及每個波長上帶寬利用情況，并可以根據(jù)網(wǎng)絡資源使用情況調(diào)整模型中各種邊代價值。基于輔助疏導圖模型提出一種新的動態(tài)多播業(yè)務量疏導算法EMGA。仿真表明EMGA算法可以有效利用WDM各種網(wǎng)絡資源為低速動態(tài)多播業(yè)務請求進行疏導計算，具有較低的業(yè)務阻塞概率。 WDM技術(shù)提高鏈路傳輸容量的同時，也使網(wǎng)絡抗毀問

7、題日漸突出。由于每個波長傳輸容量可以高達吉比特/秒，光網(wǎng)絡中承載了大量業(yè)務，任何網(wǎng)絡故障(如鏈路斷裂、節(jié)點故障)會導致巨大損失。因此，需要在WDM光網(wǎng)絡中引入有效的生存性機制。光網(wǎng)絡生存性機制主要包括保護(Protection)和恢復(Restoration)兩大類。保護是指事先為請求業(yè)務預留備用資源，當故障發(fā)生時，該業(yè)務可以由預留的保護資源承載?；謴褪侵覆⒉皇孪葹檎埱髽I(yè)務預留備用保護資源，當故障發(fā)生后，動態(tài)地尋找當前網(wǎng)絡中的冗余資源來

8、承載受故障影響的網(wǎng)絡業(yè)務。由于保護策略具有較短的故障恢復時間，滿足實時業(yè)務的需求，因此很多研究是基于保護策略的。本文主要研究了網(wǎng)狀WDM光網(wǎng)絡中動態(tài)多播業(yè)務的抗毀保護設計問題。 由于WDM光網(wǎng)絡的資源有限，要求每個工作樹與保護樹完全無重疊地使用資源是不現(xiàn)實的。因此結(jié)合考慮樹狀路由的特點實現(xiàn)多播樹的分段保護。為提高光網(wǎng)絡抗毀性能，IETF引入共享風險鏈路組(SRLG)概念，以描述實際網(wǎng)絡中光纖鏈路由于共享相同物理設備(如管道、光纜

9、)而具有的故障相關(guān)性。 第四章研究網(wǎng)狀WDM光網(wǎng)絡中基于SRLG約束的多播業(yè)務保護問題，提出動態(tài)多播共享段保護算法DSSPM。該算法為動態(tài)多播業(yè)務請求尋找最小代價工作光樹，并依據(jù)工作光樹上多播分光節(jié)點劃分工作段，為每個工作段提供失效風險分離的保護段。根據(jù)當前網(wǎng)絡狀態(tài)合理設置鏈路代價，考慮網(wǎng)絡負載均衡度和資源共享度。仿真表明DSSPM算法在WDM網(wǎng)絡單SRLG故障下，為網(wǎng)絡多播業(yè)務連接提供有效保護，具有較好的資源利用率和阻塞概率性

10、能。隨著網(wǎng)絡規(guī)模的不斷擴大和業(yè)務量的不斷增加，發(fā)生雙鏈路甚至多鏈路失效的可能性增加，失效導致的破壞性影響也增大。針對WDM光網(wǎng)絡中雙鏈路失效下單播業(yè)務保護的研究中，完全保護設計為每個業(yè)務同時分配一條工作通路和兩條鏈路分離的保護通路，所需備份資源通常是工作資源的2-3倍。很多用戶可能無法接受這種高消費的保護措施，因此可以考慮不事先預留多條保護路徑的備用資源，而是根據(jù)網(wǎng)絡業(yè)務連接和失效情況進行局部資源重配置。 第五章研究WDM網(wǎng)狀網(wǎng)

11、中的多播業(yè)務共享保護和局部資源重配置方案。分析了失效鏈路導致的網(wǎng)絡不穩(wěn)定性和多播業(yè)務連接的未保護情況，在此基礎上提出一種新的具有資源重配置功能的動態(tài)多播業(yè)務共享保護算法SSPR。算法為網(wǎng)絡多播業(yè)務提供工作光樹和分段共享保護，并在發(fā)生鏈路失效，業(yè)務進行保護切換的同時，完成局部資源重配置。仿真表明SSPR算法可以有效降低網(wǎng)絡中未被保護的多播業(yè)務連接數(shù)，在相繼多鏈路失效情況下合理分配備用資源，提高網(wǎng)絡抗毀性能。 WDM光網(wǎng)絡中的多播保

12、護設計比單播保護設計更具挑戰(zhàn)性。一方面，網(wǎng)絡鏈路失效對多播業(yè)務連接產(chǎn)生的影響比單播業(yè)務連接更大，一條失效鏈路下游的多個目的終端會同時接收業(yè)務失??；另一方面，網(wǎng)絡支持多播業(yè)務保護比單播業(yè)務保護需要預留更多的備用資源。為了降低動態(tài)多播業(yè)務阻塞概率，需要考慮如何使網(wǎng)絡配置盡量少的備用資源來保護盡量多的業(yè)務連接。 多播樹的一個明顯特點是樹上各鏈路在發(fā)生失效時對多播業(yè)務流的影響是不一樣的。定性地看，越靠近樹根的鏈路越重要，失效后被中斷的業(yè)

13、務流也越多。因此，可以針對多播樹上鏈路的重要性進行有區(qū)分的保護設計，即在分配網(wǎng)絡中有限的波長資源時優(yōu)先考慮重要鏈路，或者根據(jù)實際用戶的特殊需求來預留保護資源。 第六章研究了網(wǎng)狀WDM光網(wǎng)絡中多播業(yè)務的部分保護問題，針對網(wǎng)絡單鏈路失效，提出一種基于多播樹關(guān)鍵鏈路的部分保護算法CPPM。該算法對承載多播業(yè)務連接的工作光樹中連接多個目的節(jié)點的鏈路進行保護，旨在合理配置備用資源，降低多播業(yè)務阻塞概率，在網(wǎng)絡資源使用和業(yè)務保護能力之間進行

14、折中。當發(fā)生網(wǎng)絡單鏈路故障，任意工作多播樹上最多僅有一個目的節(jié)點接收業(yè)務失敗。仿真表明CPPM算法具有一定的多播業(yè)務保護能力，通過減少保護波長資源的分配，有效降低了多播業(yè)務的阻塞概率。 第七章介紹了驗證和評估WDM網(wǎng)狀光網(wǎng)絡中多播業(yè)務量疏導和保護算法的仿真平臺，包括仿真運行環(huán)境和軟件主體，給出了主要模塊設計、重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及部分偽碼。最后對論文工作進行了總結(jié)，突出研究重點，并對WDM光網(wǎng)絡中多播業(yè)務疏導和保護方面有待深入研究的問題