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1、新一代互联网技术,第四章 光网络,主要内容,概述网络与控制模型路由和波长分配虚拓扑设计和业务量疏导网络容错与生存性机制,4.1 基本概念,4.1 基本概念,针对通信网传输能力不足铺设更多光纤波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）WDM在发送端通过复用器将两种或多种不同频率（波长）的光载波信号复合在一起并耦合到同一根光纤中进行传输接收端通过解复用器将各种不同频率的光载波信号分离，然后再由光接收机作进一步处理以恢复原始信号,WDM工作原理示意图,4.1 基本概念,密集波分复用DWDM（Dense WDM）信道间隔较小可以实现波长间隔为纳米级甚至零点几个纳
2、米级的复用大容量超大容量主干网,4.1 基本概念,稀疏波分复用CWDM（Coarse WDM）载波通道间距较宽一根光纤上通常复用2到16个波长 CWDM系统在提供一定数量的波长和100公里以内的传输距离时，系统成本低（只有DWDM系统的30%），非常适合城域网WDM在单纤波长信道数、单波长传输速率、全光传输距离均取得巨大突破，已经成为最佳的网络扩容方式之一，得到广泛应用,4.1 基本概念,发展趋势从点到点WDM传输链路向光传送网（Optical Transport Network,OTN）发展多波长光交换网络波长路由光网络全光网（all optical network）信号只在进出网络时才进行
3、电光和光电转换，而在网络中传输和交换的过程中信号始终以光的形式存在,4.1 基本概念,发展趋势从点到点WDM传输链路向光传送网（Optical Transport Network,OTN）发展不同颗粒度的交换技术光分组交换（Optical Packet Switching，OPS）以光分组作为最小的交换颗粒，数据包由固定长度分组头部、有效载荷和保护时间等部分组成光缓冲区如何实现？光纤延迟线？光突发交换（Optical Burst Switching，OBS）突发可以看成是由一些具有相同出口边缘节点地址和相同QoS要求的数据分组组成的超长数据分组,4.1 基本概念,发展趋势从点到点WDM传输链路
4、向光传送网（Optical Transport Network,OTN）发展不同颗粒度的交换技术波长交换波带交换（waveband switching）把多个波长组成波带进行交换，每个波带只占用一个端口 光纤交换光缆交换,4.1 基本概念,发展趋势从环网（Ring）向网状（Mesh）网演进从静态联网向智能动态联网发展自动交换传送网（Automatic Switched Transport Networks,ASTN）自动交换光网络（Automatic Switched Optical Network,ASON）按需建立、使用和拆除光路光树管理并按需分配带宽支持QoS自动保护与恢复,4.2 网络
5、与控制模型,4.2 网络与控制模型,网络模型叠加模型客户服务器模型两个独立的控制平面，分别在客户层和光层客户层和光层控制分离，独立运行，彼此之间不交换路由信息客户层只能看到光层提供的光通道，看不到光网络内部拓扑结构，通过UNI（User Network Interface）向光层申请光通道光层控制智能在本层独立实施，向客户层提供通用传送平台,4.2 网络与控制模型,网络模型对等模型客户层和光层看作一个整体，控制面跨两层，客户层可以看到光层内部结构两层节点作为对等互通的路由器，运行同样的路由和信令协议可以实施集成的网络管理和流量工程,4.2 网络与控制模型,网络模型增强模型客户层和光层控制平面分
6、离，运行各自的路由和信令协议通过标准协议在UNI上交换路由信息三种模型的比较叠加模型的路由等功能重叠，效率低，开销大，但各层独立运行，互不影响，适合当前网络建设与运维实际对等模型的功能集成，效率高，开销小，但需要集客户层和光层于一体，通常需要跨越不同管理域，在实际中推广阻力大增强模型试图在叠加模型和对等模型之间折中,4.2 网络与控制模型,网元光纤多模光纤单模光纤,4.2 网络与控制模型,网元光纤耦合器使分支光纤合成主光纤（合路）或使光从主光纤进入分支光纤（分路）的器件无源光纤耦合器在重新分配光信号功率时不使用光电转换有源光纤耦合器是具有合路或分路功能的电设备，需在主光纤的两端配备光纤探测器和
7、光源分路器将主光纤上的光信号进行光功率分配（分光），在主光纤的输出端分出两条或者更多条分支光纤,4.2 网络与控制模型,网元光放大器掺X光纤放大器掺入能够放大光信号的稀有元素掺铒光纤放大器半导体光放大器法布里珀罗谐振腔结构行波放大器结构,4.2 网络与控制模型,网元波长路由器固定波长路由器由解复用单元和复用单元组成,4.2 网络与控制模型,网元波长路由器可重配置波长路由器在解复用单元和复用单元之间加入了交换单元,4.2 网络与控制模型,网元波长变换器光电光波长变换器全光波长变换器（All Optical Wavelength Converter,AOWC）,光/电/光波长变换器,4.2 网络与
8、控制模型,交叉增益调制（XGM）模式的半导体光放大器全光波长变换器（SOA-AOWC）,网元波长变换器光电光波长变换器全光波长变换器（All Optical Wavelength Converter,AOWC）,4.2 网络与控制模型,网元光分插复用器（Optical Add-Drop Multiplexer，OADM）选定有本地业务的波长上下路，其它波长无阻塞通过固定OADM可重配置OADM部分可重配置全可重配置,4.2 网络与控制模型,波长选择型结构的可重配置OADM,4.2 网络与控制模型,广播型可重配置OADM,4.2 网络与控制模型,网元光交叉连接器（Optical-cross Co
9、nnect,OXC）光电光型全光型波长（波带）交叉连接或光子交换光电混合型,4.2 网络与控制模型,光电光型,4.2 网络与控制模型,全光型,4.2 网络与控制模型,混合型,4.2 网络与控制模型,控制模型通用多协议标签交换（Generalized MPLS,GMPLS）ASON,4.2 网络与控制模型,GMPLSIP网和光网络的无缝融合是未来网络发展趋势GMPLS是MPLS向光网络的扩展，用统一的控制平面管理多种基于不同技术组建的网络GMPLS标签除了能够标记传统的数据分组外，还可以标记TDM时隙、波长、波带、光纤等，即可以标记多粒度的数据,4.2 网络与控制模型,GMPLS层次化交换接口分
10、组（IP）时隙波长波带光纤,4.2 网络与控制模型,GMPLS层次化LSP即LSP分级在MPLS网络中，LSP是电通道，可以进行连续颗粒度带宽分配，资源利用率高在光网络中，LSP是光通道，波长带宽颗粒度粗，导致资源利用率低把多条低带宽LSP映射到一条高带宽光通道疏导,4.2 网络与控制模型,GMPLS层次化LSP即LSP分级LSP隧道允许具有相同入口节点的一批LSP在隧道口处汇集，透明穿过高层隧道，到隧道出口处分离，再按照原来路径转发要求每条LSP的起始点和结束点都必须在相同接口类型设备上且在每一方向上都必须共享公共属性,4.2 网络与控制模型,层次化LSP,4.2 网络与控制模型,GMPLS
11、双向LSP在MPLS中，双向LSP的建立是通过分别建立两个单向的LSP实现的GMPLS定义了双向LSP在上行和下行数据通路中采用同一条信令消息同时建立降低建立延时，减少控制开销两个方向应具有相同的流量工程参数：生存期、资源需求、保护和恢复等级两个端点都可以发起建LSP的命令，如同时发起，则比较双方“NODE ID”的大小，把ID大的节点作为双向LSP建立的发起方,4.2 网络与控制模型,GMPLS路由与寻址分组交换层和非分组交换层每层（自治系统）可以分成多个独立的路由域每个路由域根据自身情况可以运行不同的内部路由协议（如OSPF-TE和ISIS-TE）在LER上运行域间路由协议（如BGP4），
12、实现层间路由信息交换GMPLS设计了新的链路管理协议，允许把LSP作为“链路”在路由域内公布,4.2 网络与控制模型,GMPLS路由与寻址显式路由与源路由类似，在数据分组入口处指定路径所经过的每个节点逐跳路由沿途节点决定数据分组的下一个出口节点显式路由被GMPLS指定为设备必备能力，逐跳路由可选,4.2 网络与控制模型,ASON以软件为核心直接从光层面向业务，按需分配带宽试图集如下于一身IP的灵活和高效SDH/SONET(Synchronous Digital Hierarchy/Synchronous Optical Network)的保护能力WDM的容量,4.2 网络与控制模型ISI说明,
13、ASON体系结构,4.2 网络与控制模型,ASON体系结构控制平面ASON智能主要在控制平面管理平面传送平面,4.2 网络与控制模型,ASON体系结构控制平面主要功能自动建立、维护和删除连接，实现快速业务指配按需分配带宽，实现实时流量工程自动进行拓扑重构和故障保护与恢复,4.2 网络与控制模型,ASON体系结构控制平面核心组件呼叫控制器（Call Controler,CallC）连接控制器（Connection Controler,CC）路由控制器（Routing Controlor,RC）链路资源管理器（Link Resource Management,LRM）流量策略（Traffic Po
14、lice,TP）协议控制器（Protocol Controlor,PC）发现代理（Discovery Agency,DA）终端适配器（Terminal Adapter,TA),4.2 网络与控制模型,ASON控制节点结构,4.2 网络与控制模型,ASON支持的连接类型交换连接（Swiched Connection,SC）由控制平面发起的动态连接永久连接（Permanent Connection,PC）由网管指配的静态连接软永久连接（Soft Permanent Connection,SPC）分为两部分用户到网络的部分由管理平面直接配置，静态网络部分的连接由控制平面完成，动态,4.2 网络与控制
15、模型,4.2 网络与控制模型,4.2 网络与控制模型,4.3 路由和波长分配,4.3 路由和波长分配,基本概念路由选择算法波长分配算法,4.3.1 基本概念,路由和波长分配RWA（Routing and Wavelength Assignment）给定网络拓扑和节点间连接请求，为到达的连接请求寻找路由并分配波长波长连续性约束在未配备波长变换器的情况下，同一条光通道必须建立在相同波长上如果配置波长变换器，则可放宽甚至消除,4.3.1 基本概念,路由和波长分配RWA（Routing and Wavelength Assignment）波长变换完全波长变换在每个节点配置完全波长转换器，波长连续性约束
16、消除有限波长变换在每个节点配置有限波长转换器，波长连续性约束放宽稀疏波长变换在部分节点配置波长转换器，波长连续性约束放宽,4.3.1 基本概念,路由和波长分配RWA（Routing and Wavelength Assignment）静态RWA预先给出所有光路连接请求动态RWA光路连接请求随时到达单播光路（light path）组播光树（light tree）,4.3.1 基本概念,RWA可以分成R和WA两个子问题，可以一体化解决，也可以分别单独解决即先R后WA一体化解决通常采用分层图（Layered Graph）分层图每条物理光纤链路提供W个波长把网络物理拓扑复制成W个层面，每一层对应一个波
17、长，称为一个波长平面网络物理拓扑中的每个节点都被复制W次，并对应到相应的波长平面上，称为虚节点如果节点有波长变换能力，则通过在不同波长平面对应虚节点之间添加虚链路，把相应波长平面连接在一起,4.3.1 基本概念,分层图,4.3.2 路由选择算法,静态路由固定路由预先为每对节点计算好一条路由，固定不变有连接请求到达时，在已经算好的路由上为连接请求分配波长，建立光连接备选路由预先为每对节点计算多条备选路由，并按一定指标排列，构成备选路由序列K最短路算法有连接请求到达时，首选备选路由序列中的第一条路由分配波长，若无空闲波长，则选择第二条路由继续尝试，直到成功建立光路或失败为止动态路由根据网络状态即时
18、选路,4.3.3 波长分配算法,随机分配法搜索所有可用波长集合，找出路由可用的波长子集从中随机选取波长分配给光通道首次命中法将所有波长按一定规则编号按编号从小到大顺序搜索可用波长找到的第一个可用波长即被分配给光路最大波长使用法优先选取被最多链路占用的波长,4.3.3 波长分配算法,最少使用法优先选取被最少链路占用的波长最轻负载法将最空闲波长优先分配给最繁忙链路最大和法优先选择能使空闲容量最大的波长,4.4 虚拓扑设计和业务量疏导,4.4.1 虚拓扑设计,物理拓扑（physical topology）由网络节点和光纤链路构成的网络物理连接结构节点是网络中光部件的抽象，边表示光纤链路节点度数由与该
19、节点有光纤链路连接的节点数目和波长选路开关的端口数量决定位于传输层虚拓扑（virtual topology）由网络节点之间的光路组成的逻辑连接结构节点为网络中电部件的抽象，边表示光路节点度数由该节点光收发器数目以及电开关的端口数决定位于光通道层,4.4.1 虚拓扑设计,虚拓扑结构可以与物理拓扑不同，但实现虚拓扑必须基于物理拓扑物理拓扑设计是在保证网络传输性能的前提下，根据节点位置和可选部件，使全网建设费用和综合效益最佳虚拓扑设计是在物理拓扑基础上考虑节点之间的业务分布情况，以实现信息传送性能最佳为目标,4.4.1 虚拓扑设计,静态虚拓扑设计网络物理拓扑和业务量矩阵确定输入条件网络物理拓扑每根光
20、纤最多可以复用的波长数目每一节点处实际配置的可调谐光发送器和光接收器数目业务量矩阵,4.4.1 虚拓扑设计,静态虚拓扑设计实际约束节点的出度和入度，即每个节点配备的光发射器和接收器数量可用波长数目光通道在物理拓扑上选路时的物理连接条件波长连续性限制每条边上的业务流量不能超过物理链路的总容量NP问题,4.4.1 虚拓扑设计,动态虚拓扑重构什么情况下需要重构改变尽量少无损伤虚拓扑重构,4.4.2 业务量疏导,疏导（grooming）把低速业务流聚集到高容量波长上传输源于复用（Multiplexing）和打捆（Bundling）不同域可以使用不同技术实现疏导空分复用通过物理空间分区提高传输系统容量多
21、根光纤打捆到一根光缆多根光缆打捆到一条管道,4.4.2 业务量疏导,不同域可以使用不同技术实现疏导频分复用把频谱分成不重叠的一系列独立通道WDM时分复用在时域内将带宽分成固定长度的时隙在时间上不重叠的多路信号共享一个波长动态统计复用技术一个WDM波长通道可以被多个IP业务流通过“虚电路”的方式共享,4.4.2 业务量疏导,在WDM光网络中业务量疏导是指利用TDM技术将低速业务流汇聚到高速的波长通道光路中传输波长疏导（Lambda疏导）是指把多个波长疏导到一条波带或一根光纤中传输单跳业务量疏导是指通过一条光路直达目的节点多跳业务量疏导是指通过多条光路串连到达目的节点,4.4.2 业务量疏导,在W
22、DM光网络中静态业务量疏导已知所有低速业务连接需求通过疏导完成路由和波长分配通常离线计算优化目标通常是使网络成本最低动态业务量疏导业务连接请求随时到达离开网络即时疏导完成路由与波长分配优化目标通常是使业务连接建立阻塞率最低,4.5 光网络生存性,4.5.1 概述,美国联邦通信委员会（Federal Communication Commission，FCC）报告在城域网中，每1000英里光纤平均每年被各种故障切断13次长途网络中，每1000英里光纤平均每年被各种故障切断3次传输容量达T比特每秒的单根光纤的失效将影响到1200万对以上的电话业务,4.5.1 概述,网络生存性（Survivabili
23、ty）是指网络面对发生的故障能够维持某种服务水平的能力有目的的攻击大规模自然灾害而导致的网络部件多处失效随机的小规模网络部件失效等网络容错是指网络能够容忍发生的故障而不会发生服务失败通常只涉及随机单个或少量网络部件失效的情况通常不涉及有目的的攻击、大规模自然灾害而导致的网络部件多处失效的情况,4.5.1 概述,网络生存性依靠保护（Protection）和恢复（Restoration）机制实现保护机制预先分配备份资源针对每个可能的失效预留专用的备份资源在多个不会同时出现的失效之间共享备份资源故障恢复速度快恢复机制在网络部件失效时寻找可用资源进行恢复资源利用率高故障适应性强故障恢复速度慢,4.5.
24、1 概述,光层保护恢复机制的主要优点同高层保护与恢复相比，切换速度快，恢复延迟小透明性好，与业务类型、协议类型和传输速率等无关,4.5.2 光层生存性机制,WDM环网中的生存性机制自动保护倒换1+1保护业务在两条完全分离的工作路径和保护路径上同时传送在接收端选择质量最好的信号进行接收1:1保护业务只在工作路径上传送保护路径仅在工作路径失效后才启用,4.5.2 光层生存性机制,WDM环网中的生存性机制自动保护倒换1:N保护（N1）N条工作路径共享1条保护路径工作路径间通常满足链路分离工作路径同时出现故障的概率低若出现多故障，则首先保护优先级最高的工作路径M:N保护（MN）N条工作路径共享M条保护
25、路径,4.5.2 光层生存性机制,单向通路倒换环（Unidirectional Path Switched Ring，UPSR）采用1+1专用路径保护方案相邻节点间有两条光纤，顺时针方向的光纤作为工作光纤，反方向光纤作为保护光纤易于实现，故障恢复时延很短网络资源利用率不高,4.5.2 光层生存性机制,双向链路倒换环采用1:1保护方案如果工作光纤与保护光纤完全链路分离，则当工作光纤发生故障时，业务将被切换到同一链路的保护光纤上，段倒换；如果两个节点间的工作光纤和保护光纤同时故障，两个节点间的业务将被倒换到环的另一方向的保护光纤上去，环倒换,四纤双向链路倒换环,二纤双向链路倒换环,4.5.2 光层
26、生存性机制,WDM网状网中的生存性机制基于通路的保护恢复业务连接的每条工作光路在建立时就已经预先找到一条端到端备用光路且在备用通路上预留资源（波长）,通路保护模型,4.5.2 光层生存性机制,WDM网状网中的生存性机制基于通路的保护恢复专用通路保护对每个光路建立请求同时建立两条链路分离的光路，一条作为工作光路，另一条作为备用光路在备用光路上专门预留波长给工作光路共享通路保护对每个光路建立请求同时建立两条链路分离的光路多条备用光路间共享预留的备用波长，但要求这些备用光路不会同时启用,4.5.2 光层生存性机制,WDM网状网中的生存性机制基于链路的保护恢复为工作光路上的每条链路准备一条避开该链路的
27、备用路由且预留备用波长当有链路失效时，所有经过它的工作光路直接使用备用路由和备用波长，绕过失效链路,链路保护模型,4.5.2 光层生存性机制,WDM网状网中的生存性机制基于链路的保护恢复工作光路上未失效部分保持原状毋需源和目的节点参与专用链路保护和共享链路保护,链路保护模型,4.5.2 光层生存性机制,WDM网状网中的生存性机制基于子通路的保护恢复把工作光路分成N段子通路，每段子通路都由若干条链路组成为N段子通路都设置备用路由且预留备用波长,子通路保护模型,4.5.2 光层生存性机制,WDM网状网中的生存性机制基于子通路的保护恢复受故障影响的子通路负责绕过失效部分工作光路上未失效部分保持原状毋
28、需源和目的节点参与,子通路保护模型,4.5.2 光层生存性机制,基于预置圈的保护恢复把网络拓扑图事先划分成多个环状区域利用空闲资源预先设置环形通道实现快速保护在允许工作通道任选路由的条件下，可同时对圈上和跨接区的链路故障提供保护,4.5.3 多层网生存性机制,多层网络结构IP/MPLS over WDMWDM光层向IP/MPLS层提供光路IP/MPLS层利用光路作为传输数据和话音的大容量管道一个故障可能引发并行的多层保护恢复动作多层网生存性机制各层生存性机制层间协调机制避免不适当的多层同时保护与恢复而导致的资源浪费和开销增加联合多层生存性策略,4.5.3 多层网生存性机制,多层网生存机制,4.5.3 多层网生存性机制,层间协调机制按序协调式各层按序依次进行生存性操作，仅当本层无法恢复时，才转向相邻层进行恢复自下而上自上而下始于中间集成式故障发生时对各层生存性方案综合评估在最佳层恢复,4.5.3 多层网生存性机制,层间协调策略故障恢复保持时间 保持定时器层间信令 恢复令牌统一控制平面基于GMPLS,4.5.4 展望,引入区分可靠服务支持不同可靠等级传统可靠服务：100或无引入共享风险链路组共享相同物理资源的一组链路物理资源可以是光纤、光缆、管道甚至区域引入稀疏波长变换光树生存性双树机制与工作树弧分离的保护树,
