WDM網(wǎng)絡(luò)多播業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)和保護(hù)算法研究.pdf

1、Internet業(yè)務(wù)爆炸式增長(zhǎng)和高性能光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(如光交叉連接器OXC、光分插復(fù)用器OADM)的出現(xiàn)，使波分復(fù)用(WDM)技術(shù)成為下一代骨干網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。通過(guò)WDM傳輸技術(shù)和波長(zhǎng)路由選擇在物理網(wǎng)絡(luò)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(luò)的核心傳輸方式。同時(shí)，光網(wǎng)絡(luò)要為不同用戶提供各種帶寬粒度和可靠性的服務(wù)，因此，能夠自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)連接、具有獨(dú)立控制面的智能光傳輸網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生。 隨著光網(wǎng)

2、絡(luò)的迅速普及，未來(lái)Internet骨干支撐的WDM光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)受到越來(lái)越多關(guān)注。由于光學(xué)技術(shù)的日益成熟，功能完善的各種光通信器件和設(shè)備也大量涌現(xiàn)，這使許多原來(lái)在業(yè)務(wù)交換層面完成的工作被更多的移植到光層。一個(gè)典型的例子是光網(wǎng)絡(luò)多播技術(shù)，在分光器支持下可以實(shí)現(xiàn)光層多播路由交叉連接，WDM網(wǎng)狀光網(wǎng)絡(luò)中的單播路狀路由也拓展為多播樹(shù)狀路由。多播連接是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接請(qǐng)求，在光層構(gòu)建光樹(shù)比單播路由問(wèn)題更加復(fù)雜。與IP層多播技術(shù)相比，光層多播設(shè)計(jì)具有

3、一些特殊約束條件，如波長(zhǎng)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?biāo)記交換(GMPLS)作為控制平面技術(shù)的智能光網(wǎng)絡(luò)，本文主要研究了WDM網(wǎng)狀網(wǎng)中的多播業(yè)務(wù)量的疏導(dǎo)和保護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)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(luò)中，每個(gè)波長(zhǎng)的傳輸速率越來(lái)越高，業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)是將多個(gè)低速業(yè)務(wù)連接聚合起來(lái)用一個(gè)光通道傳輸，分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩個(gè)方面。靜態(tài)業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)對(duì)給定業(yè)務(wù)連接矩陣進(jìn)行疏導(dǎo)優(yōu)化計(jì)算，主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)

4、初期規(guī)劃和周期較長(zhǎng)的虛拓?fù)渲嘏渲迷O(shè)計(jì)。在實(shí)際運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)連接請(qǐng)求動(dòng)態(tài)到達(dá)和離開(kāi)。本文主要研究WDM網(wǎng)狀網(wǎng)中動(dòng)態(tài)多播業(yè)務(wù)量的疏導(dǎo)問(wèn)題。 第二章針對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不具有光域波長(zhǎng)變換能力，且節(jié)點(diǎn)光收發(fā)器數(shù)目以及光纖波長(zhǎng)數(shù)目受限的情況，研究多播業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)問(wèn)題。首先分析了具有多播分光和疏導(dǎo)能力的交叉連接結(jié)構(gòu)(MGC一OXC)以及多播業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)的約束和目標(biāo)。然后提出幾種動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)疏導(dǎo)策略和基于光樹(shù)的多播業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)算法LTIG，為WDM網(wǎng)中動(dòng)態(tài)到

5、達(dá)的低速多播業(yè)務(wù)連接請(qǐng)求，進(jìn)行實(shí)時(shí)疏導(dǎo)、路由和波長(zhǎng)分配(GRWA)計(jì)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(wù)疏導(dǎo)需要考慮多種約束條件，如分光能力、疏導(dǎo)能力、波長(zhǎng)數(shù)目、波長(zhǎng)連續(xù)性、光收發(fā)器數(shù)目等等，實(shí)質(zhì)是低速業(yè)務(wù)疏導(dǎo)與多播路由樹(shù)構(gòu)造的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題。在具有光域分光和電域疏導(dǎo)的混合網(wǎng)絡(luò)中，各種節(jié)點(diǎn)共存，為統(tǒng)一考慮這些節(jié)點(diǎn)對(duì)疏導(dǎo)路由計(jì)算的影響，我們對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模型抽象，然后設(shè)計(jì)一組代價(jià)對(duì)模型的疏導(dǎo)路由綜合取舍。 第三章提出了

6、一種新的輔助疏導(dǎo)圖模型，這種分層的輔助圖可以描述多播節(jié)點(diǎn)的分光特性和疏導(dǎo)能力，包含光纖上波長(zhǎng)通道信息、節(jié)點(diǎn)處空閑可調(diào)協(xié)光收發(fā)器信息、以及每個(gè)波長(zhǎng)上帶寬利用情況，并可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源使用情況調(diào)整模型中各種邊代價(jià)值?；谳o助疏導(dǎo)圖模型提出一種新的動(dòng)態(tài)多播業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)算法EMGA。仿真表明EMGA算法可以有效利用WDM各種網(wǎng)絡(luò)資源為低速動(dòng)態(tài)多播業(yè)務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行疏導(dǎo)計(jì)算，具有較低的業(yè)務(wù)阻塞概率。 WDM技術(shù)提高鏈路傳輸容量的同時(shí)，也使網(wǎng)絡(luò)抗毀問(wèn)

7、題日漸突出。由于每個(gè)波長(zhǎng)傳輸容量可以高達(dá)吉比特/秒，光網(wǎng)絡(luò)中承載了大量業(yè)務(wù)，任何網(wǎng)絡(luò)故障(如鏈路斷裂、節(jié)點(diǎn)故障)會(huì)導(dǎo)致巨大損失。因此，需要在WDM光網(wǎng)絡(luò)中引入有效的生存性機(jī)制。光網(wǎng)絡(luò)生存性機(jī)制主要包括保護(hù)(Protection)和恢復(fù)(Restoration)兩大類。保護(hù)是指事先為請(qǐng)求業(yè)務(wù)預(yù)留備用資源，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，該業(yè)務(wù)可以由預(yù)留的保護(hù)資源承載?；謴?fù)是指并不事先為請(qǐng)求業(yè)務(wù)預(yù)留備用保護(hù)資源，當(dāng)故障發(fā)生后，動(dòng)態(tài)地尋找當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的冗余資源來(lái)

8、承載受故障影響的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。由于保護(hù)策略具有較短的故障恢復(fù)時(shí)間，滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的需求，因此很多研究是基于保護(hù)策略的。本文主要研究了網(wǎng)狀WDM光網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)多播業(yè)務(wù)的抗毀保護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題。 由于WDM光網(wǎng)絡(luò)的資源有限，要求每個(gè)工作樹(shù)與保護(hù)樹(shù)完全無(wú)重疊地使用資源是不現(xiàn)實(shí)的。因此結(jié)合考慮樹(shù)狀路由的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多播樹(shù)的分段保護(hù)。為提高光網(wǎng)絡(luò)抗毀性能，IETF引入共享風(fēng)險(xiǎn)鏈路組(SRLG)概念，以描述實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中光纖鏈路由于共享相同物理設(shè)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(luò)中基于SRLG約束的多播業(yè)務(wù)保護(hù)問(wèn)題，提出動(dòng)態(tài)多播共享段保護(hù)算法DSSPM。該算法為動(dòng)態(tài)多播業(yè)務(wù)請(qǐng)求尋找最小代價(jià)工作光樹(shù)，并依據(jù)工作光樹(shù)上多播分光節(jié)點(diǎn)劃分工作段，為每個(gè)工作段提供失效風(fēng)險(xiǎn)分離的保護(hù)段。根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)合理設(shè)置鏈路代價(jià)，考慮網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡度和資源共享度。仿真表明DSSPM算法在WDM網(wǎng)絡(luò)單SRLG故障下，為網(wǎng)絡(luò)多播業(yè)務(wù)連接提供有效保護(hù)，具有較好的資源利用率和阻塞概率性

10、能。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和業(yè)務(wù)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(dǎo)致的破壞性影響也增大。針對(duì)WDM光網(wǎng)絡(luò)中雙鏈路失效下單播業(yè)務(wù)保護(hù)的研究中，完全保護(hù)設(shè)計(jì)為每個(gè)業(yè)務(wù)同時(shí)分配一條工作通路和兩條鏈路分離的保護(hù)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(wú)法接受這種高消費(fèi)的保護(hù)措施，因此可以考慮不事先預(yù)留多條保護(hù)路徑的備用資源，而是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)連接和失效情況進(jìn)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(wù)共享保護(hù)和局部資源重配置方案。分析了失效鏈路導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性和多播業(yè)務(wù)連接的未保護(hù)情況，在此基礎(chǔ)上提出一種新的具有資源重配置功能的動(dòng)態(tài)多播業(yè)務(wù)共享保護(hù)算法SSPR。算法為網(wǎng)絡(luò)多播業(yè)務(wù)提供工作光樹(shù)和分段共享保護(hù)，并在發(fā)生鏈路失效，業(yè)務(wù)進(jìn)行保護(hù)切換的同時(shí)，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(luò)中未被保護(hù)的多播業(yè)務(wù)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(luò)抗毀性能。 WDM光網(wǎng)絡(luò)中的多播保

12、護(hù)設(shè)計(jì)比單播保護(hù)設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。一方面，網(wǎng)絡(luò)鏈路失效對(duì)多播業(yè)務(wù)連接產(chǎn)生的影響比單播業(yè)務(wù)連接更大，一條失效鏈路下游的多個(gè)目的終端會(huì)同時(shí)接收業(yè)務(wù)失??；另一方面，網(wǎng)絡(luò)支持多播業(yè)務(wù)保護(hù)比單播業(yè)務(wù)保護(hù)需要預(yù)留更多的備用資源。為了降低動(dòng)態(tài)多播業(yè)務(wù)阻塞概率，需要考慮如何使網(wǎng)絡(luò)配置盡量少的備用資源來(lái)保護(hù)盡量多的業(yè)務(wù)連接。 多播樹(shù)的一個(gè)明顯特點(diǎn)是樹(shù)上各鏈路在發(fā)生失效時(shí)對(duì)多播業(yè)務(wù)流的影響是不一樣的。定性地看，越靠近樹(shù)根的鏈路越重要，失效后被中斷的業(yè)

13、務(wù)流也越多。因此，可以針對(duì)多播樹(shù)上鏈路的重要性進(jìn)行有區(qū)分的保護(hù)設(shè)計(jì)，即在分配網(wǎng)絡(luò)中有限的波長(zhǎng)資源時(shí)優(yōu)先考慮重要鏈路，或者根據(jù)實(shí)際用戶的特殊需求來(lái)預(yù)留保護(hù)資源。 第六章研究了網(wǎng)狀WDM光網(wǎng)絡(luò)中多播業(yè)務(wù)的部分保護(hù)問(wèn)題，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)單鏈路失效，提出一種基于多播樹(shù)關(guān)鍵鏈路的部分保護(hù)算法CPPM。該算法對(duì)承載多播業(yè)務(wù)連接的工作光樹(shù)中連接多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的鏈路進(jìn)行保護(hù)，旨在合理配置備用資源，降低多播業(yè)務(wù)阻塞概率，在網(wǎng)絡(luò)資源使用和業(yè)務(wù)保護(hù)能力之間進(jìn)行

14、折中。當(dāng)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)單鏈路故障，任意工作多播樹(shù)上最多僅有一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)接收業(yè)務(wù)失敗。仿真表明CPPM算法具有一定的多播業(yè)務(wù)保護(hù)能力，通過(guò)減少保護(hù)波長(zhǎng)資源的分配，有效降低了多播業(yè)務(wù)的阻塞概率。 第七章介紹了驗(yàn)證和評(píng)估WDM網(wǎng)狀光網(wǎng)絡(luò)中多播業(yè)務(wù)量疏導(dǎo)和保護(hù)算法的仿真平臺(tái)，包括仿真運(yùn)行環(huán)境和軟件主體，給出了主要模塊設(shè)計(jì)、重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及部分偽碼。最后對(duì)論文工作進(jìn)行了總結(jié)，突出研究重點(diǎn)，并對(duì)WDM光網(wǎng)絡(luò)中多播業(yè)務(wù)疏導(dǎo)和保護(hù)方面有待深入研究的問(wèn)題