WDM光網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的研究.pdf

1、隨著波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的不斷進(jìn)步，WDM光網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛應(yīng)用，并且已經(jīng)成為現(xiàn)代通信基礎(chǔ)設(shè)施的重要基石。WDM光網(wǎng)絡(luò)具有高速度大容量的特點(diǎn)，即使單個(gè)網(wǎng)絡(luò)故障也會(huì)造成大量的信息丟失，因此確保網(wǎng)絡(luò)的健壯性顯得尤為重要。生存性技術(shù)，也就是保護(hù)和恢復(fù)方法，可以有效地增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)抵御故障的能力，在高可用性WDM光網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。 本文對WDM光網(wǎng)絡(luò)的生存性技術(shù)進(jìn)行了深入的理論研究，目的是提出新的保護(hù)恢復(fù)方案及其相關(guān)算法，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)

2、性能，提高網(wǎng)絡(luò)的生存能力。主要研究內(nèi)容包括動(dòng)態(tài)共享通道保護(hù)方法性能分析、區(qū)分通道可用度保護(hù)方法、鏈路保護(hù)P圈優(yōu)化配置以及故障獨(dú)立通道保護(hù)P圈設(shè)計(jì)算法，并進(jìn)行模擬仿真。 第一章介紹了相關(guān)的研究背景。 第二章分析自相似業(yè)務(wù)下共享通道保護(hù)WDM光網(wǎng)絡(luò)性能。利用隨機(jī)中點(diǎn)置換-分形高斯噪聲方法合成自相似業(yè)務(wù)序列，通過分層圖方法記錄WDM光網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，提出了一種鏈路狀態(tài)描述模型。通過對5×5 Mesh Torus網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，研究泊松

3、業(yè)務(wù)和自相似業(yè)務(wù)對共享通道保護(hù)算法的影響。仿真結(jié)果表明，在相同的平均到達(dá)速率下，泊松業(yè)務(wù)和自相似業(yè)務(wù)得到的阻塞率并不相同。對于自相似業(yè)務(wù)，當(dāng)自相似系數(shù)H或方差V變大時(shí)，也就是說業(yè)務(wù)的突發(fā)程度變大時(shí)，阻塞率增大，網(wǎng)絡(luò)的性能下降。增加單纖波長數(shù)W，可以降低阻塞率，提高網(wǎng)絡(luò)性能。當(dāng)波長數(shù)從8增加到24時(shí)，阻塞率從0.45減少到了0.009。 第三章提出了一種WDM光網(wǎng)絡(luò)的區(qū)分通道可用度保護(hù)方法。每個(gè)連接由業(yè)務(wù)層分配一個(gè)最大不可用度指標(biāo)

4、，如果連接的工作通道不可用度大于其不可用度指標(biāo)，則需要分配保護(hù)通道，否則，無需保護(hù)。提出了一種重用保護(hù)波長機(jī)制：無保護(hù)連接的工作通道可以重用有保護(hù)連接保護(hù)通道的波長，如果兩個(gè)連接的工作通道不可用度之和不超過無保護(hù)連接的不可用度指標(biāo)。根據(jù)區(qū)分通道可用度保護(hù)思想，WDM層可以向業(yè)務(wù)層透明地提供滿足不同可用度要求的連接，這就簡化了多層網(wǎng)絡(luò)生存性設(shè)計(jì)的難度。利用區(qū)分通道可用度方法設(shè)計(jì)WDM環(huán)型光網(wǎng)絡(luò)，給出了一種基于馬爾可夫過程的多修復(fù)條件下環(huán)網(wǎng)

5、通道可用度計(jì)算方法，提出了一種啟發(fā)式路由和波長分配(Routing andWavelength Assignment，RWA)算法.最難重用優(yōu)先算法。對12節(jié)點(diǎn)環(huán)網(wǎng)仿真發(fā)現(xiàn)：利用最難重用優(yōu)先算法，可以在滿足每個(gè)連接可用度要求的同時(shí)，減少環(huán)網(wǎng)所需的波長里程數(shù)。在均勻業(yè)務(wù)和非均勻業(yè)務(wù)下，隨著連接的可用度要求降低，環(huán)網(wǎng)使用的波長里程數(shù)減少，重用的波長里程數(shù)增加，也就是節(jié)約的保護(hù)容量增多，可以節(jié)約大約24％的保護(hù)容量。 第四章研究無波長

6、變換WDM多纖網(wǎng)絡(luò)的鏈路保護(hù)P圈靜態(tài)保護(hù)優(yōu)化方法。提出了兩種新的RWA算法：最短路徑.負(fù)載均衡(Shortest Path-Load Balanced,SP-LB)和動(dòng)態(tài)分層-負(fù)載均衡(DynamicLayered-Load Balanced，DL-LB)。首先利用保護(hù)工作容量包封(Protected Working Capacity Envelope，PWCE)方法計(jì)算波長層中各鏈路的預(yù)留工作容量上限；接著利用最短路徑(SP)或動(dòng)態(tài)分

7、層(DL)方法確定網(wǎng)絡(luò)中的工作波長，然后在各波長層中為連接請求分配工作通道，采用負(fù)載均衡(LB)的思想，將工作容量近似均勻分配在各條鏈路和各波長層中；最后求解整數(shù)線性規(guī)劃(Integer LinearProgramming，ILP)模型進(jìn)行P圈優(yōu)化。對SmallNet和NSFNET兩種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，與東南大學(xué)博士學(xué)位論文DL方法相比，DL-LB方法減少了工作容量，因此網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘?保護(hù)容量與工作容量之和)降低。與SP方法相比，

8、SP-LB方法在各波長層均勻分配工作容量，可以在不大幅增加工作容量的前提下，降低網(wǎng)絡(luò)冗余度(保護(hù)容量與工作容量之比)，因而可以減少網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘俊Ｔ诓煌木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、圈跳?shù)上限以及光纖數(shù)條件下，SP-LB方法需要的網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘慷际亲钌俚?。而且它們隨著圈跳數(shù)上限的變大，網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘慷贾饾u降低。與有圈跳數(shù)上限相比，無圈跳數(shù)上限可以減少11％以上的網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘俊?第五章提出了一種通道保護(hù)P圈啟發(fā)式-ILP混合設(shè)計(jì)方法：故障獨(dú)立通道保護(hù)-互不相關(guān)通

9、道組(FIPP-Mutually Disjoint Path Group，F(xiàn)IPP-MDPG)。該方法首先利用Johnson方法列舉網(wǎng)絡(luò)中存在的簡單圈；然后對于任意簡單圈，將所有適合被該簡單圈保護(hù)的通道分成若干個(gè)互不相關(guān)通道組(MDPG)，每個(gè)MDPG和該簡單圈都組成一個(gè)通道保護(hù)P圈；最后求解基于MDPG的ILP模型。與已有的ILP方法相比，F(xiàn)IPP-MDPG的lLP模型無論是變量數(shù)還是約束條件數(shù)都大幅減少。在7n12s、Cost239

10、、15節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)家族中對FIPP-MDPG方法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)IPP-MDPG方法的結(jié)果接近于其它ILP方法，但是計(jì)算時(shí)間大幅減少，可以從ILP方法需要的2天減少到17秒。同時(shí)，F(xiàn)IPP-MDPG方法可以在相對較短的時(shí)間內(nèi)得到接近于最優(yōu)解的結(jié)果，對計(jì)算時(shí)間的敏感度不高。增加圈跳數(shù)上限，可以減少P圈的保護(hù)容量成本，但是計(jì)算時(shí)間大幅提高。通道保護(hù)P圈的保護(hù)通道成本小于鏈路保護(hù)P圈。 第六章研究通道保護(hù)P圈快速啟發(fā)式算法。提

11、出了兩種新的純啟發(fā)式方法：故障獨(dú)立通道保護(hù)-迭代式聯(lián)合設(shè)計(jì)-最難共享優(yōu)先(FIPP-Iterative Joint Design-Difficult Share First,FIPP-IJD-DSD)和故障獨(dú)立通道保護(hù)-迭代式聯(lián)合設(shè)計(jì)-完全保護(hù)(FIPP-IJD-Full Protection，F(xiàn)IPP-IJD-FP)。這兩種方法都結(jié)合了迭代算法和聯(lián)合設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，基本步驟相同：首先利用Johnson方法列舉網(wǎng)絡(luò)中存在的簡單圈：然后利用D

12、SF方法或FP方法為每個(gè)簡單圈尋找一個(gè)或多個(gè)不相關(guān)路由集合；接著迭代選擇最優(yōu)的P圈作為使用的P圈，并刪除其保護(hù)的業(yè)務(wù)請求：迭代不斷重復(fù)，直到所有業(yè)務(wù)請求都得到保護(hù)。在尋找不相關(guān)路由集合前，每個(gè)業(yè)務(wù)請求預(yù)選K條最短路徑作為候選工作路徑，并且每次迭代尋找最優(yōu)P圈時(shí)，提出用標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)效率作為評價(jià)度量，標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)效率最高的P圈是最優(yōu)的P圈。為了加快迭代速度，每次迭代使用多容量P圈，即P圈的容量不再是單位帶寬，而是刪除對應(yīng)的業(yè)務(wù)請求后會(huì)引起P圈標(biāo)準(zhǔn)保

13、護(hù)效率發(fā)生變化的下限帶寬。在7n12s、Cost239、15節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)家族以及USA網(wǎng)絡(luò)中對FIPP-IJD-DSF和FIPP-IJD-FP進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，與已有的ILP設(shè)計(jì)方法需要的標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)容量成本相比，F(xiàn)IPP-IJD-DSF和FIPP-IJD-FP方法最多只增長了不到12％的成本，在部分例子中，兩種方法甚至減少了約10％的成本；與此同時(shí)，它們的計(jì)算時(shí)間卻減少了2～3個(gè)數(shù)量級，可以從ILP方法需要的2天減少到1秒。在大多數(shù)例

14、子中，F(xiàn)IPP-IJD-FP方法需要的成本略小于FIPP-IJD-DSF方法，但是計(jì)算時(shí)間卻增大了若干倍。觀察到了候選路由數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)容量成本的偽閾值效應(yīng)，即只需要較少的候選路由數(shù)就可以有效地降低成本，而更多的路由只能增長計(jì)算時(shí)間，對減少成本作用不大?？偟膩碚f，候選簡單圈越多，也就是允許的簡單圈越長，F(xiàn)IPP-IJD-DSF和FIPP-IJD-FP的結(jié)果越好，但是只使用部分簡單圈而不是全部簡單圈，不但有助于減少計(jì)算時(shí)間，同時(shí)又不過分影響