【畢業(yè)學(xué)位論文】光網(wǎng)絡(luò)分布式故障恢復(fù)技術(shù)研究-通信與信息系統(tǒng)

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文光網(wǎng)絡(luò)分布式故障恢復(fù)技術(shù)研究姓名：賀輝申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：通信與信息系統(tǒng)指導(dǎo)教師：范戈20050701摘要光網(wǎng)絡(luò)分布式故障恢復(fù)技術(shù)研究摘要網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)正常運營和發(fā)展的基礎(chǔ)和保障，人們對信息網(wǎng)絡(luò)的依賴使得網(wǎng)絡(luò)對生存性的要求也越來越高，因此世界各國都投入巨資在此領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的研究。網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)是伴隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而發(fā)展的，目前網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大、拓?fù)鋸?fù)雜度的增加以及網(wǎng)絡(luò)管理的智能化都使得原有采用集中式控制的生存性技術(shù)日漸不濟(jì)，以分布式控制為主的智能管理方式成為人們研究的熱點。無論是從理論指導(dǎo)還是從實際工程應(yīng)用的角度看，分布式故障恢復(fù)的研究對于網(wǎng)絡(luò)故障的快速修復(fù)、智能網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)運營的成本管理以及動態(tài)業(yè)務(wù)的支持等眾多方面都顯得尤為重要。本文在總結(jié)已有的生存性技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一套比較完整的分布式子系統(tǒng)控制與恢復(fù)體系，其中涉及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、保護(hù)技術(shù)、恢復(fù)技術(shù)、預(yù)留資源、動態(tài)恢復(fù)等多項生存性技術(shù)的研究。首先，本文提出了將工作通路分段進(jìn)行子通路恢復(fù)的方案，并將各類共享恢復(fù)技術(shù)統(tǒng)一至一個數(shù)學(xué)模型之中，隨后在實驗研究中發(fā)現(xiàn)每段子通路在鏈路長度為二或三時可以較好地兼顧恢復(fù)時間和占用資源這兩個最為重要的生存性技術(shù)指標(biāo)，據(jù)此本文進(jìn)一步提出通過理論分析和仿真實驗研究了該方案的恢復(fù)效果。這種按既定規(guī)則進(jìn)行分段處理的設(shè)計理念是本文總體規(guī)劃思想一“分而冶之的一種體現(xiàn)。接著，本文提出一種全新的分布式子系統(tǒng)一車輪子網(wǎng)，它具有良好的控制與恢復(fù)能力。本文先從宏觀層面對車輪子網(wǎng)進(jìn)行了介紹和分析。每個車輪子網(wǎng)有一個中心節(jié)點和一個外環(huán)通路，這種多胚結(jié)構(gòu)使其具有豐富的環(huán)路資源，且不同的鏈路之間可以互為備用資源，從而使這種子網(wǎng)拓?fù)渚哂徐`活多樣的故障恢復(fù)方式。文中在給出車輪子網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型、理論分析及仿真實驗之后，改變原有網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)與管理技術(shù)的順向思維，反其道而行之，提出了以車輪子網(wǎng)為基本網(wǎng)絡(luò)單元構(gòu)建具有高度生存性的大型通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案。具體的工作涉及對網(wǎng)摘要絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)管理、路由技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)支持等方面的研究，其中最為重要的是提出了一種分級虛擬節(jié)點的管理思想，它通過對子網(wǎng)內(nèi)的集中控制與子網(wǎng)間的分布控制二者的融合實現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)的分級管理，通過這種管理模式及相應(yīng)的路由和信令協(xié)議可以為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供“點擊式的通路配置。隨后，本文施以重墨從微觀層面對車輪子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)劃分和車輪子網(wǎng)具體的恢復(fù)方案進(jìn)行了較系統(tǒng)的闡述。本文根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)管理體制，分別提出了子網(wǎng)的集中式劃分算法和子網(wǎng)的分布式劃分算法。在集中式劃分算法中本文通過對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆植际絼澐炙惴ㄖ斜疚膭t提出一種細(xì)胞繁殖仿生的設(shè)計策略，并以此實現(xiàn)了子網(wǎng)的分布式生長(即劃分)。為使車輪子網(wǎng)不僅可以應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的動態(tài)變化，還可以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，本文提出了細(xì)胞生長與分裂的仿生策略，使車輪子網(wǎng)在鏈路或是節(jié)點發(fā)生變化時可以自適應(yīng)地調(diào)節(jié)自己的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌@為智能網(wǎng)絡(luò)的研究開辟了一條新的道路。因為網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)是與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涿芮邢嚓P(guān)的，所以本文結(jié)合車輪子網(wǎng)的拓?fù)涮攸c提出了適用于多胚網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的環(huán)路分流恢復(fù)方案，它可以基于鏈路實施，也可以基于通路實施。文中給出了具體的工程化算法及進(jìn)一步通過仿真實驗證明了環(huán)路分流恢復(fù)方案具有高效的資源利用率，接近于(甚至有時在網(wǎng)絡(luò)重負(fù)載情況還優(yōu)于)傳統(tǒng)的基于通路的共享恢復(fù)方案，同時值得關(guān)注的是它還具有幾十毫秒量級的恢復(fù)速度，這是其它同類算法所無法比擬的。最后，本文對于多點多類型的重度故障給出了子網(wǎng)間協(xié)同恢復(fù)方案，并從全網(wǎng)資源配置的角度分析并提出了將環(huán)路分流技術(shù)與文還利用在此平臺上對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣影l(fā)現(xiàn)、故障的定位、環(huán)路分流恢復(fù)方案的備用資源配置及受損業(yè)務(wù)切換等方面進(jìn)行了硬件實驗仿真，實驗結(jié)果表明了車輪子網(wǎng)體系與嵌入式設(shè)備相融合的可行性。關(guān)鍵詞： 光網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)生存性，分布式恢復(fù)，網(wǎng)絡(luò)劃分，子網(wǎng)恢復(fù)，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分流，動態(tài)恢復(fù)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計N is of of of as in by of is of in t to as as tS to O of of 11 as in in as as n a an at or a as in is an of isto a of a a of an In a in n a be of t tO an be in of of in is in FS in by to to an in or Ms a m to of DS)is an be or n LP DS as to DS is to ，or of of DS iS n of a as as DS is V英文縮略詞匯表動交換光網(wǎng)絡(luò)步傳輸模式度優(yōu)先遍歷算法纖雙向線路保護(hù)環(huán)圈覆蓋環(huán)冗余校驗戶網(wǎng)絡(luò)管理波偵察聽多路訪問腫突檢測于分布式子系統(tǒng)的智能網(wǎng)絡(luò)散修正算法字交叉連接用多協(xié)議標(biāo)簽交換數(shù)線性規(guī)劃際協(xié)議全車輪子網(wǎng)于鏈路的共享恢復(fù)方案損傷號損傷協(xié)議標(biāo)簽交換分插復(fù)用放最短路徑優(yōu)先傳輸網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)交叉連接于通路的雙向分布式恢復(fù)于通路的共享恢復(fù)方案段共享恢復(fù)方案護(hù)資源包封V英文縮略詞匯表完全車輪子網(wǎng)務(wù)質(zhì)量路分流共享恢復(fù)方案性分組環(huán)由波長指配步數(shù)字系列務(wù)水平協(xié)議業(yè)務(wù)步光網(wǎng)絡(luò)享風(fēng)險鏈路組絡(luò)語音擬專用網(wǎng)分復(fù)用海交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密甌在上年解密后適用本授權(quán)書。本學(xué)位論文屬于不保密口。(請在以上方框內(nèi)打“4”)燧名：弘日期：口夕年了月6日，耨旋佃，月簽7者手儲件文論位期學(xué)日上海交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。哿日領(lǐng)嘭領(lǐng)叼簽一章緒論第一章緒論帚一早三；百網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)概述11：1網(wǎng)絡(luò)故障是網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)產(chǎn)生的直接原因正如人有病患、樹有枯損一樣，通信網(wǎng)絡(luò)自出現(xiàn)以來就時常有網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生，并且無論人們采用多么周密的方法去維護(hù)，都無法完全消除網(wǎng)絡(luò)故障，從哲學(xué)角度看，這符合萬物盛衰消長的自然規(guī)律。比如，對于目前廣泛應(yīng)用的光纖網(wǎng)絡(luò)而言，無論采用何種高級的保護(hù)手段，光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的平均概率仍為439個故障點每年每千英里，這就意味著，一個10萬英里的光纖網(wǎng)絡(luò)平均每天至少會出現(xiàn)12個故障【l】。因此，網(wǎng)絡(luò)故障的一個根本特性就是：不可避免性。隨著人們對各種信息需求的不斷增加，人們的工作和生活也越來越依賴于通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的一次故障就可能使銀行、航空和公共安全等多方面陷入癱瘓。另一方面，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，鏈路傳輸速率已達(dá)數(shù)10Gbs2e。一條鏈路的局部損壞將影響大量的應(yīng)用業(yè)務(wù)。比如，02年4月，由于道路施工人員的野蠻施工，中國一級干線滬閩光纜被挖斷，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)千萬元【7】；01年2月和3月接連發(fā)生兩起中美海纜斷裂事故，僅維修費用就達(dá)到關(guān)經(jīng)濟(jì)損失難以估量【8】。因此，網(wǎng)絡(luò)故障的另一個明顯的特性就是：重大危害性。正是由于網(wǎng)絡(luò)故障的不可避免性和重大危害性促使人們不得不利用各類技術(shù)和策略來應(yīng)對隨時可能突如其來的故障，網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)應(yīng)運而生。網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)定義為：在網(wǎng)絡(luò)意外故障或是失效的情況下，使網(wǎng)絡(luò)仍能維持或是恢復(fù)到可接受的性能指標(biāo)的方法和策略【91。盡管網(wǎng)絡(luò)故障不可避免，但故障的快速檢測、識別與恢復(fù)卻可以使網(wǎng)絡(luò)更為可靠。近年來，口業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展使得網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒘砍杀对黾?，相?yīng)的網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)也顯得越來越重要。不同的網(wǎng)絡(luò)故障決定了不同的網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)故障所存在的不同網(wǎng)絡(luò)層面，生存性技術(shù)可以粗分為傳輸層、控制層和管理層三種不同的技術(shù)層面。當(dāng)然，不同網(wǎng)絡(luò)層面的生存性技術(shù)可以相互配合，協(xié)同保護(hù)。對于某一單一層面，網(wǎng)絡(luò)故障又可清晰地分為鏈路故障和節(jié)點故障。傳輸層是整個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，并且由于物理損傷而造成的網(wǎng)絡(luò)故障也大多集中在傳輸層：另一方面，鏈路出現(xiàn)故障的概率是節(jié)點出現(xiàn)故障概率的幾百倍乃至上千倍上述兩點就是目前網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)為何大多以研究傳輸層上的鏈路故障為主要研究對象的原因所在。評估一種網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的優(yōu)劣目前主要從恢復(fù)時間，冗余資源，恢復(fù)率和健壯性四個指標(biāo)來考慮?；謴?fù)時間定義為：從檢測到網(wǎng)絡(luò)故障至網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)恢復(fù)正常傳輸所需要的時間。這是一項最為直接，最能體現(xiàn)生存性技術(shù)效果的衡量指標(biāo)。因為對于用戶而言，他所在意的，也就是他所能見到的就是網(wǎng)絡(luò)提供的業(yè)務(wù)質(zhì)量，上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 光網(wǎng)絡(luò)分布式故障恢復(fù)技術(shù)研究而恢復(fù)時間的長短將直接影響業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。比如，當(dāng)恢復(fù)時間小于50大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)感受不到網(wǎng)絡(luò)故障的發(fā)生，但當(dāng)恢復(fù)時間大于2部分網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)都將受到影響。因此，2冗余資源是指為實施網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)所必須提前預(yù)留的備用網(wǎng)絡(luò)資源，以便替換發(fā)生故障的鏈路或節(jié)點。冗余資源雖然對網(wǎng)絡(luò)用戶不可見，但它直接影響運營商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營成本，是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的一個主要目標(biāo)?；謴?fù)率是指所能恢復(fù)業(yè)務(wù)占全部受損業(yè)務(wù)的比例，它可以反映出生存性技術(shù)的效率。健壯性是指在經(jīng)歷過一次網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)后，網(wǎng)絡(luò)承受再次網(wǎng)絡(luò)故障的能力，它主要是衡量生存性技術(shù)的可持續(xù)性。其中，恢復(fù)時間和冗余資源是兩個最常用的評價指標(biāo)，幾乎在所有有關(guān)網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的文章中都可以看到它們的蹤跡。綜上，可以看出，在網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)發(fā)展的任何的一個階段，其所追求的目標(biāo)都是一樣的，一言以蔽之：利用最小的網(wǎng)絡(luò)資源，在最短的時間內(nèi)，以最穩(wěn)固的方式提供100的故障恢復(fù)。11。2網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展而發(fā)展網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)主要有兩大類實施方案，保護(hù)和恢復(fù)。保護(hù)方案在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)傳輸之初就同時建立了工作通路和備用通路兩條路由且已經(jīng)完成資源預(yù)留和節(jié)點連接配置，故障出現(xiàn)后，在物理層直接實施自動倒換即可【12以51?；謴?fù)方案的資源預(yù)留可在故障發(fā)生之前也可在故障發(fā)生之后，但節(jié)點連接配置是在故障之后完成的，也就是說恢復(fù)方案的備用通路的啟動是在故障之后進(jìn)行的【蛤191。兩者相比，保護(hù)方案恢復(fù)時間短，恢復(fù)方案則具有更高的資源利用率。這兩種基本方案隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了各種不同的形式【1260，生存性技術(shù)也因此呈現(xiàn)出多樣性。點對點網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)：在通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用初期，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大多是簡單的點對點線性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)只能是點對點的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，比如1+1，1：1，1：。網(wǎng)絡(luò)線路的終端設(shè)備通過對信號的檢測來判斷有無故障，若出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會啟動自動保護(hù)切換，用備用通道來傳送業(yè)務(wù)【12環(huán)路網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)：在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中期，人們?yōu)榱耸挂?guī)模漸增的網(wǎng)絡(luò)有較好的生存能力，人們提出了環(huán)路結(jié)構(gòu)自愈環(huán)20自愈環(huán)從本質(zhì)上講是由多個點對點的線性網(wǎng)絡(luò)連接而成的，自愈環(huán)自身閉合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其具有很好的生存性。在這種結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)利用備用資源來為工作資源提供保護(hù)，這里的資源可以是光纖，可以是時隙，也可以是波長。這種環(huán)路結(jié)構(gòu)使自愈環(huán)的雙向(一順一逆)業(yè)務(wù)傳送成為可能，同時也為迂回保護(hù)和環(huán)回保護(hù)提供了物理條件。在此基礎(chǔ)之上，環(huán)路的生存性技術(shù)得到了廣泛的研究，并形成一系列有效可行的方法，如7是由多個點對點的網(wǎng)絡(luò)連2上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章緒論接而成的，換個角度思考，段線路出現(xiàn)故障后，種方案具有點對點保護(hù)的性質(zhì)；也可以選擇包含故障線路在內(nèi)的幾段線路同時被新的線路替代，或是為受故障影響的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)從源節(jié)點到宿節(jié)點重新安排路由，這種方案具有環(huán)形網(wǎng)保護(hù)的性質(zhì)。可以根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀況以及業(yè)務(wù)需求情況采用更為靈活的各種恢復(fù)技術(shù)30以便于更好地兼顧恢復(fù)時間和網(wǎng)絡(luò)資源利用率二者的關(guān)系。上主要是從網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)溲葸M(jìn)的角度來觀察網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的發(fā)展。但從光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展來看，其重要的轉(zhuǎn)折是為網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)提供了新的發(fā)展空間。在基于最小的保護(hù)粒度是一個波長。網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和恢復(fù)是通過用備用波長來替代工作波長實現(xiàn)的。和上述的點對點、環(huán)路及類問題都可以歸結(jié)為帶故障約束的0智能網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)：為了適應(yīng)快速變化的業(yè)務(wù)環(huán)境，人們提出智能光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)它可以動態(tài)自動完成網(wǎng)絡(luò)帶寬分配和調(diào)度，根據(jù)不同的用戶需求和路由算法，動態(tài)地為用戶建立端到端的光路。智能光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是智能網(wǎng)元，各網(wǎng)元內(nèi)嵌的分布式控制平臺實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的智能管理。智能網(wǎng)絡(luò)的生存性技術(shù)第一次將分布式管理技術(shù)作為網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)的主導(dǎo)控制技術(shù)，各網(wǎng)元之間通過端到端的信息交互實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的在線調(diào)整，以保證網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)故障時，網(wǎng)元能根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)快速做出反應(yīng)，并為故障路由找出替代路由以保障業(yè)務(wù)的傳輸。智能光網(wǎng)絡(luò)的國際標(biāo)準(zhǔn)中已單獨將生存性技術(shù)作為一個主要項目來考慮1691。綜上，我們可以用歸結(jié)出網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)發(fā)展的規(guī)律，即網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)必然隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，且與網(wǎng)絡(luò)自身特性密切相關(guān)。這也是一種啟示，即無論以后出現(xiàn)何種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其相應(yīng)的生存性技術(shù)的研究必須要從新網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特性上去尋找突破點。113網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)正在從基于布式控制協(xié)議的】，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)和高校都紛紛開展了各類網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的研究，各國政府和企業(yè)也給予了高度重視和大力資助，如朗迅的電與大學(xué)，北京郵電大學(xué)，電子科技大學(xué)，清華大學(xué)，上海交通大學(xué)等等，總數(shù)達(dá)上百家。因此近年來，網(wǎng)絡(luò)生存性3上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 光網(wǎng)絡(luò)分布式故障恢復(fù)技術(shù)研究技術(shù)的研究在眾多方面都取得了實質(zhì)性的進(jìn)展。文獻(xiàn)7781專注于出許多以故障和資源為限制的數(shù)線性規(guī)劃)路由模型，并分析了滿足波長轉(zhuǎn)換條件和不滿足波長轉(zhuǎn)換條件下生存性策略的資源占用率和恢復(fù)性能。文獻(xiàn)8286】提出了在應(yīng)用及物理拓?fù)渑c虛拓?fù)涞挠成浞椒ê驮诳紤]多層生存性技術(shù)實施聯(lián)合恢復(fù)的策略。文獻(xiàn)8790在原有常規(guī)的以環(huán)路為保護(hù)機(jī)制的基礎(chǔ)上另辟蹊徑，提出并拓展了P顧了環(huán)路和跨距的保護(hù)，提高了資源利用率。文獻(xiàn)91】提出了P樹枝，樹干和連枝構(gòu)成保護(hù)回路。文獻(xiàn)92931就最新的就傳輸層故障和控制層故障進(jìn)行了分類討論，文獻(xiàn)9498還以實驗的形式討論了光交換節(jié)點對生存性技術(shù)的影響。光網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的發(fā)展總是以光網(wǎng)絡(luò)自身的發(fā)展為前提的，光網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模日益龐大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，光網(wǎng)絡(luò)所能提供的業(yè)務(wù)種類也在不斷增加，這都需要光網(wǎng)絡(luò)的生存性技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，其總體趨勢是向分布式、智能化、多層面，多等級業(yè)務(wù)恢復(fù)的方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的智能是依靠網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能化來實現(xiàn)的，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能化又是通過把分布式控制算法嵌入各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來實現(xiàn)的，所以光網(wǎng)絡(luò)的故障檢測與故障恢復(fù)的研究方向應(yīng)是網(wǎng)絡(luò)資源的分布式智能控制與調(diào)度。關(guān)于光網(wǎng)絡(luò)的多等級業(yè)務(wù)恢復(fù)是網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)對日益豐富的各類業(yè)務(wù)而提出的生存性要求，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的不斷拓展，使其對網(wǎng)絡(luò)資源的需求更為靈活繁雜，從整體的角度為每種業(yè)務(wù)都提供盡可能優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)資源也必然是以后光網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)研究的一個重要方向。總之，光網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)研究的目標(biāo)始終是快速的恢復(fù)時間，高效的網(wǎng)絡(luò)利用率，優(yōu)良的業(yè)務(wù)傳輸服務(wù)。12網(wǎng)絡(luò)分布式恢復(fù)技術(shù)概述121分布式恢復(fù)技術(shù)是大勢所趨網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)技術(shù)根據(jù)控制策略的不同分為集中式恢復(fù)技術(shù)和分布式恢復(fù)技術(shù)。集中式恢復(fù)技術(shù)需要一個控制中心，控制中心不斷地從網(wǎng)絡(luò)各處匯集網(wǎng)絡(luò)信息，從而可以在了解全局資源的情況下對網(wǎng)絡(luò)故障的恢復(fù)路由進(jìn)行求解計算，然后將重路由信息發(fā)送至各相關(guān)節(jié)點，相關(guān)節(jié)點按令行事即可。如圖11所示，無論故障發(fā)生在哪里，節(jié)點B，C，D，布式恢復(fù)技術(shù)則將計算能力分布至各個節(jié)點，在故障出現(xiàn)后，恢復(fù)算法可以在網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點同時啟動運行。網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點通過彼此之間的信息交互就可以得到自己所處網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的資源信息，并進(jìn)一步根據(jù)這些信息在線提供恢復(fù)路由，新路由的建立也是各節(jié)點依據(jù)分布控制協(xié)議進(jìn)行的。如圖12所示，每個節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的認(rèn)識都是在與相鄰節(jié)點的信息交互中4上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章緒論得到的，每個節(jié)點的控制權(quán)都是平等的。圖11集中式控制模型 圖12分布式控制模型l ol 以它具有很高的資源利用率，但反應(yīng)速度慢。分布式恢復(fù)技術(shù)采用的是局部優(yōu)化，所以資源利用率不及集中式恢復(fù)，但反應(yīng)速度快，所牽涉的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域小。二者的綜合性能對比，如表11所示：表11 布式恢復(fù)策略計算能力集中于一處 計算能力分散于全網(wǎng)統(tǒng)一匯集全網(wǎng)信息 交互共享局部信息全局最優(yōu) 局部次優(yōu)節(jié)點以被動響應(yīng)為主 節(jié)點以主動呼叫為主資源利用率高 資源利用率次之恢復(fù)時間較長 恢復(fù)時間短集中式恢復(fù)技術(shù)具有的對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要求低、管理簡單和便于實施等特點使其在網(wǎng)絡(luò)初期就成為網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的主流，并且時至今日80以上的網(wǎng)絡(luò)生存性技術(shù)的研究都是基于集中式控制策略的。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的飛速增長，特別是智能光網(wǎng)絡(luò)的提出，網(wǎng)絡(luò)的控制策略開始變革。目前光網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的不斷拓展使原有的簡單網(wǎng)絡(luò)逐步演化為具有節(jié)點眾多，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，多等級業(yè)務(wù)并存等特性的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。集中式恢復(fù)策略對于復(fù)雜的大型光網(wǎng)絡(luò)的意外故障已日漸感到力不從心，其中最突出的一點就是無法快速靈活地啟動恢復(fù)進(jìn)程，同時網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的提高也使集中式恢復(fù)策略很難再進(jìn)行全局尋優(yōu)，因此集中式恢復(fù)技術(shù)原有的資源占用優(yōu)勢已名存實亡。本文從以下幾個方面闡述這種控制策略變革的必然性和重要性。5上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 光網(wǎng)絡(luò)分布式故障恢復(fù)技術(shù)研究_網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：通信網(wǎng)絡(luò)日益向大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，集中式恢復(fù)所需要的全局信息隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大而成指數(shù)增長，這將使控制中心的計算能力不堪重負(fù)。此外，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大也使網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點與控制中心的信息傳遞變得路長道遠(yuǎn)。- 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)主力之后，使網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的動態(tài)性大大提高，相應(yīng)地就需要網(wǎng)絡(luò)能按需提供(或是恢復(fù))隨時變化的業(yè)務(wù)，如果事無具細(xì)都由一個控制中心來處理，那么業(yè)務(wù)的實時性必然降低。 網(wǎng)絡(luò)安全：集中式的控制中心將全網(wǎng)的控制權(quán)集于一身，那么控制中心必然是整個網(wǎng)絡(luò)安全的要害所在，一旦控制中心受到攻擊，那么全網(wǎng)將處于癱瘓，這是集中式控制的一個致命隱患。一 故障特性：故障都是具有區(qū)域性的，即使是影響面巨大的通信故障，其原發(fā)故障點通常也只是存在于一個極小的區(qū)域內(nèi)。集中式恢復(fù)策略沒有充分利用這一特性，從而常常會因單一故障點而影響眾多節(jié)點，甚至是遠(yuǎn)離故障點的節(jié)點也要參與故障消息的傳遞和故障重路由的建立。為解決上述問題，分布式管理的思想被引入網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)之中，分布式恢復(fù)策略可以有效減少網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與網(wǎng)絡(luò)管理之間的相關(guān)性，可以得到較快的恢復(fù)速度，從而能夠為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的故障快速恢復(fù)，智能控制，狀態(tài)監(jiān)測等一系列問題提供一個良好的解決平臺。因此，對于未來規(guī)模龐大，拓?fù)鋸?fù)雜且高度智能的光網(wǎng)絡(luò)而言，分布式的網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)策略無疑將是首選的生存性技術(shù)。122經(jīng)典的分布式恢復(fù)技術(shù)在分布式恢復(fù)技術(shù)的研究中，最基本的恢復(fù)思想來源于采用發(fā)送器r(選擇器(法的自愈網(wǎng)絡(luò)算法(991。分布式恢復(fù)技術(shù)的前期研究大都集中在單鏈路故障的恢復(fù)上，它是以后分布式恢復(fù)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。(一)單鏈路故障的分布式恢復(fù)單鏈路故障的分布式恢復(fù)按其信號傳遞的實現(xiàn)過程不同可以分為三步恢復(fù)、兩步恢復(fù)和雙向恢復(fù)三種恢復(fù)方式。三步恢復(fù)如圖13所示，整個恢復(fù)過程分為廣播、通知和確認(rèn)三個步驟。故障鏈路的兩側(cè)節(jié)點在檢測到故障之后，將按預(yù)先規(guī)定的編號原則，將其中一個節(jié)點設(shè)為發(fā)送器，另一個節(jié)點設(shè)為選擇器，發(fā)送器通過相鄰的節(jié)點逐層向外部廣播故障信號，當(dāng)選擇器收到此信號且是第一次收到時，便沿路返回通知信號，各中間節(jié)點通過交叉連接進(jìn)行相應(yīng)的路由配置，當(dāng)發(fā)送器收到通知信號后，將根據(jù)掌握的通路情況決定重路由的方案，并通過確認(rèn)信號將結(jié)果傳遞給選擇器，完成恢復(fù)過程。6上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章緒論勺勺啦=L oo卻，ooo通知ll o13三步恢復(fù)擇器在一定的時限內(nèi)接收多個來自發(fā)送器的恢復(fù)信號，隨后從中選擇一條具有最大容量的信號傳遞路徑作為恢復(fù)路徑，然后選擇器將確認(rèn)信號傳遞至發(fā)送器，沿途完成中間節(jié)點的路由配置，從而實現(xiàn)故障的恢復(fù)。如圖1復(fù)過程分為廣播和確認(rèn)兩個步驟。 ，噸呂_刮叫=。 啦=L oo二川r oo弋卜D!二哪圖14兩步恢復(fù)-4 2于兩側(cè)節(jié)點都可以確定故障的出現(xiàn)，所以可以讓故障鏈路的兩側(cè)節(jié)點同時發(fā)出恢復(fù)信號，這可以明顯地減少信號傳遞的路程進(jìn)而可以提高恢復(fù)的速度。如圖15所示，故障出現(xiàn)時，兩側(cè)節(jié)點同時設(shè)為發(fā)送器，都發(fā)出恢復(fù)信號，然后兩側(cè)節(jié)點由發(fā)送器狀態(tài)變?yōu)檫x擇器狀態(tài)，當(dāng)中間節(jié)點收到來自不同發(fā)送器的恢復(fù)信號后，便向選擇器發(fā)出確認(rèn)信號，當(dāng)兩側(cè)的選擇器收到確認(rèn)信號后，就可以建立恢復(fù)通路。啦 o o 封_勺瑚圖1)節(jié)點故障和多鏈路故障的分布式恢復(fù)由于在實際環(huán)境中，不同區(qū)域的施工可能會多處光纜同時受損，這就會導(dǎo)致光網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)多鏈路故障，此外，節(jié)點設(shè)備的老化和意外事故也會導(dǎo)致7上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 光網(wǎng)絡(luò)分布式故障恢復(fù)技術(shù)研究節(jié)點故障，多鏈路故障和節(jié)點故障會給網(wǎng)絡(luò)帶來更大的影響，其恢復(fù)難度也大大增加，具體表現(xiàn)在故障定位困難和恢復(fù)信號復(fù)雜等方面。在1990年，H出了一種適用于多鏈路故障和節(jié)點故障的分布式恢復(fù)方案【為了減少多路恢復(fù)信號對網(wǎng)絡(luò)資源的占用，此方案中沿用了單鏈路故障恢復(fù)中的信號傳輸超時取消的方法，并進(jìn)一步增加了取消信號用于主動刪除無用的信號通路。在故障定位時，此方案采用了一個發(fā)送器與多個選擇器相配合的方式，其具體實現(xiàn)過程如圖1節(jié)點明B、具體是那一條故障不能確定，這時節(jié)點與業(yè)務(wù)有關(guān)聯(lián)的A、B、播階段：過逐級檢測可以在準(zhǔn)選擇器中發(fā)現(xiàn)節(jié)點以節(jié)點知階段：節(jié)點向其它未用通路發(fā)出取消信號，這樣，節(jié)點認(rèn)階段：節(jié)點啟動備用資源建立業(yè)務(wù)通路，以而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)故障的恢復(fù)。廣播信號圖a)廣播階段-6(a)。通知信號 取渭信號圖1_6(b)通知階段o)(c)確認(rèn)階段-6(c)3分布式恢復(fù)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1997年布式的網(wǎng)絡(luò)資源管理以及分布式的故障恢復(fù)作了較為全面的研究，并提出了“以簡單規(guī)則來應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)的自組織分布式管理思想，其代表作【11】也因此獲得獻(xiàn)101104也從故障信息的分布式傳遞、分布式的路由技術(shù)以及分布式的資源共享管理等眾多方面進(jìn)行了研究。自智能光網(wǎng)絡(luò)的概念提出之后，分布式網(wǎng)絡(luò)控制的研究進(jìn)入了實質(zhì)性的快車道。文獻(xiàn)105在實驗中對智能光網(wǎng)平臺上的分布式網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)策略進(jìn)行了研究，此外智能光網(wǎng)絡(luò)控制平面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中關(guān)于分布式網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)專門設(shè)置有生存性管理模塊(此8上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章緒論相應(yīng)的新型的分布式控制系統(tǒng)也已逐步進(jìn)入產(chǎn)品化階段。由美國助的將現(xiàn)分布式的虛擬計算機(jī)，那時網(wǎng)絡(luò)將成為一個大規(guī)模的分布式系統(tǒng)。朗訊科技的第三代光網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)管阿爾卡特的光交叉機(jī)1678 嘶1091。分布式恢復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)是分布式的帶寬管理，而分布式帶寬管理的基礎(chǔ)是分布式的智能網(wǎng)元，即具有自主運算能力，高速光接口，大容量的交叉連接矩陣的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。但網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的智能化在短期內(nèi)是不易實現(xiàn)了，因此目前分布式恢復(fù)技術(shù)的發(fā)展有兩點是十分明確的，一是分布式控制協(xié)議要簡單高效，以減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的運算量；二是分布式控制策略要先與集中式控制策略相結(jié)合，而后逐步向完全分布式演化。13本文研究內(nèi)容及創(chuàng)新之處 。本文的研究內(nèi)容主要包括于網(wǎng)絡(luò)控制的分布式子系統(tǒng)的創(chuàng)建及其建模分析、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞指钜约霸诜植际阶酉到y(tǒng)內(nèi)及子系統(tǒng)間的恢復(fù)和路由技術(shù)等?；诓ㄩL為保護(hù)單位的共享恢復(fù)技術(shù)可以通過備用資源的共享達(dá)到節(jié)省總體網(wǎng)絡(luò)資源需求量的目的。但傳統(tǒng)的基于通路和基于鏈路的共享恢復(fù)技術(shù)難以平衡恢復(fù)時間與資源占用量兩方面的矛盾，特別是對于長距離多節(jié)點的主干網(wǎng)絡(luò)，恢復(fù)時間與資源占用量更是顧此失彼。如何找到一種可以合理的兼顧恢復(fù)時間與資源占用量的共享恢復(fù)方案對于網(wǎng)絡(luò)建立和網(wǎng)絡(luò)故障恢復(fù)是十分重要的。為此本文在第二章將對共享恢復(fù)技術(shù)的恢復(fù)效果進(jìn)行分析。該章的創(chuàng)新點在于：為共享恢復(fù)技術(shù)建立一個統(tǒng)一的性能分析模型，并通過實驗發(fā)現(xiàn)了對于普通拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)工作通路的長度為兩個或三個鏈路時可以實現(xiàn)較好的資源共享且同時可達(dá)到較快的恢復(fù)速度，并據(jù)此提出二三分段共享恢復(fù)方案，同時給出相應(yīng)的理論分析和實驗仿真。目前有不少關(guān)于分布式網(wǎng)絡(luò)控制和管理以及用于故障恢復(fù)的研究，也有一些關(guān)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞指畹恼撐?，但以分布式子系統(tǒng)為管理單元建立一整套控制與恢復(fù)管理的研究至今未見報道，且關(guān)于本文中構(gòu)建的分布式子系統(tǒng)車輪子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更在本領(lǐng)域內(nèi)首次提出。分布式子系統(tǒng)的研究對于網(wǎng)絡(luò)故障的快速修復(fù)、智能網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運營成本和動態(tài)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)支持等眾多方面都顯得尤為重要。從第三章開始，本文對分布式子系統(tǒng)從設(shè)計理念、模型分析、構(gòu)建過程及具體的故障恢復(fù)算法進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究。由于分布式恢復(fù)策略可以有效減少9上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文 光網(wǎng)絡(luò)分布式故障恢復(fù)技術(shù)研究網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與網(wǎng)絡(luò)管理之間的相關(guān)性，所以面對日益龐大復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)本文將以分布式子系統(tǒng)的構(gòu)建作為研究的切入點。經(jīng)過長時間的分析和實驗，本文最終找到了一種全新的子網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即車輪子網(wǎng)，如圖17所示。圖17 of 可以知，車輪子網(wǎng)由中心節(jié)點和外環(huán)通路構(gòu)成，所以車輪子網(wǎng)在內(nèi)部可以采用集中式控制，也可以采用分布式控制，而多個子網(wǎng)之間則是采用分布式控制以實施區(qū)域自治。在車輪子網(wǎng)中其外環(huán)資源與環(huán)內(nèi)資源可以互為備用資源，且車輪子網(wǎng)的多胚結(jié)構(gòu)使其具有豐富的環(huán)路資源，這些拓?fù)涮攸c保證了車輪子網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)控制和故障恢復(fù)上的多樣性和靈活性。本文第三章和第四章從總體規(guī)劃的角度對分布式子系統(tǒng)的恢復(fù)模型和車輪子網(wǎng)的拓?fù)鋭澐謨蓚€方面進(jìn)行了研究。分布子系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的構(gòu)成單元，它的特性將直接影響全網(wǎng)的控制與恢復(fù)能力。第三章將對車輪子網(wǎng)的基本構(gòu)成和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行敘述，并由此給出車輪子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所賦予此分布式子系統(tǒng)的優(yōu)良恢復(fù)能力：然后從網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的角度給出了以車輪子網(wǎng)為網(wǎng)絡(luò)單位構(gòu)建具有高度生