灵活全光交换网关键技术与实验系统

发布时间：2017-03-17 15:02

  本文关键词：灵活全光交换网关键技术与实验系统，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着云计算、大数据等互联网业务的高速发展,全球通信基础设施面临着流量爆炸和相互融合的事实,这为骨干光网络的资源提供和业务承载能力提出了进一步的要求,传统基于波分复用(WDM)技术的刚性光通道将难以满足未来业务多样化的挑战。随着灵活栅格交换、软件定义控制等灵活组网技术的提出,以及光正交频分复用、奈奎斯特WDM等超通道技术的发展,全光交换网逐渐向频谱灵活、带宽按需分配的方向演进,形成了具有精细频谱粒度、支持异构多域互联的灵活全光网。由于通道频宽可变、带宽可变、调制格式可变等特性,灵活全光网中出现了频谱连续性约束和频谱碎片,引入了频谱分割、光虚级联等多流技术,颠覆了波长平面独立交换和数据通道独立传输的特性,导致灵活全光网相比传统WDM网络在资源模型、组网机制和业务模式等方面存在显著不同。本文针对以上问题,结合全光网、IP网和数据中心融合组网趋势,主要研究灵活全光网的关键技术,在全光资源评估优化、异构协同组网机制、业务灵活提供策略等方面取得了一系列创新性研究成果。在此基础上,设计搭建了灵活全光网创新实验系统,进一步增强了业务灵活提供能力。本文的主要工作和创新性研究成果如下。(1)针对灵活全光网频谱资源的动态性能评估问题,研究了灵活栅格系统的动态特征,提出了一种能够精确描述灵活频谱分配过程随机特性的性能评估模型(EPA模型)。研究频谱分配系统状态的表示形式,证明了WDM系统建模中普遍采用的单维度随机变量不能体现频谱连续性约束的随机特性,定义了一种基于频率单元状态的多值多维度Markov随机变量,可以精确描述频谱分配系统状态。研究系统状态的转移模型,找出可达状态集规模评估方法,研究系统的各态历经性、可逆性和公约性。根据随机矩阵特征,提出适用于求解系统稳态分布的Power迭代方法和Gauss-Seidel迭代方法。根据系统状态表述和稳态分布,提出了能够有效评估网络性能与容量的指标表达式,包括阻塞率、资源利用率和碎片率。模型的解析结果与对应的95%置信区间蒙特卡洛仿真结果匹配度达到了96.4%以上。(2)针对灵活全光网拓扑资源的多层映射优化问题,研究了灵活栅格背景下全光网承载IP网的业务层、IP层、光层资源映射特性,基于灵活全光网中的频谱分割技术,提出了一种光层和IP层混合多流的整数线性规划(ILP)模型。该模型能够体现灵活全光网的频谱连续性约束条件和距离自适应调试格式等特性,并能够反映每条光通道分支的物理特征。基于此模型,提出了能够描述主要光器件和电器件能源消耗的能耗感知ILP优化模型(EE-VTD)。针对相同场景下高效业务映射问题,提出了能耗感知多流拓扑映射启发式优化算法(EE-MFH)。仿真结果表明,EE-VTD优化模型可以降低平均19.55%的能耗,而EE-MFH可以降低平均14.1%的能耗。此外,研究发现IP层平均消耗了80%的总能源,远高于光层消耗。(3)针对多域异构基础设施的协同组网机制问题,基于软件定义网络技术,研究了集中式控制架构下自治域间保持信息独立性的机制与策略问题,在控制平面之上引入协作平面,提出了一种协作式多域异构网络控制架构(CMD架构)。基于此架构,提出了三种控制器协作路由方案,分别是控制器驱动逐域路由方案(ConDRS)、协作器驱动并行路由方案和(ClDRS)和动态优化的ClDRS方案(ClDRS-DO)。针对灵活全光网电路交换和灵活栅格的特性,对OpenFlow协议进行了扩展,根据前文提出的性能评估模型设计了全光资源的协议表示形式,并设计了用于全光交换的流表项。实验结果表明,三种方案都可以高效实现多域协作控制,ConDRS的信令时延与域数量呈线性关系,ClDRS-DO的信令时延较长,但阻塞率最低。(4)针对全光网虚拟网络业务灵活提供问题,设计并搭建了面向虚拟化业务提供的灵活全光网创新实验系统,控制平面依托于所提出的CMD架构。研究了频谱资源的切片与共享问题,设计并部署了带有可编程控制板和数据处理区的新型可虚拟化全光交换节点结构。开展了虚拟全光子网提供和虚拟功能子网提供等实验,并支持200节点以上的大规模组网实验。实验结果表明,与异构网络分立虚拟化的方案相比,CMD架构能够降低平均20%的资源消耗和平均8%的阻塞率,且信令时延可以控制在100ms以内。
【关键词】：灵活全光网 软件定义网络 网络虚拟化 网络性能评估 拓扑映射优化
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 绪论14-35
• 1.1 灵活全光交换网现状与发展趋势14-18
• 1.1.1 灵活全光交换网需求分析14-15
• 1.1.2 灵活全光交换网技术特征15-17
• 1.1.3 灵活全光网发展趋势17-18
• 1.2 关键技术难点与挑战18-21
• 1.2.1 灵活全光网频谱资源性能评估问题18-19
• 1.2.2 灵活全光网多层资源映射优化问题19-20
• 1.2.3 灵活全光网多域异构协同组网问题20-21
• 1.3 国内外研究进展21-27
• 1.3.1 国内外相关研究成果简介21-25
• 1.3.2 国际相关标准化进展25-27
• 1.4 本论文的组成和主要工作27-30
• 1.4.1 论文组成27-28
• 1.4.2 本文主要工作28-30
• 参考文献30-35
• 第二章 灵活全光网频谱资源动态性能评估技术35-56
• 2.1 动态性能评估简介35-38
• 2.1.1 灵活全光网频谱分配特性分析35-36
• 2.1.2 传统模型及其局限性36-37
• 2.1.3 灵活全光网性能评估模型特征37-38
• 2.2 网络场景与符号集38-39
• 2.2.1 频谱分配系统定义38
• 2.2.2 符号集38-39
• 2.3 EPA模型详述39-43
• 2.3.1 系统状态详述39-40
• 2.3.2 状态转移40-42
• 2.3.3 数学属性42-43
• 2.4 性能评估参数的计算43-46
• 2.4.1 状态数量的计算43-44
• 2.4.2 转移强度矩阵44-45
• 2.4.3 性能评估指标45-46
• 2.5 用于高效计算的启发式算法46-48
• 2.5.1 Power迭代46-47
• 2.5.2 Gauss-Seidel迭代47
• 2.5.3 Kahan求和算法47-48
• 2.5.4 计算复杂度分析48
• 2.6 数值结果分析48-53
• 2.6.1 场景定义48-49
• 2.6.2 蒙特卡洛仿真49-50
• 2.6.3 性能参数的计算算法50
• 2.6.4 结果分析50-53
• 2.7 本章小结53
• 参考文献53-56
• 第三章 能耗感知的灵活全光网拓扑映射优化技术56-69
• 3.1 灵活全光网拓扑映射优化需求分析56-57
• 3.2 灵活全光网业务承载模型描述57-58
• 3.3 整数线性规划模型58-61
• 3.3.1 决策变量定义59
• 3.3.2 目标函数59
• 3.3.3 IP层的约束条件59
• 3.3.4 光层的约束条件59-60
• 3.3.5 物理特性的约束条件60-61
• 3.3.6 能耗感知的约束条件61
• 3.4 能耗感知的拓扑映射启发式优化算法61-62
• 3.5 数值结果分析62-66
• 3.6 本章小结66-67
• 参考文献67-69
• 第四章 基于多控制器协作的多域异构组网机制69-91
• 4.1 研究背景69-70
• 4.2 典型光网络组网架构介绍70-74
• 4.2.1 基于GMPLS/PCE的光组网架构70-71
• 4.2.2 基于SDN的光组网架构71-72
• 4.2.3 GMPLS/PCE与SDN联架构72-74
• 4.3 协作式多域异构组网控制架构74-77
• 4.3.1 组网架构与系统设计74-76
• 4.3.2 功能特征76-77
• 4.4 多控制器协作资源提供方案77-80
• 4.4.1 控制器驱动逐域路由方案(ConDRS)78
• 4.4.2 协作器驱动并行路由方案(ClDRS)78-79
• 4.4.3 动态优化的ClDRS方案(ClDRS-DO)79-80
• 4.5 协议设计与扩展80-84
• 4.5.1 OpenFlow协议扩展80-83
• 4.5.2 控制平面北向接口JSONAPI设计83-84
• 4.6 实验步骤与结果分析84-87
• 4.7 本章小结87-88
• 参考文献88-91
• 第五章 面向虚拟化业务提供的灵活全光网创新实验系统91-112
• 5.1 支持网络功能虚拟化的光传送节点91-94
• 5.1.1 需求分析92
• 5.1.2 支持NFV的光节点结构92-94
• 5.2 实验系统数据平面设计与实现94-96
• 5.3 实验系统控管平面设计与实现96-99
• 5.3.1 基于CMD架构的控制平面与协作平面97-98
• 5.3.2 交互式管理系统98-99
• 5.4 典型实验与结果分析99-106
• 5.4.1 虚拟资源子网提供实验99-101
• 5.4.2 虚拟功能子网提供实验101-104
• 5.4.3 频谱碎片整理实验104-105
• 5.4.4 实验性能评估105-106
• 5.5 大规模组网性能测试与对比106-109
• 5.5.1 基于GMPLS/PCE控制平面的对比架构107-108
• 5.5.2 务量递增性能对比108
• 5.5.3 业务种类间性能对比108-109
• 5.5.4 域内域间比例递增性能对比109
• 5.6 本章小结109-110
• 参考文献110-112
• 第六章 总结与展望112-114
• 6.1 本文工作总结112
• 6.2 相关领域未来研究展望112-114
• 中英文对照表与缩写说明114-116
• 致谢116-117
• 作者攻读学位期间发表的学术论文目录117-118

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