面向云业务的光传送网动态路由等关键技术研究

发布时间：2017-03-20 07:01

  本文关键词：面向云业务的光传送网动态路由等关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：云计算技术的蓬勃发展及数据中心在全球的大规模建设,使得传统的互联网服务模式正在逐步被云服务模式所取代,云业务将成为未来光传送与接入网承载的主流业务之一。而云业务在业务类型、流量统计特性及其对网络服务质量(Quality of Service, QoS)的差异化需求上都呈现出与传统互联网业务明显不同的特征。如何有效地承载云业务,在满足业务QoS要求的前提下,优化网络资源利用率是承载数据中心间云业务的光传送网和云业务接入网所面临的巨大挑战之一。因此,面向云业务的光传送与接入网关键技术成为当前光网络领域学术界和工业界的研究热点之一。本文针对实现数据中心问云业务有效承载的光传送网控制结构、路由、信令和关键算法,居民用户云业务接入(云端接入)的多业务QoS保障策略,展开了深入研究,取得了一定的创新性成果。本文的主要创新点和研究工作包括：(1)数据中心间的云业务呈现出多样化的流量统计特性和差异化的QoS要求,对数据中心间光传送网的动态和灵活性提出更高的要求。传统的光传送网控制结构出现了难以实现弹性资源提供、灵活的功能可扩展和动态网络重构的问题。针对上述难题,本文提出了一种基于有状态路径计算单元(Stateful Path Computing Element, S-PCE)云和通用多协议标签交换(Generalized Multiprotocol Label Switching, GMPLS)联合的数据中心间光传送网控制结构。通过将云计算的虚拟化和分布式计算技术引入到数据中心间光传送网控制平面,实现了弹性资源提供和功能可扩展,设计了相应的多域动态路由机制,使之可以满足不同类型云业务差异化QoS的动态建路或重构的需求。仿真结果表明,所提方案与传统分布式控制结构相比,在跨域路径计算请求量远大于域内请求的情况下,平均建路时延降低41.7%；局部S-PCE故障情况下,网络平均阻塞率降低10%。(2)新型的实时云业务对数据中心间光传送网的动态建路性能提出了更高的要求,控制平面需要提供更低时延和网络资源开销的信令机制。然而,随着数据中心间光传送网向着大规模多域的方向发展,复杂化的光网络环境和不断变化的网络连接状态使得信令折回次数增加和建路时延变长。为降低动态建路时延,本文提出了一种双向递归区域重路由信令折回改进机制。在信令发生折回时通过双向递归的方式由回溯点计算出一条绕过路由失败和重路由失败节点的区域路径,从而解决了由于网络规模变化、信令折回点位置和次数等因素带来的网络动态建路时延大的问题。理论分析计算和仿真结果表明,所提方案与传统折回机制相比最优时只需多付出2.5%的链路和波长资源占用量,就能带来48.6%的建路时延的降低。(3)传统的多点对多点(Multi-point to Multi-point, MP2MP)组播路由和波长分配算法通常只针对单域的光网络环境,而数据中心间光传送网在朝着多域的方向发展。传统基于单域网络环境提出的MP2MP组播路由算法在多域网络环境下出现了网络资源占用量大、多QoS约束下组播成功率低和路由计算开销大的问题。同时,多域光网络环境中的MP2MP组播又引入最优化域序列、最小化核心点数量和核心所属域等问题。针对上述难题,提出了一种综合考虑时延和最小网络资源代价约束的多核点共享树快速启发式算法。该算法通过虚拟化和加权聚类的方法将MP2MP组播的最优化组播域序列选择和核心点域的归属问题转化到虚拟单域中求解,从而实现了满足QoS约束的MP2MP组播树建立。仿真结果表明,与基于单域网络环境提出的算法相比,网络的波长资源平均占用率降低7.6%,路由平均成功率提高15.3%,算法平均执行时间降低52.6%。(4)承载居民用户云业务接入的云端光接入网不仅接入传统的互联网业务,而且还要接入对网络QoS要求更为苛刻的新型云业务。针对云业务在云端光接入网中准确识别并进行有效的差异化QoS保障的新需求,本文首先对云端光接入网承载的云业务等各种业务进行分类,确定了基于端口号和自定义协议的云业务识别方案；其次,根据不同云业务在时延、时延抖动和丢包率等方面的差异化需求,提出并设计了一种基于动态流量均衡和组合分级队列调度的PON (Passive Optical Network, PON)云端接入网下行QoS保证方案,从而为云业务等多种业务提供动态按需的差异化QoS保证；最后,基于自研40G相干PON实验系统对所提QoS保证方案进行了实验验证,实验结果表明三类不同的云业务在40 km PON网络中平均时延分别为207 μs、1.1 ms和2.1 ms。最大时延抖动分别为1.3μs、79μs和121μs。实现了为不同类型的云业务提供差异化的QoS保障,满足云业务在云端光接入网段传输的QoS要求。
【关键词】：云业务 光传送网 重路由 多对多路由算法 光接入网
【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4-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-30
• 1.1 研究背景与研究意义13-17
• 1.2 数据中心间光传送网和云端光接入网研究现状与技术挑战17-22
• 1.2.1 数据中心间光传送网控制结构研究现状与技术挑战17-18
• 1.2.2 大规模多域光传送网信令机制研究现状与技术挑战18-19
• 1.2.3 多对多组播动态路由研究现状与技术挑战19-21
• 1.2.4 云端光接入网多业务QoS策略研究现状与技术挑战21-22
• 1.3 论文的主要研究内容、创新点和结构安排22-25
• 参考文献25-30
• 第二章 数据中心间光传送网控制结构设计及路由机制研究30-55
• 2.1 引言30-32
• 2.2 S-PCE云和GMPLS联合的数据中心间光传送网控制结构32-44
• 2.2.1 基于GMPLS的光传送网控制平面技术概述32-35
• 2.2.2 方案概述35-38
• 2.2.3 功能结构38-44
• 2.3 基于S-PCE云的路由机制44-49
• 2.3.1 基于S-PCE的路由信息同步策略44-45
• 2.3.2 支持策略解析和多约束条件的路由计算45-49
• 2.4 仿真分析49-52
• 2.5 本章小结52
• 参考文献52-55
• 第三章 基于S-PCE云的数据中心间光传送网信令改进机制研究55-73
• 3.1 引言55-56
• 3.2 双向递归区域重路由信令折回机制56-61
• 3.2.1 方案概述56-57
• 3.2.2 PATH消息折回机制57-59
• 3.2.3 RESV消息折回机制59-61
• 3.3 数学模型及性能分析61-67
• 3.3.1 多域光网络信令折回问题数学建模61-62
• 3.3.2 重路由成功率性能分析62-64
• 3.3.3 连接建立时间性能分析64-67
• 3.4 仿真分析67-70
• 3.5 本章小结70-71
• 参考文献71-73
• 第四章 多对多组播动态路由算法研究73-86
• 4.1 引言73-74
• 4.2 多域光网络多对多组播路由与波长分配问题74-77
• 4.2.1 问题描述74-75
• 4.2.2 算法理论模型75-77
• 4.3 基于时延约束和最小资源占用量的启发式算法77-81
• 4.4 仿真分析81-83
• 4.5 本章小结83-84
• 参考文献84-86
• 第五章 云端光接入网QOS策略研究86-113
• 5.1 引言86
• 5.2 方案概述86-88
• 5.3 基于负载均担的动态流量均衡策略88-90
• 5.4 流分类、优先级映射与业务识别方案90-95
• 5.4.1 流分类策略90-92
• 5.4.2 优先级映射92-93
• 5.4.3 业务识别方案93-95
• 5.5 组合分级队列调度机制95-96
• 5.6 基于40G相干PON系统的实验验证与性能分析96-111
• 5.6.1 40G相干PON实验系统概述96-97
• 5.6.2 基于负载均担的动态流量均衡策略实验验证97-103
• 5.6.3 组合分级队列调度机制实验验证103-111
• 5.7 本章小结111
• 参考文献111-113
• 第六章 总结和展望113-116
• 6.1 论文总结113-114
• 6.2 未来研究工作展望114-116
• 附录 缩略词116-119
• 致谢119-120
• 攻读博士学位期间发表论文和参与科研项目情况120-121
• 发表论文情况120-121
• 攻读博士学位期间参与科研项目情况121

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