Transcript 第十四章新型光通信系统 - FRONT!

光网络
郭
薇
上海交通大学电子信息与电气工程学院
区域光纤与新型光通信系统国家重点实验室
E-mail: [email protected]
Tel:
021-34205419
Office: SEIEE 5-515
第一部分
电信网及光传送网
什么是通信网?




Consists of a collection of
switching nodes and links
End devices (computer,
terminal, phone, etc) are
stations
Data routed by being
switched from node to
node
Two different switching
technologies
 Circuit switching
 Packet switching
电路交换
 优点
 Dedicated communication path between two stations
 Circuit capacity not reduced by other network traffic
 Typically allows full duplex transmission
 Multiple protection/restoration schemes
 Once connected, transfer is transparent
 Low loss, low latency, and minimal jitter
 缺点
 Channel provides for transmission at constant rate. The
capacity dedicated for duration of connection.
 must transmit and receive at same data rate. Limits
versatility
 If no data, capacity wasted
 Set up (connection) takes time
包交换
 优点
 Data transmitted in small packets, Packets are
received, buffered and passed on to the next node
 Single node to node link can be shared by many
packets over time
 Each station connects to the local node at its own
speed
 缺点
 May have concurrent transmissions over physical
channel
 May have delays and congestion
电路交换 vs. 包交换
-
Circuit Switch
Package Switch
Bandwidth
Guaranteed

×
Protection/
Restoration

×
QoS

×
×

×

Service
Provisioning
Scalability
Optical network based on circuit switching is well suited in
transport network
电信运营网络基本架构
7
OSI 协议层, 成本
不同的作用，功能(以及成本):
用户/应用
协议复杂性 ($$$)
详细的业务管理和QoS保障
每业务和每用户的管理
高层的协议处理
与业务层关联的丰富的OAM
关注业务层的连接处理
6
5
业务网络
4
3
IP
2
带宽的效率 ($)
高效的带宽的管理和QoS
透明的传送(业务层)
低层的协议处理
高可靠性和健全的OAM
需要支持灵活的网络拓扑连接
传送网络
1
光纤
Geographic Reach
合理的将网络需要处理的功能分布在业务网络和传送网络中
将有助于降低网络的整体拥有成本
7
业务需求
6 x Growth in Traffic
11%
6%
7%
2%
专线业务
(Enterprise DIA,
Retail, Wholesale)
25%
50%
语音业务 (固定+移动）
6x
24%
视频业务
普通住宅用户的
4%
3%
10%
数据业务
(ATM/FR, L2-VPN,
L3-VPN)
31%
2004
中小企业的
27%
Source: Alcatel Study 2005
宽带Internet接入
2008
 大业务流量
 Moore’s law doesn’t apply here
 高可靠性
 低成本
宽带Internet接入
传送网面临的挑战
三重播放业务的驱动(3 Play: 数据＋IP 视频＋宽带语音):
带宽需求大量增长
支持单播业务和组播业务的高效率传送
支持接入技术的不断演进 (例如： ATM 转向 Ethernet)
对语音和视频业务提供高可靠性的传送保障
商业用户业务的演进：
IP-VPN, 以太网VPNs, 存储区域网络SAN
高带宽的业务需求
提供网络高可用性和高安全性
业务的快速提供和端到端管理及故障定位
固定/移动网络的融合:
公共的网络汇聚层 (在网络L2/L1/L0提供业务疏导)
支持接入技术的不断演进 (e.g., TDM to Ethernet for WiMAX)
减少独立的骨干网络数量，优化网络结构，降低网络建设维护成本
卓越的多层业务OAM，提供高可用性和可恢复的网络支持
光传送网架构
Data
Center
SONET
SONET
DWD
M
DWD
M
SONET
SONET
接入
城域
长途/骨干
城域
接入
光传送网能力

(Timeslots)
(OC12,48,192)
Wavelengths
(Multi Tbps)

Wavebands

Fibers (100+)
Cable


Timeslots: 622M，2.5G，10G
—— SDH device
Wavelengths can be timedivision multiplexed into a
series of aggregated
connections—— WDM device
Sets of wavelengths can be
spaced into wavebands
Switching can be done by
wavebands or wavelengths
1 Cable can do multi
terabits/sec
SDH（Synchronous Optical Network)
传送速率： STM-N（N=1，4，16，64，…）
STM-1：155.520Mbit/s
STM-4：622.080Mbit/s
STM-16：2 488.320Mbit/s
STM-64：9 953.280Mbit/s
Good for aggregating small flows into a fat pipe
STM-N帧结构
帧周期为125s。帧结构中字节
的传输是由左到右逐行进行。
整个帧结构可分成3个区域，分别是段开销区域、
信息净负荷区域和管理单元指针区域。
SDH自愈环保护
网络可靠性可达到99.999%
SDH设备节点
华为设备
烽火设备
SDH网络

面向连接的网络，具有高的QoS
DWDM网络

可以充分利用光纤的巨大带宽潜力，使一根光纤上的
传输容量比单波长传输增加几十至上万倍。

N个波长复用以后在一根光纤中传输，在大容量长途传
输时可以节约大量的光纤。

对信号提供透明传输，
网络控制和管理
网管功能
（1）故障管理：指对不正常的运行状况和环境条件进行检测、
隔离和校正。包括告警监视、告警历史管理、测试、环境外部事
件和设备故障等。
（2）性能管理：提供有关通信设备的运行状况、网络及网络单
元效能的报告和评估。包括性能数据收集、性能监视门限的使用、
性能数据报告、统计事件和在不可用时间内的性能监视等。
（3）配置管理：实施对网元的控制、识别、数据交换，配置网
元和通道。包括指配功能、网元状态的控制和安装功能。
（4）安全管理：为网络的安全提供保证。具体包括用户管理、
口令管理、操作权限管理和操作日志管理等。
（5）综合管理：包括人机界面管理、报表生成和打印管理、管
理软件的下载及重载管理等。
目前的光传送网架构及存在问题
接入/Access
SDH Ring
传送节点
SDH
Transmission
Node
SDH
GE
FTTx
数据/Data
边缘Edge/核心Core
SDH 环
端局CO
语音/Voice
汇聚
Aggregate
BRAS
DSL
N x GE
传送节点
IP-DSLAM
视频/Video
以太网交换机
IP/MPLS
Ethernet
Switch
业务路由器
Service Router
STM/OC
GE
GGSN
RNC
Wireles
FE
s
WiMAX
E1
Node-B
E1
SDH/MSTP
SDH/环
3G 核心网 SGSN
3G Core
Network
SDH Ring
城域传送
Metro Transmission
核心传送
Core Network Transmission
• SDH和WDM网络在组网的灵活性、稳定性与网络的智能性方面存在缺陷
• 固定/移动，数据/语音汇聚层传送网目前采用分别建设方式，分别进行业务提供
• 分离的网络和网络技术,导致高设备成本和高运行成本及低性价比
• 用户通过不同的接入线路获取不同的业务，增加了使用费用
未来光传送网的发展趋势
汇聚/Aggregate Layer
接入/Access Layer
边缘/核心
Edge/Core Layer
业务提供平台
Service Platform
传送节点Transmission
Node
端局CO
语音/Voice
GE
FTTx
传送节点Transmission
传送
Node
节点
数据/Data
DSL
N x GE
IP-DSLAM
视频/Video
GE
传送节点
Transmission Node
FE
WiMAX
Node-B
E1
E1
以太网/WDM
SDH/SONET
传送节点
VoD
Ethernet/WDM
SDH/SONET
Ethernet/
Packet Rings
SONET/SDH
STM/OC
Wireless
高速上网
High Speed
Internet
传送节点Transmission
Node
传送节点
可扩展电路&包传送
Expendable Circuit & Package
Delivery
城域传送
Metro Transmission
IPTV
传送节点Transmission
Node
头端/Head end
VoIP
核心传送
Core Transmission
PSTN
软交换
Soft Switch
• 汇聚层：IP承载与光传送逐步融合，采用分组传送技术——电信级以太网（ＰＴＮ）
• 核心层： IP承载网和光传送网独立，光传送网采用时隙交换和波长交换——大容量、
智能光网络（ＯＴＮ）
• 接入层：宽带接入、长距离，面向多业务接入，有线和无线融合——PON、四网融合
第二部分
新一代光传送网
1、波长路由光网络
即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行，网
络节点的交换则使用高可靠、大容量和高度灵活的光交叉连接
设备（OXC）。
Light Path = route + wavelength
Client Network A
光通路
连接请求
Client Network B
OXC
OXC
入口节点
OXC
OXC
OXC
出口节点
OXC
OXC
光交叉连接
(OXC)
两种OXC节点结构
ＮＸＮ的光交叉连接设备，每个端口一根光纤，每根光纤复用ｗ个波长
光纤
λ1
λ2
λ3
λw
光纤
NxN
Photonic Switch
λ1
λ1
λ2
λ3
λw
NxN
Photonic Switch
λ2
λ1
λ2
λ3
λw
NxN
Photonic Switch
λ3
λ1
λ2
λ3
λw
结构之一：全波长转换
.
.
.
NxN
Photonic Switch
λw
结构之二：无波长转换
RWA问题

给定一组节点间的全光连接请求:
(1)寻找从源节点到目的节点的路由;
(2)在这些路由上分配波长。

问题由来：
 波长分配具有全局重要性
 合适地选择波长，使得：
所需波长数目最小
 网络吞吐率最大
 连接请求阻塞概率最小


波长分配问题是一个NP-C问题。通常解决办法是分为路
由和波长分配两个子问题。
光通路的建立过程
（1）来自客户
网络的连接请求
到达边缘节点
Client Network A
（3）通过信令
建立光通路
OXC
OXC
（2）边缘节点
或者网管中心
进行RWA计算
OXC
OXC
OXC
（4）连接结束
通过信令拆除
光通路
Client Network B
OXC
OXC
连接请求阻塞示例
连接请求－1
(a-->g)
OXCb
OXCa
λ1
OXCf
OXCd
OXCc
连接请求－2
(c-->g)
λ1
OXCe
×
请求２被组塞
OXCg
RWA问题的分类


静态问题—SLE(Static Lightpath Establishment)
 所有业务量事先确定，连接建立后不拆除
 RWA的目标：所使用的波长/光纤数目最小——网络建设
成本最低
增量式/动态问题—DLE(Dynamic Lightpath Establishment)
 业务逐渐到达，或者建立恢复链路
 连接请求模型：泊松过程业务模型、自相似业务模型
 RWA的目标：连接请求被阻塞的概率最小——网络运行性
能最好
静态RWA问题的解决
属于NPC类问题，求解困难
 通常将寻路和波长选择分开
 寻路问题的解决

 固定寻路
 固定可选寻路

波长选择问题的解决
 近似的，启发式方法
动态RWA问题
比较复杂，目前尚没有比较完整的算法
 从理论上来说，寻路和波长选择需要同
时被考虑，才能达到全局资源的最优化
使用
 现有的算法也将寻路和波长选择分开

动态寻路方式
代价最小路径
 最不拥塞路径

采用适合于动态寻路算法的波长选择算法
RWA策略
最短路径路由
 链路最小负荷路由
 波长分配策略：首次命中、随机搜索、最
少使用、最常使用、相对性能损失、最小
负荷（适合多光纤网络）、保护阈值（有
利于多跳的业务）

常见无波长转换RWA算法
最先适用(First Fit)波长算法：路由固定
，波长编号，使用序号最小波长，阻塞
率低于随机搜索。
 动态最小跳数路由（DMH）算法：将网
络转换成一个等效的按波长分层的多层
网络。
 最小负载路由（LLR）算法：使所选路
由上所选波长能提供最大空闲连接容量
，网络负载保持均衡。

有波长转换RWA算法
主要思想：
（1）连接请求到来后，选择需要波长转换器
最少的路径和波长。
（2）如有多个选择，则选择使波长转换节
点的最小空闲波长转换器数最大的路径和
波长。

有待研究问题






快速、高效的分布式RWA算法、路由协议。
研究动态、组播RWA算法。
引入更多的优化指标。
支持服务质量和区分服务。
支持光网自愈。
集中和分布式管理问题。
2、智能光网络（ASON）
3、光分组交换网 （OPS）
4、分组传送网 （PTN）
5、光传送网 (OTN)
6、新型接入网(GPON, EPON,
WDM-PON, WOBAN)
第三部分
光网络应用
1 分布式科学计算

Traditional science and engineering:



Do theory or paper design
Perform experiments or build system
Limitations:




Too difficult -- build large wind tunnels
Too expensive -- build a throw-away airplane
Too slow -- wait for climate condition
Too dangerous -- climate experiments
 Solution: Scientific Computing



Use high performance computer systems and
software (e.g. CFD) to simulate the natural
phenomenon
Economical and efficient
Useful in many areas
37
存在问题



要求：利用网络共享位于不同地理位
置的、异构计算资源（包括超级计算
机、集群、存储设备、数据源及人等
）的并行及分布式处理系统。
优点: 资源共享、低成本、平台可扩展
、……
应用：云计算、网格、远程医疗、基
因图谱、......
CPU power,
Memory,
Network,
Storage…
Data..
Services..
Resource providers
Access to
remote resources
via IP network

应用中存在的网络问题:
 传输速度低；
 用户交互性差；
 网络可靠性差；
End users
解决方案 — 光子网格

光子网格：通过光网络互连网格计算资源，实现大数据量
高速、可靠、动态传输。
Logical WDM
Topology
Computing - A
Computing - A
Storage - B
Storage - B
connections
Visualization - C

Dynamic Optical Paths
(fast setup and teardown)
Visualization - C
优点：大带宽、低延时、高可靠性。有望解决目前航空、
航天、气象、交通等网格应用中的瓶颈问题。
体系结构
User
Application
User
Application
User
Application
Middleware
Server
Task Scheduler
Resources Manager
Execution Manager
UNIA
Client
NMI
GMPLS
Client
I-NNI
E-NNI
Domain 1 Control Plane Domain 2
Client
Client
CCI
Supercomputer
Storage
Display
Computational
Resources
Transport Plane
Optical Network Resources
UNIA: UNI Agent
Cluster
Computational
Resources
40
研究问题（1）：任务调度
Job
which candidate node is
assigned to execute task Ti ?
Task1
Task1
Task2
Task3
Task4
 Assign DAG to resources
 Minimize the finish time
(makespan) or maximize
the resources utilization
1
Lightpath
5
2
Lightpath
3
4
41
研究问题（2）：系统容错

Users
1
Lightpath
2
5
Lightpath
Computer
cluster
3
4
Supcomputer

Faults are inevitable
 Link failures
 Server outages
 Switch crashes
Even though the resource may
recover from the fault after
some time, the application may
miss the deadline and fail by
waiting for the recover process.
Virtual Reality
Devices
Users
42
研究问题（3）：中间件的设计与实现
Task 1
Task 4
Resource A
Task 0
Task 6
Task 8
Task 9
Resource B
Task 2
0-2
3-6
5-8
7-9
Finish Time:83s
Task 5
Resource C
Task 3
0-3
1-5 2-5
4-7
Task 7
研究问题（4）：大数据实时汇聚与处
理
Data Warehouse
Switches
Supercomputer
例子：e-VLBI（甚长基线干涉）
the “baselines”
Radio Telescopes
2005 = 512 Mbs
2007 = 2 Gbs
2009 > 4+ Gbs
Aggregated streams at
correlator:
2005 > 2 Gbs
2007 ~ 10 Gbs to 20+ Gbs
2009 > 20 Gbs to 40+ Gbs
Source: DRAGON Project
@e-VLBI Workshop 2006
中国“探月工程”应用
佘山
VLBI Correlator
Data Reduction
delay
delay rate
乌鲁木齐
Angle Calculation
Dec.
R.A.
Orbit Determination
昆明
“嫦娥一号”卫星定轨
上海天文台
（南丹路）
北京密云
问题描述：

Given
 Graph G = (V, E) representing the network.
 V represents switches and E the links.
 For file fij (File j from ith node), the size sij
 Destination d  V, to which all files are destined.
Find
 Identification of the circuit: Path along which
each file fij should be sent to d.
 Reservation times for this circuit: Start time at
which each file fij should be sent by the
corresponding node, and the end time.
Minimize the finish time for data aggregation.

Integrated routing and scheduling problem


Problem Statement - Example
t11s – t11e
f21 , s21
3
2
f11 , s11
1
4
t21s – t21e
f12 , s12
Finish Time =
Max { t11e, , t12e , t21e},
6
5
t12s – t12e
Time + Path Optimization
Finish time =
9s
0–4s
4G
3–7s
Finish time =
7s
4G
1G
1G
6–7s
4–5s
6–9s
0–6s
0–3s
0–6s
6G
3G
Link = 1Gbps
G = Gigabit
6G
3G
展望
有了光通信的巨大带宽才使21世纪的信
息世纪成为可能，光通信市场已经步入
了稳健状态，光纤通信的极大带宽支持
了整个信息社会的进步，光网络将发展
成为面向业务驱动的动态灵活的光网络
。
谢谢！
欢迎加入光纤通信国家重点实验室！