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: wguo@sjtu.edu.cn

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

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

业务网络

传送网络

OSI 协议层 , 成本

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

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

不同的作用，功能 ( 以及成本 ):

光纤

用户 / 应用

1

2

3

4

5

6

7

IP

业务需求6 x Growth in Traffic

2004

2008 Source: Alcatel Study 2005

6x50%

10%3%

7%

24%

6%

25%

4%

27%

11%

31%

2%专线业务(Enterprise DIA, Retail, Wholesale)

语音业务 ( 固定 + 移动）

视频业务

中小企业的宽带 Internet 接入

普通住宅用户的宽带 Internet 接入

数据业务 (ATM/FR, L2-VPN, L3-VPN)

大业务流量 Moore’s law doesn’t apply here

高可靠性 低成本

传送网面临的挑战

All 256 +channelsAll 256 +channelsAll 256 +channels

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

SONET

DataCenter

SONET

SONET

SONET

DWDM DWD

M

接入长途 / 骨干接入 城域城域

光传送网架构

光传送网能力

Cable

Fibers (100+)

Wavebands

Wavelengths(Multi Tbps)

(Timeslots)(OC12,48,192)

Timeslots: 622M ， 2.5G ， 10G —— SDH device

Wavelengths can be time-division 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 125s 。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，可扩展性好

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。

汇聚Aggregate

目前的光传送网架构及存在问题

• 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

接入 /Access 边缘 Edge/ 核心 Core

城域传送Metro Transmission

核心传送Core Network Transmission

FEWireless

IP/MPLS

业务路由器Service Router

3G 核心网3G Core Network

传送节点

Node-BWiMAX

E1

语音 /Voice

STM/OC

IP-DSLAM

N x GE

FTTx GE

DSL

视频 /Video

数据 /Data

GE

E1

RNCSGSN

GGSN

传送节点Transmission Node

SDH 环

SDH

以太网交换机Ethernet Switch

端局 CO

SDH/ 环 SDH RingSDH/MSTP

SDH

BRAS

SDH Ring

未来光传送网的发展趋势边缘 /核心

Edge/Core Layer汇聚 /Aggregate Layer 业务提供平台

Service Platform

软交换Soft Switch

PSTN

高速上网High SpeedInternet

头端 /Head end

VoD

VoIP

IPTV

以太网 /WDM

Ethernet/Packet RingsSONET/SDH

城域传送Metro Transmission

核心传送Core

Transmission

SDH/SONET

传送节点Transmission

Node 传送节点传送节点

可扩展电路 &包传送

Expendable Circuit & Package Delivery

传送节点

Wireless

接入 /Access Layer

FE

Node-BWiMAX

E1

语音 /Voice

STM/OC

IP-DSLAM

N x GE

FTTx GE

DSL

视频 /Video

数据 /Data

GE

E1

端局 CO

SDH/SONET

Ethernet/WDM

传送节点Transmission Node

传送节点Transmission

Node传送节点

Transmission Node

传送节点Transmission

Node

• 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 ）。

OXC

OXC

OXC

OXC

OXC

OXC

OXC

连接请求

Client Network A

Client Network B

入口节点

出口节点

光通路

光交叉连接 (OXC)

Light Path = route + wavelength

两种 OXC节点结构

NxNPhotonic Switch

λ 1

NxNPhotonic Switch

λ 2

NxNPhotonic Switch

λ 3

NxNPhotonic Switch

λ w

.

.

.

光纤

λ 1λ 2

λ 3λ w

λ 1λ 2

λ 3λ w

λ 1λ 2

λ 3λ w

λ 1λ 2

λ 3λ w

光纤

结构之一：全波长转换 结构之二：无波长转换

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

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

OXC

OXC

OXC

OXC

OXC

OXC

OXC

Client Network A

Client Network B

（ 2 ）边缘节点或者网管中心进行 RWA

计算（ 4 ）连接结束通过信令拆除光通路

（ 3 ）通过信令建立光通路

（ 1 ）来自客户网络的连接请求

到达边缘节点

连接请求阻塞示例

OXC-a

OXC-c

OXC-d

OXC-b

OXC-e

OXC-g

OXC-f

λ 1

λ 1

1连接请求－(a- ->g)

2连接请求－(c- ->g) ×

请求２被组塞

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

Access to remote resources

via IP network

CPU power,Memory,Network,

Storage…Data..

Services..

Resource providers

End users

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、 ......

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；

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。

Computing - AStorage - B

Visualization - C

Computing - AStorage - B

Visualization - CDynamic Optical Paths(fast setup and teardown)

Logical WDM Topology

connections

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

Domain 1 Domain 2

GMPLS

Transport Plane

Control Plane

NMI

E-NNI

CCI

I-NNI

StorageSupercomputer

ClusterDisplay

Optical Network ResourcesComputationalResources

Middleware

Resources Manager Execution Manager

User Application User Application User Application

Client

Client

Client

Client

Task SchedulerServer

UNIA

UNIA: UNI AgentComputational

Resources

40

研究问题（ 1 ）：任务调度

Job

1

2

34

5

Lightpath

Lightpath

Assign DAG to resources Minimize the finish time

(makespan) or maximize the resources utilization

which candidate node is assigned to execute task Ti ?

41

Task1Task1

Task2Task2

Task3Task3

Task4Task4

42

研究问题（ 2 ）：系统容错 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 DevicesSupcomputer

Users

Users

Computer cluster

1

2

34

5

Lightpath

Lightpath

研究问题（ 3 ）：中间件的设计与实现

Resource A

Resource B

Resource C

Task 0 Task 1 Task 4

Task 2 Task 6 Task 8 Task 9

Task 3 Task 5 Task 7

0-2 3-6 5-8 7-9

0-3 1-5 2-5 4-7

Finish Time:83s

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）

Radio Telescopes 2005 = 512 Mbs2007 = 2 Gbs2009 > 4+ Gbs

Aggregated streams at correlator:2005 > 2 Gbs2007 ~ 10 Gbs to 20+ Gbs2009 > 20 Gbs to 40+ Gbs

the “baselines”

Source: DRAGON Project @e-VLBI Workshop 2006

“ ”中国 探月工程 应用

佘山

乌鲁木齐

昆明

VLBI Correlator

Data Reduction

Angle Calculation

Orbit Determination

delay delay rate

R.A. Dec.

北京密云

“嫦娥一号”卫星定轨上海天文台（南丹路）

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

t12s – t12e

t11s – t11e

f21 , s21

f11 , s11

f12 , s12

1

23

4

56

t21s – t21e Finish Time =

Max { t11e, , t12e , t21e},

Time + Path Optimization

4 G

1 G

6 G 3 G

4 G

1 G

6 G 3 G

Finish time =9 s

Finish time =7 s

Link = 1GbpsG = Gigabit

0 – 4 s

6 – 9 s

4 – 5 s

0 – 6 s

3 – 7 s

6 – 7 s

0 – 6 s0 – 3 s

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。

欢迎加入光纤通信国家重点实验室！

谢谢！