本文關(guān)鍵詞：靈活全光交換網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與實驗系統(tǒng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著云計算、大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展,全球通信基礎(chǔ)設(shè)施面臨著流量爆炸和相互融合的事實,這為骨干光網(wǎng)絡(luò)的資源提供和業(yè)務(wù)承載能力提出了進一步的要求,傳統(tǒng)基于波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的剛性光通道將難以滿足未來業(yè)務(wù)多樣化的挑戰(zhàn)。隨著靈活柵格交換、軟件定義控制等靈活組網(wǎng)技術(shù)的提出,以及光正交頻分復(fù)用、奈奎斯特WDM等超通道技術(shù)的發(fā)展,全光交換網(wǎng)逐漸向頻譜靈活、帶寬按需分配的方向演進,形成了具有精細頻譜粒度、支持異構(gòu)多域互聯(lián)的靈活全光網(wǎng)。由于通道頻寬可變、帶寬可變、調(diào)制格式可變等特性,靈活全光網(wǎng)中出現(xiàn)了頻譜連續(xù)性約束和頻譜碎片,引入了頻譜分割、光虛級聯(lián)等多流技術(shù),顛覆了波長平面獨立交換和數(shù)據(jù)通道獨立傳輸?shù)奶匦?導(dǎo)致靈活全光網(wǎng)相比傳統(tǒng)WDM網(wǎng)絡(luò)在資源模型、組網(wǎng)機制和業(yè)務(wù)模式等方面存在顯著不同。本文針對以上問題,結(jié)合全光網(wǎng)、IP網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心融合組網(wǎng)趨勢,主要研究靈活全光網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù),在全光資源評估優(yōu)化、異構(gòu)協(xié)同組網(wǎng)機制、業(yè)務(wù)靈活提供策略等方面取得了一系列創(chuàng)新性研究成果。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計搭建了靈活全光網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng),進一步增強了業(yè)務(wù)靈活提供能力。本文的主要工作和創(chuàng)新性研究成果如下。(1)針對靈活全光網(wǎng)頻譜資源的動態(tài)性能評估問題,研究了靈活柵格系統(tǒng)的動態(tài)特征,提出了一種能夠精確描述靈活頻譜分配過程隨機特性的性能評估模型(EPA模型)。研究頻譜分配系統(tǒng)狀態(tài)的表示形式,證明了WDM系統(tǒng)建模中普遍采用的單維度隨機變量不能體現(xiàn)頻譜連續(xù)性約束的隨機特性,定義了一種基于頻率單元狀態(tài)的多值多維度Markov隨機變量,可以精確描述頻譜分配系統(tǒng)狀態(tài)。研究系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移模型,找出可達狀態(tài)集規(guī)模評估方法,研究系統(tǒng)的各態(tài)歷經(jīng)性、可逆性和公約性。根據(jù)隨機矩陣特征,提出適用于求解系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分布的Power迭代方法和Gauss-Seidel迭代方法。根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)表述和穩(wěn)態(tài)分布,提出了能夠有效評估網(wǎng)絡(luò)性能與容量的指標表達式,包括阻塞率、資源利用率和碎片率。模型的解析結(jié)果與對應(yīng)的95%置信區(qū)間蒙特卡洛仿真結(jié)果匹配度達到了96.4%以上。(2)針對靈活全光網(wǎng)拓撲資源的多層映射優(yōu)化問題,研究了靈活柵格背景下全光網(wǎng)承載IP網(wǎng)的業(yè)務(wù)層、IP層、光層資源映射特性,基于靈活全光網(wǎng)中的頻譜分割技術(shù),提出了一種光層和IP層混合多流的整數(shù)線性規(guī)劃(ILP)模型。該模型能夠體現(xiàn)靈活全光網(wǎng)的頻譜連續(xù)性約束條件和距離自適應(yīng)調(diào)試格式等特性,并能夠反映每條光通道分支的物理特征�；诖四Ｐ�,提出了能夠描述主要光器件和電器件能源消耗的能耗感知ILP優(yōu)化模型(EE-VTD)。針對相同場景下高效業(yè)務(wù)映射問題,提出了能耗感知多流拓撲映射啟發(fā)式優(yōu)化算法(EE-MFH)。仿真結(jié)果表明,EE-VTD優(yōu)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,研究發(fā)現(xiàn)IP層平均消耗了80%的總能源,遠高于光層消耗。(3)針對多域異構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同組網(wǎng)機制問題,基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù),研究了集中式控制架構(gòu)下自治域間保持信息獨立性的機制與策略問題,在控制平面之上引入?yún)f(xié)作平面,提出了一種協(xié)作式多域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)(CMD架構(gòu))�；诖思軜�(gòu),提出了三種控制器協(xié)作路由方案,分別是控制器驅(qū)動逐域路由方案(ConDRS)、協(xié)作器驅(qū)動并行路由方案和(ClDRS)和動態(tài)優(yōu)化的ClDRS方案(ClDRS-DO)。針對靈活全光網(wǎng)電路交換和靈活柵格的特性,對OpenFlow協(xié)議進行了擴展,根據(jù)前文提出的性能評估模型設(shè)計了全光資源的協(xié)議表示形式,并設(shè)計了用于全光交換的流表項。實驗結(jié)果表明,三種方案都可以高效實現(xiàn)多域協(xié)作控制,ConDRS的信令時延與域數(shù)量呈線性關(guān)系,ClDRS-DO的信令時延較長,但阻塞率最低。(4)針對全光網(wǎng)虛擬網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)靈活提供問題,設(shè)計并搭建了面向虛擬化業(yè)務(wù)提供的靈活全光網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng),控制平面依托于所提出的CMD架構(gòu)。研究了頻譜資源的切片與共享問題,設(shè)計并部署了帶有可編程控制板和數(shù)據(jù)處理區(qū)的新型可虛擬化全光交換節(jié)點結(jié)構(gòu)。開展了虛擬全光子網(wǎng)提供和虛擬功能子網(wǎng)提供等實驗,并支持200節(jié)點以上的大規(guī)模組網(wǎng)實驗。實驗結(jié)果表明,與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分立虛擬化的方案相比,CMD架構(gòu)能夠降低平均20%的資源消耗和平均8%的阻塞率,且信令時延可以控制在100ms以內(nèi)。
【關(guān)鍵詞】：靈活全光網(wǎng) 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)虛擬化 網(wǎng)絡(luò)性能評估 拓撲映射優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第一章 緒論14-35
• 1.1 靈活全光交換網(wǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢14-18
• 1.1.1 靈活全光交換網(wǎng)需求分析14-15
• 1.1.2 靈活全光交換網(wǎng)技術(shù)特征15-17
• 1.1.3 靈活全光網(wǎng)發(fā)展趨勢17-18
• 1.2 關(guān)鍵技術(shù)難點與挑戰(zhàn)18-21
• 1.2.1 靈活全光網(wǎng)頻譜資源性能評估問題18-19
• 1.2.2 靈活全光網(wǎng)多層資源映射優(yōu)化問題19-20
• 1.2.3 靈活全光網(wǎng)多域異構(gòu)協(xié)同組網(wǎng)問題20-21
• 1.3 國內(nèi)外研究進展21-27
• 1.3.1 國內(nèi)外相關(guān)研究成果簡介21-25
• 1.3.2 國際相關(guān)標準化進展25-27
• 1.4 本論文的組成和主要工作27-30
• 1.4.1 論文組成27-28
• 1.4.2 本文主要工作28-30
• 參考文獻30-35
• 第二章 靈活全光網(wǎng)頻譜資源動態(tài)性能評估技術(shù)35-56
• 2.1 動態(tài)性能評估簡介35-38
• 2.1.1 靈活全光網(wǎng)頻譜分配特性分析35-36
• 2.1.2 傳統(tǒng)模型及其局限性36-37
• 2.1.3 靈活全光網(wǎng)性能評估模型特征37-38
• 2.2 網(wǎng)絡(luò)場景與符號集38-39
• 2.2.1 頻譜分配系統(tǒng)定義38
• 2.2.2 符號集38-39
• 2.3 EPA模型詳述39-43
• 2.3.1 系統(tǒng)狀態(tài)詳述39-40
• 2.3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)移40-42
• 2.3.3 數(shù)學(xué)屬性42-43
• 2.4 性能評估參數(shù)的計算43-46
• 2.4.1 狀態(tài)數(shù)量的計算43-44
• 2.4.2 轉(zhuǎn)移強度矩陣44-45
• 2.4.3 性能評估指標45-46
• 2.5 用于高效計算的啟發(fā)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 計算復(fù)雜度分析48
• 2.6 數(shù)值結(jié)果分析48-53
• 2.6.1 場景定義48-49
• 2.6.2 蒙特卡洛仿真49-50
• 2.6.3 性能參數(shù)的計算算法50
• 2.6.4 結(jié)果分析50-53
• 2.7 本章小結(jié)53
• 參考文獻53-56
• 第三章 能耗感知的靈活全光網(wǎng)拓撲映射優(yōu)化技術(shù)56-69
• 3.1 靈活全光網(wǎng)拓撲映射優(yōu)化需求分析56-57
• 3.2 靈活全光網(wǎng)業(yè)務(wù)承載模型描述57-58
• 3.3 整數(shù)線性規(guī)劃模型58-61
• 3.3.1 決策變量定義59
• 3.3.2 目標函數(shù)59
• 3.3.3 IP層的約束條件59
• 3.3.4 光層的約束條件59-60
• 3.3.5 物理特性的約束條件60-61
• 3.3.6 能耗感知的約束條件61
• 3.4 能耗感知的拓撲映射啟發(fā)式優(yōu)化算法61-62
• 3.5 數(shù)值結(jié)果分析62-66
• 3.6 本章小結(jié)66-67
• 參考文獻67-69
• 第四章 基于多控制器協(xié)作的多域異構(gòu)組網(wǎng)機制69-91
• 4.1 研究背景69-70
• 4.2 典型光網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)介紹70-74
• 4.2.1 基于GMPLS/PCE的光組網(wǎng)架構(gòu)70-71
• 4.2.2 基于SDN的光組網(wǎng)架構(gòu)71-72
• 4.2.3 GMPLS/PCE與SDN聯(lián)架構(gòu)72-74
• 4.3 協(xié)作式多域異構(gòu)組網(wǎng)控制架構(gòu)74-77
• 4.3.1 組網(wǎng)架構(gòu)與系統(tǒng)設(shè)計74-76
• 4.3.2 功能特征76-77
• 4.4 多控制器協(xié)作資源提供方案77-80
• 4.4.1 控制器驅(qū)動逐域路由方案(ConDRS)78
• 4.4.2 協(xié)作器驅(qū)動并行路由方案(ClDRS)78-79
• 4.4.3 動態(tài)優(yōu)化的ClDRS方案(ClDRS-DO)79-80
• 4.5 協(xié)議設(shè)計與擴展80-84
• 4.5.1 OpenFlow協(xié)議擴展80-83
• 4.5.2 控制平面北向接口JSONAPI設(shè)計83-84
• 4.6 實驗步驟與結(jié)果分析84-87
• 4.7 本章小結(jié)87-88
• 參考文獻88-91
• 第五章 面向虛擬化業(yè)務(wù)提供的靈活全光網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)91-112
• 5.1 支持網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的光傳送節(jié)點91-94
• 5.1.1 需求分析92
• 5.1.2 支持NFV的光節(jié)點結(jié)構(gòu)92-94
• 5.2 實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)平面設(shè)計與實現(xiàn)94-96
• 5.3 實驗系統(tǒng)控管平面設(shè)計與實現(xiàn)96-99
• 5.3.1 基于CMD架構(gòu)的控制平面與協(xié)作平面97-98
• 5.3.2 交互式管理系統(tǒng)98-99
• 5.4 典型實驗與結(jié)果分析99-106
• 5.4.1 虛擬資源子網(wǎng)提供實驗99-101
• 5.4.2 虛擬功能子網(wǎng)提供實驗101-104
• 5.4.3 頻譜碎片整理實驗104-105
• 5.4.4 實驗性能評估105-106
• 5.5 大規(guī)模組網(wǎng)性能測試與對比106-109
• 5.5.1 基于GMPLS/PCE控制平面的對比架構(gòu)107-108
• 5.5.2 務(wù)量遞增性能對比108
• 5.5.3 業(yè)務(wù)種類間性能對比108-109
• 5.5.4 域內(nèi)域間比例遞增性能對比109
• 5.6 本章小結(jié)109-110
• 參考文獻110-112
• 第六章 總結(jié)與展望112-114
• 6.1 本文工作總結(jié)112
• 6.2 相關(guān)領(lǐng)域未來研究展望112-114
• 中英文對照表與縮寫說明114-116
• 致謝116-117
• 作者攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄117-118

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