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作者：任婧、

出版社：人民邮电出版社

出版时间：2020-05-01

书籍编号：30615904

ISBN：9787115518484

正文语种：中文

字数：117578

版次：1

所属分类：计算机-网络通信

信息与通信创新学术专著

全光网络中监测迹原理和应用

任婧 王雄 赵阳明 徐世中 吴斌　著

人民邮电出版社

北京

图书在版编目（CIP）数据

全光网络中监测迹原理和应用 / 任婧等著. --北京：人民邮电出版社，2020.5

（信息与通信创新学术专著）

ISBN　978-7-115-51848-4

Ⅰ.①全…　Ⅱ.①任…　Ⅲ.①光纤网-研宄　Ⅳ.①TN929.11

中国版本图书馆CIP数据核字（2019）第179851号

◆著　　任婧 王雄 赵阳明 徐世中 吴斌

责任编辑　代晓丽

责任印制　彭志环

◆ 人民邮电出版社出版发行　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编 100164　　电子邮件 315@ptpress.com.cn

网址 http://www.ptpress.com.cn

北京市艺辉印刷有限公司印刷

◆ 开本：700×1000 1/16

印张：7.5　　2020年5月第1版

字数：147千字　　2020年5月北京第1次印刷

定价：68.00元

读者服务热线：(010)81055493　印装质量热线：(010)81055316

反盗版热线：(010)81055315

广告经营许可证：京东工商广登字20170147号

内容提要

本书探讨了监测迹技术在光网络故障监测中的应用。全书共分为6章。第1章介绍光纤通信系统、波分复用网络、光网络生存性等相关基础知识以及基于通道的监测方法，尤其是监测迹的基本概念和研究现状。第2章介绍监测迹的基本原理，包括监测迹结构的理论分析、监测迹的整数线性规划模型以及对监测迹的数值计算结果。第3章针对监测迹整数线性规划模型过于复杂的问题，介绍两种可以在大规模网络中实现监测迹设计的启发式算法。第4章针对节点失效引起的多链路失效问题，介绍一种基于组合分组测试的监测迹设计方法。第5章介绍一种联合监测迹分配和业务路由的优化算法，从而在网络监测资源不足时，在保障业务需求的前提下，利用受限的资源，尽可能多地监控承载业务最多的链路。第6章在监测迹的基础上介绍一种新的监测结构，即监测森林，该结构采用多播树结构为树上的所有链路分配相同的波长，从而大大降低所需监测迹和监测波长的数量。

本书适合从事网络故障监测、网络生存性技术研究和开发的读者阅读。

前言

在光网络的故障监测中，快速定位光层故障有助于降低故障对系统运营的影响。本书讨论了在波分复用光网络中监测迹的设计方法。在第1～2章主要介绍了光网络相关的基本概念以及监测迹的基本概念和基本设计方法。由于原问题的整数线性规划模型过于复杂，第3章介绍了两种适用于大规模网络中设计监测迹的启发式算法。第4章尝试解决节点失效造成的多链路失效问题的监测迹设计问题。第5章研究在资源受限的情况下，如何尽可能地监控承载业务最多的链路。第6章进一步拓展了监测迹的形态，采用多个多播树的形式，降低监测所需的资源。

本书由电子科技大学任婧、王雄、赵阳明、徐世中和天津大学吴斌共同完成，总结了作者所在团队老师（任婧、王雄、徐世中、吴斌、王晟）、博士生和硕士生（赵阳明、曹艳艳、孙晶晶、周浩、杨显旭、邹欣钰、袁加宇）在本领域的研究成果。

本书相关工作得到自然基金项目“全光网中基于监测迹的链路失效定位技术的研究”（61271165）和“973”课题“资源动态适配机制与理论”（2013CB329103）的资助。

本书在编写过程中，参考、吸收和采用了国内外相关学者的部分研究成果。在此，谨向原作者深表谢意。由于著者水平有限，书中不足之处在所难免，敬请读者不吝指教。

第1章 概述

本章介绍光纤通信系统、波分复用网络和光网络生存性等相关基础知识，综述网络监测方法，并详细地介绍基于通道的监测方法，尤其是监测迹的基本概念和研究现状。

1.1 点到点光纤通信系统

通信的本质是将原始信号（包括图像、文字和语音等）通过传播介质（包括大气、水和电磁波等）准确地从一处传到另一处。在古代，人们采用烽火、信件等方式传递信息。随着电磁波理论的发展，人们发现可以以电磁波为载体进行信号的远距离传输，同时发现随着载波频率的提高，通信系统的传输能力（传输速率×传输距离）也随之提高。因此，现代通信系统不断尝试将信号调制到更高频率的载波上进行传输。自1835年莫尔斯发明莫尔斯码和电报机以来，随着通信技术的不断发展，电通信系统使用的载波频率不断提高。直到1970年，电通信系统的传输能力到达瓶颈，大概为100 Mbit·s⁻¹·km⁻¹。

在电通信系统发展的过程中，人们一直试图使用更高频率的光波（约为100 THz）作为载波。理论上采用光波作为载波，有望将传输能力提高几个数量级，但一直无法找到合适的相干光源和传输介质。1960年激光器的发明解决了相干光源的问题。1966年提出光纤可以作为传输介质。但当时光纤具有1000 dB/km的损耗，且激光器体积较大，使得光纤通信系统依然无法实用。1970年，光纤损耗降低到20 dB/km，同时可在室温下连续工作的小型GaAs半导体激光器的出现，使得点到点光纤通信系统得以实用化。

为了提供更高的传输能力，即提供更高的传输速率和更远的中继距离，从1970年开始，点到点光纤通信系统的发展已经历了五代。从0.8 μm波段到光纤损耗最小的1.55 μm波段，从多模光纤到单模光纤，光放大器和中继器的使用，以及波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术等的引入，传输速率从最初的50～100 Mbit/s增加到40 Gbit/s^[1]甚至更高，传输距离也从最初的10 km增加到10000 km以上。点到点光纤通信系统的传输能力大大增加。

其中，波分复用技术被认为是20世纪光通信领域最伟大的发明之一，它的成功应用极大地提升了光纤的传输速率。由于采用光波作为载波，光纤的潜在传输能力可以达到几十Tbit·s⁻¹·km⁻¹。但由于光传输中的信号衰减等限制，大规模商用的单路光信道的速率一般不超过100 Gbit/s^[2]。不同波长的光信道的间隔距离足够大时，光信道互不重叠，因此，可以通过将多个不同波长的光信道复用在同一根光纤中来充分利用光纤的潜在带宽。这一方法被称为波分复用。具体来讲，在发送端，WDM系统利用复用器（合波器）将多个不同波长的光信道汇合到一起，同时耦合进同一根光纤中进行传输；在接收端，通过解复用器（分波器或去复用器）将各个光信道分离开，并由光接收机进一步处理恢复出原始光信号。

1.2 波分复用网络

虽然WDM技术的应用极大地提升了点到点光纤通信系统的传输能力，但由于点到点光纤通信系统并没有实现光层联网，多跳传输的光信号需要在每个节点都进行“光−电−光”的转换。也就是每个节点都需要将接收到的光信号变换为电信号，然后再由电信号变为光信号，才能将信号传输给路径上的下一跳节点。由于电域的信号处理速率大大低于光域的传输速率，因此，频繁的“光−电−光”转换成为限制光网络传输能力的瓶颈，同时还增加了网络节点设备的复杂度。为了充分利用WDM技术的潜在能力，一种可行的方案为在传送网内部实现全光数据传输，建立全光网络（All Optical Network，AON）^[3]。

随着光分叉复用器（Optical Add and Drop Multiplexer，OADM）^[4]和光交叉连接器（Optical Cross Connector，OXC）^[5]的发明，基于WDM技术的全光网络得以实用化。OADM节点具有光信道（波长）上/下路功能，它可以仅将本地上路或下路需要的光信道，由本地光发送模块插入（上路）或由本地接收模块分出（下路），而其他光信道则无阻塞地通过节点。全光型OXC则可以在光域将入口光纤中一个波长上的信号直接交换到出口光纤对应的波长上。同时波长变换器可以将入口的某个波长信号转变为出口的另一波长上，从而进一步提高波长利用率。由于不需要将本地下路的大量业务在光层直接进行交换，从而减轻网络节点所要处理的业务量，降低网络节点的成本。正是由于全光型OXC和OADM具有灵活的可重构特性，光网络的组网方式得以从点到点光纤通信系统发展到WDM联网的全光传送网。

目前WDM网络中的交换技术包括光波长交换（Optical Circuit Switching，OCS，也称光路交换）技术、光分组交换（Optical Packet Switching，OPS）技术^[6]、光突发交换（Optical Burst Switching，OBS）技术^[7–11]。接下来将简单介绍这3种交换技术。

1.2.1 光波长交换技术

光波长交换技术是指利用OXC和OADM等设备提供的波长交换能力，实现端到端透明的虚波长通道，也称为波长通道或光路。OCS技术可使光信号直接通过波长通道发送到目的节点，而不需在中间节点经过“光−电−光”的转换。同时还可利用数字封包技术，将原本需要在SDH/SONET层完成的业务移到光网络层。这样在简化通信网络分层结构的同时，可以增强各种通信业务的透明性，充分利用WDM光网络的联网优势，进一步提高带宽利用率^[1]。目前OCS技术已经被大规模应用于实际网络中。

如图1-1所示，OCS技术在源宿终端设备之间为通信业务建立了一条端到端的波长通道。在波长通道中，信号不需进行“光−电−光”转换，可直达目的终端设备。同时，通过引入波长变化器，可以将承载于某个波长上的光信号进行转换，使其承载在另一波长之上，从而提高波长的利用率。如果没有波长变换器，那么一条波长通道在其所经过的所有链路上都需要采用相同的波长，这就是所谓的波长连续性约束。波长连续性约束极大地限制了光网络的灵活性和扩展性。如图1-1所示，需要在终端设备B和D之间建立一条波长通道。假设光交换设备E和G之间的链路上只有波长λ₁未被使用，而光交换设备G和I之间的链路上只有波长λ₂未被使用，由于波长连续性约束，即使每条链路上都有空闲的波长资源，OCS技术也无法在终端设备B和D之间建立波长通道。采用波长变换器后，一条波长通道可以在不同的链路上使用不同的波长，从而提高光网络的灵活性，消除波长冲突。

图1-1 光波长交换技术

OCS技术为信号分配的波长通道是端到端的，因此需要以集中控制的方式，预先了解整个网络的状态，才能进行路由和波长分配，且波长通道的建立和拆除需要较长时间。同时，OCS技术是以波长通道为单位的粗粒度光交换，单个波长通道的带宽极宽，即使采用了波长变换器，网络中所能建立的波长通道数量也是有限的。但是IP业务在时间上呈现突发的特性，即使在核心网中对不同来源的IP业务进行汇聚，也很难完全消除这种突发性。因此以波长通道为粒度的交换方式无法高效地适应IP数据的突发性。

1.2.2 光分组交换技术

为了适应IP数据的突发性，光分组交换技术试图直接在光层上实现细粒度的分组交换。如图1-2所示，与OCS技术以波长通道为交换单元不同，OPS技术是以光分组为交换单元。如图1-3所示，在OPS技术中，一个光分组包括光分组头、净荷和保护时间3个部分。其中，固定长度的光分组头携带路由信息；净荷是要传递的数据；保护时间是为了应对同步的不准确性，主要根据交换时间、节点内的净荷抖动等情况确定。当一个光分组到达交换节点时，交换节点在光域或者电域对光分组头进行处理，同时在转发分组前，利用光纤延迟线（Fiber Delay-Line，FDL）缓存净荷。

图1-2 光分组交换技术

图1-3 光分组交换技术分组结构

相比OCS技术，OPS技术能利用统计复用特性来应对IP业务的突发性，其带宽利用率较高。已有多个研究项目针对OPS技术进行研究，包括欧洲的ATM光交换（ATM Optical Switching，ATMOS）项目和光分组交换关键（Keys to Optical Packet Switching，KEOPS）项目，美国的分组交换光网络示范（Packet-switched Optical Networking Demonstration，POND）项目以及英国的波长交换光分组网（Wavelength Switch Optical Packet Network，WASPNET）项目等。这些实验性光网络，能够对带有路由信息的光分组头进行高速处理，

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