智能城域网关键技术分析.docx
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智能城域网关键技术分析
智能城域网关键技术分析
北京邮电大学博士学位论文摘要
摘要
当前各种新兴业务不断地推动城域网技术向前发展,业务种类不同,对网络的带宽、QOS等其它要求也不一样,城域网由起初仅为数据业务提供点到点的透传,到以太网数据的层二交换,再到现在的链路带宽动态可调技术LCAS、VC虚级联、通用成帧协议GKP,以及到智能城域网技术。
另外RPR和MPLS技术也是倍受注目的城域网主流技术,由于各种因素,尽管从目前看来业界很难再采用这两种技术大规模组网,但内嵌RPR和内嵌tdPLS技术在城域网的发展中依然颇具优势。
本论文认真分析了当前城域网的发展趋势及技术特点,在论文第二章对当前城域网的关键技术作了较为深刻的分析和研究,论文第三章对目前正在发展中的MSTP内嵌技术进行了分析,在论文的第四章作者提出了在城域网中实现信道统计复用思路,并在自相似模型上进行了仿真分析,论文的第五章介绍了本实验室智能城域网传送实验平台。
总的来说,论文的主要创新工作有:
1.深入研究了智能城域网的框架体系结构,并对城域网关键技术虚级联、通用成帧协议GFP、链路容量调整计划LCAS作了较为深入的分析和研究。
并初步探讨了虚级联和相邻级联互通问题,以及虚级联、LCAS和ASoN的结合。
2.首次对LCAS和虚级联技术对业务保护性能进行了深刻的分析和研究。
虚级联和LCAS的结合不但使得SDH网络能够有效地承载数据业务,也对接入业务提供了一种高层的保护。
只有当虚级联组的所有链路出现失效时,业务的传输才会出现中断。
论文对此种高层保护在城域网范围内建立了数学模型,得到高层保护性能的拉普拉斯解,通过数值计算分别在环形网、mesh网中对其性能进行了详细的分析和计算。
同时针对某些业务其能够容忍的传输带宽的下降幅度有一定底线的情况下,论文分析了此种情况下高层保护的性能,并得到了极具参考价值的计算结果。
3.深入分析了6FP透明传输模式下超级数据块数量^,的设置。
在透明映射GFP.T中,每~帧由Ⅳ个超级快再加上GFP开销构成,Ⅳ越大,带宽利用率越高,但其带来的负面影响是传输的等待时延过大,且Ⅳ越大,意味着GFP的管理帧将要等待很长一段时间才会有机会插入到传输链路中发送到对方,不利于两个节点的管理信息的互通,但如果Ⅳ越小,或者说在GFP映射时将Ⅳ取为最小值,那么将会造成无空闲带宽,也就是说没有剩余的带宽用来传输管理信息帧。
本论文分别在给定传输带宽下不需要插入管理信息帧和插入管理带宽基本确定的情况下,分析了超级数据块数量Ⅳ的取值问题。
4.首次提出了在城域网中实现信道统计复用的概念、协议及相关算法。
本论文
北京邮电人学博士学位论文摘要
提出信道统计技术在某些情况下实现了业务带宽的共享,提高了网络资源利用率。
针对信道统计复用技术,本论文提出了较为完整的协议,描述了系统基本的实现模型和实现方法,对复用算法进行了初步分析,并在LEAP算法下进行仿真,得到了具有一定价值的结果。
5.本论文深入地分析了MSTP内嵌技术框架结构、实现机理及业务接入协议。
在基于SDH的MSTP平台中内嵌RPR机制,有效地解决了传送效率和QoS方面的矛盾,并可以很好地提供语音业务;另一方面,采用内嵌MPLS技术可有利于全网端到端业务的配置、保护和网络资源的优化利用。
MSTP的内嵌技术将会是下一代智能城域网技术的有益补充。
6.在老师的指导下,协同本组同学研制了智能城域实验平台,共有四个节点。
该平台将新~代MSTP系统与ASON控制平面融合,实现城域网的智能管理,同时该平台可提供丰富的业务接口,满足用户多种业务的需求。
该平台目前已经初步完成了传送层面的硬件设计和软件设计,可以实现虚级联功能,能够通过63个Vc—12的任意组合为用户建立带宽大小合适的传输通道,同时还能实现LCAS功能,能够根据用户的需求对带宽实现动态调整,数据封装可选用PPP/HDLC、LAPS或GFP中的任意一种。
关键词:
智能城域网、虚级联、链路容量调整计划、通用成帧协议、弹性分组环、多协议标记交
换
北京邮电大学博士学位论文摘要
ABSTRACT
Animportanttrendinnetworkingisthemigrationofpacket-basedtechnologiesfromLocalAreaNetworkstoMetropolitanAreaNetworks(MANs).OperatorsarelookingforwardtOcombinelegacyandfuture—proofservicesoveraconvergedmulti—servicenetworkthatwillcarrydata,voiceandvideotrafficoverthesarneint}astmcturethus
reducingbothequipmentandoperationalcosts.CurrentlyamongallthesenewsolutionssuchasResilientPacketRing(RPR)technologyandEthemet,SDHandSONETarestilltheleadingtechnologiesinMetropolitanAreaNetworks,However,asthesenetworksareusedextensivelytocarrydataservices,themaininefficiencyisbecomingapparent-thelack
Ofscalabilityinconnectionsizesusinglegacycontiguousconcatenationmethod.Thenewtechnologies,virtualconcatenation,linkcapacityadjustmentscheme(LCAS)andGeneticframingprotocol,injectastrongvigortoitsapplicationinnextgenerationnetworks.ThesetechnologiesmakeitpossibleforSDH/SONETtocreateatight—sizedpipe(bandwidth)fordataservices.MeanwhilethesizeofthepipecanbeadjusteddynamicallyaccordingtOthe
requirement.
Themainworkofthisdissertationislistedasfollowing:
1.Thearchitectureof也esmartmetropolitanareanetworkiSstudiedinthisdissertation.Thekeytechniques,likevirtualconcatenation,GFP,andLCASareanalyzedindetail.TheinterconnectionbetweenvirtualconcatenationandcontinuousconcatenationiSdiscussed.Thisdissertationalsogivesabasic
descriptionofthecombinationofASON,virmalconcatenationandLCAS.
2.PerformancesoftheprotectionofvirtualconcatenationandLCASarestudiedforthefirsttimeinthispaper.Thenewtechniques,LinkCapacityAdjustmentScheme(LCAS)andvirtualconcatenationnotonlymakeSDH/SONETnetworksaccommodatethedataserviceefficieutlNbutalsoprovideahi曲-layer
protectionforclientservices.Ahigh—layerprotectionmodelforametropolitan
areanetworksisproposedandthetheoreticalanalysisofthismodelispresented
inthedissertation.SectionILlcomparestheperformanceofthehigh-layerprotectionintheringtopologyandmeshtopologyrespectively,andalsotheperformanceisanalyzedindetailgiventhegrantedmaximaldecreaseratiooftheservicetransmissionbandwidth.Theresultsshowthatthe
time—to—transmission-haltforthefirsttimeexceeding1yearcanreach99.999%
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ifthenumberoftheindependentconcatenatedlinksisgreaterthantwo.
3.ThenumberNofthesuperblockinGFPtransparentmappingisanalyzed,ThevalueofNmustbechosenSOthattheefficiencyoftheclientdatabitsrelativetotheGFPframeoverheadbitsallowsenoughbandwidthtotransporttheclientdatasignal.IntransparentmappingthelagerthenumberNthehi.ghernetworkresourceutilizationis.ButifNistoolarge,itmeansthatthemanagementframewillwaitforlongertimetotransmit.Itisnotgoodforreal—timecommunicationbetweensourcenodeanddestinationnode.ButifNistoosmall,theremaybenosparebandwidthfortransmittingthemanagementframe.
4.Channelstatisticalmultiplexingisproposedinmetropolitanareanetworksforthefirsttime,includingdefinition,protocolandrelevantalgorithms.AlthoughSDHtiSusingthe/SONETCanbesealableinconnectionsizeundervirtualconcatenation.itisstillbandwidthine伍cientbecauseof也efactthatwhenone
ofthedatastreamsthachannelhasnodatatotransmit,thenthebandwidthallocatedtoitcannotbeusedbyotheractivedatastreams.Itisespeciallyseriousforburstyservices.Channelstatisticalmultiplexingmakessomeuserssharethebandwidth.Itisverypracticalforllseinmetropolitanareanetworks.Thesimulationisdoneundertheself-similartrafficmodel,andtheworthy
resultsareobtained.
5.TheembeddedMSTPtechniquesarediscussedinthedissertation.includingthearchitecture.machenismandtheserviceaccessingprotoc01.ThecombinationofRPRandSDH-basedMSTPprovideanefficienttransportplatformfordataserviceandvoiceservice.RPReffectivelytransformsachainofpoint-to—pointlinksbetweennodestoatrue.sharedmediathatenablese髓cientstatisticalmultiplexingofburstytraffictomaximizeutilizationofavailablebandwidth.MPLSenablesautomaticend—to—endprovisioningbetweenusers,andtrafficengineeringcapabilitiesforserviceproviders’networks.
6.Thesmartmulitiservicetranporttestbediscomplishedbymyresearchgroup.Thistesbethasfournodes.andwillcombinewithASON.Thehardwareandsoftwaredesignfortransportlayerhavebeenfinished.Inthistestbedvirtual
concatenationandLCASisrealized.whichCandynamicallyassigntheproper
bandwidthtotheusersaccordingtotheirneeds.
Keywords:
Metropolitanareanetworks,LCAS,Virtualcaoncatenation,embeddedMSTP,
GFP,RPR’MPLS
本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。
本人签名:
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研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。
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导师签名:
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北京邮电大学博士学位论文
第一章绪论
电信业和互联网正以前所未有的速度发展,光网络也在不断地向超高速、大容量通信系统发展,并且逐步向全光网络演进。
尤其在骨于网上,随着10G传输系统的广泛应用和40G系统的逐步商用,再加上波分复用WDM技术,使得目前骨干网的传输带宽呈几十倍甚至上百倍地增长。
在接入网方面,百兆以太网已经延伸到桌面,加上ADSL等新型传输技术的采用,接入网的传输蒂宽已目前己基本能满足人们的需要。
而作为桥接接入网与骨干网的网络部分,城域网的发展相对滞后,逐渐成为全网的容量与发展瓶颈。
骨干网和接入网的发展对于处于两者之间的城域网产生了巨大的带宽压力,并提出了多种新的功能需求。
在城域网范围内更快速、更有效以及以更低的成本为用户提供更充分的带宽,成为电信运营商关注的焦点。
随着用户需求的不断增长,传统的基于TDM的SDH城域网已经不能满足多种新业务尤其是数据业务的接入需求【1]【21。
同时将来3G网络也会对城域网的发展提出了很大的挑战,3G网络不但对传输带宽的需求大大高于现有的GSM系统,而且根据客户的不同需求要求提供不同QoS保证的业务。
很显然传统的SDH和以太网技术都不能满足这样的需求。
另外从全球电信业发展来看,数据业务量有望在未来2~3年内超过话音业务量,目前在很多国家数据业务量已经远远超过了电信业务量,基于数据分组交换的业务将在5~10年内覆盖整个传统电信业务。
如何在保证传统TDM业务传送的同时,高效地传输各种数据业务成为城域网面临的首要问题,发展城域网涉及的核心问题其实质就是建立城域多业务传送平台,以支持数据业务和TDM业务的综合传送。
1.1城域网概述
1。
l。
1城域网基本定义
城域网(MAN)最初产生于同一城市局域网之间的互联和新业务发展(如数据异地存储)的需要,它具有自己的特点。
目前来讲,城域网是用来桥接接入网和骨干网的、且可提供多种业务接口的公用传输网络,它在位置上处于接入网和骨干网之间。
城域网承担着集团用户、商用大楼、智能小区等业务接入和通路出租等纷繁复杂的任务,需要通过各类网关实现话音、数据、图像、多媒体、P接入和各釉增值业务及智能业务,并与各运营商的长途网和骨干网实现互通。
城域网不仅是传统长途网与接入网的连接桥梁,更是传统电信网与新兴数据网络的交汇点及今后三网融合的基础,如图1-1
北糸邮电大学博士学位论文绪论
所列i。
城域网的关键特征是公用多业务网,它既不同于局域网,又不同于广域网。
局域网是企事业专用网,主要用于企业内部的计算机联网或数据传输,而城域网是面向公用网应用和多用户环境的,其传输的不仅有数据业务,还有语音和图象,对QOS也有严格的要求。
而广域网主要是地区之间的业务传输,网络结构简单,业务流向比较确定,一般情形下只是对业务进行透明的、点到点的传输a跟城域网比较起来,广域网尤于长途车站,而城域网尤于市内公交系统,城域网负责各种业务的转发、汇聚和
梳理,它的网络拓扑相当复杂,且需要提供各种类型的业务接口,具有层二交换功能·曼一:
羔二蜜鎏薹鲨:
、鍪菱墅鐾塞羔釜鎏薹.:
.二二:
委鍪墨釜竺i
j
图1.1城域网业务结构及发展城域网的层次划分可以从两个方面来分析,纵向和横向划分。
所谓纵向划分是按
照所对应的不同网络分层加以区别,比较常见的是分成传送网和业务网,传送网是业务网的物理承载平台,应该适应不同业务网的相关需求。
横向划分时,常把城域网分为3层结构:
核心层、汇聚层和接入层。
核心层网络完成高速数据转发功能,为汇聚层节点提供高速的承载和传输通道,其拓扑结构相对简洁。
汇聚层网络节点则主要实现扩展核心层设备的端口密度和端口种类,扩大核心层节点的业务覆盖范围,完成本地业务的区域汇接,进行业务汇聚、管理与分发处理,解决接入节点到核心节点间光纤资源紧张问题,实现接入用户的可管理性等功能。
接入层网络节点主要是将不同地理分布的用户快速有效地接入骨干,由于业务的多样性,接入层接口种类繁多,协议也比较复杂,一般都有强大的统计复用功能,目前接入层也不断地向高宽带方向发展。
值得强调的是城域网的层次分为3层并不是固定的,这与城市规模、业务类型等一系列因素都有关系。
在中小城市,则可以简化为两层,只有核心层、汇聚层(汇聚
2
北京邮电人学博士学位论文绪论
层和接入层综合在一起);而在另外一些城市,可能汇聚层与核心层集成在一起,只有核心层(汇聚层)与接入层。
运营商根据自己的网络规模、业务分布来决定网络的层次。
另外,随着城域网网络规模的扩大,其接入层面与客户网络有了越来越多的重叠,接入网络有被边缘化的趋势。
特别是在激烈的竞争区域,后来的运营者对于商业大厦、写字楼等大用户,将光纤延伸至大楼,直接与企业的LAN相连,从而使城域网接入部分等同于客户网络【4如【45】。
1.1.2城域网特点
城域网正在从静态的、接口单一的传送网向完全面向业务的、智能化网络方向发展,其网络拓扑由原来的环网不断地向mesh网方向演进,提高网络的生存性,同时为了适应各种不同QOS的业务需求,城域网必然向智能化方向发展,具有更强的适应性,不再是以前单纯传送语音业务的网络。
从另外城域业务发展趋势看,业务的多样性已经越来越明显,在这些新兴的业务中,以太网业务目前正在大肆发展之中,而且大量的移动业务如3G多媒体业务,存储业务如SAN也正在处于蓬勃发展之中,这些业务对网络的带宽、时延等都有不同的要求,如何使城域网高效地承载这些业务仍然是亟需研究的课题。
另外还可以看到,未来的网络将会是一个完全面向业务的网络,如何能够快速地实现业务创建、拆除,并能提供开放的接口是未来城域网发展的又一焦点。
在将来业务连接的建立和拆除将会变得相当频繁,网络不但要能为各种业务创建带宽大小合适的连接,而且还要能够为业务的创建提供公共开放的接口和良好的承载平台,从而有利于各种新兴业务的诞生和发展,也有利于业务的快速调度。
另外当前的各种数据业务具有较强的突发特性,如何利用当前的网络资源实现业务的高效承载也是值得研究的课题,网络不但要具有传送功能,还需要对业务的流量进行实时的监控,并能够根据一定的智能算法对其带宽资源进行智能管理和动态分配,提高全网资源的整体利用率。
总而言之,未来的城域网络应该是一个灵活的、可高效管理的、高带宽、高可靠性、高生存性的智能化网络。
它有以下特点:
1)业务类型多样性。
这就需要提供多种容易使用的标准接口,并且要求这些接口具有一定的自适应能力,能够支持智能业务的复用,有很好的媒体按纳控制能力。
为了支持数据
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