大规模分布式光网络的低复杂度路由和高效信令机制研究

With the advent of the information era, diversified communication application models make the optical transport network taking on the highly distributed, dynamic and large-scale features. This brings about new problems and challenges in optical network routing and signaling. For routing, on one hand the enlargement of network scale will cause the "flooding storm" of the network resource information, and to abstract these information will hinder the control plane from achieving optimal routing, which will further decrease the efficiency the network. On the other hand, the computational complexity of the routing algorithms themselves will also increase with the network scale. Especially in the future bandwidth variable (BV) optical networks, the complexity of optimal routing is factorial, and thus the corresponding algorithms are not suitable to be employed in real large-scale optical networks. For signaling, the non-synchronization of resource information among different nodes is a common phenomenon in dynamic and distributed optical networks. This phenomenon will cause collision of signaling, degrade network throughput, or even lead to the collapse of the networks. This research focuses on the above intelligent control problem in large-scale distributed optical networks. Concerning this problem, novel routing architecture of distributed optical networks, low-complexity routing algorithms, and efficient signaling mechanisms will be studied. Research methods such as theoretical analysis, system simulation and network experiment will be adopted in the research, aiming at the theoretical and technical reserve for further development of future core optical networks.

随着信息社会的到来，多样化的通信应用模式将使以光通信网络为核心的信息承载网络呈现出高度分布化、动态化、大规模化的新特征，这将给光网络的路由和信令带来新的问题和挑战。对路由而言，一方面，网络规模的扩大会引起网络资源信息的泛洪风暴，而对泛洪信息进行抽象又会阻碍最优路由的获取，降低网络效率；另一方面，路由算法本身的复杂度也会随着网络规模的增加而增大，特别是对于下一代支持灵活交换粒度的可变带宽光网络来说，其最优路由的复杂度为网络规模的阶乘量级，阻碍了其应用于实际大规模网络。信令方面，动态分布式光网络的节点间存在资源信息不同步，会引起信令冲突，造成网络吞吐量下降甚至崩溃。本课题将针对上述大规模分布式光网络的智能控制问题，从新型分布式光网络路由体系，低复杂度路由算法，以及高效信令机制三个研究方向为切入点，通过理论研究、系统仿真和网络试验等手段展开创新性研究，为未来核心光网络的建设做好理论和技术储备。

数据业务的迅猛发展将使未来光网络呈现高度分布化、动态化、大容量、异构化的特征，给光网络的智能控制带来巨大的挑战。本课题根据项目计划书中的预期研究内容，针对大规模分布式光网络的智能控制问题，从多域异构光网络路由体系、低复杂度路由算法，以及高效信令机制三个研究方向为切入点，通过理论研究、系统仿真和网络试验等手段展开创新性研究，圆满完成了预期目标，并取得如下代表性创新成果：.1、在多域异构光网络路由体系方面：.（1）提出“五平面”PIONEER异构网络架构。通过在传统“三平面”上建立“域间控制平面”，完成跨域路由计算和域间连接控制。同时，通过引入“适配平面”统一各设备商控制信息，实现不同厂商设备的异构互联。部分成果应用于国家专网，在业界首次实现了多厂商设备异构光网络的互通。.（2）面向光网络与数据网络的融合，提出光/IP异构网络统一控制架构。通过引入“超级虚拟路由器”，无需对现有网络协议进行本质扩充便可实现光/IP混合网络的统一控制。同时，提出光/IP统一控制网络的资源缓存技术，通过建立光网络“缓存区”，消除IP网和光网络间的业务建立延时差异，实现快速无缝业务建立。.2、在低复杂度路由算法方面：.（1）面向灵活带宽光网络路由问题，提出离散频谱扫描路由模型。通过将连续频谱资源离散化，将最优路由复杂度从阶乘级降至多项式级，使大规模灵活带宽光网络的实用化成为了可能。.（2）面向大规模多域网络的跨域优化路由问题，提出了多项式复杂度的基于域等级的路由算法（DLR）。算法通过网络资源信息在域等级上升或下降方向的扩散，得到最优域序列和最短路由。.（3）针对新型大容量多芯光纤网络的路由、波长与纤芯分配（RWCA）问题，建立了考虑芯间串扰的RWCA整数线性规划模型并提出了启发式算法进行求解。.3、在高效信令机制方面：.（1）针对分布式网络中由信令传递导致的资源信息失配问题，提出了网络噪声分析方法，从理论上推导并建立了动态业务场景下的网络噪声模型，揭示了分布式光网络信息失配的内在规律。进而提出后向资源预留信令机制，通过取消资源信息泛洪过程消除了泛洪时延，有效抑制网络噪声，提高资源利用率。.（2）搭建大规模网络实验平台分析了LSP建立信令延时对多域光网络性能的影响规律。实验结果表明，高LSP建立延时将严重恶化多域光网络的整体性能。该结论为大规模国家专网建设提供了重要的参考依据。