随着互联网的发展与普及,飞速发展的IP化业务需求逐渐呈现出与传统电信业务不同的特征,进而对光传送网提出了新的要求。当前IP层与光层的控制分别独立运行,两层之间的交互只是请求和应答,没有很好的协调机制。这种控制架构导致了网络传输质量低,运维效率低,运维成本高等问题。因此,网络扁平化和多层统一控制成为了目前传送网的重要需求,光传送网多层协同控制的相关问题成为了当前光网络领域学术界和工业界研究的热点之一。本文针对多层统一控制光传送网控制结构、资源调度策略、生存性保证算法及网络资源规划方案等关键问题,展开了深入研究,并取得了一定的创新性成果。本文主要的创新性研究工作包括以下几点。(1)多层协同控制已经成为下一代光传送网的重要需求之一,SDN(Software Defined Network)架构和OpenFlow协议是目前多层智能控制的重要实现技术。然而,当前在SDN/OpenFlow控制平面的具体实现方案上,仍存在着一些问题和争议。针对光传送网的多层协同需求以及控制平面现存的控制平面单点失效问题和多控制域网络控制平面如何协同的问题,本文在基于SDN架构和OpenFlow协议的IP层与光层统一控制传送网体系结构下,提出了一种避免单点失效并支持多域控制的SDN/OpenFlow控制平面实现方案。首先,本文对比了 SDN/OpenFlow集中式控制架构和 ASON (Automatically Switched Optical Network,自动交换光网络)/GMPLS (Generalized Multiprotocol Label Switching,通用多协议标签交换协议)分布式控制架构,说明了 SDN架构和OpenFlow协议相对于GMPLS体系的优势,以及集中式控制对控制平面复杂度和运维成本的影响。同时,针对SDN控制平面的单点失效和多域控制问题,本文设计了带有备份控制器的域内/域间层次化协同控制平面实现方案,通过域内控制器备份,提高控制平面的可靠性和稳定性,通过域内控制器处理域内路由等控制逻辑,域间控制器处理域间的跨域路由等协同控制逻辑,实现大范围光传送网的多域协同控制。另外,本文设计了 OpenFlow统一控制光交换机的实现方案及OpenFlow流表向光层的扩展方案,实现通过OpenFlow协议控制光交叉连接。(2)数据中心间的多点间大数据同步形成了 “大象流”。大象流带宽需求大,持续时间长,容易导致网络中部分链路负载过大,产生拥塞和丢包。而传统的控制机制下,IP层和光层之间缺乏有效的资源协同调度机制,通常是传送网根据IP层所计算的路由来分配光通道和带宽,这需要大量的上下路操作,进一步加剧了网络的拥塞程度。另外,由于带宽需求较大,网络资源紧张出现竞争的情况下,各个大象流所分得的带宽也需要通过一定的机制来确保公平性。同时,大象流具备延迟容忍度高、带宽需求弹性的特点,这使得周期性的资源调度成为可能。针对大象流造成的问题及特点,本文在基于SDN架构和OpenFlow协议的统一控制“IP over OTN”传送网架构下,提出了一种基于公平性和多路径传输的跨层全局路由和带宽调度算法。所提算法根据大象流的优先级和带宽需求,周期性地调整数据中心间的跨层路径和带宽资源。一方面将IP层的大象流归并,通过IP层与传送层协同,采用多路径ODU (Optical channel Data Unit)通道以Bypass的方式直接承载,减少对路由器端口的占用,减轻对其他业务流(老鼠流)的影响;另一方面根据具体业务流的重要程度,调度ODU通道带宽资源,实现在尽量保证公平性的前提下增大网络吞吐量(业务带宽满足度),提高传送层(ODU通道带宽资源)和IP层(路由器端口资源)的资源利用效率。仿真结果表明,与基于优先级的顺序路由带宽调度算法相比,全局路由带宽调度算法能够提高请求带宽满足率约10%,并显著提升带宽分配的公平性。同时,与纯IP层控制的网络相比,“IP over OTN”网络结合跨层全局路由带宽调度算法能够节约网络建设成本40%。(3)由于IP层承载在光传送网之上,因此传送网的一处故障往往导致IP层多处故障。传统的控制架构下,IP层和光层之间缺乏有效的生存性协同机制,生存性措施通常是在光层设置冗余资源作为备份,当故障发生时直接切换,或者在IP层重新计算路由,并向光层请求资源。以上两种做法都有可能由于网络资源利用率低而导致网络生存性较差。同时,当故障发生时,大规模的恢复请求导致网络资源竞争。针对上述问题,本文在基于SDN架构和OpenFlow协议的统一控制“IP over OTN”传送网架构下,提出了一种基于IP层和光层协同的并发恢复机制。当光层故障发生时,由集中式控制器收集IP层中断的业务连接,综合考虑所有恢复请求,为其分配资源。基于上述思路,本文提出了一种基于动态顺序控制的资源竞争规避并发恢复路由算法。通过计算恢复请求对网络资源的占用,动态地控制请求的处理顺序,保证在网络负载均匀分布的前提下提高业务生存性,降低和避免带宽资源竞争。仿真结果表明,本文所提的启发式基于动态顺序控制的资源竞争规避并发恢复路由算法结果与MILP (Mixed Integer Linear Programming)最优解相近。另外,在 NSFNET (National Science Foundation Network,美国国家科学基金会网络)拓扑下,相对于传统的顺序恢复机制,本文所提的算法可提高请求恢复率15%,并提高带宽恢复率15%。(4)在传统控制模式下,IP层和光层之间缺乏有效的资源协同优化机制,IP层和光层分别进行资源规划,这导致传送网资源(光收发器和频谱资源)的利用率较低。同时,在传送层,光收发器资源和频谱资源的使用也没有完善的协调机制,通常的做法是根据具体的需求对光收发器的数量或频谱带宽的占用进行单独优化,这并不能整体上优化网络建设成本。针对上述问题,本文在基于SDN架构和OpenFlow协议的统一控制“IP over灵活光传送网”架构下,建立了量化的多层灵活光传送网建设成本模型,并提出了一种基于成本最优化的多层网络资源规划方案,包括多层灵活光网络建设成本模型、传输距离自适应的光通道建路原则、扩展辅助图和逻辑路径计算方案,以及动态请求处理顺序控制机制。仿真结果表明,在6节点网络拓扑下,本文所提出的启发式成本优化的网络规划算法计算的网络建设成本与MILP最优解求得的网络建设成本相近,同时节省计算时间最多可达4个数量级。本文提出的算法在光收发器数量和频谱带宽占用之间进行了权衡,优化了网络建设总成本。同时,本文所提出的动态请求处理顺序控制机制能够有效地减少频谱分配过程中所产生的频谱碎片,进一步地优化了频谱资源的分配。相对于其他算法策略,本文所提出的网络规划算法大幅度降低了网络建设成本,最多可达25%。