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支持业务有效承载的宽带接入网关键技术研究

马东超  
【摘要】:随着IPTV、高清电视(HDTV)、互动视频游戏、视频会议、P2P、以太网专线等一系列高速率、高质量业务的出现和发展,接入网带宽需求快速增长,宽带接入网成为运营商的建设热点。P2P类应用业务的迅猛发展,使得接入网业务类型从以主从型业务为主转变成主从业务与对等业务共存。应用层组播、overlay组播等新兴组播业务逐渐取代不宜大规模部署的传统IP层组播成为研究热点,将成为未来应用的主流。如何有效支持各种新兴业务是接入网领域迫切需要解决的技术难题。以太无源光网络(EPON)(?)低成本地实现了高带宽和多业务接入,是目前公认的重要光接入技术之一。但在承载对等业务时,由于ONU间不能直接通信而存在网络吞吐量低、OLT交换负担重等缺陷;在承载传统组播和应用层组播业务时,没有有效利用自身物理拓扑的广播特性,在业务承载上存在带宽浪费,拓扑失配等问题。此外,业务的快速变化、新型业务的不断出现对网络设备软件的“可重构”特性提出了要求,尤其是P2P协议和应用层组播协议变更与升级频繁,网络以及业务承载也应是可重构的。 针对新兴业务不断涌现、主从与对等业务并存的宽带接入网发展趋势,本文以一种新型主从与对等结合的EPON宽带接入网络结构为基础,对其总体框架、多业务承载策略、可重构特性等进行了相关研究,并应用可重构设计思想完成了实验系统嵌入软件的整体方案设计,实验验证了所提出的网络结构、多业务承载策略的可行性。本文的主要创新点和研究工作包括: 1)针对传统EPON网络在支持对等业务上的缺陷,参与提出了“主从+对等”的EPON新型结构,重点研究了基于分支器组合的环形PON ODN结构以及物理层传输与媒质接入控制机制等。 2)针对P2P对等业务的特征以及网络对其承载效率不高的问题,重点面向P2P overlay层拓扑与实际网络拓扑失配、P2P业务吞噬大量骨干城域网带宽资源等问题,以P2P下载业务的有效承载为目标,提出了一种基于线速DPI的P2P协议报文检测与控制的P2P重定向机制,在一定程度上缓解了上述带宽浪费等问题。通过基于马尔可夫链的理论分析与计算和基于NS2的网络仿真验证,以及研制出原型系统实际测试,均验证了该机制的可行性和有效性。 3)针对日益流行的多种形式的组播业务在网络中承载效率不高、组播协议对网络设备要求过高以及拓扑失配等多重缺陷,首先提出了一种基于协议嗅探的IP层组播承载策略以及一种基于“重定向与流复制”的应用层组播承载策略,随后提出了一种基于边缘接入设备的overlay组播模型。在基于边缘接入设备的overlay组播模型中的最小开销组播树建立问题中使用了一种启发式算法求解(基于遗传算法)。本章承载策略主要目的是解决网络层组播在接入网内冗余转发、对全网路由器协议支持方面的要求过高、应用层组播overlay层拓扑与实际网络拓扑不匹配并存在拓扑连接不稳定及同样存在的接入网中流量冗余转发等问题。对所提出的策略和算法进行了仿真研究,仿真结果表明其有效性。 4)研究了可重构的软件体系结构,提出了一种面向业务变化的可重构软件架构。在该架构中,网络设备的软件更新能够实现“热插拔”式的动态重构。针对可重构平台下的软件可靠性提出了一种基于随机Petri网理论的量化分析方法。可重构平台对构建随业务和需求的变化而动态可变的“柔性”服务网络具有基础性作用,并且便于用Petri网或马尔可夫链等理论工具对软件可靠性等指标进行量化评估。 5)参与设计实现了主从与对等结构结合的EPON实验系统并进行了实验研究,可重构软件体系结构可行性、P2P重定向机制有效性得到了实验验证。原型系统实际测试结果表明,采用P2P重定向机制能够节省核心网络网流量百分之三十以上,下载速度提升百分之二十以上,在降低网络负担和提升用户体验方面均有明显优势。


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