第二章 光网络保护与网络编码
本章介绍在分析传统路由方式不足的基础上，引出网络编码的概念。随后介绍了网络编码的研究现状以及网络编码相对于路由方式的优势。
第一节 光网络中的保护技术
一、WDM光网络的保护和恢复技术
波分复用WDM技术以其传输容量大、对高层协议和应用技术适应性强以及易于扩展等优点而备受青睐，利用WDM传输技术的光传送网被认为是下一代高速广域骨干网最具竞争力的选择，保护和恢复是WDM网络中经常采用的两种生存性机制。在网络发生故障后，恢复机制寻找可用网络。保护技术(Protection Technique)主要通过各种方法预先为业务分配一定的备用保护资源，当网络出现故障时，通过这些备用保护资源及时将工作通道上的业务的不同，可以划分为环网保护技术和网状网保护技术两类。
光网络中，光层的保护和恢复发生在WDM层，具有高速响应、快速实现保护和恢复的特点。光网络的生存性基于共享资源和动态恢复资源。光网络生存技术通常包括两种技术：保护和恢复。光网络的保护是指为光网络的承载业务提供预留的保护资源，当网络故障时，故障业务将由预留的保护资源进行传送来恢复受影响的业务；光网络的恢复是指为光网络的承载业务动态寻找网络中剩余资源，通过利用网络提供的富裕资源使得由于故障所带来的阻塞快速而准确地得以消除。保护技术由于其预先指定网络的保护资源，因此具有快速恢复业务的特点，但网络资源的利用率不高；恢复技术能动态搜索网络剩余资源，充分利用了网络资源，但恢复时间受到限制。
光层的保护和恢复技术又可分为：光信道层和光复用段(OMS)层保护/恢复技术。光信道层保护/恢复技术是针对每个信道的，当故障时，光网络为受影响的故障信道分配一条完整的(通常是通道无关的)保护/恢复通路来恢复故障信
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道；OMS保护/恢复技术是针对复用段层的，当故障时，光网络为受故障链路寻找条替代路由来同时恢复故障链路上的所有业务。
通常空闲资源既能专用保护(空闲资源为某条工作通路专用)同时又能用作共享保护(空闲资源能同时为多条工作通路提供保护)。专用保护通常是指1+1和1:1通路保护[3]。1+1通路保护时，工作通路和保护通路同时传送，宿节点终端动态监测接收信号的质量来决定选取工作通路信号还是保护通路信号；1:1保护通路时，仅在工作通路传送信号，保护通路资源预留，但保护通路可以传送业务优先级低的额外业务。共享保护允许空闲的波长由多个工作波长共享以作为保护通路。当故障发生时，中断的业务由保护资源传送。在操作上需要一些信令来通知网络节点新的传送通路，并确保保护通路在不同链路上的保护波长能构成保护。
二、WDM光层保护和恢复技术的优点
①高速
光网络的保护是指为光网络的承载业务提供预留的保护资源，当网络故障时，故障业务将由预留的保护资源进行传送来恢复受影响的业务；光网络的恢复是指为光网络的承载业务动态寻找网络中剩余资源，通过利用网络提供的富裕资源使得由于故障所带来的阻塞快速而准确地得以消除。光网络中WDM层的恢复比其他高层的恢复速度更快，因为节点能在故障出现时就迅速动作，而不需要等待高层的指示信号。
②简单
光网络中，光层的保护和恢复发生在WDM层，具有高速响应、快速实现保护和恢复的特点。光网络的生存性基于共享资源和动态恢复资源，所以有光层快速实现保护和恢复的特点它比高层的恢复需要更少的协调性。 ③高效
保护技术由于其预先指定网络的保护资源，因此具有快速恢复业务的特点，但网络资源的利用率不高；恢复技术能动态搜索网络剩余资源，充分利用了网络资源，因为资源是由不同的服务层共享的，所以光层的回复可更有效地利用回复资源。
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④透明性
波长的路由保护技术是独立于高层使用的协议。
第二节 光网络中保护的方式
WDM光网络技术以其传输容量大、对高层协议和应用技术适应性强以及易于扩展等优点而备受青睐，利用WDM传输技术的光传送网被认为是下一代高速广域骨干网最具竞争力的选择。保护和恢复是WDM网络中经常采用的两种生存性机制。在网络发生故障后，恢复机制寻找可用网络资源并通过重路由使业务绕过故障网元，因此故障恢复时间长，常常不能满足光网络ms级要求。保护机制是一种与网络拓扑结构息息相关的快速生存性技术，通过提前为业务分配备用资源，可以有效预防可能出现的网络故障。
WDM网状光网络中的保护按照路由方式的不同可以分为链路保护、通路保护和分段保护3类[6]；根据备用路径上资源的使用情况，可以将保护方法分为共享保护和专有保护2类。如何缩短故障倒换时间并降低资源消耗是当前光网络生存性研究所面临的主要问题。分段保护的保护范围适中，保护方式较为灵活，因此得到了广泛关注。现有的分段保护方法通常将整个工作路径划分为多个工作段实施逐段保护，这样的完全保护方式虽然能够实现链路的可靠保护，但需要消耗大量的网络资源；并且，在动态网络环境下，这种完全保护方式属于被动的保护设计方式，即预先考虑到所有可能发生的故障位置并对其全部预留保护资源，无法对直接影响网络可靠性的重负载链路实现重点保护，因此不能适应动态变化的突发性网络环境。
一、WDM网状光网络路由方式的保护方式
①链路保护(Link Protection)：链路是指端到端光传输通道上两个光交换节点 间的通道。链路保护预先为每条链路建立一条彼此分离的备用链路，并且预留相应的网请故障倒换的范围。
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②通道保护(Path Protection)：这种保护技术在网络为业务请求建立工作通道的同时，建立一条从业务请求源节点到目的节点的端到端备用通道，这条备用通道和工，源节点收到故障告警信息之后可以迅速将业务数据流倒换到备用通道上继续传输。
③分段保护(Segment Protection)：分段保护是近年来提出的新型保护技术。这种保护技术将一条端到端工作通道划分为多个工作段，每个工作段可以由若干条链路倒换。分段保护的保护范围介于通道保护和链路保护之间，并且在技术上能够同时兼顾较高的资源利用率和较低的业务恢复时间的优点。
二、 当用路径上资源的使用情况不同时的保护方式
① 共享保护(Shared Protection)：共享保护采用多条工作通道使用一条 或若干条进行保护。
当把一条备用保护通道分配给N条工作通道使用。如果有多条工作通道发生故障，则按工作通道的优先级配置，优先保护级别最高的工作通道。
M:N保护方式：保护方式和1:N保护方式类似，即将M条备用通道分配给N条工作通道使用。只要工作通道同时发生故障的数目少于M，则选取优先级较高的M条工作点是网络资源利用率较差。而1:1、1:N和M:N 三种保护方式在故障比有所增加。但是，1:N 和M:N 两种保护方式的网络资源利用率较高，1:N 保护方式的资源利用率可以达到1/N，而M:N保护方式的资源利用率更高，可以达到M /N。
② 专有保护(Dedicated Protection)：专有保护技术采用资源独占的方式为工 作通道分配保护资源，备用保护资源不能被其他工作通道使用。专有保护可以继续细分为：1+1和1:1 两种方式。1+1保护方式：业务请求发送端在彼此链路分离的工作通道和保护通道上同时发送业务数据流，接收端选择接收质量最好的业务数据流，即所谓“并发优收”的保护方式。流重新倒换到保护通道进行传输，如
果保护通道正传输较低优先级的业务数据流，需要舍弃该数据流，保证业务数据流的传输。
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第三节 网络编码的提出和发展现状
一、网络编码的提出
2000年，香港中文大学的Ahlswede等人发表了一篇题为“网络信息流”的文章，提出了“网络编码”这一概念，该理论通过允许中间节点对在转发信息前对输入信息流进行编码来实现网络多播容量的极限。
一个通信网络可以用有向图来表示，根据图论中的最大流最小割定理可知，一个网络可以传输的最大流量等于其最小割[9]。但传统的存储转发式路由方式，并不能实现网络的最大流传输，所以它并不是最佳的。Ahlswede等人指出，没有必要对路由节点的功能加以限制，即允许对其接收到的信息先进行编码后再传输出去。在接收端，目的节点通过一定的译码算法译出所需的信息，则可以大大提高网络的传输速率，充分利用网络中的链路资源，从而实现最大流最小割定理给定的信息传输速率的上限。我们通过一个简单的例子对网络编码的基本思想进行解释，参考图2．1所示的通信网络
1113114b1S121b13b1+b24 b1+b2b1+b2t2b2b1Sb2b221t11t2t1
（a） (b) 图2.1 源节点s多播信息到接收节点t1,t2
Fig.2.1 Source node s multicasts to receiver t1,t210