高动态时空同步光网络控制机理与关键技术研究

The development of emerging network applications such as data centers, high performance computing, and 5G mobile communications places higher demands on the dynamics of optical network resource allocation. However, at present, the control system of dynamic optical network is based on the signaling interaction between nodes or between nodes and controllers and relies on messages to trigger changing the state of each node to achieve specific network functions. However, due to the existence of signaling delay and processing delay in this traditional network control mechanism, it is difficult to further improve the dynamic performance of optical network in terms of mechanism. This project intends to explore a new type of high dynamic optical network control system based on spatiotemporal synchronization. By introducing high-precision time synchronization, a control coordination mechanism between network nodes and controllers will be established in the time dimension, so that the dynamic of optical networks can be improved by orders of magnitude. To achieve this goal, the research group has conducted some preliminary exploration and achieved initial feasibility verification results, laying a good foundation for the development of the project. The project is expected to further achieve original breakthroughs in control mechanisms, implementation mechanisms, high dynamic network applications and large-scale network time synchronization in spatiotemporal synchronous optical networks and open up new research directions in the field of optical network control.

数据中心、高性能计算和5G移动通信等新兴网络应用的发展对光网络资源配置的动态性提出了更高的要求。然而，目前动态光网络的控制体系基于节点间或节点和控制器间的信令交互，通过消息触发来改变各节点状态，以实现特定的网络功能。在这种传统光网络控制机制下，由于受到信令传输时延和消息处理时延等因素的制约，在机理上难以实现网络动态性能的突破。本项目拟探索一种基于时空同步的新型高动态光网络体系架构，通过引入高精度时间同步，在时间维度上建立网络节点和控制器间的控制协同机制，使光网络动态性能得到数量级上的提升。为实现该目标，课题组已进行了一些前期探索，并取得了初步的可行性验证成果，为项目的顺利开展奠定了良好基础。本项目预期进一步在时空同步光网络控制机理、实现机制、高动态网络应用及大规模网络时间同步等方面取得原创性的突破，力争开辟光网络控制领域新的研究方向。

随着信息社会的迅猛发展，边缘/云计算、5G/6G移动通信、自动驾驶、虚拟现实等新兴应用的出现对底层光网络提出了更大容量、更大规模、更低延时、更高动态的新要求。传统基于消息触发的光网络控制体系难以提供新兴应用所需的微秒级乃至纳秒级动态性。为解决该问题，本课题探索了基于时空同步的新型高动态光网络体系架构，通过引入高精度时间同步建立网络实体间的控制协同，使光网络动态性能得到数量级的提升。课题针对高动态时空同步光网络的控制问题，按原定计划从网络控制架构、应用实现技术及大规模高精度网络时间同步三个研究方向为切入点，通过理论研究、系统仿真和网络实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、网络控制架构：.（1）提出基于时空同步的新型高动态网络控制体系架构，论述了其原理，并展望了未来可能的应用场景；.（2）提出基于节点精确协同的弹性光通道分割和快速重构机制、数学模型及算法，网络吞吐量可提高约80%；.（3）提出基于精确时片交换的计算和传输协同架构，解决高性能计算系统中由传输缓存时延和端到端传输时延导致的计算性能降级问题；.（4）提出基于缓存光网络技术的光电融合新型高动态网络架构。新架构能够在降低96%电路由器负载的同时，将由光路建立引入的额外业务接入时延降低至0。.2、应用实现技术：.（1）提出基于细粒度光时片交换的低轨卫星光网络架构及其路由与资源分配算法；.（2）提出基于深度神经网络的数据中心网络在线串扰溯源方法，并得到了数据采集时间不同步对性能的影响规律；.（3）提出基于精准同步时间切片光谱采集和1D-CNN混叠光谱识别的流氓ONU实时监测方法；.（4）提出基于预置卫星链的星间无缝越区切换机制，通过星间动态控制协同，实现无缝路径切换；.（5）提出基于信息扩散路由的卫星信令网快速收敛机制，大幅提升卫星光网络的动态性；.（6）提出基于传输感知的自适应亚波长细粒度光时片交换技术，大幅提升光时片交换窗口的时间准确性和网络鲁棒性，使该技术被应用于天基光互连网络成为可能。.3、大规模高精度网络时间同步：.（1）提出超越时钟分辨率的双频分布式网络时间同步原理和实现方法，同步精度提升了近2个数量级；.（2）提出基于图卷积的超大规模时间同步网络仿真方法并推动了分布式时间同步网络的实用化进展。