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册扯上业大字由贝士字位论又 光突发交换网络中的汇聚算法研究 摘要 光突发交换网络是目前广泛的研究的三种光交换网络之一。它最重要的特点 是控制分组与数据分组沿着不同的信道分离传输。这种传输机制不仅减少了通道 建立的时延，而且巧妙地回避了目前光学技术尚未突破的光缓存问题。因此，光 突发交换网络已经成为光网络研究领域的热点。 本文以光突发交换网络边缘节点中的汇聚算法为研究对象，以软件仿真作为 研究方法。首先，本文从整体出发，对o b s 网络的分层结构、核心节点与边缘节 点的结构与功能( 着重讨论边缘节点) 等内容进行了归纳，并总结了现有汇聚算 法中的几种汇聚机制。接着，本文对汇聚算法仿真中用到几类业务量分布函数( 包 括自相似分布) 以及一些排队论知识进行了仿真与讨论。 在汇聚算法研究过程中，本文着重从基础算法出发，通过建立新的汇聚节点 仿真模型，对固定长度门限汇聚算法、固定时间门限汇聚算法以及混合门限汇聚 算法进行了仿真与比较，并对结果进行了讨论。为了探讨q o s 机制在汇聚算法中 的应用，本文引入了优先级机制和子队列优化机制，仿真结果表明：这两类机制 能有效地减少排队队列长度，降低排队时延，从而提高了汇聚算法的性能。 关键词：光突发交换网络，汇聚算法，边缘节点，服务质量，优先级，子队列 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nt h ea s s e m b l ya l g o i u t h m si n t h eo p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gn e t w o r k s a b s t r a c t o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) n e t w o r kb e l o n g st ot h o s et h r e eo p t i c a ls w i t c h i n g n e t w o r k sw h i c hh a v eb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l yi nc u r r e n tc l a y s t h em o s ti m p o r t a n t f e a t u r eo fo b si st h a tt h ec o n t r o ld a t ap a c k e ta n di n f o r m a t i o nd a t a p a c k e ta r e t r a n s m i t t e da l o n gs e p a r a t ec h a n n e l s t h i st r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mn o to n l yr e d u c e st h e d e l a yw h i c hc a u s e db yt h ep a t h b u i l d i n g ，b u ta l s oa v o i d st h en e c e s s a r yf o r t h eo p t i c a l b u f f e r ( o rt h eo p t i c a lr a m ) w h i c hc u r r e n to p t i c a lt e c h n i q u e sc a nn o tp e r f e c t l ys o l v e h e n c e ，t h eo b sb e c o m e so n eo ft h ek e yi s s u e si no p t i c a ln e t w o r k s t h ea s s e m b l ya l g o r i t h m si nt h eo b se d g en o d ea r ec h o s e na st h er e s e a r c h o b j e c t i v e ，a n dt h er e s e a r c hm e t h o di sm a i n l yt h r o u g hs o t t w a r es i m u l a t i o n f i r s t l y , t h e h i e r a r c h yo fo b sn e t w o r ka sw e l la st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fc o r en o d ea n de d g e n o d e ( t h ee d g en o d ei se m p h a s i z e d ) a r es u m m e du p f u r t h e rm o r e ，t h ea s s e m b l y m e c h a n i s m si nc u r r e n tr e s e a r c hp a p e r sa l ec o n c l u d e d a n dt h e n ，s o m ek i n d so ft r a f f i c d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n s ( i n c l u d i n gt h es e l f - s i m i l a ld i s t r i b u t i o n ) a n dq u e u i n gm e t h o d so r m o d e l sa r es i m u l a t e da n dd i s c u s s e d i nt h ec o u r s eo fs t u d y i n gt h ea s s e m b l ya l g o r i t h m s ，t h eb a s i ca s s e m b l ya l g o r i t h m s a r ee m p h a s i z e d a n dt h r e et y p i c a la s s e m b l ya l g o r i t h m sa l es i m u l a t e di nt h en o v e l s i m u l a t i o nm o d e l s t h e ya l ef i x e da s s e m b l ys i z e ( f a s ) a l g o r i t h m ，f i x e da s s e m b l y p e r i o d ( f a p ) a l g o r i t h ma n dh y b r i dt h r e s h o l da s s e m b l ya l g o r i t h mw h i c hi sa l s o n a m e da sm a xb u r s t s i z em a xa s s e m b l yp e r i o da l g o r i t h m ( m s m a p ) t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa r ec o m p a r e da n dd i s c u s s e di nt h i st h e s i s b e s i d e st h ew o r k a b o v e ，t w ot y p e so f o p t i m i z e dm e c h a n i s m s ，s u c ha sp r i o r i t ym e c h a n i s ma n ds u b q u e u em e c h a n i s m ，a r e i n t r o d u c e d ，w h o s ep u r p o s ei st om a k ef u r t h e rs t u d yo nh o wt o a p p l yt h eq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) m e c h a n i s mi nt h ea s s e m b l ya l g o r i t h m s a n dt h es i m u l a t i o nr e s u i t ss h o w t h a tt h e s et w om e c h a n i s m sc a l le f f e c t i v e l yr e d u c et h eq u e u i n gl e n g t h a sw e l la st h e 浙江工业大学硕士学位论文 q u e u i n gd e l a y i tm e a n s t h a tt h ep e r f o r m a n c eo fa s s e m b l ya l g o r i t h m si m p r o v e s k e yw o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gn e t w o r k , a s s e m b l ya l g o r i t h m s ，e d g en o d e ， q u a l i t yo fs e r v i c e ，p r i o r i t ym e c h a n i s m ，s u b - q u e u em e c h a n i s m 浙江工业大学硕士学位论文 图列 图1 1 突发交换中的数据分组与控制分组2 图1 2 光突发交换网络结构示意图一3 图2 1o b s 网络的分层模型7 图2 2o b s 核心节点的结构图9 幽2 3o b s 边缘节点的基本结构1 1 幽2 - 4o b s 边缘节点的功能模块纵向划分1 2 图2 5o b s 边缘节点的功能模块横向划分一1 2 图2 - 6o b s 汇聚算法简化模型：1 3 图2 - 7 固定分组个数汇聚机制流程图16 图2 8 固定汇聚时间汇聚机制流程图1 6 图2 - 9 最小突发长度玩i n 最大突发汇聚时间丁汇聚机制流程图1 7 图3 1 满足定长分布的业务量仿真2 0 图3 - 2 满足泊松分布的业务量仿真2 0 图3 3 满足负指数分布的业务量仿真。2 1 图3 - 4 满足几何分布的业务量仿真2 2 图3 5 满足p a r e t o 分布的业务量仿真2 3 幽3 - 6 多个具有p a r c t o 分布的随机信号源叠加后产生的自相似源2 5 图3 7 排队模型的建立2 6 图3 8 队列的端到端时延仿真2 7 图3 - 9 队列输出端的吞吐量仿真2 7 图3 1 0 队列中的空闲容量仿真2 8 图3 1l 队列中数据包的积压状况仿真2 8 图3 1 2 队列的端到端时延仿真2 9 图3 1 3 队列输出端的吞吐量仿真2 9 。 图3 1 4 队列的溢出情况仿真3 0 图4 1 文献中给出的汇聚算法仿真模型3 1 图4 2 本文采用的汇聚算法仿真模型3 2 图4 3 队列与子队列示意图3 2 图4 - 4 业务源的设置3 3 图4 5 业务源产生的业务量分布3 3 图4 - 6 投节点的状态转移图3 4 图4 7 汇聚节点的设置。3 4 图4 ，8 队列中队列长度仿真3 5 图4 - 9 单个子队列中队列长度仿真3 6 图4 1 0 汇聚节点的输出端吞吐量仿真一3 6 图4 1 l 子队列的时延。3 7 图4 一1 2 队列的时延3 7 图4 - 1 3 队列中排队长度仿真3 9 图4 一1 4 子队列中排队长度仿真3 9 幽4 1 5 汇聚。肖点的输出端吞吐量仿真4 0 图4 16 队列的时延仿真4 0 浙江工业大学硕士学位论文 图4 一1 7 队列排队长度仿真一4 2 一 图4 18 子队列排队长度仿真一4 2 - 图4 1 9 汇聚：肖点的输出端吞吐量仿真4 3 一 图4 - 2 0 子队列的时延仿真一4 3 图4 2 l 队列的时延仿真。一4 4 一 图4 - 2 2 子队列的排队长度4 5 图4 2 3 队列的排队长度一4 5 图4 2 4 队列的排队时延一4 6 图4 2 5 队列的平均排队时延4 6 一 图4 2 6 子队列的排队时延- 4 7 图4 2 7 子队列的平均排队时延4 7 图5 1 优先级机制的算法思路4 9 一 图5 2 优先级队列的排队方式5 0 幽5 3 一股队列的仿真模型5 0 幽5 4 优先级队列的仿真模型51 图5 5s o u r c e3 节点产生的业务量分布一5 1 图5 6 队列的排队时延5 2 图5 - 7 队列的平均排队时延5 2 图5 8 队列的排队长度5 3 图5 - 9 队列的平均排队长度5 3 图5 1 0 汇聚节点输出端的吞吐量5 4 一 圈5 一ll 汇聚节点输出端的平均吞吐量5 4 图5 1 2 队列长度比较仿真5 7 图5 i3 平均子队列长度比较仿真5 7 图5 14 队列时延仿真：5 8 一 图5 15 平均子队列时延仿真5 8 浙江工业大学硕士学位论文 表列 表1 一l 二种交换方案的比较3 表5 一l 子队列优化机制的儿种优化函数列表5 5 浙江工业大学硕士学位论文 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 劣弘尹 吼加分年手月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密叼。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 吧t 沈 呲 、呖 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 光纤通信的发展要求 第一章绪论 上世纪9 0 年代到本世纪初，随着w d m 技术在点对点传输链路上的成功运用 与普及，尤其是密集波分复用技术( d w d m ) 的日益发展，使得在单根光纤上以 g 比特速率传输多路信号成为现实。目前的工程应用情况表明：单根光纤传输的 容量已经达到4 0 t b ，d w d m 传输系统的总容量已经达到3 2 t b s t 。这些数据说 明：w d m 技术带来的巨大传输带宽已经完全可以满足现在网络所要求的带宽需 求。同时也表示：在光纤传输上取得的技术成就对网络节点处理能力提出了新的 要求，目前网络节点的数据处理和交换能力已经成为影响网络传输速度和充分利 用光纤带宽的最大瓶颈| 2 1 。 为了解决这一问题，许多研究机构致力于研究和开发光域上的交换技术，试 图将网络交换工作在光子层面上完成，从而消除电子瓶颈的影响。针对通信网络 中已有的通信模式，人们对w d m 光网络中如何实现交换与传输提出了三种方案 p 叫：光电路交换( o c s ，o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 、光分组交换( o p s ，o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) 和光突发交换( o b s ，o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 。下面本文简要介绍这 三种方案的主要思路。 1 1 2 三种交换方案的主要思路及比较 光电路交换方案 光电路交换方案就是光的波长路由交换方案【5 卅。与电路交换一样，光电路交 换利用波长将源节点和目的节点连接起来，组成一条“电路”，即波长路由。当有 通信请求时，首先要建立波长通道。一旦成功，主叫用户与被叫用户之间就建立 一条实或者虚的波长通道，并且在传输过程中始终由二者占用直到传输结束。 虽然在w d m 技术中引入了多协议标记交换( m p l s ，m u l t i p r o p o c o ll a b e l s w i t c h i n g ) 等技术【7 】，但是，由于它是基于电路交换的，就不可避免的存在电路 交换的缺点，即波长通道的建立要等待一段时间，波长的利用率比较低。当波长 数不足时，很容易引起拥塞。另一方面，如果网络不是全连接的，对虚拓扑的控 浙江工业大学硕士学位论文 制和重构就会比较复杂。 光分组交换方案 光分组交换大大减少了资源的预留时间，有效的利用了带宽并且简化了对资 源预留的处理，从而大大提高了带宽的利用率。但是，由于目前的技术限制，光 分组交换还很不成熟，最主要的问题就是缺少光缓存。当前，实现光缓存的一种 方法是利用光纤延迟线( f d l ，f i b e rd e l a yl i n e ) 。然而，f d l 对突发包的缓存时 间却是有限而且不是十分精确的【3 】。 光分组交换面临的另一个技术难题是它要求严格的时钟同步，这也是目前技 术层面难以突破的一个问题。 光突发交换方案 突发交换的概念在8 0 年代首次引入【9 】，其开始应用于在t d m ( 时分复用) 上集 中传输声音和数据信号。在光突发交换网络中，数据是以突发包( b u r s t ) 的形式 传输。每个突发包在都是由表头和负载两部分组成的。负载的各类信息携带在表 头中，网络使用分离的波长信道方式传送突发包的负载和它的表头。突发包负载 被称为突发数据包( b d p ，b u r s td a t ap a c k e t ) ，突发包的表头被称为突发控制包 ( b c p ，b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) 。而每一个突发包的b d p 在传输过程中被组装为数 据分组，每一个突发包的b c p 被组装为控制分组【l 0 0 1 1 。如图1 1 所示。 控越夯纽 图1 - 1 突发交换中的数据分组与控制分组 浙江工业大学硕士学位论文 图卜2 光突发交换网络结构示意图 光突发交换的一个本质的特征是：数据分组和控制分组在实际传输过程中的 分离。这有助于控制分组在o b s 核心节点( 如图1 。2 所示) 进行电处理，并且提 供突发数掘包端到端的透明光传输。因此o b s 网络可以被认为是二个叠加在一起 的网络：纯粹的光传输网络传递数据分组和混合的电控制网络传递控制分组，这 样的方式可以充分利用现有的成熟的电交换技术和高容量的光交换技术两者的优 势。从图1 2 可以看到：一个o b s 网络是由o b s 边缘节点、o b s 核心节点和d w d m 链路组成的【1 引。关于边缘节点与核心节点的结构和基本功能，本文在第二章中做 简要介绍。 光突发交换具有光电路交换和光分组交换的优点，而同时避免了其缺点。o b s 是基于单向预留协议，数据分组直接按照控制分组建立好的光通道进行传输，而 不需要等待通道建立的响应包，这样就比光电路交换大大减少了端到端的时延。 同时它能很好的支持q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 和优先级服务，以满足多种多样的 业务需求。表1 1 给出y - - k 中交换方案之间的比较 6 , 1 3 1 。 表1 1 三种交换方案的比较 光交换方式o c s0 p so b s 粒度粗细中等 带宽利用率低同同 光缓存不需要需要不需要 实现难度容易难中等 适用性弱强强 等待时间长短短 处理巾司步丌销小大大 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 研究对象及研究现状 1 2 1 边缘节点中的汇聚算法 本文的研究对象是o b s 边缘节点中的汇聚算法。当来自子网的各种类型或者 不同q o s 要求的数据包到达边缘节点时，边缘节点做的第一件事情就是按照一定 的组装机制，将这些数据包组装为突发包。而汇聚算法就是研究关于这些组装机 制的算法，即选择一定的参数来控制组装突发包的过程。具体的汇聚算法将在第 二章和第四章中做详细介绍。 1 2 2 汇聚算法的研究现状 自从上世界末由c h u n m i n g q i a o 和j o n a t h a ns t u r n e r 分别提出o b s 到现在， 虽然只有十余年时间，但是o b s 已经受到了国内外越来越多的研究机构和学者的 重视，已经成为当前国际上全光网络研究领域的前沿课题。国际上代表性的研究 机构有：纽约州立大学、华盛顿大学、北卡罗来纳大学以及阿尔卡特公司等；国 内在这方面研究处于领先地位的有：北京邮电大学、上海交通大学、武汉邮电科 学院以及电子科技大学等l l 引。 从国内外的研究成果来看，在汇聚算法部分，可以分为两大类。一类是在算 法理论上的研究；另一类是以专利为代表的算法部分的硬件实现( 或者是边缘节 点的硬件实现) 【l 引。 在算法理论方面，当前的汇聚算法一般都是基于业务分组的缓存时间【1 6 q8 】或 者是缓存队列的长度【l 蛇o 】来控制突发包的生成。各种汇聚算法的区别主要在于如 何设置和使用这两个参数，例如使用单一参数【1 6 , 1 9 - 2 0 或者同时使用两个参数【1 2 1 ； 使用固定参数【1 2 1 6 】或者使用动态参数【1 7 8 1 ；而在使用动态参数方面，使用一些自 适应参数的算法是目前的研究热点【2 1 乏3 1 。 在算法的硬件实现方面，一些专利【1 5 】或者学位论文2 纯7 】都报道了各自的实现 方案。这些工作都对o b s 边缘节点的实用化做出了有益的尝试。 1 3 研究的目的及意义 1 3 1 ；r - 聚算法的研究目的 汇聚部分是业务接入o b s 网络的第一步，它直接决定了o b s 网络的业务承 载能力。另外，研究成果表明：汇聚部分还决定了输出的突发包数据流的特性， 进而在很大程度上影响到o b s 网络的性能。 4 浙江工业大学硕士学位论文 在汇聚算法的研究过程中，我们对算法两个方面的性能比较关心1 1 4 j 。 首先，汇聚算法应该具有较强的业务适配能力。例如，针对以i p 为主的数据 业务汇聚算法要能保证接入效率，这就要求缓存队列的长度参数不能太小。因为 o b s 采用突发汇聚的初衷就是增大传输交换粒度，降低系统实现难度，并提高网 络效率。过短的突发包一方面会造成控制信道的传输拥塞和控制信息的处理拥塞， 另一方面也会严重降低网络效率。对于新出现的多媒体等实时业务，汇聚算法应 能降低接入时延，这就要求突发汇聚的缓存时间参数不能太大。 其次，汇聚算法应能有效地改善输出突发包的特性，这对于o b s 网络的时延、 突发包阻塞率和带宽利用率等性能有着重要的影响。例如，较大的缓存时间更有 利于抑制业务的短程突发性，降低网络内部的冲突竞争概率。 以上的要求在某些方面可能是相互矛盾的，而合理的组装算法应该能根据网 络的要求，做出一个最佳选择。 1 3 2 本文对汇聚算法研究的出发点及意义 本文是从软件仿真的角度出发，对汇聚算法进行研究。首先，选择三种基础 的汇聚算法，在软件中通过引入新的仿真节点模型，对算法进行了仿真。并且对 三种算法的性能进行了比较。然后，从在汇聚部分应用q o s 机制出发，引入两种 优化机制，改善了一般汇聚算法的性能。 本文的研究着重于基础算法的研究，因为很多现有的文献，尤其是学位论文 对于基础算法部分都是简略介绍的。另外，在算法的改进部分，本文着重从优化 排队队列的角度出发，而不是像其他文献所报道的研究方法那样，着重于优化或 者改进算法某一方面的参数。本文希望这些基础性研究对汇聚部分的硬件实现具 有一定的参考价值。 1 4 本文主要内容及章节安排 本文全文共分六个章节。 第一章是绪论部分，主要介绍o b s 网络的研究背景、汇聚算法的研究现状、 论文的研究目的和研究意义，以及主要内容等。 第二章对o b s 的网络分层模型，o b s 网络中核心节点、边缘节点的基本结构 和功能，边缘节点的功能纵向划分、横向划分等基础内容进行了总结和归纳，着 重介绍了现有文献中汇聚算法的五种汇聚机制。 第三章首先介绍了在仿真过程中用到的各类函数分布，重点介绍了网络自相 似性以及自相似业务源的合成。然后介绍了汇聚算法中用到的一些基础排队论知 识，建立了排队模型，并对该模型进行了仿真验证。 5 浙江工业大学硕士学位论文 第四章是对基础汇聚算法的研究，首先给出了本文对汇聚算法仿真的模型， 然后在该模型下分别对固定长度汇聚算法、固定时间汇聚算法以及混合门限汇聚 算法进行了仿真，对仿真结果也进行了比较分析。 第五章在基础汇聚算法上引入了两类优化机制，一种是优先级机制，另一种 是子队列优化机制。仿真结果表示：这两类机制都可以满足某些数据包的q o s 需 求，这也是对在汇聚算法中应用q o s 机制的探讨。 第六章是全文的总结以及对今后工作的展望。 本文在两个方面做了与以往文献不同的、有新意的工作。 一、建立了新的汇聚节点仿真模型，该模型不同于以往将各类队列并行排列 ! 的方式，而是采用子队列构成。这对于优化汇聚算法的内部排队机制带来一些便 利。 二、实现了两种优化机制在汇聚算法中的应用，仿真结果表明：引入了这两 种优化机制的汇聚算法与基础汇聚算法相比，在排队长度与排队时延方面都得到 了优化，从而提高了算法效率。尤其是引入了子队列优化机制，它不仅提高了汇 聚算法的性能，而且不需要对排队队列中已经排队完毕的数据包进行调整，从而 简化了计算复杂度。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章o b s 中的边缘节点及其汇聚技术分析 2 1 引言 本论文的研究重点集中在o b s 的汇聚算法上，而汇聚技术是o b s 网络边缘 节点的主要功能之一。因此，本章首先从o b s 的体系结构入手，在简要介绍o b s 网络的分层结构、核心节点和边缘节点的基本结构和功能的基础上，详细介绍边 缘节点的基本组成、边缘节点的汇聚机制，以及总结现有文献中对汇聚算法的研 究成果。 2 2o b s 的体系结构 2 2 1o b s 网络的分层模型 一个o b s 网络，按照其功能结构，可以划分为三个层次：接入层、o b s 层和 物理层，如图2 - 1 所示1 6 1 4 】。 接八层 照黝 层单二，甲 o b s 层 一一一一一- 一_ 一士一一一一一一一一二二二二一一 链冁 巨m ! 爨渊：h 宝 物理层 ：传输、信号放大： 图2 - 1o b s 网络的分层模型 接入层是o b s 层的用户层，它可以表示为目前存在的各种网络，比如i p 、 - 7 浙江工业大学硕士学位论文 a t m 、s d h 等，也可以表示为现有的各种业务需求，如视频点播技术( v o d ， v i d e oo nd e m a n d ) 等，当然也可以表示为终端用户。 o b s 层向上层提供各种o b s 服务机制，它又细分为数据汇聚层、网络层和 链路层。各层功能如下： 1 ) 数据汇聚层：完成对各种接入层业务的适配，主要包括上层数据的分类汇 聚和整形、突发数据分组的组装和拆卸、接入层和光层间比特率的适配等。 2 ) 网络层：读取控制分组中的信息并根据网络的状况、资源和拓扑等进行路 由以及偏置时间的管理等。 3 ) 链路子层：通过波长和资源分配，即控制信道和数据信道的调度，实现业 务到物理媒质的接入控制，并对数据流进行比特控制以满足在下层物理媒质上传 输的要求。 物理层主要实现光比特的透明传输放大，以及光交换矩阵的设置等功能。 在第一章中，本文已经介绍：一个基本的o b s 网络主要由核心节点、边缘节 点以及d w d m 链路组成，下面本文将简要介绍o b s 中的核心节点和边缘节点的 基本结构和功能。 2 2 2o b s 核心节点的结构与功能 一 o b s 核心节点负责在电域中处理提前发送的控制信息包，并通过解析控制包 携带的消息信令，完成对光交叉矩阵的配置。这样随后到达的突发数据包在全光 域内能进行快速的交换，既避免了控制头的光域处理，同时数据分组也无需进行 光电转换。因此处理始终在全光域内，传输大大提高了交换的灵活性。图2 2 给 出了一个o b s 网络核心节点的结构图【2 3 ，2 4 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 2o b s 核心节点的结构图 如图2 2 所示，核心节点的控制单元由消息引擎、交换控制器组成。消息引 擎含有一个高速缓存，可以存储路由信息和各种资源信息库。连接请求通过消息 引擎发给交换控制器。具体包括解析消息、做出判决、产生波长预约的消息传给 交换矩阵，并产生新的信令消息传给下一节点。交换控制器维护一张时间调度表， 并及时的发送配置信息给交叉设备。控制单元将完成所有的意外处理，时延估算 和标准的网络操作、管理和维护( 0 a m ，o p e r a t i o n s a d m i n i s t r a t i o na n dm a i n t a i n ) 及流量控制等。 光交换矩阵实现将任意输入端口光纤中的任意波长通道交换到任意输出端口 的相应波长通道，从而为数据分组提供光通路，实现突发数据的交换。电交换交 换矩阵则负责为控制分组分配路由。 核心节点的任务是对光突发数据进行转发与交换。每个突发包由具有相同出 口边缘节点地址和相同q o s 要求的i p 包组成。突发数据是光突发交换网中的基 本交换单位。 假定其入口、出口光纤数均为n ，每根光纤的波长数为k 。其中一个波长传 输数据信道分组( d c g ，d a t ac h a n n e lg r o u p ) ，这个波长在各个中间节点首先要 进行o r e 变换，然后再进行电的路由表查找、交换矩阵控制等处理过程，最后更 新d c g 并进行e o 变换；其余( k - 1 ) 个波长传输突发数据，这些波长在各个中 间节点都不需要o e o 变换，从而保证了数据的透明性。而在光分组交换中，为 了提取光分组头，在每个节点对所有波长都必须提取一部分光信号进行0 1 3 0 变 换，因而过于复杂，而且这种光信号提取方式也会严重影响其再生距离。在o b s 浙江工业大学硕士学位论文 中，控制分组进行o e 变换后可以进入b u f f e r 中暂存、等待转发表查找、建立交 换连接等，入口f d l 在光分组交换方式中是必需的。在o b s 中，通过让b c p 比 对应的突发数据提前适当的一段时间t 出发，为突发数据预约恰好相等的一个时 间段，可以使所有中间节点省去入口光缓存f d l 。还可通过将业务区分为不同的 优先级，为优先级高的突发数据设置较长的时间偏移量t ，使其获得更大的预约 成功机会，来实现w d m 层的q o s 保证。 光交换矩阵是光突发交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素，目前 提出的光突发交换矩阵的典型结构有：基于空间光开关矩阵和基于a w ( 3 的光突 发交换结构。半导体光逻辑门、波导开关、微电子机械( m e m s ，m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e h a ) 型光开关、液晶光开关等光开关技术和集成化都取得了很大 的突破。机械开关在插损、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。 但它的开关尺寸比较大，开关动作时间比较长，一般为毫秒到几十毫秒量级，而 且机械开关不易集成为大规模的矩阵阵列。随着液晶技术的成熟，液晶光交换机 将会成为光网络系统中的一个重要设备。该交换设备主要由液晶片、极化光束分 离器笠遮圣组成，而液晶在交换机中的主要作用是旋转入射光的极化角。当电极 上没有电压时，经过液晶片的光线极化角为9 0 。，当有电压加在液晶片的电极上 时，入射光束将维持它的极化状态不变。而由声光技术实现的光交换机可以实现 微秒级的交换速度，可方便地构成端口较少的交换机，但它不适合用于矩阵交换 机。波导开关的开关速度在毫秒到亚毫秒量级，体积非常小，而且易于集成为大 规模的矩阵开关阵列，但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差。 2 2 3o b s 边缘节点的基本结构 边缘节点接到上层数据之后，将突发分组进行排队。突发调度按照数据信道 和控制信道的使用情况，采用一定的调度算法，选择突发包的发送。同时提取突 发包的控制信息，当突发包位于队首时，控制信令设置其偏置时间，并发送控制 分组，它主要包括了突发包的路由信息、偏置时间、长度、信道编号、q o s 等信 息。在经过偏置时间后，突发包由突发调度算法调度成帧送入w d m 光层。在接 收节点处，也由边缘节点完成包的拆卸工作。图2 3 给出一种边缘节点的结构示 意 2 5 - 2 6 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 图2 30 b s 边缘节点的基本结构 边缘节点的发送部分把p a c k e t 数据包组装成b u r s t 包，并按照o b s 协议把 它们发送到o b s 网络中，其中用到的技术包括路由表查询，业务量分类，流量整 形等。边缘节点的组装部分根据从端口通道输入的数据包的目的地址和服务等级 ( q o s ) 要求把这些数据包整理到相应的b u r s t 缓冲堆里去。边缘节点的调度部分 ( s c h e d u l e r )则根据突发数据包的类型和等级，按照满足特定要求的算法分配 b u r s t 包的传输时隙和光通道。为了方便调度，往往需要跟踪各个输出光通道还未 预定的时隙资源。 2 3 边缘节点的功能细化 2 2 3 节中，本文介绍了一种o b s 边缘节点的基本结构，下面的内容将从网络 层次角度将o b s 边缘节点的主要功能细化。这样做的目的是更加明确边缘节点的 各个功能模块，对深入研究汇聚算法具有一定的指导性。 浙江：【业大学硕士学位论文 图2 - 40 b s 边缘节点的功能模块纵向划分 日 b d p ib d p 卜 分类器 汇聚 飘列叫觥l b h p 一戮卜 f 卜 队硼 汹：发送部分 一蹭卡卜 l p 一戮噻 队戮 旋送 一 控秘 一解汇聚 粤 一错卜_ 调受 嘞：接牧部分 图2 - 50 b s 边缘节点的功能模块横向划分 图2 - 4 和2 5 分别给出了o b s 边缘节点的功能划分方法，一方面我们可以看 到：o b s 边缘节点的主要功能模块包括汇聚解汇聚模块、调度模块以及控制模块， 而本文的研究对象汇聚模块是o b s 数据处理的第一个模块；另一方面，我们也可 以看到o b s 边缘节点模块中的数据流程，这样便于我们对各个模块进行更协调的 控制。 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 ；e 聚算法的基本思路以及主要参数 2 4 1 汇聚算法的基本思路 边缘节点处的数据包的汇聚和突发包的组装是o b s 的关键技术，直接影响 到o b s 的性能。如图2 - 6 给出了汇聚算法的简化模型【4 1 。 触圉 瞄f 以毋 ，五 q u e u e ! 留 ，五 lq u e u e o 蓼 s u b - h e t 表不接入子两 铷h e 表示缓存队终 一o e 麟r 袋| 示予| i 警擞据奄豹颈越穗豢 & 沁妇| t 滚承谭蛮摸块 q 毯磷铷r 表示数据包分樊器 图2 喝o b s 汇聚算法简化模型 由上图可知：汇聚算法主要包括分类和组装两个子过程。分类过程接收上层 数据，并根据一定的方法实现上层的业务数据到一定的o b s 地址和业务类别的映 射。由于不同的上层业务采用不同的地址分配方案和优先级机制，因此，分类过 程是与上层业务相关的。最简单的分类方法是将目的边缘节点地址相同的分组组 装成同一类突发数据包。这种组装机制具有较好的可扩展性。突发数据包的包长 变化范围小，可消除调度时带宽预留的不公平性。但是其分类颗粒度比较粗，不 能支持服务类别( c o s ，c l a s so f s e r v i c e ) 。另一种方法是根据业务等级和目的边 缘节点地址相同的分组进行组装。其不足的是不同c o s 的b d p 间的包长差别很 大，这会导致调度时长时延、长数据分组和短时延、短数据分组间带宽预留的不 公平性。 组装过程是根据一定的组装算法将同一类数据组装成突发包的问题。它是与 上层业务无关的过程。为满足不同级别的业务的时延要求，组装过程中要设置一 个定时器。其时间的设定不能大于该业务的最大延迟时间。当时间到达时，产生 一个突发数据包。同时，为了降低核心节点的处理开销，若数据包长小于最小包 长，需要将突发数据包填充至最小长度。 因此如何适当地选择突发包组装过程的相应参数是o b s 网络设计必须考虑的 问题。 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 2 汇聚算法中的主要参数 突发组装算法一般考虑对两个参数的静态或动态设置来完成突发包的汇聚。 一个是组装时间瓦，另一个是突发最大长度三一。其中后者对组装算法的影响较 简单，因为过大的包长变化范围会导致q o s 分级时，偏置时间设置的额外开销增 加，造成网络时延加大。因此突发最大长度工一一般会受到严格的限制。本文主 要讨论组装时间的影响因素。 选择t 时主要考虑以下几个方面f 3 6 】： 最大时延要求 突发包在边缘节点的总时延可分为三个部分：突发包组装时间疋、处理时延 、偏置时间，再考虑进突发包在光网络中传输时间乙和突发波长适配时间 以及反向拆卸时延k 。设乃为实时业务可允许的最大端到端延时，! i g z , _ k 述 时间应满足： 艺+ + + + + 毛 乃 ( 2 一1 ) 其中偏置时间瓦疗由控制部分确定，由此可见：要延长突发组装时间、提高传 输效率，必须尽量减少排队、调度处理时间以及突发发射时间和反向拆卸时间。 具体配置时要根据业务类型要求和硬件参数即可得到一个平均的合理值。 避免由于组装时间过短引起的阻塞 最长组装时间限制，从某方面来讲也就是最大突发长度的限制。同时，突发 包长也并非越短越好。由于每一个数据突发包均需产生一个对应的控制分组包， 替其进行资源预约。在控制信道容量小于数据信道容量的情况下( 高效率传输的 o b s 网络一般控制信道容量远小于数据信道容量) ，过短的突发包传输，将引起 控制信道的拥塞。 考虑与输入交换节点相连的w d m 链接，有k 个信道，包含了七个控制信道， k k 个数据信道。设数据信道和控制信道的线路速率分别为r a b s 和r g b s ，由 于一个数据突发包只有在其控制分组发送到控制信道之后才能发送到数据信道， 因此为了防