（光学工程专业论文）新型光突发交换网络节点的行为研究.pdf

南京邮电大学硕上研究生学位论文 摘要 摘要 近年来，互联网的不断发展壮大和各种新兴业务的出现，使i n t e m e t 业务成指数增长， 对网络带宽的需求不断上升。密集波分复用( d w d m ) 和掺铒光纤放大器( e d f a ) 的快 速发展满足了业务对网络带宽的需求；但是在节点处的交换还是采用光电光( o e o ) 技 术，存在电子瓶颈，由于目前光存储和光信息处理技术的限制，在相当长的时间内，光分 组交换( o p s ) 还没法达到实用化。光突发交换( o b s ) 结合了光电路交换( o c s ) 和o p s 的优点，能满足未来业务量爆炸式发展，被看作当前最具发展潜力的光交换技术之一。 本文首先概述了o b s 的网络结构和网络提供商骨干传送( p b t ) 技术，分析了o b s 和p b t 各自的优缺点，由此提出了o b s 和p b t 相结合的可能性及其优势。接着详细介绍 了o b s 网络的边缘节点和核心节点的结构功能以及相应的关键技术，为后续研究工作奠定 了基础。 本文的重点是对o b s 网络中的i p 流量特性以及边缘节点的汇聚机制进行深入的研究， 提出了o n o f f 业务源模型，模拟了业务流量的自相似特性，并提出了一种基于长度的平 均包时延汇聚算法，通过o p n e t 仿真验证了o n o f f 模型的正确性，并证明了本文提出 的汇聚算法更适用于网络中实时业务的传送；本文还提出了一种尾部延时策略，仿真分析 证明了该策略的可行性和优越性，与尾部丢弃策略相比，该策略大大降低了高优先级数据 包的丢失率，改善了系统的性能；在已有的信道调度算法基础上提出了基于q o s 的单级重 调度算法，该算法通过占用已调度的低优先级数据突发包资源来保证高优先级突发包的正 常调度，利用仿真软件对已有的和提出的算法进行性能分析和比较，可以得出，基于q o s 单级重调度算法大大提高了高优先级的数据包调度成功的概率，使得o b s 网络为实时业务 提供更好的q o s 保证，最后探讨了该算法在支持p b t 技术的o b s 新型网络中的应用。 关键词：光突发交换自相似业务突发汇聚算法竞争解决 数据信道调度网络提供商骨干传送 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dg r o w t ho fi n t e r a c ta n dt h ee m e r g e n c eo fv a r i o u sn e w l yr i s i n g s e r v i c e s ，t h ei n t e r n e tt r a f f i ch a si n c r e a s e de x p o n e n t i a lt i m e sp e ry e a ra n dt h ed e m a n df o rn e t w o r k w i d t hh a sb e c o m e r i s i n gc o n t i n u o u s l y t h ed e p l o y m e n to fd e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( d w d m ) t e c h n o l o g y a n de r b i u m d o p e df i b e r a m p l i f i e r ( e d f a ) m e e t s t h e b a n d w i d t hr e q u i r e m e n to fi n t e r n e tt r a f f i ci ne x i s t i n go p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k b u ts w i t c h i n g n o d ei nn e t w o r ks t i l l a d o p t s ”o p t i c e l e c t r o n i c o p t i c ”( o e - o ) t e c h n o l o g ya n dh a se l e c t r o n i c b o t l e n e c k a t t h es a m et i m e ，t h ei m m a t u r i t yo f o p t i c a lb u f f e ra n dt h el i m i to fo p t i c a li n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gh a v em a d em a n yp r o b l e m s l e f ti nt h ep r a c t i c a lu t i l i z a t i o no fo p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ( o p s ) i n t e g r a t i n gt h ea d v a n t a g e so fo p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) a n do p s ， o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) i sas u i t a b l ec h o i c ef o rs a t i s f y i n gt h ee x p l o s i v ei n c r e a s eo fs e v i c e d a t ai nt h ef u t u r e s oi ti sc o n s i d e r e da st h em o s tp o t e n t i a lt e c h n o l o g yi no p t i c a ls w i t c h i n g t h i st h e s i sf i r s tp r e s e n t st h en e t w o r ka r c h i t e c t u r eo fo b sa n dt h ep r o v i d e rb a c k b o n e t r u n k ( p b t ) ，t h e na n a l y s e st h e i rr e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s i no r d e rt op u tf o r w a r d t h ep o s s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo fo b sw i t ht h ep b tt e c h n o l o g y a f t e rt h a t ，t h es t r u c t u r e f u n c t i o n sa n dt h ek e y t e c h n o l o g i e so ft h eo b se d g ea n dc o r en o d e sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l a l lo f t h e s el a yaf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h t h i st h e s i sd e e p l yf o c u s e so nt h es t u d yo ft h ec h a r a c t e r i z a t i o no fi pt r a f f i ca n db u r s t a s s e m b l ym e c h a n i s mo fe d g en o d e si no b sn e t w o r k ，p r e s e n ta no n o f ft r a f f i cs o u r c e sm o d e l t od e s c r i b et h es e l f - s i m i l a rc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed a t at r a f f i ci nt h eo b sn e t w o r k ，a n dp u t s f o r w a r dan e wb u r s ta s s e m b l ys c h e m eb a s e do nt h ea v e r a g ep a c k e td e l a y , t h e ns i m u l a t e st h e o n o f fs o u r c em o d e la n dt h eb u r s ta s s e m b l ys c h e m e sb yo p n e ts i m u l m i o n t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h es c h e m ew h i c ht h i sp a p e rp r e s e n t si s e s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rr e a l t i m e n e t w o r ks e r v i c e s t h et h e s i sa l s op u t sf o r w a r dat a i l - d e l a ys t r a t e g ya n di t sf e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yi sp r o v e d b yt h es i m u l a t i o n s c o m p a r e dw i t ht h et a i l d r o ps t r a t e g y , t h i sn e ws t r a t e g yc a ng r e a t l yr e d u c et h e 1 1 i g h p r i o r i t yp a c k e tl o s sr a t ea n di m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e t h e nas i n g l e s t a g er e s c h e d u l i n g a l g o r i t h mw i t hq o s i sp r o p o s e db a s e do ne x i s t i n gc h a n n e ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m s t h i sa l g o r i t h m c a ne n s u r et h es c h e d u l i n gs u c c e s so fh i g h p r i o r i t yp a c k e t sb yo c c u p y i n gt h es e c h e d u l e dr e s o u r c e o fl o w - p r i o r i t yp a c k e t s i tc a nb es h o w e dt h a tt h i sa l g o r i t h mc a ne n h a n c et h ep r o b a b i l i t yo f h i g h p r i o r i t yp a c k e t s s u c c e s s f u ls c h e d u l i n gb yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t s a n di t c a n m a k eo b sn e t w o r kp r o v i d eb e t t e rq o sf o rr e a l t i m es e r v i c e a tt h ee n do ft h i sp a p e r , w ed i s c u s s h o wt oa p p l yt h i sa l g o r i t h mi nt h en e wo b sn e t w o r ks u p p o r t i n gp b tt e c h n o l o g y 1 1 南京邮电大学硕上研究生学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) ，s e l f - s i m i l a rt r a f f i c ，b u r s ta s s e m b l y s c h e m e ，c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ，d a t ac h a n n e ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ， p r o v i d e rb a c k b o n et r u n k ( p b t ) i i i 南京邮电人学硕一l ：研究生学位论文 缩略语 a a s a d m a o n a s o n a t m b a b a m b c p b d p b l r d w d m e d f a 肇陋 f a s f d l f e c g m p l s j e t j i t l a u c l a u c v f l o b s l r d l s p m a c m b m a p 缩略语 a d a p t i v ea s s e m b l ys i z e自适应汇聚长度 a d d d r o pm u t i p l e x e r 分插复用器 a l lo p t i c a ln e t w o r k 全光通信网 a u t o m a t i cs w i t c h i n go p t i c a ln e t w o r k自动交换光网络 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e异步传输模式 b u r s ta s s e m b l e r 突发装配器 b u r s ta s s e m b l ym o d u l e 突发装配模块 b u r s tc o n t r o lp a c k e t突发控制包 b u r s td a t ap a c k e t 突发数据包 b u r s tl o s sr a t e 突发包丢失率 d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 密集波分复用 e r b i u m d o p e df i b e ra m p l i f i e r 掺铒光纤放大器 f i x e da s s e m b l yp e r i o d 固定汇聚时问 f i x e da s s e m b l ys i z e固定汇聚长度 f i b e rd e l a yl i n e光纤延迟线 f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s 转发等价类 g e n e r a l i z e dm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h - 通用多协议标签交换协议 i n g j u s te n o u g ht i m e足量时间 j u s t i n t i m e 恰量时间 l a s t e s ta v a i l a b l eu n u s e dc h a n n e l最迟可用未占用信道 l a s t e s ta v a i l a b l eu n u s e dc h a n n e lw i t h 可插空最迟可用未占用信道 v o i df i l l i n g l a b e l e do p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g标签光突发交换 l o n gr a n g ed e p e n d e n c e 长程相关性 l a b e ls w i t c h e dp a t h 标记交换路径 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒介接入控制 m a x b u r s t m a x a s s e m b l y p e r i o d最大时间最大长度算法 i v 南京邮屯大学硕士研究生学位论文缩略语 m p l s n o p o a d m 0 b s o c s o e 0 o p s 0 x c p b b p b t p l r p l p t q o s r a d r o a d m r s v p s d h s r d t a g 飞k 鼬 t d m t t l t w c w d m m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g n u m b e ro fp a c k e t s o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r o p t i c a lb u r s ts w i t c h o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a le l e c t r o n i c a lo p t i c a l o p t i c a lp a c k e ts w i t c h o p t i c a lc r o s sc o n n e c t p r o v i d e rb a c k b o n eb r i d g e p r o v i d e rb a c k b o n et r u n k p a c k e tl o s sr a t i o p a y l o a dl e n g t h p a y l o a dt y p e q u a l i t yo fs e r v i c e r e a la v e r a g ed e l a y r e c o n f i g u r a b l e0 a d m r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s h o r tr a n g ed e p e n d e n c e t e l la n dg o t e l la n dw a i t t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m e t ol i v e t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g v 多协议标签交换 分组数目 光分插复用器 光突发交换 光电路交换 光电光 光分组交换 光交叉连接设备 运营商骨干桥 运营商骨干中继 分组丢失率 狰荷长度 净荷类型 服务质量 实时平均时延 可重构光分插复用器 资源预留协议 同步数字传输体制 短程相关性 通知一发送 通知一等待 时分复用 生存时间 可调波长变换器 波分复用技术 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注的地方外，论文不含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示t i l l 意。 研究生签名：上韭堑一日期：掣 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期间的保 密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：l 佥坌 导师签名：孑互复兰日期：掣 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 1 光网络技术的发展 第一章绪论 随着社会的发展与技术的进步，整个世界走上了高速信息化道路，全球信息交流与共 享的需求越来越大，全球数据业务迅猛增长起来，这就驱动了对传输带宽需求的爆炸式增 长，这对传统的通信网络体系构架提出了新的要求：要向新一代高效率、大容量、高速率 的网络演变，这就促使人们不断提高网络的传输容量和交换容量。在不断增长的需求推动 下，网络设备的吞吐能力不断提高，以光为媒介的网络技术也得到了迅猛的发展，光通信 在扩大网络传输容量方面起了不可替代的顶梁柱作用。 不断涌现的新业务带来对带宽的无穷尽渴求，给网络基础设施的通信容量造成巨大压 力，其直接后果就是“光纤耗尽”现象。如何扩大网络的传输容量，己经成为网络运营商 所要面对的最尖锐的问题。1 9 9 5 年，波分复用技术( w d m ) 的引入，是光通信发展史上 的重要里程碑。w d m 技术的出现，使得一条光纤可以利用不同的波长同时传送多个信号， 在相同铺设成本下，将光纤的带宽提高几倍甚至几十倍。如图1 1 是时分复用和波分复用 的原理图，在w d m 中，信道被称为波长，在时分复用( t d m ) 中，信道就是时隙。而密 集波分复用( d w d m ) 技术充分利用光纤巨大的传输容量，使得一根光纤上能够承载上百 个波长信道，它的出现使得光纤传输的带宽极大的增加，有效的满足了业务量对于带宽的 需求。 带 宽 带 宽l 圜圈 l 隧豳豳 l 圈蕊强一 o 一一+ 时间 时间 ( 1 ) 时分复用( 2 ) 波分复用 图1 1 时分复用和波分复用的原理图 1 2 光交换网络的形成与演进 目前，网络中的数据在交换节点中先要经过光域转换电域( o e ) 的处理，在电域中 完成路由交换，再从电域转换到光域( e o ) 重新进入网络中传送。而如今电子交换的发 展已逼近电子速率的极限，成为了限制光网络中节点处理能力的瓶颈。电域交换一方面增 加了网络的复杂程度( 需要o e o 转换) ，另方面也限制了网络传输速度( 电子速率瓶 l 堕塞! ! 生盔兰堡圭竺壅生兰垡丝苎 笙二皇笙堡 颈) ，随着密集波分复用( d w d m ) 技术的成熟和传输容量的快速增长，传统的电域交换 系统承受的压力日趋增大，已无法匹配超高速的链路传输，降低了w d m 系统带宽的利用 率，交换节点中进行的路由和交换就成为整个系统的瓶颈，因此迫切要求引入光交换技术。 光交换技术的本意是信号以光的形式穿过整个网络，直接在光域内进行信号的传输、再生 和交换路由，达到全光透明性。 由此提出了全光通信网( a o n ) 的概念，首先采用光分插复用设备( o a d m ) 来构建 w d m 光纤环状网络，0 a d m 的采用可以大大降低本地节点的电处理开销，从而节省全网 代价。随着业务流量的需求增长，网状网配置灵活、带宽利用率高的优点开始满足长距离 骨干网的要求，为了构建网状光网络，节点间往往需要连接多条光纤链路，仅有上下路功 能的o a d m 设备无法满足要求，必须采用具有互连交换功能的光节点。光交叉连接设备 ( o x c ) 是以光波信号为操作对象，o x c 除了实现上下路功能外，还能够完成光波长信道 的交叉连接，具有波长路由选择、网络动态重构和自愈功能，而信号不经过光电转换，完 全透明传输，避免了电信号处理造成的电子瓶颈。因此，具有通道级上下路的光分插复用 器( o a d m ) 和多波长的光交叉连接器( 0 x c ) 的出现，使得光传输层的联网成为可能。 在光网络中使用o x c 可以在边缘路由器之间建立穿越整个全光核心网络的光路连接， 这种传输交换模式被称为光电路交换( o c s ) ，它能在光传送网中动态的指配端到端的波 长通路，随着业务流量模式的改变，可以随时建立和拆除连接，是一种比较成熟的全光交 换网络实现方案。但是o c s 的带宽利用率较低，不能实现统计复用，不适于像i p 这样的 突发业务。针对o c s 的一些弊端，提出了光分组交换( o p s ) 1 2 ，它类似于电网络的分组交 换，把这一机制移植到光网络中，成为一种最理想的全光交换网络实现方案。但是由于o c s 和o p c 都有其自身的不足之处，光突发交换( o b s ) 作为一种折中的方案被提出【3 】，近年 来已经引起了越来越多的关注，被认为是一种非常有前途的光交换技术。光网络技术的演 进趋势如图1 2 所示。 点对 点 f 光路 f 突发 f 分组 w d m y交换 交换 y交换 网络 s d 撇h s o n 换e t 徽w r o n 萎徽o b s 篇o p 热s 图1 2 光网络技术的演进趋势 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 3w d m 光网络交换方式 根据交换的粒度和方式、资源分配的方式、控制信令的传输式的不同，可以将w d m 光网络中的交换方式分为光路交换o c s 、光分组交换o p s 和光突发交换o b s 三种方式。 光路交换较容易实现，但是面对突发业务时缺乏灵活性；光分组交换是一种理想的方案， 但目前最大的障碍是尚未有成熟的光逻辑器件和光缓存；光突发交换结合了线路交换和分 组交换的优点，又克服了二者的不足，很有希望成为实现i po v e rw d m 的解决方案。 1 3 1 光路交换( 0 c s ) 网络 光路交换网络( o c s ) 是面向连接的，采用双向预留机制，源节点发出连接建立请求 的控制分组，经过确认消息后在源宿之间为每一个连接请求预留双向固定带宽通道，建立 好光路( 每一个链路上均需要分配一个专用波长) ，然后进行数据传输，数据以直通的方 式通过网络中间节点，通信完成后再用信令拆除光路。这种交换机制特别适合需要高速度、 高带宽的业务，同时该业务生存时间相对于连接建立时间足够长。 其优点是中间交换节点不需对数据进行缓冲和o e o 转换，因此网络中无光缓冲器件， 实现的复杂度低。缺点是带宽利用率较低，不能实现统计复用，特别是对突发业务，这是 因为o c s 这种交换机制从连接建立到连接拆除，该端口到端口的波长通路被此次连接业务 所独占，不能被其他数据业务所共享：由于i n t e r n e t 网络中的业务大多是突发性的自相似 业务，因此在业务节点之间提供以波长为粒度的光路，其效率不高；而且建立和拆除光路 的时间较长，不适于像i p 这样的突发业务。 1 3 2 光分组交换( 0 p s ) 网络 针对o c s 的缺点，人们提出了o p s 这种理想的交换方式。光分组交换指的是从信源 到信宿的传送过程中数据包的净荷部分都保存在光域中，它类似于通信网中的分组交换机 制，典型特点是“存储一转发”，不需要建立连接，数据分组在穿越整个核心交换网络的 过程中，路由和交换完全在光域进行，传输和储存都采用光的形式；而且在中间节点每个 光分组的交换和路由处理都是独立于其他分组的，是一种细粒度的交换机制，交换粒度的 单位是高速传输的光分组，能实现统计复用，带宽利用率较高，适合于传输类似i p 的突发 数据5 1 。因此，对于主要承载分组业务的光网络来说，o p s 无疑是一种未来发展前景良好 的最佳选择。 与传统光网络相比，光分组交换具有高速、低时延、带宽利用率高、吞吐量大、数据 堕塞堂皇盔兰堡主竺窒生堂垡丝奎 笙二童笙丝 率和格式透明性等特点，能高效地承载i p 业务，因此具有巨大的竞争力。当多个o p s 节 点组成网络时，各节点每个输入端口上的分组到达时间是随机的，交换节点内部对分组进 行重新排列，然后将光分组转发。这意味着核心网络中数据分组从输入到输出，将全面利 用光交换技术，以克服电子交换的速率瓶颈。 虽然光分组可长可短，在光域中进行分组交换能很好的适用i p 数据业务，但要在全光 域中实现却是不容易做到的。这是因为电分组交换的数据在缓存区是静止存储，而光域分 组交换的数据必须实时处理或者动态存储，光分组交换要求节点的处理能力非常高，交换 设备必须具备处理最小分组的能力，而目前光逻辑器件还很不成熟，没有性能较好的光存 储器，而且光信号处理技术不成熟。 在o p s 网络中为了确定路由，中间节点必须对每个数据分组的头部进行处理，而由于 目前并没有高速的光逻辑器件，分组头仍需要通过o e o 转换到电域进行处理。由于处理 头部和配置交换矩阵都需要一定时间，分组数据在进入交换矩阵前需要进行延迟，然而真 正意义上的光域缓存机制并不存在，目前的光域缓存只能依靠光纤延迟线( f d l ) 。f d l 并不是一种很有效的缓存机制，从延迟的粒度，时间长度，信号质量以及物理空间的占用 等方面来看其劣势明显。光域随机缓存的缺乏还使得中间节点在处理冲突时能力不足，传 统的电交换网络中冲突的解决依赖于缓存，而在光域中光信号则无法像电信号那样随意进 行静止存储转发。为了使o p s 达到实用，还要保证光交换矩阵的交换速度足够快，而构成 交换矩阵的关键器件光开关还没有成熟到可以有效支持o p s 。 光分组交换技术虽然经历了多年的研究，有些关键技术问题( 尤其是核心光子器件) 仍有待解决，如长时延和高速缓存器、高速光交换矩阵、光分组头的光处理和同步、光时 钟提取与恢复等，这使得实现光分组交换还比较困难。目前，o p s 仍然处于不成熟阶段， 而且成本非常高，难以实用化。 1 3 3 光突发交换( o b s ) 网络 如前所述，o c s 虽然技术比较成熟，但是它不适合于承载具有突发性特点的i p 数据 业务，而且带宽利用率低；o p s 虽然具有带宽利用率高，吞吐量大等优点，也适合承载i p 数据业务，但由于目前光器件技术的局限，实现光分组交换的难度还很大，面临着短期内 难以逾越的技术障碍。因此，业界提出了一种新的光交换技术光突发交换( o b s ) ， 它的交换粒度介于光分组交换和光路交换之间，而且其数据信息和控制信息分开传输，是 一种实现相对简单的新交换方式。光突发交换克服了光分组交换和光路交换的缺点，具有 很好的发展前景，近来已经被作为i p 与w d m 高效集成的核心技术之一。 4 堕京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 o b s 的关键思想是充分利用光纤的巨大带宽和电子控制的灵活性，将控制分组与数据 在时间和空间上分离。o b s 中的每个突发包都对应一个控制分组，控制分组提前发送以便 中间节点对其进行电信息处理，逐跳为即将到来的突发包预约资源。o b s 中基本的交换单 元是突发包，它是由一系列分组共同构成的，可认为是一种超长的分组，粒度介于o c s 中的整个业务流与o p s 中单个分组之间，因此相对于o c s 可以更好的复用信道资源，提 高带宽利用率，相对o p s 则易于实现；在对光子器件较低要求的条件下，实现了面向i p 的突发业务的快速资源分配和高资源利用率，因此能有效地支持上层协议或高层用户的突 发业务，满足突发性、多样性业务日益增长的需求。 表1 1 描述了三种光交换技术的比较，由此可知光突发交换具有以下优点【5 1 ： ( 1 ) 具有中等交换粒度。在光突发交换网络中，交换单元是数据突发，它是多个分 组的集合。由于多个分组的数据公用一个突发控制包( b c p ) ，它具有控制开销小的优点。 ( 2 ) 从不同源端到不同宿端的突发包可以使用统计复用方式传送数据突发，有效地 利用链路上相同波长的带宽，带宽的使用效率较高。 ( 3 ) 突发数据包( b d p ) 和数据突发控制信息的分离，有效降低了中间交换节点的复 杂度和对光器件的要求，中间节点可以不需要光缓存，同步要求低，有利于o b s 的实用化。 b c p 在中间节点之间建立一个全光路径( 通过配置w d m 交换) ，对突发数据是完全透明 的，不经过任何的o e o 转换，消除了电子瓶颈而导致的带宽扩展困难。 ( 4 ) 带宽单向预留，突发数据跟随在控制分组后面，无需等待响应包，比电路交换 大大减少了端到端的时延。 表1 1 三种光交换技术的比较 光电路交换光分组交换光突发交换 交换粒度 粗细中等 带宽利用率 低向商 持续时延 高低低 光缓存不需要需要不需要 同步开销 低鬲低 适应性低 古 同品 q o s 支持不支持支持 实现难度 低高 中等 表1 1 总结了三种全光交换方案的主要差别，可以看出o b s 集合了o c s 和o p s 各自 的优点，而且又不同程度的避免了各自的缺陷。 虽然目前o b s 在标准和协议方面尚不成熟，很多关键技术仍在进一步研究中，例如， 5 南京邮电大学硕上研究生学位论文 第章绪论 突发包的汇聚与组装、信令与资源预约方案、冲突解决方案、突发包调度以及q o s 支持等， 但是随着其技术的不断研究和完善，很有希望成为下一代光传输和交换网络的核心技术。 1 40 b s 网络的简介 o b s 已成为下一代i n t e m e t 骨干网络的交换实现方式，具有很好的应用前景和技术优 势，其相关研究也受到越来越多的关注。o b s 网络由边缘节点、核心节点和w d m 光链路 组成。i p 分组在网络的入口处( 源边缘节点) 汇聚成突发数据分组，并产生相应的控制分 组，控制分组先发送到网络中，在一定的偏置时间后，数据分组从另一不同的波长进入网 络。在正常情况下，控制分组比数据分组先到达节核心节点，核心节点的交换控制模块根 据控制信息和节点的当前状态信息为随后的数据分组预留信道，数据分组利用核心节点已 经预留的信道快速透明通过，若出现资源的竞争和冲突，交换控制模块还需要执行合适的 冲突解决方案：数据分组到达网络的出口处( 目的边缘节点) 进行分组拆分，并根据最终 的目的主机i p 地址进行转发，o b s 网络结构图如图1 3 所示。 1 5 运营商级以太网 图1 3o b s 网络结构图 城域网位于骨干网与接入网的交汇处，是通信网中最复杂的应用环境，各种业务和各 种协议都在此汇聚、分流和进出骨干网。互联网业各种增值业务的不断发展提高了对城域 网要求的带宽。随着技术的融合，运营商需要能够快速有效传送新业务并且能够为用户提 供较高的质量，为此运营商在城市内部开始大力兴建宽带城域网。宽带城域网在技术上采 用各种广域网( i po v e ra t m 、i po v e rs d h 、i p m p l s ) 、局域网技术( 以太网等) ，主要 为用户提供高速接入因特网、局域网互连以及v p n 等业务。其中的以太网技术凭借良好 的简易性、经济性和对分组业务的支持，满足了电信运营商对低成本快速提供业务的需求， 由此运营商级城域以太网应运而生。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 当前，巨大的市场需求和业务的驱动刺激了运营商级城域以太网技术的发展。以 m p l s 、v p l s 、p b t 为代表的新型技术解决了早期电信级以太网在扩展性方面受限于v l a n 数量的限制，在用户区分和业务隔离方面不具备大范围服务百万级用户的能力的问题：并 与o a m 技术相结合，能够提供5 0 m s 的保护倒换机制。运营商级城域以太网技术得到各 大运营商的青睐，正在成为城域网的主流。目前，国内电信运营商已经采用各种运营商级 以太网技术进行组网和开展业务，而最终哪种技术能够走得更远，则需要相当长的时间才 能判断。 p b t 的出现为运营商提供了一定的机遇，p b t 提供了一个更加简单、扩展性更强的传 输网络解决方案，它可以高效地传递多种业务，通过仔细地管理网络资源利用情况并且保 护关键的传输连接，p b t 可以帮助运营商满足用户对业务质量的需求。 p b t 源自i e e e8 0 2 1 a h 定义的“p b b t e ”( 运营商骨干网桥接传输技术) ，p b b t e 技术是在m a c i n m a c ( i e e e8 0 2 1 a h ) 基础上的扩展。p b b 以太网的包传送技术的主要 目标是允许由8 0 2 1 a d 所规定的提供商网桥网络在数量上支持2 2 4 个业务v l a n ，同时定义 了提供商网桥骨干网络的架构和桥接协议，实现多个提供商网桥网络的兼容和互联。 p b t 采用m a c i n m a c 封装，即将终端用户以太网数据帧再封装成运营商以太网帧 头，形成两个m a c 地址，在运营商核心网中，只按照后一个封装的m a c 地址进行流量 转发。这一技术的使用使得以太网扩展性以及作为网络传输技术的能力得到了极大提升。 换言之，以太网通过m a c i n m a c 的方式，实现了网络层次化和不同广播域的隔离，使 以太网运营成为可能。 通过p b t ，我们可以构建完全基于以太网技术的电信级网络，而不需要其它的支撑网 络( 如s d h s o n e t 或者是m p l s ) 。p b t 能够满足电信级应用的基本需求，它提供可管 和受保护的点到点连接，且其连接是直接由网络管理系统提供的，而不是采用以太网的自 学习机制，从而使得网络更加稳定、运行更加简洁。p b t 网络结构如图1 4 所示。 图1 4p b t 网络结构图 7 南京邮电火学硕t ：研究生学位论文 第一章绪论 p b t 技术属于端到端、双向点对点的连接，并且都提供了中心管理和可以在5 0 毫秒 内实现保护倒换的能力，可以用来实现s o n e t s d h 向分组交换的转变。 1 6 主要研究工作和内容安排 如前所述，o b s 是一种非常被看好的全光交换技术方案，是国内外光交换技术方面的 研究热门，在现有的o b s 网络中，仍然有许多问题仍旧有待解决，其中突发包的汇聚组装 是o b s 的关键技术之一，汇聚算法的设计很大程度上决定了输入核心交换网络的突发包的 特性，直接影响o b s 网络的整体性能。核心节点处的数据信道的调度是设计o b s 网络时 需要考虑的关键问题，调度算法的目标是最大限度地利用有限的带宽、提高带宽利用率、 减少冲突的发生，进而减小突发包的丢失率，当竞争冲突出现时，如何降低因突发包竞争 所导致的数据丢失率就是另一个关键问题。本文对边缘节点的突发包汇聚算法展开研究， 对现有的汇聚算法进行分析，并提出了一种新的适用于实时业务的基于长度的平均包时延 算法，对核心节点的竞争解决策略和信道调度算法进行研究，提高o b s 网络的系统性能。 p b t 是一项简单的点对点通道技术，有着低成本和简易性的特点，而且能提供基于运 营商源和目的m a c 地址建立的面向连接的中继隧道和5 0 m s 路径保护，所以可以利用p b t 的一些技术来改进o b s 网络，用o b s 网络的邻居发现机制建立转发表，边缘节点利用骨 干网m a c 地址和b v i d 进行转发，为突发数据预先建立好一条信道，随后的数据以全透 明的方式在核心网络中进行传输与交换。 正文具体章节安排如下： 本文共分为五章。第一章绪论介绍了o b s 网络的背景知识和p b t 技术，阐述了p b t 和o b s 各自的优缺点。第二章详述了o b s 网络的基本原理和关键技术，分析了p b t 技术 和o b s 结合的必要性和可能性，提出了在o b s 新型结构中使用p b t 技术简化寻址和转发 行为，形成了一种支持p b t 技术的o b s 新型网络结构。第三章设计了o n o f f 业务源模 型，并用于分析边缘节点中的汇聚算法，提出了一种基于长度的平均包时延汇聚算法，并 给出了算法的仿真模型以及相应的仿真结果，随后探讨了在新型结构网络中的汇聚算法为 了支持p b t 技术所需的改进之处。第四章分析了核心节点中的竞争解决策略和数据信道的 调度算法，提出了一种尾部延时竞争解决策略和基于q o s 的单级重调度算法，它们都能更 有效的提供q o s 保证，同时还给出了基于q o s 的单级重调度算法在新型结构o b s 网络中 的应用。最后一章总结全文，探讨了今后工作的方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o b s 网络的基本原理与网络结构 第二章o b s 网络的基本原理与网络结构 本章详细介绍了光突发交换网络，内容包括光突发交换网络的基本概念和基本原理、 体系结构、边缘节点和核心节点的结构功能以及o b s 网络中的一些关键技术等，并探讨了 将p b t 技术用于传统o b s 网络，利用p b t 的路由技术简化了o b s 网络的路由选择，形 成一种o b s 的新型结构。 2 10 b s 的基本原理 2 1 1 光突发交换概念的提出 作为一种有别于电路交换和分组交换的交换方式，突发交换早在2 0 世纪8 0 年代初期 就已经在电交换网中被提出来【8 o l ，实际上是具有可变长度的快速分组交换。但由于电路 交换和分组交换技术在电域交换网中已经非常成熟，没有必要以突发分组为单位来处理话 音或数据从而改变整个网络，因此突发交换并未受到过多关注【1 1 】，直到近年来随着w d m 技术的飞速发展和i n t e r n e t 业务的爆炸式增长，网络传输带宽得到大幅度提升，网络的瓶 颈落在了交换节点上，光路交换和光分组交换所面临的技术问题使得突发交换引起了越来 越多研究者的注意。纽约大学法布罗分校的m y o o 教授和乔春明( c h u 啪i n gq i a o ) 博士t 1 3 】 早在1 9 9 7 年就提出了将突发交换应用于光交换网络中的思想，1 9 9 9 年乔春明博士【1 4 i 和华 盛顿大学j o n a t h a ns t u r n e r