（光学工程专业论文）光交换网络中的多播调度算法及性能研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着信息技术的迅猛发展，互联网产生了很多新的应用，如视频会议、 网络音频视频广播、多媒体远程教育等已经超过了现在的网络所能提供的带宽。 由于光纤的巨大带宽，光网络成为解决此问题的一种有效方法，d w d m 光网络已 经成为信息领域的骨干网。多播是将一个源节点的信息发送到多个目的节点。多 播技术可以大大节省网络带宽，既提高数据的传送效率，又减少主干网络出现拥 塞的可能性。将多播的概念引入到光交换网络中，多播光交换可以改善光网络的 性能，提高光网络带宽利用率，促进新一代光交换网络技术的发展。具有多播功 能的光交换核心节点是实现多播的关键技术，本文主要研究在d w d m 光交换网络 中，基于核心节点的多播调度算法及性能评价参数。 首先，介绍了三种典型的光分组交换结构，并对它们进行了比较。然后主要 研究了基于共享有限波长变换器的s p l 光交换结构的多播调度算法。在d w d m 光 交换网络中，每根光纤分为m 个波长信道，当一根输出光纤上的连接请求多于m 时 就会发生冲突。多播调度算法选择一组无冲突的多播连接请求，在网络中同时调 度最大数目的连接请求是一个非确定的多项式难题，因此需要采用近似调度算法。 在现有算法的基础上，改进后提出了一种新的近似调度算法：n a s a 算法。通过 实验仿真进行了验证，当光纤数和波长信道数都为8 ，负载率为1 o 时，n a s a 算 法的网络吞吐量提高了约1 4 。当光纤数和波长信道数都为1 6 ，负载率为1 o 时， n a s a 算法的网络吞吐量提高了约1 1 。从而可以证明，新的调度算法提高了网络 吞吐量。 其次，将优先级概念应用到多播光交换网络中，基于这个前提分析了区分优 先级的多播调度算法。为方便讨论，本文中分为高、低两个优先级。对分组应用 a s a 算法，当负载率为o 6 时，低优先级分组的吞吐量降为零，而高优先级分组 的吞吐量约为o 7 1 。对分组应用n a s a 算法，当负载率为0 6 时，低优先级分组 的吞吐量接近为零，而高优先级的分组的吞吐量约为0 7 5 。从而可以证明：高优 先级分组的网络吞吐量高于低优先级分组的网络吞吐量，保障了高优先级分组的 性能。 最后，提出了d w d m 光交换网络实现多播功能时评价其性能的参数：网络吞 吐量，阻塞率和传输度。网络吞吐量定义为实现的多播连接请求数与连接请求总 l 摘要 数之比；由于网络阻塞等原因造成的多播连接请求丢失的数目与网络中多播连接 请求的总数之比即为阻塞率；传输度即为将所有多播连接请求传输完毕所需的传 输次数，每次选择一组最大无冲突的多播连接请求。 关键词：光交换，多播调度算法，网络吞吐量，阻塞率，传输度 i i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , n e t w o r k a p p l i c a t i o n s ，e s p e c i a l l yt h ea p p l i c a t i o no fm u l t i m e d i av i d e oc o n f e r e n c ea n dd i s t a n c e l e a r n i n g ，n e t w o r ka u d i o v i d e of r e q u e n c y , n e e dm o r eb a n d w i d t ht h a nt h en e t w o r ka t p r e s e n tc a np r o v i d e t h i sp r o b l e mc a l lb es o l v e db yt h eo p t i c a ln e t w o r kb e c a u s eo f t h e w i d eb a n d w i d t ho fo p t i c a lf i b e r , a n dt h ed w d mh a sb e c o m et h eb o n en e t w o r ki nt h e c o m m u n i c a t i o nf i e l d m u l t i c a s tc a ns e n dd a t at om u l t i p l er e c e i v e r sf r o mo n es o u r c eo r m o r ei na ne f f i c i e n ta n de x t e n d a b l ew a y , a n dt h a ti tc a l ls a v eb a n d w i d t ha n dr e d u c et h e p o s s i b i l i t yo fc o n g e s t i o n t h eo p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r ki n t r o d u c i n gm u l t i c a s t c a l l i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h eo p t i c a ln e t w o r ka n dt h eb a n d w i d t hu s a g ee f f i c i e n c y t h ec o r en o d eo fo p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k 、加t l lm u l t i c a s tf u n c t i o ni st h ek e y t e c h n o l o g yo ft h e m u l t i c a s ta p p l i c a t i o n s m u l t i c a s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dt h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sb a s e do nt h eo p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r ka r ea n a l y z e di nt h i s p a p l e r f i r s t , w ei n t r o d u c et h r e et y p i c a ls t r u c t u r e so fo p t i c a lp a c k e ts w i t c h , a n dc o m p a r e t h e i rp e r f o r m a n c e t h em u l t i c a s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nt h es t r u c t u r eo ft h e o p t i c a lp a c k e ts w i t c hw i t hs h a r e dl i m i t e dr a n g ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r si s s t u d i e di nt h i s p a p e r i nd w d ms w i t c h i n gn e t w o r k s 。c o n t e n t i o no c c u r sw h e n o n eo u t p u t 舳e ri st h e d e s t i n a t i o n so fm o r et h a nmi n p u t s ，w h e r em i st h en u m b e ro fw a v e l e n g t h so ne a c h f i b e r t h em u l t i c a s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h ms e l e c t sag r o u po fm u l t i c a s tc o n n e c t i o n r e q u e s t st h a ta l ec o n t e n t i o n - f r e e ，a n di t i sak e yt e c h n o l o g yi nt h ed w d ms w i t c h i n g n e t w o r k i ti sp r o v e dt h a ts c h e d u l i n gt h em a x i m u mn u m b e ro fs u c hc o n n e c t i o nr e q u e s t s t h r o u g ht h en e t w o r ks i m u l t a n e o u s l yi san p h a r dp r o b l e m ，s ow eh a v et od e v e l o p a p p r o x i m a t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h m st h a tc a np r o v i d es u b - o p t i m a ls o l u t i o n s i nt h i s p a p e r , w ep r e s e n ta n e w a p p r o x i m a t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e d o nt h ea l g o r i t h mh a s b e e np r e s e n t e db e f o r e ，a n dc o m p a r et h e i rp e r f o r m a n c e w ec a nc o n f i r mt h a tt h en e w a l g o r i t h mc a ni m p r o v et h en e t w o r kt h r o u g h p u tt h r o u g hs i m u l a t i o n s f o re x a m p l e ，t h e n e t w o r kt h r o u g h p u to ft h en e wa l g o r i t h mi si m p r o v e db y14 w h e nt h en u m b e ro f f i b e r sa n dw a v e l e n g t hc h a n n e l si s8 ，t h e1 0 a di s1 0 i i i a b s t r a c t n e x t , t h em u l t i c a s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sa n a l y z e dw h e nt h et r a f f i ca tt h ei n p u t s i sd i v i d e di n t od i f f e r e n tp r i o r i t i e sa c c o r d i n gt ot h e i rs i g n i f i c a n c e f o rs i m p l e ，w eo n l y h a v et w oc l a s s e si nt h ep a p e r ：c l a s s1a n dc l a s s2 a c c o r d i n gt ot h i sp r o b l e m ，t h e m u l t i c a s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mw i t hp r i o r i t i e si sp r o p o s e d o u rr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t ： t h et h r o u g h p u to ft h ec l a s s1 i sh i g h e rt h a nt h ec l a s s2 ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e h i g h e rc l a s sc a r lb eg u a r a n t e e d f o re x a m p l e ，t h et h r o u g h p u to ft h eh i g h e rc l a s si s0 7 5 w h i l et h et h r o u g h p u to ft h el o w e rc l a s si sd e c r e a s e dt oz e r o f i n a l l y , t h ep a r a m e t e r sa b o u tm u l t i c a s tp e r f o r m a n c ei nt h ed w d ms w i t c h i n g n e t w o r ka r ep r e s e n t e d ：t h r o u g h p u t , b l o c k i n gp r o b a b i l i t y , t r a n s i m i t t i n gr o u n d s t h e t h r o u g h p u ti st h en u m b e ro fc o n n e c tr e q u e s t sw h i c ha l er e a l i z e dt ot h et o t a ln u m b e r t h er a t eo ft h en u m b e ro fc o n n e c tr e q u e s t sw h i c ha r el o s tt ot h et o t a ln u m b e ro fc o n n e c t r e q u e s t si sc a l l e db l o c k i n gp r o b a b i l i t y t h et r a n s m i t t i n gr o u n d si sd e f i n e d 嬲t h et i m e s t a k e nt ot r a n s m i ta l lt h ec o n n e c t i o nr e q u e s t s ，a n dw eh a v et os e l e c ta g r o u p o fm u l t i c a s t c o n n e c t i o nr e q u e s t st h a ta l ec o n t e n t i o n - f r e ee v e r yt i m e k e y w o r d s ：o p t i c a ls w i t c h i n g ，m u l t i c a s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，n e t w o r kt h r o u g h p u t ， b l o c k i n gp r o b a b i l i t y , t r a n s m i t t i n gr o u n d s i v 图目录 图目录 图1 1 光路交换原理2 图1 2 光分组交换原理3 图1 3 光突发交换原理4 图1 3 多播与单播、广播的区别7 图1 _ 4 碑多播的三种方式：( a ) n a i v eu n i c a s t( b ) i p 多播( c ) o v e r l a y 2 】7 图2 1s p c 光分组交换结构1 2 图2 - 2s p l 光分组交换结构1 3 图2 3s p n 光分组结构1 3 图2 - 4s p l 结构的光分组交换节点。1 5 图2 5 波长转换示意图1 6 图2 - 63 x 3d w d m 光交换网络中的多播冲突1 7 图2 7a s a 算法流程图。18 图2 8n a s a 算法流程图1 9 图2 - 9 多播扇出比为0 3 时网络吞吐量与负载率的关系曲线一2 0 图2 1 0 多播扇出比为0 6 时网络吞吐量与负载率的关系曲线2 1 图2 1 1 多播扇出比为0 9 时网络吞吐量与负载率的关系曲线2 1 图2 1 2 负载o 2 时网络吞吐量与多播扇出比的关系曲线2 2 图2 1 3 负载0 5 网络吞吐量与多播扇出比的关系曲线2 3 图2 1 4 负载o 8 网络吞吐量与多播扇出比的关系曲线2 3 图2 1 5 网络吞吐量在单播、多播和广播情况下的比较2 5 图3 1 区分优先级的a s a 算法流程图2 9 图3 2 区分优先级的n a s a 算法流程图3 0 图3 3 网络吞吐量与负载率的关系曲线( 高分组比率为o 5 ) 3 l 图3 - 4 两种算法的网络吞吐量比较( 高分组比率为0 5 ) 3 2 图3 5 网络吞吐量与负载率的关系曲线( 高分组比率为0 3 ) 3 3 图3 - 6 两种算法的网络吞吐量比较( 高分组比率为o 3 ) 3 4 图3 7 网络吞吐量与负载率的关系曲线( 高分组比率为0 5 ) 3 5 图3 8 两种算法的网络吞吐量比较( 高分组比率为0 5 ) 3 6 图3 - 9 网络吞吐量与负载率的关系曲线( 高分组比率为0 3 ) 3 7 图3 1 0 两种算法的网络吞吐量比较( 高分组比率为0 3 ) 3 7 图4 1 多播扇出比为0 6 时网络吞吐量与负载率的关系曲线。4 0 v i i 图目录 图4 2 负载o 5 网络吞吐量与多播扇出比的关系曲线4 1 图4 3 多播情况下阻塞率与负载率的关系曲线4 2 图4 - 4 阻塞率与多播扇出比的关系曲线4 3 图4 58 8 多播连接中多播分配的例子4 5 图4 - 6g m s 算法流程图4 7 图4 7 传输度与负载率的关系曲线4 8 图4 8 传输度与多播扇出比的关系曲线4 8 v i i i 表目录 表目录 表1 1 几种典型光交换模式的对比5 表l 乏三种通信方式的比较7 i x 缩略词袭 o c s o p s o b s f 豫 s p c s p l s p n f r w c l r w c c r p a s a n a s a q o s g ：m s 缩略词表 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 lp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g w a v e l e n g t hr o u t i n g s h a r ep e rc h a n n e l s h a r ep e rl i n k s h a r ep e rn o d e f u l lr a n g e w a v e l e n g t hc o n v e r t e r s l i m i t e dr a n g e w a v e l e n g t hc o n v e r t e r s c o n n e c t i n gr e q u e s t p a c k i n gp r o b l e m a p p r o x i m a t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h m n e w a p p r o x i m a t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h m q u a l i t yo fs e r v i c e g r e e d ym u l t i c a s ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m x 一 光路交换 光分组交换 光突发交换 波长路由 信道共享 链路共享 节点共享 全波长变换器 有限波长变换器 连接请求问题 近似调度算法 新的近似调度算法 服务质量 贪婪多播调度算法 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另, j j j n 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：萋数日期：砒雹睥月垆e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 褓密篓茹脏龄鬟名：卸圾 签名：虽仓扶导师签名：矽r w 7 日期： 昭年名月午日 第一章绪论 第一章绪论 光纤通信技术无论在骨干网，还是在接入网都是物理层传输的关键技术，是 宽带通信网发展的重要支柱之一。通过这些年的发展和研究，已经初步形成了下 一代光纤通信的雏形，即第五代光纤通信系统。主要有以下特征：超宽带单 根光纤传输容量达到n 甜s ：超长距离光放大传输距离达到1 0 0 0 1 0 0 0 0 v i ； 光交换克服电交换的瓶颈；智能化智能光网络技术。在这些关键技术中， 光交换和智能化是下一代光纤通信技术最为显著的特点。特别是光交换技术既是 克服电交换瓶颈的有力技术，又是智能化光网络的关键技术，已经成为光纤通信 领域的研究热点。 随着信息技术的迅猛发展，互联网产生了很多新的应用，特别是在高带宽需 求的多媒体上的应用。其中点对多点的数据传输应用，正变得越来越重要，如网 络视频会议、网络音频视频广播、股市行情发布、多媒体远程教育、在线信息恢 复、软件或代理缓存更新等。和一般的业务相比，他们有着数据量大、时延敏感 性强、持续时间长等特点，传统的数据通信均采用单播或广播技术，造成主机与 网络资源的过度浪费，带来了带宽的急剧消耗和网络拥挤问题。因此采用最少时 间、最小空间来传输和解决音视频业务所要求的网络利用率高、传输速度快、实 时性强的问题，就要采用不同于传统单播、广播机制的转发技术及q o s 服务保证 机制来实现。为了缓解网络瓶颈，人们提出一些解决方案，多播技术有其独特的 优越性：在多播网络中，即使用户数量成倍增长，主干带宽也不需要随之增加， 从而成为通行的网络技术之一。 1 1 光交换技术 光交换技术是指不经过任何光电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同 的输出端l l j 。光交换系统主要由输入接1 3 、光交换矩阵、输出接1 ：3 和控制单元四部 分组成。为了彻底解决电子瓶颈问题，高效地承载数据业务，我们需要一种能够 直接在光域复用、交换和传送i p 分组的全光网络技术。目前所提出的全光通信方 式主要有光路交换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 ) 。 电子科技大学硕士学位论文 1 1 1光路交换 光路交换，即波长路由w r ( w a v e l e n g t hr o u t i n g ) ，目前其研究已经比较成熟， 并逐步得到应用。 1 光路交换的基本原理 光路交换技术中，在源节点和目的节点之间的光通道是通过带光交叉连接器 ( 或光路交换器) 的节点设备来建立的。每个光路交换器在任意时刻的输出波长由 输入波长携带的信号唯一决定，因此光路交换是一种电路交换形式。建立光路使 用的是双向的资源预留机制，同时也是一种面向连接的交换方式。当一方a 需要 和另一方b 进行通讯的时候，a 方首先要发出请求信号给光路交换网络，由交换 网络为此次通讯分配信道，同时请求信号被传输到b ：如果b 接受请求，这样通 信信道被建立起来。同样在结束通信的时候，任意一方首先发出断开信号，另一 方收到断开信号后进行确认，资源就被真正的释放。图1 - 1 就反映了我们日常生 活中的一次利用光路交换方式实现的通话过程。 - _ - m r w a n 一一一一一一一一一一 = 二s o r r y = g o o d b y e ! j 迥哩巴竺竺一- d i s c o e c t d i s e o n n e e 矗。 c o n f i g ：翟毡哆一一。一一 图1 - 1 光路交换原理 2 光路交换的特点 光路交换具有速度快、带宽大、对数据速率及格式透明的优点。不过其缺点 也很明显：波长路由是粗粒度的，以波长或波长组或光纤为交换的粒度，一个光 通道占用整个波长通道每个链路，对于传输突发流量的数据流( 如i p 分组) 时，因 为来自不同入口节点或到不同出口节点的流量不能统计共享光通道带宽，导致带 宽利用率太低。 2 第一章绪论 1 1 2 光分组交换 光分组交换可以看作是电分组交换在光域的延伸，虽然仍遵循分组交换的“存 储转发 原则，但分组的存储和转发都是在光域中进行的。光分组交换技术试图 直接在光层上实现细小粒度的分组交换，以适合突发性较强的业务，并通过统计 复用，提高带宽的利用率【2 1 。因此，光分组交换是一种前途非常看好的技术。 1 光分组交换方式的基本原理 一个光分组交换节点由四部分组成：输入接口、光交换矩阵单元、控制单元 和输出接口。输入接口完成光分组读取和同步功能，对来自不同输入端口的光分 组进行时间和相位对准并保持数据净荷的透明传输【3 j 。光交换矩阵单元为已同步的 光分组选择路由并解决输出端口竞争问题，光交换矩阵单元具有光分组缓存功能， 对于本地交换节点，光交换矩阵单元同时完成上下路功能。控制单元利用光包头 信息控制核心交换。输出接口通过输出同步和再生模块，降低内部不同路径的光 分组的相位抖动并进行功率均衡，同时完成光分组头的重写和光分组再生来补偿 光交换矩阵所带来的消光比和信噪比恶化。 o p s 的原理可参见图1 - 2 ，当来自于不同波长信道的光分组到达o p s 网络中 的交换节点时，先读取光分组的分组头：然后对各个波长信道上的光分组进行同 步，再由交换控制单元根据分组头信息来控制光交换矩阵把各个光分组交换到指 定的输出端口；最后，对分组头的信息进行更新，并对各个光分组进行消除相位 抖动和功率均衡等处理。 图1 - 2 光分组交换原理 2 分组交换方式的特点 光分组交换能对w d m 的巨大带宽进行更灵活、更有效地分配和利用。和波 长路由方式相比，光分组交换方式有很高的资源利用率，有很高的转换效率，有 很强的适应突发通信的能力。同分组交换的存储转发特性一样，因为净荷和头部 3 电子科技大学硕士学位论文 之间的时间紧藕合，在包头进行处理的时候，每一个分组在中间节点需要缓存。 因为分组头部在中间节点处理时间可变，光分组交换也需要严格同步和与之相关 的复杂控制。光分组交换的自身特点对光子器件提出了很高的要求，有很多关键 技术( 如快速严格同步、光缓存等) 尚未解决。伴随分组交换的另一个问题是净荷 的大小( 特别是那些a t m 信元) 通常太小，这样控制开销相对较高。 1 1 3 光突发交换 尽管光分组交换以及光分组流交换，其初衷是希望能完全在光域上实现光的 分组交换，进而能完成光的比特级交换，这无疑是光交换的理想形式，但目前由 于光分组交换所需的一些关键性光器件如高速光开关、光缓存器和光逻辑器件还 未取得重大突破，控制部分仍然需要在电域完成，而且在光网络中现在还较难实 现同步，所以光分组交换技术尚难从实验室走向实用。针对光交换的发展现状和 存在的问题，近来提出了交换颗粒度介于光路与分组之间的一种折衷光交换技术 光突发交换。 1 光突发交换原理 哭发效据分组 光交换矩阵 图1 - 3 光突发交换原理 光突发交换o b s 概念分别由c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 等人提出【4 】【5 1 。在光 突发交换中，突发为一些i p 包所组成的超长数据包。光突发交换中的控制分组 b c p ( b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) 相当于分组交换的分组头，但是网络对于控制分组的传 输路径和净荷数据的传输路径在物理上是分离的，每个突发对应一个控制分组。 在w d m 系统中，控制分组占用一个或某几个信道，其余信道用于传输数据包。 如图卜3 所示，突发数据从源节点到宿节点始终在光域中透明的传输，而控制分 组在交换节点处被处理，根据控制分组所携带的路由和目的地的相关信息，交换 节点将预先为突发数据预留相应的信道资源。 4 第章绪论 2 光突发交换的主要特点 可以认为光突发交换技术实际上是波长路由技术和光分组交换技术的结合。它 是一种不需要确认的单向预留方案，减小了建立通道的延时等待时间，提高了带 宽利用率；而数据突发和控制分组的信道分离、适中的交换粒度及非时隙交换方 式，降低了对光子器件的要求和中间交换节点的复杂度，如中间节点可以不使用 光缓存技术，不存在网络中的时隙同步问题等。其主要特点： ( 1 ) o b s 的交换颗粒的大小是介于波长路由和分组交换之间的。 ( 2 ) 其控制分组和数据突发( d a t ab u r s t ：由去往同一出口地址和具有相同的属 性的多个p 包会聚而成) 在传输信道和传输时间上是分离的。 ( 3 ) 单向资源预留方案，控制分组先于数据突发在特定w d m 信道中传送，核 心交换节点路由器根据控制分组中的信息和网络当前的状况为相应的数据突发 建立全光通路，数据突发经过一段延时后，在不需要确认的情况下直接在预先设 置的全光通道中透明传输。 ( 4 ) 突发分组的长度可以变，这一点和分组交换不同，在分组交换中每个分组 的长度是给定的。 1 1 4 不同光交换技术的对比 表卜1 给出了o c s 、o p s 和o b s 常见的系统参数的比较。 表1 - 1 几种典型光交换模式的对比 光交换模式粒度带宽利用率接续时间缓存实现难度适应性 光路交换大低长不需要低低 光分组交换小高 短必需高高 光突发交换中高短 需要适中高 三种光交换技术的比较可以用表1 - 1 来概括。光突发交换结合了波长路由和 光分组交换两种技术的优势，是波长路由和光分组交换的一个折衷。光突发交换 的交换粒度介于二者之间，且比波长路由高效，比光分组交换实现简单。而光分 组交换以分组为粒度，比光突发交换具有更加灵活的优点。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 2多播技术 传统互联网所承载的业务限于收发e m a i l 、远程访问( t e l n e t ) 、文件传送( f t p ) 、 网页浏览( w w w ) 等点到点的数据通信应用，这是单播( u n i c a s t ) 通信模式；传统的 电信网络是提供一对一的语音呼叫连接业务，这也是单播通信模式；传统的广播 电视通信网络工作模式是向所有用户终端同时推送所有的节目内容，而每个用户 终端同一时刻仅选择其中一个频道，这是广播( b r o a d c a s t ) 通信模式。但是，很多情 况下，并非全网所有用户终端节点均同时接收某一数据流，而往往仅是某一组用 户需要接收该数据流，这需要有选择地向部分网络用户传送数据流，此通信方式 即为多播( m u l t i c a s t ) 。 1 2 1多播概念 数据包在网络中传输一般有3 种方式：单播、多播和广播。单播在源节点和 每一目的节点之间需要单独的数据信道。如果一台主机同时给很少量的接收者传 输数据，一般没有什么问题。但如果有大量主机希望获得数据包的同一份拷贝时 却很难实现。这将导致发送者负担沉重、延迟长、网络拥塞。为保证一定的服务 质量需要增加硬件和带宽，单播只能把数据传到一个目的节点，这个节点可以和 源节点不在同一个子网上。 广播是多点传递的最普遍的形式，它向每一个目的节点传送一个分组的拷贝， 其主要缺点是对信息不感兴趣的主机也必须收到；相反，有可能由于网络拥塞， 想得到的却得不到，而耗费大量的主机资源和网络资源，而且不能穿透子网，因 为路由器会封锁广播通信。广播传输会增加非接收者的开销。 多播界于二者之间。多播是一种一个或者多个源节点同时发送单一的数据包 到多个目的节点的优化使用带宽的网络技术，它有助于减少主机的处理量、控制 网络的流量。多播源把数据包发送到特定的多播组中。只有属于该多播组的地址 才能接收到数据包。多播可以大大的节省网络带宽，既提高数据的传送效率，又 减少主干网络出现拥塞的可能性。多播以最佳的方式将数据传输给所有的主机。 组的成员可以是动态的，即成员可以在任何时间加入一个组或者离开一个组。组 的大小和位置也没有限制，一个主机可以是多个组的成员。图卜3 显示了三者的 区别。 6 第一章绪论 图卜3 多播与单播、广播的区别 表1 2 给出了在网络中用户数目较多时，单播、多播和广播三种通信方式的性 能比较。 表1 - 2 三种通信方式的比较 通信方式方式带宽 服务器负载网络负载 单播u n i c a s t点对点高重重 多播m u l t i e a s t点对多点适中适中适中 广播b r o a d c a s t点对所有点高重重 1 2 2i p 网中的多播技术 随着多播业务需求的日益增长，业界首先把注意力集中在i p 多播上，因为 i n t e r n e t 是当前最庞大的数据通信网络。i p 多播流可采用如图1 - 4 所示的三种方式 传送：n a i v eu n i c a s t ，i pm u l t i c a s t 和o v e r l a y 6 。 ( a )( b ) ( c ) 图卜4i p 多播的三种方式：( a ) n a i v eu n i c a s t ( b ) i p 多播( c ) o v e r l a y 2 n a i v eu n i c a s t 是采用单播技术实现的多播，由源生成若干数据副本然后沿相互 独立的单播路径传向各目的节点，这是在网络缺乏多播支持能力的情况下经常采 用的视频流传送方式。显然这种方式下，往往会出现在同一链路上并行传送相同 7， 电子科技大学硕士学位论文 数据流的情况，带宽使用效率会很低。随着宽带数据流量的持续蓬勃增长，这种 方式会在局部紧要链路造成流量拥塞，需要设计高效的多播方案。 1 9 8 8 年，s d e e r i n g 首次提出p 多播方式i 刀，在p 多播方式中，任何通信链 路不会并行传送同一多播数据流。图卜4 ( b ) 是i p 多播的一个示例，这是一个树状 的结构，采用地址来标识多播组以便中间节点对数据流做复制转发。i p 多播是由 接收端发起的，这就意味着如果一个接收机想接收某个数据流，它需要向网络提 出申请然后由网络将其加入到该多播组，而发送器无需知道它所发送的多播流的 具体目的接收机。这种方式比较容易解决带宽效率和多播组扩展问题，同时也易 于支持多源多播。但是，i p 多播路由器须维护每个组的状态库，即多播转发表。 多播转发表要明确各多播地址所对应的一组输出端口。这给路由器带来如下两个 难题：( 1 ) 多播转发表收敛；( 2 ) 多播转发表条目随目的客户主机的加入和撤离而 频繁地更新。这大大增加了路由器的运行代价。 如图卜4 ( c ) 所示的o v e r l a y 的i p 多播模式【8 】【9 】。在图1 - 4 ( b ) 所示m 多播模式下， 所有中间节点是具有数据复制转发功能的路由器；叶子节点是接收器，无须转发、 复制数据。而在o v e r l a y 模式下，叶子节点不仅接收数据也可复制、转发数据( 在 接收数据流的同时将该数据的一个或多个副本转发出去) 。o v e d a y 架构彻底把多 播从基本的单播路由结构分离出来，从而方便实现：终端主机只需维护与其相关 联的多播组的状态信息。这些信息相对口多播方式中的核心路由器所要维护的状 态信息至少低一个数量级。文献 1 0 1 1 中已成功应用o v e d a y 模式传送多播视频 流。但是这种模式要求较宽的终端主机上行带宽，组扩展性不高，而且这种模式 下，有的目的站点可能会因经历繁多的复制转发判断处理和时间差异严重的传送 路径，无法得到实时数据业务必需的延时和抖动保证，因而o v e r l a y 模式也不能适 应大规模网络应用。 综合以上，无论是n a i v eu n i e a s t 、i p 多播还是o v e r l a y 多播模式，由于其多播 通信是在i p 层以“尽力而为”模式实现的，无法保证延时抖动等q o s 要求，应用 规模有严格限制，若大规模承载实时宽带视频多播流，譬如，演播室质量的h d t v ， 3 d t v ，i p 多播，则可能会面临难以逾越的技术障碍。 1 3光交换网络中的多播技术 光交换系统由三部分组成：核心节点、边缘节点和光传送网。其中核心节点 是光交换系统实现的难点和要点，也是新技术和新思维的集中体现。 8 第一章绪论 光交换是光纤通信技术向更高、更快、更经济方向发展的必然趋势，也是下 一代网络中光纤传输的关键技术。光交换经历了从光波长路由、光突发交换到光 分组交换的发展，许多技术都得到了长足进步并向应用迈进。以光网络为物质基 础高速发展的i p 网络，已经对光网络提出了光多播的应用需求，它是提高光网络 q o s 和效率的有力途径，而具有多播功能的光交换核心节点是实现多播的关键技 术。 1 3 1多播光交换技术 对于一点对多点通信，可以采用多播方式通信，数据从源端发出后，在中间 节点复制，最后传送给若干目的地，这样可以节约网络带宽。多播概念是于上世 纪8 0 年代，在i p 网络中提出的，经过近3 0 年的发展，形成了一系列的协议标准， 主要包括动态成员管理协议和多播路由协议。光网络具备了大容量带宽的特性， 可以在核心为i p 提供具有q o s 保证的连接。目前，光网络作为i p 网络的核心承 载网已经是业界的共识。9 0 年代后期以来，人们对i p 网络和光网络的融通互联进 行了大量的研究，形成了i po v e ro p t i c s 或i po v e rw d m 应用模式。 光多播并不是完全抛弃口多播，毕竟妒多播比较成熟，成本相对较低，已经 有一些小规模的商业应用。因此，网络边缘的内容提供和本地分发部分仍然采用 i p 多播技术，网络核心采用光多播技术。光多播可以改善光网络的性能，提高光 网络带宽利用率和光网络的q o s ，促进下一代光交换网络技术的发展。因此，将 光多播交换网络的概念引入到光网络的设计中，能减少光硬件成本，提高光网络 的性能。 光多播技术的主要优势表现为：其一，光多播网络利用光开关内在的分光能 力获取高于电域复制多播的效率；其二，采用波分复用技术提供的多播方案能够 实现各种多播功能，降低调度算法复杂性。光多播技术对于满足不断增加对网络 带宽的需求，减少网络的成本，配置透明的光网络具有非常重要的意义【1 2 1 【1 3 】【1 4 1 。 光多播和光交换在业务需求上是共存的，没有光交换的多播只是一种简单的 广播，没有多播的光交换只是普通的点对点的光交换，光多播和光交换结合起来 便构成了复杂的多播光交换。 1 3 2多播光交换技术国内外研究情况 多播光交换技术收到国内外研究者的普遍重视，成为研究领域的热点。 9 电子科技大学硕士学位论文 在国内，多播光交换是一个新的研究领域，一些高校和研究院取得了不错的 成就，其中电子科技大学、北京邮电大学和上海交通大学处于国内领先地位，但 仍然处于一个起步阶段，需要投入更大的精力研究。 在国外，很多大学和机构都在对多播光交换进行研究，影响较大的有t h es t a t e u n i v e r s i t yo f n e wy o r ka tb u f f a l o 的l a n d e r 实验室，d r c h u n m i n gq i a o 作为o b s 概念的提出者，已经在主要期刊上发表了近5 0 多篇文章并被广泛引用。u n i v e r s i t y o f t e x a s 的计算机c a t s s 实验室，d r j a s o nj u e ，v i n o dv o k k a r