（光学工程专业论文）全光通信网中的光突发交换技术.pdf

南京邮电学院学位论文独创性声明 y 7 6 5 2 9 2 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 含为获得南京邮电学院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 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：三址日期：竺 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：独 导师签名：期。 南京邮i 乜学院倾i 学位论文 摘要 光突发交换是交换粒度处于波长路由交换和光分组交换之间的一种交换技 术，具有较高的带宽利用率，比波长路由交换灵活，也比光分组交换更贴近实用。 论文着重研究了输入业务流经过边缘路由器组装后的组装业务特性、核心路由器 数据信道调度算法和突发包丢失率性能。 论文首先对光突发交换的历史背景、基本概念、特点及发展现状进行了评述。 然后论文研究边缘节点的组装业务特性，分析了输入的业务流分别为短时相 关( s r d ) 和长时相关( l r d ) 业务时应用最大时间最小最大突发组装算法组 装后的组装业务特性，结果发现，s r d 业务流经过组装后的组装业务的到达时 间间隔分布随着突发尺寸的增大而接近高斯分布，而l r d 业务流经过组装后组 装业务的相关性结构保持不变。 接着论文研究核心路由器数据信道调度算法，详细介绍了几种数据信道调度 算法，并通过仿真对它们的突发包丢失率性能进行了比较。结果发现，突发包丢 失率性能较优的调度算法其相应的实现也较复杂。 最后论文建立了m m k d ，m m ，l ( d 。，和“慢行”m m k 三种数学模型，从 理论上分析了核心路由器的突发包丢失率性能参数，发现“慢行”m 肿k 模型是 三种模型中最精确的。 关键词：全光网，光突发交换，边缘路山器，核心路由器，突发组装算法，信 道调度算法 南京懈i u 学院颂i ? 学位论文 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 ) i sat e c h n o l o g yw h o s es w i f c h i n gg r a l l u l a r i t yi s b e t w e e nw a v e l e n g t hr o m i n gs 埘t c h i n g ( w r s ) a t l do p t i c a lp a c k e ts w n c h i n g ( o p s ) i t h a sf a i r l yh i 曲b a n d w i d t hu t i l i z a t i o na i l dw l m ti sm o r e ，i ti sm o r en e x i b l ea i l d p r a c t i c a l l y 山a nw r sa i l do p s n e 脚e rp u t se m p h a s i so nt h et r a 衢cs t a t i s t i c so f a s s e m b l e db u r s tt r a 衔c ，d a t ac h 锄e ls c h e d u l i n ga 1 9 0 r i t h ma n dt h eb u r s td r o p p r o b a b i l i t yp e r f o m a l l c eo fo b sc o r em u t e f f i r s to f a 儿，t h eh i s t o r yb a c k g r o u n d ，b a s i cc o n c e p t s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e d e v e l o p m e n ts t a t u so fo b s a r er e v i e w e d t h e n ，t h ep a p e rs t u d i e st h es t a t i s t i c so f a s s e m b l e db u r s t 订a 瓶co f t h ee d g en o d e m a x t i m e m i n m a x - l e n 融hb u r s ta s s e m b l ya l g or i 【h mi su s e dt oa s s e m b l et h ei n p u t s r da n dl r dt r a m ca n dt h et r a 踊cs t a t i s t i c so fa s s e m b l e db u r s tt r a 陌ca r ea 衄l ”e d t h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ei n t e r a r r i v a lt i m ed i s t r i b u t i o no fm ea s s e m b l e db u r s tt r a f f l c i sa p p r o a c h i n gg a u s s i a na st h eb u r s ti e n g t hi si n c r e a s i n gw h e nt h ei n p u t 仃a m ci ss r d a n dt 1 1 a tt h ec o r r e la t i o ns t r u c t u r eo f t h ea s s e m b l e db u r s tt r a 币ci sk e p tu n c h a n g e d w h e nt h ei n p u tt r a 伍ci sl r d a r e r w a r d s ，t h ep a p e rs t u d i e st h ed a t ac h a n n e ls c h e d u l i n ga i g o r “h m so fo b s c o r er o u t e r ，s e v e r a ld 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 sa r ei n 乞r o d u c e d t h eb u r s td r o p p m b a b i l i t yp e r f o r m a n c e so f t h e ma r ec o m p a r e dt h r o u g hs i m u l a t i o n a sw ec a ns e e ，o f a l lt h ea l g or i t h m s t h eb e t t e rt h eb u r s td r o pp r o b a b i i i t yp e r f o m l a n c ei s ，t h em o r e d i f n c u l tt h ec o r r e s p o n d i n gi m p i e m e n t a t i o ni s f i n a l l y ，m ，m k d ，m ，m k d 。a n dm ，m 瓜b a l k i n gm o d e i sa r ee s t a b l i s h e dt o a n a l y z et h eb u r s td r o pp r o b a b i l i t yp e r f o r m a n c eo fo b sc o r cr o u t e r t h ec o n c l u s i o ni s t h a tm m kb a l k i n gm o d e li st h em o s tp r e c i s e k e yw o r d s ：a 1 1o p t i c a ln e t w o r k s ， c o r er o u t e r ， a s s e m b l ya l g o r i t h m ， o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ， e d g er o u t e r s c h e d u l i n ga l g o r i t h m 2 南京邮i u 学院硼i ：学位论文 1 1引言 第一章绪论 i n t e r n e t 和数据业务的急剧增长对网络带宽的要求越来越高，密集波分复 用( d w d m ) 技术的进步使得一根光纤上能够承载上百个波长信道“4 1 ，最高的传 输带宽记录已经达到了t 比特数量级，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。由于集成电路领域的技术突破远远跟不上光子技术上 的成就，目前网络节点( 包括交换机和路由器) 成为影响网络带宽和充分利用光 纤带宽最大的瓶颈。近些年来以波长为交换粒度的光网络相关技术”删己成为 研究的热点。构筑光交换网的光交叉连接设备( o x c ) 和光分叉复用设备( o a d m ) ， 都是基于准静态波长交换的，采用准静态配置管理，在光域实现的交换功能有限， 通过增加o x c 和o a d m 设备的智能化和自动化程度，可构成所谓的自动交换光网 络( a s o n ) ，有望成为近期便可实现的光交换网技术1 “。该种技术使用整个波长 作为基本的交换粒度，其交换方式实际上属于电路交换的范畴，其灵活性和带宽 利用率都较差。 许多研究机构致力于研究和丌发光交换技术，试图将网络交换工作在光子层 面上完成，消除电子瓶颈的影响。光交换可分为波长路山交换( w a v e l e n g t h i o u t i n g s w i t c h i n w r s ) 和光分组交换( o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ，0 p s ) 两种方式。前 者已经比较成熟，并逐步大规模应用。但是这种交换方式以波长作为交换粒度， 交换粒度粗，不能取代i p 层的分组交换。光分组交换技术”1 ”以分组作为交换 粒度，试图直接在光层上实现小粒度的交换，以：近年来取得了些进展。但是在 一些关键性的光器件如高速光玎关、光缓存器、光逻辑器件等取得重大突破之前， 光分组交换技术尚难以从实验室走向商用。光突发交换( 0 p t i c a lb u r s t s w i t c h i n g ，o b s ) 概念由c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 提出“3 短短几年， 己引起越来越多研究机构的注意。这种交换方式克服了光分组交换的缺点，对光 开关和光缓存的要求降低，并能够很好的支持突发性的分组业务，被认为是可能 在未来互联网中扮演关键角色的一种交换技术。 商京邮i 乜学院颂f 学位论文 1 2 光突发交换的基本概念与特点 突发交换的概念起源于以前的电突发交换网，在当对突发交换基本上是一种 快速分组交换技术的推广，在这种网络中包长可变且可以为任意长度，并采用分 散式共享缓存交换结构。光突发交换技术继承了电突发交换的概念，在骨干网中 有广阔的发展前景。 首先，o b s 的交换粒度( 即突发长度通常为微秒量级) 介于路由交换和 光分组交换之间，统计占用波长资源，提供可变长度的突发流量，与光路交换的 波长路由相比，具有更好的带宽利用率；其次，o b s 交换通常采用单向无应答 的预约方式，可在无目的节点确认信息的情况下，完成单向的数据信道带宽资源 的动态分配，其偏置时间远远小于光路交换的双向通路建立时间，大大减小了通 信等待时间：最后o b s 交换采用带外信令方式，即数据信道与控制信道在物 理上分离，实行控制分组在空间( 独立控制波长和数据波长) 和时间( 偏置时间) 上与数据突发分离的异步传输交换机制，数据分组不经过中问节点的缓冲直接在 端到端的透明信道中完成传输交换。与o p s 的固定包长相比，灵活可变长度的 突发数掘和很少量的控制开销降低了o b s 对同步和光域信息处理的要求。o b s 使数据业务的交换完全在光域内完成，而控制分组在独立于数据分组的w d m 传 输链路中的一个特定的光信道中传送，采用电子方式处理，经过每个节点控制信 号都必须经历光电光的转换。每一个突发的数据分组对应一个控制分组，在源端 需设置控制分组与数据突发分组之间的偏置时矧，通信过程中随着数据和控制通 道延时的变化实时调整偏置时间，保证了0 0 s 而且不需要执行光同步和光存储。 芝种交换技术的比较如表1 1 所示。 表1 1三种交换技术比较 光交换技术粒度利州率复杂性时延光缓存开销适应性 波k = 路由交换粗低小尚不要低低 光分组变换 细 高高且不成熟低需要高高 光突发交换 适中中等适f | 1低不要低 6 南京邮i u 学院颂i j 学位论文 1 3 光突发交换技术发展现状 1 3 1 国内外研究现状 突发交换的概念是j k u l z e r 于1 9 8 4 提出来的“。光突发交换的概念是由 美国纽约州立大学b u f f a l o 分校c h u n “n gq i a o 和j s t u m e r 于1 9 9 9 年分别提 出【l6 1 ，它是一种交换粒度介于波长路由交换和光分组交换之间的光交换方式， 由于它克服了波长路由交换和光分组交换的缺点，对光开关和光缓存的要求降 低，并能够很好的支持突发性的分组业务，因而被认为是下一代互联网的核心技 术之一。如图1 1 所示，光突发交换在提供带宽能力和降低交换节点复杂性方面 取得了很好的折中，比光分组交换和波长路由交换更能满足具有突发性特点的互 联网的需求，因而成为未来i po v e rw d m 的一个极有竞争力的解决方案。据德 国斯图加特大学有关研究人员的预测，光突发交换和标记交换一道，将比光分组 交换技术率先在下一代互联网中得到应用，如图1 2 所示。诺基亚研究中心的m y o o 和c h u n m i n gq i a o 等对o b s 进行比较深入的研究，提出了一种j e t ( j u s t e n o u g ht i m e ) 信令协议，并研究了基于该协议的核心节点的结构和性能“。该 协议能在w d m 层实现基本的区分服务，支持q o s ，并能提高资源利用率。该小组 还丌展了o b s 交换中的组播和m p l s 在o b s 交换中的运用研究，提出了m p l s 与 o b s 相结合方案标签光突发交换( l o b s l a b e l e do p t i c a l8 u r s ts w i t c h i n g ) 研究。为了降低复杂性j y w e i 等一些研究者人建议采用j i t ( j u s t i n t i m e ) 信令协议“，j i t 协议提供“尽力而为”的服务，不支持 w d m 层的q o s 。英国u n i v e r s i t yc o l l e g el o n d o n 的p b a y v e l 等人提出了一种 波长路由光突发交换( w r o b s ) 方案”并对其性能进行了研究。浚方案以波长 路由为基础，更接近电路交换，可以提供有保证的服务，并支持q o s 。但网络的 灵活性和带宽利用率低，而且虽然在原理上可以把波长作为标签实现m p l s ，但 由于涉及到对波长的操作，一些m p l s 操作( 如标签栈、l s p 融合等) 难以实现。 阿尔卡特研究中心的y i j u nx i o n g 等人研究了o b s 网络的控制结构和信道调度 算法1 。 南京龆m 学院硕f j 学位论立 光分期【变换丸交垃变换 波长路由建换 图1 1交换粒度一带宽需求交换复杂度曲线 图1 2交换技术演进曲线 国内外多家研究机构致力于研究这项新兴技术，主要包括美国纽约州立大学 和法罗分校、德州大学达拉斯分校、伊利诺斯技术学院、北卡罗来纳州立大学、 华盛顿大学，法国a l c a t e l 公司美国分公司，德国斯图加特大学，意大利罗马大 学等。2 0 0 1 年和2 0 0 2 年连续两年的“8 6 3 计划”都把o b s 列为前沿性探索类( a 类) 课题，清华大学、北京邮电大学，北京大学和上海交通大学等高校也对o b s 展开了研究，已在国内外学术刊物上发表了一些论文。目前，对o b s 的研究主要 集中在网络结构、g m p l s 架构下的实现方式( 即标记0 b s ) 、q o s 支持、突发封装 南京邮i u 学院倾f ：学位论文 技术、网络控制协议、竞争解决方案、o b s 网络的组播问题等方面。光突发交换 最早的倡导者c h u n m i n gq i a o 博士领导的研究小组在0 b s 网络结构、网络控制协 议、标记0 b s 、q o s 支持等方面作出了很大的贡献。迄今，对上述内容的研究主 要集中于理论研究、协议设计和计算机仿真等方面，同时0 b s 实验系统设计方 面的研究工作也已开始出现。美国华盛顿大学的“太比特突发交换技术”项目就 是其中比较早的一个”“。该项目从硬件上设计了一个具有突发交换能力的核心节 点，但其最初采用的交换矩阵是电的a t m 交换矩阵，因而实现的不是严格意义上 的o b s 。不过，该项目中设计的控制单元具有通用性，而且该项目在后续研究中 也丌始引入了光交换矩阵悖”。另外，美国北卡罗来纳大学的i l i ab a l d i n e 等人 在其研究项目“j u m p s t a r t ”中对j i t 协议在o b s 中的应用进行了研究”“1 ，而 p r o n i t am e h r o t r a 等人则设计了一种可用于0 b s 网络的网络处理器o 。尽管如 此，国际上还没有出现具有实用意义的光突发交换实验网。我国2 0 0 2 年的8 6 3 计划中把建立光突发交换实验系统定为“光突发交换关键技术和实验系统”的研 究目标。 光标记交换( o l s ) 方案首先由c h a n ge ta i 在o f c o o 上演示阶28 1 ，光标记 交换克服了光包交换对光缓存和比特同步的苛刻限制及光突发交换节点和通路 复杂的时延估计需求两大缺点。o l s 的i p ，w d m 试验床成功实现了数据包的光 交换和转发，计算机之1 白j 通过s c m 单边带o s s b 调制的光标记交换机制通信， 光标记头以2 5 0 m b p s 复用到3 g h z 的负载波频率，实现1 g b p s 以上接入速率和 小于1us 可预测时延、多t 级高吞吐、大容量高速传输，o l s 简化的协议栈、 可扩展结构和数据透明性特点是下一代光因特网理想技术。最近电子科技大学光 通信实验室李化图、周属衡、阳小龙报道了光突发标记交换为核心的光路由器试 验系统，采用副载波复用将突发控制包进行射频调制后再同基带突发数据包起 进行光调制不需经过多次的o e o 转换，即可实现边缘到边缘的全光域数掘传 输和处理俐。 在2 0 0 2 年的国际光通信会议( o f c 0 2 ) 上，a l c a t e l 公司的m a s e t t i 等人报道 了一种含有突发交换概念的t 比特级路由器，如图1 3 所示。其原理是将多个i p 包或a t m 信元封装成突发后通过快速光丌关矩阵进行光交换。但是，这也不是 完全意义上的光突发交换，第一，他们实现的只是一个单节点、光电混合的路由 9 南京邮i b 学院硕1 ：学位论文 器，还谈不上是一个光突发交换机，更谈不上光突发交换网，虽然交换核心采用 了快速光开关矩阵：第二，路由器的端口采用的是电接口，还需要通过电的缓存 方式来避免冲突。虽然a l c a t e l 公司的工作证明了突发交换技术在t 比特级路由 器中的应用价值，但毕竟这与真正意义上的光突发交换还有距离。 图1 3t 比特i p 光路由器 在o f c 0 3 上， n t t 公司a s a l l 咖等使用光子m p l s 路由器构建基于g m p l s 信令控制 的光突发交换演示网，它使用类似于t a w 双向g m p l s 信令( c r l d p 和 r s v p t e ) 建立了三节点实验网，光突发数据实现1 0 g b p s 无数据丢失传输， 达到很高的网络吞吐量口o 。3 ”。 德国斯图加特大学和柏林大学的研究人员h b u c h t a 等用s o a 在8 8 和 l o l o 光纤2 5 g 、l o g 和4 0 g 下研究了突发交换有效吞吐限制，分别获得 最大5 4 t b p s 的吞吐量和超过9 0 的利用率【3 2 】。 日本硒) d i 研发实验室的y h o r i u c h i 等人实现了4 光标记交换路由器节 点全光突发网络动态路由演示，它使用类似于t a g 的单向预留协议将 1 0 0 b p s 光突发信号成功通过2 2 标记交换路由器，标记由1 5 5 5 2 0 m b p s 的 1 2 5 g h zs c m 承载【3 3 l 。 0 南京邮电学院硕一i ：学位论文 由于国际上对光突发交换的研究还处于从理论研究转向实验研究的阶段，还 有许多问题有待进一步深入研究，这也正是我们参与目前课题研究的初衷。因此， 如果能实现一个结构清晰，具有边缘节点和核心节点，提供多种业务接口，并具 有实用意义的光突发交换系统，将是一件非常有意义的工作，并会使我国在这一 领域迈入国际先进行列。为此，我们将开展光突发交换系统及各项关键技术的研 究，期望能缩短在光通信领域与国际先进水平的差距，为我国企业与科研单位开 发出具有独立自主知识产权的光突发交换设备打下良好的基础。 1 3 2 进一步的研究任务 尽管o b s 的研究取得了相当的进展，但o b s 仍然处于实验室研究阶段。真 正的o b s 网还不存在，o b s 离商用化尚有一段距离。从应用的角度，o b s 还有 一些重要的课题需要研究。o b s 网络对i p 等业务的支持、把来自不同网络的数 据适配进o b s 网络、突发封装、有效地解决突发包之间的竞争、o b s 协议及其 臣体实施、与m p l s 的结合、o b s 网络节点的硬件实现、突发偏置时延的管理、 + 据信道和控制信道的分配、q o s 的支持以及交换节点光缓存的配置( 如果需要 口u 话) 等问题还需要进一步作深入研究。对于o b s 网来说，在边缘路由器光接 收机上的突发快速同步也是对系统效率有重要影响的问题，上述问题是紧密关联 的，比如说光缓存中光纤延迟线的配置与突发长度的统计分布相关，而突发长度 又取决于突发封装过程；突发封装、光路由器的规模、数据和控制信道组的大小 又会影响突发偏置时延的管理；交换节点的分配器和控制器运行快慢以及网络规 模又会反过来影响突发封装。在网络设计当中，所有的这些问题都必须仔细考虑 和规划。由于光纤延迟线的限制，为了降低丢包率，o b s 网络必须通过波分复 用网络信道来实现统计复用。如何在o b s 网络中实现组播功能也是一项非常重 要的课题，为了实现组播，光开关矩阵和交换控制单元都必须具备组播能力，且 二者之间必须能有效地协调。此外将o b s 与现有的动态波长路由技术有机的 结合，可以使网络具有更有效的调配能力但也需要进一步的细致研究。 1 4 本文的结构和我的工作 本文阻全光通信网中的光突发交换技术为题，着重研究了输入业务流通过边 南京邮电学院顾上学位论文 缘路由器组装后的组装业务特性；对核心路由器数据信道调度算法和突发包丢失 率性能也进行了理论和仿真研究；本文的结构和本文的创新之处如下： 第一章为绪论部分，详细介绍了光突发交换技术发展的背景、基本概念和特 点及发展现状。 第二章介绍光突发交换技术的基本理论和特性。 第三章从理论上分析输入业务流通过o b s 网络边缘路由器组装后的组装业 务特性，通过仿真分析组装业务通过o b s 核心路由器的突发包丢失率性能且 与传统的m 伍d 化，k 模型进行了比较。 第四章首先系统的研究了几种o b s 核心路由器数据信道调度算法，并对它 们进行分析和比较。此外还建立了三种不同的数学模型分析了o b s 核心路由器 的突发包丢失率性能。 2 南京邮电学院硕：l ：学位论文 第二章光突发交换技术的基本理论 2 1光突发交换网络结构 光突发交换技术避开光分组型w d m 网络潜在的电子处理瓶颈，基本传输数 据块是由多个具有相同出口地址或一些共同属性( 如q o s ) 的数据分组组成的特 大的包，称为突发。o b s 网络的结构如图2 1 所示。它包括光核心路由器和边缘 路由器，两者通过w d m 链路连接。w d m 链路的每个方向通常都包括数据信道 组( d c g ) 和控制信道组( c c g ) 。d c g 和其相应的c c g 可以在同根光纤中传输， 也可以在不同的光纤中传输。分组在网络的入口组装成突发，选路通过0 b s 网 络，在网络的出口突发拆分成分组后转发至下一跳( 如传统i p 路由器) 。边缘路 由器提供突发组装拆分功能和继承接口( 如g 比特以太网，p o s ，i p ，a t m 等接口) 。 核心路由器主要由光交换矩阵和交换控制单元( s c u ) 构成。 继承接u ( g 0 b 特以a 叫 p o s - ip ，a t m ) 图2 1光突发交换网络结构示意图 突发由突发头部和突发净荷组成。突发净荷也称为数据突发。o b s 网络数 据突发和它的头部在不同的波长，1 言道上分离传输，突发头部先于数据突发传送， 如图2 2 所示，遍历核心路由器时分别在光域和电域中交换。突发头部包含s c u 需要的所有路由信息，在每一跳配置光交换矩阵并在光域交换数据突发，如图 2 3 所示。数据突发和其头部的传输分离不仅方便了在电域处理突发头部。只需 南京邮电学院硕1 ：学位论文 要较低的o ，e 转换处理速率，而且还建立了从入口到出口的透明光通道来传输 数据突发。由于突发头部以分组的方式发送，因此称为突发头分组( b h p ) 。与 分组交换相似，面向连接和非连接的突发转发都可在o b s 网络中应用。 数姑突发i 厂 _ j 上专数据信道l 数据突发2 _ _ _ _ l _ l l _ l _ _ _ 一 ，数据信道： 因2 2 们m 链路上数据突发和其b h p 的传输 j 囊心路由器 困2 30 b s 网络突发传输示意图 2 2光突发交换控制协议 控制信道 突发包交换的控制协议按照偏置时问的有无划分为“告之即走”( t a g ：t e l l - a n d g o ) 和告之等待”( 州：t e l l a n ( 1 _ w j i t ) ；按核心节点带宽预留和释放策 略划分为显式建立和显式释放( e x p i i c i ts e t u p 粕de x p l i c i t 聘l e a ) 、显式建立和估 计释放( e x p l i c i ts e t u pa n de s t i i 腑t e d 咒l e a 嘲、估计建立和显式释放( e s t i m a t e ds e t u p 锄de x p l i c i tr e l e a ) 、估计建立和估计释放( e s t i m a i e ds e t u p de s t i m a t e dm l e 硒e ) 。 1 4 南京邮电学院硕 ：学位论文 从理论上讲，在o b s 网络中，资源预留可以是单向也可以是双向的。双向 预留协议称为w ，在此协议下，当某源节点想发送个突发时，它首先发送 一个请求，途径所需经过的各个节点，只有当所有的节点能满足这个请求时，源 节点才能得到成功的应答信号，否则，该突发被拒绝接入，源节点只有在以后再 发送请求。最简单的单向协议是1 a g ，这时，突发紧跟在请求包后面送出，而 不等待应答信号，如果在途径的节点遭遇竞争，该突发将被丢弃。介于t a w 和 t a g 之间的是c h u 姗i n g q i a o 提出的“恰量时间”协议( j e t ：j u s t - e n o u 曲一t i m e ) 3 4 1 。 j e t 协议有两个特点，一个是偏置时问，如图2 4 所示。突发数据包在控制 包发送后等待t 时间后再发送，控制包在每个节点的处理时延是6 ，t 称为偏鬟 时间，t 的取值应保证中间节点能够在突发抵达该节点前处理完毕。另一个特点 是延迟预留，如图2 5 所示。“是控制包到达交换节点的时刻，它经过处理以后， 正常的情况是在b 到( f 。+ f ) 带宽资源就被预留了，而采用延迟预留的情况是 在突发到达后才开始预留带宽( 从，。到f ，+ ，) 。利用这种机制，提高了带宽利用率。 源节点节点1 节点2 目的节点 图2 4j 盯协议中偏王时间的使用 对j e t 协议稍加改进使不同业务的优先级与控制包和突发包之间的偏置 南京邮i 乜学院颂i ：学位论文 时延量( o 凰e tt i m e ) 联系起来，构成所谓的“优先级恰量时间”( p j e t ：p r i o r i t i z e d j u s te n o u g ht i m e ) 协议f 35 1 。对于高优先级业务，设置的偏置时延量较大d 6 】，因 为时延量越大，该突发就越有可能成功的预留所需的资源，从而丢包率也较低。 图2 60 b s 控制协议 ( 按核心节点带宽预留和释放策略划分) 图2 6 给出了按核心节点带宽预留和释放策略划分的四种预留协议的区别。 四种协议的突发控制包都是先于突发数据包在单独的信道发送s e t u p 消息至交 换节点。 1 显式建立和显式释放( e x p l i c i ts e t u pa n de x p i i c “r e i e a s e ) ：交换节点收到 s e l u p 消息后，立即对交换模块进行配黄，包括对交换矩阵的配置及对输出波 长的预留。这一配置直到收到r e l e a s e 消息时才释放。 2 显式建立和估计释放( e x p l i c i ts e t i l pa n de s t m a t e dn l e _ s e ) ：s e l l j p 消息本 1 6 南京邮r 也学院顸j ：学位论文 身携带数据突发包的持续时间信息。与l 不同的是，这里交换节点不需要 r e l e a s e 消息来标志数据突发的结束。数据突发的结束根据s e t u p 消息的到 达时刻和数据突发的持续时间信息来估计。 3 估计建立和显式释放( e s t i m a t e ds e t u pa de x p l i c i tr e l e a s e ) ：与上面的协议 2 恰好相反，s e t u p 消息本身携带数据突发包的到达时刻信息，而数据突发的结 束用r e l e a s e 消息来标志。 4 估计建立和估计释放( e s t i m a t e ds e t u pa n de s t i m a t e dr e l e a s e ) ：数据突发的 到达和结束时刻均依据s e t u p 消息本身携带的信息确定。 以上四种预留协议最明显的区别在于同一数据突发包占用节点资源的时间 不同，这取决于每种协议对数据突发包的到达和结束时刻的估计精度。估计的越 准，占用资源的时间越短，资源利用率越高，总的突发丢失率也就越低。可以看 出，协议1 的估计最不准，因为它把s e t u p 消息和r e l e a s e 消息的到达时刻 作为突发数据包的到达和结束时刻：协议4 估计的最准，因此性能也最好。 2 30 b s 网络边缘节点的突发组装 突发组装( b u r s ta s s e m b l i n g ) 是o b s 网络中一个重要课题，它是指将i p 等 数据包组装成突发的过程。常见的突发组装技术有两种：一种是基于定时器的， 另一种是基于闽值的。在基于定时器的突发组装法中，突发以固定的时间间隔产 生，周期性的送到光网络中，此时的突发长度应该是可变的。基于闽值的突发组 装法中，突发的长度通常是固定的，因而一个突发中i p 包的数目也是限定的。 为了扬长避短，有人将二者结合起来，在组装延迟和吞吐率参数上取得折中。比 较突出的是s e y o o n0 h 等人提出的基于数据分组迟滞性的组装方式口“，先选取 一个适量的组装门限，启动定时器根据定时器和组装门限中先满足条件的参数 来完成一个突发包，并由前一突发包中数据分组的多少来决定当前突发包的组装 门限，但组装门限的变动也是有上限和下限的。当业务负载很低，以至于定时器 溢出时，累计的数据分组长度小于最小的组装门限，则采用空隙分组填充的方式 来形成突发包。对不同级别的业务，选择不同的组装参数来保证高级别业务的低 组装延迟。 上面三种组装方式共同的特点是形成的突发包都具有相同的目的节点和优 1 7 南京邮电学院硕士学位论文 先级。如果业务负载很低，突发包中的有效数据分组就很少，则突发包的组装利 用率很低。为了提高组装利用率，可以在低负载时采用混合组装的方法，即将不 同级别的业务分组按一定比例组装在同一个数据包中，这种方式能减小组装延 迟，提高数据包的利用率。 数据突发的格式如图2 7 所示1 2 “。分组加上头部封装成帧。控制包需包括净 荷类型( p t ) ，净荷长度( p l ) ，分组数( n o p ) ，填充偏置( 0 凰e t ) 等信息。 p t 是标志数据突发中数据分组类型的选项，p l 代表净荷的长度。n o p 代表净荷 中分组的数目，o 骼e t 代表填充的第一个字节( 如果突发长度有最小值要求，则 可能需要填充) 。图中第一层中的同步部分( s ”c ) 用来同步出口边缘路由器光 接收机。数据突发前端和后端的保护带( g u a r db & g u a r de ) 用来克服由于节 点间时钟漂移导致数据突发到达和持续时间的不确定性，不同波长的延时变化， 数据突发到达时刻和和时隙光交换矩阵的配置时间之间的不匹配以及光交换矩 阵配置时间的不确定性等。此外还可以包括其它光层信息，如性能监测信息，前 向纠错信息等。 分组 帧 + i i一 一匝 ，匝园圃五匠工面五 i ! 竺生! 】! ! 竺li ! 坐i ! ! 型l 传送顺序 图2 70 b s 数据突发包格式 2 4 0 b s 网络核心节点的信道调度 笫- 三崖 孢垃 擤一层 ( 突发) ! f 5 一层 边缘交换单元要发送突发数据时，在预先指定的控制信道上发一个突发控制 分组，然后紧接着在一个未使用的波长上发送突发数据分组，在源边缘节点到目 的边缘节点之间，突发控制分组完成电子处理，并为数据分组的传送预留资源， 如图2 8 所示。 为了充分利用输出数据信道的带宽，核心节点处需要按照一定的数据信道调 度算法来安排突发包的输出。比较典型的调度算法有“最近可用未调度( l a u c ： 南京邮【毡学院砸j ? 学位论文 l a t e s ta v a i l a b l eu n s c h e d u l e dc h a n n e l ) ”算法和“最近可用未使用信道调度 ( l a u c v f ：l a t e s ta v a i l a b l eu n u s e dc h a l l n e lw i f hv o i d 刚i n g ，l a u c v f ) 算法叫 等。 j 黼薛 因2 8光突发交换节点调度示意图 2 5 0 b s 竞争解决机制 突发包竞争的解决方法主要包括如何防止竞争产生，产生竞争后如何消除， 一旦无法消除竞争如何尽可能减小竞争对数据丢失率的影响。解决方案有光缓存 器f d l 、波长转换、偏射路由和偏置时间随机化等，其它可能有输出信道调度 算法和突发包丢弃策略。 偏射路由是利用空闲链路解决冲突的方法，在链路资源比较充足的情况下， 这种方法有很好的性能，它利用网络中的闲置路由，将数据包从竞争节点从具有 空闲路由的节点绕道迂回去往目的节点的竞争解决方式。 图2 9光突发交换网络的偏射路由策略 图2 9 是采用偏射路由方案解决突发包竞争的示意图。图中节点a 和b 都 向节点e 发送突发包和控制分组。在节点c 处来自节点b 的控制分组先到达预 留了由c 到e 路径上的带宽，当来自a 的控制分组到达时，由c 到e 的路径上 已没有空闲带宽，于是选择由c 经d 再到e 的次优路径转发突发包。偏射路由 南京邮l 乜学院硕l ：学位论文 实际上是通过把整个网络作为一个光缓存器来解决突发包之间的竞争问题。偏射 路由可以在一定程度上降低竞争导致的高数据丢失率，减少突发包由于路由资源 争用导致丢弃而带来的带宽浪费，在长距离链路上减小由于重传导致的延时，均 衡网络负载，提高网络资源的利用率。但也存在着不少的问题，如偏射路由协议 只在相对较轻的业务负载情况下有效，当负载较重时，网络中闲置链路减少，数 据包在网络节点之间的偏转会增加网络负载导致竞争机会增多，此时不但不能有 效解决冲突，反而会进一步恶化网络性能。另外，偏射路由的采用会导致端到端 延时的增大，不利于传送一些延时要求严格的业务。此外，边缘入口节点偏置时 间的确定，出口节点的重新排序以及公平性都是一些潜在的问题。 光波长变换是较理想的解决方案，波长转换器可以分成两大类：全波长转换 器( f w c ) 和有限波长转换器( 【w c ) 。f w c 能将输入波长转换成任意输出波 长，而l w c 只能将输入波长转换成部分输出波长。如果每一个节点中的f w c 数目等于该节点上所有输出波长通道数，这种情况属于完全波长转换。倘若网络 中每一个节点都能提供完全波长转换，则丢包率就会大大降低。实际使用中常常 从性价比考虑，节点中f w c 数目往往少于输出波长数，这就是部分波长转换。 如何给网络各节点合理配置波长转换器，获得最佳网络性能，是研究中的一个重 点。但现在全光的波长变换器还没有商用，仍处在研究阶段。 光纤延迟线可以用作光缓存器件，当一个突发包到达核心节点时，如果对应 的输出信道f 处于“忙”状态，即其他的突发包正在传送时，则将该突发包送入 光缓存延迟一段时问后再送到该输出信道。由于光存储技术的限制，目前实用的 光缓存器仍主要由光纤延迟线构成。这样的光缓存可分为：固定延时、可变延时 和混合延时三种结构。许多文献对f d l 缓存器的结构和端口分配策略进行了详 细的讨论，但由于各种限制，延迟时间最大可能是几十微秒，对于长的数据突发 不能适用。 竞争和冲突问题是任何基于分组交换的网络都会碰到的问题，光突发交换网 络也不例外，而且对于0 b s 网络还有更大的挑战，因为通常光突发是不等长的， 这对光缓存来说是个很大的难题。对业务进行分类是一个有实际意义的解决办 法，在边缘节点处形成不同优先级的光突发，当有竞争发生的时候，高优先级的 突发优先通过，此时竞争解决问题和业务分类问题、q o s 支持以及突发封装问题 南京邮l u 学院顶j ：学位论文 等联系在起。v o l ( k a r a r i e 等对业务分类和突发问题进行了研究p ”，旨在光突发 交换网上提供q o s 支持，他们对于不同的封装方法进行了计算机仿真，提出了 一种混合封装方法，结合交换节点的带宽分配方法提供分优先级的q o s 支持。 这些业务分类以及突发封装方案都需要继续的深入研究，需通过大量计算机仿真 工作将研究结果量化。 组合式突发包( o c b s ：o p t i c a lc o m p o s i t eb u r s t ) 与突发包分段( b s ：b u r s t s e g m e n t ) 的思想是一致的，都是将突发包分成若干段，在转发的时候将突发包尽 可能多的部分转发出去，从而尽量降低丢弃的突发包数目。采用突发包分段来解 决竞争的方案如图2 1 0 所示，在分段丢弃技术中，一个数据包被分成几个基本 的传输段，每个段都由单个或多个分组组成，当竞争产生时，只丢弃某个数据包 在冲突产生时长内的那些段，图中如果采取丢弃先到数据包的后一部分，则3 。， 4 。和54 三个段均会被丢弃。当争用的波长一旦被前一数据包所释放，后到的数 据包立即占用此波长。冲突时长包括两部分：两个数据包的重叠时长和通道切换 时间。有两种段丢弃方式：尾部丢弃方式是丢弃先到数据包的后一部分，头部丢 弃方式是丢弃后到数据包前一部分。 先到 数据包 后到 数据包 圈蹬惑圈图圈 二 il ： ： 二 二 二口； ： ： k * 毛 ： 竞争通道切 部分换时间 图2 1 0 分段丢弃竞争解决方案 南京邮i u 学院碗1 ：学位论文 第三章组装业务特性分析 如图2 1 所示，到达o b s 网络的i p 分组( 也可以是a t m ，p o s ，g 比特以 太网等分组格式) 在边缘路由器处封装成突发而后在w d m 链路上传输。本章 首先介绍边缘路由器的典型结构和常见的两种突发组装机制，接着分析这两种突 发组装机制下的组装业务特性，最后通过仿真得到组装业务通过光核心路由器的 突发包丢失率性能参数，并与传统的m ，m ，i ( l ( 模型进行比较。 3 1边缘路由器典型结构 边缘路由器是o b s 网络与其它继承网络结构的分离点和转接点。边缘路由 器把继承链路层协议之上运行的多个子网络连接到0 b s 网络。边缘路由器的简 化结构如图3 1 ( 发送端) 和图3 1 2 ( 接收端) 所示。 两个图中的线板插槽和_ 丌关结构来自