（信号与信息处理专业论文）光突发交换网络边缘节点汇聚算法性能研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 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 ) 是一种介于光路交换和光分组 交换之间的光交换技术，它克服了光路交换和光分组交换的缺点。与光路交换相 比，o b s 具有更高的带宽率用率；与光分组交换相比，o b s 降低了对光器件的要 求，能够在现有的技术上实现。因此，o b s 被认为是一种具有广阔发展前景的光 交换技术。 光突发交换网络边缘节点汇聚算法是o b s 关键技术之一，决定了如何将网 络数据分组汇聚成适合在光突发交换网络中传输的数据突发包，会直接影响o b s 网络各方面性能。因此本文就边缘节点汇聚算法进行了研究，研究内容如下： l 、针对现有文献对汇聚算法的理论分析较少，对三种汇聚算法在泊松流输 入下进行了理论分析和仿真，得出了三种汇聚算法对业务流汇聚性能的影响及如 下结论：在经过时间门限汇聚算法后数据突发长度和突发产生间隔的分布特性分 别服从高斯分布和指数分布；在经过长度门限汇聚算法后，数据突发长度和突发 产生间隔的分布特性分别服从指数分布和高斯分布；而对于混合门限汇聚算法， 其对应的分布特性根据负载不同而不同，当处于低负载或高负载时，数据突发长 度和突发产生间隔的分布特性分别类似于时间门限汇聚算法和长度门限汇聚算 法，而处于中负载情况时，数据突发长度和突发产生间隔分布特性则可以看成是 前两种算法共同作用的结果。 2 、第三章研究了三种汇聚算法对业务流自相似性的整形效应，通过分别以 字节流和分组或数据突发流作为业务量统计单位，得出了时间门限汇聚算法只有 在以突发流作为业务量统计单位时才能减弱输入业务流自相似性的结论，而在其 它情况下汇聚算法都不能平滑业务流的自相似性，并仿真对比分析了三种汇聚算 法在不同汇聚参数和负载条件下性能和应用上的局限性。 3 、第四章研究了边缘节点汇聚算法的时延性能，对不同汇聚算法下分组的 最大汇聚时延和平均汇聚时延做出了理论分析和仿真。在得出结果的基础上，改 进了一种基于优先级划分的时延区分汇聚算法，来解决高优先级业务在设定额外 偏置时间后时延增加的问题，通过对高低优先级业务采取不同的预留机制来达到 时延区分的目的，理论分析和仿真结果表明了改进的汇聚算法能有效的减少高优 先级业务在边缘节点所经历的时延，从而达到对不同优先级业务时延区分的目 的。 关键词：光突发交换网络，边缘节点，汇聚算法，流量整形，时延区分 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t 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 ) w a sap r o m i s i n gt e c h n o l o g y ，w h i c hc o m b i n e dt h e b e n e f i t so fo p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n ga n do p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g c o m p a r e dw i t h o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ，o b sh a sh i g h e rb a n d w i d t hu t i l i z a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，o b s c a l lb ei m p l e m e n t e de a s i l yo nt h eb a s i so ft h ec u r r e n to p t i c a lt e c h n o l o g i e sc o m p a r e d w i t ho p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g a so n eo ft h ek e yi s s u e si no b s ，b u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mo fe d g en o d eh a da l l e f f e c to nt h ew a yo fa s s e m b l i n gt h en e t w o r kd a t ap a c k e t si n t ob u r s t sw h i c hw o u l db e t r a n s p o r t e di nt h eo b s ，a n da f f e c t e dt h en e t w o r kp e r f o r m a n c ei nm a n ya s p e c t s s ot h e b u r s t a s s e m b l ya l g o r i t h m i n e d g e n o d ew a ss t u d i e di n t h e p a p e r t h em a j o r c o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e rw e r ea sf o l l o w s ： i f o ri tw a sl a c ko ft h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rb u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mi nt h e e x i s t i n gr e f e r e n c e s ，w ea n a l y z e da n ds i m u l a t e dt h r e eb u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h m su n d e r p o i s s o ni n p u tf l o wa n do b t a i n e dt h ei n f l u e n c eo ft h r e eb u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h m so nt h e i n p u tf l o wp r o p e r t i e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ed i s t r i b u t i o no ft h ed a t ab u r s tl e n g t h a n dt h ed a t ab u r s ti n t e r v a lc o u l db ea p p r o x i m a t e da sg a u s s i a na n de x p o n e n t i a l d i s t r i b u t e di nc a s eo ft h et i m et h r e s h o l d - b a s e db u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mu n d e rp o i s s o n i n p u tf l o w ，t h ed i s t r i b u t i o no f t h ed a t ab u r s tl e n g t ha n dt h ed a t ab u r s ti n t e r v a lc o u l db e a p p r o x i m a t e da se x p o n e n t i a la n dg a u s s i a nd i s t r i b u t e di nc a s eo ft h el e n g t ht h r e s h o l d - b a s e db u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mu n d e rp o i s s o ni n p u tf l o w ，a n dt h ed a t ab u r s td i s t r i b u t i o n f o rt h em i x e dt h r e s h o l db u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mw a sd i f f e r e n ti nd i f f e r e n ti n c o m i n g l o a d i ft h ei n c o m i n gl o a dw a sl o w ，t h em i x e dt h r e s h o l db u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mc o u l d b ea p p r o x i m a t e da st h et i m et h r e s h o l d b a s e db u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h m i ft h ei n c o m i n g l o a dw a sh i g h ，t h em i x e dt h r e s h o l db u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mc o u l db ea p p r o x i m a t e da s t h el e n g t ht h r e s h o l d - b a s e db u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h m ，o t h e r w i s e ，t h em i x e dt h r e s h o l d b u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mc o u l db ea p p r o x i m a t e da si n t e g r a t e db u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h m o ft h eo t h e rt w ob u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h m s 2 t r a f f i cs h a p i n gw a ss t u d i e df o rb u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mu n d e rt h es e l f - s i m i l a r o fi n p u tt r a f f i cf l o wi nc h a p t e r3 b ym e a s u r i n gt h et r a f f i ci nb y t e sa n dp a c k e t b u r s t s r e s p e c t i v e l y , w eo b t a i n e dt h er e s u l tt h a to n l yt h et i m et h r e s h o l d b a s e db u r s ta s s e m b l y a l g o r i t h mc o u l ds m o o t ht h es e l f - s i m i l a ro fi n p u tf l o wi nc a s eo fm e a s u r i n gt h et r a f f i ci n b u r s t s ，o t h e r w i s e ，t h eb u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mc o u l dn o ts m o o t ht h es e l f - s i m i l a ro f i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t i n p u tf l o w b ys i m u l a t i o na n a l y s i s o fb u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mi nd i f f e r e n t b u r s t a s s e m b l yp a r a m e t e r sa n di n c o m i n gl o a d ，w eg o tt h el i m i t a t i o n so ft h et h r e eb u r s t a s s e m b l ya l g o r i t h m sa n dt h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n 3 d e l a yp e r f o r m a n c eo fe d g en o d ea s s e m b l ya l g o r i t h mw a ss t u d i e di nt h ec h a p t e r 4 t h em a x i m a lp a c k e ta s s e m b l yd e l a ya n da v e r a g ea s s e m b l yd e l a yw e r ea n a l y z e di n t h e o r ya n ds i m u l a t i o nu n d e rd i f f e r e n tb u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mi nt h ep a p e r t h e r e f o r e ， ad e l a yd i f f e r e n t i a t i o nb u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mb a s e do np r i o r i t yi s p r o p o s e dt os o l v e t h ep r o b l e mo fd e l a yi n c r e a s i n gf o rh i g hp r i o r i t yp a c k e t si nc a s eo fs e t t i n gt h ee x t r a c t o f f s e tt i m e b yp r o v i d i n gd i f f e r e n tr e s o u r c er e s e r v a t i o nm e c h a n i s m sf o rh i g hp r i o r i t y p a c k e t s a n d l o w p r i o r i t yp a c k e t sr e s p e c t i v e l y , w eg o t t h e p u r p o s e o fd e l a y d i f f e r e n t i a t i o n t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c t e dt h a tt h ep r o p o s e d a l g o r i t h mc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h et o t a ld e l a yo fh i g hp r i o r i t yp a c k e t si ne d g en o d e a n dr e a l i z e dt h ed e l a yd i f f e r e n t i a t i o nf o rd i f f e r e n tp r i o r i t yp a c k e t 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 ，e d g en o d e ，a s s e m b l ya l g o r i t h m ， t r a f f i cs h a p i n g ，d e l a yd i f f e r e n t i a t i o n i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 光网络技术概述 第一章绪论 随着现在网络技术的不断深入发展，近年以来网络中的业务数据量呈爆炸式 增长，互联网业务迅猛发展，各种新兴的业务层出不穷。因此在这种形式下，传 统的核心交换网络已经很难再适应互联网不断发展的需求，难以适应各种新兴业 务所导致的多样性，多变性以及越来越高的网络带宽需求。所以，现在传统的电 信网络和计算机网络中的传输、交换等技术面临着新的挑战。如何能够有效的满 足这种日益增长的带宽需求成为网络技术研究人员、网络运营商以及网络设备提 供商关注的主要课题。 在现代通信中，光纤通信有着显著的优势，如传输损耗低、传输容量大、通 信质量好、传输距离长以及抗干扰能力强等特点。特别是波分复用w d m ( 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 ) 技术的出现，使得单根光纤中可以同时提供多 个波长信道进行数据的传输，不同的信道分别占用不同的波长，因此充分挖掘了 光纤的带宽潜力，在一定程度上扩大了网络中点对点连接的传输容量。 现阶段点到点的w d m 传送技术已经成熟，已经被广泛应用于长途干线系统 和海底系统中，并且逐步向城域网进行渗透。然而w d m 技术虽然能够极大的增 加网络中线路的传输容量，但是同时也对交换系统提出了更高的要求。也就是 说，虽然光纤上复用的波长信道数量急剧增加使得光纤的传输容量以指数形式增 长，然而在光传送网中的网络交换节点中所进行的路由和交换则成为整个网络系 统的瓶颈。在过去的二十多年里，每比特数据的传输成本下降了近一万倍，而其 交换成本却仅仅降低了3 倍左右【1 】。网络的传输容量通过波分复用以及密集波分 复用可以相对容易的进行扩展，而网络交换节点则仍多采用对传送的数据进行从 光域到电域转换，在电域上完成路由交换，再完成电域到光域的转换，进行传 输。目前电子交换的发展已接近电子速率的极限，器件工作上限只有1 g b p s 1 0 g b p s ，因而集成电路技术成为了限制光网络中节点处理能力的瓶颈，这种传送 交换机制一方面增加了网络的复杂程度，另一方面也限制了网络传输速度。现有 的交换能力已经与w d m 网络的巨大传输能力极不匹配，降低了w d m 系统带宽 的利用率。文献【lj 给出了光网络的发展，如图1 所示： 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 点对波长 刊簇 八 动态光突光分 点八 分插波长八发交_ 八组交 w d m 吖 复用 路由 换网 _ v换网 网络网络网络络络 图1 光网络发展 该图以不同的形式出现在对光网络发展趋势的各类预测及报告当中，虽然研 究者们对各个阶段发展演进的关键时间点的预测有所不同，但对图中列出的光网 络发展和即将经历阶段的划分持基本肯定的观点。 所谓的第一代光网络就是点对点w d m 网络，主要由节点和节点之间的点对 点w d m 链路构成。所有到达节点的业务量都必须经过光电转换，转化为电信号 进行相关的处理，然后再调制到波长上以光信号形式离开节点。这种网络中，即 使大部分业务是“穿通”业务( 即不以本地节点为目的节点，只是通过本地节点 进行转发的业务) ，本地节点也必须对所有的业务进行上下路处理。并且如果一 个业务流要经过网络中的多跳才能到达目的节点，那么在每一跳节点处，它都会 经过光电光的转换处理，因此全网的交换结构复杂度、电处理开销都很大。在这 种网络体系结构中，显然电子瓶颈会限制网络的传输速率。 针对第一代光网络冗繁的处理交换过程，第二代光网络应运而生，其采用的 基本设备是光分插复用设备o a d m ( o p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r ) ，业务的上下路 在o a d m 处进行。o a d m 的作用在于它可以终结指定的波长通道，而让其它的 光波长信号不经处理地穿过本节点，完成透明的传输。一般而言，对于网络中给 定的节点，穿通业务总是远远大于需要在本地上下的业务。因此，只要业务的比 例安排合理，采用o a d m 可以大大降低本地节点的电处理开销，从而节省全网 代价。o a d m 的功能比较简单，因此主要用于构建w d m 光纤环状网络，这种网 络主要针对城域网市场。 网状的拓扑结构由于配置灵活、能够提供更为快速有效的容量配置、带宽利 用率高等优点，现在已经成为长距离骨干网的主要组网方式。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0 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 ( o p t i c a l c r o s sc o n n e c t ) ，也就是所说的波长路由器，即是一种能够实现在光域上进行交换 的设备。它是以光波信号为操作对象，交换在光域上实现，无需进行光电光转换 和电信号处理。o x c 实际上就是一个具有光接1 ：3 的波长交叉连接设备，内部集成 了网元管理单元，能够控制波长在光交叉连接矩阵中具体的交换方式，从而能够 完成波长级粒度的交换。根据o x c 内部光路信号的物理连接状态是否固定， 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 o x c 可以分为静态和动态两种。 静态交叉连接设备可以将任意一个输入光纤中的某个特定波长通道连接到任 意一个输出光纤中的相同波长通道上去，但是这种连接配置是静态的，不能根据 网络业务的具体情况动态地调整路由，即构成了所谓的静态波长路由网络。 动态交叉连接设备不仅可以提供输入输出波长通道之间的互连，而且可以根 据业务需要动态调整连接配置，甚至可以具有波长变换能力，也就是说可以将某 一输入光纤上的某一波长信号连到某一输出光纤的另一波长上，无波长连续性要 求，这无疑可以有效提高光网络中波长信道的利用率。以动态交叉连接设备为基 础构建的动态波长路由网络被称为第三代光网络，在第三代光网络中，承载数据 的光信号可以穿过中间节点，不需进行光电转换，比在每个节点都采用高容量电 交换和路由设备的技术方案节省了大量开销。 在此基础上，光分组交换o p s ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 被提出，它将电网络 分组交换的概念移植到光网络中，成为一种最理想的全光交换网络实现方案。至 此，一共有三种实现全光交换网络的方案：光路交换o c s ( o p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n g ) 、光分组交换o p s 和光突发交换o b s ( o p t i e a lb u r s ts w i t c h i n g ) 。在下一 节中，将简单分析它们各自的特点，并做一个简单的技术比较。 1 2 光路交换技术 光路交换o c s 2 】类似于传统电信网络中的电路交换，是一种面向连接的交换 技术。o c s 在传输数据前，要建立光路连接，光路连接跨越一跳或多跳光纤链 路，且独占光纤链路上的一个波长信道，整个交换过程包括连接建立、连接保持 和连接释放三个阶段，o c s 是目前最为成熟的一种光交换技术。其优势在于协议 相对简单，易于实现，技术成熟。网络为每一个业务请求建立一条端到端的通 路，并采用的是双向预留机制。由源节点发出建立连接请求的控制分组，为光路 的建立寻找路由以及配置波长，当光路成功建立后，由目的端发回确认信息，源 端就可以进行数据的发送。 o c s 的特点适合高带宽，高速度并且有一定持续时间的业务流。但目前网络 中的流量多是具有较高突发性的业务，因此在这种情况下，业务的变化会导致光 路的拆建非常频繁，因此o c s 在这种情况下并不是一个高效的传输模式。o c s 提供的是以波长为粒度的传输方式，对于目前具有突发性的网络流量，一方面可 能会导致较低的带宽利用率；另一方面链路上波长的数目有限，所能建立的光路 有限，即使在网络中配置有波长变换器时，所能建立的光路也会受到波长数目的 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 限制，因而无法在所有的路由器间建立所需的光路。正是由于o c s 的带宽利 用率低、灵活性差、不能适应数据业务高速增长的需要，光分组交换的研究才逐 渐引起人们的重视。 1 3 光分组交换技术 光分组交换技术【3 】试图直接在光层上实现精细粒度的分组交换，能实现统计 复用，带宽利用率较高，适合于传输类似d 的突发数据。因此，o p s 是一种未 来发展前景良好的先进技术。o p s 的发展已有多年的历史，世界上很多国家已经 做了这方面的研究，并取得了一定的研究与实验成果。 o p s 网络可以看作是电分组交换在光域的延伸，其转发的基本数据单位是光 分组。光分组由分组头和净荷两部分组成，分组头包含控制路由信息，在每个中 间结点被提取和处理，以确定分组的转发路径，然后修改后重新写入光分组。这 个过程与现在p 路由器中分组的存储转发过程完全类似，所不同的是在光分组交 换中，这一切都在光域内进行，彻底消除了“电子瓶颈”。 光分组交换o p s 的典型特点是“存储一转发，一般不需要建立连接，采用 单向预约机制。光分组交换o p s 是一种细粒度的交换机制，由于它以统计复用的 方式占用网络通道中的带宽资源，因此特别适合具有突发性的数据业务。分组净 荷紧跟在分组头后面，在相同光路中传输，网络中间节点需要缓存净荷，等待分 组头的处理，以确定路由。由于目前还没有高速的光逻辑器件，分组头的处理仍 需要进行光电转换后处理，然后进行电光转换。由于在光域不存在类似电域的 r a m ，只能使用光纤延迟线f d l ( f i b e rd e l a yl i n e ) 使数据延迟有限的时间，而 f d l 往往比较笨重，不灵活，存储深度有限。并且由于要区分分组头、分组结束 标识等，还需要解决o p s 中的同步问题，而在o p s 交换节点处，多个输入分组 的精确同步难以实现。因此，目前o p s 仍然处于不成熟阶段，而且成本非常高。 1 4 光突发交换技术 如前所述，o c s 虽然比较成熟但并不适合于承载具有突发性的口数据业 务，而o p s 又面临着近期难以克服的技术障碍。考虑到o c s 和o p s 应用上的局 限性，有研究者提出了光突发交换o b s 4 。5 】，进而引起越来越多的人的注意。 o b s 具有以下几个特点： 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 ( 1 ) 具有中等交换粒度，突发包由分组汇聚而成，只使用一个突发控制包 b h p ( b u r s th e a dp a c k e t ) ，从而使每个数据单元具有较低的控制开销。从不同源端 到不同宿端的突发包可以利用统计复用的方式，有效地利用链路上相同的带宽， 带宽的利用率较高。 ( 2 ) b h p 和突发数据包b d p ( b u r s td a t ap a c k e t ) 的分离，有效地降低了中间 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 走向实用化。带宽单向预留，突发包跟随在控制包后，而无需等待响 应包，比电路交换大大减少了端到端延迟。 ( 3 ) b h p 在网络中为即将到来的b d p 预留资源，使b d p 在网络中能够进 行全光传输，不经过任何的光电光转换，消除了电子瓶颈而导致的带宽扩展困 难。o b s 的服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 支持特征也符合网络发展的趋势。 通过上述介绍，可以比较发现o b s 是将o c s 和o p s 相结合的折中方案，其 交换粒度位于上述两者之间，与o p s 相比，交换粒度较粗，因而处理开销大为减 少。o b s 克服了o c s 和o p s 的不足，在较低的光子器件要求下，实现了面向p 的突发数据业务的快速资源分配和较高的带宽率用率，能有效的支持上层业务和 高层用户的突发业务。 1 5 主要研究工作和内容安排 如前所述，o b s 是一种很有前途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，目前仍旧处于理论研究阶段，许多问题仍然有待解决。其中突 发包的汇聚与组装是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 输入核心交换网络突发包的特性，会直接影响o b s 网络的整体性能。本文主要 基于o b s 边缘节点的角度，对突发包汇聚算法展开研究。正文具体章节内容安 排如下： 第二章，分析了o b s 网络的基本原理，网络体系结构，边缘路由器和核心 路由器的功能结构，讨论了边缘节点汇聚算法的意义及常见汇聚算法。 第三章，针对边缘节点的汇聚算法，通过理论分析和仿真研究了在泊松流和 自相似业务流输入情况下几种汇聚算法的流量汇聚性能和流量整形效应，然后在 不同汇聚参数和负载条件下对几种汇聚算法进行了仿真对比。 第四章，研究了边缘节点汇聚算法的时延性能，在不同汇聚算法下对分组的 最大汇聚时延和平均汇聚时延进行了理论分析和仿真验证。并在此基础上，改进 了一种基于优先级划分的时延区分汇聚算法，通过对高低优先级业务分别采取不 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 同的预留机制来减小高优先级业务时延以达到时延区分的目的，并通过理论分析 和仿真验证了该算法的时延性能。 第五章，主要介绍了本文采用的仿真软件o p n e t ，在此基础上搭建了通用 的o b s 仿真平台，并详细介绍了如何用o p n e t 建模仿真的思路以及各个模块的 设计。 第六章，对全文做出了总结，得出了结论和下一步工作。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络基本原理与体系结构 第二章光突发交换网络基本原理与体系结构 2 1 光突发交换网络原理 根据上一章的描述可知，光突发交换( o b s ) 结合了光路交换和光分组交换技 术的优点，其基本思想是将突发数据包b d p 和控制包b h p 分开、数据信道和控 制信道分离。在o b s 网络中的边缘节点处，多个m 分组汇聚成一个大的突发数 据包b d p ，一旦满足汇聚条件，首先通过控制信道发送控制包b h p 。采用一定的 资源预留协议，控制包在核心路由器中为相应的突发数据包b d p 预留一定的带 宽资源。控制包b h p 发送以后，经过一定的偏置时间，发送对应的突发数据包 b d p ，其基本原理图如图2 1 所示。 突发数据包在o b s 网中的传输交换完全在光域内完成，不需要进行光电光 转换。突发数据包由一些p 分组组成，这些d 分组可以是来自传统口网中不同 的路由器，而b h p 在独立于数据信道的控制信道中传输，如图2 1 所示。每个突 发数据包对应于一个b h p ，源节点需要设置b h p 与突发数据包的偏置时间，即 b h p 与相应的突发数据包发出的时间间隔。通过设置恰当的时间间隔，可以不需 要光存储和执行光同步就能保证一定的q o s 。b h p 中包含突发数据包传输交换所 必需的控制信息，如突发数据包的长度、偏置时间等。b h p 在中间节点需要进行 光电转换，在电域内进行路由判断，保证突发数据包在偏置时间内完全在光域内 完成传输和交换。由于突发数据包是统计占用带宽资源，从而提高了不同连接之 间的传输效率。在波分复用( w d m ) 系统中，b h p 占用一个波长或者几个波长，突 发数据包占用其它波长；对于多光纤系统也可以是b h p 占用一根光纤或其中的 几个波长，而其它光纤和波长用于突发数据包的传输。 控制信道 数据信道 图2 1 光突发交换原理图 7 重庆邮电大学硕士论文g _ - 章光突发交换网络基本原里与健丕缱塑 由于b i - i p 已经预留了相应的带宽资源( 同时也配置好了核心路由器) ，突 发数据包可以在全光路上传输。这样既提高了交换速度，又充分地利用了网络的 带宽资源。 2 2 光突发交换网络体系结构 入口节点。 1 i p 分组的汇聚 2 偏置时间的管理 3 d b 和b h p 的产生 佃s 网络 l 核心节点： 1 b h p 的处理 2 b h p 路由功能 3 数据信道的调度 4 d b 的交换 出口节点： 1 d b 的解汇 聚 i p 网络 图2 2 0 b s 网络功能模型 o b s 网络结构的功能模型【6 】如图2 2 所示。在o b s 网络的入i ：2 1 节点，根据到 达d 分组的目的节点地址和q o s 要求，将i p 分组分别插入到不同的子队列中， 各子队列根据p 分组到达的时间和各子队列的长度采用一定的汇聚算法将口分 组汇聚成突发数据包。核心节点根据对应的控制包b i - i p 中包含的信息为后续到 达的突发数据包预留带宽资源、配置交换矩阵，同时b h p 将通过一定的路由算 法发送到下一节点。在出口节点，各个突发数据包被重新分解( 解汇聚) 成原来 的d 分组，并将这些单个的d 分组发送到对应的目的节点。 突发数据包是由多个p 分组汇聚组成的长包，这些p 分组可以来自传统p 网中的不同路由器。突发数据包在o b s 网络中的传输交换不需要进行光电光的 转换，完全在光域内完成，控制分组和突发数据包通过核心节点各自在电域和光 域完成传输交换。控制分组在独立于数据信道的控制信道中传输，每一个突发数 据包对应一个控制分组。源端需要设置控制分组b i - i p 与突发数据包b d p 之间的 偏置时间，即b h p 先于对应的突发数据包发送的时间间隔。通过设置恰当的偏 置时间，可以满足不同的服务质量q o s 要求。控制分组包含有对应突发数据包传 输交换所必需的控制信息，如突发数据长度、数据信道和偏置时间等。控制分组 到达中间节点后，经过光电转换，在电域内进行处理，中间节点的控制分组处理 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络基本原理与体系结构 模块根据这些信息对光空分交叉矩阵等光器件进行配置形成光通路。偏置时间 后，突发数据包到达中间节点，直接通过已经配置好的光通路，完成在光域上的 交换。 2 2 1 光突发交换网络核心路由器功能结构 光核心路由器的通用结构【7 】如图2 3 所示，它主要由入口f d l 、一个光交换 矩阵、一个交换控制单元( s w i t c hc o n t r o lu n i t ) 和路由& 信令处理器组成。数据信 道是连接到光交换矩阵的，而控制信道终止于s c u 。如果有( 固定的) 入口f d l ， 那么它被用来延迟到达的突发数据包使得s c u 有足够的时间处理对应的b h p ， 突发数据包在核心路由器处仍然保持光信号的形式。f d l 提供的光缓存是用于在 出口d c g ( d a t ac h a n n e lg r o u p s ) 处解决突发数据包的竞争问题。通用结构的一个 典型例子是一个有n 条输入和n 条输出光纤的均衡路由器，其中每条光纤由 d c g 和c c g ( c o n t r o ic h a n n e lg r o u p ) 组成。 图2 3 中可以使用不同的光交换矩阵，例如广播选择形式的交换和交换结 构。这里我们考虑一个带有出口队列的理想无阻塞光交换矩阵，一个n x n 无阻 塞的光交换矩阵的结构图如图2 4 所示，其中空间转换部分可以将一个突发数据 包从任何入口波长信道转换到任何f d l 处，只要该突发数据包没有和其它数据包 重叠。 n c h a n n e lm a p p i n g 图2 3 光核心路由器通用结构 9 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络基查堕堡墨竖! 童堕 n b s s ：b r o a d c a s t s e l e c ts w i t c h n 图2 4 无阻塞光交换矩阵的结构图 图2 3 中s c u 的功能类似传统的电路由器，路由处理器为整个o b s 网络管 理路由和其它控制协议，它建立和维护路由表并为s c u 计算转发表。转发可以 是无连接的，也可以是面向连接的( 通过信号事先建立路径) ，查询转发表后， s c u 决定在哪一个出口d c g 和c c g 上转发到达的b h p 和突发数据包。无论是 在突发数据包到达光交换矩阵的时候，还是经过f d l 一段时间的缓存后，只要有 空闲的数据信道和控制信道，那么s c u 就会选择光缓存的f d l 并配置光交换矩 阵以让突发数据包通过，否则，突发数据包被丢弃。在光交换矩阵和s c u 中安 排突发数据包和对应b h p 调度的同时，s c u 也试图通过尽可能的保持偏置时间 靠近来使得突发数据包和对应b h p 的同步。 如果一个突发数据包在其b h p 被处理之前到达了光交换矩阵( 这种现象称 为突发提前到达) ，那么突发数据包将被丢弃。如果突发数据包到达光交换矩阵 时没有建立好路径，那么它也被丢弃。因为b h p 和突发数据包是分别在s c u 和 光交换矩阵中处理的，所以必须严格控制入口f d l 所带来的延迟，使得在一般流 量情况下，由于突发数据包提前到达而导致的丢包很少。 2 2 2 光突发交换网络边缘路由器功能结构 o b s 网络边缘节点是其它网络结构的集合点和转换点( 如以太网等) ，它分 为入口边缘节点和出口边缘节点。一个边缘节点连接着多个运行在o b s 网络链 路层协议之上的子网络，入口边缘路由器的功能包括： ( 1 ) 将到达边缘节点的包按照目的地址和q o s 要求分类缓存。 ( 2 ) 将发往同一出口边缘路由器的一定数量的包汇聚成突发数据包。 ( 3 ) 插入在目的节点提取p 包所需信息并发出b h p 。 ( 4 ) b h p 在光网络中为突发数据包的传输预留需要的资源。 ( 5 ) 在网络上转发突发数据包。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络基本原理与体系结构 反之亦然，出口边缘路由器的功能则是从突发数据包中提取出口包并将它们 转发往目的网络。 一般情况下，o b s 网络的边缘节点都分别具备入口路由器功能模块和出口路 由器功能模块，这样它不但可以将传统网络的分组汇聚发送到o b s 网络中，同 时也可以将o b s 网络的突发数据包解汇聚，发送回传统网络。 简单的边缘路由器功能结构如图2 5 ( 发送部分) 和图2 6 ( 接收部分) 所 示，线卡( l i n ec a r d ) 和交换矩阵( s w i t c h ) 都和传统路由器一样。每个线卡可以分解 为接收部分和发送部分，分别表示为线卡( r ) 和线卡( s ) 。l 层和2 层的解封装功能 和路由表查找、业务分类、整形等在内的包转发功能都在线卡( r ) 中实现。线卡( s ) 则主要实现1 层和2 层的封装功能。边缘路由器发送部分( 入口) 的主要功能是 将包汇聚成突发数据包并根据o b s 协议转发到核心网络。图2 5 所示线卡( r ) 的附 加功能是在包的尾部加上出口边缘路由器的地址( 假设是无连接转发) ，这个地 址将会被后续的包汇聚器用到。 n i l i n ec a r d ( r )- 啼 - - b u r s t 叫s c h e d u l e r 卜 b u r s t & b h p a s s e m b l e rt xm o d u l e s w i t c h b u r s tb u r s t & b h p - 呻 a s s e m b l e rhs c h e d u l e r 卜。t xm o d u l e l l i n ec a r d ( r ) - _ d c g g d o g c o g 图2 5 发送部分 d c g c c g d c g c c g 图2 6 接收部分 图2 5 中的突发包汇聚器( b u r s ta s s e m b l e r ) 根据出口路由器地址和q o s 要求将 d 包汇聚成为突发数据包。对多播业务来说，汇聚是基于多播组地址的。调度器 ( s c h e d u l e r ) 根据突发包类型和q o s 要求按照一定的顺序来调度突发数据包的传 输。它记录每条数据信道的未调度时间，也记录每条控制信道的未调度时间。对 于一个给定的突发数据包，调度器分别试图在数据信道和控制信道上找出最近的 时间来发送突发数据包和b i - i p 。突发数据包和b h p 传输模块( b u r s t & b h pt x m o d u l e ) 贝0 负责在预定的时间传输b i - i p 和突发数据包。 n 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络基本原理与体系结构 边缘路由器的接收( 出口) 部分结构如图2 6 所示，f d l 使得b h p 接收器 ( b h pr e c e i v e r ) 有足够的时间处理b h p 和通知突发包接收器( b u r s tr e c e i v e r ) 接 收对应的突发数据包。突发数据包被接收后，它和b h p 中承载的信息一起被发 送到突发包解汇聚器( b u r s td i s a s s e m b l e r ) ，在那里突发数据包被解汇聚成为口 包，接下来这些包与在传统路由器中一样被转发到下一跳。如果需要的话，突发 数据包重排和重传也在突发包解汇聚器中处理。 2 3 光突发交换网络边缘节点汇聚算法 2 3 1 边缘节点汇聚算法的意义 前面已经对光突发交换网络的原理做了简要介绍，这节我们主要对其关键技 术之一的边缘节点汇聚算法进行描述，这也是本文主要研究的内容。首先对于边 缘节点来说，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，汇聚部分还决定了输出突发数据包的流量特性，进而在 很大程度上影响到网络的性能。在边缘节点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。 首先，汇聚算法应该具有较强的业务适配能力【8 州。例如，针对以口分组 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。因为采用汇聚算法的初衷就是为了增大传输交换粒度，降低系统实现难 度，并提高网络效率。过短的突发数据包一方面会造成控制信道的传输拥塞和处 理拥塞，因为每一个突发数据包都对应着一个控制分组，大量的短突发包就会产 生大量的控制分组，会加重控制信道的处理负担。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