（通信与信息系统专业论文）光虚拟突发交换技术性能分析.pdf

重庆邮电大学硕士学位论文 英文题目一t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so fo p t i c a lv i r t u a l 一 旦丛堡! s 坠d ! 鱼鱼也g 塾星地然 硕士研究生麴墓鲤 指导教师隆妻垩垫蕉 学科专业亟焦当焦垒壅绫 论文提交日期2 鲤z ! 墨! ! 论文评阅人至邀室丞蕉重廛塑垫盘茔 堡整高墨垒差通篮盔堕盍堡金亟 答辩委员会主席 量塑多盘蕉重廛竖垫盘鲎 2 0 0 7 年5 月2 1 日 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 o b s ( 光突发交换- - o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n $ ) 作为当前技术条件下系统可实现 的一种方案，结合了光电路交换和光分组交换的优势，是较有发展前途的光交换 技术本文重点研究的虚拟突发交换技术是基于光突发交换方式上提出的，它将 多个小的实体突发数据组成一个大的虚拟突发数据，它可以降低核心节点的处理 复杂度，并且当虚拟突发数据不能整体调度时，可对小实体突发采用一定策略分 开调度，从而降低了包丢失率。 本文概括介绍了光突发交换的原理、网络结构和模块功能。结合国际国内的 研究成果，总结和讨论了光突发交换的多种关键技术，包括数据信道的汇聚机制、 调度算法、冲突解决机制、拥塞控制策略等。接着讲解了o r b s ( 虚拟突发交换) 技术的实现方法、汇聚机制和数据信道调度机制。在数据信道调度算法中，对虚 拟突发数据先进行整体或延迟调度，如不能成功整体调度，则采用本文提出的b f d 算法，算法的思想就是对虚拟突发包中的实体突发选择断点与空隙之间间隔最小 的信道，这样避免了新空隙分成更小的“碎片”空隙；调度分开的突发数据，如 不成功可以选择延迟最小的信道。该算法保证了较高的链路利用率，降低了丢包 率抢占调度策略中，提出了可以对低优先级已调度的虚拟突发数据进行重调度 或延迟调度，以保证高优先级的虚拟突发数据可以选择合适的信道最后，讨论 了l o b s ( 光标签突发交换) 技术的工作机制。在此基础上，本文采用o p n e t 系统 仿真工具搭建了仿真平台，在此平台的基础上，实现了本文提出的调度算法及现 有的算法通过仿真，分析了系统参数对网络性能的影响，结果表明b i r d 算法可 以明显降低丢包率和提高资源利用率。 本文的主要工作如下： 虚拟突发数据分开成实体突发数据时，利用b f d 算法，可以有效防止空 隙成为更小的碎片，保证了较高的链路利用率 综合考虑未调度突发与前一个突发数据的空隙及与后一个突发数据的空 隙，进行l a u c - v f 算法的改进。 关键词：o b s ，d b ，b h p ，o v b s ，虚拟突发数据 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a sat e c h n o l o g yw h i c hi sf e a s i b l ei nc u r r e n tt e c h n i c a lc o n d i t i o n , o b s ( o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) c o m b i n e s a d v a n t a g e s o fo b sa n do p s i t so n eo ft h e f a s t e s t - d e v e l o p i n gk e yt e c h n o l o g i e si nf i e l do fo p t i c a ls w i t c h i n gt o d a y v n m a lb u r s t s w i t c h i n gb a s e d0 1 1b u r s ts w i t c h i n gi st h ee m p h a s i so ft h ep a p e r , i ta s s e m b l e sm a n y s m a l le n t i t yb u r s td a t ai n t oo n eb i g g e rv i r t u a lb u r s td a t a , a n dg a l lr e d u c et h ed i s p o s a l c o m p l e x i t yo f c o r en o d e s m o r e o v e r , w h e n t h e v i r t u a lb u r s td a t ai sn o ts u l e da saw h o l e , t h ee n t i t yb u r s td a t aa d o p t st h ed i v i d i n gs c h e d u l em e t h o d , a c c o r d i n g l yr e d u c et h ep a c k e t d r o pr a t i o t l l i sp a p e ri l l u s t r a t e st h ep r i n c i p l eo f o b s 。n e t w o r ka r c h i t e c t u r e sa n dm o d u l ef u n c t i o n s , a sw e l la sad e t a i l e da n a l y s i so f t h ek e yt e c h n o l o g i e si no b ss u c ha ss c h e d u l es c h e m e o fd a t a - c h a n n d , a s s e m b l ys c h e m e , c o n f l i c ts o l v es c h e m e a n dc o n g e s t i o nc o m r o l t e c h n o l o g y t h e nt h i sp a p e re x p l a i n st h ei m p l e m e n to f o p t i c a lv i r t u a lb u r s ts w i t c h i n g ， a s s e m b l ya n dc h a n n e ls c h e d u l es c h e m e i nt h ec h a n n e ls c h e d u l ea r i t h m e t i c , t h ev i r t u a l b u r s td a t ai ss c h e d u l e d 勰aw h o l eo rd e l a y e df i r s t l i fi td o e sn o ts c h e d u l e , t h eb f d a r i t h m e t i cp r e s e n t e di nt h ep a p e ri sa d o p t e d t h ei d e ao f i ti ss e l e c t i n gt h el e a s ti n t e r v a l c h a n n e lo f t h eb r e a k p o i n to f t h ee n t i t yb u r s t sa n dt h ev o i d i nt h i sw a y , t h en e wi n t e r v a l i sa v o i d e dd i v i d i n gt h el e s sp i e c ei n t e r v a l ；t h ed e t a c h e db u r s td a t ai ss c h e d u l e dt h el e a s t d e l a yc h a n n e l t i l i sa r i t h m e t i ca s s u r e sh i g h e rl i n ku t i l i z a t i o na n dr e d u c e st h ep a c k e t d r o pr a t i o i nt h ep r e e m p t i v es t r a t e g y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h el o w e rp r i o r i t yc l a s s s c h e d u l e dv i r t u a lb u r s td a t am a yh er e s e h e d u l e do rd e l a ys c h e d u l e d ，t oa s s u r eh i g h e r p r i o r i t yc l a s sv i r t u a lb u r s td a t ac a ns e l e c tt h ea p p r o p r i a t ec h a n n e l i nt h ee n d , t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h ew o r k i n gm e c h a n i s mo f l o b s b a s e do nt h ee x i s t i n gr e s e a r c h , t h i sp a p e r g i v e sas i m u l a t i o np l a t f o r mu s i n go p n e t , a n dd e s i g n st h es c h e d u l es c h e m ep r o p o s e di n t h i sp a p e ra n dt h ee x i s t e ds c h e m e t h ep a p e rs i m u l a t e st h ep e r f o r m a n c e so fo b s n e t w o r ka n do v b sn e t w o r kw i t hd i f f e r e ms y s t e mp a r a m e t e r s 1 1 h er e s u l t si n d i c a t eb f d a r i t h m e t i cc a nr e d u c e st h ep a c k e td r o pr a t i oa n di n c r e a s er e s o u r c eu t i l i z a t i o n t h e s i sw o r k w h e nt h ev i r t u a lb u r s td a t ai sd i v i d e di n t oe n t i t yb u r s td a t a , t h i sp a p e ra d o p t s b f da r i t h m e t i cc a na v o i d st h ei n t e r v a l sb o o o m el e s sp i e c ea n da s s t t r e sh i g h e r l i n ku t i l i z a t i o n 重庆邮电大学硕士论文 s y n t h e t i c a l l yc o n s i d e rt h ep r e v i o u sv o i da n dt h en e x tv o i dt oi m p r o v et h e l a u c - v fa r i t h m e t i c k e yw o r d s ：o b s , d b ，b h p , o v b s , v i r t u a l b u r s tp a c k e t 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，也不包含为获得重鏖鲣鱼太堂或其他教育 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。 学位论文作者签名：封黼 签字日期：弘司年碉乏：卵 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖整电太堂有关保留、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 阅和借阅本人授权重庆虹壹太堂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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：词彗聋即 导师签名： 签字日期：如0 7 年箩月2 占日签字日期：了 乍x 日气 溉俨 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着社会的进步，宽带视频、多媒体业务、基于i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 的 实时准实时业务等占用带宽资源较多的新兴数据业务需求不断增长，建立高速宽 带的w d m ( 波分复用) 全光网络已成为本世纪通信网络的发展趋势 n 全光网络 是指在光域上实现交换和传输的网络1 2 l 。信息流在网络中传输和交换时始终以光的 形式存在，而不需要经过0 e 卫，o 变换。由于全光网络具有良好的信号透明性、 波长路由特性、兼容性和可扩展性，因此成为建造下一代高速( 超高速) 宽带网 络的首选【3 】。 作为实现全光网络的一种可供选择的交换技术，o b s ( 光突发交换- o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) 是指将具有相同目的地址和一些相同属性的m 分组组装成的突 发，作为网络基本传输单元的一种交换方式。它考虑到当前技术的局限性，充分 结合了o p s ( 光分组交换- o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n s ) 和o c s ( 光路交换- o p t i c a l c i r c u i ts w i t c h i n g ) 交换方式的优点，并避免了两者的不足，为当前实现全光通信 鼹络提供了一种可彳亍和有效的方式。从长期来看，o p s 是发展方向，但没有合适 的光缓存器且存在多个分组精确同步困难，因而在短时期内的商用前景并不乐 观o b $ 就是这样一种新技术，交换的带宽粒度介于一个波长带宽和一个分组所 需的带宽之间，比光线路交换带宽利用率高。又比光分组交换更贴近实用1 4 j 。可以 说，它结合了两者的优点且克服了两者的部分缺点，是两者之间的平衡选择，因而 逐渐引起了众多学者的重视 o b s 网络由边缘路由器和0 s n ( 核心交换节点) 组成。基本交换单元突发，由 b h p ( 控制分组) 与d b ( 数据突发) 两部分组成。入口边缘路由器主要负责将来自 口同的数据封装成数据突发，然后按照数据包的目的地址和q o s ( 服务质量) 类 型等指标进行分类和优先级排队出口边缘路由器则负责相反的拆封工作核心 o s n 用来进行突发的路由选择、转发和交换。o b s 网络中的关键技术主要包括突 发组装、突发路由、资源预留算法、竞争解决机制、q o s 支持等几个方面 o b s 具有以下几个特点： o b s 交换机结合了0 c s 和o p s 的优点，交换粒度介于o c s 的波长交换 和o p s 的分组交换之间，提供可变长度的突发流量( 可以是一个分组或者 多个分组不等) 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 使用带外信令控制机制，d b 和b h p 分离的异步传输交换机制。 单向预留机制，使用t a g ( t e l l - a n d - g o ) 或者a b t - i t ( a t mb l o c k t r a n s f e rw i t hi m m e d i a t et r a n s m i s s i o n ) 类似协议，d b 在b h p 发出后不用 等待确认消息即可发出，减小端到端时延【，】。 o f f s e t - t i m e 的机制，d b 在b h p 发出后等待o f f s e tt i m e 后发出。 b h p 在网络中间节点需要进行o 但转换，在电域进行处理，然后再进行 e o 转换。而d b 以c u t - t h r o u g h 的方式通过中间节点完成端到端的透明传 输。网络中间节点不需要缓存。 另外一个研究热点是o l s ( 光标签交换) ，它是h 舶p l s 和光网络结合的产物。核 心思想是使用光标签来建立数据的传送路径，简化了复杂的路由处理，进而提高数 据交换速率。0 l s 网络可以采用各种光标签技术，比较重要的一种是采用波长作标 签，也称为m p k s ( 多协议波长交换) 嘲。m p k s 具有与m p l s 相似的优势，如支持 流量工程、支持q o s ( 服务质量) 及转发速度快等。鉴于o b s 与o ls 各自的特点，两 者可以很自然地结合起来形成u ) b s ( 光标签突发包交换) 由于l o b s 结合了o l s 与o b s 各自的优点。因此具有更加良好的应用前景。 因此，不管对0 b s 和o l s 技术，还是对两者的结合产物l o b s 的汇聚和调度 机制进行研究，无论从技术本身还是应用价值方面都有非常重要的意义。首先， 在技术方面，o b s 结合了波长路由交换和分组交换的优点，在有限的时间段预留 带宽来提高网络利用率。由于控制分组的有限的不透明性，o b s 能达到对阻塞和 故障的高度的适应性。因为o b s 与o c s 和o p s 相比具有特有的优势，而且在未 来组网技术上，m p l s 具有巨大的影响，所以可以将m p l s 的思想融合到光突发 交换中来，产生一种基于标签的光突发交换技术l o b s ，为i po v e rw d m 光互联 网开辟了一种新的解决方案。其次，如前所述，o b s 技术是目前光交换中的最有 开发价值的热点技术，也将是目前全光网络的核心技术，o b s 技术具有承前启后 的广泛的市场应用前景 1 2 研究现状 下面从o b s 与o l s 两个方面来介绍与本文研究内容相关的国内外研究现状与 趋势。 ( 1 ) o b s 交换技术有以下一些重要的研究课题： 突发数据封装、突发偏置时延的设置与管理、数据和控制信道的分配、端到 端q o s 的支持、交换节点光缓存的配置、边缘节点光接收机上的突发快速同步对网 络效率影响等川这些问题是相互关联的，如光缓存( 如光纤延迟线) 的配置与b d p 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 长度的统计分布相关，而b d p 长度又取决于突发封装算法；突发数据封装、光路 由器的规模、数据和控制信道的分配又影响突发偏置时延的设置；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b d p 封装。所有的这些问题 都须综合考虑 为了提高带宽利用率，o b s 网络通过波分复用和波长时分复用来实现统计复 用如何在o b s 网络中实现组播功能为实现组播，光开关矩阵和交换控制单元都必 须具备组播能力，且两者必须能有效地协调嘲。此外，将光突发交换与现有的动态 波长路由技术有机的结合，可以使网络具有更有效的资源调配能力。 ( 2 ) l 1 0 b s 交换技术 l o b s 的研究尚处初始阶段，除了o b s 所固有的技术问题外，在诸如如何继续 扩展m p l s 体系结构以容纳更多的l o b s 特性，如何改变现有网络中的业务量聚合 方式以适合i ( ) b s 网络的边缘节点，如何在m p l s 信令架构下实现灵活的l o b s 路由 机制，以及如何为l o b s 网络设计更高效、更灵活的保护与恢复机等问题上还需要 进一步的研究【9 】。 1 3 论文结构 本论文主要介绍了o b s 交换技术的基本原理、网络结构、边缘节点以及核心 节点的结构和功能、汇聚和调度机制；详细阐述了在o b s 交换技术基础上提出的 虚拟突发交换技术，并对其汇聚算法和数据信道调度算法进行了研究，对整个系 统进行了仿真和性能分析；最后介绍了l o b s 交换网络的结构和关键技术 本论文共分为五章： 第一章，绪论。描述了本文的研究背景，指出了研究的内容和意义，并对工 作进行了简单介绍 第二章，本章主要介绍了o b s 交换技术的基本原理、网络结构、核心节点和 边缘节点的结构和功能、汇聚算法和数据信道调度算法、冲突解决机制、拥塞控 制机制。 第三章，介绍了o v b s 交换技术，讲解了虚拟突发交换的汇聚算法和数据信 道调度算法这种先整体，后分开的数据信道调度算法有效利用了虚拟突发数据 的特点，它可以灵活对实体突发数据进行时间上的延迟，合理选择信道这样可 以有效利用带宽资源，减少突发包的丢弃率，并可以与其它技术进行融合接着 描述了仿真平台，对o v b s 的数据信道调度算法进行仿真系统仿真结果显示提 出的数据信道调度算法可以有效提高信道利用率，减少突发包的丢弃率 第四章，详细描述了l o b s 交换技术，讲解了l o b s 交换网络的结构、核心 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 节点和边缘节点的结构以及关键技术、改进方案。 第五章，总结全文及未来的工作展望。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换c o b s ) 技术 第二章光突发交换c o b s ) 技术 c h u n m i n gq i a o 和m y u n g s i ky o o 在o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gc o b s ) an e w p a r a d i g mf o ra no p t i c a li n t e r n e t 1 0 l 一文中提出了o b s 交换技术的概念，由于o b s 交换技术结合了波长路由和光分组交换的优点，所以是未来一段时间内交换网络 比较理想的一种过渡方案。o b s 技术的控制分组和数据分组在时间和传输通道上 是分离的，降低了中间交换节点的复杂度( 不需要光缓存) ，同步要求低i l ”，同时 包长可变，更适应于突发数据业务【1 2 j 。 2 1 光交换技术 目前实现全光透明网还有不少困难，如光缓存器还没有实现以及全光组网技 术相应的标准需要制订，在光域处理m 分组还没有实现，所以光路由器的控制系 统仍然要在电域完成。因此现在研究的主要还是半透明的光传送网光传送网的 控制在电域完成，数据在高速的透明光数据信道传输。光传送网有三种可能的解 决方案；o c s 、o p s 、o b s 。 2 1 1 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 ) 波分光交换是目前全光网上最普遍采用的一种交换方式光路交换o c s 就是 波分光交换，在w d m 网络上称之为波长路由1 1 3 1 波长路由有两个特征，一是波长路由决定了光信号的通路【1 4 1 ，这样从一特定 节点向外发出的多路载波将会分别传输到不同的终点。二是由于每一路信号被限 定在特定的通路上，那么只要不同的光路不同时存在于同一光纤连接中，波长便 可重用。 图2 1 描述了光路交换网络的模型i ”】。它由接入点w r s ( 波长路由交换机 - w a v e l e n g t hr o u t i n gs w i t c h ) 组成，中间通过w d m 链路相连。它显示了两个连续的 波长通路：节点a 和节点c 直接通过波长丑建立的通路，另一条是节点a 和f 之间通过波长疋建立的波长通路如果在w r s l 处存在波长转换器，从源到目的 问的路由上光通路可以占用多个波长 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 图2 1 光路交换网络模型 图2 1 显示了节点d 和c 之间经过波长转换后的光通路，它在链路 d ，聊z 墨 之间占用波长 ，在链路 阡冗蔓，c ) 之间占用波长五。如果采用可选路由( a l t e r n a t e r o u t i n g ) 策略，可以从一组通路中选择一条作为光通路“波长转换”和“可选路由” 是减少网络中波长限制的两种有效方法。波长转换是一种软硬结合的解决方案， 它需要网络中有波长转换器件，同时需要算法和协议对这些波长转换器进行管理。 可选路由是一种软解决方案，需要协议，信令和管理协议来执行可选路由 2 1 2 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 ) o p s 是分组交换技术l 蚓向光层的渗透和延伸。光分组交换是一种细粒度的交 换机制【l 饥，由于它允许统计复用网络通道带宽资源，因此特别适合突发性的数据 业务 首先，o p s 按统计时分复用的方法灵活快速的分配带宽，所以网络资源利用 率高其次，根据数据业务突发性较大和非对称的特点，可采用g m p l s 等机制简 化控制和开销，实现快速路由再者，o p s 中数据交换的粒度多样化，易于实现 终端业务的接入，并便于实施流量管理。最后，o p s 对数据速率和格式及高层协 议透明，进而信令、计费和网管简单，利于降低运营成本因此，o p s 能解决网 络瓶颈并满足多样化的未来业务需求，已经引起了许多国家研究机构的重视 但且前由于在光域内还缺乏高速光逻辑器件、光缓冲存储器等，导致在“纯 光”上还不能实现光的分组交换，只能使用f d l 作为缓存器，缺乏足够的灵活性 和精度，所以目前很难实用化 如图2 2 所示光分组交换网络由核心节点、边缘节点组成，他们之同通过w d m 链路连接。边缘节点完成光分组生成以及将光分组拆分成普通分组的功能核心 6 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 节点完成光分组转发寻路功能。 图2 2 光分组交换网络 2 1 3 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 ) 针对上述两种交换方式中存在的问题，人们提出了o b s 的概念。o b s 中基本 的交换单元是突发，由b h p 和d b 两部分组成。所谓的突发指的是由一些口分组 组成的超长口包，是具有相同的目的地址和q o s 参数的分组的集合。突发的周期 被认为远小于对话的周期而远大于单个分组的周期，与o c s 相比带宽利用率将极 大提高【嘲。同时，也避免了对每个分组进行交拶b 因此，o b s 为i p o v e r w d m 提 供了一种可实现的方法。 o b s 设计的核心思想是实行b i - i p 和d b 分离的异步传输交换机制【l 们。与光电 路交换技术不同，边缘节点在发送突发包之前不必等待中间节点和目的节点的确 认信号，面是在发送控制分组后，间隔一定的偏移时间就立即将突发包发送出去 2 0 i 突发包在某个信道上传输完毕后立即释放该信道。理论上讲，这样的传输方 式下，中间节点可以不需要光r a m 。光突发交换技术不要求严格的时钟同步，从 而克服了光分组交换要求严格的同步这一缺点1 2 ”。 表2 1 是对以上三种光交换技术的比较 表2 1 三种光交换方式的比较 通过比较可以发现，o b s 集中了较粗粒度的o c s 和较细粒度的o p s 的优点， 并避免了两者的不足与o c s 相比，o b s 带宽利用率高、网络灵活性与适应性强、 接续时延低f 2 2 1 与o p s 相比，o b s 开销少、无需缓存、b h p 擦，写简单、同步简 单( 由于b i - i p 与数据突发之间的关系相对松散) ，从而易于实现。 7 重庆邮电大学硕士论文第= 章光突发交换( o b s ) 技术 2 2o b s 基本原理和网络结构 光网络中现有的交换方式并不适合支持突发性的业务田j 此外，光路的超高透 明性限制了网络管理的能力( 比如监测和快速故障恢复) 【2 4 j 。 为了在光层上提供灵活、有效并且可行的高带宽传输服务，需要一种能够利 用光通信的有利特性同时避免其局限性的新的交换方式。光突发交换正是能够实 现这样目的的一种交换方式下面将阐释o b s 的特点和网络结构。 在o b s 网络中，信道可以由一个波长或者时分( 码分) 复用下的波长的一部分构 成。传输突发数据的称为数据信道，传输b h p 的称为控制信道矧。控制包首先在 单独的控制信道上发送出去以建立连接，而等待传输的口包则汇聚成为一个数据 突发，被缓存在网络边缘节点的电缓存中数据突发长度的增加和其它基于偏置 时间的技术结合在一起，也提高了给定交换速度下的带宽利用率，或者是在保持 一定带宽利用率的条件下使得交换矩阵有更长的交换时间脚】。经过偏置时间以后， 数据突发不用等到任何连接己建立的确认消息就可以被发送出去当突发包传输 完成后，链路上的波长就立即被释放。这就减小了波长粒度以适应窄带用户和服 务闭 o b s 网络可以看成两个有联系的、相互覆盖的网络；一个传输数据突发的纯 粹的光网络，以及一个传输突发控制头( b h p ) 的混合控制网络嗍网络示意图 如图2 3 所示，它包含了由w d m 链路连接起来的光核心路由器和边缘路由器。 2 3 0 b s 边缘节点 图2 3 光突发交换网络 边缘节点功能框图如图2 4 所示。边缘节点可以分为两部分：入口边缘节点和 出口边缘节点。入口边缘节点的主要功能是在m a c 层将娈分组组装形成突发数 据，并进行排队，同时计算突发数据与对应b h p 之间的偏移时间，根据突发数据 8 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 类型q o s 请求在适当时间对送b h p 与相应的突发数据进行调度和发送。而出口边 缘节点完成相反的操作。 图2 4 边缘节点功能框图 2 。4 0 b $ 核心节点 2 4 1 核心节点基本结构 o b s 网络核心节点基本结构如图2 5 所示。核心节点主要由光纤链路、分波 器、合波器、交换控制单元和核心交换模块几部分组成网假定入口、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b h p ，这个波长在各个中 间节点首先要进行o e 变换，然后再进行电的路由表查找、光器件控制等处理过 程，最后更新b l i p 相应数据域等操作，并进行e o 变换其余噼1 ) 个波长传输突 发数据，这些波长不需要进行o e o 变换，整个交换过程在光域内完成，保证了 数据的透明性。在o b s 网络中，中间节点只需要对少量波长进行o e o 变换，在 电域对b h p 进行处理并控制光器件，因此光突发交换技术有助于解决“电子瓶颈” 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 问题p 川。光纤延迟线用于对突发数据进行缓存，可缓存有限时间光空分交叉矩 阵用于对突发数据进行交换。光纤延迟线和光空分交叉矩阵等光器件的状态由交 换控制单元进行控制，以减少冲突，使迟于b h p 偏移时间发送的突发数据尽可能 顺利的被交换出去。 图2 5 核心节点基本结构 2 4 2 核心节点模块功能及实现 下面详述核心节点的两个主要模块：交换控制单元和核心交换模块、 交换控制单元如图2 6 所示。交换控制单元通过查询转发表，决定每 一个突发数据和其对应的b h p 应该使用哪一个数据信道和控制信道。如果当突发 数据到达时或经过f d l s 延迟后有空闲的数据信道和控制信道，将选择合适的光缓 存，并配置光空分交叉矩阵让突发数据顺利通过，否则将丢弃突发数据和其对应 韵b h p 。如果突发数据在其对应的b i - i p 被处理之前进入光空分交叉矩阵( 这种现 象叫做“早到”) ，此时由于核心交换模块还没有建立好传输路径( 如还没配置好光 空分交叉矩阵) ，该突发数据将被丢弃【3 l 】 控 制 通 道 图2 6 交换控制单元功能框图 1 0 控 制 通 道 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 核心交换模块主要由光空分交叉矩阵、可调波长变换器t w c p 2 1 和光纤 延迟器f i ) l s 组成。 t w c 中波长变换的实现主要有两种方式：光电方式和全光方式其中光电方 式的基本思路是将输入波长先转换为电信号，然后进行电的再生，最后调制到一 个新的波长上去。而全光方式主要受制于半导体光放大( s o a ) 的技术，目前尚难 以实现有效、灵活的控制，无法满足实用化的需求。 由于全光实现的t w c 仍处于发展阶段，技术仍不成熟，而且价格昂贵。 因此如何从交叉模块的结构设计上减少对t w c 的需求，成为一个值得关注的 问题。 目前主要采用部分波长变换的交叉模块结构。在使用部分波长变换时，为多 个数据信道配置少量的波长变换器进行共享，而不是为每个波长信道都配置t w c 三釉可实现部分波长变换的交换结构如图2 7 历示。在图2 。7 ( a ) 的节点共享结构中， 整个节点配置一组可以共享的t w c ，需要进行变换的波长经过光空分交叉矩阵进 入这些t w c ，然后经过另一级光空分交叉矩阵送到相应的输出端口进行复用在 图2 7 泐的链路共享结构中，不需要另一级的光空分交叉矩阵，而对应于每个链路 ( 或端口) 都需要配置共享的波长变换器，不同端口之间的波长变换器不能共享在 图2 7 ( c ) 的s h a r e - w i t h 1 0 c a l 结构p 3 】中，仅当该节点需要上下信号时可用，其设计 思路是充分利用上下信号所需的o e o 器件，将原本线路到线路的光信号从直路的 o e o 通道走，从丽以o e o 方式实现波长变换， d e a m u x ：w a v e l e n g t hd e m u l t i p l e x e rm u x ：w a v e l e n g t hm u l t i p l e x e r w c b ：w a v e l e n g t hc o n v e r t e rb a n k o s w ：o p t i e a ls w i t c h 图2 7 ( a ) 节点共享结构 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 图2 7 ( b ) 链路共享结构 晌耵e l e n g t hs e l e c t i o ns w i t c h 图2 7 ( c ) t i m - r e d - w i t h - l o c a l 结构 下面介绍光纤延迟器f d l s 。由于光存储技术的限制，没有类似随机存储器 r a m 的光器件，光域的缓存很难实现，目前只能采用f d l 的方式来实现目前实 用的光纤延迟器主要可分为固定延时、可变延时和混合延时三种结构如图2 8 所 示。 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 图2 8 ( a ) 固定延时f d l 缓存器的结构 图2 8 ( b ) 可变延迟f d l 缓存器的结构 图2 8 ( c ) 混合结构的f d l 缓存器的结构 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 2 5 汇聚机制 采用什么样的算法将i p 分组组装成突发包是光突发交换的一项关键技术，本 节将讨论几种汇聚算法。 2 5 。1 固定汇聚时间算法 一种简单而直观的组装算法就是固定组装时间算法( f i x e da s s e m b l yp e r i o c k f a p ) 1 3 4 1 该算法只设置一个门限：组装时问r o 。设置为当前队列中正在组装的 第f 类突发队列的长度，为当前到达的口分组的长度，为当前缓存的计时器 的当前值，当有一个第i 种类型的d 分组到达时，组装算法的描述如下： 1 ) 当一个长度为，e 的分组到达组装队列i ： i f ( 队列当前状态为空闲) ( 启动计时器； 砚= ； ) e l s e 飓= b l , + p 厶； 将口分组组装到队列中 2 ) i f ( f l ) 形成突发包并向调度模块发出请求； 清除并停止计时器； 3 ) 当突发队列缓存收到调度模块的响应 读出突发包； 清除并停止计时器； 设置队列标志为空闲； 必= o ； f a p 算法可以对所有边缘节点采用相同的有各种不同的乃，也可以对不同的 边缘节点采用不同但固定的。这个算法显著缺点是当大量过长的分组到达时， 不能限制突发数据长度，导致分组溢出率过高。 2 5 2 自适应汇聚时间算法 显然，f a p 算法过于粗糙，它没有考虑网络流量的因素，这将会使网络的性 能受到负面影响改进的做法是采用自适应组装时间算法( a d a p t i v ea s s e m b l y 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 p e r i o d ，a a p ) 唑这一算法与f a p 算法相似，不同的是它可以根据每个边缘节点最 近发送的突发包的长度动态地调整参数。它比f a p 算法灵活，也更能够改善网 络的性能，但是实现的难度也要高很多，下面讨论一种实现起来相对简单但又比 较实用的算法 2 5 3 最小长度最大组装时间算法 最小长度最大组装时间( m i nb u r s t l e n g t hm a xa s s e m b l yp e r i o d ，m b m a p ) 算 法【3 4 1 的思想是：突发数据长度门限值可以减少分组溢出率，而组装时间值可以防 止等待时间过长只要组装时间值到达组装时间门限值或组装器中分组长度到达 长度门限值时就产生一个突发数据。算法为突发包的组装设置两个参数：最小长 度m b l 和最大组装时间。当有一个第i 种类型的p 分组到达时，组装算法的描 述如下： 1 ) 当一个长度为的m 分组到达组装队列f ： i f ( 队列当前状态为空闲) ( 启动计时器； 设置队列标志； ) 将口分组组装到队列中： 观= + 飓； 2 ) 行( 观 i v m l o r ) 形成突发包并向调度模块发出请求； 修改队列标志； 3 ) 当突发队列缓存收到调度模块的响应 读出突发包： 清除并停止计时器； 清除队列标志为空闲； 必= 0 ； 需要注意的是，一旦第一个口分组进入队列i ，则该队列的计时器就启动，直 到护或者皿户m b l ，否则计时器一直在运行 2 6 数据信道调度算法 调度算法的研究主要是为了提高信道利用率和减少b u r s t 丢失率，同时还 要兼顾复杂度和运算时间。下面主要介绍l a u c 和l a u c - v f 算法。 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( 0 b s ) 技术 2 6 1l a u c 算法 l a u c ( 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 ) 算法基本思想是：尽量为每个到达 的突发数据选择最快可以获得的空闲( 未被预约) 的数据信道以最小化信道上突发 数据之间的时隙，从而最小化输出延时瞰1 。令代表第f 个信道未被预约的时间 假设一个持续时间为的突发数据在t 时刻至达核心节点，信道调度器首先寻找t 时刻未被安排使用的数据信道。如果不止一个，则选择最近空闲时刻和t 之间时隙 最小的信道。图2 9 所示，数据信道d l 、d 2 和以的未来可预约时间为、f 2 和 毛。砬和珐信道在t 时刻空闲，又由于t - t 2 i ，d r f a b r 后，则选择c b r4 - m i n c b r x l r f p b r 。 为了使突发发送速率不至于长期快速增加，所以降低增速步伐，选择最小的 并维持在一个相对平稳的速率水平之间当r m pa c k 反馈消息中出现告警指示 时，则立即急速降低当前发送速率选择c b r4 - m a x c b r x d r f 。a 左b r 如果发送速率降低至m b r 后仍然收到r m pa c k 的拥塞告警指示则表明该 路径上出现了异常情况则必须终止突发数据的继续发送。当拥塞解除后e n 重 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 新采取上述的加速措施提升突发数据的发送速率。 2 9 本章小结 本章从比较三种光交换技术的特点入手，介绍了o b s 技术的基本原理和网络 结构，讨论了核心节点和边缘节点功能结构，重点研究汇聚机制和数据信道调度 机制，最后介绍了冲突解决机制和拥塞控制机制。 2 l 重庆邮电大学硕士论文第三章虚拟突发交换( o v b s ) 技术 第三章虚拟突发交换( o s ) 技术 3 o v b s 技术概述 前面已经讨论了o b s 交换技术，它的优势如下： 将控制分组和突发数据分离的意义在于控制分组可以先于突发数据传输，以 弥补控制分组在交换节点的处理过程中o e o 变换及电处理造成的时延。随后发 出的突发数据在交换节点进行全光交换透明传输，从而降低对光缓存器的需求， 甚至降为零，避开了目前光缓存器技术不成熟的缺点。并且，由于控制分组大小 远小于突发包大小，需要0 i v o 变换和电处理的数据大为减小，缩短了处理时延， 大大提高了交换速度。 随着网络复杂性的提高，突发数据在预留的时候发生冲突的可能性越来越大， 网络性能反而下降因此有很多方案都是在研究如何更有效的处理