（通信与信息系统专业论文）光突发交换的应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 j iq p ii - _ - - 中文摘要 | f 近年来，由于互联网业务的指数增长和光网络技术的迅速发展，下 一代互联网- - i po v c ro p t i c a l 已成为互联网研究的热点。光互联网的光层 不仅给i p 层提供高速信道，还提供透明的比特流和编码格式采用基于 i po v e ro p t i c a l 技术的光互联网，可减少网络各层之间的中间冗余部分和 功能重叠，减少设备操作、维护和管理费用。 目前有三种交换技术：波长路由、光分组交换和光突发交换。基于 波长选路的光网络的交换粒度太租( 一般为波长级) 。如果用它来承载以 l p 包为代表的数据业务，则缺乏灵活性且对光学带宽的利用率极低。而 分组交换技术在灵活性和带宽利用率方面表现出独有的优势，能够以非 常细的交换粒度按需地共享一切可用的带宽资源，但又由于光的分组交 换一直面临成本和一些难以克服的技术障碍，如分组同步技术、分组冲 突( 对资源的竞争) 问题以及合理高效的交换结构和分组格式，一时也 不能进入实用阶段。在光信号处理技术尚未足够成熟，无法实现全光分 组交换的实际情况下，为了克服交换中的屯子瓶颈闯题和提高带宽利用 率，很有必要研究光突发交换。 一 光突发交换结合了波长路由和光分组交换的长处，能建立t 比特光 路由器和实现i p o v e r o p t i c a l 。文中介绍了光突发交换的基本概念、结构 以及光路由器的般结构。详细介绍了有关数据信道调度的两种算法： 最新得到的未被调度的信道算法和具有填充空闲部分的最新得到的未被 使用的信道算法。 接着，重点讨论了在光突发网络如何利用光纤延时线提供服务质量。 通过延迟线，可以降低分组的丢失率。与基于缓冲器的服务质量方案不 同，基于偏移时间的服务质量方案不仅能利用缓冲器来区分业务，而且 能充分利用光纤延时线来提高服务质量。这使得这个方案适用于下一代 光网络。文中分析了波长和光纤延时线预窘实现分类所需的偏移时阃以 及光突发数据丢失率的上限和下限。为了减少时延，详细地研究了一种 新的光纤延时线的调度算法。通过光突发数据丢失率和捧队时延的仿真 结果来评价服务质量的性能指标。仿真结果验证了以上方法的可行性和 有效性。 f 随着多协议标签交换o v l v l s ) 的发展，光突发交换技术和m p l s 的相 互结合产生了一种更加灵活、紧凑的i p d w d m 集成方案基于标签的 光突发交换( l o b s ) 。m p l s 利用简化的标签取代传统坤包的量长前缀 地址匹配。加快了前向转发速度，并在边缘路由器定义了前传等效类 ( f e e ) ，将i p 地址映射进标签交换通路( l s p ) 。l s p 采用两种方法：显式 3 山东大擎硬士擘位论文 路由脚逐跳分配莆种方法使用不嗣的协议和流量工程定啦囊 路由；后者应用于p 与m p l s 的叠加模型中m p l s 中的标签分配协议 和资源预留协议用于l s p 通路建立、拆除和维持同时，m p l s 蠢量工 程利用扩展的内部同关协议和链路状态遗告伍s a 信息传递同络拓扑和 资源信息受限的路由协议使用扩晨的i g p 决定l g p 路由完成整个同络 的资源工程a 城c c 髓蛔洫m - 腿伽面由是q o s 选路的般形式，可 以自动配置滚量工程m p l s 定义了标签的入栈、出栈、交换三种操作。 用于l s p 的业务整合，同时，标签交换仅仅交换入口和出日标签p 层 完成第三层功麓，l o m m p 雌在入口路由鲞主要完成：整合口包形 成突发数据：队头突发数据计算儡置时问，月时激发含此售置时问的控 制分组；在偏置时问后将相应突发数据送入光层。在出口节点完成相反 操作光层完成突发交换、波长转换、突笈数据延迟缓冲、光放大等 l o b s 支持蠢量工程。控麓遵道可以承载m p l s 信令协议m p l s 控嗣 的应用降低了维护独立光层的复杂性限口定义、地址分配、赢层协议互 连、流量管理等) 增加了不同设备袁互连的可操作性文中讨论了l o b s 交换网络结构、流量工程和q 略等目题 n 殴是一种可扩展的、易配置和鳊程的，用于罔终性箴分析、评估 罔络设计方案以及同络故障诊断的仿真工具。为了评价衄s 同络的性 能，在n s 2 的基础e 初步设计了s 璐。可以用它定义光突发交换同络 的拓扑结构，运行仿真、动态麓察仿真过程和处理仿真蔹据 关键字：光突发交换、服务质量、f d l 谓度算法、 4 多协议标签交换 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，i po v e ro p t i c a l n e t w o r k sf o rt h en e x t g e n e r a t i o n i n t e r a c th a v er e c e i v e de n o t l n o u sa t t e n t i o n 。t h e r ea r et w om a i nd r i v e r sf o ra n o p t i c a li n t e m e t 。o n e i st h ee x p l o s i o no fi n t e r a c tl l a f n c ，w h i c hs e e m st ok e e p g r o w i n ge x p o n e n t i a l l y a t h eo t h e rd r i v e ri st h er a p i da d v a n c ei nt h eo p t i c a l n e t w o r k i n gt e c h n o l o g y 。h a v i n ga na l l - o p t i c a ll a y e ri nt h eo p t i c a li n t e r a c t w i l l p r o v i d et h e i pl a y e rw i t hn o to n l yd i r e c t h i g hs p e e dc o m m u n i c a t i o n p i p e s ，b u ta l s ot r a n s p a r e n c y t ob i tr a t ea n d c o d i n g f o r m a t 。 t h e r ea l et h r e e s w i s h i n gt e e l m o l o g i e s f o r o p a c a l n e t w o r k s ：w a v e l e n g t hr o u t i n g 、o p t i c a lp a c k e ts w i t c i l i n ga n do p t i c l a lb u r s t s w i t c h i n g 。t h ef o r m e rh a sb e e nu s e d b u tt h et w ol a t t e rh a v eb e e ni nt h e r e s e a r c h 。u p o nc o m p a r i s o n ，h i sn e c e s s a r yt os t u d yo b s a m o n g t h e m o b si sap r o m i s i n gs o l u t i o nf o rb u i l d i n gt e r a b i to p t i c a lr o u t e r sa n d r e a l i z i n gi p o v e ro p t i c a l ，w h i c hc a nc o m b i n et h eb e s to f w a v e l e n g t hr o u t i n g a n d o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g 。i n t h ep a p e r w ed e s c r i b et h eb a s i cc o n c e p to f o b sa n dp r e s e n tag e n e r a la r c h i t e c t u r eo fo p t i c a lr o u t e r si nt h eo b s n e t w o r k 。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 mi ss t u d i e di nd e t a i l 。 w ed i s c u s st h ei s s u eo f h o wt op r o v i d eb a s i cq u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) i no p t i c a lb u r s t s w i t c h e dn e t w o r k sw i 也l i m i t e df i b e rd e l a yl i n e s ( f d l s ) 。 b yi n t r o d u c i n gt h ef d l b u f f e r s ，o n ec a nr e d u c et h el o s sp m b a b i l i t yi n o b s 。u n l i k e e x i s t i n gb u f f e r - b a s e dq o s s c h e m e s ，t h eo f f s e t - t i m e - b a s e d q o s s c h e m ed o e sn o tm a n d a t ea n yb u f f e rf o rt r a , f i ci s o l a t i o n ，b u ta l s oc a l l t a k ea d v a n t a g eo ff d l st oi m p r o v eq o s 。t h i sm a k e st h ep r o p o s e dq o s s c h e m es u i t a b l ef o rt h en e x tg e n e r a t i o no p t i c a li n t e m e t 。t h eo f f tt i m e s r e q u i r e df o rc l a s si s o l a t i o nw h e nm a k i n gw a v e l e n g t ha n df d l r e s e r v a t i o n s a r eq u a n t i f i e d ，a n dt h eu p p e ra n dl o w e rb o u n d so nt h eb u r s tl o s sp r o b a b i i i t y a r ea n a l y z e d 。t om i n i m i z ed e l a y ，an o v e lf d ls c h e d u l i n ga l g o r i t h mi s 5 山东大学硕士学位论文 s t u d i e di nd e t a i l 。s i m u l a t i o n sa r ea l s oc o n d u c t e dt oe v a l u a t et h eq o s p e r f o r m a n c e i nt e r m so f b u r s tl o s sp r o b a b i l i t ya n d q u e u i n gd e l a y 。w b s h o w t h a tw i t hl i m i t e df d l s t h em e n t i o n e ds c h e m e sc a nb ev e r ye f f i c i e n ti n s u p p o r t i n gb a s i cq o s 。 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm p l s ，t h ec o m b i n a t i o no f 口l sa n do l b s p r o d u c e t h el a b e l e do p t i c a lb u r s t s w i t c h i n g f r a m e w o r k ，w h i c hi sr e c a n t e da s a ne f f e c t i v em e a n sf o r a c h i e v i n g i po v e r o p t i c a li n t e g r a t i o n 。i s s u e ss u c h a s l o b sa r c h i t e c t u r e ，l r a 街ge n g i n e e r i n ga n d q o s a f ed i s c u s s e d 。 f i n a l l y ，i no r d e rt o e v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fo b s ，o b s n si s d e s i g n e d 鸽a ne x t e n s i o n t ot h en e t w o r ks i m u l a t o rn s2 。 k e y w o r d s ：o b s q o s f d l s c h e d u l i n ga l g o r i t h m m p l s 6 山东大学硕士学位论文 符号说明 a t m ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e )异步传输模式 c b r ( c o n s t r a i n t b a s e d r o u t i n g ) 基于约束路由 c c g ( c o n t r o lc h a n n e lg r o u p )控制信道组 d c g ( d a t ac h a n n e lg r o u p )数据信道组 f d l ( f i b e r d e l a y l i n e )光纤延时线 f e c ( f o r w a r d i n ge q u i v a l e n tc l a s s ) 前传等效类 i g p ( i n t e r i o r g a t e w a y r o u t i n g p r o t o c 0 1 ) 内部网关路由协议 i e t f ( i m e m e t e n g i n e e r i n gt a s k f o r c e )i n t e m e tt 程任务组 l a u c ( l a t e s t a v a i l a b l eu n s c h e d u l e dc h a n n e l ) 最新得到的末被调度的信 道算法 l a u c v f ( l a t e s t a v a i l a b l eu n u s e dc h a n n e lw i t hv o i df i l l i n g ) 具有填充空 闲部分的最新得到的未被使用的信道算法 l d p ( l a b e ld i s t r i b u t ep r o t o c 0 1 )标签分发协议 l o b s ( 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 )基于标签的光突发交换 l s p ( l a b e l s w i t c h i n g p a t h )标签交换通路 m p l s ( m u l t i p l e p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g )多协议标签交换 n n i ( n e t w o r kn e t w o r ki n t e r f a c e )网络一网络接口 n s ( n e t w o r ks i m u l a t o r )网络仿真 o b s ( o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g )光突发交换 o x c ( o p t i c a l c r o s s c o n n e c t )光交叉连接 q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e )服务质量 s d h ( 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 )同步数字序列 u n i ( u s e rn e t w o r ki n t e r f a c e )用户一网络接口 v w p ( v i r t u a lw a v e l e n g t hp a t h )虚波长通道 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 )波分复用 w p ( w a v e l e n g t hp a t h ) 波长通道 7 山东大学硕士学位论文 引言 近年来，以i p 为主的数据业务呈现爆炸式增长，数据业务已经超过 电话业务，并对网络的带宽的需求日益增加，与此同时，运用w d m 技 术的光网络已被公认为下一代宽带网络的基础由于以口业务为主的数 据业务已成为当前世界信息业发展的主要推动力，因而能有效的支持口 业务已成为所有技术能否有长远生命力的标志。这样一来，如何构建一 个新型的i po v e ro p t i c a l 网络，已成为互联网研究的热点。采用基于口 o v e ro p t i c a l 技术的光互联网，可减少网络各层之间的中间冗余部分和功 能重叠，减少设备操作、维护和管理费用。 目前有三种交换技术：波长路由、光分组交换和光突发交换基于 波长选路的光网络的交换粒度太粗( 一般为波长级) 。如果用它来承载以 i p 包为代表的数据业务，则缺乏灵活性且对光学带宽的利用率极低。丽 分组交换技术在灵活性和带宽利用率方面表现出独有的优势。能够以非 常细的交换粒度按需地共享一切可用的带宽资源，但又由于光逻辑器件 尚不存在等原因，一时也不能进入实用阶段。一种大粒度、结合了波长 路由和光分组交换的长处、实现相对简单的新交换方式一光突发交换， 成为更理想的选择。 光突发交换o b s ( o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) 分别由c h u n m i n g q i a o 和j s t u m o r 等人提出，已引起越来越多研究人员的注意和兴趣 本文第三章介绍了光突发交换的基本概念、结构以及光路由器的一 般结构。还详细介绍了有关数据信道调度的两种算法：最新得到的未被 调度的信道算法和具有填充空闲部分的最新得到的未被使用的信道算 法。 随着i n t e m e t 规模的不断扩大，网上的应用类型也各种各样，不同的 应用对网络的需求有所不同。特别是各种多媒体业务的应用不同类型 的多媒体在最大延迟、最大时滞、最高传输速度、可接受的误比特率和 可接受的分组错误率等方面的指标也不同。例如对于声音，其传输速率 较低，对比特率错误率和分组错误率要求不高，而对于图像。要求很高 的分组率，而对误比特率的要求可放松一些。因此应在光突发交换爵络 引入q o s 技术，满足不同的应用对网络的需求本文的第四章将研究光 突发网络的q o s 问题。 另外，明d m 已成为骨干光网络的核心传输技术，它在光层提供了巨 大的带宽资源。光网络正在物理层和爵络层经历着快速的演变过程，朝 着越来越智能化的方向发展。l o b s 成为一种基于光路交换和光分组交换 之间的可行交换技术，而且i p d w d m 摸型结合了m p l $ 和o b s 技术的 8 山东大学硕士学位论文 优点，为下一代光因特网的建设奠定了基础。 基于以上的分析，我的硕士学位论文选题定为：光突发交换的应用 研究。作为硕士学位论文，本文含有以下的创新性工作： 1 、在光突发交换网络0 0 s 的实现框架上，提出了一种基于最小长度 的f d l 调度算法，一方面可以减少光缓存器中光纤延时线的最大长度， 另一方面可以将延迟减少到最低程度。通过光突发数据丢失率和延迟时 间的仿真结果来评价最小长度f d l 调度算法的性能指标。仿真结果验证 了所提算法的可行性和有效性。 2 、在n s 2 的基础上初步设计了o b s n s 。可以用它定义光突发交换 网络的拓扑结构、运行仿真、动态观察仿真过程和处理仿真数据。这是 一个在n s 下开发的仿真软件，所有的类都是从n s 类继承而来，既 利用了n s 许多已有的功能，又有一些地方独立于n s ，实现了自己的 逻辑和算法。 9 山东大学硕士学位论文 第一章i po v 6 ro p t i c a i 网络 1 1 宽带i n t e r n e t 三种主要网络技术的比较 随着i n t e r n e t 的发展，i n t e r n e t 的网络规模、用户数量以及业务 量呈指数增长。为了满足这种增长需求，各种i n t e r n e t 新技术不断涌现。 其中i po v e ra t m 、i po v e rs o n e t s d h 、i po v e ro p t i c a l 成为宽带 i n t e r n e t 的主要网络技术。 现将这三种方案作一比较，如图1 1 1 所示。 i po v e ra t ms 啷s d ho p t i c a l 效率低 审 高 带宽 由 由 高 结构复杂略简极简 价格高 由 较低 传输性能好可以好 维护管理复杂略简简单 图1 1 1 三种i p 网络技术的比较 1 2i po v e ro p t i c a l 互联网结构 图1 2 1 的网络结构是由连接到光网络的i p 路由器组成，路由器之 间由动态建立的光通道连接。光网络本身不能处理单个的i p 数据包。光 互连网由多个光网络组成，每个光网络可以由不同的实体管理光网络 由多个光交叉连接设备( o x c ) 组成，o x c 之间由多条平行的光链路连接， 形成光网状网( o p t i c a lm e s hn e t w o r k ) 。该网络可以由多厂家设备组成， 每个厂商的o x c 组成一个子网，每个子网也是网状连接。 光子网中的o x c 可以是电光电交换，也可以是全光交挟予网之 间的互联通过兼容的物理接口实现，必要时可以使用光电转换与光网 络有直接物理连接的路由器称为边缘路由器。其他的客户网络( 删、s 阴) 也可以连接到光网络。 i o 山东大学硕士学位论文 光网络 图1 2 i i po v e ro p t i c a l 互联网结构 每个o x c 可以将信号从一个输入口交换到一个输出口。这种交换功 能通过适当地配置交叉连接表实现。交叉连接表通常由这样的条目组成： 。它表示从输入端口i 进入的数据流 将被交换到输出端口j 。要建立从某个o x c 的一个输入端口到另一个o x c 的一个输出端口的一条光通道，需要在输入、输出和中间o x c 上建立相 应的交叉连接，从而组成一条连续的物理通道。这里有一个前提条件， 即假定光通道是双向的，返回通道和前向通道具有相同的路由。 另外，可以使用w d m 技术将o x c 输出的多个数据流复用到一条光链 路上。w d m 功能可以独立于o x c ，也可以集成到0 x c 中。后一种情况下， 交叉连接表的条目为：( i n p u tp o r ti ，w a v e l e n g t hj ， o u t p u tp o r t k ，w a v e l e n g t hl ) ，这表示输入端口i 的波长j 被切换为输出端口k 的 波长l 。因此，光通道的自动建立涉及在相应的o x c 中设置相应的交叉 连接表，以便得到所需的光通道。 在这种网络结构中，一对i p 路由器在通信以前必须先建立一条交换 光通道。这条光通道可能经过多个子网，在每个子网中有不同的配置和 恢复方式。对于基于i p 的控制平面，蠢要设计标准的信令和路由协议， 山东大学硕士学位论文 以便实现跨子同端到靖的光通道配置和恢复同样地，在这种光网络中 传送i p 业务涉及到确定i p 的可达性，以及在整个光月络中无缝地建立 l p 点到点通道 在图1 2 1 中有两个逻辑控制接口，即用户一网络接口( u n i ：u s e r n e t - o r ki n t e r f a c e ) 和网络一网络接口( n n i ：n e t w o r k n e t w o r k i n t e r f a c e ) 1 3 网络互联模型和相应的路由方法 光同络向外部实体以固定带宽光通道的方式提供服务位于光网络 边缘的i p 路由器在i p 层开始通信以前，必须建立这种光通道因此， i p 数据在光网络中的传送是通过一层重叠的光通道罔络实现的另一方 面，i p 路由器和o x c 在控制平面可以是对等关系，尤其是在实麓可以动 态发现连接到光同络的i p 节点的路由协议时。i po v e ro p t i c a l 网络结 构在本质上是通过控制平面的组织方式来定义的假定基于印l s 的控 铜平面，根据不同的服务模型，i p 网络和光网络的控翻平面的结合可以 是松散的，也可以是紧密的 这种结合决定了光同络通过u n i 扩散的拓扑和路由信息的详细程 度、i p 路由器在光月络中选择通道的控制级别以及在路由器之阃动态配 置光通道的策略( 包括接入控制、记账和安全闷题) ，从而形成以下几种 互联模型： l 、对等模型( t h ep e e rm o d e l ) 在对等模型中，i p 层可以看做是光传送月( o x c ) 的对等层，在光 域和i p 域运行同一个u p l s 控制平面进程 2 、重叠模型( t h eo v e r l a ym o d e l ) 在重叠模型中。光传送同和i p 域使用不目的控豺平面进程在这种 情况下，两个控制平面进程相互独立，分尉运行两个域之闽的互联和 协调可以适过静态配置实现，也可以透过u n i 信令实现，但是静态配置 不利于网络的扩展这种分割方式可以鼍大限度地实现光域和i p 域的控 钥分离该方案与传统的i po v e ra i u 或h p o a 在概念上是一致的，即 光同络只是为客户层提供点到点的光运遒，两者之间的控毒i 交互影响很 少在重叠模型中，必须为光罔络定义波长路由和信令协议等 3 、扩张模型( t h ea u g m e n t e dm o d e l ) 在扩张模型中，i p 域和光域分掰运行各自的路由进程，但是要将一 个路由进程的信息传递给另外一个珞由进程饲如，外每的i p 地址可以 通过光域的路由协议携带，以便将可达信息传递给i p 客户靖 山东大学硕士学位论文 相应的路由方法： 1 、综合路由 这种路由方法支持前面的对等模型。使用这种方法时，i p 网络和光 网络运行同一个i p 路由协议进程，如带有光域扩展的o s p f 。这些扩展 必须包括光链路参数以及与光网络相关的任何约束条件。所有节点( o x c 和路由器) 维持的拓扑和链路状态信息是一致的。这就允许一个路由器 在整个光网络中计算到另外一个路由器的端到端通道。 2 、域相关路由 这种路由方法支持扩张互联模型。在这种情况下，光域和i p 域内的 路由各自独立，在域间运行一个标准的路由协议。这与i p 网络的域间路 由模型相似。 3 、重叠路由 这种路由方法支持重叠互联模型。在这种情况下，重叠路由机制允 许边缘路由器注册和查询外部地址，这与i po v e ra t m 的地址解析方法 类似。光网络可以有一个注册服务器，它允许边缘路由器注册i p 地址和 虚拟专用光网络( v p o n ) 标识符。边缘路由器可以查询其所属v p o n 的其 他外部地址。一次成功的查询将返回出口o x c 的端口地址，通过它可以 到达外部目的地址。 由于i po v e ro p i t i c a l 研究正在进行，其解决方案还不成熟，这三 种技术将在较长一段时间内共存，发挥各自的作用。但是，随着i po v e r o p t i c a l 的发展，它们最终统一于i pe v e ro p t i c a 。 j 3 山东大学硕士学位论文 第二章光网络的三种交换方式 2 1 波长路由和分配技术 给定一个网络的物理拓扑和一套需要在网络上建立的端到端光信 道，而为每一个带宽请求决定路由和分配波长以建立光信道的问题也就 是波长选路由和波长分配问题( r w a ) 。目前较成熟的技术有最短路径法、 最少负荷法和交替固定选路法等。根据节点是否提供波长转换功能，光 通路可以分为波长通道( w p ) 和虚波长通道( v w p ) 。w p 可看作v m p 的特 例，当整个光路都采用同一波长时就称其为波长通道反之是虚波长通道。 在波长通道网络中，由于给信号分配的波长通道是端到端的，每个通路 与一个周定的波长关联，因而在动态路由和分配波长时一般必须获得整 个网络的状态，因此其控制系统通常必须采用集中控制方式，即在掌握 了整个网络所有波长复用段的占用情况后，才可能为新呼叫选一条合适 的路由。这时网络动态路由和波长分配所需时间相对较长。而在虚波长 通道网络中，波长是逐个链路进行分配的，因此可以进行分布式控制， 这样可以大大降低光通路层选路的复杂性和选路所需的时间但却增加了 节点操作的复杂性。由于波长选路所需的时间较长，近期提出了一种基 于波长作为标记的多协议波长标记交换( m p l s ) 的方案，它将光交叉互 联设备视为标记交换路由器进行网络控制和管理。在基于m p l s 的光波长 标记交换网络中的光路由器有两种：边界路由器和核心路由器。边界路 由器用于与速率较低的网络进行业务接入，同时电子处理功能模块完成 m p l s 中较复杂的标记处理功能，而核心路由器利用光互联和波长变换技 术实现波长标记交换和上下路等比较简单的光信号处理功能。它可以更 灵活地管理和分配网络资源，并能较有效地实现业务管理及网络的保护、 恢复。 2 2 光分组交换 1 4 山东大学硕士学位论文 a t m i p 国 光分组交换节点屠接口单元 图2 2 1 光分组交姆网结构 i p 图2 2 1 为光分组交换网结构，图中的光分组交换节点即光i p 路由 器。光分组交换概念与电分组交换类似，每个光分组由一个光分组头和一 个光分组净荷组成，光分组头可采取带内( 光分组头与净荷位于w d m 系统 的同一波长，两者前后相接，或夹一保护带，与电分组交换方式基本相 同) 、带外( 光分组头与净荷位于w d m 系统的不同波长。一根光纤中用一个 波长集中传分组头) 和副载波三种方式。 时隙：1 6 4 6 u s r 分组头净载荷 防护带 图2 2 2k e p o s 计划使用的分组方案 1 5 时间 山东大学硕士学位论文 欧盟的a c t sk e p o s ( k e y st oo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 采用的分 组形式见图2 2 2 。一个分组时隙为1 6 4 6 us 。包括分组头和净载荷 两部分，在净载荷两边有保护带，分组中还含有同步信息。分组头采用 低固定比特率编码，如6 2 2 9 b s ，便于电处理，而净载荷段长度固定， 不论其内容如何，数据比特数取决于用户使用的速率，可以从几百w o s 到l o g b s ，便于升级。这样网络“透明”，对负载的比特率不敏感。 在光分组交换中，净荷始终在光域内。根据光分组头识别方式的不同， 总体上可将光分组交换分为两大类：一类为光识别分组头方式，另一类为 光分组头先经光电变换，然后在电域进行路由表查找以及交换矩阵控制 的方式。对于光识别分组头方式，由于尚不存在光逻辑器件，这种方式的 研究还处在非常低级的阶段，比如将只有几个比特的光分组头进行时间 到波长的映射，然后传输到作为路由表的光纤光栅序列，根据有关匹配情 况控制一个2 2 的光开关。 目前研究重点为光分组头需经光电变换的这一类。其中的副载波分 组头方式，由于可采用一些已经成熟的技术，因而实现相对容易，而且带 宽利用率高于带内及带外分组头方式。 光电混合型分组交换是让数据在光域进行交换，而控制信息在交换 节点被转换成电信号进行处理，用于分组路由和控制，这样可充分利用微 电子技术的灵活控制能力，实现数据分组的透明高速交换。该结构主要由 输入接口、交换矩阵( 一般带有光分组缓存功能) 和输出接口三部分组 成。输入接口，又称作输入同步器，根据对载荷的定位处理，使进来的分组 实时对准；交换矩阵将分组发送到正确的目的地，并实现分组竞争裁决和 空分组管理：输出接口的作用是减小或消除信号的相位抖动和功率波动， 通过快速功率均衡减小分组与分组之间的功率差异，还可以具有分组头 重写和再生的功能。具有“3 r ”( r e a m p l i f y i n g 、r e s h a p i n ga n dr e t i m i n g ) 功能的输出接口可使分组再生。 光分组交换的关键技术有光分组的产生、同步、缓存、再生，光分组 头重写及分组之间的光功率的均衡等。 l 、光分组的产生 光分组的产生必须具有码速提升的功能，即分组压缩，才能在连续的 用户信息( 如a t m 信元或i p 分组) 中加入必须的分组头部分和保护时间 ( 即交换节点光器件调谐所需的时间) ，这可由光分组边缘交换机来完 成。光分组头中包含路由信息和控制信息，分组中保护时间越长，则对分 组对准要求可降低，分组越长则可在分组中有更多的保护时间而不致牺 牲链路的利用率。但分组要考虑与现有的a t h 信元、i p 分组等兼容分 组和分组头的大小需要优化。分组较小时，具有较高的灵活性，但信息传 输效率低，影响网络吞吐量，当分组较大时，信息传输效率高，但需要大的 1 6 山东大学硕士学位论文 光缓存并且灵活性变差，因此需要根据分组丢失率在载荷和分组头之间 进行折衷。在光分组交换时，传输高速载荷( 2 5 g b i t s 以上) ，采用低 速的分组头，以便于电子电路处理，一方面可以减小处理延时，对电路要 求降低，另一方面由于路由和控制信息比特数较少，也不必用太高的速率 传输( 如6 2 2 m b j t s 以下) 。 2 、光分组同步 在光分组交换网中，由于不同的分组到达同一个节点的入口的时间 不同，按照光分组在进入交换核之前是否需要使分组对准，可把光分组交 换分为同步光分组交换和异步光分组交换两类。它们对于分组头识别和 载荷定界均要求比特级同步和快速时钟恢复( 仅对分组头) 。目前，对于 同步光分组交换研究的较多，同步光分组交换网是采用固定时间长度的 光分组时隙，所有的分组大小相同，要求所有光分组到达交换核的入口时 与本地参考时钟相位对准，即分组同步。图2 2 3 所示为同步光分组交换 节点的结构，到达交换节点的分组在进入节点之前。先用光耦合器分出一 小部分光功率，经光电( o e ) 转换后送入分组头处理电路，将分组头信 息和定时信息读出，以便进行分组同步( 使分组同步器在分组进入交换核 之前将分组对准) 和交换控制，这个处理过程必需在分组进入输入同步器 之前完成，因此在输入同步器之前需加延时大小等于处理时间的光纤延 时线。对于异步分组交换，光分组的大小可以相同也可以不同，分组到达 和进入交换节点时无需对准。 光分组穿越一定长度的光纤所需的时间取决于光纤长度、色散和温 度的变化，不同的光分组经不同的路径到达同一节点的延时不同，但这种 延时变化相对较慢，可用静态补偿来减小或消除，这可用输入粗同步器来 实现。 每个分组在节点内的延时变化取决于交换节点的结构和解决竞争的 方案，在同步光分组交换网中，采用光纤延时线作为光缓存，分组在交换 节点内穿过不同的路径，带来分组的延时变化，另外不同波长之间的色散 引起快速时间抖动，因此需要采用快速细同步器补偿这种节点内的延时 变化，温度变化的影响较慢，易于在节点内控制 粗同步器由n 级2 2 光开关和光纤延时线及一个2 x l 光耦合器构成， 第i 级光纤延时线的延时长度为1 2i 光分组长度，总的延时范围为( 0 一1 ) 分组长度的时间。具体对于每个分组的延时由控制电路控制光开关处于 不同的状态来决定，级数越多其同步效果越好，但成本越高且带来的光功 率损耗越大，光开关带来的串扰积累使误码率增加 细同步器由可调谐波长转换器加大色散光纤实现，由于不同波长的 色散所产生的延时不同，从而可实现细同步，但由于可调谐波长转换器的 调谐特性是不连续的，所以这种结构的同步嚣分辨率有限。 1 7 山东大学硬士掌位论文 3 、解决竞争的方法及光缓存 在同一时间里，可能有两个或两个以上的分组要从同一出口离开光 交换节点，即出现了分组竞争，采用不同的竞争裁决方法会对两络的性能 有很大影响。常见的解决竞争的方法有：光分组缓存、偏转路由和波长 转换。在光分组交换中。由于没有可用的光随机存取存储嚣( r a m ) ，采用 光纤延时线与其它光器件如光开关门、光藕合器、光放大嚣等结合来实 现光分组缓存，光纤延时线的延时长度等于光分组时踩的整数倍一般地， 在光分组交换中光缓存可以按照两种方法来分类，一种方法是缓存嚣中 采用单级延时线还是多级，前者一般易于控崩，后者对于大的缓存深度可 能节省硬件数量：另一种方法是延时线被连成莆向还是反馈结构，前者是 分组从一条延时线被送入下一条延时线，光分组穿过的延时光纤蒙为常 数。而后者延时线将分组送回本级的输入，意味着分组之闯穿过的延时线 数是不同的。设计光分组缓存器时要考虑分组丢失率、月络延时、硬件 成本、控制电路的复杂性、分组重新捧序、月络大小、业务负荷和类型 等。 采用偏转路由解决竞争的方法是：如果有两个或两个以上的分组需 要占用同一出口链路，实现最小路径，将只有一个分组沿所希望的链路发 送，而其他分组将沿着非最小路由被转发。因此对于每个源和目的对，一 个分组的跳数不再是固定的研究发现采用偏转路由( 在空间域里) ， 当网络的负荷增加时，异步网络受到严重的拥塞，当负荷超过_ 定的阈值 后吞吐量将完全崩溃，为了解决拥塞需加有限的光缓存 光缓存是在时域里，偏转路由是在空问域里。而- 叫是在波长域里， 光缓存提供高的网络吞吐量，但需要较多的硬件和复杂的控崩，偏转路由 较容易实现，但不能提供理想的网络性能，当上述二者再与波长转换结合， 它们的缺点可以被克服或最小化研究表明：波长转换可减少光缓存嚣的 数量或减小分组丢失率，抑制噪声和信号再整型因此在全光分组交换网 中，将光缓存、波长转换与偏转路由结合，可以得到实现光分组交换节点 的较佳方案 4 、光分组再生 一般地，在光分组交换网中，源和目的之甸全光通道不提供完全再生， 由于光信号的传输距离正比于分组跌数，在高比特事时，由于色散、非线 性、串扰、光放大器 s e ( 自发辐射) 噪声的积曩等。会限翻网络的援模， 因此需要完全再生 光分组交换避免了比特级同步( 删罔络要求的) ，但仍要求一个 分组一个分组地时钟恢复。较复杂有的文献提出了异步数字光再生器， 进行了l o g b i t s 光分组再生的实验演示，是很有希望的光信号再生器件， 它通过强迫本地时钟采用进来的数据的频率和相位。从面把再生进来的 山东大学硕士学位论文 分组，的比特率和相位转换成本地时钟的比特率和相位。 在许多提出的路由和交换协议中。还要求光分组头在每个节点被重 写，在采用相同波长串行传输分组头的方案中，用快速光开关阻塞掉旧的 分组头并在适当的时间插入由本地另一个激光器产生的新的分组头，这 种方法的关键是要求在w d m 网中新的分组头与载荷具有相同的波长，否 则由于色散、非线性或网络中的波长敏感器件等会带来严重的问题。还 有人提出，为了便于在节点修改分组头，将分组头和载荷用不同的光波长 发送，对分组头的波长采用解复用、光电转换、电子处理，然后再用该波 长发送出去，这种方法使分开的分组头和载荷在网络中传输受到光纤色 散的影响，使分组同步困难，另外也浪费波长资源，所以这种方案不太现 实。 光分组交换网的实用化，将取决于一些关键技术的进步，如光标记交 换、微电机械系统( m e m s ) 、光器件技术等。 标记交换机是基于标记来交换分组。标记交换采用路由协议产生路 由表，通过标记分配协议配置标记信息，对于本地交换它们接收标记信息 和建立转发路由表，当标记边缘路由器接收一个要转发穿过网络的分组 时，它分析网络分层头，完成网络分层服务，给一个分组选择路由，为分组 申请一个标记，然后转发分组到下一个标记交换机，基于标记交换分组， 而不用再分析网络分层头，分组到达网络出口的标记边缘路由器，在那里 将标记去掉，分组被传送。光分组交换可采用这种标记交换机在光分组交 换网的边界上产生光分组，即在原a t m 或i p 分组前加上适当的光分组头， 经光分组交换网传送和交换以后，当光分组到达光分组交换网的边界时 再由光标记交换机将光分组头去掉，将a t m 或i p 分组复原。 光分组交换核主要有光开关和其它光器件构成，传统的机械光开关 体积大、性能差，为了克服这些缺点，近年来，出现的m e m s 技术，对于实现 高质量多端口数的光分组交换核具有光明的前景，m e m s 器件以类似硅集 成电路的方式制作。各种不同材料以不同方式被多层沉积，形成复杂的多 层三维结构，最后有选择性的蚀刻，去掉一些沉积材料产生器件的可移动 部分，大多数开关利用可移动转矩镜改变光的传输方向，从而实现交换功 能，由于可实现单片批量集成，因此m e m s 器件具有低损