（通信与信息系统专业论文）光突发交换网用可编程光缓存器.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 本论文选择光突发交换网突发包竞争解决方法光缓存法作为主要研究 方向。研究适用于光突发长度的超长性及其可变性的光缓存器方案，并分析它在 光突发交换网中配置后对网络性能的影响，主要考虑对网络丢包率和时延的影 响。本论文主要包括以下内容： 首先，提出了两种适用于光突发交换网的可编程光缓存器结构：交叉型和多 端口开关型。交叉型可编程光缓存器由多个子缓存模块串联而成，子缓存模块由 交叉连接设备( o x c ) 和光纤环( l o o p ) 组成，其中光纤环又由l x 2 光开关连接光纤 延迟线构成，通过指定信号在每个子缓存模块的光纤环中的循环次数即能实现可 变时间的延迟。多端1 ：3 开关型可编程光缓存器由两个多端口开关，控制模块和光 纤延迟线组成，通过指定信号在两个多端口开关相应端口与所接光纤延迟线组成 的光纤环中的循环次数即能实现可变时间的延迟。 其次，用o p t i s y s t c m 光子仿真软件和m a t l a b 软件相结合的方法对两种结构 进行了仿真。仿真结果表明，采用p s 级光开关，两种结构的可编程光缓存器模 块都能对光突发包实现n 8 级指定时间延迟。 第三，用o p n c t 软件对两种可编程光缓存器结构在光突发交换网中的应用进 行了仿真研究。构建了仿真平台，选取支持q o s 的j e t 协议，提出了一种简单 的资源调度算法，在相同网络流量的情况下，对比研究了采用两种可编程光缓存 器和固定时间光缓存器时，o b s 网络在丢包率和时延等方面的差异。仿真结果 表明，两种可编程光缓存器在以上性能方面有良好的优越性。 最后得出结论：两种可编程光缓存器都能满足突发包缓存的超长性和可变性 的要求，且结构简单紧凑，成本低，又能灵活地向两端扩展。因此该可编程光缓 存器能较好地解决光突发交换网突发包的冲突问题，明显减少o b s 网络的丢包 率和时延。 关键词：光突发交换、光缓存器、光纤延迟线、丢包率、时延 v 上海大学硕上学位论文 a b s t r a c t t l l i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h eo p t i c a lb u f f e rm e t h o dt h a ts o l v e st h eb u r s t c o m p e t i t i o ni nt h eo p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gn e t w o r k 1 1 1 eo p t i c a lb u f f e r , w h i c hm e e t s t h ev a r i a b i l i t ya n ds u p e r - l e n g t ho ft h eb u r s t , i ss t u d i e d 皿地i m p a c to ft h eo p t i c a l b u f f e ro nt h en e t w o r kp e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yo nt h en e t w o r kd e l a ya n dp a c k e tl o s s r a t i oi sa n a l y z e d 1 1 1 ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so f t h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s f i r s t l y , t w ot y p e so fp r o g r a m m a b l eo p t i c a lb u f f e rs t r u c t u r e ，w h i c hc a l l e d r e s p e c t i v e l yo r o s st y p ea n dm u l t i - p o r ts w i t c h i n gt y p e , f o rt h eo p t i c a lb u r s ts 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 n l ec r o s st y p ep r o g r a m m a b l eo p t i c a lb u f f e ri sl i n k e dt o g e t h e r i ns e r i e sb yan u m b e ro fs u b - b u f f e rm o d u l e sa n dt h e s em o d u l e sa g ef o r m e db yo p t i c a l g r o s sc o n n e c t i o n ( o x oa n dt h ef i b e rl o o p ( l o o p ) n el o o pi sc o m p o s e do fm a n y f i b e rd e l a yl i n e sc o n n e c t e dw i t hl x 2o p t i c a ls w i t c h 1 1 1 ev a r i a b l et i m ed e l a y sc a nb e a c h i e v e db yd e s i g n a t i n gt h ec i r c u l a t i o nt i m e so ft h eo p t i c a ls i g n a li nt h ef i b e rl o o po f t h es u b - b u f f e r m u l t i - p o r ts w i t c hp r o g r a m m a b l eb u f f e ri sm a d eu po ft w om u l t i p o r t s w i t c h e s t h ec o n t r o lm o d u l ea n dt h ef i b e rd e l a yl i n e s t h ev a r i a b l et i m ed e l a y sc a nb e a c h i e v e db yd e s i g n a t i n gt h ec i r c u l a t i o nt i m e so ft h eo p t i c a ls i g n a li nt h eo p t i c a ll o o p t h a tc o n s i s t e do ft h ec o r r e s p o n d i n gp o r t so ft h et w om u l t i - p o r ts w i t c h e sa n dt h ef i b e r d e l a yl i n e s s e c o n d l y ，t h es i m u l a t i o no f t h et w os t r u c t u r e si sc a r r i e do u tu s i n gt h eo p t i s y s t e m p h o t o ns i m u l a t i o ns o f t w a r ej o i n e dm a t l a bs o f t w a r e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h eb u f f e rt i m eo f t h eo p t i c a lb u r s tp a c k e tc a nb ep r e c i s et ot h el e v e lo f n sf o rb o t ht h e t w os t r u c t u r e sw i t ho p t i c a ls w i t c ht i m eo f p s t h e n , t h ea p p l i c a t i o no ft h et w ot y p e so fb u f f e r si nt h eo b si ss i m u l a t e db y o p n e ts o f t w a r e t h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sc o n s t r u c t e da n dt h ep r o t o c o lo fj e t , w h i c hs u p p o r t sq o s ，i ss e l e c t e d as i m p l er e s o u r c ec o n t r o la l g o r i t h mi sp r e s e n t e d 1 1 1 ed i f f e r e n c eo fp a c k e tl o s sr a t i oa n dt i m ed e l a yb e t w e e nt h ef i x e do p t i c a lb u f f e r s a n dt h ep r o g r a m m a b l eo p t i c a lb u f f e r sa r ec o m p a r e du n d e rt h es a n l en e t w o r kt r a f f i c n es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et w op r o g r a m m a b l eb u f f e r sh a v eas u p e r i o r p e r f o r m a n c e i nc o n c l u s i o n , t h et w op r o g r a m m a b l eo p t i c a lb u f f e r sc a nm e e tt h ev a r i a b i l i t ya n d v t 上海大学硕上学位论文 t h es u p e r - l e n g t ho ft h eo p t i c a lb u r s t t h es t r u c t u r ei ss i m p l ea n dl o w - c o s ta n di ti s f l e x i b l et oe x p a n d t h e r e f o r e , t h ep r o g r a m m a b l eo p t i c a lb u f f e r sa l em o r ea d a p t a b l e f o rs o l v i n gt h eb u r s tc o l l i s i o np r o b l e ma n dt l i e yc a no b v i o u s l yr e d u c et h ep a c k e tl o s s r a t i oa n dt i m ed e l a yi nt h eo b s k e yw o r d s ：o b s ，b u f f e r , f d l ，p a c k e tl o s sr a t i o , d e l a y 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：坌望日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝翩签名：盏丝 1 1 日期：塑翌 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光交换技术发展概述 通信网络是现代社会传递信息的载体，如图1 1 ，已经出现了多种服务于各 种目的的网络类型，如公共专用电话网、x 2 5 、数据网、计算机局域网、移动 电话网、有线电视网、帧中继数据传输网等。随着全球范围内口业务，如各种 多媒体网页、多媒体游戏、多媒体会议、电子商务等的迅猛增长，对传送网带宽 和交换系统容量的需求正以前所未有的速度增加。这种形势促使研究者们加快对 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) 【1 l 传输和全光交换技术深入 研究，以便适应因特网流量的爆炸式增长、业务的多样性和业务的突发性【2 1 。波 分复用技术的实用化，使光纤的传输容量极大提高，为高速大容量的宽带综合业 务网传输提供了有效途径。现在光纤传输网络面临的问题是：在传输部分带宽已 经高达数t b s ，几乎无限大；而在交换部分，仅仅只有几个g b s 的交换速率。 采用的是通常的电路交换技术( 时分、空分及波长交换) ，其交换速率则远低于这 个数值。而且其交换粒度太粗，一般为波长级。如果利用它来承载以i p 包为代 表的数据业务，缺乏灵活性，且对光学带宽的利用率极低。这是因为电子的本征 特性制约了它在交换部分的处理能力和交换速度。所以，现在很多国际大公司、 研究机构致力于研究和开发光交换光路由技术，试图在光层上完成网络交换工 作，消除电子瓶颈的影响。 与电交换技术相对应，光交换技术也可以分为光的链路交换o c s ( o p t i c a l c i r c u i ts w i t c h i n g ) ，如w d m 网络的波长路由( w a v e l e n g t hr o u t i n g ) ，光的分组 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 ) 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 ) 【3 1 。从长远来看，为了提高交换速率和带宽利用率，o p s 是发展方向，但o p s 存在着两个近期内难以克服的障碍：一是没有合适的光缓存器，目前的实验系统 中采用的光纤延迟线( f d l - - f i b e r d e l a y l i n e s ) 往往比较笨重，不灵活，存贮深 度有限；二是在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， 短时期内，光分组交换的商业应用前景并不被看好。针对电路交换和分组交换的 缺点，c h u n m i n gq i a o 4 1 和j s t u m e r t 5 肄人分别提出另一种光交换技术光突 上海大学硕士学位论文 发交换( o b s ) 。光突发交换中，使用的带宽粒度介于电路交换和分组交换之间， 比电路交换灵活，带宽利用率高，又比光分组交换更贴近实用。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，已经引起越来越多的人的注意 6 - 9 1 。 图1 - 1 现代网络类型 1 1 1 光路交换o c s 波长路由 在电路交换中，有三个完全不同的阶段：链路建立阶段、数据传送阶段和链 路拆除阶段。在链路建立阶段，源宿节点仅仅交换用以在源宿之间建立链路的控 制信息。随后，在数据传输阶段，源宿之间只有数据传送，而没有控制信息的传 送。当数据传送完成之后，就拆除该链路，这就是第三阶段。 和电路交换一样，w d m 利用波长将源节点和目的节点连接起来，组成一条 “电路”，即波长交换( 或路由) 。当有通信请求时，首先要建立波长通道。一旦 成功，主叫用户和被叫用户之间就建立起了一条实或虚的波长通道，并且在传输 过程中始终由二者占用，直到传输结束。波长路由有两个特征，一是波长路由决 定了光信号的通路，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 2 上海大学硕士学位论文 时存在于同一光纤连接中，波长便可重用。 波长路由中，信号由起点至终点的传输路径取决于波长，w d m 网络需要为 每一个连接请求建立从源到宿的光路( 每一个链路上均需要分配一个专用波长) 。 波长路由是采用基于类似t e l l a n d - w a i t 或者a t m 网络中的具有延迟传输特性的 块传输a b t - d t ( a t m b l o c k t r a n s f e r w i t h d e l a y t r a n s m i s s i o n ) 的双向预留机制， 即源节点发出连接建立请求的控制分组，当有确认消息后再发送数据，数据可以 直通( c u t - t h r o u g h ) 的方式通过网络中间节点，也就是说数据的传输至少要等 待一个端到端的往返时间( r o u n d - t r i pt i m e ) 。 1 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 ) 光分组交换o p s 是分组交换技术向光层的渗透和延伸，简单说是以光分组 的形式来承载业务数据，传输在光域中进行，交换单位是高速传输的光分组。 一般的，分组交换利用分布式控制。电路交换与分组交换的一个主要区别在 于：在分组交换网络中，在发送数据之前无需建立一条源宿之间的通路。特别的， 分组交换网络中，传送数据的基本单元是分组，它既可以是定长的，也可以是变 长的。每个分组都包含数据与控制信息( 如目的地址，c r c 校验和) 。而且，在 分组交换技术中，各个节点采取“存储转发”的方式发送分组。也就是说，当且 仅当各个节点接收到一个完整的分组之后，该节点才根据分组里包含的控制信息 为该分组选择路由并将该分组发送到下一跳。 光分组交换是面向非连接的“存储一转发”方式，不需要建立实际的物理链 路，采用单向预约机制。光分组交换是一种细粒度的交换机制，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。就承载突发性大并且 分布非对称的口数据业务而言，o p s 技术具备高速、高效、高度灵活性、透 明性、可升级性、可重构性和控制管理简单等诸多优势。 与电路交换相比，分组交换更适合于传输突发业务。这是由于分组交换允许 对传输信道进行复用，而电路交换却不能。典型的光分组交换要在节点对控制分 组进行处理的时候，利用f d l 对分组进行缓存。然而，为了解决多个分组竞争 相同的资源，交换矩阵处还需要利用f d l 。耗费了大量f d l ，而且不能很好的 保证时钟的严格同步。 3 上海大学硕士学位论文 目前由于在光域内还缺乏类似电域的存贮器等器件( 只有光用缓存器，电有 存贮器，而且缓存器不是逻辑器件) ，导致在“纯光”上还不能实现光的分组交 换。 1 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 ) o c s 特别适合于需要高速度，高带宽的业务，对于突发业务，这种交换机 制会导致极低的带宽利用率。此外由于每个链路的波长数目有限，某时刻只能存 在有限个光路，因此，对于某些节点间的业务还会存在端到端的光通路无法建立 的问题。 针对o c s 和o p s 的缺点，c h u n m i n gq i a o 和j s t u m o r 等人分别提出了 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 ) 技术，光突发交换是一种新的，非常 有发展前途的交换技术。它兼具波长路由光网络与分组交换光网络的优点，并能 够克服它们的缺点 1 0 - 1 2 】。 所谓的突发指的由有一些m 分组组成的超长i p 包，是具有相同的目的地址 和服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e 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，同 时避免了对每个分组进行交换。 如图1 - 2 所示，在光突发交换中，突发数据从源节点到目的节点始终在光域 内传输，而控制信息在每个节点都需要进行光电光的变换以及电处理。控制分 组( b u r s th e a dp a c k e t b h p ) 在w d m 传输链路中的某一个特定信道中传送，每一 个突发的数据分组对应于一个控制分组，且控制分组先于数据分组传送。b h p 与 突发数据一一对应且在源端设置其与突发数据之间的偏置时间( o f f s e tt i m e ) ，即 源端发送b h p 与发送相应突发数据之间的间隔时问。b h p 中包含数据突发的有 关信息，如偏置时间、突发长度、数据通道( 波长) 等。b h p 在中间节点转换 为电信号进行处理，包括路由的确定、资源的预约以及交换矩阵的配置等，保证 当数据突发到达时相应的数据通道已经配置好，从而实现数据在光域的透明传 输。中间节点根据控制分组中携带的信息，通过“数据报”或“虚电路”路由模 式来为突发数据流指配空闲的光信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。 4 上海大学硕士学位论文 控制波 用户a 图l - 2 光突发交换原理 1 1 4 0 b s 、o c s 和o p s 的比较 用户c 表1 1 给出了三种光交换方式的简单比较。从中不难看出，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。与o p s 相比，o b s 开销少，中间节点o e o ( o p t i c a l e l e c t r o n i c o p t i c a l ) 变换少，b h p 读写简单，同步 简单，易于实到13 1 。 表1 - 1 三种光交换技术对比 光电路交换 光分组交换光突发交换 交换粒度 粗细中等 带宽利用率低高高 接续时延高低低 光缓存不需要需要不需要 同步开销低高低 适应性低高高 q o s 支持 支持不支持支持 实现难度 低高中等 上海大学硕士学位论文 o b s 已成为国内外光网络技术研究热点之一。许多国家开展了o b s 的研 究，如欧盟n o b e l 项目和c o s t 2 6 6 项目，美国的j u r n p s t a r t 项目，韩国的 e r c 项目，日本的n a t i o n a l r & d 项目等等。我国的8 6 3 计划已将光突发交换 技术列为十五期间的重点资助项目之一【1 4 1 。 1 2 论文的研究目的和意义 在o b s 网络中，同样面临着如何解决网络节点处不同数据包竞争同一输出 端点的问题，即竞争解决问题。为了尽可能地降低交换过程中的包丢失率和突发 延迟，鉴于o b s 网络的特点，目前主要有三种竞争解决方案： ( 1 ) 利用光纤延迟线f d l s 作为光缓存； ( 2 ) 波长交换方法：将竞争的突发包转换到其他空闲波长； ( 3 ) 偏射路由法：选择次优路径转发发生竞争的突发包。 目前普遍采用f d l 光缓存器来解决突法宝冲突问题，已经出现了多种基于光 纤为存储体的缓存器结构。然而这些缓存结构只能实现固定的延迟时间且结构复 杂，成本很高。本论文就是要研究光缓存法解决竞争的方案中所需要的，能够适 应光突发包的超长性和可变性的可变光缓存器，以有效降低因突发包竞争造成的 数据包损失率，改善网络性能。 1 3 论文的研究内容及结构安排 本论文针对现有的f d l 光缓存器的不足提出了适用于光突发交换网的可编 程光缓存器结构，利用o p t i s y s t e m 软件仿真上述试验方案，分析功率补偿，缓 存容量等性能，选出效果较好、性价比较高的方案。建立配置了可变光缓存模块 的光突发交换城域网核心节点的模型。利用o p n e t 软件对该节点模型进行仿真研 究。分析了采用可编程光缓存器结构和固定时间光缓存器结构时o b s 的丢包率 和时延等问题。 具体安排如下； 第一章概述了光交换技术的发展历程，对比了光路交换o c s 波长路由和光 分组交换o p s 以及光突发交换( o b s ) 的异同，引出本论文研究内容与意义。 第二章主要描述了o b s 网络的体系结构。首先从o b s 的技术原理，边缘节点 6 上海大学硕士学位论文 和核心节点三方面阐述了o b s 的网络结构。一个o b s 网络主要由边缘节点、核 心节点和w d m 链路构成。然后介绍了三种o b s 协议：j e t ，d e r ，d w r b 和核 心节点的两种调度算法：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 ) 和 l a u c v f ( 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 lw i t hv o i df i l l i n g ) 算法。最后着重 说明了o b s 中突发包冲突产生的原因和解决办法。如果两个或多个输入突发包要 求在相重叠的时间区间内在同一端口、同一数据信道输出，就会产生所谓的“突 发包竞争”问题。现在解决突发包冲突的办法有以下三种：波长变换；偏射路由 ( d e f l e c t i o nr o u t i n g ) ；缓存。其中采用光缓存解决资源竞争被认为是比较行之有 效的方法。 第三章首先介绍了三种f d l 光缓存结构以及它们在o b s 中的配置。由于以 上的f d l 光缓存只能实现固定的时间延迟，不利于减少突发包的竞争，因此作 者提出了两种可用于解决光突发交换中突发冲突的可编程光缓存器结构：交叉型 和多端口开关型，该缓存器能适应突发包的延时超长性和可变性，具有结构简单 紧凑，可编程性强，成本低、易扩展等优良特性。采用o p t i s y s t e m 软件和m a t l a b 软件相结合的方法对其进行了仿真。仿真实验证明两种结构都能够实现光突发包 的指定时间延迟。最后对缓存容量和读出速度的关系，功率补偿和色散补偿等问 题做了探讨。 第四章建立配置了采用可编程光缓存模块的光突发交换网络核心节点的模 型，利用o p n e t 软件对该节点模型进行仿真研究，选取支持q o s 的j e t 协议， 提出了一种简单的资源调度算法，详细地设置了各种仿真参数，在相同网络流量 的情况下，对比研究了采用两种可编程光缓存器和固定时间光缓存器时，o b s 网络在丢包率和时延等方面的差异。最后对两种可编程光缓存器结构在性能方面 的差异进行了对比分析。 第五章对全文作了总结，并对可编程光缓存器在o b s 中的应用前景和今后 的发展前景作了展望。 7 上海大学硕士学位论文 第二章光突发交换网络概述 本章主要介绍了o b s 结构，o b s 所采用的协议，o b s 中光突发包的冲突以 及解决方法。我们从o b s 技术原理，边缘节点和核心节点三个方面对o b s 的结 构进行了说明。在o b s 协议的相关内容中，我们介绍了j e t ，d e r ，d w r b 三 种协议以及核心节点的资源调度算法。最后简要介绍了o b s 中光突发包冲突产 生的原因和解决方法。 2 1 光突发交换网络结构 2 1 1o b s 技术原理 图2 - 1 0 b s 交换网络 光突发交换原理的简单示意图如图2 1 所示，一个o b s 网络主要由边缘节 点、核心节点和w d m 链路构成。边缘节点对传统的口包经过对其目的地址、 服务等级等进行分类，并把具有相同分类特性的包重新组装成数据突发。在形成 数据突发的同时，边缘节点还形成一个控制分组，该控制分组携带数据突发的基 本特性如源地址、目的地址、q o s 等。如图2 2 所示，控制分组b h p 应该先于 8 上海人学硕士学位论文 突发包d a t ab u r s t 发送，两者之间的时序关系t 由o b s 所采用的协议确定。对 于采用w d m 技术的每个链接，其中的一个或多个波长用来传送控制分组，称 为控制信道。其他的波长用来传送突发包，相应地称为数据信道。 da t ab u r s t1 图2 - 2 突发数据与控制分组传输示意图 d1 d 2 c 控制分组通过电光( e o ) 转换，发向控制信道，数据突发经过光电( e o ) 转换并延时后发送到数据信道。核心节点接收控制分组后，经过o e 转换，在 电域对其进行处理，如决定路由、q o s 服务、控制数据突发交叉连接模块的连接 等，处理完毕后，再经过e o 转换，发送到下一个节点；数据分组不用经过o e 转换，在控制分组的控制下，以直通的方式通过交叉连接模块到达下一个节点。 这种分离传送能够使突发头的电处理易于实现，降低了核心路由器对光电处理能 力的要求，更重要的是它能够为数据突发提供网络入口至出口的全光通路。 2 1 2o b s 边缘节点 边缘节点是传统网络和o b s 网络的连接点，它将传统网络中的m 分组组 装成突发后根据o b s 协议发送至核心网络，同时将核心网络中的突发分解还 原为口分组，再发送至传统网络。 入口边缘节点的功能结构框图如图2 3 所示。边缘节点发送端主要实现以下 功能【”】：1 ) 接收从外部到达光突发交换网络的分组，并对相应的分组进行解封装 ( 主要是第一层和第二层解封装) 和对分组进行校验；2 ) 根据一定的标准( 如目的边 缘节点的地址和服务等级) 将分组进行突发排队；3 ) 将分组汇聚成突发包并产生 相应的控制分组：4 ) 为突发包及相应的控制分组进行调度；5 ) 将突发包及其控制 分组进行电光转换后发送到光突发交换网络中。 到达的i p 分组，先进行路由信息处理，按照其目的地址和q o s 要求交换到 相应的组装器。经过一定的组装算法组装成突发，突发包形成之后，波长调度器 9 上海大学硕士学位论文 根据数据信道和控制信道的使用情况，按照一定的调度算法选择发送突发包。调 度器还能获得每一个突发包的信息，如路由信息、路径、长度和q o s 等，据此 为每个将发送的突发包配备一个控制分组( b h p ) ，然后按一定规则为突发包和 b l i p 选择空闲的数据信道和控制信道。根据选择结果在b h p 的相关域中添加突 发包和b h p 之间的偏移时间，最后将突发包和b h p 在预定的时间经过e o 转换 后发送出去。 出口边缘节点的功能结构框图如图2 - 4 所示。其主要功能是从o b s 网络中 接收突发包，并将其拆分成传统的球分组，然后经过交换、封装将m 分组转发 给以太网。当边缘路由器接收到一个突发数据包时，它根据当前t 时刻以前接 收到的控制分组的信息，把突发分组拆封成普通的数据分组，再交换到不同的输 出端口上去。 一s w i t d l d o g o c g d o g o o g 图2 3 入口边缘节点的功能结构图 d o g 0 。g d a g a a g 图2 _ 4 出口边缘节点的功能结构图 1 0 上海大学硕士学位论文 源地目的帧长突发信道标签时间路由帧校。 b 址地址度标识标识信息 q o sm 信息信息验。 到达离开偏置绝对突发 h 搁h 搁时间 时间 时闻 图2 - 5 b h p 的帧格式 伤护前导蚜觳暇妖劈组分组匆组帧皎| 保护= | i 。带码始榜识度1 ! 数长度净茼 。 填充 验| 带i 图2 - 6 数据突发的帧格式 突发是o b s 中交换的基本单元，它由b h p 和数据突发两部分组成，b h p 格式如图2 5 ，它包含有源地址，目的地址，帧长度等。数据突发格式如图2 - 6 ， 在边缘节点根据i p 分组的服务类别，q o s 和目的地址进行分类并汇聚成数据突 发。 光突发包的组装是光突发交换的关键技术，极大地影响到光突发交换网络的 性能。现有的关于o b s 组装的突发汇聚算法【1 6 1 主要包括：固定汇聚周期算法( f a p ： f i x e d - a s s e m b l y - p e r i o d ) ，自适应汇聚周期算法( a a p ：a d a p t i v e - a s s e m b l y - p e r i o d ) 和最小长度最大周期算法( m b m a p ：m i n - b u r s t l c n g t h - m a x - a s s e m b l y - p e r i o d ) 。 f a p 算法的基本思想是：对每一个子队列中的口分组在汇聚成突发数据包时， 采用固定的时间，一旦汇聚时间大于汇聚周期，将这些口分组汇聚成突发数据 包。a a p 算法的基本思想与f a p 算法的基本相似，只是每完成一次汇聚后，根 据该突发数据包的大小来动态的调整下一次汇聚的周期。最小长度最大周期算法 m b m a p 是当汇聚时间或突发数据包的长度达到设定的最大周期或最小长度时 就将这些口分组汇聚成突发数据包。 2 1 3o b s 核心节点 o b s 核心节点要根据控制信息和节点当前的状态信息进行资源的预约和仲 裁。若预约成功，则配置光交换矩阵( o r t i c a ls w i t c h i n gm a t r i x ) ，可调波长变换 上海大学硕士学位论文 器( t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r ，t w c ) ，光纤延迟线( f i b e rd e l a yl i n e ，f d l ) 等资源；如果出现资源的冲突，核心节点则需要根据某种冲突解决方案完成响应 操作。 o b s 核心节点结构如图2 7 所示，由光纤延迟线( f d l ) ，光交换矩阵( o p t i c a l s w i t c h i n gm a t r i x ) 交换控制单元( s c u ) ，路由信令处理器组成。f d l 缓存用来 解决输出d c g 上的突发包冲突。光交换矩阵可以是广播选择型1 刀和交换结构型 1 8 - 2 q 。s c u 类似于传统电路由器，其功能包括对信令的处理，转发表的查找， 资源的预约和冲突判决及处理。路由信令处理器运行路由和其他的控制协议，包 括转发表的维护与更新。 图2 8 为交换控制单元( s c u ) 的功能结构。 图2 7o b s 核心节点的一般结构 m 图2 - 8 交换控制单元的功能结构 1 2 上海大学硕士学位论文 2 2 光突发交换网络协议 o b s 的本质是根据控制分组信息，为数据突发在所要经过的中间节点处预 留出带宽。支持资源预留的协议可以是单向的，也可以是双向的。当前资源预留 方式是根据突发分组结束指示和资源分配时间来区分的，主要采用以下三种协议 瞄1 。 2 2 1j e t ( j u s t - e n o u g h - t i m e ) 协议 j e t 协议属于单向资源预约协议，其示意图见图2 - 9 。其基本思路是对每一 个数据b u r s t ，在其组装完毕后，网络单独分配一个信道传送控制分组。中间 节点在控制分组到达之后，根据消息中所含的信息，估计数据突发可能到达的时 间，为其分配一个可利用的波长信道。数据突发在边缘节点等待一段时间后，沿 着各个中间节点为其分配的信道传送。数据突发在边缘节点中等待的时间称为偏 置时间，偏置时间必须大于或等于控制分组在所经过的中间节点上的处理时间。 所以偏置时间能保证各个节点预先知道数据突发的到来。因为数据突发是在信源 节点的电域中存储的，所以如果网络中有可利用的输出端口和波长信道，数据突 发就可以跟着控制分组直接传送到目的节点，网络的中间节点处不需要光缓存 器。j e t 协议的优点是实现简单，是其它协议的基础，不需要存储；缺点是系统 吞吐量低，尤其是当系统负荷较重时。这是因为j e t 协议的本质是一旦控制分 组到达某节点，如果此时输出线路空闲，该节点就为该分组预约了线路资源，如 果线路忙，则丢弃该分组。 控制分组 突发数据 t 源l2目的 图2 - 9j e t 基本思想 1 3 d 上海大学硕士学位论文 2 2 2 d r ( d e l a y - r e s e r v a t i o n ) 协议 为了使得网络中的带宽资源得到最有效的利用，并减少竞争机会。在o b s 中是将延时预约和偏置时间一起使用的。延时预约( d e l a y - r e s e r v a t i o n ) 就是让突 发控制分组为对应的突发数据预约t 至t + 缸i l 时间段的带宽资源，而不是从t 时刻开始的一段时间。如图2 1 0 所示，设t 1 是预计的突发数据到达节点的时 间，t l 是第一个b h p 到达节点i 的时刻；m 是突发数据的时长。为了提高带 宽利用率，节点是从时刻t l 开始为突发数据保持带宽( 而不是从t l 时刻) ， 并持续到t l + t l m 时刻，如图2 1 0 ( a ) 所示。如图2 1 0 ( b ) 所示，当有信 源l ，2 向某同一节点申请带宽时，只要t 2 t l + t l m 或者t 2 + t 2 m t l ( 其中t 2 m 是第二个数据突发的时长) ，信源2 的申请就能实现。节点向下一个节点转发控 制分组时，发送的偏置时间实际上是t = t ( t o u t t i n ) ，其中的缅是b h p 进 入本节点的时刻，t o u t 是b h p 被本节点处理完的时刻。这样的偏置时间处理方 式增加了带宽的利用率，减少了因阻塞而丢失的数据量。d r 协议基本是所有冲 突解决协议的基础，但由于它没有引入存储，其吞吐量并没有太多提高，最多达 到5 0 。 厂f _ 卜6 m c tltlt l + t l m ( a ) s c c o n db h ps e c o n db u r s t ( b ) 图2 1 0d r 协议 2 2 3d r w b ( d e l a y - r e s e r v a t i o n - w i t h - b u f f e r ) 协议 目前大容量的光存储器件还无法应用于o b s ，但有限存储容量的光纤延时 线f d l 在o b s 当中的应用，仍然能大大提高系统的性能，带存储的d r 协议 1 4 上海大学硕士学位论文 仍可用图2 1 0 示意。假设第二个分组的预约时间为( t 2 ，t 2 + t 2 m ) ，但垃处于 第一个分组的预约时间内，在这种情况下，若系统能提供一定的延时，则可以把 冲突的第二个分组延时到t l + t i m 以后发送，而不必丢弃该分组，从而更进一步 提高系统的吞吐量。引入f d l 可以有效的提高系统的吞吐量，当f d l 长度等 于数据突发的平均长度时，其吞吐量可以达到9 0 。 2 3 核心节点调度算法 数据信道调度就是指为到达的数据分组选择一条输出数据信道，即当控制分 组到达核心节点后，选择一条在数据分组到达光交换矩阵时或再经过光纤延迟 线缓存的延时时间之后可用的数据信道作为输出信道，当没有可用信道时，将数 据分组和控制分组丢弃。针对核心节点，目前已经提出了多种调度算法【2 3 1 。 常见的调度算法有l a u c (