（通信与信息系统专业论文）光突发交换网络中竞争处理与qos研究.pdf

摘要 摘要 未来的通信网络必然是以m 技术为核心、基于分组交换的多服务的网络。光突发交换技术 对硬件速度和光缓存的要求远低于光分组交换技术。限于光技术目前的水平，最有希望先实现 的是粒度稍大的光突发交换技术。所以光突发交换技术成为目前对未来光网络的热点研究问题 之一。 本论文对o b s 网络中资源竞争和q o s 问题进行了研究，包括采用硬件解决竞争的问题， 采用软控制解决竞争的问题，在竞争处理时如何体现区分服务的问题，突发的q o s 调度问题， 以及o b s 网络中的区分服务模型等。这些问题的合理解决，可以提高网络资源( 如端口) 的利 用率，使资源得到合理分配，从而提高网络性能。论文的第一章是绪论，所做工作集中在第二 至第五章，主要包括以下内容： 首先研究的竞争处理方法是利用光线延迟线组成的光缓存来暂存竞争突发。集中研究了 f d l 的优化配置以及节点处的交换控制策略( 主要包括光缓存资源和端口资源的分配模式) 。对 各种资源分配模式进行比较分析，并给出了它们的性能评估。提出了延迟线的优化配置方案和 端口资源和缓存资源的合理分配方案。为了便于比较，还对同步光分组交换网络中采用f d l 和 可调谐波长转换器解决竞争时的配置问题进行了研究( 此部分内容在附录a p p e n d i x 中给出) ，得 到了一种适合于突发和非突发业务模型的竞争解决结构方案。 由于硬件设备对节点性能的影响，我们研究了两种基于软控制的竞争解决方案：偏转路由 方案和分段丢弃方案。针对偏转路由会增加路由跳数而造成偏置时间不够的问题，我们研究了 偏转路由在o b s 网络中使用的前提条件和偏转路由的选择，并对偏转路由方案进行优化，有效 地避免了偏转路由对网络性能的恶化。并以m e s h 网络为例，对提出的三种优化方案进行了性 能分析，数值结果表明所提出的优化方案能获得良好的效果。对分段丢弃方案主要分析了目前 研究中采用的丢弃方法中存在的弊端，对常用的分段丢弃方法进行了改进，达到真正意义上的 降低竞争次数和分组丢失率，提高网络性能。 对o b s 的q o s 研究主要围绕如何在o b s 网络中提供区分服务进行的。 首先研究了o b s 网络中区分服务模型，在前人工作的基础上提出一种新的控制分组格式， 重点研究了其中的d i f f s e r v 编码点格式，提出了具体的区分服务准则。 其次，在提供分级服务的o b s 网络中，除了在分配资源和处理资源竞争时要考虑优先级别 上海交通大学博士学位论文 外，在调度处理突发时也必须体现不同优先级别的差异，基于此，提出一种基于优先级权重的 公平队列调度算法，并给出了一种简单的权重求解方法。 最后研究的是如何在竞争处理时支持区分服务。采用的竞争处理方法是偏转路由和分段丢 弃。其中对偏转路由，提出了一种可扩展q o s 模型，并以两个服务等级为例，对仿真结果进行 了分析，同时进一步证实了偏转路由解决资源竞争只适合于网络平均负载较低的情况。而对分 段丢弃，结合混合封装机制，我们提出在核心节点处从基本资源分配到竞争处理采用相同的处 理方法和处理参数，提供区分服务的处理方法和处理思想。提出了中间高两头低和头低尾高两 种混合封装方法，同时改进了头部丢弃方法，分析比较了本论文提出的两种联合方案：改进的 基于中间高两头低混合封装的分段丢弃方案m m a s s 和改进的基于头低尾高混合封装的头部 丢弃方案m m a h s ，得到m m a h s 方案比m m a s s 方案的区分服务效果更明显的结论。同时研 究了混合封装比例对区分服务的影响。 关键词t 竞争处理，光纤延迟线，偏转路由，分段丢弃，突发封装，q o s ，区分服务， 光突发交换 i i 摘要 a b s t r a c t i t sw e l lk n o w nt h a tf u t u r ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki sam u l t i s e r v i c e sn e t w o r kw h i c hf o c u s e so n i n t e r n e tp r o t o c o lb a s eo nf i n eg r a n u l a r i t ys w i t c h i n g t h er e q u i r e m e n to fh a r d w a r es p e e da n do p t i c a l b u f f e ro fo p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gi sm u c hl e s st h a nt h a to fo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g d u et 0t h e l i m i t a t i o no ft h eo p t i c st e c h n i q u ea tp r e s e n t ，t h em o s tp r o m i s i n go p t i c a ls w i t c h i n gi so p t i c a lb u r s t s w i t c h i n go fr e l a t i v ec o a r s es w i t c h i n gg r a n u l a r i t y s oo b si so n eo ft h er e s e a r c h i n gh o tp o i n t st o f u t u r eo p t i c a ln e t w o r kt e c h n o l o g y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ei n v e s t i g a t i o no fr | e s o u “：ec o n t e n t i o na n dq o sp r o b l e mi 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 s ，i n c l u d i n gf i v es u b - p r o b l e m so fc o n t e n t i o nr e s o l u t i o nw i t hh a r d w a r e ，c o n t e n t i o n r e s o l u t i o nw i t hs o f t w a r e ，q o ss u p p o r t i n gi nc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ，q o ss u p p o r t i n gi nb u r s ts c h e d u l e d a n dd i f f s e r vm o d e li no b sn e t w o r k s b ys o l v i n gt h e s ep r o b l e m si nap r o p e rw a y , n e t w o r kr e s o u r c e s c a l lb eb e t t e ru t i l i z e d f u r t h e r , o p t i m i z a t i o no ft h e s ep r o b l e m sc a no b t a i nt h eg r e a t e s tn e t w o r k p e r f o r m a n c e ， t h ef i r s tc h a p t e ri sa ni n t r o d u c t i o np a r t , a n dm o s to fw o r ki sd e s c r i b e df r o mc h a p t e r2t o5 t h e m a i nw o r k sa n di n n o v a t i o n si n c l u d e s ： f i r s t l y , c o n t e n t i o nr e s o l u t i o nw i t hh a r d w a r e ( o p t i c a lb u f f e rc o n s i s t so ff i b e rd e l a yl i n e s ) i s d i s c u s s e d i nt h i sp a r t ，o p t i m i z e df d lc o n f i g u r a t i o n ，s w i t c hc o n t r o ls t r a t e g ya to b sn o d ea n d r l e s o u d c ea l l o c a t i o ni n c l u d i n go p t i c a lb u f f e ra n do u t - p o r ta r es t u d i e d a l lk i n d so fr e s o u r c ea l l o c a t i o n m o d e la r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d a no p t i m i z e dc o n f i g u r a t i o no ff d la n dm o s tr e a s o n a b l ea l l o c a t i o n s c h e m eo fo p t i c a lb u f f e ra n do u t - p o r ta l ep r o p o s e d f o rc o m p a r e ，a s s i g n m e n to ff d la n dt u n a b l e w a v e l e n g t hc o n v e r t e rf o rr e s o l v i n gc o n t e n t i o ni ns l o t t e do p t i c a lp a c k e ts w i t c hn e t w o r k si sd i s c u s s e di n a p p e n d i x ，a n do n ec o n f i g u r a t i o na d a p t i v ef o rb u r s t ya n dn o n b u r s t yt r a f f i ci sp r e s e n t e d t ol e s s e nt h ed e g e n e r a t i o no fp e r f o r m a n c ef o rh a r de q u i p m e n t , t w os o f t w a r e b a s e dc o n t e n t i o n r e s o l u t i o n s ，d e f l e c t i o nr o u t i n ga n ds e g m e n t a t i o n ，a l es t u d i e d t h ep r e m i s eo fd e f l e c t i o ni no b s n e t w o r k si sr e s o l v e dt h r o u g ht h ep r o p o s e dt w ow a y st om a k eu pt h eo f f s e t t i m e a n dt h ed e g e n e r a t i o n o fn e t w o r kp e r f o r m a n c ec a l lb ea v o i d e de f f e c t i v e l yt h r o u g ht h r e ed e f l e c t i o no p t i m i z a t i o n sp r o p o s e d i nt h i st h e s i s ，t w od e f l e c t i n gr o u t es e l e c t i o nw a y sa r ep r e s e n t e d e x a m p l e dw i t hm e s hn e t w o r k s ， t h r e eo p t i m i z a t i o n sp r o p o s e da l ee v a l u a t e d n u m e r i c a lr e s u l t sc o n f n r nt h a to u ro p t i m i z a t i o n sp e r f o r m l r l i 上海交通大学博士学位论文 w e l l t h ed r a w b a c k so fs i m p l et a i l d r o p p i n ga n dh e a d d r o p p i n ga r ep o i n t e do u ti nt h i st h e s i s ，a n dt h e s e g m e n t a t i o ni sm o d i f i e dt or e d u c et h ec o n t e n t i o nt i m e sa n da c h i e v eg o o dn e t w o r kp e r f o r m a n c ei n t e r m so fl o wp a c k e tl o s sp r o b a b i l i t yi nd e e d t h es t u d i e so fq o so fo b sn e t w o r k sa l ee m p h a s i z e do nd i f f s e r v a sf o rt h ed i f f s e r vm o d e li no b sn e t w o r k s ，o n ek i n do fc o n t r o lp a c k e tf r a m e ，i nw h i c ht h e d i f f s e r vc o d e p o i n ti sf o c u s e do n ，i sp r e s e n t e db a s e do nf o r m e rw o r ka n dt h ed i f f s e r vr u l ei s d e s c r i b e di nd e t a i l i no r d e rt op r o v i d ed i f f s e r vi no b sn e t w o r k , t h es c h e d u l i n go fb u r s tt op r o c e s s s h o u l da l s os u p p o r td i f f s e r vb e s i d e st h er e s o u r c ea l l o c a t i o na n dc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n s oh o wt o s c h e d u l ec o n t r o lp a c k e td i s c r i m i n a t i v e l yi sm u c hi m p o r t a n t t oa c h i e v et h i s ，ap r i o r i t yw e i g h tb a s e d f a i r n e s sq u e u i n gi sp r o p o s e d ，a n das i m p l yw e i g h td e r i v a t i o np r e s e n t e da sw e l l h o wt or e s o l v ec o n t e n t i o nd i f f e r e n t i a t e di ss t u d i e di nc h a p t e r5 d e f l e c t i o na n ds e g m e n t a t i o na l e t w oc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n sa d o p t e d b a s eo nt h e3 mo p t i m i z e dd e f l e c t i o np r o p o s e di nc h a p t e r3 ，o n e k i n do fs c a l a b l em o d e ls u p p o r t i n gq o si sp r o p o s e d u n d e rt h et w oc l a s s e st r a f f i cp a t t e r n s ， p e r f o r m a n c ei nt e r m so fb u r s tl o s sp r o b a b i l i t yi si n v e s t i g a t e d n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a td i f f e r e n t c l a s st r a f f i cw i l lr e c e i v ed i f f e r e n ts e r v i c ea n dp r o v e de x t e n s i v e l yt h a td e f l e c t i o nq o ss c h e m ep e r f o r m s w e l lu n d e rl i g h tt r a f f i cl o a d t h en o t i o nt h a td i f f s e r vi sa c h i e v e dt h r o u g hc o p i e dw i t hs a m em e t h o d a n ds a m ep a r a m e t e rf r o mr e s o u r c ea l l o c a t i o nt oc o n t e n t i o nr e s o l u t i o ni sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e i nt h i st h e s i s i no r d e rt oa c c o m p l i s hs u c h ，c e n t e r - h i g hb o t h e n d s l o wm i x e da s s e m b l ya n dh e a d - l o w t a i l - h i g ha s s e m b l ya r ep r o p o s e da n dh e a d d r o p p i n gs c h e m ei sm o d i f i e d t w ou n i o ns c h e m e s b o t h c o m p l y i n gm i x e da s s e m b l yw i t hs e g m e n t a t i o na n dn a m e dm m a h sa n dm m a s sr e s p e c t i v e l y , a l e a n a l y z e di nt e r m so fp a c k e tl o s sp r o b a b i l i t yo fe a c hc l a s st r a f f i c ac o n c l u s i o ni sm a d et h r o u g h c o m p a r et h a tt h ed i f f s e r vi nt e r m so fp a c k e tl o s sp r o b a b i l i t yo fm m a h s i sm u c hd i s t i n c tt h a nt h a to f m m a s s a tt h es a m et i m e ，t h ei m p a c to ft h ep r o p o r t i o no fa s s e m b l yi ss t u d i e da l o n gw i t hm m a h s k e yw o r d s ：c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ，f i b e rd e l a yl i n e ，d e f l e c t i o n ，s e g m e n td r o p p i n g ，b u r s t a s s e m b l y ，q o s ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ，o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： ；聊 1 日期：妒中年矿月刁日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交 通大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密回，在1 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 孟复袭7 日期矽甲年争月刁日 一一) 指导教师笔吁 日期m 1 0 年分月1 7 日 第一章绪论 第一章绪论 以1 9 7 6 年第一次实现光纤通信为标志，此后，光纤通信技术以远远超乎人们预料的速度 发展，光纤通信已成为现代通信传输特别是干线传输的主要方式，并迅速向用户端扩剧卜2 1 。 当今信息时代，i n t e r n e t 网络和基于网络的各类数据业务的迅猛增长，驱动了对传输带宽需 求的不断增长，同时产生了通过增加带宽来增加现有骨干网传送能力的巨大需求。借助高速光 发射和接收技术，单一光波长的传输容量做到了4 0 g b s ，并已有8 0 g b s 的试验系统，而且所报 道的实验系统传输容量越来越大。现在已有容量超过1 0 t 的传输实验系统报道，形成了一种传 输容量呈“爆炸性增长”的现象。同时，波分复用技术提供了一个能够开发光纤中巨大的带宽 资源潜力以满足不断增长的带宽需求的技术平台。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。然而在现有的交换网络中【l 。l ，无论是线路交换还是分组交换，都是基于 电交换技术，每个节点所采用的电交换技术已接近了电子速率的极限，使得交换速率和传送线 路所能达到的速率形成很大的反差。造成了电子技术上的“速度瓶颈”。现在光子技术发展中， 对光信号基于光特性的直接处理还处于空白阶段，导致一种“光处理瓶颈”。两个“瓶颈”限制 了整个通信网络的发展，同时也促使了人们对光交换技术进行进一步的研究。 1 1 光交换技术的发展 所谓光交换技术，是指在网络的节点处不经过光，电( 电光) 转换，而是在光域直接将输入 光信号交换到不同的输出端。它克服了电交换与光传输子网并存带来的需配置大量光电接口和 速率不匹配的问题，大量节省建网和网络升级成本，提高网络的重构灵活性和生存性，具有加 快网络恢复速度、简化网络控制操作等优点。 与传统的电交换技术类似，光交换技术从交换体制上也可以大致划分为光线路交换和光分 组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 两个大类 4 1 1 7 。 光线路交换的交换方式与电路交换相对应，一个交换过程分可为三个阶段：光路建立、光 路保持和光路释放 1 6 1 。光线路交换的成熟应用是波长路由光网络( w r o n ) ，它采用通用多协议 标记交换机制，对波长进行选路。借助波长转换器，波长路由可以得到较好的应用。波长路由 具有速度快、带宽大、对数据格式透明等主要优点。但这种面向连接的交换对数据业务而言， 链路的建立时间相对于链路的利用时间较长，因而带宽利用率不高，且不够灵活。 因此粗粒度的光线路交换模式无法取代p 层的分组交换。光分组交换技术试图直接在光层 上海交通大学溥士学位论文 上实现小粒度的分组交换，在近年来取得了一些进展。 由于目前光子技术受“处理瓶颈”的限制，在光域内还难以直接采用与电分组交换相对应 的全光信号处理、存储、传输的o p s ，只能利用现有电子技术来完成网络控制信息处理，数据 在光域中存储后完成交换，从而构成了一种光电混合的光交换网【t t , t 2 1 。 在光分组交换网络中，数据净荷以光信号方式存在，分组头等开销可以是光的形式处理， 也可以是电的形式处理；允许从不同信源来的数据包共享通道带宽( 以t d m 方式) ，特别适合 于突发性业务数据的传输。o p s 在交换粒度、带宽利用率、延时和适应性等方面性能都比较好。 光分组交换是一种非常有前途的技术，是光交换技术的最终发展方向。但目前o p s 存在以下难 点： ( a ) 光分组交换通常工作于同步状态，提取和插入分组头，需要时钟同步，难度较大； ( b ) 光分组交换本质上是一种存储转发机制，现阶段缺乏可以实现随机存取的光缓存设备， 在研究中采用光纤延迟线( f d l ) 充当光缓存，只能将相应的光分组数据按序延时一定的时间。 而且通过增加延迟线数目来满足大容量缓存需求也是不实际的： ( c ) 光分组交换对配置光交换矩阵延时要求较严格。例如：传输一个1 5 0 0 b y t e s 的光分组净 荷只需要5 雕( 假设速率为2 5 g b p s ) ，这就要求建立一个从输入端口到输出端口的连接时间至 少应该在纳秒量级或更小。 在一些关键性的光器件如高速光开关、光缓存器、光逻辑器件等取得重大突破之前，光分 组交换技术尚难以走出实验室。 针对目前光线路交换和光分组交换技术中存在的一些问题，近年来，人们提出了一种新的 光交换技术一光突发交换o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 技术，并迅速得到国内外学者们的广 泛研究。 光突发交换有以下主要特点： ( a ) 采用带外信令方式。传统口的存贮转发机制被光突发交换特有的延迟预约机制取代， 使得数据的全光传输在无光缓存情况下成为可能； ( b ) 与光分组交换相比，交换粒度的增加降低了对核心交换节点开关速率和大容量光缓存的 要求。光突发交换的粒度比分组交换的粒度大1 到2 个数量级，微秒量级的开关速率即可满足 要求； ( c ) 与光路交换或波长路由相比，单向资源预约与统计复用大大提高了带宽利用率。光突发 交换没有光路的建立和拆除等信令开销，具有与分组交换几乎相当的带宽利用率。 与光分组交换相比，光突发交换实现相对比较简单因为开销少；中间节点光7 电变换少； 2 第一章绪论 控制信息分组擦写简单；同步简单因为控制信息分组与突发数据之问的关系相对松散。与 光线路交换相比，光突发交换带宽利用率高、网络灵活性与适应性高，而且接续时延低。 可见光突发交换在交换复杂度、传输粒度和带宽资源三方面有着明显的优势，是一种非常 有竞争力的交换技术。 1 2 光突发交换技术的研究 纽约州立大学布法罗( b u 仟a l o ) 分校的乔春明博j = ( c h u n m i n gq i a o ) 和华盛顿大学的j o n a t h a n s t u r n e r 在同一期j o u r n a lo f h i g hs p e e dn e t w o r k s 上分别发表的两篇论文：【5 】和【6 】，标志着“光 突发交换”概念的正式提出，尽管两人在提法上不完全一样，但核心思想却是一致的：在网络 中，突发数据与相应的控制信息在时间和传输信道上相分离，控制分组被提前发送出去，在各 个节点采用延迟预定方式预约端口、波长资源，突发数据无需收到预约请求的确认消息而随后 发出，并沿着控制分组预定好的端口波长透明地到达目的节点。 光突发交换网络中的基本交换单位叫做突发，每个突发分成两个部分：控制分组( c o n t r o l p a c k e tc p ) 和突发数据( b u r s td a t ab d ) 。突发数据是由具有相同属性的数据分组( 包括口 分组、以太网帧、帧中继帧等) 汇聚而成。每个突发数据对应于一个控制分组，它包含对应突 发数据的一些基本信息，如突发数据长度、偏置时间、生存时间、传输突发数据的波长和路由 选择参数等。o b s 网络中包括两种功能节点：边缘节点与核心节点。其中边缘节点主要负责突 发的封装、路由的选择和突发的发送；核心节点的任务是完成突发的转发与交换。在o b s 网络 的入边缘节点处，所有进入该节点的未封装过的业务分组( 目的地址不为当前节点) 都被重 新分类、排队，最后封装成一个个的突发数据( 各个业务分组在突发数据中的位置信息由突发 数据携带) ，并根据突发数据的属性产生一个相应的控制分组。一旦边缘节点封装好突发，控制 分组会发送到o b s 网络中，在核心节点处，控制分组为相应的突发数据预定资源。当突发数据 到达o b s 网络的出边缘节点，被还原成一个个业务分组后继续转发。而且由于控制分组的提前 发送和处理，使得突发数据在交换节点处不必经过光缓存，缓解了光分组交换对光缓存技术的 苛求。 光突发交换网络采用w d m 技术连接各个节点。w d m 信道组中的一个或多个波长用来传 送控制信息，称为控制信道；其它的波长用来传送突发数据，相应地称为数据信道。图1 1 为 光突发交换原理示意图，其中有两个数据信道和两个控制信道，在网络中间节点处控制信息转 化为电信号在电域中处理，数据信息则保持在光域内透明通过该节点。为了充分利用波长资源， 3 上海交通大学博士学位论文 通常将几个数据信道的控制信息复用到一个控制信道上，即几个数据信道共享一个控制信道。 图t io b s 原理框图 f i g u r e l 1s c h e m a t i co fo b s 光突发交换技术得以引入注目是因为它兼有电路交换和分组交换的优点，同时又避免了它 们的不足。光突发交换机制与已有的交换机制的区别主要在于以下几点：业务数据是否需要在 节点存储、网络资源何时被预订、如何预定带宽、怎样释放带宽等。下面就从资源预约协议、 边缘节点功能、资源分配方式以及q o s 机制等几个方面来简单阐述以往研究中所取得的进展和 有待进一步研究的内容。 1 2 io b s 网络中的资源预约协议 光突发交换网络中的一个核心问题就是资源预约协议的设计。它主要涉及到光路由的建立 方式和光路由的释放方式两方面的内容。 光突发交换技术起源于电突发交换技术。在电突发交换技术中，资源预约可以是单向也可 以是双向的，所以资源预约协议可以分为双向资源预约协议和单向资源预约协议。典型的双向 资源预约协议是早期的t a w ( t e l l a n d ? w a i t ) 8 1 ，在此协议下，当一个源节点想发送一个数据， 它首先利用s e t u p 控制信息发送一个请求，并在沿途各个节点预定好所需的带宽资源，当所有 的节点能满足这个请求时，目的节点返回成功应答信号，只有当源节点收到成功应答信号后才 向目的节点发送数据。否则，该数据被拒绝接入，源节点只有重新发送请求、建立路由后才能 4 第一章绪论 发送数据。资源双向预约协议在光突发交换中的典型应用为由英国伦敦大学学院( u c l ) 的e b a y v e l t 9 - 1 0 1 等人提出的波长路由光突发交换( w r o b s ) ，该方案以波长路由为基础，更接近光路 交换，可以提供有保证的服务，并支持q o s 。双向资源预约协议的缺点是带宽利用率低：缺乏 网络的灵活性；虽然原理上可以以波长为标签实现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、标记交换路径- - l s p 融合等) 难以实现。 后来的突发交换资源预约协议大都采用单向预约方式。典型的有t a g ( t e l l a n d g o ) 、i b t ( i n b a n d t e r m i n a t o r ) 和r f d ( r e s e r v e a - f i x e d d u r a t i o n ) 。单向预约协议的共同特征是源节点在 发送完控制分组后并不等待目的节点返回的预约成功的应答信号就发送突发数据。这几种单向 预约协议又各有自己的特征。t a g 是先发送s e t u p 控制分组预留带宽资源，紧接着发送突发数 据( 不等待应答信号) ，在中间节点可能需要缓存突发数据，源节点在发送完突发数据后再发送 用于释放连接的r e l e a s e 控制信息包来拆除连接，如果在途经的节点遭遇竞争，该突发数据包将 被丢弃。它是一种最简单的资源单向预约协议。各个节点直到收到释放消息时释放。在i b t 协 议中，在突发数据后紧跟着i b t 标识( 即路由使用结束标志) ，整个过程由控制分组来预留带宽， 由i b t 标识拆除连接，因此其中最大的技术挑战是全光再生技术。t a g 和i b t 是显式建立煜 式拆除( e x p l i c i ts e t u p e x p l i c i tr e l e a s e ) 资源占用方式的典型应用。即当s e t u p 消息到达时，立刻对 交换模块进行相应的配置，包括对交叉矩阵的设置以及对输出端口、波长的预约；收到r e l e a s e 或者i b t 标识后才释放端口、波长。与t a g 和i b t 不同的，r f d 是基于估算建立估算拆除， 即由控制分组中携带的偏置时间来决定带宽预留时间的长短。因而减小了信令开销、容易实现 带宽资源的动态分配，资源利用率高。这三种协议经过不断发展完善，演绎成o b s 网络中的两 大资源预约协议：j 1 1 r 和肼。 以美国t e l c o r d i a 宽带网络管理研究小组为主的m c n cr d ij u m p s t a r t 项目就是为了完善 o b s 的信令协议而开展的【1 2 1 。j i t ( j u s t i n t u n e ) 信令协议由y w e i 等研究人员提出，如图1 2 ( a ) ， 它是一种单向资源预约协议，基于显式建立，显式拆除机制。j r r 协议的支持者认为基于估算的 协议需要过于复杂的算法支持，而基于显式的协议中节点的处理可以用纯硬件架构来实现，这 样避免了因为使用复杂算法带来的延时。根据j r r 协议，当源节点发送突发数据包的时候，首 先向网络节点发送一个s e t u p 建立信息( 控制分组) ，中间节点收到建立信息后将相应的带宽资 源以及端口立即配置给相应的突发数据，当源节点发送完突发数据后，向网络发送一个r e l e a s e 释放信息，中间节点收到释放信息包后才释放预约的带宽资源。值得注意的是j r i 协议中资源 的预约是以波长为单位的，所以带宽利用率较低。此外，j n 协议中不支持w d m 层的q o s 。 5 上海交通大学博士学位论文 i n g r i r a e n m d m t e e r , r w s 1 l e t as 制h 湘5 w 曲r hs 埘吣hi i 盯 ( a ) j i t 协议( b ) j e t 协议 图1 - 2 两种o b s 资源预约的比较( 摘卧1 2 】) f i g1 - 2c o m p a r eo ft w o r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l s ( f r o m 【1 2 】) 而美国纽约州立大学b u f f a l o 分校和诺基亚研究中心的c h u n m i n gq i a o 、m y o o 等提出了一 种j e t ( j u s te n o u g ht i m e ) 资源预约协议【l 刀( 如图l - 2 ( b ) 所示) ，并研究了基于该协议的核心节点 的结构和性能f 4 3 1 。它支持的是估算建立估算拆除，对资源的预定和释放都是通过提前发送的控 制分组一次性完成，即控制分组中携带了突发数据的到达时刻以及突发数据对资源的占用时长。 也就是说对资源的使用采用o n e w a y 方式提前预定端口的开始使用时刻和使用时长。当控制分 组到达时，对资源仅仅只进行延迟预定( d e l a yr e s e r v a t i o n ) ，而端口的设置则延迟到突发数据 到来的前一时刻完成，以只要保证当预定资源的数据包到达时，交换矩阵已经完成了通道的倒 换，使得其可以畅通无阻地通过。这种方式的信令比较简单，对每一个数据包在源节点处只需 发送一次控制信息。 从图1 2 可以看出，j r i 和j e t 协议的差异主要在于资源的占用时刻以及资源的占用时长。 j n 协议对端口的占用是从控制分组到达当前节点时刻开始：而j e t 协议对端口的占用不是如 此，它通过控制分组的对突发数据达到当前节点的时刻的估计来设定端口开始使用的时刻。二 者对端口的释放也不尽相同，j r r 是采用显示拆除方式，即在源节点发送完突发数据后重新发送 一个控制分组来释放占用的端口；而j e t 对端口的释放是根据控制分组中携带的突发数据长度 以及到达时刻来设定的，即在突发数据传输完，无需额外的控制信令。可见j e t 的有效资源利 6 珊i 第一章绪论 用率比j n 高。尽管在最近的o p t i c o m2 0 0 3 中的w o b s t s a j 中，有人提出j 1 1 r 协议的效率比肼 协议的效率高，但我们认为此文中没有考虑到的一点是j r r 的端口释放方式。另外，研究突发 光交换技术的原因是因为光分组交换技术的实际应用条件不成熟( 从发展的最终趋势看，光分 组交换应该是最理想的交换技术) 。j r r 协议对资源的预约是一种类似于电路交换的预约( 但不 是面向连接的) ，j e t 远比j 兀 更接近于光分组交换模式。所以我们选用j e t 协议作为所研究的 o b s 中基本的资源预约协议。 1 2 2o b s 网络中边缘节点功能 o b s 网络包含两类节点：边缘节点和核心节点。我们先总结一下以往对边缘节点的研究。 图1 3 边缘节点突发封装及发射部分的功能结构( 摘自【1 4 1 ) f i g l 一3s c h e m a t i co fb u r s ta s s e m b l ya n dt r a n s m i ta te d g en o d e ( f r o m 【1 4 1 ) 边缘节点连接口路由器和o b s 网络，起着适配器的作用。输入的数据分组按照出口节点 的不同进入不同的组装队列，然后按照一定的策略被组装成突发；调度器负责为突发分配波长 信道，将突发送往相应的发射队列，在调度器的控制下完成电光转换，生成光突发，沿着数据 信道复用后一起进入o b s 核心网络。边缘节点突发组装及发射部分的功能结构如图1 3 所示。 其功能主要有两个：突发封装和控制分组的形成和发送。 1 2 2 1 突发数据的封装研究 图1 4 是将进入到队列中的业务分组封装成一个个突发数据后再发送出去的过程。 7 海立通 学m 口0 位沧立 hl 。4 突发数槲的l t 装 f i g l4 b u r s t d a t aa s 辨m b l e 常川的突牡数据封装技术l 要有址于定h f 驯丛。定长门限两 娄 - _ “ i _ 一 巨挈m 、挈 一f 。 i 丑：二卫 臣卫壶叵 “ d i “r “ a ) 琏r 定时封装( b ) 基十闽值i 】般封装 圈i - 5 对两种封装方法的突发到达间隔分析( 摘自【2 5 】) f i g l 一5 a n a l y s i s t o t h ea r r i v a l i n t e r v a lo f t w o b l ys c h e m e s ( f r o m 【2 5 基于定时的斤洼是在封装开坼时启动一个定时器，当定时器溢出时，尤泛队州c 1 ，柯多少数 据分组都只产生 个突殷数据。这种方式限定丁最人的封装时延但产生的突敏数槲睦砸不一， 导致很低的吞吐牢。丰反牲于定砭门隈的上可毡a 式，产牛的是固定长度的突技数槲，佴业务的 封装延迟抖动很大。文献 2 5 1 肘这阿种上f 装方式，“_ 的突发问隔和平均突拄长度进行了详细分 析。图1 5 给出了两种封装方洼的分析过程。 设节点输出端u 数为n ，分组在n 个输出端u 中均匀分布，分组线速牢为r ，兜突柱线速 率为r ，分组平均到达间隔为以r 、f 均分组长度为l 。r 平均每个突发数据p 包含的，组数日 为m ，在基。定时封装吐程中，定时器的溢m 时间为r ，产生的突发平均间隔为占，完发的平 均长度为k ： 州t 啬，鲁 一一 第一章绪论 凸t + ii - t i n + i - - t i2 ( 1 + 惫 在基于阈值门限封装过程中，突发的最大长度为m b s ： 驴【等卜胁l e 一- i - 等卜毒i 乙j ， 只p 所以在封装过程中的关键参数是预先设置的定时器时长和封装门限。如果仅仅依靠定时器 的溢出来决定生成数据包，当上层数据流负载较重时，就会生成非常长的突发数据，它占用资 源的时间也会很长，阻塞了其他突发数据的传输，会增大分组丢失率。因此往往借助于封装门 限来解决这种情况。如果封装门限取