（通信与信息系统专业论文）光突发交换网络中反馈汇聚算法的自相似性研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 传统研究光突发交换，进行排队论的分析和业务流的假设时往往采用马尔 可夫模型。假设数据业务流在连续的时间内满足泊松分布，在离散的时间内满 足贝努里分布，以上这些业务的特征是具有短时相关性。然而近年来，通过大 量的实验研究表明网络业务流存在自相似( s e l f - s i m i l a t ) 现象。所以有必要 针对网络业务流的自相似现象重新建模分析，研究自相似业务在o b s 网络中会 对网络性能产生怎样的影响。 本文首先介绍了光突发交换的体系结构。在对基本原理，包括协议和交换 概念介绍完之后，我们讨论了o b s 的主流协议- - j e t 协议。 在这以后，本文主要讨论网络流量中的自相似现象。我们首先对自相似过 程和长相关的过程进行了定义。之后介绍对一些已知的自相似过程，如何正确 的估计过程的h u r s t 指数日。评估h u r s t 指数的方法包括不同尺度聚合序列的方 差分析方法、不同尺度聚合序列的绝对值法、r s 方法等。最后介绍了自相似 业务的产生模型之一o n ，o f f 模型。 本文的主要创新工作是提出了一种新的节点反馈汇聚算法。该算法基于固 定长度汇聚，首先计算出任一核心节点发生多个突发包同时到达竞争信道产生 丢包的概率。然后依次计算出如果不希望丢包而需要的f i ) l s 最小数量。发生冲 突的突发包均在f d l s 中缓存，随着到达业务量的增加，f d l s 中可用空闲波长 信道逐渐减少，当没有可用空闲波长信道时，核心节点发送反馈到边缘节点， 边缘节点减少单位时间内发往核心节点的负载量。在这一部分，论文主要对这 种算法从进行了数学推导，证明了其对o b s 网络自相似性的改善。最后从仿真 结果来看，我们可定义得出结论，节点反馈汇聚算法能够取得很好的性能。 本文最后总结了全文并对下一步工作做了展望。 关键词：光突发交换，长相关，自相似，o n o f f 源 重塞墅皇盔兰堡主堡塞 塑蔓 a b s t r a c t u s u a l l yi no b ss t u d y , m a r k o vm o d e li sa l w a y su s e di nq u e u et h e o r ya n dt r a f f i c m o d e l d a t at r a f f t ci ss u p p o s e dt om e e tw i t hp o i s s o nd i s t r i b u t i o ni nc o n t i n u o u st i m e , a n db e m o u l id i s t r i b u t i o ni nd i s c r e t et i m e , w h i c hh a ss h o r t - r a n g ec o r r e l a t i o n c h a r a c t e r i s t i c h o w e v e r , i nt h e s ey e a r s , p l e n t yo fr e s e a r c hi nl a bs h o wt h a ti n t e m e t t r a 伍ci ss e l f - s i m i l a r t h ep h e n o m e n o ns h o u l db em o d e l e d a n dw es h o u l dm a k ei t c l e a rh o ws e l f - s i m i l a rd o e sa f f e c t i o nt ot h en e t w o r k t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo f o b s ，a n dt h eb a s i ct h e o r y w ea l s ot e l lt h e m o s t l ys t u d i e dp r o t o c o l j e t a f t e rt h i s , t h ep a p e re x o a t i a t e so ns e l f - s i m i l a ri nn e t w o r kt r a f f i c w ef i r s t l yg i v e t h ed e f i n i t i o no fs e l f - s i m i l a rp r o c e s sa n dl o n gr a n g ed e p e n d e n c et h e ni tt e l l sh o w t o e v a l u a t es e l f - s i m i l a rw i t hh u r s ti n d e x t h e r ea r ew a y st oe v a l u a t eh u r s t , s u c ha s a g g r e g a t e dv a r i a n c em e t h o d ，a b s o l u t ev a l u e so f t h ea g g r e g a t e ds e r i e s ，r sm e t h o d a tt h el a s to ft h ep a r t ，w ea l s oi n t r o d u c e so n eo ft h em o s tp o p u l a rs e l f - s i m i l a r g e n e r a t i o nm o d e l o n o f fm o d e l a n o t h e ri m p o r t a n tc r e a t i v ej o bo ft h i sp a p e ri sar l c wn o d e - b a s e df e e d b a c k a g g r e g a t i o na l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mi sb a s e do nf i x e dl e n g t ha g g r e g a t i o n i tf i r s t l y c a l c u l a t e st h ep r o b a b i l i t yo fc o m p e t i t i o nb e t w e e nm u l t i - p a c k e t sa r r i v a li no n ec o r e n o d ea lt h es a m et i m e t h e ni tg e t st h en u m b e ro ff d li fn op a c k e ts h o u l db ed r o p a l lt h ep a c k e tt h a th a sn ow a v e l e n g t hr e s o u r c ef o rt h em o m e n tc a nb es t o r e di nf d l w i t ht h ei n c r e a s eo ft r a f f i c ，a v a i l a b l ef d ld e c r e a s eu n t i ln o n e a tt h i st i m e , c o r e n o d et e l l se d g en o d et oc o n t r o li n c o m i n gt r a f f i c i nt h i sp a r t ，t h ep a p e re v a l u a t e st h e a l g o r i t h mi nf u n c t i o n i nt h ee n d t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni no p n e tt e l l st h a tn o d e - b a s e df e e d b a c ka g g r e g a t i o na l g o r i t h mc a l li m p r o v et h es e l f - s i m i l a rc a p a b i l i t y t h el a s tp a r to f t h i sp a p e rs h o w st h es u m m a r i z a t i o na n dg i v e 瞎t h ee x p e c t a t i o no f n e x ts t a g ej o b k e yw o r d s ：o b s ，l o n g - r a n g ed e p e n d e n c e , s e l f - s i m i l a r , o n o f f 丑 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蛏电太堂或其他 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：狠啊签字日期：殄刁年碉循 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖邮电太堂有关保留、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。本人授权重庆韭电盍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：璇啊 导师签名： 肌! l 签字日期：纠年f 月! 厂日签字日期：渺 锯月巧日 f 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着通信技术和计算机技术的飞速发展，高速互联网、可视会议、可视电 话等新业务正在进入电信传输网，这就要求高速率的传输和交换。光纤作为拥 有超大带宽资源的光信号传输媒介，被广泛应用到了通信的链路连接当中。密 集波分复用技术( d e n s ew a v ed i v i s i o nm u r i p l e x i n g ，d w d m ) 、吉比特和太比 特的光交换机光路由器的出现，使得建立高效的、大容量的、高带宽的光纤网 络成为可能。因此，在讨论下一代光互联网协议框架时，i po v e rw d m 就成了 首选结构。目前，利用d w d m 技术，一根光纤上可利用的带宽达到1 0 t b i t s 左 右，这可以满足较长时期内对传送网络带宽的要求。然而在早期的交换模式 中，光信号到达交换机后首先从光域转换到电域，完成信息处理和交换后再从 电域转换到光域，继续传输。这个光电光转换的过程严重地限制了交换机的速 度，从而就成为制约整个网络速度的瓶颈。它是影响光网络高速传递信息一个 重要因素。在光域中直接完成信息的处理和交换，是解决这个瓶颈的必由之 路。现已提出的主要光交换技术是：光路交换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ， o c 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 g ，o p s ) 和光突发交换( o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g , o b s ) 。 就交换技术而言，光路交换采用双向资源预留的方式来设置通路。这种方 式的交换以波长为粒度，它不能实现统计复用，带宽利用率较低，不适于传输 突发性的数据业务。光分组交换虽然能够对d w d m 的巨大带宽进行灵活、有 效地分配和利用，但是这种交换方式对光器件的要求很高，而目前的现状是没 有合适的光缓存，仅能提供一些简单的光纤延迟线( f i b e rd e l a yl i n e ， f d l ) ，而且在光分组交换节点处，难以实现对多个输入分组的精确同步，因 此在短时间内，光分组交换方式也不现实。融合以上两种交换方式的优点，而 避免它们的缺点，q i a o 提出了光突发交换的概念，这种交换方式能够在对光器 件要求较低的情况下，实现面向i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 的快速资源分配和高资 源利用率”1 。 光突发交换网络的基本思想是将突发包( d a t ab u r s t ，d b ) 和控制包( b u r s t h e a dp a c k e t b 珀) 分开，在不同的信道上传输。它们的传输在时间上和空间上 是分离的，即每一个控制包对应于一个突发包，分别在不同的时间和不同的波 长信道上传输，属于带外信令机制。在o b s 网络的边缘节点中，多个传统的口 包汇聚成一个大的突发包。当满足汇聚条件的时候，就将控制包发送到控制信 重庆邮电大学硕士论文 第章绪论 道上去。控制包采用一定的资源预留协议，为其对应的突发包在核心路由器预 留一定的带宽资源，它的处理需要经过光电光的转换。控制包发出后经过一个 偏置时间( o f f s e tt i m e ) ，再将突发包发送数据信道上去。由于相应的带宽资源 ( 同时也配置好了核心路由器) 已经被控制包预留，突发包可以在网络中以全 光的形式传输。这样既提高了交换速度，又充分地利用了网络的带宽资源。但 如果在网络中的某个核心路由器中，先发送的控制包由于某种原因不能成功预 留信道带宽资源，则随后到达的突发包将被迫丢弃。 传统研究光突发交换，进行排队论的分析和业务流的假设时往往采用马尔 可夫模型，假设数据业务流在连续的时间内满足泊松分布，在离散的时间内满 足贝努里分布，以上这些业务的特征是具有短时相关性，即认为当前时间的业 务量和过去时间的业务量是不相关的，仅仅考虑时间间隔较小时的业务到达之 间的相关性。针对短程相关的业务建模和理论分析己经发展的非常完善。 然而近年来，通过大量的实验研究表明网络业务流存在自相似( s e l f - s i m i l a r ) 现象【2 j ，即在不同的时间尺度下，网络业务流的相关结构保持不变。以 前的短程相关模型表明了在时间趋于无穷的时候，系统将趋于平稳，网络业务 流呈现短程相关；自相似则是反映了经历长时间后，网络业务流会发生阻塞的 可能，并且数据突发没有明确的长度，在不同的时间尺度下会表现出相同的突 发特性，即网络流呈现长程相关性( l o n gr a n g ed e p e n d e n c e l r d ) 。 以往研究的短程相关网络流量模型的自相关衰减速度要比实际的衰减速度 快的多，根据业务流的短程相关性的建模以及排队论分析和实际情况都会有较 大的偏差，所以有必要针对网络业务流的自相似现象重新建模分析，研究自相 似业务在o b s 网络中会对网络性能产生怎样的影响。由于自相似理论的发展相 对滞后，目前还没有一套完整的理论和技术可以解决。本文讨论了o b s 网络 中，提出了基于核心节点反馈的汇聚算法，充分考虑了带有f d l 情况下该算法 对网络自相似性能的影响。理论和仿真结果都论证了核心网络突发分组的自相 似性可以通过改进的核心反馈算法得到明显改善：突发丢包率得到降低，网络利 用率也得到了提高。 1 2 课题简介 本文的研究内容属于国家自然科学基金“网络与信息安全”重大研究计划项 目 i pd i f f s e r vo v e ro b s 网络的系统结构及关键算法研究”( n o 9 0 3 0 4 0 0 4 ) 、国 家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 面向“十一五”快速启动引导课题“动态灵活 光网络的体系结构与关键技术研究”( n o 2 0 0 5 a a l 2 2 3 1 0 ) 和教育部科学技术研 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 究项目“全光互联网络q o s 体系结构及光突发交换技术”( n o o o a l 2 5 ) 。这些项目 研究方向主要是在d i f f s e r v - o b s 网络构架下，解决o b s 支持i pq o s ( d i f f s c r v ) 网络中的关键理论及核心技术，特别是在网络结构、边缘核心节 点功能模型、关键协议和关键算法方面，以达到减少口丢包率，提高数据信道 链路利用率，对口业务实现有效的业务区分及改善t c p 层的端到端性能等。 本人在本项目中主要负责o b s 自相似性能研究和o b s 自相似性能o p n e t 模型 建立 1 3 论文内容及介绍 本文主要介绍了光突发交换网络体系结构，网络自相似性以及提出的核心 节点反馈算法。本文共五章，第二、三章为作者的总结性工作内容，第四章为 创新性工作内容。论文的结构如下： 在第二章中，我们主要讨论了光突发交换网络体系结构。我们首先介绍了 光突发交换的基本原理，包括协议和交换概念。在这之后，我们讨论了o b s 的 主流协议- - j e t 协议。最后介绍了光突发交换网络的边缘节点和核心节点的 结构和原理。 在第三章中，我们主要讨论网络流量中的自相似现象。我们首先对自相似 过程和长相关的过程进行了定义。之后介绍对一个已知的自相似过程，如何正 确的估计过程的h u r s t 指数日。最后介绍了自相似业务的产生模型之一 0 1 悯模型。 第四章是作者的主要创新工作内容。在这一章中，我们介绍了一种新的节 点反馈汇聚算法。之后对这种算法进行了数学推导，证明了其对o b s 网自相似 性的改善。最后从仿真结果来看，我们可定义得出结论，核心节点反馈汇聚算 法能够取得很好的性能。 在第五章中，我们对全文作了总结，并对o b s 网络的自相似性能工作做了 展望。 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系架构 第二章光突发交换网络体系架构 2 1 光突发交换基本原理 2 1 1 突发交换协议 突发交换在8 0 年代初就已提出，并且陆续有一些文章发表。突发交换概念 当时并没有像电路交换与分组交换那样得到普及，原因是提出突发交换的时 候，无论电话网还是数据网，技术已经成熟，没有必要以突发为单位来处理话 音或数据。但是随着技术的不断演进发展，一个深刻的变化是传输速率的增长 大大超过了处理速率的增长，如果依然要按照旧式的分组方法来处理，网络处 理设备将长期处于过载状态。因此，简化网络节点的处理是非常必要的，光突 发交换技术应运而生。光突发交换提高处理粒度就是一种较好的解决方法，通 过预先发送控制信息，在每个节点处预约资源后，节点再传送突发数据，数据 可以始终保持在光域内，同时免去分组交换中逐一处理分组头的麻烦。那么， 什么是突发交换呢? 突发( b u r s t ) 的最初定义是指语音的一次迸发或一段数据信息。突发数据 就是一串突发性的语音流或数字化的消息。突发交换( b u r s ts w i t c h i n g , b s ) 最 初用来传递语音业务。主要有三种方式：t e u a n d g o ( t a g ) ，带内终结器 ( i n b a n d t e r m i n a t o r , i b t ) ，预留固定周期( r e s e r v e a f i x e d d u r a t i o n , r f d ) 等 协议【3 】。 t a g 技术类似于快速电路交换，它无需确认所有带宽已经预留，而直接发 送突发数据，其带宽利用率不高。源首先在单独的控制信道上发送一个控制包 ( 类似电路建立连接请求) 来为随后的数据包预留带宽，而数据包可以在没有 收到确认前就被发送到数据信道上( 这和电路交换是不同的) 。这也就暗示了 偏置时间t 可以比电路建立时间小得多，甚至像分组交换中一样为0 。突发包 发送出去后，另外个控制信号( 类似电路终止信号) 发送出去以释放带宽。 i b t 方案预留带宽是从控制分组处理完成时开始，到i b t 检测到为止，但 i b t 的全光检测比较困难。在i b t 方式中，每个突发包都象分组交换中一样有 一个包头，也有一个分隔符标明突发包的结束位置( 称为终结符) 。它采用虚 拟直通方式传输，而不是存储转发方式。而且，在i b t 方式中，源和中间节点 甚至可以在收到突发包尾部之前就开始传输突发包的头部。因此，突发包的延 4 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系槊构 迟会降低，另外所需要的缓存空间也较小，除非由于出口带宽不可用而缓存整 个突发包。 r f d 仅在光网络中而没有在电网络中进行研究。r f d 与t a g 类似的地方在 于它也同样是先发送一个控制包去预留带宽( 以及配置交换机) ，在偏置时间 t 后发送数据。而r f d 与t a g ( 以及其它电路一包交换方式) 不同的地方是在 r f d 方式下，带宽只被预留一段时间，所预留的时间由携带了突发长度信息的 控制包决定。这就意味着突发包有最大长度的限制。在基于r f d 的突发交换 中，只是由它的突发控制分组指定的带宽被预留，这样排除了信令开销的影 响，从而提供了高效的带宽预留机制。 r f d 比另外两种突发交换技术更具有吸引力，因为它可以更有效地利用适 当的偏置时间来避免其潜在的缺点。使用偏置时间的优点之一是由于数据在源 节点被缓存，所以在中间节点不需要等待相应控制包的处理。因而中间节点并 不需要缓存。使用偏置时间潜在的缺点是会造成端到端延迟增大和带宽的浪 费。注意到，电路交换和分组交换不能在这两者之间有折衷，而突发交换，尤 其是r f d 可以将两者的优点相结合。下面我们将结合光突发交换( o b s ) 来更 具体的探讨一些关于r f d 的问题。 2 1 2 光突发交换概述 随着互联网的飞速发展，网络对交换速度和传输速度的要求越来越高。光 纤的使用以及波分复用技术( 特别是密集波分复用d w d m 技术) 的出现，为 通信链路提供了足够的带宽，这样就极大的提高了传输速度。然而，在网络核 心的交换机中，由于交换技术的相对落后，光信号不得不转换成电信号，经过 处理过后，又要重新转换成光信号继续在光纤里传输。这个光电，光的转换，极 大地制约了网络的速度，在交换中形成瓶颈。为了消除电交换的瓶颈，出现了 两种光的交换方式：光路交换和光分组交换。 光路交换的交换功能主要是通过光交叉连接器( o p t i c a lc r o s s - c o n n n e c t s , o x c s ) 和光分插复用器( o p t i c a la d d - d r o pm u l t i p l l e x e r s , o a d m s ) 来完成。交 换过程类似于传统的电路交换方式，基于双向的资源预留协议。基本过程包括 连接建立阶段、信息传送阶段和连接释放阶段。通信双方如果需要通信，其通 信过程如下：源节点首先发出消息以预留带宽，然后等待目的节点发回确认信 息。一旦收到目的节点的确认消息，则连接建立完成。通信双方在连接建立成 功后可以发送需要交换的信息数据。要发送的信息一旦发送完成，源节点 再发送连接释放消息，中间节点收到连接释放消息后，释放预留的资源，同时 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系槊构 憩群： 6 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系架构 = = e = = = = d 2 b h p 。警 | 曼= = 7 = = 写 一c # 焉嘉一 o ，嘉_ ( o f f s e tt i - e ) t i - e 7 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系架构 业务的明显特征，并能够很好的支持突发性的业务，被认为是未来互联网的交 换技术中的一种较好的交换技术。光突发交换与光电路交换和光分组交换的比 较见表2 1 【”。 表2 - 1 三种光交换方式的比较 适应性( 流 光交换类型带宽利用率建立延迟光缓存实现处理难度 量& 故障) 光路交换低高不需要低低 光分组交换 高低需要高高 光突发交换高低不需要低 高 2 1 3j e t 协议 光突发交换的技术难点之一，是寻找合适的带宽接入控制协议来进行资源 预留。即带宽何时建立、何时释放，也就是控制包b h p 和突发数据包d b 之间 的协调问题。鉴于此，q i a o 提出了恰量时间( j u s te n o u g ht i m e ，j e t ) d 议t 4 1 ，在 控制包和突发数据包之间保留足够的时间，使得中间节点能够在突发数据包到 达前及时的处理，并成功预留带宽资源。恰量时间协议是基于r f d 在光域中的 突发交换控制协议。它采用了两种独特的特性，即偏置时间和延迟预留( d e l a y r e s e r v a t i o n , d r ) 。j e t 允许数据信道的交换完全在光域中进行，它的控制是由 在电域处理的控制包信息决定。控制包要先于突发包发送，即控制包与其相应 的突发包在源端发送时，有一个偏置时间的间隔。突发包与其头部分离发送和 交换容易实现，并降低了对核心节点在头部处理和光电处理能力的需求。而 且，通过分配额外的偏置时间，j e t 可以在光域扩展支持优先级业务。 图2 3 所示为j e t 协议的基本原理。首先，当突发包的汇聚完成后，源节点 在控制信道上发送一个到目的节点控制包。该控制包被所经过的每个中间节点 处理，为其对应的突发包预留数据信道带宽资源，从而建立一条全光数据通 路。每一个中间节点根据控制包中所携带的信息，在出口链路上选择一个合适 的波长，并在这个波长信道上预留带宽资源，同时配置好光交换机。另一方 面，突发包在源节点( 电缓存) 等待偏置时间t 后，以光信号的形式发送到选 定的波长信道上去。由于在中间节点中带宽资源已经被预留好，所以该突发包 就以全光的形式在预留好的波长信道上直接通过。利用这个方法存在一个问 题：如何选取偏置时间的长短。如果偏置时间太短，后面的突发包可能会追上 控制包，这样控制包将来不及预留资源；如果偏置时间太长，又会增加端到端 延迟。下面，我们来讨论偏置时间的长短问题。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系架构 b i 俨 t i ) b s 12ds12d 、 乏 i ： r 1 r 1r 1 ( a ) 2 1 3 1 偏置时间 b i 口 t 图2 3 使用j e t 协议的o b s ( b ) 如图2 3 ( a ) 所示，简单起见，我们假设在每个节点处理控制包、预留相应带 宽和配置交换机的时间是个时间单元，并忽略接收和传输控制包的时间。 在基于t a g 的o b s 协议中，源节点将突发包和控制包一起发送出去，没有 偏置时间( 如图2 3 ( a ) 中t = 0 ) 。另外，在每个接下来的中间节点，突发要等 待控制包被处理，然后两者又一起发送到下一跳节点，同样没有偏置时间。这 样，控制包和突发包都要被延迟时间，这称为每跳控制延迟。这样，包括总 的传播时间3 尸而不包括传输时间的最低突发包延迟就是3 尸+ 日，其中 为路径上的跳数( 例如在图2 3 中，h = 3 ) 。 在基于j e t 的o b s 协议中，我们可以选择偏置时间丁等于日，如图 2 3 ( a ) 所示，以保证每个节点在突发包到来前有足够的时间来处理控制包。这 样，突发包并不会遇到比使用基于t a g 的o b s 协议更长的延迟，而同时又可 以省略掉中间节点的光缓存。更进一步来看，事实上我们可以把粗略地看成 两个部分：艿表示处理控制包和初始化其它操作( 比如配置交换) 的时间，而 s = ( - a ) 是完成其它操作所需要的时间在j e t 中，控制包在中间节点花费 万时间单元后就立刻发往下一跳节点，换句话说，就是比突发包早占时间。这 就有效地使交换设置时间和控制包传输到下一跳( 或者被处理) 的时间重叠了 起来。从而可以使得偏置时间变为t 7 = 艿h + s ，延迟变为3 尸+ 丁，如图 2 3 0 ) 所示，这样就比基于t a g 的o b s 协议少了s ( 日一1 ) 时间。 值得注意的是，突发包不需要等到目的节点发回的连接确认消息( a c k ) 就可以发送出去。在2 5 g b s 的速率下，5 0 0 k 字节长( 平均4 0 0 0 个口包) 的 突发包可以在1 6 m s 内传输，但是确认消息传输5 0 0 k m 就将消耗2 5 m s 的时 9 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系架构 问。这就说明了为什么在相对长距离的突发性业务传输中，单向预留方式往往 优于双向预留方式。一旦突发包发送出去，它将不需要缓存的直接通过中间节 点，所以其最小延迟和光分组交换中是一样的。当然，如果一个突发包非常 小，那么不妨采用分组交换方式将数据和控制信息一起传输。 2 1 3 2 延迟预留 j e t 协议的另外一个特点就是延迟预留，顾名思义，就是控制包在核心节点 预留数据信道带宽资源的时候，不是从到达的那一刻起就开始预留，而是延迟 一段时间。它可以提高带宽利用率。如图2 4 ( a ) 所示，使用基于t a g 的o b s 协 议，出口链路的带宽从时间矸开始被预留，也就是节点处理完( 第一个) 控 制包的时间。在j e t 中，也可以这样预留带宽。但是j e t 中一般是将带宽预留 开始时间延迟到，也就是( 第一个) 突发包到达的时间。在这里 ，并且 它们的差值等于在节点处突发包和其对应控制包的偏置时间。 因为不同节点处理控制包的时间不同，所以决定突发包到达时间 的方法是 让控制包携带将被下一跳节点使用的偏置时间值。这个值是根据当前节点处理 控制包的时间来更新的。在下面的例子中，一旦控制包成功预留了带宽，它的 传输就预定了，这个时间为彳。下一跳节点使用的偏置时间就是从当前的值中 减去0 一。显然地，突发包前后需要一些保护带以适应可能的抖动。 除了考虑突发包到达时间外，更为重要的是在j e t 中带宽可以被预留到 时间+ 而不是到无限，其中是突发包持续时间。这将提高带宽利用率和降 低不得不丢弃突发包的可能性。举例来说，在图2 4 ( a ) 所示的两种情况 如 + ，1 ( c a s e1 ) 和岛 t l ( c a s e 2 ) 下，如果没有缓存，那么在t a g 中第二 个突发包在节点将被丢弃。但是，在使用j e t 时，第二个突发包在c a s el 下 肯定不会被丢弃，因为在时间f 1 + ，1 之后的信道是空闲的，在c a s e2 下，只要第 二个突发包的长度小于一岛，那么它也不会被丢弃。 呓f 2 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系架构 图2 4 延迟预留 需要注意的是，d r 的使用是和偏置时间紧密相连的。另外，尽管突发包长 度是可变的，我们还是可以在其对应的控制包发送前假定突发包长度。但是， 如果突发包长度未知，那么也可以延迟控制包直到整个突发包到达或者突发包 长度达到某个值时。为了利用j e t 中使用的偏置时间，以便降低传输前的延 迟，另外一种方案是采用估计的突发长度尽快地发送控制包。如果实际长度小 于估计值，就发送一个控制包去释放预留的多余带宽。如果实际长度大于估计 值，那么多出的部分作为另外的突发包来传输。j e t 协议也可以通过预留带宽 到无限来支持完整的会话，并在不再需要链路时采用显式的释放消息来释放带 宽。 2 1 3 3 智能缓冲器管理 如前所述，j e t 协议不强制需要缓存。不过如果突发包在中间节点能够被缓 存( 或者延迟) 的话，丢包率可以进一步降低，从而进一步提高带宽利用率和 性能。图2 5 所示为两种基于光线延迟线的缓存突发复用器( b u f f e r e db u r s t m u l t i p l e x e r s ，b b m s ) 的设计【l 】，它可以应用在“出口缓存”的光交换机路由器 中。如图，从三个入光纤信道中的任何一个进来的突发包都可以最长被延迟 b = 2 一l 时间单元。图2 5 ( a ) 所示的共享型b b m 和图2 5 ( b ) 所示的专有型 b b m 的区别在于后者更复杂、更昂贵，但是功能更强。 1n 2n n 3n 门一) b n n n ( a ) ( b ) 图2 5 缓存突发复用器 由于光缓存是稀有的和昂贵的资源，因此j e t 通过两种方式有效地利用缓 存。首先，在j e t 协议中，每个突发包在偏置时间内在源节点的电域中被缓 存，如果控制分组在传输路径上没有任何阻塞，那么突发包在中间节点处根本 不需要被缓存。其次，万一控制分组在中间节点阻塞了，d r 也可以和b b m 相 结合，因为d r 通过智能缓存分配和管理也可以提高现有缓存的有效利用率， 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系架构 正如前面所说的d r 能够提高带宽利用率一样。以图2 4 ( b ) 的c a s e3 为例，其中 t 2 f l + ) ，这 种盲目的强制预留将浪费一部分缓存资源。更糟糕的情况是如图2 4 ( b ) 所示情 况下，当不足够的时候( 例如+ t l + ，1 ) ，由于突发包无论如何都 会被丢弃，因此将浪费整个缓存资源。 从以上的分析可以看出，j e t 协议通过将延迟预留( d r ) 和智能缓冲器 ( b b m ) 管理相结合，无论是在o b s 网络有缓存还是没有缓存的情况下，都能 够提高网络的性能，因此，j e t 协议较之于其它的单向预留协议( 如t a g 等) 更适合o b s 网络的特点。 2 2 光突发交换网络的边缘节点 2 2 1 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( 如口网，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 ) 分拣和缓存包；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包；3 ) 插入在目的节点提取p 包所需要信 息；4 ) 在光网络中为突发包的传输预留需要的资源；5 ) 在网络上转发突发 包。反之亦然，出口边缘路由器从突发包中提取出口包并将它们转发往目的网 络。对到达的口包进行分组和缓存。 实际上，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数据包汇聚发送的0 b s 网络中，同 时也可以将o b s 网络的突发包解汇聚，发送回传统网络。 简单的边缘路由器功能结构如图2 6 ( 发送部分) 和图2 7 ( 接收部分) 所 示 3 1 。线卡( 1 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 ) 。1 层和2 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系架构 层的解封装功能和包括路由表查找、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 ) 主要实现2 层和l 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包并根据o b s 协议转发往核心网 络。图2 8 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。 s w i t c h 图2 6 边缘路由器功能结构( 发送部分) d c g c c c d c g c c g 图2 7 边缘路由器功能结构( 接收部分) 图2 6 中的包汇聚器( 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 p 包汇聚成为突发包。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 时间来发送突发包和b h p 。在突发包和b h p 之间有偏置时间。突发包和b h p 传输模块( b u r s t & b l i pt xm o d u l e ) 负责在预定的时间传输b h p 和突发包。 边缘路由器的接收( 出口) 部分结构如图2 7 所示。f d l 的使用使得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 t r e c 七- q v e r ) 接收对应的突发包。突发包被接收后，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 ) ，在那里突发包被解开成为m 包。接下来这些d 包象在传统路由器中一样被转发到下一跳。如果需要的话， 突发包重排和重传也在突发包解汇聚器中处理。值得注意的是，在图2 7 中线 卡( r ) 的1 层功能并不是必须的。 突发包格式的例子如图2 8 所示，每个2 层的突发包( b u r s t ) 都由有效负载 ( p a y l o a d ) 和帧头组成。帧头包括负载类型( p t ) 、负载长度( p l ) 、包个数 1 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系架构 ( n o p ) 和填充偏移( 0 髋e t ) 。p t 表示突发包中数据包的格式，p l 是以字节 表示的负载长度，n o p 表示负载中的包个数，偏移表示填充的第一个字节( 如 果对于最小突发包长度有限制，那么就有可能会用到填充) 。在图2 8 中，一 层的同步模式( s y n c ) 是用来同步出口边缘节点的光接收器的，突发包前面和 后面的安全带( g u a r d - b 和g u a r d - e ) 主要作用是克服不同节点间由于时钟接收 器所带来的突发包到达时间和持续时间的不确定性、不同波长上的延迟差别、 突发包到达时间和光交换矩阵配置时隙的不一致以及光矩阵配置时间的不确定 性。其它的光层信息( o l i ) ，如性能监测和差错恢复等也可以包含在内 p a c k e 口l a y e r 3 il f r a m e 瓯 l a y e r 2 - - - + t r a n s m i s s i o no r d e r 图2 8 突发包格式示例 2 2 2 边缘汇聚算法 l a y e r1 假定对于每一个出口边缘节点，入口边缘节点都有一个专门的突发汇聚队 列。所有进入的数据分组根据它们的目的地址和q o s 需求，转发到相应的队列 上去。当队列尺寸达到阈值或分组的等待时间达到阈值的时候，该队列中的分 组就会作为一个突发包发送出去。下图所示为突发包汇聚器的结构 6 1 1 6 1 。 d l 耆豁 图2 9 突发包的汇聚 现有汇聚算法归纳如下 4 1 ； 1 、固定汇聚时间算法( t h ef i x e da s s e m b l yp e r i o d , f a p ) ： 边缘o b s 节点将一定汇聚时间( a s s e m b l yp e r i o d ，a p ) 内到达的口包汇聚 成一个突发包，同时产生相应的控制包。 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系架构 2 、固定长度算法( t h ef i x e db u r s tl e n g t h , f b l ) ： 边缘o b s 节点在突发的长度达到某一阂值的时候将所有p 包汇聚成为一个 突发包并产生对应的控制包。 3 、最小突发长度最大汇聚时间算法( t h em i nb u r s t l e n g t hm a xa s s e m b l y p e r i o d ，m b m a p ) ： 这种算法产生突发的条件是突发长度达到某一最小突发长度( m i n i m u m b u r s tl e n g t h m b l ) 或者汇聚时间超时。两个参数( m a p 和m b l ) 的设置可 以遵循这样的原则：最小突发长度小于平均突发长度，最大汇聚时间约等于流f 对应的( r t o r t t ) 的最小值。 4 、自适应汇聚时间算法( t h ea d a p t i v ea s s e m b l yp e r i o d ，a a p ) ： f a p 算法太过于生硬，因为它不能根据当前的流量状况来调节突发汇聚。 这很可能会对网络性能造成负面的影响。a a p 算法是f a p 的改进，它与f a p 算 法类似，不同之处在于a a p 算法可以根据当前发送的突发长度来自动调节每个 入口节点中任何队列的a p 值。 5 、自适应突发长度算法( t h ea d a p t i v eb u r s tt e n s t h , a b l ) ： a b l 算法类似于f b l 算法，是对a b l 的改进，区别在于a b l 算法可以根 据当前发送的突发长度来自动调节每个入口节点任何队列的突发长度( b l ) 取 值。 6 、自适应最小突发长度最大汇聚时间算法( t h ea d a p t i v em i nb u r s t l e n 垂h m a x a s s e m b l yp e r i o d a m 旧【a p ) ： 将自适应调节引入m b m a p 算法就得到了a m b m a p 算法，它是对 m b m a p 的改进。在a m b m a p 算法中，m a p 和m b l 参数都根据实际情况动 态调节。 当边缘路由器汇聚完成的时候，就产生一个控制包。下面，我们来看看控 制报的格式。 2 2 3 控制包格式 由于控制包具有信令的功能，所以它包含路由信息( 核心路由器将突发包 逐跳转发到目的边缘节点所需要的路由信息) 、偏置时间、突发包尺寸、突发 包对应的端口波长信道、突发包发送的速率和服务质量等【5 】。图2 1 0 为o b s 网络中控制包的一般格式州，g u a r d - b 和g u a