（通信与信息系统专业论文）业务动态变化情况下的obs网络路由方案研究.pdf

摘要 摘要 w d m 技术为光网络带来了充足的带宽资源，但是光网络存在一个严重的问 题：网络中的业务是动态变化的，初始的网络资源配置将会不适用于变化后的业 务环境，最终导致网络的各项性能指标恶化。因此，我们迫切需要能灵活运用于 业务动态变化情况下的光交换技术，以及相应的路由方法。在目前光网络的三种 基本交换技术中，o p s o b s 比o c s 更适用于动态业务，但o p s 由于光器件发展限制， 目前尚难以实用。本文主要研究基于o b s 的业务动态变化情况下的路由方案。 本文研究业务动态变化环境下o b s 网络，主要分为两个方向：第一个方向是 利用负载均衡策略，使流量在网络中均匀分布，以缓解业务动态变化带来的数据 包冲突。第二章研究的v l b s 负载均衡策略，通过构造全连接虚拓扑，使业务流量 在虚链路上均匀分布，只要每条虚链路容量设置适当，就能保证业务在一定约束 下无论怎样变化，网络都不会出现丢包。但是，构建一个全连接虚拓扑，需要大 量的波长，一般网络往往由于资源受限而无法建立o b s 具有很好的资源复用能 力，我们尝试将v l b s 运用于o b s 网络，却遇到诸多问题：首先，虚拓扑上的负载 均衡并不意味着物理拓扑上也达到负载均衡，多条虚链路在物理拓扑上可能对应 同一条物理链路，使得该物理链路负载过大，容易拥塞；其次，v l b s 负载均衡策 略在物理拓扑上会出现路径往返，引发大量冗余数据流。作者提出了两种启发式 算法基于两层的整数线性规划( 1 r i 肼) 和主要冗余避免( m r a ) 算法，以提 升v l b s 负载均衡策略在o b s 网络中的性能。 解决此问题的第二个研究方向是利用新的光交换技术混合光交换技术去 改善网络在动态业务环境中的表现。o b s 在动态业务环境中有较稳定的表现，但 丢包率要大于o c s 网络。作者在第三章提出了一种全新的混合交换技术基于 o b s 的集成式混合光网络( o m o n ) ，使传统的0 c s 和o b s 光交换技术在同一网络 中并存，使网络既具有较低的丢包率，又能适应业务动态变化的环境，具有一定 的鲁棒性。o i h o n 混合交换技术采用两种传送模式：正常模式和溢出模式，正常 模式传送方法与o c s 相同，将口分组包在预先建好的光路上端到端透明传送至目的 节点，溢出模式传送方式与o b s 相似，利用突发控制分组在多条光路间预约，为 突发包提前打通一条全光通路。基于o b s 的集成式混合光网络( o i h o n ) 既保留 了o b s 网络对突发性业务的优秀表现，又有效的降低了突发包冲突，减少了光节 第1 页 摘要 点控制部分负载。 在本文的第四章中，作者介绍t o i h o n 混合交换仿真平台，主要包括仿真平 台的总体框架、各个模块设计实现以及相关的核心代码。第五章对整个毕业论文 各章内容进行了总结。 关键词：o b s 网络，混合交换网络，动态变化业务量，负载均衡 第页 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 ( w d m ) t e c h n o l o g yb r i n g so p t i c a ln e t w o r kh u g c b a n d w i d t h h o w e v e r , t h e r ei sas e r i o u sp r o b l e m ：t h et r a f f i co fn e t w o r kv a r i e s d y n a m i c a l l ya l lt h et i m e ，t h ei n i t i a lr e s o u r c o n f i g u r a t i o nw i l ln o tf i tt h ec h a n g e dt r a f f i c u p t ot i m e ，a n dr e s u l ti nt h eb a dp e r f o r m a n c eo fn e t w o r k s ow en e e do p t i c a ls w i t c h i n g t e c h n o l o g ya n dc o r r e s p o n d i n g l ym u t i n ga p p r o a c h ，w h i c hc a n b ea p p l y e dt od y n a m i c a l l y v a r y i n gn e t w o r k sw i t hb u r s t yt r a f f i c a m o n gt h eb a s i co p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y , o b sa n do p sa r em o r e ：p r o p e rt od y n a m i c a lt r a f f i c b u tt h eo p s 啪n o tb ep u t t i n gi n t o p r a c t i c eb c c a i u s co ft h el i m i to ft h eo p t i c a le q u i p m e n t s s ot h et h e s i sm a i n l yr e s e a r c h e s t h er o u t i n gs c h e m eu n d e rt h ed y n a m i c a l l yv a r y i n gt l 墒c , b a s e do nt h eo b st e c h n o l o g y t h er e s e a r c ho fo b sn e t w o r ku n d e rd y n a m i c a l l yv a r y i n gt r a f f i cc a nb ec l a s s i f i e d i n t ot w om a i nd i r e c t i o n s t h eo n ei s u s i n gl o a d - b a l a n c i n gs t r a t e g y t or e d u c et h e c o n f l i c t i o no fn e t w o r kw i t h h i g h l yd y n a m i c a l l yv a r y i n gt r a f f i c t h ep r o p o s e d l o a d - b a l a n c i n gs t r a t e g y i sc a l l e dv u s ( v a l i a n tl o a d - b a l a n c i n gs c h e m e ) t r a f f i c e n t e r i n gt h en e t w o r ki sl o a d e de q u a l l ya c r o s sa l lv i r t u a ll i n k s af u l l - m e s hn e t w o r kw i t h p r o p e rc a p a c i t yc o n f i g u r a t i o nc a ng u a r a n t e e1 0 0 t h r o u g h p u tf o ra n yv a l i dt r a j 五c m a t r i x v l b si sr e g a r d e da sa p e r f e c tl o a d b a l a n c er o u t i n gs t r a t e g y h o w e v e r , t h e r ea r e s o m es e r i o u sp r o b l e m sw h e ni ti sa p p l i e dt ot h eo b sn e t w o r k s f i r s t ，l o a d - b a l a n c i n gi n v i r t u a lt o p o l o g yd o e sn o tm e a nl o a d - b a l a n c i n gi np h y s i c a lt o p o l o g y m u l t i p l ev i r t u a l l i n k sm a yt r a v e r s et h es a m ep h y s i c a ll i n k , w h i c hw i l li n c r e a s et h eb u r s tl o s sp r o b a b i l i t y s e c o n d ，d i r e c t l ya p p l y i n gv l b st ot h eo b sn e t w o r kc o u l dr e s u l ti nal a r g ea m o u n to f r e d u n d a n td a t as t r e a m s t oa d d r e s st h e s ei s s u e s ，i nc h a p t e r2 ，t w oh e u r i s t i ca l g o r i t h m s t i l l ( t w o - l a y e r - b a s e di n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g ) a n dm r a ( m a i nr e d u n d a n t r o u t e a v o i d i n g ) a r ep r o p o s e d c o n s i d e r i n gt h eh i g h l yd y n a m i ca n dc h a n g i n g t r a f f i c e n v i r o n m e n t , s i m u l a t i o ns h o w st h a tb o t ht i l pa n dm r aa l g o r i t h m sc a nd e c r e a s et h e b u r s t - l o s sp r o b a b i l i t ya n de n h a n c et h en e t w o r ks t a b i l i t y t h es e c o n dr e s e a r c hd i r e c t i o ni s u s i n gh y b r i do p t i c a ls w i t c h i n gt oi m p r o v et h e n e t w o r kp e r f o r m a n c ei nh i g h l yc h a n g i n gt r a f f i ce n v i r o n m e n t t h eo c sh a sal o wb u r s t l o s sp r o b a b i l i t yi nt h es t a b l em l 蜘ce n v i r o n m e n t , a n dt h eo b sh a sg o o dp e r f o r m a n c ei n 第m 页 t h ed y n a m i c a l l yv a r i n gt r a f f i ce n v i r o n m e n t t h eh y b r i dn e t w o r kc o m b i n e st h em e r i t so f o c sw i t ho p so ro b sm a yo f f e rb e t t e rc o s ta n dp e r f o r m a n c ei nt h ed y n a m i c a l l yv a r i n g t r a f f i ce n v i r o n m e n t t 1 l cn o v e lh y b r i d o p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y o i h o n ( o b s b a s e di n t e g r a t e dh y b r i do p t i c a ln e t w o r k ) i si n t r o d u c e di nt h ec h a p t e r3 弧c o i h o nc o m b i n 鹤t h es t r e n g t h so fb o t ho b sa n do c st e c h n o l o g i e sa tt h es a m et i m e o i h o nh a st w ok i n do fs w i t c h i n gm o d e ：n o r m a lm o d ea n do v c r s p i l lm o d e n o r m a l m o d es w i t c h i n gi st h es a m et oo c s ，a n do v e r s p i l lm o d es w i t c h i n gi ss i m i l a rw i t ho b s i no i l - i o n , w eu s eo b st od e c r e a s et h ei n e f f i c i e n c yc a u s e db yt h em i s m a t c hb e t w e e n l i g h t p a t ha n dc h a n g i n gt r a f f i c s i m u l a t i o ns h o w st h a to i h o n d e c r e a s et h eb u r s t - l o s s p r o b a b i l i t y , h a sg o o dp e r f o r m a n c e t ov e r i f ya n de v a l u a t et h es w i t c h i n gt e c h n o l o g yi nt h ep r e v i o u sc h a p t e r , t h eo p t i c a l n e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o r mh a sb e e nd e v e l o p e du s i n go p n e r i nc h a p t e r4 w ew i l l e s t a b l i s ht h ef r a m e w o r ko ft h ep l a t f o r mf i r s t , a n dt h e ng i v et h ed e s i g n a t i o na n dd a t a s t r u c t u r e so ft h ed i f f e r e n tm o d u l e s k e yw o r d ：o b sn e t w o r k , h y b r i do p t i c a ls w i t c h i n g , d y n a m i c a l l yv a r y i n gt r a f f i c , l o a d - b a l a n c i n g 第页 缩略字表 缩略字表 b u r s tc o n t r o lp a c k e t f i b e rd e l a yl i n e s i n t e m e tp r o t o c o l i n t e g r a ll i n e a rp r o g r a m m i n g m a i nr e d u n d a n t - p a t ha v o i d i n g o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g 突发控制分组 光纤延迟线 因特网协议 整数线性规划 主要冗余路径避免 光电路交换 光分组交换 光突发交换 光交叉连接器 o p t i c a l a d d d r o pm u l t i p l e x e r光分插复用器 o v e r s p i l lr o u t i n gi no p t i c a ln e t w o r k o i h o no b s b a s e di n t e g r a t e dh y b r i do p t i c a ln e t w o r k q u a l i t yo fs e r v i c e t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e n e r t w o - l a y e rb a s e di n t e g e rl i n e a rp r o g r a m m i n g v a l i a n tl o a d - b a l a n c i n gs c h e m e 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 w a v e l e n g t hr o u t i n go p t i c a ln e t w o r k 第v 页 溢出路由光网络 基于o b s 的集成式混 合光网络 服务质量 可调波长变换器 基于两层的整数线 性规划 v a l i a n t 负载均衡策略 波分复用 波长路由光网络 鼢 吼 m 耻 眦 茎； 嗍 差 懈 一 一 多 哪 一 一 一 图目录 图目录 图1 - 1o b s 信道。4 图1 - 2o b s 网络结构5 图1 3 虚拓扑的形成7 图2 - 1 具有n 个节点的全连接虚拓扑。1 1 图2 - 2v l b s 在o b s 网络中应用1 4 图2 - 3c e r n e t ( 1 0 , 1 6 ) 1 5 图2 4c e r n e t 网络变化业务量下的丢包率1 7 图2 - 56 ( 4 ，4 ) 网络拓扑1 8 图2 - 60 ( 4 。3 ) 网络拓扑1 8 图2 - 7 变化业务量下的丢包率比较，c t = 8 g b s 2 2 图2 - 8 变化业务量下的丢包率比较，c r = 6 g b s 2 3 图2 - 9 转发不当导致冗余路径示例2 6 图2 1 0 变化业务量下的丢包率比较，c l = 8 g b s 2 8 图2 - 1 1 变化业务量下的丢包率比较，c r - - s g b s 。2 9 图2 - 1 2 变化业务量下的丢包率比较，c t = 6 g b s 3 0 图2 - 1 3 变化业务量下的丢包率方差比较，c l = 6 g b s 3 0 图2 - 1 4 不同场景丢包率比较，c r - 6 g b s 3 1 图3 - 1 主从型混合光网络3 5 图3 2 平行型混合光网络3 7 图3 3 集成型混合光网络3 8 图3 - 4o r i o n 网络模型3 9 图3 - 5o i h o n 网络模型4 1 图3 - 6 溢出光路的构成及其优先级示例4 3 图3 - 7b c p 转发路径示例4 4 图3 8 边缘节点分类调度4 5 图3 - 9 最小负载法调度算法流程图4 8 图3 - 1 0o i h o n 信道调度示意图4 9 图3 1 lm 包调度流程图5 0 图3 1 2o i l 4 0 n 节点结构图5 1 图3 - 1 3 模块1 0 4 的具体实现框图5 3 图3 - 1 4 转发端口查询模块2 0 1 实现步骤5 4 图3 1 5 溢出光路查询模块2 0 2 实现步骤5 4 图3 1 6o l 1 0 n 方案节点处理流程图5 6 图3 1 7n s f t f e t - 1 4 物理拓扑5 7 图3 1 8 丢包率比较，c = 5 0 0 m b 。5 9 图3 1 9 丢包率比较，c = 1 0 0 m b 。5 9 第v i i i 页 图目录 图3 2 0 丢包率比较，c - = 5 0 m b 6 0 图3 2 l 光节点控制部分负载比较，c ；5 0 0 m b 6 1 图3 2 2 光节点控制部分负载比较，c - - 1 0 0 m b 6 2 图3 2 3 光节点控制部分负载比较，c - - - - 5 0 m b 6 2 图3 2 4 端到端时延比较，c = 5 0 0 m b 6 3 图3 2 5 端到端时延比较，c = 1 0 0 m b 。6 4 图3 2 6 端到端时延比较，c - - - - 5 0 m b 6 4 图3 - 2 7o i h o n 丢包率比较，c - - - - 1 0 0 m b 6 5 图3 - 2 8o i l - i o n 光节点控制部分负载比较，c = 1 0 0 m b 6 6 图3 2 9 0 i h o n 端到端时延比较，c = 1 0 0 m b 6 7 图4 1 仿真平台总体框架设计7 0 图4 2 全网配置子模块关系图7 0 图4 _ 3 边缘节点模型7 6 图4 - 4 汇聚状态机 图舢5 调度状态机7 8 图4 - 6 核心节点模型8 0 图4 7 交换状态机8 1 第页 表目录 表2 1 业务矩阵 表目录 表2 - 2 业务r 1 2 在o ( 4 ，3 ) 中传送路径描述 表2 - 3t i l p 优化配置结果。 1 6 1 8 。2 l 。2 7 表2 - 4 使用m r a 后，业务t 1 2 在g ( 4 ，3 ) 中传送情况 表3 - 1 主从型、平行型、集成型混合交换技术比较 表3 - 2n s f n e t 业务矩阵 第x 页 ”5 7 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着全球通信业务尤其是业务的迅猛发展，对通信网带宽和交换速率的要求 前所未有地增加。以1 9 7 6 年实现光纤通信为标志，光纤通信技术一直迅猛发展。 目前，在光层采用波分复用( 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 ，w d m ) 技术1 1 j 使 一根光纤上可利用2 5 6 个波长，每波长带宽可达4 0 g b p s ，光纤总带宽超过1 0 t b i f f s 。 光传输技术所取得的成就对网络节点的交换能力提出了新的要求。目前通信网络 所采用的电交换技术已经接近了电子速率的极限，其固有的r c 参数、抖动、漂移、 串扰、响应速度慢等缺点限制了交换速率的进一步提高，使得交换速率远远低予 传送线路能提供的带宽，通信网的瓶颈就由传送线路的带宽转移到了交换系统上。 为了克服瓶颈，实现透明的，具有高度生存性的全光通信网，采用光交换技术已 经成为必然的发展趋势。同时，光网络存在一个重要闯题：网络中的业务是不断 变化的，网络中动态变化的业务会导致初始的网络资源配置不适用于变化后的业 务环境，使网络的性能恶化。因此，网络迫切需要能灵活适应业务动态变化的光 交换技术，以及相应的路由方法。 1 2 光交换技术概述 所谓光交换技术，是指到达的光信号在网络节点处不经过光，电，光转换，而是 在光域将输入的光信号直接交换到相应的输出端光交换技术不但克服了电交换 与光传输子网并存带来的处理速率不匹配等问题，还节省了大量建网和网络升级 成本，提高了网络的重构灵活性和生存性，加快了网络恢复速度，简化了网络控 制操作等。 为利用光交换带来的优势，人们相继提出了多种光交换技术。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分为光电路交换( o p f i c a lc i r c u i t s 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 ) 两个大类。 光电路交换类似于现存的电路交换技术，具有面向连接的特性，一旦端到端 光路建立成功，就可以实现业务流在光域上端到端的透明传输。它采用光分插复 第1 页 电子科技大学硕士学位论文 用器( o a d m ) 和光交叉连接设备( o x c ) 等光器件建立光通路，中间节点不需 要使用光缓存其交换过程可分为三个阶段：光路建立，光路保持，光路释放。 波长路由光网络( w r o n ) 是光电路交换的成熟应用，它采用多协议标签交换机 制，对波长进行选路。波长路由具有速度快，带宽大，相对简单，易于实现的优 点。然丽因特网的业务变化无常，具有突发性，光路的建立和拆除将会非常频繁， 而建立和拆除一条光路需要一定的时间，当光保持时间很短时，就会导致信道的 利用率很低。因此，它不适合于不断增长且变化无常的因特网流量。同时，它的 交换粒度最小是一个波长，且波长分配不灵活，对于一个大的网络，波长资源是 很有限的，可能造成波长资源匮乏。 另一种光交换方式称为光分组交换( o p s ) 。该技术可以看作是电分组交换在 光域上的实现分组的数据部分及头部信息一起发送到中间节点，头部信息在中 间节点被处理( 可以在光域或电域中进行) ，同时，数据部分在光域中暂时缓存起 来。光分组交换虽然仍遵循分组交换的“存储转发”原则，但分组的存储和转发 都是在光域中进行的。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。由于它允许统计复用网络通道的带宽资源，因此特别适合突发的因特网 数据业务。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。 但是目前o p s 存在以下难点i z j ： 1 1 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； 萄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f d l 的使用也受到信号质量和物理空间的限制， 无法提供足够灵活和充足的缓存； 光分组交换对配置光交换矩阵延时要求较严格。 因此，在些关键性的光器件，如高速光开关、光缓存器，光逻辑器件等取 得重大突破之前，光分组技术尚难以实用。 针对目前光电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 ) ，以及集 合了两种或两种以上基本交换技术的光混合交换技术，并迅速得到国内外学者们 的广泛研究。下面两节将分别对光突发交换技术和光混合交换技术做简要介绍。 第2 页 第一章绪论 1 3 光突发交换技术 本节将对光突发交换的原理、特点、网络结构以及节点结构做简单介绍，让 读者对光突发交换有一个总体了解光突发交换技术是一项关键交换技术，第二 章和第三章的研究都将围绕它展开 1 3 1 光突发交换技术简介 光突发交换技术是由纽约州立大学布法罗( b u f f a l o ) 分校的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 ns t t t m c t 首先提出的1 2 1 ( 3 1 。光突发交换( o r s ) 是光电路交 换( o c s ) 和光分组交换( 0 路) 的一个折衷方案，既结合了光电路交换和光分组 交换的一些优点，又克服了两者的不足，能很好的适应于业务多样和多变的环境， 是目前最具发展潜力的光交换技术之一。 光突发交换是一种以可变长度的光突发包为交换单位的光交换技术。光突发 交换网络中的基本交换单元叫做突发包( b u r s t ) ，也有文章称之为数据突发( d a t a b u r s t ，d b ) ，以区分与突发包对应的突发控制分组( b u r s tc o n t r o lp a c k e t ，b c p ) o 璐网络主要包括两个部分：核心节点和边缘节点，它们之间用w d m 链路相链接。 在o b s 网络中，突发包是指到达o b s 网络边缘节点处的业务分组( - - f 以是球分组， 以太网帧等) 按照某种汇聚算法汇聚而成的一个数据块，组装在同一个突发包中 的业务分组须具有相同的属性，这里相同的属性可以是相同的目的地址，相同的 业务等级等。突发包的突发控制分组中包含有突发的一些基本信息，如突发长度、 偏移时间( o f f s e t t u n e ) 、突发预定的传输波长等 在o b s 网络中，链路除提供数据信道传送突发包外，还提供一个或更多的控 制信道来传送b c p 。在o b s 网络中，突发控制分组b c t 先于突发包传送，突发包将 在源节点缓存至偏移时间结束后才进行传送偏移时间应设置得足够大，使得中 间核心节点能够在突发包到达之前完成对突发控制分组的处理。核心节点通过读 取突发控制分组b c i 中的信息，配置光交叉矩阵，为突发包预约链路。在偏移时间 到达后，突发包才开始在b c p 预先配置好的直达链路上全光传送，并在出口边缘节 点完成解汇聚。 1 3 2 光突发交换技术特点 o b s 的一个主要特点是其突发包和突发控制分组在分离的信道上传送。在光 第3 页 电子科技大学硕士学位论文 突发交换中，突发的突发控制分组和突发包在空间和时间上完全分离。在空间域 上，o b s 为突发控制分组分配专用的波长信道，即突发包和突发控制分组在不同 的波长上传送。这样。突发控制分组可以经过光电光转换在电域中处理，而突发 包不经过光电，光转换在全光域中进行传送。在时问域上，突发控制分组比突发包 提前一段时间发送，以保证核心节点有足够的时间处理突发控制分组。 数据分组i ：二 数据信道 竺坐 偏移时间 l l 0 l 一数据信道 数据分组； ： 匠复物 i 数据信道 控制分组l 控制分组2 控翻分组3 口口囫 控制信道 图1 - 1 0 b s 信道 如图1 1 所示，光纤上的w d m 信道被分为两组，其中一组用于传送突发控制分 组，称为控制信道，另一组则用于传送突发包，称为数据信道。边缘节点组装好 突发包的同时生成相应的突发控制分组，如果此时有空闲信道则立刻将该突发控 制分组发送出去，突发包则需要经过一段偏移时间后再发送。这种数据与控制分 组分离传输的特点有利于核心节点在突发包到达之前就根据控制分组中的信息预 留带宽，并有效降低了中间交换节点的复杂度和对光器件的要求。 o b s 的另一个特点是其链路建立是单向的，不需要收发端的交互突发控制 分组在核心节点经过光电转换后在电域内进行处理，为其突发包预约网络资源 这种预约网络资源的方式称为“单向预约”，即不论预约成功与否，核心节点都不 向边缘节点返回预约的确认信息。如果突发控制分组成功地预约了网络资源，则 随后到达的突发包在核心节点可以透明地在光域中交换传送，避免使用光存储设 备。如果突发控制分组在某个核心节点处预约网络资源失败，则随后到达的突发 包会在该核心节点处被丢弃而采用波长路由，发送端必须在接收到波长路径建 立确认信息后才能开始发送数据，o b s 相对于波长路由( w r o n ) 来说，数据传 输所需的时间更短。 除此之外，光突发交换技术还有其他一些特点；突发包的长度是可变的，可 以从几个分组到个短的会话，只使用一个突发控制分组，从而降低了每个数据 单元的控制开销；光突发交换粒度粒度适中，大小介于光电路交换和光分组交换 第4 页 第一章绪论 之间；在光网络中，中白】节点原则上不需要光缓存，突发包在经过中间节点时不 会发生延迟；光突发交换采用统计复用的方式，有效利用网络带宽，带宽利用率 高；突发包的数据完全透明传送，不需要经过任何的光电转换，从而消除了由于 电域瓶颈而导致带宽扩展困难的问题。 由于光突发交换的众多优点，光突发交换被认为是下一代光网络的交换模式， 是非常有发展潜力的研究方向 1 3 3 光突发交换网络体系和节点功能 图1 - 2 0 b s 网络结构 如图1 - 2 所示，0 b s 网络主要由o b s 节点和w d m 链路构成。其中，o b s 节点又 分为两部分：边缘节点和核心节点。边缘节点主要负责突发包的汇聚和拆分，并 提供多个千兆和百兆的以太网接口，具有图像、语音、数据等业务的接入能力。 根据数据业务进入和离开o b s 网络，边缘节点又分为入边缘节点和出边缘节点。 核心节点主要由光交换矩阵和交换控制单元组成，负责对突发控制分组进行处理， 为突发包配置相应的光交换矩阵。 在o b s 网络的入边缘节点处，所有进入节点的业务分组根据其目的地址和q o s 等属性被重新分类、捧队，然后按照某种汇聚算法将这些业务分组封装为一个个 的突发包，并根据突发包的属性产生一个相应的突发控制分组。这些突发包和突 发控制分组将利用w d m 技术发送至网络中，从而实现高速、大容量的数据传输。 同时，在突发包发送至网络之前，边缘节点通过单独的控制信道将突发控制分组 发送到核心节点，突发控制分组的内容包括突发包和突发控制分组间的延时( 偏 移时问) ，突发包的长度，目的节点等信息，同时还包括业务等级信息，以据此为 第5 页 电子科技大学硕士学位论文 不同的业务提供不同的o o s 保证。经过一段时间偏移时问后，边缘节点才向核心节 点发送相应的突发包。 o b s 网络中，核心节点在电域处理来自控制信道的突发控制分组，解析它可 以得到突发数据的偏移时间、突发长度、数据信道的波长、目的地址等信息。核 心节点根据这些信息完成对光交叉矩阵的配置，使随后到达的突发包在全光域内 进行快速的交换，发送至其他核心节点或边缘节点。由于突发控制分组的提前发 送和处理，使得突发包在交换节点处不必经过光缓存。与光分组交换技术相比， 光突发交换缓解了对光缓存技术的苛求。 当突发包到达0 i b s 网络的出边缘节点时，被拆分还原为一个个的业务分组， 根据需要进行进一步处理，至此，成功完成光突发交换 1 4 光混合交换技术概述 在波分复用( w d m ) 技术为光网络带来巨大的带宽资源之后，所需带宽不再 是评价一项网络技术花费的决定性因素。除如何处理电域和光域的匹配问题，使 电域不再成为光网络的瓶颈外，在动态变化的业务环境下，如何使带宽有效利用， 使网络具有稳定的性能，也是现在研究路由交换技术的关键所在现有的基本光 交换技术包括光电路交换( 0 c s ) 光分组交换( o p s ) 和光突发交换( o b s ) ，它 们实现了全光交换，并各有特点。 光电路交换( 0 c s ) 中，数据在中间节点不需要任何处理，全光传送，但是 由于光路的建立有一定时延和花销。不适用于业务频繁变化，高突发性的环境， 在业务动态变化环境中。光电路交换( 0 c s ) 带宽利用率较低。光分组交换( 0 p s ) 和光突发交换( o b s ) 与光电路交换( o c s ) 相比，比较灵活，适用于动态业务， 具有统计复用能力，带宽利用率高于是人们考虑将多种光网络技术综合到一起， 以更好的发挥各自的优点，避免各自的缺点，使数据在网络的传输交换更加灵活 在这种背景下，混合光交换技术应运而生。 光混合交换技术在一个网络中集成了两种和两种以上基本光交换技术，充分 发挥基本交换技术优点，避免或减少现有交换技术的缺点，不再单纯追求全光交 换处理的高效率，而是最好的协调利用光域和电域共同实现网络交换。 光混合交换技术将光电路交换与光分组交换，光突发交换相结合，利用光电路 交换提高光网络的传送效率，利用光分组交换，光突发交换提高光网络的灵活性， 鲁棒性，使资源均衡利用根据光电路交换和光分组交换，光突发交换两种交换技 第6 页 第一章绪论 术的交叠程度，可以将混合交换技术分为三种类型：主从型，平行型和集成型。 第三章将对这三种混合交换技术进行更详细的介绍 1 5 本文涉及的基本概念 目前，光网络广泛采用了w d m 技术。w d m 技术充分利用光纤的低损耗带宽， 在一根光纤中的不同波长上异步、高速传输各种格式的信号，是挖掘光纤巨大带 宽资源的最佳技术。根据研究网络的角度的不同，w d m 光网络具有两种拓扑结构， 物理拓扑和虚拓扑，虚拓扑又叫逻辑拓扑物理拓扑表征光网络节点之间物理连 接关系，虚拓扑表征网络节点间业务联系情况。 1 5 1 物理拓扑 网络的物理拓扑就是网络节点的物理连接关系，从构成上看，它是网络节点 与光纤链路的集合。在w d m 网络中当两个节点间有一条光纤链路连接时，对应 的物理拓扑的两个节点间就有一条边相连。物理拓扑的设计一般是在网络的建立 阶段，根据业务流量需求等因素静态规划的。在波分复用技术发展的早期，点到 点的连接是唯一的应用方式。随着节点技术的发展，光分插复用器( o a d m ) 和 光交叉连接设备( o x c ) 的出现使各种物理拓扑的实现成为可能。除简单的点到 点的连接方式外，常见的物理拓扑有线形、星形、环形、树形和网孔形等。一般 来说，网络的物理拓扑一旦确定了就不轻易改变了。 1 5 2 虚拓扑 物理拓扑虚拓扑 图l - 3 虚拓扑的形成 在w d m 光网络中，光路( 1 i g h t p a t h ) 【4 l 就是指两个节点间的一条全光通道，它 第7 页 电子科技大学硕士学位论文 可能穿过一条或者多条光纤链路，数据在光路上进行透明传输，光路上的中间节 点不进行任何电域的存储转发或者交换处理，大大提高了网络的吞吐率，简化了 网络管理的复杂度，减少了电域的网络设备。光路可以看作是光域中的端到端连 接，它形成电域的虚连接。这种光域的连接被称为网络的逻辑拓扑，也叫虚拓扑i 乳， 虚拓扑中每条边叫做虚链路 如图1 3 所示，当我们在物理拓扑的2 1 和4 3 2 间分别搭建一条光路后，在对应 的虚拓扑上节点2 与节点1 和节点4 与节点2 间就各自增加了一条有向逻辑边，从节 点2 发出的i p 包只需要一跳就可以到达节点1 ，从节点4 发出的i p 包也只需要一跳就 可以到达节点2 。 1 6 本文的主要贡献及内容安排 在实际的网络中，由于业务量情况随着时间是动态变化的，网络追切需要可 以灵活运用于动态变化业务环境下的光交换技术以及与之相应的路由方法通过 一、二节对三种基本光交换技术o c s 、o p s 和o b s 的介绍，可知o p s o b s 与o c s 相比，更适用于动态业务环境但o p s 由于光器件发展限制，目前尚难以实用，本 文主要进行基于o b s 的动态变化业务量情况下路由方案的研究。 解决此问题有两个研究方向，第一个方向是采用负载均衡，使业务在网络中 均匀分布，减少由于业务动态变化增加的局部冲突。相关文献所提出一种的基于 虚拓扑设计的负载均衡策略v l b s ( v a l i a n tl o a d - b a l a n c i n gs c h e m e ) ，首先构建全连 接虚拓扑，在虚拓扑上承载的业务量矩阵只要在某种范围以内，无论它怎样动态 变化，网络都不会出现丢包、恤s 负载均衡策略实现了负载均衡，并解决了链路 容量配置问题。但是运用于o b s 网络却存在诸多问题。首先，虚拓扑上的负载均 衡并不意味着物理拓扑上也达到负载均衡，多条虚链路在物理拓扑上可能对应同 一条物理链路，使得该物理链路负载大，容易拥塞。其次，v l b s 负载均衡策略的 路由在物理拓扑上会出现路径往返，引发大量冗余数据流。在第二章中，作者提 出了两种启发式算法一基于两层的