（通信与信息系统专业论文）光突发交换中解决资源竞争问题的仿真算法研究.pdf

中文摘要 摘要：在当今信息社会，因特网的规模迅速扩大，对网络带宽的需求不断上升； 另一方面，网络业务种类也在不断扩展，视频和音频相结合的多媒体技术所占的 比重越来越大。这些原因使i n t 锄c t 的流量以指数速度递增，人们对网络带宽和交 换系统容量的需求比以往任何时候都更加迫切。 现有的光传送主干f 嚼上d w d m ( d w 打c l 舶g i hd i v i s i m u l t i p l c ) 【i l l g ) 技 术的发展满足了h n 脚1 e t 流量的带宽需求。在网络交换方面，光突发交换( 0 b s ) 技术所具有的全光的、高速的、透明的、按需分配的波长提供能力正符合未来网 络的发展方向 如何解决0 b s 网络资源竞争问题是o b s 技术能否最终走向实际应用的关键技 术之一本文首先对o b s 的体系结构进行了全面、系统的研究。接着，分析了几 种资源调度方法比较得出f a f a v f 是一种性能较好的调度算法。在探讨改善 o b s 网络性能时，介绍了一种改进的波长调度算法，并利用网络仿真工具实现相 应的模块，进行相关的性能仿真分析和验证仿真结果表明，通过给多跳数的包 增加适当的权重，使得它可以抢占权重较小的包预留的波长资源，能有效地提高 o b s 网络的公平性在此基础上，本文对o b s 的关键技术之) b s 网络资源 竞争问题进行了深入的研究，给出了各种竞争解决方案的基本原理以及优缺点。 并对偏射路由这种方案进行改进，把b e c n 、等待控制等技术结合到该方案中，来 解决o b s 中的突发冲突问题。并利用仿真工具进行仿真分析比较，仿真结果显示 该改进方案改善了系统性能。 关键词：光网络；光突发交换；突发竞争；数据信道调度 分类号；1 n 9 1 3 7 a b s l a c r n o w a d a y 禹t l l cs c a l eo f 地i l i b 嘲1 e t 伽l a r g 瞄r 印i d l y ，孤dn 坞d 锄a n d 幻n 咖p o r l 【诵d t hh a sb 黜a l i i l gu pt o 趾姐b c l i c v a b l ed e g r e e d r a m a t i c a l l y i i l c r e 勰e d 锄l o u 咀to f t h ew 甜dw i d cw 曲啊e 埽h a v eb m u 曲tm o i 挑a t i o ns e r v e r s o i l l i n e f 1 t l l 钟m o r e ，1 h et y p 髂o f 也en 咖o f ks 盯v i c 鹤h a v eb e l a r g p l yi n a 鞠s e d ，舭d t h ep r o p o n i o ft h e 删l 戗m c d i at e ( ：h l o g i 鼯i n c e g r a t 。db yv i d a n d 觚d i ob e c o m 嚣 l a r g e a ut h e r e 啪n sh a v em a d et h ei n t e i l l e t 仃a m ci n c r 龃s ce x p d n 锄a lt i l l l 鼯p 茁 y e a r ，觚dt i 他d 咖甜l d 衙n e t w o r kw i d t ha n dn e t w o r kc a p a c i t yb 啪l i l cm o r e 删删t h 锄 t e f 1 1 璩d 印l o y l i l e n to fd w d mt h n o l o g yi ne 】【i s t i l l g0 p t i c a l 位m s p o r tn e 呐。出m t s t h eb 锄d w i d l hr e q u i 崩n e n to fh l t 锄e t 位l f f i c i nn e t w 饼k 鲫以t c i l i n gd o i l l a i l l ，0 p d c a l b 喊s 诵删n go f f b r sa l l 叫i c a l ，h i 曲一s p e e dd a t am t e f o 咖l a l 咖釉t 刚蛐岛 w i l i c ha 坞璐s 酬a lc h 锄l m e f i s t i c st o 蛐p p o r tf h h n 曲v 0 r i c s w bd o e p l yr 鹳e a r c h 伽ek c yt e c h n o l o g ya b o u to b s ：c 0 n t 船d r e s o l l n i i no 砸c a l 丑m 哦s w i t 曲匠n gn e t w 哦，f o rn l i st o p i ci sp i v o t a lt oo b 8 伽m a d a i 叩i p l i c a t i o i l f 硎弘t h i st h 龆i sm a d ea m p r e ! h e n s i v e 锄ds y s t 咖a t i cr 龆韶“h 伽t h e 删t e c t l l r eo f o p t i c a lb i l r s t8 w i t c h i n 辱t h 髓，、e 雠a l y z es e v e 豫ld a t a h e 捌i n ga l 鲥m m s t h e 托剐l l t o fn 坞f i l p c t i t i s h o w sf 址a - wi st l l eb e s ta l g o r i 妇n s ho r ；d 盯t oi m p r o v et h e p 胃f b r i i l 锄c co fm en e t w 讲k 锄i 玎1 p 曲咖w a v e i e n g t h h 砌i l l ga l g ( 埘t l l mi sp u t 南r w 棚t h 册、ep = r 】f o ms i m l l l a t i 砒l a t y s i s ，越l dt h er c s u l ts h o w st h a t 心盯a d d i n g p r i o r i t yw e i g h tt 0t l l eb u 培协w i t hm o mn 咖。出谢l l i 6 ht h e yh a v e 舭a d yr 鹤a v e d r e m 馏t h cb u 糟tc a n bt h ew a v c l e n g l l lr e s o u r c er 懿e r v o df o rt i 坞b 1 1 r s tw t l i c hl m s m a l l 盯p r i o r i t yw e i g h t t l l i sw a v c l g i h h e d u l i n ga l g o r i m mc a n 豇血a i l j 删o f t h e 玳帆诎e 圩酏d v e i y t h e n 、cd oad e 印f 懿e a r c ha b o l l te x i s t i n gc o n t 碰o n 删m i o n s c h 咖锄dl a yo u tw o 蹦n ge l e m 协，a d 啪t a g e 觚dd i s a d v 锄t a g eo ft l l 船es c h 锄铭 w ii n 廿o d u c ct l l eb e c n e w c 锄ds c h c d l l l i n gt od e n o c t i n gr o u t i n ga l 鲥衄nt o 阳s o l v ec o n t 训o nr 锚o l m i o mt h e nw ep 曲肌s i l i m l a t i o n 锄a l y s i s ；a n dt l l er e s u l t s h o w sm a lc o m b i i l e d h 锄伪c a nr e l v eo b sc o n t c n 在，i n l p r o v ct h cs ) ，s t e m c a p a b i h t y 衄w m r d s ：0 p t i c a ln 髓w o 凼o p t i c a lb 啪ts 丽t c h ；c 伽呦t i r c 1 u t i 傩； d a t ac h 龇n e ls c b e d u l ea l g c i r i t h i n c l a s s n o ：1 n 9 1 3 7 致谢 本论文的工作是在我的导师孙强教授的悉心指导下完成的，孙强教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来孙强 老师对我的关心和指导。 在公司实习和撰写论文期间，同事们对我论文中的研究工作给予了热情帮助， 在此向他们表达我的感激之情，同时对在论文研究中最困难的网络模型仿真过程 中给予支持和帮助的同行们表示衷心的感谢，研究生期间朝夕相处的同学也是宝 贵的财富，感谢李珏、吴翔、吴志文三位同窗以及各位师弟师妹让我得到了日积 月累的真挚友情，不论是有形的图文还是无形的记忆，都会珍藏着我们的欢声笑 语，永不磨灭感谢通信五班所有同学，感谢所有的朋友，很幸运能够认识你们， 我的学习生活因你们而更加丰富多彩 最后，感谢我的家人，你们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业， 想到你们总会让我的心里安详而温暖，你们的哺育之恿、爱护之情我当永世不忘， 祝你们身体健康，永远年轻! 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完 成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的 谢意! 1 绪论 1 1 引言 互联网的不断发展壮大和各种新兴业务的出现，如各种多媒体网页、多媒体 游戏、多媒体会议、电子商务等，使网络中的业务数据量呈爆炸式增长，网络带 宽的需求越来越大，过去常用的通信媒介，如电缆、同轴线、双绞线等无法满足 海量信息传输的需求，光纤由于巨大的潜在容量成为目前的主流通信媒介。由于 h i c 伽c t 业务的多样性和多变性，传统的核心交换网络已经不适应互联网不断发展 的需要。 如何提升网络带宽、网络速度、高速口路由处理技术以及进一步扩展网上运 行的业务种类和网络的服务质量就成为人们目前迫切关注的问题。 随着波分复用( w d m ：w 撕e l 锄g i hd i v i s i m u l t i p l 懿i l l g ) 和密集波分复用 ( d w d m ：d e n w 打e 1 钮g md i v i s i m u l t i p l 懿i i l g ) 技术的应用，光纤的传输容量 大大提高，即一根单模光纤在波长1 5 5 0 i 蛆窗口能够同时传输几十路或几百路甚至 上千路的光载波，有实验报道光纤的传输容量已经达到1 0n 伊( s + c + l 波段) 【i l 。由此可见，波分复用是目前提高光纤传送带宽的最有效的方法，是发掘利用光 纤巨大潜在容量的利器，未来通信网的传输线路肯定是越来越多地采用w d m ，并 且越来越多的路数可同时传输。这对于扩大通信网容量，适应通信业务量的快速 增长非常有利。采用w d m 来扩大容量是符合经济节约原则的，当通信业务量增 加1 0 0 倍时，一根光纤采用l o o 路w d m 系统，比敷设l o o 根光纤、每根光纤只 传送一路光载波的方案要经济得多w d m 将是适应通信业务快速发展和扩大通信 网容量的最佳选择。而且，由于w d m 的经济性，直接降低了用户支付资费，用 户更加愿意使用通信业务，从而进一步促使通信网扩大带宽容量。 如前所述，光纤传输已经不是问题，但作为光信息转发的路由和控制节点是 当前光网络的瓶颈。目前的高速传输网络中，如果网络节点处仍然采用原有的设 备，以电信号处理信息的速度进行交换、分插复用和交叉连接，网络节点将变得 庞大而复杂，而且受到“电子瓶颈”的限制，根本无法充分利用光纤的传输带宽。 而光交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，在全光通信系统中发挥 着重要的作用，可以这样说，光交换技术的发展在某种程度上决定了全光通信的 发展。因此研究全光的光交换技术显得非常必要 1 2o b s 研究背景 随着s d h 的出现，标志着现代光网络的兴起，并随着光器件的发展和m t 脚僦 不断增长的业务的驱动，光网络得到了飞速的发展。光网络主要经历了如下几个 发展阶段。 同步数字体系： 1 9 8 4 年美国贝尔通信研究所提出了同步光网络( s o n e t ：s y n c b r o l l o 惦o p t i c a l n 嘲岣r k ) 的概念，后来删t 的前身c c n l 将其发展成为同步数字体系( s d h ： s y n c h n o 璐d i g i t a lh i e 指f c h y ) ，使之成为一种有机的结合了高速大容量光纤传输 技术和网络管理控制技术的新体制，建立了世界性的统一标准。s d h s o n e t 开始 在全世界范围内进入建设高潮，这标志着现代光网络的兴起。 s d l ，s 0 n e t 统一了北美、日本和欧洲三个地区性标准，各种数字传送信号在 s 曰山1 等级以上获得统一，使国际电信互通成为可能由于s d h ，s o n e t 电信传 送采用了同步复用方式和灵活的映射结构，可以利用软件实现高阶信号与低阶支 路信号之间所谓的异步复用，上下业务十分容易，大大简化了交叉连接设备。 s d i i s 饼咂t 还采用了标准的光接口，代替了大量电接口，节省了网络投资，提高 了网络性能，可实现多厂家设备互联，便于组成复杂的网络。此外，由于 s d h s o n e t 帧结构中安捧了大约占总信号5 的开销比特，极大地加强了网络的 运行、管理和维护( o a m ：o l ，e r 嘶o n ，a d l i l i l l i 咖虹锄dm a i n t 柚c c ) 能力正 因为上述优点，s d 刚s o n e t 出现后很快成为长途传送网上的主要技术 虽然s d 刚s 0 n e t 已成为世界各地的网络基础，其它网络往往架构在它之上， 但是，光信号在s d i s 0 咐e t 中主要起传输媒介的作用，控制管理信令处理都是 通过电域完成的，这不仅要求增加光电、电光变换设备，而且增加了开销处 理时间此外，光电转换抵消了光传输带来的信息透明性的优点，而且随着网 络规模的扩大，s d h s o n e t 开销也不再充裕，多级复用还造成带宽利用率低的缺 点。更为重要的是，随着业务的增长，s o n e t s d h 难以跟上数据业务高速发展的 步伐，既不便于支持数据业务格式，又有容量匮乏之虞。总之，s d h s o n 盯的不 足已充分表露出来，光网络有进一步发展的迫切要求。 波分复用： 随着数据通信的迅速发展，特别是e t 业务量呈爆炸性增长，对数据传输 网带宽的需求越来越高，这种传输网信息容量需求的快速增长，带来的直接后果 是所谓的“光纤耗尽”的现象，即现有的光纤通信系统出现了负载能力接近饱和的情 况，网络扩容问题首先提上了议事日程。 2 网络扩容的复用技术包括波分复用( w d m ：w a v e l g l l ld i v i s i o n m u l 卸l e 】【i n g ) 、时分复用( t d m ：t i m ed i v i s i m u l t i p l e x i l l g ) 、码分复用( c d m ： c o d ed i v i s i t i p l 麟i i l g ) 其中，t d m 和c d m 对电子器件的要求很高，目前 还没有成熟的商业化产品，而在w d m 中，电子设备的速率只需是一个波长信道 的速率即可，而且随着掺铒光纤放大器( e d f a ：e r b i 岫d o p e df i b e ra 唧l i 丘盯) 的发明和使用，w d m 在上世纪的9 0 年代中期以后迅速走向成熟并进入商业化应 用。 所谓w d m 【1o ，1 1 1 技术，就是在单一光纤内同时传输多个不同波长的光波，让数 据传输速度和容量获得倍增。它充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源， 采用复用器，在发送端将不同的波长的光载波进行合并，然后传入单模光纤，在 接收端再由解复用器将不同波长的光载波分开。w d m 系统构成示意图如图l - 1 所 示。 图l lw d m 系统构成示惹图 波分复用技术的突出优点在于充分利用了光纤的带宽资源，增加了系统的传 输容量，而且还能提高系统的经济效益。 当然，目前的w d m 还以点到点的方式为主，无法实现灵活的网络互联，可 以说只提供了“原始”的传输带宽。而且，在w d m 网络的每个电节点中，光信号 都要转换成电信号进行电处理，由于电子节点的处理负担过重，限制了网络节点 的吞吐量。因此需一种光处理技术，解决光网络节点瓶颈的问题。 光传送网： 饥n ( o p t i c a l l 伯n s p o r t n e 腑o r k ) 从功能上看，它的出发点是子网内全光透明， 而在子网边界处采用o 剧。技术。这与w d m 系统有很大的区别，w d m 系统只 采用线路系统传输技术，不涉及到组网技术。o t n 在光域内可以实现业务信号的 传送、复用、路由选择、监控，并保证其性能指标和生存性它能够支持各种上 层技术，是适应各种通信网络演进的理想基础传送网络。 3 0 州【1 2 - 1 4 】是从网络功能和重要特征的角度提出的，它不限制具体的实现技术。 w d m 、光时分复用( 0 1 m m ：o p t i c a l 币m ed i v i s i m u l 邱l e x h l g ) 、光码分复用 ( o c d m ；o 州c a lc o d ed i v i s i m u l 邱l e x i n g ) 等各种复用技术都可以用于o ，r n 。 由于w d m 技术的突破性进展，基于w d m 的o t n 最具有发展前景。w d m 光传 送网用光波长作为最基本的交换单元，客户信号以波长为单位来完成传送、复用、 路由和管理的。 当前，数据业务带来如突发性、多变性、多样性和不对称性等问题，a r n 不 仅要解决带宽问题，更需要具有灵活提供带宽的能力这需要引入光交叉连接器 ( o x c ：o 蛳c a lc i m 骝c o n f 。c t i o n 盯) 和分叉复用器( 0 a d m ：o p t i la d dd r o p m i l l t i p l 懿i n g ) 等设备，将传统的点到点的光网络逐渐演进成高效的网状结构如 何更好的适应数据业务传输的需要，是o t n 广泛应用的关键。但随着业务量的增 长和业务特性的变化，在带宽灵活地、有效地提供等方面，0 1 m 存在一些不足。 i p 0 l v e r w d m ： 球技术具有众多优点：简单、灵活、控制粒度细、可扩展性好、极具智能性 等。最重要的是，随着i n t 鲫e t 业务的爆炸性增长，传统网络在向多业务网络方向 发展，而综合近几年的网络发展趋势来看，i p 成为适合于各种业务的首选技术 口与光网络的融合可实现优势互补：结合光层和口层的路由功能，能提供动态的 波长路由；结合光层的保护和球层的恢复功能，能提供多种保护恢复方案，提高 网络生存性；口智能控制协议丰富，标准化程度高，又有多年实践经验等等而 在光网络中，w d m 技术提供了巨大的带宽，已经无可争议的成为骨干网络中最为 主要的传输技术显然，口o v 盯w d m 势在必行。 口o v 盯w d m 也就是所说的光因特网，它可以直接在光层传输口分组，中间 不经过删层和s o n e t ，s d h 层，是一个真正链路层数据网，可以充分利用光纤 的带宽资源。口o v 盯w d m 由于没有中间层，被认为是下一代h t 锄e t 的最有前途 的解决方案。从图1 - 2 可以看出，由于中问省略了a r m 层和s d h 层，它能充分 利用带宽资源，在皿层与光层之间实现流量工程、保护恢复、q o s ( q o s ：q u a l i 够 o f s e r v i c e ) 和网络管理等优化配置，整个网络体系结构简单而高效。在口与w d m 之间的中间层，如m p l s ( m u l 吐p f o t o c o l 呦e 1s 嘶t c l l i n g ) 、o b s 、o p s 等，还有 待研究与完善。 口o v 口w d m 技术将伴随新型网络控制协议的完善和多波长光网络技术的进 步而不断发展。口o v 盱w d m 网络模型为面向数据业务的光网络发展提供了很好的 思路。 4 电话l 嘲像 数据 i p 电话 霸像| 数拱 电话圈像教措 a t m 蹬 i p l p电话曝像 数据 b 。y l m p l so ro b s s d h 层a 喇层s d h 堪 f f ) p 冀 黏m 层叩蛀雌i ： d 触瀑( 叩t 鼬l 3 d m 屡( 卵瞄c d ：d m 层( 棚瞄c 村： 图l - 2m a v “w d m 协议栈的发展 自动交换光网络： 自动交换光网络( a s o n ：a u t o m a t i cs 诵t c h e do 叫c a ln 咖o r k ) 在i t u t 的 文献中定义为“通过能提供自动发现和动态连接建立功能的分布式( 或部分分布 式) 控制平面，在0 1 附或s d h 网络之上，可实现动态的、基于信令和策略驱动 控制的一种网络”a s 0 n 是能够智能化的自动完成光网络交换连接功能的新一代 光传送网5 1 所谓自动交换连接是指：在网络资源和拓扑结构的自动发现的基础 上，调用动态智能选路算法，通过分布式信令处理和交互，建立端到端的按需连 接，同时提供可行可靠的保护恢复机制，实现故障情况下连接的自动重构 相对于传统网络，a s o n 引入了一定的智能，使得业务的提供更加灵活、快 捷。但随着n 锄c t 业务量的增加和业务多样性和突发性的加剧，在带宽利用效率 和带宽灵活提供等方面，基于光路交换的a s o n 还是有些力不从心。因此，有必 要研究一些新的组网技术，如0 b s 、o p s 等 下一代光网络的发展趋势： 近年来，随着互联网的迅猛发展，m 将承载包括语音，图像、数据等在内的 多种业务，构成未来信息网络的基础同时以w d m 为核心、以智能化光网络为 目标的光传送网进一步将控制信令引入光层，满足了未来网络对多粒度信息交换 的需求，提高了资源利用率和组网应用的灵活性，因此如何构建能够有效支持m 业务的下一代光网络已成为人们广泛关注的热点之一 与传统的业务类型相比，口业务具有显著的自相似性、收发数据不对称性和 服务器拥塞等特点，因此对承载的光网络而言，下一步面临的主要问题不仅仅是 要求超大容量和宽带接入等明显需求，还需要光层能够提供更高的智能性和在光 节点上实现光交换，其目的是通过光层和口层的适配与融合，建立一个经济高效、 灵活扩展和支持业务服务质量( q o s ) 等的光网络，满足i p 业务对信息传输与交 换系统的要求。 随着业务需求的不断增长和技术的发展，o b s 与o p s 将逐步发展起来，为更 灵活、更有效的光网络提供解决方案，如图1 3 所示 5 光 网 络 发 展 趋 势 换 时间 图l - 3 光网络的发展趋势 由于o p s 技术对光器件的要求太高，目前还难以实现，因此，国内外的学者 将研究重点转移到o b s 上。o b s 技术有望成为下一代光网络的核心交换技术因 此本文对o b s 的研究具有很重要的理论意义和现实意义 1 3 本论文完成的主要工作 本论文的工作主要包括如下几个方面： 第二章对o b s 的基本工作原理、体系结构和资源预约机制进行了研究。在对 o b s 的资源预约机制进行探讨时，提出j e t 具有较好的性能 第三章讨论利用数据信道调度算法来解决资源竞争的问题。分析了几种资源 调度方法：l a u c 、l a u c j v f 和涨v f 算法。比较得出f 舡a v f 是一种性价 比较好的调度算法在探讨改善o b s 网络性能时，介绍了一种改进的波长调度算 法，并利用网络仿真工具实现相应的模块，进行相关的性能仿真分析和验证。仿 真结果表明，通过给跳数多的突发包增加适当的权重，使得它可以抢占权重较小 的突发包预留的波长资源，能有效地提高o b s 网络的公平性。另外，由于选择了 合适的权重算法，还降低了考虑突发包长度的加权全网丢包率。 第四章对各种o b s 网络资源竞争解决方案( 如波长转换、光缓存等) 进行深 入研究，给出了各种竞争解决方案的基本原理以及优缺点。并对偏射路由这种方 案进行改进，把b e c n 、等待控制等技术结合到该方案中，来解决o b s 中的突发 冲突问题。并利用仿真工具进行仿真分析比较，仿真结果显示该改进方案改善了 6 系统性能 1 4 本章小结 本章主要分析了0 b s 的研究背景和研究意义，论证了研究o b s 技术的关键性 和重要性最后，介绍了本论文的主要工作。 7 2 光突发交换网络 2 1光突发交换技术概述 2 1 1三种光交换方式的比较 目前，光路光交换( o c s ：o 叫c a lc i r a j i ts w i t c l l i l l g ) 研究的比较多，相对比 较成熟；光分组交换( o p s ：o p t i c a lp a c k c ts 谢t c h i n g )由于缺乏高速光逻辑器件、 光缓存存储器等，还处于研究阶段。 o c s 是以波长路由的方式出现的，w d m 网络需要为每一个连接请求建立一 条从源节点到宿节点的光路( 每一个链路上均需要分配一个专用波长) 。o c s 是采 用基于类似t c l l - a n d - w 斫t 或者删网络中的具有延迟传输特性的块传输 ( a b t 二d t ：a 1 mb l o c kt r a n s 断w i t hd e l a yt 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b c p ( b u r s tc o i 衄o lp a 如t ) ，当有确认消息后再发送数 据，数据可以以直通( a i 佃l r o u 曲) 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 t t ：r o 啪d 确p1 恤e ) ，这种交换机制 特别适合需要高速度、高带宽的业务，同时该业务生存时间相对于连接建立时间 足够长。此外，从连接的建立到连接的拆除，该端到端的波长通路被此次连接业 务所独占，不能被其它数据业务所共享。然而对于突发业务，这种交换机制将导 致极低的带宽利用率。i n t 黜c t 网络中业务大多是突发性的自相似业务，因此在业 务节点间对提供波长为粒度的光路效率不高。此外，由于每个链路的波长数目有 限，因此某一时刻只能存在有限条光路，对于某些节点间的业务不可能建立端到 端的光通路。 o p s 的典型特点是“存储转发”，一般不需要建立连接，采用单向预约机制。 o p s 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等，因此 特别适合突发的数据业务。分组净荷( p a y l o a d ) 紧跟分组头后，在相同的光路中传输， 网络中间节点需要缓存净荷，等待分组头的处理，以确定路由。由于目前还没有 高速的光逻辑器件，分组头的处理仍需要进行光电转换后处理，然后进行电光转 换。然而由于在光域不存在类似电域的随机访问存储器( r a m ：r 锄d o ma c c 韶s m 锄o r ) r ) ，只能使用光纤延迟线( f d l ：f i b 盯d d a yl i n e ) 使数据延迟有限的时间， 而f d l 往往比较笨重，不灵活，存贮深度有限。由于要区分分组头、分组结束标 识等，还需要解决0 p s 中的同步问题，而在o p s 交换节点处，多个输入分组的精 确同步难以实现。此外，还需要考虑分组净荷长度问题，考虑到光网络通道的高 8 韭哀交通太堂壅堂焦j 金毫光塞筮窑携圈络 带宽，小的分组净荷长度将导致相对较高的控制开销。 鉴于o c s 的不灵活、带宽利用率低和o p s 的技术难度大，难于实现的问题， 为了克服交换中的电子瓶颈问题以及提高带宽利用率，c t i 蚰i n gq i 【3 】和j s 1 、釉c r 【1 7 】提出了o b s ，以满足突发性、多样性的业务日益增长的需求。o b s 是一 种折衷的方案，融合了o p s 和0 c s 的优点，又克服了它们的缺点，是一种很有发 展潜力的交换模式。 带宽利 交换模式接续时延光缓存 开销实现难度适应性 用率 0 c s低长 不需要低 低弱 o p s 高 短 需要高高 强 0 b s 高短不需要低 中 强 表2 - l o c s 、o p s 、o b s 的比较 本质上，o b s 为光层无缓存的透明传输。然而，到目前为止，还没有一个o b s 的通用定义d o l z 盯掣塘l 对o b s 广泛接受的特性进行了归纳： 1 ) 粒度：o b s 传输单元的大小介于光路交换和光分组交换之间。 2 ) 控制与信道分离：控制信息在分离的波长( 或信道) 上传输。 3 ) 单向预留：采用单向预留的方式分配资源。也就是说，源节点在开始发送 b d p ( b u r s td a t ap a c k e t ) 之前，不需要等待从目的节点的回应消息。 4 ) 变长突发：b d p 的长度是可变的 5 ) 无光缓存：在光网络中的中间节点不需要光缓存。突发在经过中间节点时 没有任何延迟 根据o b s 的一些特点，将o b s 定义归纳如下： o b s 是一种光交换技术，它以光突发为交换单位，通过在单独的信道( 一般 是单独的波长) 中提前发送控制消息，以便预留其相应的b d p 所需的资源，后续 核心节点在电域或光域处理控制消息，并试图预留并配置相关资源，而b d p 一般 不需要等待确认消息，通过事先配置好的链路，透明( 全光) 地到达目的节点， 它所途经的中间节点不需要对它作任何的识别或相关处理，只需将其按预先配置 的信息进行波长转换，延迟，其中b d p 是在入口边缘节点由多个具有相同特性的 分组( 如相同的目的o b s 节点地址或服务等级) 汇聚而成，并在出口边缘节点完 成解汇聚。 下面对o b s 的原理、网络体系结构和资源预约机制进行详细论述。 2 1 2o b s 基本原理 o b s 的基本思想是0 c s 与o p s 的结合，可看作是兼顾o c s 与o p s 优点的折 衷方案它的交换粒度介于上述二者之间( 为微秒量级) ，是多个分组的集合，称 为突发( b u r g t ) 因为o b s 的交换颗粒较粗，因而处理开销大为减少。同时，o b s 克服了这两种交换方式的不足，在较低的光子器件要求下，实现了面向摩的突发 业务的快速资源分配和高资源利用率，因此能有效地支持上层协议或高层用户的 突发业务。 在一般的0 b s 网络中，每一根光纤中有多个波长用于数据通路，一个波长则 用作控制通路。在o b s 网络中的基本交换单位是突发，其长度可变，它是由相同 的出口边缘路由器地址和相同的服务质量( q o s ：q i l a l i 锣o f s e f “c e ) 要求的口分 组、删信元、刚帧等组成。在传送突发时，在控制通路传送提前的b c p ， 确定b d p 连向哪一根输出光纤、波长等控制信息b c ! p 中的控制信息一般通过电 域处理，而b d p 不需光电、电光转换和电路由器的转发，直接在端到端的透明 传输信道中传输。b c p 在w d m 传输链路中的某一特定信道中传送，每一个突发 的b d p 对应于一个b c p ，并且b c p 先于b d p 传送，通过“数据报”或“虚电路”路 由模式指定路由器分配空闲信道，实现数据信道的带宽资源动态分配源节点不 需要等待目的节点的确认在这条通路上所有资源都已经建立o b s 源节点在发送 b c p 后的一段时问后，立即发送b d p 。上述的时间隔就称为偏置时间，它是指b c p 的第l b i t 时间与b d p 的第1 b i t 时间之差b c p 中携带了b d p 有关的信息，包括 偏置时间的大小、b d p 的长度、优先级、目的o b s 节点等。b c p 的目的是通知与 其对应b d p 途经的中间节点，在一定偏置时间后，即将有一个b d p 到达，并请求 预留资源，以便这些中间节点进行路由判决、交换结构配置，并在b d p 持续的周 期内，将b d p 传送到相应的端口。数据信道与控制信道的隔离简化了b d p 交换的 处理，且b c p 长度非常短，因此使高速处理得以实现。同时由于b c p 和b d p 是 通过b c p 中含有的可“重置”的时延信息相联系的，传输过程中可以根据链路的实 际状况用电子处理对控制信元作调整，因此b c p 和信号分组都不需要光同步。可 以看出，这种路由器充分发挥了现有的光子技术和电子技术的特长，实现成本相 对较低。 由于在突发流传送前，连接并不建立，在控制信息分组经过的节点中，有可 能无法预留资源，此时b d p 可能被丢弃为了减少丢包，可利用光缓存、波长转 换、偏转路由等手段来解决丢包的问题，对于时延允许的业务( 如数据业务) ，可 以通过上层重传来解决丢包问题，只要重传的比例不大，几乎不影响系统的吞吐 量等性能。 l o 2 1 3o b s 网络结构 图2 - l o b s 网络模型 图2 1 所示是一个o b s 网络的基本拓扑结构，它是由处于网络边缘的边缘路 由器、位于网络中心的光核心路由器以及波分复用( w d m ) 的链路组成。 边缘路由器提供数据突发的汇聚和拆分功能。在o b s 网络入口的边缘路由器 处，入口边缘路由器按照口分组的目地地址和服务等级( q o s ：q l a l 埘o f s c r “c c ) 等信息，对口分组进行分类、缓存和封装，组合成突发数据包b d p ，这部分工作 叫做突发汇聚。有两种突发汇聚策略：基于时间门限和基于长度门限。基于时间 门限的突发组装策略：入口边缘节点开启定时器，b c p 和对应的b d p 被定时发送 到核心交换网中，而突发长度是变化的基于长度门限的突发组装策略：突发长 度通常是固定的，因而一个突发中评分组数目也是限定的，只有长度达到长度阈 值的突发才被送到交换网中b d p 经过光核心路由器的交换，然后在网络的出口 处被边缘路由器分解成礤分组，并将其发送到网络的下一跳( h o p ：即节点) ：其它 子网或终端用户边缘路由器提供陆t 的组装和拆分功能，并且提供了各种网络 接口( 如：g i g a b “e t 量埘n c t ，p a d ( e to v 盯s o n e t ( p o s ) ，口a t m 等) ，使之可以和 其它协议类型的网络互联。 光核心路由器主要由光交换矩阵( o p t i c a ls 1 ) l ，i t c h j n gm a 舡i x ) 和交换控制单元 ( s 诵t c hc 0 n h du n i t ) 组成。控制分组b c p 在有效载荷b d p 之前发送，它们通 过光核心路由器时各自在电域和光域交换。b c p 中包含b d p 传输交换所必需的控 制信息，如b d p 的长度、偏置时间等，o b s 主干网的每一跳交换控制单元根据这 些信息来配置光交换矩阵和交换控制单元，以便在光域直接传输b d p = -d1 b d p 2 眩弦砀，d 2 i b c p 2b c p l ： 一 口 ， c 。1 。1 _ 。甲 l 下：偏置时间 图2 2w d m 链路上的b d p 及其对应b c p 的传输示意图 b u r s t 由b d p 和b c p 两部分组成( 如图2 _ 2 所示) ，它们通过光核心路由器时 各自在电域和光域交换。b d p 在o b s 网中的交换传输完全在光域内完成，不需要 进行o e 、e o 的转换；b d p 是由一些口分组组成的，这些口分组可以是来自传 统m 网中不同的电p 路由器。而b c p 在独立于数据通道的光信道中传输，每个 b d p 对应于一个b c p ，b c p 中包含该b d p 传输交换所必需的控制信息，如b d p 的长度、偏置时间等。o b s 主干网的每一跳的交换控制单元根据这些信息来配置 光交换矩阵，以便在光域交换b d p 源节点需要设置b c p 与b d p 的偏置时间l 即b c p 与相应的b d p 的出发时间间隔。通过设置恰当的时间间隔，可以保证一定 的q o s ，并且不需要光存储和执行光同步。b c p 在中间节点需要进行光电转换， 在电域内进行路由判断，保证b d p 在偏置时间内完全在光域内完成交换传输。b d p 和b c p 独立传输和交换不仅有助于对b c p 进行电处理，降低光核心路由器光电转 换的需求，而且可以提供入口到出口的透明光通路来传输b d p 。在w d m 系统中， b c p 占用一个波长或者几个波长，b d p 占用其它波长；对于多光纤系统也可以是 b c p 占用一根光纤或其中的几个波长，而其它光纤用于b d p 的传输 本文用信道( c h 觚n e l ) 来表示两个相邻路由器间的某种单向传输能力。信道可以 由一个波长或者时分( 码分) 复用下的波长的一部分构成。传输b d p 的称为数据信 道，传输b c p 的称为控制信道信道组( c h 猢dg r 0 1 叩) 是一组具有相同类型和节 点信息的信道组成一个w d m 链路代表两个路由器间的整体传输能力。通常每 个方向都有一个数据信道组( d c g ：d a l a c h 锄n d g 埘l p ) 和一个控制信道组( c c g ： c o n 打o lc 抽彻e lg 彻单) 组成( 如图2 - 3 所示) 。d c g 和c c g 在物理上既可以是同 一条光纤又可以属于不同的光纤。 c o n d c g ：d a t ac h 柚n e lg r o u p c c g ：c o n t r o lc h a n n dg m u p 图2 - 3 0 b s 网络中的b u 饿传输 图2 2 所示的b u f s t 偏置时间f 的初始值f o 由入口边缘路由器设置，每个b u r s t 的偏置时间既可以相同也可以不同，b u r s t 偏置时间的功能取决于光核心路由器的 设计当光核心路由器使用f d l 来延迟发往交换矩阵的b d p 时，控制单元有充裕 的时间来处理b c p ，偏置时间可以很小或者没有如果光核心路由器没有f d l ， 为了使光核心路由器在每一跳都有足够的时间处理b c p ，我们需要为偏置时问设 置一个比较大的初始值to ，to 与b u r s t 在o b s 网络中路由过程中所经过的跳数以 及每一跳的处理时延成正比 2 2o b s 资源预约机制 o b s 网络中，每个数据突发发送前，先在控制信道中通过控制分组发送一个 建立消息( s 阴i p ) ，沿路预约资源( 通常情况下应包括信道上的波长资源和交 换结构中的缓冲资源) ，然后间隔一个偏移时间后，发送数据突发，在某些方案 中还需要在数据突发结束的时候发送一个资源释放消息( r e a l e a s e ) 在目前 文献中出现了多种资源预约方案，各种预约方案的主要区别在于如何判断数据突 发的结束，以及如何确定某个新数据突发占用的相应资源的持续时间。 方案一：显式建立、显式拆除( e x p l i c i ts e t i 巾锄de x p l i d tr e l e 鹤e ) 当s e n 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 出波长的预约。配置一直到收到r e l e a s e 消息时释放。 方案二：显式建立、估算拆除( e x p l i d ts c t u p 蛆d 鹤t i l i l 砷c dr c l e 船e ) s e l u p 消息中要携带数据突发的持续时间信息。与方案一不同的是，方案二不需要 r e l 主认s e 消息来标志数据突发的结束。数据突发的结束根据s e 腰消息的到达 时刻与数据突发的持续时间来估计。 方案三：估算建立、显式拆除( e s t i m a t e ds 帅a n d 懿p l i d t e a ) 该方案 与方案二刚好相反。估计的是数据突发的开始时刻，而数据突发的结束用 r e l e a s e 消息来标志。 方案四：估算建立、估算拆除( e s 曲1 a t e ds 呻柚d 酬缸l a t e dr e l e 鹤c ) 数据 突发的开始和结束时刻都根据s e n l p 消息中的信息来估计 目前常用的方案一和方案四已经被实现，1 a g 和m t 是根据方案一的思想实 现的，j e t 是根据方案四实现的。 2 2 1t a g 、j i t 和i b t t a g ( t e l l 锄d g o ) 和m t ( i l l - b 细d _ 蛐a 1 0 f ) ( 如图2 _ 4 所示) 是从传统网 络中继承过来的信令机制。 r e i e a s e 控制信道 数据信道 控制信道 数据信道 ( b ) m t 图2 - 4 t a g 和t 信令机制 t a g 类似于快速电路交换。在1 a g 信令协议【19 】中，源节点首先发在控制信道 上发送个突发控制分组b c p 来预留带宽和配置交换结构，过一段时间( 偏置时 间t ) 后，在不需要确认的情况下( 不需要收到带宽预留成功的消息) 发送突发数 据分组。( 数据分组可以紧接控制分组发送。此时，中间节