（通信与信息系统专业论文）obs网络的区分服务和公平性研究.pdf

摘要 光突发交换( o b s ) 考虑到现有全光技术的局限性，综合光包交换和波长路 由的优点，对于全光w d m 网络来说是个很有前途的解决方案。它的核心思想是 将电域的控制面和光域的传送面在波长上分离，通过业务汇聚、突发组装、单向 资源预留等技术在光域上实现端到端的数据传送。 丢弃率高是光突发交换网络的一个固有缺点，为了在o b s 网络中对综合业务 实施服务区分，本文提出了一种区分服务( d s h ) 信令协议，它采用异步时分复 用方式占用信道，既保证了实时业务的q o s 又提高了资源利用率，同时还能支持 非实时业务。 本文还对基于o b s 环网的公平性问题进行了研究，提出了一种用于时隙环网 的动态控制方案，该方案通过对时隙头的简单操作，可保证节点的公平性，降低 接入时延和丢弃率，提高整个环网的吞吐量。 上述研究通过仿真验证，得到了预期的效果。 关键词：光突发交换区分服务时分复用时隙环网公平性 a b s t r a c t o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) i sap r o m i s i n gs o l u t i o nf o ra l l o p t i c a lw d m n e t w o r k s i tc o m b i n e st h eb e n e f i t so fo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n ga n dw a v e l e n g t hr o u t i n g w h i l et a k i n gi n t oa c c o u n tt h el i m i t a t i o n so ft h ec u r r e n ta l l o p t i c a lt e c h n o l o g y i no b s n e t w o r k s , t h ec o n t r o lp l a n et h a tw o r k si nt h ee l e c t r i c a ld o m a i ni ss e p a r a t e df r o mt h e o p t i c a lt r a n s p o r tv l a n ei nw a v e l e n g t h , a n dt h ee n d - t o - e n da l l o p t i c a ld a t at r a n s p o r t a t i o n i sr e a l i z e db yu s i n gs u c h t c c l m q u e sa st r a f 矗cc o n 胃g e n o e ，d a t ab u r s ta s s e m b l y , o n e - w a yr e s o u r c er e s e r v a t i o na n de t e h i 曲d i s c a r d i n gr a t ei sa ni n h e r e n ts h o r t c o m i n g o fo b sn e t w o r k , i no r d e rt os u p p o r ti n t e g r a t e dt r a f f i cw i t hd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e si n o b sn e t w o r k s ，an o v dd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c eh y b r i d ( d s h ) s i g n a l i n gp r o t o c o li s p r o p o s e d , i tg u a r a n t e e st h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) f o rr e a l - t i m et r a f f i ca n di m p r o v e s r e s o u r c eu t i l i z a t i o n , a n dm e a n w h i l e , i ta l s os u p p o r t su n r e a l t i m et r a f f i c t h e na d y n a m i cc o n t r o la l g o r i t h mi sp r o p o s e dt os o l v et h ef a i r n e s so fas l o t t e do b sr i n g n e t w o r k , i tn o to n l y 黜u r e st h ef a i r n e s sb u ta l s or e d u sa c c e s sl a t e n c ya n dl o s sr a t e b ys i m p l eo p e r a t i o n so nc e l lh e a d s a b o v es c h e m e sh a v eb e e nv e r i f i e db ys i m u l a t i o n k e y w o r d ：o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n gd i f f e r e n t i a t e ds e r v i c et i m ed i v i d o n m u l i p e x s l o t t e dr i n gn e t w o r k f a i r n e s s 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 殛：丝日期：琵缢：；：垒 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名：兹丕亟翌 导师签名： 坠鱼笙 日期： 第一章绪论 第一章绪论 在全球信息化浪潮的冲击下，视频点播、视频会议和远程教育等各种新型宽 带业务不断涌现，极大刺激了人们对网络带宽的需求。波分复用( w d m ： w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术的出现，使得光纤传输技术可以提供超大 容量的传输带宽，传统的电域交换方式已无法匹配超高速的链路传输，因而迫切 要求发展光交换技术。 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 ) 是一种介于光路交换( 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 ) 与光分组交换( o p s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 之间的光交换技 术。与光路交换相比，o b s 提高了波长带宽的利用率，可以更好的支持突发性很 强的口业务；与光分组交换相比，o b s 避免使用复杂的光存储器件和光逻辑器 件，更易于利用现有的技术实现。因此，对o b s 的研究已经成为业界关注的热点 之一。 在光突发交换网络中，主要关注的是突发性业务的丢弃率，但是细枝末节的 修改并不能从根本上改善其丢弃率高的现状。本文的重点是对具有高q o s 1 ) 个核心节点的时 间，此时偏置时间o t 为 f - l t o ( o = t o - ( j | i ) ，为数 从而避开了光存储器件技术上的限制。 图1 4o b s 网络基本结构 据突发的长度，则数据突发的期望到达时间为毛= + 岛回，结束时间为乇+ 厶。于 是核心节点只需为数据突发预留屯至气+ 矗之间的带宽，从而使得带宽的利用率得 到了极大的提高。 1 4 基于光突发交换的网络概况 o b s 网络虽然具备了高带宽利用率、低器件要求等优点，但是它的高丢弃率 也是一个比较突出的问题，因此在o b s 网络中如何支持对q o s 要就较高的业务 也成了一个研究的热点。 另外针对环形网络中多是数据业务且由于其特殊结构而存在公平性闯题的特 点，基于o b s 原理的环网公平性也是一个研究的方向。 1 4 1 基于o b s 的网状网概况 o b s 网络的基本结构如图1 4 所示，它由边缘节点( e n ：e d g e n o d e ) ，核心 节点( c n ：c o r e n o d e ) 以及w d m 链路组成。边缘节点负责实现用户业务的接入、 汇聚、数据突发( d b ) 的组装拆分以及控制分组( b c p ) 的生成等功能，并且 提供了各种网络接口( 如：g i g a b i t e t h e m e t p a c k e to v e rs o n e t ，i p a t m 等) ， 使之可以和其它协议类型的网络互联。核心节点负责b c p 中控制信息的提取、识 别和重新插入、d b 的路由与转发等功能。数据业务在源e n 被组装成d b ，同时 生成b c p 提前d b 一段时间( 偏置时间o t ) 发送，o t 可以保证中间节点上的控 第一章绪论 9 制单元有充裕的时间根据b c p 中的信息将光交换矩阵在d b 到达之前设置好，如 此d b 可以直接在光域完成传输和交换。 为了体现o b s 技术的优势，一般都将j e t 信令应用于o b s 网络。但是，这 种采用单向预留信道资源的控制方式，数据突发从源节点发出时，源节点到目的 节点之间的通路并未完全建立，所以在网络中的核心节点处一旦波长信道资源的 预约失败，随后到来的数据突发将被丢弃，并且由于网络拓扑的复杂性和业务流 量的不均衡性，这种丢弃就会变的更大。这对于对丢弃和时延敏感的实时业务是 很难容忍的，因此于我们就应该尽量保证这类业务的q o s 。 1 4 2 基于o b s 的环状网结构 城域网( m a n ，m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ) 承载的业务量随着高速数据、m 和视频通信等宽带实时应用的推广正迅猛增长。由于巨大的带宽资源和网络结构 的确定性，光纤环网成为最广泛应用的城域网。这些环网的周长一般在几十到几 百公里，环上通常有几个到几十个称为分插复用器( a d m ，a d d - d r o pm u l t i p l e x e r ) 的节点。随着w d m 技术的成熟，当前许多基于单纤或者双纤的城域环网将升级 为w d m 环网。w d m 技术带来了传输速率的大幅度提高，传统环网中基于光电 光变换的a d m 节点的处理速度难于继续支持如此高的传输速率，并且环网中每 个节点处理的业务多数是转发给下游节点的过路业务，而非发给本地节点的下路 业务。这种情况下，解决w d m 环网节点处理瓶颈的主要思路就是让过路业务以 直通( c u t t h r o u g h ) 方式在光域直接传递到下游节点，无须变换到电域进行处理。 为了在光域实现业务信息从源点到目的点的直通传送，通常采用的方法是在 w d m 环网中单列出一个或多个波长来传输控制信息，称为控制( 波长) 信道。 各节点将这些控制信息变换到电域处理，从而实现网络控制面的功能。光纤中其 余的波长信道用于业务传送，相应称为数据( 波长) 信道。这种控制信道和数据 信道分离、控制信道对传送业务进行控制的特点，和o b s 网络有很多相似之处， 因此，将o b s 技术应用于环网的研究受到了很大重视。 o b s 在w d m 环网中直接应用，可得到一个分布式随机接入的环形光网。每 个节点需要发送数据突发对先观察是否有空闲数据波长，如果有，就发送突发控 制分组b c p ，在段偏置时间之后发出数据突发d b 。b c p 在控制信道中传输和 处理，通知环上其它节点要到达的d b 是过路业务还是下路业务，使中间节点可 以提前设置交换矩阵。显然，这是一种随机接入方式，存在本地上路业务和过路 业务之间的冲突问题。但是由于环网拓扑的特殊性，如果控制协议设计合理，一 般o b s 网络中难以解决的突发冲突完全可以在不采用波长转换器或者光缓存的 情况下予以避免。因此环形网络的公平性就是环网一个很主要的问题，因为其下 1 0 o b s 网络的区分服务和公平性研究 游节点很可能卣于上游节点连续的发送数据而失去发送数据的机会，本文主要就 环形网络公平性的问题展开研究。 综合w d m 网络的特点，利用o b s 技术实现环网控制方案需要解决以下几个 问题： ( 1 ) 带宽资源利用率高。 ( 2 ) 在业务量较大时实现带宽的高效共享和公平分配。 ( 3 ) 在换上业务量较小时可以快速实现数据的高效传送。 1 5 本文工作安排 本文内容安排如下： 第一章介绍本文研究背景以及几种主要的光交换技术，阐述光突发交换 网状网和环形网的特点，引出本文的研究对象。 第二章详细介绍了一种新的基于o b s 网络的综合业务的处理方案，对综 合业务中实时业务的呼损率和非实时业务的丢弃率进行了仿真，分析了 实时业务的特性和其对非实时业务的影响。 第三章结合华为基金项目，就环网中普遍存在的公平性问题，提出了一 种动态控制的公平性策略，并通过仿真验证了其优越性。 结束语，对全文内容进行总结，并指出下一步的研究方向。 第二章o b s 网状网的综合业务研究 第二章o b s 网状网的综合业务研究 在o b s 网络中，通常采用“一步资源预留”机制( j e t 协议) ，每个d b 发 送完毕必须释放资源，下一个d b 发送时重新申请资源。这样的资源申请方式类 似于a l o h a 方式( 不同之处在于每次总会有一个申请成功) ，当网络负载较重时， 核心节点资源冲突比较严重，申请成功率较低。如何保证对丢弃要求较高的实时 业务的传输同时又可以传输突发性业务是本章研究的重点。 本章首先介绍现有的几种综合业务处理方式，然后介绍一种新型的解决方案 d s h ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c eh y b r i ds i g n a l i n gp r o t o c 0 1 ) ，最后对新型的解决方案 进行仿真，做出比较。 2 1 现有综合业务研究介绍 随着业务需求的不断增长和传输技术的迅速发展，光网络将逐渐由目前的光 传输、电交换系统演变成为光传输、光交换的全光传送系统。在目前提出的几种 光交换技术中，光突发交换( o b s ) 以其良好的分组业务支持能力和可实现性受 到人们的关注。但是其高丢弃率也是一个不可忽视的缺点。这对于以e - m a i l 、文 件传输等为主的突发性的数据业务尚可容忍，但是对于视频点播、p 电话等实时 业务【2 。7 】就存在问题。因此o b s 网络中如何支持实时业务就受到了越来越多的关 注。 文献田】提出了一种将t a w 和j e t 相结合的综合信令协议。其原理是在源宿 节点之间的路由上选择一个中间节点作为启动节点，在该节点路径以前应用t a w 信令方式，而该节点以后则应用j e t 信令方式，该节点决定源边缘节点数据突发 d b 发出的时间以及到达目的边缘节点的最短时间，并按照通道预约策略为d b 保留从源边缘节点一启动节点一目的边缘节点的波长信道。但是该策略对不同 q o s 要求的d b 选取启动节点的要求是不同的，实现非常困难。文献【2 9 。3 1 】提出了 一种将o c s 和o b s 这两种光交换体制相结合的混合光交换网络结构h o s ( h y b r i d o p t i c a ls w i t c h i n g ) 。在h o s 网络中，所有节点都是由独立的o c s 交换模块和o b s 交换模块组成。h o s 系统利用o c s 的原理建立起端到端的波长光通道，在端到 端的流传输过程中将独占所分配的波长通道。预约的资源只能被一个请求独占而 并没有根据实时业务的特点进行复用，很可能由于实时业务的发送速率远远低于 波长传输速率而造成大量的带宽浪费 3 。 本文提出一种新的将t a w 和j e t 相结合的区分服务综合协议d s h ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c eh y b r i ds i g n a l i n gp r o t d c d ) ，它从根本上改进现有o b s 网 1 2 o b s 网络的区分服务和公平性研究 络的信令协议，创建了一个无论是实时( 电路仿真) 业务还是非实时( 数据) 业 务都能适应的环境，改善了o b s 网络的q o s 性能。 t ， 芝y a ， t t o 下 i t 口 1 a c 彳 么 ，。 j t ，f t # i 、 o f f l f t l m 豳 葑 上p t l 幽 k t 荔卜稀_，卜 i t r 留 互翻j d b z l刎 - ，尸i 么j d 3 1 - t rr 图2 1o t d i 恤协议原理 2 2d s h 综合信令协议 d s h 综合信令中包含两类信令，即j e t 信令和改进的t a w 信令。对于非实 时业务，采用单向预留资源的j e t 协议，称其为d s hj ；对于实时性业务采用改 进的t a w 信令，称其为o t d m r ( o b st i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n gf o rr e a lt i m e 1 r a 佑c ) 信令，o t d m r 不仅可以保证实时业务的端到端q o s 性能，而且还能通过 时分复用的方式有效地提高o b s 网络的波长利用率。 2 2 1d s h 中实时业务处理方式 在o b s 网络中根据用户( 高层) 的呼叫请求，通过双向预留资源的t a w 协 议为实时业务( 如t d m 、多路数字话音、视频等) 建立端到端的传送数据突发的 虚通路( v m u a lc h a n n e l ) ，并在该呼叫持续时间内对周期性出现的d b 保持预留 的波长信道时隙资源。它使o c s 系统中呼叫在保持期间内独占波长信道方式改变 第二章o b s 网状网的综合业务研究 1 3 为多个呼叫对波长信道的共享方式，即实现了多个实时业务对同一波长信道的时 分复用。 实时业务多是流业务【3 3 1 ，这种业务的特点是周期性的发送数据包，以达到 业务的流畅性。本协议认为每个实时业务的呼叫请求被接纳以后，它的数据将在 固定的时隙周期性发送。根据实时业务的这种特性，我们采用这样的复用方式： 当一个呼叫请求产生时，它发送一个链路建立请求l s m0 i n ks e t u pm e s s a g e ) 消息， 此请求包含所在波长，数据发送周期、长度等信息。每经过一个核心节点，则检 查该节点处的时间区间是否可以容纳该呼叫的周期性数据，如果可以，则在此节 点处预约周期性的资源，并将l s m 发到下一个节点；如果不可以，则返回n a k 到源节点。 具体的操作流程如图2 1 所示： ，全网在初始化的时候，通过一个测试信息了解各自发往不同节点的往返 时延r 1 盯，此时延包含各个节点的处理时延和各个链路的传播时延。t o 表示各 个节点的l s m 处理时延，t p 表示两个节点之间的传播延。 ，当边缘节点( e n ) 产生一个呼叫时，它估计出从呼叫产生到该呼口q 的数据 开始传输所需要的最短时间t i n 0 ，t i n 0 = r t t + c t ( c t 是为避免估计不准加上去 的补偿时间) 。 ，图中假设边缘节点( e n ) 与它接入的核心节点( c n l ) 之间没有延迟，呼叫 到达c n l 处时，t i n i = t i n 0 ( t i n l 指的是从呼叫到达此节点到该呼叫的数据开始 传输所需要的最短时间1 。此时查看这里的时间区间是否可以容纳该呼叫的周期性 数据。查看的时问区间为( t a i + t i n l ，t a l + t i n l + t l e n ) ，t a l 代表l s m 到达c n i 的刻，t l e n 可取实时业务产生突发数据的周期。图中在c n l 处发现该区问可以容 纳该呼叫的周期性数据( 该节点整个t l e n 区间都可用) 。将此区间暂时占为己有( 不 能再被其它呼叫用1 。 ，呼叫到达c n 2 ，此时由于上个节点的处理时延，t i n 2 = t i n l t o ，查找 的时间区间为( t a 2 + t i n 2 ，t a 2 + t i n 2 + t l e n ) ，此时发现查找区间有段时间( t b l ) 被其它呼叫占用，因此可用区间变为( t a 2 + t i n 2 + t b l ，t a 2 + t i n 2 + t l e n ) ，t b 指 的是每个核心节点处可用区间距离t i n 的长度。此处由于可以预约成功，故将上 面可用区间暂时占为己有。 ，呼叫到达c n 3 ，此时t 1 n 3 = t i n 2 t o ，查找过程同上，此时可用区间变 成( t a 3 + t i n 3 + t b 2 ，t a 3 + t i n 3 + t l e n ) ，将此区间暂时占为有。 在一的步骤中，一旦找不到可用区间，可以将呼叫转化到其他波长上查 找，如果仍然找不到，返回n a k ，将原来预约的信息删除。 ，l s m 到达目的节点，发现可用区间为( t a 3 + t i n 3 + t b 2 ，t a 3 + t i n 3 + t i e n ) ，可以找到该呼叫的数据发送时隙，选取时隙开始时间t a 3 + t i n 3 + t b 2 ，并 o b s 网络的区分服务和公平性研究 将此时间( 此时刻为绝对时间) 写进自己的l s m 中，然后将l s m ( 变成a c l o 沿原 路返回，确定上游节点具体的数据传输时隙。图中t d s l 为l s m 到达目的节点对 确定的时隙开始时间距离当前时间的长度。 ，a c k 到达c n 3 ，确定此节点处的时隙，图中用斜线条块表示( c n 3 处 的时隙开始时刻为在目的节点确定的时隙开始时刻) ，并将多预约的时间释放，同 时确定好光开关的开启时间和周期等； ，a c k 到达c n 2 ，确定此节点处的时隙，同样用斜线条块表示( c n 2 处 的时隙开始时刻为在目的节点确定的时隙开始时刻一t p ，数据是在光域透明传输 的，从图中的对应关系也可以说明这点) ，并将多预约的时间释放，同时确定好光 开关的开启时间和周期等。a c k 到达c n l ，按照类似的操作处理，直到返回源 节点。 ，边缘节点收到a c k ，证明呼叫建立成功，计算出a c k 返回时刻与数据 开始发送时刻的差值o f f s e tt i m e ，在此时间之后就可以周期性发送数据了，此时 由于核心节点设置好了光开关等参数，数据在不出现链路故障的情况下可以顺利 到达目的节点：如果源节点收到的是n a k ，证明呼叫建立失败。 ，当认为不需要发送信息时，发送拆除路信息，将链路拆除。 在上面的方案中，每个核心节点均不需缓存，就可以实现实时业务的周期性 时分复用，是一种对实时业务很好的解决方案。我们可以将查找的时间区间设置 为一个数据d b 的长度而不是一个周期，这样会使l s m 交的非常简单，无需携带 各个节点的可用区间信息，使开销大大降低，当然这会影响呼叫阻塞的概率，不 过在业务量比较轻的情况下，却是一个简单可行的方案，我们称这种方案为 o t d m r s 。在下面的分析中，我们将以o t d m r s 为基础，给出具体分析和仿真。 2 2 2d s h 中非实时业务处理方式 非实对业务占用实时业务剩余的时间区域，采用单向预留资源的j e t 协议。 如果可以预约到资源数据到达时自动打开光开关进行传输；如果预约不到资源， 数据到达时直接将其丢弃。 2 3 节点模型与呼损率分析 2 3 1o t d m r s 和o t d m r 近似理论分析 如图2 2 所示：1 的业务类型代表在业务的持续时间内，连续地对该业务进 行服务，即业务是连续的。2 的业务类型代表在业务的持续时间内，周期地对业 第二章o b s 网状网的综合业务研究 务进行服务，即业务是周期的。填色区 域代表实际处于服务的时间。对于l 的 业务，定义业务加载强度p1 = p ， 其中p = i t i ，( n 是服务速率，t 1 是 服务时间) 。 是每个波长上的到达速 率。如我们设有w 个波长，采用全波 长转换，容易得到这种业务的丢弃率符 合e r l a n g b 公式： 图2 2 周期性业务与非周期性业务 p j o t j l = b ( 纠。夏( p l 瓦w ) w 丽1 w ! 式( 2 - 1 ) 对于2 的业务，定义业务加载强度：岛：兰三：上：三，其中p = l t 2 ， 。 所u m u 2 入是每个波长上呼叫的到达速率，m 是每个周期包含的时隙数。设实时业务发送 速率是r ，核心节点处理速率是g ，那么埘= 兰。设置波长数为w 。o t d m r s 属 于类型2 ，由于周期性到达的数据会对下一个呼叫的到达产生影响，简单的按照 e f l a n gb 公式是不合理的，精确分析这种业务的呼损是一个非常困难的过程，因 此我们采用等效业务强度的方法近似析： 一方面它的服务速率最大可以达到 u 2 = m u ，对应的情况是一个周期时间内 所有的时隙都被不同的呼叫占用。如图2 3 所示：染色时隙表示被呼叫占用。这种情况 根据业务类型2 的负载公式，得出的等效 业务强度最小( 分母城最大) ： 见州。l e n tm ；。= 岛。另一方面，它的他的服务 速率最小为u 2 = m u 2 ，对应的情况是一 个周期内只有一半的时隙被不同的呼叫占 用。如下图2 4 所示：染色时隙表示被呼叫 占用。这种情况之所以说是最小，是由于 每个白色时隙都不能接入呼叫。根据业务 类型2 的负载公式，相应的等效业务强度 翻缀鬻黼 r m 图2 3 服务速率最大示意图 0 省 图2 4 服务速率最小示意图 最大( 分母“：最小) ，即：户却；。t - 眦= 2 岛。综合上面两种情况可近似认为等效 业务强度的均值为最大和最小的均值，即户如。，e n l 。= 1 5 见，此时我们用等效 1 6 o b s 网络的区分服务和公平性研究 业务强度的方式计算呼损： 轮剐砌2 是蓑芝锦 加之， 如果我们采用o t d m r ，查找区间是一个周期，我们可以近似认为有w * m 个服务员，业务强度仍然按照上面的等效公式计算： k b ：，。警茬舞( 2 - 3 ) 2 3 2d s h j 分析 图2 5 非实时业务插入示图 如图2 5 所示，d b l ，d b 2 ，d b 3 代表不同呼叫的数据，t 是每个呼叫的周期， 非实时业务的突发用b u r s t 来表示，如图所示当突发长度比实时业务的d b 大的 时候，就不容易插入；反之当突发长度实时业务的d b 小或相当时，就比较容易 插入。具体可以参照下面的仿真。 2 4 系统仿真及分析 根据前面机制原理设计仿真模型，用0 p n e t m o d e l e r 仿真软件实现，设计主 要包括初始化节点、边缘节点和核心节点。虽然控制分组以及数据突发的包格式 和链路也是必不可少的组成部分，由于它们可由o p n e t 软件提供的包格式编辑 器以及链路编辑器进行属性设置生成，此处不再赘述。 2 4 1o p n e t 仿真平台简介 o p n e tm o d e l e r 是o p n e t 公司开发的一套集开发和应用为一体的通信系统 模拟软件，它采用面向对象的建模方法和图形化的编辑方式，支持在网络各个层 第二章o b s 网状网的综合业务研究 1 7 次的设备、链路和协议的精确建模，并提供了丰富的外界开发接口。本文使用的 是版本号为1 0 5 的o p n e tm o d e l e r 。 在仿真驱动机制上，o p n e tm o d e l e r 采用了离散事件驱动( d i s c r e t ee v e n t d r i v e n ) 的模拟机制。所谓“事件”是指网络状态的变化，也就是说，只有网络 状态发生变化时，模拟机才工作，否则不执行任何模拟计算。因此，与时间驱动 相比，离散事件驱动的模拟机计算效率得到很大提高。 在建模机制上，o p n e tm o d e l e r 以包为基本单位模拟实际物理网络中数据的 流动，可以生成、编辑任何标准的或自定义的包格式，并且利用调试功能，还可 以在模拟过程中察看任何特定包的包头( h e a d e r ) 、净荷( p a y l o a d ) 等内容。从 而使得仿真过程清晰明了，易于控制。 在建模方式上，o p n e tm o d e l e r 采用层次化建模结构，分网络( n e t w o r k ) 、 节点( n o d e ) 和进程( p r o c e s s ) 三个层次建模。其中最底层为进程模型，它以有 限状态机( f s m ，f i n i t es t a t em a c h i n e ) 来描述协议，用于模拟单个对象的状态。 状态( s t a t e s ) 表示模块的行为；状态转移( t r a n s i t i o n s ) 表示状态改变以响应一个 事件。其次为节点模型，由相应的协议模型构成，反映设备特性，通过它可将进 程模型中的对象互联成设备。最上层为网络模型，用于将设备互联组成网络。 o p n e t m o d e l e r 具有丰富的统计量收集和分析功能，可以直接收集常用的网络层 性能统计参数，并有多种统计参数的采集和处理方法，还可以通过底层网络模型 编程，收集特殊的网络参数。o p n e t 还具有丰富的图表显示和编辑功能、模拟错 误提示和告警功能，能够方便地编制和输出仿真报告。 2 4 2 初始化节点 初始化节点( i n i t i a ln o d e ) 并非o b s 网络的一部分，设计它主要目的是，模 型的最终状态具有良好的用户接口从而方便使用，其功能如下： ( 1 )自动获取网络拓扑结构( 可在仿真运行前由用户拖动模板中的节点、 链路模块图标随意设定) ，并将结果存放在一个邻接矩阵中； ， ( 2 )自动为边缘节点、核心节点分配网络地址，以方便管理； ( 3 ) 获取用户配置的网络参数( 链路中数据波长数目、速率，延迟时间门 限等) ： ( 4 ) 初始化和全网相关的变量和统计量( 全网突发丢失率、端到端时延等) 。 o b s 网络的区分服务和公平性研究 图2 6 初始化结点仿真模型 o p n e tm o d c l c r 采用层次化建模结构，分网络( n e t w o r k ) 、节点( n o d e ) 和 进程( p r o c e s s ) 三个层次建模，其中最底层为进程模型，它以状态机( f s m , f i n i t e s t a t em a c h i n e ) 来描述协议，用于模拟单个对象的行为；其次为节点模型，由相应 的协议模型构成，反映设备特性，通过它可将进程模型中的对象互联成设备；最 上层为网络模型，用于将设备互联组成网络。 图2 6 展示的是初始化节点的三层模型，在进程层，所有功能均在i n i t 状态 中中编程实现。 2 4 。3 边缘节点 图2 7 边缘结点仿真模型 边缘节点模块构成( 图2 7 所示) ：实时业务产生模块( g e nr e a l ) 、非实时业 务产生模块) 、接收处理模块(genu n r e a l ( d e s t r o y 、发送处理模块o r d a t as e n t ) ( p r c ) ；其中接受处理模块用来处理接收到的消息，如果是非实时业务，则将其销 毁：如果建立成功的实时业务请求则触发周期性的实时业务数据；如果是建立不 成功的实时业务请求，则不触发实时业务数据。发送处理模块用来区别实时业务 请求，非实时业务数据，实时业务数据，并将它们发送出去。 该部分建模重点在接受处理模块( d e s t r o y，其进程模型如图o r d a t as e n t ) 2 , 8 所示： i n i t 状态：完成二叉树的初始化，属性的获取，变量赋初值等工作，初始 化完成后无条件转移到i d l e 状态； 第二章o b s 网状网的综合业务研究 1 9 d i s t r i b u t e 状态：收到信号后，对其进行分类处理： 1 ) 如果收到的是第一次来的实时业务请求，则将其送入p ks e n tb a c k 模块， 如果能够预约到资源则在这个模块将实时请求沿着原路返回，确定需要占 用的时隙；如果不能预约到资源，也将该请求原路返回，取消原来预约的 资源。 2 ) 当收到的是返回的实时业务请求( 第二次来的) 时，如果是成功的请求， 则触发产生包的状态( g e n e r a t e ) 组织初始中断，随后进入产生周期性自中 断的状态( g e nc y c ) ，产生周期性的数据包。 3 ) 当收到的是其它类型的信号( 比如非实时业务控制头、失败的实时业务请 求) ，将其送入d i s c a r d 状态，进行销毁。 图2 8 接受处理模块 其它模块功能较为简单，这里不再一一进行介绍。 o b s 网络的区分服务和公平性研究 2 。4 4 核心节点 核心节点( 图2 9 ) 用于交换、实时业务请求的建立、非实时业务的处理等，主 要由控制单元和光交换部件构成。交换过程是虚拟进行的，因此省去了对光交换 部件的建模，我们的仿真模型中只有控制子网，只对控制单元进行了设计实现。 核心节点工作过程：接 受到实时业务请求时，则 根据核心节点中记录的信 息看此请求能否成功预约 到资源，如果可以，将其 信息记录，并发送到下一 跳继续建链，否则，直接 将建链失败消息返回；接 收到实时业务数据时，直 接将它们通过光域传输； 接收到的是非实时业务突 发，根据核心节点记录的 信息，看它们是否可以成功图2 9 模型核心节点示意图 预约到资源。如果可以，将其信息记录，并发送到下一跳，否则，直接将其删除。 图2 1 0 综合业务仿真拓扑 第二章o b s 网状网的综合业务研究 2 1 2 4 5 网络拓扑 仿真采用如图2 1 0 的拓扑：具有6 个核心节点和1 1 个边缘节点的o b s 网络 作为仿真模型。节点之间的光纤链路速率为1 0 g b p s ， 内含8 个波长信道；节点 内配置全范围波长转换器。 2 4 6 仿真结果及分析 这里分别对单链路和网络做出仿真。 2 4 6 1 单链路实时业务仿真 g 1 0 4 蚺盯 彻 ? 一o 一。口u # 憎m i d 妇 一o _ d 认怕m l a 妇 叶一a 口”u 榭b 鲫u * o r l x 4 r m ：4 1 舳 _ 一a m 1 a y p a n r h m l l 5 l o l “叮册 h d 图2 1 1 单信道各种协议呼损图2 1 2 单信道o t d m r 各种时隙呼损 首先对o t d m r s 和o t d m r 的单信道进行了仿真，在仿真的时候我们使节 点端口单信道量负载p 相同，波长速率是1 0 g b p s ，每根光纤有8 个波长，节点内 配置全范围波长转换器，结果如图2 1 1 ，2 1 2 所示： 图2 1 1 是o c s ，o t d m r ，o t d m r s 的仿真值和o t d m r s 的近似分析值。 o t d m r 的近似分析值将在图2 1 2 给出。其中o t d m r s ，m = 4 ，s i m u l a t i o n 指的 是一个周期的时隙数为4 的o t d m r s 仿真的呼损。o t d m r s ，1 5 ，t h e o r y 指的 是近似分析值，1 5 的意思是它的等效业务强度是给出强度的1 5 倍。其它类推。 从图中我们可以看出，仿真和近似的理论分析是比较吻合的，它们与一个周期的 时隙数没有关系。呼损情况依次是o t d m r s o c s o t d m r ，对于此呼损关系作 如下解释：如果o c s 的发送速率可以达到波长速率，它的呼损确实优于o t d m r s ， 但是如果其发送速率小于波长速率的1 1 5 ，则o t d m r s 优于o c s ，而在大多数 情况下，o c s 的发送速率和波长速率相差甚远。所以o t d m r s 在大多数情况下 也是有优势的。o t d m r 的呼损始终优于o t d m r s 和o c s ，但是它也需要较大 女jji耋!暑s o b s 网络的区分服务和公平性研究 的开销用于记录可用空间。 图2 1 2 是o t d m r 在不同的时隙数情况下的仿真和理论值。o t d m r s ，m = 4 ， s i m u l a t i o n 指的是一个周期的时隙数为4 的o t d m r 的仿真呼损。o t d m r ，m = 4 ， 1 5 ，t h e o r y 指的是时隙数为4 ，等效业务强度是1 5 的o t d m r 的近似理论呼损。 同理1 2 指的是等效业务强度是1 2 的近似理论呼损。从图中可以看出，随着时隙 的增加，o t d m r 的呼损下降，并且等效业务强度也降低了，等效业务强度的降 低就意味着我们的方案逐渐接近严格同步网络，这是一个比较好的现象。这种情 况的出现是由于理论公式中的等效业务强度只是取了最大和最小的平均，详细的 取法还需做进一步的研究。同时我们也应该注意到，时隙越多，l s m 记录的信息 越多，开销也就越大。 2 4 6 2 网络中实时业务和 非实时业务仿真 图2 1 3 是网络各种实时业 务协议，我们设置网络的平均 业务强度是p ，从仿真结果可 以看出，网络中的呼损情况和 单节点类似，依次是： o t d m r s o c s o t d m r ，随 着时隙的增加，o t d m r 的丢 弃也逐渐降低，但这时候用于 记录可用区间的开销也越大。 图2 1 4 是非实时业务突 发长度对其丢弃率的影响。在 d s h 的综合业务o b s 网络中， 由于非实时业务的突发是采用 插空调度策略的，所以其突发 长度的选择将影响其其丢失 率。当实时业务和非实时业务 的业务强度是l ：l ，实时业务 的d b 长度与非实时业务突发 长度之比分别为：1 ：o 5 、1 ：1 、 图2 1 3 网络中各种协议呼损 啦0 3 t i e 0 7 b o d 图2 1 4 突发长度与阻塞率的关系 1 ：1 5 时，网络阻塞率与负载的关系参见图2 1 4 所示。可以看出，随着非实时业 莹五三e口p卫口 童盖霉量8：芒，m 第二章o b s 网状网的综合业务研究 务的突发长度增加，其d b 丢失率逐渐增高。这是因为长度较小的d b 更容易插 入实时业务呼叫之间的空隙。同时随着业务总量的增加，网络阻塞率显著增加。 2 5 综合业务总结 本文所提出的d s h 区分服务综合信令协议使o b s 网络在适应非实时性数据 业务的同时，也能很好地支持对时延有严格要求的实时性电路仿真业务。d s h 综 合信令对非实时性业务仍然采用j e t 信令协议，但是对于电路仿真业务则建立周 期性占用波长信道的固定时隙的端到端虚通路，并在呼叫期间内保持虚通路连接。 边缘节点则将被接纳的电路仿真业务组装成固定长度的d b 并以确定速率定时发 出。多个呼叫的时分复用改变了o c s 系统中单个呼叫对波长信道的独占性，显著 提高了波长年用率。通过理论分析和系统仿真结果表明：d s h 信令系统能极大地 降低实时业务的呼损率，提高波长利用率；同时，它又能极大地改善单纯使用j e t 信令的o b s 系统对实时业务的承载性能。 第三章环网公平性研究 第三章环网公平性研究 光通信发展到今天，面临光域传输速度的巨大飞跃和节点电处理能力不足的 难题，在光域引入操作灵活性是当今光网络研究的主题。通过光交叉连接器 ( o x c ) ，新型光交换技术不断涌现，其中最为引人注目的是光线路交换技术 ( o c s ) ，光分组交换技术( o p s ) 和光突发交换技术( o b s ) 。鉴于o b s 技术兼 顾了光线路交换和光分组交换的优点并且一定程度上避免了对器件能力的超前要 求，因此更切合当前光网络发展的实际。 一般认为o b s 技术将首先在环形拓扑上实现。这方面是因为传统的 s d h s o n e t 网络多采用环形拓扑，另一方面则是由于环形拓扑本质上更容易解 决突发冲突问题。因此环网的公平性问题就成了研究的重中之重。 3 1 环网相关背景 互联网很早就意识到了环形网络结构的价值，并在这方面作了大量努力，提 出了像令牌环和f d d i 这样的解决方案，但这些方案采用源节点剥离机制，不支 持空间重用，无法满足网络流量增长的要求，特别是无法应用于高速城域网 ( m a n ) 。目前城域网以s o n e t s d h 环网和e t h c r n c t 环网为代表，s o n e t 环网 采用基于电路交换的拓扑结构以及点到点的通信机制，尽管能在带宽分配上满足 一定的