（通信与信息系统专业论文）光突发变换业务流特性与测试结构分析.pdf

摘要 摘要 光交换技术由于其高带宽、低延时的特点，被认为是下一代的交换网络中的 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 ) 作为当前技术条件下一种 可实现的交换系统，结合了其它多种光交换技术的优势，是一种很有发展前途的 光交换关键技术。但以前对光突发交换的研究主要是以理论研究为主，完整的实 施方案和具体的技术细节还不成熟，更缺乏可运行的实际参考系统。本论文以国 家8 6 3 项目“光突发交换实验系统”为基础，对o b s 技术的多个方面进行了研究。 主要分为三个部分：一是对o b s 交换结构中的业务流特性的研究；二是对业务流 特性对o b s 交换结构性能的影响的研究；三是对o b s 硬件测试结构的研究和尝试。 首先，以对国际和国内对以太网和1 n t e r n e t 等网络环境中的业务流特性的 分析为基础，对o b s 系统所处的业务环境和o b s 系统仿真中采用的业务模型进行 了深入研究。不但考虑了短相关业务模型，还考虑了目前讨论得较多的自相似业 务模型等。在搭建了能够灵活的采用各种业务模型和改变自身结构的仿真平台后， 研究了不同的汇聚算法、缓存结构和o b s 交换结构下的o b s 交换系统对通过的业 务流特性的影响。在f a p 、f b l 、m b m a p 、a a p 等汇聚算法的不同汇聚参数下， 并且经过对多种业务流的仿真结果总结之后，肯定了o b s 系统对输入业务流的平 滑作用。并且在o b s 边缘节点的最大汇聚长度门限和最大汇聚时间门限之间找到 了能够实现最大业务平滑作用的平衡点。 其次，o b s 交换结构自身的性能也受到不同的业务流特性的影响。通过仿真， o b s 核心路由器的突发包丢失率、b h p 缓存长度、最低服务速率和系统端到端时 延等性能指标得到了确定。综合考虑o b s 边缘节点的汇聚参数和核心节点的交换 结构之后得出了o b s 控制部分的设计方案。所做的仿真研究对今后o b s 系统的设 计有重要意义。 最后，结合对o b s 系统性能指标的研究，在分析当今的研究现状之后建立了 一种基于b h p 的硬件测试结构。该o b s 测试系统可以得到需要的o b s 性能指标， 且在目前的设计环境下可以实现。用v h d l 程序编写的o b s 测试系统的具体实现 方案和仿真结果通过了m o d e l s i m 功能仿真，经i s e 综合后也符合选定的f p g a 的 电子科技大学硕士学位论文 要求。测试系统的信源发生部分也在项目调试时投入实际使用，具有相当的参考 价值。为整个o b s 实验系统顺利通过国家的8 6 3 项目验收作出了应有的贡献。 关键词：光突发交换，长相关，短相关，自相似，突发包头 a b s t r a c t a b s t r a c t h a v i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hd a t ab a n da n dl o wt i m ed e l a y , o p t i c a ls w i t c h t e c h n o l o g yi s c o n s i d e r e da sat e c h n o l o g yf o rt h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k a sa t e c t m o l o g yw h i c hi sf e a s i b l ei nc u r r e n tt e c h n i c a lc o n d i t i o n ，o b s ( o p t i c a lb u r s t s w i t c h i n g ) c o m b i n e sa d v a n t a g e so f m a n yo t h e ro p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s ：i ti sa l s o c o n s i d e r e da so n eo ft h ef a s t e s t d e v e l o p i n gk e yt e c h n o l o g i e si nt h ef i e l do fo p t i c a l s w i t c h i n g h o w e v e r , m o s to ft h er e s e a r c h e sa b o u to b sa r ej u s tt h e o r e t i c a l t h e r ea r en o c o m p l e t ea p p l i c a t i o na n df u l ld e s c r i p t i o na b o u to b sw h i c hi se s p e c i a l l yl a c ko f i m p l e m e n ty e t o nt h eb a s eo f t h es t u d yo v e rt h ew h o l ee x p e r i m e n ts y s t e mo fo b s ，t h i s p a p e rm a i n l yd e a l sw i t l lt h r e ea s p e c t s n l ef i r s ti st h ei n f l u e n c eo fo b st ot h et r a f f i c f l o w ；t h es e c o n di st h ei n f l u e n c eo ft r a f f i cf l o wt op e r f o r m a n c eo fo b s ；t h et h i r di s r e s e a r c ha n de x p e r i m e n to f t h eh a r d w a r ee v a l u a t i o ns y s t e mo fo b s f i r s t ，o nt h eb a s eo fr e s e a r c ho nt r a 街cf l o wo nt h e1 n t e r n e ta n dt h ee t h e m e t e n v i r o n m e n t ，t h et r a 街cm o d e li no b ss i m u l a t i o ns y s t e mh a sb e e nt a k e ni n t oa c c o u n t n o to n l yt h es h o r tr a n g ed e p e n d e n c et r a f f i cb u ta l s ot h e s e l f - s i m i l a r i t yt r a f f i c i s d i s c u s s e d t h es i m u l a t i o nm o d e lb u i l tc a nc h o s ed i f f e r e n tt r a f f i cs o u r c e sa n dc h a n g et h e s w i t c hs t r u c t u r ee a s i l y t h e r ea r ed i f f e r e n ta s s e m b l ea l g o r i t h m su s e di nt h eo b se d g e n o d es u c ha sf a p , f b l ，m b m a pa n da a rt h ei n f l u e n c eo fo b ss i m u l a t i o ns y s t e mt o t r a f f i cf l o wi sf i g u r e do u t a l s oc o m p r o m i s eb e t w e e nt h ea s s e m b l et i m et h r e s h o l da n d t h ea s s e m b l el e n g t ht h r e s h o l di ss u g g e s t e dt om a x i m i z et h i sk i n do f i n f l u e n c e s e c o n d ，w ea l s or e a l i z et h a tt h et r a 硒cf l o wh a si n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo f o b ss y s t e m d i f f e r e n tp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fo b sa r ep r e s e n t e d ，w h i c ha r eb u r s t l o s tr a t e ，l e n g t ho fb h pc a c h e ，l o w e s ts e r v i c er a t ea n dt h ee n dt oe n dd e l a yi no b s s y s t e m a f t e rc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n ta s s e m b l ea l g o r i t h m s ，s e v e r a l r e q u e s t sh a v eb e e np u tf o r w a r d e dt ot h ed e s i g no ft h eo b se d g en o d er o u t e ra n dt h e c o r en o d er o u t e r a tl a s t ，c o m b i n i n gt h e a n a l y s i s o fp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa b o u to b s ，a n i m p l e m e n tm e t h o df o rt h eh a r d w a r ee v a l u a t i o ns y s t e mo fo b si si n t r o d u c e d w h i c hi s i i i 电子科技大学硕士学位论文 e l i g i b l ea n dr e a l i z a b l e t h i so b s e v a l u a t i o ns y s t e mc o d e dw i t hv h d ls u c c e s s f u l l yh a s b e e nv a l i d a t e db ym o d e l s i ma n di s e t h ed a t as o u r c eg e n e r a t o ro ft h ee v a l u a t i o n s y s t e mi sa l s oi m p l e m e n t e di nt h e8 6 3p r o j e c t k e y w o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h ，l o n gr a n g ed e p e n d e n c e ，s h o r tr a n g ed e p e n d e n c e ， s e l f - s i m i l a r i t y , b h p 1 v 缩略语表 w d m d w d m o c s o p s 0 b s a t m s d h i p f d d i p 2 p f d l b h p ， n g n q o s t w c f i f 0 l r d s r d w e b 缩略语表 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 波分复用技术 d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x 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 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y i n t e m e tp r o t o c 0 1 f i b e rd i s t f i b u t e dd a t ai n t e r f a c e p e e r t o p e e r f i b e rd e l a yl i n e b u r s th e a d e rp a c k e t n e x tg e n e r a t i o nn 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 r t e r f i r s t i n ，f i r s t o u t l o n gr a n g ed e p e n d e n c e s h o r tr a n g ed e p e n d e n c e w o r l d w i d ew e b v i l l 密集波分复用技术 光电路交换技术 光分组交换技术 光突发交换技术 异步传输模式 同步数字系列 网际协议 光纤分布式数据接 口 点对点连接 光钎延迟线 突发包头 下一代网络 服务质量 可调的波长变换器 先进先出 长相关 短相关 全球网 电子科技大学硕士学位论文 w a n t c p f b m f a p f b l m b m a p a a p l a u c l u t c r c p c m c c i t t h d l c f c s w i d ea r e an e t w o r k t r a n s m i s s i o nc o n t r 0 1p r o t o c o l f r a c t i o n a lb r o w n i a nm o t i o n f i x e da s s e m b l yp e r i o d f i x e db u r s tl e n g t h ， m i nb u r s tl e n 【g t hm a x a s s e m b l y p e r i o d a d a p t i v ea s s e m b l yp e r i o d l a t e s ta v a i l a b l eu n s c h e d u l e d c h a n n e l l a s tu n u s e dt i m e c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k p u l s ec o d em o d u l a t i o n c o n s u l t m i v ec o m r n i t t e eo f i n t e r n a t i o n a lt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e h i g hl e v e ld a t al i n kc o n t r o l 广域网 传输控制协议 分数布朗运动 固定汇聚时间 固定汇聚长度 最小突发长度、最大 突发汇聚时间 自适应突发汇聚时 间 最近可用优先信道 最后可用时间 循环冗余校验 脉码调制 国际电报电话咨询 委员会 高级数据链路控制 f r a m ec h e c ks e q u e n c e 帧校验序列 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：量亚玺日期：沙占年扫月，蝈 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 日期：) 舯易年6 月，日 第一章绪论 1 1 光交换技术概述 第一章绪论 随着网络技术的拓展深入，近年来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，波分复用( w d m ，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 ) 被广 泛采用。密集波分复用( d w d m ，d e n s ew 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 ) 技术更为 通信网络提供了巨大的传输容量，逐步成为主流传输技术【1 】。但是由于电子瓶颈的 存在，网络速度受限，伴随着d w d m 技术的成熟和传输容量的快速增长，传统的 电子交换系统承受的压力日趋增大，光交换技术的引入日显迫切。 针对通信网络中已有的通信模式，对w d m 光网络中如何实现交换与传输提 出了三种方案：它们是光电路交换( o c s ，o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 1 2 1 、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 ) i j j 、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 ) ”1 ，这三种交换技术将在后面的内容中介绍。其中，光突发交换是其中最有希望的 一种新兴技术，具有延时小( 单向预留) ，带宽利用率高( 统计复用) ，交换灵 活、数据透明、交换容量大( 电控光交换) 等特点。o b s 可以达到t b i t s 级的交 换容量，可主要应用于不断发展的大型城域网和广域网。同时既可以支持传统业 务，如电话、s d h 、a t m 等，也可以支持i p 、f d d i 和未来具有较高突发性和多 样性的业务，如数据文件传输、网页浏览、视频点播、视频会议等应用。 所以尽管o b s 在标准和协议方面还不成熟，还有很多技术正在进一步研究之 中，但它平衡了其他光交换技术的优劣，仍是一种非常有前途的光交换技术。在 未来几年中，o b s 必将得到很大的发展，成为下一代光传输与交换网络的核心技 术。目前o b s 正处于由理论转化为实际的阶段，国内外就光突发交换的交换结构、 性能指标的说法也有很多。本文主要从光突发交换中的业务流、光突发交换的业 务流特性与结构的关系和光突发交换的性能测试三方面进行了系统的研究并得出 了明确的结论。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 0 c s 、o p s 与o b s 如上文所提到的，光电路交换( o c s ) 也就是光的波长路由交换方案，已经 进行的研究相对较多，也比较成熟。o c s 是采用波长路由的方式，相对简单、易 于实现。在o c s 交换技术中，光交换网络需要为每一个连接请求建立从源到宿的 光路( 每一个链路上均需要分配一个专用波长) ，使用双向预留机制( 类似p 2 p 方 式) ，即源节点发出连接建立请求的控制分组，当有确认消息后再发送数据，数据 可以以直通的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。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 要求生存时间相对于连接建立时间足够长，才不会造成带宽的大量浪费。此外， 从连接建立到连接拆除，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； 而且由于i n t e m e t 网络中业务大多是突发性的业务，因此在业务节点对间提供的以 波长为粒度的光路来说效率不高。还由于每个链路的波长数目有限，因此某时 刻只能存在有限个光路，对于某些节点间的业务就不可能建立端到端的光通路。 光分组交换( o p s ) 类似于通信网中的分组交换机制，由于缺乏高速光逻辑器 件、光缓存器件等，还处于理论研究阶段，并未能实际做出成品投入使用。o p s 典型特点是“存储一转发”，一般不需要建立连接( 类似无连结的i p 分组交换方式) 。 同时，光分组交换o p s 是种细粒度的交换机制，由于它允许统计复用网络信道 带宽资源等，因此特别适合突发的数据业务。然而由于目前在光处理域中不存在 类似于电处理域中的存储器，只能使用光延迟线( f d l ，f i b e rd e l a yl i n e ) p 悛数 据延迟有限的特定时间长度，从而光信号无法像电信号那样随意的进行存储转发。 而较小的分组粒度必将导致相对较高的控制开销，以目前对光逻辑处理的技术， 无法满足纯光路转发的时延要求。今后如果能开发出随意延时的光信号存储器件 后，o p s 应该是首选的交换方案。但实现此目标的距离相当遥远，o p s 暂时只能 停留于理论上【们。 针对o c s 和o p s 的缺点，c h u n m i n gq i a o 等人提出光突发交换( o b s ) 4 1 ，这 种新兴的技术具有前两种光交换技术所没有的一些优点，进而引起了越来越多的 人的注意。光突发交换的关键思想是充分利用光纤的巨大带宽和电子控制的灵活 性，将控制与数据分离。数据以突发数据的形式在光域传输交换，而与突发数据 相对应的控制分组( 突发报头分组，b h p ，b u r s th e a d e rp a c k e t ) 也在光域中传输， 2 第一章绪论 但在交换节点处被转换到电域处理【7 】o 正是这种光电分离的处理方式克服了前两种 光交换技术的缺点，三中光交换方式的详细对比在下一节来介绍。 1 _ 2 1 关于三种光交换技术的对比 传统的突发交换中，“突发”通常定义为一个数字化的话音迸发或一个数据消 息，电域中的突发交换基本是一种快速分组交换技术的推广。电路交换中，一个 呼叫是分配带宽和配置交换机的基本交换实体，它一般包含多个突发；分组交换 中，数据分组是基本交换实体，一般由多个数据分组构成一个突发( 可认为是超 长分组) 。与呼叫和分组相比，光突发交换技术中的突发的颗粒度居中。在功能 上b h p 类似于电路交换网络中的信令，故b h p 又称为信令消息，但o b s 信令 不必等待目的端的反馈确认，即资源预约是单向的。与传统分组交换不同的是， b h p 与突发数据在物理通道上是分离的，是一种带外信令，d w d m 传输系统中可 用一个或多个专门的波长作为控制通道传送b h p 。从交换粒度、持续时间和带宽 利用率等方面可以清晰的比较这三种光叫交换技术的不同。三种光交换技术的详 细对比如下表： 表l - 1 三种光交换方式的比较 光电路交( o c s )光分组交换( o p s ) 光突发交换( o b s ) 交换粒度持续的线路需求单个分组若干分组构成的数 ( 大粒度) ( 小粒度) 据突发( 中等粒度) 持续时间长短 中等 实现复杂度低极高可实现 全光缓存不需要必需 不是必需 带宽利用率低高 较高( 与突发长度 的定义有关) 对分组业务低 局较高 的适应程度 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2o b s 的特点 正因为o b s 技术具有o c s 所不能比拟的优点，而且又是一种切实可行的光交 换技术。o b s 光交换技术是目前国内外关注的焦点。目前，对o b s 技术的相关研 究也最多。从之前的研究可以总结出o b s 具有以下几个特点： ( 1 ) o b s 交换机制综合了o c s 和o p s 的特点。在边缘节点设立了突发包汇 聚机制，交换粒度介于o c s 的波长交换和o p s 的分组交换之间，提供可变长度的 突发数据流量。 ( 2 ) 使用带外信令控制机制。即将突发数据( b u r s t ) 和b h p 分离，进行异 步传输的交换机制。 ( 3 ) 单向预留机制。即b u r s t 在控制分组发出后不用等待确认消息即可发出， 这样可以减小系统的端到端时延。 ( 4 ) 偏移时间( o f f s e t t i m e ) 的机制。b u r s t 数据在控制分组发出后延迟一个 称为o f f s e tt i m e 的时间再后发出，为预留资源提供了可能。 ( 5 ) b h p 在光突发交换网络的中间节点需进行光电转换，在电处理域进行处 理，然后再进行电光转换，在光域进行传输。而数据分组以直通的方式直接通过 中间节点来实现端到端的透明传输。 o b s 利用当前的可实现技术，有机地结合了电路交换和分组交换的优势，可 以部分达到n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 【8 】的技术指标要求，是一种很有发展 潜力的交换模式。下面介绍o b s 系统的结构。 1 3 0 b s 系统结构 一个o b s 网络主要由边缘节点路由器( e d g e n o d e r o u t e r ) 、核心节点路由器 ( c o r en o d er o u t e r ) 和光纤链路构成。其中边缘节点路由器主要负责将分组数据 进行缓存和封装，并根据一定的策略汇聚成突发数据，然后发送给邻近的o b s 核 心路由器。核心节点路由器则主要完成b h p 的交换调度、系统资源管理和配置、 冲突的解决，以及对q o s 的支持。光纤链路上信号分波长传输，包括1 波长的控 制信道和n 波长的数据信道，分别传输b h p 与b u r s t 数据。 4 第一章绪论 囤一乍= = ：4 衙f o r 。d 黧篙如 图1 - 1o b s 系统结构图 具体的o b s 网络结构如上图所示，边缘节点路由器与外部i p 网络连接，外部 i p 网络的数据包在o b s 边缘节点被封装为b u r s t 。并在b u r s t 发出之前在控制信道 上发出b h p ，以预约资源。在b h p 发出后间隔o f f s e t t i m e 时间再在某一指定波长 数据信道上发出对应b u r s t 。 b h p 发出到核心节点路由器后，核心节点路由器获取了将要到达的b u r s t 信 息，根据资源使用情况进行配置光路或丢弃b h p 等操作。对配置成功的b h p 再进 行更新，并转发往下一节点。配置成功的b u r s t 到达核心节点路由器时则直接通过 以及搭建好的链路无延时透明的发往下一节点。 当b u r s t 顺利到达出边缘节点之时，再由边缘节点进行校验，然后将b u r s t 解 包恢复为i p 数据包并发送到外部i p 网络。从o b s 的结构图中可以看出，在o b s 网络中数据通道是全光的透明通道，即不涉及电处理的过程，完全体现了o b s 高 传输速率、低时延的特点。 1 3 1o b s 核心节点路由器结构 o b s 的带外信令控制机制对o b s 核心节点路由器的设计提出了要求。由于控 制信息在数据到达之前到达节点。核心节点路由器就需要根据控制信息和节点当 前的状态信息进行资源的预约和仲裁。若预约成功，需完成对交换矩阵、可调的 波长变换器( t w c ，t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) 1 9 j 、光纤延迟线缓存( 后两种 为可选) 的配置。以保证后续的数据到达时透明地穿过节点。若出现资源的竞争 和冲突，核心节点还需要根据一定的冲突解决方案完成相应操作。因此，核心节 5 电子科技大学硕士学位论文 点，特别是其交换控制方案的设计是整个o b s 系统正确运行的关键，也是对o b s 网络性能影响最大的一个环节。 图1 - 2 核心节点功能框架图 核心节点的功能框架如图1 2 所示。主要包括四个模块：核心交换模块、交换 控制模块、协议处理模块和线路模块。 其中核心交换模块主要由空分交叉矩阵、f d l 和t w c 组成( 后两种为可选) ， 负责根据交换控制模块的配置信息来配置交叉矩阵。 交换控制模块功能包括对信令处理、转发表的查找、资源的预约及冲突判决 和处理等，然后发出对核心交换模块的配置信息。 协议处理模块主要实现高层协议的处理，包括转发表的维护与更新等。 线路接口模块包括复接器、反复接器、光电转换模块等与光传输相关的器件。 在交换控制模块提供的配置信息控制下，这些部件协调工作，共同为数据提 供透明的通道。本文主要关注o b s 核心节点路由器中的交换控制模块【1 0 l 。其结构 框图如下图所示。 6 第一章绪论 o p s wf d lt w c 4 x 0 e - - - j 一 4 x b 船 习皿一 组帧、 4 x b 即 时标 定时、吁一 解析 一 4 e ，o i m c u 臻口l 昆n - t 理- 器卜黼m 图1 3 核心节点交换控制模块结构框图 结合图1 3 可以了解o b s 核心节点交换控制模块对b h p 的处理流程：来自各 个输入端口的b h p 经光电转换、分组解析后得到输入b h p 帧；该帧附加b h p 到 达时间信息后构成核心节点处理的b h p 帧；再对多路输入的b h p 分组进行复接， 得到高速b h p 数据流；然后核心节点中的调度器依次从该f i f o 中读取b h p 帧， 根据其中的信息来动作： a ) 决定突发数据分组的交换路径及相应的光交换阵列配置参数，发往命令解 析部分。 b ) 决定该b h p 帧下一跳去往的输出端口及对相应的帧内信息的更新。 调度器的路由判决依据来自网管( 嵌入式系统) 的标签表，同时向网管反馈 b h p 处理的结果，如各端口接收突发包数、转发突发包数、突发包长、丢包统计、 内部资源统计等。 反复接器根据调度器发来的b h p 帧决定当前b h p 去往的输出端口。由于b h p 输出端口的分布是随机变化的、输出端口速率与内部处理速率不匹配，因此对每 个输出端口有独立的输出缓存f i f o ；各输出端口的处理器读取各自f i f o 中的b h p 帧，根据其中的到达时间信息等确定新的偏移时间，并更新b h p 分组中的相应字 段，然后通过电光转换发送到输出光纤上。 了解了核心节点的结构之后，可以看出由于在核心节点控制部分采用了电处 理系统的处理方式和存储结构。不可避免的产生了f i f o 溢出和端口冲突等常见问 题，这些问题将在后面的章节中详细讨论。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 3 2o b s 边缘节点路由器结构 突发汇聚问题同样是o b s 网络设计中的关键问题之一，这部分工作是在o b s 网络的边缘节点路由器中完成的。简单来讲，所谓的突发汇聚就是在o b s 边缘节 点将多个输入的i p 数据包按照一定的策略组装到一个突发数据包中( 也就是b u r s t 中) ，以在o b s 网络中进行传输。下图直观描述了边缘节点中突发汇聚的抽象结 构以及o b s 边缘节点在整个系统中的位置和作用。 边镣臂点 ( 裳发汇帛) 边皱苜点 ( 完发 窠) b h p 搜- 节序 搜心节厚 边城节点 ( 宪发汇皋) 进镣哺点 ( 宪发汇窠) 图1 4 边缘节点功能框图 结合图1 - 4 可以看出，业务流到达边缘节点后按目的地址和q o s 等级被存放 到不同的汇聚队列中，在确定了突发汇聚的规则后按照选定的突发汇聚算法被汇 聚成突发包，并且发送到网络中的o b s 核心节点中去。同时边缘节点还会发出对 应的控制分组b h p 。所以输入边缘节点的业务流的到达分布和长度分布将直接影 响到产生的突发包在核心节点的到达分布和长度分布。而突发包的特性会影响到 o b s 核心节点的交换性能。也就是说，边缘节点输入的业务流特性对o b s 核心节 点的交换性能会产生影响。 8 第一章绪论 1 4 本文主要贡献及内容安排 本文主要从光突发交换中的业务流特性变化、光突发交换的业务流特性与结 构的关系和光突发交换的性能测试三方面进行了系统的研究。重点分析了光突发 交换系统对业务流特性的影响和光突发交换系统的性能改进方案，并进一步对光 突发交换的性能测试进行了研究和尝试。对光突发交换系统业务流的网络仿真是 现有的仿真中做得较为全面的；仿真得到的结论对光突发交换系统的设计有重要 意义；仿真得到的数据对今后的研究工作也有很大的利用价值，最后还第一次就 实现基于b h p 的光突发交换测试系统做了尝试。本文的安排如下： 第一章对o b s 背景、o b s 与其他光交换技术对比、o b s 系统模型的先进之处 进行简介。 第二章对仿真中的o b s 业务流特性进行分析说明，并重点分析实际情况下的 o b s 网络所处的业务环境下的业务特性。 第三章简介了o b s 仿真模型的的结构，搭建了完整的o b s 仿真平台，并给出 了o b s 系统对其中的业务流特性的影响。 第四章介绍了o b s 的性能测试问题与业务流模型的关系。分析了o b s 系统的 性能测试问题并对o b s 系统的提出了改进方案。 第五章给出了可行的o b s 测试方案，介绍了用v h d l 实现的硬件测试系统和 m o d e l s i m 仿真结果。 最后在第六章总结全文并对光突发交换结构设计和性能测试提出了关于未来 研究方向的意见和建议。 9 电子科技大学硕士学位论文 2 1 研究背景 第二章仿真中的o b s 业务模型 当今社会已经进入了信息时代，通信网络可以使人们广泛地获取信息和交流 信息，人们的生产、经营、科研、教育等活动愈来愈依赖于通信网络。电子商务 的蓬勃发展使人类正迈入网络经济时代。对于宽带网络的市场需求越来越强烈， 各种新技术异彩纷呈。随着宽带综合业务数字网的发展、标准化，网络数据流量 的极大提高以及业务类型的多样化、复杂化，迫切需要网络的交换设备具有较好 的流量控制、拥塞管理的能力。那么对网络交换设备的结构、调度算法等问题的 研究就显得尤为重要。由此，网络交换设备的业务源模型的研究也变成了一个重 要的课题，因为这是验证设计的交换机性能的基础。 传统的i p 网络中，从业务源发出的数据包都是单独的i p 数据包，各个i p 数 据包都有自己的目的i p 地址，并且每个i p 包都是单独选路。业务源把i p 数据包 传到网络的路由器，由路由器为i p 数据包选择路由，进行存储转发。当i p 数据包 汇聚到骨干网上时，数据包将呈现出很高的突发性，主要是因为数据是长相关的 ( l r d ，l o n gr a n g ed e p e n d e n c e ) 【l l j 或是自相似性的( s e l f - s i m i l a r i t y ) 【1 2 。而传统 的分析认为数据的到达是短相关( s r d ，s h o r tr a n g ed e p e n d e n c e ) 【13 】的，因此从原 有的分析出发得到的结论并不太正确。原因是数据的长相关性或自相似性会明显 的影响网络的排队模型的性能和交换结构的设计。从网络上来看，由于数据的长 相关性或自相似性，数据在任何时间尺度上都有很高的突发性，因此要让节点的 缓存不溢出，存储容量必须很大；另外，数据的长相关性或自相似性对网络和交 换结构的建模也提出了挑战。关于网络业务流的建模问题，已经存在较多的研究。 由于业务的长相关性或自相似性对网络设备的交换性能的影响很直接，从此自相 似的网络业务流模型成为大家研究的热点，并且有很多文献对此进行了论述。 9 0 年代末，在德国一所大学所研发的名为“a t m 网中的流量统计和应用剖析” 的项目中u ，对广域网( w a n ) 的数据流量进行了大量的测量，统计研究后发现， 实际的网络业务流量有两个最重要的统计特性：自相似特性和长相关特性。通俗 地说，就是在对实际网络业务流量进行测量时发现，在一个较小的时间内测量的 第二章仿真中的o b s 业务模型 数据包的数目有很大的波动；但是当时间间隔取大以后，这种波动并没有变得平 滑，其统计特性基本不变；也就是说在不同的时间尺度上具有相似的特性。而传 统的用于仿真研究的业务模型，比如泊松( p o s s i o n ) 模型，在大时间尺度上会 变得平滑，与实际网络中测得的数据不符。同时，这个项目组对所取得的数据从 信元到达间隔时间分布、信元到达间隔时间的大范围相关性、信元突发长度 ( o n分布、突发间隔( f f ) 分布四个方面进行了分析，发现其突_ p e r i o d ) o p e r i o d 发长度是服从重尾分布的，具有自相似的特性。 最近的研究也表明i n t e r n e t 网的业务流具有不规则的碎片分布特性【l ”，这 种特性可以用自相似随机过程来描述；而且以太网业务流在统计上也是自相似的。 这种特性对高速和标准单元结构的网络影响明显。可见，业务流特性对各种交换 网络都体现出了不容忽视的影响。高速的o b s 交换网络更需要针对输入的业务特 性来设计。下面介绍在o b s 仿真研究中采用的各种业务模型和他们各自的特点。 2 2 长相关、短相关、自相似业务模型 与其它宽带网络类似，o b s 网络的设计、控制和分析要考虑到网络中业务流 的统计特性。迄今为止对输入o b s 边缘节点业务流的分析都集中在业务流的短相 关性、自相似性和长相关性三方面上。所以有必要对这三种业务流特性的概念和 来源先做一个介绍。传统的研究认为网络中的业务流主要表现出短相关性。而近 期的研究表明，i p 、t c p 和以太网等业务中普遍存在着长期相关性和自相似性【1 5 l 。 业务流的自相似性作为一种特殊的长相关性，会对小缓存结构的系统造成很高的 丢包率，或者是对大缓存结构的系统造成很大的排队时延l i6 】。所以对这三种业务 流特性的研究很有必要。 2 2 1 业务流的短相关性 业务流的短相关性是这样定义的：设定时间t 与过去时间t - s ；若s 足够大，则 t 与t - s 时的业务量是不相关的。即仅考虑s 较小时业务到达之间的相关性，称为短 时相关。业务流的短相关性突出表现为在比较小的时间尺度上业务流具有突发性， 而在很长的时间尺度上又不具有突发性，并且这样的突发性可以用一定时间尺度 上的互相关性来衡量。目前的研究都是用p o s s i o n 到达的业务流来模拟具有短相 关性的业务流1 1 7 】。 电子科技大学硕士学位论文 p o i s s o n 业务模型中的数据是按参数为a 的p o i s s o n 过程到达的。其中，a 称为 到达率，到达间隔服从参数为a 的负指数分布，负指数分布的概率密度函数如下 式2 1 所示，其均值和方差如2 2 式所示。 m ，= k 忿c 驴 公式， e ( x ) = a ，= a - 2 公式( 2 2 ) 需要注意的是，在实际的网络中，数据的到达过程可能不是真正意义上的 p o i s s o n 过程了。以o b s 网络为例，假设突发数据的到达间隔定义为相邻两个突发 数据到达时刻之间的时间差，而突发数据有一定的长度，这个长度可能是定长的， 也可能是随机变化的，因此很难保证数据的到达间隔准确的服从指数分布。 2 2 2 业务流的长相关性 和业务流的短相关性对应，实际网络中的业务流还具有长相关性。业务流的 长相关性和短相关性不同。表现为长相关的业务流在个很长的周期里将会体现 出很高的突发性，正好和短相关性的定义相反。 文献u 州对他们所得到的数百万个实际网络传输的数据包的统计分析表明，实 际网络业务流的统计特性是基于泊松过程的传统业务流模型所无法描述的。突出 表现为突发没有明确的长度，在不同的时间尺度下表现出相同的突发特性，这样 的业务是长相关的，并且很难将它平滑掉。 业务流的长相关性是这样定义的：给定随机过程z = r z ，x ，z 。，如果它的 自相关函数r 是不可和的，即y r ( kj = o o ，则称x 为长相关过程。相应地，自相 关函数可和的过程称为短相关过程。同时也应该认识到业务流的长相关性和后面 马上就要介绍的自相似性是既有联系又相互区别，它们是相互包含的关系。自相 似是长相关的特例，长相关并不等于自相似【1 。 2 2 3 业务流的自相似性 很多研究表明，网络中的实际数据不管是时间方面还是数据长度方面在统计 特性上都是自相似的，即存在着在统计意义上的长相关性，也称为自相似性。具 体表现在业务在大的时间尺度上呈现出相似的突发性，这与传统的网络中的业务 1 2 第二章仿真中的o b s 业务模型 服从泊松过稗的短相关性的假设有着很大不同。在这种业务特性下，网络研究中 的业务建模和性能分析都产生了许多新的问题。 业务流的自相似性和自相似模型的产生是目前讨论的热点问题。自相似性是 指网络结构中的长相关性。b o s t o nu n i v e r s i t y 在1 9 9 6 1 9 9 8 问做的实验表明w e b 流 量具有自相关性：w e b 文件大小的分布( 包括用户请求的文件、实际传输的文件、 文件的传输时间、服务器端存储的文件等) 呈重尾分布以及w e b 文件传输时间的 重尾分布导致了w e b 流量具有自相似性。已经有文献指出i p 业务流具有自相似性。 这种特性会对小缓存结构的系统造成很高的丢包率，或者是对大缓存结构的系统 造成很大的排队时