（通信与信息系统专业论文）光突发交换中支持qos的资源预留机制及自适应波长分配的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 波分复用( w d m ) 技术的大规模应用极大地提高了点到点传输容量，给交换 系统的发展带来新的机遇和挑战。但是“电子瓶颈”问题不仅增加了系统成本 而且限制了网络吞吐量和灵活性，阻碍了交换速度的迸一步提高。从长远来看， 只有采用光交换技术才能突破上述限制。作为实现全光网络的一种可选的交换技 术光突发交换( o b s ) ，在考虑到当前技术局限性的同时，充分结合融合了光 分组交换( o p s ) 和光电路交换( o c s ) 的优点，并克服其不足之处，为实现全光通 信网络提供了一种行之有效的解决方案。 论文在深入分析现有o b s 关键技术的基础上，提出了一种基于加强型学习机 制的偏置时间算法，并对现有的波长分配机制进行了改进。最后，利用o p n e t 仿真工具设计并实现了o b s 通用仿真平台。主要研究成果如下： ( 1 ) 提出一种加强型学习机制的计算偏置时间算法。该算法能够在基于j e t ( j u s t - e n o u g h t u n e ) 信令的无光缓存o b s 网络中，根据网络负载和服务质量( o o s ) 的要求，通过加强型学习，灵活地设置偏置时间( o t ) ，使得偏置时间能够随着 网络载荷的变化自适应调整。该算法较好地适应了网络状态的变化，并且支持 q o s 。 ( 2 ) 提出基于波长链路对的虚拟动态波长分配算法。该算法在虚拟动态波 长分配的基础上增加了按照波长传输的成功率对各个波长节点对进行排序的功 能，使得每个节点波长域中波长节点对的顺序根据当地网络状况和流量的改变而 更新，并且各级波长节点域也能够根据网络状态的变化自动调整，减少了波长碎 片，从而提高了波长利用率，更好地提供q o s 。 ( 3 ) 采用o p n e t 仿真工具设计了一个通用的o b s 网络仿真平台。该仿真 平台包括了边缘发送节点、边缘接收节点和核心节点。在仿真平台的边缘发送节 点处增加了加强型学习代理a g e n t 和反馈机制。仿真结果表明，该方案可以有效 降低端到端的突发时延，在保证高优先级突发业务阻塞率的同时，尽可能地降低 了低优先级突发业务的阻塞率，有效地改善了o b s 网络的性能。 关键词：光突发交换，q o s ，加强型学习算法，资源预留，波长分配 江苏大学硕士学位论文 l a r g e - s c a l eu s i n gt h et e c h n o l o g yo fw d m h a si n c r e a s e dt h et r a n s m i s s i o nc a p a c i t yo f p o i n t - t o - p o i n t , w h i c hb r i n g st h en e wc h a l l e n g e sa n do p p o r t u n i t i e s b u tt h ed e f e c to f e l e c t r o n i cb o t t l e n e c kn o to n l yi n c r e a s e st h ec o s to fs y s t e m ，b u ta l s oc o n s t r a i n st h e t h r o u g h p u t a n df l e x i b i l i t yo ft h en e t w o r k a n di ta l s oi m p e d e st h ei m p r o v e m e n to f e x c h a n g er a t e s oo n l ya d o p t i o no p t i c a ls w i t c hc o u l db r e a kt h o s ec o n s t r a i n s o b s ( o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) i so n eo ft h eo p t i o n a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g i e sp r o p o s e dt oi m p l e m e n ti n a l lo p t i c a ln e t w o r k s b a s e do nt h ec u r r e n tt e c h n o l o g i e sa n dc o s tr e s t r i c t i o n ，o b st a k e s a d v a n t a g eo fo p s ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) a n do c s ( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) w h i l e a v o i d i n gt h ed i s a d v a n t a g e so ft h e m t h u s ，o b so f f e r saf e a s i b l ea n de f f e c t i v ew a yf o r r e a l i z i n ga l lo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n n e t w o r k sa tp r e s e n t b a s e do na n a l y s i so ft h ea r c h i t e c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g i e si no b sd e e p l y , p r o p o s e dan e ws c h e m eu s m gr e i n f o r c e m e n tl e a r n i n ga g e n tt oc a l c u l a t et h eo f f s e tt i m e a n dm o d i f yt h ee x i s t e dw a v e l e n g t hs e l e c t i o n f i n a l l y , d e s i g na n dr e a l i z et h eg e n e r a l l y p l a t f o r mo fo b sb yo p n e t t h em a j o r r e s e a r c hr e s u l t sa r es h o w e da sf o l l o w ( 1 ) i ti sp r o p o s e da n e wa l g o r i t h mu s i n gr e i n f o r c e m e n tl e a r n i n ga g e n tt oc a l c u l a t et h e o f f s e tt i m e t h ea l g o r i t h ma s s i g n so f f s e tt i m ef l e x i b l yu s i n gr e i n f o r c e m e n tl e a r n i n gs c h e m e a c c o r d i n g t ot h e r e q u e s to fn e t w o r k s l o a da n dq o sb a s e do nt h e p r o t o c o l o f j u s t e n o u g h t i m ei nb u f f e r - l e s so b sn e t w o r k t h eo f f s e tt i m ew i l ls e l f - a d j u s ta c c o r d i n g t of l u c t u a t ei nt h en e t w o r ka n ds u p p o r t i n gq o ss e r v i c es ot h a ti tw i l la d a p tt h ec h a n g eo f n e t w o r kp r o p e r l y ( 2 ) i ti sp r o p o s e dan e wa l g o r i t h mo fd y n a m i cv i r t u a ll a m b d ap a r t i t i o n i n gb a s e do n l a m b d a 1 i n k i ta d d e ds o r t e db ys u c c e s sr a t eo fw a v e l e n g t ht r a n s m i tb a s e do nd y n a m i c v i r t u a ll a m b d ap a r t i t i o n i n g ( d v l p ) t h em o d i f i e da l g o r i t h mc o u l du p d a t e st h eo r d e ro f w a v e l e n g t h sw h i c hi nt h ew a v e l e n g t h - n o d ep a r t i t i o na c c o r d i n gt os i t u a t i o na n dt r a f f i co f l o c a ln e t w o r k , a n da d j u s tt h ew a v e l e n g t h n o d ep a r t i t i o nd u et oc h a n g eo fl o c a ln e t w o r k d y n a m i c a l l y i tn o to n l yr e d u c e sf r a g m e n to fw a v e l e n g t h ，b u ta l s oi m p r o v eu t i l i z a t i o no f w a v e l e n g t h s oi tc o u l db ep r o v i d et h eb e t t e rq o s 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) u s i n gs i m u l a t i o nt o o lo fo p n e td e s i g n sag e n e r a ln e t w o r k s i m u l a t i o np l a t f o r mo f o b s i ti n c l u d e st h ee d g en o d eo fs e n d i n g , t h ee d g en o d eo fr e c e i v i n g , a n dt h ec o r ee d g e t h es e n d i n ge d g en o d ec o u l ds e l f - a d j u s ta c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fn e t w o r ks t a t i o n ， b e c a u s ei ta d d e dr e i n f o r c e m e n tl e a r n i n ga g e n ta n dt h er e c e i v ef u n c t i o no ff e e d b a c k s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a ti tr e d u c e ss y s t e m sd e l a yo fe n d - t o e n de f f i c i e n t l y , a n d r e d u c e sb u r s t sb l o c k i n gp r o b a b i l i t yo fl o wp r i o r i t ya sg u a r a n t e et h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t yo f h i 曲p f i o r i 哆s oi ti m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fo b s n e t w o r ke f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，r e i n f o r c e m e n tl e a r n i n g ， r e s o u r c er e s e r v a t i o n ，w a v e l e n g t hd i s t r i b u t i o n m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 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 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密z 学位论文作者签名：饧吻辛 指导教师签名： 1 , l 矗年二月f 7 日 厶 译1 砷年占月f7 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：饧，乃辛 日期：力扣年善月f7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 w d m 技术的大规模应用极大地提高了点到点的传输容量，给交换系统的发 展带来新的机遇和挑战。然而电子交换和处理电路本身固有的时延、定时误差、 漂移、串扰等缺点，以及在节点入口和出口处需要进行灯电转换等问题，不仅 增加了系统成本而且限制了网络的吞吐量和灵活性，阻碍了交换速度的进一步提 高。随着通信业务的发展，未来的交换系统需要处理大容量的信息，需要采用光 交换技术才能突破上述限制。 具有传输透明性( 包括业务类型、传输速率以及传输格式等) 和高度生存性的 全光网络，是当前w d m 光网络追求的重要目标【蚴。从系统角度来看，光交换 技术同光监控技术、光放大技术和光处理技术等其它光网络技术一样，都是 w d m 光网络的关键支撑技术。但是在这几种关键支撑技术当中，光交换技术尤 为重要，因为它能够充分挖掘光网络的带宽资源，并且在进行信息处理时不需要 经过光电转换，这样就不受检测器和调制器等光电器件响应速度的限制，从而消 除了电子器件导致的瓶颈问题。同时，它实现了网络对上层用户业务信号的透明 传输，允许互联不同的系统，使网络具有可重构性，达到灵活组网的目的，并且 简化了网络层次和结构，大幅度降低网络成本和运营维护成本。因此可以说，光 交换技术是网络技术发展的必然趋势。 光交换技术主要有光路交换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 3 。5 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 ) 6 - 8 1 和光突发交换o b s ( o p t i c a l b u r s t s w i t c h i n g ) t 9 - 1 3 】三种交换技术。 光路交换已经研究成熟，并逐步大规模投入运用。然而，光路交换只是一种 以波长为单位的粗粒度光交换，如果数据传送的时间相对于光通道建立的时间较 短的话，那么该交换对带宽的利用率就很低，所以这样的粗粒度交换网络并不能 很好地适应i p 业务那样的突发数据的传输。 克服现有光网络不能支持突发性i p 业务缺陷的方法是将电的分组交换技术 在光域上延伸，使光交换粒度以高速传输的光分组为单位，这就是光分组交换网。 江苏大学硕士学位论文 光分组交换网络可以更加有效地支持突发性很强的口业务，并利用统计复用最 大限度地提高了带宽利用率。但是现阶段这些光逻辑器件的功能还比较简单，不 能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，而且没有成熟的光随机存储( 洲) 器件， 光分组只能通过昂贵的光纤延迟线( f d l ，f i b e r - d e l a y l i n e ) 实现有限时间的“存 储 。其他技术难题还包括光信号的同步、光子时隙路由等。因此只有光网络技 术、系统技术、光器件技术有了长足的发展，光分组交换才能最终走向实用。 一种行之有效的方法就是分离数据信道和控制信道，即光分组中的净荷 ( p a y l o a d ) 部分的交换在光域中实现，而路由、转发等交换控制功能则在电域内 实现。控制分组提前发送为数据分组预先配置信道。这样，就诞生了采用带外控 制信令的光分组交换的替代方案来避开光同步和光存储的困难。基于这种思路， 提出了交换颗粒度介于光路与分组之间的一种折衷光交换技术一光突发交换。研 究表明，光突发交换能够很好的支持突发性的分组业务，可作为光网络演迸过程 中最具有可实现性的一种交换技术。 光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 概念由c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 提出，短短几年，己引起越来越多研究机构的注意。因为它克服了光分组 交换的缺点，降低了对光开关和光缓存的要求，并能够很好地支持突发性的分组 业务，被认为很有可能在未来互联网中扮演关键角色。 表1 1o c s 、o p s 与o b s 的技术一览表 光交换技术光交换粒度带宽利用率光缓存实现复杂度业务突发适应性时延 处理开销 o c s 大低不需要低低高低 o p s小高需要 高高低高 o b s中 高可选 中 由 低低 从表1 1 中可以归纳出o b s 具有的特点： 光突发交换的交换粒度介于光路交换与光分组交换之间。与光路交换相比， o b s 对于给定的业务模型，对带宽的占用没有光路交换大。因此，o b s 具有很 好的带宽利用率，可以更好的支持突发性很强的口业务；而与光分组交换相比， 因为o b s 降低了对光存储器件和光逻辑器件的要求，所以它的交换技术实现复 杂度比光分组交换小，能够在现有的技术基础上实现。同时o b s 还能减小i n t e m c t 业务的自相似( s e l f - s i m i l a r ) 程度，以支持w e b 流量的突发性。在支持q o s 方面， o b s 既能依靠上层协议( 咖l s ) 区分不同业务的o o s ，也可直接在光层实现 2 江苏大学硕士学位论文 有区分的服务，符合通信网的长期发展方向。总之，o b s 克服了光路交换和光 分组交换的缺点，是光路交换和光分组交换之间的一种折中的选择。它结合了两 者的优点且克服了两者的不足之处，非常适合于高突发性数据业务，成为未来若 干年内极有竞争力的i po v e rw d m 解决方案。 尽管对o b s 网络的研究已经取得了很多成就，但是目前影响o b s 最终走向实 现的因素主要有：( 1 ) 较高的突发丢弃率；( 2 ) 偏置时间设置不够灵活；( 3 ) 只能 单节点做到严格支持q o s ，即q o s 支持不友好；( 4 ) 波长分配算法实时性不强，且 波长利用率不高。这些因素的克服，需要对o b s 中的关键技术进行优化设计。 正是鉴于以上分析，论文在总结已有研究成果的基础上，对相关的因素做了 更深层次的研究，提出了自适应偏置时间算法和动态波长分配策略来改善现存的 问题。这对于建立实用的i fo v e ro b s ，促进o b s 网络的进一步发展有着十分重要 的现实的意义。 1 2 研究现状 国内外多家研究机构致力于研究这项新兴技术，其中影响较大的有美国的纽 约州立大学布法罗分校、华盛顿大学、德州大学达拉斯分校、北卡罗来纳州立大 学、法国a l c a t e l 公司美国分公司等。在国内，清华大学、北京大学、北京邮电大 学、上海交通大学和电子科技大学等高校也展开了对o b s 的研究工作。这些研究 机构对o b s 做了大量的研究工作。到目前为止，主要进展包括以下几个方面： ( 1 ) 预留协议：预留协议主要用来解决突发控制分组以什么样的方式为数据 突发包预留带宽，又怎样释放带宽，其中比较有代表性的协议是j e t ( j u s te n o u g h t i m e ) 1 4 并- n j i t ( j u s ti nt i m e ) 协i , 3 t 1 5 1 。j e t 协议是由美国纽约州立大学的m y u n g s i k y o o 和c h u n m i n gq i a o 提出；而j 1 1 r 协议f l j j o h ny w e i 和r a yi m c f a r l a n d 提出，并在 m o n e t 平台上做了关于j r r 协议的实验。 ( 2 ) 竞争解决：竞争是指多个突发控制分组争用同一出口信道：而竞争的解 决主要研究的是如何避免竞争，以及应用何策略去处理竞争。按照处理域的不同 可分为三类【1 6 1 ：波长域内处理策略即使用波长转换器1 5 9 1 、时间域处理策略即使 用光缓存【叫、空间域内处理策略即应用偏射路由技术【1 刀。此外还有突发分片技 术【1 8 , 1 9 1 ，它是对冲突部分的突发数据实旋分段丢弃，来提高带宽的利用率。 ( 3 ) q o s ：如何在o b s 网络中实现业务的区分服务。典型代表有基于偏置时 3 江苏大学硕士学位论文 间( o f f s e tt i m e ) 的q o s 方案【2 0 l 、基于比例的q o s 方案【2 l 】、基于分段的q o s 方案 【2 2 1 以及绝对的q o s 方案，刎等。 除了上述研究外，o b s 实验系统设计方面的研究工作也已经展开。国外在研 究和开发光突发交换网技术方面的代表性研究机构有：t h es t a t eu n i v e r s i t yo f n e wy o r ka tb u f f a l o 的l a n d e r 实验室，u n i v e r s i t yo ft e x a s 计算机系的c a t s s 实验室，以及w a s h i n g t o nu n i v e r s i t y ，u cl o n d o n ，s t u t t g a r tg e r m a n y 等大学以及 n o k i ar e s e a r c hc e n t e r 等。 o b s 网络的关键器件研究有美国华盛顿大学的“太比特突发交换技术 项 目 2 5 1 ，美国北卡罗来纳大学的i l i a cb l a i n e 等人在其研究项目j u m p s t a r t 中对j i t 协议在o b s 中的应用进行了研究【凋，另外还有欧洲的“c o s t 2 6 6 计划 【2 7 1 ， 以及日本政府资助的光突发研究项目【2 8 1 等。 国内近几年的“8 6 3 计划 均把o b s 列为前沿性探索类a 类课题 2 9 , 3 0 1 。北 京邮电大学、上海交通大学和武汉邮电科学院联合申请了国家“8 6 3 项目：“光 突发交换关键技术和试验系统 。国家“十五 8 6 3 计划在通信技术主题设立 了光纤通信专题研究计划o - t i m f 巳( o p i l e a lt e c h n o l o g yf o ri n t e m e tw i t h m u l t i - w a v e l e n g t he n v i r o n m e n t ) ，而对o b s 关键技术的研究则是o - t i m e 计划的 主要组成部分1 3 1 1 。国内电子科技大学宽带光纤传输与通信网技术重点实验室承担 的“8 6 3 项目“光突发交换关键技术及实验系统 于0 5 年1 月通过了验收，完 成的实验系统在核心交换矩阵、边缘节点以及核心节点控制系统的设计等方面具 有自己的技术特点。 1 3 论文研究内容 论文在广泛研究国内外o b s 中偏置时间( o f f s e tt i m e ，o t ) 的设置和边缘节 点中波长分配的基础上，设计并实现自适应偏置时间的设置。并且，对o b s 边 缘节点中的波长分配策略进行了优化，提高了o b s 中边缘节点对网络状态感知 能力，以达到提高波长利用率和更好支持q o s 的目的。最后，利用o p n e t 网络 仿真工具设计并实现一个通用的o b s 通信仿真平台，对其进行仿真验证。主要 研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 研究和设计基于加强型学习算法的偏置时间分配算法 在深刻理解现有偏置时问的基础上，在基于j e t ( j u s t e n o u g h t i m e ) 信令 4 江苏大学硕士学位论文 的无光缓存光突发交换( o b s ) 网络中，研究利用加强型学习算法根据网络负载 和q o s 要求灵活地对偏置时间进行设置。由于加强型学习算法自身可以快速学 习的特点，从而使偏置时间能够根据网络状态的变化而动态的调整，因此可以有 效的降低端到端的延迟和阻塞率，并能很好的提供q o s 。 ( 2 ) 研究和设计基于波长链路对的虚拟动态波长分配策略 在深入分析o b s 中波长分配策略以及考虑当前光器件发展状况的基础上， 为o b s 中的边缘节点设计了支持q o s 的基于波长链路对的虚拟动态波长分配策 略。它是在虚拟动态波长分配机制的基础上按照各个波长节点对的优先级进行再 排序，而优先级则是用波长节点对的传输成功几率来表示。另一方面，各个级别 的波长节点域中波长节点对的个数随着本地网络状况的改变而动态的调整，并根 据实时的反馈信息做周期性地更新，使得节点拥有感应网络状况的能力。 ( 3 ) 采用仿真工具o p n e t 设计一个通用的o b s 综合仿真平台 在对o b s 网络体系结构深入理解的基础上，采用o p n e t 仿真工具设计一 个通用的o b s 网络仿真平台，并对所设计的算法及关键技术进行性能测试与验 证。分析比较测试结果，检验所设计算法性能是否达到预期效果，并在此基础上 进行进一步修改。 1 4 全文的组织安排 根据研究的内容，本文共分为六章： 第一章， 绪论：介绍光突发交换研究背景和意义，国内外研究现状以及本论文 所主要研究的内容 第二章，介绍了o b s 的基本工作原理和网络体系结构，并对o b s 中现有的关 键技术进行了介绍并综合分析 第三章，提出了一种基于加强型学习算法的自适应偏置时间的算法 第四章，提出了一种基于波长链路对的虚拟动态波长分配算法 第五章，基于o p n e t 仿真平台下的通用o b s 综合仿真平台设计和实现 第六章，总结与展望 5 江苏大学硕士学位论文 第二章光突发交换基本原理及关键技术 2 1 光突发交换的基本原理 光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 的概念早在二十世纪八十年代已 经出现，主要用于传送话音业务，实际上是一种具有可变长度的快速分组交换， 但由于当时的一些技术因素以及a t m 技术的快速发展，光突发交换在电域中没 有得到普及和发展。随着光纤通信技术的快速发展和i n t e m e t 业务的爆炸式增长， 信息传输速率的增长大大超过了信息交换速率的增长，传统的交换方式无法满足 人们的需求。于是，二十世纪九十年代后期，几乎已经被遗忘的突发交换技术被 重新提了出来。 o b s 9 , 1 0 3 6 , 4 0 l 是以突发数据包为交换粒度，t c 突发”( b u r s t ) 是由具有相同出口 边缘路由器地址和相同q o s 要求的口分组所组成的超长口分组。这些口分组可以 来自传统口网中不同的电路由器。突发数据是光突发交换网中的基本交换单位， 它保持了o p s 网络的灵活性和高带宽利用率( o b s 仍然采用统计复用) ，又可以缓 解核心结点处理速度上的瓶颈，包括消息处理速度和光开关速度。o b s 中包括 b c p ( b u r s tc o n t r o lp a c k e t 突发控制分组) ，相当于分组交换的分组头；与b d p ( b u r s td a t ap a c k e t 突发数据分组) 两部分。每个控制分组对应一个突发数据， 控制分组包含出口地址、偏置时间、数据突发大小和q o s 等信息。 控制分组和数据突发在传送时间和信道上完全分离。在传送时间上，控制分 组提前数据突发一段时间发送，这段时间称为“偏置时间( o f f s e tt i m e ) 。为避免 数据突发在传送过程中“超过控制分组，要求偏置时间要大于控制分组在所有 经过中间结点的所需要的处理时间之和。在传送信道上，o b s 采用带外信令方 式，即控制分组和数据突发利用不同的波长信道进行传送。 将控制分组和突发数据分离的意义在于控制分组可以先于突发数据传输，以 弥补控制分组在交换节点的处理过程中变换及在电域内处理造成的时延。 随后发出的突发数据在交换节点进行全光交换透明传输，从而降低了对光缓存器 的需求，避开了目前光缓存器技术不成熟的缺点。并且，由于控制分组的长度远 小于突发包的长度，因此，需要0 e o 变换和电域内处理的数据大为减小，缩短 6 江苏大学硕士学位论文 了处理时延，大大提高了交换速度。所以o b s 的主要特点可以归纳如下： ( 1 ) 交换粒度适中：突发数据的长度可以根据不同情况而改变，而只使用一个突 发控制分组，从而使每个突发数据单元有较低的控制开销。 ( 2 ) 分离控制：突发控制分组和突发数据经历不同的信道( 但路径相同) ，有效 地降低中间核心交换节点的复杂度，同时也降低了同步要求。因为突发数据始终 在光域中传输，所以保持了突发数据的透明性。 ( 3 ) 低的设定开销：通常采用单向无应答的传送方式，突发数据无须等待应答信 息，在一个偏置时间之后即可发送突发数据。从而使端到端延迟得到进一步减小。 ( 4 ) 无缓冲操作：由于突发控制分组先于突发数据到达中间核心节点，并为其申 请相应的资源，因此当突发数据到达时，可直接通过该中间核心节点，降低了对 光缓存器的要求。 ( 5 ) 本地映射：即在边缘节点处，将上层业务数据( 如口分组) 组装成一个较 大的突发数据，而在出口边缘节点处，突发数据被分解还原为一个个的上层业务 数据。 b c p 突发控制分组b d p 突发数据t o 偏置时间t sb c p 处理时间 b c p b c p 2 1 1 网络结构 图2 1 光突发交换原理图 o b s 网络通常由突发汇聚层的边缘节点和核心光突发交换层的核心节点( 可 以添加边缘节点所具有的功能) 以及接入层组成，如图2 2 所示。 突发汇聚层主要由边缘节点所构成，负责对低速业务流进行汇聚，同时根据 业务优先级和目的地址将上层的低速业务数据组装成适合o b s 网络传输的突发 数据。同时在发送突发数据前，生成相应的突发控制分组，进行资源预留。而出 7 江苏大学硕士擘位论文 口边缘节点对接收到的突发数据进行还原并发送至接入网中 f i g t l r eln o d e 蛐d n e t w o r k m 吐i c f u ”f o r o p t i c a l h i 聊s w n d i m g 图2 2o b s 网蝽姑构图 核心光突发交换层主要由核心节点构成，它根据突发控制分组中所携带的信 息来配置网络资源，实现光突发数据的快速转发，因此保持了宪发数据的透明性。 接入层是0 b s 网络的用户层，可以是各种网络，例如 a n 、i n t e r n e t 、s d i i 、 a r m 等。因此相应的业务数据可以是口包，a t m 信元等。 2 1 2 边缘结点 图2 3 为输入边缘结点的结构框图，主要包括分类模块，组装模块，控制 模块，调度模块，发送模块。图2 3 c o ) 为输出边缘结点的结构框图，主要包括： 接受模块，解复用模块。 2 3 ( a ) 靖八遗掉节点功能图 2 3 0 ) 输出边埠节点功能囤 输入边缘节点的主要工作流程为：首先对来自传统p 网的摩分组进行路由 江苏大学硕士学位论文 信息处理，按其目的地址和q o s 等级进行分类，同一类职分组通过交换网络送 入相应的数据突发组装器。组装器实际上是一个与目的地址和q o s 等级相对应 的缓存器，它按照一定组装算法把多个输入口分组组装为一个数据突发。组装 器输出的数据突发被传递到数据突发调度缓存器里调度，缓存器的配置可以采用 共享方式，也可以为每个组装器配置一个。控制模块为每个数据突发产生一个对 应的控制分组b c p ，并确定两者之间的偏置时间。每个b c p 都携带路由、偏置 时间、数据突发长度和q o s 等级等信息，同时控制模块按照一定的调度策略为 数据突发分配输出波长，当完成对数据突发的调度时，相应的控制分组从控制信 道被送入网络，而数据突发则必须在发送模块等待一个偏置时间后，才能通过数 据信道发送出去。 不同于输入边缘结点，输出边缘结点的工作过程比较简单。对于接收到的突 发数据，只需将接收到的数据突发分解还原为多个口分组并按目的地址转发即 可。在实际网络中，同一个物理结点通常既可以是输入边缘结点，也可以是输出 边缘结点。 2 1 3 核心节点 核心节点的一般结构如图2 4 所示。 图2 4 核心节点模块 由于采用了数据分组与控制分组相分离的机制，因此只需对控制分组b c p 进行处理，为即将到达的数据突发分配带宽资源。根据资源预留方式的不同，其 分配的时间也不同。如果是j 1 t ( j u s t - i n t i m e ) 协议，则立刻进行配置，而如果是 j e t ( j u s t - e n o u g h t i m e ) 协议则在数据突发到达前进行配置。分配资源主要是指为 、 9 江苏大学硕士学位论文 即将到达的突发数据，配置光交叉开关o x c 到相应的输出波长信道。当然也可以 添加光缓存f d l ( f i b e rd e l a yn n e ) 。 核心结点通常由波长解复用器、f d l 模块( 可选) 、光交换模块、交换控制单 元( s c t 0 和波长复用器几部分组成，每个结点有输入光纤和输出光纤，每条光纤 都有数据波长和一个或几个控制波长。波长解复用模块在输入端将每根光纤中各 波长分离出来，分离出的数据波长通过f d l 模块或直接连接到光交换模块。光 交换模块在s c u 的控制下将各数据波长的数据突发交换到相应的输出端口，整 个交换过程在光域内完成。分离出的控制波长连接到s c u 。s c u 的功能类似于 一个电路由器。控制分组进入s c u 后，首先经过o e 变成电信号，然后电控制 分组在转发器内完成路由查找，通过交换网络到达相应的输出端口。每个输出端 口都有一个分组调度器，它按照某种调度策略调度控制分组和与之相应的数据突 发，向光交换模块发出控制命令，配置与控制分组相应的数据突发的交换路径， 更新控制分组所携带的控制信息。最后更新后的控制分组在调度器的控制下发往 下一个结点。在结点输出端，波长复用器将输出的数据波长和控制波长复合，送 入相应的光纤。， 2 2o b s 中关键技术 2 2 1 资源预留协议 o b s 网络最大的特点在于b d p 与b c p 在时间和空间上的分离。时间上的分 离指的是b c p 的发送将比b d p 提前一个偏置时间。在b d p 发送之前，各个节 点已经根据b c p 提供的相关信息完成对资源的预留和交叉连接的建立。空间上 的分离指的是b c p 和b d p 将在相应的控制信道和数据信道中分别进行传输，即 采用带外信令的方式。由于目前的全光通信还无法实现，因此为了实现b d p 的 全光，高速，透明的传输，只有将所有b d p 对应的b c p 放在一个固定的信道， 即控制信道中进行传输，并通过对该信道的光电光转换和相应处理来实现数据 信道的资源预留【4 2 1 。也就是说，在o b s 网络中，b d p 与相应的b c p 不仅在相 互独立的不同信道上传输，而且边缘节点在发送b d p 之前，需提前一个偏置时 间先发送b c p 以实现资源预留。o b s 网络按照对突发的偏置时间设置的不同， 可以分别归入以下三大类： 1 0 江苏大学硕士学位论文 ( 1 1 ) t a g 协议 t a g 采用带外信令控制方式，类似于快速电路交换 4 4 】。在t a g 信令协议中， 源节点首先在控制信道上发送一个突发控制分组b c p 来预留带宽和配置交换结 构，过一段偏置时间后，在不需要收到带宽预留成功信号的情况下发送突发数据 分组。数据分组可以紧接着控制分组发送。此时，中间节点用固定长度的f d l 缓存突发数据，等待对控制分组的处理。在发送完数据后，源节点发送释放分组 ( r e l e a s ep a c k e t ) 来释放预留的线路带宽。另一种释放信道的方案是源节点定期发 送刷新分组以保持线路带宽。若刷新超时，预留的信道被自动释放。其中，j 协议是其典型代表。 j r r 协议由j o h ny w e i 和r a yi m c f a r l a n d 提出，该协议是光域中基于预留 有限周期( r e s e r v e a - l i m i t e d d u r a t i o n ，r l d ) 1 4 5 1 的突发交换控制协议。其工作原理 如图2 5 所示。 e d g e n o d e c o r e n o d e c o r e n o d e e d g e n o d e 一 量 o 图2 5j i t 资源预留协议图 从图中可以看出，当源边缘节点要传送突发数据时，首先向o b s 网络中的 核心节点发送一个“s e t u p 消息( 相当于突发控制分组) 。当第一个中间核心节 点收到该突发控制分组后，查询路由等信息，确定输出端口链路和可以使用的输 出波长信道，根据可能经过的中间核心节点数目来估计相应的信道建立时间，向 江苏大学硕士学位论文 源边缘节点返回一个包含初始估算延迟和输出波长两部分内容的“c a l l p r o c e e d i n g 消息，并将控制分组发往下一个节点。突发控制分组每经过一个中 间核心节点，都要对突发控制分组进行处理以及配置相应的带宽资源，直至到达 目的节点。目的节点收到突发控制分组后，返回一个“c o n n e c t 消息给源边缘 节点，告诉源边缘节点通路确实已经建立成功。源节点可以据此实现重发控制功 能。但源节点并不是等接收到“c o n n e c t ”消息才发送数据，而是在接收到“c a l l p r o c e e d i n g 消息并等待偏置时间后，发送相应的数据分组。源节点成功发送突 发数据后，发送一个“r e l e a s e ”消息，以释放本次连接。连接的释放过程可以由 源边缘节点发起，也可以由目的边缘节点发起。 此外，偏置时间也可以由边缘节点自己确定，从而消除请求应答时间。但 这种情况下，边缘节点需要知道整个网络的状况。由于路径长度不同，当源边缘 节点收到该“c o n n e c t ”时，很有可能突发数据已开始传送，因此，即使源边缘 节点收到“c o n n e c t ”消息时，也不能保证突发数据的成功传送。另外，若突发 数据较长的话，源节点还要发送一个“k e e pa l i v e 消息以维护整个光通路的状 态。 基于以上原理，使得j r r 在边缘节点和核心节点的实现都比较简单，对同步 的要求较低且能与线路交换兼容。它的不足是：独立的释放或刷新分组使t a g 方 案包含有额外的信令开销，带宽利用率较低，并存在因释放或刷新分组丢失而造 成的带宽不能释放或过早释放问题，造成资源长时间的闲置而不能被其它的突发 数据所使用，因此带宽利用率不高，且不支持w d m 层的区分服务。 ( 2 ) i b t 协议 i b t 协议采用带内标识控制方式，是在t a g 协议的基础上，在突发数据包 的尾部放置一个结束标识位，并利用它来实现预留资源的释放。在i b t 协议中， 每一个突发数据包的尾部都被增加了一个i b t 标识符，其建立连接的方式与t a g 类似。它同样利用提前发送的突发控制包( s e t u p ) 进行资源预留，然后不必等 待目的节点回复“c o n n e c t ”消息，在经过一个偏置时间之后直接将突发数据包 发送出去。由于在突发数据包的尾部设置了i b t 标识符，所以当网络中的各个节 点在进行突发数据的传输时，如果检测到该标识符，则表明该突发数据包已经传 输到下一个节点，因此本节点可以立即释放被预留的资源。这种方法消除了t a g 中释放分组与数据分组分离带来的问题。但基于i b t 的o b s 的主要缺点是必须 能够在光层识别i b t ，这在目前的条件下还很难做到。 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) r f d 协议 r f d 协议通过预留固定时间实现节点的自动控制。固定时间段的资源预留 是利用控制突发包中的两个重要信息：偏置时间和数据突发包的长度来实现的。 控制包将比突发包提前一个偏置时间从源节点发送出来。当中间节点收到控制包 后，读取其中的偏置时间信息和突发包长度信息，然后将其转发到下游节点。下 游节点再根据偏置时间和突发包长度计算交叉连接的建立时间和拆除时间，并写 入时间表以便在对应时间到达时进行相应的操作。j e t 协议是其典型代表。 19 9 7 年，m y u n g s i ly o o 和c h u n m i n gq i a o 提出了