（通信与信息系统专业论文）obs网络多节点协作竞争解决及避免方案研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着下一代光网络的深入研究，光突发交换( o b s ) 作为当前技术条件下系统可 实现的一种方案，结合了光电路交换( o c s ) 和光分组交换( o p s ) 的优势，同时避免了 二者不足，成为业界的研究热点。与此同时，高数据突发丢失率( b l 妁一直是o b s 网络面临的最大问题，也是其实用化面临的最大难题，而导致高b l r 的最主要原因 就是数据突发在核心节点发生竞争。本文介绍了当前比较受关注的数据突发竞争解 决及避免方案，针对这些传统方案大都由单个节点执行，各节点间不能交互资源利 用信息的缺点，本文探讨了从o b s 网络多节点协作角度出发来解决及避免数据突发 竞争的思想，具体的，研究了基于回退机制和基于探测一反馈机制的两种多节点协 作竞争解决及避免方案。另外本文在o p n e tm o d e l e r11 5 上建立仿真模型进行仿真 实验，并对仿真结果进行了讨论。仿真及分析结果表明：本文给出的o b s 网络多节 点协作数据突发竞争解决及避免方案，能在不降低网络吞吐量及明显增大数据突发 d b 端到端传输时延的基础上，有效地降低数据突发丢失率b l r 。 具体来讲，本文首先介绍了光突发交换网络的背景知识，包括其基本工作原理 和网络模型等；随后简要介绍了o b s 网络的几项关键技术，包括突发汇聚算法、控 制协议、资源调度机制等；之后重点介绍了几种现有的传统竞争解决方案，如f d l 光缓存、波长转换、分段丢弃及偏射路由等，并分析了它们各自的优缺点；最后在 此基础上，研究了基于回退机制和基于探测一反馈机制的多节点协作数据突发竞争 解决及避免方案，并通过计算机仿真实验评估其性能。 总体上看，本论文的主要贡献在于： 1 探讨了从o b s 网络多节点协作角度出发来解决及避免数据突发竞争的思想： 2 本文对回退竞争解决机制做了几点改进，具体包括改进核心节点结构，结合 数据突发优先级运用回退机制及新回退信道划分方法等，在此基础上研究了基于回 退机制的多节点协作数据突发竞争解决及避免方案，并通过仿真验证其性能； 3 本文研究了基于探测一反馈机制的多节点协作竞争解决及避免方案，包括改 进突发控制包b c p 使之成为具有探测功能的探测突发控制包p b c p 及改进核心节 点功能结构等，并通过仿真验证其性能。 关键词：光突发交换，数据突发竞争，竞争解决，多节点作协，回退机制 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e e pr e s e a r c ho nt h en e x tg e n e r a t i o no p t i c a ln e t w o r k , t h eo p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) t e c h n o l o g ya sar e a l i z a b l es c h e m e ，w h i c hc o m b i n e dt h e a d v a n t a g e so fo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) a n do p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) ，h a s b e c o m et h ep i v o ti nt h eo p t i c a li n t e r n e tf i e l d a tt h es a m et i m e ，t h eh i g hb u r s tl o s sr a t i o l r ) i st h eb i g g e s tp r o b l e mf o rt h eo p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gn e t w o r k s ( o b s n ) t h i s p a p e rs u m m a r i z e st h eo a u s e so ft h eb u r s tc o n t e n t i o na n dt h es e v e r a le x i s t i n gs o l u t i o n m e t h o d s ，a n a l y s e st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h o s ec o n t e n t i o nr e s o l u t i o na n d a v o i d a n c em e t h o d sa r em a i n l yi m p l e m e n t e db ys i n g l en o d e , t h ea d j o i nn o d e sc o u l dn o t e x c h a n g em e s s a g e sf o re a c ho t h e r , s ot h i sp a p e rp r o p o s e dt h ei d e ao fm u l t i n o d e c o o p e r a t i v eb u r s tc o n t e n t i o n r e s o l u t i o na n da v o i d a n c ef o r o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g n e t w o r k s ，f o rm o r ed e t a i l s ，i tr e s e a r c h e dt w om u l t i - n o d ec o o p e r a t i v em e c h a n i s m s ：t h e o n eb a s e do nt h eb a e k o f f - c h a n n e lc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ( b c c r ) m e c h a n i s m ，a n dt h e o t h e rb a s e do np r o b e f e e d b a c km e c h a n i s m o t h e r w i s e , i tu s e do p n e tm o d e l e r11 5t 0 s e tu pt h es i m u l a t i o np l a t f o r ma n da n a l y z e dt h er e s u l t s ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e dm e c h a n i s m sc o u l dd e c r e a s et h eb u r s tl o s sr a t e ，t h et h r o u g h p u to ft h eo b s n a n dt h ee n dt oe n dd e l a yo f t h ed a t ab u r s tc h a n g e di n c o n s p i c u o u s l y c o n c r e t e l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n do fo b s n ，i n c l u d i n gt h em o d e la n d p r i n c i p l ef i r s t l y ；t h e ni ti n t r o d u c e dt h es e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e so fo b s n ，i n c l u d i n g s i g n a l i n gp r o t o c o l s ，a s s e m b l i n gt e c h n o l o g i e s ，c h a n n e ls c h e d u l i n g ；a f t e rt h a ti td e e p l y r e s e a r c ho n ek e yt o c h n o l o g ya b o u to b s ，t h a t st h ec o n t e n t i o nr e s o l u t i o n , i n t r o d u c e dt h e s e v e r a lc o n t e n t i o nr e s o l u t i o nm e t h o d s ，s u c ha so p t i c a lb u f f e r s ( f d l ) ，w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n , s e g m e n td r o pa n dd e f l e c t i o nm u t i n ge r e ，a n a l y s e st h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s ；a n dt h e ni tr e s e a r c h e dt w om u l t i - n o d ec o o p e r a t i v ec o n t e n t i o nr e s o l u t i o n s c h e m e s ，a n db e s i d e st h es i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tt oe v a l u a t ei t sp e r f o r m a n c e o nt h ew h o l e ，t h ec o n t r i b u t i o n so f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 i tp r o p o s e dt h ei d e ao fm u l t i n o d ec o o p e r a t i v eb u r s tc o n t e n t i o nr e s o l u t i o na n d a v o i d a n c ef o ro b s n ； 2 t h i sp a p e ri m p r o v e dt h eb a c k o f f - c h a n n e lc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ( b c c r ) m e c h a n i s m ，i n c l u d i n gi m p r o v e dt h ec o r en o d es t r u c t u r ea n dn e wb a e k o f f c h a n n e lc o m p a r t m e n t a l i z em e t h o d ，a n dc o m b i n e dw i t ht h eb u r s tp r i 耐t y , t h e n 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t r e s e a r c h e dt h em u l t i n o d ec o o p e r a t i v es c h e m eb a s e do nt h eb c c r m e c h a n i s m s i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tt op r o v ei t sv a l i d i t y 3 。t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h em u l t i n o d ec o o p e r a t i v es c h e m eb a s e do na c t i v e l y p r o b e f e e d b a c km e c h a n i s m ，i n c l u d i n g t h ep r o b em e t h o da n di m p l e m e n t p r o c e s s e s ，p r o p o s e dt h ec o n c e p to fp - b c pa n dt h es t r u c t u r eo ft h ec o r en o d e s i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tt op r o v ei t sv a l i d i t 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 ( o b s ) ，b u r s tc o n t e n t i o n ，c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ， m u l t i n o d ec o o p e r a t i v em n c ) ，b a c k o f f - c h a n n e lc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ( b c c r ) u 1 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近几年随着w d m 【1 2 1 ，特别是d w d m 例技术的进步，光网络传输能力得到了 大幅度的提升，其单根光纤的最大传输速率2 0 0 7 年就已达2 5 6 t b p s ，而单波长的 传输能力早已突破4 0 g b p s 4 1 。然而目前网络节点( 包括交换机和路由器) 的路由交 换处理能力却没有同步提高。即使是目前最先进的t c r a b i t 路由器，其路由交换能 力与光网络传输能力的差距也达4 个数量级【5 】，因此，路由交换技术已成当前网络 的瓶颈环节。如何突破目前网络节点处理速率瓶颈、实现高效传送和交换业务数据， 这成了当前光网络亟需解决的核心技术问题之一。目前已提出了三种光交换技术， 即基于波长路由的光电路交换o c s ( o 砸c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 引、光分组交换o p s ( o p d c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) t n 和光突发交换o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) i s , g j 0 , n 】，它们 都试图实现全光交换和传送。 光电路交换o c s 就是光的波长路由交换方案，类似于传统电信网络中的电路交 换方式，是一种面向连接的交换技术，这种交换方式适用于高速率、高带宽，同时 业务保持时间比连接建立时间长的多的业务。但目前网络中的业务大都以突发性的 自相似业务为主，因此使得以波长为交换粒度的交换效率不高，同时受波长一致性 的限制，所能建立的光路较少，造成设备利用率低，影响网络吞吐量。另一方面， 受光路连接建立时间较长的影响：至少要等待一个端到端的往返时间r t r ( r o u n d - t r i pt i m e ) ，造成波长利用率比较低。 光分组交换o p s 的思想源自于电分组交换，其实质就是“存储转发 ，无需 事先建立连接，采用单向资源预约机制，以分组为交换单位的“细粒度 交换机制， 同时采用统计复用方式，可共享通信链路、带宽等资源，提高了资源利用率，适用 于突发性很强的自相似业务。但o p s 对光缓存器件以及光数字逻辑处理器件，特别 是光开关的要求很高( 纳秒级) ，目前很难达到这种要求。其它技术难题还包括光分 组头的全光处理和同步、光时钟提取与恢复等，这使得光分组交换真正实现并应用 还比较困难，还有相当长的路要走。 针对o c s 和o p s 的缺点，纽约州立大学b u f f a l o 分校的c h u n m i n gq i a o 博士等 人提出了光突发交换o b s 的概念。以介于波长和光分组之间的光突发( 呻吐c a lb u r s t ) 为粒度的o b s ，不但结合了o p s 和o c s 二者的优点，而且也克服了二者的不足 1 0 , 1 1 】，使其成为目前较为可行的光交换技术。一个光突发由突发控制分组b c p ( b u r s t 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 c o n t r o lp a c k e t ) 和数据突发d b ( d a t ab u r s t ) 两个部分组成，其中d b 由多个口分组、 a t m 信元等用户业务数据汇聚而成的一个超级数据块。b c p 先于d b 在单独的控 制信道上传输，经交换控制单元处理后，为随后到达的d b 预留一段时间的数据信 道资源，从而使得d b 不需光电光( o e o ) 转换而实现全光透明传输，并降低了对 光交换和光缓存等器件的要求，因此它是当前条件下最具技术优势和应用前景的一 种光交换技术，已引起了国内外众多研究机构的关注。 世界上已有许多发达国家开展了对光突发交换o b s 的研究，如欧洲a c t s 计 划的k e o p s 项目和r a c d 计划的a t m o s 项目、以及f p 6 下的s t o l a s 和 n o b e l 项目，美国d a r p a 支持的p o n d 、m o n e t 和c o r d 等项目，以及英国 支持的w a s p n e t 项目等。在国内，已有北京邮电大学、上海交通大学、北京大学、 电子科技大学、华中科技大学、东南大学、重庆邮电大学等多所高校，以及中科院 计算所等科研院所也开展了光突发交换领域的研究。 目前针对光突发交换o b s 的主要研究课题集中在以下几个方面：边缘路由器的 突发汇聚机制及o 凰e tt i m e 管理等；网络核心节点交换结构和控制管理、波长数 据信道的调度算法、o b s 层的q o s 支持和保障，以及以降低数据突发丢失率b l r ( b u r s tl o s sr a t i o ) 为目的的数据突发竞争解决及避免方案等。由于高数据突发丢失率 b l r 一直是o b s 网络面临的最大问题，而导致较高突发丢失率的最主要原因就是 数据突发在核心节点处发生竞争，因此以降低数据突发丢失率为目的的竞争解决及 避免方案研究是一直o b s 领域的重点问题，本文也正是就此领域展开研究。 1 2 研究意义 由于o b s 中采用单向资源预留机制，边缘节点在没有得到预留确认的情况下就 向核心节点发送数据突发包d b ，因此在核心节点处当多个数据突发包d b 同时到 达同一个输出端口，或者当一个包到达而另一个包还没有完成传输时，就会产生d b 竞争链路资源的情况，竞争结果是只有一个d b 能被正常交换，而其余的将发生冲 突，从而导致d b 丢失率和网络阻塞率上升，造成网络性能下降。 数据突发包d b 竞争会导致竞争的数据丢失，由于数据突发的统计概率很难预 测，因此如何降低因竞争而导致的数据突发丢失率就成为o b s 网络中需要解决的关 键问题之一。目前，解决及避免o b s 网络中突发包竞争的方法主要有如下几种眺l u j ： 1 减少竞争发生：用偏置时间设置技术，即在网络边缘节点处使b c p 与d b 之间的偏置时间随机化； 2 竞争发生后尽量消除：使用光缓存器、波长转换技术或采用偏射路由技术等； 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 3 如不能消除则尽量减小竞争造成的数据丢失：采用组合式突发包o c b s ( c o m p o s i t eb u r s ts w i t c h i n gs e g m e n t ) 或突发包分段b s ( b u r s ts e g m e n t ) 技术等。 从技术实现角度看，可以应用下面几种方式的一种或多种来解决d b 的竞争： 1 波长域：通过波长变换，将d b 转换到同一端口的不同波长上发送； 2 时间域：通过利用光缓存( 如光纤延迟线f d l 等) ，将发生竞争的d b 延时， 过段时间再次发送d b 。 3 空间域：运用偏射路由技术，将发生竞争的d b 发送到节点的空闲端口，沿 别的路由发送到目的节点。 如上所述，目前这些解决及避免数据突发竞争的几种主要方法大都是由单个节 点执行，多个节点之间不能交互信息，若在单个节点不能成功解决竞争则需丢弃相 应d b ，导致数据突发丢失率增大，降低了o b s 网络的性能。因此可以考虑从o b s 网络多节点协作角度出发来解决及避免数据突发之间的竞争问题，以提高成功率， 降低数据突发丢失率b l r 。本文的重点就是初步开展对o b s 网络多节点协作数据 突发竞争解决及避免方案的研究，主要工作是就基于回退机制和基于探测一反馈机 制的o b s 网络多节点协作数据突发竞争解决及避免方案展开研究。 1 3 论文组织结构 本文的主要内容包括以下几点： 1 介绍了光突发交换的背景知识，其中包括光突发交换的基本原理、网络结构、 边缘节点和核心节点的功能结构，以及其它几项关键技术； 2 介绍了几种传统的数据突发竞争解决方案，分析了它们各自的优缺点。 3 在分析现有竞争解决方案利弊的基础上，初步探讨了两种基于多节点协作的 o b s 网络数据突发竞争解决及避免方案，并通过计算机仿真评估其性能。 本文共分五章： 第章，绪论，主要介绍几种光交换技术，指出本文的研究背景、意义等； 第二章，光突发交换网络体系结构及关键技术，主要介绍光突发交换的基本原 理、交换控制协议、节点的功能结构以及几项关键技术，并重点介绍几种传统的竞 争解决方案，分析它们各自的优缺点。 第三章，基于回退机制的多节点协作数据突发竞争解决及避免方案，并通过计 算机仿真对其性能进行了了初步评估； 第四章，基于主动探测一反馈机制的数据突发竞争避免及解决方案； 第五章，结束语，总结全文，展望未来。 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系结构及关键技术 第二章光突发交换网络体系结构及关键技术 2 1o b s 网络基本结构及原理 2 1 1o b s 网络基本结构 图2 1 是一个o b s 网络的基本结构图12 1 3 1 。o b s 网络由处于网络边缘的边缘 节点边e n ( e d g en o d e ) 、位于网络中心的核心节点c n ( c o r en o d e ) 及w d m d w d m 链路等组成。其中边缘节点e n 主要负责接收来自各个接入网的数据，将其汇聚组 装成数据突发d b 及完成解汇聚等功能，核心节点c n 主要负责完成对数据突发d b 的调度、竞争解决及q o s 保障等工作，其详细节点结构及功能实现原理等详见下文。 图2 1 是一个o b s 网络的基本结构图 2 1 2o b s 网络实现原理 o b s 网络的工作原理及过程1 9 , 1 0 如下：网络入口边缘节点e n 接收来自接入网 的口分组、a t m 信元等数据包，按照其目的地址和服务等级等信息，对其进行分 类、缓存和封装，汇聚组装成数据突发包d b ( d a t ab u r s t ) ，并产生出相应的包含出 口地址、偏置时间、d b 大小和q o s 等信息的突发控制分组b c p ( b u r s tc o n t r o l p a c k e t ) ，提前于对应的d b 在分离的控制信道发送，发送到与之最邻近的核心节点 c n 。各个核心节点c n 根据b c p 的路由信息，对到达的d b 预留资源，完成交换 功能。在网络出口处，出口边缘节点e n 将d b 拆卸，发送到接入网或终端用户。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构及关键技术 通常，边缘节点可提供各种网络接口，使之可以完成各种协议类型的网络互联，一 般边缘节点都兼具入口路由器和出口路由器功能。 在o b s 网络中，有两种数据流和相应的两种传输信道。两种数据流是指包含 路由信息的突发控制分组b c p 和承载业务的数据突发d b ，d b 由若干数据包汇聚 而成，其长度是变长的，一般为1 5 k - 1 m 1 0 1 ，b c p 的长度要远小于d b 的长度，其 中含有突发长度、偏置时间、波长d 和路由信息等；两种传输信道是指，传输b c p 的控制信道组c c g ( c o n t r o lc h a n n dg r o u p ) 和传输d b 的数据信道组d c g ( d a t a c h a n n dg r o u p ) ，如图2 2 所示。 图2 2 控制分组和数据突发在o b s 网络中的传输示例 臣囫叽 一鼍卜玛 c o n t r o lc h a n n e l b c p lb 譬陀 il 十七； 卜一c l r 一孔：一 图2 3b c p 和d b 在w d m 链路上的传输 b c p 和d b 在时间上和空间上是分离的。时间上的分离指的是b c p 的发送比 d b 提前一个偏置时间；空间上的分离指的是d b 和b c p 将在相应的数据信道和控 制信道中分别进行传输，即采用带外信令控制方式。因此，o b s 网络可以看成两个 有联系的、相互覆盖的网络：一个是传输d b 的纯粹光网络，另一个传输b c p 的混 合控制网络。控制网络实质上就是一个分组交换网络，它根据b c p 中携带的相关信 息来控制数据突发d b 在光网络中的寻址和转发。b c p 和d b 的传输过程如上图2 3 所示：d 1 、d 2 是数据信道，c 是控制信道，时间向右。b c p 在专用的控制信道上 传输，时间上提前一个偏置时间( b c p i 提前t 1 ，b c p 2 提前他) ，数据突发包d b l 、 d b 2 在经过t 1 和1 2 的偏置时间后，分别在数据信道d 1 、d 2 上传输。 5 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构及关键技术 2 1 3 光突发单元b u r s t 格式 如前所述，在o b s 网络中，光突发单元b u r s t 分为两个部分：数据突发d b 和 突发控制分组b c p 。图2 4 是一种典型的数据突发d b 格式示例图，每个二层的数 据突发包都由有效负载( p a y l o a d ) 和帧头( h e a d 神组成【2 】。帧头包括负载类型 p d 、负载长度( p l ) 、包个数( n o p ) 和填充偏移( o f f s e t ) 。p t 表示d b 中数据包的格 式；p l 是以字节表示的负载长度；n o p 表示负载中的包个数：偏移表示填充的第 一个字节( 如果对于最小d b 长度有限制，那么就有可能会用到填充) 。一层的同步 模式( s y n c ) 用来同步出口边缘节点的光接收器；d b 前面和后面的安全带( g u a r d - b 、 g u a r d - e ) 的主要作用是克服不同节点间由时钟接收器带来的d b 到达时间和持续时 间的不确定性、不同波长上的延迟差别、d b 到达时间和光交换矩阵配置时隙的不 一致以及光矩阵配置时间的不确定性等，还可以包含性能监测和差错恢复等其它光 层信息( o l d 。 p - c k 靠ji l 鼻”r 3 m m 口脚n ，j 匾亚亚三 司l 忡a y 嗍e r 2 一，7 r 0 7 l , 7 l0 7 - r - ih ”r 。 l i ” 图2 4 数据突发d b 格式示例 lg 珏_ 睥bis y 扯l c 蚰删陬i e l lo l ilg 峨睡ei 一，一。 、 一一、 慝咐l 嘲l 驯l 酗哪l 裟l 耽lq o s d d r a d d r w a v e l e n g t h s i z e l o tr a t e l 饿| a ll 。i ii f 一一l a b e l 一一一： 图2 5 突发控制包b c p 格式示例 一种突发控制分组b c p 格式如上图2 5 所示，其中除了包含类似于传统包交换 网络的包头中所含的将数据突发逐跳转发到目的边缘节点所需的路由信息外，还包 括了偏置时间( o f f s e tt m a e ) 、数据突发大d 邙u r s ts i z e ) 、数据突发占用的端口波长信 道( p o r t r w a v c l c n g t h ) 、数据突发包发送的速率( b i tr a t e ) 和服务质量( o o s ) 等相关信息。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系结构及关键技术 2 2 光突发交换网络节点结构 如上一节所述，光突发交换网络中主要有2 类节点：边缘节点e n ( e d g en o d e ) 和核心节点c n ( c o r en o d e ) ，下面分别介绍其详细功能结构。 2 2 1 边缘节点功能结构 o b s 网络边缘节点连接着多个运行在o b s 网络链路层协议之上的子网络，是 其它各种网络( 如i p 网、以太网等) 的集合点和转换点。根据功能不同，边缘节点 可分为入口边缘节点和出口边缘节点，而实际上，通常所指的o b s 网络边缘节点都 兼具入口边缘节点和边缘节点二者功能，这样它不但可以将各种来自接入网络的数 据包汇聚发送到o b s 核心网络中，同时也可以将来自o b s 核心网络的d b 解汇聚， 发往各个目的网络或终端设备。 边缘节点的核心部件是边缘路由器。按照功能不同，边缘路由器的基本功能结 构分为两部分：发送部分和接收部纠1 2 1 ，分别如图2 6 和图2 7 所示。发送部分对 应于入口节点的边缘路由器的功能，而接收部分则对应于出口节点的边缘路由器的 功能。 ll i n e c a r d ( r ) 卜 b u r s t 叫s c h e d u l 嚣卜1 啼 a s s e m b l e r s w i t c h 呻 b u r s t 叫鼢e a 出钉h 黼j ll i n e c a r d ( r ) 卜 a s s e m b l e r 图2 6 边缘节点功能结构( 发送部分) 到墨h 品既陋丹 跹p h 盯j !i s w i t c h 刮虽b u r s t 睡丹 b c p 黜：o c i v c r 卜j 图2 7 边缘节点功能结构( 接收部分) 入口边缘路由器的基本功能包括： 1 分类和缓存数据包； 7 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构及关键技术 2 将发往同一出口边缘路由器、相同服务等级的数据汇聚组装成数据突发； 3 插入在宿节点提取m 包所需要的信息； 4 在光网络中数据包传输预留需要的资源； 5 在网络中转发数据突发。 相应的，出口边缘路由器的主要功能是将数据突发解汇聚，提取出其中的m 分组、a t m 信元等数据包并将它们转发至目的网络或终端用户。 2 2 2 核心节点功能结构 o b s 网络中核心节点的功能有：一般的b c p 处理、偏置时间的管理、数据信 道调度、路由以及d b 交换等。 图2 8 是一种核心节点的功能结构图【1 4 1 ，它主要由光交换矩阵o s m ( o p t i c a t s w i t c h i n gm a t r i x ) 、交换控制单元s c u ( s w i t c hc o n t r o lu n i 0 、输入f d l s ( i n p u tf d l s ) 以及路由信令处理器( r o u t i n g & s i g n a l i n gp r o c e s s o r ) 等组成，各部分的主要功能如下。 图2 8o b s 核心节点功能结构 1 信道映射( c h a n n o lm a p p i n g ) ，将来自物理光纤波长的信道在逻辑上解耦合； 2 输入f d l ( 可有可无，根据需求决定是否配置) ，用于将到达的部分d b 延 迟一定时间，使交换控制单元( s c u ) 有足够时间处理其对应的b c p ： 3 f d l 光缓存( f d lb u f f e r ) ，主要用于在出口数据信道组d c g a t ac h a n n e l g r o u p ) 缓存发生竞争的d b ，在时间域解决d b 竞争； 4 光交换矩阵o s m ( 叫c a ls w i t c h i n gm a t r i x ) ：接受控制指令，调整光开关及 波长转换器，将d b 交换到相应的输出端口，对光交换矩阵具体构造的研究 可以参考o p s 系统交换矩阵的方案； 5 路由信令处理器( r o u t i n g & s i g n a l i n gp r o c e s s o r ) ，为o b s 网络选择路由及运 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构及关键技术 行控制协议等，生成并维持一个路由表，同时为s c u 计算转发表； 6 交换控制单元s c u ( s w i t c hc o n t r o lu n i 0 ，是整个核心节点的关键单元，其 主要分组处理器p p ( p a c k e tp r o c e s s o r ) 、转发器( f o r w a r d e r ) 、调度器 ( s c h e d u l e r ) 、控制分组传输模块( b c p t xm o d u l e ) 、输出端口处理器等模块构 成，主要功能是首先对b c p 进行光电转换，然后再对其进行信息处理、交 换和调度，并发出控制指令控制交换矩阵做出相应的调整，改写偏置时间信 息以再生b c p ，最后进行光电转换，通过控制信道发送到下一节点。 2 3o b s 网络几种关键技术 光突发交换网络o b s 涉及到的关键技术数据突发汇聚算法，交换控制协议、资 源调度机制、竞争解决机制、q o s 解决方案、路由技术以及网络管理等，下文就其 中的数据突发汇聚算法、控制协议、资源调度机制以及数据突发竞争解决方案做重 点介绍。 2 3 i 数据突发汇聚算法 数据突发汇聚( b 璐ta 豁咖b l y ) 算法【1 5 ，1 旬是o b s 网络中的一项关键技术。在o b s 网络的人口边缘节点，将来自各个接入网络( 如球网、a t m 网、以太网等) 的多个 客户数据包，按照其目的地址、服务等级等信息，汇聚组装成一个大的数据突发包 d b ，然后送往o b s 核心网络中传送，从而可有效地降低o b s 核心网络在光层上的 交换负担和开销，并实现高速o b s 核心网络和低速客户接入网络的速率适配。 组_ j l 列队 ， k 刺庸量 分，尺| 一一一 、 - 类纩 】 卜 0 】b s 棱心 器i 同络 、- 一、 i ： 一一 i 边缘节点： 图2 9 带有组装队列的o b s 边缘节点一般模型 一种带有组装队列的o b s 边缘节点一般模型如上图2 9 所示，其主要由分类器， 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系结构及关键技术 多个组装队列，一个先入先出( f i f o ) 调度器等部件组成。来自接入网的m 分组等 数据包到达o b s 网络边缘节点后，首先根据目的地址、服务等级和q o s 要求等信 息在分类器中进行分类，并被送人相应的组装队列中缓存( 电域) ，若有n 个出口 边缘节点，则入口边缘节点中需要n 个组装队列来缓存到达的数据包。同时，如果 业务分为m 个q o s 级别，那么每个组装队列相应地分成m 个子队列分别存储不同 q o s 级别的业务。此后，组装队列采用某种汇聚机制组装生成数据突发，最后，生 成的数据突发被先入先出( f i f o ) 调度器，调度送入o b s 核心网络中传输。在通过 o b s 核心网络后，最后在出口边缘节点被拆装成原始的口包等数据。 常见的数据突发汇聚机制有以下几种【l o 】： 1 基于固定汇聚时间f a p ( f i x e da s s e m b l yp e r i o d ) ，当最大汇聚时延达到一 定时间后，就产生一个d b ； 2 基于固定d b 长度f a s ( f i x e da s s e m b l ys i z c ) ，当d b 长度达到某一个大小 时，就产生一个d b ； 3 同时考虑到汇聚时间和汇聚长度m s m a p ( m a xb u r s t = s i z em a xa s s e m b l y p m o d ) ，当汇聚时间达到允许的最大时间或是汇聚长度达到汇聚门限时，汇 聚完成产生d b 。 在这三种汇聚机制中，基于时间门限组装机制和混合门限组装机制能降低业务 的自相似性，而基于长度门限组装机制能使突发大小分布更为集中。数据突发大小 分布不仅与组装算法有关，而且与输入业务流的包长分布等因素相关。 2 3 2o b s 网络控制协议 资源预留协议【1 7 1 也是o b s 网络的关键技术之一。o b s 网络中，边缘节点按照 一定汇聚机制，完成d b 的组装，产生d b 及相应b c p ，并将它们发送到核心网络 中。d b 如何在o b s 网络中实现高速、全光、透明传输，通信路径上的资源预留问 题如何解决，怎样高效协调d b 与b c p ，都是光突发交换网络控制协议需要解决的 问题。 光网络中用于光突发交换的传输控制技术主要有以下三种【1 0 】： 1 t a g ( t e l l - a n d g o ) 协议，采用带外信令控制方式； 2 i b t ( i n - b a n d - t c r m i n a t o r ) 协议，采用带内标识控制方式； 3 r f d ( r e s e r v e - a - f i x e d - d u r a t i o n ) 协议，通过预留固定时间实现节点自动控制。 如上所述，这三种传输控制协议不同之处就在于预留和释放资源机制不同。t a g 和i b t 已经在电信号领域中有很多的研究，r f d 则是针对光突发交换网络的特点而 提出的。在对o b s 网络控制协议的研究中，由于i b t 协议对硬件处理能力的要求 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系结构及关键技术 较高，实现较为困难，所以目前的研究重点主要集中在t a g 和r f d 协议上，n t 0 u s t i nt i m e ) e 1 羽协议和j e t ( j u s te n o u g ht a n e ) e 19 】协议分别是t a g 和r f d 协议中的典型代 表，与j 1 1 协议相比，j e t 协议因具有更具优势而得到广泛应用，下面重点介绍j e t 协议。 j e t 协议在d b 和b c p 之间预留足够的时间，使得中间节点能够在d b 到达之 前及时处理b c p ，并成功预留带宽资源。j e t 协议有2 个特点：偏置时间和延迟预 留。 图2 1 0 ( a ) 所示为j e t 协议的基本原理。首先，d b 汇聚完成后，源节点通过控 制信道发送相应b c p 到宿节点，该b c p 依次经过其路径上的各个核心节点，为其 对应d b 预留数据信道资源，为其建立一条全光通路，从而实现透明传输。这其中 偏置时间的选取很重要，如果偏置时间设置太短，可能b c p 来不及预留资源相应 d b 就己到达；如果偏置设置时间太长则会降低资源利用率，同时增加端到端时延。 sl2ns12n b c p r d b b c p r d b ( - )i b ， 图2 1 0 使用j e t 协议的o b s 下面简要介绍j e t 中如何设置偏置时间，假设在每个节点处理b c p 、预留带宽 和配置交换机的时间是，忽略接收和传输b c i 的时间。 以图2 1 0 ( a ) 为例，在基于j e t 的o b s 协议中，可以选择偏置时间z = 日， 保证每个节点在d b 到来之前有足够的时间处理b c p 。可以把粗略地看成两个部 分：艿表示处理b c p 及其它初始化操作( 如配置交换) 的时间，而s = a 一万是完成 其它操作所需要的时间。在j e t 中，突发控制包b c p 在中间节点花费万时间单元后 就立刻发往下一跳节点，换句话说，就是比数据突发包早s 时间。这就有效地使交 换设置时间和b c p 传输到下一跳( 或者被处理) 的时间重叠了起来。这样偏置时间 变为t = 万事h + s ，延迟变为3 p + r 。 j e t 协议的一个重要特点是延迟预留。延迟预留，就是b c p 在核心节点预留数 据信道资源的时候，不是从到达那一刻起就开始顸留，而是延迟一段时间，这样可 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构及关键技术 以提高资源利用率。 图2 1 l 延迟预留机制 如图2 1 1 所示，采用延迟预留机制，b c p 为d b 预留从t s 至t s + l 时间段的信道 资源，而不是从乞时刻开始预留；若节点i 采用j n 协议，则需从乙时刻开始预留 资源的。从资源释放角度看，j e t 协议根据d b 的长度自动释放，即在图中t s + l 时 刻资源释放：若使用j 兀协议，要在收到r e l e a s e 消息或定时器超时释放资源， 即厶时刻。相对于j r r 协议，采用j e t 协议不仅能减少数据突发资源占用时间，提 高系统资源利用率，同时也减小了d b 发生竞争的可能性，进而降低丢包率提升系 统性能。 2 3 3o b s 网络资源调度机制 与光路交换和光分组交换相比，光突发交换的显著优点是具有中等交换粒度， 从不同源端到不同数据突发d b 可利用统计复用的方式，有效利用信道带宽、提高 网络资源的利用率。为充分发挥光突发交换网络的优势，资源调度机制是必须考虑 的问题。资源调度机制是光突发交换网络