（光学工程专业论文）光突发网络中的竞争解析研究.pdf

哈尔滨j 军人学硕十学忙论文 摘要 近年来，随着i n t e r n e t 的快速发展，网络流量呈爆炸式增长，对网络 带宽需求不断扩大，促使人们加快对全光传送网络的研究。目前实现业务 的全光传送主要有光电路交换( 0 c s ) 、光分组交换( o p s ) 和光突发交换( o b s ) 三种方式。o b s 的提出，汲取了o c s 和o p s 的优点，同时避免它们的不足， 是目前光传送网最有竞争力的实现方式之一。在光突发交换中，突发数据 在中间节点不须经过光电转换，而目前的技术还无法在光域提供大容量存 储，一旦发生数据竞争，就会导致数据大量的丢失，因此必须采用某种竞 争解决机制来解决。 比较典型的解决数据突发竞争问题的方案有光缓存、波长变换、重传、 突发分片和偏射路由。但光缓存和重传会增加额外延时；波长变换价格昂 贵；突发分片技术复杂，因此现阶段偏射路出舅法是有效地解决突发竞争、 提高网络性能的一种重要措施，但通过分析发现，在网络负载比较高的时 候它可能会导致突发的丢失率上升。 因此本文首先对偏射路由和重传这两种竞争解决机制进行研究，然后针 对偏射路由和重传的优、缺点提出了结合的二者优点的竞争控制机制 混合条件偏射路由和重传算法。这种算法根据定义的选择条件，有条件的 偏射或重传，以保证网络中突发的q o s ，并改善网络的一些性能。最后通过 仿真实验表明我们所提出的算法可以很好地控制偏射和重传突发对网络性 能的影响，并有效的提高整个网络的突发丢失性能和延迟性能。 关键词：光突发交换；偏射路由算法；重传；竞争控制 哈尔滨r 稃大学硕十学仲论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s w i mt h ef a s td e v e l o p m e n to fi n t e r a c t , n e t w o r kt r a f f i c i n c r e a s e sr a p i d l y t h et r e m e n d o u sd e m a n d so nc a p a c i t yo ft r a n s m i s s i o na n d s w i t c h i n gh a v eu r g e dp e o p l et oe n g a g ei nt h er e s e a r c ho fw d m a n do p t i c a l s w i t c h i n gt e c h n o l o g y p r e s e n t l yt h e r ea r et h r e ek i n d so f t e c h n o l o g yt or e a l i z ea n o p t i c a lt r a n s m i s s i o n ：o p t i c a l c i r c u i t s w i t c h i n g ( o c s ) ，o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ( o p s ) a n do p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) o b sc o m b i n e st h ev i r t u e so f o p t i c a lc i r c u i ts w i s h i n ga n dp a c k e ts w i t c h i n gw h i l ea v o i d i n gt h e i rs h o r t c o m i n g s ， w h i c hi so n eo ft h eb e s tw a yt or e a l i z ea l lo p t i c a lt r a n s m i s s i o n t or e d u c ed b ( d a t ab u r s t ) d r o p p i n gp r o b a b i l i t y , t h ec o n t e n t i o nr e s o l u t i o n s c h e m ei sn e c e s s a r yf o ra no b sn e t w o r k s o p t i c a lb u f f e r i n g ，w a v e l e n g t h c o n v e r s i o n , b u r s tr e t r a n s m i s s i o n , b u n ts e g m e n t a t i o na n dd e f l e c t i o n r o u t i n ga 舱t y p i c a lt e c h n o l o g i e sw h i c hc a nb eu s e di no b s t or e s o l v ec o n t e n t i o n 0 p 廿c a lb u f f e r i n g a n dr e t r a n s m i s s i o nw i l li n c r e a s ee n d - t o e n dd e l a y ；t h e w a v e l e n g t hc o n v e r s i o ni sag o o dm e c h a n i s m ，b mt h ec o s to ft h ew a v e l e n g t h c o n v e r s i o ni st o oe x p e n s i v e ；t h eb u r s ts e g m e n t a t i o nc a nr e d u c et h el o s so ft h e d b ，h o w e v e lt h ei m p l e m e n to fb u r s ts e g m e n t a t i o ni sc o m p l e xa n dd i f f i c u l t ；s o t h ed e f l e c t i o nr o u t i n gp r o t o c o li sa ne f f e c t i v ec o n t e n t i o nr e s o l u t i o ni no p t i c a l b u r s ts w i t c h i n gn e t w o r ka tp r e s e n tt i m e h o w e v e r , hw i l ll e a dt oh i g hl o s so f t h en o r m a l r a f f l eo nr e f l e c t e dr o u t i n gw h e nt h et r a f f i cl o a di sl a r g e t w ok i n d so fc o n t e n t i o nr e s o l u t i o ns c h e m e si n c l u d i n gd e f l e c t i n gr o u t i n g a n db u r s tr e t r a n s m i s s i o n ，i ss t u d i e di nt h i sp a p e r f u r t h e r m o r e ，an e wc o n t e n t i o n c o n t r o l s c h e m e - h y b r i da l g o r i t h mc o n s i d e r i n g d e f l e c t i o nr o u t i n ga n d r e t r a n s m i s s i o n , i sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fa b o v es c h e m e s a c c o r d i n gt oc e r t a i np r e d e f i n e dc h e c k i n gc o n d i t i o n , t h e a l g o r i t h m m a k et h e o p e r a t i o n a sr e t r a n s m i s s i o no r d e f l e c t i n gr o u t i n g e o n d i t i o n a l l y i no r d e rt og u a r a n t e et h eq o so f d a t ab u r s ta sw e l la si m p r o v i n g n e t w o r kp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a l l 哈尔滨t i 稗大学硕七学侍论文 e f f i c i e n t l ye o n t r o lt h ec o n t e n t i o ne f f e c to nn e t w o r k , ，a n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h e b u r s tl o s sp e r f o r m a n c eo f e n t i r en e t w o r k s 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 ；d e f l e c t i o nr o u t i n ga l g o r i t h m ；b u r s t r e t r a n s m i s s i o mc o n t e n t i o nc o n t r o i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已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。 作者( 签字) ： 嗍砂月仃日 哈尔滨1 = 群大学硕十学付论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来网络中的业务量呈爆炸式增长，比如：宽带视频、多媒体等业务 的日益兴起，对广域骨干网的带宽提出了越来越高的要求。在这样的一个形 势下，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 ) 技术被广泛采用。 w d m 技术可以充分利用光纤的低损耗带宽，在一根光纤中的不同波长上异 步、高速传输多种格式的信号。w d m 技术以它的传输容量大，对高层协议 和技术适应性强，以及易于扩展等优点而备受青睐。因此，采用波长分配和 路由选择的w d m 光传送网被认为是下一代高速广域骨干网的最具竞争力的 候选者【l 】。 针对不同的通信模式，人们对w d m 光网络中的全光交换与传输提出了 三种方案：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 ) ，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 ) ，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 ) 。光电 路交换是基于光波长路由的交换，目前研究较多，相对比较成熟，但是交换 粒度较大，链路建立延时较长，链路利用率低，不适合突发业务：同时由于 光信息处理技术还不成熟，缺乏高速光逻辑器件、光缓冲存储器等，光分组 交换实现不易，目前还处于研究阶段。光突发交换是一种折中的方案，它结 合了光分组交换和光电路交换的优点，又克服了它们各自的缺点，是目前光 传送网中最有竞争力的实现方案之一【2 1 1 5 1 。 在o b s 中由于数据是以超长包用直通的形式通过网络，在目前无法在光 域提供大容量存储的情况下，一旦在网络中的某个节点发生数据竞争，将会 有大量数据丢失，因此如何解决数据突发的竞争问题成为o b s 技术中的项 非常重要的技术。比较典型的解决数据突发竞争问题的方案有光缓存、波长 变换、突发分段和偏射路由1 4 】。光缓存虽然技术简单但需要大量光纤延时线 ( f d l ) ，而且增加了额外的端到端延时；波长变换是最有潜力的方案之一， 但价格昂贵；突发分片可以降低数据突发的丢失率但技术复杂，而且需要增 哈尔滨工程大学硕士学位论文 加线路开销。偏射路由是指当两个或多个相同等级的突发数据在同一节点发 生竞争时，其中先到的一个突发按照以前预定的路由进行发送，而其它后到 突发则向另外的节点转发，从而避免与先到突发发生竞争而丢弃。本文正 是基于突发竞争问题展开研究的。 1 2 下一代光网络发展趋势 随着i n t e r n e t 的发展，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。波分复用( 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 ，w d m ) 是目前提高光 纤传送带宽的最有效的方法，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长 的光载波的特点，把光纤可用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作 个独立的信道传输一种特定波长的光信号。这些信号可能是a 1 m ， s o n e t s d h 或者是i p 数据流，典型的w d m 系统有4 或者1 6 个信道，如果超过 4 0 个信道，就称为密集波分复用( d e n s ew d m ，d w d m ) 。目前由于密集波 分复用技术日趋成熟，t b i t s 量级甚至更高容量的传输网络已经初步形成，这 使得传统的通信网络无论从业务量设计、容量安排、组网方式，还是交换方 式都已经无法适应这一新的发展趋势。例如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。 为了提高网络的交换能力，人们提出了i po v e l a t m 、i po v e gs d h 、i po v e r w d m 3 1 州等光网络结构。 甲甲 藤黔弩嘲 。，, a t m+ 。 。旷? 甏黪翁澎辫蘩溺r ，w d m ( o p t t a l ) ， 黪黪繁豫辫缀秒 s d h ( s o n e i ) ， u 翻翳缀麓戮燃滚缈 。w d m ( o p m a l l 图1 i 三种光网络结构 2 争 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 1i po v e ra t m i po v e ra t m ( 图1 1 ( a ) ) 的基本原理和工作方式为：将口数据包在a t m 层全部封装为a t m 信元，以a t m 信元的形式在信道中传输。当网络中的交换 机接收到一个i p 数据包时，它首先根据i p 数据包的i p 地址通过某种机制进行 路由地址处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在a t m 网上建立虚电路 ( v c ) 。以后的i p 数据包将在此虚电路上以直通( c u t - - t h r o u g h ) 方式传输 到下一跳路由器，从而有效地解决了i p 路由器的瓶颈问题，并将讲分组的转 发速度提高到交换速度。a t m 的信道统计复用功能使其支持多业务传输，因 此能够将不同的通信网络融为一体。a t m 网支持恒定比特率c b r 、可变化特 率v b r 、可用比特率a b r 、非限定比特率u b r 等不同的服务类型，a t m 标准 定义了各种质量描述参数，如信元传输时延c t d 、信元丢失比率c l r 、信元 错误比率c e r 等以满足不同业务对服务质量( q o s ) 的要求，i p 与a t m 的结合可 以为视频业务和宽带多媒体应用提供良好的q o s 。另外a t m 建立虚连接的传 输方式可以将i p 分组以直通方式传输，有效地解决了路由器的瓶颈问题，并 提高了传输的可靠性。a t m 技术具有完备的标准和手段进行流量控制，使网 络资源得到充分利用。 a t m 技术的优势在于丰富的q o s 级别和具有良好的流量控制能力以及故 障恢复能力，网络可靠性高，但是当传输信道容量很大的时候，链路出现阻 塞的概率极大，端到端的q o s 和复杂的阻塞控制可能并不是必要的。而且在 考虑i p 分组长度可变的情况下，a r m 封装机制加在i p 分组上的平均开销大约 为2 5 ，这对很多i s p 来说是难以接受的。另外，由于a t m 本身技术复杂，导 致管理复杂。 1 2 2i po v e rs d i i po v e rs d h ( 图1 1 ( b ) ) 以s d h 网络作为口数据网络的物理传输网络。 s d h 网的主要特点是同步复用，并在标准光接口处具有强大的网管功能。d o v e rs d h 这种方式以s d h 网络作为i p 分组的物理传输网，通过将i p 分组插入 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p p p 帧的信息段，再由s d h 通道层的业务适配器把封装后的i p 数据包映射到 s d h 的同步净荷中，经过s d h 传输层和段层，加上相应的开销，把净荷装入 一个s d h 帧中，最后到达光层，在光纤中传输。s d h 帧结构中安排了丰富的 开销比特，因而使网络的管理与维护能力大大加强。另外网络的同步分插能 力可以实现自愈环形结构，可使电路出现故障时，业务在几十毫秒内迅速恢 复，因此s d h 网具有很强的生存力。但是i p o v e t s d h 技术的网络阻塞控制能 力较弱，不能提供良好的服务质量保证；且s d h 链路带宽是独占不能共享的， 虽然网络安全性很高，但是降低了链路的利用率。另外，s o n e t s d h 在提供 可靠传输和快速恢复能力的同时也增加了设备的复杂度，同时带来了网络管 理上的复杂度。 1 2 3f po v e rw d m i p o v e r w d m ( 图1 i ( c ) ) 直接在光层传输i p 分组，中间不经过a 1 3 v 层和 s o n e t s d h 层，因此传输效率高，额外开销低，简化了网络管理，并可与i p 的不对称业务量特性相匹配，充分利用带宽，大大节省网络运营商的成本， 是一个真正链路层数据网。i po v e rw d m 系统中，各个节点均装有光交叉连 接设备( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t ，o x c ) 或光分插复用器( o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e r s ，o a d m ) ，从而可以实现直通光路，减轻路由器的处理负担。 通过适当配置o x c 的交叉连接状态，任何一个路由器均可与网内任何其 他路由器的任何端口相连，从而实现路由器之间相邻关系的任意配置。m 网 络和光网络的控制平面的结合可以是松散的，也可以是紧密的，根据i p 层与 w d m 层之间的相互作用关系，这类系统可分为重叠网络( 光域和电域使用不 同的控制平面，两个控制平面相互独立，优点是简单，容易在短期内实现， 缺点是需要在光网络上建立和管理毋路由相邻关系) 、对等网络( 将i p 网络和 光网络看作是个集成的网络，优点是实现球和光的无缝连接；缺点是需要 定制能够被路由器识别的光网络的路由协议) 和混合网络( p 域和光域的路 由是分开的，但是可以通过一些特殊的路由实体如边缘路由器在两个域间交 换部分路由信息。m 域和光域分别运行各自的路由协议，但是可以将一个域 的路由信息传递给另外一个域) 嘲。 4 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 在以上三种光网络模型中，i p o v e r w d m 是最直接、最简单、最经济的i p 网络体系结构，被认为是下一代互联网体系结构中最有前途的解决方案。 1 3 光网络交换技术概述 随着通信网络逐渐向全光平台发展，光交换技术能够保证网络的可靠性 和提供灵活的路由平台，尽管现有的通信系统都采用电路交换技术，但未来 的全光网络却需要由纯光交换技术来完成信号路由功能以实现网络的高速率 和协议的透明性。光交换技术为进入节点的高速信息流提供动态光处理，仅 将属于该节点及其子网的信息上下路并交由电交换设备继续处理，这样具有 以下几个优点：( 1 ) 可以克服电域交换的容量瓶颈问题；( 2 ) 大量节省建网 和网络升级成本；( 3 ) 大大提高网络的重构灵活性和生存性，以及加快网络 的恢复时间。 光交换技术作为实现全光通信的一种关键技术，它直接在光域将输入信 号交换到不同的输出端。与电域交换相比，光交换无需在交换机输入输出端 进行光电( o e ) 和电光( e o ) 变换，能够充分发挥光信号的高速、宽带 的优点。光交换技术将光传输技术与交换技术融合在一起，在中间节点对数 据进行全光交换，提高了数据的交换速率，解决了以往交换机中数据交换速 率低的瓶颈问题，使得网络的高速、全光传输得以实现。 光交换技术可以分为光电路交换技术和分组交换技术二种类型。光电路 交换技术可以利用光分插复用器、光交叉连接设备等来实现；而分组交换对 光器件的性能要求较高，由于目前光处理技术的不成熟，光逻辑器件功能比 较简单，无法实现控制部分复杂的逻辑处理功能，因而目前的分组交换，控 制部分还需要电信号的处理，即电控光交换。随着光器件技术的发展，光交 换技术的最终目标是实现从控制到数据的光交换，即真正意义上的全光分组 交换。光分组交换涉及的关键技术主要包括：光分组交换( o p s ) 技术、光突发 交换( o b s ) 技术等。这些技术目前主要是在实验室内进行研究与功能实现； 该技术能够使用户与用户之间的信号传输与交换全部采用光波技术，即数据 从源节点到目的节点的传输过程都在光域内进行。 哈尔滨t 挥大学硕十学位论文 1 3 1 光电路交换 光电路交换( o c s ) 【6 l 技术中，源节点和目的节点之间的光通道通过带有光 w d m 交叉连接的节点设备来建立。每一个波长路由器在任意时刻的输出波 长由输入波长携带的信号唯一决定。因此光电路交换是一种电路交换形式。 事实上，基于分布式信令，建立光路需双向预留，因此在源节点需发送一个 控制包预留资源，然后在发送数据之前等待回送响应消息。 对于光电路交换，它以波长路由的方式出现，w d m 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) ，在中 间节点无需光缓存。它是目前一种较好的技术方案。光电路交换是采用基于 类似t e l l a n d - w a i t 或者a t m 网络中的具有延迟传输特性的块传输( a b t - d t ： a t mb l o c kt r a n s f e rw 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 出连接建立请求的控制分组，当有确认消息后再发送数据，数据经过网络中 间节点可以通过直通( c u t - t h r o u g h ) 的方式传输。因此数据的传输需要等待 一个端到端的往返时间( r o u n d - t r i pt i m e ) ，这种交换机制特别适合需要高速、 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。但是从连 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，来自不同 入口节点或到不同出口节点的流量不能统计共享光通道带宽，不能被其他数 据业务所共享，对于突发业务，这种交换机制将导致极低的带宽利用率：由 于i n t e m e t 网络中业务大多是突发性的自相似业务，因此在业务节点对间提 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个光路，对于某些节点间的业务不可能建立端到端的光 通路；网络中的负载不平衡也使得不同时刻流量的大小也不一样。 1 3 2 光分组交换 随着数据业务的爆炸式增长，光分组交换( o p s ) f 7 】 s l 技术越来越受到人 们的重视，光分组交换技术具有传输容量大，传输速度高的优点，这促进了 电传送网向光传送网的发展。光分组交换可以看作是电分组交换在光域的应 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用，交换单位是高速传输的光分组，光分组交换是面向非连接的“存储一转发” 方式，无需建立实际的物理链路。但由于光逻辑器件的不成熟，真正的全光 分组交换实现起来还有一定困难，目前一般使用光延迟纤( f d l ) 作为缓存， 但它缺乏足够的灵活性和精度，目前通行的做法是采用光电混合的办法来实 现光分组交换，即传输和交换在光域完成，而控制信号在交换节点被转换成 电信号后处理。 o p s 是一种细粒度的交换方式，连接建立时延短，带宽利用率高，灵活 性好，但实现起来有一定难度。采用o p s 能避开电交换的瓶颈，并能提供与 w d m 传输能力相匹配的光交换能力，从长远来看，o p s 是一种很有前途的 技术。 1 3 3 光突发交换 人们提出光分组交换是希望能实现全光的分组交换，进而能完成光的比 特级交换，实现真正意义上的i po v e rw d m 传送结构。然而，由于目前光逻 辑器件尚不成熟，光分组交换的控制部分仍然需要在电域完成，仍然存在电 子器件处理速度的限制。而光电路交换交换粒度过大，信道利用率较低，连 接建立延时也较大。 针对光电路交换和光分组交换的不足，c h u n m i n gq i a o t g l 【1 0 】和y i i u i l x i o n g 1 1 】等人分别提出光突发交换技术( o b s ) ，在o b s 中，突发由具有相同 出口边缘路由器地址和相同的q o s 要求的m 分组组成，突发是光突发交换 网中的基本交换单位。突发数据和控制分组在物理信道上分离传输，每个控 制分组对应一个突发数据。控制分组长度较之于净荷长度要短得多，在节点 内控制分组经过光电光的变换和电处理，而突发数据从源节点到目的节点始 终在光域内。光突发交换包括核心节点( 核心路由器) 和边缘节点( 边缘路 由器) 两种节点，边缘路由器负责数据汇聚，将接入网中的用户分组数据封 装成突发数据，或进行反向的拆封工作；核心路由器完成突发数据的转发与 交换。 光突发交换与光电路交换和光分组交换相比，具有以下特点： ( 1 ) 光突发交换结合了光电路交换和光分组交换的优点，交换粒度介于 7 哈尔滨。稃大学硕卜学位论文 两者之间，提供可变长度的突发流量( 可以是一个分组或者多个分组不等) 。 ( 2 ) 使用带外信令控制机制。实行突发数据分组和控制分组分离的异步 传输交换机制。 ( 3 ) 单向预留机制。使用t a g ( t e l l a n d g o ) 或者a b t i t ( a t mb l o c k t r a n s f e rw i t hi m m e d i a t et r a n s m i s s i o n ) 类似协议，突发数据分组( 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，减小端到端时延。 ( 4 ) o f f s e t - t i m e 机制，突发数据在控制分组发出一个o f f s e tt i m e 后发出。 ( 5 ) 控制分组在网络中间节点需进行光电转换，在电域处理后再进行电 光转换。数据分组以直通( c u t - t h r o u g h ) 的方式经过中间节点完成端到端的 透明传输。网络中间节点不需要缓存。 目前，基于光波长交换技术的光网络己成为可能，但带宽利用率低、灵 活性差，不能适应数据业务高速增长的需要。光分组交换作为光交换的理想 形式，由于目前缺乏相关的支撑技术暂时不能实用化。作为这两种交换技术 在实现难度和性能上的折中光突发交换逐渐成为研究的热点，光突发交 换粒度界于大粒度的波长和细粒度的分组之间，技术实现较光分组交换简单， 但组网能力又比光电路灵活高效。表1 1 列出了几种交换方式的性能比较。 表1 1 几种光交换方式的比较 交换方式交换粒带宽利用时延光缓存开销适应性实现难 度 室 度 o c s粗低商不需要低低低 0 p s 细高低需要高高高 o b s 中高低不需要低高 由 8 哈尔滨t 一程大学硕十学位论文 第2 章光突发交换技术 2 1 光突发交换原理 2 1 1 光突发交换的概念 突发交换( b u r s ts w i t c h i n g ) 的概念在2 0 世纪8 0 年代初就已提出，在当 时，突发交换基本上是一种快速分组交换技术的推广，在这种网络中包长可 变并且可以为任意长度，并采用分散式共享缓存交换结构。但突发交换在当 时并没有像电路交换和分组交换那样得到普及。 光突发交换( o b s ) 的概念是综合考虑光电路交换不灵活、信道资源利 用率不高和光分组交换技术难度大、难于实现的问题，逐渐成为光交换领域 研究中的热点，以满足突发性、多样性业务日益增长的需求。光突发交换集 中了较大粒度的波长( 电路) 交换和较细粒度的光分组交换的优点而避免了 他们的不足。在光突发交换中，突发为一些i p 包组成的超长i p 包，这些i p 包可以来自传统i p 网中不同的路由器。光突发交换中的控制分组，作用相当 于分组交换中的分组头，在光突发交换网络中，如图2 1 所示，控制分组与 净负荷数据在物理信道上分开传输，每个突发对应一个控制分组。 突发包1 二二二= 一一 突发包2 b h p 2b h p l _ 广 图2 10 b s 中的突发包和控制分组 9 d l c 哈尔滨t 稃大学硕十学何论文 例如，在波分复用( w d m ) 系统中，控制分组占用一个或几个波长，突 发数据占用所有其它波长；在时分复用系统中，控制分组占用一个或几个信 道；在带状光缆中，控制分组可占用一根或几根光纤。突发数据从源节点到 目的节点始终在光域内传输，而控制信息在每个节点都需要进行光电光的变 换以及电处理。控制信道与突发数据信道的速率可以相同，也可以不同。 这种数据信道与控制信道分离的方法简化了突发数据交换的处理，且控 制分组长度非常短，使得高速处理得以实现。光突发交换概念模型f l o l 如图2 2 所示。 图2 2 光突发交换中数据和信令的分离传输 光突发交换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( b u r s t ) 的形式在光域传输交换，而控制分组b h p ( b u r s t h e a d e rp a c k e t 突发报头分组) 也在光域中传输，但在交换节点被转换到电域处 理。正常情况下，控制信息在数据到达之前到达节点，核心节点的交换控制 模块根据控制信息和节点当前的状态信息进行资源的预约。若预约成功，则 完成对交换矩阵、波长变换器、光纤延迟线( f d l ) 的配置，以保证数据到达时 透明地穿过节点。若出现资源的竞争和冲突，交换控制模块还需要根据一定 的冲突解决方案完成相应操作。 突发通常定义为一个数字化的话音或数据消息，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n ( c a u ) 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，分组是基 本交换实体，一般由多个i p 分组构成一个突发( 可认为是超长分组) ；与呼叫 和分组相比，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 称为信令消息， t 0 哈尔滨工祥大学硕士学何论文 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， w d m 传输系统中可用一个专门的波长作为控制通道传送b h p 。但b h p 和突 发数据需要一一对应，为了避免交换节点在处理b h p 时缓冲突发数据，采用 了延迟预约，在b h p 和突发数据之间引入了偏移时闻，b h p 在中间交换节 点转换为电信号进行处理，交换节点根据b h p 携带的偏移时间、突发长度、 数据信道( 波长) 等信息确定路由预约资源及配置光交换矩阵，保证突发数据 到达时相应的数据通道已经配置好。 两个相邻路由器间的单向传输能力可以用信道( c h a n n e l ) 来表示。信道 由一个波长或者时分( 码分) 复用下波长的一部分组成。数据信道传输突发 包，控制信道传输b h p 。如图2 3 所示，光突发( b u r s t ) 在w d m 链路中传 输，信道组( c h a n n e lg r o u p ) 由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。通常每个方向都由一个 信道组( d c g ：d a t ac h a n n e lg r o u p ) 和一个控制信道组( c c g ：c o n t r o lc h a n n e l g r o u p ) 组成。d c g 和c c g 在物理上既可以是同一条光纤，也可以分属于不 同的光纤。 d c g ：d a mc h a n n e lc n o 雌 c o g ：c o n t r o lc h a n n e lo r o q p 图2 3 数据突发在光突发交换网络中传输示意图1 1 4 在一般的o b s 网络中，每一根光纤有多个波长用于数据信道，一个波长 则用作控制信道。b i - i p 在w d m 传输链路中的某一特定信道中传送，b h p 与 相应突发包对应，并先于对应突发包发送，通过“数据报”或“虚电路”路 由模式，中间节点根据b h p 携带的信息分配空闲的数据信道，实现数据信道 带宽资源动态分配。与光电路交换不同，源节点不需要等待目的节点的确认； o b s 源节点在发送b h p 一段时间后发送突发包，这段时间间隔称为偏置时 哈尔滨【程大学硕十学位论文 间，它指b h p 的第l 比特时间与突发包的第l 比特时间之差。b h p 携带了 对应突发包的相关信息，包括偏置时间的大小、突发包的长度、优先级、目 的节点等。b h p 通知到目的节点中需要经过中间节点，在一段偏置时间之后， 将有一个突发包到达，中间节点为其预留资源，并作相应的配置。数据信道 与控制信道的间隔简化了对突发包的处理，且b h p 长度很短，可以对其实现 高速处理。传输过程中可以根据链路的实际情况，对b h p 进行光电变换后， 对其中的控制信息作相应的调整。b h p 和b d p 都不需要光同步。o b s 网络 充分发挥了现有的光电技术的优点，相对容易实现。 由于在光突发交换中应用的是单向资源预留，在网络核心节点，可能有 多个突发控制包同时到达请求预留资源，或者当某一个突发请求到达而前一 个突发还没有传输完全时，将会产生突发包之间的竞争，造成突发包的丢弃。 利用f d l 、波长变换、偏转路由等手段可以在一定程度上解决突发包之间的 竞争问题。如果业务允许较大的延时，也可以通过重传突发包来解决。 根据偏置时间t 的大小，可以把o b s 网络分为3 大类： ( 1 ) 无预留：在发送b h p 后，立即发送突发包。也就是说，偏置时间 仅仅为b h p 的发送时间。只有当交换开关配置时间和b h p 交换处理时间非 常短的情况下，这种方案才可能被采用。 ( 2 ) 单向预留：在b h p 发送完成后，经历一小段时问后即发送突发包， 源o b s 节点不需要等待目的o b s 节点的确认。偏置时间的大小介于b h p 的 发送时间与b h p 的往返延时的时间之间。不同的o b s 机制可以在这个范围 内选择不同的偏置时间。 ( 3 ) 双向预留：偏置时间为从目的o b s 节点接收到一个确认消息的时 间。即需要个往返传播和处理时间。和光电路交换类似，需要一个双向往 返时延来建立传输通道。缺点是偏置时间较长，使得数据传输时延较大。 2 1 2 突发包格式 突发数据包【1 2 】( b d p ：b u r s td a t ap a c k e t ) 的格式如图2 4 所示，包括净 荷长度( p l ：p a y l o a dl e n g t h ) ，i p 分组数目( n o p ：n u m b e ro f p a c k e t s ) ，填充 的偏移量( o f f s e t ) ，以及填充( p a d d i n g ) 。 1 2 哈尔滨 一稃大学硕十学伸论文 p l ：净负荷长度( 字节) 。 n o p ：净负荷中分组的数目。 o f f s e t ：净负荷中第一个字节的位置。 p a d d i n g ：填充字节。 l a y e r 3 ( i p ) l a y e r 2 匝巫互三正圣工二亘。l a y e r2 ， ，一，一一一 匡至正三 二二二二二二卫丑至习。l w a y 。e m ri ， 传输顺序 图2 4 突发数据包基本格式 图2 3 中l a y e r1 用来封装的“s y n c ”位是用来在出口路由器上对光接收 者进行同步的，在突发包开始和结尾处的保护字段( g u a r db a n d ) 用来克服 因各节点时钟漂移、不同波长之问的延迟差异、突发到达时间和光交换矩阵 配置时间不匹配以及光交换矩阵的配置时| 日j 的不确定性等原因造成的突发包 到达时间和持续时问的不确定性。有些光交换矩阵对于交换的最小单元尺寸 有限制，即突发包长度不能太短，填充( p a d d i n g ) 可以将过短的突发包补齐， 达到其所要求的最短长度。光层信息( o l ho p f i c a ll a y e ri n f o r m a t i o n ) 完成 性能监视、前向纠错等功能。 2 1 3 控制包格式 突发控制包b h p 的基本格式如图2 5 所示，s r c 和d e s t 是光网络的入 口边缘路由器地址和出口边缘路由器地址，核心路由器根据这些信息让突发 包以逐跳方式到达其目的边缘路由器。b h p 中包含了相对突发包的偏置时间 ( o f f s e tt i m e ) ，突发包长度( b u r s tl e n g t h ) ，承载突发包的数据信道( b d p f l a g ) ，以及q o s 参数( c o s ) 等信息。 哈尔滨f 拌大学硕十学何论文 图2 5 突发控制包基本格式 2 2 光突发交换网络结构 图2 6 0 b s 网络结构 图2 6 中所描述的是典型的o b s 网络基本结构( 7 1 ，它是由位于网络边缘 的边缘路由器、位于网络中心的光核心路由器以及w d m 链路组成。i p 分组 在网络入口处被组装成d b ，入口节点同时配置偏置时间、计算d b 长度和设 置q o s 值等参数，经过光核心路由器的交换，然后在网络的出口处重新被分 解成i p 分组，如果需要，在出口节点要对i p 分组进行重排序和出错重发处 理。边缘路由器提供d b 的组装和拆分功能，并且提供了各种网络接口，例 如：g i g a b i te t h e r n c t ，p a c k e to v f e l - s o n e t ( p o s ) ，i p a t m 等，使之可以和其 他协议类型的网络互联。 1 4 哈尔滨_ 1 稃大学硕士学竹论文 图2 7o b s 网络核心路由器结构 核心节点为d b 预留带宽，同时监视d b 流的阻塞率、延迟和处理时间 等信息。由于o b s 网络的中间节点只需要对少量波长进行o e o 转换，然后 在电域进行处理、控制光交换矩阵等，可以消除电子处理瓶颈。光交换矩阵 前光纤延迟线用于缓存d b ( 只能缓存有限长时间) ，等待b h p 的处理。 图2 7 是一个n n 的光核心路由器的基本结构，光核心路由器主要由光 交换矩阵( o p t i c a ls w i t c h i n gm a t r i x ，o s m ) 和交换控制单元( s w i t c h c o n t r o l u n i t ，s c u ) 组成。其中数据信道和光交换矩阵相连，控制信道与交换控制 单元相连。 n 强l 瞩 l 僻蝴k x ：r 、”：l ；嗍 l l = 期： - ：r 、：i ；，m “i k i l 图2 8 光交换矩阵结构 n 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 n n 的光交换矩阵如图2 8 所示。只要某一个d b 不与其它d b 相互重叠， 空间交换矩阵就能将它从输入波长信道交换到光缓存上。每个光缓存有b 条 w d m 的光延迟线( f i b e r d e l a y l i n e ，f d l ) ，其中第，条f d l 可以提供q ：长的 时延，l i b ，q i q 2 l m 。，将队列q i 中的分组组装成一个突发，同时t i = o ，l i = b ； 否则将分组加入队列q i 中，l i = l i + b ； ( 2 ) 当计数器t i 到达t 。时，将队列q i 中的分组组装成一个突发，同 时l i = 0 ；t i = 0 。 另外突发组装和调度策略要考虑到分组的等级数和核心节点支持的突发 等级数。因此可采用混合突发组装机制，这种混合组装机制将高优先级的分 组组装在突发头部，然后按优先级递减的顺序组装分组。在分片方案中，如