（通信与信息系统专业论文）obs网络的tcp性能分析及拥塞控制策略研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 o b s ( 光突发交换- - 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系统可实现的 一种方案，结合了光电路交换和光分组交换的优势，是较有发展前途的光交换技 术。本文的研究重点是在o b s 网络的特殊环境下的t c p 性能表现以及遭遇到的各 种问题，在对此进行深入分析后，提出了一种改进的t c p 拥塞控制策略。 本文首先概括介绍了光突发交换的原理、网络结构和模块功能，结合国际国 内的研究成果，总结和讨论了光突发交换的多种关键技术，包括数据信道的汇聚 机制、调度算法、冲突解决机制等。接着详细介绍了传统的t c p 拥塞控制算法， 包括拥塞控制的几个阶段、各种实现版本的介绍、t c p 拥塞控制算法的特点分析 以及它的不足和改进措施等。然后结合国内外的研究成果，深入讨论了o b s 网络 的各种特性对t c p 性能的影响，其中包括边缘结点的汇聚时延、突发包的汇聚长 度、无缓存的核心结点结构等特点对t c p 性能的影响。o b s 网络由于核心结点通 常没有光缓存，很容易造成竞争而非拥塞丢包，错误地触发拥塞控制机制，从而 使得t c p 吞吐量下降。为了改善此问题给t c p 性能带来的负面影响，本文提出了 一种改进的拥塞窗口调整策略，该策略主要是依据t c p 环回时间r t t 的相对变化 幅度来判定突发的丢失是由于竞争引起还是拥塞引起，然后采用相应的窗口调整 算法来调整t c p 拥塞窗口。该策略能在一定程度上减轻由于竞争丢包给t c p 吞吐 量带来的负面影响。最后，介绍了几种其他的适用于o b s 网络的拥塞控制策略。 这些策略不同于t c p 拥塞控制，他们主要是在光层上实现的基于速率控制的拥塞 反馈控制机制，相比t c p ，他们能够更加及时地调整注入网络中的流量，达到拥 塞控制的目的。 本文所作的主要工作如下： 详细地研究了传统的t c p 拥塞控制机制，分析了他们的特点和不足，并查 阅国内外相关文献提出了一些改进的措施。 深入分析了t c p 在o b s 网络中遭遇到的各种问题，通过这些研究，提出 了一种改进的t c po v e ro b s 拥塞控制方案r g a i m d ，该方案能改善o b s 网络由于竞争产生丢包而对t c p 性能产生的负面影响。最后进行了仿真验 证。 关键词：o b s ，t c p ，拥塞控制，吞吐量 a b s t r a c t a sat e c h n 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 l b 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 fo b sa n do p s i t so n eo ft h e f a s t e s t d e v e l o p i n g k e yt e c h n o l o g i e si nf i e l do fo p t i c a ls w i t c h i n gt o d a y t h ef o c a lr e s e a r c ho ft h ep a p e ri s t h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t c pa n dt h e p r o b l e m sw h i c hf a c i n go ni nt h e s p e c i a l e n v l r o n m e n to f t h eo b s n e t w o r k s a c c o r d i n g l y , w ep r o p o s eai m p r o v e dt c p c o n g e s t i o n c o n t r o ls c h e m e t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h e p r i n c i p l e o fo b s ，n e t w o r ka r c h i t e c t u r e s a n dm o d u l e f u n c t i o n s ，a sw e l la sad e t a i l e da n a l y s i s & t h ek e y t e c h n o l o g i e si no b ss u c ha ss c h e d u l e s c b e m eo fd a t a c h a n n e l ，a s s e m b l ys c h e m e ，c o n f l i c ts o l v es c h e m e t h e nt h i sp a p e r p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h ec o n v e n t i o n a lt c pc o n g e s t i o nc o n t r o la r i t h m e t i c ，s u c ha st h e s e v e r a lp h a s e so ft h i ss c h e m e ，i n t r o d u c t i o no ft h ei m p l e m e n te d i t i o n s , t h ec h a r a c t e s t i c a n a l y s e so ft h i sa r i t h m e t i ca n di t ss h o r t a g ea l s ot h ei m p r o v m e n t s a n dt h e nt h i sp a p e r d i s c u s sd e e p l yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fo b sn e t w o r k sw h i c ha f f e c tt h ep e r f b r m a n c eo f t h e t c p , i n c l u d i n gt h ea s s e m b l yd e l a yo fi n g r e s sn o d e ，t h ea s s e m b l yl e n g t h so ft h eb u r s t s a n dt h eb u f f e r l e s s c o r es w i t c h i n gn o d ea n ds oo n b e c a u s et h ec o r en o d eo ft h eo b s h a sf e wo p t i c a lb u f f e r , s oi nt h ec o r en o d et h eb u n t s m a yl o s sd u et oc o r l t e n t i o ni n s t e a d o fc o n g e s t i o n i nt h i sc a s e ，t h et c p c o n g e t i o nc o n t r o ls c h e m eh a st ob es p r i n gf a l s e i v a n d8 0c a u s et h ed r o po ft h r o u g h p u to ft c p f o rt h es a k eo fi m p r o v i n gt h e n e g a t i v e i n t i u e n c e ，t h i sp a p e rp r o p o s ean e ww i n d o wa d j u s t i v es c h e m eo ft c p , t h i s s c h e m e a c c o r d i n gt h er t t sr e l a t i v e l yc h a n g er a n g et od e t e r m i n et h el o s sd u et oc o n t e n t i o n0 r c o n g e s t i o n , t h e na d o p ta c c o r d i n g l yt h ew i n d o wa d j u s t i v e a r i t h m e t i ct oa d j u s tt h e c o n g e s t l o nw i n d o wo ft c e t h i ss c h e m ec o u l de a s et h en e g a t i v ei n f l u e n c ew h i c h 盯0 s e b yc o n t e n t i o na tac e r t a i ne x t e n t f i n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c es o m e t h i n ge l s sc o n g e s t i o n c o n t r o ls c h e m eo ft h eo b s t h e s es c h e m e sa r ef e e d b a c k r a t e b a s e dc o n t r o ls c h e m e s w h l c h1 m p l e m e n to no p t i c a l l a y e r c o m p a r i n gw i t ht c p , t h e yc o u l da d j u s tt h e f l u x i n j e c t e di nt h eo b sn e t w o r kd u l y t h e s i sw o r k ： t h i sp a p e rr e s e a r c ho nt h ec o n v e n t i o n a lc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e s d e e p l va n d a l s oa n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d s h o r t a g e s b a s e do ni t ，w ep r o p o s es o m e i m p r o v e ds c h e m e t 重庆邮电大学硕士论文 摘要 t h r o u g ha n a l y s i n gt h ep r o b l e m sw h i c ht c pf a c e di no b sn e t w o r k s ，t h i sp a p e r p r o p o s ean e wc o n g e s t i o nc o n t r o ls c h e m e t h i ss c h e m ec o u l di m p r o v et h e n e g a t i v ei n f l u e n c ei no b sn e t w o r k sw h i c hc a u s e db yc o n t e n t i o n k e yw o r d s ：o b s ，t c p ，c o n g e s t i o nc o n t r o l ，t h r o u g h p u t 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 近年来，随着i n t e r n e t 技术的普及和发展，全球数据业务量呈现出爆炸式增 长趋势。宽带视频、多媒体业务、基于d ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 的实时准实时 业务等占用带宽资源较多的新兴数据业务需求不断增长，这就对通信网的带宽和 容量提出了更高的要求光纤有着巨大的频带资源和优异的传输性能，是实现高速 率、大容量传输的最理想物质媒质，所以人们把目光投向了光领域，建立高速宽 带的w d m ( 波分复用) 全光网络己成为本世纪通信网络的发展趋势【l 】。全光网络 是指在光域上实现交换和传输的网络f 2 】。信息流在网络中传输和交换时始终以光的 形式存在，而不需要经过o e ，e o 变换。由于全光网络具有良好的信号透明性、 波长路由特性、兼容性和可扩展性，因此成为建造下一代高速( 超高速) 宽带网 络的首选【j j 。 目前主要有三种光网络交换技术，分别是光电路交换( o c s o p t i c a lc i r c u i t s 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 ) 以及前两种的折衷方案 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 ) 。o b s 是指将具有相同目的地址和一些 相同属性的分组组装成的突发，作为网络基本传输单元的一种交换方式。它考 虑到当前技术的局限性，充分结合了o p s 和o c s 交换方式的优点，并避免了两者 的不足，为当前实现全光通信网络提供了一种可行和有效的方式。从长期来看， o p s 是发展方向，但没有合适的光缓存器且存在多个分组精确同步困难，因而在 短时期内的商用前景并不乐观。o b s 就是这样一种新技术，交换的带宽粒度介于 一个波长带宽和一个分组所需的带宽之间，比光线路交换带宽利用率高，又比光 分组交换更贴近实用【4 】。可以说，它结合了两者的优点且克服了两者的部分缺点， 是两者之间的平衡选择，因而逐渐引起了众多学者的重视。 o b s 网络由边缘路由器和o s n ( 核心交换节点) 组成。基本交换单元突发，由 b i - i p ( 控制分组) 与d b ( 数据突发) 两部分组成。入口边缘路由器主要负责将来自 口网的数据封装成数据突发，然后按照数据包的目的地址和q o s ( 服务质量) 类 型等指标进行分类和优先级排队。出口边缘路由器则负责相反的拆封工作。核心 o s n 用来进行突发的路由选择、转发和交换。o b s 网络中的关键技术主要包括突 发组装、突发路由、资源预留算法、竞争解决机制、q o s 支持等几个方面。 o b s 具有以下几个特点： 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 ( 1 ) o b s 交换机结合了o c s 和o p s 的优点，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，d b 和b h p 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，d b 在b h p 发出后不用等待确认 消息即可发出，减小端到端时延f5 1 。 ( 4 ) o f f s e t - t i m e 的机制，d b 在b h p 发出后等待o f f s e tt i m e 后发出。 ( 5 ) b i - i p 在网络中间节点需要进行o e 转换，在电域进行处理，然后再进行 e o 转换。而d b 以c u t - t h r o u g h 的方式通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。 t c p 协议作为目前互联网传输层的主要协议，而且在未来可以预见的时间内也 不会有所改变。它在o b s - 传送网中的性能也自然受到越来越多的关注。近年来， 已有不少文献对o b s 网络环境下的t c p 性能问题做了深入的研究。他们主要研究 了o b s 网络不同的组装时延，组装策略，突发丢包率，以及o b s 网络核心节点的无缓 存特性对t c p 性能的影响。 因此，通过深入地研究t c p 拥塞控制协议在o b s 特殊环境下的各种性能表现， 结合t c p 协议以及o b s 网络的特性，找到一种能够较好地适用于o b s 网络的t c p 拥 塞控制策略，无论在理论上还是应用价值上都有非常重要的意义。 1 2 研究现状 下面从以下三个方面来介绍与本文研究内容相关的国内外研究现状与趋势。 ( 1 ) o b s 交换技术有以下一些重要的研究课题： 突发数据封装、突发偏置时延的设置与管理、数据和控制信道的分配、端到 端q o s 的支持、交换节点光缓存的配置、边缘节点光接收机上的突发快速同步对网 络效率影响等1 6 1 。这些问题是相互关联的，如光缓存( 如光纤延迟线) 的配置与b d p 长度的统计分布相关，而b d p 长度又取决于突发封装算法；突发数据封装、光路 由器的规模、数据和控制信道的分配又影响突发偏置时延的设置；交换节点的分 配器和控制器运行快慢以及网络规模又会反过来影响b d p 封装。所有的这些问题 都须综合考虑。 为了提高带宽利用率，o b s 网络通过波分复用和波长时分复用来实现统计复 用如何在o b s 网络中实现组播功能为实现组播，光开关矩阵和交换控制单元都必 须具备组播能力，且两者必须能有效地协调【7 1 。此外，将光突发交换与现有的动态 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 波长路由技术有机的结合，可以使网络具有更有效的资源调配能力。 ( 2 ) t c p o v e ro b s 的研究 这方面的研究工作也是当今国内外的热点。他们主要研究的是o b s 网络不同 的组装时延，组装策略，突发丢包率，以及o b s 网络核心节点的无缓存特性对t c p 性 能的各种影响，并提出了各种改进的办法。其中y u 等人第一次对o b s 网络的t c p 特性做了比较全面的研究，并提出了很多有价值的观点；主要是关于t c p 拥塞控制机 制与o b s 网络的特性( 比如突发组装解组装和无缓存交换等) 的相互关系以及其相 互作用产生的影响。 ( 3 ) 直接在光层上进行的拥塞控制机制 在传输层进行的t c p 端到端传输机制有着对拥塞反映过慢、端到端延迟过高 等缺点，对此。国内外学者又对在光层上直接进行拥塞控制的技术进行了各种深 入的研究，像突发重传技术，基于速率控制的拥塞反馈控制技术等等。 1 3 论文结构 本论文主要介绍了o b s 交换技术的基本原理、网络结构、边缘节点以及核心 节点的结构和功能、汇聚和调度机制；介绍了传统的各种t c p 拥塞控制技策略以 及在此基础上国内外学者提出的各种适用于o b s 网络的拥塞控制新策略；最后本 文作者通过对国内外大量相关文献的查阅和研究，提出了一种改进的t c po v e r o b s 网络拥塞控制机制。 本论文共分为五章： 第一章，绪论。描述了本文的研究背景，指出了研究的内容和意义，并对工 作进行了简单介绍。 第二章，本章主要介绍了o b s 交换技术的基本原理、网络结构、核心节点和 边缘节点的结构和功能、汇聚算法和数据信道调度算法、冲突解决机制等。 第三章，本章主要是对传统的网络的t c p 拥塞控制策略做了较为详细的分析 研究，作为后面章节的基础。 第四章，对传统的各种t c p 版本在o b s 网络中的性能做了深入的研究，并 在此基础上提出了一种改进的方案。然后介绍了几种光层上的拥塞控制技术。 第五章，总结全文及未来的工作展望。 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 一一。_ 1 一 第二章光突发交换( o b s ) 技术 c h u n m i n gq i a o 和m y u n g s i ky o o 在o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o bs ) 一an e w p a r a d i g mf o ra no p t i c a li n t e r n e t t 8 j 一文中提出了o b s 交换技术的概念，由于o b s 交换技术结合了波长路由和光分组交换的优点，所以是未来一段时间内交换网络 比较理想的一种过渡方案。o b s 技术的控制分组和数据分组在时间和传输通道上 是分离的，降低了中间交换节点的复杂度( 不需要光缓存) ，同步要求低【9 1 ，同时包 长可变，更适应于突发数据业务1 9 1 。 2 1 光交换技术 目前实现全光透明网还有不少困难，如光缓存器还没有实现以及全光组网技 术相应的标准需要制订，在光域处理d 分组还没有实现j 所以光路由器的控制系 统仍然要在电域完成。因此现在研究的主要还是半透明的光传送网。光传送网的 控制在电域完成，数据在高速的透明光数据信道传输。光传送网有三种可能的解 决方案：o c s 、o p s 、o b s 。 2 1 1 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 ) 波分光交换是目前全光网上最普遍采用的一种交换方式。光路交换o c s 就是 波分光交换，在w d m 网络上称之为波长路由1 1 1 l 。 波长路由有两个特征，一是波长路由决定了光信号的通路【1 2 】，这样从一特定 节点向外发出的多路载波将会分别传输到不同的终点。二是由于每一路信号被限 定在特定的通路上，那么只要不同的光路不同时存在于同一光纤连接中，波长便 可重用。 图2 1 描述了光路交换网络的模型【1 3 】。它由接入点w r s ( 波长路由交换机 w a v e l e n g t hr o u t i n gs w i t c h ) 组成，中间通过w d m 链路相连。它显示了两个连续的 波长通路：节点a 和节点c 直接通过波长丑建立的通路，另一条是节点a 和f 之间通过波长丑建立的波长通路。如果在w r s l 处存在波长转换器，从源到目的 间的路由上光通路可以占用多个波长。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 图2 1 光路交换网络模型 图2 1 显示了节点d 和c 之间经过波长转换后的光通路，它在链路 d ，聊强) 之间占用波长五，在链路 凇s ，c ) 之间占用波长丑。如果采用可选路( a l t e r n a t e r o u t i n g ) 策略，可以从一组通路中选择一条作为光通路。“波长转换 和“可选路由 是减少网络中波长限制的两种有效方法。波长转换是一种软硬结合的解决方案， 它需要网络中有波长转换器件，同时需要算法和协议对这些波长转换器进行管理。 可选路由是一种软解决方案，需要协议，信令和管理协议来执行可选路由。 2 1 2 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 ) o p s 是分组交换技术【1 4 】向光层的渗透和延伸。光分组交换是一种细粒度的交 换机制 1 3 1 ，由于它允许统计复用网络通道带宽资源，因此特别适合突发性的数据 业务。 首先，o p s 按统计时分复用的方法灵活快速的分配带宽，所以网络资源利用 率高。其次，根据数据业务突发性较大和非对称的特点，可采用g m p l s 等机制简 化控制和开销，实现快速路由。再者，o p s 中数据交换的粒度多样化，易于实现 终端业务的接入，并便于实施流量管理。最后，o p s 对数据速率和格式及高层协 议透明，进而信令、计费和网管简单，利于降低运营成本。因此，o p s 能解决网 络瓶颈并满足多样化的未来业务需求，已经引起了许多国家研究机构的重视。 但目前由于在光域内还缺乏高速光逻辑器件、光缓冲存储器等，导致在“纯 光 上还不能实现光的分组交换，只能使用f d l 作为缓存器，缺乏足够的灵活性 和精度，所以目前很难实用化。 如图2 2 所示光分组交换网络由核心节点、边缘节点组成，他们之间通过w d m 链路连接。边缘节点完成光分组生成以及将光分组拆分成普通分组的功能。核心 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 节点完成光分组转发寻路功能。 图2 2 光分组交换网络 2 1 3 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 ) 针对上述两种交换方式中存在的问题，人们提出了o b s 的概念。o b s 中基本 的交换单元是突发，由b h p 和d b 两部分组成。所谓的突发指的是由一些d 分组 组成的超长p 包，是具有相同的目的地址和q o s 参数的分组的集合。突发的周期 被认为远小于对话的周期而远大于单个分组的周期，与o c s 相比带宽利用率将极 大提副m j 。同时，也避免了对每个分组进行交换，因此，o b s 为i po v e rw d m 提 供了一种可实现的方法。 o b s 设计的核心思想是实行b h p 和d b 分离的异步传输交换机制【1 7 1 。与光电 路交换技术不同，边缘节点在发送突发包之前不必等待中间节点和目的节点的确 认信号，而是在发送控制分组后，间隔一定的偏移时间就立即将突发包发送出去 i l 引。突发包在某个信道上传输完毕后立即释放该信道：理论上讲，这样的传输方 式下，中间节点可以不需要光r a m 。光突发交换技术不要求严格的时钟同步，从 而克服了光分组交换要求严格的同步这一缺点1 1 9 】。 表2 1 是对以上三种光交换技术的比较。 表2 1 三种光交换方式的比较 通过比较可以发现，o b s 集中了较粗粒度的o c s 和较细粒度的o p s 的优点， 并避免了两者的不足。与o c s 相比，o b s 带宽利用率高、网络灵活性与适应性强、 接续时延低【2 0 1 。与o p s 相比，o b s 开销少、无需缓存、b h p 擦写简单、同步简 单( 由于b h p 与数据突发之间的关系相对松散) ，从而易于实现。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 2 2o b s 基本原理和网络结构 光网络中现有的交换方式并不适合支持突发性的业务1 2 1 1 。此外，光路的超高 透明性限制了网络管理的能力( 比如监测和快速故障恢复) 【2 2 】。 为了在光层上提供灵活、有效并且可行的高带宽传输服务，需要一种能够利 用光通信的有利特性同时避免其局限性的新的交换方式。光突发交换正是能够实 现这样目的的一种交换方式。下面将阐释o b s 的特点和网络结构。 在o b s 网络中，信道可以由一个波长或者时分( 码分) 复用下的波长的一部分 构成。传输突发数据的称为数据信道，传输b h p 的称为控制信道【2 3 1 。控制包首先 在单独的控制信道上发送出去以建立连接，而等待传输的p 包则汇聚成为一个数 据突发，被缓存在网络边缘节点的电缓存中。数据突发长度的增加和其它基于偏 置时间的技术结合在一起，也提高了给定交换速度下的带宽利用率，或者是在保 持一定带宽利用率的条件下使得交换矩阵有更长的交换时间【2 4 1 。经过偏置时间以 后，数据突发不用等到任何连接已建立的确认消息就可以被发送出去。当突发包 传输完成后，链路上的波长就立即被释放。这就减小了波长粒度以适应窄带用户 和服务2 5 1 。 o b s 网络可以看成两个有联系的、相互覆盖的网络：个传输数据突发的纯 粹的光网络，以及一个传输突发控制头( b h p ) 的混合控制网络【2 6 1 。网络示意图 如图2 3 所示，它包含了由w d m 链路连接起来的光核心路由器和边缘路由器。 2 3o b s 边缘节点 图2 3 光突发交换网络 边缘节点功能框图如图2 4 所示。边缘节点可以分为两部分：入口边缘节点和 出口边缘节点。入口边缘节点的主要功能是在m a c 层将p 分组组装形成突发数 据，并进行排队，同时计算突发数据与对应b h p 之间的偏移时间，根据突发数据 7 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 类型q o s 请求在适当时间对送b h p 与相应的突发数据进行调度和发送。而出口边 缘节点完成相反的操作。 图2 4 边缘节点功能框图 2 4o b s 核心节点 2 4 1 核心节点基本结构 o b s 网络核心节点基本结构如图2 5 所示。核心节点主要由光纤链路、分波 器、合波器、交换控制单元和核心交换模块几部分组成【2 7 】。假定入口、出口光纤 数均为n ，每根光纤的波长数为k 。其中一个波长传输b h p ，这个波长在各个中 间节点首先要进行o e 变换，然后再进行电的路由表查找、光器件控制等处理过 程，最后更新b h p 相应数据域等操作，并进行e o 变换。其余( i ( 1 ) 个波长传输突 发数据，这些波长不需要进行o e o 变换，整个交换过程在光域内完成，保证了 数据的透明性。在o b s 网络中，中间节点只需要对少量波长进行o e o 变换，在 电域对b h p 进行处理并控制光器件，因此光突发交换技术有助于解决“电子瓶颈 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 问题【2 8 】。光纤延迟线用于对突发数据进行缓存，可缓存有限时间。光空分交叉矩 阵用于对突发数据进行交换。光纤延迟线和光空分交叉矩阵等光器件的状态由交 换控制单元进行控制，以减少冲突，使迟于b h p 偏移时间发送的突发数据尽可能 顺利的被交换出去。 图2 5 核心节点基本结构 2 4 2 核心节点模块功能及实现 下面详述核心节点的两个主要模块：交换控制单元和核心交换模块。 交换控制单元如图2 6 所示。交换控制单元通过查询转发表，决定每 一个突发数据和其对应的b h p 应该使用哪一个数据信道和控制信道。如果当突发 数据到达时或经过f d l s 延迟后有空闲的数据信道和控制信道，将选择合适的光缓 存，并配置光空分交叉矩阵让突发数据顺利通过，否则将丢弃突发数据和其对应 的b h p 。如果突发数据在其对应的b h p 被处理之前进入光空分交叉矩阵( 这种现 象叫做“早到) ，此时由于核心交换模块还没有建立好传输路径( 如还没配置好光 空分交叉矩阵) ，该突发数据将被丢弃【2 9 1 。 控 制 通 道 图2 6 交换控制单元功能框图 9 控 制 通 道 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 核心交换模块主要由光空分交叉矩阵、可调波长变换器t w c t 3 0 】和光纤 延迟器f d l s 组成。 t w c 中波长变换的实现主要有两种方式：光电方式和全光方式。其中光电方 式的基本思路是将输入波长先转换为电信号，然后进行电的再生，最后调制到一 个新的波长上去。而全光方式主要受制于半导体光放大( s o a ) 的技术，目前尚难 以实现有效、灵活的控制，无法满足实用化的需求。 由于全光实现的t w c 仍处于发展阶段，技术仍不成熟，而且价格昂贵。因此 如何从交叉模块的结构设计上减少对t w c 的需求，成为一个值得关注的问题。 目前主要采用部分波长变换的交叉模块结构。在使用部分波长变换时，为多 个数据信道配置少量的波长变换器进行共享，而不是为每个波长信道都配置t w c 。 三种可实现部分波长变换的交换结构如图2 7 所示。在图2 7 ( a ) 的节点共享结构中， 整个节点配置一组可以共享的t w c ，需要进行变换的波长经过光空分交叉矩阵进 入这些t w c ，然后经过另一级光空分交叉矩阵送到相应的输出端口进行复用。在 图2 7 ( b ) 的链路共享结构中，不需要另级的光空分交叉矩阵，而对应于每个链路 ( 或端口) 都需要配置共享的波长变换器，不同端口之间的波长变换器不能共享。在 图2 7 ( c ) 的s h a r e - w i t h 1 0 c a l 结构【3 2 】中，仅当该节点需要上下信号时可用，其设计 思路是充分利用上下信号所需的o e o 器件，将原本线路到线路的光信号从直路的 o e o 通道走，从而以o e o 方式实现波长变换。 d e m u x ：w a v e l e n g t hd e m u l t i p l e x e rm u x ：w a v e l e n g t hm u l t i p l e x e r w c b ：w a v e l e n g t hc o n v e n e r b a n k o s w ：o p t i c a ls w i t c h 图2 7 ( a ) 节点共享结构 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 聪 w 图2 7 ( b ) 链路共享结构 w a v e l e n g t hs e l e c t i o ns w i t c h 图2 7 ( c ) s h a r e d w i t h 1 0 c a l 结构 下面介绍光纤延迟器f d l s 。由于光存储技术的限制，没有类似随机存储器 r a m 的光器件，光域的缓存很难实现，目前只能采用f d l 的方式来实现。目前实 用的光纤延迟器主要可分为固定延时、可变延时和混合延时三种结构。如图2 8 所 示。 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 图2 8 ( a ) 固定延时f d l 缓存器的结构 图2 8 ( b ) 可变延迟f d l 缓存器的结构 图2 8 ( c ) 混合结构的f d l 缓存器的结构 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 2 5 汇聚机制 采用什么样的算法将i p 分组组装成突发包是光突发交换的一项关键技术，本 节将讨论几种汇聚算法。 2 5 1 固定汇聚时间算法 一种简单而直观的组装算法就是固定组装时间算法( f i x e da s s e m b l yp e r i o d ， f a p ) 3 3 1 。该算法只设置一个门限：组装时间乃。设必为当前队列中正在组装的 第f 类突发队列的长度，丝为当前到达的d 分组的长度，t 为当前缓存的计时器 的当前值，当有一个第i 种类型的p 分组到达时，组装算法的描述如下： 1 ) 当一个长度为的d 分组到达组装队列i ： i f ( 队列当前状态为空闲) ( 启动计时器； b l t 2p l ：； ) e l s e 弘= 必+ 心； 将口分组组装到队列中 2 ) i f ( t , 毛) 形成突发包并向调度模块发出请求： 清除并停止计时器； 3 ) 当突发队列缓存收到调度模块的响应 读出突发包； 清除并停止计时器； 设置队列标志为空闲； 弘2 o ； f a p 算法可以对所有边缘节点采用相同的有各种不同的，也可以对不同的 边缘节点采用不同但固定的e 。这个算法显著缺点是当大量过长的分组到达时， 不能限制突发数据长度，导致分组溢出率过高。 2 5 2 自适应汇聚时间算法 显然，r 心算法过于粗糙，它没有考虑网络流量的因素，这将会使网络的性 能受到负面影响。改进的做法是采用自适应组装时间算 法( a d a p t i v ea s s e m b l y 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 p e r i o d ，础蛆) 【3 3 】，这一算法与f a p 算法相似，不同的是它可以根据每个边缘节点最 近发送的突发包的长度动态地调整参数疋。它比r 心算法灵活，也更能够改善网 络的性能，但是实现的难度也要高很多，下面讨论一种实现起来相对简单但又比 较实用的算法。 2 5 3 最小长度最大组装时间算法 最小长度最大组装时间( m i nb u r s t l e n g t hm a xa s s e m b l yp e r i o d ，m b m a p ) 算 法【3 3 】的思想是：突发数据长度门限值可以减少分组溢出率，而组装时间值可以防 止等待时间过长。只要组装时间值到达组装时间门限值或组装器中分组长度到达 长度门限值时就产生一个突发数据。算法为突发包的组装设置两个参数：最小长 度m b l 和最大组装时间。当有一个第f 种类型的p 分组到达时，组装算法的描 述如下： 1 ) 当一个长度为咒的口分组到达组装队列i ： i f ( 队列当前状态为空闲) m b l o r 瓦) 形成突发包并向调度模块发出请求； 修改队列标志； 3 ) 5 突发队列缓存收到调度模块的响应 读出突发包； 清除并停止计时器； 清除队列标志为空闲； 必= o ； 需要注意的是，一旦第一个口分组进入队列i ，则该队列的计时器就启动，直 到 或者必 m b l ，否则计时器一直在运行。 2 6 数据信道调度算法 调度算法的研究主要是为了提高信道利用率和减少b u r s t 丢失率，同时还 要兼顾复杂度和运算时间。下面主要介绍l a u c 和l a u c v f 算法。 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换( o b s ) 技术 2 1 l a u c 算法。 l a u c ( l a t e s ta v f i l a b l eu n s c h e d u l e dc h a n n e l ) 算法基本思想是：尽量为每个到达 的突发数据选择最快可以获得的空闲( 未被预约) 的数据信道以最小化信道上突发 数据之间的时隙，从而最小化输出延时f 3 4 1 。令t 代表第f 个信道未被预约的时间。 假设一个持续时间为三的突发数据在f 时刻到达核心节点，信道调度器首先寻找t 时刻未被安排使用的数据信道。如果不止一个，则选择最近空闲时刻和t 之间时隙 最小的信道。图2 9 ( 口) 所示，数据信道口、d 2 和q 的未来可预约时间为、f 2 和 毛。砬和岛信道在t 时刻空闲，又由于乒f 2 扣毛，根据上述原则，选数据信道d 2 作 为新到的突发数据的输出数据信道。这样做将使链路的平均空闲时间减少，增加 了链路的利用率。 ： # 二二l o 一d ， 辫豳l l 。： | r _ t 。j d 3 ；f 3 岣 。： ，( 口) 卜一m p ；： i ：厂丁1 l 。二ld ， 1 _ 。1 。一工， # 二孑l 上j l 一岛 j 图 二耻岛 ( 6 ) 牛一“_ ，l p 图2 9 l a u c 算法原理图 在图2 9 ( 6 ) 中，在f 时刻，所有的数据信道都已经被占用，但信道q 和d 3 在 彻时刻空闲。由于彻一岛 加- ，所以到达的突发数据被延迟一个f d l 延迟粒 度以后，选择n 作为输出数据信道。 2 6 2l a u c v f 算法 l a u c v f ( l a t e aa v a i l a b l eu n u s e dc h a n n e lw i t hv o i df i l l i n g ) 算法的基本思想是： 尽量为每个到达的突发数据选择最快可以获得的空闲( 未被使用的) 数据信道以最 小化信道上突发数据之间的时喇3 4 】j 。与l a u c 算法相比，l a u c 。v f 算法的区别是 1 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换( o b s ) 技术 新到的突发数据便用数据信遭上已有的突发数据之间的时隙i 司隔。1 眼设一个持续 时间为l 的突发数据在t 时刻到达核心节点，信道调度器首先寻找( f ，叱) 时间段 可用的数据信道。如果不止一个，则选择最近空闲时刻和f 之间时隙最小的信道。 图2 1 0 为l a u c - v f 算法的一个例子。数据信道组有5 个数据信道，其中b 、砬 和见可以用于在t 时刻传输突发数据。皿在t 时刻的时隙太小不足以传输突发数 据，皿在t 时刻未空闲，所以d 3 和d 4 在f 时刻均不可用，由于f 一乞 c ，在理论上无差错传输 则是不可能的。所以在网络低速链路处就会形成带宽瓶颈，当其满足不了 通过它的所有源端带宽的要求时，网络就会发生拥塞。 ( 3 ) 处理器处理能力弱，速度慢。如果路由器的c p u 在执行排队缓存，更新路 由表等功能时，处理速度跟不上高速链路，也会产生拥塞。 3 1 3 拥塞控制的基本原理 很多像计算机这样的复杂系统中的问题，都能从控制论的角度进行解释。这 种方法导致所有解决方案被分为两类：一类是开环，一类是闭环。开环的关键在 于，它致力于通过良好的设计来避免问题的出现，确保问题在一开始就不会发生。 一旦系统安装并运行起来，就不再做任何中间阶段的更正。闭环的解决方案是建 立在反馈环路的概念之上的。当用于拥塞控制时，这种方案有三个部分： ( 1 ) 监视系统，检测何时发生了拥塞。 ( 2 ) 将此信息传送到可以采取行动的地方。 ( 3 ) 调整系统操作来更正问题。 有多种度量可以用来监视子网的拥塞状况。其中主要的有：因缺少缓冲区空 间而失分组的比例，平均队列长度，超时和重发分组的数量，平均分组延迟，以 及标准方差分组延迟。对于以上因素，数值的增加就表示发生拥塞可能性增加。 反馈环路的第二部分是将拥塞信息从检测点传送到可对此采取行动的地方。 最显而易见的方法就是检测到拥塞的路由器向信源发送_ 个分组。当然，这些额 外的分组恰好在子网拥塞时又增加了子网的负荷。 但是，也有别的可能性存在，比如说，可以在每个分组中保留一位或一个字 节，当路由器发现拥塞状况超过某临界值时，就在所有发送分组