（通信与信息系统专业论文）基于光码标记的光分组交换性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 在网络信息量爆炸式增长、m 业务将成为电信网的主导业务的今天，光分组交换技 术利用其交换容量大、带宽利用率高等优势，成为光交换网络的最终理想方案。基于光 码标记的光分组交换融合了m p l s 和o c d m a 的优点，近年来受到广泛的关注。本文 采用理论分析、方案提出和计算机仿真的方法，围绕光码标记光分组交换进行新方案的 探索和对已有方法进行改进。 本论文的主要研究工作包括： ( 1 ) 建立了可视化、图形化的光分组交换网仿真平台。给出了光分组交换的整体 框图，讨论并推导了仿真系统中主要单元模块的数学模型，包括：光分组产生模块、光 分组同步模块、核心交换节点模块、交换控制模块、光接收和b e r 检测模块。同时， 根据单元器件和子系统的物理特性或数学模型，建立了整个系统的仿真平台。该仿真系 统的建立为后续的研究工作提供了有力的实验平台。 ( 2 ) 提出了一种新的基于光码标记的光分组交换方案。光标记采用相干相位编码， 在地址码的选择方面，使用相关性能好、码字空间大、抗干扰能力强的g o l d 码。同时， 引入了新的光分组格式和新的节点结构。新的光分组格式由数据载荷和前后两个光码标 记组成，这样的设计不仅支持可变长度的分组，同时能更精确地在时间上控制数据载荷 的通过。新的节点结构具有光码标记识别和新标记写入的功能，支持标记的并行处理， 节点控制和管理简单。仿真实验表明该方案提高了分组交换的速度，降低了接收端的误 码率。 ( 3 ) 提出了一种新的光分组交换动态q o s 保证方案。为了满足分组业务在实时性 和可靠性方面的要求，采用新的基于丢包率和分组时延的动态q o s 保证模型。该模型采 用一种新的光分组格式、扩展的核心交换节点结构以及新的冲突解决策略。新的光分组 格式引入了分组的q o s 需求参数和实时参数；核心交换节点采用波长变换器和f d l 共 享循环型缓存器解决分组竞争；冲突解决策略基于一种新的比较机制。最后进行了相应 的仿真实验，证明了动态q o s 保证性能远优于基于优先级的静态q o s 保证。 关键词：光分组交换；仿真平台；光码标记；动态服务质量保证 大连理工大学硕士学位论文 r e s e a r c ho np e r f b m a n c eo fo c l a b e lb a s e do p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g a b s t r a c t f o rt h e s ed a y s ，t h e r ei sa ne x p l o s l v eg r o w t l l0 fn e t 、o r ki 斌o m l a t i o n ，a n di ps e n ，i c e 晰l l b e c o m et 1 1 ed o m i n a mb u s i n e s si nt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t v 旧r k o p t i c a lp a c k e ts w i t c k n gt a k e s 血ua d v a n t a g eo fl a r g es w i t c h i n gc a p a b i l i t ) ra n dh i 曲b a n d 、i d t hu t i l i z a t i o n ，w i l lb e c o m et h e i d e as c h e m eo fo p t i c a ls 晰t c m n gn e t w o r k o c l a b e l - b a s e do p sc o m b i n e st h ea d v 锄t a g e so f m p l sa 1 1 do c d m a ，a i l dh a sa t c r a c t e di n c r e a s i n ga n e n t i o ni nr e c e n ty e a r s 1 m sp 印e rm a l ( e s d e e pi n v e s t i g a t i o n si n t oo c l a b e l - b a l s e do p st e c m o l o g yb yp r o p o s i n gn e ws c h e m e sa n d i m p r 0 v i n ge x i s t i n gm e t h o d s t h em e m o d si i l c l u d i n gm e o r e t i c a la n a l y s i s ，s c h e i n ep r o p o s a la r l d c o m p u t e rs i m u l a t i o na r ea d o p t e di nn l i sp a p e r t h em a i n 、v o r k so ft h i sp 印e ri n c l u d e ： ( 1 ) av i s u a la n dg r a p h i c a jo p ss i m u l a t i o np l a t f o mi sa c h i e v e d as c h e m a t i cd i a 野a i l lo f a i lo p sp r o c e s si ss k e t c h e d t h em a t h e m a t i c a jm o d e l so fm a i l lu i l i tm o d u l e si nt m ss y s t e ma r e d i s c u s s e da n d d e d u c e d ，i n c l u d i n g ：o p t i c a lp a u c k e tg e n e r a t i o nm o d e l ，o p t i c a lp a c k e t s y n c h r o n i z a t i o nm o d e l ，c o r es w i t c l l i n gn o d em o d e i ，s w i t c l l i n gc o n t r o lm o d e la 1 1 do p t i c a l r c c e i v e ra n db e rd e t e c t i o nm o d e l a c c o r d i n gt 0t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dm a m e m a t i c a l m o d e l so ft h e s em o d u l e s ，a ni n t e 伊a t l 甜s i m u l a t i o ns y s t e mi se s t a b l i s h e d 1 1 1 i so p ss y s t e m c o u l dp r o v i d eap o w e r f u le x p e r i m e n t a lp l a t f 0 肌f o rt l l ef o l l o w i n gr e s e a r c h ( 2 ) an e w o c l a b e l - b a s e do p t i c a lp a c k e ts 埘t c k n gs c h e m ei sp r o p o s e d o cl a b e l i sc o d e d b yp h a s eu s i n gb i p o l 2 u rg o l dc o d ew h i c hh a u se x c e l l e mc o n e l a t i o np e o r m a i l c e ，l a r g ec o d e s p a c ea l l ds t r o n ga n t i i n t e 疵r e n c ea b i l i t y t l l i s 印p r o a c hi n t r o d u c e san e wp a c k e tf o 册a ta n d wn o d ea r c l l i t e c t l j r e t h ep a c k e tc o n s i s t so fp a y l o a da n do c l a b e l t l l eu s i n go f “h e a d ”a n d a i l e r ”l a b e l sc o u l de n a b l ev a r i a b l e p a c k e tl e n g t l lp a c k e t s ，a i l de r a l s eo r i g i n a ll a b e l 1 1 1 en e w n o d es t m c t u r eh a sm e 如n c t i o no fl a b e l r e o r g a n i z a t i o na i l dn e wl a b e lw t i t i n g ，s u p p o i r t sp a r a l l e l l a b e lp r o c e s s i n g ，a n dt h u ss i r n p l i f i e sn o d ec o n t r o la i l dm a n a g e m e n t t h es i r n 【u l a t i o nr e s u l t s s h o wm a tt l l i ss c h e m es p e e d su pt h ep a c k e ts 谢t c h i n ga i l dr e d u c e sb e ri nt h er e c e i v e r ( 3 ) an e wd y n 锄i cq o ss u p p o r ts c h e m e i sp r o p o s e d t om e e t 也er e a l t i m e 砒l dr e l i a b i l i t ) ， r c q u i r e m e n t so fp a c k e ts e r v i c e ，“sp 印e ra d o p t san e wd ) ，i l 锄i cq o ss u p p o r t m o d e lb a l s e do n p a c k e tl o s sa i l dd e l a y 1 l l i sa p p r o a c hi n 仃o d u c e san e wp a c k e tf 0 肌a t an o v e lc o r en o d e a r c l l i t e c t u r ea 1 1 dc o n t e n t i o nr e s o l u t i o nm e t i l o d t h en e w p a c k e tc o m a i 璐q o sr e q u i r e m e m sa n d r e a lq o sp a r 撇e t e r s t h e 、忱v e l e n 舒hc o n v e n e r sa n df e e d - b a c k w a r df d lb u 饿r sa r eu s e df o r c o n t e n t i o nr e s o l u t i o ni i lc o r en o d e t h ec o n t e n t i o nr e s o l u t i o na l g o r i t l l mi sb a s e do n a c o m p a r i s o nm e c h a i l i s m f i i l a l l y ，m ep e 墒肌a i l c eo f 也ep r o p o s e dm o d e li s s i m l a t e di 1 1 i i i 基于光码标记的光分组交换i 生能研究 m a t l a b s i m u l i n k t h es i i l l u l a t i o nr e s u l t ss h o wm cd y 彻m i cq o ss u p p o r ts c h e m ep e 面m s m u c hb e t t e r 吐l a i ls t a t i cq o ss u p p o r ts c h e m e 谢也r e s p e c tt 0p r o v i d i n gd i f f e r e m i a t e dq o s k e yw o r d s ：o p t i c a lp a c k e ts w 计c h i n g ：c o m p u t e rs i m u i a t i o n ：o cl a b e i ： d y n a m i cq o s i v 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：耋童塑叠垫盟塾垒：丝塞亟坚丝壁垒 作者签名：边丛 日期：二型卫年j 生月l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 学位论文题目：茎立必盎边致盘绝旦遂逖纽垂 作者签名：i 凌丛日期：丝艺年j 生月丝l 日 导师签名：丢o 纭菱曼l 日期：2 尘与，l 年上互月上4 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1课题背景及研究意义 i p 业务的爆炸性增长和未来三网( 电信网、数据网和广播电视网) 合一的发展趋势， 都要求未来的光网络是以数据为中心的网络。采用w d m d w d m 技术后，光纤线路具 有巨大的数据传输能力，但传统的路由器对每个数据分组均要进行光电、电光转换和 处理，即使是源地址和目的地址均不属于本地路由器的分组，也要进行复杂的处理。沉 重的处理负担和处理速度的电子瓶颈，使得路由器不堪重负，也使得路由器的电子处理 能力与w d m 线路的传送能力严重失配。在电子层，通过多协议标记交换m p l s ( m p l s ： m u h i p r o t o c o ll a b e ls 、i t c h i n g ) 技术可以缓解分组路由器的容量限制，它采用分组转发 判决，将交换和转发的能力分离，终端目的只在m p l s 域的边缘路由器处理。核心路由 器利用高速的分组交换能力，实现更快的数据吞吐量。但是，基于m p l s 的转发仍然是 电子的解决方案，没有消除电子瓶颈【1 1 。m p l s 与w d m 结合出现的多协议波长交换 m 以s ，利用波长路由可以解决电子路由的瓶颈，但也带来了许多挑战，如m p l s 域的 边缘节点对之间带宽单位是波长，但在多数情况下，波长交换的粒度太大，以至于无法 容纳大部分路由节点之间的业务。研究表明，有5 0 的i p 业务由小于5 2 2 个字节的分 组组成，其中的5 0 在4 0 到4 4 个字节之间【2 】。由于m 戳s 采用直通光路的交换粒度太 大，建立逻辑拓扑和波长分配的算法复杂，计算时间长，灵活性差，因此，仍然不能从 根本上解决分组数据交换的瓶颈1 3 j 。 光分组交换，交换容量大，对数据速率和格式透明，灵活的带宽管理使网络的带宽 利用率高，支持不同的业务和用户不同的服务质量需求，与w d m d w d m 线路大容量 的传输能力匹配，且与a t m 、m 等很好的兼容，因此，是未来面向数据的交换网络的 理想模式，代表了光网络未来的发展方向。 为了适应对i p 业务的支持，近几年在光分组交换中引入了光标记的概念。所谓光 标记，是指利用各种方法在光分组上打上标记，也就是把光分组头的地址信息用各种方 法打在光分组上，在交换节点上根据光标记来实现全光交换【4 1 。采用光标记使得不用对 整个光分组进行o e 和e o 的转换，并能够改善信号的质量，在实现透明3 r 的同时直 接进行分组转发，使得交换节点的负荷大大降低，从而能够有效地克服光交换中的电子 瓶颈。 综上所述，光分组交换网是未来光网络的发展必然趋势，基于光标记的光交换理论 和技术将大大提升光分组交换网的功能，其研究具有重要的科学价值和实用意义。 基于光码标记的光分组交换性能研究 1 2 光分组交换的研究现状 从网络的层次来说，目前与光网络的接口仍主要面对s d h 帧结构，i p 业务、基于 a t m 方式的宽带多媒体业务、帧中继方式的高速数据业务等，都首先需经过业务节点 汇集处理，再经过s d h 网元映射到s d h 帧结构中，再进入光网络层。对于目前的i n t e m e t 网络，i p 协议是通过电子复用和交换设备来实现的，一个典型的网络可能会包括三到四 层不同的电子复用和交换层。图1 1 给出了一个典型的多层次化网络的简化。在多层次 网络中，i n t e m e t 协议可通过f r 来传输，i p 分组封装在f r 帧中，有时映射于a t m 信 元中，然后通过s o n e t 网络来传输。众多层次的存在降低了带宽利用率，增加了时延， 因此不利于q o s 的保证。而在层次简化后的光网络中，占主导地位的i p 业务将通过光 网络业务节点提供的接口直接进入光网络，不必经过s d h 网元设备的转换接入，从而 可大大提高带宽的利用率，缩短时延。 s o n e t 原理的网络层次 简化后的网络层次 图1 1 光分组交换网络层次的简化 f i g 1 1s i m p i i f i c a t i o no f o p sn e 似o r ki a y e r s 尽管i p 将是未来主要的网络层技术，然而i p 协议如何来利用底层的巨大传送能力， 仍面临不少问题。如当前的路由器是通过电子复用原理的a t m s o n e t 来传送，其复杂 的设计导致了不少带宽的浪费。另外，从电子信号处理的原理来看，今天的i p 协议很 难发展成超高速的协议。如何取消i p 和光传送网0 1 n ( o t n ：o p t i c a it r a i l s p o r tn e t 、帕r k ) 之间的电子层，使i p 网络能充分利用o t n 层的优势，对于发展光分组交换有着重大的 意义。 虽然目前网络中的电子层设备已非常成熟，但是应用于光分组交换还是有很大的区 别。例如：i p 的分组发送是不同步的，但在光域中由于缺乏光随机存储器，大部分关于 光分组交换的研究仍然采用同步方式。此外，i p 是不面向连接的协议，因此并不保证服 大连理工大学硕士学位论文 务质量，但将来的i p 协议必须提供一些q o s 保证的业务。目前基于光标记的光分组交 换，将m p l s 的概念引入进来，从而具备了一定的区分服务和q o s 保证功能。 同时，光分组交换对光器件的性能提出了更高的要求。如图1 2 为分组交换控制技 术的发展。图( a ) 所示为电控电方式，采用电子控制和电子交换技术，由电子交换矩 阵完成交换；图( b ) 为电控光方式，即交换单元由电信号控制，交换前先对光分组或 分组头( 光标记) 进行光电转换，在电域提取控制信息，由电子技术实现对光分组的交 换控制。随着光器件技术尤其是光逻辑器件的发展，分组交换技术的最终发展趋势将是 光控光分组交换，不仅光分组从源节点到目的节点的传输与交换过程全部在光域内进 行，而且控制信息直接在光域读取并完成光分组的选路处理，如图( c ) 所示。由于目 前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能力，因此现有的 光分组交换均为电控光形式。 ( a ) 电控电方式( b ) 电控光方式( c ) 光控光方式 图1 2 分组交换控制技术的发展 f i g 1 2d e v e l o p m e mo fp a c k e ts w i t c hc o n t r o lt e c h n o l o 鲥 在光分组交换的立项研究方面，西方发达国家投入了大量的人力和财力，且取得了 重要的研究进展。例如欧洲的a t m o s ( a s y n c l l r o n o u st r a i l s f e rm o d eo p t i c a ls 嘶t c h i n g ) 项目【5 】和k e o p s ( k e y st oo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 项卧6 1 ，美国的p o n d ( p a c k e t s w i t c h e d o p t i c a jn e t 、j v o r k j n gd e m o l l s 跏i o n ) 项引7 j 和m o n e t ( m u l t i w a v e l e n g 也o p t i c a l n e t 、o 凼n g ) 项目【3 j ，英国的w a s p n e t ( w a v e l e n g 吐ls 、7 l ，i t c ho p t i c a lp a c k e tn e t 、0 r k ) 项 目【引，日本n t t 光网络实验室的项引j 等。 对于上述项目，国外研究机构均建立了相应的光分组交换测试平台。这些测试平台 主要研究光分组交换的关键功能，如复用和解复用，路由选择交换，光分组头识别，时 钟恢复( 同步或者比特相位对准) ，光脉冲的产生、压缩及存储等。 表1 。1 给出了其中一些测试平台的主要特点。 基于光码标记的光分组交换性能研究 表l 。1一些光分组交换测试平台的主要特点 t a b 1 1 k e yf e a t u r e so fs o m eo p st e s t b e d s 在国内，对于光分组交换的理论和实验研究起步较晚，支持力度也很有限，主要是 一些高校，如：北京大学、上海交通大学、电子科技大学、清华大学、天津大学等单位， 在国家自然科学基金的支持下对光分组交换技术进行研究，但与国外相比有相当大的差 距。 综上所述，在光分组交换中，无论从器件设计、系统结构的搭建到网络模型的建立 都还存在着许多的难题。光标记无论是全光处理还是光电混合处理都存在各自的缺点； 新型的分组格式和分组处理技术，特别是光逻辑器件还有待进一步的研究：现有的竞争 解决技术使得系统结构变得更加复杂，且受到各种条件约束，缺乏灵活性；光随机存储 技术的研究迫在眉睫。 1 3 光分组交换的发展趋势 光分组交换交换容量大、灵活性好，因此是非常有生命力的技术。然而，由于成本 因素、新标准的缺失、光技术的现状等问题，光分组交换仍然处在不成熟的阶段。对光 分组交换的评价，应该考虑到带宽需求增长的背景，光分组网络有能力在o t n 的基础 上提供统一的技术，支持高流量的骨干交换机与路由器互连的链路。光交换网络将成为 承载未来多种业务的基础平台，光分组交换的实现，必将对未来的通信网产生重要的影 响，它将是交换方式不断演化道路上的最后一步。 光分组交换的发展趋势体现在以下几个方面： ( 1 )目前基于电路交换的电信网必然要升级到以数据为重心、以分组为基础的新 型交换网，光分组交换网能以更小的粒度快速分配光通道，将成为一项重要的通信技术 得到广泛应用。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 在网络信息量爆炸式增长，口业务将成为电信网的主导业务的今天，光分组 交换技术能够极大地拓展现有的网络带宽，最大限度地提高线路利用率，是一种很有希 望的技术。随着光互连技术、网络控制技术、光器件技术的发展，光分组交换必将走向 实用化。 ( 3 ) 光电子器件仍然是实现光分组交换的关键支撑技术，未来光分组交换技术的 发展在很大程度上依托于光电子器件的创新。光分组交换网的实用化，将取决于一些关 键技术的突破，包括高速光源、光开关、光缓存和全光波长变换器等。 ( 4 ) 对网络设计者来说，非常重要的是如何减少当前网络中协议层的数目，但是 保留其功能，并尽量利用现有的光技术，把大量的交换业务转移到光域上来，以实现交 换容量与d w d m 传输容量的匹配。同时使光分组交换技术与o x c 、m p l s 等技术相结 合，1 实现网络的优化与资源的合理利用。 1 4 本论文的研究内容及创新点 本论文的工作分为三部分，建立了光分组交换网仿真平台，该仿真系统对于进一步 深入研究光分组交换性能具有非常重要的意义。采用基于光码标记的光分组交换，提出 了一种新的光码标记产生和交换方案，标记识别容易、交换速度快。针对光分组交换的 q o s 服务支持问题，提出了一种新的动态q o s 保证方案，该方案具有更高的资源利用 率和更好的区分服务性能。具体研究内容为： ( 1 ) 建立了可视化、图形化的光分组交换网仿真平台。在给出光分组交换整体框 图的基础上，讨论并推导了仿真系统中主要单元模块的数学模型，包括：光分组产生模 块、光分组同步模块、核心交换节点模块、交换控制模块、光接收和b e r 检测模块。 同时，根据单元器件和子系统的物理特性或数学模型，建立起了整个系统仿真平台。该 仿真平台具有较好的灵活性和扩展性，通过设定不同的接口参数，能够对光分组交换的 误码率、丢包率等相关性能进行仿真和分析。在此平台的基础上，如果建立新的节点结 构模块、新的冲突解决模块、新的网络管理模块等，可以对各项研究内容进行具体而深 入的研究，这也是后两章的工作内容。可以说，本章建立的仿真平台对于研究光分组交 换是一个非常有力的工具。 ( 2 ) 提出了一种新的基于光码标记的光分组交换方案。本章对光标记进行相位编 码，在地址码的选择方面，采用相关性能好、码字空间大、抗干扰能力强的g 0 l d 码。 同时，引入了新的光分组格式和新的节点结构。新的光分组格式由数据载荷和前后两个 光码标记组成，这样的设计不仅支持可变长度的分组，同时能更准确地控制数据载荷的 通过。新的节点结构具有光码标记识别和新标记写入的功能，支持光码标记的并行处理， 基于光码标记的光分组交换性能研究 节点控制和管理简单。最后在m a t l a b s i m u l i l l l ( 环境中建立了具有三个节点的光分组交换 网仿真平台。仿真结果表明，采用该方案无须像传统的电子路由器那样查询复杂的路由 表，节约了处理时间，提高了网络的吞吐量。同时，由于选用了性能良好的地址码，接 收端的误码率比较低，多用户干扰造成的影响很小。 ( 3 ) 提出了一种新的光分组交换动态q o s 保证方案。为了满足分组业务在实时i 生 和可靠性方面的要求，采用新的基于丢包率和分组时延的动态q o s 保证模型。该模型采 用一种新的光分组格式、扩展的核心交换节点结构以及新的冲突解决策略。新的光分组 格式引入了分组的q o s 需求参数和实时参数；核心交换节点采用波长变换器和f d l 共 享循环型缓存器解决分组竞争；冲突解决策略基于一种新的比较机制。最后采用m a t l a b s i m u l i l l l ( 环境对该模型进行了仿真。为了更好地衡量动态q o s 保证的性能，本章同时给 出了基于优先级的静态q o s 保证的仿真曲线。仿真结果表明，与基于优先级的静态q o s 保证模型相比，动态q o s 保证模型不仅有效降低了丢包率和分组时延，而且能够对不同 类型的业务提供更好的区分服务。同时，该模型大大提高了光分组交换网的资源利用率， 为不同业务类型的处理提供了一种更加灵活的解决方案。 大连理工大学硕士学位论文 2 光分组交换的原理 2 1光分组交换的发展和演进 由于i p 业务量的指数增长以及d w d m 在传送网中的主导地位，将i p 业务直接承 载于d w d m 系统的i po v e rd w d m 光网络成为理想的选择。i po v e rd w d m 光网络的 发展可分为三个阶段，即：i po v e r 点到点d w d m 、i po v e ro t n 、光分组交换【j 。 i po v e r 点到点d w d m 为第一代i po v e rd w d m 系统。在此系统中，d w d m 仅仅 作为相邻路由器之间的带宽通道，具有极少的智能功能。这类系统的主要缺点是光网络 没有配置能力，不能提供直通光路。路由器对每个数据分组均要进行光电、电光转换 和处理，即使是源地址和目的地址均不属于本地路由器的分组，也要进行复杂的处理。 沉重的处理负担和处理速度的电子瓶颈，使得路由器不堪重负，也使得路由器的电子处 理能力与w d m 线路的传送能力严重失配。这种方式已经应用于商用系统中。 i po v e ro t n 为第二代i po v e rd w d m 系统。其中o t n 可看作是可重构d w d m 。 在这类系统中，由于o x c ( 或o a d m ) 节点设备的引入，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 络中任何其它路由器的任何端口相连，从而实现路由器之间连接的任意配置。 在光分组交换系统中，光层直接提供分组级的交换能力，这是第三代i po v e rd w d m 系统。光分组交换对数据速率和格式透明，可动态共享、统计复用带宽资源，能极大地 提高网络资源利用率，并使网络具有很好的灵活性。而且，在光分组交换网中可以使用 m p l s 协议，从而实现流量工程以及q o s 保证，所以光分组交换将是i po v e rd w d m 网 络的最终理想方案。 2 2 光分组交换网络分层参考模型 光分组交换网络参考模型分为三层，如图2 1 所示【l2 1 。第一层对应于已普遍使用的 接入网业务，如a t m 、p d h 和s d h 及其它常用的标准分组和基于帧的业务。为了简单， 整个网络用一层来表示，把它称作电交换层。第三层为透明光传送层，对应于广域的光 传送网，透明的路由及可重构的能力由o x c 节点提供，作为底层传送层，链路的传输 容量可达t b s 。由于在相对低速的电交换层和大粒度的基于波长信道的光传送层之间存 在代沟，需要在低速信道和高速信道之间进行适配，所以在这两层间引入第二层，即光 分组交换网络层，它对信号比特率和传输方式透明，在o t n 的高速波长信道和电交换 网之间架起一座桥梁，从而大大改进了带宽的利用率和网络的灵活性。该层延伸了光传 基于光码标记的光分组交换性能研究 送网透明性的优点，可作为电接入网和核心网的大容量的承载接入网，也可作为基于相 同的分组格式的光城域网m a n 的骨干网。 固曳滁 么至罗光分组交换 图2 1 光分组交换网络分层参考模型 f i g 2 1 o p sh i e r a r c h i c a ln e t w o r kr 占f e r e n c em o d e l 2 3 光分组交换节点 光奴互连 2 3 1光分组交换节点结构 以i p 业务为中心的光分组交换网由核心交换节点、边缘交换节点和客户接入网组 成，采用g m p l s 的基本思想，将路由和交换分开。光分组头的标记信息在边缘交换节 点分配，高速的控制和路由在核心交换节点实现。携带电域i p 分组信息的高速光分组 数据载荷直接在光域传输。 由图2 2 可以看出，光分组交换有两个主要的应用f 1 3 】。第一是作为边缘路由器，把 电的i p 与o t n 连接起来。边缘路由器通过电分组的目的地址和业务类型产生合适的光 标记，同时将汇聚起来的电分组放入光分组的数据载荷中。第二是核心路由器，分组经 过网络，在核心交换节点进行交换，经历路由选择和标记交换。在这种模式下，网络能 最大限度地利用网络的资源，使所需的网络容量最小，从而减小o x c 的规模。 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 边缘交换节点和核心交换节点 f i g 2 2e d g eo p sa n dc o r eo p sn o d e s 光分组交换节点，按照控制信号的类型来分，可分为全光型和光电混合型。对于全 光型分组交换节点，数据和控制信号从源到目的地均是在光域里，但由于目前高速光控 器件很少，短期内实现较困难。因此，迄今为止，国际上的研究项目基本上是采用光电 混合型分组交换节点，即传输与交换在光域实现，路由和转发功能以电的方式实现。 图2 3 所示为光电混合型核心交换节点结构，主要由输入处理单元、交换核单元、 交换控制单元和输出处理单元组成。 ( 1 ) 输入处理单元 包括光标记的提取、滤除。如果采用同步光分组交换，还需要对分组进行定位处理， 使进来的分组实时对准。 ( 2 ) 交换核单元 通过内部光开关的动作将分组发送到正确的输出端口。 ( 3 ) 交换控制单元 通过一定的路由算法和交换控制策略控制交换核单元，实现分组的竞争解决和分组 管理等功能。 ( 4 ) 输出处理单元 包括新的光标记的生成和重新写入，具有3 r ( 3 r ：r i e 锄p l i 匆i n g ，r e s h 印i n g ，r e t i m i n g ) 功能的输出接口可使分组再生。 基于光码标记的光分组交换性能研究 由图2 3 可以看出，光分组交换的基本原理是，输入的光分组经光耦合器取出一部 分光信号，经过光电转换后提取光标记信息，以实现交换和其他相关功能的控制；另一 部分进入光纤延迟线f d l ( f d l ：f i b e rd e l a yl i n e ) 中等待光标记处理。为了实现标记 更新，需要根据标记转发表，在光域实现旧标记的擦除和新标记的写入。为了解决多个 分组竞争同一个输出端口，需要引入竞争解决单元。为了克服传输和交换过程中光分组 信号的劣化，须对光分组进行全光再生。 - 一 = = = _ i换等单元 ：i 一： 豳 l 嘲 事： 户l 光标记识别 l 等魁、一 露嬲黼 i - ，丽嘲 x i 输出处理单元l i l 曙离栩 = = = 】输入处理单元： ：。 ： i 。 一： 弋：。? i 7 p 图2 3 核心交换节点结构 f i g 2 3 o p sc o r en o d ea r c h i t e c t u r e 2 3 2 两种主要的0 p s 节点交换结构 目前光分组交换中的各种交换结构都是在光域上实现分组的存储和交换，在电域上 完成路由选择和存储控制等功能。两种主要的o p s 节点交换结构为：波长路由w r s ( w r s ：w a v e l e n g t h r 0 u t i n gs w i t c h ) 交换结构和广播一选择型b & s ( b & s ：b r o a d c a s t - a n d - s e l e c ts 埘t c h ) 交换结构。 图2 4 所示为f r o n t i e m e t 波长路由交换结构【1 4 】，w r s 结构的核心是一个阵列波导光 栅a w g ( a w g ：岫e dw a v e g u i d eg r a t i n g ) 。a w g 起着固定路由的波长路由器的作 用，同一个输入端口的不同波长对应着不同的输出端口。分组依次经过可调谐波长变换 器t w c ( t w c ：t u l l a b l ew a v e l e n g n lc o n v e r t e r ) 、a w g 和b u f f e r ，最后到达输出端口。 t w c 根据每个分组的输入和输出端口给它分配一个波长，a w g 根据这个波长将分组输 出到相应的输出端口。 一一i，岫，一 大连理工大学硕士学位论文 n 图2 4 波长路由交换结构 f i g 2 4w a v e l e n 垂h r o u t i n gs w i t c h i n g 盯c h i t e c t u r e n b & s 结构是w r s 的发展，任意输入端口的任意波长信道上的分组，由光耦合器广 播发送到任意输出端口的任意波长信道上，因此具有广播和组播特性。一个典型的例子 就是k e o p s 项目中使用的b & s 结构【6 】，如图2 5 所示。 _ 医p 蜉卜 i 1 w l i i 二臣 ) m u x lj - 1： li l 交换控制 图2 5 广播一选择交换结构 f i g 2 5 b r o a d c 嬲t 锄d s e i e c ts w i t c h j n ga r c h i t e c t u r e 由图2 5 可知，n 个输入端口的分组首先进行波长变换，经波分复用器合成一路， 然后采用一个星型耦合器将复用信号广播给k 条光纤延迟线。经过光纤延迟线后，每个 分组都获得了0 ( k 一1 ) t 个不同时间的时延。每条延迟线输出的分组又被一个星型耦合 器广播给所有输出端口，在每个输出端口上都有一组s o a 光开关门进行选择。首先， 基于光码标记的光分组交换i 生能研究 前面1 个s o a 光开关门在某一时刻打开，让含有要在该端口输出分组的复用信号通过， 接着第2 个s o a 光开关门打开，通过波长选择在该端口输出的分组。 2 4 光分组交换的关键技术 光分组交换作为最有前景的光交换方案，近年来成为研究的热点。但走向实用化面 临的难度也不小，涉及到多种技术的实现和完善。现对其中的几项关键技术介绍如下。 2 4 1光标记的产生方式 为了适应对i p 业务的支持，近几年在光分组交换中引入了光标记的概念。目前光 分组交换采用的是波长、副载波复用( s c m ) 和o c d m 光码等光标记。 波长光标记，即所有分组的标记信息都通过一个专用的波长通道来传送，在这一专 用波长中不同分组的标记信息又以时分复用的方式传送，数据载荷在另外的载荷波长通 道中传送【l i 】。标记与对应的数据载荷以非同步的方式传输。波长光标记的原理，如图 2 6 所示。 波长标记通遵二l 量委薹零l 互蚕蒌琴l 屋覆霪罗粤 ，|，一 载 尢 ：二二= = z 亡一 橥屯耳三二= ! 一 鎏乃二_ 厶 二二二 道 九 = = 二二= 二 图2 6 波长光标记的原理 f i 2 2 6p r i n c i o l eo fw a v e i e n m hl a b e i 波长光标记的优点主要是标记的产生、提取、识别与插入均较容易，且技术比较成 熟。但是由于波长交换的粒度太大、灵活性差，且由于波长数有限使标记空间不足，使 得用波长作为分组标记的局限性很大，限制了光网络资源的利用。 采用副载波作标记时，数据载荷调制在基带上，光标记承载于一个低速的副载波上， 它们相加混合成一路信号共同调制光载波，即标记和数据载荷被“复用 在同一波长上， 从而实现两者的共同传输f 3 】。副载波光标记的频谱结构如图2 7 所示。 大连理工大学硕士学位论文 萄 汹 奁 目 频谱 o 频率，h z 图2 7 副载波光标记的频谱结构 f i g 2 7f r e q u e n c ys p e c t r u mo fs c m 1 2 l b e l 副载波光标记中，仅有小部分的光信号用于探测光标记，可以在整个光分组的时间 内处理标记，同时不占用额外的波长信道资源。但实际的s c m 头替代技术受到对整个 分组光电转换所采用的电子滤波、再调制和在一个新的激光器上再传输的限制。尽管副 载波头的恢复可以用光滤波器来实现，但实现困难、且成本高。另外s c m 技术仍然需 要一些微波器件，如本地振荡器、混频器和滤波器等，虽然它们的成本已经不太高，但 由于微波检测和头的电子处理限制它只能应用于中、低速率。 光码标记指的是在光分组交换中采用具有一定正交特性的码字作为标记，在光域上 进行标记的产生( 即光学编码) 和识别( 即光学解码) ，以实现在交换过程中高速、全 光地处理标记信息的目的。在欠缺全光逻辑处理器件的情况下，光码标记是最接近全光 分组交换的一种方案。光码标记采用时分复用的方式，标记信息在前，数据载荷在后， 两者之间留有一定的保护时间间隔。保护时间的设置一是为了给光分组同步的对齐留有 余量，二是为了给光开关预留操作时间。采用光码标记的光分组格式如图2 8 所示。 数据光码 载荷标记 下保护时河一一万 图2 8 基于光码标记的光分组格式 f i g 2 8o c - i a b e l b 孙e d 叩t i c a lp a c k e tf - 0 n n a t 基于光码标记的光分组交换性能研究 光码标记允许在不同的波长上实现光码复用，标记空间大，无须像传统的电子路由 器那样查询复杂的路由表，节约了处理时间，而且，采用无源光器件、无需像o t d m 和时空标记交换那样需要采用光逻辑器件，即可实现标记的识别和处理，交换节点的控 制和管理简单。同时，大的标记空间减小了对光分组缓存的要求，因此，近来受到了光 分组交换研究领域的特别关注。 2 4 2 光分组的同步 在光分组交换网中，由于不同的分组到达同一个节点的入口时间不同，按照光分组 在进入交换矩阵之前是否需要使分组对准，可把光分组交换分为同步和异步两种工作模 式。同步是基于时隙的交换，光分组在进入交换矩阵前与本地参考时钟对准( 即分组同 步) ，具有较高的吞吐率。异步适应分组变长的特点，光分组在进入交换矩阵前不需要 同步，控制和调度较复杂，吞吐率比同步低，但是更适合于与现有i p 业务兼容。之以 前的研究主要侧重于与a t m 兼容的同