（通信与信息系统专业论文）光突发交换网络竞争解决机制研究.pdf

摘要 随着通信科技的发展，现有的网络已经无法满足快速增长的因特网业务的 需求，促使人们对网络传输和交换技术进行研究。目前波分复用技术可以把多 条波长的光信号复用到一根光纤中传输，尤其密集波分复用技术的使用使得网 络的传输能力得到大幅的提高，信息的传送速率的增长大大超过了网络交换能 力的增长，原有的电子交换系统已经不适合因特网发展的需要，采用光交换技 术来解决这个瓶颈成为了必然的趋势。 目前光交换技术主要有光路交换、光分组交换和光突发交换。光突发交换 在一定程度上兼顾了光路交换和光分组交换的优点，又避免了它们的缺点，不 需要光器件，交换灵活，是建造下一代光网络最具前景的光交换技术。 在光突发交换网络中，为了提高网络效率，对网络资源采用了统计复用的 方式，于此同时也会产生突发数据包的竞争。采用有效的竞争解决机制来避免 突发数据包的竞争，降低丢包率，是光突发交换网络需要解决的关键问题。 本文首先介绍了光突发交换技术的概念、发展、应用领域和前景。接着全 面阐述了光突发交换网络的网络结构和基本工作原理，并详细讨论了其关键技 术，如边缘汇聚机制、传输控制协议、数据信道调度机制和竞争解决方案。通 过分析光突发交换网络突发数据包产生竞争的原因，重点讨论了现有的几种竞 争解决机制，其中包括光缓存、波长变换、偏射路由和分段丢弃，并分析了它 们的性能。在此基础上，本文提出了信道分级竞争解决方案，通过o p n e t 网络 仿真平台建立模型，对其性能进行仿真研究，得出了不同信道配置下突发数据 包丢失率和平均处理时延曲线。结果表明，该方法可以处理好突发数据包丢失 率和平均处理时延的关系，支持不同的业务需求，是一种实用的方案。 关键词：光突发交换；突发数据包；突发控制包；突发包竞争；竞争解决 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , e x i s t i n gn e t w o r k sc a l l tm e e t t h ef a s tg r o w t ho fi n t e r n e tb u s i n e s sr e q u i r e m e n t s ，w h i c hi n s p i r e st h er e s e a r c ho n n e t w o r kt r a n s m i s s i o na n ds w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s 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 i st oc o m b i n eh u n d r e d so fg i g a b i tc h a n n e l si n t oo n ef i b e r n e t w o r kt r a n s m i s s i o n c a p a c i t yi sc o n s i d e r a b l yi m p r o v e db yd e n s ew 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 ( d w d m ) t e c h n o l o g y , s p e c i a l l y t h eg r o w t ho ft r a n s m i t t i n gr a t e i s a l r e a d yf a r b e y o n dt h ec u r r e n tn e t w o r ks w i t c h i n gc a p a c i t y t h ee l e c t r o n i cs w i t c h i n gs y s t e m h a s h tb e e na p p r o p r i a t ef o ri n t e m e td e v e l o p m e n t c o n s e q u e n t l y , i ti si n e v i t a b l et o s o l v et h i sb o t t l e n e c kb yo p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y t h e r ea r et h r e ek i n d so fo p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y ：o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) ，o 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 lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) o b s c o m b i n e sa d v a n t a g e so fo p sa n do c s o b si sav e r yp r o m i s i n go p t i c a ls w i t c h i n g t e c h n o l o g yf o rb u i l d i n gt h en e x tg e n e r a t i o no p t i c a li n t e r a c t f o rw h i c hs w i t c h e s f l e x i b l y , o v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g e so fo p sa n do c sa n dd o e s n tn e e do p t i c a l d e v i c e s t oi m p r o v et h en e t w o r ke f f i c i e n c y , s t a t i s t i c a lm u l t i p l e x i n gi su s e di no b s n e t w o r k s ，w h i c hm a yc a u s eb u r s td a t ap a c k e tc o l l i s i o n s i ti sak e y i s s u et or e d u c e t h en u m b e ro fc o n t e n t i o n sb ye f f i c i e n tc o n t e n t i o nr e s o l u t i o ni no r d e rt om i n i m i z et h e p a c k e tl o s sr a t e f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i cc o n c e p t ，d e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n sa n d f u t u r eo fo b st e c h n o l o g y t h e nw ed e s c r i b et h eg e n e r a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n d w o r k i n gp r i n c i p l eo fo b sn e t w o r k s t h ek e yt e c h n o l o g i e sr e l a t e dt o t h eo b s n e t w o r k sa r ea l s od i s c u s s e d ，s u c ha s ，b u r s ta s s e m b l y , s i g n a l i n gp r o t o c o l ，c h a n n e l s c h e d u l i n g ,a n dc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n t h e n , t h er e a s o n o fb u r s tc o n t e n t i o ni s a n a l y z e d ，a n dt h e s ee x i s t i n gc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ss c h e m e si n c l u d i n go p t i c a lf i b e r d e l a yl i n e ( f d l ) b u f f e r s ，w a v e l e n g t hc o n v e r s i o n , d e f l e c t i o nr o u t i n g a n db u r s t s e g m e n t a t i o na r ea l s od i s c u s s e d o nt h eb a s i s ，w ep r e s e n t ac h a n n e lg r a d i n g i t c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n , a n di t sp e r f o r m a n c ei sd i s c u s s e di ns i m u l a t i o nb yo p n e t n e t w o r ks i m u l a t i o np l a t f o r m w eo b t a i np a c k e tl o s tr a t ea n da v e r a g ep r o c e s s i n g d e l a yc u r v e su n d e rd i f f e r e n tc h a n n e lc o n f i g u r a t i o n s t h er e s u l ts h o w st h a tt h i s s c h e m ei sap r a c t i c a lr e s o l u t i o nw h i c hc o u l ds u p p o r td i f f e r e n ts e r v i c er e q u i r e m e n t s a n d e f f e c t i v e l ym a n a g et h e b l a n c eb e t w e e nt h ep a c k e tl o s sr a t ea n da v e r a g e p r o c e s s i n gd e l a yi no b s n 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 ；b u r s td a t ap a c k e t ；b u r s tc o n t r o lp a c k e t ；b u r s t c 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 l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着通信科技的发展，光网络以接近无限的带宽潜力和卓越的传送性能得 到越来越多的关注。2 0 世纪9 0 年代中期，掺饵光纤放大器( e d f a ) 和密集波 分复用( d w d m ) 技术逐渐成熟并商用，使得光纤的传输容量迅速增长，如今 单纤的传输容量已达到太比特每秒数量级，大容量、超长距离传输成为可能【l 】。 目前通信网络的交换系统采用的是电子交换，电子交换和处理电路本身固 有的缺点使得处理速度难以得到大幅的提高。光纤的传输能力的增长大大超过 网络处理能力的增长，通信网的瓶颈转移到了网络的交换系统。同时传统的交 换系统在交换节点的入口和出口处要进行光电和电光转换，这就进一步增加了 网络的负担。随着i n t c r n e t 的迅猛发展，因特网流量爆炸式的增长、业务的多样 性和突发性使得传统的核心交换网络已经不适应现在的发展需要，促使人们对 全光交换技术进行深入的研究，采用光交换技术来解决电子瓶颈的限制成为了 必然的趋势。 1 2 光交换技术 光交换技术指的是不经过任何的光电或电光转换，只在光域中将输入光信 号交换到不同的输出端。与电交换相比，光交换技术具有较多的优势，具有以 下特点： ( 1 ) 提高交换节点的吞吐量。光交换不会受到调制器、检测器等光电器件 响应速度的限制，因此能大大提高交换节点的吞吐量。 ( 2 ) 降低交换成本。光信号通过光交换单元时，不需要经过任何的光电 或电光转换，则可以省掉价格昂贵的光电接口器件。 ( 3 ) 透明性。光交换技术对通信协议、信号调制方式和比特率等都透明， 具有优良的升级能力。 光突发交换网络竞争解决机制研究 目前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 ) 、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 ) 和光突发交换( o b s ：o p t i c a lb u r s t s w i t c h i n g ) 。 ( 1 ) 光路交换技术：类似于传统的电路交换，是一种面向连接的通信技术。 最小交换单元是一个波长通道上的业务流量。数据传输前先建立光路连接，传 输时独占光纤链路的一个波长信道，数据传输完毕后要释放连接。光路交换技 术比较成熟，但是带宽利用率不高，不能实现统计复用，连接建立和释放都需 要时间，不适合突发业务。 ( 2 ) 光分组交换技术：类似于目前的电分组交换，但传输和存储都采用光 的形式，最小交换单元是光分组。光分组到达交换节点后，交换节点对分组进 行排队和转发。光分组交换技术能实现统计复用，带宽利用率较高，适合突发 业务，如类似i p 的突发数据，但是o p s 还不成熟，有些关键技术还有待完善， 如高速光交换矩阵、长时延高速缓存器等，使得实现光分组交换比较困难，并 且成本较高。 ( 3 ) 光突发交换技术：以光突发包作为最小数据单元，交换粒度介于光路 交换和光分组交换之间，采用单向预留的方式分配资源，光突发控制包和光突 发数据包各自单独在不同的信道传送，在时间和空间上都分开传输。 三种光交换技术的比较如表1 1 所示。 表1 1 三种光交换技术的比较 t a b l e1 1 c o m p a r i s o no ft h r e ek i n d so fo p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y 光交换方式粒度带宽利用率延迟光缓存适应性开销实现难度 o c s 粗低高不需要弱低低 o p s 细高低需要强高高 0 b s中 高 低不需要强 低 中 由表1 1 可以看出，光突发交换技术交换粒度适中，不要求光网络的中间 节点有光缓存，有效降低了对交换节点的复杂度和光器件的要求。对突发数据 包也不需要进行光电和电光转换，采用的单向预留资源机制，使得突发数据包 第一章绪论 跟在突发控制包之后，不需要等待回应，大大减少了时延。采用统计复用的方 式，有效的利用了链路上相同波长的带宽，带宽的利用率较高。光突发交换结 合了光路交换和光分组交换的优点，同时又避免了它们的缺点，是目前最具有 发展潜力的光交换技术。 1 3 光突发交换研究现状与趋势 光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 的概念来源于电域的突发交换，2 0 世纪8 0 年代初期突发交换在语音通信领域出现【2 】，但是当时电话网和数据网技 术都已经成熟，没有必要以突发包为单位来处理语音或数据而改变整个网络， 因此突发交换并没有得到进一步发展和普及。近年来光纤通信技术的飞速发展， 尤其是密集波分复用技术的成熟，使得信息的传送速率的增长大大超过了处理 能力的增长，原有的处理分组的方法使得网络处理设备长期处于过载状态，无 法满足呈爆炸式增长的i n t e r n e t 业务的需求。2 0 世纪9 0 年代，c h u n m i n gq i a o 3 】 和j s t u m e ：4 】等提出光突发交换技术，得到越来越多的关注和研究。 目前美国、德国、英国、澳大利亚、意大利、韩国和日本等都在积极研究 光突发交换网络，其中部分已经建立o b s 实验网络。近些年o b s 网络在国内 也成为研究热点之一，其中清华大学、北京邮电大学、上海交通大学、西安电 子科技大学对o b s 网络的关键技术进行了研究和跟踪【7 1 。对光突发交换网络 的研究主要集中在边缘节点汇聚技术、控制协议、数据信道调度算法、q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 调度方法和竞争解决机制等。 光突发交换网络作为一种新型的网络结构，在标准的制定和协议方面还不 成熟，很多关键的技术还需要进一步的发展和完善，如o b s 网络如何支持m 等业务、o b s 协议及其具体实施、网络节点的硬件实现等等问题。虽然o b s 目前还处于实验室研究阶段，但是光突发交换技术以其良好的应用前景和巨大 的发展潜力，将会得到飞速的发展，成为下一代光传输与交换网络的核心技术。 光突发交换网络竞争解决机制研究 1 4 研究目的和意义 在光突发交换网络中，当两个或多个输入光突发数据包同时要求在同一个 输出端口的同一个波长上预留资源输出时，就会产生突发数据包竞争问题。突 发数据包竞争会导致竞争的数据包丢失，如何降低因突发数据包竞争导致的数 据丢失是光突发交换网络需要解决的重要问题，因此研究有效的竞争解决方法 可以降低因突发包竞争导致的数据丢失率，提高网络的性能。光突发交换网络 作为一种新型的网络结构，对它的研究在国内外虽然已经兴起，但远不够深入 和全面，目前的竞争解决方法对降低网络丢包率和其他网络性能的提高尚未得 到广泛的认同，还处于实验室研究阶段，需要进一步的发展和完善。本论文将 深入研究多种竞争解决方法的优缺点，提出一种新的竞争解决方法，并通过 o p n e t 网络仿真软件进行仿真，验证这种竞争解决方法在保证一定网络吞吐量 的同时，能有效降低o b s 网络中的数据丢失率，是一种更加实用的光突发交换 网络竞争解决方案。 光突发交换网络是为了满足不断激增的业务需求发展起来的，它具有延时 小、带宽利用率高、交换灵活、数据透明、交换容量大等优点，可以达到t b s 级的交换容量。因此，o b s 网络主要应用于大型城域网和广域网。它既可以支 持传统业务，如电话、s d h 、i p 、f d d i 和a t m 等，也可以支持具有较高突发 性和多样性的业务，如数据文件传输、网页浏览、视频点播、视频会议等，为 三网融合的发展提供了有力的支持。，本论文研究结果为光通信网的组网方法提 供参考，推动全光通信网的发展与应用，对构建下一代光网络具有一定的理论 探索意义和实际的应用价值。 1 5 论文的主要内容 本论文主要对光突发交换网络竞争解决方案进行研究，在研究经典的竞争 解决方法的基础上，提出一种新的竞争解决方法，并用网络仿真软件进行仿真 实验。 第一章概述几种光交换技术，并重点介绍了光突发交换技术的研究现状和 第一章绪论 发展趋势，最后阐明了研究目的和意义。 第二章详细介绍了光突发交换网络的网络结构、基本工作原理和几种关键 技术。 第三章重点分析了几种光突发交换网络竞争解决方案：光缓存、波长变换、 偏射路由和分段丢弃等机制，并比较各自的优缺点。在此基础上，提出一种新 的竞争解决方法信道分级竞争解决方案。 第四章使用o p n e t 网络仿真软件进行建模仿真，仿真结果表明信道分级 竞争解决方案能有效的处理丢包率和平均处理时延的关系，提高网络性能，更 好的适应不同业务的需要。 第五章对全文的工作进行总结，并对下步的工作和研究方向做出了展望。 光突发交换网络竞争解决机制研究 第二章光突发交换网络 2 1 光突发交换网络结构 光突发交换网络由边缘节点、核心节点和波分复用( w d m ) 链路等组成， 如图2 1 所示。 图2 1 光突发交换网络结构 f i g2 1 a r c h i t e c t u r eo fo b sn e t w o r k s 边缘节点位于o b s 网络的边缘，提供各种网络接口，使得o b s 网络与其 他各种协议类型的网络都能够互联。每个边缘节点必须具备两个功能：入口边 缘节点功能和出口边缘节点功能。o b s 网络以光突发包为交换单元，入口边缘 节点功能是按照输入数据流的特性，如数据包的目的地址和服务等级等，对数 据包进行分类、缓存和封装，组成突发数据包( b d p ：b u r s td a t ap a c k e t ) 。并 产生突发控制包( b c p ：b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) ，该b c p 包含b d p 传输交换所必 需的控制信息，如b d p 大小、出口地址和偏置时间等信息，提前其对应的b d p 在控制信道发送给与之最邻近的核心节点，b d p 经过设定的偏置时间后跟随 b c p 在数据信道发送。出口边缘节点功能是将接收到的b d p 拆卸成多个数据 包，如果需要，则进行重排序和出错重传，并将数据包发送给其他网络或终端 第二章光突发交换网络 用户。 核心节点处于o b s 网络的中心，它根据接收到的b c p 的路由信息，对与 该b c p 对应的b d p 进行转发和交换。b c p 在核心节点需要进行光电光的转换， 在电域进行路由判断、控制光交换矩阵、更新b c p 信息等。而b d p 则不需要 在核心节点进行光电光的转换，整个交换和传输的过程都在光域完成。 w d m 链路代表核心节点间的传输能力。在o b s 网络中，通常每个方向都 有一个数据信道组( 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 l c h a n n e lg r o u p ) 。数据信道传输突发数据包，控制信道传输突发控制包。d c g 和c c g 可以属于一条光纤，也可以分属于不同光纤。通常每根光纤有一个或几 个波长作为控制信道，其他波长用于数据信道；在多光纤系统中，也可以用一 根光纤或其中的几个波长作为控制信道，而其他光纤和波长作为数据信道。 2 2 光突发交换网络基本原理 光突发交换网络以光突发包为交换单元，采用单向资源预留机制。当其他 网络的数据包到达o b s 网络时，由边缘节点按照一定的规则封装b d p ，并产 生与之对应的b c p ，同时设置b c p 与b d p 的偏置时间，偏置时间即b c p 和 b d p 的出发时间间隔，如图2 2 所示。突发控制包先于突发数据包在控制信道 发送，沿路为b d p 预留节点资源，b c p 到达每个核心节点后由核心节点进行光 电转换，在电域处理控制信息，进行路由判断，配置相关的资源以便给即将到 达的突发数据包预留带宽，保证突发数据包能在偏置时间里进行全光的传输和 交换。突发数据包在数据信道中发送，一般不需要等待确认信息，通过事先配 置好的链路，透明的到达目的节点。突发数据包在传输和交换过程中不需要经 过任何的光电或电光转换，途径的中间节点只需要按照预先的配置进行波长变 换和延迟，在光域内直接将输入光信号交换到不同的输出端。在o b s 网络的出 口处，边缘节点将b d p 拆分成适合邻接网络协议要求的数据包格式，发送给邻 接的网络或者终端。 光突发交换网络竞争解决机制研究 突发数据包1 二 数据信道1 突发数据包n l b c p nb c p l 厂 厂。 + - 偏置时间叫 7 图2 2b c p 和b d p 传输示意图 f i g2 2t r a n s m i s s i o nd i a g r a mo f b c pa n db d p 数据信道n b c p 信道 突发控制包和突发数据包各自单独传送，在空间和时间上信道都是分离的。 控制信道和数据信道的分离，简化了突发数据包交换的处理，并且突发控制包 长度较短，这样方便实现高速处理。每个突发数据包对应一个突发控制包，它 们之间的信息是相联系的。在传输过程中，b c p 指定w d m 链路的中间节点为 b d p 分配空闲的数据信道，根据链路的实际情况，在b c p 进行光电转换后， 可以修改b c p 的控制信息，实现数据信道的带宽资源动态分配。 2 3 光突发交换网络关键技术 2 3 1 边缘汇聚技术 其他网络的数据要进入光突发交换网络，必须通过o b s 网络的边缘节点把 从其他网络进入来的数据信息按照一定的规则汇聚组装成能够在o b s 网络里 传输的数据包形式，即突发数据包。边缘汇聚技术就是把数据信息适配进o b s 网络并组装成突发包的关键技术。 假设在边缘节点里，对每个出口边缘节点和每种服务等级都有一个队列用 于汇聚突发数据包，所有到达该边缘节点的数据信息，将根据其目的地址和服 务等级被分配到相应的队列中。根据一定的汇聚规则，产生b d p ，并进行有效 的封装，然后产生相应的b c p ，并对其设置相关信息。 第二章光突发交换网络 目前已经提出的汇聚算法主要有以下几种： ( 1 ) 基于固定汇聚时间( f a p ：f i x e d a s s e m b l y p e r i o d ) 的机制【3 】，当汇聚 时间达到规定的门限值时，产生一个b d p ，进行发送。这种方式简单直观，但 是该算法几乎周期性的产生b d p ，这种周期性将会引起很高的连续冲突概率， 即使负载不高的时候也可能如此。当负载较大时，产生的b d p 可能很长，对边 缘节点的存储器容量要求也比较大，而且较长的b d p 也更容易产生冲突，以致 影响网络性能。 ( 2 ) 基于固定汇聚长度( f a s ：f i x e d a s s e m b l ys i z e ) 的机制【9 】，其基本思 想是将有相同目的地址和相同服务等级的数据分配到一个队列中，当队列的长 度达到一定门限值时，就产生一个b d p ，并产生对应的b c p ，配置发送。该算 法简单易行，但是当负载较小时，汇聚的时间较长，不适合实时业务。 ( 3 ) 同时考虑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 x a s s e m b l yp e r i o d ) 的机制【1 0 】，当汇聚时间达到规定的时间或者汇聚长度达到门 限值时，产生一个b d p 和相应的b c p 。这种方法同时考虑以上两种算法的思想， 把它们有机的结合在一起，兼顾优点又避免了各自的缺点。当负载较高时，该 算法相当于基于汇聚长度的机制；当负载较低时，相当于基于汇聚时间的机制。 这是常用的一种方式，比较简单，能有效的避免了汇聚时间过长或汇聚的b d p 过长的情况。但在负载较小时，利用率较低，并可能在核心节点发生连续冲突。 图2 3 是该机制的状态转换图。 ( 4 ) 自适应汇聚( a a s ：a d a p t i v e a s s e m b l ys i z e ) 机制1 1 。1 2 】，根据负载的 情况，动态的调节汇聚的门限值，自适应的改变b d p 的大小。该算法汇聚效果 良好，可部分的解决连续竞争问题，但较灵活，控制略为复杂。 光突发交换网络竞争解决机制研究 包，产生b d p 和b c p 列、计数器和定时器 ( 默认) 图2 3 同时考虑时间和长度的汇聚机制状态转换图 f i g2 3 s t a t et r a n s i t i o nd i a g r a mo fm s m a p 2 3 2 传输控制协议 当边缘节点汇聚产生b d p 和相应的b c p 后，o b s 网络需要用控制协议预 留通信路径上的资源，有效的协调b c p 和b d p 之间的工作，让突发数据包能 够在o b s 网络中全光、透明和高效的传输。 按照通信路径的建立和拆除方式分，o b s 网络的控制协议可以分为以下四 种方式。其中，显式是指由外部信息控制节点采取相应操作，a p * u 用带外信令 实现资源的预留和释放；而估算是指节点根据相关信息，自动实现资源的预留 和释放。 ( 1 ) 显式建立显式拆除方式：传输路径的建立和释放都由带外信令控制。 ( 2 ) 显式建立估算拆除方式：由带外信令控制资源的预留，但节点自动 控制资源的释放。 ( 3 ) 估算建立显式拆除方式：与( 2 ) 方式恰相反，通信路径估算建立， 但是由带外信令控制实现资源的释放。 ( 4 ) 估算建立估算拆除方式：利用一个b c p 消息中包含的b d p 偏置时间 信息和持续时间信息，节点自动估算通信路径的建立和释放时刻。 目前具有代表性的o b s 传输控制协议有w e i 和m c f a r l a n d 提出的j i t 第二章光突发交换网络 ( j u s t - i n - t i m e ) 协议【1 3 】和c h u n m i n gq i a o 和m y u n g s i ky o o 提出的j e t ( j u s t e n o u g h t i m e ) 协议【1 4 】。 j 1 1 r 协议属于显式建立显式拆除方式，j i t 协议的工作原理如图2 4 所示， 源节点封装好b d p 后，向邻接的中间节点发送一个s e t u p 消息，请求传输路 径的建立。中间节点接受到s e t u p 消息后，对其进行光电光转换，进行信息 处理，设协议处理时间为t p ，并将s e t u p 消息向其下游节点转发，直至到达目 的节点。同时，中间节点还给源节点发送一个c a l lp r o c e e d i n g 消息，此 消息表明中间节点已经启动传输路径的建立，还包含一个时延参数t p + t d ，给源 节点设置发送b d p 的偏置时间做参考。中间节点转发s e t u p 消息后，立刻开 始预留本节点出的波长并建立交叉连接，设交叉连接建立时间为t c 。源节点接 收到c a l l p r o c e e d i n g 消息后，根据消息中的时延参数t p + t d ，确定b d p 的 发送时间。源节点发送b d p 后，产成一个r e l e a s e 消息，沿着已经建立的传 输路径，在每个中间节点上进行转发，来释放沿途被预留的资源。目的节点收 到s e t u p 消息后，沿着s e t u p 的逆向传输路径给源节点回复一个c o n n e c t 消息，确认传输路径已经建立。 与光路交换相比，j i t 协议不必等待确认信息就将b d p 发送出去，可大大 减少通信时间；与光分组交换相比，因为提前发送b c p 预留资源，不必在中间 节点存储转发，即省去处理时间，又不需要光缓存。j 1 1 r 协议结合了光路交换和 光分组交换的优点，减少了通信路径的建立时间，克服了中间节点对光缓存的 需求，提高了交叉连接和系统带宽的利用率。但当o b s 网络中发生业务冲突和 网络拥塞时，j i t 协议的解决方法却非常有限。 图2 4j r r 协议的工作原理 _ f i 9 2 4 倘g p r i , e i p l e 。f j l t 炒o l 第二章光突发交换网络 的b d p 预留资源时，b d p 将被丢弃，中间节点生成一个预留失败的消息反馈 给源节点，由源节点决定是否重新发送该b d p 。 j e t 协议是针对o b s 网络提出的控制协议，使得网络的控制管理更加的灵 活，也突出了o b s 网络的特点，比j 1 1 r 协议具有更优越的性能，但其实现难度 也要大的多【1 5 1 。 sl23d 图2 5j e t 协议的工作原理 f i g2 5w o r k i n gp r i n c i p l eo f j e tp r o t o c o l 2 3 3 数据信道调度机制 在o b s 网络核心节点中，调度器需要根据一定的调度算法给即将到来的 b d p 选择一个最合适的数据信道来进行交换输出，有效的数据信道调度机制可 以提高带宽利用率，减少竞争的发生，从而减少突发数据包丢失率。 数据信道调度机制一般分为不带时隙填充和带时隙填充两种。目前较典型 的数据信道调度算法有不带时隙填充的最迟可用未占用信道l a u c ( l a t e s t a v a i l a b l eu n s c h e d u l e dc h a n n e l ) 算法【1 6 】和带时隙填充的可插空最迟可用未占用 信道l a u c 7 ( l a t e s ta 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【1 7 - 1 引。 l a u c 算法是通过选择最迟可用未调度的信道，使b d p 之间的间隔最小。 光突发交换网络竞争解决机制研究 设突发持续时间是l 的突发数据包在t 时刻到达光交换矩阵，调度器首先查找 是否还有未调度的输出数据信道。如果有多个信道可用，调度器选择最后一个 突发数据包结束时间与t 时刻的时间间隔最小的信道，则选中信道的未调度时 间( 将来可用时间) 更新为t + l 。如图2 6 ( a ) 所示，信道2 和信道3 在t 时刻 都可用，但是t - t 2 b ，则丢弃b d p 。如图2 6 ( b ) 所示，在t 时刻所有信道都忙。在t + d 时刻，信道1 和3 都空闲，但什d t 3 t + d 4 l ， 则新到达b d p 延时一个f d l 时间单元后，选中信道3 来发送新到达的b d p 。 # 牛口。， 斗f 二l 。： i! - n b 时间3 图2 6l a u c 算法 f i g2 6l a u ca l g o r i t h m l a u c v f 算法是对l a u c 算法的改进，在l a u c 算法中，两个b d p 之间 的间隔是不被使用的，但是在l a u c v f 算法中，两个b d p 之间的间隔中可以 插入新到的b d p 。假设突发持续时间是l 的突发数据包在t 时刻到达光交换矩 阵，调度器查找是否有在时间( t ，t + l ) 可用的数据信道。如果有多个，则选 中最迟可用的数据信道。如图2 7 所示，其中信道3 的突发数据包之间间隔太 小，信道4 在t 时刻被占用，所以信道3 和4 不能使用。信道l 、信道2 和信道 5 在t 时刻都可用，因为t - t 2 t t l t - t 5 ，所以选中信道2 来发送b d p 。如果所有 第二章光突发交换网络 信道在t 时刻都不空闲，则调度器选择在时间( t + i d ，h d + l ) 是否有可用的 数据信道，i 为延时单元，i 从1 开始，直到查找到可用信道为止，l _ i s b 。如果 查找到时间段( t + b d ，t + b d + l ) ，依然没有可用的信道，则丢弃该b d p 和对应 的b c p 。 口 ： 二 加， 新到b d p i 口图 二 ，d ， t 2 l t 2 二 ： ，d ， i t 3 b 二邮。 t 4 l ： 二 帅； l 1 1 _ t 1 。 一时间 图2 7l a u c v f 算法 f i g2 7l a u c v fa l g o r i t h m l a u c 算法简单，易于实现，但信道利用率不高。l a u c v f 算法提高了信 道利用率，是一种比较好的调度算法。目前，还有很多其他的调度算法和基于 这两种算法的改进算法，如简化的l a u c 算法一首次适合( f f ：f i r s t f i t ) 算 法，只要按照给定的顺序搜索数据信道( 如随机轮询或固定顺序) ，找到第一个 满足条件的数据信道即可。 数据信道调度机制作为光突发交换网络的关键技术，一直是研究的热点， 还有重新调度算法1 9 1 、主动突发重调度算澍2 0 1 、支持服务质量q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的调度算法【2 l 】和组调度算法【翻等。 光突发交换网络竞争解决机制研究 2 3 4 竞争解决机制 在光突发交换网络中，当两个或多个输入突发数据包同时要求在同一个输 出端的同一个波长上预留资源输出时，就会产生突发数据包的“冲突”，即所谓 的“突发数据包竞争 问题。突发数据包的竞争会导致竞争的b d p 丢失，如何 降低因突发数据包竞争导致的数据丢失率是竞争解决机制需要解决的主要问 题。 目前，o b s 网络中竞争解决方案主要有光缓存、波长变换、偏射路由和分 段丢弃。 光缓存方案是通过时间域的方法来解决突发数据包竞争问题，利用光存储 器件，将b d p 延时发送，避免冲突的发生。 波长变换是在光网络的波长域内来解决突发数据包竞争，当两个或多个突 发数据包发生竞争，通过波长变换器，让其中一个b d p 直通，其他的b d p 交 换到同一个输出端口，但是不同的波长上。 偏射路由是在空间域上解决突发数据包竞争问题，给竞争的b d p 选择节点 的其他空闲端口进行发送，沿不同的路由最终到达目的端口。 分段丢弃是为了降低因突发数据包竞争而导致的分组丢失率而提出的，当 一个新的b d p 到达而没有空闲波长传送它时，不将它全部丢弃，而是部分丢弃， 这样一旦有波长可用，b d p 的剩余部分就可以被转发传输，b d p 的剩余部分可 能包含了有用的口分组，从而提高分组转发率，降低分组丢失率。 本文第三章将详细介绍对光突发交换网络竞争解决方案的研究，此处不再 赘述。 2 4 本章小结 本章首先概述了光突发交换网络的网络结构和基本工作原理，在此基础上， 重点介绍光突发交换网络的几个关键技术：边缘汇聚技术、传输控制协议、数 据信道调度机制和竞争解决机制，并分析比较了相关的算法及其性能。 第三章光突发交换网络竞争解决方案研究 第三章光突发交换网络竞争解决方案研究 3 1 竞争产生的原因 o b s 网络采用单向资源预留机制，以光突发包为交换单元。突发控制包和 突发数据包各自在不同的信道上单独传送，在空间和时间上都是分离的。突发 控制包先于光突发数据包发送，到达核心节点后为突发数据包预留资源。突发 数据包在传送过程中不需要经过任何的光电或电光转换，通过事先配置好的链 路，在光域上直接将输入光信号交换到不同的输出端，透明的到达目的节点。 在o b s 网络中，当两个或多个b c p 给与其对应的b d p 预留资源输出时， 同时预留占用了同一个输出端口的同一个波长，就会产生b d p 的竞争冲突。如 图3 1 所示，第一个突发数据包( 称为原始突发数据包) 要求在数据信道d l 输 出，占用d l 的时间是从t l 到t 2 ，而第二个突发数据包( 称为竞争突发数据包) 在t 时刻也要求在数据信道d l 输出，t l t t 2 ，t 时刻数据信道d l 已经被原始突 发数据包占用，于是就会发生突发数据包的竞争。 j ；二= 霉：数据包 t 2 l t l 一 卜时间 图3 1 突发数据包竞争情况 f i g3 1b d pc o n t e n t i o n 3 2 竞争解决方案概述 路： 在光突发交换网络中，针对突发数据包竞争冲突问题，有以下几种解决思 ( 1 ) 尽量减少竞争的产生。如采用合理的边缘汇聚技术，使突发控制包和 光突发交换网络竞争解决机制研究 突发数据包之间的偏置时间随机化，有效避免突发数据包的竞争。 ( 2 ) 如果竞争已经产生，则尽量消除竞争。比如采用光存储器件暂时存储 竞争的突发数据包，过一段时间再发送；用波长变换技术把竞争的突发数据包 转换到其他的波长上输出或者使用偏射路由技术把竞争的突发数据包交换到其 他的输出端口，通过其他的路径到达目的端等。 ( 3 ) 如果不能消除竞争，则尽量减少竞争带来的数据丢失。比如采用突发 数据包分段技术或组合式突发数据包技术等。 从技术实现的角度，目前解决突发数据包竞争问题主要有以下几种技术： 光缓存、波长变化、偏射路由和分段丢弃。 3 2 1 光缓存 在传统的电域交换网络中，用随机存储器来解决数据包的竞争冲突问题， 而在o b s 网络中，突发数据包在传输和交换过程中并不进行粗电或电光的转 换，直接在光域里进行传输和交换，所以，如果要存储突发数据包，必须采用 光随机存储器件才行。目前光随机存储器件还没有实用，常采用光纤延迟线f d l ( f i b e rd e l a yl i n e ) 来实现光缓存器。 f d l 是利用光在光纤中传播时需要一定的时间来完成光信号的缓存。光缓 存机制是利用一段或者多段f d l ，将光信号从输出端口再转回到交换结构的输 入端口，即竞争的突发数据包在交换结构的输出端口进入f d l ，经过这段光纤 的延时后，重新输入给交换结构进行再次交换。 目前提出的f d l 结构有：固定延迟f d l 、可变延迟f d l 和混合延迟f d l = 种【2 3 】。 固定延迟f d l 的结构如图3 2 所示，由n 条延迟线组成，每条延迟线提供 固定的延迟时间，但每条延迟线提供的延迟时间是不同的，延迟范围从0 到 b = ( n 1 ) b ，其中b 是单个光纤延迟单元的延迟时间。固定延迟f d l 实现简单， 但是应用不够灵活。 第三章光突发交换网络竞争解决方案研究 图3 2 固定延迟f d l 结构 f i g3 2s a u c t u r eo ff i x e d - d e l a yf d l b u f f e r 可变延迟f d l 的结构如图3 3 所示，它也有n 条延迟线组成，但是每