（通信与信息系统专业论文）obs网络中信令协议的研究.pdf

重庆邮电人学硕士论文摘要 摘要 随着下一代光网络技术的不断发展，光突发交换( o b s ) 技术作为当前系统条件 下可行的一种方案，是一种粒度基于光电路交换( o c s ) 和光分组交换( o p s ) 之间的 技术。它兼有o c s 和o p s 的优点，可满足未来互联网的高速率、大容量数据传输与 交换需求，为人们所广泛关注。 o b s 网络中，边缘节点根据一定的汇聚机制，产生数据突发d b 和相应的控制 分组b c p 。如何对d b 实现全光、高效、透明的传输和交换，满足各种业务的q o s 传输要求；如何解决传输路径上的资源预留问题；如何达到高效协调b c p 和d b 之 间的工作则显得非常必要。光突发交换网络中的各种信令协议就是为研究和解决 这些问题而设计的。 本文首先介绍了光突发交换网络的背景、相关技术，其中包括了光突发交换 网络的体系结构、基本原理、节点的功能结构，突发汇聚算法、数据信道调度算 法、竞争解决机制和信令协议等。接下来，基于后向预留协议( b r p ) ，在有限波长 转换o b s 网络中，结合并行调度方案，本文提出了一种新的o b s 分段快速信令协 议( s f p ) ，有效地弥补了b r p 在端到端连续波长限制和时延上的不足。然后针对传 统o b s 信令协议不能高效支持同步业务这一缺陷，对s f p 协议进行扩展，提出面 向多业务的o b s 分段快速信令协议( s f p m s ) 。该协议在尽可能地维持同步业务周 期性的同时，采用一串同步d b 对应一对b c p 的方式，降低了节点对b c p 的处理 开销；当同步d b 的长度改变时，重新预留资源，及时取消无效的探询和预留过程， 并释放无效资源；创建了一个同步业务和异步业务都能较好的适应的o b s 网络环 境。 本文采用了通信仿真软件o p n e tm o d e l e r1 4 5 对s f p m s 协议建立了仿真模 型，并对仿真结果进行了讨论。仿真结果表明：与b r p 相比，s f p m s 具有更低 的丢包率和端到端时延，更高的链路利用率；在尽可能地维持同步业务周期性的 同时，s f p m s 能够减少节点处理b c p 的数量，及时释放无效的探询、预留过程 和资源，降低丢包率，提高链路利用率，有效地承载多业务。 关键词：多业务，光突发交换，信令协议，并行调度，波长转换 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft 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 ，o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) 鹤ar e a l i z a b l es c h e m e ，i t sg r a n u l a r i t yb e t w e e no 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 lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) i tc o m b i n et h ea d v a n t a g eo f o p s a n do c sa n d c a l ls a t i s f yt h ed e m a n do fh i 曲s p e e da n dl a r g es c a l ed a t at r a n s m i s s i o n a n de x c h a n g ei nf u t u r ei n t e m e t ，h a sb e e nw i d e l yn o t i c e d i no b sn e t w o r k s ( o b s n ) ，t h ee d g en o d ep r o d u c ed ba n dc o r r e s p o n d i n gb c p a c c o r d i n gt os o m ea s s e m b l i n ga l g o r i t h m h o wt ot r a n s p o r ta n de x c h a n g ed bo p t i c a l l y ， e f l i e n t l ya n dt r a n s p a r e n t l y ，s a t i s f yt h eq o sd e m a n do fd i f f e r e n ts e r v i c e s ；h o wt os o l v e t h ep r o b l e mo ft h er e s o u r c e sr e s e r v a t i o ni nt r a n s m i s s i o np a t h ；h o wt oe f f i e n t l y c o o r d i n a t et h ew o r kb e t w e e nb c pa n dd b a l lp r o b l e m sa b o v ea p p e a rv e r yn e c e s s a r y , v a r i o u ss i g n a l i n gp r o t o c o l so fo b s na r ed e v e l o p e dt or e s e a r c ha n ds o l v e t h e s e p r o b l e m s f i s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n da n ds o m et e c h n o l o g i e so fo b s n ， i n c l u d i n gt h ea r c h i t e c t u r e 、b a s i cp r i n c i p l e ，f u n c t i o no f n o d e ，a s s e m b l i n ga l g o r i t h m ， d a t ac h a n n e ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，s i g n a l i n gp r o t o c o la n ds oo n ；a f t e ri t ，b a s eo nb r p ， i nl i m i t e dw a v e l e n g t hc o n v e r s i o no b sn e t w o r k ，c o m b i n e dw i t hp a r a l l e ls c h e d u l i n g s c h e m e ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e ws e g m e n t e da n df a s ts i g n a l i n gp r o t o c o lo f o b s ( s f p ) , m a k i n gu pt h es h o r t a g eo fe n dt oe n dw a v e l e n g t hc o n t i n u i t yc o n s t r a i n ta n d d e l a y t h e n ，i nv i e wo ft h ef l a wi nc u r r e n to b ss i g n a l i n gp r o t o c o lt h a tc a n te f f e c t i v e l y s u p p o r ts y n c h r o n o u st r a f f i c ，b a s e do ns f p ，t h i sp a p e rp r o p o s e sas e g m e n t e da n df a s t s i g n a l i n gp r o t o c o lf o rm u l t i s e r v i c eo fo b s ( s f p - m s ) i ts a t i s f i e st h ep e r i o d i c i t yo f s y n c h r o n o u st r a f f i c 嬲f a ra sp o s s i b l e ，u s e st h es c h e m eo fag r o u po fs y n c h r o n o u sd b c o r r e s p o n g d i n gap a i ro fb c p t or e d u c et h en u m b e ro fp r o c e s s i n gb c pa tn o d e s w h e n t h el e n g t ho fs y n c h r o n o u sd bi sc h a n g e d ，i tr e r e s e r v e sr e s o u r c e ，c a n c e l si n v a l i dp r o b i n g a n dr e s e r v e dp r o c e s st i m e l y , a n dr e l e a s e si n v a l i dr e s o u l i 冶，t os e tu pao b s n e n v i r o n m e n tw h i c hc a nb ea c c o m m o d a t e db yb o t ha s y n c h r o n o u sa n ds y n c h r o n o u s t r a f 矗c t i l i sp a p e ru s e st h ec o m m u n i c a t i o ns i m u l a t i o ns o f t w a r eo p n e tm o d e l e r14 5t o s e tu pt h es i m u l a t i o nm o d e lo fs f p m sa n dd i s c u s st h es i m u l a t i o nr e s u l t s i m u l a t i o n r e s u l ti n d i c a t e s ：c o m p a r e dt ob r p , s f p - m sc a l lr e d u c et h ee n d - t o - - e n dd e l a ya n dp a c k e t h 重庆邮电大学硕士论文 a b m r a u c t l o s sp r o b a b i l i t ya n dr a i s et h el i n ku t i l i z a t i o n u n d e rt h ec i r c u m s t a n c eo fs a t i s f y i n gt h e p e r i o d i c i t yo fs y n c h r o n o u st r a f f i ca sf a ra sp o s s i b l e ，s f p m sc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e n u m b e ro fp r o c e s s i n gb c pa tn o d e s ，r e l e a s ei n v a l i dp r o b i n g ，r e s e r v e dp r o c e s sa n d r e s o u r c et i m e l y ，r e d u c et h ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i t y ，r a i s el i n ku t i l i z a t i o n ，e f f e c t i v e l y s u p p o r tm u l t i s e r v i c e k e y w o r d s ：m u l t i s e r v i c e ，o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) ，s i g n a l i n gp r o t o c o l ，p a r a l l e l s c h e d u l i n g ，w a v e l e n t hc o n v e r s i o n i i i 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 作为2 1 世纪信息社会的主要载体，网络已成为一个全球化的趋势，其技术日 新月异。以对等网络模式( p 2 p ) 的业务为代表的互联网业务迅速发展，移动业务如火 如荼，专业化、个人化、智能化的下一代网络业务蓄势待发，全世界范围的网络带 宽需求年增长率显著，依然高达5 0 1 0 0 i l 】。网络业务量以指数级的速度迅速膨 胀，这就要求网络整体传输和处理资源能力的增强。采用波分复用( w d m ) 技术的光 通信网络因其具有大宽带、经济、传输透明、可扩展及良好的兼容性能无疑将成为 网络传输信息的核心基础设施之一，呈现出良好的发展势头 2 1 。 近几年随着w d m 技术的进步，光网络传输能力得到了大幅度的提升，波分 复用的波长数不断增加，单根光纤的最大传输速率已达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 i s ，能够满足较长时期网络对带宽的需求；吉= 太比特交换机 路由器、光交叉连接设备o x c 、光分插复用设备o a d m 等光交换器件的出现，光 电转换技术的进步，为建立大容量、高带宽的高效光网络提供了必要条件。为了实 现波分复用光网络的交换和传输，目前提出了三种光交换技术：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 ) 以及光 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 ) 例。 1 ) 光分组交换 光分组交换的典型特点是“存储转发，其直接在光层上完成精细粒度的分组 交换，采用统计复用的方式，能够共享信道资源，资源利用率较高，适用于传输m 等突发性数据。光分组交换核心网络中的数据分组从输入到输出，均采用光交换技 术，网络中的数据都是处在实时处理或动态存储的状态，从而突破电子交换的速率 瓶颈【l l 】。 光分组交换是传统电分组交换在光域中的延伸，它对光缓存器件和光交换器件 的要求很高【i3 1 ，目前实验室系统采用光纤延迟线作为光缓存器，其笨重、不灵活、 并且存储能力有限，很难达到要求：而光交换器件的处理速度也有限，目前还没有 高速的光逻辑器件；另外，光分组交换的精确同步也难以实现，分组长度的设定问 题还有待解决，这些都使得光分组交换仍处于理论研究阶段，在短期内无法实现。 2 ) 光电路交换 光电路交换的交换方式是以波长为交换粒度的，波分复用网络采用双向预留机 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 制，建立端到端的光路：当源节点接到业务连接请求时，发出光路建立请求的突发 、 控制包b c p ( b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) ，建立波长通道，当收到来自目的节点的确认消息 后再发送数据，建立的波长通道将被一直占用直到该业务连接结束，因此数据传输 至少要等待一个端到端的往返时延，光电路交换机制适合高带宽的业务，并且业务 生存时间与连接时间相比足够长i l u j 。 由于网络中的业务大多是突发性较强的相似业务，因此以波长为交换粒度的光 电路交换的效率不高。由于光路连接建立和拆除的时间较长，不适应时延敏感的业 务。又因其波长通道一旦建立后将一直占用，直到该业务连接结束，导致不能实现 资源的统计复用，导致信道利用率较低，阻塞率大，网络吞吐量不高。 3 ) 光突发交换 光突发交换是结合光电路交换和光分组交换的一种平衡折中的方案，它兼顾了 两者的优点并且避免了两者的部分缺点，具有很好的发展前景。光突发交换以多个 数据分组的集合即突发数据包d b ( d a t ab u r s t ) 为传输单元，交换粒度介于光电路交 换与光分组交换之间，能够实现复用。光突发交换比光电路交换灵活，并且信道利 用率高；而与光分组交换相比，光突发交换的带宽颗粒较粗，因而网络的处理开销 相对减少；另外，光突发交换降低了对光缓存器件、光交换器件以及分组同步等技 术的要求，比光分组交换更贴近实际的应用 6 1 。 表1 1o b s 、o p s 、o c s 的比较 o p s 、o c s 和o b s 三种光交换方案的对比分析如表1 1 所示，从表中可一看出 o b s 主要优点有 7 1 ： ( 1 ) 交换粒度中等，突发流量长度可变，一个突发数据包的长度从几个数据包到 一个短的会话，只需要使用一个突发控制包，降低了每个数据单元的处理和网络控 制开销： ( 2 ) 传输过程中，突发数据包与突发控制包分离，有效降低核心节点的复杂度、 光交换器件和同步的要求，有利于光突发交换实用化； ( 3 ) 从不同源端到不同目的端的突发数据包可以实现统计复用，有效的使用链 路上相同波长的空闲资源，增强了对拥塞和差错的适应性，提高带宽利用率； ( 4 ) 突发控制包进行光电、电光转换，突发数据包在光域内透明传输，不需要 任何的光电光转换，缓解了光电转换造成的电子瓶颈； ( 5 ) 支持不同服务质量( q o s - q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的需求，更长的偏置时间可以用 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 来提供服务质量保证，它能够大大减小高优先级突发包的丢包率而不会对其延迟影 响太大，符合网络发展的趋势。 光 网 络 发 展 历 程 全 光 网 络 波长路由环网 巫巫圃需要粕蚍转换 时间 图1 1 光网络的发展历程 随着技术的不断发展和业务量的不断增长，网络正在向下一代因特网( n o i ) 和 下一代网络( n g n ) 迅速的变革，光网络技术作为构建下一代网络的核心技术之一， 其网络和光纤通信系统的建设和发展己进行了二十多年 3 1 ，如图1 1 所示，光网络 经历了p d h ，s d h 和d w d m 三个阶段，网络结构也从点到点的传输系统向环形 网和网格型网的方向发展使用。它已经由过去的需要进行光电光转换的点到点 w d m 链路发展到今天面向多业务的传送平台( m s t p ) 和自动交换光网络( a s o n ) 【4 j ；在目前，长途骨干网的框架已基本形成，下一步发展的重点一方面转向完善网 络功能、增加网络智能化方面，另一方面转向光城域网和光接入的建设上，并在下 一代d w d m 基础上建立宽带电路交换与分组交换融合的智能光网络，提高带宽利 用率和提供多业务的接入。光突发交换技术和光分组交换技术作为光网络中的发展 趋势，如图1 1 ，必将为新一代光网络提供更加灵活有效、更加实用化和更加商用 化的解决方案。 1 2 研究现状 近年来o b s 网络已受到许多国内外学术界和科研院所以及有关企业的关注： 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、英国支持的 w a s p n e t 项目等；在美国，n s f n e t 网络平台专门对o b s 进行研究；我国在 8 6 3 计划中也将o b s 列为重点项目之一，许多高校和研究所都对其进行了研究； 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 很多网络设备运营商和网络服务提供商也对光突发交换网络技术提供了很多的研 究和支持i 忆j 。 目前光突发交换领域的主要研究热点集中在以下几个方面：光突发交换网络边 缘路由器的汇聚组帧技术；突发包的高效寻径和转发的控制信令协议、路由机制和 资源调度算法；各种业务的q o s 支持和保障；基于突发竞争现象所采取的解决及避 免方案；o b s 网络的管理实现等。 如何对d b 实现全光、高效、透明的传输和交换，满足各种业务的q o s 传输要 求；如何解决传输路径上的资源预留问题；如何达到高效协调控制分组和d b 分组 之间的工作等一直是光突发交换网络亟待解决的一个核心问题。光突发交换网络中 的各种信令协议就是研究和解决这些问题而设计的，然而传统的o b s 网络信令协 议在丢包率和时延的性能上仍存在不足。另一方面，在单一网络承载多业务的迫切 需求下，作为下一代光互连网的核心支撑技术之一的o b s 网络也应向多业务承载 方向演进，然而当前已有的o b s 网络信令协议的研究主要集中在如何高效的承载 突发性较强的异步数据业务 1 6 , 1 7 , 1 8 1 ，而不能高效支持t d m ( t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x ) 、v o i p 、p w 伪线业务等同步业务。本文正是就这些问题展开分析和研 究的。 1 3 论文研究内容与组织结构 本文的主要内容包括以下几个方面： 1 ) 介绍了光交换技术的发展、背景和研究现状，比较并分析了目前主要的三 种光交换技术。 2 ) 光突发交换网络的结构体系和特点。主要介绍光突发交换网络的基本原理 及相关技术。 3 ) 简单分析并比较了当前光突发交换网络信令协议的长处与弊端，在此基础上 提出面向多业务的光突发交换分段快速信令协议，并通过计算机仿真对该协议的性 能进行了分析并得出结论。 本文的组织架构共分为五个章节： 第一章，绪论。主要介绍研究背景，给出了论文的研究内容和组织结构。 第二章，光突发交换网络的相关技术和原理，其中包括了光突发交换网络的体 系结构、基本原理、边缘节点和核心节点的功能结构，突发汇聚组装算法、数据信 道调度算法、竞争解决机制和信令协议等几项关键技术。 第三章，面向多业务的o b s 分段快速信令协议，主要内容包括：基于后向预 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 留协议( b r p ) ，首先提出一种新的o b s 分段快速信令协议( s f p ) 。接下来对s f p 协 议进行扩展，提出面向多业务的o b s 分段快速信令协议( s f p m s ) 。 第四章，面向多业务的o b s 分段快速信令协议在o p n e t 软件中的性能分析。 介绍了计算机仿真软件o p n e t 的特点，描述了仿真建模的过程。通过o p n e t 仿 真实验从多个参数和角度评估了面向多业务的o b s 分段快速信令协议的性能。 第五章，结论和未来的工作。对全文进行总结并展望未来。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络原理及关键技术 第二章光突发交换网络原理及关键技术 2 1o b s 网络结构体系及原理 2 1 1o b s 网络结构体系 图2 1 是一个光突发交换o b s 网络的基本结构体系图。由图中可以看出，o b s 网络由位于网络边缘的边缘节点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 ) 及若干d w d m w d m 链路等设备组成 1 5 】。其中边缘节点e n 主要负责 接收来自i p 等各种网络的分组数据，将它们组装汇聚成数据突发d b 、产生相应 的b c p 以及完成d b 的解汇聚等功能，核心节点c n 根据b c p 中的信息完成对数 据突发d b 的波长调度、竞争解决及q o s 保障等工作。 2 1 2o b s 网络实现原理 图2 1o b s 网络的基本结构图 在o b s 网络中，有两种类型的数据流和与之对应的两种传输信道组。两种类 型的数据流是指包含数据突发的长度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 ) 和承载业务的数据突发d b ( d a t ab u r s t ) ，d b 由若干数据包汇聚组装而成， 其长度通常是变长的，一般为1 5 k - i m t 羽，而b c p 的长度则远小于d b 的长度， 其中含有突发长度、偏置时间、波长i d 和路由信息等；与之对应的两种传输信道 组是指，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 e lg r o u p ) 和传输d b 的数据 信道组d c g ( d a t ac h a n n e lg r o u p ) ，如图2 2 所示。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络原理及关键技术 c c g ：c o n t r o lc h a n n e lg r o u p d c g ：d a t ac h a n n e lg r o u p 图2 2b c p 和d b 在o b s 网络中的传输示例 b c p 和d b 的传输在空间和时间上都是分离的。空间上的分离指的是采用带 外信令控制的方式，d b 和b c p 将在各自的数据信道和控制信道中分别进行传输； 时间上的分离指的是d b 的发送比b c p 延迟一个偏置时间( o f f s e tt i m e ) 。b c p 和 d b 在信道中的传输过程如图2 3 所示：图中包含有两个数据信道和一个控制信道， b c p 在专用的控制信道c 上传输。数据突发包d b l 和d b 2 延迟一个偏置时间后 分别在数据信道d 1 、d 2 上传输( d b l 比b c p l 延迟t 1 ，d b 2 比b c p 2 延迟t 2 ) 。 d bl d i d z c o n t r o l c 、h a n n e lb c _ p lb 铲 i i 3 b 寸十一一c ：薯! ：t i m e r 一t l _ _ 图2 3b c p 和d b 在信道中的传输 o b s 网络的原理以及实现过程【7 , 1 1 如下：网络入口边缘节点e n 接收来自各种 接入网的m 分组、a t m 信元等数据包，按照它们的目的地址和服务等级( q o s ) 等 信息，对它们进行分类、缓存和封装，组装汇聚成数据突发包d b ，并产生出突发 控制分组b c p ，一个b c p 包含其对应的d b 在核心网络内交换所必须的控制信息， 如d b 的目的地址、出端口、偏置时间、d b 大小和q o s 等信息；然后边缘节点提 前于对应的d b 在分离的控制信道将b c p 发送给与之最邻近的核心节点c n ；各个 核心节点c n 收到b c p 后，根据b c p 携带的d b 长度、路由等信息，对相应的 d b 预留资源，完成交换配置功能；d b 在间隔一段偏置时间后根据b c p 预先配置 好的资源信息进行传输和波长交换；在网络出口处，出口边缘节点e n 将d b 拆卸 7 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络原理及关键技术 解汇聚，发送给接入网或终端用户。 o b s 网络中，b c p 的传输是在光域中进行的，核心节点收到b c p 需要进行光 电转换o e ，在电域中对b c p 进行信令解析和处理，完成资源配置和处理过程后 再对b c p 进行电光转换e o ，在光域中传输b c p ；而d b 则根据b c p 事先配置好 的链路，在光域中直接透明的到达目的节点，路径上的中间节点不需要对d b 进行 任何识别和处理，不用进行o e o 的转换。因此，o b s 网络可以看成是由两种类 型的网络结构组成的网络体系。这两种网络结构相互联系，相互支撑：一个是传 输d b 的纯粹的光网络，另一个是传输b c p 的光电混合网络。 2 2 光突发交换网络节点结构 光突发交换网络中的节点分为边缘节点e n ( e d g cn o d e ) 和核心节点c n ( c o r e n o d e ) ，下面分别介绍它们的功能与结构。 2 2 1 边缘节点的功能与结构 o b s 网络边缘节点连接各种外部网络( 如传统i p 网、以太网等) ，是外部网 络与o b s 网络不同协议类型、不同网络接口的转换点和数据的集合点。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，通常情况下，边缘节点须 同时具有入口边缘节点和出口边缘节点的功能，能够完成各种协议类型的网络互 联，不仅可以将来自各种接入网络的数据分组汇聚成适合在o b s 网络中传输的d b 分组，同时也可以将到达目的节点的d b 分组解汇聚为入口边缘节点处的原始数据 分组，发往各个目的网络或设备终端。 光突发交换网络边缘节点的核心部件是边缘路由器，边缘路由器最主要的功 能就是组装拆卸d b 分组。按照基本功能的不同，边缘路由器的结构可分为两部 分：发送部分和接收部分，分别如图2 4 和图2 5 所示i l3 1 ，发送部分对应于入1 3 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。入 口边缘路由器的功能包括：1 ) 分拣和缓存各类数据包；2 ) 将发往同一出口边缘路由 器的数据包按照一定的规则汇聚成数据突发；3 ) 在数据突发中插入在目的节点提取 数据包所需要的信息；4 在o b s 网络中为数据突发的传输预留需要的资源；5 ) 在 网络上转发数据突发。反之，出口边缘路由器从数据突发中提取出数据包并将它 们转发往目的网络。 每个线卡被分为接收部分( l i n c c a r d ( r ) ) 和发送部分( l i n e c a r d ( s ) ) ；分解和分 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络原理及关键技术 组转发、路由查找、业务归类、业务整形等功能均包含在接受线卡中，发送线卡 主要完成组装功能【1 3 1 。入口边缘节点处，根据目的地址、服务质量( q o s ) 等属性进 行分类后的数据包分别暂存到突发组装器( b u r s ta s s e m b l e r ) 的不同的队列中进行汇 聚，并由调度器( s c h e d u l e r ) 控制。突发长度计量器、组装计时器记录着各类队列的 排队情况，当队列长度或装配时间满足一定的门限时，同一队列的数据包汇聚装 配成d b 净荷，计算出偏置时间( o f f s e t并生成相应的。数据突发和控制t i m e )b c p 分组传输模块( b u r s t & b c pt xm o d u l e ) 将d b 和b c p 转发至o b s 核心网络中【1 3 】。 当数据突发被接收后，它和b c p 携带的信息将一起发送至突发解汇聚器r ( b u r s t d i s a s s e m b l e r ) 中，d b 分组被拆分还原为入口边缘节点处的原始数据分组，这些分 组像在传统的路由器中一样被转发至目的网络或终端用户。 i l i n ec a r d ( r ) 卜 a 鼢盯卜is c h e a u - e r 叫繁篙篙 s w i t c h m a t r i x b u r s t b c p l l i n ec a r d ( r ) 卜 一a 船h叫s c h e d u l e ri - - ,t xm o d u l e 图2 4 边缘节点功能与结构( 发送部分) 图2 5 边缘节点功能与结构( 接收部分) 2 2 2 核心节点的功畿与结构 o b s 网络核心节点主要包括以下几个部分【2 1 1 ( 如图2 6 所示) ：光交换矩阵o s m ( o p t i c a ls 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 e & s i g n a l i n gp r o c e s s o r ) 等。各部分的 主要功能如下【2 1 1 ： 1 信道映射( c h a n n e 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 ，使交换控制单元( s c u ) 有足够时间处理其对应的b c p ： 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络原理及关键技术 3 f d l 光缓存( f d lb u f f e r ) ，可有可无( 根据需求决定是否配置) 。主要用于在 出i z l 数据信道组d c g ( d a t ac h a n n e lg r o u p ) 缓存发生竞争的d b ，对d b 进行一定时间的延迟，在时间域解决d b 竞争； 4 光交换矩阵o s m ( o p t i 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； 5 路由信令处理器( r o u t e & s i g n a l i n gp r o c e s s o r ) ，生成、维持并更新路由表， 为o b s 网络选择路由并实现控制协议等； 6 交换控制单元s c u ( s w i t c hc o n t r o lu r a 0 ，是整个核心节点的关键单元，其 主要包括分组处理器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 pt xm o d u l e ) 、输出端口处理器等模块， 主要功能是对b c p 进行光电光转换，在电域中对b c p 进行信令解析、处 理、交换和调度，生成并发出控制消息使控制交换矩阵做出相应的配置， 更新偏置时间信息等。 图2 6o b s 核心节点功能结构 2 3o b s 网络突发包格式 2 3 1 突发数据包d b 格式 图2 7 给出了一种典型的数据突发包d b 的格式，其中包括保护带( g u a r d ) 、 同步模式( s y n c ) 、d b 类型( t y p e ) 、负载长度( p l ) 、包个数( n o p ) 、有效负载( p a y l o a d ) ： 填充开销( p o ) 、光层信息( o l i ) 和校验( c r c ) 等域【刀。数据突发包前部和尾部的安 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 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络原理及关键技术 阵配置时隙的不一致以及光矩阵配置时间的不确定性等；s y n c 域用来同步出口边 缘节点的光接收器；t y p e 域表示d b 的类型；p l 域是以字节表示的负载长度；n o p 域表示负载中的包个数；如果对于最小d b 长度有限制，那么就有可能需要填充字 段p o 域；其它光层信息( o l i ) 包含性能监测和差错恢复等，c r c 域负责校验【找l 。 p a y l o a d 域中承载了汇聚而成的所有数据包的净荷，除了包含数据包的净荷之外， p a y l o a d 域中还包含了各个数据包净荷在d b 中的偏移位，从而便于d b 的拆分和 各个数据包净荷的还原。 g u n i s y n ct y p e p ln o p p a y l o a d p oo uc r cg u r d 图2 7 数据突发包d b 格式 2 3 2 突发控制包b c p 格式 o b s 网络突发控制包b c p 的格式如图2 8 所示，包括保护带( g u a r d ) 、同步模 式( s y n c ) 、b c p 类型( t y p e ) 、d b 信息( d bi n f o ) 、填充开销( p o ) 、光层信息( o l i ) 和 校验( c r c ) 等域。其中保护带、同步模式域、类型域、p l 域、n o p 域、p o 域、光 层信息( o l i ) 域和校验( c r c ) 域的作用类似于突发数据包d b ，而信息域主要包括了 源节点地址、目的节点地址、数据突发占用的端口波长信道( p o r t w a v e l e n g t h ) 、数 据突发的长度大d x ( b u r s ts i z e ) 、偏置时间( o f f s e tt h n e ) 、数据突发包的服务质量( q o s ) 等相关信息1 7 j 。突发控制包可以利用这些信息在核心节点为随后到达的数据突发预 约资源。 i lg r r ds y i h d b i m f oc r cg u a r d i ，7 一、 7 i s o u r c ed h tp o r t b u r s t o 压坼t q o s i a 硼r a d d r w a v d e n g t - s i z et i m e 1 图2 8 突发控制包b c p 格式 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络原理及关键技术 2 4 突发数据的汇聚算法 突发数据包d b 的汇聚( b u r s ta s s e m b l y ) 算法是o b s 网络中的一项关键技术。 带有汇聚队列的o b s 网络边缘节点基本模型如上图2 9 所示，其主要由分类器， 多个组装缓存队列，d b 调度器等部件构成。在o b s 网络的入口边缘节点处，将 来自各个接入网( 如传统i p 网、以太网、s d h 网等) 的数据流，按照它们的目的地 址、服务等级等信息，汇聚组装成一个大的数据突发d b ，发送至o b s 核心网， 完成高速o b s 核心网同低速接入网的速率适配，从而有效的降低o b s 核心网在光 域中的交换负担和处理开销幽j 。 图2 9o b s 网络边缘节点基本模型 现有的o b s 网络突发数据包的汇聚算法主要有以下几种【2 4 】： 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 c 嫡o d ) ：当队列的汇聚时延达到时间 门限值后，产生d b 和相应的b c p ； 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 e ) ：当队列的长度达到长度门限值 时，产生d b 和相应的b c p ； 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 e r i o d ) ：当汇聚时延达到时间门限值或队列长度达到长度门限值时，产生 d b 和相应的b c p ； 4 自适应汇聚时间算法( a a s ：a d a p t i v ea s s e m b l yp e r i o d ) ：设定一个汇聚时间上、 下门限的动态窗口机制，在每完成一次d b 分组汇聚之后，根据实时的网 络链路状态来动态地调整下一次汇聚的时间门限，并确保汇聚长度不超过 固定的汇聚长度； 5 自适应汇聚长度算法( a a s ：a d a p t i v ea s s e m b l ys i z e ) ：设定一个突发长度上、 下门限的动态窗口机制，在每完成一次d b 分组汇聚之后，根据实时的网 络链路状态来动态地调整下一次汇聚的门限长度，并确保汇聚时间不超过 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络原理及关键技术 固定的汇聚时间； 6 自适应最小突发长度最大汇聚时间算法( a m b m a p ：a d a p t i v e m a xb u r s t - s i z e m a xa s s e m b l yp e r i o d ) ：汇聚时间和会突发长度都设置一个上、下门限的动 态窗口机制，在每完成一次d b 分组汇聚之后，根据实时的网络链路状态 来动态地调整下一次汇聚的时间和长度门限。 2 5o b s 网络数据信道调度机制 光突发交换网络的交换单元为中等粒度的数据突发d b ，能够对不同端到端的 d b 实现统计复用。当一个突发控制包到达核心节点后，信道调度算法的作用是决 定使用哪个出口链路的信道来传输相应的数据突发。理想的数据信道调度机制应 该能够最大限度的利用信道带宽，减少d b 的竞争和冲突，降低d b 的丢包率，提 高信道的资源利用率。 现将几种主要的调度算法归纳如下： 1 首次适应算法( f f ：f i r s tf i t ) 0 7 】：该算法预先将信道按照一定的顺序编号， 假设d b 分组到达核心节点的时间为f ，其持续时间为允，因此，该d b 分组需要 占用的资源为时隙f 到龇时刻；数据信道调度器在t 到什红时刻依次查询各信道 的使用情况，当找到第一条可用的信道后，就将其确认为d b 分组的传输信道，并 将该信道设定为“不可用 ，时刻舰后将该信道恢复成“可用 状态。如图2 1 0 所示，数据信道d 卜仍在f 到什屯的时隙均未被占用，按照首次适应原则，将选 择d ，作为d b 分组的传输信道。f f 算法的特点是简单易实现，其缺点是数据信道 的使用不平均，会导致信道利用率不高，因此可以考虑将d b 插入d b 间的空隙功 能来提高f f 算法的性能1 7 j 。 图2 1 0f f 算法 2 最迟可用未占用信道算法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 ) t 2 6 l ： 该算法中，数据信道调度器首先寻找在，到，+ 红时刻空闲的信道组，从信道组中选 重庆邮电大学硕士论文第二章光