（信号与信息处理专业论文）obs网络组播实现机制与算法研究.pdf

摘要 摘要 由于现有的光网络交换方式不适合交换突发性业务。因此，为了能解决业务 突发性的问题，提出了光突发交换( o b s ) 技术。光突发交换作为一种实现 i p o v e r - w d m 的光交换技术，结合了波长路由交换和光分组交换的优点，同时也 克服了二者的不足，能提高带宽利用率、降低网络业务的自相似程度。此外，口 组播应用越来越广泛，尤其是不少的组播应用( 如视频点播、视频会议等) 带宽 需求高、实时性强。近年来，研究组播技术从电域向光域扩展( 即光组播技术) 具有重要的现实意义，这种扩展一方面可使当前网络突破“电子瓶颈”效应带来 的带宽限制，另一方面可使光突发交换网络同目前球网络一样，也能灵活、高效 地支持这类高带宽、实时性组播应用。从光组播技术的研究现状来看，一种是基 于波长路由的光层组播，另一种是基于o b s 的光层组播。由于前者主要应用于数 据流持续时间较长的业务，对持续时间较短的业务流带宽利用率不高。后者正好 弥补了前者的缺点。因为，从大量的研究来看，宽带多媒体流量天然就是突发性 的网络业务流。所以，研究基于o b s 中实现组播成为了光互联网领域中的热点之 一a 本文主要研究基于o b s 网络组播的实现机制与算法，提出了基于o b s 网络组 播的最少冗余包树共享算法。并对其进行了链路利用率方面的仿真。主要内容包 括： 1 在深入分析o b s 交换机制和网络特性的基础上，借鉴了基于o b s 网络组播 树共享( t s m c a s t ) 算法并进行改进，加入了树分割机制，提出了基于 o b s 网络的一种最少冗余包的组播树共享( l r p m c a s t - t s ) 算法。 2 为了优化共享树的链路，研究了关于组播树共享机制的分布式组播树构造 协议，从而进一步节约了网络的链路资源。 3 依据前面提出的组播树共享算法，在o p n e tm o d e l e r 中进行了组播树共 享算法的链路利用率仿真。结果显示，采用组播树共享算法能节约大量的 带宽。 4 为了能实现可靠性组播，并对传统的组播源重传机制进行了改进，研究了 本地重传机制。 。 摘要 总体上看，本论文的主要贡献点如下： 1 提出了基于o b s 网络组播的最少冗余包树共享算法。 2 为了解决包丢失的重传问题，详细研究了本地重传机制。 关键词：光突发交换，组播，树共享，树分割，本地重传 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et oo p t i c a ln e t w o r ks w i t c h i n gt e c h n o l o g yw h i c hi s n ts u i t a b l ef o rb u r s tt r a f f i c i ne x i s t e n c e t h e r e f o r e ，i tp r o p o s e so p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) t e c h n o l o g yi no r d e r t os o l v eb u r s tp r o b l e m o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gh a sr e c e i v e dal o to fa t t e n t i o n sb e c a u s e i tc o m b i n e st h eb e n e f i t so fo p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n ga n do p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n ga n d o v e r c o m e st h e i r s h o r t c o m i n g s i s m o r ee f f i c i e n ti nt h eb a n d w i d t hs t a t i s t i c a l m u l t i p l e x i n ga n dt h er e s e r v a t i o ns c h e m e m e a n w h i l e ，i pm u l t i c a s ta p p l i c a t i o nb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yp o p u l a ra n dm e e t i n gg r o w i n gd e m a n d so hb a n d w i d t h w i t ht h ea p p l i c a t i o n s s u c ha sv i d e o - o n - d e m a n ds e r v i c e sa n dv i d e o e o n f e r e n c i n g r e c e n t l y , i ti sm o r ee m i n e n t t oi m p l e m e n te f f i c i e n tm u l t i c a s ti nw d m o p t i c a ln e t w o r k s o p t i c a ll a y e rm u l t i c a s ti s m o r ee f f i c i e n tb e c a u s ef i r s to fa l li tc a na v o i d “e l e c t r o n i cb o t t l e - n e c k a n dt a k ef u l l a d v a n t a g eo fw d mb a n d w i d t h ，a n dc a na l s om a k eo p t i c a ln e t w o r kt os u p p o r tm o r e m u l t i c a s ta p p l i c a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hs t a t u so fo p t i c a ll a y e rm u l t i c a s t ，o n ei s b a s e do nw a v e l e n g t hr o u t i n g ，t h eo t h e ri sb a s e do no b s t h ef o r m e rs p e c i a l l ys u i t s t r a f f i ct h a tg oo ns ol o n g , d o e s n ts u i t t r a f f i ct h a tg oo ns os h o r t h o w e v e r , t h el a t t e r m a k e su pt h ed i s a d v a n t a g eo ft h ef o r m e r t h em a i nm o t i v a t i o nf o rc o n s i d e r i n go p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g q ：o b s ) i st h a ts o m et r a f f i ci nb r o a d b a n dm u l t i m e d i as e r v i c e si s i n h e r e n t l yb u r s t y t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fo p t i c a lm u l t i c a s ti no b s n e t w o r kh a sb e e n a h o t s p o l i nt h ep a p e r , w em a i n l yr e s e a r c hm u l t i c a s ti m p l e m e n tm e c h a n i s ma n da l g o r i t h m f o ro b sn e t w o r k s ，a n dp r o p o s eam u l t i c a s ta l g o r i t h n aw h i c hi sc a l l e dl e a s tr e d u n d a n t p a c k e t sm u l t i c a s tt r e es h a r i n g ( l r p m c a s t - t s ) a l g o r i t h m w h e r e a f l e r , w em a k e s i m u l a t i o no fl i n ku t i l i z a t i o n m a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 b ya n a l y z i n gd e e p l yt h es w i t c h i n gm a c h a n i s ma n dn e t w o r kp e r f o r m a n c eo f o b s i no r d e rt or e d u c er e d u n d a n tp a c k e t sd u et ot h et s - m c a s ta l g o r i t h m a n de f f e c t i v e l yu t i l i z el i n kb a n d w i d t h ，w ep r o p o s eam u l t i c a s ta l g o r i t h mf o r o b sn e t w o r k sb yi n t r o d u c i n gt r e ep a t i t i o nm e c h a n i s m ，c a l l e dl e a s tr e d u n d a n t p a c k e t s m u l t i c a s tt r e es h a r i n g ( l r p m c a s t - t s ) a l g o r i t h m 2 i no r d e rt oo p t i m i z et h el i n ko fs h a r i n gt r e e w es i m u l t a n e o u s l yr e s e a c h 1 1 i a b s t r a c t m u l t i c a s tt r e ec o n s t m e l i n gp r o t o c o lo fm u l t i c a s tt r e e - s h a r i n gm e c h a n i s m ，s o t h a ti ts a v e sf u r t h e rl i n kr e s o u r c e 3 b a s e do nt h ep r o p o s e du 冲- m c a s t - t sa l g o r i t h m 。w em a k et h es i m u l a t i o n o fl i n kn t i l i z a t i o ni n0 p n e tm o d e l e r s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t l r p - m c a s t t sa l g o r i t h mc a nr e d u c et h eb a n d w i d t hc o n s u m p t i o n 4 mo r d e rt or e a l i z ear e l i a b l em u l t i c a s t 。w er e s e a r c hl o c a lr e t r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mb yi m p r o v i n gt r a d i t i o n a lr e t r a n s m i s s i o no f m u l t i c a s t o nt h ew h o l e ，t h e r ea r et h ef o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n si nt h ed i s s e r t a t i o n ： 1 w ep r o p o s eam u l t i c a s ta l g o r i t h mf o ro b sn e t w o r k s ，c a l l e dl e a s tr e d u n d a n t p a c k e t sm u l t i c a s tt r e es h a r i n g ( l g p m c a s t - t s ) a l g o r i t h m 2 ho r d e rt os o l v ep a c k e tl o s sa n dr e t r a m i s s i o np r o b l e m ，w er e s e a r c hl o c a l r e t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi nd e t a i l 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 , m u l t i c a s t ，t r e e s h a r i n g ，t r e ep a t i t i o n ，l o c a l r e t r a n s m i s s i o n i v 图表目录 图表目录 图1 - 1 波长路由交换机”2 图1 - 2 基于波长路由的光路连接3 图1 3 光分组交换机结构图4 图1 4 光层组播实现形式7 图2 - 1b c p 的帧格式”1 0 图2 - 2 数据突发包的帧格式1 0 图2 - 3o b s 网络基本结构。1 1 图2 _ 4 入口边缘路由器功能结构1 2 图2 - 5出口边缘路由器功能结构1 2 图2 - 6 核心路由器的结构图1 3 图2 7j e t 协议的基本原理1 5 图2 - 8j e t 中d r 的使用1 5 图3 - 1 独立式组播方案1 7 图3 2 组播树共享方案1 7 图3 3 组播树共享2 0 图3 - 4 修改链路2 5 图3 5 查询过程2 6 图3 - 6 探测过程( a ) 2 7 图3 - 6 探测过程( b ) 。2 8 图3 7 环路类型( a ) 2 9 图3 7 环路类型( b ) 2 9 图3 7 环路类型( c ) 3 0 图3 8 最近边缘成员节点组播树构造协议状态转移图3 3 图3 - 9 最优节点选择3 3 图3 1 0 最近节点组播树构造协议状态转换图3 5 图3 1 1o p n e tm o d e l e r 层次化模型“3 6 图3 1 2 基于o b s 网络节点结构3 8 图3 1 3o b s 边缘节点m a c 状态图4 0 图表目录 图3 1 4o b s 核心节点m a c 状态图4 2 图3 1 5o b s 网络组播仿真拓扑图4 3 图3 1 6 树共享前后链路利用率仿真图4 4 图3 1 7 两种树共享算法比较4 5 图3 1 8 两种算法链路利用率仿真图4 6 图4 1 突发丢失与重传4 9 图4 2 重传目的节点选择与重传请求( 单n a k 情况) 5 1 图4 3 重传目的节点选择与重传请求( 多n a k 情况) 5 2 图4 4 单播重传与子组播5 3 图4 5 提前重传机制5 5 图4 6 优化后的重传机制5 5 图4 7 重传延迟仿真图5 7 表1 - 1 三种光交换方式的比较5 表3 - 1 不同数目的组播会话链路利用率参数4 6 简略字表 b c p b l r p b r c b t c m o t c n o t d r d v m r p f a p f d l f s m h c j e t l a u c l a u c v f u r p m c a s t i t s m b m a p m o s p f m r m s c 简略字表 b u r s tc o n t r o lp a c k e t b u r s tl o s sr e c o v e r yp r o t o c o l b r a n c h i n gr o u t e r c o r eb a s e dt r e p s c i o s c s t m e m b e ro n - t r e e c l o s e s t - n o d eo n 一1 t e e d e l a yr e s e r v a t i o n d i s t a n c ev e c t o rm u l t i c a s t r o u t i n gp r o t o c o l t h ef i x e da s s e m b l yp e r i o d a l g o r i t l u n f i b e rd e l a yl i n e f i n i t es t a t em a c h i n e h o pc o u n t j u s te n o u g ht i m e l a t e s ta v a i l a b l e u n u s e dc h a n n e l l a t e s ta v a i l a b l eu n u s e d c h a n n e l - v o i df i l l i n g l e a s tr e d u n d a n tp a c k e t m u l t i c a s tt r e es h a r i n g t h em i nb u r s tl e n g t hm a x a s s e m b l yp e r i o d m u l t i c a s to p e ns h o r t e s t p a t hf i r s t m e m b e rr o l i t e r m u l t i c a s ts h a r i n gc l a s s 突发控制包 突发丢失恢复协议 分支路由器 核心基于树 最近成员树构造算法 最近节点树构造算法 延迟预留 矢量距离组播选路协议 固定汇聚算法 光纤延迟线 有限状态机 跳数 恰好足够时间协议 最近可用未调度 信道算法 带空隙填充最近可用 未调度信道算法 最少冗余包 组播树共享算法 最小突发长度 最大汇聚时间算法 开放式最短路径 组播扩展算法 成员路由器 组播共享类 简略字表 o b s 0 c s 0 p s p i m s m q o s r a m r f d r p f r w a s p t s t t s m c a s t w d m o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g p r o t o c o li n d e p e n d e n t m u l t i c a s ts p a r s em o d e q u a l i t yo fs e r v i c e r a n d o ma c c c 站m e m o r y r e s e r v eaf 投e dd u r a t i o n r e v e r s ep a t hf o r w a r d i n g r o u t i n g a n dw a v e l e n g t h a s s i g n m e n t s h o r t e s tp a t hf i r s t s h a r i n gt r e e t r e es h a r i n gm u l t i c a s t w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g x 光突发交换 光电路交换 光分组交换 稀疏模式独立 组播协议 服务质量类型 随机存取存储器 预留固定周期 反向路径转发 选路与波长分配 最短路径优先算法 共享树 树共享组播算法 波分复用 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：2 ：7 年剐e t 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢掣r l 翩签 日期： 第一章绪论 1 1 全光网络的发展必然趋势 第一章绪论 随着不断向信息社会的推进，人们对网络的依赖性也在不断增加。尤其是在 近几年h t e m e t 业务量持续以指数级增长和口已经成为信息通信技术的核心协议 的情况下，更是如此。下一代网络面临的一个重要挑战是容量压力。为了适应以 i p 业务为代表的数据业务的迅猛发展，世界各国的电信公司、网络运营商都在开 发新一代网络产品，研究与建设可持续发展的下一代公用网，并探索新的运营策 略。为了成功地实现从以语音业务为中心向以数据业务为中心转变的电信革命， 尚有许多技术和政策方面的问题以待解决，如网络安全、流量工程、网络管理、 网络应用及运营商之间的合作等问题。如何将i p 与w d m 有效合并，从而推出一 个改进的集成化通信协议系统结构，以达到简化网络层次、提高网络效率的目的 等问题。关于应用什么技术来承载和传输口业务，业界人士一直在激烈争论，运 营商通常更偏向于应用a t m 作为通用网络技术，另一方面网络商中有许多人坚信 在不久的未来口将承揽一切，而且他们认为通过一个优化光学网络来承载口将是 一个最适合的发展方向。 近年来，随着密集波分复用技术的成熟发展，运用w d m 技术的光网络已被 公认为下一代宽带网络的基础。由于以口业务为主的数据业务以成为当前世界信 息业发展的主要推动力，因而能否有效地支持m 业务已成为所有技术能否具有长 远生命力的标志。这样一来，如何构建一个新型的口优化光网络，简称光互联网， 已成为备受瞩目的研究课题。 从光网络长远发展来看，w d m 光网络在传输口等数据业务的过程中，光交 换技术将占据举足轻重的地位。由于目前电域处理的技术的突破已经远远跟不上 光域技术上的成就，导致网络交换设备的处理能力远远不能达到光传输能力，它 们已经严重影响网络带宽和充分利用光纤带宽最大的瓶颈，如何突破目前网络交 换设备处理速度瓶颈，实现高效传送和交换i p 等数据业务。这成为了当前光网络 技术中急需解决的核心问题。目前许多研究机构致力于研究和开发光交换网络技 术，以实现m 数据在全光网络上传输，从而不受电域处理的瓶颈效应的限制。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 光交换技术概述 由于光网络对业务的透明性使得它可以同时承载各种不同的业务，例如话音、 数据、图像等，即它提供了一个通用的光层传输平台，可以同时传送各种不同类 型的业务，而且w d m 的各个信道的速率可以不同。w d m 对业务和数据速率的透 明性是光网络发展的重要目标。从光网络的整体构架来看，其关键技术主要有光 开关技术、光交换技术、波长变换技术、光放大技术、光处理技术和光分插复用 技术等。其中光交换技术是核心技术，因为从光网络发展的过程中，需要由光交 换技术在光域上实现网络的路由、业务区分、恢复等功能，以实现网络的高速率 和协议透明性，提高网络的重构灵活性和生存性。因此从某种角度来看，光交换 技术成为了实现全光网络的关键。 目前，光交换技术主要有光电路交换o c s ( 1 】【甜、光突发交换o b s 【3 1 和光分组 交换o p s ”1 等。 ( 1 ) 光电路交换 3 3 图1 1 波长路由交换机 目前，w d m 系统正被应用于点对点的长途电信网络，在该网络中，主要以波 长路由交换的形式来实现的。w d m 系统利用光波长路由交换机如图1 - 1 所示，可 以对光域中的数据进行全部交换。通过为网络配置光设备使其能够在源结点和目 的结点间建立所有连接或是光路。当没有波长转换设备时，光路必须在其路由经 过的每条链路上使用同一波长，这种限制被称作波长连续性约束。图1 2 是建立多 光路网络示意图。这些光路上传送的数据在中间结点处避免了电交换，从而缓减 了电子瓶颈问题。如果网络的光路建立是静态的，则网络的连接请求均为已知， 但连接持续时间是不确定的。如果是动态的，连接请求动态到达而且连接在拆除 2 第一章绪论 之前会持续确定的时间。 接入点 光菠够蟠 洌弗9 劬j 自锶名径 沿张黄阮搪蚴 图卜2 基于波长路由的光路连接 为了实现波长路由网络，需设计一种控制机制来为连接请求建立光路。当连 接请求到达网络时，最基本的问题是为连接请求寻找路由并指定波长。如果在源 结点到目的结点的路由上没有找到一条合适的波长或者网络没有足够的容量，那 么连接请求会被阻塞。这种问题通常被称作路由波长指定( r w a ) 例问题。 光电路交换的优点是中间节点不需要任何0 e 0 转换，也不需要缓存。这种 交换机制比较适合高速度、高带宽的业务，特别是该业务持续时间比较长的情况。 但是，由于宽带多媒体流量天然就是突发性的，这个已经得到了很多研究机构的 证实，所以对于突发性数据业务，电路交换由于一个光路径要占用整个波长通道 的每个链路，不能统计复用，导致带宽利用率较低。其次，光纤中有限的波长资 源使得在同一个时间内只能建立有限的波长路径，这意味着部分业务不可能建立 端到端的光通路。最后，如果通过动态建立和拆除光路径来解决以上问题，又会 因为波长路由交换是基于双向预留的波长路径建立时间比较长，所以这个办法并 不适用。 ( 2 ) 光分组交换 光分组交换是最接近于全光网络交换的一种交换机制。相对于光电路交换而 言，光分组交换不需要通信双方在进行业务传输之前建立连接。它采用单向预约 机制，每一条从源点到目的站点的信息流都被分割成j t l d , 的信息包，分别进行交 换。采取这种方式，实际上可以承载任意速率，任意种类的业务量，因此较之纯 粹的w d m 方法，光分组交换提供了更大的灵活性。而且光分组交换还使我们对 网络的利用更有效，因为除了在数据被传输的时候保留带宽，其它时候不必再为 3 o 圈一一 一 一 电子科技大学硕士学位论文 一个连接持续地保留网络带宽。一个光分组交换器件如图l - 3 包括三个子部件：输 入接口、交换核心单元和输出接口。其中输入接口对进来的分组依据时钟作实时 同步，交换核心单元将分组发送到正确的目的地并实现竞争裁决，输出接口对分 组插入的一个新的包头，并且可以具有数据再生的功能。 解复用输入节口输出接口复用 li 际磊翮 陆_ ( 广= = = i 呐f 皓hl - 1信号广一 、j l 1 1 上。 l y 1 匦圈 l 、 i 啤瓣黜勰鲤m 豳 圜 二光模块匿团 电模块 图卜3 光分组交换机结构图 光分组交换是一种细粒度的交换机制，由于它允许统计复用网络通道带宽资 源等，因此特别适合突发的数据业务，是未来光域交换的主要方式。 从长远来看，为了提高交换速率和带宽利用率，全光的分组交换是光网络的 发展方向，但光分组交换目前还存在很多问题：首先，目前不存在光r a m ，只能 使用光纤延迟线f d l 来增加数据延迟时间。其次，由于要区分分组头、分组结束 等标识，还需要解决时钟同步问题。此外还要考虑分组净荷长度的问题。所以， 在现有的技术条件下，光分组交换的应用前景并不被看好。 ( 3 ) 光突发交换 考虑光突发交换的主要动机是宽带多媒体流量天然就是突发性的。更重要的 是，一些研究得出的结论是，与通常基于泊松流量的假设相反，大量自相似业务 流的复用结果是突发的业务流量。但是现有的光交换方式并不适合支持突发性的 业务，特别是在通过波长路由实现的光路交换中，首先必须占用专有的波长在源 节点和核心节点之间为每个连接建立光路，如果接下来的数据传输时间相对于光 路建立时间来说不够长的话，那么带宽就不能充分利用。光路交换的一种替代方 式是分组和其报头一起传输的光分组交换方式。当中间节点处理报头时，数据包 在光域中以全光的方式被缓存。但是，这种方式面临的主要问题是对高速光逻辑、 4 第一章绪论 光存储技术和同步技术的需求。为了在光层上提供灵活、有效并且可行的高带宽 传输服务，需要的是一种能够利用光通信的有利特性同时避免其局限性的新交换 方式，光突发交换正是为了实现这样目的的一种交换方式。 光突发交换( o b s ) 是迈向在下一代口0 v e rw d m 光传输网络中实现光分组 交换这一最终目标的台阶。在o b s 中，多个口数据包被汇聚成一个大的突发包， 突发包传输前在网络边缘节点的电域中被缓存。这就使得交换开销可以被多个口 包分担。控制包首先被发送出去来建立连接，随后的数据突发在不需要收到连接 确认消息就可以被发送出去。换句话说，o b s 使用一种单向预留协议，当控制包 到达一个核心交换节点时，就为突发包预留好资源。如果资源已经预留好，那么 突发包就可以通过该交换节点。当突发包通过后，资源就被释放。在o b s 中，数 据突发通过中问节点时始终是在光域中的，而其对应的控制包会被转换到电域进 行处理。由于突发包和控制包是在不同的信道上传输，因此在决定如何调度带宽 预留和配置交换机方面较为简单。 在o b s 中，链路上被突发包使用的波长在突发包被传输完时就会被释放，这 种释放既可以通过像j e t 中的自动方式，也可以通过显式的释放分组来实现。这 样，从不同源节点到不同目的节点的突发包就能够以一种分时、统计复用的形式 来有效的利用同一链路同一波长的带宽。 o b s 是电路交换和分组交换的平衡，它结合了两者的优点【6 】，如表1 - 1 所示。 表卜1 三种光交换方式的比较 光交换类型带宽利用率建立延迟光缓存实现难度 适应性( 故障) 光电路低高不需要低低 光分组高 低不需要高高 光突发高低不需要低高 o b s 相对于光电路交换的好处在于不需要为每个端到端连接准备一条专用波 长。通过对光交换方式的比较可以看出，o b s 具有带宽利用率高、成本低、传输 延迟少等特性，对拥塞和差错适应性强，而且可以避免o p s 在高处理速度和同步 开销以及需要光缓存等方面的实现复杂性。因此，o b s 的优点如下： ( 1 1 控制包首先在单独的控制信道上被发送出去以建立连接，而等待传输的球包 则汇聚成为一个数据突发，被缓存在o b s 网络边缘节点的电缓存中。数据突 5 电子科技大学硕士学位论文 发长度的增加和其它基于偏置时间的技术结合在一起，也提高了在给定交换速 度下的带宽利用率。经过偏置时间以后，数据突发不用等到任何的连接己建立 的确认消息就可以被发送出去，这种单向的预留协议可以降低了连接建立的延 迟。 ( 2 ) 通过选择一个大于所有节点对控制包处理总时间的偏置时间，数据突发可以直 接传输而不需要中间节点的光缓存。 ( 3 1 能够用同一个控制包来传输一个到上千个坤包的结果就是降低了每个数据单 元的处理和同步开销。 ( 4 ) 当数据突发包传输完成后，链路上的波长立即就被释放。这就使得多个突发包 可以时分和统计复用的方式共享同一链路同一波长的带宽，这样就提高了带宽 利用率，增强了对拥塞和差错的适应性。 ( 5 ) 更长的偏置时间可以用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，同时不会对其延迟影响太大。 1 3 光网络组播的实现方式 近年来，组播应用【7 】越来越广泛，特别是点到多点、多点到多点的业务传输( 如 视频点播、网络会议等) 。组播有很多优点，最明显的一个优点就是合理有效地利 用网络带宽，发送方可以同时将数据发送给多个目的节点。在共同的链路上，仅 传给一份数据包，在链路的分叉处再复制。如果在单点传送的情况下，有几个接 收方，发送方就会立即分发数据到链路上。组播的另一个优点是；组播地址的抽 象性。发送方和接收方都不必知道组成员的确切地址。对它们来说，这个组仅是 一个抽象的地址。组成员动态改变不需要通知发送方。这样，大大简化了分布式 系统的设计和实现。目前从光层组播技术【8 】的实现来看，成本高、系统复杂、效率 低。在硬件上w d m 组播严重依赖光分路器、光放大器等器件，但这些器件目前 发展还不成熟、成本高。在路由选择方面常常使用“广播一选择”方式来进行光 树的建立。 在实现方式上大致有三种形式：口组播形式【9 】【l o l 、多个w d m 单播形式和w d m 组播形式【1 1 1 【1 2 l 。如图1 - 4 所示。 6 第一章绪论 ( a ) i p 组播形式( b ) 多个w d m 单播形式( c ) w d m 组播形式 图卜4 光层组播实现形式 图1 - 4 ( a ) 所示，在口层上构建组播树，每个分组经过“光电”或“电光” 转换后在光层上传输。这种形式的最大特点就是直接利用了目前较为成熟的口组 播技术( 如p i m s m 、d v m r p 、o s p f 和c b t 等组播协议) ，因此实现比较简单。 然而这种形式下的端到端延迟、硬件复杂度、系统实现成本上均较差，另外它传 输透明性也较差，即信息传输比特率和编码格式等不透明。 图1 - 4 ( b ) 多个w d m 单播形式，为了避免图1 - 4 ( a ) 中频繁的光电和电光 转换，在光层上多条光路构建组播树。这里，组播实际上是由多个w d m 单播实 现，其中每个单播各由一条光路实现，因此该组播组有多少目标成员，就需要建 立多条光路。组播组的每个分组将复制到每条光路，并单独传输。因此，这种形 式的组播带宽利用率低。 图1 4 ( c ) w d m 层组播形式，这种形式避免了前两种组播的缺点，研究如何 在w d m 层直接实现组播。由于在w d m 层直接实现组播具有以下优点： ( 1 ) 它能通过拓扑与资源发现机制准确获得从上层( 如i p 层) 无法获得的物理层 拓扑信息，由此，可以在w d m 光层上直接构造高效的组播树，实现了真正意 义上的光层组播。 ( 2 ) 在光组播树的各个分支点，可以利用目前较为成熟的光功率分路器来实现，与 前面的“复制”相比，效率更高。 ( 3 ) 在w d m 上直接组播可以提供透明的数据传输。 ( 一棵光组播树可以利用一个波长，因此与前两者相比，它可以有效的提高链路 带宽利用率、减少了对波长数的需求。 基于这些优点，近年来，w d m 层组播技术的研究引起了许多研究人员的广泛 关注，并对它的相关问题做了大量的研究。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 4o b s 组播提出的背景 全光网络是指在光域上实现交换和传输的网络。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，因此成为构建下一代高速带宽 网络1 1 3 1 1 1 4 1 的首选。在支撑全光网络的几种关键技术中，光交换技术作为全光网络 系统中的一个重要支撑技术在全光通信系统中发挥着重要的作用。光交换技术不 仅能保证网络的可靠性，提供灵活的路由平台，加快网络恢复时间，还可以为进 入节点的高速信息流提供动态光域处理，克服了电子交换的容量瓶颈，因此，在 某种程度上可以说光交换技术的发展决定了全光通信的发展。基于表1 - 1 中几种光 交换技术的比较下，光突发交换技术( o b s ) 结合了波长路由交换和光分组交换 的优点，同时也克服了二者的不足，能提高带宽利用率、降低网络业务的自相似 程度，特别适合突发性业务。此外，从目前的光器件的成熟度来看，一些关键技 术( 如高速光开关、光缓存器、光逻辑器件等) 还没有取得突破，实现完全的o p s 网络组播还比较困难，所以基于o p s 组播在目前还难以实用化。针对上述两种交 换方式中存在的实现组播问题，人们提出了在o b s 网络上实现组播的概念。o b s 中基本交换单元是突发包，由控制分组b c p 和数据突发包两部分组成。所谓突发 指的是由一些i p 分组组成的超长p 包，这些口包具有相同的目的地址和服务质 量等参数的分组集合。 综上所述，基于o b s 网络对自相似业务的诸多优点，在o b s 网络研究组播实 现方式目前已经受到了国内外研究机构的高度重视。因此，基于o b s 网络实现组 播成为了一个研究的热点问题。 1 _ 5 课题研究的目的和意义 基于o b s 网络实现组播的体系结构和协议与传统网络组播有较大区别。o b s 网络上实现组播能否节约带宽? 对这一问题的回答，需要对o b s 网络的结构模型 进行深入的研究。本文的目的正是出于以上考虑，在总结已有的研究成果的基础 上，采用新的分析方法，对基于o b s 网络的组播实现机制与算法进行了深入的研 究，并得出一些新的结论。 第一章绪论 1 6 本论文主要工作及结构安排 本论文介绍了光网络发展的趋势，分析了当前几种光交换技术的优缺点和常 见的光层组播实现方式，并简单阐述了基于o b s 网络实现组播的背景以及面临的 问题，探索了基于o b s 网络实现组播树共享的方案。在o p n e t m o d e l e r 中对采用 组播树共享策略前后做了关于链路利用率方面的仿真比较。同时还对基于o b s 网 络实现可靠性组播方面做了深入的研究和仿真，得出了相关的结论。所做的工作 主要包括： 基于o b s 网络体系下实现组播的研究，重点研究了组播树共享的策略，并提 出了基于o b s 网络实现最少冗余包的组播树共享算法。 深入学习了o p n e t 网络仿真平台，并在o p n e t m o d e l e r 环境下对o b s 组播 节点模型建模，分析了设计方法和设计流程，描述节点状态转移图的设计等相关 的工作。仿真验证了采用组播树共享前后能够提高链路利用率的目的。 研究了基于o b s 网络下，由于节点拥塞而发生突发包丢失的解决方案，详细 介绍了本地恢复机制的原理，并做出了改进。仿真显示，采用改进后本地恢复机 制能够降低突发丢失包重传延迟。 本论文的结构安排如下： n ) 第一章：主要介绍了全光网络发展的趋势，分析了几种光交换技术的特点。 此外还介绍了基于光层实现组播的常见方式，并阐述了o b s 组播的提出 背景与论文选题的目的和意义。 ( 第二章；介绍了关于o b s 网络的体系结构，包括o b s 的基本原理、系统 结构和控制协议。 ( 3 ) 第三章：本文工作的重点。首先详细分析了树共享算法( t s m c a s t ) 的 基础上，引入树分割机制，提出了一种最少冗余包的树共享算法，接着在 o p n e tm o d e l e r 环境下描述了o b s 网络边缘节点、核心节点的设计，同 时根据设计的节点模型构建了网络拓扑图，并对最少冗余包算法进行了链 路利用率方面的仿真。 ( 4 ) 第四章：研究了基于o b s 网络实现可靠性组播的实现机制，并通过在上 一章关于o p n e tm o d e l e r 仿真的基础上对本地恢复机制做了仿真，并分 析了仿真结果。 最后部分对本论文的内容作了总结以及对未来工作的展望。 9 电子科技大学硕士学位论文 第二章o b s 网络概述 2 1o b s 网络的基本概念 2 1 1 基本交换粒度 在o b s 网络中基本交