（通信与信息系统专业论文）多粒度光交换网络中的波长波带分配算法的研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着下一代网络的深入研究，动态灵活的光网络体系结构及其关键技术成为了 业界的研究热点之一。数据业务量的飞速增长以及光纤传输能力的大幅度提高，对 光网络中的交换结构和交换技术提出了更高的要求，多粒度光交换技术应运而生。 本文主要针对多粒度光交换技术中的研究热点被带分配算法展开研究。本文介 绍了现有几种典型的波带分配算法，总结了这些算法的差异和优缺点，发现这些算 法大多从减少网络的端口使用数目考虑，很少考虑到网络中的资源利用率问题，为 此本文提出在多粒度光交换网络波带分配中引入业务分割的思想，并根据该思想提 出了碎片最小化波带分配算法，旨在提高波带中的波长利用率。另外，本文利用 o p n e t 仿真工具建立仿真模型，根据仿真结果以及理论分析进行了讨论。仿真及分 析结果表明：1 ) 本文提出的碎片最小化波带分配算法可以改善网络的阻塞特性；2 ) 本文提出的算法可以减少网络中使用的端口数目：3 ) 本文提出的算法可以大幅度提 高各个波带中的波长利用率。 具体来讲，本文主要可以分为四大部分。第一部分主要介绍多粒度光交换技术 的基本情况，重点介绍了多粒度光交换的交叉节点结构；第二部分介绍了多粒度光 交换网络中的波带分配算法，详细介绍了几种典型的波带分配算法并总结了这些算 法的优缺点：第三部分提出了在波带分配中引入业务分割的思想和碎片最小化波带 分配算法；第四部分通过计算机仿真评估了所提算法的性能。 总的来说，本论文的主要创新点在于： 1 本文将业务分割的思想引入到波带分配算法中，充分利用波带中的可用波长， 解决了波带分配算法中资源利用率不高的问题，提高了网络中的波长利用率。 2 本文提出了碎片最小化波带分配算法，并通过仿真证实了该算法可以降低网 络的阻塞概率、减少网络中使用的端口数目、以及提高各个波带中的波长利用率。 关键词：多粒度光交换，多粒度光交叉连接结构，业务分割，波带分配 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e e pr e s e a r c ho nt h en e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ，t h ea r c h i t e c t u r eo f t h e f l e x i b l eo p t i c a li n t e m e ta n di t sk e yt e c h n o l o g i e sh a v eb e c o m et h ep i v o ti nt h eo p t i c a l i n t e m e tf i e l d t h er a p i dg r o w t ho fd a t at r a f f i ca n dt h el a r g e s c a l ee n h a n c e m e n to f o p t i c a l f i b e r st r a n s m i s s i o na b i l i t yh a v eb r o u g h t f o r w a r dh i g h e rr e q u e s tt oo p t i c a ln e t w o r k , s om u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g ye m e r g e da st i m e sr e q u i r e t h er e s e a r c h i nt h i sp a p e rf o c u s e do nt h ew a v e b a n da s s i g n m e n ta l g o r i t h m ，w h i c hi so n eo ft h em o s t i m p o r t a n th o t s p o t si nm u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k s w ei n t r o d u c e da n d c o m p a r e dt h ed i f f e r e n c e s ，m e r i t s a n dd i s a d v a n t a g e so fe x i t i n gw a v e b a n da s s i g n m e n t a l g o r i t h m si nw a v e b a n ds w i t c h i n gn e t w o r k s w ef o u n dt h a tt h e s ea l g o r i t h m sc o n s i d e r e d r e d u c i n gt h en u m b e ro fs w i t c h i n gp o r t sa n dr a r e l yc o n s i d e rt h eu t i l i z a t i o no f r e s o u r c e si n t h en e t w o r k s o ，w ei n t r o d u c e dt h ei d e ao ft r a 伍cs e g m e n t a t i o ni n t ot h ew a v e b a n d a s s i g n m e n ta l g o r i t h m ，a n dp r o p o s e d an e wh e u r i s t i c a s s i g n m e n ta l g o r i t h mc a l l e d w a v e b a n da s s i g n m e n tw i t hm i n i m a lf r a g m e n t ( w a - m f ) w eu s e do p n e tt os e tu pt h e s i m u l a t i o np l a t f o r ma n da n a l y z e dt h er e s u l t s a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s ，s o m ec o n c l u s i o n s c a nb em a d e ：1 ) t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a ni m p r o v et h eb l o c kp r o b a b i l i t y ；2 ) t h e p r o p o s e da l g o r i t h mc a n r e d u c et h en u m b e ro fs w i t c h i n gp o r t s ；3 ) t h ep r o p o s e da l g o r i t h m c a ni m p r o v et h ew a v e l e n g t hu t i l i z a t i o ni nw a v e b a n dm a r k e d l y c o n c r e t e l y , t h et h e s i s i sc o m p o s e do ff o u rm a i np a r t s t h ef a s tp a r to ft h et h e s i s i n t r o d u c e db a s i co fo p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y , a n dd e e p l yi n t r o d u c e dt h ea r c h i t e c t u r e o fm u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a l 屯r o s s c o n n e c t ；i nt h es e c o n dp a r t ，w ed e s c r i b e dt h ew a v e b a n d a s s i g n m e n ta l g o r i t h m i n m u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k s ，s e v e r a l r e p r e s e n t a t i v ea l g o r i t h m sw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l ；t h et h i r dp a r tp r e s e n t e dt h ei d e ao f t r a f f i cs e g m e n t a t i o na n dp r o p o s e dan e wa l g o r i t h mc a l l e dw a v e b a n da s s i g n m e n tw i t h m i n i m a lf r a g m e n t ；i nt h ef o u r t hp a r t , t h es i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tt oe v a l u a t ei t s p e r f o r m a n c e o nt h ew h o l e ，t h ec o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ei d e ao ft r a f f i cs e g m e n t a t i o nw a sp r e s e n t e d t h i si d e ac a nu s et h ea v a i l a b l e w a v e l e n g t h s i nw a v e b a n de f f e c t i v e l y , s oi tc a ns o l v et h ep r o b l e mt h a tt h e u t i l i z a t i o no fr e s o u r c e si nt h en e t w o r ki sl o w , a n dt h ew a v e l e n g t hu t i l i z a t i o ni n w a y e b a n ds h o u l db ei m p r o v e d i i 重庆邮电大学硕士论文 摘要 2a ne f f i c i e n tw a v e b a n da s s i g n m e n ta l g o r i t h mw a sp r o p o s e da n dt h es i m u l a t i o nh a s b e e nc a r r i e do u t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h m s h o u l di m p r o v et h eb l o c kp r o b a b i l i t ya n dt h ew a v e l e n g t hu t i l i z a t i o ni nw a v e b a n d ， a tt h es a m et i m er e d u c i n gt h en u m b e ro fs w i t c h i n gp o r t s k e y w o r d s ： m u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n g ，m u l t i - g r a n u l a r i t yo p t i c a l c r o s s c o n n e c t ( m g - o x c ) ，t r a f f i cs e g m e n t a t i o n ，w a v e b a n da s s i g n m e n t 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 随着信息化程度的增加，因特网的规模迅速扩大，全球数据业务量呈现出爆炸 式增长趋势，p 电话、多媒体应用、电子商务、数字电视等新型数据业务层出不穷。 各种新型业务的迅速发展对通信网的带宽和容量提出了更高的要求，传统的电子网 络遭遇到了发展的瓶颈，已经不能负担如此大数据流量的传输和交换任务。而光纤 有着巨大的频带资源和优异的传输性能， 理媒质，所以人们把目光投向了光领域， 宽和容量的问题。 是实现高速率、大容量传输的最理想的物 寄希望通过光网络的发展来解决现有的带 随着密集波分复用( d w d m ) 技术i l l 的日趋成熟，光网络的传输容量不断提升， 单根光纤的传输容量甚至可以达到1 w s 的速度1 2 1 ，可以满足业务流量传输对带宽和 容量的要求。然而，网络带宽和容量的发展导致了节点中光交叉连接矩阵规模( 即 端口数目) 的迅速增加，这使得节点的成本以及对其管理和控制的难度随之增加。 传统的光节点设备在光层采用基于波长单粒度的交换结构方案，将所有传输都不加 区分地从光纤级解复用到波长级进行单粒度交换，与实际网络中所需要的相应情况 不吻合，造成了交换端口的增加以及随之而来的设备成本的提高，同时会浪费掉大 量的交叉连接资源。另一方面，对网络业务流量的研究表明，网络中的业务总是在 某个范围突发的，也就是自相似的【3 j ，网络中很大一部分的业务在节点上无须进行 较小等级粒度的交换，而可以在较大粒度层次上传输。因此，人们希望光网络中的 节点能够具有灵活的交换能力，能将业务按照需求灵活地通过相应的粒度等级进行 分层交换，从而简化光节点的结构，减少网络中的端口使用数目。 于是，多粒度光交换m g o s ( m u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a ls w i t c h i n g ) 【4 】【5 】应运而生。 近年来，以波带交换w b s ( w a v e b a n ds w i t c h i n g ) 【4 】【5 】为基础的多粒度光交换技术成 为了光通信领域研究的热点。波带交换是指将几个波长分成一组作为一个波带，在 传输过程中只使用一个波带交换端口来进行交换。这样，在网络中引入波带交换， 能够融合波长交换、波带交换和光纤交换三种交换技术，实现波长、波带和光纤三 种交换粒度有效并存于网络中，在满足交换各项性能要求的前提下，可以有效地减 少交换结构的端口数，进而有效地降低光交换网络的成本，同时，光器件的控制复 杂度也会相应地降低。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 此外，由于多粒度光交换技术的前瞻特性，国内外的理论研究也在多方面展开， 研究的热点主要集中在多粒度光交换节点结构和波带分配算法两个方面。在多粒度 光网络中，传统的波长路由算法已经不再适用，需要设计适合于多粒度光网络特点 的路由及分配算法。本文分析国内外对多粒度光网络中波带分配算法的研究现状， 针对现有算法研究的不足，提出了能够充分利用波带优势、并能有效提高波长利用 率的波带分配算法。 1 2 论文结构 本文的主要内容包括以下几点： 1 研究了多粒度光交换技术的背景知识，其中包括多粒度交换系统的结构及多 粒度光交换的关键技术； 2 分析了多粒度光交换网络中的波带分配算法，针对现有算法中没有考虑资源 利用率的缺陷，提出在波带分配算法中引入业务分割的思想； 3 根据业务分割的思想提出了一种改进的波带分配算法，目的在于优化网络的 性能，提高资源的利用率； 4 通过计算机仿真的方式对所提算法进行仿真分析，验证所提算法的性能。 论文的整体部分包括六章： 第一章，绪论。主要介绍研究的背景知识，并对论文的工作做了概略介绍； 第二章，多粒度光交换技术。主要介绍多粒度光交换技术的基本知识，详细介 绍了多粒度光交换网络中的交换节点结构； 第三章，多粒度光交换网络波带分配算法的分析与比较。详细介绍了现有几种 典型的波带分配算法及优缺点，并分析算法的可改进空间； 第四章，碎片最小化波带分配算法。提出在波带分配中引入业务分割的思想， 根据该思想提出一种改进的波带分配算法w a m f ； 第五章，仿真与结果分析。通过o p n e t 网络仿真，验证w a - m f 算法的性能； 第六章，总结。主要对论文进行总结，展望下一步工作。 2 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换技术 第二章多粒度光交换技术 2 1 光交换技术概述 光交换技术的概念 光交换技术6 1 是指不经过任何光电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同 的输出端。光交换系统主要由输入端口、光交换矩阵、输出端口和控制单元四部分 组成，如图2 1 所示。 输入端口交换矩阵输出端口 图2 1 光交换系统的组成 由于目前光器件制造工艺技术的落后，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功能，因此国际上现有的光交换控制单元主要还要由电 信号来完成，即所谓的电控光交换。也就是说在控制单元的输入端进行光电o e 转 换，然后在输出端完成电光e o 转换，以光信号发出。随着光器件技术的发展，光 交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。 随着密集波分复用( d w d m ) 技术的不断成熟，构建具有高度生存性的全光网 络成为宽带通信网未来的发展目标，而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，可以说光交换技术的发展在某种 程度上也决定了全光通信的发展。 光交换技术的特点 随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在光 通信领域中越来越重要。光交换技术能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号路由 平台，发展中的全光网络更是需要由纯光交换技术来完成信号路由功能以实现网络 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换技术 的高速率和协议透明性。光交换技术为进入节点的高速信息流提供动态光域处理， 仅将属于该节点及其子网的信息上下路并交由其它设备继续处理，这样做具有以下 几个优点【7 j ： 1 、可以克服纯电子交换的容量瓶颈问题； 2 、可以大量节省建网和网络升级成本； 3 、可以大大提高网络的重构灵活性和生存性，以加快网络恢复的速度。 2 1 1 目前光网络中的交换技术 光网络从诞生发展到现在，经历了几个重要的发展阶段。就光交换技术而言， 光交换技术在发展过程中主要有三种基本的交换方式：光电路交换( o p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n g ，o c s ) 方式、光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 方式以及光 突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 方式。 光电路交换( o c s ) 6 1 类似于传统网络的电路交换，是目前应用最广泛的光交 换方式，其传输过程如图2 2 所示。 c o n t r o i d a t e t i m e s1 2d p 。 d 。 p 2 a c k。 。 3 f 。 二霎 萝 r 二二1、r 鞫 。， r e l e a s e r1 图2 2 光电路交换 光电路交换采用了波长路由的方式，其核心问题之一是路由波长分配( r 、凇) 问题，数据在传输交换时独占波长。其传输过程如下： 1 当需要进行业务传输时，源节点s 首先发送一个控制包( c o n t r o lp a c k e t ) 来建立链路( 其中p 是传输延迟，a 是中间节点处理控制包的时间) ： 4 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换技术 2 当链路建立好后，目的节点d 发送一个a c k 确认消息给源节点来确认链路 的建立； 3 源节点收到a c k 确认消息后，开始沿着建立起来的链路向目的节点发送数 据包； 4 数据包传输完成后，源节点发送一个释放链路的r e l e a s e 消息给目的节点以 释放链路。 光电路交换在光链路建立好以后，对于该连接来说就是专用的，因此数据包可 以直接在这条光链路上传输，在中间节点处不需要被缓存，也不会存在丢包的问题。 但是在光电路交换中，首先必须要占用专用的波长，也就是在源节点和目的节点之 间要为每个连接建立光链路，而光链路的建立时间太长( 如图2 2 所示需要6 p + 3a 的时间) ，相对于数据传输时间来说太长了，带宽不能被充分利用。另外，光纤中的 波长数毕竟有限，并非每个节点都能与其它节点建立一条专用的光路。除此之外， 由于互联网业务总是在某个范围突发的，因此波长路由结果导致了较低的带宽利用 率。加上大量的光路建立时间，这些限制使得用电路交换d w d m 网络实现 i p o v e r - w d m 变得不灵活和无法升级。 光分组交换( o p s ) 【8 】_ 类似于传统的口分组交换，采用存储转发的交换方式， 可以实现统计复用，能灵活有效地利用光纤中的带宽，是光交换发展的方向。光分 组交换的传输过程如图2 3 所示，源节点s 将分组头h e a d e r 和数据分组p a c k e t 一起 发送出去，在每个中间节点处数据分组必须先被缓存，等待分组头h e a d e r 的处理， 等分组头h e a d e r 被处理完后再一起发往下一跳节点。 h e a d e r p a c k e t t i m e s 12d 寥 p 冀 渤3 荔 p 厶 j 羽 弱 霾 霾 r1 r1 1 图2 3 光分组交换 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章多粒度光交换技术 与光电路交换方式不同，光分组交换没有建立链路的过程，链路不是专有的， 可以实现对链路的统计复用。但是o p s 面临着几个近期内难以解决的问题： 一是光分组交换需要光缓存，在每个中间节点都需要缓存处理分组头h e a d e r 需要的时间，而当前光存储器件和光逻辑器件还很不成熟，光分组交换对高速光 逻辑、光存储技术都还达不到要求： 二是不能达到同步技术的需求。在o p s 交换节点处，无论是多个分组之间还是 一个分组中头部与有效载荷之间都需要进行同步，而现有的技术还无法良好地满足 这一要求； 三是目前的光器件成本太高，如光纤延迟线( f d l ) 、光3 r 再生器等，要应用 于实际的网络还显得太昂贵了。 光突发交换( o b s ) 【l l 】在一定程度上是光电路交换和光分组交换的折衷，它是 光交换方式从传统的光电路交换向着光分组交换演进的一个重要过渡性技术。 s 12d b h p d b t i m e 图2 4 光突发交换 在o b s 中，i p 数据包按照一定的属性，例如具有相同的目的节点、相同的服 务等级等，被汇聚成一个比普通p 数据包大得多的数据突发( d a t ab u r s t ，d b ) 。 数据以突发包的方式发送，它可以是只有一个数据分组那么短，也可以更长一些。 光突发交换的传输过程如图2 4 所示。在突发交换中，数据突发传输前在网络的边 缘节点被缓存，其对应的控制头分组( b u r s th e a dp a c k e t ，b h p ) 首先被发送出去以 建立连接，b l i p 在沿途预留相应的带宽和配置交换机，随后的数据突发不需要收到 确认消息就可以发送出去，换句话说，o b s 使用单向预留协议。控制分组每到个 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章多粒度光交换技术 核心交换节点时就为数据突发预留资源，当数据突发到达该节点时，如果资源已经 预留好了，那么数据突发就可以通过该交换节点，当数据突发通过后，资源就被释 放掉，否则直接丢弃该数据突发。 在o b s 中，数据突发在控制分组之后发送，控制分组为数据突发预留好相应的 资源。因此，数据突发通过中间节点时始终是在光域中的，而其对应的控制分组会 被转换到电域进行处理。由于数据突发和控制分组是在不同的信道上传输的，因此 在决定如何调度带宽预留和配置交换机方面比在t d m 系统中相对简单。 我们将上述三种交换技术进行归纳比较，表2 1 展示了三种光交换方式在带宽 利用、实现难度等方面的比较i l 引。 表2 1 三种光交换方式的比较 带宽利实现处理难适应性( 流 光交换类型建立延迟光缓存 用率度量& 故障) 光电路交换 低同不需要低低 光分组交换高低需要高高 光突发交换高低不需要低 古 同 光突发交换( o b s ) 是结合了光电路交换( o c s ) 和光分组交换( o p s ) 的优 点，又避免了它们的缺点的光交换技术。在o b s 网络中，控制分组b h p 在单独的 波长信道上传输，而且比突发包的有效载荷要先传输，以确保有足够的时间处理突 发包头。相比较于o c s 和o p s ，o b s 通过突发包的统计复用改善了波长路由的有 效性和扩展性。o b s 和o c s 一样在中间节点只需要有限或根本不需要数据延迟，、 又和o p s 一样能有效地利用带宽。同时，由于o b s 需要的处理控制信号和同步的 时间比o p s 要少，使得o b s 较o p s 更容易实现。因此，作为最终向光分组交换演 进的过渡性技术，光突发交换技术在未来相当的一段时间内将占据光交换技术领域 的主导地位。 2 1 2 多粒度光交换技术 在向光分组交换演进的过程中，产生了很多过渡性的光交换技术，多粒度光交 换技术就是其中之一，多粒度光交换技术的研究也是近几年光交换技术研究的一个 热点。 光网络技术在数据业务的急速增长和对带宽要求的不断升级的推动下得到了迅 速的发展，单根光纤中可以传输的波长数越来越多。但是这种发展在满足了带宽要 求的同时也造成网络成本和控制复杂度的大幅度上升。如果仅仅使用传统的光交叉 连接器( o 皿c a lc r o s sc o n n e c t ，o x c ) 来完成交换，那么每个光节点的交换矩阵规 7 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换技术 模会变得非常大，这样整个网络的成本就会相当高，同时大规模的光交换矩阵也会 使控制复杂度大幅提升。另方面，对网络业务流量的研究表明，相当一部分的业 务在中间节点无须进行较小粒度等级的交换，而可以在较大的粒度等级上直通。因 此，在每个光网络交换节点处，将所有的传输都不加区分地从光纤级解复用到波长 级进行单粒度交换，与实际网络中的相应情况并不吻合，不仅造成了交换端口的增 加以及随之而来的设备成本的提高，同时也会浪费掉大量的交叉连接资源。 在加速光网络发展和节省网络成本的双重考虑下，多粒度光交换 ( m u l t i g r a n u l a r i t ys w i t c h i n g ，m g s ) 【4 】【5 】的思想应运而生。多粒度光交换的含义是 指在同一个光节点内可同时进行多种粒度等级的交换，包括光纤交换、波带交换以 及波长交换甚至更小粒度的交换。多粒度光交换的研究主要包括两个方面：多粒度 光交换节点结构的设计和多粒度光交换网络中的波长波带分配算法的研究。 多粒度光交叉连接器( m u l t i g r a n u l a r i t yo p t i c a lc r o s s - c o n n e c t ，m g o x c ) 是用 来实现多种交换粒度并存功能的关键器件，是多粒度光交换的核心。多粒度光交叉 连接器结构的出现最初是为了解决光传送网日益增加的容量对光交换矩阵的高要求 而提出的，它通过引入多种粒度共存的交换机制，在不同粒度( 光纤、波带、波长) 层次上进行有选择的分层交换，使光节点的结构大大简化，可以有效地减少交换机 的端口，节省交换节点的成本和减少体积、功耗等。 多粒度光交换研究的另一热点是对于多粒度光交换的核心技术波带交换 技术的研究。波带交换的主要思想是指将几个波长分成一组作为一个波带，然后只 使用一个波带交换端口来进行传输，只有在波带中有业务需要上厂f 路时才将波带解 复用为单独的波长进行交换。在交换结构中引入波带交换的概念，采用多粒度光交 叉连接设备，可以灵活地满足不同粒度的交换的需要，对于一些无需经过波长一级 的业务，可以直接通过较大的波带粒度进行交换传输，这样不仅降低了节点的交换 复杂度，而且可以有效地减少网络中使用的端口数目，进而减少网络整体的交换实 现成本。目前波带交换技术的研究主要集中在波带交换网络中的波长波带分配算法 上展开。多粒度光交换的思想就是在引入波带交换的概念的基础上产生的，所以我 们也将多粒度光交换称为波带交换。 下面我们将详细介绍现有的两种典型的多粒度光交换节点结构，并将通过计算 多粒度光交换节点与传统的光节点的端口使用数目来说明采用多粒度光交换技术的 优势。 2 2 多粒度光交换节点结构分析 在光网络中引入波带交换的概念，就需要对传统的光网络节点结构进行改进。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章多粒度光交换技术 传统的光交叉连接器( o x c ) 一般只支持波长单粒度的交换，而在多粒度光交换网 络中的节点结构( m g o x c ) 需要支持光纤、波带、波长三级粒度的交换。 多粒度光交换节点结构是多粒度光交换技术的研究热点之一。多粒度光交叉连 接结构( m g o x c ) 的出现最初是为解决光传送网日益增加的容量对光交换矩阵的 高要求而提出的。它通过引入多种粒度( 光纤、波带、波长) 共存的交换机制，有 效地减少了交换机的端口数目，节约了交换节点的成本以及减少了体积、功耗等。 配合a s o n 中采用的通用多协议标签交换技术( g m p l s ) 【1 3 】，可以更灵活地提供 多粒度交换能力，构建适应下一代光传送基础网络。 多粒度光交叉连接m g o x c 结构与传统的光交叉连接o x c 结构的区别在于引 入了波带交换，可以大幅度地减少光交换矩阵的规模。现有的多粒度光交换存在两 种典型的体系结构，即单层多粒度交换体系结构和多层多粒度交换体系结构，在这 两种结构的基础上，还延伸出多种增强型的结构，下面对基本的单层和多层结构进 行分析。 2 2 1 单层多粒度交换体系结构 文献 1 4 】提出了一种单层的多粒度光交叉连接结构，如图2 5 所示。在这种结 构中，光交叉连接矩阵在逻辑上分成光纤交叉连接( f x c ) 、波带交叉连接( b x c ) 和波长交叉连接( w x c ) 三部分。输入光纤的一部分直接通过光纤交叉矩阵连接到 输出光纤，另一部分需要经过解复用到波带交叉连接矩阵或者波长交叉连接矩阵中 进行交换，然后再输出到输出光纤。它的复用解复用器包含两级，最外面的是波带 复用解复用器，能将光纤中的信号解复用为波带信号，或者将波带信号复用到输出 光纤中；第二级是波长复用解复用器，能将波带信号解复用为单个的波长，或者将 多个波长复用为波带。 该结构的工作原理如下：只有直通信号的输入光纤通过f x c 选路输出；含有 波带交换信号的输入光纤则要通过波带解复用器解复用为单个的波带信号，然后通 过b x c 选路输出，该输出波带信号或输出到本地节点的b a n dd r o p 端口，或再经过 波带复用到输出光纤中；含有波长交换的信号则通过波带解复用器、波长解复用器 两级解复用器解复用为单个的波长信号，然后再通过w x c 选路输出，该输出波长 信号或输出到本地节点的w a v e l e n g t hd r o p 端口，或再经过波长复用器和波带复用 器复用到输出光纤中；同时，本地节点的f i b e r a d d 端口、b a n d a d d 端口和w a v e l e n g t h a d d 端口可通过该交叉连接矩阵连接到输出光纤中。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章多粒度光交换技术 n d b a n d1 b a n d2 b a n d3 b a n dd e m u x 卜一 w a v e l e n g t h d e m u x f i b e r s w i t c h w a v e b a n d s w i t c h w a v e l e n g t h s w i t c h o u t p u tf i b e r 戒n g 掣x m m x f i b e rb a n d w a v e l e n g t h a da da d 图2 5 单层多粒度光交叉连接结构 图2 6 可重配置单层多粒度光交叉连接结构 图2 6 所示的是可重配置单层多粒度光交换结构f 1 5 】。和图2 5 中的交叉结构相 类似，先预先配置一定比例的输入光纤，只有这些光纤才能解复用为波带，+ 而其它 输入光纤作为整体直通该节点或者分接出该节点；同样，预先配置一定比例的波带 能解复用为波长，而其它波带只能直通该节点或者分接出该节点。与图2 5 中的结 构相比较，图2 6 所示结构中多了a ，1 3 两个变量。a 定义为可解复用为波带的光纤 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换技术 数占总光纤数的比例，1 3 定义为可解复用为波长的波带数占输入到b x c 中的总波带 数的比例。假设输入的光纤总数为x ，那么在这个交换节点中就有a x 根光纤可以 解复用为波带：再假设从输入光纤中解复用下来的波带总数为y ，那么这个交换节 点中可以解复用为波长的波带数为p y 。采用这种结构可以动态地调整伍、p 值，亦 即动态调整可解复用为波带的光纤数目和可解复用为波长的波带数目，相对于固定 比例的结构，这种结构更具灵活性。由于网络中数据流的动态性越来越强，利用可 重配置结构来进行交换无疑更能满足业务对网络的要求。 单层的m g o x c 只有一级光开关矩阵，逻辑上分为光纤级、波带级和波长级。 在可重配置单层m g o x c 中，只有固定的光纤可以被解复用为波带信号，也只有 固定的波带可以解复用为波长信号。如图2 6 中，光纤l 、2 输入端口的信号永远只 能进行光纤级的交换，而不能进一步解复用为波带或波长信号。由于这种结构中可 以解复用为波带信号的光纤和可以解复用为波长信号的波带数目都是提前配置好 的，所以单层的m g o x c 相当于一种准静态的节点，更适用于静态业务模型，或 者业务量变化不大的网络中。 2 2 2 多层多粒度交换体系结构 多层多粒度交换体系结构【l6 j 如图2 7 所示，与单层多粒度交换体系结构一样， 其核心部分也是由光纤交叉连接( f x c ) 、波带交叉连接( b x c ) 和波长交叉连接 ( w x c ) 三个交换矩阵组成。与单层的m g o x c 的区别是它的三个交换矩阵之间 有端口连接。f x c 与b x c 之间通过波带复用懈复用器连接，b x c 和w x c 之间通 过波长复用解复用器连接，每个交换矩阵提供上下路端口。 多层m g o x c 的工作原理与单层的基本相似，不同的地方是下层的交换必须 先经过上层的交换矩阵。如果光纤中有信号要进行波长级的交换，那么先要在f x c 交换矩阵中交换到f t b ( f i b e rt ob a n d ，光纤到波带) 端口，通过波带解复用器解 复用成单个波带，然后在b x c 交换矩阵中交换到b t w ( b a n d t ow a v e l e n g t h ，波带 到波长) 端口，通过波长解复用器解复用成单个波长在w x c 中完成交换。如果信 号继续向下游传输，则要经过相反的过程从下层交换矩阵逐层返回到光纤输出端口。 与单层多粒度光交叉连接结构相似，多层多粒度光交叉连接结构也有可重配置 的多粒度光交叉连接结构。文献【1 7 】提出了一种可重配置的多粒度光交叉连接结构。 如图2 8 所示，这种结构与图2 7 所示结构类似，其不同之处在于增加了仅，b 两个 变量，同可重配置单层多粒度光交叉连接器中定义的一样，a 定义为可解复用为波 带的光纤数占总光纤数的比例，b 定义为可解复用为波长的波带数占输入到b x c 中 的总波带数的比例。这种结构的可配置主要表现在0 t 和p 的值可以设置，当0 t ，b 重庆邮电大学硕士论文 第二章多粒度光交换技术 的值都取1 时，节点结构就变成传统的波长光交叉连接器( 单粒度) 。 止 o l - 一 o i n p u t f i b e r s 图2 7 多层多粒度光交叉连接结构 图2 8 可重配置多层多粒度光交叉连接结构 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度光交换技术 2 2 3 单层和多层多粒度交换体系结构的比较 很多文献【1 5 】【1 8 】【1 9 1 对两类典型的多粒度光交叉连接体系结构进行了比较分析。比 较的出发点主要包括：结构的复杂度、控制的复杂度、结构的灵活性以及对性能( 光 信号衰减、阻塞率、吞吐量等) 的影响。 1 结构和控制上，单层m g o x c 具有更简单的结构，控制起来相对简单。从 两类m g o x c 的结构图和工作原理可知，单层m g o x c 的各层交换矩阵之间没有 端口连接，结构较简单，并且每一层的交换只经过一个交换矩阵，因此采用单层 m g o x c ，其控制相对来说也较简单；而在多层m g o x c 中，各层交换矩阵之间 有端口连接，结构相对来说比较复杂，下层的传输需要经过上层的交换矩阵，这样， 如果要进行波长级的交换，最多需要经过三个交换矩阵，如果要继续向下游传输， 还需向上通过三次交换，中间需要经过四个复用解复用器，因此采用多层的 m g o x c ，其控制相对来说要复杂一些。 2 结构的灵活性上，多层m g o x c 比单层的m g o x c 具有更灵活的结构。 单层m g o x c 中，光通道的选择具有很大的局限性，某一波长信号如果要进入波 长交换矩阵，必须在路由和波长指配时就选定特定的光纤、特定的波带。对于简单 的网络而言，在网络规划时考虑全面就能满足业务调度的需求，因此采用单层 m g o x c 不会有太大的困难，但是对于大规模复杂的a s o n 网状网，单层m g - o x c 就很难满足其灵活的流量调度需求。 3 阻塞特性方面，由于单层m g o x c 结构中可以解复用的光纤以及可以解复 用的波带都是预先配置并且固定的，很难适应业务流的动态变化，因此在复杂的动 态性比较强的网络中，如果采用单层m g o x c 结构会造成网络比较高的阻塞概率； 而如果采用多层的m g o x c 结构，例如图2 8 所示的可重配置的多层m g - o x c 结 构，则可以灵活调整所需要的波长、波带、光纤的数目，采用适当的算法可以把网 络的阻塞率限制在规定的范围内。 4 信号衰减方面，由于光信号在经过单层m g o x c 时，只经过一个交叉连接 矩阵，所以光信号的衰减比较小；而经过多层m g o x c 时，下层的交换需要经过 上层的交换矩阵，因此在中间节点最多可能需要经过6 个交叉连接矩阵以及两个解 复用器和两个复用器，如果信号传输的距离比较远，需要经过多个中间节点，那么 光信号的衰减就会比较严重，有时还需要对光信号进行整形和增强。 在两种典型的多粒度光交叉连接结构的基础上，还延伸出了多种增强型的交换 结构，如静态和动态相结合的多粒度光交叉连接结构【2 0 】，以及在多层m g o x c 结 构的基础上增加从光纤直接到波长的复用解复用器的结构【2 l 】，这些结构都是在上述 重庆邮电大学硕士论文 第二章多粒度光交换技术 两种典型结构形式的基础上改进的，仍然属于这两种结构形式。 2 2 4 传统o x c 与m g o x c 结构的端口数目比较 多粒度光交叉连接器的设计目的就是为了减少网络中使用的端口数目，与传统 的o x c 相比，m g o x c 的最大优点就是所需的光开关的端口数少，光交换矩阵的 规模小。 我们以图2 8 所示的可重配置多层m g o x c 为例，计算m g o x c 使用的端口 数目，并与传统的o x c 使用的端口数目进行比较。在m g o x c 结构中，我们假设 x 为输入光纤数目，其中每根光纤中的波带数固定为b ，每个波带中最大包含的波 长数目固定为w ，也就是说每根光纤中的波长数为b x 形，仅表示可解复用为波带 的光纤数的比例，p 表示可解复用为波长的波带数的比例。 另外，我们定义如下符号： p m g 旬x c ：m g o x c 结构中的交换端口数目； p f x c ：m g o x c 结构中f x c 层的交换端口数目； p b x c ：m g o x c 结构中b x c 层的交换端口数目； p w x c ：m g o x c 结构中w x c 层的交换端口数目； f a d 删f o p ：m g o x c 结构中直接上厂f 路的光纤数目： b a d 抛d d ：m g o x c 结构中直接上厂f 路的波带数目； w a d 拙p ：m g - o x c 结构中直接上厂f 路的波长数目。 那么，m g o x c 结构中各层交叉矩阵的端口数如下： ， f = x + f , , a d ，却+ 耐 = a x b + b , , d d ，却+ c t f l x b ， l = 硝蚴形+ 撕 m g o x c 使用的总端口数目为： d 托= + + ， 而在传统的o x c 结构中，我们以p o x c 表示传统o x c 结构中的交换端口数目。 为了与m g o x c 中使用的端口数进行比较，我们假设o x c 结构中的输入光纤数为 x ，每根光纤中的波长数目为b x w ，那么该o x c 结构中的交换端口数为： = 船形+ ，蛔， 为了比较方便，我们假设，锄= ，d r o p = ，d r o p = 0 ，则m g - o x c 所需 的端口数与普通o x c 所需的端口数之比r 为： 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章多粒度