（通信与信息系统专业论文）obs网络中竞争解决方案的研究.pdf

中文摘要 摘要：光突发交换是目前光网络领域的研究热点之一，它结合了光路交换和光分 组交换的优点，克服了它们的部分缺点，是两者之间的一种平衡选择。光突发交 换技术能够满足业务的多样性和突发性的要求，是一种比较有前途的光交换技术。 目前，光突发交换技术中仍有较多难题有待解决，其中突发数据包之间的竞争问 题是其关键技术之一，它在较大程度上影响着网络性能。 本文以光突发交换网络中的竞争解决机制作为研究对象，对各种竞争解决机 制进行深入的研究，并在已有解决方案的基础上提出了l a u c v f b s 解决方案。 论文的主要内容如下： 首先，从整体上对光突发交换网络的体系结构、核心节点和边缘节点的结构 和功能、光突发交换的工作原理等理论知识进行了详细的研究。并在此基础上详 细的分析了边缘节点的汇聚算法、光突发交换网络中的控制协议。 其次，对光突发交换网络中核心节点数据信道调度算法进行了深入的研究， 重点分析了l u c 、l a u c v f 和o d b r 三种算法的性能。同时对光突发交换网络 中突发数据包竞争解决机制进行了深入的研究，重点分析了光缓存、波长变换、 偏射路由、突发包分段等几种竞争解决方案的性能。 最后，在突发包分段基础上，提出了一种改进的竞争解决方案l a u c v f b s ， 该方案是将l a u c v f 和突发包分段两者结合起来，以充分利用突发包之间的间 隔。为了证明该方案的可行性，建立了仿真平台，给出了仿真平台中各部分的主 要实现过程，并从分组丢失率、链路利用率两个方面对其进行了仿真分析。仿真 结果显示，利用l a u c v f b s 可以有效的降低网络的分组丢失率，提高链路利用 率，能够在一定程度上改善网络的性能。 关键词：光突发交换：突发包竞争；数据信道调度算法；分组丢失率 分类号：t n 9 1 3 7 a bs t r a c t a b s t r a c t ：o p t i c a lb u r s ts 砒c m n g ( o b s ) h a sb e e nm er e s e a r c hh o t s p o ti i lr e c e n t o p t i c a ln e t 、0 r kf i e l d ，“c o m b i i l e sa d v a n t a g e so fo p t i c 2 l lc 沁u i ts 、航t c l l i n ga n do p t i c a l p a c k e ts 谢t c m n g ，a i l do v e r c o m e ss o m es h o n c o m i n g s ，a i l di t i sab a l a i l c et e c l l i l o l o g y b e t w e e nt h e 铆om e 灿d s o b st e c l l l l o l o g yc a nm e e t l er e q l l i r e m e n t so fe x p l o s i v e g r o w t l li nb l j s i i l e s s 孤l dt h ed i v e r s i 够o fb u s i i l e s s ，i ti sap r o m i s i i 唱o p t i c a ls w i t c k n g t i e c h i l i q u e c u 盯e n t l y i tl 粥m a i l yp r o b l e m st 0b es o l v e di i lo b s ，i nw l l i c ht l l a t 廿l e c o n t e n t i o nb e 觚e e nt ：h ed a t ab u r s tp a c k e t si so n eo ft 1 1 ek e yt e c h l o l o g i e s ，i tt a k e se 行i e c t i i lo b sn i 加f i 【sp e r f - o n n a n c ei 1 1g r e a td e g r e e i i lt 1 1 ep 印e r ，、ec h o o s et h ec o n t e n t i o nr e s o l u t i o n 鹬t l l er e s e a r c ho b j e 吒距dh a v ea d e 印s t u d y t om ec o n t e n t i o nr e s o l u t i o n b a s eo n 廿l e 函s t e dc o n t e n t i o nr e s o l u t i o i l w e p r o p o s el a u c v f b sr e s o l u t i o n 1 1 1 e 岫l c o n t e m so f m ep a p e ra r e 邪f o l l o 、v s ： f i r s t l y ，h a v eas m d yt 0t h eo b sa r c l l i t e c t u r e 、n l es t r u c n a n d 劬c t i o no fc o r e n o d e s 锄de d g en o d e s 、也eb a s i cw o d d n gp 血c i p l eo fo b sn e t w o 如o nn l i sb 嬲i s ，舭 c l 咄r i n ga l g o r i t l l mi i le d g en o d e s 、c o n 舡d lp r o t o c o l si no b sn 咖。心a r eg 眦i e d s e r i o u s l y s e c o n d l y ，h a v ead e 印g h j d yt 0t 量l ed a 纽c l l a 衄e ls c h e d u l i n ga j g o r i m mo f n l ec o r e n o d e si no b sn 咖o d ! 【s ，a n d 趾a 1 ) ，z en l ep e 墒册a i l c eo f l a u c 、l a u c - v f 、o d b ri i l f o c u s w | ea l s od oad e e pr e s e a r c ho nt l l ec o n t e m i o nr e s o l u t i o nb e 押e e nt b eb u r s td a t a p a c k e t s ，a n a l l y z et l l ep e r f o m l a i l c r eo fo p t i c a lb u 丘e r 、w a v e l e n g t l lc o r e r s i o n 、d e n e c t i o n r o u t i n g 、b u r s ts e g m e n t a t i o ni i lf o c u s f i n a l l y o nm eb 邪i so fb u r l s ts e g m e m a t i o 玛w ep r o p o s ea ni m p r 0 v e ds o l u t i o n l a u c - v f b s ni sm ec o m b m a t i o no f l 气u c v fa i l db u r s ts e g m e n t a t i o n nc a i lu s e t l l ei i l t e m sb e 觚e e nb u r s tp a c k e t 如l l y t b 锄a l y z et l l ep e 墒m a n c eo ft h ep r o g r a m ，w e e s t a l ) 1 i s has h u l a t i o np la _ 渤m ，西v et 1 1 em a i ni i n p l e m e n t a t i o np r 0 c e s s 觚dh a v ea s i i i l u l a t i o n 丘。o m 锕oa s p e c t so fp a c k e tl o s sr a t e 、l i i 墩u t i h 刎o n f r o m 也es i i i m l a t i o n r e s u l t sw ek n o wu s i i l gl a u c v f b sc 觚e 妇f e c t i v e l yr e d u c ep a c k e tl o s sr a t ea n d i m p r 0 v el i n ku t i l i z a t i o n ，i tc a ni m p r o v en e t w o r kp e r f o r 妇1 鲫l c et oac e r 妇e x t e n t k e y w o r d s ： 叩t i c a lb u r s ts 、) ，i t c l l i n g ；b u r s t c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ；d a ：t ac h a i l i l e l s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ；p a c k e tl o s sr a t c c i a s s n o ：田q 9 13 7 致谢 本论文的工作是在我的导师孙强教授的悉心指导下完成的。在选题、具体研 究工作和论文的撰写过程中，得到了孙强教授悉心的指导。孙强教授渊博的知识、 严谨的治学态度和一丝不苟的工作精神给了我极大的帮助和影响。在此献上我最 诚挚的敬意和最衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王婷、张健跃、张聪、孙健波、王晓斌、李 尚攀等同学对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 同时向所有关心、鼓励、支持我的同学表示感谢! 再次，也要感谢我的家人，感谢父母对我的养育之恩，家人无私的付出和时 时刻刻的支持给我前进的动力。正是他们的默默奉献和无私的爱，才使我取得今 天的成绩，衷心感谢他们为我所做的一切。 最后，再次向所有关心和帮助过我的老师、家人、朋友和同学表示最诚挚的 谢意! 1 绪论 1 1研究背景和意义 近年来，随着互联网的快速发展，m 业务呈爆炸式增长。预测表明，i p 将承 载包括数据、语音、图像等在内的多种业务，构成未来信息网络的基础。业务量 的发展、变化要求网络具有更宽的带宽以及对突发性分组数据业务的高效支持。 在现代通信网中，先进的光纤通信技术以其高速、巨大的带宽优势使得光通信网 络成为下一代全光网络数据业务的最佳载体。波分复用( w d m ) 技术的出现，使 光纤的传输容量迅速提升，传输系统容量的增长带来的是对交换系统发展的压力， 未来的大型交换系统将需要处理总量达几百、上千太比特每秒的信息。因此，目 前网络节点的数据处理和交换能力己成为影响网络传输速度和充分利用光纤带宽 的最大瓶颈。为了解决这一问题，研究人员开始在交换系统中引入光子技术，实 现光交换。光交换技术作为全光网络系统的一个重要支撑技术发挥着重要的作 用，其发展在某种程度上也决定了全光通信网络的发展。 光交换技术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 的输出端口。常用的光交换技术分为光路交换【2 】( o p t i c a lc i r c u i ts 晰t c h i n g ，o c s ) 和光分组交换i 圳( o p t i c a lp a c k e ts 谢t c g ，o p s ) 两种方式。 o c s 类似于电域中的电路交换，是一种面向连接的交换技术，整个交换过程 包括连接建立、连接保持和连接释放三个阶段。o c s 采用双向资源预留方式设置 光通道，中间节点不需要光缓存，可以提供可靠的服务。但o c s 以一个波长上的 业务流量为最小交换单元，其粒度太大，而未来光网络不仅要求支持多粒度的业 务，且其小粒度的业务是主要业务。业务多样性使得用户对带宽有不同的需求， 而o c s 很难按用户的需求灵活地进行带宽的动态分配以及资源的统计复用，带宽 利用率较低，且建立和拆除光路时间相对较长，所以不适用于突发性的数据业务。 o p s 可看作是电域内的分组交换在光域的延伸，光分组由分组头和净负荷两 部分构成，分组头中有路由信息，因此结点仅需对分组头进行处理，而对净负荷 部分则是透明传输，从而提高了分组的转发速度。0 p s 以光分组作为最小的交换 颗粒，带宽可以按用户需求进行灵活分配，能够有效的支持多粒度的业务，实现 动态统计复用，提高带宽利用率，因此o p s 对突发性业务有很强的适用性。但o p s 对光器件要求较高，且仍有许多关键技术问题如高速缓存器、光分组头的光处理 和同步、光时钟提取等有待解决。 考虑到光路交换技术不适合突发性业务，而光分组交换技术又面临许多技术 困难，于是，c h u n m j n gq i a o 【5 ，6 】和j s t u m e 一提出了光突发交换( o p t i c a lb u r s t s w i t c g ，o b s ) 技术。o b s 以光突发包作为最小的交换单元，提供可变长度的 突发流量；采用数据分组和控制分组独立传送；采用单向资源预留机制，减少了 端到端时延；实现了突发数据包的透明传输，且通过中间节点时不需要光缓存， 没有延时。 o b s 可以看作是光路交换和光分组交换之间的一个折衷方案，以突发包作为 最小的交换单元，克服了光路交换粒度大、效率低、不灵活以及光分组交换对光 器件要求高、难以实现的缺点，同时兼顾它们的优点，带宽效率高、易于实现等， 因而o b s 被认为是一种具有广阔发展前景的光交换技术。 o b s 以光突发包作为最小的交换单元，带宽可以按用户需求灵活分配，能支 持多种突发性业务，但是由于光突发数据包通过预留好的资源以直通方式通过中 间节点，而目前的技术无法在光域中提供大容量存储，仅能提供有限的光延迟， 因此在光突发交换网络中，如何解决光突发数据包之间的竞争冲突是o b s 技术中 最关键的技术之一。在光突发交换网络中，由于采用单向资源预留机制以及对资 源采用统计复用方式，入口边缘节点在没有收到资源预留确认消息的情况下就会 向核心节点发送突发数据包，因此一旦有两个或多个突发数据包同时到达某核心 节点，要求在同一个输出端口的同一波长上预留资源时，就会发生光突发数据包 的竞争，导致数据包的丢失。 由于光网络具有传输速率高、带宽利用率高等特点，因此常用光网络承载较 大的业务量，如果不能把全网突发数据包的丢包率控制在较低的水平上，可能会 造成较为严重的资源损失。因此如何降低由突发包竞争而导致的丢包率就成为 o b s 技术能否最终走向实用的关键技术之一。 1 2研究现状 自上世纪末由c b u n m i n gq i a o 和j s 1 、曲e r 提出o b s ，o b s 已经受到国内外 越来越多的研究机构和学者的重视，成为全光网络研究领域的前沿课题。其中较 有影响的有纽约州立大学的l a n d e r 实验室、德克萨斯大学计算机系的c a t s s 实验室，卡罗来纳大学以及英国伦敦大学等。c h 岫m i n gq i a o 博士和他领导的科研 小组对o b s 网络结构、资源预留协议、q o s 支持等方面的研究作出了很大的贡献。 他们提出了一种恰量时间协议j e t ( j u s te n o u 曲t i m e ) h j ，并研究了基于该协议的核 心节点的结构和性能。为了降低网络实现的复杂性，y w e i 等提出了另一种信令协 议j i t 协议( j u s ti n 髓m e ) 例，j i t 提供“尽力而为”的服务。在竞争解决方面，罗马 2 大学的a n d r e 扣e t t i 提出了光混合突发交换( o p t i c a lc o m p o s i t eb u r s ts 、 憾c l 血l g ， o c b s ) ，德州大学的n o dm v o k k a r a n e 提出了光突发分割技术( b u r s t s e g m e n t a t i o n ，b s ) 。此外，o b s 网络关键器件研究以及o b s 网络试验平台构建也 有了快速的发展，包括北卡来罗纳大学的“j 呦p s t a n 网络 【1 0 1 ，美国华盛顿大学 的“太比特突发交换技术”项目f l l 】，欧洲的“c o s t 2 6 6 计划”光突发研究项副1 2 】 等。 在国内，上海交通大学，北京邮电大学，北京大学等多家单位都对o b s 网络 做过详细研究。其中，上海交通大学和北京邮电大学合作，自2 0 0 2 年起承担了国 家8 6 3 计划关于o b s 技术的重点研究课题，在o b s 网络的关键技术方面取得了巨 大的突破，建立了国内第一个o b s 试验平台【1 3 】。 最近几年内，o b s 网络方面的研究已经有了相当的深度和广度【1 4 1 ，涉及的方 向从纯粹的理论框架研究拓展到建模和定性的试验示范【1 5 l6 1 。目前对o b s 的研究 主要集中在以下几个方面：o b s 网络边缘节点的汇聚算法；o b s 信令协议；o b s 网络核心节点的信道调度算法；突发竞争解决机制；q o s 解决方案等。 对于突发竞争解决机制的研究，目前主要有以下几种：首先是减少竞争的发 生，主要采用偏置时间随机化技术。其次，若竞争已经产生，则应尽量消除，主 要使用光缓存器、波长变换或者采用偏射路由技术等。若是不能消除则应尽量减 少竞争造成的数据丢失，可以采用突发包分段技术等。由于单独利用上述几种竞 争解决机制的效果总是有限的，有人又提出将这几种方案进行有机的结合，如光 缓存加波长变换、光缓存加波长变化加偏射路由掣1 7 】。 迄今为止，尽管o b s 的研究取得了相当的进展，但o b s 中还有许多理论与技 术不成熟，比如突发汇聚、资源的预留与调度、突发包之间的竞争等关键技术。 因此o b s 距离商用化尚有一段距离i l 7 ，博j 。 1 3 论文的主要工作 本文以突发包的竞争解决方案为研究对象，在深入研究数据信道调度算法和 竞争解决机制的基础上，提出了一种改进的竞争解决方案l a u c v f b s ，并对其 进行了仿真实现。 论文的主要工作概括为以下几个方面： 1 、基础理论研究。研究了o b s 的工作原理、o b s 网络的体系结构及节点结 构，为后面的设计提供了理论支持。 2 、o b s 中关键技术研究。论文比较全面地阐述了o b s 中的关键技术，如汇 聚算法、控制协议等，并且重点研究了数据信道调度算法和突发包竞争解决机制。 分析比较了l a u c 、l a u c v f 、o d b r 等数据信道调度算法的性能，同时也对光 缓存、波长变换、偏射路由、突发包分段等竞争解决机制的性能进行了分析。 3 、竞争解决机制的改进。在突发包分段机制的基础上，论文进行了一定的改 进，提出了l a u c v f b s 解决方案。为了验证该方案的可行性，建立了仿真平台， 并给出了仿真平台中各部分的主要实现过程。最后，给出了仿真结果及分析，仿 真显示，该方案降低了分组丢失率，提高了链路利用率。 1 4 论文结构安排 本论文的结构安排如下： 第一章绪论。介绍课题研究的背景、意义以及国内外研究现状。 第二章o b s 网络结构与关键技术。研究o b s 网络的体系结构、节点结构和功 能、o b s 的工作原理、边缘节点的汇聚算法以及o b s 控制协议。 第三章o b s 数据信道调度机制及竞争解决机制。主要对o b s 网络中的数据信 道调度算法和突发包竞争解决方案进行深入研究，并分析常用调度算法和竞争解 决方案的性能。 第四章l a u c - v f b s 方案的实现及仿真分析。首先给出l a u c v f b s 方案的 实现原理，然后给出仿真平台的具体设计过程，最后对该方案进行仿真，并与其 它解决方案进行比较。 第五章总结与展望。对全文的工作进行总结，并对研究方向的未来发展进行 展望。 4 2o b s 网络结构与关键技术 2 1o b s 概述 2 1 1o b s 的特点 光突发交换是一种光交换技术，它以光突发包为交换单位，采用数据分组和 控制分组独立传送，每一个数据分组对应一个控制分组。控制分组在控制信道上 提前发送，以便为其相应的数据分组预留所需要的资源，后续核心节点在电域或 光域处理控制分组，试图预留并配置相关资源，而数据分组经过一段偏置时间后， 通过事先配置好的链路，透明地到达目的节点。数据分组是在入口边缘节点处由 多个具有相同特性的分组( 如相同的目的节点地址) 汇聚而成，并在出口边缘节点完 成解汇聚。o b s 的主要特点可以归纳为【l 川： ( 1 ) 具有中等交换粒度：o b s 交换单元的大小介于光路交换和光分组交换之 间，以光突发包作为交换单元，突发包的长度是可变的，可以从几个分组到一个 短的会话，每个突发数据包对应一个突发控制包； ( 2 ) 控制与数据信道分离：控制突发包和数据突发包分别在控制信道和数据 信道上传输，并且控制突发包先于数据突发包传输，从而有效地降低了核心节点 的复杂度和对光器件的要求； ( 3 ) 单向预留：采用单向资源预留机制。源节点在开始发送突发包之前，不 需要等待从目的节点的回应消息，大大减少了端到端时延； ( 4 ) 带宽利用率高：从不同源节点到不同目的节点的突发包可以采用统计复 用方式，从而有效的利用链路带宽； ( 5 ) 无光缓存：在光网络的中间节点可以不需要光缓存，数据突发包在经过 中间节点时没有延迟。 下面对o b s 的体系结构、基本原理进行详细分析。 2 1 2o b s 网络结构 图2 1 是一个o b s 网络的基本结构【2 0 1 ，它是由边缘路由器、核心路由器以及 w d m 链路等组成。边缘路由器提供与其他网络的接口( 如以太网、po v e rs d h 和 a 1 m 网等) ，使之可以完成各种协议类型的网络互联。入口边缘路由器按照数据包 的目的地址等信息，对数据包进行分类、缓存和封装，组合成突发包，并产生相 5 应的控制包，然后发送给与之最邻近的核心路由器。出口边缘路由器将突发包进 行拆卸，还原成原来的分组，发送到其他子网或终端用户。核心路由器则根据控 制包中的路由信息完成选路，对到达的突发包进行交换。边缘路由器和核心路由 器之间以及各核心路由器之间通过w d m 链路进行连接。 在0 b s 网络中，突发数据包完全在光域内进行交换传输，不需要进行光电 光转换。而突发控制包在独立于数据信道的控制信道中传输，每个突发数据包对 应一个突发控制包，源节点需要设置突发控制包与相应的突发数据包之间的发送 间隔。突发控制包中包含突发数据包传输交换所必需的控制信息，如突发数据包 的长度、偏置时间等。突发控制包在中间节点进行光电转换，在电域内进行路由 判断，保证突发数据包在光域内完成传输和交换。 2 1 30 b s 节点结构 图2 1o b s 网络基本结构 f i g u r e 2 1s 仃u c t u r eo f0 b sn e 似o r k s o b s 节点分为边缘节点和核心节点。边缘节点又分为入口边缘节点和出口边 缘节点，主要任务是突发数据包的分类、组装和拆卸，并可提供各类网络接口， 使之可以完成各种协议类型的网络互联，而核心节点的主要任务是完成突发数据 包的转发与交换。下面分别就边缘节点和核心节点的组成部分、功能结构以及主 要工作过程作详细介绍。 6 ( 1 ) 边缘节点 在入口边缘节点，边缘节点根据输入p 流的特性来决定突发数据包的大小和 偏置时间。入口边缘节点将来自传统i p 网络的一定数量具有相同出口边缘地址的 数据包组装成突发数据包( b d p ：b u r s td a t ap a c k e t ) ，并产生一个相应的突发控制 包( b c p ：b u r s tc o l l 仃0 1p a c k e t ) ，b c p 中包含b d p 交换所必需的控制信息，主要包 含出口地址、偏置时间、b d p 大小等信息。b c p 提前于其对应的b d p 在控制信道 上发送，b d p 经过偏置时间后在数据信道上发送。b c p 在中间节点被转换成电信 号进行处理，而b d p 则无需进行光电转换，以直通的方式通过各中间节点。在出 口边缘节点，b d p 被拆卸成多个口包，发送到其它子网或终端用户。 i p 分组 i p 分组 控制 组装器 一调度器i _ + 包生 成 - i 突发包组装k 土t 叫接收线路卡卜+) 未。u 蒸 一| # h * l 一l _ j 包发送 模块 i i 交换 i 叫争谭 - 卜收线路卡卜 上 - 突发包组装 、厂工突发包 r突发包组装 _ 删h 藿裁 | 模块1 i p 分组交换 突发包生成 突发包处理 图2 2 入口边缘节点组成结构图 f i g u 陀2 _ 2c o m p o n e n to fi m p o r te d g en o d e 突发包叫窒垄皇堡坚卜_ 叫茎垄皇坌笙 控制包斗匿卤： i 突发包巨里墅垂型匿卜臣雯巫 控制包叫订函蕊i 磊五习 接 收 线 路 卡 _ _ _ 一 接 收 线 路 卡 交换 图2 3 出口边缘节点组成结构图 发 送 线 路 卡 _ _ 发 送 线 路 卡 i p 分组 i p 分组 控制信道 数据信道 控制信道 数据信道 f i g u r e 2 - 3c o m p o n e n to fe x p o r te d g en o d e 图2 2 和2 3 分别为入口边缘节点和出口边缘节点的组成结构图。从图2 2 中 可以看出，入口边缘节点的主要工作过程是：对从传统i p 网来的i p 分组，按其目 7 的地址等要求交换到相应的突发包组装器的输入端，按照一定的汇聚算法组装为 突发包并同时生成一个控制包。同一输出端口的多个组装器可以共用一个调度器， 调度器按照一定的调度算法选择发送突发包。调度器计算突发包和控制包之间的 偏置时间，先将控制包发送到控制信道上，经过偏置时间后再将突发包发送到数 据信道上。相对于入口边缘节点，出口边缘节点的工作过程比较简单。从图2 3 可以看出，出口边缘节点仅需要将接收到的突发包分解为多个口分组并按其目的 地址转发即可。 上面主要从组成部分角度介绍了边缘节点的组成元素以及工作过程，下面介 绍其主要的功能结构。边缘节点的功能结构如图2 4 所示1 2 l 】。在i p 层和w d m 光 层有一个m a c 层。入口边缘节点的m a c 层需要完成m 分组的组装，形成b d p ， 并产生相应的b c p ，同时确定b d p 和对应的b c p 之间的偏置时间。通过数据调 度完成对突发包的调度，先把b c p 发送到控制信道，偏置时间之后发送相应的b d p 到数据信道。在出口边缘节点则完成相反操作。 图2 4 边缘节点功能结构 f i g u 阳2 4 觚c t i a la r c h i t e c n 鹏o fe 起en o d e ( 2 ) 核心节点 核心节点主要负责对控制包进行光电光转换，通过解析控制包中携带的信 息，在电域进行路由表查询、对光交换矩阵进行配置、更新b c p 相应数据域等操 作；对突发包不进行光电光转换，在光域内完成整个交换和传输。 核心节点通常主要由光交换矩阵、控制单元、光纤延迟线( 可选) 、波长复用 器以及解复用器等组成。图2 5 给出了o b s 核心节点的功能结构。设入口、出口 光纤数均为n ，每根光纤支持的波长数均为k + 1 ，其中一个波长用于传输b c p ， 另外k 个波长用于传输b d p 。核心节点主要工作过程如下：在光纤输入端将每根 光纤中的各波长通过波长解复用器分离出来，对于分离出的控制波长连接到控制 8 单元。控制分组进入控制单元后，首先经过光电转换变为电信号，在电域内进行 路由表查询、对光交换矩阵进行配置、更新b c p 相应数据域等操作，控制信息处 理完后通过电光转换变为光信号；对于分离出的数据波长通过光纤延迟线或直接 连接到光交换矩阵，光交换矩阵在控制单元的控制下将各数据波长中的突发包交 换到相应的输出端口，整个交换过程在光域内完成。最后，在输出端口，波长复 用器将交换矩阵输出的数据波长和控制单元输出的控制波长进行复合，进入相应 的出口光纤田】。对于图中光交换矩阵前的光纤延迟线是可选的，主要用于延迟 b d p ，等待b c p 的处理。不过，通过设置恰当的偏置时间，可以使b d p 在中间节 点不用进行缓存而直接通过，进而可以取消光纤延迟线。 k 个数据波长 k 个数据波长 图2 5 核心节点功能结构 f i g u r e 2 - 5 劬c t i o n a la r c h i t e c t u r eo fc o 佗n o d e 2 2o b s 基本原理 光纤l 在一般的o b s 网络中，每一根光纤各有多个波长用作数据信道，一个波长用 作控制信道。数据信道与控制信道的隔离简化了对突发包交换的处理，由于b c p 长度很短，使其可以进行高速处理。o b s 网络中的基本交换单元是突发数据包， 其长度可变，一般由相同目的地址等要求的i p 分组组成。在入口边缘节点突发包 产生时，同时会产生一个与其相对应的b c p 。b c p 中携带对应b d p 的相关信息， 包括b d p 的长度、目的地址、偏置时间的大小等信息。发送b d p 时，在控制信道 提前发送相应的b c p ，目的是通知到目的节点的途经中间节点，在一定偏置时间 后将有一个突发包到达，请预留资源以便这些中间节点进行路由查找，交换矩阵 配置，并在b d p 持续的时间内，将b d p 传送到相应的端口和波长【2 3 】；等待一定 9 偏置时间后，在数据信道发送b d p 。恰当的偏置时间既可以保证中间节点有较充 足的时间根据b c p 中的信息在b d p 到达之前将交换矩阵配置好，又可以减少网络 时延。b c p 中的控制信息一般都经过光电转换，在电域进行路由表查找、对光交 换矩阵进行配置，以保证当相应的b d p 到达时相应的数据信道已配置好；而b d p 不需要经过光电光转换，可以根据已预留、配置好的链路直接在数据信道中进行 透明传输。在预约资源时，o b s 网络一般采用的都是单向预约机制，即源节点不 需要等待从目的节点的确认信息就可以发送数据，从而降低了数据的时延，但这 也可能导致部分数据因资源不足而被丢弃。b d p 和b c p 都不需要光同步。o b s 网 络充分发挥了现有电子技术和光子技术的特长，实现成本相对较低。 2 3o b s 关键技术 2 3 1o b s 汇聚算法 o b s 网络由边缘节点和核心节点构成，数据分组在o b s 网络的入口边缘节点 按一定规则进行组装，如何把来自不同网络的数据适配进o b s 网络并组装成突发 包是o b s 网络的关键技术之一，这将直接影响到o b s 网络的性能。 i p 分组流 i i l i p 分组流 l p 分流器 l p 路由信息 出口2 类别l 调度卜_ 叫突发包产生卜_ 叫数据信道 图2 - 6 边缘节点突发汇聚组装过程 f i g u r e 2 - 6b 粥tp a c l 舔s 锄b l yo fe d g en o d e 假设对于每一个出口边缘节点和每一个q o s 等级，都有一个专用的组装队列， 所有接入的数据分组将根据其目的地址或q o s 等级被转发到相应的队列中。图2 6 为边缘节点突发汇聚组装过程。来自传统网络的p 分组到达入口边缘节点，口分 流器首先根据i p 分组头所携带的目的地址、q o s 等信息决定输入i p 分组属于哪一 l o 一一一一。一 个组装队列，组装队列中的多个m 分组根据相应的组装算法产生突发包。 常见的突发组包策略有两种：一是基于时间的；二是基于阈值的。目前己提 出的汇聚算法主要有：固定汇聚时间算法、固定汇聚长度算法、最大长度最大汇 聚时间算法、自适应汇聚长度算法。下面分别详细分析四种汇聚算法的基本原理。 ( 1 ) 固定汇聚时间算法 固定汇聚时间( f 龇，：f i ) ( e d 触s e m b l yp 耐o d ) 算法是_ 种非常简单且很直观的汇 聚算法【冽。其基本原理是：将到达的分组根据目的地址和q o s 放到相应的组装队 列中，通常为每一个组装器设定一个固定时间门限t 。当第一个口分组到达组装 队列时定时器开始计时，计时达到时间门限t 时汇聚完成，将组装队列中所有的 分组组装成一个b d p 并产生一个相应的b c p ，同时定时器、计数器清零重新开始 组装下一个数据突发。f a p 汇聚算法的流程图如图2 7 所示。 图2 - 7f a p 汇聚算法流程图 f i g u 鹏2 - 7d i a 伊a mo ff a p 勰s e m b l ya 1 9 0 r i t h m f a p 算法比较简单，但是采用f a p 算法b d p 的产生几乎是周期性的。由于这 种周期性，该算法可能会引起很高的连续冲突概率。且当负载较大时，可能产生 过大的b d p ，相对于小的b d p 较大b d p 更容易被冲突，从而影响整个网络的性 能。 ( 2 ) 固定汇聚长度算法 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 ) 算法也是一种非常简单，易于实现的 汇聚算法【2 4 2 卯。其基本原理是：将到达的分组根据目的地址和q o s 放到相应的队 列中，通常为每一个组装队列设定一个固定长度门限l 。当组装队列中到达i p 分 组的长度总和达到长度门限l 时，将组装器中所有m 分组组装成一个b d p 并产 生一个相应的b c p ，同时突发包长度、计数器清零重新开始组装下一个数据突发。 f a s 汇聚算法的流程图如图2 8 所示。f a s 算法比较简单，易于实现。但该算法也 存在严重的弊端，即当接入负载很低时，汇聚时间将非常大，很可能超过实时业 务的门限。 图2 8f a s 汇聚算法流程图 f i g u r e 2 8d i a g r 锄0 f i 诮- sa s s e m b l ya 1 9 0 r i t h m ( 3 ) 最大长度最大汇聚时间算法 作为一个好的汇聚算法，需要同时考虑突发数据包的长度和汇聚时延，最大 长度最大汇聚时间( m s m a p ：m a ) 【b u r s t s i z cm a ) 【a s s 锄b l yp 商o d ) 算法把f a p 和 f a s 有机地结合起来【2 6 】，利用时间和长度两个门限来决定数据突发生成时刻，兼 顾了两者的优点，同时避免了两者的不足。m s 脚算法的基本原理是：将到达的 分组根据目的地址和q o s 放到相应的队列中，通常为每一个组装队列设定一个固 定时间门限t 和一个固定长度门限l 。当第一个i p 分组到达组装队列时定时器开 始计时，同时检查突发包长度，如果突发包在达到时间门限t 前达到了长度门限l ， 则产生一个突发包和相应的控制包并发送出去，同时突发包长度清零，定时器、 计数器清零，重新开始组装下一个数据突发；否则在时间门限t 时，产生一个突 发包和控制包，同时突发包长度清零，定时器、计数器清零，重新开始组装下一 个数据突发。m s m a p 汇聚算法的流程图如图2 9 所示。 1 2 图2 9m s m a p 汇聚算法流程图 f i g 埘r e 2 9d i 4 9 陋mo fm s n t a pa s s 啪b l ya l g o r i t h m ( 4 ) 自适应汇聚长度算法 自适应汇聚长度( a a s ：a d a p t i v ea s s e m b l ys i z e ) 算法是利用滞后特性、m 类先 进先出队列模型和回形计数器，根据相关接入的负载情况，自动地调节相应的长 度门限，并确保汇聚时间不超过固定的汇聚时间1 2 7 娜】。为了避免m s 脚等算法 中突发大小随着接入业务过快地变化，a a s 算法引入了一个窗口。假设q h i 曲( q l o w ) 表示高( 低) 突发长度门限，它们之间构成一个窗口，当业务量增大或减小时，窗口 相应地上滑或下滑。其基本原理是：将到达的分组根据目的地址和q o s 放到相应 的队列中，通常为每一个组装队列设定一个固定时间门限t 、最小突发长度l m i l l 和最大突发长度k 瞰门限。当第一个p 分组到达组装队列时定时器开始计时，同 时检查突发包长度，当某个队列的长度达到汇聚长度门限或其相应的最大时延达 到汇聚时间门限时，就产生突发包并产生相应的控制包，同时突发包长度清零， 定时器清零，重新开始组装下一个数据突发。汇聚完成以后，根据突发包大小， 使窗口上滑、下滑或保持不变，即如果队列的大小大于高门限，则增加高低门限； 如果小于低门限，则减少低门限，但高低门限不超过最大和最小突发包大小。a a s 汇聚算法的流程图如图2 1 0 所示。a a s 算法可以根据接入流量的情况，自适应地 改变突发包的大小，具有较好的汇聚效果，但该算法缺点在于对汇聚门限的动态 调整必须通过一定的预测机制来实现，因而实现控制比较复杂。 开始 初始化 ( 定时嚣、计数器、 突发包长度清零 设定高低门限) 否 否 突袭爰篙篙笋到i 是长度门限?i 一 是 产生突发包和 相应控制包 定时器、计数器、 突发包长度清零 结束 ( 根据突发包大小调 整高低突发长度门 限) 图2 1 0a a s 汇聚算法流程图 f i g u r e 2 一l0d i a g m mo f a a s 笛m b l ya 1 9 0 r i m m 2 3 2o b s 控制协议 在光突发交换网络中，边缘节点通过一定的汇聚算法，完成光突发数据包的 汇聚组装，产生b d p 和相应的b c p ，并将之发送到相应的信道中。但信道上资源 预留问题是如何解决的以及b d p 和b c p 之间的工作是如何协调的，这都需要控制 协议。 根据资源释放的不同方式，可以把光突发交换网络的传输控制协议分为三类： t a g ( t e l l a n d g o ) 、i b t ( i n b a l l d - t e m i n a t o r ) 、r f d ( r e s e n ，e - a - f i x e d - d u 】r a t i o n ) 。t a g 协议采用的是带外信令控制方式，在突发包发送结束后，源节点在独立的控制信 道中发送一个资源释放( r e u 认s e ) 消息，用以释放沿途各节点上被预留的资源。 i b t 协议采用的是带内标识控制方式，即在突发包发送结束后不再需要单独发送一 个r e l e a s e 消息来释放预留的资源，而是在突发包的尾部放置一个结束标识位并 利用它来实现预留资源的释放。r f d 协议是利用控制包中的偏置时间和突发长度 来预留固定时间段以实现节点的自动控制，沿途节点根据偏置时间和突发包长度 计算交叉连接的建立时间和拆除时间，并写入本地的时间表中以便在对应时间到 达时进行相应的操作，不需要r e l e a s e 消息或其他结束标识。 j i t ( j u s t 1 1 1 t h n e ) 协议和厄t ( j u s t e n o u g h t i m e ) 协议分别是t a g 协议和 1 4 r f d 协议中 ( 1 ) 豇t 协鼍。，乒7m ，执 心的1 = 作原理【2 9 】。当源节点完成突发包的组装后，竺兰 裂篙黧嚣嚣一黼黜鬻 露蠹 蔫麓置圣篓妻曼鼍；鼍萎蠹奎圣毒蔷篙蓑三主：翼：二时间将作用于 传输路径上的每一个节点。通常情况下，初始偏置时间t 设置要求为：眨6 h ，其 中6 为b c p 在每个节点处的平均接收和处理时间，h 为通信路径上的转发跳数。 通常，为了减少网络端到端时延，设置偏置时间时应尽量取最小值。然而偏置时 间的设置仅仅是一个估计值，当出现网络拥塞等问题时，如果偏置时间设置过小， 很可能会引起它在到达目的节点之前就已经被耗尽，若是没有任何光缓存的情况 下，b d p 只能被丢弃：若是偏置时间设置过大，又会造成较大的网络端到端时延， 因此在设置偏置时间t 时要选取一个较合理的值。此外，通过设置不同的偏置时 间还可以实现区别预留机制，以此来提供q o s 保证。 源节点 中间节点中间节点目的节点 2 4本章小结 图2 1 2 厄t 协议工作原理 f i g u r e 2 一1 2p n c i p l eo f j e t 本章首先讲述了o b s 网络的体系结构、边缘节点和核心节点的结构以及o b s 网络的基本原理。其次，对几种常见的边缘节点汇聚算法进行深入研究。最后讲 述了o b s 网络控制协议，并对o b s 网络中两个具有代表性的控制协议j i t 协议和 胆t 协议进行了深入分析。 1 6 3 o b s 数据信道调度机制及竞争解决机制 3 1o b s 数据信道调度机制 在o b s 网络中，数据信道调度就是指为到达的b d p 选择一条输出数据信道， 当没有可用信道时，b d p 以及相应的b c p 将被丢弃。调度算法的目标是最大限度 地利用有限带宽、提高带宽利用率、减少竞争的发生，进而减小突发包丢失率。 从国内外的研究成果来看，数据信道的调度机制一般可以分成不带时隙填充 和带时隙填充两类。目前有两种典型的o b s 信道调度算法：最迟可用未占用信道 ( 】已u c ：l a t e s ta v a i l a b l eu n l j s e dc h a 加e 1 ) 算法及其改进算法可插空最迟可用未占用 信道( l a u c v f ：l a t e s ta v a i l a b l eu n