（通信与信息系统专业论文）多粒度光交换体系结构及其路由波长分配算法的分析研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 由于密集波分复用( d w d m ) 技术的发展，光纤传输可以提供更大的带宽， 可以克服纯电子交换的信道容量瓶颈问题光通信技术目前被广泛投入于商用 中，现在世界上有8 5 的通信业务经光纤进行传输由于光交换技术目前还存在 诸多问题，本文研究内容主要是围绕交换技术而展开的 本文首先比较和分析了光电路交换、光分组交换和光突发交换等三种交换技 术的优、缺点，阐述了可以弥补光电路交换和光突发交换二者缺点的混合交换技 术在论文最后一部分，我 t f j i 入一种改进的混合光交换结构以及相应的条件汇 聚机制改进的混合交换技术能够根据网络中的实际业务流的情况，灵活选择交 换方式，同时也能够保证各种业务的服务质量通过仿真表明，我们所建议的混 合交换网络其性能高于一般混合交换网络，尤其是链路带宽利用率和网络吞吐量 等方面，能实现进一步优化网络带宽资源的目的 由于光器件制造工艺发展的客观条件限制，光交叉连接器件的成本还比较 高光交换的成本过高是目前需要解决的关键问题之一基于波带交换的多粒度 光交换技术能够有效地将连续的多个波长以一个单元的形式进行交换，极大的减 少了交换的端口数目，降低成本 本文针对这一研究热点首先分析了多粒度光交换的基本交换结构和各种拓 展的结构，详细描述了结构中各个器件的具体功能和特点其次由于多粒度交换 引入了波带交换的概念，传统的路由和波长分配算法已经不能适用，必须引入支 持波带交换的路由和波长分配算法本文比较了已有的多粒度交换网络中的路由 和波长分配算法的差异和优、缺点，并引出了光突发交换信道群调度机制在多粒 度交换中的策略问题本思想的出发点是将o b s 中的某一组数据信道( 波长) 与 多粒度光交换中的一个波带对应，类型相同或者相近的业务在一组信道中传输， 并且一个单元的形式进行交换我们着重分析了融合技术存在的问题，并提出了 一种基于0 b s 信道分群的负载平衡波带分配算法 关键词：多粒度光交换，波带交换，混合光交换，条件汇聚机制， 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t d u et ot h ea d v a n c eo f d w d m t e c h n o l o g y , f i b c r sc a np r o v i d eh u g e rb a n d w i d t h a n do v e r c o m et h ec a p a c i t yb o t t l e n e c kp r o b l e mm e tb yp u r ee l e c t r o n i cs w i t c h i n g 0 p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e a nw i d e l yp u ti n t ou ，t h er a t i oo ft h e c o m m u n i c a t i o nt r a f f i ct r a n s p o r t e db yf i b e r si s8 5 n o w n e v e r t h e l e s s 。t h e r ea r e m a n yo p e ni s s u e si no p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y , s ot h i sd i s s e r t a t i o np a y st h e 锄p h a s e so ns t u d y i n gt h es w i t c h i n gt e c h n 0 1 0 9 yi nt h ed i s s e r t a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yc o m p a r et h em e r i t sa n dd i s a d v a n t a g e so fo p t i c a ic i r c u i t s 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 ga n do p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，d e s e r i b et h eh y b r i d s w i t c h i n gt e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n e du 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 lb u r s t s w i t c h i n g a tt h el a s tp a r to ft h ee s s a y , a t li m p r o v e dh y b r i ds w i t c h i n ga r c h i t e c t u r e a n dac o n s t r a i n e da s s e m b l ys c h e m ew e r ep r o p o s e d 1 1 n e wh y b r i ds w i t c h i n gc a l l f l e x i b l yc h a n g et h es w i t c h i n gm o d ea c c o r d i n gt ot h et r a f f i ci nt h en e t w o r k , a n d c n s u r e st h eq o so ft h e1 1 a m c s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep r o p o s e d1 1 v b r i d n e t w o r kc a ng a i nh i g h e rp e r f o r m a n c et h a nt h en o r m a lo n e ，e s p e c i a l l yi nl i n k b a n d w i d t ht a t i l i z a t i o na n dt h r o u g h p u ta n df u r t h e ro p t i m i z et h er c s o u r c 圯 b e 圮, a u s oo ft h eo b j e c t i v el i m i t a t i o no ft h eo p t i c a le l e m e n tm u n u f a c u a t e c h n i q u e , t h ec o s to ft h eo p f i c a lc r o s sc o n n e c ti sh i 曲s ot h eh i g hc o s tf o ro p t i c a i s w i t c h i n gi s t h ek e yp r o b l e mt h a tn e e d e dt od e a lw i t h m u l t i - c n a n u l a ro p t i c a l s w i t c h i n gt e c h n o l o g yb a s e do nw a v e b a n ds w i t c h i n go a ne f f i c i e n t l ys w i t c hs e v e r a l c o n s e c u t i v ew a v e l e n g t h sa sau n i t , s i g n i f i c a n t l yr e d u c ct h es w i t c h i n gp o r t sa n dt h e w h o l ec o s l t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nt h ek e yp r o b l e m s 。f l s t l ya n a l y z et h eb a s es w i t c h a r c h i t e c t u r ea n de x p a n d e da r c h i t e c t u r ei nm u l t i - g r a n u l a ro p t i c a ls w i t c h i n ga n d p a r t i c u l a r l yd e s c r i b et h ef u n c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f a l lk i n d so f e l e m e n t si nt h e a r c h i t e c t u r e s e c o n d l y , f o rt h er e a s o nt h a tt h ec o n c e p to fw a v e b a n ds w i t c h i n gw a s i n t r o d u c e d , t h et r a d i t i o h a lm u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n tw o u l dn o tm a t c hi t a n dw em u s tt of m dt h en e wm u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n ta l g o r i t h m st h a tf i t t h ew a v e b a n ds w i t c h i n g 0 r em a i ne f f o r to ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od i s c u s sa n d c o m p a r e t h ed i f f e r e n c e , m e r i t sa n d d i s a d v a n t a g e so fe x i t i n gm u t i n ga n dw a v e l e n g t h a s s i g n m e n ta 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 1 1 地i d e ac o m b i n e do b s g r o u p i n gc h a n n e ls c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dm u l t i g r a n u l a rs w i t c h i n gw a si n t r o d u c e d i nt h ep a p e r b a s e di d 魄o fi ti st om a t c hag r o u po fo b sc h a n n e l sw i t h 矗 w a v e b a n di nm u i t i - g r a n u l a rs w i t c h i n g , t r a f f i cw i t hc o m m o no fs i m i l a rc h a r a c t e r i s t i c w i l lb et r a n s p o r t e di n t h i sg r o u po fc h a n n e i sa n ds w i t c h e d8 8au n i t w ep a y e m p h a s e so nd i s c u s st h eo p e ni s s u e sa n ds u p p o s e da1 0 a d - 6 a l a n c e mw a v e b a n d a s s i g n m e n ta l g o r i t h mb a s e do no b sc h a n n e l - g r o u p i n g k e yw o r d s = m u l t i - c n u n u l a ro p t i c a ls w i t c h i n g ，b a n d w i d t hs w i t c h i n g ，酬d o p t i c a ls w i t c h i n g ，c o n s t r a i n e da s s e m b l ys c h e m e 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，也不包含为获得重鏖鲣虫太堂或 其他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 学位论文作者签名。季 签字日期：加6 年一岁月冶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废邮虫太堂 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重废鲣虫太堂 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适用本授权书) 粼嫦躲中廓何摊名：彻翔 签字日期：渺6 年5 n 孵日签字日期：舻厂月瑶日 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，对网络带宽的需求不断上 升w e b 用户的大量增加使提供信息服务的主机数不断增加；另一方面，网络 业务种类也在不断扩展，视频和音频相结合的多媒体技术所占的比重越来越大 因而网络流量呈爆炸式增长，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所以人们把目光投向了光领域 随着d w d m 技术的发展和应用，单根光纤的传输容量甚至可以达到1 r t i ，s 的速度由此也对交换系统的发展提供了压力和动力，尤其是在全光网中，交换 系统所需处理的信息甚至可达到几百至上千t b s 运用光子技术实现光交换已成 为迫切需要解决的问题但是由于光器件制造工艺的稍稍滞后，成了我们打造全 光网络的绊脚石除了加快光器件制造工艺技术进步的脚步，我们的另一个目标 是在充分利用现有技术的基础上，充分发展光网络以波带交换为基础的多粒度 光交换技术，能够融合波长交换，波带交换和光纤交换三种技术，实现波长，波 带和光纤三种交换粒度有效并存于网络中通过引入波带交换，在满足交换各项 性能要求的前提下，交换结构的端口数( 光交换网络的主要成本源) 有效地减少； 同时，控制的复杂度也相应地降低 从另外一方面来说，目前能广泛实现的比较成熟的光交换方式是光电路交 换，传输稳定且各项性能都很好，但是光电路交换的链路带宽利用率比较低，从 节约成本的角度看，光电路交换不能达到我们理想的目标近些年研究的热点主 要在光分组交换和光突发交换，尤其光突发交换是研究的重点通过引入在边缘 节点的汇聚和核心节点的调度以及延迟预留等机制，光突发交换能够有效提高网 络的链路带宽利用率，最有希望成为下一代光网络中的交换方式的替代者融合 了光电路交换和光突发交换两种技术的混合交换技术，能够充分有效地利用两者 的优点。进一步优化网络资源，提高网络吞吐量混合光交换技术也是本文重点 研究的方向之一 1 2 项目支撑 本文的研究内容属于国家。8 6 3 ”项目一“动态灵活的光网络体系结构与关 键技术研究”( 编号：2 0 0 5 a a l 2 2 3 1 0 ) 中的“智能的超高速多粒度光交换关键技 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 术”这一子项目 本项目与课题的研究对象就是目前光网络发展遭遇到的问题，研究内容包 括：1 研究智能化的支持多粒度交换的光网络节点设备的技术可行性及应用需求 分析，并进行技术方案设计；2 可实现化的分布交换式的体系结构的研究；3 高 速光交换矩阵设计；4 多粒度核心光交换模块与光节点控制面协议关键功能模 块这几项研究内容都是发展光网络所面临的关键问题，涉及到光网络中的结点 技术、硬件光交叉技术和交换技术等关键技术壁垒我本人在项目中的主要工作 是分析和比较多粒度光交换网络中的交换结构、路由和波长分配算法以及传输控 制算法 1 3 论文内容以及组织结构 本文首先介绍了光网络中的交换技术，详细描述了目前研究的热点光突 发交换技术，为论文后面的叙述作了铺垫接着引出了基于波带交换的多粒度光 交换技术以及基于光电路交换和光突发交换的混合光交换技术，分为两部分分别 描述了两种多粒度交换技术的特点并且在这两部分内容中，都融入了作者本人 的工作成果 本文结构如下： 第一章，绪论介绍了课题背景，指出了研究的意义； 第二章，作为后面章节内容的基础知识，介绍了目前存在的几种光交换技术， 尤其详细地介绍了光突发交换这一目前研究的热点； 第三章。首先描述基于波带交换的多粒度光交换网络结构，重点分析了多 粒度光交换结构，以及相应的波长和路由分配算法；在本章最后一部分，本文提 出了一种融合o b s 信道分组调度和多粒度光交换的思想，使整个网络能够支持 光纤、波带、波长和突发四种粒度的交换，并探讨了融合技术所存在的问题和解 决方案，最后提出了一种基于o b s 信道分群的负载平衡波带分配算法 第四章，比较了以波长，突发和分组为粒度的三种交换方式的差异和优、 缺点，阐述了以波长和突发为交换粒度的混合光交换技术，并引入一种改进的混 合光交换结构和一种新的传输控制算法，最后通过仿真验证该结构和算法对网络 性能改善的有效性； 第五章，总结全文，得出结论并展望下一步的工作 2 1 光交换技术概述 光交换技术的概念 第二章光交换技术 光交换技术“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接口、光交换矩阵、输出接口和控制单 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 现代通信网中，密集波分复用( d w i ) m ) 光传送网络充分利用光纤的巨大带 宽资源来满足各种通信业务爆炸式增长的需要然而，高质量的数掘业务的传 输与交换仍然采用如i po v e ra t m 、i po v e rs d h 等多层网络结构方案，不仅丌 销巨大，而且必须在中转节点经过光电转换，无法充分利用底层d w d m 带宽资源 和强大的波长路由能力为了克服光网络中的电子瓶颈，具有高度生存性的全 光网络成为宽带通信网未来发展目标。而光交换技术作为全光网络系统中的一 个重要支撑技术，它的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 由于目前光逻辑器件的功能还较简单，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还要由电信号来完成，即所谓的电控 光交换在控制单元的输入端进行光电转换，而在输出端需完成电光转换。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。 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 重庆邮电大学硕士论文 第二章光交换技术 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，尽管现有的通信系统都采用电路交换技术，但发展中的全光网 络却需要由纯光交换技术来完成信号路由功能以实现网络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电交换设备继续处理，这样具有以下几个优点： 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，以及加快网络恢复的时间 由于光交换技术有着众多优势，成为了大家研究的热点在下面的内容中， 第二节的内容，作为下面章节的基础，我们将具体描述目前已经在应用的和正 在研究中的光交换技术 2 2 目前光网络中的交换技术 2 2 1 光电路交换技术和光分组交换技术 目前，光电路交换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g 。o c s ) i i 】是应用最广泛的光 交换方式，其传输过程如图2 2 ( a ) 所示 i 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，是中间节点处理控制包的时间) ； 2 当链路建立好后，目的节点d 发送一个a c k 给源节点来确认链路的建 立： 3 源节点收到a c k 后，开始沿着建立好的链路向目的节点发送数据包； 4 数据传输完成后，源节点发送一个释放链路的消息给目的节点以释放链 路 o c s 的优点是当光链路建立好以后，对于某个连接来说是专用的，因此数 据包可以直接在光链路上传输，在中间节点处不需要被缓存，也不会存在丢包 的闯题，并且延迟很小但是在通过波长路由实现的光电路交换中，首先必须 占用专有的波长从而在源节点和核心节点之间为每个连接建立光链路，光链路 建立时间太长( 需要6 p + 3 厶的时间) ，因此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，那么带宽就不能被充分利用另外，尽管目前 的光纤中的波长数已经可以突破1 0 0 0 ，但是毕竟还是有限的，并非每个节点都 能有到其他节点的专有波长，因而某些数据可能要经过长距离的路由或者通过 光电和电光转换另外现在d w d m 配置采用的是光电路交换，用的是波长路 重庆邮电大学硕士论文 ， 第二章光交换技术 由的方式由于互联网业务是自相似的( 总是在某个范围突发的) ，波长路由结 果导致了低的带宽利用率。再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 po v e rw d m 变得不灵活和无法升级此外，光路的超 高透明性限制了网络管理的能力( 比如监测和快速故障恢复) 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 ) 1 2 1 1 3 1 4 j 类似于传统的i p 分组交 换，采用存贮转发交换方式，可以实现统计复用，能灵活有效地利用光纤中的 带宽，是光交换的发展方向其传输过程如图2 2 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，在中间节点处数据分组必须被缓存， 以等待分组头被处理完后再一起发往下一跳节点这种方式的优点是没有建立 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0 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( 在每一跳都要缓存a 时间) ，当前光存储器件 和光逻辑器件很不成熟，光分组交换对高速光逻辑、光存储技术，都达不到要 求，例如目前的实验系统中采用光纤延迟线( f d l ) 成本较高，而且只能简 单提供有限固定的时延，且不能随机存取光信号： 二是不能达到同步技术的需求，在o p 8 交换节点处，难以实现精确的光同 步l 三是目前有研究机构实现了光3 r 再生器并进行了测试，但关键的问题是 这种再生器要应用于实际的网络则显得太昂贵了 s l2d s 12d c o n t r o l t i m e a c 。 亡 亡 絮 二 弋r ( a ) 光电路交换 r 、 k r r 、 r n 、：4 柏办jh 圈2 2 光电路交换和光分组交换 ， 重庆邮电大学硕士论文 第二章光交换技术 2 2 2 光突发交换技术 2 2 2 1 光突发交换的产生背景 近来的研究表明，除了以太网内部和以太网之间的流量之外，w e b 浏览器、 广域网t c p 连接( 包括t c p 所承载的f t p 和t e l n e t 流量) 以及可变比特率 ( v b r ) 视频流等产生的流量都是白相似的( 或者说在时问上是突发的) 更重 要的是，一些研究得出的结论是，与通常基于泊松流的假设相反，大量自相似 业务流的复用结果是突发的业务流通过上一节的分析，我们的结论是：光网 络中现有的交换方式并不适合支持突发性的业务 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的交换方式光突发交换 例1 6 l ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g , o b s ) i e 是能够实现这样耳的的一种交换方式 2 2 2 2 光突发交换的技术要点 光突发交换的网络结构 o b s 网络拓扑结构嘲【刀主要由全光核心路由器、电边缘路由器和d w d m 链 路组成如图2 3 所示 边缘路由器一边与业务网，如l p 网相连，另边与一个核心路由器相连，而 核心路由器，可以与一个或多个边缘路由器，同时与其它核心路由器构成网状网 在入口节点，边缘路由器将i p 数据包汇聚成一个比普通i p 数据包大得多的数据突 发( d a t ab u r s t ，d b ) ，并且根据输入的i p 流的特性来决定数据突发大小、偏置 时间；同时生成一个控制分组( b u r s th e a dp a c k e t ，b m ) ，包含出口地址、偏 置时间、数据突发大小和q o s 等信息数据突发传输前在网络边缘节点的电域 中被缓存，其对应的控制分组首先被发送出去以建立连接( 在沿途预留相应的带 宽和配置交换机) ，随后的数据突发在经过规定的时间后不需要收到连接确认消 息就可以被发送出去如果资源已经预留好，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，否则直接丢弃该数据突发 统接u 统接u 图2 3 光突发交抉网络拓扑结构 在核心节点，带宽预留时间为突发数据的传输持续时间。核心单元需监视 流量的基本要素包括阻塞概率、延迟和处理时间，这些信息决定在入口节点的 光路径在出口节点，数据突发将被拆帧，并拆分成多个琅包若需要，在 出口节点要进行重排序和出错重发处理。如偏置时间、突发大小和q o s 值等参 数，是o b s 网络要处理的本质要素，这些需在0 b s 网络的入口节点进行赋值。 光突发交换中的汇聚算法 在m 包到达边缘节点后，分类器( c l a s s i f i e r ) 根据其携带的路由信息( 如 目的地址等) 和q o s 要求对其进行分类，分别放到不同的汇聚队列中例如图 2 4 中d n 的c l a s s0 队列中就是到目的地n 的优先级为c l a s s0 的礤包。当汇聚 条件满足时，队列中的口包被汇聚成为数据突发并被调度到相应的出口信道 上。同时确定偏置时间，并产生相应的控制分组。 目前主要的边缘汇聚算法主要有以下几种1 8 - 1 2 】： 1 固定汇聚时间算法( f a p ) ：即给单个汇聚队列配置一个定时器，当定时 器的时间截止时，将这段时间内到达的所有理汇聚成突发包： 2 固定突发长度算法( f b l ) s 规定汇聚突发包的长度，当到达的口的长度 相加到达规定的长度时，将这些p 包汇聚成突发包； 3 最小突发长度最大汇聚时间算法( m b m a p ) ：给汇聚突发包的长度规定 一个上限值同时给定时器规定一个上限值，当到达的口包的长度之和等于或者 超过上限值或者定时器的时间截止，那么将到达的碑包汇聚成突发包： 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章光交换技术 圈2 4 突发汇聚过程 在上述过程中，决定根据何种参数、何时将m 包汇聚成为数据突发的算法 就是突发汇聚算法汇聚算法既可以基于一种参数，也可以基于多种参数某 种参数在汇聚过程中既可以是固定的，也可以是变化的 j e t 协议 j e t 协议【1 3 】是基于砒d 在光域中的突发交换资源预留协议它采用了两 种独特的特性，即偏置时间和延迟预留这些特性使j e t 相对更加适合于o b s j e t 允许数据信道的交换完全在光域中进行，它的控制是由在电域处理的突发 控制分组信息决定控制分组要先于突发数据突发发送，即控制分组与其相应 的突发数据突发在源端发送时，有一个偏置时间的间隔突发数据与其头部分 离发送和交换容易实现，并降低了对核心节点在头部处理和光电处理能力的需 求而且，通过分配额外偏置时间。j e t 可以在光域扩展支持优先级业务 图2 5 所示为采用j e t 协议的o b s 传输过程的示例o b s 中主要采用的 j m t - e n o u g h - t n e ( e t ) 协议，它有两个特有的特点，即延迟预( d e l a yl 妇r v e ， d r ) 的使用和将延迟预留与基于f d l 的缓存突发复用器( b u f f e rb u r s t m u l t i p l e x e r ，b b m ) 的使用相结合的能力这些特性使得j e t 协议相对于基于 t a g 的o b s 协议和其它没有完全具备上述两个特点的o b s 的单向预留协议来 说更适合于o b s 网络 源节点首先在控制信道( 专用波长) 上发送一个b l i p 到目的节点b h p 在 中间的每个节点处被处理，以便为后来的数据突发建立一条全光的数据通路 具体来说就是根据控制分组中所携带的信息，每个节点在出口链路上选择一个 合适的波长，在上面预留带宽并配置好光交换机与此同时，数据突发在源节 点的电缓存中等待经过偏置时间t 后，数据突发在选定的波长上以光信号的 形式发送出去 s 重庆邮电大学硕士论文 ， 第二章光交换技术 b 职 t t i m e s l2d s 12d 。 、j j 2卜、 e 、 h 、 、1 1 r 1 r b h p t t i m e ( b ) 6 图2 5 使用j e t 协议的光突发交换 1 偏置时间 如图2 5 ( a ) 所示，简单起见，我们假设在每个节点处理控制分组、预留相应 带宽和配置交换机的时间是a 个时间单元，并忽略接收和传输控制分组的时间 在基于t a g 的o b s 协议中，源将数据突发和控制分组一起发送出去，没有偏 置时间( 如图2 4 ( a ) 中r = 0 ) 另外，在每个接下来的中间节点，数据突发要等 待控制分组被处理，然后两者又一起发送到下一跳节点，同样没有偏置时间 这样，控制分组和数据突发都要被延迟a 时间，这称为每跳控制延迟这样， 包括总的传播时间3 p 而不包括传输时间的最低数据突发延迟就是3 p + a * 日， 其中日为路径上的跳数( 例如在图2 4 中，日= 3 ) 在j e t 中，我们可以选择偏置时问r 等于厶日，如图2 5 ( a ) 所示，以保证 每个节点在数据突发到来前有足够的时间来处理控制分组这样，数据突发并 不会遇到比使用基于t a g 的光突发交换协议更长的延迟，而同时又可以省略掉 中间节点的光缓存更进一步来看，事实上我们可以把粗略地看成两个部分： 万表示处理控制分组和初始化其它操作( 比如配置交换) 的时问，而j = ( 一回 是完成其它操作所需要的时问在j e t 中，控制分组在中间节点花费艿时间单 元后就立刻发往下一跳节点，换句话说，就是比数据突发早s 时间这就有效 地使交换设置时间和控制分组传输到下一跳( 或者被处理) 的时间重叠了起来 从而可以使得偏置时间变为t = 艿h + j ，延迟变为3 户+ r ，如图2 5 所示。 这样就比基于t a g 的光突发交换协议少了j ( 日一1 ) 时间 2 延迟预留机制 9 重庆邮电大学硕士论文 ， 第二章光交换技术 延迟预留( d r - d e l a y e dr e s e r v a t i o n ) 机制的使用能够有效地利用带宽资源， 关于这一点我们通过一个经典的例子来加以解释。图2 6 解释了延迟预留机制能 够有效地利用带宽资源的原因在使用基于t a g 的o b s 协议时，交换机从控制 分组在中间节点被处理结束的时刻t l 开始占用输出链路的带宽资源；但是在j e t 中，我们采用延迟预留的机制，带宽资源的预留很自然的从突发数据到 1 s tc o n t r o lp a c k e t t i 1 s tb u r s t t it i + l l 2 n dc o n t r o lp a c k e t 圈2 b 延迟预留机制 达输出数据信道的时刻t i 开始预留，而在其他时间内带宽资源可以被其他数据 突发占用，很明显，这里t l t l 除了考虑突发数据到时刻t l 。在j e t 中更重要 的是带宽资源将被预留到时刻t l + 1 1 ( 1 1 是突发数据的长度) 而不是无穷的， 这个特点将提高带宽资源的利用率，减少数据突发因预留不到带宽资源而产生 的突发份组丢失率例如在图2 6 中，如果瞬t j + l l ( 情况1 ) 或者t f t l ( 情况 2 ) 那么在使用基于t a g 的光突发交换协议时，在不使用缓存器的条件下， 第二个突发数据在节点x 将会被丢弃但是当使用j e t 协议时，只要第二个突 发数据的长度小于t j b ，那么不管是在情况l 还是在情况2 ，第二个数据突 发都不会被丢弃i b t 和t a g 突发交换技术不能动态分配带宽资源，这就需 要减小偏置时间( 最好为零) ，并且必须使用光纤延迟线来降低阻塞而j e t 协 议可以调整偏置时间和延迟预留，实现中间节点的无f d l 交换，当然，也可 以采用f d l 已达到更好的吞吐性能。同样条件下，r f d 通过偏置时问和d r 实 现智能突发调度，从而具有更高的带宽利用率 光突发交换中的信道调度算法 当控制分组到达网络的核心节点时，调度器就从控制分组上获取必要的信 息。如：数据突发的到达时刻和数据突发在信道中的持续时间，然后再选取某 种数据信道调度算法为其相应的数据突发在输出链路上预留数据信道在对新 到达的数据突发进行数据信道调度时需要对每条输出的数据信道进行最近可用 的未被调度时刻( l a i 盯) 、间隔及空隙的跟踪数据信道的l a u t 是使得未被 调度的数据突发能够被调度成功的可用的数据信道的最早时刻；间隔是某条信 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章光交换技桑 道上未被调度的数据突发的到达时刻和该信道上上一个已调度数据突发的结束 时刻之差；空隙是在数据信道上两个已调度数据突发的未被调度时刻差，也就 是说后一个已调度数据突发的到达时刻和前一个已调度数据突发的结束时刻之 差对于空隙填充的算法，每条信道上的每个数据突发的开始时刻和结束时刻 都要被跟踪如果核心节点上有光纤延迟线，必要的时候调度器将选择一个或 者更多的光纤延迟线来延迟数据突发在这里我们介绍两个概念一未被调度 时刻和未被使用信道，所谓未被调度时刻就是指：在t 时刻或者t 时刻之后没有 数据突发在占用该数据信道，我们就说这条信道在t 时刻是未被调度时刻；而 未被使用信道是在两个已成功调度数据突发所产生的空隔间的信道及该信道上 最后一个数据突发的结束时刻之后的信道 控制分组为其相应的数据突发根据不同的数据信道调度算法来预留数据信 道，因而数据信道调度算法的选取对网络的性能有着很大的影响，下面介绍几 种o b s 网络中常用的数据信道调度算法 1 最近可用未被调度信道( l a u c ) 算法 在l a u c 1 4 】( 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 ) 算法中，首先需要为每 一个输出的数据信道找出它的未被调度时刻由于控制分组和其相应的数据突 发到达核心路由器的顺序不一定一致，因此l a u c 的出发点就是为每一个到来 的数据突发选择最近可用的未被调度的数据信道来最小化数据突发之间的空 隙 如果在时刻t 到达了一个数据突发，并且改数据突发持续的时间是l 首 先在数据信道中找在t 时刻没有被调度的数据信道，如果至少存在一条满足此 条件的信道，那么就在这些信道中选择最近可用的信道( 即t 时刻到达的数据 突发和上一个数据突发结束时间的差值最小) ，那么这个信道就要被新的数据突 发所占用，持续到t + l 时刻才释放如图2 7 所示数据信道d 3 和d 4 在时刻 t 都是未被调度的信道，但是t 一“t t 3 ，所以根据l a u c 算法的思想，我们 在时刻t 应该选择数据信道d 4 如果所有的数据信道在时刻t 都被占用，那么 即将到来的数据突发就必须延迟一定的时问单元，如果在经历了光纤延迟线所 能提供的最大延迟时间还没有找到相应的数据输出信道。那么这个数据突发就 要被丢弃 重庆邮电大学硕士论文 ， 第二章光交换技术 图2 7 数据信道调度算法举例 2 带填充的最近可用未被使用信道( l a u cv f ) 算法 l a u cv f t i j ( l a t e s t a v a i l a b l eu n u s e dc h a n n e l - v o i df i l l i n g ) 算法和l a u c 算法相似，区别在于l a u c _ v f 算法针对的是所有未被使用的数据信道，是从 突发包之间的空隙这一角度进行考虑的，选择的是最近可用的也就是最近形成 的空隙来进行填充( 即该数据信道中，当前突发开始时间与上一个数据突发的 结束时间之间差值最小的空隙) 例如在t 时刻有一个数据突发需要进行调度， 而在时间区域( t ，t + l ) 上数据信道d i , d 2 , d 3 ，d 4 完全空闲，并且 t - t 4 t - t l q - t 3 t - t 2 根据l a u c的思想，d 4 信道的上一个数据突发的结束 时间离当前数据突发是最近的，_ v 所f 以在时刻t 应该选择数据信道d 4 ( 如图2 7 所示) 3 带填充的最早可用未被使用信道( e a u cv f ) 算法 e a u cv f t l j ( e a r l i e s ta v a i l a b l eu n u s e dc h a n n e l - v o i df i l l i n g ) 算法和 l a u c _ v f 算法相似，区别是e a u c _ v f 是在t 到t + l 时刻段上都可用的数据 信道中找出当前数据突发的开始时间与上一个数据突发的结束时刻之间差值最 大的数据信道，即寻找一个最早形成的空隙来进行填充例如t 时刻我们要将 一个数据突发进行填充，在时间区域( t ，什l ) 上数据信道d i , d 2 , d 3 d 4 完全 空闲，但t - t 4 t - t 1 t - t 3 t - t 2 ，根据e a u c 的思想，我们在时刻应该预留数_w t 据信道d 2 给这个数据突发( 如图2 7 所示) 4 带填充的最小问隔( l g v f ) 算法 l g v f j 习( l e a s tg a pw i t hv o i df i l l i n g ) 算法采用了对待不同级别服务的数 据突发使用不同的数据信道调度策略当一个高优先级的数据突发到达，则首 1 2 重庆邮电大学硕士论文 ， 第二章光交换技术 先选择最近可用未被调度的数据信道：当一个低优先级的数据突发到达，则选 择最近未被使用的数据信道。，例如t 时刻有一个高优先级的数据突发到达，则 在d 3 和d 4 中选择i ) 4 信道。若一个低优先级的数据突发到达，则在d 1 、d 2 、 d 3 和i ) 4 中选择d l 信道( 如图2 7 所示) 2 3 小结 本文本章首先对光交换技术的基本概念进行了描述 在第二节，详细叙述了目前存在的三种光交换技术由作者的研究方向以 及本文稍后的两部分研究内容所决定，作为研究的基础，本节尤其详细地描述 了光突发交换技术分析了光突发交换的网络结构、边缘节点的结构和功能、 资源预留的方式以及核心节点的结构功能，指出了光突发交换技术的优点这 三种交换技术作为全光网络系统中的一个重要支撑技术，它在全光通信系统中 发挥着重要的作甩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 重庆邮电大学硕士论文 第三章基于波带交换的多粒度光交换技术 第三章基于波带交换的多粒度光交换技术 3 1 波带交换技术 随着互联网以及多媒体应用的飞速发展，传统光网络中的交换节点已经不能 满足日益增长的速度及带宽需求为了使光网络的发展跟上数据增长的脚步利用 波分复用技术不失为一种有效的解决方案由于密集波分复用技术的迅速发展， 光纤中的波长数已上升到成百上千个，以及光纤在世界范围内的运用这些原因， 使得电子交叉连接的数量和规模，网络的成本，以及控制的复杂度等急剧地上升 尽管光交又连接器件、交换结构的制造工艺有了长足地进步，但是由于高额的成 本以及可靠性的欠缺这些缺点的存在，仍然阻碍了光交换器件的发展同时，在 光网络交换节点处，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于是，多粒度光 交换( m o s ，m u l t i - g r a n u l a r i t i e ss w i t c h i n g ) i 唧1 7 】应运而生由于这种交换技术是在 引入波带交换的概念以后产生的，所以我们也将多粒度交换称为波带交换 多粒度光交叉连接( m o - 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