（计算机应用技术专业论文）光突发交换网络中的传输控制协议性能分析.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 本论文主要研究的是光突发交换( o b s ) 网络环境中传输控制协议( t c p ) 性能。它 首先简要介绍了o b s 网络的基本原理。接下来研究分析了o b s 网络的t c p 性能，引入了 一个新的t c p 算法b t c p 算法，并在此基础上对其进行了改进，提出了m b t c p 算法。 最后，用仿真来分析和验证了我们的改进工作。 随着社会的进步，占用带宽资源较多的新兴数据业务需求不断增长，如宽带视频、多 媒体业务、实时业务等。i po v e rd w d m 被认为是解决对大带宽需求的最有前途的技术。 而o b s 是一种新的光交换技术，它融合了光电路交换( o c s ) 与光分组交换( o p s ) 的优 点，同时克服了二者的缺点。由于t c p 是一种被广泛接受的因特网传输协议，对o b s 网 络中的t c p 性能的研究成为一个热门的课题。在o b s 网络中，一个突发包可能包含一个 发送窗口的所有数据段，并且一个突发包的丢失往往不是由于路由器缓存溢出引起的。这 时候，超时不再意味着网络发生严重的拥塞，也就是说，是假超时。这种假超时将大大的 降低t c p 的性能。b t c p 算法可以检测出这种假超时，并针对这种假超时采取相应的措施。 因而，b t c p 算法提高了o b s 网络种t c p 性能。尽管如此，b t c p 算法仍然存在一些问题 有待进一步改进。本文将根据这些缺陷提出改进方案m b t c p ，并通过仿真来验证改进 方案的有效性。 关键词：光突发交换，t c p 捌塞控制算法，超时，假超时，b t c p ，m b t c p 南京邮电丈学硕士研究生学位论文摘要 a b s t r a c t t h i st h e s i si st h ea n a l y s i sa n ds t u d yo ft r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( t c p ) p e r f o r m a n c ei n o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) n e t w o r k s t h eb a s i cp r i n c i p l e o fo b sn e t w o r k si sf i r s t i n t r o d u c e db r i e f l y t h e n ，w es t u d yt h ep e r f o r m a n c eo ft c pi no b sn e t w o r k sa n di n t r o d u c ea n e wa l g o r i t h m 一b u r s tt c p ( b t c p ) w h i c hc a ne n h a n c et c pp e r f o r m a n c ei no b sn e t w o r k f i n a l l y ，w ec a r r yo u to b s n s v ls i m u l a t i o n st ov a l i d a t eo u ra n a l y s i sa n di m p r o v e m e n to f b t c p w i t ht h ep r o g r e s so fs o c i e t y ，t h er i s i n gd a t as e r v i c e s ( s u c ha sb r o a d b a n dv i d e o ，m u l t i m e d i a s e r v i c ea n dr e a lt i m es e r v i c e ，w h i c ht a k em o r eb a n d w i d t hr e s o u r c e ) h a v eb e e ni n c r e a s i n gr a p i d l y i po v e rd e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( d w d m ) n e t w o r k i n gi s ap r o m i s i n g a r c h i t e c t u r et os u p p o r tt h ee x p e c t e dh u g eb a n d w i d t hd e m a n d o b si san e wo p t i c a ls w i t c h i n g t e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n e st h eb e s to fo p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) a n do p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ( o p s ) w h i l ea v o i d i n gt h e i rs h o r t c o m i n g s s i n c et c p i st h ep r e v a i l i n gm e c h a n i s mf o r d a t at r a n s m i s s i o n ，u n d e r s t a n d i n gt h ep e r f o r m a n c eo f t c pi no b sn e t w o r kb e c o m e sa ni m p o r t a n t i s s u e i no b sn e t w o r k s ，w h e r eab u r s tm a yc o n t a i na l lp a c k e t sf r o mo n er o u n d ，a n dab u r s tl o s s o c c u r sm a i n l yd u et oc o n t e n t i o ni n s t e a do fb u f f e ro v e r f l o w ，s u c hat i m eo u t ( t o ) e v e n tm a yn o l o n g e ri m p l yh e a v yc o n g e s t i o n ，o ri no t h e rw o r d s ，i tm a y b eaf a l s et o ( f t o ) s u c hf t o sc a n s i g n i f i c a n t l yd e g r a d et h ep e r f o r m a n c eo ft c pi no b sn e t w o r k s b t c pc a l ld e t e c tf t o sa n d r e a c tp r o p e r l ya n d ，a sar e s u l t ，i m p r o v eo v e rt h et c pi m p l e m e n t a t i o n ss i g n i f i c a n t l y d e s p i t eo f i t sa d v a n t a g e s ，t h e r ei sa l s os o m e t h i n gt ob ei m p r o v e df o rb t c p 1w i l lg i v eas o l u t i o nc a l l e d m b t c pa n dv e r i f ym yi m p r o v e m e n tv i as i m u l a t i o na tt h ee n do f t h i st h e s i s 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 ，t c pc o n g e s t i o nc o n t r o la l g o r i t h m ，t i m eo u t ，f a l s et i m e o u t ，b u r s tt c p ，m o d i f i e db t c p 壹塞塑皇查堂堡主堕塞竺兰垡堕苎 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用技术 研究方向：盐笠垫通焦鱼旦间至整垫盔 作者：业堕级研究生盐整 指导教师：鲎鹏 题目：盘塞盘囊捶旦丝主盟堡捡蕉剑盐丛：些丝金盘 英文题目：! 鱼! 墨! 坚鱼z ! ! ! 垒! 里! ! ! ! ! 坐! 旦! ! ! ! ! ! ! 旦! 婴i ! ! i q 旦q 旦! ! q ! 里! q ! q 鱼q ! i 望鱼卫! i 壁垒! 垦坠! 墨! 墨里i ! 堡垒i 墼g 盟星! 婴q ! 竖曼 主题词：光突发交换，t c p 拥塞控制算法，超时，假超时，b t c p ，快 速重传 k e y w o r d s ： o p t i c a l b u r s t s w i t c h i n g ，t c pc o n g es t i o n c o n t r o l a 1 9 0 f i t h m ，t i m eo u t ，f a ls e t i m e o u t ，b u rs t t c p ， f a s t - r e tr a n s m iss i o n 南京邮电大学学位论文独创性声明 y8 5 1 0 4 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得南京邮电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 示了谢意。 研究生签名：型：盗日期：础占 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生 部办理。 研究生签名：醚导师签名y 邋日期：出g 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章引论 1 1 课题背景 第一章引论 随着网络化时代的到来和各种新兴业务的出现，全球范围内i p 业务迅猛增长，网络带 宽的需求正以前所未有的速度增加。目前，在光层利用d w d m ( d e n s ew 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 ) 技术【”，可以使一根光纤上可利用的带宽达到1 0 t b p s 以上，这可以满足较 长时期内对传送网带宽的要求。然而，通常的电路交换技术交换速率则远低于这个数值。 i po v e rd w d m 由于没有中间层，被认为是下一代i n t e m e t 的最有前途的技术。这样，建 造一个能够直接在d w d m 链路上传输i p 分组的光路由器成为下一代光网络研究的目标。 而在i po v e rd w d m 光网络中实现交换和传输有光电路交换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ， o c s ) 、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 ) 2 1 和光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ， o b s ) 1 3 ，4 】三种解决方案。 对于o c s ，它是以波长路由的方式出现，d w d m 网络需要为每一个连接请求建立从 源到宿的光路( 每一个链路均需要分配一个专用波长) 。o c s 采用的是双向预留机制，即 源节点发出连接建立请求的控制分组，当有确认消息后再发送数据，数据以直通 ( c u t t h r o u g h ) 的方式通过网络中间节点。也就是说数据的传输至少要等待一个端到端的 往返时间( r o u n d ，t r i pt i m e ，r 1 盯) ，这种交换机制特别适合需要高速度、高带宽的业务， 同时该业务生存时间相对于连接建立时间足够长。但是，从连接建立到连接拆除，该端到 端的波长通路被此次连接业务所独占，不能被其他数据业务所共享。然而，对于突发业务， 这种交换机制将导致极低的带宽利用率。因此，它不适用于持续增长且变化无常的因特网 流量，如网页浏览、文件传输、电子邮件等。 而o p s 则类似传统的i p 分组交换，采用存储转发交换方式。光分组由数据( 净荷) 和首部( 带内信令) 组成，分组净荷紧跟分组首部在相同的光路中传输，网络中间节点需 要缓存净荷，等待分组头的处理以确定路由。由于它可以统计复用网络通道的带宽资源等， 因而在带宽利用率、延时和适应性等方面比较好。从更广的角度来看，o p s 是一种很有前 途的技术，但由于其实现比较复杂，而且f i 前光逻辑处理技术不成熟，没有可用的光随机 存储器。所以，短时期内光分组交换的应用前景并不被看好。 o b s 是一种折衷方案，它融合了o c s 与o p s 的优点，克服了二者的缺点。o b s 网络 由交换节点( 光核心路由器) 和边缘节点( 边缘路由器) 组成，通过d w d m 链路相连。 1 堕室墅皇查堂堡主塑窒皇堂垡丝兰 笙二童! l 堡 在o b s 网络中，首先在网络入口处( 入口边缘路由器) 将拥有相同目的地址和一些其它属 性( 例如q o s 参数) 的i p 分组组装成一个突发数据包( d a mb u r s t ，d b ) ，每个d b 对应 产生一个控制头分组( b u r s th e a dp a c k e t ，b h p ) 。然后，b h p 和d b 在o b s 网络中独立 传输。最后，在网络出1 ：3 处( 出1 ：3 边缘路由器) 将d b 重新还原成i p 分组继续转发。 其中，b h p 和d b 在通过交换节点时各自在电域和光域交换。d b 和b h p 独立传输 和交换不仅有助于对b h p 进行电处理，降低交换节点光电( o e ) 转换的需求，而且可以 提供入口到出口的透明光通路来传输d b 。 表i 1 几种典型光交换模式的比较 传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，t c p ) 5 1 是一种被广泛接受的因特网传 输协议。据统计，目前在因特网上传输的数据中t c p 的业务达到9 5 以上。o b s 概念的 引入对于t c p 的拥塞控制机制产生了一定的影响。 本论文将对o b s 网络中t c p 的性能进分析。 1 2 本章小节 随着互联网的发展，对网络的交换速率和传输速率要求越来越高。d w d m 技术的出 现能提供足够的带宽。这样，交换速率就成为制约网络速率的瓶颈。o b s 网络结构的提出 正是为了利用d w d m 技术带来的巨大带宽资源。同时，o b s 又克服了o p s 和o c s 的缺 点。而t c p 是一种被广泛使用的因特网传输协议，因此，o b s 网络中的t c p 性能受到越来 越多的关注。 1 3 论文架构 本论文主要是以o b s 网络中t c p 的性能为研究对象，并展开广泛而深入的讨论研究 与仿真工作。本论文将首先对o b s 网络的相关概念作简单的介绍，在此基础上，介绍目前 使用最广泛的r e n ot c p ，并对其在o b s 网络中的性能进行分析，接下来将引入适用于o b s 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引论 网络环境中的b u r s tt c p ( b t c p ) ，我们将从理论构思，算法实现以及仿真实验几个环节 对其作深入探讨与研究；与此同时，针对b t c p 所存在的问题，提出m b t c p ( m o d i f i e d b t c p ) 算法。 全文的内容组织如下： 第一章：对本论文的课题背景作一定的说明： 第二章：对o b s 网络的相关概念作简单介绍； 第三章：通过对r e n ot c p 在o b s 网络环境下性能的分析，引出b t c p 算法，并对算 法实现的主要部分进行介绍，在对算法性能理论分析的同时将提出m b t c p 算法； 第四章：利用o b s n s v l 仿真并验证b t c p 和m b t c p 算法的性能。 第五章：总结全文。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o b s 网络简介 2 10 b s 网络原理 第二章0 b s 网络简介 2 1 10 b $ 网络基本原理 突发交换( b u r s ts w i t c h i n g ，b s ) 概念出现在上个世纪8 0 年代初期，主要用来传递 语音业务。但是，突发交换没有像电路交换和分组交换那样得到普及。因为当时的电话网、 数据网技术都已经成熟，没有必要以突发为单位来处理话音和数据从而改变整个网络。但 是随着技术的不断演进和发展，一个深刻的变化是传输速率的增长大大超过了处理速率的 增长，如果依然要按照旧式的分组方法来处理，网络处理设备将长期处于过载状态。 o b s 是由c h m u n i n gq i a o 等人提出的。在o b s 网络中：一些具有相同目的地址和特 性( 例如q o s 参数) 的i p 分组被组装成一个d b ，每个d b 对应产生一个b h p ，用来在 交换节点处预定带宽；b h p 中还包含有必要的路由信息，交换节点利用这些信息路由相应 的d b ；d b 和b h p 在物理信道上是分离的。 o b s 采用单向资源预留机制，在边缘节点b h p 比d b 提前发送偏置时间( o f f s e t t i m e ) ， 并为其在网络中预约资源。在发送完b h p 偏置时间后，立即发送d b ，不必等待确认信息。 b h p 在中间交换节点必须进行o e 转换，在电域内判断路由，保证偏置时间内d b 完全在 光域内完成交换和传输。图2 1 为o b s 的一个例子。 d b1 匝砀 或 d b2 。j i 一d 2 ： b i t p 2b h pl i 1 图2 1o b s 中d b 与b h p 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o b s 网络简介 2 1 2d b 幂口b h p 的格式 d b 的格式 d b 形成以后，边缘节点必须对它进行封装后才能发送到信道上进行传输。d b 目前还 没有统一的标准，图2 2 是一种可能格式的例子 6 1 。 酗! ! | 心 l 鳓酥1 p t ( p a y l o a d t y p e ) 表明突发包中的分组类型； p l ( p a y l o a dl e n g t h ) 表明突发包中的数据长度； n o p ( n u m b e ro f p a c k e t s ) 表明突发包中包含的分组的个数； o f f s e t 为第一个填充字节的偏移量。 由于网络中各个节点的时钟不可能完全同步( 也就是说各个节点的时钟之间有偏差) ， 从而突发包的到达时刻以及突发包的持续时间就具有一定的不确定性。设置g u a r d b 和 g u a r d e 域的目的就是为了克服这种不确定性。 s v n c ( s y n c h r o n i z a t i o n ) 域用来同步输入端边缘节点与输出端边缘节点。 o l i 域留待今后使用。 突发包的大小是o b s 网络中的一个重要参数。突发包的大小应该考虑时延、网络拓扑、 q o s 等各种因素。 b h p 的格式 同样，b h p 目前也没有统一的标准，图2 3 只是一种可能格式的例子嗍。其内部数据 信息如表2 1 所示： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o b $ 网络简介 2 20 b s 网络结构 图2 4 为一个o b s 网络的拓扑结构图。它由边缘节点和交换节点组成，通过d w d m 链路相连。 2 ，2 1 o b s 网络的分层结构 图2 4o b s 网络拓扑结构图 为实现i po v e rd w d m ，完成d b 的组装与拆封，o b s 网络建立了新的体系结构，参 见图2 5 。 图2 5o b s 网络分层结构 图2 5 的分层结构可进一步详细描述，如图2 6 所示。o b s 网络在i p 层与d w d m 层 6 量堕堕皇查娑婴壅皇堂垡堡塞 苎三塞旦墅璺竺堕立 ( 物理光层) 之间需要加人m a c 层( 媒体接入控制层) ，其作用是整合i p 层的数据包以 形成d b ，根据d b 队列的队首计算偏置时间、激发产生控制分组并发送至d w d m 层， 当经过所设定的偏置时间后，将d b 送人d w d m 层，由光层完成d b 交换、波长转换、 d b 缓冲和光放大等工作。在出口边缘节点则需要拆封d b 以恢复i p 分组并交由i p 层处理。 圆 屡 圆 、1 路由器路由嚣、一 甲一一一一一一一i 。b s 层 嬖孔毽啐吁 帧i 甲|i i i l 突发数据 1 i 光 l l 躁 2 2 2o b s 网络的边缘节点 图2 6o b s 网络详细分层结构 边缘节点负责对接入i p 包的汇聚分类、d b 和b h p 的生成以及d b 的拆卸等工作，在 o b s 网络中起着重要的作用。边缘节点汇聚完成后，将d b 进行排队，调度器按照数据信 道和控制信道的使用情况，采用一定的协议控制算法选择d b 的发送。同时提取b h p ，当 d b 位于队首时，控制信令设置其偏置时间，并发送b h p 。偏置时间后，d b 由调度器调度 成帧送入d w d m 光层。在接收节点处，也由边缘节点完成d b 的拆卸工作。 图2 7 给出了边缘节点的结构。在这个结构中，主要是通过两级缓冲和一个大型的电 交换矩阵来完成i p 包的速率适配和分类。缓冲和交换矩阵之间的协调通过控制模块来完 成。对于双向的资源预留机制，控制模块还可以根据反馈回来的控制信息完成交换动作。 i p 包分类的基本原则是i p 包所要到达的目的地址、i p 包的q o s 参数。一般来说，i p 包要 到达的目的节点地址是i p 包分类的基本标志，但到达同一目的地的数据可以根据不同的 q o s 参数交换到不同的子队列中以便简化接收端的处理工作，或根据优先级给d b 预留资 源。当然，由于缓冲队列的增加，控制机制、交换矩阵的复杂性都要增加。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o b s 网络简介 图2 7o b s 网络边缘节点结构 输出缓冲队列的长度确定了d b 长度的上限。d b 的长度是影响网络性能的一个重要 因素。一般来说，d b 的长度是可变的，但太长会降低网络的统计复用性能，而且要增加 网络延时，不利于提高网络效率和支持实时性业务。而太短，则会增加网络的负担。因 为过多的光交换和波长转换动作甚至会导致网络性能的下降，所以d b 的长度是一个需要 仔细研究的问题。在实际应用中，一般希望d b 占用一个节点资源的时间是光开关切换时 间的1 0 0 倍以上，这样，网络的效率将不会受限于核心节点的光开关切换时间，而d b 长 度的上限要由d b 长度对网络性能的影响来决定。 为了满足支持实时业务的需要，边缘节点缓冲一般支持d b 的动态生成。对实时性要 求较低的业务，可以在缓冲队列满后再等待发送，但对于实时性要求高的业务，往往要在 缓冲满之前通过中断机制提前请求发送。 d b 生成后，在发送前必须提前一个偏星时间先发送一个b h p 。b h p 和d b 发送的偏 置时间是保证网络效率的关键因素，一般有一个最小值以保证d b 不会在b h p 预留好资源 之前到达中间节点。更长的偏置时间可以引入更灵活的资源预留策略，但同时也会引入更 大的网络时延，而且d b 在源节点的等待也要消耗源节点的缓冲资源，所以偏置时间的设 覆也是需要仔细权衡的。 o b s 的突发特性不可避免地引入突发接收和突发同步问题。边缘节点接收到的d b 可 能来自不同的其它节点，它们的时钟相位和振幅都不相同，因此每一d b 都要进行时钟相 位的快速锁定和判决阈值的快速恢复。传统的接收机采用锁相环技术来恢复时钟，恢复速 度约为毫秒级，时钟的恢复速度和接收机的稳定性、误码率是矛盾的，适合于吉l p , 特速率 r 翊卸 塑堡些皇奎鲎堡主堕墅皇兰垡堕塞 苎三主q ! ! 塑塑笪尘 的突发接收技术还不成熟，加上一个光波长内的d b 一般都在g b i t s 的量级，所以突发接 收将是边缘节点要解决的一个难题。在d b 里，可以根据需要添加一些信息以有助于数据 的突发接收。 2 2 30 b s 网络的交换节点 o b s 网络交换节点主要负责在电域处理提前发送的b h p ，并通过解析b h p 携带的消 息信令完成对光交叉矩阵的配置，使随后到达的d b 在全光域内能进行快速的交换。 图2 8o b s 网络交换节点结构 图2 8 为o b s 交换节点结构，这里假定其入口、出口光纤数均为n ，每根光纤的波长 数为k ，其中一个波长传输b h p ，b h p 在各个中间节点首先要进行o e 变换，然后再进行 电的路由表查找、交换矩阵控制等处理过程，最后更新b h p 并进行e o 变换，其余( k 一1 ) 个波长传输d b ，这些波长在各个中间节点都不需要o e o 变换，从而保证了数据的 透明性。而在o p s 网络中，为了提取光分组头，在每个节点对所有波长都必须提取一部分 光信号进行o e o 变换，因而过于复杂，而且这种光信号提取方式也会严重影响其再生 距离。 图2 8 中，f d l ( f i b e rd e l a yl i n e ) 的作用是缓存突发数据，等待控制分组进行o e 变换、转发表查找、建立交换连接等。f d l 在光分组交换方式中是必需的，但在o b s 中， 通过让b h p 比对应的d b 提前适当的一段时间出发，为d b 预约恰好相等的一个时间段， 可以使所有中间节点省去光缓存f d l ；还可通过将业务区分为不同的优先级，为优先级 高的突发数据设置较长的时间偏移量，使其获得更大的预约成功机会，来实现d w d m 层 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第= 章o b s 网络简介 的q o s 保证。 2 3 o b s 网络的关键技术 2 3 1 0 b s 中的汇聚算法 边缘节点根据一定的汇聚算法把送往相同出1 3 节点地址和q o s 要求相同的i p 分组汇 聚成o b s 网络中传输和交换的基本单元d b 。常用的汇聚算法主要有： 固定分组个数( f ix e dn u m b e ro fp a c k e t s ，f n p ) 算法“ f n p 汇聚算法如图2 9 ，根据不同的q o s 设置不同的阈值。即使是同样的q o s ，也可 以根据网络的不同负载情况调整闽值的大小。对一个特定的网络而言，在一定的负载下， 存在一个最优的阈值，使得网络能够满足所需的服务质量。f n p 算法的原理是：设置一个 计数器，当第一个分组到达的时候开始计数，当计数到阈值的时候就形成一个d b 发送出 去。 f n p 算法的优点在于算法简单，在分组长度固定的情况下( 如a t m 信元或i p 分组的 大小固定) ，可以方便的计算出突发包的长度，有利于网络的性能。其缺点是：当前i p 网 络占据主要地位，而i p 分组长度是变长的，如果采用这一算法，d b 的长度就很不规则， 这对网络的性能不利。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o b s 网络简介 图2 9f n p 算法原理图 固定汇聚时间( f ix e da s s e m b l yp e r io d ，f a p ) 算法。1 f a p 算法】与f n p 算法相似，在固定汇聚时间算法下，对不同的q o s 要求，可以设置 不同的汇聚时间。当第一个分组到达的时候，时钟开始计时，计时到的时候，不论突发包 的大小，都形成一个d b 并发送出去。这一算法的优点是：由于d b 的汇聚时间是一个常 数，这样在边缘节点处的调度就很简单， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o b 8 网络简介 图2 t 0f a p 算法原理图 自适应突发汇聚时间( a d a p t i v ea s s e m b i yp e r i o d ，a a p ) 算法”1 本汇聚算法与f a p 算法基本相同。区别在于a a p 算法可以根据网络的负载情况动态 的调整突发汇聚时间，从而也就可以调整d b 的长度。由于这与目前t c p i p 广泛采用滑 动窗口机制比较吻合，因此在实现的技术上也就比较成熟。这一算法的缺点在于对突发汇 聚时间的动态调整必须要通过一定的预测机制来实现。因而从实现上来看，就显得比较复 杂。 最短突发长度最长突发汇聚时间( m i nb u r s tl e n g t hm a xa s s e m b i yp e r i o d ，m b m a p ) 算 如图2 1 l 所示，m b m a p 算法中，如果突发包在最大突发汇聚时间t 内达到了最小突 发长度b m j n ，则形成一个d b 并发送出去；如果在最大突发汇聚时间t 内突发包的长度b 小于b 。| n ，则将该突发包填充到b r a i n 后形成一个d b 发送出去。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章o b s 网络简介 图2 1 1m b m a p 算法 最短最长突发长度最长突发汇聚时间( m i na n dm a xb u r s tl e n g t hm a xa s s e m b i yp e r i o d ， m m b m a p ) 算法。1 m m b m a p 算法如图2 1 2 所示。如果在最大突发汇聚时间t 内，突发包的长度大于最 小突发长度b m i n 而小于最大突发长度b m “，则形成一个d b ；如果在最大突发汇聚时间t 内，突发包的长度大于最大突发长度b m “，则将多余的部分截断后形成一个新的突发队列， 与此同时，将长度为b 一的d b 发送出去；如果在最大突发汇聚时间t 内，突发包的长 度小于最小突发长度b m i n ，则将该突发包填充到最小突发长度b m i n 后形成一个d b 发送出 去。事实上，如果最大突发长度取得比较大，以至于计时器已经计时到t 时还没有达到最 大突发长度，这时候这一算法就是最小突发长度b r a i n 最大突发时间t 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第= 章o b s 网络简介 固 图2 1 2m m b m a p 算法 2 3 2o b s 中的资源预约协议 从理论上讲，在o b s 网络中，资源预留可以是单向也可以是双向的。但是，o b s 一 般常采取单向资源预留方式，与双向相比：首先它可简化光突发接入控制，即使没有足够 的资源，网络也会接入突发，而此时只是简单地丢弃该突发；其次它还可大大降低了网络 时延，因为在某些广域网应用中，通常传播时延大于传输时间，则无确认预留就能减少这 类传播时延对网络性能( 如：吞吐量) 的影响。 目前提出几种单向预留协议，可以归纳为三大类：一是j i t ( j u s t i n t i m e ) ；二是基于 r l d ( r e s e r v e a - l i m i t e d - d u r a t i o n ) 的h o r i z o n ；三是基于r f d ( r e s e r v e a - f i x e d d u r a t i o n ) 的j e t ( j u s t e n o u g h t i m e ) 。它们之间的主要区别在于：用什么方法告知光突发的起止位 1 4 堕室堕堂盔堂堡主婴壅生兰垡堕苎 苎三皇旦! ! 翌堑堂坌 置，什么时候开始预留资源，以及预留何时结束并释放资源。 1 9 9 7 年m y u n g s i k5 ( 0 0 和c h u n m i n gq i a o 等人提出的j u s t e n o u g h t i m e ( j e t ) 【l o 1 1 】 协议就是r f d 的一个典型例子。对j e t 协议稍加改进，使不同业务的优先级与偏移时间 ( o f f s e t t i m e ) 相联系：对于高优先级突发，给予较大的偏移时间，这样该突发能成功预留所 需资源的可能性就越大，那么它的丢包率也会较低。因此，虽然j e t 预留协议实现较复杂， 但它在o b s 网络中应用广泛。该协议可以看作是对前两者的折衷，在对带宽和f d l 的利 用率上与前两者相比它都更为有效，被认为是用于太比特( t e r a b i 0 突发交换的主导协议。 j e t 的基本思想示于图2 1 3 。源节点先发送一个b h p ，随后发送d b ，两者之间的偏 置时间t x ( 图中假设节点数h = 3 ，且在每个节点处控制分组的平均时延为6 ，故= 3 6 ) 。由于d b 在源节点被缓存于电域，所以在b h p 传输期间，中间节点无需使用光缓存。 张 l2l ：l 图2 1 3j e t 的基本思想 j e t 一个独有的特性就是使用d r ( d e l a y r e s e r v a t i o n ) ，如图2 1 4 所示。图中，在节点 i ( i = 1 2 ，坎b ，输出链路上的带宽从时间t ( d b 预期到达时间) 开始预约，而非时间 t ( b h p 处理完毕，已作带宽预约请求时间) 。这里，t = t + t ( i ) ，t ( i ) 取决于偏置时间t o 慨e t 和b h p 在节点i 的处理时间。带宽预约直至预期突发数据离开该节点时间t + 1 ( 1 为预期 突发数据时长) 。 此外，考虑到在每个节点对b h p 的处理时延，以及接收和传输时延都是不确定的，可 以给b h p 打上时间标签：t i n ( b h p 到达节点时间) 和t o o t ( 节点处理完b h p 的时间) 。这 里，t i t t + l 。( 第 一种情况) 或h + h tj ( 第二种情况) ，那么该b h p 将知道对第二个d b 的带宽预约没有问 题。 帮个羟制赞蠛第一个突发数嚣 图2 1 5d r 有效减少突发数据丢失 j e t 同样可以在中间节点利用光纤延迟线来缓存被阻塞的d b ，直至有足够可用带宽。 但在j e t 中，光纤延迟线并不是必需的。如前所述，通过对带宽预约期间的信息的有效 利用，d r 技术可以增加光缓存的使用效率，正如使用d r 可以通过调度提高带宽利用率。 此外，如果b h p 时延比d b 平均时延还要长的话，使用同样的光缓存，j e t 将获得比光分 组交换和其他不使用偏置时间的o b s 协议更好的性能( 如更低的d b 丢失率) 。这是因为 其他这些协议要在传输分组头或控制分组时用部分光纤延迟线来缓存突发数据，而j e t 由 于引入了d r ，可以1 0 0 地把光纤延迟线用于解决带宽资源竞争问题。因此，虽然j e t 预 留协议实现较复杂，但它在o b s 网络中被广泛应用。 2 3 3 冲突解决方案 在传统分组交换机中，当多个分组同时要到同一输出端口上去时，就发生了“冲突” 被称为“外部阻塞”。在o b s 网络中，当多个d b 同时要到同一个输出端口的同一波长上 也会发生“冲突”。为防止数据丢失，有如下几种解决方案： 1 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章o b s 网络简介 由于没有可用的光随机存储器( o p t i c a l r a n d o m a c c e s s m e m o r y ，o r a m ) ，因此，在光 域中光缓存的一种可选方案是用f d l ，但光缓存的一个主要问题就是其功率损耗。为了补 偿功率损耗，不得不引入光信号放大或光信号再生，而前者会引入噪声，后者成本太高。 总的来说，引入f d l ，将大大增加光交换的成本。 波长变换“” 在使用波长变换的系统中，若发生两个( 或多个) 数据分组竞争，其中一个分组直通， 另一个( 或其它几个) 分组交换到同一个输出端口的不同波长。这种解决方案在竞争分组的 延迟方面是最佳的，不会引入附加延时。这种方法适合于电路交换，也适合于光分组交换 网络，但需要快速可调谐变换器。研究结果表明，它在分组交换光网络中是最有潜力的可 选方案之一，因此快速可调谐波长变换器是目前研究的热点。 偏射路由”3 ”1 偏射路由是当没有缓存可用时的另一种解决方案。当竞争发生时，分组不能交换到正 确的输出端口，若将它路由到另一个可选输出端口，则有可能通过另一条路径到达目的节 点。当网络规模比较小，且连通性比较好时，效果比较好。但如果网络的连通性不好，很 可能这些被偏射的分组在网络中游弋，消耗大量资源却无法到达目的节点。因此，偏射路 由方案只适用于网络负载比较轻的场合，若平均流量负载比较高，偏射路由的分组只会降 低网络的效率。偏射路由方案可以改进，只允许偏射到某些端口，也就是说若分组找不到 一条合理的路由到达目的节点，即使有空闲的端1 2 1 它也将被阻塞。 2 4 本章小节 本章先是简单介绍了o b s 网络的基本原理，对d b 和b h p 的可能格式作了说明。在 此基础上，介绍了o b s 网络的网络结构，其中重点介绍了o b s 网络的边缘节点和交换节 点的结构和功能。最后，对o b s 网络中的关键技术作了简单的阐述。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章o b s 网绍t c p 性能分析及其改进 第三章o b s 网络t c p 性能分析及其改进 3 1 t c p 拥塞控制算法简介 3 1 1 拥塞控制算法简介 随着计算机网络的飞速发展，网络的拥塞问题也越来越严重。拥塞是一种持续过载的 网络状态，此时用户对网络资源( 包括链路带宽、存储空间和处理器处理能力等) 的需求超 过了其固有的容量。就i n t e m e t 的体系结构而言，拥塞的发生是其固有的属性。 拥塞导致的直接结果是分组丢包率提高，端到端时延加大，甚至有可能使整个系统发 生崩溃。当网络处于拥塞崩溃状态时，微小的负载增量都将使网络的有效吞吐量( t h r o u g h p u t ) 急剧下降。拥塞崩溃对i n t e m e t 的威胁可以追溯到其早期的发展中，1 9 8 4 年，n a g l e o s 报告 了由于t c p 连接中不必要的重传所诱发的拥塞崩溃，1 9 8 6 1 9 8 7 年间这种现象曾经多次 发生，严重时一度使l b l 到u c b e r k e l e y 之间的数据吞吐量从3 2 k b p s 跌落到了4 0 b p s l l ”。 除此之外，还有其他一些诱发拥塞崩溃的原因，例如，不可达分组( u n d e l i v e r e dp a c k e t s ) 导 致的网络崩溃，它与前一种有所不同，不是一种稳定状态，当负载减小时，拥塞可以自动 恢复。f l o y d 1 7 1 也报告了一种形式的拥塞崩溃现象，即分片拥塞崩溃，网络传输了大量的分 组分片，但因为无法在接收端重装成有效的分组而只好将它们丢弃。网络传输大量用户不 再需要的陈旧分组( s t a b l ep a c k e t s ) 会导致另一种形式的拥塞崩溃现象。 褥 吐 盈 螭 麻 孵 问 图3 i负载与响应时间、吞吐量之间的关系曲线图 嗍络负载 图3 1 刻画了负载与吞吐量之间的关系：当负载较小时，吞吐量与负载之间呈线性关 系；到达膝点( k n e e ) 之后随着负载的增加，吞吐量的增量逐渐交小；当负载越过崖点( c j i 疗) 1 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第三章0 b s 嘲绍t c p 性能分析丑其改进 第三章o b s 网络t c p 性能分析及其改进 3 1t c p 拥塞控制算法简介 31 1 拥塞控制算法简介 随着计算机网络的飞速发展，网络的拥塞问题也越来越严重。拥塞是一种持续过载的 网络状态，此时用户对网络资源( 包括链路带宽、存储空问和处理器处理能力等) 的需求超 过了其固有的容量。就h n t e r n e t 的体系结构而言，拥塞的发生是其固有的属性。 拥塞导致的直接结果是分组丢包率提高，端到端时延加大，甚至有可能使整个系统发 生崩溃。当网络处于拥寒崩溃状态时，微小的负载增量都将使网络的有效吞叶量( t h r o u g h p u t ) 急剧下降。拥塞崩溃对i n t e m e t 的威胁可咀追溯到其早期的发展中，1 9 8 4 年，n a g l e 15 1 报告 了由于t c p 连接中不必要的重传所诱发的拥塞崩溃，1 9 8 6 1 9 8 7 年间这种现象曾经多次 发生，毗重时一度使i 。b l 到u cb e r k e l e y 之问的数据吞吐量从3 2k b p s 跌落到了4 0 b p s ”。 除此之外，还有其他一些诱发拥塞崩溃的原因，例如，不可达分组( u n d e l i v e r e dp a c k e m ) 导 致的网络崩溃，它与前一种有所不同，不是一种稳定状态，当负载减小时捌塞可以自动 恢复。f l o y d t 1 也报告了一种形式的拥塞崩溃现象，即分片拥摩崩溃，网络传输了大量的分 组分片，但因为无法在按收端重装成有效的分组而只好将它们丢弃。网络传输大量用户不 再需要的陈旧分组( s t a b l ep a c k e t s ) 会导致另一种形式的拥塞崩溃现象a 秣 畦 盈 图3 1负载与响应时间、吞吐景之间的关系曲线图 刚络执城 图31 刻画了负载与吞