（电磁场与微波技术专业论文）光突发交换网络中高速业务承载技术的研究.pdf

北京邮电大掌博士掌位论支 摘要 近年来，人们不断发现本地资源不能满足一些高性能应用，如粒子物理、高 性能计算、可视化和电子健康等的高带宽需求，网络研究人员一直在寻找一个合 适的底层网络结构。光突发交换具有灵活性、低时延、突发性和高带宽利用率等 优势，被认为是一种满足上述应用的底层光网络技术。然而，对于上述高速业务 在o b s 网络的承载性能研究刚刚起步，还有许多关键技术需要解决。 为此，本文就o b s 网络如何和上层的网格业务更好的结合，提出适应未来 网格业务的，提供绝对q o s 区分的o b s 网格体系框架；接着，本文通过简单方 法构造长距离的高速o b s 试验网络，在此基础上，研究高速业务在长距离o b s 网络的承载特性。通过丰富翔实的试验数据，分析评估了不同t c p 变体在长距 离o b s 试验网络的传输性能。 论文的主要工作归纳如下： 1 本文首先说明为何o b s 网格能够更好的支持未来的网格业务，在此基础 上，提出了基于绝对q o s 区分的o b s 网格体系结构，并探讨o b s 边缘和核心 节点q o s 管理流程。同时，对0 b s 网络时延抖动性能进行研究，试验结果证明， 不考虑偏射路由的影响下，要令o b s 网络的接入时延抖动业务绝对区分，要考 虑o b s 组装的时间门限和网络流量这两个因素。接着，在0 b s 网格中引进比较 成熟的加权公平排队算法，理论分析推导，在o b s 网格中该算法如何定量保证 端到端的时延和带宽。接着在资源调度引进优先级抢占策略的l a u c v f 算法， 理论分析优先级抢占策略机制如何保障端到端的丢失率。 2 接着，本文试验研究高速业务在长距离o b s 网络的承载特性。试验证明， 在高速长距离o b s 网络内，三种基于丢失拥塞控制算法( s t c p ，h s t c p ， b i c t c p ) ，在不同丢包率下，当传输进入稳态阶段，h s t c p 获得最好的吞吐量 性能，其次是s t c p ，而b i c t c p 表现最差。从试验结果也看出，三种基于丢失 拥塞控制算法丢包率在o 2 到o 4 时，吞吐量下降最快；当丢包率大于o 4 时，这三种算法带宽利用率下降到实际可用带宽的5 0 以下。对三种基于丢失 拥塞控制算法的收敛性试验研究发现：三种不同算法灵敏度最高的是s t c p ，其 次是b i c t c p ，最后是h s t c p 。其中h s t c p 随着o b s 网络阻塞概率增大，灵 敏度不断提高：而s t c p 除了在o b s 网络阻塞概率在0 0 5 时灵敏度偏低外， 在网络阻塞概率大于0 0 5 时，灵敏度提高且其差异较小：而b i c t c p 的拥塞控 制算法在小于0 4 网络阻塞概率时，灵敏度近同，当大于等于0 4 网络阻塞概 率时，灵敏度随着阻塞概率的增大而增大。 北京邮电大掌博士掌位论文 试验同时分析了两种基于时延拥塞控制算法( f a s tt c p ，t c pv e g 弱) 在o b s 网络上运行的性能，试验也验证了f a s tt c p 不适合在o b s 网络使用，其根本原 因是f a s t t c p 通过排队时延来调整拥塞窗口，而o b s 网络内部核心节点间的数 据全光传输，没有排队时延。随后试验验证了尽管t c pv e g a s 在稳态阶段获得和 h s t c p ，s t c p 以及b i c t c p 三种相似的吞吐量性能，但是灵敏度远比以上三种 丢失拥塞控制算法差。最后，在长距离o b s 网络试验中发现h s t c p 传输存在 a c k 组装汇聚效应，即o b s 边缘节点组装时间门限增加时，h s t c p 吞吐量迅 速增加的主要原因是a c k 端o b s 边缘入口节点组装汇聚引起，而不是数据端 o b s 边缘入口节点组装汇聚影响的结果。 3 本文在应用端引入t c p 调步机制，对其在长距离o b s 试验网络中的业务 承载性能进行研究。试验证明，实验使用的o b s 网络平台，当h s t c p 分组发送 间隔大于4 微秒时，h s t c p 调步才开始逐渐发挥作用。试验结果表明，网络的 阻塞概率越大，h s t c p 调步带来的性能改善越明显，当网络内部丢包率大时， 适当地使用调步技术，将增大h s t c p 的吞吐量，提高h s t c p 在o b s 中的带宽 利用率，减少网络阻塞概率，增强h s t c p 吞吐量稳定性，减少网络端到端之间 平均往返时延。在1 6 概率丢包下，适当的选择调步间隔，可使h s t c p 调步的 吞吐量稳定性提高7 0 倍以上，而调步和不调步之间的吞吐量只是相差1 3 左右。 关键字：光突发交换，q o s ，突发组装，调度，丢包率，吞吐量，t c p ，拥塞控 制，a c k a b s t r a c t o v c rt h ep a s tf e wy e a r si th a sb e c o m ee v i d e n tt h a tl o c a ic o m p u t a t i o m lr e s o u r c e sc a n n o t k e e pu pw i t ht h ed 锄n d sg e n e r a t 酣b ys o m e 鲥d 印p l i c a t i o n ss u c ha sp a r t i c l ep h y s i c s ， h i g h 巾刮f 0 肌a n c ec o m p u t i n g ，v i s u a l i z a t i o n 锄de - h e a l t h n e 咐o r kr e s r c h e r sh a v eb e e i l 1 0 0 l 【i n gf o ras u i t a b l ei i m s t m c t l 玳o p t i c a lb u r s ts w i t c l l i n gw i t ht h ea d v a n t a g 髓o ff l e x i b i l i t y l o w l a t e r l c y 锄d l l i g l l b a n d w i d t hu t 订i z a t i o i l w 笛c o i 塔i d e r e dt ob e m e e t i n g t h e a b o v e - m 饥t i o n e dl l i g hp e r f 0 肌a n c ea p p l i c a t i o n h o w e v l 葛t h ei i l m e s t i g a t i o n0 nh o wt o e 历c i e n t l yc a 盯yu p p e rl a y e fj l i g l lp e r f o r m 卸c ea p p 】j c a t i o n so v e fo b sn c t w o r k sh a sj u b tc o m e i n t 0s i g h t ；al o to f k c yi s s u 嚣a r es t i l lu n d e rs t u d i e d n e r e f o r e ，f o rs a t i s 轴gt h er e q u e s t so f 研da p p l i c a t i o 璐，t h ea r c h i t 瞅u r eo fo b s 鲥d w h i c hw 弱c a p a b l eo fp r o v i d i i 唱a b s o l u t e ( sg r a n t w 硒p p o s o do u t c o 璐e q u e n t l y w e p r e s 饥t c das i j n p l em e t h o dt oc o 血g u l l i g hb a n d w i d t l ll a 唱ed c l a yo b st 髓tp l a t f ；札b a s e d o nt i l i st e s tp l a t f o 加呜t h ep e r f o m l a n c ee x p 嘶m e n to fs o m et c pv a r i a n t sw e r er e a s o 彻b l y e v a l u a t e da n dv a l i d a t o d f o l l o w i n ga r ed e t a i l s ： 1 n ed i s s c n a t i o nf i r s t l yi n t a p r d sw h yt h e 鲥da p p l i c a t i o nc 锄b eb e t t e r 跚p p o r t c db y o b sg r i dn 咖o r k o n “sb a s i s ，m ea r c l l i t e c t l 鹏o fo b s 鲥dw l l i c hw a sc a p a b l e 掣 p r 0 v i d i n ga b s o l u t eq o sg u a r a n t e ew a sp m p o s e do u ta n di t sp r o c e s s e so fq o sm n a g e m e n t w e r ed i s c u s s c di 1 1d e t a i l s i i 肌l t a j l e o u s l y ，d e l a yj i n e rp e r f o m m n c eo f0 b sn e t w o r kw a s e x p 酣m e i l t a l l yt e s t e d t h er e s u l t sp r o v e dt h a t ，w i t h o u tc o n s i d e m gt h e 蛔p a c to fd e n e c t i o n r o u t i n g ，i no r d e rt oa b s o l u t e l yd i s t i n g u i s hd e l a yj i t t e r ，t h ei n n u e n c eo fo b sa s s e r n b l yt i m e t h i e s h o i da n dn c t w o r l ( t m f n cm u s tb es e r i o u s l yc o n s i d e r e d a tt h es a m et i 皿i e ，t h e o r e t i c a l a m l y s i ss h o w st 1 1 a tt h eu s eo fc l a s s b a s e dw e i g h t e df a i rq u e u i n ga n dt h ep r i o r i t yp r e 锄p t i v e l a u c - ? a l g o r i t l 蚰w a se i l a b l et oa b s o l u t e l yd i s t i n g u i s he n d - t o 一dd e l a y ，b a n d w i d t ha n d b u r s t 出叩r a t i oo fo b s n e t 、) i r o r k 2 t h e n ，t h et r a 璐1 1 1 i s s i o np e 怕肌a n c e so fh i g h - s p e e da n dl o n g - d i s t a n c ed a t aw e r e e x p 嘶m e l l t a l l ys t u d i e do v e ro b sn e t w o r k t i l ee x p e 血1 e n t a li i 懿u l t so fl o s s - b a s e dt c pv a r i a n t s s h o w e dt h a t ，i i lh i 曲一s p e e dl o n g - d i s t a n c eo b sn e t w o r ku 1 1 d e rd i 舵咖tb u r s td r o pr a t i o s ， h s t c pg o tt h eb c s tt 1 1 r o u g h p u tp e r f 0 肌a n c e ，f o l l o w e db ys t c pa j l db i c t c p f r o mt h et e s t r e s u l t s ，i ti so b v i o u st h a tt h et g l l p u tf e um o s tr a p i d l yw h c i lt h eb l l r s td r o p 髓t i oi i l c r s e d f r o m0 2p e r c e n tt oo 4p e r c e m o n c et h eb u r s td r o pr a t i ow a sg 球a t e rt h a n0 4p e r c e i l t ，t h e i r t h r o u 曲p u t w o u l dd e c r e a s e 柚db e l o wt h el l a l fo fa v a i l a b l eb a n d w i d t l l t h e 如n h e r i n v e s t i g a t i o nc 伽f h m e dt h a ts t c ps h o wt h eh i g h e s ts e n s i t i v i t y ，f o l l o w c db yb i c t c pa n d h s t cp a tt h es a m et i m e ，t h ee x p 丽m e i l to fd e l a y - b a s e dt c pv “a n t ss h o w e dt h ef a s tt c pw a s 北京邮电大学博士掌位论文英文摘要 n o ts u i t a b l ef o ru s i n go nt h eo b sn e t w o r k s i n c et h eb u r s td a t aw a st r a n s m i t t e db ya l l a p i c a l p a t hi nt l l eo b sc o r en o d 懿，t i l e r ci sn oq u e u i n gd e l a yo nt h ei 1 1 1 1 e rn e t w o r ko fo b s d e s p i t e t h es u b s e q u e n te x p 耐m e l l t 击s p l a y c dt h et c pv e g a sm e c h a i l i s m h a ss i i l l i l a rt h r o u g h p u t p e r f 0 珊a n c ec o m p a r e dt ot h eh s t c p ，s t c 只a sw e ua sb i c t c p ，b u ti to b t a m e dt h ep o o r e s t s e i l s i t i v i t y s u b s e q u 肌t l y a c ka s s e n l b l y e 丘tw a s f i r s t l yf o u n d i i lt h et h r o u g l l p u t e x p e r i m e n to fh s t c p t h ee x p 甜m e n t a li - 馏u l t sv a l i d a t e dt h et l l r o u g h p u to fh s t c p w a s p m l a r i l yi m p a c tb yt h ea c k - s i d ea s s e i n b l yt i m e 曲1 e s h o l do ft h eo b se d g en o d e 3 a tl a s t ，t 甜血q u eo f p a c 堍w a sd 印l o y e di i lt h eh s t ( = p 觚di t sp a c i n gp e 】两锄锄c c w 雒t e s t c di i ll g 叫d i s t a 玳圮o b sn 吐w o f l 【e x p e r i m t a lr e s u l t sp r o w 沮t h em o r eo b v i o 璐 p e 】晌砌舳c ei n l p r 0 v 铋e n tw 懿a c l l i e v e db y 郴i i l gh s t c pp a c i n gw h e i lt h ep b a b i l i t ) ，o f 硼w o r kc o n g e s t i o ni 1 1 c r s e di i lo b sn e t w o r k p r o p e r l yu t i l i z i n gt h et e c l l i l i q u eo fp a c m g w i l lg r c a t l ye i l h 盐c eb 锄d w i d mu t i l 妇i o no fh s t c p 删l eb u r s td r o pm t i oo fo b s 呶w o r k w a sh i 曲c n o u g l l m o r i v i ta l s 0 麒i l l c c st h ea v e r a g ei mo fh s t c pa n di i n p r 0 v e st l l e s t a b i l i t yo fh s t c p t h ec x p 甜m e l l t a lr e 娜1 t sa l s 0d 锄o n s t r a t e dt h a t ，啪d e rt h e1 6p e r c e n t b u r s td r o pf a t i o ，a p p r o p r i a t e l ys e l e c t e dp a c i n gp e r i o d ，t h es t a b i l i t yp e r r 门m a n c eo fh s t c p w o u l db ec l l l l a i l c e dm o r e 姗7 0t i n 坞sw h e nc o m p a r e dt ot h ep e r f o 册a n c eo fn o n p a c a n dt h et h r o u g h p u to fh s t c pw a s n ts i 印i f i c a n t l yc h a i l g ea sw e l la s k e y w o r d s ：o p t i c a lb u r s tg 诵t c h i n g ，q o s ，b l 聃ta s s 锄b l y ，s c h e d u l i n ga l g o r i t l 蚰，b u r s td r o p m t i o ，t h r o u g h p u t ，t c p c o n g e s t i o nc o m r o l ，a c k 北京邮电大掌博士学位论文缩略词索引裹 缩略词索引表 a c k a c k n o w l e d g e m e n t确认报文 a i m da d d i t i v ei n c r e a s em u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e 和式增加乘式减少 a t m a s ”c h r o n o u st r a n s f ；e rm o d e 非同步传输模式 b c pb u r s tc o n t r dp a c k e t 控制分组 b q b a n d w i d mq u e u e i n g 带宽排队 c b w f q c l a s sb a s e dw e i 曲tf a i rq u e u e 基于类加权公平排队 c nc o r e n o d e 核心节点 c w n d c 伽g e s t i o nw i n d o w拥塞窗口 d b d a t ab u r s t 数据突发包 d i f l f s e d i 胁t i a t 酣s e r 啊c 器 区分服务模型 d w d md e l l 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 密集波分复用 e n e d g e n o d e边缘节点 f d lf i b e rd e l a yl i n e 光纤延时线 f 1 f a l s et i m e ( 错误超时 g p sg e l l e r a l i z e dp r o c e s s o rs h 撕n g 通用处理器共享 g r n ig 而dr e s o u r c en e t 、o r ki n t e r f a c e 网格资源网络接口 g u n ig f i du s e rn e t 、v o r kh l t e m c e 网格用户网络接口 h s t c p h i 曲s p e e dt r a n s m i s s i o nc o n 仃0 lp r o t o c o l 高速传输控制协议 i pi n t 锄e tp r o t o c o l 网际协议 j e t j u s t e n o u 曲t i m e 恰量时间协议 j 1 1 rj u s t - i n t i m e 及时时间协议 l a u c v fl a t e s ta v a i l a b l eu n u s e dc h a 衄e lw i t hv o i d 最近可用未使用信道 f i l l i n g 调度算法 l l q l o wl a t e n c yq u e u e i n g 低延迟队列 l o b s l a b e l e do p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g 标签光突发交换 l s pl a b e ls w i t c h i n gp a t h 标签交换路径l s p l s rl a b e ls w i t c h i n gr o u t e r 标签交换路由器 m i m d m u l t i p l i c a t i v ei n c r e a s em u l t i p l i c a t i v ed e c r e a s e 乘式增加乘式减少 m i n s vm i n i m u ms t a n i n g 、r o i d 最小初始闲隙 m p l sm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g 多协议标记交换 m s sm a x i m u ms e g m e n ts i z e 最大报文段长度 n o pn u m b e ro f p a c k e t s 分组数 o a d m 0 i p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r 光上下话路复用器 o x c o p t i c a lc r o s sc o r u l e c t 光交叉连接 o b s o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g 光突发交换 o c s 0 l p t i c a lc j r c u i ts w i t c h i n g光路交换 o p s o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g光分组交换 o s i o p e ns y s t 哪i n t e r c o 肌e c tr e 矗。r e n c em o d e l 开放系统互连基本参 考模型 p a c i n gp a c i n g 调步 8 7 北京邮电大掌博士学位论文 缩略词索引表 p j e t p 五o r i t yj u s te n o u g ht i m e p k t l o s sp a c k e tl o s s p l p a y l o a d l e n g t h p l a u c v fp r i o r i t vl a t e s ta v a i l a b l eu n u s e dc h a 衄e l w i t h 、内i d f i l l i n g p tp a y l o a dt y p e q o sq u a l i t yo fs e r v i c e r e c v n a c kr e c e i v en e g a t i v ea c k n o w l e d g e r t ir e s e a r c ht r i a n g l ei n s t i t u t e r 1 or e m m s m i s s i o nt i m e - o u t i u t r d l 】i l d pt i m e r t p r e a lt i m ep r o t o c o l s d h s y n c h r o n o u sd i 西t a lh i e r a r c h y s l as e r v i c el e v e la 留旧a ：n e n t s o n e t s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k s s t h r e s hs l o ws t a r tt h r e s h s t c p s c a l a b l ett r a n s m j s s i o nc o i n r o lp r o t o c 0 l t a g1 e 1 1 a n d g o t c pt m s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l t a wt e l l a n d w a i t v c r t u a lc i r c u i t v f v 0 i d f i l l i n g 8 8 优先级恰量时间协议 分组丢失 负荷长度 优先级最近可用未使 用信道调度算法 负荷类型 服务质量 收到丢失分组确认 美国三角洲研究所 超时重传时间 往返时延 实时传输协议 同步数字系列 服务等级协商 同步光网络 慢启动门限 可扩展传输控制协议 无等待请求方式 传输控制协议 请求等待方式 虚电路 空隙填充 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 北京邮电大掌博士学位论文 第一章绪论 本章首先回顾了光网络的发展历史，而后介绍几种在光网络发展进程中扮演 重要角色的光交换技术鉴于目前光突发交换的技术优势，本章将重点讨论光突 发交换的网络架构和关键技术，并简要介绍了光突发交换技术的国内外研究现 状最后，总结了本论文的研究内容。 1 1 光网络的发展 近1 0 年来，通信行业中发展最快的是i n t e n l e t 【1 】数据业务。大量数据表明， 随着通信技术与计算机技术的飞速发展，i n t e n l e t 规模以难以置信的速度迅速扩 大，i p 业务在迅速超越传统的语音电信业务。其中，带宽需求巨大的视频、即 时通讯、可视电话等业务也在逐渐超越e m a i l 、网页浏览、文档下载等窄带需求 型数据业务【2 j 。 这些变化，必然给包括光网络在内的通信网整体架构、组网形态、节点技术 和传送承载能力等诸多方面带来深刻的影响。目前，光层利用d w d m ( d s e w a v e l e n 昏hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术【3 _ 4 1 ，可以满足较长时期内对传送网带宽 的要求。d w d m 技术作为一种核心的传输技术，成为下一代m 骨干网络的主导 技术，它使一根光纤上可利用的带宽达到1 0 t b s 左右，提供多个高速率的传输 通道【5 - 7 1 。那么如何高效地利用w d m ( w a v e l e n g i hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术 提供的海量带宽来支撑下一代i n t e m e t 的发展，是目前世界光网络研究的重点。 为此，面向未来i p 业务的下一代宽带高速光网络研究，成为各国或跨国研 究计划的重点。如s t 札i g l l t 【8 】、t r a n s “曲t 【9 1 、g l i f ( g 1 0 b a ll 锄b d a1 1 1 t e g r a t e d f a c i l i t y ) 及其他高速网络的建置及规划，以及t c 朔g d 【l 、d a t a t a g 【1 2 1 等高速 网络应用的范例，说明高速以太网络的重要性及应用的相容性。日本和澳大利亚 等国的科研机构和大学，也在致力于下一代光网络的研究。与此同时，包括 i t u t ，a n s i ，t 1 x 1 5 协会，光互联网论坛o i f ( o p t i c a l i n t e n l e 附o r k i n gf o n l m ) 和i e t f 在内的标准化组织，也都积极致力于对可重构光网络的研究。 在点到点w d m 传输链路中，s o n e t s d h ( s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r l ( s y n c h r o n o u sd i 西t a lh i e r a r c h y ) 目前已经成为高层协议与d w d m 相连的标准接 口，使用s o n e t s d h 设备，则要在每个节点完成o e o 转换。但是，摩尔定 北京邮电大掌博士掌位论文 律表明，电处理速率的增长远低于数据传输速率的增长。这意味着w d m 网络的 传输能力会遭遇到电处理速率的瓶颈。所以现代技术发展趋势，就是设法消除电 处理过程或降低电处理负荷，以便充分释放w d m 技术的带宽潜力。 目前，实用的全光网是建立在w d m 技术基础上的，在节点利用波长上下话 路o a d m ( 0 i p t i c a la d dd r o pm u l t i p l e x e r ) 1 1 3 】或进行交叉连接o x c ( c i p t i c a lc r o s s c o 肌e c t ) 【h 】来构成。采用o a d m 和o x c 技术，为解决目前点到点的d w d m 技术在应用中不能实现灵活组网和当网络失效时不能有效进行保护的问题提供 了一种解决方法。使得光传送网络0 t n ( o p t i c a l lt m s p o r tn e 觚o r k ) 具有传输容 量大，组网灵活，网络具有可扩展性和可重构性【i5 1 ，可以透明传输具有不同代码 格式的不同速率等级的用户数字信号，能够同时适应用户信号种类和服务种类不 断增长的需求等诸多优点。但基于o a d m 或o x c 的全光网采用波长路由的方 式，即光路交换o c s ( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c g ) ，由于控制平面建立链路，分 配波长和波长选路所需的时间较长，网络的可升级性和动态适应性比较差，还不 能实现真正意义上的分组交换网络，只不过是一种光的电路交换方式。现在的 i i l t e m e t 中，i p 路由成为一种标准，而i p 的流量具有突发的特性。用这种方式来 传输i p 突发分组，会造成带宽的极大浪费，显然不适合i p 交换。为了更有效、 灵活地承载未来的i p 包分组业务，提出了光分组交换o p s ( o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) 与光突发交换o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 两种适应未来光因特网 的交换技术。 1 2 光交换技术 在电域内，存在电路交换和分组交换之分。同样，光交换技术依据交换粒度 的不同，也可以分为光路交换( o c s ：o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 、光分组交换( o p s ： o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 和光突发交换( 0 b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 三种。 1 2 1 光路交换( o c s ) o c s 基于o a d m 和o x c ，采用波长路由的方式，通过控制平面的双向信令 传输来建立链路和分配波长。 o c s 实质上就是一种光的电路交换方式，具有较高的网络传输可靠性，但 也存在较大的选路时延。网络需要为每一个连接请求建立从源端到目的端的光路 ( 每一个链路上均需要分配一个专用波长) 。光交换执行过程分为三个阶段：链路 北京邮电大掌博士掌位论文 建立、链路保持和链路拆除。 链路建立阶段是双向的带宽申请过程，需要经过请求与应答确认两个处理过 程。链路建立阶段的时延为2 p + p ，其中p 是单向传输时延，p 是系统的处理时间。 链路保持阶段，相关节点的交换机配置不变，链路始终被通信双方占用，不 允许其他通信方共享该链路。 链路拆除阶段，任意方首先发出断开信号，另一方收到断开信号后进行确 认，资源就被真正释放。 若采用虚电路v c ( m mc i r c u i t ) 交换，由于无需每次都进行实际链路的 建立，业务数据是不必等待应答就可以发出的。在d w d m 网络中，光路交换以 波长交换的形式实现，即在相邻节点间的每一条链路上，一个波长对应着一个用 于交换的光通道【1 6 】。波长交换的优点是速度快，带宽大，对数据速率及格式透明。 波长交换很适合s d h 网络，因为s d h 交换机之间的通信速率与波长带宽正好匹 配( 2 5 g b p s 或o c 4 8 ) ，与链路建立时间相比，保持时间较长，选择适当的网络 拓扑结构和波长路由算法，明显减少s d h 交换机的数目。另外，多协议标签交 换m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h m g ) 与o c s 结合的多协议波长交换m p 恣 ( m u l t i p m t o c 0 1l a i 】曲d as w i t c h i i l g ) 技术还可以实现智能、动态的波长连接路由 和保护【l _ 7 1 。 。 但是，由于o c s 采用波长作为网络资源的处理粒度，对于突发性的业务数 据，其带宽利用率不高，不适用于i i l t 锄e t 网上i p 数据的传输。另外，当波长数 有限时，为避免搠塞而不得不将一部分数据进行0 e o 转换，若采用动态带宽分 配机制，则链路的建立时间一般较长。o c s 从本质上来看，仍然是电路交换技 术，所以有着电路交换固有的缺点：由于连接的建立是双向的，导致数据包传输 过程的更大延迟。其次，在连接建立到数据传输的过程中，所有的中间节点必须 维持信道资源直到信道拆除为止。与此同时，纵使资源没有被占用，其余数据仍 无法利用，所有这些，都大大降低了带宽资源的利用效率。 1 2 2 光分组交换( o p s ) o p s 可以看作是电分组交换在光域的延伸，它以高速传输的光分组作为网络 交换粒度。虽然光分组可长可短，但由于交换设备必须具备处理最小分组的能力， 因此，光分组交换节点的处理能力要求非常高。目前，常采用光电混合的方法实 现o p s ，即数据在光域进行交换，而控制信号在交换节点被转换成电信号后再进 行处理。o p s 可基于数掘报或虚电路方式，无论采用哪种，交换机都以存储转发 方式工作因此必须采用光缓存。 图1 1 光分组交换( o p s ) 圈l l 给出了光分组交换的基本结构，其关键技术包括光分组的产生、同 步、缓存、再生，光分组头重写以及分组之间的光功率均衡等。其中，光分组的 实时同步、再生和分组头重写，由于码率太高，电设备无法完成。而全光的办法， 还只是停留在实验阶段。同时，目前也没有可行的能满足光分组交换要求的纳秒 级的光开关。所以，目前o p s 的实现，尚有若干关键技术需要突破。 由于0 p s 可以较好地支持i p 业务，被认为是光网络发展的长远目标。当前， 世界各发达国家在研究和开发全光分组交换网技术方面的代表性研究项目有：美 国斯坦福大学的h o r n e t ( h y b 咖o p t o d e c t r o n i cr i n gn e t w o r k ) 旧、欧洲 r a c e - r 2 0 3 9 a t m o s ( a s y n c h r d n o l 】s l h n s 衙m o d e o p c i c a l s w i k h 啦) ”、a c t s 的k e o p s ( k e y s 协o p d lp a c h ts w i t c h i n g ) 【训、美国d a r 队支持的p o n d ( p a c k d - g w l t c i l e d0 p t i c a ln e t w o 曲雌d e i i l o n s 删i o n ) j 、c o r d ( c o n t 蚰t i 瞄o i u n o n s w i 劬e dp a c k 甜n 时w o 出) 2 2 l 及h 本的n t t 光网络实验等。 1 2 3 光突发交换( o b s ) 突发交换的概念晟早于八f 年代提出口”主要用来传递话音业务它实际上 是具有可变长度的快速分组交换。但是，由于电路交换和分组交换的技术在当时 都己成熟并广泛应用，没有必要以突发包为单位来处理话音或数据从而政变整个 网络，因此，突发交换并没有引起足够重视。近年束，一方面，d w d m 技术极 大地扩充了网络带宽；另一方面，上层i n t 蜘h 业务的爆炸式增长，对网络的带 宽和处理速度均提出了更高的要求。然而，传统的电路交换方式已不能有效支持 突发业务而分组交换方式中的结点处理能力又远远达不到当前信息传送速率的 要求。于是，九十年代后期，几于已经被淡忘的突发交换技术被重新提了出来， 将其摹本原理与光技术结合，形成了光突发交换( 0 b s ) 阱_ 2 q 。 北京邮电大掌博士学位论文 控制信道 数据信道 控制信道 数据信道 图1 2 光突发交换( o b s ) 图l 一2 可以说明o b s 的基本原理，具体如下： 1 ) 突发组装：o b s 通过在网络的边缘路由器上将多个较小的i p 分组组装成 较大的突发包( b u r s t ) 后再在网络中交换，可以适当地增大网络的传输交换粒 度。这一方面，既保持了o p s 网络的灵活性和高带宽利用率( o b s 仍然采用统 计复用) ；另一方面，又可以缓解核心路由器处理速度上的瓶颈，包括消息处理 速度和光开关速度。实际上，分组的交换要求光丌关的速度为纳秒级，而突f 发包的交换只要求光开关的速度为微秒级。 2 ) 数据与控制分离：o b s 网络将数据信道与控制信道在空间上分离开来， 即边缘路由器将传统数据分组头中的控制信息剥离出来，作为控制分组放到单独7 的控制信道上传送。这样，核心路由器可以方便地进行光电变换以后再处理其中 的控制信息，并为数据包的传输建立端到端的全光通路。可见，o b s 网络可以 看成是全光的数据平面和光电混合的控制平面的叠加。其实，o b s 的基本思想一 就是通过将控制平面上的信令控制协议复杂化来简化数据平面的处理。 3 ) 延迟预约：由于缺乏有效的光缓存，所以传统的存储转发模式并不适用 于o b s 。0 b s 采用延迟预约的机制，提前发送控制分组在核心路由器中预约资 源，实际的数据突发包在边缘路由器的电域内缓存一个偏置时间后再发送，因而 数据包不必在核心路由器进行光域缓存，就能够无阻塞地穿越整个网络。当然， 适当的光缓存，作为一种冲突竞争解决方案，可以大大改善o b s 网络的性能。 从以上讨论可知，0 b s 充分发挥了现有的光电子技术