（电磁场与微波技术专业论文）obs网络突发包重传的实现及其tcp性能分析.pdf

北京邮电人学硕+ 学位论文 o b s 网络突发包重传的实现及其t c p i 生能分析 摘要 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 ) 技术，由于其充分结 合了电的灵活处理技术和光的高速传输技术，被认为是未来密集光波 分复用( d w d m ：d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的可行性方 案，成为学术界和产业界的研究热点。但是由于o b s 网络本质上是典 型的无连接网络，同时由于其核心网络无缓存并采用单向信令机制， 在核心节点很有可能发生资源竞争，引起突发包丢失，导致网络性能 下降，因此竞争解决是一个非常重要的课题。目前在o b s 网络中，o b s 层面上的数据丢失恢复机制比较典型的有突发包重传和突发克隆等。 为此，本文首先在国内外现有研究的基础之上，对o b s 网络中网 络丢包后的快速数据恢复技术进行了研究，并提出了一种在o b s 层进 行突发包重传的机制，这种机制采用向源边缘节点发送链路故障信息 ( l f m ：l i n kf a u l tm e s s a g e ) ，自动重传请求( a r q ：a u t o m a t i c r e t r a n s m i s s i o n r e q u e s t ) ，链路恢复信息( l r m ：l i n kr e c o v e r y m e s s a g e ) ，以及暂时停止为新突发包预约资源的方式来实现突发包重 传，减少网络丢包率( b l p ：b u r s tl o s sp r o b a b i l i t y ) 。该机制虽然设计为 用于减少由于链路故障引起的突发包丢失，但同样适用于由于网络竞 争而引起的丢包。本文先对o b s 实验平台边缘节点( e n ：e d g en o d e ) 与核心节点( c n ：c o r en o d e ) 的现场可编程门阵列( f p g a ：f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 进行了设计，在o b s 实验平台上第一次成 功实现了o b s 网络突发包重传机制。此外，本文在o b s 实验平台上 评估了引入重传机制的o b s 网络的t c p 性能，实验结果说明，引入重 传机制的o b s 网络传输控制协议( t c p ：t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 性 能相比没有引入重传机制的o b s 网络t c p 性能有很大的提高，同时， 这种提高又受多方面因素的影响，如t c p 的重传时限( r t o ： r e t r a n s m i s s i o nt i m eo u t ) ，突发包包长以及链路故障时间等。例如，在 r t o = 2 0 0 m s 的情况下，当链路故障时间为7 0 0 m s 时，当突发包包长分 别等于6 2 5 k b y t e s ，6 2 5 k b y t e s 以及1 2 5 k b y t e s 时，引入重传机制的t c p 吞吐量较没有采用重传机制的t c p 吞吐量，分别增加了5 3 m b p s ， 3 3 m b p s 以及2 4 m b p s ，增长百分比分别为5 4 7 8 ，4 1 9 8 以及3 4 1 8 。 关键词：光突发交换突发包重传f p g at c p 北京邮电大学硕七学位论文 t h ee x p e r i m e n t ai ，r e a l i z a t i o no fb u r s t r e t r a n s m i s s i o no no b sn e t w o r ka n d t h e e v ai ，i7 a t i o no fi t st c pp e r f o r n 川c e a b s t r a c t o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) t e c h n o l o g y , w h i c hc o m b i n e st h e f l e x i b l ee l e c t r o n i c p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dt h e h i g h - s p e e do p t i c a l t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , i sr e g a r d e da so n eo ft h ep r o m i s i n gs o l u t i o n si n t h ef u t u r ei 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 ka n dh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l er e s e a r c ha t t e n t i o nf r o mb o t h a c a d e m i ca n di n d u s t r i a lf i e l d s d u et ot h eb u f f e r l e s sn a t u r eo fo b sc o r en e t w o r ka n dt h eo n e - w a y b a s e ds i g n a l i n gs c h e m e ，t h eo b sn e t w o r ks u f f e r sf r o mr a n d o mb u r s tl o s s e s ， e v e na tl o wt r a f f i cl o a d s ，w h i c hl e a d st ot h ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n t h e r e d u c t i o no ft h er a n d o mb u r s tl o s s e sb e c o m e sac r i t i c a li s s u ei no b s n e t w o r k f a s tr e c o v e r ys c h e m e sw h i c ha r ee m p l o y e dt or e c o v e rt h el o s t b u r s ti no b sl a y e ra r eu n d e rc o n s i d e r a t i o n ，s u c ha sb u r s tr e t r a n s m i s s i o n a n db u r s tc l o n e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，ab u r s tr e t r a n s m i s s i o ns c h e m ef o rr e d u c i n gt h e b u r s tl o s s e si no b sn e t w o r kd u et ol i n kf a u l ti sp r e s e n t e d w h i c hi sa l s o s u i t a b l ef o rr e d u c i n gt h eb u r s tl o s s e sd u et ob u r s tc o n t e n t i o n t h es c h e m ei s d e s i g n e df o rr e d u c i n gt h eb u r s tl o s sp r o b a b i l i t y ( b l p ) b ye m p l o y i n g l i n k f a u l tm e s s a g e ( l f m ) ，a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t ( a r q ) ，l i n k r e c o v e r ym e s s a g e ( l r m ) a n dt e m p o r a r i l ys t o p p i n gm a k i n g c h a n n e l r e s e r v a t i o nf o rt h eb u r s td a t a t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h ed e s i g no ff i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) o f b o t ho ft h ee d g en o d e sa n dc o r en o d e ， t h ef i r s te x p e r i m e n t a lr e a l i z a t i o no fb u r s tr e t r a n s m i s s i o no no b sn e t w o r k a n dt h ee v a l u a t i o n o ft c pp e r f o r m a n c eo v e ro b sn e t w o r kw i t hb u r s t r e t r a n s m i s s i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et c pt h r o u g h p u th a s ag r e a ti m p r o v e m e n tc o m p a r e dw i t ht h a tw i t h o u tb u r s tr e t r a n s m i s s i o na n d t h ei m p r o v e m e n ti si n f l u e n c e db ys e v e r a lp a r a m e t e r ss u c ha st c p r e t r a n s m i s s i o n 曩m eo u t ( r t o ) t h eb u r s tl e n g t ha n dt h el i n kf a u l tt i m e f o ri n s t a n c e w h e nr t oe q u a l st o2 0 0 m sa n dt h el i n kf a u l tt i m ee q u a l st o 7 0 0 m s ，w i t hb u r s tl e n g t h se q u a lt o6 2 5 k b y t e s ，6 2 5 k b y t e sa n d1 2 5 k b y t e s ， t t 北京邮电人学硕十学位论文 t h e i m p r o v e m e n tw i t h b u r s tr e t r a n s m i s s i o na r e5 3 m b p s ，3 3 m b p sa n d 2 4 m b p s ，i n c r e a s e db y5 4 7 8 ，4 1 9 8 a n d3 4 1 8 ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：o b sb u r s tr e t r a n s m i s s i o nf p g at c p i i i 北京邮电奎兰堡主兰垡笙茎 _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - - - i - l _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ - i _ l - _ _ - _ _ _ _ 一 缩略词索引表 a a c k a c k n o w l e d g ec h a r a c t e r 确认字符 a r o a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t自动重传请求 b b c p b h p b u r s tc o n t r o l h e a d e rp a c k e t突发控制头部分组 b l p b u r s tl o s sp r o b a b i l i t y 丢包率 c c n c o r en o d e核心节点 c p u c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t 中央处理单元 d w d m f d l f e f e c m f t p f p g a g e l a u c v f u f m l o b s l r m l s p l s r m p l s o b s d d 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 e e d g en o d e f f i b e rd e l a yl i n e f a s te t h e r n e t f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s f a l s et i m e o u t f i l et r a n s f e rp r o t o c o l f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g g i g a b i te t h e r n e t l l a t e s ta v a i l a b l eu n u s e dc h a n n e l l i n kf a u l tm e s s a g e l a b e l e do p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g l i n kr e c o v e r ym e s s a g e l a b e l e ds w i t c h i n gp a t h l a b e l e ds w i t c h i n gr o u t e r m m u l t i p r o t o c o ll a b e l e ds w i t c h i n g o o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g 密集波分复用 边缘节点 光纤延时线 快速以太网 转发等价类 伪超时 通讯协定 现场可编程逻辑阵列 千兆以太网 最近可用未使用信道调度算法 链路故障信息 标签光交换 链路恢复信息 标签交换路径 标签交换路由器 多协议标记交换 光突发交换 北京邮电大学硕士学位论文 o c s o l s o p s o x c s d r a m t c p o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a ll a b e l e ds 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 g o p t i c a lc r o s sc o n n e c t q q u a l i t yo f s e r v i c e r r e t r a n s m i s s i o nt i m e0 u t s s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y t t t a n s f e rc o n t r o lp r o t o c o l v 光路交换 光标签交换 光分组交换 光交叉连接 服务质量 t c p 重传时限 同步动态随机存储器 传输控制协议 v h d l v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 超高 速集成电路硬件描述语言 w d m w w 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 波分复用 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- 另t l d n 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已在论文中 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： 日期： 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：掀 日期： 日期： 北京邮电大学硕+ 学位论文 第一章绪论 1 1光突发交换技术 由于以口为主的数据业务的爆炸式增长和新宽带多媒体业务的出现，传统的核 心交换网络已经不适于互联网不断发展的需要。这种形势促使研究者们加快对波分复 用( w d m ：w 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 ) 传输和全光交换技术深入研究，以便适 应因特网流量的爆炸式增长、业务的多样性和业务突发性。 1 1 1 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 ) 1 1 】、光分组交换( o p s ：o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ) 【2 】和光突发交换( o b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 1 3 - 4 l 三种。光路交 换从本质来看，仍然是电路交换技术，有电路交换固有的缺点，如较低的带宽资源利 用率。光分组交换很适用于突发数据业务，是未来支撑i p 业务的一种最为理想的模 式，但现有的光缓存与光信号处理技术严重制约了它的应用。而光突发交换技术由于 其充分结合了电的灵活处理技术和光的高速传输技术，被认为是未来密集光波分复用 的可行性方案，成为学术界和产业界的研究热点。 光突发交换( o b s ) 光突发交换网络，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。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， i p 分组的交换要求光开关的速度为纳秒级，而突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 的数据平面和光中、混合的控制平面的叠加。其实，o b s 的基本思想就是通过将控 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 。 北京邮电人学硕士学位论文 o 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 数据突发包在边缘节点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，o b s 充分发挥了现有的光电子技术的特长，实现成本相对较 低，非常适合于在承载未来高突发业务的光网络中应用。 不同交换技术的对比 表1 - 1 综合比较了三种光交换技术的性能。与o c s 相比，o b s 由于降低了交换 粒度，采用统计复用，因而具有更高的带宽利用率。并且，采用单向信令机制的o b s 可以大大降低网络延时。与o p s 相比，o b s 通过采用突发组装技术来提高交换传输 粒度，并将数据与控制信息在时间( 即延迟预约) 和空间上分离，极大地降低了系统 的实现难度，可以在无光缓存的网络中实现数据的全光透明传输。 表1 - 1 各种光交换技术的对比 光交换技术交换粒度带宽利用率 网络延时实现难度业务适应性 光路交换粗低商低低 光分组交换细i 曷低两i 葡 光突发交换 中 较高低 中i 曷 1 1 2l o b s 网络的特点 标签光突发交换( l o b s ：l a b e l e do p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 【5 j 是采用多协议标记交 换( m p l s ：m u l t i p r o t o c o ll a b e l e ds w i t c h i n g ) 机制的o b s 技术或者是采用o b s 控 制机制的光标签交换( o l s ：o p t i c a ll a b e l e ds w i t c h i n g ) 技术。由于基于o b s 技术， l o b s 同样使用分离的波长来传送数据突发包和它们的控制分组。但是控制分组所携 带的信息与通常的o b s 不同，l o b s 的控制分组不再携带突发包的地址信息，而是 加入了标签信息，其他的信息如承载突发包的波长信道、偏置时间、服务质量( q o s ： q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求等则仍然需要携带。一旦标签交换路径( l s p ：l a b e l e ds w i t c h i n g p a t h ) 建立起来，l o b s 网络中对控制分组的处理不必再进行路由计算，只要根据其 所携带的标签进行基于标签交换的转发操作即可。在这个过程中，输出数据信道的调 度和根据q o s 的处理与o b s 一样。l o b s 网络是由多个边缘节点和核心节点构成的， 边缘节点与核心节点之问由w d m 链路连接。每个节点更新突发包的标签，使它按照 标签表传输到目的节点。 l o b s 网络的边缘节点提供与其他网络的接口、控制分组生成、突发包组装分解 以及转发等价类( f e c ：f o r w a r d i n ge q u i v a l e n c ec l a s s ) 封装和标签操作等功能。核心 2 北京邮电大学硕士学位论文 节点负责对到达的突发包进行基于标签的交换。数据分组在入口边缘节点处组装成突 发包，配备带有标签的控制分组，然后在l o b s 网络中传送，再由出口边节点拆分 数据分组。可见，边缘节点和核心节点除了应具有o b s 节点的功能外，还应具有 m p l s 的标签交换路由器( l s r ：l a b e l e ds w i t c h i n gr o u t e r ) 的功能。 具体来说，光突发交换技术是用不同的波长和信道来传送承载业务的数据分组和 包含由路由信息、数据分组头信息的控制分组( b c p b h p ：b u r s tc o n t r o l h e a d e r p a c k e t ) 。每一个突发的数据分组对应一个控制分组，传送突发数据分组的通道称为 数据信道，传送控制分组的通道为控制信道。当数据到达o b s 边缘节点时，根据目 的地址和其他属性组合成大的数据分组，同时产生带有路由信息和数据分组信息的控 制分组。根据协议，控制分组先于数据分组发送，并且是通过独立于数据信道的控制 信道单独发送。控制分组到达中间节点之后，需要中间节点的电子处理， 但控制分 组的长度非常短，这样使高速的电处理得以实现，并且降低了核心路由器进行e 0 e 处理时所需的容量。先一步传输的控制分组在中间节点为要传输的数据分组定好了必 要的网络资源，指配空闲光信道，实现数居心道的带宽资源动态分配，并在不等待目 的节点的确认信息的情况下就立即发送该数据分组。随后数据分组就可以根据已有的 资源在不需要e o e 转换和中间节点的电子转发的情况下直接在端到端的透明数据 传输信道中传输和交换，到达目的边缘节点。在目的边缘节点，数据分组根据相应控 制分组的信息被拆装还原成原来的i p 数据包，并发往目的地。 o b s 的一个主要特点是其突发包和控制分组在分离的信道上传输。将数据信道 与控制信道在物理上分离，实现了控制信息和数据信息相剥离：数据在o b s 网中保 持为光信号而控制信号则采用电子方式处理，即经过每个节点时控制信号都要经历 o 倒o 的转换。如图1 - 1 所示，光纤上的d w d m 信道被分成两组，其中一组用于传 输突发包的控制分组称为控制信道，另一组用于传输突发包数据称为数据信道。在组 装好一个突发包的同时生成相应的控制分组，并将该控制分组发送出去，突发包则 需经过一段偏置时间后再发送。这种数据与控制分组分离传输的特点有利于核心节点 在突发包到达之前就根据控制分组中的信息预留带宽。需要指出的是，o b s 网络中 核心节点对控制分组的处理还是在电域内进行的，节点根据控制信息配置好资源后， 突发包就可以直接通过，而无需经过o e o 的转换。 o b s 的另一个特点就是其链路建立是单向的，不需要收发端的交互，而使用波 长路由，发送端必须在接收到波长路径建立的确认信息后才能丌始发送数据， 因而 o b s 相对于波长路由来说，数据传输所需的时问更短。相对传统的电路交换而言， o b s 网络具有更大的灵活性和带宽利用效率，相对于光分组交换而言，它具有更简 单的可实现性，它结合了两种交换方式的优点，并部分克服了它们的缺点。同时， o b s 技术也面临一系列难点有待研究解决，如：突发调度、汇聚算法、偏置时问设 置、q o s 保证、资源竞争解决等。其中，边缘节点处的流量汇聚是o b s 中最基本最 3 北京邮电人学硕士学位论文 关键的核心问题之一，它直接或间接涉及到上述问题的讨论与解决，对网络综合性能 和带宽利用效率均有较大的影响。 数据分组1 数据分组2 偏置时间 _ o f f s e tt i i i l e + 一 厂厂 控制分组2控制分组1 图1 - 10 b s 信道 数据信道 数据信道 数据信道 控制信道 1 1 3 l o b s 网络的实验体系结构 图1 2 所示为光突发交换实验网络系统。从节点功能考虑，可以将l o b s 节点分 为两类：进行e o 转换，业务汇聚的边缘节点和全光交换的核心节点。接入层是l o b s 层的用户层，l o b s 层向上层提供各种o b s 服务，而物理层实现光比特的透明传输、 放大和交换。 实验系统包括核心节点、边缘节点及d w d m 链路。边缘节点提供多个千兆和百 兆以太网接口，具有图像、话音、数据等业务的接入能力。各种业务在边缘节点内进 行适配重组，形成在网络中传输的突发分组，并采用d w d m 技术将分组发送至网络 中，从而实现高速、大容量的数据传输。同时，在数据分组发送至网络中前，边缘节 点通过一个单独的信令信道向核心节点发送突发分组的控制信令，控制信令的内容包 括突发分组和控制信令之间的延时信息、突发分组的长度信息、目的节点信息等，同 时还包括业务等级信息以据此为不同的业务提供不同的q o s 保证。核心节点根据这 些控制信息配置节点内部的快速光交换模块，直接在光域内实现快速的分组突发交 换，并将控制信令处理后转发至下一节点。对于边缘节点来说，由于光突发交换网络 的突发特性，边缘节点接收的突发分组可能来自不同的节点，它们的时钟相位不同， 因此对每一个接收到的分组必须进行高速时钟同步，即分组的突发同步，才能完成分 组的突发接收。接收到的分组数据在边缘节点内进行反向拆卸和分类，发往相应的端 口。 l o b s 网络边缘节点的体系结构 边缘节点主要完成接入各种业务数据并适配到o b s 网络，同时接收来自o b s 网 4 北京邮电大学硕士学位论文 图1 2 光突寰交换实验网络 络的突发分组并完成反向适配。在物理实现结构上主要分为三个部分：交抉板、控制 板和光板。 交换板实现业务接r l 功能，它位于边缘结点数据接入部分，主要负责不同速率以 太网数据的接入，并将这些数据会聚以后，提供给控制扳，完成突发组装。交换板对 外提供千兆以太隔( g e ：g i g a b i te t h e m c t ) 和快速以太州( f i e ：f a s te t h e m * t ) 的接入 并为控制板提供数据。 核心板是o b s 边缘节点的主功能板主要实现i p 包排队、突发包组装和调度功 能。但是具体来说它在整个系统中还要承担以下功能：o b s 网络中基本的路由功能 和流量控制，包括波长信道指配：实现对各单板的复位以及板在位检测；高层软件载 体，搜集网管信息实现边缘节点的网管。 光板实现控制信道和数据信道的发送和接收。尤其是数据信道的突发模式的发送 和接收。 l o b s 网络核心节点的体系结构 核心节点在o b s 网络中丰要完成处理控制信息( 以电域的形式) ，进行资源调度 _ 手口预科，输入方向：光纤链路到达核心节点时，首先用根波分复用器( c w d m ：c o a r s e w 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 ) 完成控制信道与数据信道的分离，控制信道与核心 节点的# 控板相连，做相应的电域处理，数据信道直接和光交义矩阵相连。输出方向： 用c w d m 完成更新后的控制信道和数据信道的合成，核心节点的结构图如1 3 所示。 控制板根据控制分组所携带的标签进行操作，并利用控制分组的其他控制信息预 留核心节点的带宽资源，据此发出控制指令，控制交换矩阼做出相应的调整，然后再 生成新的控制分组发送到下游节点。交换矩阵负责接受来自控制模块的控制指令，建 立交义连接路径以将随后到达的突发包交换到年日应的输出端口。 、，、 一n， 、，、她、， 一暑一 一 一。竺，群 够海 鼎鼎 北京邮电大学硕十学位论文 控制波长榨制波匕 出光红 r 控制板 r 1 3 1 0 n m 1 3 1 0 n m 数据波长组光交叉 数据波长组 矩阵 图卜3 核心节点硬件结构 在核心节点中，控制板是个关键部件。它负责控制标签交换和资源预留。主要 在可变成逻辑器件f p g a 中实现，为了执行标签交换，控制单元中应该维护一个标签 信息表。这样，当一个突发包的控制分组到达核心节点时，首先被转化为电信号，从 标签栈中弹出标签，并送入到负责标签交换的模块中查找标签转发表，执行标签交换 操作。然后，压入新的标签，并把控制分组经交换模块交换到对应输出端口的输出队 列中。当控制分组位于队首时，被读取并送入到调度器。调度器执行资源预留控制， 每个调度器管理一个对应输出端口的所有输出波长信道，包括控制信道和数据信道。 它建立并维护各个信道的使用状念表，根据控制分组的信息来选择输出波长信道分配 给突发包和控制分组，并向交换矩阵发出交换所需信息，如输入输出端口信道及突发 包的到达时间与长度等，最后，控制分组被发送到调度器分配的控制信道。 1 2 0 b s 网络突发包的重传 在o b s 网络中，多个l p 分组在边缘节点被汇聚成一个更大的数据突发包，在单 向预留信令机制中，控制分组优先于数据突发包在一个独立的控制波长上传输，以便 在核心节点为数据突发包预留必要的资源。而数据突发包在经过一定的偏执时间之 后，在不需要确认的情况下直接通过核心节点。 o b s 网络本质上是典型的无连接网络，同时由于其核心网络中无缓存并采用单 向信令机制，这样就很可能在核心节点发生资源的竞争，导致随机的突发包丢失。当 t c p 业务流经o b s 网络时，问题就会随之出现：这些随机突发包的丢失会被t c p 层 误认为是由于网络拥塞而引起的丢包，比如，当一个包含一个t c p 滑动窗口的全部 内容的突发包由于网络竞争而丢弃时，当t c p 发送端达到计时，就会引起t c p 的网 络拥塞误判( f r o ：f a l s et i m eo u t ) 1 6 l ，当t c p 发送端检测到f t o 时，就会启动慢开 始阶段，进而导致t c p 吞吐量的降低。另一个例子就是，当一个t c p 滑动窗口的全 部内容被组装在不同的突发包中时，会引起t c p 的快速重传阶段。 因此竞争解决是一个非常重要的课题。当两个或者多个突发同时到达相同的输出 6 北京邮电大学硕士学位论文 端口，就发生竞争。而竞争不解决时，竞争中的突发之一就会被丢失，导致网络性能 下降。因此如何减少或避免竞争成了o b s 重的关键技术之一，引起了广泛研究。目 前已经提出了许多竞争解决机制，主要有波长转换、光线延迟线、偏射路由和突发包 分片等，这些机制利用发生竞争时节点的本地信息来减少了突发丢失【7 叫。虽然竞争 解决机制在一定程度上减少了突发包丢失，但是不能解决o b s 网络竞争的本质问题， 也就不能克服突发包的丢失，同时所需要的成本也比较高。 目前在o b s 网络上研究t c p 吞吐量的文章有【9 n 】，但是这些文章都在o b s 层假 定了一个恒定不变的丢包率，并且没有考虑t c p 层将突发包的竞争误认为是突发包 的拥塞的情况，文献1 6 j 提出了几种用于检测伪超时( f a l s et i m eo u t ) 的方法，并且提 出了一种快速重传的方法。然而，这些机制或者需要估量突发包组装的i p 包的个数 的最大值，或者需要o b s 节点与t c p 发送端的信息交互。 为了满足高的带宽延迟要求和克服o b s 网络丢包的本质，就必须在o b s 层上快 速有效的恢复被丢弃的突发数据。目前在o b s 网络中，比较典型的丢失恢复机制有 重传、突发克隆等。 在文献【协1 3 l 中，对用于减少突发包竞争的o b s 层的突发包重传机制及其性能做 了比较详尽的理论分析，但是目前还没有文献介绍过在o b s 实验平台i 悼1 5 l 上实现突 发包重传。本文就是在以前理论的基础上，主要研究用于减少由于链路故障引起的突 发包丢失而采用的突发包重传机制，并在o b s 实验平台上实现了该重传机制，并且 研究了其t c p 性能，而这种机制也可以用于减少由于突发包竞争而引起的突发包的 丢失。 1 3 论文主要内容 如上所述，o b s 网络由于其技术上的优势被认为是下一代i po v e rd w d m 全光网 的一种可行性方案，逐渐成为国内外研究的热点。但是由于o b s 网络无缓存的特性 及其采用单向预约机制，由于冲突竞争或者链路故障所引起的突发包丢失会导致网络 性能降低，许多研究者在寻找解决这一问题的方案，突发包重传就是这一问题的解决 方案之一。然而，当前研究主要集中在突发包重传机制等理论研究上面，并没有实验 实现突发包的重传。为此，本文针对由于链路故障而引起的突发包重传机制，设计和 实现了o b s 网络上突发包的重传，并分析了引入重传机制的o b s 网络的t c p 性能。 这一实验设计同样可以应用于由于突发包冲突竞争所引起的突发包丢失。论文主要分 为四个部分： 第一章介绍了光突发交换技术和光突发交换实验网络以及光突发交换网络突发 包重传背景介绍； 第二章详细介绍了所采用的o b s 突发包重传机制以及突发包重传的f p g a 的设 计与实现； 7 北京邮电人学硕十学位论文 第三章详细介绍了o b s 网络突发包重传的实现及其t c f 性能分析； 第四章对整个论文技术部分做了总结，并提出了对下一步工作的展望。 其主要内容针对o b s 网络由于链路故障所引起的突发包重传机制，结合实验设 计，对f p g a 的功能设计及其t c p 性能的分析进行了详细的阐述和论证，并配以详 细的模块功能流程图以及实验结果图，对整个设计给予了具体的说明，提出了对系统 进行进一步改进与优化的观点与方法。 8 北京邮电大学硕士学位论文 第二章0 b s 网络突发包重传的设计 2 ，10 b s 网络突发包重传机制介绍 论文所采用的突发包重传机制的基本思想就是允许突发包在o b s 层被重传。囤 2 - 1 所示为用于减少由于链路故障而引起的突发包丢失所采用的重传机制。实验中采 用了三个节点，源边缘节点( e 1 ) ，核心节点( c i ) 以及目的边缘节点( e 2 ) 。每个边 缘节点通过一对光纤与核心节点相连，每根光纤中包含一条控制信道和两条d w d m 数据信道每条信道数据传输率为每秒1 _ 2 5 g 比特。在源边缘节点中，每一个究发包 都被分配了一个究发包序号( b u 巧ti d ) 而且每一个突发包的复制版本以及该突发包 的部分控制信息都储存在源边缘节点，以备可能发生的突发包重传所需。 当在t 0 时刻，在核心节点c l 和目的边缘节点e 2 之问旋生了链路故障，那么核 心节点c 1 就会向源边缘节点e l 发送一个链路故漳信息( l f m ：l i n k f a u l t m e s s a g e ) 。 在这里我们假定广播时延为t b ，也即上层( m p c 8 6 0 ) 需要t b 时间才能得知链路状 态信息，并把链路状态信息发送到下层( f p g a ) 。当发送完m 后，核心节点c l 会继续将自动重传请求( a r o ：a u t o m a t i c r e t r a n s m i s s i o n r e q u e s t ) 发至源边缘节点， 每一个自动重传请求都包括一个由于链路故障而无法到达目的边缘节点的究发包的 突发包序号以及该突发包从源边缘节点的发送时间( s e n dt i m e ) 。突发包序号是用柬 选择需要重传的突发包，发送时阃是为了计算突发包重传延时，来决定是否还有必要 蚴刀 t 。仁一- t 。- i !|l 图2 - l0 b s 网络中的重传机制 邑o q o 艮o 北京邮电人学硕七学位论文 重传该突发包。当收到链路故障信息后，源边缘节点会停止对新到来突发包的信道资 源预约，新到来的突发包和需要重传的突发包分别在两个队列中排队进行等候。 当链路恢复以后，核心节点c 1 会向源边缘节点e 1 发送一个链路恢复信息( l r m ： l i n kr e c o v e r ym e s s a g e ) ，当源边缘节点e 1 收到这个信息以后，就会同时开始为在队 列中等待的新到来的突发包和需要重传的突发包进行信道资源预约。对于每一个需要 重传的突发包，源边缘节点会根据自动重穿请求中的突发包序号，寻找其相应的控制 信息，然后生成新的突发包控制包，发送到链路中去。 当然，突发包不能无限次的重传，所以必须有一个约束条件，否则不仅是对带宽 资源的浪费，有时也是做无用功。约束条件可以是重传包重传次数，也可以是重传包 重传时间，或者两者的结合。重传次数约束是一个重传包的重传次数不能超过一定的 上限，超过一定的次数就丢弃该突发包，可以在核心节点通过对重传包重传次数进行 计数来实现。重传时问约束是突发包在一定的时问内没有发送到目的边缘节点，就丢 弃该突发包，可以通过比较当前时间与突发包发送开始时间来实现。在评价引入重传 机制的o b s 网络中t c p 性能的实验中采用的是两者结合的方式，但是由于实验设计 为减少由于链路故障引发的丢包，实验中采用了不同的链路故障间，约束时间相对较 大，故在本次实验中重传次数约束占有主导地位。 2 2 0 b s 网络突发包重传的边缘节点的f p 6 a 设计与实现 2 2 1 总体结构 边缘节点核心板主要完成接入各种业务数据并适配到o b s 网络，同时接收来自 o b s 网络的突发分组并完成反向适配，如图2 2 所示。它提供外部数据业务接入端口 为3 个经过交换板汇聚后的g e 端口，数据经过核心板上的物理层芯片后进入负责突 发包组装的f p g a ，组装f p g a 将i p 数据根据其目的边缘节点和q o s 的不同分别组 装成为不同的突发包，并存入同步动态随机存储器( s d r a m ：s y n c h r o n o u s d y n a m i c r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 中，当突发包组装完毕后，向负责突发包调度的f p g a 发 送消息，使该突发包进入调度队列。调度成功后责突发包调度的f p g a 将通过控制信 道向核心节点发送控制帧为突发包预约信道资源，当突发包到达其偏置时间后，负责 突发包调度的f p g a 在向负责突发包组装的f p g a 发送消息，在向负责突发包组装 的f p g a 将突发包数据从s d r a m