（物理电子学专业论文）光突发交换网络的性能研究.pdf

摘要 在波分复用w d m 技术成为i n t e r n e t 骨干网主导技术的今天，由于光信号处理技术尚未 足够成熟，使得电子瓶颈带来的矛盾大为突出。光突发交换技术( o b s ) 用一种让数据与控 制信号分离的方式实现了数据的全光传输，受到越来越多的关注。本文的工作对光突发交换 的两个关键技术竞争解决策略和网络服务质量进行了深入研究。 本文第一章介绍了光网络架构的发展和i p o v e r w d m 方案。然后讨论了常见的全光通信 方式，包括波长路由方式、光分组交换方式和光突发交换方式，分析它们的工作原理、实现 方法和优缺点，并提出本文需要完成的主要工作。 第二章在介绍了光突发交换网络结构模型的基础上，详细讨论了光突发交换研究中的关 键技术包括控制信令、资源预约协议、突发封装、竞争解决机制等并通过分析比较了各 种协议和各方案的运作原理和优缺点。 第三章提出一种基于突发包丢弃技术的突发竞争解决方案。并用于对o b s 网络的服务 质量( q o s ) 的保障。与传统基于额外偏置时间的方案相比，该方案能够有效保证网络的可 靠性，在满足q o s 中对于数据丢失率的要求的同时，大大降低了传输延时，以保证实时性 业务的可靠性；同时通过采用波长资源预留算法，保障了低优先级业务的数据丢失率。分析 和仿真试验表明使用基于b d 法的突发竞争解决方案能够对o b s 网络的q o s 提供更好的支 持在数据丢失率与传统方式相当的情况下。平均端对端延迟降低了4 0 第四章提出了基于漏桶算法的o b s 网络光缓存配置方案，通过引入适量的光缓存进 一步降低了数据丢失率。并且结合o b s b d 模型给出了o b s 网络的q o s 解决方案，与传 统的基于额外偏置时间的模型相比，能更好的保证网络可靠性能同时满足q o s 中对业 务阻塞率和传输时延两方面的要求，并且有更高的网络资源利用率同时该模型能根据网 络的业务负载类型的不同自动进行动态的调整。仿真实验结果表明，和传统的方式相比， 新模型对网络性能有明显的改善。 关键词：光突发交换网服务质量，资源预留协议，包丢弃，漏桶控制模型 a b s t r a c t w i t ht h er a p i da d v a n c ei nw 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 ( w d m ) t e c h n o l o g i e s ，o p t i c a l n e t w o r kh a sb e c o m et h eb o n eo fi n t e m e t m a n yr e s e a r c h e sh a v eb e e nd o n eo nt h ed e f i n i t i o no f t h en e t w o r ka r c h i t e c t u r e si no r d e rt or e a l i z et h et r a n s m i s s i o na n ds w i t c hi nt h eo p t i c a ld o m a i 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 sh a v eb e e nr e c e i v i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n i nt h i s p a p e r , w em a i n l yd i s c u s st h ec o n t e n t i o nr e s o l u t i o ns c h e m ea n dq u a l i v yo fs e r v i c e ( q o s ) i nt h e o b sn e t w o r k i nc h a p t e rl ，t h eg r o w t ho fa r c h i t e c t u r e so fo p t i c a ln e t w o r ki sr e v i e w e d t h e np o p u l a ra l l - o p t i c a l s w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s ，s u c ha so p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) a n do p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) a r ed i s c u s s e d ，a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r e a n a l y z e d i nc h a p t e r2 ，f i r s t l yt h ef r a m e w o r ko f o b sn e t w o r ki si n t r o d u c e d t h e n ，k e yt e c h n o l o g i e so f ，s u c h a sp r o t o c o l ，r e s o u r c er e s e r v a t i o n ，a s s e m b l eo f b u r s t sa n dc o n t e n t i o nr e s o l u t i o n s ，h a v eb e e n d i s c u s s e da n da n a l y z e d i nc h a p t e r3 ，an o v e lc o n t e n t i o nr e s o l u t i o nb a s e do nab u r s td r o p p i n g 毋d ) t e c h n i q u ew a s p r o p o s e dt ob ei m p l e m e n t e df o rt h eo b sn e t w o r k st os u p p o i tt h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) b a s e d o nt h eb dt e c h n i q u e ，w ep r e s e n t e daw a v e l e n g t hr e s o u r c er e s e r v a t i o na l g o r i t h mt og u a r a n t e ea l o wp a c k e tl o s sr a t ef o rh i g hp r i o r i v yb u r s tb yd i s c a r d i n gt h ec o n t e n t i o np a r to fl o w e rp r i o r i t yb u r s t b ys i m u l a t i o n s ，w ee v a l u a t e dt h ep a c k e tl o s s r a t ea n de n d - t o - e n dd e l a yp e r f o r m a n c eo ft h eb d s c h e m ea n dt h et r a d i t i o n a lj u s t e n o u g h - t i m e ( j e ns c h e m ef o rc o m p a r i s o n r e s u l ts h o w st h a t , t h e p r o p o s e ds c h e m ec a np r o v i d eab e t t e rq o sf o rh i g hp r i o r i v yb u r s t sw i t hd e c r e a s e de n d - t o - e n d d e l a y i nc h a p t e r4 ，w ep r o p o s e dan e wo p t i c a lb u f f e rc o n f i g u r eu n i t ( b c u ) s c h e m e ，w h i c hb a s e do n l e a k y - b u c k e tt r a f f i cm o d e l t op r o v i d ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c ef o rt h eo b sn e t w o r k t h en e w s c h e m ec o u l db a l a n c et h ew e i g h t i n e s so f t h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t ya n dt h et r a n s m i s s i o nd e l a yv e r y w e l ia n da c h i e v e sah i g hr 1 o u r c eu t i l i z a t i o n t h e nt h eb u r s td r o ps c h e m ea n dab u f f e rs c h e m e w e r ei n t e g r a t e dt ob ean e wo b sn e t w o r ks w i t c hn o d em o d e l t oe v a l u a t ei t sp e r f o r m a n c e ，w e c o n d u c ts o m es i m u l a t i o n sa n dc o m p a r et h es c h e m ew i t hac o n v e n t i o n a lq o ss c h e m e su s e di nt h e o b sn e t w o r k ac a l c u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h en e ws w i t c hn o d em o d e lc o u l dp r o v i d eb e t t e r s u p p o r tf o rq o sa n da c h i e v eh i g h e ru t i l i z a t i o no f t h en e t w o r kr e s o u r c e 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 ( o b s ) ，r e s o u r c er e s e r v a t i o n ，q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ，b u r s t d r o p ( b d ) ，l e a k y b u c k e tt r a f f i cm o d e l 东南大学学位论文独创性声明 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，也不包含为获得东南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：连圭! i 垒日期：立q 监之! 讶 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：建壶迫 导师签名： 牡日期：砒如1 第一章绪论 第一章绪论 通信是目前发展最快的领域之一，它是人们工作和生活必不可少的工具，也是现在和未 来经济发展的基础平台之一。通信网络的发展经历了由窄带到宽带、由人工到智能、由单业 务到综合业务的发展过程。当今通信领域有两大显著发展趋势：第一：i p 业务流量急剧增 长，基于i p 网络和基于i p 业务的增长势如破竹、如火如荼，已成为世界瞩目的焦点和推动 全球信息业发展的主要力量并给整个网络的技术模式、整体架构及业务节点的实现方式、 组网形态、业务能力等诸多方面带来了深远的影响和严峻的携战。目前世界各国都把i p 网 络作为2 l 世纪国家基础设旖建设的重点加速发展以争取在未来激烈的竞争中占据优势。 “e v e r y t h i n go ni p ”正逐渐成为现实，随着基于l p 的语音、视频和其它多媒体应用业务的 发展将在阿络流量中占越来越大的比重第- - ：w d m 技术的成熟使得以较低成本提供巨大 的网络容量成为现实，特别是w d m 技术对网络的升级扩容、发展宽带新业务、充分挖掘和 利用光纤带宽能力、提高通信系统的性价比和经济有效性、满足不断增长的电信和因特网业 务的需求实现超高速通信具有十分重要的意义。为了使得网络结构更具扩展性、灵活性和动 态性，面向互联网业务的下一代光网络，己由i po v e rs o n e t s d h 向i po v e rw d m 网络发 展，i p o v e r w d m 将成为下一代光互联网的首选结构。 本章首先分析了正在研究中的各种基于传统协议分层结构的l i p o v e r w d m 方案。然后讨 论常见的全光通信方式，包括波长路由方式、光分组交换方式和光突发交换方式分析它们 各自实现方法和优缺点最后给出本文需要完成的研究内容。 1 1 光网络架构、技术现状及发展趋势 传输网作为网络应用的数据传输平台已经存在和发展了很多年。从展开始的电路交换 技术到现在占主流的分组交换技术，从早期的电网络到近年来迅速发展的光网络传辕网在 传输速率、可靠性、服务种类等方面有了巨大的进步。将i p 业务适配到w d m 光层上进行 传输，截止到目前，最常见的传输网络架构是由i p 层、a t m 层、s o n e t s d h 层和w d m 层所组成的多层体系结构，如图1 ，1 所示。 东南大学硕士学位论文 图1 1 目前传输网的体系层次 下面对上图1 1 列出的几种主要适配技术进行简要介绍。 ( 1 ) i p ，千兆路由器( g e ) w d m 技术。这种技术是以主要的i p 网络提供商和i p 路 由器生产厂家为代表，利用最新的吉比特路由器技术升级现有路由器，使其具有更高吞吐量 和更高的业务质量管理能力。主要是通过软件硬件化、采用并行或大规模并行计算技术、增 加具有业务质量保证的新协议和提供带宽管理能力等方法来实现。这种技术的最大缺点是受 “电子瓶颈”限制，不提供q o s 保证，而且高效率的块编码方案、路由更新时间、长距离传输 的抖动f i i a e 0 和定时( t i m i n g ) 等问题还有待解决。 ( 2 ) i p 怕n d ，d m 技术。i p 数据包在a t m 层封装为a t m 信元数据以a t m 信元 的形式在信道中传输。当网络中的交换机接收到一个i p 数据包时，它首先根据i p 数据包的 r p 地址进行处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在a t m 网上建立虚电路v c ，以后 的数据包将在此v c 上以直通方式传输而不再经过路由器的地址解析处理。从而有效地解决 了l p 路由器的“瓶颈”问题，提高了i p 数据包的交换速度。 ( 3 ) i p a t m s d h w d m 技术。这种技术的适配过程分3 步：1 使用多协议逻辑链路 控制l l c ( m u l t i - p r o t o c o ll o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 协议或子网接入点s n a p ( s u bn e t w o r ka t t a c h m e n t p o i n 0 协议将i p 包封装在a a l 5 适配层中；2 由通用段汇聚子层c p c s ( c o m m o np a r t c o n v e l g e n c es u b l a y e r ) 协议数据单元p d u t p r o t o c o ld a t au n i t ) 将a a l 5 中数据分段成4 8 b y t e s 的a t m 信元；3 将a t m 信元映射进s d h 帧中。在这种适配方式中，【p 层提供了简单的数 据封装格式；a t m 层重点提供了端到端q o s ：s d h 层重点提供了强大的网管和保护倒换功 能：光层主要实现波分复用和为上一层的呼叫选择路由和分配波长。这种方案可提供1 5 5 m b s 和6 2 2 m b s 的坚固传输。由s d h 层提供通路保护、性能管理能力及保护倒换功能，而a t m 2 第一章绪论 提供虚通路的灵活的带宽分配功能。 ( 4 ) 伊p p p h d l c s d h w d m 技术。这种技术将i p 包映射到s d h 的方法是使用 p p h p o i n tt op o i n t ) 协l 嶷( i e t fr f c l 6 6 1 ) 和h d l c ( h i g hl e v e ld a t al i n kc o n t r 0 1 ) 协议( i e t f r f c l 6 1 9 ) ( i t u - t 建议g 7 0 7 ) 。它的映射过程是：i p 包先被封装到p p p 包中，p p p 协议提供多 坍议封装、错误控制和链路初始控制。然后封装在p p p 中的俨包按照i e t fr f c1 6 6 2 使用 h d l c 协议成帧和将映射的字节排列到s d h 的s p e ( s y n c h r o n o u sp a y l o a de n v e l o p e ) q a h d l c 的主要功能是划分通过同步传输链路的p p p 封装的i p 包 ( 5 ) 【p s d l w d m 技术。s d l 是为弥补h d l c 协议在高速传输( i g b s 以上) 时的 不足设计的。它可对同期到达的可变长度报文提供高速分帧功能。s d l 的帧是可变长的， 其结构由净荷长度标识、分别对头和冗余校验c r c 构成。当接收端一旦获得了一个s d l 帧。 则后续的s d l 帧能够通过使用净荷长度域来划分出来在帧的划分过程中，每个s d l 帧头 的c r c 都波验证。如果c r c 无效，而且净荷长度域也无效时，则一个类似于a t m 的头错误 控制h e c ( h e a d e r e r r o r c o n t r 0 1 ) 的搜索( h u n t ) 被启动、直到获得一定量连续有效的c r c 校验码。 所以。采用s d l 帧结构可提供高速、可靠的传输 ( 6 ) i p m p l s w d m 技术。多协议标签交换m p l s ( m u r i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 技 术被业界认为是当今数据网络领域内最有前途的网络解决方案之一。宅可有效解决传统 i n t e m e t 网络所面临的问题并提高其灵活性、传输速率和节点吞吐量。m p l s 网络采用标准 分组处理方式对第三层的分组进行转发，采用标签交换对第二层分组进行交换，从而实现了快 速有效的转发。m p l s 的实用价值在于它能够在像i p 这样的无连接型嗣络中创建连接型业 务，并提供完善的流量工程t e ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 能力。专家指出m p l s 有助于简化复杂的 网络结构，使网络的总体成本降低5 0 。目前m il s 的标准正在制定中，但是理论研究表明， 它的自愈恢复时间能够达到与s d h 相当的水平。 以上介绍的目前几种常用的i p o v e r 点到点w d m 系统，它们在很大程度上缓解了i p 业 务的迅速发展对带宽的渴求但是，随着i n t e m e t 流量的迅速膨胀，这类技术的固有缺陷也逐渐 凸现出来。首先，多层协议结构造成大量系统冗余开销下表列出了了不同映射方式对应的 不同开销水平。 东南大学硕士学位论文 不同封装方法的开销代价 封装定帧开销 i g b e 2 5 i p ，a t m1 9 i p a t m ，s d h 2 2 i p ，p p p s d h6 i p ，s d l3 从上表可以看出，目前的系统功能存在冗余、运营维护成本较高的问题。w d m 系统仅 充当点到点的高带宽传输通道，i p 分组的交换和路由仍依赖于路由器，成为严重制约系统 发展的电子瓶颈。光层不具备智能，其资源调度策略不能与i p 业务的统计特点相匹配网络 资源利用率低。随着各种新技术和新思路的不断涌现，尤其是多协议标签交换( ，l s ) 向光 层的渗透网络各层的功能将重新整合，多层协议栈会逐渐扁平化。最终。i po v e rw d m 光 网络将向着紧凑的集成模型演进，最终实现i p o v e r w d m 。如图1 2 1 1 i 所示。 图1 2i p w d m 的发展趋势 4 一一 第一章绪论 1 2 光交换技术 维了彻底解决电子瓶颈问题，高效地承载数据业务，我们需要一种能够直接在光域复用、 交换和传送i p 分组的全光网络技术。目前所提出的的全光通信方式主要有光路交换( o p t i c a i c i r c u i ts w i t c h i n g ，o c s ) 、光分组交换方式( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g , o p s ) 和光突发交换方式 r o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g , o b s ) 。 1 2 1 光路交换方式n ， 1 ) 光路交换的基本原理 光路交换技术中，在源节点和目的节点之间的光通道是通过带光w d m 交叉连接( 或光 路交换器) 的节点设备来建立的。每一个光路交换器在任意时刻的输出波长由输入波长携带 的信号唯一决定。因此光路交换是一种电路交换形式。建立光路使用的是双向的资源预留机 制同时也是一种面向连接的交换方式。当一方( a ) 需要和另一方( b ) 进行通讯的时候 a 方首先要发出请求信号( r e q u e s ts w i t c h ) 给光路交换网络，由交换网络为此次通讯分配信道 ( e s t a b l i s hc i r c u i t ) ，同时请求信号被传输到b ：如果b 接受请求这样通信信道被建立起来。 同样在结束通信的时候任意一方首先发出断开( d i s c o n n e c t ) 信号，另一方受到断开信号 后进行确认，资源就被真正的释放。图1 3 就反映丁我们日常生活中的一次利用光路交换方 式实现的通话过程。 2 ) 光路交换的主要优缺点 电路交换方式作为一种成熟的交换手段在当今的电信行业中依然被广泛的使用光路交 换方式使用和电路方式相似的运行机理，因此它主要有如下的优点： 在中间节点无需光缓存。目前它是一种很好的技术方案，因为机械光开关、声光开 关或热光开关技术( 交叉连接) 相对于有效分组交换太慢。 通讯的质量很高，一旦两点的通讯被建立起来。那么通讯就不会受到干扰通讯的 实时性得到了很好的保证。 东南大学硕士学位论文 用。 一“坚吐一一一一一一一 _ 一一一一一一一一 一一一一一竺芝一一一一一 一竺乙一一一一一一一 4 - 一一一一一一一一 二二d i s c o n n e c t 一一。2 竺! 一一一一呻 + 一= 呻 d 三二叶 。哩= 。磐一一一 f k “自蚺_ t p l u m e l m t m c l o m l h _ _ 打 p l u m e c a - 畸 p t - 圈1 , 3 0 c s 交换原理 但光路交换方式由于它本身固有的不足，限制了它在以后的光网络中的进一步的使 光电路交换是粗粒度的，一个交换通道占用整个波长通道的每个链路，不能实现统 计复用，在传输突发的数据流( 如驴分组) 时会导致带宽利用率太低，因为来自不同入 口节点或到不同出口节点的流量不能统计共享光通道带宽。 路交换方式需要一段时间来建立和释放信道，而且这时间是和真正的通讯时间是没 有关系的如果需要传输的数据量很少的话，建立和释放信道的时间就可能远大于真正 的通讯的时间显然这种情况下的信道资源利用率根低。我们举个例子就能很清楚地说 明这样地问题，假设相距2 0 0 k z n 两个节点之间使用光路交换的方式进行通讯，通讯的 速率是2 5 g b p s ，通讯的总流量是5 0 0 k ，而这时通讯真正持续的时间只要 5 0 0 笈5 g b p s “2 m s ，而建立通讯的时间是要大于信号在两个节点之间往返传输的时 间2 m s ，很显然的通讯真正持续的时间是要小于信道建立的时间的。同时长的建立和释 放信道的时间使得光路交换方式对动态通讯豹适应能力就很差了。 对长距离网络来说，其环回时间与延迟长；由于波长数目有限，还不能建立全连接 的网络，导致网络中负载的不均衡。 光路交换方式对所有的通讯类型都是一视同仁的这样有些对q o s 要求不是撮高 6 、，、fj、l厂 第一章绪论 的和那些有很高q o s 要求的通讯业务一样的分配资源，很明显就造成了资源的极大浪 费。 1 2 2 光分组交换方式 i ) 光分组交换方式的基本原理 当基于光子集成技术的快速交换成为可能时，光分组交换将成为一种优选方案，它的带 宽利用率更高，且支持更优的流量工程。随着光分组交换技术成熟，数据分组将伴随其控制 分组发送。而无需预先建立通路光分组交换方式是一种不面向连接的交换方式，在进行流 通前不需要建立路由、分配资源。在每个交换分组中都含有一个报头，这其中包括该分组的 目的地址。在分组交换网中每个交换节点对报头进行处理，从而确定该分组下一跳路由。当 然在每个节点确定下一跳的位置的时候会根据不同的实际的情况而有不同的路由算法，当然 最终确定的路由也会有所不同。 圈1 4o p s 基车交换原理 图1 4 中具体的反映了两个分组在某一个交换节点进行交换的过程。在分组进行交换的 过程中当报头在节点上处理的时候该分组的数据部分需要进行缓存，等待报头处理结束 才进行交换。同时在进行交换的时会有很严格的同步的要求。 2 ) 分组交换方式的优缺点 优点 光分组“言元交换能对w d m 的巨大带宽进行更灵活、更有效地分配和利用。和波长路 由方式相比，光分组交换方式有很高的资源利用率，有很高的转换效率，有很强的适应突发 通讯的能力。 缺点 然而同分组交换的存储转发特性一样因为净荷和头部之间的时间紧耦合。在报头在进 行处理的时候每一个分组在中间节点需要缓存。因为分组头部在中间节点处理时阃可变， 7 东南大学硕士学位论文 光( 或光子) 分组交换也需要严格同步和与之相关的复杂控制。光分组交换的自身特点时光 子器件提出了很高的要求，有很多关键技术( 如快速严格同步、光缓存等) 尚未解决。伴随 分组交换的另一个问题是净荷的大小( 特别是那些a t m 信元) 通常太小这样控制开销相对 较高。 1 2 3 光突发交换方式k 町 1 ) 光突发交换技术的发展历程 突发通讯的概念最早是在上世纪8 0 年代初被提出来的，但是在电域中一宣没有得到很 大的成功。这是由于它在电域中实现的灵活性方面不及分组交换方式( 例如a t m ) ，而且由 于电子技术的成熟，分组交换方式在电域中得到了很好的实现。但是随着光传输技术的不断 构发展由于电子瓶颈的存在电域中的交换能力越来越不能和光域中的传输能力相匹配了， 从而降低了整个系统的效率。为此人们希望能够尽量使得数据在光域中传输，实现全光通讯， 而分组交换在全光的条件下又过于的复杂，技术上遇到了很大的困难。这样光突发交换技术 迎来了它的难得的发展契机得到了人们的重视o b s 结合了电路交换和分组交换这两种 交换的优点同时又克服二者的不足，即在较低的光子器件要求下实现面向l p 的快速资 源分配和高资源利用率。 2 ) 光突发交换原理 光突发交换( o b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h ) 概念分别由c h u n n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 等人提出i l 。在光突发交换中突发为一些i p 包所组成的超长数据包光突发交换中的控 制分组( b c p ：b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) 相当于分组交换的分组头，但是网络对于控制分组的传 输路径和净荷数据的传输路径在物理上是分离的。每个突发对应一个控制分组对于w d m 系统中控制分组占用一个或某几个信道其余信道用于传输数据包。如图2 1 所示，突发 数据从源节点到宿节点始终在光域中透明的传输。而控制分组在交换节点处放鲑理，根据控 制分组所携带的路由和目的地的相关信息，交换节点将预先为突发数据预留相应的信道资 源。 8 第一章绪论 图i 5 光突发交换原理 这种将控制分组信道与数据信道相隔离的方法简化了突发数据交换的处理。且控制分组 的长度很短，有利于高速处理。相对于分组交换，光突发交换只需要很少的同步开销。可以 充分的利用网络的带宽资源。 3 ) 光突发交换的主要特点 可以认为光突发交换技术实际上是波长路由技术和光分组交换技术的结合。它是一种不 需要确认的单向预留方案减小了建立通道的延时等待时间提高了带宽利用率；而数据突 发和控制分组的信道分离、适中的交换粒度及非时隙交换方式。降低了对光子器件的要求和 中间交换节点的复杂度如中间节点可以不使用光缓存技术，不存在网络中的时隙同步问题 等。o b s 的主要的特点如下： 1 o b s 的交换颗粒的大小是介于波长路由和分组交换之间的。 2 其控制分组和数据突发( d a t a b u r s t ：由去往同一出口地址和具有相同的属性的多个 i p 包会聚而成) 在传输信道和传输时间上是分离的。 3 单向资源预留方案，控制分组先于数据突发( d a t a b u r s t ) 在特定y c d m 信道中传送， 核心交换节点路由器根据控制分组中的信息和网络当前的状况为相应的数据突发 建立全光通路，数据突发经过一段延时( o f f s e t - t i m e ) 后，在不需要确认的情况下 直接在预先设置的全光通道中透明传输。 4 突发分组的长度可以变，这一点和分组交换不同，在分组交换中每个分组的长度是 给定的。 9 东南大学硕士学位论文 5 o b s 还有一个最大的特点是它可以不需要进行光缓存。 表1 1 给出了o c s 、o p s 和o b s 常见的系统参数的比较 表ii 几种典型光交换模式的对比 光交换模式 粒度带宽利用率接续时间缓存实现难度 适应性 光路交换大低 长 不需要 低低 光分组交换小高 短 必需 商高 光突发交换中高 短 不必需 适中高 1 3 本文的主要研究内容 o b s 技术作为下一代全光网络的主要的候选解决方案在最近几年得到了越来越多的 关注。目前o b s 技术在网络边缘节点突发数据包的汇聚方案( b u r s ta s s e m b l y ) 、控制信令资 源预留策略( r e s e r v a t i o ns c h e m e sa n dp r o t o c o l s ) ，竞争解决策略及阿络服务质量( q o s ) 等方面 有了较大的发展。 本文剩余部分是由如下的几章组成： 第二章主要是介绍了光突发交换和网络结构，并讨论目前光突发交换研究中的关键技 术，包括控制信令、资源预约协议、突发封装、竞争解决机制等，并通过分析比较了各协议 和各方案的运作原理和优缺点。 第三章介绍了一种基于突发包丢弃( b d ) 法的突发竞争解决方案用于对o b s 网络的q o s 的 保碌该方案和传统基于额外偏置时间的方案相比能够有效保证网络的可靠性，在满足q o s 中对于数据丢失率的要求的同时，大大降低传输延时。以保证实时性业务的可靠性；同时通过 采用波长资源预留算法保障了低优先级业务的数据丢失率。通过分析和仿真试验，表明使用 基于b d 法的突发竞争解决方案能够对o b s 网络的q o s 提供较好的支持。 第四章提出了基于漏牺算法的o b s 网络光缓存配置方案，通过引入适量的光缓存进一 步降低数据丢失率。并且结合第三章中的o b s b d 模型给出了o b s 网络的q o s 解决方案， 它和传统基于额外偏置时间的模型相比，能有效保证网络可靠性，能同时满足q o s 中对业 务阻塞率和传输时延两方面的要求，并且有更高的网络资源利用率同时该模型能根据网络 的业务负载类型的不同自动进行动态的调整。仿真实验结果表明，和传统的方式相比，新模 型对网络性能有明显的改善。 1 0 第二章光突发交换网络的关键技术 第二章光突发交换网络的关键技术 光突发交换的概念源于数年前的电子突发交换网在当时突发交换基本是种快速分组 交换技术的改进。在这种网络中包长可变且可以为任意长度。此后提出了光突发交换的概 念，由于其克服了光分组交换的缺点，对于光开关和光缓存的要求降低并能够很好的支持 突发性的分组业务。本章将讨论光突发交换的基本原理和网络结构，并探讨目前光突发交换 的关键技术，包括资源预约协议、突发封装、竞争解决机制等。 2 1 光突发交换网络的结构模型 如图2 ，l 所示o b s 网络体系结构包括3 层：核心光突发交换层、光突发汇聚屡、接入 层。 核心光突发交换层由全光路由器构成，完成光突发数据的传送、路由和网络管理，其将 数据信道和控制信道相分离，由控制分组中所携带信息来配置网络资源。实现全光传输。 突发汇聚层由光电边缘汇聚节点构成，负责对低速业务进行汇聚，同时根据业务优先级 和目的地址封装成相应的突发数据包( b u r s td a t a ) 和控制包( c o n t r o lp a c k e t ) 、进行资源预留， 并将核心交换传输的突发包拆装并分发至接入网中。 接入层是o b s 网络的用户层，可以是各种网络，例如l a n 、i p 、a t m 、s d h 等。 图2 t 光突发交换网络结掏 边缘节点处的边缘路由器功能结构如图2 2 c 7 所示。数据在进入核心嬲络前，首先在入 口路由器分离数据的净荷与数据的头信息，根据数据头信息中所含的的目的地址和业务类型 东南大学硕士学位论文 ( c o s ) 进行分类，然后进入电子缓存器装配成突发包。最后根据不同的业务等级及时延要 求，采用集中式的资源管理和分配策略，将突发包送入核心网。 图2 2o b s 网络边缘路由器结构图 核心网中的突发交换节点如图2 3 口1 所示。与分组交换机不同的是只需对于控制分组 进行光电转换便于处理。而突发数据无需任何的光电转换。圈中的光纤延迟线( f d l ) 是可选 的。入口处的f d l 用于缓存突发数据。以等待交换节点处理控制分组和建立连接。交换机 构中的f d l 可以用于解决多突发对与输出口的资源竞争问题，由于突发分组的长度较长， 造成了需要保持较长的通道连接时间，为了避免中间节点处可能出现的拥塞，可以将拥塞分 组缓存在电域缓存器中。通过f d l 提供必要的延时后再次输出。但是如果采用某些冲突解 决方案时，f d l 是不需要的。交换节点预先从输入模块中获得控制分组，经过路由器，为 其随后到达的突发数据包选择台适的路由后，通过缓存和调度模块控制交换矩阵，输入的数 据进行信道资源和缓存资源的分配，同时将控制分组输出往下一跳的节点。当突发数据到达 核心交换节点时直接进入交叉矩阵，通过预先分配的路径输出往下一个节点。 1 2 第二章光突发交换网络的关键技术 输 输 口光模块圈电模块 i c c ：输入控制信道i d c ：输入数据信道o d c ：输出数据信道 图2 3o b s 网络核心交换节点结构 2 2 光突发交换网络的关键技术 纤 纤 o b s 技术作为下一代全光网络的主要的候选解决方案，在最近几年得到了越来越多的关 注 o b s 技术在突发数据包的汇聚( b u r s ta s s e m b l y ) 、控制信令资源预留策略( r e s e r v a t i o n s c h e m e sa n dp r o t o c o l s ) 竞争解决策略及网络服务质量( q o s ) 有了较大的发展。 2 2 1 控制信令 如前述o b s 网络中传输的基本数据单元是突发包。一个突发包包括一个突发包头( 也 称为控制分组) 和一个突发包负荷( 也称为突发包数据) 。控制分组和突发包数据是在不同 的波长信道上分别传送的。控制分组先于突发包数据发出，两者之间的时序关系由所采用的 信令协议确定。o b s 网络控制的核心问题之一就是控制信令的设计。目前用于光突发交换 所提出的控制信令可以归纳为三大类：t e l l - a n d - g o ( t a g ) ，带内终结器( i b t ： i n b a n d - t e r m i n a t o r ) 和预留固定周期( r f d ：r e s e r v e a f i x e d - d u r a t i o n ) 协议。t a g 技术 类似于快速电路交换，它无需确认所有带宽已经预留而直接发送突发数据，其带宽利用率不 高，而且在中间节点需要光纤延迟线缓存突发数据。i b t 方案是在突发数据流之后紧跟i b t 标识，整个过程由控制分组来预留带宽，由i b t 标识来拆除连接，因而i b t 标识的全光再 东南大学硕士学位论文 生技术是目前最大的挑战。在基于r f d 的突发交换中，只是由其突发控制分组中的偏置时 间来决定预留带宽的时间长度到时立即拆除连接这样排除了信令开销的影响，从而提供 了商效的带宽预留机制。 2 2 2 资源预留策略 资源预留策略是o b s 技术的基础，不同资源预留策略对网络的服务质量的实现、网络 资源利用率、网络负载的均衡都有很大的影响。 o b s 的本质是根据控制分组信息为突发包数据在所要经过的中间节点处预留出带宽。 如前所述，控制分组和突发包数据传送的时序是由o b s 的协议决定的。根据连接的建立和释 放是否为显式，o b s 的信令协议分为以下四类：显式建立、显式释放；估计建立，估计释 放：显式建立、估计释放；估计建立、显式释放 2 2 2 1 显式建立、显式释放( e x p l i c i ts e t u pa n de x p l i c i tr e l e a s e ) 这类协议中，连接的建立和释放都是显式的。信源节点在发送突发包数据之前发送s e t u p 消息( 控制分组) ，请求建立连接。中间节点在s e t u p 消息到达之后就建立连接，以接收即 将达到的突发包数据。信源节点在突发包数据传送完后发送r e l e a s e 消息，要求释放连接。 中间节点在突发包数据传送过程中保持连接，直到收到r e l e a s e 消息。 这类协议的一个典型例子是j i t ( j u s t - i n t i m e ) 协议 9 1 。图2 4 给出了卫t 协议成功的建 立连接并释放连接的示意图。从图中可以看到，当信源节点要传送突发包时首先向网络发 送一个s e t u p 消息( 控制分组) 。第一个中间节点收到控制分组后，查询路由表和转发表，确 定输出端口和可以使用的输出波长信道，并根据可能经过的中间节点数估计相应的信道建立 时问，向信源节点返回一个龟含初始估计时延和输出波长两部分内容的反馈消息 c a l lp r o c ，同时继续向下一个中间节点传送控制分组控制分组每经过一个中间节点， 都要查询该节点的路由表和可用波长信道，直到到达目的节点。目的节点收到控制分组后， 响应一个0 0 n n e c l 消息给信源节点请求连接释放。这个过程中，突发包数据可能己经开 始沿着刚刚分配的路径向目的节点传送。如果突发包数据短而链路长的话，突发包数据可 能在信源收到c o n n e c t 消息之前就已经发送完毕，这时c o n n e c t 消息将被丢弃。由于 初始估计时延仅仅是第一个中间节点的估计值，所以即使信源收到了c o n n e c t 消息，也 不能保证突发包数据的成功传送进一步的保证需要更高一层的协议来保证。信源成功发送 1 4 第= 章光突发交换网络的关键技术 突发包数据后，发送一个携带本次连接相关信息的r e l e a s e 消息，以释放本次连接。每个收到 该消息的中间节点响应一个r e l e a s e _ c o m p l e t e 消息表示连接的成功释放连接的释放 过程可以由信源发起，也可以由目的节点发起。 图2 4j i t 协议示意图 j i t 协议需要在信源节点处有两个计时器来保证连接的建立和突发包数据的发送在特定 时间中执行。图中计时器a 设为等待c a l lp r o c 消息到达的最大允许时间如果计时器 溢出，则表示连接呼叫失败计时器b 设为等待c o n n e c t 消息到达的最大允许时间。如 果计时器溢出，表示端到端连接建立失败。 2 2 2 2 估计建立、估计释放( e s t i m a t e ds e t u pa a de s t i m a t e dr e l