（计算机科学与技术专业论文）高性能计算机光突发交换关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 2 0 世纪9 0 年代，波分复用( w d m ) 和密集波分复用( d w d m ) 技术得到迅速发展， 传输的带宽得到了极大的拓展，最高的传输带宽记录已经达到了t 比特量级。在光纤传输 上取得的技术成就对网络节点的处理能力提出了新的要求，因为目前交换节点的处理都是 在电域完成的，这成为了影响网络带宽提高的瓶颈。同时，在高性能计算机互联网络中， 对光交换的需求尤为突出。 光突发交换( o b s ) 综合考虑了粗粒度的光路交换( o c s ) 和细粒度的光分组交换( o p s ) 的特点，具有中等交换粒度，降低了交换节点的复杂度和对光器件的要求。对于业务数据 完全透明，不需要经过光电转换，解决了因电子瓶颈所带来的困难，是一种很有发展潜力 的光网络技术，已经成为下一代光网络的研究热点，具有良好的应用前景。 本文介绍了光突发交换网络的基本原理，详细描述了光突发交换网络的节点结构。对 光突发交换网络的关键技术进行了研究与分析，其中包括突发数据包的组装技术、资源预 留协议和资源调度算法、q o s 解决策略和冲突竞争的解决机制等。这些技术都是光突发交 换网络作为下一代光网络的关键研究技术。 本文着重研究了光突发交换网络的资源调度算法。在对典型的光突发交换网络资源调 度算法进行综合研究与分析的基础上，提出了一种新的资源信道调度算法一基于优先级的 可插空重新调度( p b r - v f ) 算法，该算法以l a u c v fp l u s 为子算法，并结合了重新调度 技术。经过模拟，仿真结果表明该算法很好的提高了网络资源利用率，提高了网络的q o s 支持。 突发数据包竞争解决策略是o b s 网络需要解决的关键技术，本文重点研究了光突发交 换网络的冲突解决策略。针对光突发网络中现有的突发包分段机制，提出了新的基于优先 级分组复合封装( g h a ) 策略，并提出了冲突长度相对值和偏射路由阀值概念，结合头部 丢弃与偏射路由双重机制进行冲突解决。构建了光突发交换网络仿真模型，并使用 o m n e t + + 仿真环境进行了综合模拟，仿真结果表明该策略有效地降低了网络的丢包率， 保证了高优先级i p 包的高效传输。 关键字：光突发交换，资源调度算法，可插空重新调度，竞争解决策略，分组复合封 装，q o s 机制 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t i n19 9 0 s t h eb a n d w i d t ho ft r a n s m i s s i o nh a sb e c o m ev e r yh u g ew i t ht h ed e v e l o p m e n to f w d ma n dd w d mt e c h n o l o g i e s t h er e c o r do ft h em a x i m u mb a n d w i d t hh a sr e a c h e dt b y t e b u tt h es w i t c h i n gt e c h n o l o g i e sh a v et oc o m p l e t et h es w i t c h i n gi ne l e c t r o n i cd o m a i n t h e r e f o r e ， t h es w i t c h i n gs p e e di sb e c o m i n gt h eb o t t l e n e c kt h a ts h o u l db es e t t l e ds u c c e s s f u l l y m e a n w h i l e ， t h ed e m a n do fo p t i c a ls w i t c h i n gi s i m p e n d i n gi nh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t e ri n t e r c o n n e t i o n n e t w o r k s o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) c o m b i n e st h ec h a r a c t e ro 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 d o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) i tt a k e st h eb u r s tp a c k e ta st h em i n i m u ms w i t c h i n gu n i t t 1 1 i sc a n r e d u c et h ec o m p l e x i t yo fc o r er o u t e ra n dr e q u i r e m e n to fo p t i c a ld e v i c e t h eb u r s tp a c k e tc a nb e t r a n s p a r e n tt r a n s m i t t e dw i t h o u to eo re oc o n v e r s i o n ，a n di tc a ng e to v e rt h ed i m c u l t yo f e l e c t r o n i cb o t t l e n e c k s oo b si sac o m p e t i t i v es w i t c h i n gm o d e lf o rn e x tg e n e r a t i o no fo p t i c a l n e t w o r k sa n di tw i l lh a v eag o o da p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e t h eb a s i ct h e o r ya n ds t r u c t u r eo fo b sa r ei n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i sp a p e r s o m em a i n t e c h n o l o g i e so fo b sa r ed e s c r i b e da n da n a l y z e d ，i n c l u d i n gp a c k e ta s s e m b l y ，r e s e r v a t i o n p r o t o c o l ，s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，t h es c h e m eo fc o n t e n t i o nr e s o l u t i o na n dq o ss t r a t e g y t h e s ea r e t h ek e yt e c h n o l o g i e so fo b sa st h en e x tg e n e r a t i o no fo p t i c a ln e t w o r k s 1 1 1 es c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sc a r e f u l l ys t u d i e di nt h ep a p e r o nt h eb a s eo ft h er e s e a r c ho n t r a d i t i o n a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，t h ep r i o r i t y b a s e db u r s tr e s c h e d u l i n gw i t hv o i df i l l i n g ( p b r v f 、 a l g o r i t h mi sp r o p o s e d i tt a k e st h el a u c v fa st h e s u b a l g o r i t h ma n dc o m b i n e st h e r e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t t h ep r o p o s e da l g o r i t h mc a np r o v i d e b e t t e rr e s o u r c ee f f i c i e n c ya n dt h eq o so fo p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gn e t w o r k s t h es c h e m eo fc o n t e n t i o nr e s o l u t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fo b s a n di ti s r e s e a r c h e dp a r t i c u l a r l yi nt h i sp a p e r f o rc o n t e n t i o nr e s o l u t i o ni no b s ，an e wp r i o r i t y b a s e d g r o u p i n ga n dh y b r i d a s s e m b l y ( g h a ) p o l i c yi sp r e s e n t e d ，w h i c hi sc o m b i n e dw i t hh e a d d r o p p i n g a n dd e f l e c t i o nr o u t i n gs c h e m e t w oc o n c e p t sa r ep r o p o s e d ，w h i c ha r et h ec o m p a r a t i v el e n g t ho f c o n t e n t i o nb u r s ta n dt h ep o i n to fd e f l e c t i o nr o u t i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l td e m o n s t r a t e st h a tt h i s p o l i c yc a nr e d u c ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i t y ，e s p e c i a l l yt h ep a c k e tw i t hh i g hp r i o r i t y t h e r e f o r e ，i t c a nb ew e l lu s e di nt l l eo p t i c a lb u r s ts w i t c h e dn e t w o r k sw i t hq o s r e q u i r e m e n t 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 ，s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，p b r - v fa l g o r i t h m c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ，g h as c h e m e ，q o ss t r a t e g y 第“页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1 各种光交换技术的对比9 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图2 1 光交换网络的发展5 图2 2 光突发交换网络结构1 0 图2 - 3b d p 与b c p 传输示意图1 1 图2 4o b s 边缘节点功能结构1 1 图2 5o b s 核心节点功能结构1 2 图3 1 突发包数据格式1 4 图3 2 显示建立显示拆除1 6 图3 3 显示建立估算拆除1 6 图3 4 估算建立显示拆除1 7 图3 5 估算建立估算拆除1 7 图3 6j e t 协议中偏置时间的使用1 8 图3 7j e t 协议的延迟预留1 9 图4 1l a u c 算法示意图2 3 图4 2l a u c v f 算法示意图2 4 图4 3 突发包重新调度2 6 图4 4b s v f 算法示意图2 7 图4 5 完全信道和部分信道示意图2 9 图4 6l a u c v f 算法与其改进示意图2 9 图4 7v f 类算法失效的情形3 0 图4 8v f 和b r 机制均失效情形3 0 图4 9p b r v f 算法流程图3 1 图4 1 0v o i d 映射到几何平面示意图一3 2 图4 1 1 平衡二叉树数据结构3 3 图4 1 2p b r v f 算法仿真模型3 4 图4 1 3l a u c v f 和p b r v f 算法总的突发包丢失率3 5 图4 1 4l a u c v f 和p b r v f 算法各优先级突发包的丢失率3 5 图5 1 前馈型光纤延时线结构3 7 图5 2 后馈型光纤延时线结构3 7 图5 3 固定延时的f d l 光缓存3 8 图5 4 可变延时的f d l 光缓存3 8 图5 5 混合的f d l 光缓存3 9 图5 6 带共享波长池和任意反馈f d l 缓存的o b s 节点结构4 0 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 7 偏射路由示意图4 1 图5 8 头部分段4 2 图5 9 尾部分段4 2 图5 1 0 突发包分组复合封装4 4 图5 1 1 竞争突发包的冲突域4 5 图5 1 2 突发包各数据段的定义4 5 图5 1 3 分组复合封装后的三种类型突发包4 6 图5 1 4c 策略下各优先级的丢包率4 6 图5 1 5b 策略下各优先级的丢包率4 6 图5 1 6a 策略下各优先级的丢包率4 7 图5 1 7c l a s s 2i p 包在三种策略下的丢包率4 7 图5 18c l a s s 5i p 包在三种策略下的丢包率4 7 图5 1 9c l a s s 8i p 包在三种策略下的丢包率4 8 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我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的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：直性丝进簋狃盘塞缝塞逸苤缝盐苤盟塞 学位论文作者签名：墓壶蕴j日期：柳年d 月厂。日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 直! 陛i i 让篡扭左塞发塞迭羞筵遗查盟塞 学位论文作者签名：立j - 上电l 日期： 切年工月，口日 作辅导撕签名：喜旁移吼缈山月庐 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 研究背景和意义 i n t e m e t 和数据业务的急剧增长对网络带宽的要求越来越高，密集波分复用( d w d m ) 技术的进步使得一根光纤上能够承载上百个波长信道，最高的传输带宽记录已经达到了t 比特数量级，在光纤传输上取得的技术成就对网络节点处理能力提出了新的要求【1 3 】。由于 集成电路领域的技术突破远远跟不上光子技术上的成就，目前网络节点( 包括交换机和路 由器) 成为影响网络带宽和充分利用光纤带宽的最大瓶颈【4 刊。同时，在高性能计算机系统 中，互连网络是制约系统整体性能的关键因素，高带宽低延迟的互连和交换( 包括处理器、 存储器、i o 之间) 是最为重要的性能指标。高性能并行计算机一直以来采用电互连交换技 术，但由于其在带宽、互连密度、时钟歪扭、能耗、抗干扰性等方面的限制，以及目前光 器件的快速发展，使得光互连与交换技术的研究受到空前关注。基于光纤和高速光器件的 互连已成功应用于高性能计算机系统，为了克服光电转换延迟，探索全光交换迫在眉睫。 近些年来，以波长为交换粒度的光网络相关技术已成为研究的热点。构筑光交换网的 光交叉连接设备( o x c ) 和光分叉复用设备( o a d m ) ，都是基于准静态波长交换的，采 用准静态配置管理，在光域实现的交换功能有限，通过增加o x c 和o a d m 设备的智能化 和自动化程度，可构成所谓的自动交换光网络( a s o n ) ，有望成为近期便可实现的光交 换网技术【7 j 。该种技术使用整个波长作为基本的交换粒度，其交换方式实际上属于电路交 换的范畴，其灵活性和带宽利用率都较差。 许多研究机构致力于研究和开发光交换技术，试图将网络交换工作在光子层面上完 成，消除电子瓶颈的影响。光交换可分为波长路由交换( w a v e l e n g t hr o u t i n gs w i t c h i n g w r s ) 和光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 两种方式。前者己经比较成熟，并 逐步大规模应用。但是这种交换方式以波长作为交换粒度，交换粒度粗，不能取代i p 层的 分组交换。光分组交换技术以分组作为交换粒度，试图直接在光层上实现小粒度的交换， 在近年来取得了一些进展。但是在一些关键性的光器件如高速光开关、光缓存器、光逻辑 器件等取得重大突破之前，光分组交换技术尚难以从实验室走向商用【8 d 。光突发交换 ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，0 b s ) 概念由c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 提出【l2 。，短短几年， 已引起越来越多研究机构的注意。这种交换方式克服了光分组交换的缺点，对光开关和光 缓存的要求降低，并能够很好的支持突发性的分组业务，被认为是可能在未来互联网中扮 演关键角色的一种交换技术引。 光突发交换作为一项新型的光交换技术，是一种很有发展潜力的光网络技术，已经成 为下一代光网络的研究热点。它的很多关键技术仍需要进行深入研究，如突发包汇聚技术、 资源预留协议、资源调度策略、冲突解决机制和q o s 解决方案等，这些技术的研究对于有 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 效利用信道带宽、提高网络资源的利用率等方面起着关键的作用。 1 2 国内外研究现状 光突发交换的概念是由美国纽约州立大学b u f f a l o 分校c h u n m i n gq i a o 和j s t u m e r 于 1 9 9 9 年提出的1 1 4 j ，它是一种交换粒度介于波长路由交换和光分组交换之间的光交换方式。 由于它克服了波长路由交换和光分组交换的缺点，对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，因而被认为是下一代互联网的核心技术之一。光突发交换 在提供带宽能力和降低交换节点复杂性方面取得了很好的折中，比光分组交换和波长路由 交换更能满足具有突发性特点的互联网的要求，因而成为未来i po v e rw d m 的一个极有竞 争力的解决方案。据德国斯图加特大学有关研究人员的预测，光突发交换和标记交换一道， 将比光分组交换技术率先在下一代互联网中得到应用。 国内外多家研究机构致力于研究这项新兴技术，主要包括美国纽约州立大学、布法罗 分校、德州大学达拉斯分校、依利诺斯技术学院、北卡罗来纳州立大学、华盛顿大学，法 国a l c a t e l 公司美国分公司，德国斯图加特大学，意大利罗马大学等。在国内，2 0 0 1 年和 2 0 0 2 年连续两年的“8 6 3 计划”都把o b s 列为前沿性探索类( a 类) 课题，清华大学、北 京邮电大学、北京大学和上海交通大学等高校也对o b s 展丌了研究，己在国内外学术刊物 上发表了一些论文l l 吲。 目前，对o b s 的研究主要集中在网路结构、g m p l s 架构下的实现方式( 即标记o b s ) 、 q o s 支持、突发封装技术、网路控制协议、竞争解决方案、o b s 网络的组播问题等方面。 迄今，对上述内容的研究主要集中于理论研究、协议设计和计算机仿真等方面，同时o b s 实验系统设计方面的研究工作也己开始出现。美国华盛顿大学的“太比特突发交换技术” 项目就是其中比较早的一个l l 引。美国北卡罗来纳大学i l i ab a l d i n e 等人在其研究项目 “j u m p s t a r t 中对j i t 协议在o b s 中的应用进行了研列1 6 。1 。而p r o n i t am e h r o t r a 等人则 设计了一种用于o b s 网络的网络处理器【1 8 】。尽管如此，国际上还没有出现具有实用意义 的光突发交换实验网。我国2 0 0 2 年的“8 6 3 计划中把建立光突发交换实验系统定为“光 突发交换关键技术和实验系统”的研究目标。 1 3 本文研究内容和工作 本文介绍光突发交换网络的基本原理和节点结构，并对光突发交换网络的关键技术进 行了研究，包括突发数据包的组装技术、资源预留协议和资源调度算法、q o s 解决策略和 冲突竞争的解决机制。这些技术都是光突发交换网络作为下一代光网络的热点研究技术。 本文重点研究的内容有： 1 资源调度算法研究。o b s 网络核心节点中数据信道的调度是设计o b s 网络时需要 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 考虑的关键问题。调度算法的目标是最大限度的利用有限的带宽、提高带宽利用率、减少 冲突的发生，进而减小突发包丢失率。本文在对传统的光突发交换网络资源调度算法进行 综合研究的基础上，提出了一种新的资源信道调度算法一基于优先级的可插空重新调度 ( p b r v f ) 算法，经过模拟，仿真结果表明该算法有效的降低了突发包丢失率，提高了 网络的q o s 支持。 2 冲突解决机制研究。o b s 网络中核心节点的交换控制是以给将到达的突发包预留带 宽的方式进行的。对于o b s 核心节点来说，在重叠时间区间内，如果两个或多个输入突发 包要求在同一端口、同一数据信道输出，就会产生所谓的“突发包竞争”问题。突发包竞 争会导致竞争的数据包丢失，因此如何降低o b s 网络中因突发包竞争所导致的数据丢失率 就成为o b s 网络中需要解决的关键问题之一。本文针对光突发网络中现有的突发包分割机 制，提出了新的基于优先级分组复合封装( g h a ) 策略，并提出了冲突长度相对值和偏射 路由阀值概念，结合头部丢弃与偏射路由双重机制进行冲突解决。仿真结果表明该策略有 效地较低了网络的丢包率，保证了高优先级i p 包的高效传输。 3 q o s 解决策略研究。随着高速网络和多媒体技术的飞速发展，远程教学、视频会议、 远程医疗等新应用层出不穷。这些新应用的推广应用很大程度上取决于它的有关服务指标 能够满足实际要求。因此，光突发交换作为面向未来i p 业务的下一代光网络的一种底层传 输交换技术，必须能够与上层网络的操作相协调和匹配，为不同级别的业务提供相应的q o s 保证。本文将对光突发网络资源调度算法和冲突解决策略的研究与q o s 要求综合考虑，在 资源调度与冲突解决策略中引入q o s 解决机制，较好的支持了网络的q o s 。 1 4 论文组织结构 本文对光突发交换网络的体系结构、基本原理与关键技术进行了论述，并重点研究了 光突发交换网络关键技术中的资源调度算法和冲突解决策略，全文共分六章，各章节内容 组织如下： 第一章是绪论，指出了课题的研究背景和意义、介绍了国内外研究现状和本文的主要 研究内容。 第二章讲述了光交换技术的发展及光突发交换技术的提出，重点介绍了光突发交换网 络结构和基本原理，对边缘节点和核心节点的结构模型和功能作了详细描述。 第三章论述了光突发交换网络的关键技术。作为新型的光交换技术，光突发交换网络 有很多关键技术需要进一步研究，包括突发包组装技术、资源预留与资源调度算法、冲突 解决策略和q o s 解决方案等，本章对这些关键技术作了具体的论述与分析。 第四章研究了光突发交换网络的资源调度算法。介绍了资源调度算法的基本要求和几 种经典的资源调度算法，在对这些算法进行深入研究的基础上提出了p b r v f 资源调度算 法，经仿真模拟，验证了该算法对提高网络的资源利用率起到了较好的作用。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第五章研究了光突发交换网络的冲突解决策略。介绍了冲突解决的研究现状，并分析 了各种冲突解决策略的特点，之后提出了冲突解决的g h a 策略，仿真结果表明该策略有 效地较低了网络的丢包率，保证了高优先级i p 包的高效传输，并较好的支持了网络的q o s 。 第六章对本文的研究工作进行了总结，并展望了进一步的研究方向。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章光突发交换原理与网络结构 2 1 光网络的发展 光纤作为一种高带宽低损耗的优良传输介质，在通信网络的物理传输层起着举足轻重 的作用【l 引。随着d w d m 技术的成熟，以及光器件和光信号处理技术的发展，光纤通信逐 渐突破了物理层的界线，不但能承担数据传输的功能，还具备了一定的交换和路由能力， 光传送网( o t n ：o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 应运而生。 早期的光传送网利用光分插复用器( o a d m ) 和光交叉连接( o x c ) ，可以较好地解 决点到点的d w d m 技术在应用中不能实现灵活组网和当网络失败时不能有效进行保护的 问题。随着网络技术和业务需求的发展，传统的主要依靠人工的静态网络资源配置方式不 仅耗时费力，也难以适应人们对网带宽的动态分配要求。为此，i t u t 提出了自动交换光 网络( a s o n a u t o m a t i cs w i t c h i n go p t i c a ln e t w o r k ) 并将其标准【2 0 】。a s o n 利用独立的控 制平面进行光层的动态选路，可以实现带宽的自动分配和管理，有效提高了资源利用率。 崔 划 蠓 显 芸 图2 1 光交换网络的发展 然而，由于i p 为主的数据业务的爆炸式增长和新带宽多媒体业务的出现，传统光网络 朝适于传输i p 业务的下一代光网络演进势在必行。对面向未来i p 业务的下一代带宽高速 光互联网络技术的研究己成为各国或跨国研究计划的重点。如欧洲的a c t s 计划、c o s t 计划、美国的n c i 计划和国防部高级研究计划局( d a r p a ) 【2 l 】支持的m i t 、s t a n f o r d 、 p r i n c e t o n 和m i c h i g a n 等多所著名大学的合作项目以及加拿大的c a * n e t 3 国家光互联计划。 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 u t 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 li n t e m e t w o r k i n gf o r u 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【2 2 1 。 图2 1 总结了光网络的整个发展过程。在光网络不断演进的过程中，光交换技术将发 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 挥越来越重要的作用，尤其是在当前电交换技术已接近了电子速率极限的情况下。 2 2 光交换技术概述 具有传输透明性( 包括业务类型、传输速率以及传输格式等) 和高度生存性的全光网 络，是当前w d m 光网络所追求的重要目标。从系统角度来看，光交换技术与光监控技术、 光放大技术和光处理技术等其它光网络技术一样，都是w d m 光网络的关键支撑技术。但 是在这几种关键支撑技术当中，光交换技术是其核心技术，因为在w d m 光网络向全光网 络的演进过程中，需要由光交换技术在光域完成网络的优化、路由、保护和自愈功能，以 实现网络的高速率和协议透明性，提高网络的重构灵活性和生存性。因此在某种程度上， 光交换技术决定了全光通信的发展。 目前，光交换技术主要有光波长路由交换或光路交换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o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 等。 2 2 - 1 光波长路由交换技术( o c s ) o c s 己经研究成熟，并逐步大规模应用，完成其交换功能的主要是光交叉连接设备 o x c 和光分插复用器o a d m 。o c s 是利用动态路由和波长分配，实现端到端透明的所谓 “虚波长通道( v i r t u a lw a v e l e n g t hp a t h ) ，使光信号在经过中间节点时不需光电或电光 转换，而直接通过提供的光路( l i g h tp a t h ) 到达目的节点。并且还可采用数字包封( d i g i t a l c o n t a i n e r ) 技术1 23 | ，将原本在s d h s o n e t 层完成的某些功能( 如业务适配等) 移到光网 络层上来完成。这样，它可以充分发挥w d m 光网络的联网优势，大大简化通信网络的分 层结构，增强对各种通信业务的开放透明性，进一步提高其总体传输效率和网络的利用率 及可靠性。 由于o c s 给信号分配的波长通道是端到端的，因而在动态路由和分配波长时一般必须 获得整个网络的状态，因此其控制系统通常是集中式的，同时网络动态路由和波长分配所 需时间相对较长。基于上述原因，目前在o c s 网络中，有一种多协议标记交换m p l s ( m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 2 4 】在光域中扩展应用的技术趋势，即多协议波长交换 m p a , s ( m u l t i p r o t o c o ll a m b d as w i t c h i n g ) 技术【2 5 也6 1 。m p l s 的核心思想就是将波长信道作 为标记，光交叉连接o x c 等标记交换路由器以此为业务寻径，进行网络控制和管理，在 网络中建立合适标记交换路径l s p ( l a b e ls w i t c h i n gp a t h ) ，即光路。在该路径上，无须 复杂的路由处理，就能快速交换数据。在基于m p ) 。s 的光波长标记交换网络中，光路由器 有两种：边界路由器和核心路由器。边界路由器用于与速率较低的网络进行业务接入，同 时电子处理功能模块完成m p l s 中较复杂的标记处理功能，而核心路由器利用光互联和波 长变换技术实现波长标记交换和上下路等比较简单的光信号处理功能。它可以更灵活地管 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 理和分配网络资源，并能较有效地实现业务管理及网络的保护、恢复。为了能适应未来智 能光网络动态地提供网络资源和传送信令的要求，现在对m p l s 和m p l s 在路由协议、信 令协议等上作了修改和扩展，将两者在控制面上进行统一，即通用多协议标记交换技术 g m p l s h 6 1 。 但是，o c s 只是以波长光路( w a v e l e n g t hp a t h ) 为单位的粗粒度光交换。然而由于波 长连续性限制( w a v e l e n g t h c o n t i n u i t yc o n s t r a i n t ) ，所能建立的波长光路有限。而且即使 在网络中配置有波长变换器( w a v e l e n g t hc o n v e n e r ) 时，所能建立的虚光路也会受到波长 数目的限制。这种粗粒度的光交换网络不十分适合诸如i p 那样的突发数据的传输。因为i p 业务是突发的，即使大量i p 业务的累积也很难平滑业务量在时间上的剧烈变化，同时它也 是不平衡的，即流入与流出某一端口的业务量相差悬殊【z 。 2 2 2 光分组交换技术( o p s ) 与o c s 正好相反，光分组交换技术则试图直接在光层上实现细小粒度的分组交换， 能实现统计复用，带宽利用率较高，适于传输i p 那样的突发数据【2 引。因此，o p s 是一种 前途非常看好的技术。o p s 的发展有十几年的历史，世界上很多国家己作了这方面的研究： 如欧洲的a t m o s ( a t mo p t i c a ls w i t c h i n g ) 项目和k e o p s ( k e y st oo p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) 项卧删j 、美国的p o n d ( p a c k e t s w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k i n gd e m o n s t r a t i o n ) 项 目和c o r d 项目、英国w a s p n e t ( w a v e l e n g t hs w i t c ho p t i c a lp a c k e tn e t w o r k ) 3 0 1 项目等， 它们都己取得了一定的成果。在这些实验光网络中，具有光分组交换功能的核心路由器可 以同时实现空分、时分和波分交换，并且仅对带有路由信息的光分组头进行高速处理，而 为光分组的有效负载提供透明路径。与传统光网络相比，这些实验网络具有高速、大吞吐 量、低延时、业务和比特率透明等突出优点，能高效地承载i p 业务。 o p s 可以看作是电分组交换在光域的延伸，交换单位是高速传输的光分组，它包括固 定长度的光分组头、净荷和保护时间三部分。其中光分组头在交换节点进行电子处理，光 包净荷占有固定持续时间但速率可变，保护时间主要根据具体器件的交换时间、节点内的 净荷抖动等情况来定义。 o p s 可分成两大类：时隙型( s l o t t e d ) 和非时隙型( u n s l o t t e d ) 。在时隙型o p s 网络 中，分组长度是固定的，并在时隙中传输。时隙的长度应足以容纳下一个完整的分组，同 时它还应包括分组之间的保护间隔。在非时隙型o p s 网络中，分组的大小是可变的，而且 在交换之前，不需要排列，它可以异步、自由地交换每一个分组。两者相比较：非时隙型 的缺点就是竞争性较大，分组丢失率较高；但是它结构简单，不需要同步，分组的分割和 重组不需要在输入输出节点进行，更适合于原始i p 业务，而且缓存容量较大的非时隙型网 络性能良好。因此，o p s 多采用非时隙型【3 1 3 2 1 。 一个o p s 节点由四部分组成：输入接口、光交换矩阵单元、控制单元和输出接口。输 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 入接口完成光分组读取和同步功能，对来自不同输入端口的光分组进行时i 刈和相位对准并 保持数据净荷的透明传输1 3 引。光交换矩阵单元为已同步的光分组选择路由并解决输出端口 竞争问题，光交换矩阵单元具有光分组缓存功能，对于本地交换节点，光交换矩阵单元同 时完成上下路功能。控制单元利用光包头信息控制核心交换。输出接口通过输出同步和再 生模块，降低内部不同路径的光分组的相位抖动并进行功率均衡，同时完成光分组头的重 写和光分组再生。光交换矩阵单元是光分组交换节点的关键部分，根据使用交换开关类型 的不同光分组交换结构有：空间光开关结构、广播选择交换结构、波长路由交换结构等。 o p s 涉及的关键技术较多，如光分组的产生、同步、缓存、再生；光分组头重写及分 组问光功率均衡等。虽然这些光分组交换关键技术在近年来取得了一些进展，但是由于在 一些关键性的光器件如高速光开关、光缓存器、光逻辑器件等都没有取得重大的技术突破， 因此光分组交换控制部分还不能完成复杂的逻辑处理功能，还要由电信号来控制，即所谓 的电控光交换。另外，相对于成熟的硅技术，即电域大规模集成电路制造技术而言，光域 的集成度很低。因此，要实现光控光交换、从实验室走向实用，则还有相当长的距离。目 前国际上通行的做法也是采用光电混合的技来实现光分组交换，即传输和交换在光域完 成，而控制信号在交换节点被转换成电信号后再进行处理。因此在未来几年里，它将是光 通信网络领域的一个重要研究课题。 o p s 相对于o c s 来说，虽然有着明显的优点。但是，o p s 也有明显的缺点，即属于 同一个数据流的光分组在传输过程中会经过不同的物理链路，有些光分组经过中间节点将 遭受过大时延差异，甚至丢失，从而使得数据重组时次序混乱、以及数据丢失等，针对该 问题，提出了一种新颖的光交换技术光分组流交换( o f s ：o p t i c a lf l o ws w i t c h i n g ) 3 4 1 ， 它将属于相同数据流的分组将作为一个整体进行传输和交换，即简称为光分组流。它在边 缘路由器形成，并且每一个分组流都有一个头分组、若干净荷分组和一个尾分组，它们具 有相同的源地址和目的地址。和净荷分组不同的是，头分组中都带有分组流自身的一些开 销信息，如流长度和q o s 等级等，尾分组标记着一个分组流的结束。对于一个完整的分组 流，节点只处理头分组的头部来选路由，其他分组只须跟随头分组的选路结果即可，这样 保证了分组次序不被打乱【4 6 1 。作为o p s 的改进型技术，o f s 同o p s 一样，其相关的控制 实现技术还有待进一步研究。 2 2 3 光突发交换技术( o b s ) 尽管光分组交换、以及光分组流交换，其初衷是希望能完全在光域上实现光的分组交 换，进而能完成光的比特级交换，这无疑是光交换的理想形式，但目前由于光分组交换所 需的一些关键性光器件如高速光开关、光缓存器和光逻辑器件还未取得重大突破，控制部 分仍然需要在电域完成，而且在光网络中现在还较难实现同步，所以光分组交换技术尚难 从实验室走向实用。针对光交换的发展现状和存在的问题，近来提出了交换颗粒度介于光 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 路与分组之i 刈的一种折衷光交换技术光突发交换p 川，技术实现较光分组交换简单，但 组网能力又比波长路由灵活高效。研究表明，光突发交换能够很好的支持突发性的分组业 务，可作为光网络演进过程中最具有可实现性的一种交换技术【4 3 1 。 o b s 光网络的基本思想是将o c s 和o p s 相结合，可看作是兼顾o c s 和o b s 优点的 一种折中方案。它的交换粒度介于上述二者之间，是多个分组的集合，称为突发包。与o p s 相比，o b s 的交换粒度较粗，因而处理开销大为减少。o b s 克服了o c s 和o p s 的不足， 在较低的光子器件的要求下，实现了面向i p 的突发业务的快速资源分配和较高的资源利用 率，能有效地支持上层协议或高层用户的突发业务。光突发交换的思想和技术细节将在下 文中详细介绍。 2 2 4 几种交换技术的比较 表2 1 各种光交换技