（物理电子学专业论文）光突发交换体系结构及性能研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 摘要 本文首先介绍了光网络技术和全光交换的发展现状， 在此基础上介绍了光突发 交换技术产生的技术背景和必然趋势， 讨论和分析了光突发交换体系结构以及光突 发交换中的关键技术。 指出了光突发交换中的传统输出调度算法 l a u c算法在采用固定延时光纤延 时线f d l s 时的缺陷，即该算法关于光纤延时线单元延时时间的有效工作窗口 非常 狭窄且该算法在延时预约协议下的性能大大下降。 分析了产生此缺陷的原因并提出 了一种l a u c算法的改进算法l a u c -s v算法，采用仿真的方法分析比较了两种 算法的性能，结果表明 l a u c -s v算法比 l a u c算法的丢包率下降 l o o s ，且 l a u c - s v算法下的丢包率关于光纤延时线单元延时时间的工作窗口与传统 l a u c 相比大大展宽，而前者的算法复杂度与后者相比仅呈算术增长，但两算法均不能有 效支持延时预约协议。 传统的突发业务经过大容量交换机构时，如果每个包相互独立的以1 / n c n为 交换机构端口数) 输出到指定端口， 研究表明在这种情况下到达该端口的分组已经 失去突发性。本文提出了一种光突发交换中的突发分配模型， 详述了该突发分配模 型的原理， 该突发模型提供了 一种新的方法分析交换和输出 机构在恶劣条件下的性 育 rg e 用解析法分析了端口 共享的交换结构在突发和非突发分配模式下的性能。 分析 结果表明， 交换机机构在突发分配模式下的丢包率与非突发分配模式下相比 会有显 著的增加，在共享端口数为8 、扇出比为4 ,输入业务强度为0 .8 、突发强度为2 时 两者的丢 包率分别为1 护和1 o - 15 ， 增加共享端口 数和扇出比 会使系统丢包率显著下 降。 用解析法分析了共享波长变换器的交换机构中波长变换器的数量对交换机构 性能的 影响。 首先无波长变换器时 系统的丢包率非常高达1 0 - ， 以 上， 而当 波长变换 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 器的 数量为系统总信道数的1 / 4 左右时， 由 于波长 竞争而导致的丢包率可以 达到1 0 -6 以下，当波长变换器的数量为系统总信道数的1 / 3 左右时，由于波长竞争而导致的 丢包率可以 达到1 0 -9 以 下。 采用仿真的方法分析比较了 l a u c -v f输出调度算法在突发和非突发分配模 式下的性能。详细分析了 l a u c -v f算法的丢包率在突发和非突发分配模式下与 光纤延时线个数、光纤延时线单元延时时间以及突发强度和突发时间的关系，结果 表明，增大光纤延时线 f d l s的个数 b ，可以有效地降低系统地丢包率，当 f d l s 的单元延时时间d 6 u s时， 系统丢包率随着d的增大而趋于平缓。 随着输入突发业务的突发强度b 的增 加系统丢包率快速增加，当输入突发业务的平均突发长度t , 4 t a 时， 随着t 1 的增加系统丢包率的增加趋于平缓。 关键词:光突发交换 l a u c算法l a u c - v f算法 突发业务 l a u c - s v算法 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t t h e t r e n d s i n o p t i c a l c o m m u n ic a t i o n n e t w o r k a r e i n t r o d u c e d . t h e b a c k g r o u n d a n d t h e i n e v i t a b i l i t y o f t h e c o m i n g f o rt h o f o p t i c a l b u r s t s w i t c h i n g t e c h n o l o g y a r e p r e s e n t e d . t h e a r c h i t e c t u r e a n d t h e k e y t e c h n o l o g y o f t h e o p t i c a l b u r s t s w i t c h i n g a r e d i s c u s s e d . t h e d e f a u l t o f t r a d i t i o n a l o u t p u t s c h e d u l e a l g o r i t h m o f t h e l a t e s t a v a i l a b l e u n s c h e d u l e d c h a n n e l ( l a u c ) i n o p t i c a l b u r s t s w i t c h ( o b s ) i s g i v e n . i n t h e t r a d it i o n a l l a u c a l g o r i t h m t h e e ff e c t iv e w i n d o w o f p a c k e t l o s s v s u n i t d e l a y t i m e o f f i b e r d e l a y l i n e s i s v e ry s h a r p . a n d t h e p a c k e t l o s s i s in c r e a s e d g r e a t l y u n d e r d e l a y r e s e r v a t i o n p r o t o c o l . t h e r e a s o n t h e d e f a u l t p r o d u c e d i s a n a l y z e d a n d a n e w l a t e s t a v a i l a b l e u n s c h e d u l e d c h a n n e l w i t h s m a l l e s t v o i d ( l a u c - s v ) a l g o r i t h t i s p r e s e n te d . t h e p e r f o r m a n c e o f t h e t w o a l g o r i t h m s i s s i m u l a t e d . t h e r e s u l t s s h o w t h a t i n l a u c - s v a l g o r i t h m t h e e f f e c t i v e w i n d o w o f t h e p a c k e t l o s s v e r s u s u n i t d e l a y t i m e o f f i b e r d e l a y l i n e s i s e x p a n d e d s i g n i f i c a n t l y a n d t h e p a c k e t lo s s r a t i o i s d e c r e a s e d a b o u t 1 0 0 5 . t h e a l g o r i t h m c o m p l e x i t y o f t h e l a u c - s v i s o n l y i n c r e a s e d a r it h m e t i c a l l y w i t h l a u c . b o t h t h e a l g o r i t h m s c a n n o t s u p p o rt d e l a y r e s e r v a t io n p r o t o c o l e ff e c t iv e l y . t h e b u r s t y c h a r a c t e r is t i c s i n t h e o u t p u t p o rt d o e s n t e x i s t a l m o s t w h e n t r a d i t i o n a l b u r s t y tr a f f ic g o e s t h r o u g h la r g e s c a l e s w i tc h i n g w it h th e p r o b a b i li t y o f 1 / n i n d e p e n d e n t l y ( n is t h e p o rt n u m b e r o f t h e s w i t c h ) . i n t h i s p a p e r a b u r s t y a s s i g n m e n t m o d e l u n d e r t h i s c a s e i s p r e s e n t e d . wi t h t h i s m o d e l t h e p e r f o r m a n c e o f t h e s w i t c h i n g a n d t h e o u t p u t s c h e d u l e a l g o ri t h m o f l a t e s t a v a i l a b l e u n s c h e d u l e d c h a n n e l w i t h v o i d f i ll in g ( l a u c - v f ) i n o b s i s s i m u l a t e d a n d c o m p a r e d w i t h t r a d i t i o n a l m o d e l . t h i s m o d e l p r e s e n t s a n e w m e th o d t o a n a ly s i s t h e p e r f o r m a n c e o f o b s u n d e r m o r e b a d l y c o n d i t io n s . t h e p e r f o r m a n c e o f s w i tc h i n g a r c h i t e c t u r e w i t h m u l t i p l e p o rt s h a r e d i s a n a l y z e d u n d e r n o n b u r s t y a n d b u r s t y t r a f f i c m o d e l . t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p a c k e t l o s s u n d e r 吵ty t ra ff ic m o d e l is m u c h h ig h e r th a n n o n b u rs ty tr a ff ic . t h e p a c k e t lo s su n d e r b u r s t y i i i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a n d n o n b u r s t y t r a f f i c m o d e l is 1 0 -8 a n d 1 0 - 1 5 s e p a r a t e l y w h e n t h e n u m b e r o f t h e s h a r e d p o rt s 一 i s 8 , t h e f a n - o u t n u m b e r i s 4 a n d t h e i n p u t t r a f f i c r a t i o i s : 0 . 8 . t h e i m p a c t o f t h e n u m b e r o f t u n a b l e w a v e l e n g t h c o n v e rt e r i n t h e s w i t c h i n g a r c h i t e c t u r e w i t h s h a r e d t u n a b l e w a v e l e n g t h c o n v e rt e r i s a n a l y z e d . t h e r e s u l t s s h o w t h a t th e p a c k e t l o s s i s 1 0 t h i g h e r w i th o u t w a v e le n g t h c o n v e r te r . a n d t h e p a c k e t lo s s g o e s d o w n to 1 0 9 a n d 1 0 -6 s e p a r a te ly w h e n t h e w a v e le n g th c o n v e r te r n u m b e r a r e 1 / 3 a n d 1 / 4 o f t h e t o t a l p o rt n u m b e r o f t h e s w i tc h i n g . t h e p a c k e t l o s s o f t h e l a u c - v f a l g o r i t h m u n d e r n o n b u r s t y a n d b u r s t y t r a ff i c i s s i m u l a t e d . t h e p a c k e t l o s s o f t h e l a u c - v f a l g o r i t h m u n d e r n o n b u r s t y a n d b u r s t y t r a f f i c v e r s u s t h e t h e n u m b e r o f f i b e r d e l a y l in e s , t h e u n i t d e l a y t i m e o f f i b e r d e l a y l i n e s , t h e b u r s t y t r a ff i c i n t e n s i t y , t h e b u r s t y p e ri o d a r e p r e s e n t e d . t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p a c k e t l o s s d e c r e a s e s s i g n i f i c a n t l y w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e n u m b e r o f f i b e r d e l a y l i n e s . wh e n t h e u n i t d e l a y t i m e o f f i b e r d e l a y li n e s d i s l e s s t h a n 6 u s t h e i n c r e a s e o f d c a n s i g n i f i c a n t l y d e c r e a s e t h e p a c k e t l o s s . b u t w h e n d i s la r g e r t h a n 6 u s t h e p a c k e t lo s s d e c r e a s e s s m o o t h l y w it h t h e i n c r e as e o f d . t h e p a c k e t l o s s g o e s u p w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e b u r s t y i n t e n s i t y . wh e n t h e b u r s t y p e ri o d t t i s l e s s t h a n 4 t i t r e s o f t h e b u r s t a s s e m b l e t i m e t a t h e p a c k e t l o s s in c r e a s e s q u i c k l y w i t h t h e in c r e a s e o f t h e b u r s t y p e ri o d . a n d w h e n t t 4 t 8 t h e p a c k e t l o s s i n c r e a s e s s l o w l y w it h t h e i n c r e as e o f t h e b u r s t y p e ri o d . k e y w o r d s : o p t i c a l b u r s t s w it c h , la t e s t a v a i l a b le u n s c h e d u l e d c h a n n e l , l a t e s t a v a i l a b l e u n s c h e d u l e d c h a n n e l w it h v o i d f i l l i n g , b u r s t y t r a ff ic , l a t e s t a v a i l a b l e u n s c h e d u l e d c h a n n e l wi t h s ma l l e s t v o i d 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，除文中己经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均己 在文中以明 确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学 位 论 文 作 者 签 名 : : 东 寿117, 日 期 : w y年月/ 牙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即:学校为 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。 本人授权华中 科技大学可以 将本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和汇编本学位论文。 本 论 文 属 于保 密口 ，在 年 解 密 后 适 用 本 授 权 书 。 不保密 口 。 ( 请在以上方框内打 “ j 0 ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 4 , 寿 p, 指导教师签名: i 11 期 : z cr v y 年了 月ty日 日 期 : i- q年9月1 。日 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1绪 论 在迈入2 1世纪之际， 世界科技进步突飞猛进， 以 信息技术为代表的高新技术发 展日 新月异， 有力地推动着经济的发展和社会的进步。通信网络是信息产业和高新 技术的 核心之一， 是 推动国民 经济信息化的 关键技术。 近年来， 以 互联网业务为主的 数据业务飞速增长， 并正在超过网络中 传统的话音业务量。在互联网接入用户数的 激增、大量基于网络的多媒体新业务的产生和用户终端计算机功能的升级等因素的 驱动下， 预计互联网业务量将继续高速增长， 并将成为网络流量中的主要部分。 互联 网业务量的激增导致对电信网迫切的扩容需求， 同时互联网业务的特性要求电信网 的运行方式从以 话音业务为中 心转向以 互联网 协议( i p ) 业务为中心， 以 提高效率， 降 低运营成本。 因 此， 发展新一代的网络， 是一项十分紧迫的 任务。 2 0世纪 7 0年代初， 低损耗 s i 0 2光纤的 研制成功和室温连续工作的半导体激 光二极管的诞生开辟了实用化光纤通信的新纪元。 近3 0年来， 光通信技术以惊人的 速度更新换代、迅猛发展。它使得通信领域发生了从利用电子发展到同时利用光子 的巨 大变革。 目 前在全球范围内， 光己 进入了 绝大多数的骨干网， 并正向城域网和接 入 网 以 及 企 业 网 和 家 庭 扩 展。 一 方 面， 光 子 技 术 的 进 步， 如电 时 分 复 用( e t d m ) 11 -z 1 , 光 时 分 复 用( o t d m ) 13 -5 1 ， 特 别 是 密 集 波 分 复 用 技 术 ( d w d m ) 6 1和 掺 饵 光 纤 放 大 器 的 实 用化极 大 地开 发了 光纤的 传输容量， 波分复 用传输系统的 波段正由 常 用波 段( c波 段 ) 扩展到 整 个1 .3 -1 .6 n m的 光纤 通信窗口 ， 目 前4 0 g b / s 的e t d m已 经实 用化7 -8 1 3 2 0 g b / s o t d m技术实验传输早有报道，正向6 4 0 g b / s 挺进。 密集波分复用d wd m 技术的出 现更是使得单根光纤的传输容量大幅增长， 目 前单根光纤1 0 2 1 波长正在从 实 验实 逐 步 走向 市 场 19 1 。 随 着 这些 技 术的日 渐成 熟， 单根 光纤的 传输 容 量 可以 达到 t b / s 量级。 d wd m传输技术提供的丰富带宽资 源为电 信网络的 扩容奠定了 坚实的 基础。 另一方面， 光子技术也正被引 入到交换节点中 ， 通过大规模光开关阵列可以 实 现节点光信道的交叉互联。能够克服电子瓶颈、实现光子交换的“ 全光网， 的蓝图已 一一 一 一 一 - - - - 一 - - i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 经展开并在积极的研究和试验之中。 从国际上发展趋势看，由于光传输技术的发展，光纤的巨大带宽已 得到了 很大 的开发， 但对光子能力的利用和开发还仅只是开始，目 前国内外在光通信领域中 研 究的重点都己从点对点的系统转移到了对光网络的研究。人们对光网络的积极研究 产 生了 多 种 光网 络 交 换 技术， 如 光 分 组 交 换o p s ( o p t ic a l p a c k e t s w i tc h i n g ) , i p o v e r 技术、 多 协 议 波长 交换m p x s ( m u l ti p l e p r o to c o l o p t i c a l w a v e l e n g t h s w i tc h i n g ) 、 光 突 发 交 换o b s ( o p t i c a l b u r s t s w i t c h i n g ) 等， 但是 按照交换 粒度区 分， 光交换 有三 种方式:小颗粒的 光交换方式如光分组交换、 if交换等，大颗粒的光交换方式如光 线路交换 ( 包括波长交换、光纤光缆空间交换)与中等颗粒的光交换方式如光突发 交换。 小颗粒的光交换方式可以看作是电的分组或i p 交换技术在光域的延伸， 交换粒 度以高速传输的光分组或i p 包为单位。 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，光分组交换要求节点的处理能力非常高，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、光逻辑器件等还未取得重大 突破，而基于电处理和电光电转换的分组交换技术又受到电光电转换和电子速度瓶 颈的限制，因此大容量的光分组交换技术尚难从实验室走向实用。 光线路交换实际上是光域的电路交换方式。电路交换是面向 连接的，其典型特 征是双向预约机制，接续时间长，源节点发出请求信号后要等待目的节点传回响应 信号，才能建立好实际的物理链路，然后传输数据。 直到拆电 路之前，这条链路始 终被通信双方占 用， 不允许其它通信方共享该链路， 所以 这种方式带宽利用率不高。 光线路交换一般以波长为交换单位，是一种大 “ 粒度”的交换方式。由于波长资源 有限，在电 信网中只能建立有限的波长通道或虚波长通道， 所以某些数据信息还必 须 经 过 光 / 电 / 光 ( o / e / o ) 变换。 光突发数据交换技术是针对目 前光信号处理技术尚未足够成熟而提出的， 2 0 世 纪8 0 年 代中 期 ，由s .r .a m s t u t 沙 o f等 人 提出 突发 交 换 方 式， 并 进行了 有益的 研 究。 由于电 路和分组交换的飞速发展，突发方式并未受到广泛的关注。直到近几年，由 于技术的障碍，在传统的光交换方式很难实现简单、高效的交换时，由j o n a th a n s 一一一一 2 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 t u rn e r . c h u n m in g q i a o 等人 u - u 1提出 的 光突 发 交 换 ( o b s ) 才 备 受 关 注。 它可 克 服 光 分组交换的缺点， 并能够很好的支持具有突发性的分组业务， 所以 短时间内己 引 起了 众多研究机构的 注意， 光突发交换被认为是未来互联网中的关键技术。 1 . 1小颗粒光交换 小颗粒光交换包括光分组交换和光i p 交换， 其交换粒度分别为固定长度的分组 或变长的i p 包， 长度一般为几百或几千字节。 光分组交换受到光器件技术发展的限 制， 短期内难以走向商用化; 光i p 交换近些年获得了较快的发展， 但仍然受光电光 转换和电处理速度的瓶颈限制，容量和交换速率还跟不上光传输技术的发展。 1 . 1 . 1光分组交换 光分组交换可以 看作是电的分组交换要领在光域的延伸，交换粒度以高速传输 的光分组为单位。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，光分组交换要求切点的处理能力非常高。早先提出的全光交换，要求控制信 号在光域处理，但由于光逻辑器件到目 前为止依然无法实用化，只能进行实验室演 示，因此目 前国际上通行的做法实际上己经脱离了早期所谓实现分组透明交换的初 衷，采用的是光电混合的办法实现光分组交换，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。为光电混合型光分组交换机的典型结 构，包括输入接口、交换核 必须有光缓存) 和输出接口三部分。输入接口，又称 作输入同步器， 根据对载荷的定位处理，使进来的分组实时对准:交换核将分组发 送到正确的目 的地，并实现分组竞争裁决和空分组管理;输出接口的作用是减小或 消除信号的相位抖动和功率波动，通过快速功率均衡减小分组与分组之间的功率差 异， 还可以 具 有分组头重写和再生的 功能， 具有“ 3 1 1 ( r e a m p l i f y i n g , r e s h a p i n g a n d r e t i m in g ) 功能的 输出 接口 可使分组再生。 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 : 欧 洲r a c e - r 2 0 3 9 a t m o s ( a s y n c h r o n o u s t r a n s f e r m o d e o p ti c a l s w i tc h i n g ) 11 4 -1 5 1 a c t s 的k e o p s ( k e y s to o p t ic a l p a c k e t s w i tc h in g ) 11 s -1 7 、 美 国d a r p a 支 持的p o n d ( p a c k e t- s w i tc h e d o p t ic a l n e t w o r k in g d e m o n s tr a t io n ) 118 1 , c o r d ( c o n te n t io n r e s o lu t io n 一一 3 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 s w i tc h e d p a c k e t n e tw o r k ) 1 9 及日 本的n i t 光 网 络 实 验 等。 1 . 1 . 2光i p 交换 根据 承载 i p业务 流的技术， 可以 把第三层交换技术分为 三类12 0 )即 i p o v e r a t m pi, i p o v e r s d h 2 2 和if o v e r w d m 2 1 。 这 三 种 方 式 各 有 优 缺 点。 i p o v e r a t m的基本原理和工作方式为: 将i p数据包在a t m层全部封装为a t m 信元，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i p 地址通过某种机制进行路由地址处理，按路由转发。 随后，按己计算的路由在a t m网上建立一条虚电路 ( v c ) 。以后的i p数据包将在 此虚电 路v c上以 直 通 ( c u t - t h r o u g h )方式传输而不再经过路由 器， 从而有效地 解决了i p 路由 器的 瓶颈问 题， 并将i p 包的 转发 速度提高到交换速度。 i p o v e r a t m的 实 现技术主 要有i p s i l o n 公司 提出 的ip 交换 ( i p s w i t c h i n g ) 技 术 t2 0 -s i t . t o s h i b a 公司的 信元交换路由 器( c e l l s w i tc h e d r o u t e r ) s z -s b t , c i s c o 公司 提出 的 标 记 交 换( t a g s w it c h in g ) 技 术 3 7 - 3 9 和i e t f 推 荐的m p i s 技 术 4 0 -a 3 i p o v e r s d h ， 也 称p a c k e t o v e r s d h ( p o s ) 4 4 4 6 1 ， 它以s d h 网 络 作为i p 数 据 网 络的物理传输网络。 if 数据报被封装进点对点协议p p p 分组中， 然后再映射进s d h 帧中传送。 i p o v e r wd m， 也称光因 特网。 其基本原理和工作方式是: 在发送端， 将不同 波长的光信号组合 ( 复用)送入一根光纤中传输，在接收端，又将组合光信号分开 ( 解复用)并送入不同终端。i p o v e r wd m是一个真正的链路层数据网。在其中， 高性能路由器通过光a t m或wd m祸合器直接连至wd m光纤，由它控制波长接 入、交换、选路和保护。 1 .2光线路交换 光线路交换技术从早期的以光纤为交换单位的手工跳线，到基于全光波长变换 技术、光交叉连接o x c和光分插复用器o a d m等技术的光波长交换，直到最近的 融合波长交换、 时分交换、 1p 路由 技术的自 动交换光网 络a s o n ( a u t o m a ti c s w i t c h e d o p t i c a l n e t w o r k ) ， 光线路交 换 技术获得了 长 足的 发展。 它的 交 换粒度为光 纤、 波 长 一一一一 4 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 或者t d m时隙，交换接续时间一般以秒以 上为单位，失去了i p 交换的灵活性。 1 . 2 . 1 光多协议波长标签交换mp x s 技术 m p a s 4 7 -5 0 1 是传统电m p l s在光域上的 扩展， 使用o x c作为“r ， 波长作为 标签，沿用了原有的mp i s框架，不需要定义新的内容。它直接采用第一层 ( 光波 长 级) 的交换来处理第三层的i p 路由转发， 将标签与wd m波长信道关联起来， 其 分立波长或光纤信道类似于标签， 并通过mp x s 信令来指配光信道。 从而大大简化 了网络的层次结构，并具有更强大的业务管理、流量工程、q o s保证的功能。m p a s 也可以 看作是一种没有标签栈或按包转发的简化 mp l s ，利用 i p选路协议来发 现拓扑，利用m p l s 信令协议来实现波长通路的自 动指配，为实时配置光波长通路 提供了基本框架，选路与信令分离有利于灵活引入新特性新算法。这种方法可以使 业务层上的路由器、a t m交换机或 a d m动态地要求传送网提供所需的波长，实现 统一的网络控制和快速业务供给，简化了i p 层与光层的融合以及跨层的网络管理， 降 低了网络运行和业务拓展成本，有利于大规模网络敷设。i p 层与光层的融合正展 现了前所未有的前景。mp a s 是构建新型网络的管理控制平台，通过它可将 ip 等 各种业务无缝的接入到具有巨大带宽的光纤网络上来，是构建未来新型网络的有效 方法。 1 .2 .2 g mp l s 技术 在光 通信网络中g m p l . s s i - 5 4 ) 对m p l s标签进行了 扩展， 使得标签可以 对分组、 时隙、 波长、 光纤等进行统一标记，使标签具有有了真正意义上的“ 通用” 。 另一方 面， g m p l s扩展了mp l s的标签交换路径l s p机制， 使得 “ 通用”标签和标签交 换 路 径“p 不 仅 仅 可以 支持 分 组 交 换 接口( p s c , p a c k e t s w i tc h c a p a b l e ) 、 第 二 层 交 换 接口( l 2 s c , l a y e r 2 s w i t c h c a p a b l e ) ， 还可以 支 持时隙 交换接口( t d m c , t i m e d iv i s io n c a p a b l e ) 、 波 长 交 换 接口( l s c , l a m b d a s w i tc h c a p a b l e ) 和 光 纤 交 换 接口 ( f s c , f ib l e s w i c h c a p a b l e ) . 1 .2 3 a s o n技术 自 动 交 换 光 网 络( a s o n , a u to m a t ic s w i tc h e d o p t ic a ln e tw o r k ) s s -s v 1于2 0 0 0 年3 月在i t u -t s g 1 3 会议上提出并开始规范。在光传送网 ( o t n )中引入自 动交换， 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 这一概念的提出是光传送网的一重要突破，它将交换功能引入了光层，是传输与交 换在光层的融合。 a s o n的诞生适应了光传送网在发展过程中对智能化和自 动化的 迫切需求， 改变了传统传输网的定义。 经过一年多的研究， i t u -t己经基本完成了 a s o n协议框架的起草工作，相关的一系列建议如 g d c m, c z d c n , g d i s c , g c e m r 等也同时确定。a s o n概念的推出，将传输、交换与数据网络结合在一起，实现了 真正意义上的路由设置、端对端业务调度和网络自动恢复。 a s o n最显著的 特点是能 够提供动态连接的能力。能 够支持多 种类型的业务， 可根 据实际的需求对带宽进行实时分配以实现光通道中的流量工程，有利于更迅速地引 入各种新的增值业务，是带有相当智能的下一代光网络。 1 .3光突发交换 首先我们来比 较一下小颗粒与大颖粒光交换的特点: i .交换粒度 光分组和光1 p交换是以传统的电分组或 i p包为单位进行交换，其长度一般为 几千字节;光线路交换以光通道 ( 光纤或光波长)为交换单位。 2 .交换建立时间 光分组和光i p 交换中， 严格地说其交换建立时间为零， 交换机必须对每个数据 包的分组头u p 头u m p l s 标签头进行检查，以获得所需的路由信息，即时进行交换， 其优点是它保持了i p 交换的灵活性， 但其缺陷也很明显， 即交换机必须在一个包的 时间内，完成对包头的处理以确定该包的路由信息;光线路交换中，首先要建立光 通道的连接后， 才能进行交换，一般交换建立时间为秒量级，由于光连接的高带宽 特点，频繁的拆除、建立会影响大量的业务传送，所以总是期望它们能够持续一段 较长的时间，适用于大业务量的用户，这种方式已失去了i p 交换的灵活性。 3 . 交换路径 在全光处理器件未完全成熟以前， 光分组交换中的分组或i p 包 ( 包括起控制作 用的分组头和数据)均要经过光电光转换，由于电处理速度瓶颈的限制，这种方式 的交换速度不可能很高;在光线路交换中， 控制分组 ( 光通道的建立、拆除等)经 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 过光电光转换，在光通道连接建立后，数据则直接在关域传输，且光通道可以运载 任何业务类型和速率的用户负荷，并且通过oxc 透明地传输。 4 资源消耗 在基于标记的光分组和i p 交换中也需要建立连接， 即建立l s p ， 但该l s p 所唯 一的资源消耗是用来标定此标签映射所需的存储空间以及预约部分资源，它保持了 传统i p 交换的资源共享特性;而在光线路交换中， 一旦通道建立， 此连接的全部容 量就会从网络可用容量中减掉，对应于到来的数据包，需要确定是否值得为此业务 建立一条连接，而如果没有一个预先的经验和可靠的可用业务量，一个高容量的连 接未必能够建立。 光突发交换6 0 -6 6 综合了 光分组交换和光线路交换的 优点， 而避免了 它们的 缺点， 它的关键思想是充分利用光纤的巨 大带宽和电子控制的灵活性，将控制与数据分离。 数 据以 突发 ( b u r s t ) 的 形 式 在光域 传输交换 ， 而控制分 组b h p ( b u r s t h e a d e r p a c k e t 突 发报头分组 ) 也在光域中 传输， 但在交换节点被转换到电 域处理。 正常情况下， 控制信 息在数据到达之前到达节点， 核心节点的交换控制模块根据控制信息和节点当前的 状态信息进行资源的预约和仲裁。 若预约成功， 则完成对交换矩阵、 可调波长变换器 ( t w c ) 、 光纤延迟线( f d l ) 进行配置， 以 保证后续的 数据到达时 透明 地穿过节点。 若出 现资源的竞争和冲突， 交换控制模块还需要根据一定的冲突解决方案完成相应 操作。 突发通常定义为一个数字化的话音迸发或一个数据消息， 电 域中的突发交换基 本 是一 种 快 速分 组交 换技术的 推 广。电 路 交换中 ， 一 个呼叫 ( c a l l ) 是 分配带宽 和配置 交换机的 基本交换实体， 它一般包含多个突发; 分组交换中 ， 分组是基本交换实体， 一般 由 多 个i f , 分 组 构成 一个突 发 ( 可认为 是 超长分组 ) 。 与 呼叫 和分组 相比 ， 突发的 颗粒 度居中。 在功能上b h p类似于电 路交换网络中的信令， 故b h p称为信令消息， 但o b s信 令不必等待目 的 端的反 馈确认， 即资源预约是单间的。 与传统分组交换不同的是，, b h p 与突发数据在物理通道上是分离的 ， 是一种带外信令， d wd m ( 密集波分复用) 传输 系统中 可用一 个专门的 波长作为控制通道传送b h p ， 但b h p和突发数据一一对应。 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 为了 避免 交换节点在处理 b h p时 缓冲突发数据， 采用了 延迟预约， 并 在 b h p和突发 数据之间引入了 偏移时间， b h p在中间交换节点转换为电 信号进行处理， 交换节点 根据 b h p携带的偏移时间、 突发长 度、 数据通道( 波长 ) 等信息可以 确定路由、 预 约资源及配置光交换矩阵，保证突发数据到达时相应的数据通道己经配置好。 光突发 交换的 概念模型见图1 . 1。图中分别x , x d 表示传送控制信息b h p 的控制信道和 传送数据突发的数据信道。 图1 . 1光突发交换示意图 光电 路、 分组、 突发交换不仅仅是交换实体的 粒度不同 ， 更大的差别在于交换采 用的 是 直 通( c u t th r o u g h ) 方式 还 是存储转 发 ( s t o r e a n d f o r w a r d ) 方式， 以 及网 络资 源 的预约和释放、 交换或转发功能所处的协议栈的 位置 ( 如 i p包在第三层实 现转 发 ,a t m和多 协 议 标记交换m p i s的 数 据包 在 第二 层转 发 ) 等。 光电 路 交 换 ( 如w d m网 络中 的 波 长路由 ) 面向 连接 ，采 用 双向 预约。 先 在 源 宿 之间预留 双向固定带宽通道， 建立好光路， 然后进行数据传输， 通信完成后再用信令 拆除 光 路。 其优点 是中 间 交换节点 不需 对数 据 进行缓 冲 和光电 ( 或电 光) 转换， 因 此网 络中 无光缓冲器件， 实现的复杂度低。 缺点是带宽利用率较低， 特别是对突发业务; 建 立和拆除光路的时间较长。 光分组交换面向 非连接， 采用存储转发方式。 包头 和数据同时发送， 在光层中 包头 一般采用低速的副载波调制。 其优点是支持信道统计复用， 适合于突发业务， 而且交换 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 颗粒较小滞宽分配灵活而高效。 缺点是要求较高的处理速度， 中间节点在处理包头的 同时要对每个分组进行缓冲， 所以实现的复杂度高， 特别是目 前光缓缓存器件还不成 熟，这个缺点比较突出。 光突发交换避开了 波长路由 和光分组交换的 缺点， 并集两者的优点于一身， 它采 用了 单向 预约的机制。 在控制分组b h p发送后而未收到应答时， 即 可发送数据分组。 和波长 路由 一样， 数据透明 通过中间节点。 其优点是交换粒度适中 ， 带宽分配灵活高效; 高 速数据不需光电 ( 或电 光) 转换; 对中 间 交换 节点 处理能力的 要求没有光分组交