（电磁场与微波技术专业论文）obs网络中资源竞争问题的研究.pdf

jl一一 jj-l一习j 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：垒当由耻 日期：二测旦玉l 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一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： 0一。 ，ljp- 、j o b s 网络中资源竞争问题的研究 摘要 光突发交换( o b s ) 结合了电路交换和分组交换，带宽利用率高， 交换粒度介于两者之间。相比分组交换，o b s 提高了交换粒度，比 分组交换易于实现，它是一种很有前途的交换技术。虽然目前对它的 研究仍以理论研究为主，但是随着其技术的不断完善，很有希望成为 下一代全光交换网络的核心技术。o b s 的研究中最为关键的问题之 一是如何尽量避免或减少数据突发的随机冲突从而降低数据丢失率， 本文主要从o b s 边缘节点的突发包汇聚算法及突发资源竞争策略两 方面进行深入研究。 对于组装算法，本文在分析了几种主流汇聚算法的基础上，提出 了一种改良的自适应汇聚机制n a a m c t ( n o v e la s s e m b l y m e c h a n i s mb a s e do nc o n t r o lc h a n n e la v a i l a b i l i t ya n dt r a f f i ct y p e ) ，以更 好的适应网络业务的实时变化。在此算法中，突发包只有在突发控制 包( b c p ：b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) 成功被发送的情况下才能被发送， 在网络负载变大时，大大减小了丢包率。并且按实际网络数据流的业 务类型和需求，自适应地调整不同的突发门限调整步长，结合网络负 载的情况，灵活地进行组装门限的调整，有效地抑制了端到端时延。 通过仿真结果证实，新算法能够根据负载的变化自适应地调整突发包 组装门限，减少丢包率和网络的端到端时延，从而大大提高了网络的 性能。 对于突发包竞争资源竞争策略问题上，我们在研究前人算法的基 础上，提出了一种考虑突发包q o s 的新算法，新算法的提出能够在 保证高优先级突发包顺利通过的同时，兼顾低优先级突发包性能的改 善，对于优先级一致的突发包，采用新算法之后，能够使得使得丢包 率比较均衡平滑，增加了网络的稳定性，仿真结果也证实了这一点。 关键词：光突发交换o b sd t pn a a m c t 吞吐量突发包分段 ， 、i - r e s e a r c ho nt c po v e ro b sa n d d e s i g no fo b sr i n gn o d e a b s t r a c t o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) ，w h i c hi s at r a d e o f fb e t w e e nt h e o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n ga n do p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，i sap r o m i s i n g o p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y a l t h o u g hr e c e n t r e s e a r c h e so no b sa r es t i l l i nt h e o r e t i c a ll e v e l ，a st i m eg o e sb yi tw o u l dh o p e f u l l yb e c o m et h ec o r e t e c h n o l o g yi nf u t u r eg e n e r n i o no p t i c a li n t e m e t i nt h er e s e a r c ho fo b s ， h o wt oa v o i do rr e d u c et h ed a t al o s sc a u s e db yr a n d o mb u r s tc o l l i s i o ni s o n eo fk e yp r o b l e m s t h ist h e s i sm a k e ss o m ec o n t r i b u t i o n si nb u s r t a s s e m b l ya n dc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 b a s e do nt h ea n a l y s i so fs e v e r a la s s e m b l ya l g o r i t h m s ，a ni m p r o v e d a d a p t i v ea s s e m b l ys c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c hi sc a l l e dn o v e la s s e m b l y m e c h a n i s mb a s e do nc o n t r o l c h a n n e la v a i l a b i l i t ya n dt r a f f i ct y p e ( n a a m c t ) i nt h i sm e c h a n i s m ，ab u r s ti sc r e a t e do n l yi f i t sc o n t r o l p a c k e tc a nb et r a n s m i t t e da n d c a nb ep a c k e da sd i f f e r e n tl e n g t ha c c o r d i n g t ot r a f f i ct y p et oa d a p tt h en e t w o r kr e q u i r e m e n tb e s td y n a m i c a l l y , t h i s a s s e m b l ya l g o r i t h me x h i b i t s am u c hb e r e rs e l f - a d a p t i v ei nt h eo b s n e t w o r k sc o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lb u r s ta d a p t i v ea l g o r i t h m s w ea l s od oa1 0 to fr e s e a r c ho nh o wt os o l v et h ep r o b l e mo f b u r s t c o n g r e s s i o n i nt h i st h e s i s ，w ep r o p o s ean o v e lm e c h a n i s m t os o l v et h i s p r o b l e mw h i c hb a s e do nc o n s i d e r i n gt h eq o so fb u r s t t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a t ，a f t e ra d o p t i n gt h em e c h a n i s m ，t h er o b u s to ft h en e t w o r k t u r n so u tt ob em u c hs t r o n g e r k e yw o r d s ：o b sd t pn a a m c tt h r o u p u ts e g m e n t 一 ， 北京邮电大学硕士学位论文 目录 4 2o b s 网络竞争解决机制一3 5 4 2 工爿麓手序：3 5 4 2 2 耱必穹；芋涣3 6 4 2 3 编嚣游亩3 7 4 2 4 突发自分前0 6 乏术3 7 4 3 新型突发包竞争解决机制研究3 8 4 3 工提凹蔗尹景3 8 4 3 2 励j 彰游3 9 4 3 3 劈算狰劳与分析。4 4 4 4 本章小结4 s 第五章仿真平台介绍。拍 5 1n s 2 仿真平台的介绍4 6 5 1 1n s 2 分裂矽象麓型4 6 5 1 。2n s 2 工微砌c 。4 8 5 2o b s n s 仿真平台的介绍一4 9 5 2 工修f 氧鳟共5 0 5 2 2 瘤阮煮枣珙。5 1 5 2 3 纺翼男五玩5 2 5 3 本章小结5 2 第六章结果与展望s 3 参考文献 致谢1 作者攻读硕士期间发表学术论文目录2 第 2 页 r 北京邮电大学硕士学位论文 绪论 1 1 光网络技术的引入 第一章绪论 互联网业务迅猛发展和新兴业务( 多媒体网页、多媒体游戏、多媒体会议、 电子商务等) 的多样性和多变性使传统的核心交换网络已不适应于互联网不断发 展的需要。随着网络技术的不断深入发展，近年来网络中的业务数据量呈爆炸式 增长。在这种形式下，传统的核心交换网络已经难以适应互联网不断发展的需求， 难以适应各种业务的多样性，多变性以及越来越高的带宽需求。因此，传统的电 信网络和计算机网络中的传输、交换等技术面临着新的挑战。如何有效的满足这 种日益增长的带宽需求成为网络技术研究人员、网络运营商以及网络设备提供商 关注的主要课题。 在现代通信中，光纤通信有其先天的优势，如传输损耗低、传输容量大、通 信质量好、传输距离长以及抗干扰能力强等。特别是掺饵光纤放大器( e d f a ) 和密集波分复用( 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 ) 技术先后成 熟并商用，使得单光纤中可以同时存在多个波长信道进行数据的传输，不同的信 道占用不同的波长，从而充分的挖掘了光纤的带宽潜力，扩大了网络中点对点连 接的传输容量。目前，单光纤传输容量在实际网络应用中已经达到太比特每秒数 量级，无线中继的传输距离已经超过7 0 0 0 k m ，满足了由于i n t o n e r 业务爆炸式 的激增而带来的对带宽和容量的巨大需求。 然而当前工作于骨干网的w d m 的i p 业务仍然是采用i po v e r a t mo v e rs d h o v e rw d m 的多层网络结构方式进行以实现点到点连接。这种方式层次功能重 叠，额外开销巨大；在网络中间节点的处理需要进行o e o 的转换，网络交换 节点则仍多采用对传送的数据进行从光域到电域( o e ) 的转换，在电域上完成 路由交换，再完成电域到光域( e o ) 的转换，进行传输，存在电子瓶颈，网络 速度受限。目前电子交换的发展已逼近电子速率的极限，器件工作上限只有 1 g b p s 1 0 g b p s ，因而集成电路技术成为了限制光网络中节点处理能力的瓶颈。 这种传送交换机制一方面增加了网络的复杂程度，另一方面也限制了网络传输速 度，现有的交换能力已经与w d m 网络的巨大传输能力极不匹配，降低了w d m 系统带宽的利用率。 本文所研究的光突发交换o b s 网络【l 捌，正是一种全光交换的网络。通过对 第 l 页 北京邮电大学硕士学位论文绪论 其协议、算法、机制等方面的研究，希望其可以作为下一代骨干网络的一种备选 技术，有效降低骨干网络交换侧的瓶颈效应，大幅提高骨干交换网络的整体性能。 1 2 光交换网络的发展 全光交换是指数据信号不经过任何光电、电光转换，直接以光波的形式在 网络中透明交换的技术。全光交换网络因为省去了复杂的光电、电光转换极大 地提升了吞吐量和效率，然而由于其正处于发展阶段，受到光器件发展的限制， 目前还存在着很多问题。图1 1 为全光网络发展的示意图。 时间 图1 1 全光网络的发展示意图 1 2 1o c s 发展情况和技术特点 光电路交换( o c s ：o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 目前已经投入使用( 如a s o n 的核心交换部分) 。采用o c s 技术的光网络也称作波长路由光网络( w o n ： w a v e l e n g t h r o u t e do p t i c a ln e t w o r k ) 。如前所述，它类似于电路交换机制，是面向 连接的，其优势在于协议相对简单，技术成熟，易于实现。网络为每个业务请求 建立一条从源端到目的端的光路，采用双向预约机制，即源节点发出连接建立请 求的控制分组，为光路的建立寻找路由并配置相应的波长( r w a ：r o u t i n ga n d w a v e l e n g t ha s s i g n m e n t ) 。光路建立成功后，目的端发回确认消息，就可以发送 数据。数据在光路中以直通的方式透明穿过中间节点到达目的端。每个业务请求 在进行传输前至少要经历一个端到端的往返时间，即光路建立时延。 o c s 的特点使它比较适合于需要高速度、高带宽，并且具有一定持续时间 的业务流。然而目前i n t e m e t 中的业务多是具有较高突发性的业务，业务的变化 第 2 页 北京邮电大学硕： ：学位论文 绪论 无常使得光路的拆建会非常频繁，考虑到建立和维护光路的开销与光路通常较短 的连接持续时间之间的反差，完全根据i p 业务动态建立和拆除光路并不是一个 高效的传输模式。o c s 所提供的是以波长为粒度的传输资源，对于突发的业务， 一方面可能导致极低的带宽利用率，另一方面由于链路上波长数目的有限，某一 时刻网内所能建立的光路数量有限，因此某些业务请求还可能无法建立端到端的 光路，必须为光网络找到新的传送交换方式。 1 2 2o p s 发展情况和技术特点 针对o c s 的弊端，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 ) p 】作为最 理想的交换方式被提出。它类似于通信网中的分组交换机制，典型特点是“存储 一转发 ，不需要建立连接，数据分组在穿越整个核心交换网络的过程中，路由 和交换完全在光域进行；而且在中间节点每个光分组的交换和路由处理都是独立 于其他分组的，是一种细粒度的交换机制。类似于电域路由器，可以实现网络带 宽资源的统计复用。因此，对于主要承载分组业务的光网络来说，o p s 无疑是最 佳选择。 然而由于其实现非常复杂，光逻辑处理技术及其不成熟，依旧没有可用的光 随机存储器等方面的原因，目前还只能停留在理论讨论阶段，其应用还需要依赖 其他技术的发展。 1 2 3o b s 发展情况和技术特点 针对目前o c s 和o p s 存在的一些问题，近年来，人们提出了一种新的光交 换技术光突发交换( o b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 技术，并迅速得到国内 外学者们的广泛研究。o b s 得以引人注目是因为它兼有o c s 和o p s 的优点，同 时又避免了它们的不足。在o b s 网络中，在中间节点无需任何光随机存储器 ( r a m ：r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) ，突发数据的传输是通过它相应的控制分组 ( b c p ：b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) 预留资源来完成的，突发数据分组在中间节点直 通，无需存储，然而在光分组交换中，在中间节点存储转发。相对于光电路交换， o b s 可获得更好的带宽利用率，因为它允许每一个波长的突发数据流之间统计 复用，否则需占用几个波长。另外，突发分组的端到端( e t e ：e n d t o e n d ) 延 时相对较少，因为偏置时间远小于波长路由中的波长通道建立时间。 o b s 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 分组与数据在时间和空间上分离。o b s 中基本的交换单元是突发包( b u r s t ) ，每 个突发包都对应一个b c p ，突发包是由一系列i p 分组共同构成的，可认为是一 种超长的分组，粒度介于o c s 中的整个业务流与o p s 中单个分组之间，因此相 第 3 页 ， 北京邮电人学硕士学位论文绪论 对于o c s 可以更好的复用信道资源，提高带宽利用率，相对o p s 则易于实现。 o b s 中的b c p 提前发送以便中间节点对其进行电信息处理，逐跳为即将到来的 突发包预约资源。因此，o b s 网络中不需要象o p s 网络中那样设置缓存。o b s 的更多详细内容将在第二章中予以说明。 1 3 论文结构与安排 论文涉及主要内容为o b s 网络。全文主要研究了o b s 网络边缘节点汇聚算 法和网络中突发包竞争资源策略两个方面。 文章正文部分分五个章节进行书写，其中： 第一章为绪论，简要地从全光网络的发展，指出课题研究o b s 网络的背景 和重要意义； 第二章为光突发交换网络，全方位地介绍了o b s 网络。2 1 概述o b s 的基 本概念，2 2 2 3 详述了o b s 网络的组成元素，包括边缘路由器和核心路由器， 2 4 详述了o b s 网络的优点，2 5 2 6 介绍了o b s 网络的关键技术，2 6 为本章 小结； 第三章对光突发网络突发包汇聚的算法进行研究。3 1 统筹描述了边缘汇聚 算法的机制，3 2 介绍了目前集中研究的集中汇聚算法，为新算法的提出做铺垫， 3 3 提出了新算法，并且用仿真验证了结果，3 4 为本章小结； 第四章为光突发包竞争解决机制的研究，深入探讨了各种突发包竞争解决机 制，并且提出了新算法，用仿真验证了结果； 第五章主要对本论文的仿真工具和仿真平台进行详细的介绍； 第六章为结果与展望，简要介绍了个人对o b s 技术的发展趋势、重要问题 等的看法。 第4页 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络 第二章光突发交换网络和关键技术 光突发交换o b s 网络拓扑结构示意图如图2 1 所示：整个网络主要由纯光 的核心节点( c n ：c o r en o d e ) ，电的边缘节点( e n ：e d g en o d e ) 以及它们之间 的w d m 光链路组成。 图2 1o b s 网络拓扑结构 2 1o b s 网络中的基本概念 2 1 1 基本交换单位 在o b s 网络中的基本交换单位是突发，其长度可变，它是由相同的出口边 缘路由器地址和相同的服务质量( q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c e ) 要求的i p 分组、a t m ( a t m ：a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 信元、h d t v ( h d t v ：h i g h d e f i n i t i o nt v ) 帧等组成。每个突发包数据包( b d p ：b u r s td a t ap a c k e t ) 对应一个b c p ，突发 数据和控制分组在物理信道上是分离的，这也是光突发交换的核心设计思想。 将控制分组和突发数据分离的意义在于控制分组可以先于突发数据传输，以 弥补控制分组在交换节点的处理过程中o e o 变换及电处理造成的时延。随后 发出的突发数据在交换节点进行全光交换透明传输，从而降低对光缓存器的需 求，甚至降为零，避开了目前光缓存器技术不成熟的缺点。并且，由于控制分组 大小远小于突发包大小，需要o e o 变换和电处理的数据大为减小，缩短了处 理时延，大大提高了交换速度。 第5页 北京邮电人学硕士学位论文光突发交换网络 b c p 包含数据突发传输交换所必须的控制信息，如：目的地址、源地址、 时间信息、路由信息、帧校验等，同时还应该有突发长度、突发标识、信道标识 等信息。设计的基本结构如图2 2 所示。b c p 在核心节点需要进行o e 转换，在 电域内进行路由判断。由于数据突发是统计占用带宽资源，从而提高了不同连接 间的传输效率。例如在w d m 系统中b c p 占用一个或几个波长，数据突发占用 其它波长；对于多光纤链路也可以是b c p 占用一根光纤，而数据突发占用其它 光纤。 l 源地址 目的突发 信道 标签时问路由 1 地址 帧长度q o s t t l 帧校验 标识标识信息信息信息 到达 离开 偏置绝对突发 时间 时问 时间时间时间 图2 2 b c p 的帧结构 b d p 中存放着需要进行传输的i p 分组，其帧格式可以设想为如图2 3 所示。 其中突发标识包括协议类型、协议版本、数据类型( 定长和不定长) 等。对于定长 数据分组，如a t m ，数据突发中的长度域可以省去，以提高线路利用率。为了 避免长连0 和长连l ，可以引入自同步扰码技术。 2 1 2 偏置时间 图2 3b d p 的帧格式 在基于o b s 技术的网络中，b c p 和b d p 都是在源节点产生的。但b c p 的 发送早于数据突发，二者之间的时间间隔称为偏置时间。数据突发在b c p 发送 后的- d , 段时间间隔( 偏置时间) 后进行发送，在b c p 提前为它配置好的数据 通道上的光信息往返节点( o s n ：o p t i c a ls h u t t l en o d e ) 中的全光( o o o ：o p t i c a l o p t i c a lo p t i c a l ) 模块中进行透明的全光域交换。图2 4 是o b s 的中b d p 与b c p 传输示意图。 第 6 页 北京邮电大学硕+ 上学位论文 光突发交换网络 圣夏圃 数据信道1 _ - - _ - _ l - _ _ j l _ - _ _ l l - _ _ _ - l - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ - - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ o i j 世1 暑i1 目l i 突发数据n b c p n b c p l 7 广一厂。 卜偏置时间t 2 2 边缘路由器 图2 4b c p 和b d p 的传输示意图 边缘路由器包括入口边缘路由器和出口边缘路由器。其中光突发包组装在入 口边缘路由器进行。图2 5 所示的即为输入边缘节点处的m a c ( m a c ：m e d i a a c e s sc o n t r 0 1 ) 层实现的功能。 厂i p 层、 i i p f f f l t 口分组l1 0 j- r 、 ， 、 突发数据组装i 接收 突发数据调度 i 偏置时l b c p 拆帧 间生成l 生成 jlj k 凼 j 0 d w m d 层 、 一控制分组一 大仪姒瑚 图2 - 5 输入边缘节点处的m a c 层 其中，m a c 层主要完成以下功能： ( 1 ) 把具有相同目的地址和服务质量要求的i p 分组组装成突发包； ( 2 ) 确定b c p 和b d p 之间的偏置时间值； ( 3 ) 发送包含突发数据的路由信息、偏置时间、长度等的控制分组； 第 7 页 北京邮电人学硕士学位论文光突发交换网络 ( 4 ) 经过偏置时间后把突发数据送入光层。 2 2 1 入口边缘节点 入口边缘路由器的功能结构框图如图2 - 6 所示。到达的m 分组，先进行路 由信息处理，按照其目的地址和q o s 要求交换到相应的组装器，经过一定的组 装算法组装成突发，加上保护时间填充块，组装完的突发传递到一个队列缓存器 中排队。对应节点同一个输出端口的多个组装器共用一个调度器。该调度器跟踪 控制信道和数据信道的使用情况，按照一定的调度算法选择发送控制分组和突发 数据。调度器先发送包含突发数据的路由信息、路径、长度和q o s 等的控制分 组到控制信道上，经过偏置时间后，再将突发数据发送到数据信道。 。l 突发包l 7 l 组装器i l 队列缓存器哐互酬嚣暑嚣霎鬈梨l 愀簦卜。l 突发包l ，刀 l o “。0 8 、i 7 i 组装器r 交换 銮垄粤l 路由信 组装器 、 息处理 啼 、 突发包和控制1 l 队列缓存器卜叶玉墅d分组发送模块l 。l 突发包b y 7 i 组装器i 图2 - 6 入口边缘节点的功能图 2 2 2 出口边缘节点 出口边缘节点的接收功能模块相对简单，功能如图2 7 所示： 控制信道 数据信道 控制信道 数据信道 一燃裂分h 卜 交 一桃蝴叫 降燃裂分h 黼卜 换 斗燃网叫 图2 7 出口边缘节点的功能图 第 8页 输出i p 分组 输出i p 分组 北京邮电大学硕士学位论文 光突发交换网络 从控制信道和数据信道分别接收来自核心交换网络的b c p 和突发包。在电 域上将突发包进行解封装，拆成单个p 数据分组。根据i p 分组的目的地址将其 交换到合适的出端口，向外部网络进行转发。 2 3 核心路由器 核心节点所实现的功能主要分为以下两大部分：处理b c p 和转发b d p 。核 心路由器的结构图如图2 8 所示：假定每根光纤支持的波长数为k + 1 ( 一个波 长用于传输控制分组b c p ，另外k 个波长用于传输b d p ) 。核心节点从输入端收 到b c p ，首先要进行光电转换成电子数据，分析b c p 的数据部分，查看b c p 对 应的b d p 的目的节点，然后进行电的路由表查找、对光的交换矩阵进行控制， 在相应的信道上为b u r s t 预留资源，并标记此信道资源在该时间段内为“忙碌”， 最后修改b c p 的偏置时间等信息再进行电光转换。其余的k 个波长传输突发数 据，在核心节点处，b d p 不需要光电电光转换，因为b c p 已经为b d p 预留了 相应的资源，核心节点只需在b d p 到达时为其“腾出”信道即可，b d p 就以全 光模式交换出去而无需做其他任何处理。对于光交换矩阵前的光纤延迟器( f d l ： f i b e rd e l a yl i n e ) 是可选的，用于延迟b d p ( 只能延长有限的时间) ，等待b c p 的处理。通过设置恰当的偏置时间，可以使b d p 不需要在中间节点缓存而直接 通过o b s 网络，进而可以取消光纤延迟线。不过，使用f d l 可以减少冲突。这 点会在后续的章节中详细加以阐述。 2 4o b s 网络的优点 图2 - 8o b s 核心节点交换矩阵 光突发交换的交换粒度介于光电路交换与分组交换之间，并且它的交换技术 第9页 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络 实现复杂度比光分组交换小；同时，它对于给定的业务模型，对带宽的占用没有 光电路交换大。因此，它在交换复杂性和带宽需求两者上都取得了较好的折中， 比光分组交换和光电路交换更能满足具有突发性特点的互联网需求，因而逐渐引 起了众多研究机构和学者的关注。现在，o b s 己经被视为光电路交换向光分组 交换过渡的一个中期解决方案。下表从几个方面对三种全光交换技术做了一个粗 略的比较。 表2 - 1 全光交换技术比较 o c so p so b s 交换粒度波长粒度 小粒度中等粒度 持续时间长 短 中等 带宽利用率低高较高 全光缓存不需要 必须不必要 对分组业务的适应性低高较高 实现复杂度 低极高适中 上表总结了三种全光交换方案的主要差别，从表中可以归纳出o b s 具有以 下优点： 1 ) o b s 与o c s 相比：交换粒度适中、带宽利用率高、时延低。 2 ) o b s 和o p s 相比：减少了对光存贮器和精确同步的需求，降低了实现的 复杂度和成本。 3 ) o b s 还能减小i n t e r n e t 业务的自相似程度，以支持w e b 流量的突发性。 4 ) o b s 既能依靠上层协议( i p m p l s ) 区分不同业务的q o s ，也可直接在光 层实现有区分的服务，符合通信网的长期发展方向。 可以看出o b s 集合了o c s 和o p s 各自的优点，而且又不同程度的避免了 各自的缺陷。可以说，光突发交换是光路交换和光分组交换之间的一种折中的选 择。 2 5o b s 资源预约机制 o b s 网络中，每个数据突发发送前，现在控制信道中通过控制分组发送一 个连接建立消息( s e t u p ) ，沿路预留资源，然后间隔一个偏置时间后，发送数 据包，在某些方案中还需要在数据突发结束的时候发送一个资源释放消息 ( r e a l e a s e ) 。目前，o b s 的控制协议，可以按照通信路径的建立和拆除方式 进行分类，分为以下四类： 第 1 0页 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络 显式建立显式拆除方式( 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 ) ，传输路径都 是由带外信令来控制的，因此说它的建立与拆除过程是显式的。当s e t u p 消息 到达时，立即对交换模块进行相应的配置，包括对交叉矩阵的设置以及对输出波 长的预约。配置一直到收到r e l e a s e 消息时释放； 显式建立估算拆除方式( e x p l i c i ts e t u pa n d e s t i m a t e dr e l e a s e ) ，在该协议中， 各节点处的资源预留同样需要一个s e t u p 消息来完成，数据突发的结束根据 s e t u p 消息到达时刻与数据突发的时需时间来估计，而不需要r e l e a s e 消息 来标识； 估算建立显式拆除方式( e s t i m a t e ds e t u pa n de x p l i c i tr e l e a s e ) ，资源预留方 式不需要由s e t u p 消息来制定，只由节点估计b d p 的开始时间决定，而b d p 的结束用r e l e a s e 消息来标识； 估算建立估算拆除方式( e s t i m a t e ds e t u pa n de s t m a t e dr e l e a s e ) ，该协议 s e t u p 消息中包含的b d p 的偏置时间信息和持续时间信息来估算通信路径的建 立和释放时刻。 在基于突发交换的网络协议中，根据资源释放的不同方式，把光突发交换网 络的传输控制方式进行分类，可以分为t a g ( t e l l a n d - w a i t ) 、i b t ( i n b a n d t e r m i n a t o r ) 、r f d ( r e s e r v e a f i x e d - d u r a t i o n ) 等三类，其中t a g 的 j i t ( j u s t i n - t i m e ) 协议和r f d 的j e t ( j u s t e n o u g h - t i m e ) 协议，是o b s 网络 中最适用的两种网络控制协议，本章将着重介绍这两种协议。 1 j i t 协议 j 1 1 r 协议时t a g 协议中具有代表性的一个。它综合了光路交换和光分组交换 的优点，采用带外信令控制方式，不近克服了中间节点对光存储媒质的需求，而 且减少了通信路径的建立时间，提高了交叉连接以及系统带宽的利用率。 其中j i t 协议的过程如图2 - 9 所示，当源节点完成b d p 的封装以后，它便 向与之相连的中间节点发送一个s e t u p 消息，请求建立传输路径。第一届相连 的核心节点返回一个包含有o f f s e tt i m e 的“c a l lp r o c e e d i n g 消息，并将控制分组 发往下一个节点。中间节点收到s e t u p 消息后，对其进行光电光转换并完成 信息处理，然后将其向下游节点逐跳转发，并最终到达目的节点。目的节点收到 “s e t u p 后，返回一个“c o n n e c t ”消息，确认传输路径已建立。源节点可以 据此实现重发控制功能。但源节点并不是等到收到“c o n n e c t 消息才发送数据， 而是在收到“c a l lp r o c e e d i n g 消息并等待o f f s e tt i m e 后，发送相应的数据分组。 数据分组发送完毕后，源节点发送一个释放分组以拆除连接。此外，o f f s e tt i m e 也可以由边缘节点自己确定，从而消除请求应答时间。 在整个j 1 1 r 协议的信令流程中，由于s e t u p 消息的提前发送，b d p 在整个 第 1 1 页 北京邮电大学硕士学位论文 光突发交换网络 传输过程中是不需要任何光存储媒质的，只是在源节点以电的形式缓存，这不仅 大大节省了成本，而且也降低了系统复杂性。与光路交换相比，由于j 1 1 r 协议不 必等待c o n n e c t 消息的回复就将b d p 发出，因此大大减少了通信时间。与光分组 交换相比，由于b c p 的提前发送和资源预留，省去了光分组交换中各节点处的 存储转发( 信头的提取和处理) 处理时间，同时，由于不需要光存储媒质，所以 在一定程度上j i t 协议同样具有明显的优越性。 源节点中间节点 目的节点 图2 - 9j 1 1 r 协议流程示意图 而j r r 协议的局限性在于对于j i t 协议，到目前为止，还没有一个较好的冲 突解决以及拥塞控制方案。 2 j e t 协议 j e t 协议是r f d 协议的典型代表。在j e t 协议中，通信路径的建立过程与 j i t 协议类似，但在源节点发出的突发控制分组中多了偏置时间信息和b d p 长度 信息。在j e t 协议中，证实这两个信息确定了中间节点预留链路资源的开始时 间和保持时间。j e t 协议的工作原理如图2 1 0 所示。 在网络的边缘节点处，数据包组装成不同长度的突发包，网络单独分配一个 信道传送s e t u p 消息，中间节点在s e t u p 消息到达之后，根据消息中所含的 信息，估计突发包数据可能到达的时间，为其分配一个可利用的波长信道。它能 通过在基本偏置时间t 的基础上加上不同长短的额外偏置时间( 该额外偏置时 间一般远大于基本偏置时间) 来为业务提供不同的q o s 支持。 第1 2页 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络 j e t 协议具有偏置时间和延迟预留的特性使得j e t 相对于t a g ，j i t 等协议 更适合o b s 。j e t 使数据分组和控制分组分离并分别在光域和电域进行处理，能 降低核心节点对信头处理和光电处理能力得需求使交换更容易实现。j e t 协议还 有一个非常重要的优点，那就是它能通过在基本偏置时间t 的基础上加上不同 长短的额外偏置时间( 该额外偏置时间一般远大于基本偏置时间) 来为业务提供 不同的q o s 支持。比如，为了让某一类业务以高的优先级在核心节点处预留带 宽，可以在基本偏置时间的基础上再加上一个较大的额外偏置时间。也就是说， 对q o s 要求越高的业务，其相应的额外偏置时间越长，反之则越短。 当然j e t 协议也并非十全十美，为了减少网络端到端的时延，通常偏置时 间的设置应该尽量地小，但是过小的偏置时间激化多点通信中的信道竞争问题， 容易造成丢包率的升高，因此b d p 的偏置时间的设置时j e t 需要解决的一个问 题。此外，j e t 还需要解决的一个重要问题是如何解决资源竞争和怎样提高差别 服务。 源节点中间节点a中间节点b目的节点 图2 1 0j e t 协议流程示意图 2 5o b s 光突发交换网络中的q o s 目前，因特网中的“尽力而为”的业务模型无法针对不同的i p 业务，提供 不同级别的服务。同时在光域中，因为没有光随机存储器，难以实现像电域中那 样的缓存。对基于缓存的q o s 方案，在全光交换的网络中无法应用，因而需要 一种无缓存的q o s 解决方案。目前为止，人们提出可用在光突发网络中的q o s 第 1 3 页 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络 解决方案主要有以下几种：基于额外偏置时间的q o s 机制，分片q o s 机制，比例 型q o s 机制，抢占型q o s 机制。 1 基于额外偏置时间的q o s 机制 基于额外偏置时间的q o s 机制，通过在控制分组和数据分组之间设置额外 偏置时间，不同的额外偏置时间，表示不同的优先级；额外偏置时间越大，预留 成功的机会越大。也就是说对于高优先级业务，给予的额外偏置时间越大，能够 被预留成功的概率越大。 基于偏置时间的q o s 机制实现简单，它可以方便地区分较多数目的优先级。 但是它也使高优先级业务端到端延迟增大。当优先级很多时，高优先级业务的额 外偏置时间就会很长，这对于某些对延迟敏感的业务无法接受。另外，在这种机 制下，低优先级、一长度较短的数据突发由于其偏置时间短且易于填充，反而更 容易被调度。 2 分片q o s 机制 分片q o s 机制的基本思想是：把一个数据突发看成一些基本的分片单元。 每个分片可以包含一个或多个i p 分组，当发生冲突时，只丢弃冲突的那部分分 片而不是整个数据突发。 3 比例型q o s 机制 在比例型q o s 机制中，根据各优先级的比例因子，当较高优先级的分组发 生丢包时，故意丢弃一些较低优先级的分组使他们的丢包率始终保持一定的比 例，这样给较高优先级多一些预留成功的机会。其特点是使各优先级丢包率之间 保持一定的比例关系，同时高优先级的延迟不会增加。但缺点是牺牲总的丢包率， 让本来没有冲突的时候，也有可能丢包。这种方法实现简单，使各优先级业务之 间的性能保持一定的比例。 为了降低口分组的丢包率，在应用该方法的同时，可以采用分段丢弃，尽 可能降低业务分组的丢包率，但这需在突发数据分组中为每个i p 分组加一些开 销，用于m 分组定位与识别。 4 抢占型q o s 机制 在抢占型q o s 机制中：在一定条件下，无法成功预留资源的业务可以抢占己 被其他业务预留了的资源。具体来说就是预先为每种类型的业务设置一定优先 权，当高优先级业务到达时，如果没有空闲链路资源，则可以通过占用低优先级 业务的资源使其调度成功。 具体实现过程如下：一个调度请求到达后首先调度空闲信道，如果没有合适 的空闲信道则判断该请求所对应优先级，如果请求优先级较高，则搜索业务信道， 寻找可占用的低优先级突发。通过占用低优先级突发使其调度成功。 第 1 4 页 北京邮电大学硕士学位论文 光突发交换网络 以上q o s 机制都有各自的不足之处，它们通常都只考虑了一种服务质量参 数，要么仅以丢包率为标准，要么仅以资源分配率为标准。在实际应用中，需要 考虑具体网络情况恰当选择，才一能够扬长避短，充分发挥各种机制的优势。 另外，在网络中，不同业务具有不同的q o s 要求，传送的过程中需要对它 们进行有效的区分。因此，对于在o b s 网络中支持q o s 机制的研究重点也应该 放在如何保证严格的业务区分这一点上。比例型q o s 机制和抢占型q o s 机制具 有对网络业务进行严格区分的能力。 2 6 本章小结 本章从5 个小节中分别介绍了光突发交换网络的各种基本概念、背景和其关 键技术。介绍了o b s 网络的基本交换单位是突发控制包和突发数据包。突发数 据包是由相同的出1 3 边缘路由器地址和相同的q o s 要求的突发包数据包。每一 个b d p 对应一个b c p ，突发数据和控制分组在物理信道上是分离的。 第 1 5 页 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络 第三章光突发交换网络突发包汇聚的研究 3 1o b s