（通信与信息系统专业论文）obs边缘节点突发包组装算法实现.pdf

摘要 在当今信息社会，因特网的规模迅速扩大，对网络带宽的需求不断上升。传统的分 层结构已经不再适应网络的发展。po v e rw d m 由于没有中间层，避免了中间层 s o n e t s d h 和a t m 层的功能冗余，被认为是下一代因特网最有前途的解决方案。光路 由器可以充分利用先进的光技术，在交换容量方面比电路由器拥有更好的扩展性 在光交换技术方面，目前主要有三豺可能的解决方案：光电路交换、光分组交换和 光突发交换。 光突发交换指的是将具有相同目的地址和一些相同属性的i p 分组组装成一个突发 包，作为网络的一个基本转发单元。与光电路交换和光分组交换相比，具有中间交换粒 度，吸取了它们的优点，同时避免了它们的缺点，是目前最有竞争力的解决方案。 本文介绍了光突发交换网络中边缘节点突发包组装算法的硬件实现方法。文中介绍 的网络模型中，外部业务包括接口包括千兆以太网3 i s d h ，其中s d h 不需要经过组装。 因此组装算法的实现针对千兆以太网。以太网数据进入边缘节点后，首先经过1 0 b 8 b 解 码、去除以太网帧头，然后加上标签并分类组装成突发包。采用的算法为最小长度最大 组装时间算法，即当累积同类口分组的长度超过预设的门限或组装时间超时，就形成突发 包并发出发送请求。文中还给出了最后的实现和仿真结果，包括时钟频率和资源占用情 况：介绍了用x i l i n xi s e 和m o d e l s i m 对边缘节点发送方设计实体进行联合仿真的方法，主 要是数据源的产生及其与设计实体的连接方法。 本文还介绍了边缘节点发送方的原理图设计和电路板的调试方法，确保实验能够安 全、顺利地进行。 本文的独创性包括： 1 在组装算法中提出了一种动态分配缓存的思路。 2 最小长度最大组装时间算法的硬件实现。 3 。突发包的组装与存储在同一个缓存中实现。 4 在边缘节点的调试中，采用了一种可以在示波器上观察丢包情况的办法 关键词：突发包，b h p ，组装算法，共享缓存 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h es c a l eo f t h ei n t e r n e te n l a r g e sr a p i d l y , t h e t r a d i t i o n a ll a y e r e dn e t w o r k a r c h i t e c t u r ei sn ol o n g e ra d a p t e dt ot h e d e v e l o p m e n t o f t h ei n t e r n e t i po v e rw d mi s c o n s i d e r e da sa p r o m i s i n g s o l u t i o nf o rt h en e x tg e n e r a t i o ni n t e r n e ts i n c ei th a sf e w e r i n t e r m e d i a t el a y e r sa n dc a na v o i ds o n i cf u n c t i o n a l i t yr e d u n d a n c yi nt h ei n t e r m e d i a t el a y e r sl i k e s o n e t s d h t h e o p t i c a lr e u t e r sc a n m a k eb e t t e ru s eo ft h ea d v a n c e do p t i c a lt e c h n o l o g i e sa n d h a v em o r es w i t c h i n gc a p a c i t yt h a ne l e c t r o n i cr e u t e r s t h e r ea r et h r e e p o s s i b l es o l u t i o n sf o ro p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y ：o c s ( o p t i c a l p a c k e t s w i t c h i n g ) ，o p s ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) a n do b s ( o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) o b si sr e f e r e dt os o m et e c h n o l o g yw h e r es e v e r a li pp a c k e t sw i t ht h es a m ed e s t i n a t i o na n d s o m ec o m m o na t t r i b u t e ss u c ha sq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) a r ea s s e m b l e di n t oab u r s ta n da r e f o r w a r d e d t h r o u 【g ht h en e t w o r k a saw h o l e o b si sc o n s i d e r e da st h em o s tp r o m i s i n gs o l u t i o n o f o p t i c a lt r a n s p o r t n e t w o r kb e c a u s ew h e n c o m p a r e d w i t ho c sa n do p s ，i th a sam i d d l e s w i t c h i n g u n i ta n dc o m b i n e st h e i rm e r i ta n da v o i d st h e i rd e f e c t s i nt h i sp a p e r , h o wt oi m p l e m e n tt h ea s s e m b l ya l g o r i t h mo f t h ee d g en o d ei no b sn e t w o r k o nh a r d w a r ei si n t r o d u c e d w h e nd a t ap a c k e t sf r o m10 0 0 me t h e m e t sg e ti n t oa ni n g r e s sn o d e ， t h e y f i r s t l y p a s s a 1 0 b 8 bd e c o d e r ，a n d t h e n t h e ya r es t r i p p e do f t h e i r e t h e r n e t p a c k a g e a n d a d d e dal a b e l a c c o r d i n gt ot h e i rq o sl e v e l sa n dd e s t i n a t i o n s ，t h e s e 口p a c k e t sa r ec l a s s i f i e d a n ds c h e d u l e di n t ot h ea p p r o p r i a t ea s s e m b l yq u e u ea n dt h ep a c k e t sw i t ht h es a m ep r o p e r t i e sa r e a s s e m b l e di n t oab u r s t t h ea s s e m b l ya l g o r i t h mu s e db yt h i sp a p e r i sm i n b u r s t l e n g t hm a x a s s e m b l yp e r i o da l g o r i t h m t h a ti s ，w h e n t h el e n g t ho ft h eb u r s te x c e e d st h ep r e d e f i n e d t h r e s h o l do rt h ea s s e m b l yp e r i o dt i m e so u t ，ar e q u e s ti sg e n e r a t e d t h ei m p l e m e n t a t i o na n d s i m u l a t i o nr e s u l tw i l lb el i s t e d ，i n c l u d i n gt h es o u r c ec o n s u m p t i o na n d t h ef r e q u e n c yo f t h e s y s t e m w e u s ex i l i n xi s ea st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n dm o d e l s i m a st h es i m u l a t i o nt 0 0 1 w h e n s i m u l a t i n g ，h o wt op r o v i d e t h ed a t as o u r c ea n dc o m b i n ei tw i t ht h ed e s i g ne n t i t yi s j n t r o d u c e dt o o t h es c h e m m i co f t h ei n g r e s sn o d e a n dh o wt od e b u gt h ep c bb o a r da r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r s oa st om a k et h ee x p e r i m e n tc a r r i e do ns u c c e s s f u l l y t h ei n n o v a t i o n so f t h i sp a p e ri n c l u d e ： i i 1 p r e s e n t i n g aw a yt od y n a m i c a l l yl o c a t em e m o r yf o ra s s e m b l ya l g o r i t h m 2 i m p l e m e n t i n g m b m a p a l g o r i t h mi nf p g a 3 t h e s t o r a g ea n da s s e m b l i n g o fb u r s ta r ei m p l e m e n t e di nt h es a m e q u e u e 4 t r a c i n g t h eb u r s tl o s so nt h eo s c i l l o g r a p h k e y w o r d s ：d a t ab u r s t ，o f f s e tt i m e ，a s s e m b l i n ga l g o r i t h m ，a s s e m b l i n gq u e u e i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特另, j j j r l 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：l 虱i 型日期：孙眸2 - 月动日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 嘲钢 曰期：z “f 年乙月2 矿曰 a t m b h p d b d c m d w d m f i f 0 f p g a j e t m b m a p o b s o c s o p s q o s s d h w d m t t 。 m b l 简略字表 a s y n c h r o n o u st r a n s p o r tm o d e b u r s th e a d e rp a c k e t d a t ab u r s t d i g i t a lc l o c km a n a g e r d e n s ew a v e l e n g t h - - d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g f i r s ti nf i r s to u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y j u s t - r e n o u g h ，- t i m e m i n b u r a t l e n g t h - m i n a s s e m b l y p e r i o d o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g 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 lp a c k e ts w i t c h i n g q u a l i t y o fs e r v i c e s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y w a v e l e n g t h - d i v i s i o n - m u l t i p l e x i n g 物理量 v 异步传输模式 突发控制头分组 突发包 数字时钟管理 密集波分复用 先进先出队列 现场可编程门阵列 恰量时间协议 最小长度最大组装时间 光突发交换 光电路交换 光分组交换 服务质量 同步数字复接 波分复用 偏置时间 最大组装时间 突发包最小长度门限 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 1 1 光网络的发展趋势 第一章引言 随着i n t e r n e t 的发展，网络中的业务数据量呈爆炸式增长，网络带宽的需求越 来越大，过去常用的通信媒介，如电缆、同轴线、双绞线等无法满足海量信息传输 的需求，光纤由于巨大的潜在容量成为目前的主流通信媒介。在各种光网络实现方 案中，波分复用( w d m ：w a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 是目前提高光纤传送带宽的 最有效的方法，它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特点， 把光纤可用的波长范围划分成若干个波段，每个波段用作一个独立的信道传输一种 特定波长的光信号。这些信号可能是a t m ，s o n e t s d h 或者是i p 流量，典型的w d m 系统 有4 或者1 6 个信道，如果超过4 0 个信道，就称为密集波分复用( d w d m ：d e n s e w d m ) 。 瓤一1 光纤容量发展趋判2 系统描述光纤容量时间 ( 波长数x 单路容量) 8 x 2 5g b s2 0 g b s1 9 9 6 1 6 x 2 5g b s4 0 g b s1 9 9 7 3 2 x 2 5g b s8 0 g b s1 9 9 9 8 0 x 2 5g b s 2 0 0 g b s2 0 0 0 4 0 x l og b s4 0 0 g b sm i d t o1 a t e2 0 0 0 1 6 0 x 2 5g b s4 0 0 g b sm i d t 0 1 a t e2 0 0 0 8 0 x 1 0g b s 8 0 0 g b sl a t e2 0 0 1 1 6 0 x 1 0g b s16 0 0 g b s l a t e2 0 0 2 4 0 x 4 0g b s 16 0 0 g b sl a t e2 0 0 2 8 0 x 4 0g ；b s 3 2 0 0 g b sl a t e2 0 0 3t oe a r l y2 0 0 4 1 0 0 x 4 0g b s 4 0 0 0 g b s2 0 0 5 1 6 0 x 4 0g b s 6 4 0 0 g b s2 0 0 7 光纤传输技术的发展非常( 表卜1 所示) ，使得传统的通信网络无论从业务量 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 设计、容量安排、组网方式，还是交换方式都已经无法适应这一新的发展趋势。例 如目前的高速传输网络中，如果网络节点处仍然采用原有的设备，以电信号处理信 息的速度进行交换、分插复用和交叉连接，网络节点将变得庞大而复杂，而且受到 “电子瓶颈”的限制，根本无法充分利用光纤的传输带宽。随着i p 业务在网络上越 来越占主导地位，传统的分层结构已经不再适应网络的发展，需要重新设计整个网 络结构来满足i n t e r n e t 增长对带宽的需求。 关于未来高速信息网络的模型，目前一致的看法是：物理层采用光纤作为传输 介质，并采用w d m 光连网网络技术，尤其是在骨干网上更是如此；由于采用t c p i p 可屏蔽不同网络的下层细节，因此可以将数据、语音、图像、视频业务等全部归结 到i p 包中，可实现各种网络的无缝连接，并有效降低业务成本。这样一来，问题的 焦点就成为如何实现i p 层与w d m 光网络层的高效融合。 1 2lpo v e rw d m 有鉴于传统光网络的各种限制，同时由于新型网络协议( 如m p l s 、r s v p 等待) 的不断完善和多波长光网络技术的进步，使得直接在w d m 光网络上承载i p 数据业务 成为可能，从而导致了i pd i r e c t l yo v e r w d mo p t i c a l n e t w o r k i n 9 1 3 1 1 5 1 光互联网技术的 形成和发展。显然，这是一种最简单直接的体系结构，它省掉了中间的a t m 层和s d h 层，减少了网络设备；减少了功能重叠，简化了设备，减轻了网管复杂性，特别是 网络配置的复杂性；额外的开销最低，除数效率最高；通过业务量工程设计，可以 与i p 的不对称业务量特性相匹配；还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务，尽 量避免缓存，减少延时。由于省掉了昂贵i 拘a t m 交换机和大量普通s d h 复用设备， 简化了网管，又采用了波分复用光网络技术，其成本可望比传统电路交换网降低1 2 个量级 i po v e rw d m 和传统的i po v e rs d h 的区别在于承载业务量的大小和适应不对称 业务的灵活性上【6 1 。1 po v e t w d m 的传送的颗粒小，技术上比较成熟，而且标准化程 度高。而i po v e r w d m 则将i p 与光网络相结合，适用于透明城域网内1 p 的互联或未来 大型骨干网的核心汇接。从发展来看，i p o v e rw d m g f j 疑代表着网络发展方向，它将 光网络的发展和i p 相结合，可以充分利用光网络的透明传输优越性和光纤的巨大带 宽，但是目前它的颗粒太大，没有低于2 5 g b i t s l 拘接口，但随着低速w d m 接口的出 电子科技火学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 现，它在城域网上的应用会越来越多。 未来网络向i p 光网络即光互联网发展的主要原因是：将i p 骨干路由器和光网络 的d w d m 波长直接连接可以降低对i p 高速网络的控制和管理的复杂度；i p o v e r d w d m 光网络以波长来选择路由，具有对传输码率、数据格式以及调制方式透明的 特征：可与现有的通信网络兼容：具有可扩展性和可重构性。i po v fw d m 的最大优 势在于其巨大的带宽潜力，可与未来巨大的l p 业务量相匹配【”，其它任何技术都不可 能与其相比。w d m 的另一个重要特点是有上百个可用波道，各个波道信号间可以彼 此隔离，因而可以很容易地兼容不同性质和协议的业务，起到业务汇集作用，网络 i f数据网络 审葺 l光网络 l 图卜1 光因特罔模型 数据的处理和传送 适配数据网络和光网络 提供传送通道 客户数据包 封装、定界、差错检测、q o s 控制 客户适配、带宽管理、连接证实 复用、线路故障、定位、保护倒换 高速传输、光放大器、故障定位 圈1 - 2 光因特网协议栈和功能 管理者不再需要在同一电路上设法混合各种业务，从而有可能不再需要采用复杂的 a t m 来汇集各种业务，简化了体系结构。至于人们所关心的服务质量问题，i p o v e r w d m 的解决思路是靠w d m 的高带宽和简单的优先级方案。按排队理论，只有网络 利用率超过7 5 时才需要q o s 、当网络利用率低于7 0 时，队列很短或根本不存在排 队，常常只需简单的优先级方案( 如1 p 报头的3 个优先比特) 即可，于是将高质量实 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 时业务放在队列前面即可保证q o s 。对实际业务的预测表明，未来业务量中真正高 质量的实时业务是少数，9 0 的业务属于尽力而为( b e s te f f o r t ) 业务，因而采用简 单的优先级方案和高带宽w d m 来处理q o s 问题是有一定道理的。 光互联网包括数据网络层、光网络层、层间适配层及层间通道管理几部分。数 据网络层提供数据的处理和传送。光网络层提供传送通道，两者相互独立。层间适 配和通道管理用于适配数据网络和光网络。图1 - 1 和i - 2 分别给出了光互联网模型和具 体协议栈及其功能。 1 3 全光通信网 全光网络“1 ( a o n ：a l lo p t i c a ln e t w o r k ) 从原理上讲就是整个网络中用户节点之 间的信号信道保持着光的形式，即实现端到端的全光路，中间不经过光电转换。这 样，网内光信号的流动就没有光电转换的障碍，信息传递过程无需面对电子器件处 理信息速率难以提高的困难。 1 4 光交换技术 目前实现全光透明网还有不少困难，如光缓存器还没有实现以及全光组网技术 相应的标准需要制订，在光域处理i p 分组还没有实现，所以光路由器的控制系统仍 然要在电域完成。因此现在研究的主要还是半透明的光传送网。光传送网的控制在 电域完成，数据在高速的透明光数据信道传输。光传送网有三种可能的解决方案“： 光电路交换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ，o c s ) 、光分组交换( o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ， o p s ) 、光突发交换( o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 。 1 4 1 光电路交换 光电路交换也就是光的波长路由交换方案，目前研究的比较多，相对比较成熟。 图1 3 描述的是一个光电路交换网络的模型”1 ，它由接入点，波长路由交换机( w r s ： w a v e l e n g t h r o u t i n g s w i t c h ) 组成，中间通过w d m 链路相连。当需要传送数据时，首 先必需在源节点和目的节点间建立光通路。光通路是一个波长信道，在没有波长转 换器的情况下，一条光通路占用传输所经过光纤的同一个波长，这叫做波长连续性 受限( 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 ) 。在同一根光纤上的光通路必须占用不同的 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 圈1 - 3 光电路交换网络模型 波长通路来避免信号间的相互干扰。图1 3 显示了两个连续的波长通路：节点a 和节 点c 直接通过波长九1 建立的通路，另一条是节点a 年i i f 之间通过波长 2 建立的波 长通路。如果在w r s 处存在波长转换器，从源到目的间的路由上光通路可以占用多 个波长。图1 3 显示了节点d 和c 之间经过波长转换后的光通路，它在链路 d ，w r s 4 之间占用波长 l ，在链路f w r s 3 ，c 之间占用波长 2 。如果采用可选路由( a l t e r n a t e r o u t i n g ) 策略，可以从一组通路中选择一条作为光通路。“波长转换”和“可选路由” 是减少网络中波长限制的两种有效方法。波长转换是一种软硬结合的解决方案，它 需要网络中有波长转换器件( w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) ，同时需要算法和协议对这些波 长转换器进行管理。可选路由是种软解决方案，需要协议，信令和管理协议来执 行可选路由。 光电路交换技术的缺点是：( 1 ) 对于突发性的业务数据，其带宽利用率不高，不 适用于i n t e r n e t 网上的i p 数据传输：( 2 ) 波长数有限时，为避免阻塞而不得不将一部分 数据进行o e o 转换，若采用动态带宽分配机制，则链路建立的时间一般较长( 通常 为几十m s ，而突发数据流时间长度最多为几m s ) 。 1 4 2 光分组交换 光分组交换。“”1 由于缺乏高速光逻辑器件、光缓冲存储器等，因此还处于研究 阶段。如图1 4 所示光分组交换网络由核心节点、边缘节点组成，它们之间通过w d m 链路相连接。边缘节点完成光分组生成以及将光分组拆分成普通分组的功能。核心 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 圈1 - 4 光分组交换网络的模型。1 节点完成光分组转发寻路功能。光分组交换网络中的光数据分组主要分成两部分处 理，其中光分组交换中的有效载荷部分采用不需要经过光电电光处理的路由与转 发，因此极大地提高了数据分组的转发速度和节点的吞吐量。载有地址和管理信息 的光数据分组的信头需要同步、帧识别和地址识别等较复杂处理。由于目前光信号 处理还处于初步研究阶段，因此一般采用电处理技术。 光分组交换的技术难点在于无光域的存储器，因此数据分组时间长度有限，传输 时延要小( 必须小于节点处理时间) ；另外，提取和插入信头时需要时钟同步，难度 较大。 1 4 3 光突发交换 光突发交换1 5 1 6 】【1 7 网络中有两种信道，即传送突发包( d a t a b u r s t ，d b ) 的数据 信道和传送控制头分组( b u r s th e a d e rp a c k e t ，b h p ) 的控制信道。边缘节点在发送一个 突发包之前首先向控制信道发送一个相应的b h p 用来在中间节点处给突发包预定资 源( 比如波长) ，随后边缘节点就向数据信道发送突发包。与光电路交换技术不同， 边缘节点在发送突发包之前不必等待中间节点和目的节点的确认信号( 该确认信号 用来向源节点表明源节点所需的资源已经预留好了) ，而是在发送b h p 后，间隔一 定的偏移时间( 一般而言，偏移时间大于突发包经过的各个节点对其相应的b h p 的 处理时间之和) 就立即将突发包发送出去。突发包在某个信道上传输完毕后立即释 放该信道。理论上讲，这样的传输方式下，中间节点可以不需要光r a m 。 另外，由于突发包及其相应的b h p 是在不同的信道上传输，而且突发包是在b h p 发送后间隔一定的时间才发送出去，因而，光突发交换技术不要求严格的同步，从 而克服了光分组交换要求严格的同步这一缺点。 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 与光电路交换和光分组交换相比，光突发交换具有许多明显的优势，表1 2 是 三种这三种交换方式的部分性能比较。 1 5 本章小结 表i - 2 三种光交换方式的性能比较 交换方式带宽利用率延迟光缓存同步 谴路交换低 高不需要不严格 分组交换高低需要严格 突发交换高低不需要不严格 本章论述了光网络的发展趋势和几种可行的光交换方式。i po v e r w d m 因其简单 的网络模型和巨大的带宽潜力等优势成为未来光网络的发展方向。在光交换技术方 面，光突发交换技术融合了光电路交换和光分组交换的优点且又弥补到了二者的不 足。成为目前光通信领域的研究热点。本文下一章将详细介绍光突发交换技术。 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 第二章光突发交换技术 光路由器中直接交换i p 分组的主要限制在于电系统的处理和控制能力上，一个 4 4 字节的分组在1 0 g b p s w d m 信道中仅仅持续3 5 2 n s 。为了减少配置光交换结构的 电器件的负担，从而增加整个路由器的吞吐量，交换粒度必须f l i p 分组大。这种考 虑导致了“b u r s ts w i t c h i n g ”概念的诞生3 ，将拥有相同目的地址和一些其他共同属 性( 例女1 1 q o s 参数) 的i p 分组组装成一个突发包，作为网络的一个基本转发单元。 o b s 就是基于这一技术的交换方式。 2 1 0 b s 网络结构m 3 1 i - d u t 毒r h 挚c y i n t e r f a c e s k 剐 i n t e r b a s 图2 - 1o b s 网络结构 图2 1 是一个o b s 网络的基本结构，它是由处于网络边缘的边缘路由器、位于 网络中心的光核心路由器以及波分复用( w d m ) 的链路组成。分组在网络入口处被组 装成突发数据，经过光核心路由器的交换，然后在网络的出口处被分解成分组，并 被转发到下一跳( h o p ：即节点) 。边缘路由器提供b u r s t 的组装和拆分功能，并且 提供了各种网络接口( 如：g i g a b i t ，e t h e r n e t ，p a c k e t o v e rs o n e t ( p o s ) ，i p a t m 等) ，使之可以和其他协议类型的网络互联。光核心路由器主要由光交换矩阵( o p t i c a l s w i t c h i n gm a t r i x ) 和交换控制单元( s w i t c h c o n t r o lu n i t ) 组成。 如1 4 3 d x 节所述，o b s n 络中传输的数据由突发包和与其相对应的b h p 两部分 组成( 如图2 2 所示) ，它们通过光核心路由器时各自在电域和光域交换。b h p 包 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 胁 c 图2 - 2 突发包及b h p 的传输 含所有必要的控制信息，o b s 主干网的每一跳的交换控制单元根据这些信息来配鸯 光交换矩阵，以便在光域交换突发包。突发包和b h p 独立传输和交换不仅有助于对 头标进行电处理，降低光核心路由器光电转换的需求，而且可以提供入口到出口的 透明光通路来传输突发包。 本论文用信道( c h a n n e l ) 来表示两个相邻路由器间的某种单向传输能力。信道可 以由一个波长或者时分( 码分) 复用下的波长的一部分构成。传输突发包的称为数 据信道，传输b h p 的称为控制信道。信道组( c h a n n e lg r o u p ) 是一组具有相同类型和 节点信息的信道组成。一个w d m 链路代表两个路由器间的整体传输能力。通常每 个方向都有一个数据信道组( d c g ，d a t ac h a n n e lg r o u p ) 年n 一个控制信道组( c c g ， c o n t r o lc h a n n e lg r o u p ) 组成( 如图2 3 所示) 。d c g 和c c g 在物理上既可以是同一 条光纤又可以属于不同的光纤。 u m d 0 m d 4 嗥e l v a g n e l o r u u p c c j 。：c o n l r o lc h m m e l0 1 w p 图2 - 3 突发包及b h p 在o b s 网络中传输的图解 图2 2 所示b u r s t 偏移时间t 的初始值to 由入口边缘路由器设置，每个b u r s t 的偏移时间既可以相同也可以不同，b u r s t 偏移时间的功能取决于光核心路由器的设 计。当光核心路由器使用f d l 来延迟发往交换矩阵的突发包时，控制单元有充裕 的时间来处理b h p ，偏移时间的可以很小或者没有。如果光核心路由器没有f d l ， 为了使光核心路由器在每一跳都有足够的时间处理b h p ，我们需要为偏移时间设置 l 。l 一。 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 一个比较大的初始值to ，to 与b u r s t 在o b s 网络中路由过程中所经过的跳数以及 每一跳的处理时延成正比。 2 2 突发包和8 h p 的格式”“”4 1 关于突发包的格式，目前并无统一的标准，图2 - 4 是一种突发包格式的例子。图 中各部分具体含义如下： p 传送顺序 图2 - 4 一种可能的突发包格式 g u a r d b ：保护带； s y n c ： 同步码； p t ：净荷类型，根据其中净荷中i p 分组的q o s 等级和目的地址分类； n o p ：净荷中所含的i p 分组数； p l ：净荷长度； o f f s e t ：第一个填充字节的偏移量； p a y l o a d ： 净荷； o l i ：光层信息： g u a r d e ：终端保护带； 同步码是接收端判断帧起始用的，保护带可以克服因各节点时钟漂移、不同波 长之间的延迟差异、突发包的到达时间和光交换矩阵配置时间的不匹配以及光交换 矩阵的配置时间的不确定性等原因而造成的突发包到达时间和持续时间的不确定 性。 图1 9 是本论文中讨论的b h p 的格式。此处的包长度包括了整个突发包( 含净荷 和头标) 。 p 。1 1 p r 。1 t 一一l l i b h p 类型i 优先级i 目的节点i 选用信道l 包氏度l 包编号l 偏置时间_ j l j - - - j 。”一一 图2 - 5 本论文中b l i p 的格式 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 2 3 光核心路由器 图2 6 显示的是一个n m 的光核心路由器的基本结构，光核心路由器主要由输 入光延迟线( i n p u tf i b e rd e l a yl i n e s ) 、光交换矩阵( o p t i c a ls w i t c h i n gm a t r i x ) 、交换控 制单元( s w i t c hc o n t r o lu n i t ) 、路由和信号处理器( r o u t i n ga n ds i g n a l i n gp r o c e s s o r s ) 组成的。数据信道和光交换矩阵相连，控制信道与交换控制单元相连。信道映像 ( c h a n n e lm a p p i n g ) 就是将数据信道组和控制信道组从各个光纤中分开。固定长度的 n ：啪m ih 婶呻鸭 图2 - 6 光核心路由器基本结构 输入延迟线( i n p u t f d l s ) 是用来延迟到达的突发包，从而使交换控制单元有更多的时 间来处理该突发包相对应的b h p 。突发包在核心路由器中将保持光信号原来的格式。 光缓存( f d l 缓存) 用来解决突发包在输出数据信道组上的竞争问题。图2 6 中有j 条输入数据信道组和j 条输出信道组( j 和j 不一定相等) 。一般情况下，核心路由 器的体系结构是个对称结构的路由器，拥有输入、输出光纤各n 条。每条光纤有( k k ) 条数据信道和k 条控制信道。 2 4 边缘路由器 边缘路由器1 2 m 小蚓是o b s 网络和传统网络的连接点，可以分为两部分：发送 方和接收方。 边缘路由器发送方如图2 7 所示，其主要功能是将i p 分组组装成交发包，按照 0 b s 协议转发n o b s 网络中去。线卡完成传统i n t e r n e t 拆分功能，将到达的数据流拆 分成j p 分组交给突发包组装器。突发包组装器根据i p 分组出口边缘路由器地址和 i；氅： 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 = 爿线卡日 = 并组装器乍刊e o 日 分 波 m 长d b u 类 调 = 枉正e x 度 业务 b h p - ：) 堡主e = 爿塑茎兰 0剖里! q 日 ? 圈2 - 7 边缘路由器发送方 q o s 属性将i p 分组组装成突发包。波长调度器根据突发包的类型按照某- - j l 0 i 序调度 突发包，同时维护每个数据信道和控制信道的空闲时刻表。调度器按一定规则为突 发包和b h p 选择空闲的数据信道和控制信道，根据选择结果在b h p 的相关域中添加 突发包和b h p 之间的偏移时间一，然后将突发包和b h p 在预定的时间经过e o 转换后 发送出去。 囫 ”塔 i 1p 舒州 匿南u 州 区剥矗妇柿献i f _ 1 或n 骶。i + 党粒规誓d 辩厦挖制丹蝴 图2 - 8 边缘节点发送方的m a c 层 为了完成突发包的组装，在边缘节点发送方的层次结构m ”中，需要加入一个 m a c 层。对于采用i po v e rw d m 技术的网络，m a c 层位于i p 层年n w d m 层之间如图 2 - 8 所示。 从图2 8 可以看出m a c 需要完成以下功能：把分组( 对i p 业务丽言) 组装成突发 包；决定偏置时间：发送b h p 和突发包。在输出边缘节点处，m a c 层只需完成从突 发包提取分组即可。 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 边缘路由器接收方( 如图2 - 9 所示) 的主要功能是从o b s 网络中接收突发包，拆 分成传统的i n t e r n e t 分组，并转发给传统网络。f d l 使突发包接收器在接收突发包前， b h p 处理器有足够时间处理b h p 。拆包模块根据b h p 控制信息把突发包拆分成i p 分 图2 - 9 边缘路由器接收方 组。线卡完成路由查表，分组分类以及策略控制等功能。线卡主要完成传统i n t e r n e t 层 的封装功能。 2 5j e t 协议m 3 o b s 的协议有多种，但这不是本文讨论的重点，本文只对其中具有代表性且优 秀的j e t 协议作一简单介绍。 如1 4 3 d 结所述，在o b s 网络中，b h p 和突发包的发送之间需要一个偏置肘间。 为了减少网络中端到端的等待时延，应该设置较小的偏置时间；然而，过小的偏置 时间不易解决多点通信中的信道竞争使用问题，从而会造成数据丢失或阻塞。所以 偏置时间不宜太大，也不能太小。j e t 协议t 】就是为了实现这个目的而开发的。 的j e t 有两个显著的特征；使用延迟预约( d e l a y e dr e s e r v a t i o n ，d r ) 并可将d r 和基于f d l 的突发分组复用器( b u f f e r e db u r s t m u l t i p l e x e r s ，b b m s ) 结合起来。这使 得j e t 协议非常适合于o b s 网络。 如图2 ，1 0 描述了j e t 协议的基本概念。源节点有突发数据要发送时，首先在一个 专用的波长信道上向目的节点发送一个b h p 。为了给突发数据建立一条全光的数据 通道，该b h p 在所经过的节点上都要经过处理。每个节点都根据b h p 中的信息在输 出链路上选择一个适合的波长预留好，并配置好交换开关。此时，源节点的突 发数据分组仍然在电域等待，经过偏置时间t 后，突发数据以光的形式在选定的波长 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 上发送出去。 s j 2ds 12d 2 6 本章小结 ( a ) p r 图2 - 1 0 j e t 协议 ( b ) 若 本章介绍了o b s 网络的基本结构并分析了o b s 采用的一种主流的协议j e t 。光突 发交换网中包括边缘节点和核心节点，边缘节点主要负责业务的接入、分类、组装 和控制分组的生成，还有数据的突发接收。为了完成这些功能，在i p 层和w d m 层之间 需要加入一个m a c 层。核心节点的功能是在接收到控制分组后，根据控制信息、路由 策略和网络的当前状况为突发分组预留资源，并在突发分组到达后，完成对它的转 发。核心节点和边缘节点通过w d m 链路连接起来。 本章还讨论了o b s 网络中使用的较为典型的j e t 协议。理论上，适当设置偏置时 间可以使核心节点不需要光缓存。 4 电子科技大学硕士学位论文：o b s 边缘点突发包组装算法实现 第三章o b s 边缘节点发送方汇聚方案设计 边缘节点承担了o b s 网络的大部分工作，包括业务的接入、分类、组装、突发包 调度和发送以及b h p 的调度和发送。突发包的大小直接影响到o b s 网络的性能。突发 包颗粒太小会降低网络的带宽利用率，太大则会增加数据在网络中的延迟。突发包 的大小取决于边缘节点采取的汇聚方案，组装包括i p 分组的分类