（通信与信息系统专业论文）基于fdl和twc的新型缓冲结构.pdf

中文摘要 摘要：由于电子瓶颈的影响，交换网络的容量和带宽受到的很大的限制，因此具 有大容量和高交换速度的光分组交换( o p s ) 成为未来交换网的主要发展方向。在 交换结构中，当两个或两个以上的分组在同一时隙对同一输出端口发起输出请求 时，如果不能够得到妥善的解决，就会发生冲突，分组将会被丢失，由此引入了 光缓冲技术的研究。在电子领域中，利用随机存储器( 蝴) 来实现分组的缓冲 和读取，但是以目前的光技术的水平，光领域无法像电子领域采用光凡蝴实现分 组的存读，因此需要通过其他的途径实现光分组的缓冲。在现有技术的基础上， 主要采用三种方式实现光缓冲：光延迟线( f d l ) 、波长转换器 ( t w c t 吼a b l e ，a v e l e n g t l l c o n v e n o r ) 和路由偏置三种。 本文对光交换网中的光缓冲结构进行研究，首先对现有的光缓冲技术进行研 究并分析，并得出各自的优缺点。 其次根据缓冲结构中f d l 的位置，将缓冲分为输出缓冲和反馈共享方式，并 对这两种结构进行仿真，根据两者的特点来选取合适的缓冲位置，并且对不同负 载下节点的性能进行分析，如丢包率和时延。 最后，本中提出一种基于f d l 和t w c s 的新型光缓冲结构，这种结构利用光 分组交换网络的广播选择方式，并在此基础上，加入输出缓冲和反馈缓冲结构， 通过分析、建立排队模型，利用m a t l a b 对这种结构中核心节点的性能进行仿真， 并且从丢包率和分组时延两个方面入手分析节点的性能。 通过仿真结果分析可以得出如下结果： 1 输出缓冲能够有效的改善分组冲突，并且当缓冲f d l 的规模逐渐增大，丢 包率逐渐降低； 2 反馈缓冲与输出缓冲相比较，能够利用较少的f d l 实现相同的丢包率； 3 f d l 的引入使得分组的平均时延增加，但是到负载一定时，时延将根据不 同规模的f d l 趋于一定值； 4 波长转换能在不影响时延的情况下，降低丢包率； 5 利用本文提出的节点交换结构，选取合适的缓冲规模，能够满足一般的通 信要求。 关键词：光分组交换；光延迟线；波长转换；丢包率；利特尔法则；时延 分类号：t n 9 1 5 6 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et 0t l l ei i l f l u e n c eo fe l e c 仃0 1 1 i cb o t t l e n e c k ，吐l ec 印a c 毋a n db a n d 丽d t h o fs 、) ，i t c hn e 觚o r ki sc o n s 仃a i n e d ，l u sm eo p t i c a jp a c k e ts 诵t c h ，i nw i l i c ht h es p e e da i l d n l ec 印a c 时c 孤b es u i 讪l et 0t 1 1 ee x p l o s i v eg r o w mo fi n t e m e t 仃a 衔c ，b e c o m e sn l e m a i l lb m c ho ft l l es 谢t c hf a b r i c s i i lp a c k e ts 晰t c l l i 】鸣n e t 、o r l 【s ，p a c k e tc o n t e n t i o n o c c u r sw h e nt w do rm o r ep a c k e t sc o n t e n df o rt h es 锄eo u t p u ta t 廿l es 锄et h e ，埘协a n u n s l l i 诅b l eh p l e m e i l t a t i o n ，t l l ep a c k e t s 谢1 1b el o s t 趾dt l l ep a c k e tl o s sp r o b a b i l 时 i 1 1 c r e a s e s t h u si “s 曲p o r t a i l tt ob r i i 培b u a e r si m oc o n s i d e r a t i o nt 0a v o i dc o n t e n t i o n n eb u 虢r s ，u 1 1 1 i k et h e 瑚d o m - a c c e s s m e m o r y ( r a m ) i i le l e c 仃o i l i cd o m a i 玛a r en o t a v a i l a b l ey e ti i lo p t i c a ld o m a i 玛t l l u st l l r e eo t h e rw a y sa r eb r o u g h ti n t or e s e a r c hw i l i c h a r ef i b e rd e l a yl i i l e ，t u n a b l ew a v e l e n g t l lc o i e i r c o r 觚dd e n e c t i o n r o u t i n g 嘶sp a p e rf o c u s e so nt l l eb u 艉r si i lk e yn o d s ，f i r s t l y 舭t e c h n o l o g yo fb u 虢r sa r e a i l 2 l l y z e d 趾dc o m p a r e dt og e ti t so w n r e l a t i v em e r i t s s e c o n d l y ，i tc a i lb ed i v i d e di i l t 0t w oc a t e g 耐e s ：o u t p u tb u 行：r i n g 粕df e e d b a c k b u 蔬r i n g ，d e p e n 妇go nt h ep l a c eo fm eb u 毹r si n 恤刚t c hf a b r i c 1 1 1 e 咖l 【i n d so f b u 彘r sh a v e b e e ne v a l u a t e db yp a c k e tl o s sp r o b a b i l i t ) ，趾dm e a i lp a c k e td e l a ym r o u 曲 s i i n u i a t i o n s i i lm es 1 】i i 】m a r y ，a 蚰r u c t u r e ，i n c l u d i n go u t p u tb u 伍：r i n ga r l df e e d b a c kb u 伍斑n g ， b a s e do nm ek e o p ss 丽t c h 诵mab r o a d c a s t s e l e c tf a b r i c ，i sf o m e d t h ep e r f o m a i l c e s ( m e a i lp a c k e td e l a ya n dp a c k e tl o s sp r o b a b i l i 够) a r ei n v e s t i g a t e db yas u i 例) l eq u e u e m o d e lw 油d i 舵r e i l t 虹l d so f b u 位r s i t i sc o n c l u d e db ys i m u l a t i o i l sa sf o l l o 咖g ：i ti sc o n c l u d e db ys i i i l u l a t i o i l s 嬲 f o l l o 谢n g ： 1 o u t p u tb u 疵r i n gc a i li i i l p r o v et h es i t u a t i o no fp a c k e tc o n t e n t i o n ，a i l dt l l ep a c k e t l o s sp r o b d b i l i 够d e c r e a s e sa st l l es c a l eo ff i b e rd e l a yl i l l e si n c r e a u s e ； 2 f e e d b a c kb u 虢r i n gc a i lu t i l i z ef e w e rm o u n to ff d l st l l 锄o u 印u tb u 妇f e 血gt 0 a c k e v em es 锄ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i 够； 3 t h em e 锄p a c k e td e l a yi n c 陀a s e sa st h ef d l sa r ei l l v o l v e di nt l l es 谢t c hf a b r i c ， b u tw h e nt l l el o a di ss t e a d y ，t l l em e a np a c k e td e l a yi st 0af i x e dv a l u e ； 4 t h ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i 够i sb r o u g h td o w n 、v h e nt h ew a v e l e n g t hc o n v e m i o ni s a d d e di n t ot l l es 谢t c hf a b r i cw i m o u ta i l yi r m u e n c eo nm e a i lp a c k e td e l a y ； 5 i tc a nb er e a l i z e dt 量l a tm ep e r f o r m a n c es a t i s 矽t h er e q u i r e m e n to ft l l ec o m m o n c o i i 】m i m i c a t i o n s ，w i mas u i t a b l es c a l eo fb u 丘e r si n 仳sp a p e r k e y w o i m s ：o p t i c 出p a c k e ts 晡t c h ；f i b e rd e l a yl i i l e ；w 打e l e n 酉hc o n v e r s i o n ； p a c k e tl o s sp r o b a b i l i t ) r ；t h el i t t l e sl a w ；m e a l lp a c k e td e l a y c l a s s n o ：t n 9 15 6 v 致谢 本论文的工作是在我的导师孙强教授的悉心指导下完成的，孙强教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年半来孙 强老师对我的关心和指导，在日常的生活和学习中，孙强教授给予我很大的帮助， 使得我在研究生学习期间，不仅学习到了科学文化知识，而且懂的了许多为人处 事的方法。 从选题到论文的撰写过程中，孙强教授都在不断地督促和指导着我，并对我 的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王晓斌、王婷、张聪、楚翠英等同学对我论 文中的光缓冲和仿真研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母和家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。 最后对将评阅的专家表示感谢，感谢你们在百忙之中对我的论文进行审核， 希望指正论文中的不足和缺点。 1 1 光交换网的发展 1 绪论 随着互联网的发展，各式各样的业务需求日益膨胀，传统的电子交换技术中 电子设备受“电子瓶颈”的限制而难以满足需求，而且利用电子设备构建网络结构 使的节点规模变的庞大、复杂【l 】1 2 1 。1 9 6 6 年高锟和霍克蔓提出利用光导纤维传输 信号，由于光信号的低噪声和大容量，能够满足日益增加的信息需求，从而光分 组的研究进入了主要的研究课题；1 9 7 0 年，美国的康宁公司成功的研制出了石英 光纤；1 9 7 2 年，光纤通信首先通过实验，继而光纤通信系统、掺铒光纤放大器 ( e d f a ) 和光波分复用技术( w d m ) 的成功研制都推动的光交换网络的发展。 w d m 技术使得信号的传输速率得到飞速的提高，但是由于电子设备的“电子瓶 颈 ，使得通信容量的增长变的很困难，而且电子技术的发展速度远远落后于光纤 容量的急速增长。在w d m 技术中，信号通过光信号来传输，在此基础上，全光 交换网的概念得到了提出。w d m 系统的广泛应用推动了全光网的发展和研究，如 美国国防部( d a r a p ) 资助的多波长光网络( m o n e t ) 、国家透明光网络( n t o n ) 等计划，欧洲的r a c e 、a c t s 等计划，日本的s u c c e s s 计划，意大利的 p r o m e t e o 计划，以及中国的“中国高速信息示范网”国家八六三重大项目等， 全光交换网得到了广泛的研究和发展。 目前，以波分复用( w d m ) 为核心的光网络在骨干网络中占主导地位，这为 实现全光网络打下了良好的基础，而且随着密集波分复用技术的出现，每根光纤 信道承载的波长数已经超过1 0 0 条，每条信道的速率到达1 0 g b i 佻，总速率到达了 1 t b 讹，随着4 0 g b i t s 的光纤的研发和实际应用，光纤系统的容量越来越大，但是 电子设备的“电子瓶颈 制约着交换速率。在现有的光交换技术中，传输用光信 号，但是在交换的过程中，首先通过光电转化，在电子领域进行分析，实现对光 信号的控制和交换，电信号的速率显然制约交换速率，因此实现全关交换是提高 交换速度的主要途径。即从信号的传输和交换过程都是以光信号的方式进行，传 输通过现有的光纤通信系统传输设备，而且交换的过程完全在光领域进行。 在各类交换中，光分组交换( o p s ) 将成为最有前景的光交换技术，由于光分 组交换具有如下的优点： ( 1 ) 大容量、数据率和格式的透明性、可配置性等特点，可以支持不同类型的 数据； ( 2 ) 能够实现端对端的光通信； ( 3 ) 带宽利用率高，能够提供各种各样的服务，满足客户的要求； ( 4 ) 将大量的交换业务量转移到光领域进行处理，并且能够很好的与w d m 传 输容量相匹配，且能与各种光分组技术如oxc 、mp ls 等新技术结合， 进而实现网络优化和资源的利用。 光分组交换结构如图1 1 所示，进入光交换的光分组由分组头和数据信息两部 分组成，当光分组被传输到某特定的输入后，将分组头传到控制单元中，由同步 控制实现分组输入的时隙同步，根据分组头中的信息对分组的目的地址进行解析， 使分组在交换矩阵中被传输到其目的端口，在输出端口出，对输出的分组的分组 头的信息进行更新，并进行相位抖动消除和功率平衡等处理。 光交换矩阵 图卜1 光分组交换 f i g 1 - 1o p t i c a jp a c k e ts w i 劬 o p s 网络中，关键技术有时隙同步、缓存、信号再生、光分组头重写和功率 平衡等，受限于光器件的发展，目前这些问题还处于实验阶段。 1 2 典型的光交换网络 1 2 1 k e o p s 交换网络3 1 本文主要针对o p s 网络中的光缓冲进行研究，因此主要关注光交换结构和光 缓冲两方面。在欧洲的a c t s ( a d v 锄c e dc o m m u i l i c a t i o i l st e c l l i l o l o 西e s 锄ds e i c e s ) 光交换项目中【4 j ，采用广播选择交换结构，其结构如l 一2 图所示，在这个交换结构 中，每个输入和输出端口都只有一个波长，同时可以观察到，每个端口的波长是 不固定的，随分组而变换，因此每个输出端口都负责使其满足传输分组的要求。 从结构图可以看出，交换结构包括三部分：波长编码器、光缓冲和波长选择器， 2 波长解码器包括n 个波长转换器和一个波长复用器；光缓冲包括1 个分束器、k 个0 d l s 和一个空分交换平台，其中空分交换平台用分束器、光开关和集束器实 现，波长选择器由解复用器、复用器和光开关来实现，光开关是通过控制单元来 实现时隙的传输。每个时隙的开始，每个输入端口的分组被分配到固定的波长， 通过复用器将n 个输入的波长( 分组) 集合，并利用解复用器分配到k 个o d l s 中，每个o d l s 都表示不同的延时，其中第i 个o d l 表示可将分组可以延时i 个 时隙，显然n 个分组可以同时存储在不同的o d l s 中，则在下一个时隙中，从k 个o d l s 可以输出k 个分组，其中最多有n 个分组将接着无阻碍的传输去输 出端口，且n 个分组的波长都不同，每个分束器的输出端口i 输出的分组直接输 出到端口j ，因此有k 个这样的分束器，所以就有k 个类似的输出信号，其中只 有一个分组被选择，并直接传输至输出端口 。显然选中分组将被传输到解复用器， 并解复用为n 个波长，其中的一个将被传输出去。在这个交换结构中，操作主要 通过控制单元来实现。 波长编码光缓冲波长选择器 图卜2 具有广播选择功能的k e o p s 交换结构 f i g 1 - 2t h ek e o p ss w i t c hw i t l la b r o a d c a s t - a n d s e l e c tf a b r i c 这种交换结构可以扩展为n 个输入和输出光纤，并且每个光纤包括n 个波长， 则通过解复用每个输入光纤被解为n 个波长，然后在这个交换结构的基础上，按 刀个波长进行处理，在输出端口n 个波长通过集束器集合至同一输出光纤。 在这种交换结构中，对于发生冲突的分组采用输入缓冲，这样容易产生队首 阻塞，同一延迟线中分组遵循f i f 0 原则，因此对于需要传送至不同输出端口的分 组，会受到前面其他端口的分组的堵塞，而且引入大量的光器件，如光开关等。 1 2 2波长交换分组网络的交换结构 随着技术的发展，w d m 技术的引入，使得网络的传输容量和速率迅速发展， 目前w d m 被广泛的应用在传统的电( 光电) 交换网中。w a s 阶厄t i 纠( 波长交换 的分组网络) 网络是由英国工程与自然科学委员会( e p s r c ) 资助，利用阵列波 导光栅( a w g ) 作为波长选择的器件，并且在这个结构中包括前置和反馈两个阶 段，通过波长转换来解决同一时隙两个分组同时需要从特定端口输出而带来的分 组冲突。这个网络充分利用w d m 技术，与现有的w d m 交换比较，w a s p n e t 交换使用光分组交换，在这个结构中可以传输a t m 数据包，也适用于m 业务的 传送。通过合理的设计交换结构，也可进行同步传输，因此这是很具有前景的交 换结构，下面将介绍这个网络结构。 在w a s p n e t 中采用波长转换为主，光延迟线( f d l 或者0 d l ) 为辅的光缓 冲结构，从而解决分组对输出端口资源的竞争问题。输出端将需要输出的分组转 换至合适的波长，并通过矩阵波导矩阵选择目的端口。如果每个输入分组都是以 特定的波长进入输入端口，通过波长转换将分组的波长变为不会发生冲突的波长 ( 以输入为准) ，结构如图2 3 所示。在这个结构中有n 个输入输出，且包括两个 a w g ：2 2 和。发生冲突的分组将被传至缓冲结构中，而无冲突的分 组直接传至输出端口的，并通过波长转换器将输出分组的波长切换至适合的波长， 并通过第二个a w g 输出。发生冲突的分组将根据需要分配到不同时延的延迟线 中，由于每个波长转换器在同一时隙只能转换至一定波长，因此光缓冲的每根输 出的波长信道不能超过1 个。在2 2 的a w g 的输入端口处，可将分组分为两 类：经缓冲之后的分组和新到达的分组，所以必须在分组头中设置优先级别，优 先级别高的分组优先于优先级低的分组进行传输。 图卜3 单输入波长的w a s p n e t f i g 1 - 31 1 h e ，a s 眦ts w i t c hw i t l l0 1 1 ep l a n e 在单输入波长的w a s 阶咂t 中引入w d m 技术，相当于将该交换结构由一维 变为n 维，结构如图2 - 4 ，在输入端口处先进行解复用处理，而在输出端口进行复 4 用处理。由于分组到达的波长和它的目的端口都是以随机方式来定义，因此，基 于w a s p n e t 的w d m 交换网络的处理可简化为单输入波长的w a s p 卜订玎进行计 算，即单波长w a s p n e t 的时延与丢包率可看作为基于w d m 的w a s p n e t 交换 网络的参数。 在w a s p n e t 交换结构中，分组以泊松过程方式到达，分组以伯努利分配方 式选择输出端口，在每个结构波长信道是l o ，负载为0 8 时，丢包率可达到1 0 1 3 。 从结构可以看出，这种结构能够很好满足通信的要求，但是引入了4 n 个波长转换 器，介于现有的光技术，还无法能够达到所用器件的要求。 图卜4 基于w a s p n e t 的w d m 交换结构 f 嘻l _ 4t i l ew a s p n e ts w i t c hb a s e do nw d m 1 3 本论文的主要工作 第一章研究现有的光交换网络，介绍了k e o p s 和w a s p n e t 两种交换结构， 并对两种结构的进行研究，由此引入光缓冲研究的课题。 第二章介绍现有光缓冲技术，主要对光纤延迟线、波长转换器和偏置路由的 工作原理和优缺点进行阐述，并针对他们各自的特点和发展现状，分析三种缓冲 方式的适应范围。 第三章对利用f d l 做缓冲介质的输出缓冲和反馈共享缓冲两种结构进行研 究，通过建模和方针，对两种结构的性能进行分析，并得出结论，性能方面主要 考虑丢包率和时延两个方面。 第四章中提出一种新型的光缓冲结构，此结构利用广播选择网络结构，结合 f d l 输出缓冲和反馈缓冲方式，并在结构中加入波长转换器，从而构建一个核心 节点的交换结构，通过排队论建模，利用m a t l a b 仿真软件对该模型进行评估。 第五章总结全文，并得出结论。 5 1 4 本章小结 爆炸的信息增长使得业务对于网络带宽和速度的要求越来越高，为了满足这 种需求，引入w d m 系统，并提出o p s 网络。为了成功实现o p s 网络，各国的研 究机构都在投入人力和物力，本章主要介绍了欧洲a c t s 项目中的广播选择的 k e o p s 交换结构和e p s r c 资助的w a s p n e t 交换结构。在欧洲的a c t s 光交换 项目中，通过广播选择功能来实现分组的交换，在输入接口对分组进行缓冲，再 利用广播的方式实现分组的缓冲和传输，在而由英国工程与自然科学委员会 ( e p s r c ) 资助的w a s p n e t ( 波长交换的分组网络) 网络，通过阵列波导光栅 ( a w g ) 作为波长路由选择器件，并通过反馈方式对分组进行缓冲。 在交换结构，分组冲突是难免发生，而当发生冲突时，分组没有得到合适的 处理就会影响到丢包率。因此在交换网络中，如果无法设计出合理的缓冲结构， 那么丢包率将变得很大，甚至会超出系统设计标准的范围。无论是k e o p s 网络结 构还是w a s n 厄t 网络结构，其设计的出发点都是，在充分利用光纤传输大容量 的同时，尽量降低系统的丢包率。 6 2 现有光缓冲技术 光缓冲是实现光分组交换的( o p s ) 的关键技术，当两个或者两个以上的分组 同时对同一端口发出传输请求时，就会发生分组竞争，这个分组可以是以太网的 帧、不定长i p 分组、m p l s 的一组分组，缓冲技术是交换节点解决分组冲突的方 法之一。在电子领域利用洲( 随机存取存储器) ，存储在r a m 中数据可以随时 被取出，并传至相应的端口，但是在光领域，受限于现有的光技术，无法实现光 r a m ，因此得另辟蹊径来实现光的缓冲。本章将从光领域的角度出发，介绍三种 光缓冲技术：光纤延迟线的光缓冲，波长变换的光缓冲和路由偏置的光缓冲。 2 1 光纤延迟线( f d l ) 光纤作为光信号传输的传输介质，是比较理想的存储体，光子在光纤中以运 动的方式从而实现缓冲，具有容易实现和耦合方便的特点，而且能够方便的做成 符合要求的形状，但是不便于集成，且在传输的过程中，传输信号存在失真和衰 减。从结构上看，光纤的缓冲器可分为传输型和循环型两种。由于传输型缓冲对 光信号的时延取决于光纤的长度，因此与电子缓冲比较，缓冲时间在分组进入缓 冲之前就决定了，不能像电子缓冲那样随时都能读取。而循环型缓冲的时延由循 环的次数决定，可根据需求灵活的配置缓存时间。 2 1 1传输型光延迟线 光纤的长度决定实验的大小，比如1 m 的光纤，光子在其传输的时延大约5 n s ， 这个时延对于1 0 g b s 的码率( 脉冲宽度为1 0 0 p s ) 为5 0 比特，而对于2 5 g b s 的 码速，为1 2 比特。通过精确控制光纤延迟线的长度可以对信息码存储量的控制精 度到达1 比特，当两个分组发生冲突时，可以将优先级别低的一个分组经过延迟 线暂存一段时间后在输出，利用光纤的延迟的特性配合光开关来调节延迟时间， 就构成了“光延迟交换 结构( s d l ) ( 图2 1 ) 。在光延迟交换结构中，有3 个2 2 光开关s w l 、s w 2 和两段光延迟线d l l 、d l 2 ，。通过控制两个光开关的状态，可 对两个不同端口输入的信号实现d l l 、d l 2 和d l l + d l 2 的时延，也可无缓冲直接 通过。 7 j 墨塞銮适太堂亟堂鱼诠塞瑰查迸缓泣基莶 输出1 输出2 3 w 1s w z 图2 1 延迟线交换结构 f i g 2 - lt h es w i t c hf a b r i co f f i b e rd e l a yl i n e s 采用交换光延迟线具有以下优点： 1 ) 结构简单，易于实现，所需的2 2 的光开关最少 2 ) 比较容易获得精确到以比特或字节或信元长度为时间单位的延时； 3 ) 每个分组经历s d l 系统时，所经过的光开关的数量相同； 4 ) 属于前向结构，没有反馈，易于控制和调整。 这种延迟比较简单，虽然存储的时间有限，但是基于其实现缓冲时问可控， 且易架构，可根据系统的要求灵活变动，本文将利用这种光纤延迟线( f d l ) 作为 光缓冲结构的一部分进行研究。 2 1 2f p 腔光纤延迟线 一根光纤的两端加反射镜m l 、m 2 ，则形成一个f p 腔，如图2 2 所示，可作 为循环光缓冲，其中反射镜片的透过率可调。待需要就光信号引入时，将m 1 调整 到透光状态，带信号进入腔内，将m l 调整为全反射状态，同时将调整为全反 射状态，那么光信号将在m 1 和m 2 组成的f p 腔内来回循环传播，被存储在光纤 内。当需要读出光信号时，将m 2 的状态调整为透光状态。从原则上，光信号可以 在f p 腔内缓冲相当长的时间，而且能够实现随时读出。 图2 2f _ p 腔光缓存器 f i g 2 2b u f r e r sb a s e do n f - p 光透率的调整主要利用非线性光环形镜( n o l m ) 来充当光开关来实现，而 这类光开关对于同步要求比较高，因此对于处理连“0 ”或者长连“l ”的能力弱， 而且做的1 0 0 的全反射很困难，从技术角度考虑很难实现。 2 1 3光纤环型光缓冲 8 j e 立童逼太堂亟堂焦诠塞现直当缓独夔苤 基于光纤环的光缓存是最常见的循环型缓存器。在理想的封闭光纤环中，光子 可以在其中无限永久的“运动”下去，但是实际中，光纤总是存在着损耗的，为 了弥补损耗，引入放大器，而放大器的介入难避免带入了噪声。噪声进入使得光 信号随着信号的传输时延而逐渐恶化，因此光信号在光纤中无法无限期的运动下 去，当传输到一定时延后，信号就会低于系统要求的信噪比，而被丢弃。换言之， 实际中，光纤环的缓冲时延是有限的。 光纤环的缓冲结构一般是由光纤环加光开关或者波长转换器组成，这种结构的 最大优点是可以缓冲不同长度的光分组，而且光信号的衰减也小。 基于光纤环和光开关的光缓冲器结构如图2 3 所示，输入采用光耦合器，而输 出采用耦合器。在输入端，将要缓存的分组转换到一特定的波长上去，然后根据 时延，打开对应的光开关。在输出端口采用l 2 的光开关和波导光栅路由器 ( w g r ) ，当需要输出分组时，只要打开w g 】毪就可以，这个结构的特点是能够 同时处理多个分组。 输 入 输 出 图2 3 基于光开关的光缓冲 f i g 2 3b u 彘r sb a s e do ns o ag a t e s 另一种是利用波长转换器来实现光缓冲，结构如图2 4 所示，在输入端，先将 换将缓冲的分组根据需要转换到特定的波长，转换规则为：当需要缓冲一个周期， 则将缓冲分组在进入缓冲器之前转换到丑，环行一周后经解复用器和波长转换器 将分组波长从五变为丑，而五为端口输出波长，同理如果需要缓冲两个周期，则 在输入端将分组的波长转换为丑，以此类推。显然如果要缓冲n 个周期，则需要 n 个波长转换，而缓冲周期由分组在环行中循环的次数决定。这种方式的缓冲， 在循环的过程中，干扰比较少，且不需要留保护带，但是缓冲的时间( 循环的次 数) 由波长转换器决定。 9 图2 4 基于波长转换的光纤环缓冲器 f i g 2 - 4b u 毹r sb a s e do nf i b e 卜o p t i cr i n g 对于各种光纤延迟线的研究还处于研究阶段，f p 腔延迟线是最理想的方式， 但是其缺点使得其无法在实际中应用，目前在主要采用传输型延迟线来实现分组 的缓冲。 2 2 波长转换( t w c ) 利用波长转换解决分组竞争的具体过程是：当输出端口，两个波长相同的分组 发生竞争是，将其中的一个分组的波长转换至输出端口空闲的波长，这样两个分 组以不同的波长同时离开端口，解决了分组竞争，而当多个分组发生分组竞争时， 也可利用波长变换来减少丢包率，如果输出端口有足够的空闲的波长。显然当输 出端口无空闲波长，则仅靠波长转换器无法解决分组竞争。如果和光延迟线( f d l ) 结合利用，则不仅能够有效的解决分组冲突，也可提高f d l 的缓存能力。如图2 5 当两个分组p 1 和p 2 同时五输出到同一端口，如果没有波长转换器，则需要将p 1 和p 2 在两根f d l 中进行缓冲。而如果有波长转换器的话，将其中一个分组的波 长转换为丑，则p l 和p 2 可以同时在同一个f d l 中进行缓冲。 允 p ，卜益丝 2 2 p 2 口 a j 无波长变换 ：蛔玉迅置 p 2 巨互i f i 可 b ) 有波长转换 图2 5 波长转换 f i g 2 - 5w 打e l e n g t lc 0 n v e r s i o n 波长转换器在每个时隙只能进行把信号转换成某一特定的波长，即一次只能转 l o 换一个波长，因此很适合运用于波长信道的选择，比如在w a s p n e t 结构中，反 馈输入端的波长转换器用于选择缓冲长度( 需要延迟的时隙) ，在反馈输出将波长 转换至输出端口空闲的波长，通过a w g 实现波长路由，从a w g 输出到反馈缓冲 或者输出端口处的a w g 的输入。因此波长转换器是实现波长路由的关键器件，而 且在光交换中，也可通过波长转变化实现空闲与忙波长段之间的转换，从而对发 生竞争的分组进行合理的处理。 目前波长转换器主要有两种方式：全范围波长变换和有限范围内的波长变换。 全范围的波长变换能够实现输入输出任意波长的变换，但是实验表明，全波长变 换取决于输入输出段波长的连接以及信号的衰减程度，因此通过有限范围内的波 长变换的叠加实现全波变换。目前全波长变换器有交叉增益调制型、交叉相位调 制型、差分相位调制型和四波混频型等器件，而且这些器件仍处于研究阶段。采 用波长变换器能够实现无时延的分组冲突解决方法，能增加节点的吞吐量，而且 波长转换器的引入，大大减少了光纤延迟的数量。 但是波长变换不足之处在于，全光的波长变换技术还不够成熟，而且实现波长 变换的器件还十分昂贵，而且当输出端口没有空闲波长时，分组竞争将无法得到 解决，因此在实际的应用中，主要是结合光延迟线和波长转换器来实现光缓冲。 2 3 路由偏置 路由偏置的光缓冲解决的过程为：当两个或者两个以上的分组在最短路由的选 择时发生冲突，即同时选用同一最短路由链路，而仅有一个分组可以通过最短路 由链路，另外一个分组得从非最短路由进行传输，从而解决分组冲突。 以图2 6 为例进行说明，从a 、b 两个节点的分组都需要传送至g 节点，显然 两个分组的最短路由均是链路：c d g 。为了避免分组发生冲突，从a 节点来的分 组选择非最短路由c e f g ，这样就避免了再c 节点出发生的分组竞争。显然如果 采用偏置路由的方案，则对于同一源端和目的端，分组所要经过的跳数将不再固 定。不同时刻分组经过不同的路径，由此引入分组的乱序，先发送的分组可能后 到达，在目的端处，分组需要重新排列，这样将在分组头中增加额外的开销，来 说明分组的顺序。而且在网络堵塞的情况下，分组在不停地选择合适的路由来传 输，则会带来很大的时延，显然对于时效性要求高的系统是致命的缺点。 图2 6 基于偏置路由的方案 f i g 2 6a p p l i c a l t i o no fd e f l e c t i o nr o u t i n g 在偏置路由缓冲的研究中，主要集中在具有相同业务的网络拓扑方面。如图 2 7 是两种常见的用来网络性能仿真的拓扑结构，图2 7a ) 为曼哈顿街道网络，是 一种典型的偏置路由网络，具有规则的双连接网络，即在同一节点有两个输入端 口和两个输出端口。在图中，总共有9 个网络节点，分成3 列3 行，通过双向连 接，相邻的行或列为相反的方向，而最后一列以圆柱形返回到第一列，这样分组 就可以在网络中循环，最终分组可以到达目的节点；图2 7b ) 为洗牌网络，每个节 点具有两个输入和输出端口，其节点直接的连接方式如图所示( 省略左右4 个节 点的连接) ，从分组的流向方向可以看出，分组可以在网络中循环传播。 k 、 yv k 、 a y y y k 、qa a l 曼哈顿街道网络b ) 洗牌网络 图2 7 典型的偏置路由网络性能仿真结构 f i g 2 7a r c h i t e c t u r eo ft y p i c a ld e f i e c t i o nr o u t i n gn e t w o r l ( s 在这两种典型的网络中，有3 个参数决定网络性能：1 ) 直径：网络中任意两 节点最大的跳数，这反应网络的紧凑程度；2 ) 偏射开销：由单次偏置所引起的最 大跳数；3 ) 无所谓节点：对于一定目的节点，如果某个节点把它的两条输出链路 都作为最短路径的一部分，则称为无所谓节点。 在偏置路由的光缓冲充分利用现有的网络拓扑结构和软件功能来改变分组的 路由，将全网络作为缓冲。显然在有很少的分组冲突时，只要利用软件来改变分 组的路由即可解决分组竞争，但是当发生冲突的分组较多时，就会有许多的分组 不走最短路径，分组的平均跳数增加，网络的容量被发生偏置的分组占用，对网 络造成了额外的负担，这样网络的利用率就大大降低，尤其是网络堵塞时，引起 较大的丢包率，恶化全网的吞吐量，严重的影响系统的性能。 1 2 2 4 三种技术的比较 现有的光缓冲技术有光延迟线( f d l ) 、波长转换和偏置路由三种方式。 在这三种方式中，光延迟线利用光信号在光纤中的传输实现时域的缓冲，因 为分组在光纤中传输的时间相当于分组被缓冲的时间，与电洲相比较，f d l 无法像电洲一样能够随时存取，而且每个f d l 输出都需要一个交换端口，使 得交换结构变复杂。 利用波长转换的光缓冲，在波长域实现信号的缓冲，这种方式时延较小，但 是波长转换器的成本增加了系统的造价，而且只有在负载较小的时候，波长转换 才能取得比较显著的效果。 利用偏置路由实现光缓冲，在负载的小的时候，通过软件控制实现分组路由 的重新选取，能够解决分组竞争，但是当负载较大时，发生冲突的分组占用其他 的网路节点，网络的利用率下降，而且由于分组的路由不是固定的，在引入较大 的时延和抖动的同时，还将在输出端口引入分组重新排列的问题。 在这三种技术中，光延迟线主要用在核心节点，而波长转换器可根据网络的 配置用于核心节点和边缘节点，路由偏置主要用于拓扑结构。 2 5 本章小结 本章从现有的三种光缓冲技术入手，对光缓冲的基本构成和工作原理进行详细 的阐述，并对这三种的方式进行比较分析。光纤延迟线实现光缓冲的方法比较简 单和容易实现，波长转换可实现无影响时延而降低丢包率，路由偏置从网络拓扑 出发，解决拓扑中最短路由的冲突，而光纤延迟线和波长转换器都可以用于核心 节点处，因此在本文第四章中主要采用f d l 和t w c 相结合的方式来实现光缓冲， 而不采用路由偏置方法。 1 3 3 基于f d l 的光缓冲结构 用光纤延迟线( f d l ) 作为光交换的缓冲器，根据其在交换结构的位置可以概括 为输入缓冲、输出缓冲和反馈共享缓冲三种类型。在输入缓冲结构中，将缓冲放 置于输入端口之前，发生冲突的分组将被传至缓冲结构中，在这种缓冲中采用 f i f o ，这样会造成队首阻塞，即如果在队首的分组的目的端口为n 时，而端口n 被占用，那么队中目的端口是其他n 1 端口的分组也同样被阻塞，这样造成很高 的丢包率，因此在一般的缓冲结构中，主要用输出缓冲和反馈共享缓冲，本章将 对这两种缓冲结构的性能进行研究。 3 1 输出缓冲模型 在输出缓冲模型中，在输出端口进行缓冲，结构如图3 1 。在输出有k 分组长 度的f i f o ( f i r s t n 6 r s t o u t ) 缓冲，如果从输入端口共有k 个分组在一个时隙需要 从某特定的输出端口输出，这k 个分组可以同时传输到同一输出端口，但是由于 每个时隙只能传输一个分组，那么在这k 个分组中只有一个分组可以直接从端口 输出，而其余的k 1 个分组在之后的时隙进行传输。同输入缓冲比较，被传至不同 输出端口的分组之间互不影响，分组的丢包率由到达同一输出端口的分组的决定。 叫k 卜 l z ， ： q 图3 1 输出缓冲模型 f i g 3 - 1m o d e l i n go f o u t p u tq u e u e i n g 3 1 1 输出缓冲模型建模 由于输出端口的分组冲突仅仅由本端口的分组决定，不受其他端口的影响， 因此本节只研究某一个特定的输出端口。定义到达某一个特定输入端口的分组服 从伯努利过程，且分组的目的端口是n 端口是等概率的，则每个输出端口分组的 1 4 到达也是伯努利过程，设定某一时隙内到达输出端口n 的分组为a 个，则同时到 达输出端口n 的分组数为k 的概率以可定义为： q = 尸【么= | j 】= ? ( ，) ( 1 一，) 。 ( 3 1 ) 其中k = 0 ，1 ，2 ，n ，显然当= 时，有 吼叫彳叫= p 一么! ( 3 - 2 ) 定义q 为在m 时隙末端是，在端口n 缓冲中的分组，4 ，l 表示在m 时隙内到达端 口的分组数，则 q = i i l i n ( 粼( o ，绒一l + 以一1 ) ，6 ) ( 3 - 3 ) 当绒一。= 0 ，且厶 0 时，到达分组中，一个分组在m 时隙内被马上从端口输出， 这个分组不经过缓冲直接进行传输。如果= ，6 = a 。，则缓冲中分组的数量绋 可以定义为m d l 的排队模型。然而对于有限的n 和b ，则可定义为有限离散的 m 破o v 链，并且定义它的转移矩阵为：弓= 尸( q = j iq 卅一，= f ) ，根据定义可将忍 的值进行计算， 弓= f = 0 ，= o ； l f 6 ，_ ，= f 一1 1 ，6 1 ，0 f ， ( 3 - 4 ) = 6 ，0 f ； o 其他 兵中吼利用公式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 计算，在缓冲中分组数为f 的概率吼司以直接通 过m a r k o v 链平衡公式得到： g l 廿 q _ l 】_ 吼( 1 咱一叱 肛l( 3 - 5 ) 吼叫q 刮一x o 一唾t 薹2 脚 浯6 ， 铲地= 0 】2 + 车， ( 3 - 7 ) 当q 一。= 0 且厶= 0 ，此时端口n 没有输出分组，那么定义岛为端口n 的吞吐量， 则有 岛= 1 一g o 口o ( 3 8 ) q n +，r1州 口町： 利用这输出端口的吞吐量和分组到达端口n 的速率，可以得出端口n 的丢包率： p r _ 1 一钐 ( 3 - 9 ) 由于来自不同端口的分组在同一时隙请求从同一端口输出，如果分组数目在 两个或者两个以上，为了避免发生冲突，则需要将其中一个直接输出，其余进行 缓冲，这样就造成了分组的延时。分组的时延是指分组在光缓冲中的平均延迟时 间，根据利特尔法则( n el i 砌e sl a w ) 可以得出： 矿：亘：翌 ( 3 1 0 ) 岛l g o 显然对于输出队列，= ，6 = 时，输出排队相当于一个m d 1 排队模型 嘲，因此有 矽= p 2 ( 1 一p ) ( 3 一1 1 ) 下面将根据以上条件和假设对输出缓冲模型进行仿真分析。 3 1 - 2 仿真结果 假定输入端口和输出端口数目为n ，每个输出缓冲最多可以缓冲b 个分组，且 每个输入端口的负载为p ，利用随机事件仿真。首先在不同负载p = 0 8 和p = 0 9 对 不同输入输出( n = 2 、4 、8 、1 6 、3 2 和) 的丢包率进行研究