（通信与信息系统专业论文）obs网络资源竞争解决方案的研究.pdf

摘要 y 8 7 9 9 5 3 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；另一方面，网络业务种类也在不断扩展，视频和音频相结合的多 媒体技术所占的比重越来越大。这些原因使h t c m e t 的流量以指数速度 递增，人们对网络带宽和交换系统容量的需求比以往任何时候都更加迫 切。 现有的光传送主干网上d w d m ( d e n s ew a v d g t i ld i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术的发展满足了h t c m e t 流量的带宽需求。在网络交换 方面，光突发交换( 0 b s ) 技术所具有的全光的、高速的、透明的、按 需分配的波长提供能力正符合未来网络的发展方向。 如何解决o b s 网络资源竞争问题是o b s 技术能否最终走向实际应 用的关键技术之一。本文首先对0 b s 的体系结构进行了全面、系统的 研究。在此基础上，本文对0 b s 的关键技术之一_ o b s 网络资源竞 争问题进行了深入的研究，并利用网络仿真工具实现相应的模块，进行 相应的性能仿真分析，提出多种解决方案的有效融合能解决0 b s 中的 突发冲突问题，改善系统性能。接着，本文对数据信道的几种调度算法 进行了分析。针对o b s 网络普遍采用的j e t 协议中长路由的突发包较 易丢失的问题，本论文介绍了一种改进的波长调度算法，把突发包所预 留的网络资源总量作为它的权重，权重大的突发包可以抢占权重较小的 包预留的波长资源。网络仿真结果表明，该算法可以有效降低长路由的 突发包的丢包率。 关键词：光网络光突发交换突发竞争数据信道调度 a b s t r a c t n 0 w a d a y s ，t l l es c a l eo ft h ei n t e 忙te n i a r g e sr a p i d l y 柚dt h ed 锄a n df o r n e m o r kw i d t hh a sb e s a l l i n gu pt o 卸岫b e l i e v a b l ed c g 嵋e d r a m a t i c a l l y i n c m a s e da m o u n to ft h ew o r l dw i d ew 曲u r sh 删eb r o u 曲tm o i n f 咖a t i o ns e n ，e r so l l l i n c f l l n h 咖o r c ，t h et y p e so ft h en e t w o f ks e r v i c 鹊 h a v e b e 锄l a r g e l yi n c r c 蹴d ，柚d t l l e p r o p o r t i o n o ft h em u l t i m e d i a t e c h o l o 舀e si n t e 掣a t c db yv i d c oa n d 卸d i ob e c o m e sl a r g c r 舢l t h e s e r c a n sh a v em a d ct h ei n t e m e tt m f f i ci n c 陀a s ce x p o n e 埘a lt i m e sp e ry e 鸪 觚dt i i ed e m a i i df o rn e f 啪f kw j d t h 蛐dn c t w o r kc a p 蚓t yb e c o m em o r e u r g e n tt l l a ne v e l n ed 印l o y m e n to fd 、d mt e c h n o l o g yi n e x i s t i n go p t i c a lt r a i l s p o r t n e t 、 r o r km 把t h cb 卸d w i d t hf e q u ir c ：m e n to fi i l t e m e t 讯d 五c w h e nr e l a t e d t on e t w o r ks 诵t c h i n 舀o p t i c a lb u r s ts w i t 曲_ i n go 妇f c 璐a l l - 叩t i c a l ，h i 曲一s p e e d d a t ar a t c ，f o 】m a t 仃j m s p a m n ts w i t c h i l l 舀w h i c ha r ee s s 部舡a lc h 盯a c t e r i s t i c s 舱e d c dt o 锄p p o r tf l l t i i r e e t w o r k ss u p p o n i n gd i 虢r e n td a 鼹e so fd a t a w ed e c p l yr e a r c ho n ck e yt e c h l o g ya b o u to b s ：( b n t t i r e s o l u t i o ni no p t i c a lb u r s ts w i t c h 吨n e m o r k ，f o rt h i st o p i ci sp i v o t a lt o o b s 咖e r c i a l 印p l i c a l i 咖f i r s t ，t h i st h e s i sm a d ca m p r c h e n s i v e 柚d s y s t e m a t i c 础a i c ho nt h e 砌i t e c t i l r co f 叩t i c a lb 吼s w i t c h i l l g b a s e do n t h i sr e s e 砌，w ed oad e 印i e s e a i c ha b o u te x i s t i n gc t e n t i o nr e s o l u t i o n s c h e m e s ，柚dt l i e np e f f 咖s i m u l a t i o n 锄a l y s i s ；t b er e s u l ts h o w st h a t m b i n e d h e m c sc a l is o l v eo b so t e n t i o n ， i m p r o v e t h es y s t e m c a p a b i l i t y 皿e n ，w e 缸a l y z cs e v e m ld a t as c h e d u l i n ga l g o r i t l l l i i s b 觞e do n c x i s t i n gm e m t u r c ，蛆i l n p i o v e dw a v e l e n g t l ls c h e d u l i n ga l g 耐毫l i m i sp u t f o r w a r d 1 t 舀v e sp r i o r i t yw e i g h tt ot h eb 隅t sw i t hm o n e t w o r kr e s o u r c c s n w h i c ht h c yh w ea l r e a d yr c e d 1 1 l eb 璐tw h i c hh 雒b i g g e r 州o r i t y w e i g h tc 鼬r o bt l l ew a v e l c n g 山r c s o u r c cr e e df o rt l l eb u r s tw h i c hh a s s m a l l c rp r i 州t yw e i g h t t h es i m u l a t i o nr c s u l bs h o wt h a ti t nr c m a r k a b l y 心d u c ct h eb l o c l 【i n gp f o b a b i l i t yw i m m u l t i h o pb u r s t s 1 【e y w o r d ：0 p t i c a ln e 细o r ko p t 妇lb u f s ts w i t c h c o n t c n t i o nr 鹤o l u t i o nd a 乜c h a n n e ls c h e d u l ea l g o r i t h m 北京交通大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 互联网的不断发展壮大和各种新兴业务的出现，如各种多媒体网 页、多媒体游戏、多媒体会议、电子商务等，使i i l t e m e t 业务呈指数增 长。由于h t e m c t 业务的多样性和多变性，传统的核心交换网络已经不 适应互联网不断发展的需要。这种形势促使研究者们加快对波分复用 ( w d m ) 传输和全光交换技术深入研究，以适应k t e m e t 流量的爆炸式 增长、业务的多样性和业务突发性。 如何提升网络带宽、网络速度、高速i p 路由处理技术以及进一步 扩展网上运行的业务种类和网络的服务质量就成为人们目前迫切关注 的问题。 按照时分复用( 1 r i ) m ：t i m ed i v 汹o nm u l t i p l e x i n g ) 的同步数字系 列( s d h ：s y n c h m n o u sd j g i t a lh i e m r c h y ) ，数字速率为1 0g b p s ，即一 根光纤上一个光载波受调制而传送的数字速率1 0g b p s 。随着波分复用 ( w d m ：w h v e l 胁g t hd i v i s i o nm u n i p l e x i i l g ) 和密集波分复用( d w d m ： d e n s ew 打c l e n g t l ld i v i s i m u n i p l 眈i n g ) 技术的应用，光纤的传输容量 远远高于t 叫的数字速率1 0g b p s ，即一根单模光纤在波长1 5 5 0 姗窗 口能够同时传输几十路或几百路甚至上千路的光载波，有实验报道光纤 的传输容量已经达到1 0n p s ( s + c + l 波段) 【”。因此，可以得出： w d m 是发掘利用光纤巨大潜在容量的利器，未来通信网的传输线路肯 定是越来越多地采用w d m ，并且越来越多的路数可同时传输。这对于 扩大通信网容量，适应通信业务量的快速增长非常有利。采用w d m 来 北京交通大学硕士学位论文 扩大容量是符合经济节约原则的，当通信业务量增加1 0 0 倍时，一根光 纤采用1 0 0 路w d m 系统，比敷设1 0 0 根光纤、每根光纤只传送一路光 载波的方案要经济得多。w d m 将是适应通信业务快速发展和扩大通信 网容量的最佳选择。而且，由于w d m 的经济性，直接降低了用户支付 资费，用户更加愿意使用通信业务，从而进一步促使通信网扩大带宽容 量。 如前所述，光纤传输已经不是问题，但作为光信息转发的路由和控 制节点是当前光网络的瓶颈。由以上分析可以看出，光传输和电处理节 点已经严重失调，因此很有必要研究全光的光交换技术。 针对于此，近年来，人们提出了一种新的光交换技术一光突发交换 ( o b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n 砂技术，它致力于解决通信网络中的节点 瓶颈的问题。o b s 之所以迅速得到国内外学者们的广泛关注，是因为 它克服了光路交换( 0 c s ：0 p t i c a lc i r c i i i ts w i t c h i n g ) 粒度大、不灵活、 效率低和光分组交换( o p s ：o p l i c a lp a c k c ts w i t c h i n g ) 对光器件要求高、 难以实现的缺点，同时兼顾它们的优点：具有带宽效率高、吞吐量高、 易于实现等优点。o b s 采用光突发( 多个包会聚在一起，其持续时间 一般在几十胆到几百胛，甚至可以达到几个m s ) 作为交换单位，其粒 度介于o c s 的一个波长与o p s 的一个光分组之间。因此0 b s 是目前 的光网络技术的研究热点，具有巨大的发展潜力。在e e 】、0 f c 【4 捌、 e c o c 【6 ，、g l o b e c o m 【8 9 l 等著名国际期刊和会议都有一些的文献对此进 行研究。 2 北京交通大学硕士学位论文 1 2o b s 研究背景 1 2 1 光网络的发展 随着s d h 的出现，标志着现代光网络的兴起，并随着光器件的发 展和h t e m e t 不断增长的业务的驱动，光网络得到了飞速的发展。光网 络主要经历了如下几个发展阶段。 同步数字体系： 1 9 8 4 年美国贝尔通信研究所提出了同步光网络( s o n l 汀： s ) m c h m n o u s0 脚ln e t w o r k ) 的概念，后来r r u t 的前身c c r r r 将其 发展成为同步数字体系( s d h ：s y n c h m n 叫sd i 舀t a lh i e 埘吐y ) ，使之 成为一种有机的结合了高速大容量光纤传输技术和网络管理控制技术 的新体制，建立了世界性的统一标准。s d 临o n e t 开始在全世界范围 内进入建设高潮，这标志着现代光网络的兴起。 s d 粥o n e t 统一了北美、日本和欧洲三个地区性标准，各种数字 传送信号在s 1 m 1 等级以上获得统一，使国际电信互通成为可能。由 于s d h s o n e t 电信传送采用了同步复用方式和灵活的映射结构，可以 利用软件实现高阶信号与低阶支路信号之间所谓的异步复用，上下业务 十分容易，大大简化了交叉连接设备。s d h ，s o 阳t 还采用了标准的光 接口，代替了大量电接口，节省了网络投资，提高了网络性能，可实现 多厂家设备互联，便于组成复杂的网络。此外，由于s d h s 0 n e t 帧结 构中安排了大约占总信号5 的开销比特，极大地加强了网络的运行、 管理和维护( o a m ：o p e 豫t i o n ，a d m i n i s t r a t i o n 柚dm a i n t e 啪c e ) 能力。 正因为上述优点，s d h s o n e t 出现后很快成为长途传送网上的主要技 术。 3 北京交通大学硕士学位论文 虽然s d 媚0 悯t 已成为世界各地的网络基础，其它网络往往架构 在它之上，但是，光信号在s d i i s 0 n e t 中主要起传输媒介的作用，控 制管理信令处理都是通过电域完成的，这不仅要求增加光电、电光 变换设备，而且增加了开销处理时间。此外，光电转换抵消了光传输 带来的信息透明性的优点，而且随着网络规模的扩大，s d i 璐o m 汀开 销也不再充裕，多级复用还造成带宽利用率低的缺点。更为熏要的是， 随着业务的增长，s o n l 玎s d h 难以跟上数据业务高速发展的步伐，既 不便于支持数据业务格式，又有容量匮乏之虞。总之，s d w s o n l 玎的 不足已充分表露出来，光网络有进一步发展的迫切要求。 波分复用： 随着数据通信的迅速发展，特别是i n t e m e t 业务量呈爆炸性增长，对 数据传输网带宽的需求越来越高，这种传输网信息容量需求的快速增长， 带来的直接后果是所谓的“光纤耗尽”的现象，即现有的光纤通信系统出 现了负载能力接近饱和的情况，网络扩容问题首先提上了议事日程。 网络扩容的复用技术包括波分复用( w d m ：w 瓶l e n g t i ld i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 、时分复用( t d m ：砸m ed i v i s i 咖m u l 石p l e x i n g ) 、码分复 用( c d m ：c o d cd i v i s i o m u l 却l e x i n g ) 。其中，t d m 和c d m 对电子 器件的要求很高，目前还没有成熟的商业化产品，而在w d m 中，电子 设备的速率只需是一个波长信道的速率即可，而且随着掺铒光纤放大器 ( e d f a ：e r b i u m d 0 p c df i b 盯a m p l i f e r ) 的发明和使用，w d m 在上世 纪的9 0 年代中期以后迅速走向成熟并进入商业化应用。 所谓w d m 【1 0 1 1 l 技术，就是在单一光纤内同时传输多个不同波长的 光波，让数据传输速度和容量获得倍增。它充分利用单模光纤的低损耗 区的巨大带宽资源，采用复用器，在发送端将不同的波长的光载波进行 4 北京交通大学硕士学位论文 合并，然后传入单模光纤，在接收端再由解复用器将不同波长的光载波 分开。w 删系统构成示意图如图1 1 所示。 图1 - l 舳m 系统构成不意图 波分复用技术的突出优点在于充分利用了光纤的带宽资源，增加了 系统的传输容量，而且还能提高系统的经济效益。 当然，目前的w d m 还以点到点的方式为主，无法实现灵活的网络 互联，可以说只提供了“原始”的传输带宽。而且，在w d m 网络的每 个电节点中，光信号都要转换成电信号进行电处理，由于电子节点的处 理负担过重，限制了网络节点的吞吐量。因此需一种光处理技术，解决 光网络节点瓶颈的问题。 光传送网： d i n ( o p t i c a lt r 孤s p o nn e 押o r k ) 从功能上看，它的出发点是子网 内全光透明，而在子网边界处采用o ，e 0 技术，这与w d m 系统有很 大的区别，w d m 系统只采用线路系统传输技术，不涉及到组网技术。 o i n 在光域内可以实现业务信号的传送、复用、路由选择、监控，并 保证其性能指标和生存性。它能够支持各种上层技术，是适应各种通信 网络演进的理想基础传送网络。 o i n 【1 2 1 4 】是从网络功能和重要特征的角度提出的，它不限制具体的 实现技术。w d m 、光时分复用( 0 t d m ：o p t i c a l 砸m ed i v j s i o n m u l t i p i c x i l i g ) 、光码分复用( o c d m ：o p d c a ic o d cd i v i s i o nm u l t i p l e x i i l g ) 5 北京交通大学硕士学位论文 等各种复用技术都可以用于0 t n 。由于w d m 技术的突破性进展，基 于w d m 的0 1 附最具有发展前景。w d m 光传送网用光波长作为最基 本的交换单元，客户信号以波长为单位来完成传送、复用、路由和管理 的。 当前0 1 n 正面临i n t c m c t 业务爆炸性增长带来的前所未有的挑战。 数据业务带来如突发性、多变性、多样性和不对称性等问题，0 1 附不仅 要解决带宽问题，更需要具有灵活提供带宽的能力。这需要引入光交叉 连接器( o x c ：o p t j c a lc 幻鼯c o n f c c t i o n c r ) 和分叉复用器( o a d m ：0 p t i c a l a d dd m pm u l t i p l e x i g ) 等设备，将传统的点到点的光网络逐渐演进成高 效的网状结构。如何更好的适应数据业务传输的需要，是0 1 附广泛应用 的关键。但随着业务量的增长和业务特性的变化，在带宽灵活地、有效 地提供等方面，0 1 n 存在一些不足。 l p o v e r w d m ： i p 技术具有众多优点：简单、灵活、控制粒度细、可扩展性好、 极具智能性等。最重要的是，随着i t 锄e t 业务的爆炸性增长，传统网 络在向多业务网络方向发展，而综合近几年的网络发展趋势来看，i p 成为适合于各种业务的首选技术。口与光网络的融合可实现优势互补： 结合光层和i p 层的路由功能，能提供动态的波长路由；结合光层的保 护和i p 层的恢复功能，能提供多种保护恢复方案，提高网络生存性； i p 智能控制协议丰富，标准化程度高，又有多年实践经验等等。而在 光网络中，w d m 技术提供了巨大的带宽，已经无可争议的成为骨干网 络中最为主要的传输技术。显然，i p d v e r w d m 势在必行。 i p0 v e rw d m 也就是所说的光因特网，它可以直接在光层传输i p 分组，中间不经过删层和s o n e l y s d h 层，是一个真正链路层数据 6 北京交通大学硕士学位论文 网，可以充分利用光线的带宽资源。i p o v e r w d m 由于没有中间层，被 认为是下一代h i t e m e t 的最有前途的解决方案。从图1 2 可以看出，由 于中间省略了a 1 m 层和s d h 层，它能充分利用带宽资源，在i p 层与 光层之间实现流量工程、保护恢复、q o s 和网络管理等优化配置，整个 网络体系结构简单而高效。在坤与w d m 之间的中间层，如m p l s ( m l l l t i p r o t o c o ll a b ds w i t c l i i n g ) 、o b s 、o p s 等，还有待研究与完善。 i po v c rw d m 技术将伴随新型网络控制协议的完善和多波长光网 络技术的进步而不断发展。i p 0 v e r w d m 网络模型为面向数据业务的光 网络发展提供了很好的思路。 电话图像数据 l p a t m 层 s d h 层 w d m 层( o p t j c 山) 电话图像数据 i p s d h 层 w d m 层( 唧t i 浏) 协议栈的发展 电话图像数据 i p 舢p l so ro b s o r o p s w d m 层( o 州c a l ) 自动交换光网络： 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 e do o t i c a ln e t w o r k ) 在 i t u t 的文献中定义为“通过能提供自动发现和动态连接建立功能的分 布式( 或部分分布式) 控制平面，在0 1 【n 或s d h 网络之上，可实现动 态的、基于信令和策略驱动控制的一种网络”。a s o n 是能够智能化的 自动完成光网络交换连接功能的新一代光传送网【1 5 i 。所谓自动交换连接 是指：在网络资源和拓扑结构的自动发现的基础上，调用动态智能选路 算法，通过分布式信令处理和交互，建立端到端的按需连接，同时提供 可行可靠的保护恢复机制，实现赦障情况下连接的自动重构。 7 北京交通大学硕士学位论文 相对于传统网络，a s o n 引入了一定的智能，使得业务的提供更加 灵活、快捷。但随着h t c m e t 业务量的增加和业务多样性和突发性的加 剧，在带宽利用效率和带宽灵活提供等方面，基于光路交换的a s o n 还是有些力不从心。因此，有必要研究一些新的组网技术，如o b s 、 o p s 等。 下一代光网络的发展趋势： 近年来，随着互联网的迅猛发展，p 业务呈现爆炸式增长。预测 表明，i p 将承载包括语音、图像、数据等在内的多种业务，构成未来 信息网络的基础。同时以w d m 为核心、以智能化光网络为目标的光传 送网进一步将控制信令引入光层，满足了未来网络对多粒度信息交换的 需求，提高了资源利用率和组网应用的灵活性，因此如何构建能够有效 支持i p 业务的下一代光网络已成为人们广泛关注的热点之一。 与传统的业务类型相比，i p 业务具有显著的自相似性、收发数据 不对称性和服务器拥塞等特点，因此对承载的光网络而言，下一步面临 的主要问题不仅仅是要求超大容量和宽带接入等明显需求，还需要光层 能够提供更高的智能性和在光节点上实现光交换，其目的是通过光层和 l p 层的适配与融合，建立一个经济高效、灵活扩展和支持业务服务质 量( q o s ：q u a l i i y o f s e i ) 等的光网络，满足口业务对信息传输与交 换系统的要求。 随着业务需求的不断增长和技术的发展，o b s 与0 p s 将逐步发展 起来，为更灵活、更有效的光网络提供解决方案，如图1 3 所示。 8 北京交通大学硕士学位论文 料蚋 图1 - 3 光网络的发展趋势 由于o p s 技术对光器件的要求太高，目前还难以实现，因此，国 内外的学者将研究重点转移到0 b s 上。o b s 技术有望成为下一代光网 络的核心交换技术。因此本文对o b s 的研究具有很重要的理论意义和 现实意义。 1 2 20 b s 发展与研究现状 o b s ( o p l i c a lb u r s ts 晰t c h ) 作为一种交换方式，早在2 0 世纪8 0 年代初就已提出【1 6 1 。光突发交换概念当时并没有像电路交换与分组交换 那样得到普及，原因是提出突发交换的时候，无论电话网还是数据网， 技术已经成熟，没有必要以突发为单位来处理话音或数据，改变整个网 络。在o b s 网络中，中间节点无需任何光r a m ，突发数据的传输是通 过与它相对应的控制分组( b c p ：b u 塔tc ( m t r o lp a d r c t ) 预罄资源来完 成的，突发数据分组在中间节点直通，无需存储。而在光分组交换中， 突发数据在中间节点存储一转发。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( 胁：e n dt 0e n d ) 延 9 北京交通大学硕士学位论文 时相对较少，因为偏置时间远小于波长路由中建立波长通道的时间。 o b s 作为一种介于光、电之间的过渡交换技术，对于解决目前速率瓶 颈问题是一种非常理想的方案。 在0 b s 中，突发控制分组( b c p ：b u r s tc o n 仃o lp a c k e t ) 在每一个 突发数据分组( b d p ：b u r s td a t ap a c k e t ) 发送之前发送，它通知该b d p 要通过的中间节点在预定的时段内为该分组预留资源( 带宽) 。如果预 留失败，该b d p 被丢弃或使用偏转路由送到其它节点。当前资源预留 方式是根据突发分组结束指示和资源分配时间来区分的，主要有三种： 第一种方式叫做充分时间协议( j 1 1 r ：j u s t h t i m e ) ，b c p 信令中不包含 b d p 长度信息，资源的释放由专门的b c p 来决定，这种方式复杂性最 低，但效率不高；第二种方式叫做预留有限周期( r l d ：r e s e r v ea 【j m i t e d d u m t i 彻) ，b c p 中包含b d p 长度信息，这种方式复杂性中等，效率很 高；第三种叫做预留固定周期( r f d ：r c s e n ，eaf i x e dd u r a t i o n ) ，也叫 做恰量时间协议( j e t ：j u s te n o u g h m c ) ，它通过b d p 的开始预留时 间和结束预留时间来预留资源，与r l d 不同的是，它可以通过对预留 时间的设置实现突发分组的q o s ，这种方式复杂性最高。从已有的分析 看，在实现o b s 时，如果不计划支持q o s ，可以采用第二种方式，否 则采用第三种方式。 总的说来，由于0 b s 技术的研究近几年才开始，还有很多理论与 技术不成熟，比如q o s 支持、资源的预留与调度、突发会聚等关键技 术，还没有达成统一的共识，需要进一步研究。o b s 相关理论还不成 熟，有关的标准建议还一片空白，需要加大力度研究。另外，用于o b s 的光器件发展尚不完全成熟，适合于o b s 的光器件基本都处理实验阶 段，没有商用化。但是，通信发展的大趋势和强大的市场吸引力仍然促 北京交通大学硕士学位论文 使国外各大研究机构开始关注o b s 。 1 3 本论文完成的主要工作 本论文的工作主要包括如下几个方面： 对衄s 的基本工作原理、体系结构和控制协议进行了研究。在对 o b s 的控制协议进行探讨时，提出j e t 具有较好的性能。 对0 b s 网络资源竞争解决方案( 如波长转换、光缓存等) 进行深 入研究，并利用网络仿真工具实现相应的模块，进行相关的性能仿真分 析。给出了各种竞争解决方案的基本原理、仿真分析以及优缺点。并提 出将多种技术有效地融合起来，来解决0 b s 中的突发冲突问题，改善 系统性能，论证了此方案的可行性。 在上述基础上，进一步讨论利用数据信道调度算法来解决资源竞争的 问题。分析了几种资源调度方法：u 山c 、u w c v f 、轮询算法和最少 波长转换算法。比较得出u w c 一是一种性价比佳的调度算法。在探 讨改善o b s 网络性能时，介绍了一种改进的波长调度算法，并利用网络 仿真工具实现相应的模块，进行相关的性能仿真分析和验证。仿真结果 表明，通过给多跳数的包增加适当的权重，使得它可以抢占权重较小的 包预留的波长资源，能有效地提高0 b s 网络的公平性。另外，由于选择 了合适的权重算法，还降低了考虑突发包长度的加权全网丢包率。 1 4 本章小结 本章主要分析了o b s 的研究背景和研究意义，论证了研究0 b s 技 术的关键性和重要性。最后，介绍了本论文的主要工作。 1 1 北京交通大学硕士学位论文 第二章0 b s 网络体系结构分析 2 1 光突发交换技术概述 2 1 1o b s 的提出 目前，光路光交换( o c s ：o p t i c a lc i r c i l i ts 岍t c h i n g ) 研究的比较 多，相对比较成熟；光分组交换( 0 p s ：0 p t i c a l p a c k c t s w i t c h i n g ) 由于 缺乏高速光逻辑器件、光缓存存储器等，还处于研究阶段。 o c s 是以波长路由的方式出现的，w d m 网络需要为每一个连接请 求建立一条从源节点到宿节点的光路( 每一个链路上均需要分配一个专 用波长) 。o c s 是采用基于类似t e l l a n d w 越t 或者加m 网络中的具有 延迟传输特性的块传输( a b t - d t ：a t mb l o c kt f a n s f c rw i t hd e l a v t r a n s m i s s i ) 的双向预留机制，即源节点发出连接建立请求的b c p ， 当有确认消息后再发送数据，数据可以以直通( c u t t h l o u g l l ) 方式通过 网络中间节点。也就是说，数据的传输至少要等待一个端到端的往返时 间( r t t ：r o i l i l d 删p 砸m e ) ，这种交换机制特别适合需要高速度、高 带宽的业务，同时该业务生存时间相对于连接建立时间足够长。此外， 从连接的建立到连接的拆除，该端到端的波长通路被此次连接业务所独 占，不能被其它数据业务所共享。然而对于突发业务，这种交换机制将 导致极低的带宽利用率。h t 锄c t 网络中业务大多是突发性的自相似业 务，因此在业务节点间对提供波长为粒度的光路效率不高。此外，由于 每个链路的波长数目有限，因此某一时刻只能存在有限条光路，对于某 些节点问的业务不可能建立端到端的光通路。 0 p s 的典型特点是“存储一转发”，一般不需要建立连接，采用单 1 2 北京交通大学硕士学位论文 向预约机制。o p s 是一种细粒度的交换机制，由于它允许统计复用网络 通道带宽资源等，因此特别适合突发的数据业务。分组净荷紧跟分组头 后，在相同的光路中传输，网络中间节点需要缓存净荷，等待分组头的 处理，以确定路由。由于目前还没有高速的光逻辑器件，分组头的处理 仍需要进行光电转换后处理，然后进行电光转换。然而由于在光域不 存在类似电域的随机访问存储器( r a m ：r 柚d o m a c c e 鹞m e m o r v ) ，只 能使用光纤延迟线( f d l - f i b e rd e l a yu ) 使数据延迟有限的时间。 由于要区分分组头、分组结束标识等，还需要解决0 p s 中的同步问题。 此外，还需要考虑分组净荷长度问题，考虑到光网络通道的高带宽，小 的分组净荷长度将导致相对较高的控制开销。 鉴于o c s 的不灵活、带宽利用率低和o p s 的技术难度大、难于实 现的问题，为了克服交换中的电子瓶颈问题以及提高带宽利用率， c l l u 砌i n gq i a o l 3 】和j s t u m e r f l 7 1 提出了o b s ，以满足突发性、多样性 的业务日益增长的需求。0 b s 是一种折衷的方案，融合了o p s 和o c s 的优点，又克服了它们的缺点，是一种很有发展潜力的交换模式。 光交换模式带宽牵懒攀接续时延光缓存开铺 实现滩度 适戍饿 o c s 低高不需要低低弱 0 p s高低需要高高强 o 璐高 低不需要低 中 强 表2 1 0 c s 、o p s 、o b s 的比较 本质上，o b s 为光层无缓存的透明传输。然而，到目前为止，还 没有一个o b s 的通用定义。d o l z e r 等【1 8 l 对0 b s 广泛接受的特性进行了 归纳： 粒度：0 b s 传输单元的大小介于光路交换和光分组交换之间。 北京变通大学硕士学位论文 控制与信道分离：控制信息在分离的波长( 或信道) 上传输。 单向预留：采用单向预留的方式分配资源。也就是说，源节点在开 始发送b d p 之前，不需要等待从目的节点的回应消息。 变长突发：b d p 的长度是可变的。 无光缓存：在光网络中的中间节点不需要光缓存。突发在经过中间 节点时没有任何延迟。 根据o b s 的一些特点，将o b s 定义归纳如下： o b s 是一种光交换技术，它以光突发为交换单位，通过在单独的 信道( 一般是单独的波长) 中提前发送控制消息，以便预留其相应的 b d p 所需的资源，后续核心节点在电域或光域处理控制消息，并试图 预留并配置相关资源，而b d p 一般不需要等待确认消息，通过事先配 置好的链路，透明( 全光) 地到达目的节点，它所途经的中间节点不需 要对它作任何的识别或相关处理，只需将其按预先配置的信息进行波长 转换、延迟，其中b d p 是在入口边缘节点由多个具有相同特性的分组 ( 如相同的目的o b s 节点地址或服务等级) 会聚而成，并在出口边缘 节点完成解会聚。 下面对o b s 的原理、网络体系结构和控制协议进行详细论述。 2 1 20 b s 基本原理和特点 o b s 的基本思想是0 c s 与0 p s 的结合，可看作是兼顾o c s 与o p s 优点的折衷方案。它的交换粒度介于上述二者之间( 为微秒量级) ，是多 个分组的集合，称为突发( b u r s t ) 。因为0 b s 的交换颗粒较粗，因而处 理开销大为减少。同时，o b s 克服了这两种交换方式的不足，在较低的 光子器件要求下，实现了面向i p 的突发业务的快速资源分配和高资源利 1 4 北京交通大学硕士学位论文 用率，因此能有效地支持上层协议或高层用户的突发业务。 在一般的o b s 网络中，每一根光纤中有多个波长用于数据通路，一 个波长则用作控制通路。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 i c e ) 要求的i p 分组、删信元、砌) 1 v 帧等组成。在传 送突发时，在控制通路传送提前的b c p ，确定b d p 连向哪一根输出光 纤、波长等控制信息。b c p 中的控制信息一般通过电域处理，而b d p 不需光电、电光转换和电路由器的转发，直接在端到端的透明传输信 道中传输。b c p 在w d m 传输链路中的某一特定信道中传送，每一个突 发的b d p 对应于一个b c p ，并且b c p 先于b d p 传送，通过“数据报” 或“虚电路”路由模式指定路由器分配空闲信道，实现数据信道的带宽 资源动态分配。源节点不需要等待目的节点的确认在这条通路上所有资 源都已经建立。o b s 源节点在发送b c p 后的一段时间后，立即发送b d p 。 上述的时间隔就称为偏置时间，它是指b c p 的第1 b i t 时间与b d p 的第 1 b i t 时间之差。b c p 中携带了b d p 有关的信息，包括偏置时间的大小、 b d p 的长度、优先级、目的0 b s 节点等。b c p 的目的是通知与其对应 b d p 途经的中间节点，在一定偏置时间后，即将有一个b d p 到达，并 请求预留资源，以便这些中间节点进行路由判决、交换结构配置，并在 b d p 持续的周期内，将b d p 传送到相应的端口。数据信道与控制信道 的隔离简化了b d p 交换的处理，且b c p 长度非常短，因此使高速处理 得以实现。同时由于b c p 和b d p 是通过b c p 中含有的可“重置”的时 延信息相联系的，传输过程中可以根据链路的实际状况用电子处理对控 制信元作调整，因此b c p 和信号分组都不需要光同步。可以看出，这种 路由器充分发挥了现有的光子技术和电子技术的特长，实现成本相对较 北京交通大学硕士学位论文 低。 由于在突发流传送前，连接并不建立，在控制信息分组经过的节点 中，有可能无法预留资源，此时b d p 可能被丢弃。为了减少丢包，可利 用光缓存、波长转换、偏转路由等手段来解决丢包的问题，对于时延允 许的业务( 如数据业务) ，可以通过上层重传来解决丢包问题，只要重传 的比例不大，几乎不影响系统的吞吐量等性能。 2 1 3 s 结构 图2 1 0 b s 网络模型 图2 1 所示是一个0 b s 网络的基本拓扑结构，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。在o b s 网络入口的边缘路由器处，入口边缘路由器按照 i p 分组的目地地址和服务等级( c o s ：c l a s so f s e r v i c e ) 等信息，对i p 分组进行分类、缓存和封装，组合成突发数据包b d p ，并产生相应的 b c p ，然后发送给与之最邻近的光核心路由器。核心路由器根据b c p 1 6 北京交通大学硕士学位论文 的路由信息，对到达的b d p 进行交换。在o b s 网络的出口处，出口边 缘路由器将b d p 拆装还原成原来的口分组，并将其发送到网络的下一 跳( h o p ：即节点) ：其它子网或终端用户。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 “e t h 锄e t ，p a c k c lo v c r s o n e t ( p o s ) ，口恼n t 等) ，使之可以和其它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 ls w i t c h i n gm a t r i 】【) 和交换控制 单元( s w i 自c hc o n t f o lu n j t ) 组成。 图2 _ 2w d m 链路上的b d p 及其对应b c p 的传输示意图 b u r s t 由b d p 和b c 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 d p 在0 b s 网中的交换传输完全在光 域内完成，不需要进行0 怛、e o 的转换；b d p 是由一些i p 分组组成的， 这些口分组可以是来自传统l p 网中不同的电口路由器。而b c p 在独立 于数据通道的光信道中传输，每个b d p 对应于一个b c p ，b c p 中包含 该b d p 传输交换所必需的控制信息，如b d p 的长度、偏置时间等。0 b s 主干网的每一跳的交换控制单元根据这些信息来配置光交换矩阵，以便 在光域交换b d p 。源节点需要设置b c p 与b d p 的偏置时间t ，即b c p 与相应的b d p 的出发时间间隔。通过设置恰当的时间间隔，可以保证一 1 7 北京交通大学硕士学位论文 定的q o s ，并且不需要光存储和执行光同步。b c p 在中间节点需要进行 光电转换，在电域内进行路由判断，保证b d p 在偏置时间内完全在光域 内完成交换传输。b d p 和b c p 独立传输和交换不仅有助于对b c p 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b d p 。在w d m 系统中，b c p 占用一个波长或者几 个波长，b d p 占用其它波长：对于多光纤系统也可以是b c p 占用一根光 纤或其中的几个波长，而其它光纤用于b d p 的传输。 本文用信道( c h 柚n c l ) 来表示两个相邻路由器问的某种单向传输能 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b d p 的称为数据信道，传输b c p 的称为控制信道。信道组( c h a l l n e l g 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 表两个路由器闻的整体传输能力。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 1 0 u p ) 和一个控制信道组( c c g ：c o n t r o lc h a n n e l g r o u p ) 组成( 如图2 - 3 所示) 。d c g 和o 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。 c o r e d c g ：d a t ac l i a 蛐e lg r o u p c c g ：c o r i 衲lc h a 舳e lg m u p 图2 _ 3 0 b s 网络中的b u r s i 传输 1 8 北京交通大学硕士学位论文 图2 2 所示的b u r s t 偏置时间t 的初始值to 由入口边缘路由器设置， 每个b u r s t 的偏置时间既可以相同也可以不同，b l l r s t 偏置时间的功能