（信号与信息处理专业论文）基于gmpls的obs光层组播技术与实现的研究.pdf

摘要 摘要 光突发交换( o b s ) 作为一种实现i f o v e r w d m 的光交换技术，结合了波长 路由交换( o c s ) 和光分组交换( o p s ) 的优点，同时也克服了二者的不足，能提 供更有效的波长统计复用和资源预留机制，已引起了国内外众多研究机构的关注。 另一方面，i p 组播应用日趋广泛，尤其是不少的组播应用( 如：电视会议、视频 点播、分布式存储等) 带宽需求高、实时性强。在当前，将组播技术从电域向光 域延伸( 即光组播技术) 具有重要的现实意义，这种延伸一方面可使当前网络突 破“电子瓶颈”效应带来的带宽限制，另一方面可使光突发交换网络同目前i p 网 络一样，也能灵活、高效地支持这类高带宽、实时性组播应用。因此自然地，o b s 网络中的光层组播技术成为光互联网领域中的一个研究热点。 从目前o b s 光层组播技术的研究现状来看，以下两个方面进展较缓慢，而且 研究欠深入，更重要的是它们是光层组播技术的关键所在。一是o b s 光层组播的 实现体系结构；二是光层组播树的构建与管理。结合以上两方面技术发展的需求， 借鉴在o b s 网络中引入通用多协议标签交换( g m p l s ) 的思想，本文研究了基于 g m p l s 的o b s 组播节点功能机制，并在o p n e t 中 发了节点仿真模型，对其进 行了功能和性能上的仿真验证。主要内容包括： 1 、在分析o b s 交换机制和网络特性的基础上，改进了基于g m p l s 的o b s 交换结构，得到了支持组播的o b s ( m u l t i c a s t a w a r eo b s ) 边缘节点与核心节点的 功能模型。 2 、分析了m u l t i c a s t a w a r eo b s 节点模型支持组播的工作机理，研究在数据流 驱动下组播标签分配机制、组播l s p 的映射和光层组播树( 1 i g h t t r e e ) 的建立。 3 、在o p n e tm o d e l e r 中设计并开发了m u l t i c a s t a w a r eo b s 节点仿真模块， 并以该模块为基础，进行o b s 组播功能仿真与性能仿真( 包括光层组播树的建立 时间和o b s 组播的链路利用率) 。仿真结果表明o b s 组播具有较快的光组播树建 立时间和较高的链路利用率。 4 、研究了链路故障下的o b s 组播业务保护问题。改进了m p l s 快速重路由 算法以支持o b s 组播的链路保护，仿真结果表明算法能为o b s 组播提供快速链路 切换保护。 总体上看，本论文的主要贡献点如下： 摘要 1 、对支持组播的o b s 节点功能模型进行了探索性研究，该模型基于g m p l s 控制；在数据流驱动下建立光树，支持o b s 机制下光层组播树的构建与动态维护。 2 、在仿真实验中建立了通用的、可扩展的o b s 组播节点模块，为后续研究 提供了一个实用的仿真平台。 关键词：光突发交换，g m p l s ，组播，光树 i i a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l yr e g a r d e da sav i a b l es w i t c h i n gt e c h n o l o g yt ot r a n s p o r ti pt r a f f i cd i r e c t l y o v e rw d m n e t w o r k s ，o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) h a sr e c e i v e dal o to fa t t e n t i o n s b e c a u s ei tc o m b i n e st h eb e n e f i t so fo p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) a n do p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ( o p s ) ，a n do v e r c o m e st h e i rs h o r t c o m i n g s ，i sm o r ee f f i c i e n ti nt h eb a n d w i d t h s t a t i s t i c a lm u l t i p l e x i n g ，a n dt h er e s e r v a t i o ns c h e m e m e a n w h i l e ，m u l t i c a s t ( a sag r o u p c o m m u n i c a t i o ns c h e m ef r o mas o u r c et oas e to fd e s t i n a t i o n s ) s e r v i c e sa r eb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yp o p u l a ra n dp l a c i n gg r o w i n gd e m a n d so nb a n d w i d t hw i t ht h ea p p l i c a t i o n s s u c ha sv i d e o c o n f e r e n c i n g ，v i d e o - o n d e m a n ds e r v i c e sa n dc o n t e n td i s t r i b u t i o n i ti s m o r ee m i n e n tt oi m p l e m e n te f f i c i e n tm u l t i c a s ti nw d m o p t i c a ln e t w o r k s o p t i c a ll a y e r m u l t i c a s ti sm o r ee f f i c i e n tb e c a u s ef i r s to fa l li tc a na v o i d “e l e c t r o n i cb o t t l e n e c k ”a n d t a k ef u l la d v a n t a g eo fw d mb a n d w i d t h ，a n dc a na l s om a k eo p t i c a ln e t w o r kt os u p p o r t m o r em u l t i c a s ta p p l i c a t i o n s t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fo p t i c a lm u l a t i c a s ti no b s n e t w o r kh a sb e e nah o t s p o t a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hs t a t u so fo b sm u l t i c a s t ，t h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t sa r e t h ek e yt e c h n o l o g yo fo p t i c a ll a y e rm u l t i c a s ta n da r en e e d e dm o r es t u d y ：o n ei st h e i m p l e m e n t a t i o n a r c h i t e c t u r eo fo b sm u l t i c a s t ，t h eo t h e ri sc o n s t r u c t i o na n d m a i n t e n a n c eo fo p t i c a lm u l t i c a s tt r e e i nt h i sp a p e r , b o t ho ft h et w oa s p e c t sa r es t u d i e d ， a n dn e wn o d em o d e l ss u p p o r t i n go b sm u l t i c a s ta r ep r o p o s e d ，w h i c ha r ec o n s t r u c t e d u n d e rg e n e r a lm u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ( g m p l s ) f r a m e w o r k t h e nb a s e do nt h e m o d e l s ，t h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo fo b sm u l t i c a s ta r es i m u l a t e d m a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h es w i t c h i n gm a c h a n i s ma n dn e t w o r kp e r f o r m a n c eo fo b sa r ea n a l y z e dd e e p l y t h eo b sb a s e do ng m p l sf r a m e w o r ki si n v e s t i g a t e di nd e t a i l ，w h i c hi st a k ea d v a n t a g e o ft h ei d e ao fl o b s ( m p l s b a s e do b s ) t h e nn e wf u n c t i o n a lm o d e l so fc o r ea n de d g e n o d e ss u p p o r t i n go b sm u l t i c a s ta r ep r o p o s e d ，w h i c hn a m e da sm u l t i c a s t a w a r eo b s n o d em o d e l s 2 t h em a c h a n i s mo fp r o p o s e dm o d e l si sa n a l y z e di nd e t a i l ，w h i c hm a p sa ni p m u l t i c a s t t r e eo n t oam u l t i c a s tl s pt h a ta r ec o n n e c t e dt of o r l naw d m l i g h t - t r e e t w o i l l a b s t r a c t s a l i e n tf e a t u r e so ft h ea r c h i t e c t u r ea r e m u l t i c a s tl s pi sc o n s t r u c t e db yd a t a d r i v e n ；a n d t h ei n t e r - o p e r a t i o nb e t w e e ng m p l sf r a m e w o r ka n do b s 3 b a s e do nt h ep r o p o s e dm o d e l s ，t h es i m u l a t i o nn o d em o d e l sa r ec o n s t r u c t e di n o p n e tm o d e l e r t h e nt h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e ( i n c l u d e st h ec o n s t r u c t i o nt i m eo f 1 i g h t t r e ea n dt h el i n ku t i l i z a t i o no fo b sm u l t i c a s t ) o fo b sm u l t i c a s ta r es i m u l a t e di n a ne x a m p l en e t w o r k s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em u l t i a s t a w a r eo b sn e t w o r kh a s g o o ds c a l a b i l i t ya n dc a nr e d u c et h eb a n d w i d t hc o n s u m e dc o m p a r e dt ow d m u n i c a s t w h e nt h en u m b e ro fm u l t i c a s t i n gs e s s i o n si sr e a s o n a b l yl a r g e 4 1 1 h el i n kp r o t e c t i o no fm u l t i c a s t - a w a r eo b sn e t w o r ki si n v e s t i g a t e d i no r d e rt o a l l e v i a t et h ec o n s e q u e n c eo fl i n kf a i l u r ei nam u l t i c a s t a w a r eo b sn e t w o r k ，w ei m p r o v e m p l sf a s tr e r o u t i n ga l g o r i t h mt op r o v i d el i n kp r o t e c t i o nf o ro b sm u l t i c a s ts e r v i c e s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei m p r o v e da l g o r i t h mc a np r o v i d ef a s t e rp r o t e c t i o nf o r mu 】t i c a s t a w a r e0 b sn e t w o r k o nt h ew h o l e ，t h e r ea r et h ef o l l o w i n gc o n t r i b u t i o n si nt h ed i s s e r t a t i o n ： 1 an o v e lf u n c t i o n a ln o d em o d e ls u p p o r t i n go b sm u l t i c a s ti ss t u d i e d t w os a l i e n t f e a t u r e so ft h en o d ea r e ：t h ei n t e r - o p e r a t i o nb e t w e e ng m p l sf r a m e w o r ka n do b s ，a n d l i g h t t r e e i sc o n s t r u c t e db yd a t a d r i v e n t h em o d e lc a na c c o m p l i s h o p t i c a ll a y e r m u l t i c a s tt r e e sc o n s t r u c t i o na n dd y n a m i cm a i n t e n a n c e 2 ag e n e r a la n de x t e n s i b l em u l t i c a s t a w a r eo b sn o d em o d e li sb u i l td u r i n g s i m u l a t i o n i tc a nb eu s e da sab a s i cs i m u l a t i o nm o d e lf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，g m p l s ，m u l t i c a s t ，l i g h t - t r e e 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，除了文中特别加以标注和致谢的地 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：垒f 鱼窆 日期：痢年牛月刁日 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) 躲避窒导师魏幽篮延 醐厶名年= 月文7 日 i 第一章引言 第一章引言 随着l p 数据业务的快速增长，对网络( 尤其是骨干网络) 传输和交换的要求 越来越高。当电子设备逐步达到其物理极限时，光网络技术以其高带宽、高可靠 性、低成本等特征而越来越受到了人们的重视。波分复用( w d m ) 、光交换等以 其独有的技术优势和多波长特性，展示了通过波长通道直接进行联网的巨大潜力。 同时，随着光分路器、光交叉连接等光交换设备的成熟商用，不仅强化了光网络 的重要地位，而且将光逐渐扩大到网络边缘并显示出强大的生命力。光网络技术 的迅速发展为互联网日益膨胀的信息流量提供了强大的网络支持。 在i p 骨干网中应用光网络，一个关键的问题就是在光网络中如何承载i p 业务 流。当前以w d m 为基础的光交换技术是最有前途的宽带网络技术，能有效地满 足网络日益增长的带宽要求。为实现在w d m 网络中承载i p 业务，目前提出了三 种i p o v e r w d m 交换技术，即波长路由交换( o c s ) 、光分组交换( o p s ) 和光突 发交换( o b s ) 。由于o b s 结合了o p s 和o c s 二者的优点，同时也克服了二者的 不足i ”，在当前的技术水平下，能以较低的光器件要求，实现面向i p 的快速资源 分配和高资源利用率，因此它是当前最具技术优势和应用前景的一种光交换技术， 已引起了国内外众多研究机构的关注。同时，m p l s 已成为下一代骨干网络的核心 技术和标准。g m p l s 作为m p l s 向光网络的扩展，继承了几乎所有m p l s 的特性 和协议，同时为了适应光网络而对传统m p l s 进行了扩展和更新3 1 。因此在o b s 光网络中引入g m p l s 框架，实现i p 与光层的融合已成为光互联网的一个重要研 究方向。 目前在i n t e r n e t 中，一方面i p 组播( i p m u l t i c a s t ) 应用越来越多，也越来越重 要；另一方面不少的组播应用( 如：电视会议、视频点播、光存储区域网、大型 科学协作计算等) 带宽需求高、实时| 生强【“。在当前，将组播技术从电域向光域延 伸( 即光组播技术) 具有重要的现实意义，这种延伸一方面可使当前网络突破“电 子瓶颈”效应带来的带宽限制，另一方面可使光突发交换网络同目前i p 网络一样， 也能灵活、高效地支持这类高带宽、实时性组播应用。因此自然地，光突发交换 网络中光组播技术成为了光互联网领域中的一个研究热点【5 】o 电子科技大学硕士学位论文 1 1 几种光交换技术 在传统的话音和数据业务网中，电路交换( c i r c u i ts w i t c h i n g ) 和分组交换 ( p a c k e ts w i t c h i n g ) 已成为相当成熟的技术，而突发交换则很少提及。相应地， 针对这些传统的通信模式，人们对i p o v e r w d m 光网络中如何实现数据的交换与 传输提出了三种方案：光路交换o c s ( o p t i c a l c i r c u i ts w i t c h i n g ) ，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 ) ，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 ) 1 6 1 。 ( 1 ) 光路交换 对应于传统的电路交换，在w d m 网络中使用光路交换( o c s ) 技术时，是 以波长路由交换的形式来实现的。w d m 网络为每一个连接请求建立从源到宿的光 路( 每一个链路上均需要分配一个专用波长) ，在相邻节点间的每条链路上，一个 波长就对应一个用于交换的光通道，提供端到端的“虚波长路由”。与传统的电路 交换机制一样，整个通信过程分为链路建立、数据传输、链路释放三个阶段；o c s 采用双向预留机制，即源节点发出连接建立请求的控制分组，当收到确认消息后 再发送数据，数据可以以直通( c u t t h r o u g h ) 的方式通过网络中间节点。每条通信 链路独占信道，不需要中间缓存。 o c s 的一个优点是中间节点不需任何处理，不需要o 】巳o 转换，也不需要光 缓存。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。但是由于一个光路径要占用整个波长通道的每个链 路，不能统计复用共享带宽资源，导致了带宽利用率较低。i n t e r n e t 网络中业务大 多是突发性的白相似业务，这意味着在两个远距离路由之间提供波长路径并非有 效；此外，光纤中有限的波长数量使得在同一时间内只能建立有限的波长路径， 这意味着部分业务不可能建立端到端的光通路；另一方面，如果通过动态建立和 拆除光路径来解决以上问题，则又因为在骨干网中基于双向预留的波长路径建立 时间至少要几十m s ，这种动态建立和拆除光路径也不是一种有效的办法。 ( 2 ) 光分组交换 电域的分组交换在光域上表现为光分组交换o p s ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 。 o p s 的典型特点是“存储一转发”，一般不需要建立连接，采用单向预约机制。o p s 一般采用固定长度短数据包格式，数据净荷以光信号形式传输，报头开销可以是 光形式，也可以是电形式，通过带外波长( o u to f b a n d ) 或副载波复用传送控制开 销使之与业务数据分开。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。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 第一章引言 等，因此特别适合突发的数据业务，是未来光域交换的主要方式。 从长远来看，为了提高交换速率和带宽利用率，全光的分组交换是光网络的 发展方向，但o p s 存在着两个近期内难以克服的障碍：一是没有合适的光缓存器， 目前的实验系统中采用的光纤延迟线f d l 往往存储有限，且价格昂贵；二是在o p s 交换节点处，多个输入分组的精确同步难以实现。因此短时期内，光分组交换的 商业应用前景并不被看好。 ( 3 ) 光突发交换 针对o c s 和o p s 的缺点，c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 等人分别提出光突发 交换o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 1 7 j ，现已引起越来越多的人的注意。所谓突发 ( b u r s t ) ，是指交换粒度介于o c s 和o p s 的之间的数据。在o b s 中，i p 数据包被 汇聚成一个大得多的突发包( 可以有上千个突发包) ，突发包传输前在网络边缘节 点的电域中被缓存。控制包首先被发送出去建立连接( 通过沿途预留相应的带宽 和配置交换机) ，随后的数据突发不需要收到连接确认消息就可以发送出去。当控 制包到达一个核心交换节点时，就为数据突发包预留资源。如果资源己经预留好， 那么突发包就可以通过该交换节点。当突发包通过后，资源就被释放。所以在o b s 中，数据突发通过中间节点时始终是在光域中的，而其对应的控制包会被转换到 电域进行处理。o b s 在一定程度上兼有粗粒度的o c s 和细粒度的o p s 的优点， 而同时又避免了其缺点，其优势分列如下： ( 1 ) o b s 数据交换粒度介于o c s 和o p s 之间，提供可变长度的突发流量( 可以 是一个分组或者多个分组不等) ，比电路交换灵活，带宽利用率高，同时又 比光分组交换更贴近实用。 ( 2 ) 基于单向预留协议，突发数据随着控制包后，无需等待响应包，这样就比 电路交换大大减少了端到端时延。 ( 3 ) 控制分组在网络中间节点需进行o e 转换，在电域进行处理，然后再进行 e o 转换。而数据分组以c u t - - t h r o u 曲的方式通过中间节点完成端到端的透 明传输。网络中间节点不需要缓存。 ( 4 ) 使用带外信令控制机制，实行突发数据分组d b ( d a t ab u r s t ) 和控制分组 b c p ( b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) 分离的异步传输交换机制。b u r s t 数据在控制分 组发出后一个o f f s e tt i m e 后发出。 ( 5 )能够用同一个控制包来传输一个到上千个i p 包的结果就是降低了每个数据 单元的处理和同步开销。 表1 - 1 显示了三种光交换技术的对比。 电子科技大学硕士学位论文 表1 - 1 三种光交换方式的比较 交换方式 交换粒度资源利用率 光缓存 延迟 实现的复杂程度开销 0 c s粗低 不需要尚低，易于实现，技术成熟低 o p s 细 局 需要低高，技术难度大，难实现局 0 b s 中高不需要低低，易于实现，研究中低 1 2 光层组播的实现方式 目前光组播技术的实现，总的来看：系统复杂、成本高、效率低。在系统硬 件上，目前大多数的光组播方案均严重地依赖于光耦合器、光分路器和光放大器 等光器件，并常以复杂的“广播一选择”( b r o a d c a s t 。a n d s e l e c t ) 作为主体交换结 构【8 】f 9 【1 0 】。在实现方式上，常采用以下两种形式：一是i p 组播7 形式【1 0 】【1 1 ，如 图1 - 1 ( a ) 所示，在i p 层上构建组播树，每个分组经过“光电”或“电，光”转 换后在光层上传输。这种形式的最大特点就是直接利用了目前较为成熟的l p 组播 技术，因此实现简单。然而这种形式在端到端延迟、硬件复杂度、系统实现成本 上均较差，另外它传输透明性也较差，即信息传输的比特率和编码格式等不透明； 二是“多个w d m 单播组合”形式9 】【1 1 】【1 2 】1 3 】，如图1 1 ( b ) 所示，为了避免前一 种形式的“光电”或“电光”转换，在光层上以多条光路( l i g h t p a t h ) 构建组播 树。这里，光组播实际上是由多个w d m 单播实现，其中每个单播各由一条光路 实现，因此该组播组有多少目标成员，就需要建立多少条光路。组播组的每个分 组将复制到每条光路，并单独传输。因此，这种形式带宽资源利用率低。 鉴于上述两种形式的光组播实现均不理想，研究如何在w d m 光层实现组播 ( 即w d mm u l t i c a s t ) 就显得尤为重要( 图1 1 ( c ) ) 。与前两者相比，它具有以下 四个可以预见的技术优势：一是它能通过拓扑与资源发现机制准确获得从上层 ( 如：i p 层) 无法获得的网络物理( 即w d m 光层) 拓扑信息【1 4 1 ，由此可以在 w d m 光层上直接构建高效的组播树( 1 i g h t t r e e ) ，实现了真正意义上的光层组播； 二是在光组播树的各分支点，可以选择目前较为成熟的光功率分路器【1 4 】【1 5 】来实现， 与前面的“复制”操作相比，高效且自然；三是它可提供透明的数据传输；四是 它的一棵组播树仅用一个波长，因此与前两者相比，它可有效地提高了带宽利用 率、减少了对波长数的需求，进而降低了对光器件( 尤其是光合分波器、波长变 换器等) 的要求。因此近年来，w d m 光层组播技术引起了许多研究人员的广泛关 注，并对它的相关问题作了大量研究。但是到目前为止，无论从理论上，还是从 第一章引言 技术上，其关键问题都没有很好地解决。 ( b ) 多十w d m 难播形式 图1 - 1 光层组播的实现方式 除上述情况之外，目前对光层组播的研究绝大多数是以波长路由交换( o c s ) 技术为基础的【1 3 】【i 6 1 。然而，o c s 是以波长为交换粒度，组播数据的交换是通过入 口波长到一个或几个出口波长的波长变换来实现，因此必须为光层组播树的每个 分支预留一些专用波长，从而导致带宽利用率、端到端时延等较差，尤其是对突 发性业务。相反地，目前最具技术优势的光突发交换( o b s ) 是以光突发( o p t i c a l b u r s t ) 为交换粒度，因而具有较好的统计复用能力，非常适合于突发性业务，可 以获得较高的带宽利用率。因此研究o b s 网络下的光层组播技术更具有应用前景。 1 3 主要工作 本文介绍了当前主要的光交换技术，对比了三种光层组播的实现方式，分析 了o b s 光层组播的优势和应用前景。在g m p l s 框架下开展对o b s 组播的研究， 针对实现o b s 组播所面临的问题，探索了支持组播的o b s 节点功能模型。在 o p n e tm o d e l e r 中对节点模型进行了组播功能仿真，并利用该模块对光树建立时 间、光层组播链路利用率以及光层组播树的动态故障恢复进行了研究与仿真，得 出了相关结论。所做的工作主要有： g m p l s b a s e do b s 网络体系下光层组播的研究，重点研究了组播l s p 的映射 和光树的建立，得出了支持组播的o b s 节点功能模型，称之为m u l t i c a s t a w a r eo b s 节点模型。 深入学习了o p n e t 网络仿真平台。在o p n e tm o d e l e r 环境下对o b s 组播节 点模型建模，分析了设计方法和设计流程，描述了从模块、进程到算法的设计细 节。仿真验证节点模型的组播功能，结果显示所建立的节点模型能够实现数据的 电子科技大学硕士学位论文 o b s 光层组播转发。 在模块能够实现光层组播的基础上，为验证o b s 组播的优越性：仿真o b s l i g h t t r e e 链路利用率，并与l i g h t ，p a t h s 进行对比，结果显示l i g h t t r e e 方式具有更高 的链路利用率；仿真o b sl i g h t t r e e 的建立时间随节点层次增加的变化，以观察 l i g h t t r e e 的建立时间及对网络拓扑变化的适应性。 研究了链路故障下的o b s 组播业务保护问题，改进了m p l s 快速重路由算法 以支持o b s 组播的链路保护。结论显示o b s 网络链路故障时，该机制具有较快的 恢复时间。 1 4 结构安排 第一章：绪论部分，介绍光网络发展现状，分析对光层组播研究的必要性和 意义；对各种光交换技术进行对比，列举了三种光层组播的实现方式，分析o b s 实现光层组播的优势和前景；最后，介绍了文章的研究内容和章节安排。 第二章：阐述了o b s 的基本原理、网络结构及节点结构； 第三章：介绍了将o b s 与g m p l s 技术相融合产生的g m p l s b a s e d o b s 技术， 着重讨论了g m p l s b a s e do b s 的网络体系结构。 第四章：本文工作的重点。首先分析了实现光层组播所面临的问题，针对这 些问题，在g m p l s b a s e do b s 网络体系下开展光层组播的研究，探索了支持组播 的o b s 节点功能模型；接着在o p n e tm o d e l e r 环境下对节点模型设计建模，分析 了设计方法和设计流程，描述了从模块、进程到算法的设计细节；最后对所创建 的模型进行网络仿真，包括o b s 组播的功能仿真和性能仿真。 第五章：以所创建的节点仿真模型为依托，研究了链路故障下的o b s 组播业 务保护问题。改进了m p l s 快速重路由算法以支持o b s 组播的链路保护，仿真结 果表明算法具有很快的链路保护能力。 第六章：对全文的总结和展望。 第二章光突发交换( o b s ) 的基本原理 第二章光突发交换( o b s ) 的基本原理 2 1o b s 网络结构 光突发交换网络结构如图2 - 1 所示，它由光域的核心路由器和电域的边缘路由 器组成。边缘路由器与传统的i p 网络相连，边缘路由器与核心路由器之间、核心 路由器之间通过w d m 链路互连。边缘路由器负责将传统i p 网中的数据封装为光 突发数据，以及反向的拆封工作。核心路由器的任务是对光突发数据进行转发与 交换。 p 网络 o b s 网络 器 7 出口边缘节点： 丢弃控制分组： 突发数据包拆帧 发至i p 网络： 1 可f 扣星刍计4 9 一 核心路山器么一 型型边缘路警丫篇茄蒙蠢由毒 7 r 7 边缘节点：算、发送： i p 包汇聚，突发包生成；1i 突发数据分组的交换； 产生控制分组；i 突发数据监测； 计算偏置时间： ， 图2 - 1 光突发交换网络结构 在入口节点，具有相同出口边缘路由器地址和相同q o s 要求的i p 包组成一个 突发数据包d b ( d a t ab u r s t ) 。o b s 为每个d b 生成一个对应的控制分组b c p ( b u r s t c o n t r o lp a c k e t ) 。b c p 中包含该d b 传输交换所必须的控制信息，如突发数据的长 度，波长信道，目的地址，偏置时间等。其中偏置时间( o f f s e t t i m e ) 是指b c p 与 相应的d b 的出发时间间隔。b c p 经e o 转换发送至下一跳路由器，其相应的d b 在o f f s e t 。t i m e 之后发出。当b c p 到达核心交换节点时，就为其相应的d b 进行波 长信道预定，建立光连接，然后更新b c p 并由控制信道发出。当该b c p 相对应的 电子科技大学硕士学位论文 d b 到达时，直接沿已建立好的光连接通过该交换节点，d b 通过后，资源就被释 放。在o b s 中，突发数据从源节点到目的节点始终在光域内传输，而控制信息在 每个节点都需要o 伍0 的变换以及电处理。 在o b s 网络中，数据突发和控制包头是在不同的波长“言道上传输的。w d m 系统中，控制分组占用一个或几个波长，突发数据则占用所有其它波长；对于多 光纤系统，控制分组占用一根或几根光纤，突发数据则占用其他光纤。控制包在 时间上提前一些发送( 如图2 2 所示f 6 1 ) ，在每个核心路由器处进行电和光处理。 突发包头包含了核心节点所需要的路由信息，以便配置光交换矩阵来全光的传输 数据突发。数据突发和包头的分开传输有利于包头的电处理和降低核心路由器对 光电子处理能力的要求。此外，也可以为数据突发提供入口到出口的透明光路传 输。 d a t a b u r s tl 二 d a t ac h a 。e l d a t ab u r s t 2 i 鎏鳖遂釜：! l，d a t 。h a n 。e 1 b c p2b c p1 曰 口 ，c 。删妇。， i - 一r o f f s e t t i m e 图2 2o b s 的数据传输机制 2 2o b s 边缘路由器结构 边缘路由器是o b s 网络和其它网络结构的集合点和转换点。一个边缘节点连 接着多个运行在o b s 网络链路层协议之上的子网络。入口边缘路由器的功能包括： ( 1 ) 分拣和缓存包；( 2 ) 将发往同一出口边缘路由器的一定数量的包汇聚成突发 包；( 3 ) 插入在目的节点提取i p 包所需要信息；( 4 ) 在光网络中为突发包的传输 预留需要的资源；( 5 ) 在网络上转发突发包。反之亦然，出口边缘路由器从突发 包中提取出i p 包并将它们转发往目的网络 1 7 1 。图2 3 描述了o b s 边缘节点的逻辑 功能。 边缘路由器的结构包括i p 路由层、o b sm a c 层( 包括突发汇聚器和调度器) 和w d m 传输层。路由模块为每个包选择对应的出口并将包转发到对应的突发汇 第二章光突发交换( o b s ) 的基本原理 聚模块。每个突发汇聚模块将发往同一出口路由器的包汇聚在一起。在突发汇聚 器中，每一类型的业务都对应一个单独的包队列。调度器基于包汇聚技术产生突 发包并将突发包发往w d m 输出端口。在出口路由器处，解汇聚模块将突发包解 开为i p 包并发往高层。 图2 3o b s 边缘节点结构 2 3o b s 核心路由器结构 核心节点用于突发包的传输和交换，主要由控制单元和光交换部件构成l ”j 。 图2 - 4 为o b s 网核心路由器逻辑结构。假定其入口、出口光纤数均为n ，每根光 纤的波长数为k ，其中一个波长用于传输b c p 。这个波长在各个中间节点首先要 进行o ，e 变换，然后再进行电的路由表查找、交换矩阵控制等处理过程，最后更 新b c p 并进行e o 变换；其余k - 1 个波长传输突发数据。这些波长在各个中间节 点都不需要o e o 变换，从而保证了数据的透明性。由于中间节点只有少量波长 进行o e o 转换，然后在电域内进行处理，控制光交换矩阵等，可以消除电子处 理瓶颈，充分利用光层的快速传输。图中入口f d l ( 光纤延迟线) 的作用是缓存 突发数据，等待控制分组进行0 e 变换、转发表查找、建立交换连接等。在o b s 中，通过设置恰当的偏置时间r ，可以使突发数据不需要在中间节点缓存直接通过 o b s 网络，进而可以取消入口f d l ，保留f d l 可以在一定程度上避免冲突，还可 通过将业务区分为不同的优先级，为优先级高的突发数据设置较长的时间偏移量， 电子科技大学硕士学位论文 使其获得更大的预约成功机会，来实现w d m 层的q o s 保证。 2 4 , j e t 协议 图2 - 4o b s 核一f i , - 节点结构 o b s 的本质是利用控制分组来预留突发包所要经过的交换节点处的带宽，所 以必须要保证突发包和控制分组之间合理的时序关系。根据偏置时间的设置方式 不同，o b s 协议分为两类：t a g ( t e l la n dg o ) 和t a w ( t e l la n dw a i t ) 。采用t a g 协议的o b s 中，信源发送b c p 后马上发送突发包，因此在交换节点处，需要光缓 存来存储突发包以等待其控制分组信息的处理。而在采用t a w 协议的o b s 中，信 源发送控制分组后，还要等待一个偏置时间才能发送突发包。在这种情况下，交 换节点处不需要用以弥补控制分组处理延时的光缓存器。由于光缓存器实现起来 较难，因此t a w 类协议比t a g 类协议更加适合于o b s 。t a w 类协议中比较典型 的一种是j e t ( i u s te n o u 曲t i m e ) 协议。 图2 5 所示为j e t 的基本原理。有突发包要传输的源节点首先在控制信道上 发送一个b c p 到目的节点。b c p 在接下来的每个中间节点处被处理，以便为后来 的突发包建立一条全光的数据通路。具体来说，根据b c p 中所携带的信息，每个 节点在出口链路上选择个合适的波长，在上面预留带宽并配置好光交换机。与 此同时，突发包在源节点的电缓存中等待。经过偏置时间丁后，突发包在选定的 数据信道上以光信号的形式发送出去。在具体偏置时间的设置上，假设在每个节 l o 第二章光突发交换( o b s ) 的基本原理 点处理控制分组、预留相应带宽和配置交换机的时间是个时间单元，并忽略接收 和传输控制分组的时间。则在j e t 中，可以选择偏置时间丁等于h ，其中h 为 路径上的跳数( 例如在图2 5 中，日= 3 ) ，从而保证每个节点在突发包到来前有 刚好足够的时间来处理控制分组。 b s12 d tttt h = 3 ，o f f s e t t i m e = t = 3 a 图2 - 5j e t 的偏置时间设置 因为突发包是在信源电域中存储的，所以当每个中间节点处理控制分组时， 不需要缓存突发包，也就不需要f d l 等光缓存器。此外，j e t 协议还能通过偏置 时间的长短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 级预留带宽，可以增大其原来的偏置时间，也就是说，q o s 要求高的业务，相应 的偏置时问长，反之亦然。 2 5 本章小结 本章介绍了光突发交换的基本原理，着重介绍了o b s 网络体系结构与节点结 构。关于o b s 更多的讨论，可参考文科1 l 7 】m 1 8 l 。o b s 的核心思想是控制分组与 数据分组的分离，以小的控制分组控制大的突发数据。对o