（电磁场与微波技术专业论文）obs网络中基于qos路由的流量工程算法研究.pdf

摘要 o b s 网络中基于o o s 路由的流量工程算法研究 摘要 密集波分复用技术( d w d m ) 的发展虽然为爆炸式增长的数据业务 提供了巨大的带宽资源，但目前的多层网络结构以及各自独立的交换 连接控制机制却无法满足数据业务对高速、大容量的交换系统的需 求。光分叉复用器( o a d m ) 的研究与发展虽然在一定程度上实现了光 网络带宽的动态指配，但是各网络层间的适配和复用带来了不必要的 光电转换，增加了业务的转发成本和操作复杂度。因此，从长远的角 度来看，为了适应数据业务对交换速率的需求，i po v e rw d m 势在必 行。 近年来，光突发交换技术( o b s ) 一直被认为是面向业务的i po v e r w d m 的最有前途的解决方案之一。它的提出不仅解决了光分组交换对 光存储媒质的依赖问题，而且也实现了在高速率的传输条件下，比光 电路交换更灵活的带宽分配机制。同时，它也使整个通信网的网络层 次结构更加简单。它将控制分组和数据分组在时间和空间上分离传 输，采用单向资源预留机制，使用可变长度的突发分组，既保证了转 发的快速，避免了在网络中间节点对数据分组进行光电转换，实现了 数据的全光透明传输，又降低了网络中间节点的复杂度和对光子器件 的要求，为业务流建立了动态、灵活、快速的连接。 然而，由于o b s 技术是面向非连接的，因此业务流在o b s 网络中 传输时出现拥塞是不可避免的。目前对于这一o b s 网络中的冲突问 题，通常采用的方法是在发生冲突后尽量消除，或在无法消除时尽量 减小数据丢失率。然而，由于所有这些方法只是在冲突发生以后进行 的补救措施，所以它们虽然能够在一定程度上提高o b s 网络的整体性 能，但效果是非常有限的。要规避网络资源竞争冲突问题，必须从源 头着手，即必须合理地分配网络上各条链路上的业务流量，使整个网 络的负载尽可能均衡，从而减小网络拥塞的概率以及业务的丢包率， 而这也正是流量工程的目标。 本文在对传统i p 网络中的流量工程实现机制进行了深入研究的 基础上，对o b s 网络中的流量工程问题做了一些创新性的工作，主要 有： 1 ) 对o b s 中传送的业务进行了q o s 的等级划分：因为目前网络中 摘要 业务的多样性，导致q o s 等级很难界定。针对这一情况，依据网络 性能最重要的三个方面，即时延、时延抖动和丢包率，对o b s 中传 送的业务进行了q o s 的等级划分； 2 ) 提出了三种o b s 网络中多路由条件下的q o s 路由算法，即最短 路径一最大剩余波长算法、最大波长空闲率一最短路径算法和扩展 预约算法。它们分别针对不同的服务质量要求提出，且能在一定程 度上平衡网络负载，提高网络资源的利用率。其中，最短路径一最 大剩余波长算法适用于对时延要求严格的业务；最大波长空闲率一 最短路径算法部分牺牲了业务的传输时延，在更大范围内均衡了网 络负载，避免了因流量的过于集中引起的网络拥塞；而扩展预约算 法主要解决了业务流的稳定传输问题，即保证了业务的时延抖动和 有序到达； 3 ) 利用图示分析和仿真两种手段对算法进行性能分析，验证算法 在提高网络性能方面的作用； 4 ) 针对上述三种算法在单独使用时作用的有限性，提出了结合三 种q o s 路由算法，实现o b s 网络中的流量工程的机制。 关键词光突发交换流量工程q o s 路由最短路径一最大剩余波 长算法最大波长空闲率一最短路径算法扩展预约算法 a b s t r a c t i 乇e s e f r c h0 nt h et r a f f i ce n g d 咂e r d t g a l g o r i 硼印b a s e do nq o sr o u t 】n g i n0 b sn e t w o r k a b s t r a c t t h o u g h t h e d e v e l o p m e n to fd w d mt e c h n o l o g y h a so f f e r e d e n o r m o u sb a n d w i d t hr e s o u r c e sf o rt h ee x p l o s i v eg r o w t ho fd a t as e r v i c e t h em u l t i 1 a y e rn e t w o r ks t r u c t u r ea n dt h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lm e c h a n i s m c a n n o tm e e tt h ed e m a n df o rs p e e da n dc a p a c i t y 麟t h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fo a d m ，d y n a m i c a ld i s t r i b u t i o no fb a n d w i d t hi no p t i c a l n e t w o r kh a sr e a l i z e dt os o m ee x t e n t ，h o w e v e r ，m i x i n ga n dm u l t i p l e x i n g o fe a c hn e t w o r kl a y e rw h i c hn e e d su n n e c e s s a r yp h o t o e l e c t r i c i t y c o n v e r s i o ni n c r e a s e dt h ec o s ta n dt h ec o m p l e x i t yo ft h eo p e r a t i o n s o ， f r 0 1 2 1t h el o n g t e r mp o i n to fv i e w , i no r d e it om e e tt h ed e m a n df o r s w i t c h i n gs p e e do f t h ed a t as e r v i c e 。i po v e rw d m i si m p e r a t i v e i nr e c e n t y e a r s ，0 b sh a sb e e nc o n s i d e r e dt ob eap r o m i s i n g s w i t c h i n gp a r a d i g mw h i c ha s p i r e st op r o v i d eaf l e x i b l ei n f r a s t r u c t u r ef o r c a r r y i n gf u t u r ei n t e m e tt r a f f i ci na l le f f e c t i v ey e tp r a c t i c a lm a n n e r o b s s e p a r a t e st h ec o n t r o la n dd a t ap l a n ef u n c t i o n si nt 1 1 en e t w o r ki naw a yt h a t e x p l o i t st h ed i s t i n c ta d v a n t a g e so fo p t i c a la n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e s s i g n a l i n gm e s s a g e sa r ep r o c e s s e de l e c t r o n i c a l l ya te v e r yn o d ei nt h e n e t w o r k ，w h i l eb u r s t sa r et r a n s m i t t e dt r a n s p a r e n t l ye n d - t o e n d ，w i t h o u t o e 0c o n v e r s i o na ti n t e r m e d i a t en o d e s m o r e o v e r , 0 b st r a n s p o r ti s p o s i t i o n e db e t w e e nw a v e l e n g t hr o u t i n ga n do p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g a l l o p t i c a l c i r c u i t st e n dt ob ei n e f f i c i e n tf o rt r a f f i ct h a th a sn o tb e e n g r o o m e do rs t a t i s t i c a l l ym u l t i p l e x e d ，w h e r e a so p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g r e q u i r e sp r a c t i c a l ，c o s t e f f e c t i v e ，a n ds c a l a b l ei m p l e m e n t a t i o n so fo p t i c a l b u f f e t i n ga n do p t i c a lh e a d e rp r o c e s s i n g ，w h i c ha r es e v e r a ly e a r sa w a y i n o n ew o r d ，t h em a i na d v a n t a g e so fo b sa r ed y n a m i c ，f l e x i b l e ，o r i e n t e d c o n n e c t i o n l e s s ，t r a n s p a r e n tw a v e l e n g t hb a n d w i d t hp r o v i s i o no nd e m a n d 。 a b s t r a c t h o w e v e r , o b si so r i e n t e d - c o n n e c t i o n l e s s ，s oi ti su n a v o i d a b l et h a t t h e r ei sc o n g e s t i o nd u r i n gt h et r a n s m i s s i o no f t h et r a f f i ct h r o u g ht h e0 b s n e t w o r k a tp r e s e n t ，t ot h i sc o n g e s t i o np r o b l e m ，al o to fr e s e a r c h e r sh a v e t a k e nm e a s u r e st or e m o v et h ec o n f l i c to rr e d u c et h el o s sp r o b a b i l i t ya sf a r a sp o s s i b l e n e v e r t h e l e s s a l lt h e s em e t h o d sw o u l da c to n l yw h e nt h e c o n g e s t i o nh a dt a k e np l a c e t h a ti s ，t h ei m p r o v e m e n to ft h ep e r f o r m a n c e o ft h ew h o l eo b sn e t w o r kt h r o u g ht h o s ea l g o r i t h m si sv e r yl i m i t e d t h e r e f o r e ，o no u ro p i n i o n ，t h et r a f f i cs h o u l db ed i s t r i b u t e dm o r ee v e n l yt o r e d u c et h ec o n g e s t i o np r o b a b i l i t ya n dt h el o s sp r o b a b i l i t y , a n dt h a ti s e x a c t l yt h eg o a lo f t h et r a f f i ce n g i n e e r i n g t h i sd i s s e r t a t i o nm a d ea c o m p r e h e n s i v ea n ds y s t e m a t i cr e s e a r c ho n t h em e c h a n i s mo ft r a f f i ce n g i n e e r i n gi nt r a d i t i o n a li pn e t w o r k b a s e do n t h o s er e s e a r c h e s ，t h et r a f f i ce n g i n e e r i n gi no b sn e t w o r kh a sb e e ns t u d i e d ， a sf o l l o w s ： 1 ) t h eq o sc l a s s o ft h es e r v i c e si no b sn e t w o r ki sd e f i n e d a c c o r d i n gt ot h em o s tt h r e ei m p o r t a n tp e r f o r m a n c e ，w h i c hi sd e l a y , d e l a y - j i t t e ra n dl o s sp r o b a b i l i t y 2 ) t h r e ea l g o r i t h m so fq o sr o u t i n gi n0 b sn e t w o r k i sp r o p o s e d f o r m u l t i - p a t h s i n c l u d i n g s h o r t e s t p a t h 谢戗l m o s ta v a i l a b l e w a v e l e n g t ha l g o r i t h m ，m o s ta v a i l a b l ew a v e l e n g t hw i t hs h o r t e s tp a t h a l g o r i t h ma n de x t e n d e dr e s e r v a t i o na l g o r i t h mw h i c ha r ef o rd i f f e r e n t q u a l i t yo fs e r v i c e ，a n dc a nb a l a n c et h el o a do f t h en e t w o r k ，i n c r e a s e t h er e s o u r c e u t i l i z a t i o n r e s p e c t i v e l y , s h o r t e s tp a t h w i t hm o s t a v a i l a b l ew a v e l e n g t ha l g o r i t h mi ss u i t a b l e f o rt h es e r v i c ew h i c hi s s t r i c tt od e l a y , m o s ta v a i l a b l ew a v e l e n g t hw i t hs h o r t e s tp a t ha l g o r i t h m w o u l db a l a n c et h el o a do ft h en e t w o r ki naw i d e rr a n g eb u tw i l l i n c r e a s et h ed e l a y i na d d i t i o n ，a n o t h e rs c h e m ew h i c hi sc a l l e d e x t e n d e dr e s e r v a t i o na l g o r i t h mi st oe n s u r et h es t a b i l i t yo ft h et r a f f i c t r a n s m i s s i o n 3 ) g r a p h i ca n ds i m u l a t i o nb yc o m p u t e ri s u s e dt oa n a l y s i st h e p e r f o r m a n c eo f t h en e t w o r kw i t h t h o s ea l g o r i t h m s 4 ) t h em e c h a n i s mo ft r a f f i ce n g i n e e r i n gi n o b sn e t w o r ki s p r o p o s e dw h i c h h a sc o m b i n e dt h o s et h r e ea l g o r i t h m s a b s t r a c t o p f i c a lb u r n ts w i t c h i n g 仃a f f i ce n g i n e e r i n g q u a l 时o f s e r v i c er o u t i n g s h o r t e s tp a t hw i t hm o s ta v a i l a b l ew a v e l e n g t ha l g o r i t h m m o s ta v m l a b l ew a v e l e n g t hw i ms h o r t e s tp a t ha l g o f i t h m e m e n d e dr e s e r v a t i o na l g o r i 廿1 m 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： ，磊主! ：1日期：卫翌：墨：! z ： 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；学校可阻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) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：左型【日期：搜：立，上星 导师签名：彳二台厶a 萨= 7 一 e tn ：垒旦厶立毫盟l i、一 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 互联网在全球范围内的日益普及，推动了通信和网络技术的迅速发展。以 i p 为代表的数据业务呈现爆炸式的增长，业务量的不断增长和新型业务的不断 涌现，使得电子设备逐步达到其物理极限，这时光纤通信技术以其带宽容量大、 可靠性高、成本低等特点而逐渐为世人所瞩目。波分复用、光交换技术以其独有 的技术优势正在向人们展示通过波长通道直接进行联网的巨大潜力和光辉前景 在过去的2 0 年里，在对光纤上的信息传输总速率从每秒2 兆比特发展到每秒数 太比特，提高了近1 0 0 万倍；光纤通信技术也从单纯的传送网技术，向包括光传 输、光交换、光接入的全光网络技术演进。随着波分复用技术w d m ( w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的发展和高速路由器中光接口的引入，i po v e r s o n e t s d h 开始向i po v e rw d m 发展。 光突发交换( o b s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h ) 就是一种应运而生的光交换技 术，它采用光突发作为交换单位，交换粒度介于光路交换与光分组交换之间，克 服了光路交换和光分组交换的缺点，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。 光突发交换( 如图1 ( b ) 所示) 是一种单向资源预留方案，它类似于光分组 交换( 如图1 ( a ) 所示) ，只是将相当于分组头的控制包和相当于分组用户数据的 突发包在时间和空间上分开传输，通过控制包对资源进行提前预留。因此，如果 在o b s 网络中还是采取一般的路由技术如o s p f , r i p 、b g p 4 等，由于它们不能对 全网资源进行调节，势必会跟传统分组交换网络一样，导致网络中传输的数据流 过于集中，即可能会因为汇聚到同一链路上或者同一节点的同一接口中，而引起 网络局部的严重拥塞和网络资源利用率的大大下降。 随着业务需求的不断增加，越来越多的新业务要求i p 网络不仅能提供信息 传输的可靠性，而且要能对信息传输的过程具有可预见性，使得网络在任何情况 下都能提供相对稳定的良好的性能。虽然使用高带宽的光纤介质可以提高网络的 数据容量，能在一定程度上缓解用户对传输带宽和q o s 保证的需求压力，但是随 着多种业务需求的不断增加，i p 网络的拥塞问题还是变得越来越严重。如何高 第一章绪论 效、合理地利用有限的资源实现多种业务的需求，将成为今后研究的主要课题。 网络资源不足，或者不平均的业务分配都可能造成网络拥塞。传统的i p 路由体 系，只能提供数据传输的可达性服务，不具有全网资源利用的调节能力。这些算 法的使用很大程度上导致了网络中传输的数据流可能汇聚到同一链路上或同一 接口上去，从而引起网络局部严重阻塞和网络资源利用率大大降低。因此，目前 使用这些路由算法的i p 网络不具备动态的路由调整和灵活的网络控制能力，更 不用说为用户提供q o s 传输。 图1 - 1 光分组交换与光突发交换 流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 就是一种可用来控制网络资源、提高网 络性能的技术。根据电信界和计算机界对流量工程提出的要求，网络应该不仅能 适应一般的数据传输服务，还可以应用于实肘数据流的传输，尤其是音频和视频 的传输。随着网络中数据流量的指数级增长，要求网络的运行必须能够高效地利 用网络资源，各种新的应用还要求网络要能提供具有q o s 保证的服务。 i p 网的服务质量问题可以通过下列两个方面来解决：( 1 ) q o s 的直接实现； ( 2 ) 流量工程。流量工程可以说是一种间接实现q o s 的技术。它通过合理配置网 络资源，对路由过程进行有效控制，使得网络资源可以得到最优的利用，在网络 运行中使得数据传输路径能够自动地绕开故障、拥塞和网络瓶颈。当网络资源得 到了充分而有效的利用时，网络的各项q o s 指标自然也会随之大大改善。 因此，在o b s 网络中，我们很有必要进行流量工程技术的研究。本论文也正 第一章绪论 是以此为出发点，提出了0 b s 网络中的流量工程解决方案。 1 2 光网络的研究背景 1 2 1 光交换网络的现状及发展趋势 近年来，随着互联网的快速和迅猛发展，i p 业务呈现爆炸式增长。预测认 为，口网络将构成未来信息网络的基础，用于承载包括语音、图像、数据等在 内的多种业务。同时，以w d m 为核心、以智能光网络为目标的光传送网进一步 将控制平面引入光层，满足了未来网络对多粒度信息交换的需求，从而提高了网 络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口业务的下 一代光网络已经成为人们广泛关注的热点之一。 显然，下一代光网络要能满足超大容量和宽带接入的需求，而且，因其所承 载的p 业务所具有的自相似性、收发数据不对称性和服务器拥塞等特点，该网 络还需能够在光层提供更高的智能性，并在光节点上实现面向业务的光交换，从 而实现光层和i p 层的适配和融合，具有灵活的扩展性，并能够支持业务的q o s 要求。 宽带通信网未来发展的目标是实现透明的、具有高度生存性的全光通信网 络。从系统角度来看，支撑全光通信网络的关键技术基本上可以分为光传输技术、 光交换技术、光放大技术和光处理技术等几大类。光交换技术作为全光网络系统 中的一个重要支撑技术，在全光通信网络中发挥着重要的作用。 光交换技术是指不经过任何光电转换，在光域上直接将输入光信号交换到 不同的输出端的技术。根据未来光网络中业务的多样性和用户对带宽的不同需 求，光交换技术可以分为以下几种： 1 ) 光路交换( o c s ：o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 技术，在光子层面的最小交 换单元是一个波长通道上的业务流量。 2 ) 光分组交换( o p s ：o p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g ) 技术，以光分组( 包) 作 为最小的交换颗粒。 3 ) 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，数据分组和控制分 组在时间和空间上分离传送，采用单向资源预留机制，以可变长的光突发分组 ( 包) 作为最小的交换单元。 4 ) 光标记分组交换( o m p l s ：o p t i c 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 ) 技术， 将多协议标签交换( m p l s ：m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 技术与光网络技术 相结合，由m p l s 控制平面进行标签分发机制，向下游各节点发送标签，标签 第一章绪论 对应相应的波长，由各节点的控制平面进行光开关的倒换控制，建立光通道。 基于以上几种技术，光网络可以分为以下几种： 1 ) 光路交换光网络( o c s ) 随着波分复用( w d m ：w 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 ) 技术发展的日益 成熟，为了满足i p 业务量爆炸式增长的需求，业界提出了在网络节点中采用光 交换技术。波长路由光网络( w r o n ：w a v e l e n g t hr o u t e do p t i c a ln e t w o r k ) 就是 基于波长为交换粒度的光路交换构建的网络。基于波长路由的全光网在过去的数 年中有了长足的发展，正在逐步得到规模化应用。全光网是指为客户层信号提供 光域处理的传送网络，包括光域的传送、复用、选路、监视和生存功能等，其中 完成交换功能的主要是光交叉连接( o x c ：0 p t i c a lc r o s sc o n n e c t ) 设备和光分 叉复用器( o a d m ：o p t i c a l a d d d r o pm u t t i p l e x e r ) 。 但是，w r o n 必须满足波长一致性的要求，即在同一光纤链路上的不同光 通道必须具有不同的波长，以避免通道间的互相干扰。在一定光通道和波长数的 情况下，如何合理分配波长和通道，以使光网络路由最优化，是路由波长分配 ( r w a ：r o u t i n g & w a v e l e n g t h a s s i g n m e n t ) 的核心问题，也是光网络设计中的 一个关键技术。评价指标通常包括连接的阻塞概率、光波长通道的建立时间以及 波长转换器的最优使用( 数目、放嚣的位置等) 。 如果光网络节点( 交换机或路由器) 具有波长转换功能，那么就不会存在波 长连续性限制，这时的路由问题就等同于常规的电路交换，而仅仅受每一条链路 上的可用信道限制。如果不具备波长转换的功能，光路就必须遵循波长连续性限 制，即为建立一条光路，必须为其路由上的所有链路分配相同的波长，这种限制 条件使得波长的利用率下降，尤其在动态业务条件下会增加光路的阻塞概率。 在经过数年的研究和实验后，全光网络现在正向智能化的方向发展，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 d o p t i c a l n e t w o r k ) 就是其中的典型代表。 以a s o n 为代表的波长路由技术中，源节点和目的节点之间的光通道的建立是 通过w d m 交叉连接( 或波长路由器) 节点设备来建立的。光路交换采用双向资 源预留方式设置光通路，中间节点不需要光缓存，可以提供服务质量保证；但是 光路交换是粗粒度的，以波长或波长组或光纤为交换粒度，不能实现统计复用， 带宽利用率低，建链和拆链时间相对较长，不适于传输像i p 这样的具有突发速 率的数据业务；对于长距离的网络来说，其环回时间与延迟长；由于波长数目有 限，还不能建立全连接的网络，从而导致网络中负载的不均衡。 2 ) 光分组交换光网络( o p s ) 光分组交换技术试图减少网络层的数目，直接在光层上实现精细粒度的分组 交换，能实现统计复用，带宽利用率较高，适合于传输类似i p 的突发数据。因 笫一章绪论 此，o p s 是一种未来发展前景良好的先进技术。o p s 的发展已经有多年的历史， 世界上很多国家已经做了这方面的研究，并取得了一定的研究与实验成果。与传 统光网络相比，o p s 网络具有高速、大吞吐量、低时延、业务和比特率透明、可 配置性等突出优点，能高效地承载多种类型的数据。 o p s 网络可以看作是电分组交换在光域的延伸。这意味着，核心网络中数据 分组从输入到输出，将全面利用光交换技术，以克服电子交换的速率瓶颈。电域 与光域分组交换数据的最大差别为：电分组交换的数据在缓存区静止存储，而光 域分组交换的数据必须实时处理或动态存储。目前光分组交换都使用混合的解决 方案：传输与交换在光域实现，路由和转发功能以电的方式实现。 光分组交换分层网络分为三层，它们对应于网络基础设施演进的三个主要步 骤。第一层对应于已普遍使用的接入网和核心网的标准，如a t m 、p d h ( 准同步 数字系列) 和s d h ( 同步数字系列) 及其它常用的标准分组和基于帧的业务。为 了简单，整个网络用一层来表示，把它称作电交换层。第三层为透明光传输层， 对应于地域上更广阔的w d m 光传输网，透明的路由是基于在波长域和空间域里的 透明光交叉互连( o x c ) ，允许网络在较长的时间内重构，该层在电交换层的下面， 链路的传输容量为数g b i t s 至数百g b i t s 。由于在相对低速的电交换层和大 粒度的信道分割的w d m 光传输层之间存在代沟，需要在低速信道和高速信道之间 进行适配，所以在这两层中间引入第二层，即比特率和传输方式透明的光分组交 换网络层，使在w d m 光传输网中的高速波长信道和电交换网之间架起一座桥梁， 从而大大改进了带宽的利用率和网络的灵活性。该层延伸了光的透明性的优点， 它可作为电接入网和核心网的大容量的承载交换网，也可以作为基于相同的分组 格式的光城域网( 【a n ) 的骨干网。目前，光分组交换涉及的传输和交换在光域 里进行，可接入巨大的光纤带宽，而相对复杂的分组路由转发在电域里实现。 此外，为了在光分组载荷中传送a t m 的信元或i p 分组，有效地使i p 接入w d m 层，光分组层提供一些基本的链路层功能代理，能进一步提供时域复用，允许i p 路由器在传输信息至光w d m 管道之前汇集用户的流量。 电交换层( a t m 、p d h 、s d h ) 光分组交换层 光传输层( w d m ) 图i - 2 光分组交换分层网络 在光分组交换中，需要解决的问题有很多，如光开关矩阵性能、控制协议、 第一章绪论 物理参数管理与控制以及光分组的产生、同步、缓存、再生、分组头重写以及分 组之间光功率的均衡等基本技术。 从长远来看，全光的分组交换0 p s 是光交换的发展方向。0 p s 是一种面向非 连接的交换方式，采用单向预约机制，在进行数据传输前不需要建立路由、分配 资源。分组净荷紧跟分组头在相同光路中传输，网络节点需要缓存净荷，等待带 分组目的地的分组头的处理，以确定路由。相比光路交换，光分组交换能对d w d m 的巨大带宽进行更灵活、更有效地分配和利用，有着很高的资源利用率，和很强 的适应突发数据的能力。但是也存在着两个近期内难以克服的障碍：一是光缓存 器技术还不成熟；二是在0 p s 交换节点处，多个输入分组的精确同步难以实现。 因此，目前0 p s 仍处于不成熟阶段，难以在短时间内实现。 3 ) 光突发交换光网络( o b s ) o c s 虽然比较成熟，但并不适合于承载具有突发性的球数据业务，而o p s 又面临着短时间内难以克服的技术障碍。考虑到o c s 和o p s 的局限，近年来， 业界内提出了一种新的光交换技术o b s 技术。o b s 光网络的基本思想是将 o c s 和o p s 相结合，可以看作是兼顾o c s 和o p s 优点的一种折衷方案，它结 合了o c s 和o p s 的优点，同时又克服二者的不足，即可以在较低的光予器件要 求下，实现面向i p 的快速资源分配和高资源利用率，能有效地支持上层协议或 高层用户的突发业务，具有很好的发展前景。 。 o b s 的交换粒度介于o c s 和o p s 之间，是多个去往同一出口地址和具有相 同属性的多个分组会聚而成的集合，称为突发包( b u r s t ) 。它是一种单向资源预 留方案，控制分组和数据突发在时间和空间上是分离的，控制分组先于数据突发 在信道中传送，交换节点或路由器根据控制分组中的信息和网络当前的状况为相 应的数据突发建立通路，经过一段延迟( o f f s e t - t i m e ) 后，数据突发在设置好的 通道中透明传输。这样，中间节点可以不使用光缓存技术，网络中不存在时隙的 同步问题，对光子器件的要求也相应较低。 o b s 与o c s 、o p s 的比较见表1 - 1 。 表1 - 1o b s 、o c s 和o p s 的比较 光交换方式带宽利用率 建立时延光缓存开销适应性实现难度 o b s高低不需要小 强 凼 o c s 低 高不需要小弱低 o p s 高低需要 大强高 第一章绪论 1 2 2 0 b s 发展与研究现状 光突发交换的概念来源于电域的突发交换，实际上，突发交换早在2 0 世纪 8 0 年代初期就已经出现，当时主要用来传递话音业务。但是由于提出突发交换 的时候，电话网和数据网的技术都已经比较成熟，没有必要改变整个网络，以突 发包为单位来处理话音或数据。但是，近年来随着光纤通信技术的突飞猛进和 i n t e r n e t 业务的爆炸式增长，一个深刻的变化是信息传送速率的增长大大超过处 理能力的增长，如果依然按照旧式的方法来处理业务，将无法满足用户的业务需 求。于是，2 0 世纪9 0 年代后期， c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 分别提出o b s 的概念。 虽然o b s 提出到现在只有很短的时间，但是已经受到广泛重视。目前，美 国、日本、韩国、欧洲、我国大陆台湾等国家和地区都有研究机构从事o b s 方 面的研究。其中较有影响的有美国的纽约大学、华盛顿大学、卡罗来纳大学以及 阿尔卡特公司美国分公司等。在我国，“国家8 6 3 项目”、清华大学、北京大学、 北京邮电大学、上海交通大学和电子科技大学等高校也都开展了对o b s 的研究。 目前对o b s 的研究还主要集中在理论研究方面，主要包括o b s 信令协议、 o b s 网络节点结构、突发包竞争的解决机制以及o b s 与其它技术的结合等。 由于o b s 技术的研究开始的时间比较短，虽然迄今为止已经取得了相当的 进展，但还有很多理论与技术不成熟，离商用化还有一段距离。o b s 仍有一些 问题没有达成统一的共识，还需进一步研究，比如如何有效地解决突发包之间的 竞争、o b s 的协议及其具体实施、o b s 与m p l s 的结合等。 1 3 论文的主要工作 光突发交换技术是一种很有发展前景的交换技术，为更有效地承载未来的疋 业务提供了一种灵活的网络架构。o b s 将控制分组和数据分组分离，从而充分 利用光电技术各自的优势。在网络中的每个节点对含有信令消息的控制分组进行 电处理，而突发包不需在中间节点进行任何光电转换，可以在网络中进行端到端 的完全透明传输。而且，o b s 的交换粒度介于光路交换和光分组交换之间，克 服了光路交换效率低，光分组交换开销大、要求具有可调谐的光缓存和对包头进 行光处理的缺点。o b s 不需要光缓存，在数据路径上不需要分组级的包头解析， 而且当数据不需占用整个波长时，比光路交换效率更高。每个突发包都跟在一个 控制分组之后传送，该控制分组的目的是为将要到来的突发数据包预留网络资 源，o b s 的源节点不需等待已经建立了端到端连接的确认消息，而是在一个偏 第一章绪论 置时间之后直接开始沿着控制分组配置好的路径发送数据突发。 可以看出，光突发交换( o b s ) 综合考虑到了现有的技术现状和光交换的优 势，降低了交换节点的复杂度和对光子器件的要求，解决了因“电子”瓶颈而导 致的带宽扩展困难，是一种很有发展潜力的光网络技术。目前o b s 技术已经成 为下一代光网络的研究热点，具有良好的应用前景。 通过对光网络技术的研究，针对目前光突发交换技术中缺少对于流量工程的 研究的现状，本文提出三种应用于光突发交换网络中基于q o s 路由的流量工程 算法，三种算法的有机结合使用，可以在保证业务流服务质量要求的同时，避免 由于使用传统的路由协议造成的网络拥塞，从而均衡网络负载，提高网络性能和 资源利用率。 论文的主要内容分为五章： - 第一章：绪论。对相关背景技术进行概述，描述光网络的研究现状和发展趋 势，并对整篇论文的结构安排进行介绍。 第二章：光突发交换网络。介绍了光突发交换网络的概念，基本原理，控制 协议以及在o b s 网络中解决拥塞、提高网络性能的几种方法。 第三章：i p 网络的流量工程。阐述了流量工程的定义、原理和基本功能， 回顾了传统i p 网络中流量工程的实现方法。 第四章：o b s 网络中基于q o s 路由的流量工程算法。借鉴传统的流量工程 算法，提出了三种应用于o b s 网络中的基于q o s 路由的流量工程算法，详细地 描述这几种算法，并利用图示分析和仿真的方式，对网络性能的改善进行了分析， 评价该算法对提高网络性能的作用。 第五章：总结与展望。对论文工作进行了总结，并对未来的研究进行了展望。 第二章光突发交换网络 第二章光突发交换网络 2 1o b s 网络的概念及特点 所谓光突发交换( o b s ) 是一种以可变长度的光突发数据包为交换单位的光 交换技术，通过在单独的信道( 一般是单独的波长) 中提前发送的控制消息为突 发数据包预留所需资源，交换节点或路由器只需单独处理控制信息，试图预留并 配置相关资源，而源节点一般不需要等待确认端到端连接已经建立的消息，在经 过一定的偏置时间( o f f s e t t i m e ) 后，通过事先配置好的链路，将突发数据包透 明地( 全光) 传送到目的节点，途径的中间节点不需要对该突发包作任何的识别 或其它光电转换。突发数据包是在入口边缘节点由多个具有相同特性的分组( 如 相同的目的节点地址或同类的服务质量要求) 汇聚而成的集合，在出口边缘节点 完成解汇聚io b s 的主要特点可以归纳如下： 1 ) 控伟q 分组与数据分组分离：控制信息与数据在时间和空间上分离，有效 降低了中间交换节点的复杂度和对光子器件的要求； 2 ) 变长突发：突发包的长度是可变的，可以从几个分组到一个短的会话， 只使用一个突发控制分组，从而降低了每个数据单元的控制开销； 3 ) 粒度适中：o b s 交换粒度的大小介于光路交换和光分组交换之间； 4 ) 单向预留：采用单向预留的方式分配资源。也就是说，突发包跟随在控 制分组之后，而无需等待响应消息，比电路交换大大减少了端到端的时延； 5 ) 无光缓存：在光网络中的中间节点原则上不需要光缓存，突发在经过中 间节点时不会发生延迟； 6 ) 带宽利用率高：采用统计复用的方式，有效利用网络带宽； 7 ) 数据全光传输：利用b c p 在中间节点之间建立一个全光路径( 通过配置 w d m 交换) ，使突发包的数据完全透明传输，不需经过任何的光电转换，从而 消除了由于“电子”瓶颈而导致的带宽扩展的困难。 2 2o b s 网络的体系结构 图2 - 1 是一个利用o b s 实现i po v e rw d m 的网络拓扑结构图。o b s 网络由 9 一 第二章光突发交换网络 处于网络边缘的边缘节点、位于网络中心的核心节点以及w d m 链路等组成。边 缘节点一边与业务网，如传统的i p 网络相连，另一边与一个核心节点相连，而 核心节点，可以与一个或多个边缘节点相连，同时可以与其它核心节点构成网状 网。入口边缘节点按照输入数据包的目的地址和服务等级( c o s ：c l a s s o f s e r v i c e ) 等信息，对数据包进行分类、缓存和封装，组合成突发包，产生包含数据突发的 大小、目的地址、偏置时间和q o s 信息的