（通信与信息系统专业论文）光分组交换网中的缓存与转发技术研究.pdf

中文摘要 光分组交换网中的缓存与转发技术研究 摘要 光纤通信已逐渐成为现代通信传输特别是干线传输的主要方式，并 正在向全光网络的方向发展。全光网的核心技术主要包括两部分，一个 是光的传输，另外一个是光的交换。超高速传输和超大容量密集波分复 用技术极大地提高了光链路的传输容量，光交换技术则亟需进一步突 破。在已开展研究的几种光交换模式中，光分组交换( o p s ：o p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ) 因其交换粒度小、调度灵活等优点被普遍认为是光交换技术的 发展方向。 在o p s 网络中，当同一波长信道上的多个光分组同时到达相同的输 出端口时就会产生竞争，因此如何解决光分组的竞争冲突问题成为实 现o p s 的关键之一。采用合适的光分组缓存和转发技术是解决或降低光 分组竞争的有效途径，本文对o p s 网络中节点的缓存结构、缓存调度算 法、缓存的服务性能分析以及光分组转发的负载均衡技术展开系列研 究，包括： 第二章研究了光缓存技术，提出了一种基于循环队列的光电混合缓 存方案。为了克服目前光分组交换节点中光纤延迟线利用效率低下的问 题，采用由环状的光纤延迟线缓存结构和电缓存结构两部分组成的光电 混合缓存结构。其中环状的光纤延迟线缓存结构由若干条固定长度的光 纤延迟线缓存单元串联连接组成，用于循环光分组队列存取。该结构不 仅能够显著减少节点中光纤延迟线的总长度、提高光纤延迟线的利用效 率，而且能够改善节点解决竞争冲突的能力、降低丢包率。 第三章提出和研究了离散延时缓存模型( q d bm o d e l ：q u a n t i z e dd e l a y b u f f e rm o d e l ) 。考虑到f d l 的离散延时缓存特性，定义了延迟时间( d e l a y t i m e ) 和等待时间( w a i t i n gt i m e ) 两个重要概念并仔细讨论了两者之间的 差异和联系。q d bm o d e l 未对光分组的到达过程与光分组长度分布作任 何限制，给出了一种研究延迟时间和等待时间分布函数的理论方法并且 能获得解析结果，其正确性经由计算机仿真得到了验证。 第四章研究了等待位置数有限的o p s 节点缓存性能。从已得到 的q d bm o d e l 出发可以获得延迟时间的概率分布生成函数。结合嵌入 卜海交通大学博士学位论文 马尔科夫链( e m b e d d e dm a r k o vc h m n ) 方法能够求得节点的队长统计分布 和丢包率；讨论了极限最大修正平均到达率、极限最大服务强度等服务 饱和状态参数；获得了延迟时间、等待时间和预约时间等各项重要性能 参数的均值。 第五章研究了最大缓存时延有限的o p s 节点性能。利用虚等待 时间( v w t ：v i r t u mw a i t i n gt i m e ) 方法，将虚等待时间分布函数与q d b m o d e l 中的等待时间分布函数联系起来，得到了光分组丢包率的解析表达 式，再结合极值理论便可以讨论节点缓存性能的优化问题。对于可变分 组长度和固定分组长度的光分组业务得到了节点的最优缓存粒度。这些 研究为节点缓存结构的设计提供了理论支持。 第六章研究了o p s 网络中光分组转发的负载均衡方案。首先讨论了 节点与节点之间的统计转发理论模型，当前节点依据相邻下行节点的统 计性能参数得到向其转发的概率，然后在此基础上提出了负载均衡的 统计策略。这种方法有效地降低了o p s 网络中光分组竞争冲突发生的概 率，并能够在减小网络状态的更新开销和充分利用网络资源之间获得良 好的平衡，是一种合理可行的方案。 关键词：光分组交换，光纤延迟线，离散延时缓存模型，延迟时间，等 待时间，统计转发模型，负载均衡 一一 英文摘要 s t u d yo nb u f f e r i n ga n dt r a n s f e r r i n gt e c h n i q u e si no p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k s a bs t r a c t o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l yu t i l i z e di nm o d e mc o m m u n i c a t i o n ， e s p e c i a l l yi nb a c k - b o n et r a n s m i s s i o n a so n e m a i na p p r o a c ho ff u t u r eh i g h s p e e da n dw i d e - b a n dc o m m u n i c a t i o n ，a l lo p t i c a ln e t w o r k ( a o n ) i sf a c i n gt w ok e yi s s u e s ，o p t i c a lt r a n s - m i s s i o na n do p t i c a ls w i t c h i n g s i n c ee n o r m o u st r a n s m i s s i o nc a p a c i t yy e tw i t hv e r yl o w c o s tc a nb eo b t a i n e db yu l t r a h i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o na n d 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 ( w d m ) ，t h es t u d yo na o n h a sc o n c e n t r a t e do no p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n i q u e sf o rt a k i n gf u l l a d v a n t a g eo fo p t i c a lt r a n s m i s s i o n w i t hs m a l ls w i t c h i n gg r a n u l a r i t ya n df l e x i b l es c h e d u l 。 i n g ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) h a sb e e nc o n s i d e r e d 雒t h eg o a lo fo p t i c a ls w i t c h i n g t e c h n o l o g y i no p sn e t w o r k sp a c k e tc o n t e n t i o no c c u r si n e v i t a b l yw h e nt w oo rm o r eo p t i c a lp a c k e t s a r eg o i n gt ol e a v es w i t c h i n gn o d ef r o mt h es a n l eo u t p u tp o r to nt h es a m ew a v e l e n g t hs i m u l - t a n e o u s l y h o wt os o l v et h ec o n t e n t i o nb e c o m e st h ek e y t or e a l i z ep r a c t i c a lo p sn e t w o r k s s i n c ea p p r o p r i a t eb u f f e r i n ga n dt r a n s f e r r i n gt e c h n i q u e sw i nb ev e r yc h a l l e n g i n gs o l u t i o n st o s u c hi s s u e ，t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es t u d yi nt h i sf i e l di n c l u d i n gb u f f e rd e v i c ed e s i g n i n g ，b u f f e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，b u f f e rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n ，p a c k e tt r a n s f e r r i n gs c h e m e ， e t c t h ed i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w s ： i nc h a p t e r2o p d c a lb u f f e rt e c h n o l o g yi si n v e s t i g a t e d ah y b r i do p t i c e l e c t r o n i cb u f f e r d e v i c ea n dac y c l i c q u e u e - b a s e da c c e s ss c h e m ea r ep r o p o s e d i no r d e rt od e a lw i t ht h el o w e f f i c i e n c yo ff i b e rd e l a yl i n e ( f d l ) u s e di no p t i c a lb u f f e r i n g ，t h eh y b r i ds t r u c t u r ec o n s i s t s o fo p t i c a lp a r ta n de l e c t r i cp a r t e s p e c i a l l yt h eo p d c a lp a r ti sw h e e l l i k ec y c l i cf d ll o o p b u f f e rc o n s t r u c t e db yan u m b e ro fs h o r t e rf d l ss ot h a tt h eb u f f e rc a no f f e rm u c hs m a l l e r d e l a yg r a n u l a r i t yw i t ht h es a m et o t a ll e n g t h h e n c e t h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo ff d l sc a nb e i n c r e a s e d ，a n dt h ec o n t e n t i o ns o l v i n gc a p a b i l i t yo fs w i t c h i n gn o d ec a l lb ei m p r o v e dr e m a r k - a b l y i nc h a p t e r3aq u a n d z e dd e l a yb u f f e r ( q d b ) m o d e li sp r o p o s e dt oa n a l y z et h ep e r f o r - m a n c eo ff d l b u f f e r c o n s i d e r i n gt h ed e l a yq u a n t i z a t i o ni nf d l s ，d e l a yt i m ea n dw a i t i n g 一一 卜海交通大学博士学位论文 t i m eo fp a c k e ta r ed i s c u s s e d 。w i t h o u ta n ys p e c i f i ca s s u m p t i o n so fp a c k e ta r r i v a lp r o c e s sa n d l e n g t hd i s t r i b u t i o n ，t h em o d e lp r e s e n t sag e n e r i ca p p r o a c ht os t u d yt h ed e l a yt i m ed i s t r i b u t i o na n dm o d i f yt h el i n d l e yi n t e g r a le q u a t i o nf o rt h ew a i t i n gt i m ed i s t r i b u t i o n a n a l y t i ca n d e x a c tr e s u l t so ft h et w od i s t r i b u t i o n sm e n t i o n e da b o v ec a nb eo b t a i n e dw i t h o u ta n ya p p r o x i m a r i o n t h ea c c u r a c yo ft h em o d e li sv a l i d a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n i nc h a p t e r4t h ep e r f o r m a n c eo ff d lb u f f e rs y s t e mw i t hf i n i t ew a i t i n gp l a c e si se v a 一 u a t e d 。t h ep r o b a b i l i t yg e n e r a t i n gf u n c d o no fd e l a yt i m ed i s t r i b u t i o nc a nb eo b t a i n e df r o m t h eq d bm o d e lp r e s e n t e di nc h a p t e r3 b ym e a n so fe m b e d d e dm a r k o vc h a i nm e t h o di ti s a b l et of i g u r eo u tq u e u el e n g t hd i s t r i b u t i o n ，l o s sp r o b a b i l i t y , l i m i t i n gm a x i m u mo fm o d i f i e d a v e r a g ea r r i v i n gr a t e ，l i m i t i n gm a x i m u mo fm o d i f i e dt r a f f i cl o a d ，m e a no fd e l a yt i m e w a i t i n g t i m e r e s e r v a t i o nt i m e ，a n do t h e ri m p o r t a n tp e r f o r m a n c em e a s u r e s 。t h ea c c u r a c yo ft h ep r o - p o s e da p p r o a c hi sa l s ov e r i f i e dt h r o u g hs i m u l a t i o n i nc h a p t e r5t h ep e r f o r m a n c eo ff d lb u f f e rs y s t e mw i t hf i n i t em a x i m u mb u f f e rt i m e i ss t u d i e d b ym e a n so fv i r t u a lw a i t i n gt i m e ( v 灯) a p p r o a c ht h ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o nf o r v w 1 1i sr e l a t e dt ot h eo n ef o rw a i t i n gt i m ei nt h eq d bm o d e l t h e nl o s sp r o b a b i l i t yc a nb e a n a l y t i c a l l yf i g u r e do u ta n dt h em i n i m u ml o s sp r o b a b i l i t yc a l lb ep r e d i c t e da sac o n s e q u e n c e f r o me x t r e m u mt h e o r y t h eo p t i m a ln o r m a l i z e dd e l a yg r a n u l a r i t yi so b t a i n e df o r t h ec a s e so f b o t hv a r i a b l e l e n g t ha n df i x e d - l e n g t hp a c k e t s t h es t u d yi nt h i sc h a p t e rc a nb eu s e di nf d l b u f f e rs t r u c t u r ed e s i g n i n g i nc h a p t e r6as t o c h a s t i cl o a d - b a l a n c i n gs c h e m ei no p sn e t w o r k si sp r o p o s e d f i r s t ，a s t o c h a s t i cm o d e lf o rp a c k e tt r a n s f e r r i n gb e t w e e nt w oa d j a c e n tn o d e si ss t u d i e d t h et r a n s f e r r i n gp r o b a b i l i t yi so b t a i n e df r o ms t o c h a s t i cp e r f o r m a n c em e a s u r e so ft h en e i g h b o rn o d e s e c o n d ，al o a d - b a l a n c i n gs c h e m ei sp r e s e n t e db yu s i n gt h et r a n s f e r r i n gm o d e l t h i ss c h e m e c a l ld e c r e a s ec o n t e n t i o np r o b a b i l i t yi no p sn e t w o r k sa n da c h i e v eat r a d e o f fb e t w e e nd e - c r e a s i n gn o d es t a t eu p d a t ec o s ta n di n c r e a s i n gn e t w o r kr e s o u r c e su t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y k e yw o r d s ： o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，f i b e rd e l a yl i n e ，q u a n t i z e dd e l a yb u f f e rm o d e l ， d e l a yt i m e ，w a i t i n gt i m e ，s t o c h a s t i ct r a n s f e r r i n gm o d e l ，l o a d - b a l a n c i n g 一一 主要英文缩写词对照表 a s k a r m d m u x d 、d m f d l j 1 e t j i t m p s m u x m z o b s o c s o l s o p s 洲 o x c p b s p l p q d b r 6 m s c m s o a t w v w t w d m 主要英文缩写词对照表 a m p l i t u d e s h i f tk e y i n g a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e d e m u l t i p l e x e r d e n s i t yw 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 f i b e rd e l a yl i n e j u s te n o u g ht i m e j u s t i n t i m e m a x i m u mp a c k e ts i z e m u l t i p l e x e r m a c h z e h n d e r o p t i c a lb u r s ts w i s 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 ll a b e ls 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 o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k o p t i c a lc r o s sc o n n e c t e r p o l a r i z a t i o nb e a ms p l i t t e r p a c k e tl o s sp r o b a b i l i t y q u a n t i z e dd e l a yb u f f e r r a n d o ma c c e s sm e m o r y s u b c a r r i e rm u l t i p l e x s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r v i r t u a lw a i t i n gt i m e 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 v 一 上海交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期： 舔绮 上海交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解上海交通大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权上海交通大学可以将本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和汇编本学位论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：煎 日期：鸸年旦月粤日 指导教师签名： 日期：碑年扛月驻日 第一章绪论 第一章绪论 1 9 6 0 年美国科学家梅曼( m e i m a n ) 发明了第一个红宝石激光器。1 9 6 6 年，英籍 华人高锟( k c k a o ) 博士首次利用无线电波导通信的原理，提出了低损耗的光导纤 维( 简称光纤) 的概念。1 9 7 0 年，美国康宁公司首次研制成功损耗为2 0 d b k m 的石英 光纤。1 9 7 6 年，美国在亚特兰大成功地进行了4 4 7 m b i f f s 的光纤通信系统试验。从此 光纤通信技术以远远超乎人们预料的方式快速发展。目前光纤通信已成为现代通信 骨干网络的主要方式，并迅速向城域网和接入网扩展【1 ，2 】。现有商用光传输系统 单波长速率已经达到了4 0 g b 8 ，实验室单波长传输速率记录已达到6 4 0 g s 【3 】，同时 密集波分复用( d w d m ) 技术使得单根光纤内能够承载上百个波长信道【4 ，5 】，最高的 传输带宽记录已经达到了1 0 2 t 【6 】。因此从传输层面上看，目前的通信网无疑是光 传送网。但从交换层面上看，无论是线路交换还是分组交换几乎全部是基于电的 交换技术。在每个交换节点，为了提取控制信令或路由信息光信号必须经历一个 光电光( o - e o ：o p t i c a l e l e c t f i c f l o p t i c a l ) 的转换过程。由于电子技术的速度瓶颈， 目前单根光纤传输速率和电交换的基本工作速率大约相差4 5 个数量级，这种速率失 配降低了网络资源利用率及系统的信号交换速率，限制了整个网络性能的提高。为 了有效地利用网络带宽和容量，实现光交换将是通信网的发展趋势【3 _ 8 】。 1 1 光交换技术的发展 光交换( o p d c f ls w i s h i n g ) 技术是指在网络的交换节点处直接把光域输入的光信号 交换到不同的输出端。与电子数字程控交换相比，光交换无须在光纤传输线路和交 换机之间设置光端机进行光电( o e ) 和电光( e o ) 交换，克服了电交换和光传送子网 并存所带来的速率失配问题，而且能充分发挥光信号的高速、宽带和无电磁感应的 优点。光纤传输技术与光交换技术融合在一起可以起到相得益彰的作用，从而使光 交换技术成为通信网交换技术的一个发展方向。近年来，基于光交换的全光网络产 品正成为国内外光通信领域新的开发热点【9 - l l 】，对光交换技术的研究越来越多。 现已开展研究的光交换技术按其交换粒度的不同大致可分为光线路交换( o c s ：o p d c f l c 毗u “s w i t c h i n g ) 、光分组交换( o p s ：o p d c f lp a c k e ts w i s h i n g ) 以及介于二者之间的光 突发交换( o b s ：o p t i c f lb u r s ts w i t c h i n g ) 。 1 1 1 光线路交换( o c s ) 光线路交换的交换方式与传统的电路交换相对应，一个交换过程分可为三个阶 段：光路建立、光路保持和光路释放【1 2 】。光路建立阶段是双向的带宽申请过程， 需要经过请求与应答确认两个处理过程，光路建立和数据传输预定的偏置时间应大 于或等于系统处理时间与两倍的单向传输时延之和；在光路保持阶段，相关节点的 。卜海交通大学博士学位论文 有关配置锁定不变，如果没有通路释放信号将长期保持连接状态；在光路释放阶 段，需要发送光路释放请求，处理后方能释放光路，否则光路将一直处于保持阶 段。现有的光传送网( o t n ：o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ) 中就是采用这裁| 交换方式。光 线路交换系统在进行信息传输前，必须在网络中建立起端到端的连接。按照建立光 通道觞方式，光线路交换又可分为空分f s d 、时分( 两) 、波分瑚1 分( w i ) f d ) 等类型 【1 3 】。空分光交换是由空分光开关矩阵实现的，传送业务时在输入端和输出端建立一 条物理通道。各种机械、电光、磁光的空闯光开关都可以构成空分光交换中的开关 矩阵。时分光交换以约定时隙建立光通道，通过光读写门对光存储器的受控有序读 写操作定成交换动作。波分( 或频分) 光交换则是以规定的光波长建立光通道，由光波 长变换器( 波长开关) 实现交换。 空分交换技术的基本原理是将光交换元件组成f ( g a t e ) 阵列开关，并适当加以控 制，帮可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之闻构成通路。因其交换元件的不同 可分为机械型、光电转换型、复合波导型、全反射型和激光二极管门开关等。目前 这种技术相对比较成熟，僵蠢于交换的粒度太大，网络资源的使用效率不高，因此 其应用前景不被看好。 时分交换技术的基本原理与现行的电子耩控交换中的露分交换系统完全褶同。 在这种技术下，由于各个光器件进行了时分复用，实际上提高了硬件设备的利用 率。时分光交换的关键技术是高速光逻辑器馋，髫翁麓光读，写门可盘定向耦合器 担当，光存储器可采用光纤延迟线( f d l ：f i b e rd e l a yl i n e ) 、双稳态激光二极管等器 件实现。由于光器件技术水平的限制，时分光交换技术基前还仅处予实验室研究阶 段。 波分光交换充分利用了光路的宽带特性，从而获得电子线路所不能实现的波分 型交换网。波分光交换就是将波分复用信号从个波长上转换到另波长上。可调 波长滤波器和波长变换器是实现波分光交换的基本元件。前者的作用是从输入的多 路波分光信号中选出所需的光信号；后者则将可变波长滤波器选出的光信号变换为 适当的波长后输出。 由于光时分线路交换距离商焉的要求遴远，霉前光线路交换的成熟应鬻主要是 波长路由光网络。波长路由具有控制信息量少、带宽大、对数据速率及格式透明的 优点。毽其缺点也缀明显：链路的建立时闻棚对于链路的使羯时闻较长，带宽剩篇 率不商，以波长通道作为网络资源的调度单位，粒度太大不够灵活。鉴于分组交换 技术在电交换网络中的显著成效，近年来在光交换颁域出现了以光分缝为交换粒度 的交换技术：光突发交换和光分组交换。 1 1 。2 先突发交换( o a s ) 光突发交换( o b s ) 的最初概念是由纽约州立大学布法罗( b u f f a l o ) 分校 的c h u n m i n gq i a o 和华盛顿大学的j s t u r n e r 于1 9 9 9 年分别提出的【1 4 ，1 5 】。尽管两 一2 一 第一章绪论 人在提法上不完全一样，但核心思想却是一致的：在网络中突发数据与相应的控制 信息在时间和传输信道上相分离，控制分组被提前发送出去，在各个节点采用延迟 预定方式预约端口和波长资源，突发数据无需收到预约请求的确认消息而随后发 出，并沿着控制分组预定好的端口波长透明地到达目的节点。 光突发交换网络中的基本交换单位是突发( b u r s t ) ，每个突发分成两个部分：包 含路由信息的控制分组( c p ：c o n t r o lp a c k e t ) 和承载业务的突发数据( b d ：b u r s td a t a ) 。 每一个突发的数据分组对应于一个控制分组，并且控制分组先于数据分组传送。突 发数据是由具有相同属性的数据分组( 包括m 分组、以太网帧、帧中继帧等) 汇聚 而成。控制分组包含突发数据的一些基本信息：如突发数据长度、偏置时间、生存 时间、传输突发数据的波长和路由选择参数等。 o b s 网络中包括两种功能节点：边缘节点与核心节点。边缘节点主要负责突 发的封装、路由的选择和突发的发送；核心节点负责完成突发的交换与转发。 在o b s 网络的边缘节点处，将所有未封装的到达业务封装成突发数据，然后根据突 发数据的属性产生相应的控制分组。边缘节点封装好突发后会发送到0 b s 网络中。 在核心节点处，控制分组为相应的突发数据提前预定网络资源，使得突发数据在交 换节点处不必经过光缓存，缓解了光分组交换对光缓存技术的苛求。 o b s 网络采用w d m 技术连接各个节点。w d m 信道组中的若干个波长作为控制 信道来传送控制分组，而其它的波长作为数据信道来传送突发包。在核心节点处， 控制信息转化为电信号在电域中处理，而数据信息则保持在光域内透明通过该节 点。为了充分利用波长资源，通常将几个数据信道的控制信息复用到一个控制信道 上，即几个数据信道共享一个控制信道。 o b s 网络中的一个核心问题就是资源预约协议的设计。资源预约协议可以分为 双向资源预约协议和单向资源预约协议【1 6 1 8 】。典型的双向资源预约协议是早期 的t a w ( t e l l a n d w a i t ) 协议【1 6 】。在此协议下，当一个源节点想发送一个突发时，它 首先发送一个请求，只有当其途经的所有节点都能满足这个请求时源节点才能得到 成功的应答信号。否则该突发被拒绝发送，源节点只有等待一定时延以后再发送 请求。双向资源预约协议的缺点是：带宽利用率低，缺乏网络的灵活性。后来的 突发交换资源预约协议大都采用单向预约方式。单向预约协议的特征是：源节点 发送完控制分组后直接发送突发数据，并不等待目的节点返回的预约成功的应答 信号。典型的单项预约协议有t a g ( t e l l a n d g o ) 协议、i b t ( i n b a n d - t e r m i n a t o r ) 协议 和r f d ( r e s e r v e a f i x e d - d u r a t i o n ) 协议【1 9 1 ，并最终演化成目前o b s 网络中的两大资 源预约协议：j i t 【2 0 1 和肼 2 1 ，2 2 】。 肛1 - 协议基于显式建立显式拆除机制。当源节点发送突发数据包的时候，首先向 网络发送一个包含s e t u p 信息的控制分组，中间节点收至l j s e t u p 信息后将相应的带宽资 一3 一 ，卜海交通大学博士学位论文 源以及端e l 立即配置给相应的突发数据，当源节点发送完突发数据后再向网络发送 一个包含r e l e a s e 信息的控制分组，中间节点收至l j r e l e a s e 信息后才释放预约的带宽资 源和端口。由于j i t 协议中资源的预约是以波长为单位的，所以带宽利用率较低。此 外，r 协议中不支持w d m 层的q o s 。 j e t 协议基于估算建立估算拆除机制。对资源的预定和释放都是通过提前发送 的控制分组一次性完成，控制分组中既包括突发数据的到达时刻又包括突发数据对 资源的占用时长。当控制分组到达时仅对资源进行延迟预定( d e l a yr e s e r v a t i o n ) ，而 端口的设置则延迟到突发数据到来的前一时刻完成。当预定资源的数据包到达时， 交换矩阵已经完成了通道的倒换，使得其可以畅通无阻地通过。这种方式的信令比 较简单，对每一个数据包在源节点处只需发送一次控制信息。 t 和厄t 协议的差异主要在于资源的占用时刻以及资源的占用时长。t 协议对 端口的占用是从控制分组到达当前节点时刻开始；而正t 协议通过读取控制分组内 突发数据到达的估算时刻来设定端口开始使用的时刻。二者对端口的释放也不尽相 同，儿t 是采用显式拆除方式，即在源节点发送完突发数据后重新发送一个控制分组 来释放占用的端口；而j e t 对端e l 的释放时刻是根据控制分组中携带的突发数据长 度以及到达时刻来设定的，因此在突发数据传输完后无需发送额外的控制信令。可 见j e t 的有效资源利用率比j r r 高。但是基于估算的j e t 协议需要过于复杂的算法支 持，而基于显式的j l t 协议中节点的处理可以用纯硬件架构来实现，避免了因为使用 复杂算法带来的延时。因此究竟两者孰优孰劣，需要更多的研究和实验进行佐证。 1 1 3 光分组交换( o p s ) 光分组交换( o p s ) 是光交换的理想模式【2 3 ，与o b s 相比它以更小粒度( 肚s 量 级) 的光分组作为交换单位。每个光分组由分组头( h e a d e r ) 和数据( p a y l o a d ) 两部分组 成。数据部分由电层若干个具有相同业务特性( 如相同的q o s 和相同的p 地址前 缀) 的数据分组( 如i p 包、a t m 数据包或以太网帧等) 汇聚而成。分组头部分包括 了交换过程所需的必要的路由控制信息，如目的地址、t i l 值、光分组中所包含的 电层数据分组的大小和数目等。光分组交换可以看作是电分组交换在光域的实现， 虽然仍旧遵循分组交换的“存储转发 原则，但分组的存储和转发都是在光域中进 行的。 按照具体的实现方法分类，光分组交换可分为两个类别：其一是同步的、用时 隙的、分组长度是固定的( 如图1 1 ) ；其二是异步的、不用时隙的、分组长度是可 变的( 如图1 2 ) 。当多个光交换节点组成了互连的光分组交换网络时，在每个交换 节点的输入端口分组可能会在不同的时刻到达。在同步网中，利用光纤延迟线提供 多个固定时隙的延时来缓冲接收来的数据分组，将所有输入数据分组调节到相同时 隙并且保持相位一致以便同步。在异步网中，没有复杂的同步硬件，数据分组长度 一4 一 第一章绪论 不必相同，输入相位也不必相同，分组交换可随时进行，但也因此引入了竞争，需 要利用延迟线在一定时间内缓存数据包。不管是同步网络还是异步网络，要完成分 组头的识别和载荷( p a y l o a d ) 定位，都需要比特级的同步和快速时钟恢复技术。 图1 1同步( 时隙) 光分组交换节点示意图 f i g 1 1s y n c h r o n o u s ( s l o t t e d ) o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn o d e 一 图1 2异步( 非时隙) 光分组交换节点示意图 f i g 1 2a s y n c h r o n o u s ( u n s l o t t e d ) o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn o d e 光分组交换的技术优势在于：网络资源调度粒度小、带宽利用率高；超高速数 据传输具有速率和格式的透明性：能提供端到端的光通道或者无连接的传输；把大 量的交换业务转移到光域，避免了“电子瓶颈；交换容量与w d m 传输容量匹配 等，因此光分组交换技术被普遍认为是光交换技术的发展方向。下面将对光分组交 换技术的工作原理及各种关键技术展开阐述。 一5 一 卜海交通大学博士学位论文 1 2 光分组交换关键技术 图1 3 为一个简单o p s 网络的示意图，它由采用w d m 链路连接的边缘o p s 节点 和核- t ) o p s 交换节点构成。源点产生的电层数据包到达边缘o p s 节点，在边缘节点 处依照业务特性分类并汇聚成光分组的数据( p a y l o a d ) 部分，然后产生具有路由控制 信息的光分组头( h e a d e r ) 形成一个光分组( p a c k e t ) 。当光分组进入o p s 网络后，根据 光分组头所携带的路由信息，经由不同的路径通过所需的各个核, t ) , o p s 交换节点， 然后到达出口边缘o p s 节点。在出口边缘o p s 节点处，光分组头被剥离，光分组数 据部分被分拆整理并还原成电层的数据包。各个电层数据包经出口节点转发后离 开o p s 网络，到达各自的目的地址。 图1 3 光分组交换网络 f i g 1 3o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n gn e t w o r k s 光分组交换又分为全光型和光电混合型两种。全光型分组交换中，分组头的处 理、控制，载荷的缓存和交换均是在光域中进行。由于光逻辑处理器件，光存储器 件尚未实用化，因而短期内还难以实现全光型分组交换，只能在实验室内进行原理 演示。目前国际上的研究重点基本上是采用光电混合型分组交换节点【2 4 。光电混 合型分组交换特征是：分组头在交换节点经过o - e 转换为电信号进行处理，负责资 源预约的计算以及分组路由的处理；分组载荷则仍然在光域中进行交换。这样可以 充分利用电信号逻辑处理和控制的灵活性，以及分组载荷高速交换的透明性。光电 混合型分组交换的关键技术包括：光分组头的提取以及分组之间的功率均衡，光分 一6 一 第章绪论 组的精确同步，快速的人规模光开关矩阵、全光逻辑器件、全光缓存器件等。特别 地，光域的随机存取缓存( r a m ：r a n d o ma c c 瞄sm e m o w ) 尚未成熟，现阶段的光缓 存一般只能用光纤延迟线f f d l ：f i b e r d e l a yl m e ) 来实现，即利用光在光纤中的传播 时延，根据节点当前状态让竞争分组通过段适当长度的光纤。从而达到缓存的效 果。f d l 缓存的特点是只能实现离散的延时( 延时为最小缓存粒度的整数倍) ，不 够灵活。如果单纯采用f d l 缓存会导致交换节点的体积比较庞大，因此光波长转换 器也被采用到交换节点中。如何设计f d l 缓存结构，如何台理配置波长变换器，如 何对缓存光分组进行调度，都是当前o p s 技术研究的关键问题和热点问题，本文的 后续章节将会详细讨论这个问题。 1 2 1 光信头标记技术 光信头标记是实现光分组交换的关键技术，下面将逐一进行介绍。 r 1 七时域标记法 所谓光时域标记法( 如图14 所示) ，是指光信头和光载荷采用同一个波长信 道，在时间上将它们分开，光信头在前以较低速率传送光载荷在后以较高速率传 送，光信头和光载荷之间保留足够的保护时间( g u a r dt i m e ) 。例如，a c t s ( a d v a n c e d c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n ds e r v i c e s ) 计划的k e o p s ( k e y st oo p t i c a lp a c k e ts w i t c h - i n g ) 项目【2 5 ，2 6 】中采用的光分组交换