（通信与信息系统专业论文）端口模块化的obs调度策略与光多播关键器件放置问题研究.pdf

摘要 摘要 本文就光网络设计中两个不同领域的问题进行了探讨 在光突发领域 本文 提出了 种包含一定的波长调度算法和交换节点结构的调度策略用于改进现有的 o b s 网络丢包率 在光网络多播方面 本文探讨了粗粒度的关键节点放置背景下 关键节点数量对动态多播业务阻塞率的影响 并给出了一些用于降低动态多播业 务阻塞率的关键节点放置策略 本文中在两个领域中的工作分别源于作者在硕士 研究生期间参与的两个不同项目 光突发交换的基本思想是充分利用光纤的巨大带宽和电控制的灵活性 将控 制信息与数据信息分离 交换节点根据控制信息动态地为数据信息建立全光通路 由于光突发交换以突发数据作为基本的传输单位 突发数据的丢失率是衡量光突 发交换网络性能的重要指标 在光突发交换网络中 交换节点结构和波长调度算 法都会极大地影响突发数据丢失率 本文提出了一种端口模块化的调度策略以优 化光突发交换网络的分组丢失率性能 针对端口模块化的交换节点结构 设计了 可预先避免冲突的调度策略 其中严格的端口模块化策略可以避免m p p 交换 结构的内部阻塞 在单核心节点的网络上使丢失率降到0 但不适用于多核心节 点的多跳网络 修改的端口模块化算法通过设置合适的参数 平衡各个节点上调 度资源的使用 在全网达到较低的丢失率 本文对端口模块化的调度策略进行了 仿真分析 仿真显示 通过设置合理的参数 端口模块化的调度可以有效地降低 光突发交换网络的分组丢失率 光网络多播为高效地运行视频会议和网络电视等业务提供了可能性 无论是 动态多播业务还是静态多播业务 为了建立优化的多播树 需要分光节点和波长 变换节点的支持 由于成本等问题 往往不可能在整个网络的所有节点上都配置 分光器件和波长变换器件 那么在哪些节点提供分光和波长变换功能就是一个重 要问题 这个问题被称为粗粒度的关键节点放置问题 现在已经有大量文献提出 静态多播业务下粗粒度放置问题的解决方案 大都以最大化网络容量为优化目标 据我们所知 本文是第一次在动态多播业务背景下 评估关键节点数量对于多播 业务阻塞率的影响 更进一步地 本文还第一次提出了以降低阻塞率为目标的一 组关键节点放置策略 我们的仿真结果表明 1 增加波长变换节点和分光节点 的数目都可以从总体上降低多播业务阻塞率 但是在放置少量分光节点的情况下 如果分光节点放置策略选择不当 如随机放置的策略 可能会造成比不配置分光 摘要 节点时更大的阻塞率 2 本文中提出的五种关键节点放置策略在放置分光节点和 波长变换节点时相对随机放置策略都可以有效地降低多播业务阻塞率 尤其是将 本文中提出的关键节点放置策略用于放置分光节点时 可以缓解放置少量分光节 点时阻塞率比没有分光节点放置时升高的现象 关键词 光突发交换 交换节点结构 调度算法 光网络多播 分光节点 波长变换节点 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e dt w od i f f e r e n tt o p i c si nt h ed o m a i no fo p t i c a ln e t w o r k f o r o b st e c h n o l o g y w ep r e s e n t e dan e ws c h e d u l i n gp o l i c yc o n t a i n i n gb o t hc e r t a i n s w i t c h i n gn o d ea r c h i t e c t u r ea n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h i ss c h e d u l i n gp o l i c yc a n r e d u c ep a c k e tl o s sr a t ei na no b sn e t w o r k f o rm u l t i c a s t i n gi no p t i c a ln e t w o r k t h i s p a p e rf o c u s e do np l a c e m e n to fk e yn o d e ss u c ha sw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nn o d e sa n d s p l i t t i n gn o d e s i ti n v e s t i g a t e si n t ot h ea f f a i ro fh o w t h em u l t i c a s tt r a f f i cb l o c k i n gr a t e i si n f l u e n c e db yt h en u m b e ro fk e yn o d e si naw d mn e t w o r k i ta l s op r o p o s e ds e v e r a l p o l i c i e sf o rp l a c i n gk e yn o d e sw i t ht h ea i mo fr e d u c i n gb l o c k i n gr a t ef o rd y n a m i c m u l t i c a s tt r a f f i c t h eb a s i ci d e ao fo b si st oi n t e g r a t et h eh u g eb a n dw i t h i naf i b e ra n dt h e c o n v e n i e n c eo fe l e c t r o n i cp r o c e s s i n g d a t ap a c k e ta n dc o n t r o lp a c k e ta r es e n ti n d i f f e r e n tc h a n n e l s w h i l eac o n t r o lp a c k e ti sp r o c e s s e da te a c hs w i t c h i n gn o d e a na l l o p t i c a ll i g h tp a t hi ss e tu pd y n a m i c a l l yf o rt h ec o r r e s p o n d i n gd a t ap a c k e t s w i t c h i n g n o d ea r c h i t e c t u r ea n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mh a v eg r e a ti n f l u e n c eo np a c k e tl o s sr a t ei n o b sn e t w o r k t h i s p a p e rp r o p o s e d a p o r tm o d u l a r i z e ds c h e d u l i n gp o l i c y t h a t c o m b i n e st h e s et w oa s p e c t s w i t ht h ea i mo fr e d u c i n gb u r s tp a c k e tl o s sr a t e s i m u l a t i o n s h o w st h a tw i t ht h ea p p r o p r i a t es e t t i n g o u rp o r tm o d u l a r i z e ds c h e d u l i n gp o l i c yc a n r e m a r k a b l yr e d u c ep a c k e tl o s sr a t e o p t i c a lm u l t i c a s tp r o v i d e saw a y o fs e n d i n gm e s s a g ef r o mo n en o d et w om u l t i p l e n o d e si no p t i c a ln e t w o r k t h i sf a c i l i t i e sa p p l i c a t i o ns u c ha sv i d e o c o n f e r e n c i n g t o b e t t e rs u p p o r tm u l t i c a s ti no p t i c a ln e t w o r k s w i t c h i n gn o d es h o u l db ee q u i p p e dw i t h c e r t a i nc o m p o n e n t ss u c ha sl i g h ts p l i t t e ra n dw a v e l e n g t hc o n v e r t e r t h en o d ew i t ht h e l i g h ts p l i t t i n go rw a v e l e n g t hc o n v e r s i o nc a p a b i l i t yi sc a l l e dak e yn o d e s o m e t i m e s o n l yp a r to ft h es w i t c h i n gn o d e sc a nb es e t a sk e yn o d e s s oh o wt ol o c a t et h ek e y n o d e st om i n i m i z et r a f f i cb l o c k i n gr a t e f o rd y n a m i ct r a f f i c o rt om a x i m i z en e t w o r k c a p a b i l i t y f o rs t a t i ct r a f f i c i so fg r e a ti m p o r t a n c e a sf a ra sw ek n o w r e s e a r c hh a s o n l yb e e nd o n ew i t hs t a t i ct r a f f i c t h i sp a p e r f o rt h ef i r s tt i m e w ee v a l u a t e sh o w t r a f f i cb l o c k i n gr a t ei si n f l u e n c eb yt h en u m b e ro fr a n d o m l yp l a c e dk e yn o d e s i ta l s o p r o p o s e ds e v e r a lk e yn o d ep l a c e m e n ts t r a t e g yt or e d u c et h eb l o c k i n gr a t eo fd y n a m i c i i i a b s 仃a c t m u l t i c a s tt r a f f i c t h es i m u l a t i o ns h o w st h a t 1 p l a c i n gm o r ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o n n o d ew i l la l w a y si m p r o v et r a f f i cb l o c kr a t ep e r f o r m a n c e b u tp l a c i n gf e ws p l i t t i n gn o d e w i t hi m p r o p e rs t r a t e g yw o u l dr e s u l ti nh i g h e rb l o c k i n gr a t ec o m p a r i n gt ot h eb l o c k i n g r a t ew h e nn os p l i t t i n gn o d ei sp l a c e d 2 w i t ht h ep r o p o s e dk e yn o d e sp l a c e m e n t s t r a t e g y t r a f f i cb l o c k i n gr a t eo fd y n a m i cm u l t i c a s tt r a f f i cc a nb ee f f i c i e n t l yr e d u c e d c o m p a r i n g t ot h er a n d o mp l a c i n gs t r a t e g y k e y w o r d o p t i c a lb u n ts w i t c h i n g s w i t c h i n gn o d ea r c h i t e c t u r e s c h e d u l i n g a l g o r i t h m o p t i c a lm u l t i c a s t s p l i t t i n gn o d e w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nn o d e i v 简略字表 简略字表 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 i pi n t e r n e tp r o t o c o l o x c o p t i c a lc r o s sc o n n e c t r w a r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t d bd a t ab u r s t b h pb u r s th e a d e rp a c k e t o c s o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p s o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o b s o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g f n pf i x e dn u m b e ro fp a c k e t s f a pf i x e da s s e m b l yp e r i o d a a p a d a p t i v ea s s e m b l yp e r i o d m b m a pm i l lb u r s tl e n g t hm a xa s s e m b l yp e r i o d m m b m a p m i na n dm a xb u r s tl e n g t hm a xa s s e m b l y p e r i o d o x c f d l t w c r 弭必 m c r a m c m i o p t i c a lc r o s s c o n n e c t f i b e rd e l a yl i n e t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r r o u t i n ga n dw a v e l e n g t ha s s i g n m e n t m u l t i c a s t r o u t i n g a n d w a v e l e n g t h a s s i g n m e n t m u l t i c a s tc a p a b l e m u l t i c a s ti n c a p a b l e v 波分复用技术 因特网协议 光交叉连接器 路由与波长分配 突发数据 突发头分组 光路交换 光分组交换 光突发交换 固定分组个数 固定汇聚时间 自适应汇聚时间 最小突发长度 最小最大突发长度 b i b 最大突发汇 聚时间 光交叉连接 光延迟线 波长变换器 路由和波长分配 多播路由和波长分配 有多播能力 的节点 无多播能力 的节点 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 至 缢 日期 妒6 年f 月2 j 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 丝 日期 酬年 月 6 日 第一章引言 第一章引言 全球网络用户的大量增长和新型大容量业务的发展 对传统的网络体系提出 了巨大的挑战 例如 采用传统波长路由方式的网络不能良好地承载日益增长的 突发性业务 传统的点到点传输模式不能满足多种新型业务要求的点到多点的传 输要求 相应地 每一个挑战也带来了新的技术 采用光突发交换技术可以很好 地承载i n t e r n e t 上的突发数据 采用光树代替了光路概念的光网络多播技术可以 为点到多点传输的业务建立全光通路 本文试就以上两个领域中的某些问题进行探讨 在光突发交换方面 本文提 出了一种综合考虑了波长调度算法和交换节点结构的调度策略 用于改进现有的 o b s 网络丢包率 在光网络多播方面 本文探讨了粗粒度的关键节点放置背景下 关键节点数量对动态多播业务阻塞率的影响 并给出了一些以降低动态多播业务 阻塞率为目标的关键节点放置策略 本文中在两个领域中的工作分别源于作者在 硕士研究生期间参与的两个不同项目 本章的其它部分安排如下 1 1 节对光突发交换技术的背景以及本文在此方面 的贡献进行了简要的介绍 1 2 节对光网络多播技术以及其中的关键节点放置问题 进行了简要的介绍 1 3 节介绍了本文其他章节的安排 1 1 光突发交换技术背景 突发交换的概念最初用于在时分复用 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 简称 t d m 链路上将语音与数据集成在一起进行传输 电路交换中 一个呼叫 c a l l 是分配带宽和配置交换机的基本交换实体 它一般包含多个突发 分组交换中 分组是基本交换实体 突发交换则以突发 b u r s t 为基本交换实体 一个突发一般 由多个i p 分组构成 可认为是超长分组 与呼叫和分组相比 突发的颗粒度居 中 近年来 电域的 突发交换 概念被引入到w d m 光网络中 1 9 9 8 年 c h u n m i n g q i a o 和j s t r u n e r 等人在文献 1 1 1 2 1 中最先提出了光突发交换 经过短短几年时间 己引起越来越多研究机构的注意 现在已经把它作为口与波分复用 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 简称w d m 高效集成的核心技术之一 光突发交换与电 域中突发交换的基本思想非常相似 处理的对象不是单个的分组数据 而是由多 电子科技大学硕士学位论文 个分组构成的 长度可变的突发数据 d a t ab u r s t 但是 由于光器件的特殊性 光域的突发交换与电域的突发交换存在很大的技术上的的区别 光突发交换的关键思想是充分利用光纤的巨大带宽和电子控制的灵活性 将 控制与数据分离 数据以突发数据的形式在光域传输和交换 同时每个突发数据 还有一个对应的突发报头分组 b u r s th e a d e rp a c k e t 简称b h p b h p 携带控制 信息 并在光域中传输 但在交换节点被转换到电域处理 处理的结果用于控制 交换节点为突发数据动态建立全光通路 b h p 所携带的控制信息主要包括偏移时 间 突发长度等等 另外在光突发交换中 资源预约是单向的 源端不需要等待 目的端的反馈确认 光突发交换网络主要由边缘节点 核心节点和w d m 链路构成 其中边缘节 点主要负责将来自外部网络的数据进行缓存和封装 按一定策略生成突发数据 然后送入有核心节点组成的交换网络 对于从核心节点来到的突发数据 边缘节 点负责进行解封装并发送到相应的目的外部网络 核心节点主要完成突发数据的 调度 资源的预约和释放 以及冲突的解决 连接各个节点的w d m 链路作为突 发数据和b h p 分组的传输通道 光突发交换网络中 突发数据的丢失率是反映网络性能的一个重要指标 已 经有很多文献提出了通过改善核心节点的交换结构或波长调度算法优化光突发交 换网络丢失率的方法 本文提出一种包含一定核心节点交换结构和波长调度算法 的突发数据调度策略 仿真证明此种调度策略相对原有算法可以有效地降低突发 数据丢失率 本文中的第二章和第三章着重介绍了这种调度策略 并采用o p n e t 软件进行了仿真 1 2 光网络多播技术以及其中的关键节点放置问题 光网络多播技术的出现来源于新型业务的需要 视频会议 网络电视等业务 需要网络支持点到多点的传输 传统的w d m 网络基于点到点的传输方式 因而 只能通过为每个目的节点建立独立的光路来实现上述业务 lh s a h a s r a b u d d h e 和b m u k h e l j e e 在文献 3 中提出了建立光树 1 i g h tt r e e 来代替多个光路 1 i g h t p a t h 完成点到多点的传输的想法 相比而言 光树利用 交换节点中的分光器件 将同样的信息同时传送给位于交换节点不同出端口的下 游用户 在其他条件相同的情况下 光树相对光路的解决方案占用较少波长资源 因而被认为是更好的多播业务支持方式 2 第一章引言 为了在光域支持多播业务 需要分光器件的支持 采用s a d 4 j s p l i t t e ra n d d e l i v e r y 结构的分光器件和采用t a c 5 t a pa n dc o n t i n u e 结构的分光器件是两 种不同的解决方案 采用s a d 结构的分光器件可以将光信号功率分割成多份发送 给不同的下游节点 从而建立树状的多播树 采用t a c 结构分光器件的节点具有 在多播的目的节点提取少量光信号功率进行光电转换的能力 其余的光信号只能 被交换到单个下一跳节点 所以利用这种节点建立的多播树是一条由源节点出发 经过所有目的节点的路径 到现在为止 采用s a d 分光器件的交换结构及相关的路由算法得到了更多的 研究 本文中讨论的分光节点专指此类节点 如果网络中只允许部分节点具有分 光能力 那么哪些节点有分光能力会很大地影响多播树的建立 对于这个问题 已经有很多文献进行了研究 现有研究成果主要集中于针对一定拓扑中的静态业 务 如何优化分光节点的放置 以获得最大网络容量的问题 相对分光节点 波长变换节点对于波长路由网络的容量 阻塞率有更大的影 响 这是因为在全光网络中 波长一致性限制对于全光通道的建立始终是重要的 制约因素 而波长变换节点可以降低这种制约的影响 光路 光树 被一个或 者多个波长变换节点分割成多个分段 每个分段之间不受波长一致性约束的限制 对于波长变换节点的放置问题 尤其是在单播业务下的放置问题 已经有大量文 献进行了研究 但是就我们所知 尚没有文献讨论波长变换节点对动态多播业务 的影响 由于分光器件和波长变换器件对于光网络多播业务的重要作用 下文中将这 两种器件统称为光网络多播的 关键器件 配制任一种或者两种器件的节点称作 光网络多播的 关键节点 文献 6 将多播环境中关键节点的放置分为两个层次的问题 粗粒度的放置问 题和细粒度的放置问题 前者关心在哪些节点配制关键器件可以增加网络容量 降低阻塞率 而后者关心如何在维持一个较低的阻塞率的同时 减少网络中使用 的关键器件的数量 本文中四至六章探讨了动态多播业务环境下 粗粒度的关键节点放置问题 其中第四章主要对关键节点放置问题研究现状进行了综述 第五章中探讨了随机 放置的关键节点的数量对于动态多播业务阻塞率的影响 第六章中提出了一组以 降低动态多播业务阻塞率为目标的关键节点放置策略 就我们所知 到现在为止的关键节点放置问题集中于静态业务下以最大化网 络容量为目标的优化 本文是第一次提出针对动态多播业务的优化策略 电子科技大学硕士学位论文 1 3 本文章节安排 本文正文部分其余的章节安排如下 第二章简述了光突发交换技术 第三章 中提出了端口模块化的调度策略 并进行了仿真分析 第四章对于光网络多播技 术做出综述 第五章讨论随机放置的关键节点对于动态多播业务阻塞率的影响 第六章提出了一组以降低动态多播业务阻塞率为目标的关键节点放置策略 4 第二章o b s 技术简述 2 1 全光交换网络 第二章o b s 技术简述 随着近年来网络中数据业务量的爆炸式增长 用户对于网络带宽的需求日益 增大 现有的骨干网尽管以带宽巨大的光纤作为传输介质 但是却不可避免的存 在电 光 光 电转换导致的交换瓶颈 以及光 电网络层次上的重叠和资源的浪费 因此 在网络层以下实现全光的交换有重大的意义 针对通信网络中已有的通信模式 人们对w d m 网络中如何实现全光的交换 提出了三种可行的方案 光路交换 o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o c s 光突发交换 o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o b s 和光分组交换 o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p s 其中光路交换通常称为波长路由交换方案 类似于电网络中的电路交换 这种方 案已经有大量文献进行研究 是一种比较成熟的技术 光分组交换将电网络的分 组交换概念移植到光网络中 但是由于缺乏快速的光逻辑器件和灵活的光缓存 所以此技术离实用尚有较大距离 与以上两种交换方案相比 光突发交换技术是一种折中的方案 它以突发数 据作为基本的交换单位 与光路交换的方案相比有足够的灵活性 可以适应 i n t e r n e t 上大量的突发性业务的需求 与光分组交换相比又避免了使用尚不成熟的 光器件 已经有数个试验平台被成功地搭建 因此 光突发交换被认为是一种有 着巨大应用前景的全光交换技术 三种全光交换技术的对比如表2 1 所示 表2 1 三种全光交换技术比较 波长路由光分组交换光突发交换 持续的线路单个分组突发数据 交换粒度 大粒度 小粒度 中等粒度 持续时间 长短 中等 带宽利用率 低高较高 适应分组业务低局较高 实现复杂度低 尚 较高 电子科技大学硕士学位论文 2 2 光突发交换关键技术 光突发交换的关键思想是充分利用光纤的巨大带宽和电控制的灵活性 将控 制与数据分离 它主要通过以下两点关键改进 融合了光路交换和光分组交换的 优点 同时又避免了他们的缺点 第一 光突发交换的基本交换单位突发数据 d a t ab u r s t 在o b s 网络中以 全光形式传输 充分利用了光纤的巨大带宽 与光分组交换技术相比 突发数据 的粒度远大于口分组 降低了对光器件的性能要求 如光开关的动作时间等 使得光突发交换在工程上更容易实现 与光波长路由技术相比 一个突发数据的 粒度远小于波长路由网络中的连接 因此更加灵活 更能适应网络中突发业务的 需要 第二 光突发交换网络中 控制信息和数据信息在不同的信道上传输 其中 数据以突发数据的形式在光域传输和交换 同时每个突发数据还有一个对应的突 发报头分组 b h p b h p 携带控制信息 并在光域中传输 但在交换节点被转 换到电域处理 b h p 所携带的控制信息主要包括偏移时问 突发长度等等 交换 节点根据b h p 携带的控制信息为对应的突发数据动态建立全光通道 另外在光突 发交换中 资源预约是单向的 源端不需要等待目的端的反馈确认 控制分组必须先于突发数据一段时间被传输 以保证交换节点有足够的时间 对b h p 分组进行处理以及进行光开关的动作 这一段时间差被称作偏移时间 o f f s e tt i m e 图2 1 表示了一个典型o b s 网络中多个控制分组和数据分组在链 路的不同通道中传输的情况 第二章o b s 技术简述 i 一偏移时间一 窒苎坌竺匪删兰兰兰兰 图2 1o b s 网络中 突发数据和控制分组在不同通道中传输 针对不同的突发数据 偏移时间的大小随网络结构和突发数据的目的节点不 同而不同 可以想象 如果突发数据在o b s 网络中需要经过较多的交换节点才能 到达目的节点 就需要预留较多的偏移时间 在预留偏移时间不足的情况下 还 可以利用交换节点中的光纤延迟线临时调整偏移时间 图2 2 显示了一个控制分 组 数据分组对在o b s 网络中传输的情况 图2 2 偏移时间在传输过程中变化 2 3 光突发交换网络结构 光突发交换网络中的链路一般采用w d m 7 技术 w d m 技术通过将多个波 长通道复用于一根光纤 充分利用了光纤的巨大潜在带宽 目前的商用化的产品 已经达到每个光纤复用3 2 个波长 在实验室中已经实现了每个光纤复用1 0 0 0 个 一粉 一 一刘 一 i 委一 一 一 一 一 k 一 1 一 道一覆 一 突一 i耋 毋 一圆 电子科技大学硕士学位论文 波长 所以w d m 技术被认为是下一代骨干网的核心传输技术 光突发交换网络中的节点按照其功能以及在网络中的位置可以分为两类 位 于o b s 网络边缘连接传统网络和o b s 网络的节点被称作边缘节点 其他的节点 被称作核心节点 一个典型的o b s 网络如图2 3 所示 图2 3 0 b s 网络示例 本章下面的两个小节将分别介绍光突发交换网络中的边缘节点和核心节点 2 4 光突发交换网络边缘节点 光突发交换网络中的边缘节点是连接o b s 网络和传统网络的接口 边缘节点 按照功能可以划分成发送和接收两大部分 边缘节点的发送部分汇聚外部 传统 网络中的流量 将外部网络中的数据封装成突发数据 并将突发数据发送到o b s 网络中 边缘节点的接收部分将来自o b s 网络中的突发数据解包发送到对应的外 部网络 边缘节点的发送部分的主要实现以下功能 假设外部网络是i p 网络 接收由外部到达光突发交换网络的分组并对相应的i p 分组进行解封 装 主要是第一层和第二层解封装 和校验 按照一定的准则 如目的边缘节点和服务等级 对i p 分组进行突发排 队 将各个队列中的口分组按照一定的策略 汇聚算法 汇聚成突发数据 并产生对应的控制分组 第二章o b s 技术简述 分 组 对突发包及相应的控制分组进行调度 将突发包及其控制分组进行电 光转换后发送到光突发交换网络中去 相应的功能框图如图2 4 所示 突 突囊 发 发 器 排 包 调 队 汇 度 模 聚 模 块 模 块 块 图2 4o b s 边缘节点发送功能 边缘节点的接收部分主要完成以下功能 设外部网络是i p 网络 接收从光突发交换网络到达的控制分组和突发包 将接收到的突发包拆成单个的i p 分组 根据i p 分组的目的地址转发突发包 边缘节点接收部分的功能框图如图2 5 所示 图2 5o b s 边缘节点接收功能 名 分 组 控 制 分 组 突 发 分 组 从上面描述可以看出 边缘节点的主要功能集中在它的发送部分 其中对于 i p 分组进行排队的策略 对于队列中的口分组进行汇聚打包的策略 以及对于 电子科技大学硕士学位论文 突发数据的调度算法是o b s 边缘节点的三个关键技术 2 4 1 突发排队策略 排队策略决定了如何对突发队列进行有效的管理 迄今为止对于此问题进行 研究的文献并不多见 文献 8 中提出了集中排队 独立排队和混合排队三种解决 策略 并对它们进行了比较 仿真显示集中排队策略具有较好的性能 2 4 2 突发包汇聚算法 突发汇聚算法决定了依据何种策略将汇聚队列中的i p 分组打包成为突发数 据的问题 这个问题已经有较多的文献 9 1 2 进行研究 比较成熟的算法包括以下 几种 固定分组个数k f n p f i x e d n u m b e r o f p a c k e t s 的汇聚准则 1 0 1 针对不同优 先级的队列 设置不同的门限k 当该队列的i p 分组个数达到门限时 就把队列 中所有的分组打包成一个突发数据 这一准则的优点在于算法简单 在分组长度 固定的情况下 如a t m 信元或i p 分组的大小固定 可以方便的计算出突发包 的长度 有利于网络的性能 缺点在于如果被汇聚的主要是变长的i p 分组 会导 致突发包的长度不规则 对网络的性能不利 固定汇聚时间t f a p f i x e d a s s e m b l yp e r i o d 的汇聚准则 1 0 与固定分组个 数类似 对于不同服务等级的队列 可以设计不同的汇聚时间丁 当第一个分组 到达时 时钟开始计时 计时到达r 时 不论已经到达的分组的多少 都形成一 个突发包并发送出去 这一准则的优点在于突发汇聚的时间是一个常数 这样有 利于简化边缘节点的调度算法实现 不利之处在于突发包的长度会随外部网络的 负载情况而变化 自适应汇聚时间t a a p a d a p t i v ea s s e m b l yp 翻o d 的汇聚准则1 1 1 此汇聚算 法与f a p 基本相同 不同之处在于a a p 准则可以根据网络的负载情况动态地调 整汇聚的时间 也就可以调整突发包的长度 使得突发包的大小不会剧烈地变动 此准则的缺点在于对于汇聚时间的调整需要通过一定的预测机制来实现 因而实 现比较复杂 最小突发长度风湘最大突发汇聚时间t m b m a pm i nb u r s tl e n g t hm a x a s s e m b l yp e r i o d 的汇聚准则 1 2 1 在m b m a p 的汇聚准则中 如果突发包在最大 汇聚时间r 内达到了最小突发长度b 抽 则形成一个突发包并发送出去 如果在 i o 第二章o b s 技术简述 最大突发汇聚时间r 结束后突发包的长度b 小于b m 则将该突发包填充到b m 后形成一个突发包发送出去 最小最大突发长度b m b 卅 最大突发汇聚时间t m m b m a pm i na n dm a x b u r s tl e n g t hm a xa s s e m b l yp e r i o d 的汇聚准则 1 如果在最大突发汇聚时间t 内 突发包的长度大于最小突发长度b 访且小于最大突发长度风 则形成一 个突发包 如果在最大汇聚时间丁内 突发包的长度大于最大突发长度b k 将 多余的部分截断后形成一个新的突发队列 与此同时 将长度为b 的突发包发 送出去 如果在最大突发汇聚时间 突发包的长度小于最小突发长度b 则将 该突发包填充到最小突发长度b 后形成一个突发包发送出去 上面几种突发汇聚算法中 自适应汇聚时间准则与t c p i p 协议相配合可以很 好地提高传输的效率 但是要求边缘节点掌握网络负载情况 从而增加了网络设 计和维护的复杂度 而在m m b m a p 准则以及作为它的简化的m b m a p 准则中 如果适当地选择b 和日一 可以使突发包的大小稳定在某个b 值附近 考虑到 当前大多数的网络业务都是基于t c p i p 如果有合适的算法可以正确的进行预 测 自适应汇聚时间准则是较好的选择 2 4 3 调度模块 调度模块的主要功能是进行偏移时间的设置以及为突发包和b h p 选择合适 的发送波长 其中偏移时间的设置主要取决于网络所用的协议 而突发包和b h p 分组何时以及在哪个波长上被发送主要取决于边缘节点采取的波长调度策略 下面介绍o b s 网络中常见的几种协议 t a g t e na n d g o 在t a g 1 3 协议下 源节点首先从控制信道发送一个控制分组为相应的数据预 约资源 此后源节点不需要等待目的节点发送回来的确认信息 而是间隔一定的 偏移时间后 将数据由数据通道发送出去 待数据发送完毕后 再发送一个控制 分组去释放资源 i b t i nb a n dt e r m i n a t o r 在i b t 1 4 协议下 含一个标志突发数据开始的头部和一个标志突发数据结束 的尾部 在头部和尾部之间是数据 这一点和分组交换的情形是一样的 然而 在中间节点处 分组交换是在收到整个分组之后才转发该分组 而在i b t 中 中间节点是在收到突发数据的头部之后立即根据头部信息为突发数据选择路由并 1 1 电子科技大学硕士学位论文 开始转发该突发数据而不管整个突发数据到达与否 这样就只需要很少的缓存 r f d r e s e r v e af i x e d d e l a y r f d t 1 6 和t a g 相似 在r f d 中 源节点首先向网络中发送一个控制分 组给突发数据预定资源 与t a g 不同的是 在r f d 中 突发数据在控制分组 发送出去之后必须等待一定的偏移时间丁之后才能发送出去 而且 和t a g 不 一样 r f d 不需要在数据发送完毕之后再发送一个控制分组去释放资源 而是依 靠最初发送的控制分组携带的一些信息 如突发包的长度 突发包的到达时间等 因而 控制分组必须在整个突发数据完全形成之后才能发送出去 而t a g 则不 同 它可以在突发包的第一个分组到达之后立即发送控制分组 波长调度策略在光突发交换网络中占有重要的地位 一个好的波长调度策略 应该能够充分利用网络的资源 尽量提高系统的容量并降低系统的丢失率 由于 边缘节点的波长调度策略和核心节点的波长调度策略类似 所以这一部分将在和 2 5 2 节中介绍 2 5 光突发交换网络核心节点 光突发交换网络的核心节点主要负责处理b h p 分组 并按照波长调度策略的 结果控制光器件的动作 以保证突发数据在o b s 网络中被全光地传输 现有的核 心节点实现方案包括四个主要组成部分 光交叉模块 交换控制模块 协议处理 模块以及线路接口模块 其中交换控制模块包括对信令的处理 转发表的查找 资源的预约和冲突的 判决处理 协议处理模块主要负责实现高层协议的处理 包括转发表的维护和更 新等 光交叉模块主要由空分交换矩阵 f d l 和t w c 组成 在交换模块提供的 信息配置下 这些部件协调工作共同为数据提供透明的传输通道 线路接口模块 包括波分复用器 波分解复用器 e d f a 等光传输相关的器件 对核心节点的突发数据交换功能来说 光交叉模块和交换控制模块是至关重 要的两个模块 它们可以看成核心节点的光交换部分和电控制部分 其中光交换 模块决定了该节点的交换结构 交换控制模块决定了核心节点的调度算法 图2 6 是o b s 核心节点功能的框图 1 2 第二章o b s 技术简述 图2 6o b s 核心节点功能结构 2 5 1 关键光器件与常见交换结构 目前o b s 核心节点光交换结构主要分为三类 1 基于空分交换阵列的输入缓 存结构 2 基于空分交换阵列的环回缓存结构 3 基于广播一选择的交换结构 其 中第三种交换结构大量采用分光器件 光信号能量损失严重 难以满足需要 而 第二种结构中 空分交换阵必须有冗余的输入 输出端口 所以采用第二种交换 结构需要比第一种结构更大的空分交换阵列 因此 目前最受关注的就是第一种 结构 光交叉模块的基本构成单元包括 光交叉矩阵 光纤延迟线和波长变换器 这些基本单元之间由光纤连接 光交叉矩阵完成实际的交换动作 另外两种装置 主要提供解决交换结构中冲突的手段 2 5 1 1 光交叉矩阵 光交叉矩阵是光交叉模块的关键器件 其本身的功能是将自身的任意入端口 与任意出端口相连 配合波长变换器 可以实现将核心节点任意入端口的任一波 长交换到任意出端口的任一波长 o b s 网络中 光交叉矩阵的构造完全可以采用 现有的技术 如大量用于波长路由网络的o x c o p t i c a lc r o s sc o n n e c t 光交叉连 接 矩阵 电子科技大学硕士学位论文 2 5 1 2 光纤延迟线 光纤延迟线 f d l f i b e rd e l a yl i n e 提供延迟光分组的能力 可以将突发数 据延迟一段时间再发送 与电缓存不同的是 f d l 只能够提供几个固定大小的延 迟时间 基本的f d l 结构如图2 7 所示 图2 7 a 为单输出定长f d l 每 级 都提供相同长度的延迟 它的构成简单 只需要一组2 x2 的光开关 但是由于后 续到达的分组必须跟随前一个 所以存在队头阻塞问题 图2 7 b 为单输出变 长f d l 每一级提供不同长度的延迟 和单输出定长f d l 一样 它也存在队头 阻塞问题 其优势在于 在保持延迟粒度不变的情况下 可以使用相对结构 a 较少的级数实现较长的延迟 图2 7 c 为多输出变长f d l 由多个1 2 开关 一个合波器 以及延迟光纤组成 这种配置的优势在于 每一级延迟都有一个出 口连接到最后的合波器 不存在队头阻塞 a 单输出定长f d l b 单输出变长f d l c 多输出定长f d l 图2 7 典型光纤延迟线 多个f d l 可以组成f d l 池 池中的f d l 被多个波长所共享 图2 8 是一个 f d l 池的实例 1 4 第二章o b s 技术简述 图2 8 f d l 池不例 2 5 1 3 波长变换器 波长变换器的实现主要有两种方式 全光方式和光电方式 其中光电方式的 基本思路是将波长先转换为电信号 然后进行电的再生 最后调制到一个新波长 上去 而全光方式主要受制于s o a 半导体光放大 的技术 目前尚难以实现有 效灵活的控制 2 5 1 4 常见交换结构 本小节主要讨论基于空分交换阵列的输入缓存结构 此类交换结构是由空分 光交叉矩阵以及多个光纤延迟线 池 和波长变换器以光纤连接组成的 核心节点的交换结构依据它所使用的交换矩阵的规模而命名 一个具有工个 波长平面 每个平面有 个输入端口和1 个输出端口的空分交叉矩阵 可以记为 l x i x i 的交换矩阵 由此交叉矩阵组成的核心节点记为l x i i 的核心节点 现有的o b s 交换结构依照其交换矩阵的规模 可以分为两类 设一个核心节 点有p 个输入端口和p 个输出端口 每