（通信与信息系统专业论文）支持区分服务的obs网络竞争解决机制研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 近年来 随着i n t e m e t 的快速发展 网络流量呈爆炸式增长 对网络带宽需求不 断扩大 促使人们加快对全光传送网络的研究 日前实现啦势的金光传送主要有光 电路交换 o c s 光分组交换 o p s 和光突发交换 o b s 三种方式 o b s 的提 出 汲取了o c s 襁o p s 瓣优点 丽酵避免宅们躬不足 是匿薄光传送潮最存竞争 力的实现方式之 本文在介绍光阚络技本 光突发交换网络体系结毒句及关键技术的基础上 针对 o b s 网络在链路资源竞争方面的问题 结合o b s 中基于低优先级突麓盥接丢弃的 q o s 机制和偏转路由竞争嬲决机制 给出了掰种改进的基于重凋度的竞争鳃决算法 在鏊于低优先级突发龟直接丢弃的重调泼算法中 当出璃数据突发之阀竞争链 路资源 新到达数据突发不能正常调度时 通过重新调度已调度的数据突发 馕键 獗蓟达数据突发艇够成功调度 当无法重调发眩 逶过丢弃低俊先级数据突发柬保 证高优先级数据突发的正常调度 而在基于照调度的偏转路由算法中 可以通过偏 转低优先级数握突发来降低突发包的丢失事 通过剩蠲o p n e t 仿真工具对算法进 行仿真 根据结果对算法憔能进行分析 表明这两种算法在数据信道竞争解决方谳 具有很好的有效性 尤其是在基于壤调度的偏转路由算法中 进一步降低了低优先 级数据突发静丢包率 减少羝优先级数据突发重传绘黼络带来的影响 在一定程度 上改善网络性能 此外 这两种算法能够对阚络业务进行很好的区分 在保证高优 先级业务q o s 的同时减少了对低优先级业务抟影响 关键词 光突发交换 竞争解决 偏转路由 重调度算法 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t i nr e e e n ty e a r s w i t i lt h ef a s td e v e l o p m e n to fi n t e m e t n e t w o r kt r a f f i ci n c r e a s e s r a p i d l y t h et r e m e n d o u sd e m a n d so nc a p a c i t yo ft r a n s m i s s i o na n ds w i t c h i n gh a v eu r g e d p e o p l et oe n g a g ei nt h er e s e a r c ho fw d m a n do p t i c a ls w i t c h i n gt e c h n o l o g y p r e s e n t l y t h e r ea r et h r e ek i n d so ft e c h n o l o g y 协r e a l i z ea l lo p t i c a lt r m a s m i s s i o n o p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n g o c s o p t i c a lp a c k e ts w i t c i n g o p s a n do p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o b s o b s c o m b i n e st h ev i r t u e so f o p t i c a lc k c u ks w i t c i n ga n dp a c k e ts w i t c h i n gw h i l ea v o i d i n gt h e i r s h o r t c o m i n g s w h i c hi so n eo f t h eb e s tw a y 协r e a l i z ea l lo p t i c a lt r a n s m i s s i o n t h i sa r t i c l e f i r s t l y i n t r o d u c e so p t i c a ln e t w o r k o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gn e t w o r k i n f r a s t r u c t u r ea n dk e yt e c h n o l o g y c o n s i d e r i n gt h el i m i t a t i o no fd a t ac h a n n e lc o n t e m i o n r e s o l u t i o ni no b s t w oc o n t e n t i o nr e s o l u t i o na l g o r i t h m sb a s e do nr e s c h e d u l i n gw e r e p r o p o s e db yc o m b i n i n gw i t hd a t ac h a n n e lc o n t e n t i o nr e s o l u t i o ns t r a t e g i e sa n dt h eq o s s c h e m eb a s e do nd r o p p i n gl o wp r i o r i t yd i r e c t 耻s i m u l a t i o np r o v e st h et w oa l g o r i t h m s h a v eb e t t e rp e r f o r m a n c e i nr e s c h e d u l i n ga l g o r r h mb a s e do nl o wp r i o r i t yb u r s td i r e c t l yd r o p i n g w h e nt h e r ei s c o n t e n t i o nb e t w e e nb u r s t sa n dn e wa r r i v a lb u r s t r e s e h e d u l i n gt h eb u r s t sw i l ln l a k en e w a r r i v a lb u r s ts u c c e s s f u l l ys c h e d u l e d i fr e s c h e d u l i n gd o e s n tw o r k d r o p p i n gl o wp r i o r i t y b u r s te n s u r e st h es u c c e s s f u ls c h e d u l i n go f h 逾hp r i o r i t yb u r s t i nr e s c h e d u l i n g b a s e dd e f l e c t i o nr o u t i n ga l g o r i t h ml i k el o w p r i o r i t yb u r s td e f l e c t i o n r e i n i n g r e d u c e st h el o s sr a t eo fl o wp r i o r i t yb u f s t a n di m p r o v e sn e t w o r kp e r f o r m a n c ei n s o m ed e g r e e s i m u l a t i o nw i t ho p n e ts h o w st h ea l g o r i t h m s p e r f o r m a n c e sa c c o r d i n g 谢t ht h ea n a l y s i s r e s u l t i ts h o w sb e t t e rp e r f o r m a n c ei nd a t a1 0 s sr a t ea n dl i n ku t i l i z a t i o n w ec a r ls e et h en e we o m e n t i o nr e s o l u t i o na l g o r i t h mc a np r o v i d eb e t t e rq o sf u rn e t w o r k s e r v i c e f u r t h e r m o r e t h et w oa l g o r i t h m sc a nd i s t i n g u i s hd i f f e r e ms e r v i c e sa n dp r o v i d b e t t e rq o sf o fh i g hp r i o f 匆s e r v i c ew h i l er e d u c i n gt h ei m p a c tt ol o w p r i o r i t ys e r v i c e 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 c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n d e f l e c t i o n r o u t i n g r e s c h e d u l i n ga l g o r i t h m l l 独创性声明 本人声明所里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 的研究成柒 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 也不包含为获得重区整电去堂或 其健教肖机专句豹学位或谖书两使用过豹材料 与我一目工作的同志对本研究掰 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 孤豆江 签字目麓 毒而年岁月z 1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 堡瘥韭电态堂有关保留 使用学位论文的 规定 露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 本人授权重麽整皇太堂 可以将学位论文的全部域部分内 容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩目 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窑后遁用本授权书 学位论文作者签名 勇文显 亏 l 导师躲谢季 篇字日期 茹 年j 月 f 日 签字日期 7 卯占年6 月f 日 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来网络中的业务量呈爆炸式增长 对网络带宽需求不断增加 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 技术被广泛采用 但是当前w d m 仅 仅是实现点到点连接 业务仍然是采用i p o v e r a t m o v 盯s d h o v e r w d m l p o v e r a t m o v e r w d m i p o v e r s d h o v e r w d m 等多层网络结构方式进行 这些方 式不但存在层次功能重叠 而且开销较大 并且在网络中间节点的处理需要进行 光 电 光的转换 低速的电子交换成了网络传输中的瓶颈 因此有必要减少传输 过程中的层次结构 减少对中间节点对业务的处理 i p o v e l w d m 可以直接在光 层传输坤分组 中间无需经过a t m 和s d h 层 减少了中间节点对数据分组的 处理 被认为是下一代网络最有前途的解决方案 针对不同的通信模式 人们对w d m 光网络中的全光交换与传输提出了三种 方案 光电路交换 o c s o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g 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 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 光电路交换是基 于光波长路由的交换 目前研究较多 相对比较成熟 但是交换粒度较大 链路 建立延时较长 链路利用率低 不适合突发业务 同时由于光信息处理技术还不 成熟 缺乏高速光逻辑器件 光缓冲存储器等 光分组交换实现不易 目前还处 于研究阶段 光突发交换是一种折中的方案 它结合了光分组交换和光电路交换 的优点 又克服了它们各自的缺点 是目前光传送网中最有竞争力的实现方案之 1 2 光网络交换技术概述 随着通信网络逐渐向全光平台发展 光交换技术能够保证网络的可靠性和提 供灵活的路由平台 尽管现有的通信系统都采用电路交换技术 但未来的全光网 络却需要由纯光交换技术来完成信号路由功能以实现网络的高速率和协议的透 明性 光交换技术为进入节点的高速信息流提供动态光处理 仅将属于该节点及 其子网的信息上下路并交由电交换设备继续处理 这样具有以下几个优点 1 可以克服电域交换的容量瓶颈问题 2 大量节省建网和网络升级成本 3 大 大提高网络的重构灵活性和生存性 以及加快网络的恢复时间 光交换技术作为实现全光通信的一种关键技术 它直接在光域将输入信号交 换到不同的输出端 与电域交换相比 光交换无需在交换机输入输出端进行舯 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 电 o e 和电 光 e 幻 变换 能够充分发挥光信号的高速 宽带的优点 光 交换技术将光传输技术与交换技术融合在一起 在中问节点对数据进行全光交 换 提高了数据的交换速率 解决了以往交换机中数据交换速率低的瓶颈问题 使得网络的高速 全光传输得以实现 光交换技术可以分为光电路交换技术和分组交换技术二种类型 光电路交换 技术可以利用光分插复用器 光交叉连接设备等来实现 而分组交换对光器件的 性能要求较高 由于目前光处理技术的不成熟 光逻辑器件功能比较简单 无法 实现控制部分复杂的逻辑处理功能 因而目前的分组交换 控制部分还需要电信 号的处理 即电控光交换 随着光器件技术的发展 光交换技术的最终目标是实 现从控制到数据的光交换 即真正意义上的全光分组交换 光分组交换涉及的关 键技术主要包括 光分组交换 o p s 技术 光突发交换 o b s 技术等 这些技术目 前主要是在实验室内进行研究与功能实现 该技术能够使用户与用户之间的信号 传输与交换全部采用光波技术 即数据从源节点到目的节点的传输过程都在光域 内进行 1 2 1 光电路交换 光电路交换 o c s t s l 技术中 源节点和目的节点之间的光通道通过带有光 w d m 交叉连接的节点设备来建立 每一个波长路由器在任意时刻的输出波长由 输入波长携带的信号唯一决定 因此光电路交换是一种电路交换形式 事实上 基于分布式信令 建立光路需双向预留 因此在源节点需发送一个控制包预留资 源 然后在发送数据之前等待回送响应消息 对于光电路交换 它以波长路由的方式出现 w d m 网络需要为每一个连接 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 在中间节 点无需光缓存 它是目前一种较好的技术方案 光电路交换是采用基于类似 t e l l a n d w a i t 或者a t m 网络中的具有延迟传输特性的块传输 a b t d t a t m b l o c kt r a n s f e rw i t hd e l a yt r a n s m i s s i o n 的双向预留机制 即源节点发出连接建 立请求的控制分组 当有确认消息后再发送数据 数据经过网络中间节点可以通 过直通 c u t t h r o u g h 的方式传输 因此数据的传输需要等待一个端到端的往返 时间 r o u n d t r i pt i m e 这种交换机制特别适合需要高速 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 但是从连接建立到连接拆除 该 端到端的波长通路被此次连接业务所独占 来自不同入口节点或到不同出口节点 的流量不能统计共享光通道带宽 不能被其他数据业务所共享 对于突发业务 这种交换机制将导致极低的带宽利用率 由于i n t e m e t 网络中业务大多是突发性 的自相似业务 因此在业务节点对间提供波长为粒度的光路效率不高 此外由于 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 每个链路的波长数目有限 因此某一时刻只能存在有限个光路 对于某些节点间 的业务不可能建立端到端的光通路 网络中的负载不平衡也使得不同时刻流量的 大小也不一样 1 2 2 光分组交换 随着数据业务的爆炸式增长 光分组交换 o p s 6 l 用技术越来越受到人们 的重视 光分组交换技术具有传输容量大 传输速度高的优点 这促进了电传送 网向光传送网的发展 光分组交换可以看作是电分组交换在光域的应用 交换单 位是高速传输的光分组 光分组交换是面向非连接的 存储 转发 方式 无需 建立实际的物理链路 但由于光逻辑器件的不成熟 真正的全光分组交换实现起 来还有一定困难 目前一般使用光延迟纤 f d l 作为缓存 但它缺乏足够的灵 活性和精度 目前通行的做法是采用光电混合的办法来实现光分组交换 即传输 和交换在光域完成 而控制信号在交换节点被转换成电信号后处理 o p s 是一种细粒度的交换方式 连接建立时延短 带宽利用率高 灵活性好 但实现起来有一定难度 采用o p s 能避开电交换的瓶颈 并能提供与w d m 传 输能力相匹配的光交换能力 从长远来看 o p s 是一种很有前途的技术 1 2 3 光突发交换 人们提出光分组交换是希望能实现全光的分组交换 进而能完成光的比特级 交换 实现真正意义上的mo v e rw d m 传送结构 然而 由于目前光逻辑器件 尚不成熟 光分组交换的控制部分仍然需要在电域完成 仍然存在电子器件处理 速度的限制 而光电路交换交换粒度过大 信道利用率较低 连接建立延时也较 大 针对光电路交换和光分组交换的不足 c h u n m i n gq i a o t l l l 3 1 和啊i u nx i o n 9 1 2 1 等人分别提出光突发交换技术 o b s 在o b s 中 突发由具有相同出口边缘路 由器地址和相同的q o s 要求的口分组组成 突发是光突发交换网中的基本交换 单位 突发数据和控制分组在物理信道上分离传输 每个控制分组对应一个突发 数据 控制分组长度较之于净荷长度要短得多 在节点内控制分组经过光 射光 的变换和电处理 而突发数据从源节点到目的节点始终在光域内 光突发交换包 括核心节点 核心路由器 和边缘节点 边缘路由器 两种节点 边缘路由器负 责数据汇聚 将接入网中的用户分组数据封装成突发数据 或进行反向的拆封工 作 核心路由器完成突发数据的转发与交换 光突发交换与光电路交换和光分组交换相比 具有以下特点 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 光突发交换结合了光电路交换和光分组交换的优点 交换粒度介于两 者之间 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 2 使用带外信令控制机制 实行突发数据分组和控制分组分离的异步传 输交换机制 3 单向预留机制 使用1 a g t e l l a n d g o 或者a b t i t a t mb l o c k t r a n s f e rw i t hi m m e d i a t et r a n s m i s s i o n 类似协议 突发数据分组 b u r s t 在控制 分组发出后不用等待确认消息即可发出 减小端到端时延 4 o f f s e t t i m e 机制 突发数据在控制分组发出一个o f f s e tt i m e 后发出 5 控制分组在网络中间节点需进行光 电转换 在电域处理后再进行电 光转换 数据分组以直通 c u t t h r o u g h 的方式经过中间节点完成端到端的透明 传输 网络中问节点不需要缓存 目前 基于光波长交换技术的光网络已成为可能 但带宽利用率低 灵活性 差 不能适应数据业务高速增长的需要 光分组交换作为光交换的理想形式 由 于目前缺乏相关的支撑技术暂时不能实用化 作为这两种交换技术在实现难度和 性能上的折中 光突发交换逐渐成为研究的热点 光突发交换粒度界于大粒度 的波长和细粒度的分组之问 技术实现较光分组交换简单 但组网能力又比光电 路灵活高效 表1 1 列出了几种交换方式的性能比较 表t 1 几种光交换方式的比较 交换方式交换粒度带宽利用率时延光缓存开销适应性实现难度 0 c s 粗低高不需要低低低 o p s 细高低需要高高高 o b s 中高低不需要低高 中 1 3 论文主要工作及内容安排 1 3 1 论文主要工作 本文在国内外现有研究成果的基础上 针对光突发交换网络在链路资源竞争 方面问题 结合光突发交换中基于低优先级突发直接丢弃的q o s 机制和偏转路由 竞争解决机制 给出了两种改进的基于重调度的竞争解决算法 在基于低优先级 突发包直接丢弃的重调度算法中 当出现突发包之间竞争链路资源 新到达数据 突发无法正常调度时 通过对已调度的数据突发进行重调度 使得新到达数据突 发成功调度 当无法重调度时 可以通过丢弃低优先级数据突发来保证高优先级 数据突发的正常调度 而在基于重调度的偏转路由算法中 通过偏转低优先级数 据突发在一定程度上减少低优先级突发包的丢包 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 通过应用o p n e t 仿真工具对算法进行仿真 表明两种算法在突发包竞争解决 方面具有很好的有效性 尤其是在基于重调度的偏转路由算法中 通过对低优先 级突发包偏转路由 进一步降低了低优先级突发包的丢包率 减少低优先级突发 包重传给网络带来的影响 在一定程度上改善了网络性能 此外 这两种算法能 够对网络业务进行很好的区分 在保证高优先级业务q o s 的同时减少了对低优先 级业务的影响 1 3 2 内容安排 本文共分五章 各章的内容安排如下 第一章绪论 介绍全光网络基本知识及光交换技术概况 第二章光突发交换网络体系结构 详细介绍光网络体系结构 第三章光突发交换网络关键技术 详细介绍了光突发交换控制协议 调度 算法 竞争解决 q o s 等内容 第四章光突发交换竞争解决算法研究 详细介绍本文给出的竞争解决算法 对其性能进行分析 第五章结论 总结全文 探讨下一步的研究工作 5 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构 第二章光突发交换网络体系结构 2 1 光突发交换基本原理 突发交换 b u r s ts w i t c h i n g 的概念在2 0 世纪8 0 年代初就已提出 在当时 突发交换基本上是一种快速分组交换技术的推广 在这种网络中包长可变并且 可以为任意长度 并采用分散式共享缓存交换结构 但突发交换在当时并没有 像电路交换和分组交换那样得到普及 光突发交换 o b s 的概念是综合考虑光电路交换不灵活 信道资源利用 率不高和光分组交换技术难度大 难于实现的问题 逐渐成为光交换领域研究 中的热点 以满足突发性 多样性业务日益增长的需求 光突发交换集中了较 大粒度的波长 电路 交换和较细粒度的光分组交换的优点而避免了他们的不 足 在光突发交换中 突发为一些口包组成的超长p 包 这些m 包可以来自 传统球网中不同的路由器 光突发交换中的控制分组 作用相当于分组交换中 的分组头 在光突发交换网络中 控制分组与净负荷数据在物理信道上分开传 输 每个突发对应一个控制分组 例如 在波分复用 w d m 系统中 控制分 组占用一个或几个波长 突发数据占用所有其它波长 在时分复用系统中 控 制分组占用一个或几个信道 在带状光缆中 控制分组可占用一根或几根光纤 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 要进行光 电 光的变换以及电处理 控制信道与突发数据信道的速率可以相同 也可以不同 这种数据信道与控制信道分离的方法简化了突发数据交换的处理 且控制 图2 1 光突发交换中数据和信令的分离传输 光突发交换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 b u r s t 的形式在光域传输交换 而控制分组b h p b u r s th e a d e r p a c k e t 突发报头分组 也在光域中传输 但在交换节点被转换到电域处理 正常 情况下 控制信息在数据到达之前到达节点 核心节点的交换控制模块根据控 制信息和节点当前的状态信息进行资源的预约 若预约成功 则完成对交换矩 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系结构 阵 波长变换器 光纤延迟线 f d l 的配置 以保证数据到达时透明地穿过节点 若出现资源的竞争和冲突 交换控制模块还需要根据一定的冲突解决方案完成 相应操作 突发通常定义为一个数字化的话音或数据消息 电域中的突发交换基本是 一种快速分组交换技术的推广 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 一般由多个m 分组构成一个突发 可认为是超长分组 与呼d q 和分组相 比 突发的颗粒度居中 在功能上b h p 类似于电路交换网络中的信令 故b h p 称为信令消息 但 o b s 信令不必等待目的端的反馈确认 即资源预约是单向的 与传统分组交换 不同的是 b l i p 与突发数据在物理通道上是分离的 是一种带外信令 w d m 传输系统中可用一个专门的波长作为控制通道传送b h p 但b h p 和突发数据 需要一一对应 为了避免交换节点在处理b l i p 时缓冲突发数据 采用了延迟预 约 在b l i p 和突发数据之间引入了偏移时间 b h p 在中间交换节点转换为电 信号进行处理 交换节点根据b h p 携带的偏移时间 突发长度 数据信道 波 长 等信息确定路由预约资源及配置光交换矩阵 保证突发数据到达时相应的数 据通道已经配置好 两个相邻路由器间的单向传输能力可以用信道 c h a n n e l 来表示 信道由 一个波长或者时分 码分 复用下波长的一部分组成 数据信道传输突发包 控制信道传输b h p 如图2 2 所示 光突发 b u r s t 在w d m 链路中传输 信 道组 c h a n n e lg r o u p 由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问的整体传输能力 通常每个方向都由一个信道组 d c g d a t ac h a n n e lg r o 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 lg r o u p 组成 d c g 和c c g 在物理上既可以是同一条光纤 也可以分属于不同的光纤 d c o d a t ao m m t o m 呻 c c o c o n o lc h a n n e lo m u p 图2 2 数据突发在光突发交换网络中传输示意图 8 1 在一般的o b s 网络中 每一根光纤有多个波长用于数据信道 一个波长则 用作控制信道 b l i p 在w d m 传输链路中的某一特定信道中传送 b h p 与相应 突发包对应 并先于对应突发包发送 通过 数据报 或 虚电路 路由模式 7 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构 中间节点根据b h p 携带的信息分配空闲的数据信道 实现数据信道带宽资源动 态分配 与光电路交换不同 源节点不需要等待目的节点的确认 o b s 源节点 在发送b h p 一段时间后发送突发包 这段时间间隔称为偏置时间 它指b h p 的第l 比特时间与突发包的第l 比特时间之差 b h p 携带了对应突发包的相关 信息 包括偏置时间的大小 突发包的长度 优先级 目的节点等 b h p 通知 到目的节点中需要经过中间节点 在一段偏置时间之后 将有一个突发包到达 中间节点为其预留资源 并作相应的配置 数据信道与控制信道的间隔简化了 对突发包的处理 且b h p 长度很短 可以对其实现高速处理 传输过程中可以 根据链路的实际情况 对b i i p 进行光 电变换后 对其中的控制信息作相应的 调整 b h p 和b d p 都不需要光同步 o b s 网络充分发挥了现有的光电技术的 优点 相对容易实现 由于在光突发交换中应用的是单向资源预留 在网络核心节点 可能有多 个突发控制包同时到达请求预留资源 或者当某一个突发请求到达而前一个突 发还没有传输完全时 将会产生突发包之间的竞争 造成突发包的丢弃 利用 f d l 波长变换 偏转路由等手段可以在一定程度上解决突发包之间的竞争问 题 如果业务允许较大的延时 也可以通过重传突发包来解决 根据偏置时间t 的大小 可以把o b s 网络分为3 大类 1 无预留 在发送b h p 后 立即发送突发包 也就是说 偏置时间仅 仅为b h p 的发送时问 只有当交换开关配置时间和b h p 交换处理时问非常短 的情况下 这种方案才可能被采用 2 单向预留 在b h p 发送完成后 经历一小段时问后即发送突发包 源o b s 节点不需要等待目的o b s 节点的确认 偏置时间的大小介于b h p 的发 送时间与b h p 的往返延时的时间之间 不同的o b s 机制可以在这个范围内选 择不同的偏置时间 3 双向预留 偏置时间为从目的o b s 节点接收到一个确认消息的时间 即需要一个往返传播和处理时间 和光电路交换类似 需要一个双向往返时延 来建立传输通道 缺点是偏置时间较长 使得数据传输时延较大 2 2 突发数据包和控制包格式 2 2 1 突发包格式 突发数据包嘲 b d p b u r s td a t ap a c k e t 的格式如图2 3 所示 包括净荷长 度 p l p a y l o a dl e n g t h i p 分组数目 n o p n u m b e ro f p a c k e t s 填充的偏移 g 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构 量 o f f s e t 以及填充 p a d d i n g p l 净负荷长度 字节 n o p 净负荷中分组的数目 o f f s e t 净负荷中第一个字节的位置 p a d d i n g 填充字节 l a y e r 3 l a y e r 2 叵匝正三匝亘 j 日 l b a y 删e r2 匝巫卫叵 二二二二二二工丑至固 l 仰a y e r m l 图2 3 突发数据包基本格式 图2 3 中l a y e rl 用来封装的 s y n c 位是用来在出口路由器上对光接收者 进行同步的 在突发包开始和结尾处的保护字段 g u a r db a n d 用来克服因各 节点时钟漂移 不同波长之间的延迟差异 突发到达时间和光交换矩阵配置时 间不匹配以及光交换矩阵的配置时间的不确定性等原因造成的突发包到达时间 和持续时间的不确定性 有些光交换矩阵对于交换的最小单元尺寸有限制 即 突发包长度不能太短 填充 p a d d i n g 可以将过短的突发包补齐 达到其所要 求的最短长度 光层信息 o l i o p t i c a ll a y e ri n f o r m a t i o n 完成性能监视 前 向纠错等功能 2 2 2 控制包格式 突发控制包b h p 的基本格式如图24 所示 s r c 和d e s t 是光网络的入口 边缘路由器地址和出口边缘路由器地址 核心路由器根据这些信息让突发包以 逐跳方式到达其目的边缘路由器 b h p 中包含了相对突发包的偏置时间 o f f s e t t i m e 突发包长度 b u r s tl e n g t h 承载突发包的数据信道 b d pf l a g 以及 q o s 参数 c o s 等信息 is r c 匣tl 鬻巴f l a gi 怒l c o s i 图2 4 突发控制包基本格式 9 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构 2 3 光突发交换体系结构 图2 5 是一个o b s 网络的基本结构 9 1 o b s 网络由处于网络边缘的边缘节 点 网络中心的核心节点以及w d m 链路等组成 入口边缘节点按照数据包的 目的地址和服务等级 c o s c l a s so f s e r v i c e 等信息 对数据包进行分类 缓 存和封装 汇聚成突发包 并产生b h p 然后发送到与之邻近的0 b s 核心节 点 核心节点根据b h p 的路由信息 对到达的突发包进行交换 在网络的出口 处 边缘节点将突发包拆卸 发送到其他子网或终端用户 边缘节点提供各种 网络接口 使之可以完成各种协议类型的网络互连 图2 5 光突发交换网络结构图 突发包在o b s 网中的交换传输完全在光域内完成 不需要进行光 电 光转 换 而b h p 在独立于数据通道的光通道中传输 如图26 所示 每个b h p 与 相应突发包对应 在边缘节点需要设置b h p 与突发包间的偏置时间t 通过设 置恰当的时间间隔 可以保证一定的q o s 并且不需要光存储和光同步 b h p 中 包含突发包的长度 偏置时间等相应的控制信息 b h p 在中间节点需要进行光 电转换 在电域内对其进行处理和相应的配置 保证突发包到达时能够在光域 内的透明传输 由于突发包的传输是统计复用的 从而也提高了链路的传输效 率 在w d m 系统中 b h p 占用一个或者几个波长 突发包占用其他波长 对 于多光纤系统也可以是b h p 占用一根光纤或其中的几个波长 而其他光纤和波 长用于突发包的传输 l o 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构 一 j 耍麴丑 一斗数据信道l 突发数据 b 胁b h p l 厂 厂 7 一偏置时间f l 图26 b d p 与b l i p 传输示意图 2 4 光突发交换节点结构 数据信道n b c p 信道 o b s 节点可以分为核心节点和边缘节点 边缘节点负责数据的分类 组装 和拆卸 同时提供各类业务接口 核心节点完成突发包的转发与交换 o b s 的 核心节点结构与光分组交换不同 他只需在电域处理控制信令 边缘节点的功 能又分为入口边缘节点功能和出口边缘节点功能 这两个功能都是每个边缘节 点必须具备的 2 4 1 核心节点 如图2 7 所示为o b s 核心节点的功能结构 在图2 7 中 入口 出口光纤 数均为n 每根光纤支持的波长数均为k l 一个波长用于传输b h p 另外k 个波长用于传输突发包 光纤l 光纤n 光纤1 光缅 1 个控制波长 图2 7o b s 核心节点功能结构 传输b h p 的波长在网络中间节点只需进行光 电 光转换 在电域进行路由 表查找 对光交换矩阵进行配置 更新b l i p 相应数据域等操作 而对于传输突 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络体系结构 发包的波长信道来说 无需光 电 光转换 突发包在其中透明传输 中间节点只 需要对少量控制波长进行光 电 光转换 然后在电域进行处理 控制光交换矩阵 等 这样提高了对信息的处理速度 消除了电子处理瓶颈 光交换矩阵前的光 纤延迟线 f d l f i b e rd e l a yl i n e 是可选的 主要用于延迟相应的突发包 以 等待对应b h p 的处理 也可以通过设置恰当的偏置时问 使得突发包在中问节 点无需延时而直通传输 2 4 2 边缘节点 边缘节点连接0 b s 核心网与接入网 可以分为入口和出口两部分 引 边缘路由器入口部分如图2 8 a 所示 主要功能是将i p 分组组装成b u r s t 按照o b s 协议转发到o b s 网络中去 l i n e c a r d r 完成传统i n t e r n e t 拆分功能 将到达的数据流拆分成i p 分组交给突发汇聚器 b u r s ta s s e m b l e r 突发汇 聚器根据i p 分组出口边缘路由器地址 稚q 0 s 属性将i p 分组组装成突发包 调 度器根据突发的类型和q o s 请求按照某一顺序对其进行调度 同时维护数据信 道和控制信道的空闲时刻表 调度器 s c h e d u l e r 按一定规则为突发包选择空 闲的数据信道和控制信道 根据选择结果在b 咿的相关域中添加偏置时间t b u r s t b h p 发送模块负责将突发包和b i t p 在预定的时间发送出去 边缘路由器出口部分如图2 8 b 所示 主要功能是从0 8 s 网络中接收突发包 拆分成传统i n t e r n e t 的i p 分组 并转发到传统网络 f d l 使b u r s t 接收器在接收突 发包前 b h p 处理器有足够时间处理b t t p 突发拆分模块 b u r s td i s a s s e m b l e r 根据b 即控制信息把突发包拆分成i p 分组 l i n e c a r d r 完成路由查表 分组分类 以等功能 l i n e c a r d s 主要完成传统i n t e r n e t 层的封装功能 d c g o c 0 o g d c g a 入口部分 d c 0 o c 0 d c o c c 0 b 出口部分 图2 8 边缘路由器结构 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络体系结构 为完成o b s 网络的数据传输 待数据传入边缘节点后 首先要适配成突发 数据包才能接入o b s 网络 边缘节点对 业务按目的地址和业务类型进行分 类汇聚 根据业务流量的特性进行突发包组装和偏置时问的计算 这意味着在 o b s 网络中的突发数据包程度是流量相关的 即突发数据包为变长尺寸 突发 数据包虽然是可变长的 但考虑到各种因素 变化频率和幅度应该降低到最小 使得数据业务越平稳越好 边缘节点的接入数据包必须适配成突发分组才能接 入o b s 网络 这是涉及到突发汇聚 调度和突发分组帧格式的设计等问题 在入口边缘路由器 进行突发包的汇聚 生成相应的b h p 边缘节点根据 输入坤流的特性来决定突发的大小和偏置时间 包含出口地址 偏置时间 突 发大小和q o s 等信息的b l i p 提前与其对应的突发包在分离的控制信道上发送 突发包经过一定偏置时问后跟随b l i p 传送 b h p 在中间节点转换为电信号进 行处理 并修改对应的内容 在出口边缘节点 对突发包进行解汇聚 突发包被拆分为多个口包 同时 在边缘节点也可以进行重排序和差错重传处理 边缘节点的功能结构如图2 9 所示 在口层与w d m 层之间有一个媒介接 入控制 m a c m e d i u m a c c e s s c o n t r 0 1 层 入口边缘节点m a c 层需要完成口 分组的组装 形成突发包 计算突发包和对应b h p 之间的偏置时间 并将含此 偏置时间的b l i p 发送到分层控制信道 然后在偏置时间之后发送相应突发包 在出口边缘节点完成相反的操作 i lp 层l i 唑掣 i 1 1 5 组il 陌 闻 m a c 层i l 堡笙墨l 睦 莲蛩 韶 豳 l 接1 1 5 i l 拆帧l i 絮掣 控制分组一i 图2 9o b s 边缘节点功能结构图 1 3 重庆邮电大学硕士论文第三章光突发交换网络关键技术 第三章光突发交换网络关键技术 3 1 光突发交换网络控制协议 o b s 网络最大的特点就是突发包与控制分组在时间上和空间上的分离传 输 时间上的分离是指控制分组的发送比突发包提前一个偏置时间 当突发包 发送时 各中间节点已根据控制分组中的相关信息完成相应的配置 空间上的 分离是指控制分组与突发包在相应的控制信道与数据信道中分开传输 采用带 外信令的控制方式 由于目前在硬件上全光通信还难以实现 为了实现数据的 全光 高速 透明传输 只有将突发包对应的控制分组放在一个固定控制信道 中传输 通过对该信道的光 电 光转换和相应的处理 来实现数据信道的资源预 留 因此 在o b s 网络中 源端在发送突发包之前 需要提前一个偏置时间先 发送控制信息以实现资源预留 目前光突发交换网络中存在多种资源预留方案 它们有各自的不同之处 下面分别介绍各个协议的基本原理和特点 3 1 1 按照预留资源释放的控制方式进行分类 在基于突发交换的网络协议中 根据资源释放的不同方式 也可以把光突 发交换网络的传输控制协议分为以下3 类 1 t a g t a l l a n d g o 协议 采用带外信令控制方式 2 l b t i n b a n d t e r m i n a t o r 协议 采用带内终结标识控制方式 3 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 通过预留固定时间实现节点 的自动控制 其中 t a g 协议和i b t 协议在电域突发交换中都有研究 r f d 协议则是针 对光突发交换网络的特点提出的 1 t a g 协议 t a g l l 9 1 协议源于a t m 交换技术 是对t a w t e l l a n d w a i t 协议的一中改进 如图3 1 所示在传统的t a w 协议中 突发数据在源节点收到c o n n e c t 消息后 确认传输路径已建立 然后再开始进行数据传送 如果业务的传送延时与链路 的建立延时差不多时 这样的资源预留方式将会导致信道利用率降低 从而影 响网络的性能 1 4 重庆邮电大学硕士论文第三章光突发交换网络关键技术 s l 2 d 图3 1 t a w 协议通信过程 在一般情况下 没有必要一定等接收到c o n n e c t 确认消息以后才开始进 行数据传送 可以将数据直接放在s e t u p 消息之后发送 这就是t a g 协议 如图3 2 所示为基于t a g 的光突发交换 控制分组先于突发数据在控制信 道发出 为数据在中间节点预约信道资源 等待一定的偏置时间t 后 突发数 据沿数据信道发出 突发数据传送完毕之后 紧接着由控制信道再传送一组信 道释放信息 当中间节点检测到该信息后 马上将突发数据占用的信道资源释 放 信道释放信息 控制信息 园囹 突发数据 控制信道 数据信道 图3 2 基于t a g 的光突发交换 在o b s 网络中 采用传输与控制分离的方式 t a g 协议可以采用两种方式 实现 第一种方式是将控制分组和数据包一同发送 中间节点在收到它们时将 数据包缓存 然后处理控制包 对相关信息进行配置 然后转发数据突发与控 制分组 但是这种实现方式对光存储有很大的要求 由于目前光逻辑处理技术 重庆邮电大学硕士论文 第三章光突发交换网络关键技术 的限制 实现起来还比较困难 在另一种实现方式的t a g 协议中 源节点首先在控制信道上发送控制分组 中间节点接收到控制分组后 通过对其处理 为突发包预留资源并完成相应的 配置 接着突发包在一个偏置时间t 后发送 利用控制分组预先建立好的数据 通路实现全光 高速 透明的传输 采用这种方式的t a g 协议