（通信与信息系统专业论文）obs网线中的数据丢失恢复机制研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 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 是一种粒度介于光电路交换和光 分组交换之间的技术 它不但融合了它们的优点 而且又克服了二者的缺点 作为 下一代光互联网核心支撑技术之一 引起了众多学者的重视 竞争解决是o b s 网 络中的关键技术之一 虽然目前已经提出了许多解决机制 然而这些机制并不能完 全解决竞争 甚至会导致竞争中的突发丢失 如果被丢弃的突发不能在o b s 层上 恢复 则会引起上层 如t c p 层 重传 最终会引起很大的重传延迟 导致网络 性能下降 但是为了实现更可靠的o b s 网络 既要解决上层应用带来的延迟问题 同时又要克服数据丢失 这就需要使用数据丢失恢复机制 因此本文针对丢失恢复 机制进行了探讨 本文首先在分析了基本重传 突发克隆和1 1 保护等已有丢失恢复机制的基础 上 重点针对重传机制出现的一些问题 如延迟特别大 丢包率改进不明显 提出 了一种基于优先级的突发重传机制 即给重传的突发更高的优先级 重传次数越多 时优先级越高 以降低重传次数 进而减少分组延迟 通过对该机制下的丢包率及 平均分组延迟的性能仿真 验证了该机制性能良好 并进一步验证了数学分析与仿 真实验的 致性 其次 结合突发汇聚对高优先级业务的保护作用 以及采用分段可以降低丢包 率的优点 本文提出了新的丢失恢复机制一一种基于不同等级业务突发汇聚的重传 丢失恢复机制 在该机制中 入口节点将不同等级的分组汇聚到突发中 并将丢失 敏感的业务分组放在突发头部 一发生竞争 核心节点就采用尾部丢弃 同时通知 入口节点重传丢弃分组 通过仿真验证了该机制在平均分组延迟和丢包率方面的改 善 证明该机制性能良好 关键词 竞争解决 数据丢失恢复 分段 重传 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o b s c o m b i n e st h eb e s t o ft h ec o a r s e g r a i n e do p t i c a l c i r c u i t s w i t c h i n ga n dt h ef m e g r a i n e do p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n gp a r a d i g m sw h i l ea v o i d i n g t h e i rs h o r t c o m i n g s h a sa t t r a c t e dm o r ea n d m o r er e s e a r c hi n t e r e s t sf r o mb o t hi n d u s t r ya n d a c a d e m i a i no b sn e t w o r k c o n t e n t i o ni st h ek e yp r o b l e mn e e dt ob es l o v e d al o to f c o n t e n t i o nr e s o l u t i o ns c h e m e sh a v eb e e np r o p o s e db yn o w b u tt h e s ec a n tt o t a l l ys l o v e t h ep r o b l e mo fc o n g e s t i o ni nt h eo b sc o r e e v e nl e a dt ob u r s tl o s sw h e nc o n t e n t i o n h a p p e n s i ft h ed r o p p e db u r s tc a n n o tb er e c o v e r e da tt h eo b sl a y e r h i g h e rl a y e r s s u c h a st c p w i l ln e e dt oe x e c u t et h er e t r a n s m i s s i o no ft h el o s td a t aa tal a t e rt i m e s oi no r d e r t og u a r a n t e ear e l i a b l eo b sn e t w o r ki nw h i c ht h ep r o b l e mo ft h eh i 曲d e l a yc a u s e db y h i g h e r l a y e ra p p l i c a t i o n sa n dt h eb u r s tl o s tc a u s e db yc o n t e n t i o nb o t hn e e dt ob es l o v e d al o s sr e c o v e r ym e c h a n i s mm u s tb ei m p l e m e n t e d s ot h i sp a p e rf o c u s e so nt h ed i s c u s s i o n o f t h ei s s u eo f l o s sr e c o v e r ym e c h a n i s mi no b s i nt h i sp a p e r b a s e do nt h es t u d yo ft h ee x i t i n gl o s sr e c o v e r ym e c h a n i s m s s u c ha s b a s i cr e t r a n s m i s s i o n b u r s tc l o n i n g 1 1p r o t e c t i o n a n dp o i n t i n gt ot h ed i s a d v a n t a g e so f t h er e t r a n s m i s s i o ns c h e m e s u c ha sh i g hp a c k e td e l a ya n ds m a l li m p r o v e m e n ti np a c k e t l o s sp r o b a b i l i t y an e wl o s sr e c o v e r ym e c h a n i s mc a l l e dp r i o r i t i z e dr e t r a n s m i s s i o n s c h e m e p r i sp r e s e n t e d i t sm a i ni d e ai s d r o p p e db u r s tw i l lo b t a i nh i g h e rp r i o r i t yw h e n i ti sr e t r a n s m i t t e df r o mt h ee d g en o d e a n dt h ep r i o r i t yi n c r e a s e sa st h en u m b e ro f r e t r a n s m i s s i o ni n c r e a s e s s o t h ea v e r a g en u m b e ro fr e t r a n s m i s s i o nw i l lb er e d u c e d a n d t h ep a c k e td e l a yw i l lb ei m p r o v e d ab e t t e rp e r f o r m a n c eo fa v e r a g ep a c k e td e l a ya n d p a c k e t l o s s p r o b a b i l i t y h a sb e e np r o v e db yt h ee x p e r i m e n t so ft h es i m u l a t i o n f u r t h e r m o r e t h ec o i n c i d e n c eo ft h en u m e r i c a la n a l y s i sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e g i v e nu n d e rt h ee x p e r i m e n t s n e x t c o m b i n e dw i t ht h ea d v a n t a g e so fb u r s t a s s e m b l ym e c h a n i s mi nw h i c hh i g h p r i o r i t yt r a f f i ch a sb e e np r o t e c t e da n ds e g m e n t a t i o nw h i c hc a no b v i o u s l yr e d u c ep a c k e t l o s sp r o b a b i l i t y an e wl o s sr e c o v e r ym e c h a n i s m r e t r a n s m i s s i o nr e c o v e r ys c h e m e u n d e rd i f f e r e n tc l a s st r a f f i ca s s e m b l y r d c a i sp r o p o s e d i nt h i ss c h e m e p a c k e t so f d i f f e r e n tc l a s s e sa r ea s s e m b l e di n t ot h es a m eb u r s ti nt h ee d g en o d e a n dl o s s s e n s i t i v e p a c k e t sa r ep l a c e dt o w a r dt h eh e a do ft h eb u r s t ap l a c et h a tt h ep a c k e tc a l ln o tb ee a s i l y l o s t o n c et h ec o n t e n t i o no c c u r s t h ep a c k e t st h a ta r ep l a c e da tt h et a i lo ft h eb u r s ta r e i i 重塞坚皇丕堂堡圭迨窒 型婴 堕 i l i 一一 一 d r o p p e di nt h ec o r en o d e a n dc o r r e s p o n d i n gi n f o r m a t i o ni ss e n tt ot h ei n g r e s sn o d et o n o t i c er e t r a n s m i s s i o n ab e t t e rp e r f o r m a n c eo fa v e r a g ep a c k e td e l a ya n dp a c k e tl o s s p r o b a b i l i t yh a sb e e np r o v e db y t h ee x p e r i m e n t so f t h es i m u l a t i o n k e yw o r d s c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n d a t al o s sr e c o v e r y s e g m e n t a t i o nr e t r a n s m i s s i o n i i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 光网络发展 第一章绪论 近年来 以口为主的数据业务呈指数增长 数据业务正在超过电话业务并对 网络的带宽需求日益增加 与此同时 运用w d m 技术的光网络已被公认为下一代 宽带网络的基础 由于以i p 业务为主的数据业务已成为当前世界信息业发展的主 要推动力 因而能否有效地支持m 业务已成为所有技术能否有长远生命力的标志 如此一来 如何构建一个新型的球优化光网络一光互联网 已成为备受瞩目的研究 课题 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 是目前提高光纤传送带 宽的最有效的方法 它利用了一根光纤可以同时传输多个不同波长的光载波的特 点 把光纤可用的波长范围划分成若干个波段 每个波段用作一个独立的信道来传 输一种特定波长的光信号 这些信号可能是a t m s o n e t s d h 或者是i p 流量 典型的w d m 系统有4 或者1 6 个信道 如果超过4 0 个信道 就称为密集波分复 用 d w d m d e n s ew d m 目前由于密集波分复用 d w d m 技术日趋成熟 t b i f f s 量级甚至更高的传输网络已经初步形成 这使得传统的通信网络无论从业务 量设计 容量安排 组网方式 还是交换方式都已经无法适应这一新的发展趋势 为了提高网络的交换能力 人们提出了i po v e r a t m i po v e rs d h i po v e rw d m l j 2 3 j 等光网络结构 如图1 1 醪孵懋照窭嬲嬲髑 鳖豳锱豳幽国隧氆蕊燃戳溶幽矽 b 图1 1 几种光网络结构 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 i po v e r a i m 在i po v e ra t m 图1 1a 这种传送方式中 i p 层提供了简单的数据封装格 式 a t m 层重点提供端到端的q o s 光网络层主要实现波分复用并为上一层的呼 叫选择路由和分配波长 i po v e ra t m 融合i p 和a t m 技术特点 发挥了a t m 支持多业务 提供q o s 服务质量保证 的技术优势 i po v e ra t m 的基本原理和工作方式为 将i p 数据包在a t m 层全部封装为a t m 信元 以a t m 信元形式在信道中传输 i po v e ra t m 分层模型与封装示意图 如图1 2 所示 图1 2i po v e r a t m 分层模型与封装示意图 用a t m 来承载i p 业务 从目前来看又有相当的前景 因而在这方面提出了许 多解决方案 一般来说 可以分为两类 一类为迭加模式 另一类为集成模式 迭 加模式和集成模式的分类法是按a t m 信令来分类的 不能反映网络的整体性能 从网络整体的性能角度出发来考虑 a t m 可以有两种方法来支持i po v e r 删 一种是a t m 作为链路 一种是a t m 作为网络 尽管i po v e ra t m 特别是a t m 以网络形式来支持能获得很好的网络整体性 能 但i po v e ra t m 的技术进展比较慢 特别是m p l s 的标准化工作尚需时日 这样使得a t m 仍不能满足业务高速发展对带宽的要求 从而导致i po v e rs d h 技 术的出现 2 i p o v e r s d h i po v e rs d h 图1 1b 也称p a c k e to v e rs d h p o s 可视为光学宽带i p 网络的雏形 i po v e rs d h 是将m 分组通过点到点协议 p p p 或i t u t 标准l a p s 协议直接映射到s d h 帧 省掉了中继的a t m 层 从而保留了i n t e r a c t 的无链 接特性 简化了网络体系结构 提高了传输效率 降低了成本 是 种实用 高效 的i p 传送技术 i po v e rs d h 基本原理 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 i po v e rs d h 是以s d h 网络作为i p 数据网络的物理传输网络 它使用链路及 p p p 协议对i p 数据包进行封装 把d 分组根据r f c l 6 6 2 规范简单地插入到p p p 帧中的信息段 然后再由s d h 通道层的业务适配器把封装后的i p 数据包映射到s d h 的同步净荷中 然后向下 经过s d h 传输层和段层 加上相应的开销 把净荷 装入一个s d h 帧中 最后到达光层 在光纤中传输 s d h 是基于时分复用的 i p o v e rs d h 保留了i p 面向无连接的特征 其分层模型与封装示意图如图1 3 所示 黪 1 髑 v o i c e v i d e o d a t a i p p p p s d h s o n e t w d m o p t i c a l 阪一 翻 图1 3i po v e rs d h 分层模型与封装示意图 通过分析比较发现 在高性能 宽带的i p 业务方面 i po v e rs d h 技术由于去 掉了a t m 设备 投资少 见效快而且线路利用率高 因而就目前而言 发展高性 能i p 业务 i po v e rs d h 是较好选择 而i po v e ra t m 技术则充分利用已经存在 的a t m 网络和技术 发挥a t m 网络的技术优势 适合于提供高性能的综合通信服 务 因为它能够避免不必要的重复投资 提供v o i c e v i d e o d a t a 多项业务 是传 统电信服务商的较好选择 然而要满足多种p 业务以及带宽的增长 并且随着波 分复用设备 吉比特和太比特路由交换机相继问世 i po v e rw d m 技术应运而生 3 i po v e r w d m l l i i po v e tw d m 图1 1c 也叫光因特网或i p 优化光互连网 是指直接在光 网上运行的因特网 其基本工作原理是光纤直接与光耦合器相连 耦合器把各波长 分开或组合 输入和输出端都是用简单的光纤连接器 在发送端 将不同波长的光 信号组合 复用 送入一根光纤中传输 在接收端 又将组合光信号分开 解复用 并送入不同的终端 因此 i po v e rw d m 是一个真正的链路层数据网 可以通过 指定波长作旁路或直通连接 网络的业务工程可以只在m 层完成 由于使用了指 定的波长 结构更灵活 并具有向光交换和全光选路结构转移的可能 采用i po v e rw d m 技术 可减少网络各层间的中间冗余部分 减少s d h a t m 和i p 等各层间的功能重叠 减少设备操作 维护和管理费用 同时 由于省去 了a t m 层和s d h 层 所以传输效率高 额外开销低 简化了网管 并可与p 的 不对称业务量特性相匹配 充分利用带宽 大大节省网络运营商的成本 从而间接 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 地降低了用户获得多媒体通信业务的费用 显然 这是一种最直接 最简单 最经 济的i p 网络体系结构 非常适用于超大型碑骨干网 近年来 随着互联网的迅猛发展 i p 业务呈现爆炸式增长 预测表明 i p 将承 载包括语音 图像 数据等在内的多种业务 构成未来信息网络的基础 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 提高了资源利用率和组网灵活性 因此如何构 建能够有效支持p 业务的下一代光网络已成为人们广泛关注的热点之一 如图1 4 所示为光网路演变的发展趋势图i l 5 光 网 络 发 展 时间 图1 4 光网络演变与发展趋势 因此 随着不断增长的业务需求的刺激和技术的发展 光突发交换眄 和光分组 交换技术 7 1 将应运而生 为更灵活 更有效的新一代光网络提供解决方案 1 2 光交换技术 光交换技术 8 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 按照不同的交换对象和参照依据 光交换技术分类也不同 按照复用 方式的不同 光交换技术可分为四种 光时分交换技术 光波分交换技术 光空分 交技术和光码分交换技术 由于未来的光网络要求支持多粒度的业务 业务的多样 性使用户对带宽有不同的需求 按照这一要求 光交换又可分为以下几种 光电路交换 9 1 0 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 光分组交换 1 1 1 2 1 3 l o p s o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g 技术 以光分组作为 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 最小的交换颗粒 如图1 5 所示的光分组交换网络由核心节点和边缘节点组成 它 们之间通过w d m 链路相连接 边缘节点完成光分组生成以及将光分组拆分成普通 分组的功能 核心节点完成光分组转发寻路功能 光分组交换网络中的光数据分组 主要分成两部分处理 其中有效负荷部分的路由与转发不需要经过光电 电光处理 极大地提高了数据分组的转发速度和节点的吞吐量 图1 5 光分组交换网络模型 光突发交换眄 8 1 3 1 o b s o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g 技术 采用数据分组和 控制分组独立传送 在时间和空间信道上都是分离的 以光突发包作为最小的交换 单元 o b s 在一定程度上兼有粗粒度电路交换和精细粒度分组交换的优点 同时避 免了其缺点 o b s 与o c s o p s 的比较见表1 1 表1 1o b s o p s 0 c s 的比较 光交换方式 o c so p so b s 带宽利用率低高局 延迟高低低 光缓存不需要需要 不需要 开销低高低 适应性弱强强 实现难度 低高中 根据以上o b s 与o c s o p s 的对比分析 可以看出o b s 光网络结合了o c s o p s 技术的优点 同时避免了它们的缺点 它具有延时小 带宽利用率高 交换灵 活 数据透明 交换容量大等优点 可作为下一代光互联网核心支撑技术之一 因 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 而引起了众多学者的重视 由于o b s 网络本质上是典型的无连接网络 同时它主要采用单向预留机制缺 乏端到端的带宽保证 并且其核心节点无缓存 这样在核心节点就很可能发生资源 的竞争 导致数据丢失 当两个突发同时竞争相同的输出信道时 就会发生竞争 竞争解决 c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n 问题是光突发交换中比较突出的问题 也是被最 广泛研究的问题之一 目前 提出的解决方案主要包括 2 2 2 9 时间域上的缓存方案 波长域上的波长转换方案 空间域上的偏射路由方案 突发分段等 虽然这些机制 在一定程度上解决了竞争 但是由于网络自身原因以及竞争解决机制的缺陷 使得 这些机制也不能完全解决竞争 那么在发生竞争后 竞争不能解决 竞争中的突发 之一就会被丢失 如果被丢弃的突发不能在o b s 层上恢复 那么高层 如t c p 就将在一定时间后需要处理被丢弃数据的重传 这样就引入了很大的重传延迟 导 致网络性能下降 而随着网络业务数量的爆炸式增长 网络带宽的需求 对o b s 网络的性能提出新的要求 即要解决更高层应用带来的高的带宽延迟问题 又要克 服o b s 网络中丢失的问题 那么为了实现这种可靠的o b s 网络 就需要在合适的 时候使用数据丢失恢复机制减少分组丢失 因此本文对丢失恢复机制进行了探讨 1 3 本文的主要工作与内容安排 本文主要研究了o b s 网络中在无其它竞争解决机制情况下的数据丢失恢复机 制 重点分析了使用突发重传技术的丢失恢复机制 针对t c p 重传带来的延迟问 题 以及目前已有丢失恢复机制的不足 提出了一种基于优先级的重传丢失恢复机 制 并用o p n e t 仿真工具验证了该机制的性能 结果显示该机制比已有的重传丢失 恢复机制性能更好 其次 利用o b s 网络中突发汇聚和分段机制 提出了一种基 于不同等级业务分组汇聚的分段重传机制 该机制明显改善了分组的丢包率和平均 分组延迟 本文内容安排如下 第一章 绪论 介绍光网络和光交换技术的发展 简单介绍了竞争的产生以及 竞争不能解决时的问题 并指出了使用数据丢失恢复机制的重要性 第二章 光突发交换网络 介绍光突发交换网络的体系结构 关键技术及其协 议 第三章 基于优先级的突发重传丢失恢复机制 首先介绍1 1 保护 突发克隆 基本重传等目前已有数据丢失恢复机制的基本原理 然后重点根据重传机制的缺 点 提出了基于优先级的突发重传机制 该机制基本思想是 给重传突发更高的优 先级 重传次数越多 优先级越高 而新产生的突发优先级最低 同时对平均重传 次数进行了数学分析 并对丢包率 平均分组延迟使用o p n e t 进行了仿真分析 并 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 与已有机制进行比较 结果显示该机制明显减少了平均重传次数 进而减少了分组 平均延迟和丢包率 第四章 基于不同等级业务突发汇聚的重传丢失恢复机制 针对o b s 网络中 不同等级业务分组的汇聚对高优先级业务有保护作用 同时在核心节点中采用分段 可以降低丢包率的特性 提出了基于不同等级业务突发汇聚的分段重传机制 也就 是在入口节点将丢失敏感 高优先级 的业务分组汇聚到低丢失概率的位置 突发 的头部 当发生竞争时 采用尾部丢弃 然后在入口节点重传被丢弃的分组 通 过对该机制性能仿真分析与比较 表明了该机制可以明显减少丢包率和分组延迟 同时保证了不同业务等级的q o s 第五章 结论及未来的工作 本章总结全文 并展望下一步的研究方向 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络 第二章光突发交换网络 所谓光突发交换 o b s o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g 是一种光交换技术 它以突发数 据包为交换单位 通过在单独的信道 一般是单独的波长 中发送控制信息 以便 预留相应的突发包所需的资源 后续核心节点在电域或光域处理控制消息 试图预 留并配置相关资源 而突发包一般不需要等待确认消息 通过事先配置好的链路 透明地 全光 到达目的节点 途经的中间节点不需要对它作任何的识别或其它相 关处理 只需要将其按预先配置的信息进行波长转换 延迟 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需 求 汇聚而成 并在出口边缘节点完成解汇聚 下面分别从网络体系结构 资源预留协议 竞争解决机制 信道调度算法汇聚 机制等几个方面分别加以介绍 2 10 b s 网络结构 光突发交换网络 悼1 6 由若干边缘路由器 e d g er o u t e r 核心路由器 c o r e r o u t e r 和波分复用 w d m 链路组成 如图2 1 所示 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 组合成突发包 并产生b h p 然后发送给与之最邻近的o 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 发送到其它子网或终端用户 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联 它由若干边缘节点和核心节点通过w d m 链路连接组成 边缘节点负责业务汇 聚和还原 连接客户网 i p a t m s d h 等电网络 和o b s 核心网 对每一个在 核心网中传送的数据突发d b 来讲 边缘节点又分为入口边缘节点和出口边缘节点 入口边缘节点负责将到达的电分组按照出口边缘节点和q o s 等要求汇聚成d b 汇 聚完成后 首先产生一个控制分组b h p 它包含此d b 的路由等信息 沿w d m 链 路中专用的控制信道 c o n t r o lc h a n n e l 进入o b s 核心网 d b 等待一段偏移时间 o 魅e tt i m e 后 随即沿数据信道 d a t ac h a n n e l 进入o b s 核心网 通常 若干 数据信道共享一个控制信道 核心节点负责提取控制分组 并进行电处理 为即将 到来的d b 分配资源 配置交换通道 再生控制分组等 并将更新后的控制分组沿 着适当的控制信道发往下一跳 如果没有足够的资源 那么新到达的突发及其控制 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络 分组要么被丢弃 要么对已预约资源的低优先级突发进行分段或丢弃处理 这些要 根据网络所使用的具体冲突解决策略而定 如果d b 早于它相应的控制分组进入核 心节点 这个突发肯定是要被丢弃的 图2 1o b s 的网络结构 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 突发数据包由一些i p 分组组成 这些口分组可以是来自传统i p 网中不同的电域i p 路由器 而b h p b u r s th e a d e rp a c k e t 突发头部分组 也就是控制分组 在独立 于数据通道的光信道中传输 如图2 2 所示 每个突发包对应于一个b h p 源节点 需要设置b h p 与数据突发 d b d a t ab u r s t 的偏置时间t 即b h p 与相应d b 的出发时间间隔 b h p 中包含突发包传输交换所必需的控制信息 如突发包长度 偏置时间 目的地等 j 卫 数据信道 图2 2d b 与b h p 传输示意图 9 数据信道n 控制信道 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络 b h p 在中间节点需要进行光电转换 在电域内进行路由判断 保证突发包在偏 置时间内完全在光域内完成传输和交换 由于突发包是统计占用宽带资源 从而提 高了不同连接之间的传输效率 在w d m 系统中 b h p 占用一个波长或者几个波长 突发包占用其它波长 对于多光系统也可以是b h p 占用一根光纤或其中的几个波 长 而其它光纤和波长用于突发包的传输 2 20 b s 网络节点结构 o b s 网络节点f 6 1 3 舶 分为核心节点与边缘节点 边缘节点负责d b 的分类 组 装和拆卸 可提供各类业务接口 而核心节点的任务是完成d b 的转发与交换 o b s 的核心节点结构与光分组交换不同 它只需要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 这两个功能是每个边缘节点必须 具备的 2 2 1 边缘节点 对每一个数据突发d b 来说 它都有自己的源 边缘 节点和目的 边缘 节 点 对一个边缘节点而言 它都有自己的发送部分和接收部分 发送部分结构和接 收部分结构和功能差不多 发送和接收都是相对于数据突发而言的 图2 3o b s 边缘节点功能结构 在入口边缘节点 边缘节点根据输入i p 流的特性来决定d b 数据突发 的大 1 0 重庆邮电大学硕 论文 第二章光突发交换网络 小和偏罨时间 包含出口地址 偏置时间 d b 大小和q o s 等信息的b h p 提前于 其对应的d b 在分离的控制信道上发送 d b 经过一个给定偏置时间后跟随b h p 传送 这些b h p 在中间节点被转换成电信号进行处理 在出口边缘节点 d b 被拆分成多个i p 包 如果需要 在出口边缘节点还要进 行重排序和出错重传处理 偏置时间 突发大小和q o s 值等参数是o b s 网络要处 理的基本要素 这些参数需在o b s 网络的入口边缘节点进行赋值 边缘节点的功能结构如图2 3 所示 在i p 层和w d m 光层有一个媒介接入控 制 m a c m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 层 入口边缘节点m a c 层需要完成i p 分组的 组装 形成d b 计算d b 和对应b c p 之间的偏置时间 并将含此偏置时间的b c p 发送到光层控制信道 然后在偏置时间后送出相应的d b 在出口边缘节点完成相 反操作 2 2 2 核心节点 光突发交换的一个重要特点是采用了延迟预约 即控制信息在数据到达之前先 到达中间节点 核心节点要根据控制信息和节点当前的状态信息进行资源的预约和 仲裁 若预约成功 需完成对交换矩阵 可调的波长转换器 光纤延迟线缓存等资 源的配置 以保证后续的数据到达时透明地穿过节点 若出现资源的竞争和冲突 核心节点还需要根据一定的冲突解决方案完成相应操作 因此 核心节点 特别是 图2 4 核心节点功能图 l l 输 出 光 纤 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络 其交换控制方案的设计是整个系统正确运行的关键 也是对网络性能影响最大的一 个环节 核心节点的功能框架如图2 4 所示 主要包括四个模块 光交换模块 交换控 制模块 协议处理模块和线路模块 在交换控制模块提供的配置信息控制下 这些 部件协调工作 共同为数据提供透明的通道 交换控制模块功能包括对信令处理 转发表的查找 资源的预约及冲突判决和处理等 协议处理模块主要实现高层协议 的处理 包括转发表的维护与更新等 2 3 资源预留协议 为了使o b s 网络能高效地协调数据分组d b 和控制分组b h p 之间的工作 o b s 采用带外信令方式 主要采用通知 发送 t a g t e l la n dg o 协议和恰量时i h 司 j e t j u s t e n o u g h t i m e 协议 其中根据偏置时间t 的大小 可以把o b s 网络分为3 大类 无预留 在发送b h p 后 立即发送突发包 也就是说 偏置时间仅仅是 b h p 的发送时间 只有当交换开关配置时间和b h p 交换处理时间非常短的情况下 这种方案才可能采用 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 这一类非常接近于光路交换 它也需要一个双向往返 时延来建立传输通道 因为b h p 预留了资源 保证了突发分组的可靠传输 这类 o b s 网络的主要缺点是偏置时间较长 从而引起较长的数据传输延迟 单向预留 在b h p 发送完成后 经历一定偏置时间后即发送突发包 源 o b s 节点不需要等待目的o b s 节点的确认 因此 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 目前提出的绝大部分o b s 的信令协议都是基于分布式单向预约方式 d i s t r i b u t e ds i g n a l i n gw i t ho n e w a yr e s e r v a t i o n 它建立连接的步骤是这样的 首 先 先向网络发送一个控制分组b h p 这个控制分组在发往突发目的地的途中逐跳 在电层被处理 发送控制分组的目的是为相应的数据突发传送建立一条全光传输路 径预约足够的资源 在这个阶段 d b 在源节点等待一段时间 这段时间即为偏移 时间 o f f s e tt i m e 接下来就是突发的真正传送 在延迟了偏移时间以后 d b 不 需要收到整条路径已经建好的确认消息 a c k 即被发往目的地 显然 在基于单 向预约的信令下 建立连接所需的时间要远远小于双向预约 w e i 等人分析了o b s 一种单向预约协议 j i t j u s t i n t i m e 的建立连接的时间并与电路交换的结果进行 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络 了对比 他们得出的结论是单向信令方案获得了低得多的建立时间和更好的吞吐 量 常见的j e t j i t t a g 和t a w 1 7 2 1 等协议都属于这一类 1 t a g 协议 1 8 如图2 5 所示 t a g 协议源节点首先在控制信道上发送一个控制分组来预留带 宽和配置交换结构 经过偏移时间t 就开始发送数据 而不需要收到带宽预留成功 的消息 当数据发送完成后 源节点再发送一个释放分组来释放带宽 t a g 协议的 优点是实现简单 是其它协议的基础 不需要存储 缺点是系统吞吐量低 尤其是 当系统负荷较重时 这是因为在t a g 协议中 一旦控制分组到达某节点 如果此 时输出信道空闲 该节点就为该分组预约信道资源 直到数据分组传送完毕才释放 占用的信道资源 如果信道忙 则丢弃该分组 释放分组控制分组 毒 图2 51 a q 协议机制 控制信道 数据信道 2 t a w 协议 1 9 1 如图2 6 所示 t a w t e l la n dw a i t 机制通过发送b h p 突发头分组 也就是 突发控制分组 来收集路由中每个节点的可用信息 在目的节点 实施一种信道调 度算法 即每条链路上的预留时间基于所有中间节点先前的可用信道时间 当每个 o n 图2 6t a w 协议机制 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络 中间节点都能满足资源的预留 就发送一个响应包 如果路径中的任何一个节点所 请求的信道已被占用 核心节点则向源节点发送失败信息 同时释放先前预留的资 源 如果响应包成功地回到源节点 突发数据就会在所分配的时间内发送出去 o b s 中的t a w 不同于t a g 协议之处在于 资源只在突发持续时间内预留 而且不用发 送拆除信息 3 j 1 t 协议 2 0 为了降低复杂性 yw e i 等建议采用j i t j u s ti nt i m e 信令协议 j i t 协议是 一种单向资源预留协议 它提供尽力而为的服务 不支持w d m 层的q o s 当预留 信号到达节点后 如果节点有可用的波长信道则立即开始预留 如果没有 预留请 求就被丢弃 同时相应的d b 也会被丢弃 预留的波长直到突发包传输结束才被释 放 是否保留信道的唯一信息只取决于网络节点的记录目前是否存在可用波长 这 使得j i t 在边缘节点和核心节点的实现都比较简单 但是j i t 的缺点是效率较低 即使不同的突发包在同一信道上没有传输冲突时也可能会发生丢包 而且不能做 q o s 保证 4 j e t 协议 2 l 如图2 7 所示 执行j e t 协议时 源节点在发送突发数据分组前 首先在控制 信道上向目的节点发送一个控制分组 在中间节点对该控制分组进行处理 为给要 发送的数据分组建立一条全光的通道 j e t 使用延时预留 d r d e l a yr e s e r v a t i o n 方式预约带宽 控制分组中含有突发数据的长度信息和偏置时间信息 源节点发出 控制分组后 等待一个偏置时间t t 值大小基于源节点和目的节点之间的跳数和 各个节点的交换时间 后再发 n 图2 7j e t 协议机制 送突发数据 丁的大小足以补偿控制分组在各个中间节点所消耗的处理时间 即 t n x 其中n 是中间节点数 万是一个核心节点处处理控制分组的平均时间 在此期间 突发先在源节点的电域内等待 经过偏移时间r 突发使用所选波长发 送 如果其中的任一节点预留未成功 那么这个突发就会被丢弃 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络 2 4 竞争解决机制 o b s 的基本原理是通过与突发数据包分离传送的控制分组来在数据传送路径 上的核心节点处预留带宽 从而使突发数据包能够透明地通过各个核心节点 o b s 网络中 核心节点的交换控制是以给将到达的突发包预留带宽的方式进行的 对于 o b s 核心节点来说 在重叠的时间区间内 如果两个或多个输入突发包要求在同一 端口 同一数据信道输出 就会产生所谓的 突发包竞争 问题 突发包竞争会导致竞争的数据包丢失 由于突发包的统计概率很难预测 因此 如何降低o b s 网络中因突发包竞争所导致的数据丢失概率就成为o b s 网络中需要 解决的关键问题之一 目前 o b s 网络中的突发包竞争解决方案主要有以下几种 减少竞争发生 采用偏置时间随机化技术 即在网络边缘处使控制分组与 突发包之间的偏置时间随机化 产生后尽量消除 使用光缓存器 包括动态分配管理 波长转换技术 包 括结合使用高效的输出信道调度算法 或者采用偏射路由技术等 不能消除则尽量减少竞争造成的数据丢失 采用组合式突发包或突发包分 段技术等 从技术实现的角度看 突发包预留冲突可应用下面几种方式中的一种或多种技 术融合的方法来解决 波长域 通过波长转换的手段 可以将d b 在同一个指定端口的不同波长 发送 时间域 通过利用光缓存 如f d l 将d b 进行延时 直到不会产生冲突 为止 与电域缓存方案不同的是 f d l 只能提供一个固定的 有限的延时 数据按 先进先出的顺序离开f d l 因为目前尚没有实用的光缓存器 空间域 在偏射路由中 将d b 发送到节点另一个空闲端口上 并沿不同 的路由到达目的端 空间域可以用于同一个端口有多个光纤的情况 此时不需要采 用波长转换技术 竞争解决 c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n 问题是光突发交换中比较突出的问题 也是 被最广泛研究的问题之 这是由于它主要采用了基于单向预约的信令协议 缺乏 端到端的带宽保证 而且没有光随机存储器可用 目前 提出的解决方案主要包括 2 2 2 9 1 时间域上的缓存方案 波长域上的波长转换方案 空间域上的偏射路由方案 突发分段等 这些方案之间并不冲突 因此可以相互结合使用 取长补短 1 5 重庆邮电大学硕士论文第二章光突发交换网络 2 4 1 光缓存 在o b s 网络中 d b 完全在光域处理 不进行光 电 光转换 所以采用光缓存器 2 2 2 3 1 是解决竞争问题的首选 但是 类似电域的随机存储器r a m 的光随机存储器 尚未实用 光域的缓存很难实现 目前采用的光缓存器只能采用光纤延迟线 f d l 的方式来实现 这种光缓存可分为 固定延时 可变延时和混合延时三种结构 如 图2 8 所示 a n 1 x b a 固定时延 1 3 2 2 2 2 x b b 可变时延 c 混合时延 图2 8 光缓存器结构 一个光缓存器由多个f d l 组成 对于固定延时的光缓存 每个f d l 能提供固定 的延时 延时范围为o n 1 b 如图2 8 a 所示 其中的b 为单位延时 对于可 1 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章光突发交换网络 变延时结构的光缓存 n 个f d l 中的每一个都可以提供范围在0 1 2 2 2 2 拧 b 内的延时 如图2 8 b 所示 其中n 由具体应用决定 混合结构的光缓存结 合了固定延时与可变延时的特点 n 个f d l 中的每一个可以提供变化的延时 但不 同f d l 提供的最大延时是不同的 这个最大值为b m 一1 b 如图2 8 c 所示