（通信与信息系统专业论文）光突发交换路由协议研究及tcp+over+obs研究.pdf

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， 本人签名：迎骝 本人承担一切相关责任。 只期：22 曼，；：i 2 么 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；学校可以公布学位论 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) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名：缬 适用本授权书。 日期：狃2 i ：三：! 兰 日期：塑! ! ! ! ：! 兰 光突发交换网络路由协议及t c po v e ro b s 研究 摘要 d w d m 技术的日益成熟使光纤传输已经不是问题，作为光信息 转发的路由和控制节点则成为了当前光网络的瓶颈，全光的光交换技 术因此成为全球研究的热点。光突发交换就是一种应运而生的全新光 交换技术。光突发交换技术结合了光电路交换与光分组交换的优点， 采用光突发作为交换单位，克服了光电路交换和光分组交换的缺点， 同时具有带宽效率高、吞吐量高、易于实现等优点。 本文研究的重点是路由协议以及t c po v e ro b s 性能分析。目前 的研究中，所提出的协议基本都是借鉴其它网络的协议，并没有提出 特别适合o b s 网络的路由协议。本文提出一种新的自适应比例分配 算法，将g m p l s 引入到o b s 网络中，设计目标主要是用来提高丢 包率与网络均衡这两个网络参数。它们一般用于衡量网络性能的优 劣。通过仿真可以说明，新协议确实能提高网络在这两个参数方面的 性能。 t c po v e ro b s 是目前研究的一个热点。本文通过分析o b s 与 t c p 的特性，得出了t c p 在o b s 网络中可能产生的问题。并提出一 种新型的o b s 边缘节点结构，使t c p 更好的在o b s 网络中传输。 最后重点介绍了t c po v e ro b s 边缘节点重传机制，并简单分析了此 方法的基本原理。本方法是解决在低网络负载下的t c po v e ro b s 吞 吐量性能不佳问题的一种可行性较强的方案。 关键词：光突发交换o b s 路由协议t c p 重传机制 l l - _ 。 一一一 r e s e a r c ho nr o u t es c h e m eo f0 b s a n dt c po v e ro b s a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h e d w d m ，t h eo p t i c a lr o u t i n g t r a n s m i t t i n ga n dt h ec o n t r o ln o d e so fo p t i c a ln e t w o r ka r et h ec u r r e n t b o t t l e n e c k o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gi s ak i n do fn e wo p t i c a ls w i t c h i n g t e c h n o l o g y , w h i c hi s c o m m i t t e dt os o l v et h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k n o d eb o t t l e n e c kp r o b l e m i tu s e so p t i c a lb u r s ta st h ee x c h a n g eu n i tt o o v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft h eo p t i c a ls w i t c h i n ga n do p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n ga n da t t h es a m et i m et h e h i g hb a n d w i d t he f f i c i e n t ，h i 【g h t h r o u g h p u t ，e a s yr e a l i z es h o u l db e a st h ea d v a n t a g e s t h i sp a p e rf o c u s e so nr o u t i n gp r o t o c o l si no b sa n dt c po v e ro b s p e r f o r m a n c ea n a l y s i s t h ec u r r e n ts t u d yd i dn o tp r o p o s er o u t i n gp r o t o c o l s t h a tp a r t i c u l a r l ys u i t a b l ef o ro b sn e t w o r k t h i sp a p e rp r e s e n t san e w a d a p t i v ep r o p o r t i o n a ld i s t r i b u t es c h e m e ，w h i c hi sd e s i g n e dp r i m a r i l yt o i n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo ft w oi m p o r t a n tp a r a m e t e r s ：p a c k e tl o s sr a t e a n dn e t w o r ke q u i l i b r i u mt h a ta r eg e n e r a l l yu s e dt om e a s u r en e t w o r k p e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i o ni l l u s t r a t e st h a tt h en e ws c h e m em a yi m p r o v e n e t w o r kp e r f o r m a n c e t c po v e ro b si sah o tr e s e a r c hc u r r e n t l y t h i s p a p e ra n a l y z e st h ei s s u e st h a tc o n v e n t i o n a lt c pi no b sn e t w o r km a y a r i s e ，p r o p o s ean e wo b se d g en o d es t r u c t u r e a tl a s t ，at c po v e ro b s e d g en o d er e t r a n s m i s s i o n m e c h a n i s mi s p r o p o s e dh i g h l i g h t i n g ，t h i s m e t h o di st os o l v ep o o rp e r f o r m a n c eo ft h r o u g h p u tu n d e rt c po v e ro b s a tl o wn e t w o r kl o a d k e yw o r d s ：0 b sr o u t e s c h e m et c pr e t r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m i i i 第一章 1 1 引言 目录 绪论“一一“1 1 2 课题来源 1 3 课题意义 l 2 3 1 3 1 路由算法部分3 1 3 2t c po v e ro b s 部分4 1 4 国内外现状 1 5 论文结构安排 4 6 第二章光突发交换网络综述7 2 1 下一代光网络发展趋势 2 2 光突发交换网络结构分析 7 8 2 2 1 光交换技术8 2 2 2o b s 的产生9 2 2 3o b s 工作原理1 0 2 2 4o b s 网络结构”1 1 2 3 光突发交换网络关键技术 2 3 1 突发帧结构的组装“1 3 2 3 2 控制协议”1 4 2 3 3 资源调度机制1 6 2 3 4 竞争解决机制2 1 第三章光突发交换网络路由协议研究2 2 3 1 典型路由协议 3 1 1 边界网关协议( b g p , b o r d e rg a t e w a yp r o t o c 0 1 ) 2 2 3 1 2 路由信息协议( r i p , r o u t i n gi n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 2 3 3 1 3 开放最短路径优先协议( o s p f , o p e ns h o r t e s tp a t hf i r s t ) 2 3 3 2 0 b s 类o s p f 路由技术 3 3g m p l s 与o b s 的结合 3 a 新协议研究 2 4 2 7 2 8 第四章t c po v e ro b s 研究3 8 4 1t c p o v e ro b s 总述 i v 4 2 新型o b s 边缘节点结构设计 4 0t c po v e ro b s 边缘节点重传机制的研究 3 9 4 2 第五章结果与展望4 6 附录 4 9 致谢。5 1 作者攻读学位期间发表的学术论文目录 v 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络路由协议以及t c po v c ：i o b s 研究 1 1 引言 第一章绪论 近年来，以i n t e m e t 为代表的数据传输业务正呈现指数式增长态势，超过话 音业务。今后各种通信业务可能都由口分组承载，这将对通信网络的设计产生 重大影响。网络将由基于线路交换、优化承载话音业务向基于分组交换、优化承 载数据业务发展。所谓分组化，目前主要是指i p 化。 在通信网络的底层，采用光纤进行传输成为共识。在此基础上通过各种光传 播技术，产生一个能够通过网络传输的波长信道并向业务层提供宽带“光路径” 的光网络。在各种光网络实现方案当中，w d m d w d m 技术十分引人注目。波 分复用技术( w d m ) 的进步极大地开发了光纤的传输容量，使以光网络传送和交 换海量的互联网业务成为可能。 w d m 是发掘利用光纤巨大潜在容量的利器，未来通信网的传输线路肯定是 越来越多地采用w d m ，并且越来越多的路数可同时传输。这对于扩大通信网容 量，适应通信业务量快速增长非常有利。并且，采用w d m 来扩大容量是符合经 济节约原则的，很显然，当通信业务量增加1 0 0 倍时，一根光纤采用1 0 0 路w d m 系统，比敷设1 0 0 根光纤、每根光纤只传送一路光载波的方案要经济得多。w d m 将是适应通信业务快速发展和扩大通信网容量的最佳选择l l j 。 随着盯m 、唧和1 0 g 以太网等技术的发展和不断增长的需求，促进人 们研究如何经济有效地实现带宽需求的基础设施投资。如前所述，光纤传输已经 不是问题，但作为光信息转发的路由和控制节点是当前光网络的瓶颈。从上面分 析可以看出，光传输和电处理节点已经严重失调，因此很有必要研究全光的光交 换技术( 电控或光控交换) 。 光突发交换( o b s ，o p t i c a lb u r s ts w i t c h ) 就是一种应运而生新的光交换技 术，它致力于解决通信网络中的节点瓶颈的问题。它采用光突发( 多个包会聚在 一起，它持续时间一般在几十肛s 到几百肛s ，甚至可能到几个m s ) 作为交换单位， 它粒度介于光路交换( o c s ，o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 的( 一个波长) 与光分 组交换( o p s ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 的( 一个光分组) 之间，它克服了光路 交换( 粒度大、不灵活、效率低) 和光分组交换( 对光器件要求高、难以实现) 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。 因此o b s 是目前的光网络技术的研究热点，具有巨大的发展潜力。 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络路由协议以及t c p o v e ro b s 研究 1 2 课题来源 本课题来源于国家自然基金项目光突发交换网络o b s 自组织网络协议 机构及新协议研究。该项目立项的主要目的是： 随着口业务的迅猛发展，对传送网带宽和交换系统容量的需求迅速增加。在 光层利用d w d m 技术提供高带宽，使一根光纤上可利用的带宽达到1 0 n i s 左右， 可以满足爆炸式增长的i p 业务对传送网带宽的要求，但采用通常的电路交换技 术( 时分、空分及波长交换) 的交换速率则远低于这个数值，这限制了光的带宽灵 活应用的潜力，两者的失配对交换技术的发展提出了新的要求。从长远来看，为了 提高交换速率和带宽利用率，全光的分组交换是发展方向，但o p s 存在着两个近期 内难以克服的障碍：一是目前的光缓存器、光逻辑器件等的速度和处理能力有限， 离实用化距离远，目前的实验系统中采用的光纤延迟线( f d l ，f i b e rd e l a yl i n e ) 往 往比较笨重，不灵活，存贮深度有限；二是在o p s 交换节点处，多个输入分组的精确 同步难以实现。因此，短时期内，光分组交换的商业应用前景并不被看好。 一种新的光交换技术光突发交换最近分别由c h u n m i n gq i a o 和 j s t u m o r t 2 1 等人提出，在光突发交换中，使用的带宽粒度介于光路交换和光分组 交换之间，比光路交换灵活，带宽利用率高，o b s 降低对光器件的要求，又比光分组 交换更贴近实用。可以说，它结合了两者的优点且克服了两者的部分缺点，是两者 之间的平衡选择，是一种非常适合下一代的城域网。在电路交换中，要等到确认 信息才知道一条通道建立，并开始发送数据，而在o b s 网络中，在数据包发送 之前，发送控制包，控制包走单独的信令通道不需要等待确认信息，当控制包发 送后即开始发送数据。 在o b s 中，突发是由一些i p 包组成的突发包，这些口包可以来自传统i p 网中 不同的电口路由器。o b s 中的控制分组作用相当于分组交换的分组头，。它与突 发数据( 净载荷) 在物理信道上是分离的，每个控制分组对应一个突发数据。例如， 在w d m 系统中，控制分组占用一个或几个波长，突发数据则占用所有其它波长； 在光时分复用系统中，控制分组占用一个或几个信道；在带状光缆中，控制分组占 用一根或几根光纤。 在光突发交换网络中，数据始终在光域内传输交换，控制分组也在光域中传 输，但是在每个中问节点要经过o e 转换，在电域内处理后再经e o 转换在光 域内传输。边缘节点将具有相同目的地址和服务质量的i p 包组装成突发包，突 发包是光突发交换中的基本交换单元，这些突发包可以是固定长度的也可以是可 变长度的，这取决与边缘节点的组装算法。边缘节点给每个突发包分配一个控制 分组头( b c p ) ，控制分组头中包含了突发包长度、偏置时间、路由信息等，控 制分组在到达中间节点后经过o e o 转换并经电处理后，中间节点用这些信息为 2 北京邮电人学硕士学位论文 光突发交换网络路由协议以及t c po v e ro b s 研究 数据预留带宽，在经过一定的偏置时间( o f f s e tt i m e ) 后，边缘节点发送突发数 据到数据信道。如果资源预约成功，数据将在数据信道上无需光电转换透明的传 输到目的节点。如果资源预约失败，该数据分组被丢弃或使用偏射路由送到其它 节点。 基于波分复用技术的o b s ，源端和目的端在物理上虽然只有一根光纤相连， 但是逻辑上有多个波长相连。当不同光纤上的同一个波长九1 上的两个数据同时 向同一根输出光纤输出时，就会产生竞争，这时如果没有其它解决竞争的机制， 就会对后到的突发包进行丢包。但是如果将其中一根光纤上的数据通过波长变换 器转换到上其它的空闲波长上，例如地上，则数据将占用输出光纤的尥波长， 这样就可以有效的解决输出端口的竞争问题。 光突发交换中的信令主要采用j i t 0 u s ti nt i m e ) 与j e t ( j u s te n o u g ht i m e ) 两 种信令，在j e t 协议中，节点发送控制分组后，等待一个偏置时间后才发送突发 数据。所以，中间节点不需要光缓存器来弥补控制分组的处理时延。而且，j e t 协议还可以使用延时预留( d r ) 策略来有效的利用带宽，还可以通过偏置时间 的长短来为业务提供不同的q o s 支持。而j r r 协议在控制分组到达中间节点时就 建立连接，导致带宽的利用率降低。 传统的o b s 存在一些问题，如目前没有成熟可用的快速波长变换、快速交 换技术。在协议方面，o b s 基于控制包携带的信息，中间节点构建交换结构，! 并交换到相应的输出端1 3 。但遇到拥塞或输出端1 3 冲突时，中间节点会丢弃这个 突发数据包。对于给定的数据源端和目的端，连续的突发数据包的路由相互独立， 这会造成资源浪费。光突发之间的竞争问题难以解决，目前o b s 的研究集中在 解决通道堵塞( 在某些连接上没有可用波长，或没有交换输出端口) ，并假设目 的端接收端口数量无限制而忽略接收堵塞，如当一个突发包到达接收端口时，这 个接收端口正在接收另外一个突发包，根据接收端是否解决碰撞问题，目前提出 的协议分三类，第一类是源节点用控制波长上传的信息解决接收端口冲突，第二 类是源节点收到目的节点的许可信息再发送突发包，来解决接收端口冲突，第三 类用令牌t o k e n 解决接收端口冲突。目前在o b s 网络中很少有对网络的自愈进 行研究的，当网络中某些路径遭到破坏时，如何尽快建立新路径，使得网络具有 自组织功能，更好地符合未来网络的特点，这也是我们研究的重点。 1 3 课题意义 1 3 1 路由算法部分 o b s 网络中需要解决的关键问题之一是路由算法。o b s 网络中，源节点不 3 北京邮电大学硕士学位论文 光突发交换网络路由协议以及t c p o v e ro b s 研究 必等待光路建立的确认就可以发送突发，盲目性比较大。且口网络中业务的突 发性比较强，链路状态频繁变化，上游节点无法即时了解下游链路的波长占用状 态和路由信息，导致突发冲突概率增大【3 1 。于是，选择合适的路由算法，成为减 少突发冲突的关键。 1 3 2t c po v e ro b s 部分 o b s 网络有一些自身的新特性，这些与传统骨干网络技术不同的新特性让 t c p 端于其上运作时，会做出与传统网络不同的反应。 1 ) 传统电域包交换网络的传输侧和交换侧形象的看来是“粗管道和“细 水龙头 的不均衡关系；而o b s 则是针对解决“细水龙头”的瓶颈问题应运而 生的，所以在交换侧并不出现容量瓶颈。网络掉包往往不是因为拥塞产生的，而 是因为某一时刻的竞争造成； 劲传统电域包交换网络是基于电缓存和队列系统的；而o b s 是全光交换网， 核心交换节点中并没有缓存，o b s 采用电控光的传输思想，b c p 在电域提前传 输，为b d p 预留网络资源。所以在o b s 网络中，即使网络负载很低，依然会有 b d p 因为竞争交换资源，以致产生b d p 丢弃【4 l 。 以上两点对t c p 而言，t c p 现有的发端拥塞控制和流量控制机制并不能正 确的感知网络的信息，即t c p 不能有效地分辨出网络掉包究竟是因为负载过高 产生的边缘节点的拥塞，还是因为负载很低仅仅是因为核心节点的竞争产生的。 3 ) 传统电域包交换网络在交换是没有额外开销的时延；o b s 网络因为要在 边缘节点对数据流进行b d p 组装和拆解，需要引入附加的组装拆解时延。另外 b d p 的发送要等b c p 提前预留好资源，即还要比传统网络多引入额外的偏置时 间的设置。这样t c po v e ro b s ，网络r t 的方差较传统网络比较大，超时重传时 间r t o 设置不够精确，报文段的错序现象要较传统网络严重【5 1 。 1 4 国内外现状 突发交换其实在8 0 年代初就已提出，并且陆续有一些文章发表。突发交换 概念当时并没有像电路交换与分组交换那样得到普及，原因是提出突发交换的时 候，无论电话网还是数据网，技术已经成熟，没有必要以突发为单位来处理话音 或数据从而改变整个网络。但是随着技术的不断演迸发展，一个深刻的变化是传 输速率的增长大大超过了处理速率的增长，如果依然要按照旧式的分组方法来处 理，网络处理设备将长期处于过载状态。因此，简化网络节点的处理是非常必要 的。o b s 提高处理粒度就是一种较好的解决方法。通过预先发送控制信息，在 4 北京邮电大学硕士学位论文 光突发交换网络路由协议以及t c po v e l o b s 研究 每个节点处预约资源后，节点再传送b d p ，数据可以始终保持在光域内，同时 免去分组交换中逐一处理分组头的麻烦。 在o b s 中，突发控制分组( b c p ，b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) 在每一个突发数据 分组( b d p ，b u r s td a t ap a c k e t ) 发送之前发送，它通知该b d p 要通过的中间节 点在预定的时段内为该分组预留资源( 带宽) 。如果预留失败，该b d p 被丢弃或 使用反射路由送到其它节点。当前资源预留方式是根据突发分组结束指示和资源 分配时间来区分的，主要有三种。第一种方式叫充分时间协议( j 1 t ，j u s t i n t i m e ) ， b c p 信令中不包含突发分组长度，资源的释放由专门的b c p 来决定，这种方式 复杂性最低，但效率不高；第二种方式叫预留有限周期( r l d ，r e s e r v eal i m i t e d d u r a t i o n ) ，b c p 中包含有b d p 长度信息，这种方式复杂性中等，效率很高；第 三种叫预留固定周期( r f d ，r e s e r v eaf i x e dd u r a t i o n ) ，也叫恰量时间协议( j e t ， j u s te n o u g ht i m e ) 1 6 】，它通过b d p 的开始预留时间和结束预留时间来预留资源， 与r l d 不同的是，它可以通过对预留时间的设置实现突发分组的q o s ，这种方 式复杂性最高。从已有的分析看，在实现o b s 时，如果不计划支持q o s ，可以 采用第二种方式，否则采用第三种方式。 由于o b s 技术的研究近几年才开始，还有很多理论与技术不成熟，比如q o s 支持、资源的预留与调度、突发会聚等关键技术，还没有达成共识，需要进一步 研究。 总的说来，用于o b s 的光器件发展尚不完全成熟，适合于o b s 的光器件基 本都处理实验阶段，没有商用化。更重要的是o b s 相关理论还不成熟，有关的 标准建议还一片空白，需要加大力度研究。但是，通信发展的大趋势和强大的市 场吸引力仍然促使国外各大研究机构开始关注o b s 。 o b s 技术的研究近几年才开始，还有很多理论与技术不成熟，比如q o s 支 持、资源的预留与调度、突发会聚等等关键技术，还没有达成统一的共识，需要 进一步研究。总的说来，用于o b s 的光器件发展尚不完全成熟，适合于o b s 的 光器件基本都处理实验阶段，没有商用化。更重要的是o b s 相关理论还不成熟， 有关的标准建议还一片空白，需要加大力度研究。但是，通信发展的大趋势和强 大的市场吸引力仍然促使国外各大研究机构开始关注o b s 。 因此o b s 是目前的光网络技术的研究热点，在i e e e 2 ，7 】、o f c 8 ，9 】、 e c o c i o ，1 1 、g l o b e c o m m 1 2 ，1 3 等著名国际期刊和会议都有一些的文献对此进 行研究。美国( 华盛顿的高技术示范网( a r d n e t ：a d v a n c e dt e c h n o l o g y d e m o n s t r a t i o nn e t w o r k ) 支持的j u m p s t a r t 项目，德州大学和纽约州立大学等) 、 英国( 伦敦大学) 、韩国( 信息通信大学) 、德国( 斯图加特大学) 、意大利( 罗 马大学) 、台湾( 清华大学) 和中国( “国家8 6 3 项目”、北京邮电大学、北京大 5 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络路由协议以及t c p o v c ro b s 研究 学、上海交通大学和电子科大学等) 以及诺基亚( n o k i a ) 和阿尔卡特( a l c a r t e l ) 等公司都开始研究o b s ，其中部分已建立或正试图o b s 试验网络。 1 5 论文结构安排 本论文的结构安排如下： 第一章：绪论。对o b s 的研究发展背景、重要性以及当前发展情况进行分 析研究，引出需进一步深入研究的问题。 第二章：光突发交换网络综述。简单介绍光网络的发展历史，重点介绍光 突发交换网络的网络结构以及关键技术。 第三章：光突发交换网络路由协议研究。介绍了o b s 常见的协议，重点介 绍了一种新的自适应比例路由机制以及仿真结果。 第四章：t c po v e ro b s 研究。介绍了t c po v e ro b s 的新特性，以及一种 新的边缘节点重传机制的研究。 第五章：结论与展望。简要介绍了个人对o b s 技术的发展趋势等的看法。 6 北京邮电大学硕士学位论文 光突发交换网络路由协议以及t c i o v e ro b s 研究 第二章光突发交换网络综述 2 1 下一代光网络发展趋势 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，口 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、以智能化光网络为目标的光传送网进一步将控制信令引入光 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应用的 灵活性，因此如何构建能够有效支持i p 业务的下一代光网络已成为人们广泛关 注的热点之一。 与传统的业务类型相比，球业务具有显著的自相似性、收发数据不对称性 和服务器拥塞等特点，因此对承载的光网络而言，下一步面临的主要问题不仅仅 是要求超大容量和宽带接入等明显需求，还需要光层能够提供更高的智能性和在 光节点上实现光交换，其目的是通过光层和i p 层的适配与融合，建立一个经济 高效、灵活扩展和支持业务q o s 等的光网络，满足口业务对信息传输与交换系 统的要求。 随着不断增长的业务需求的刺激和技术的发展，o b s 与o p s 将逐步发展起 来，为更灵活、更有效的光网络提供解决方案1 1 4 ，如图2 - 1 所示。 光 网 络 发 展 时间 图2 - 1 光网络的发展趋势 由于o p s 技术对光器件的要求太高，难以实现，目前还不现实，因此，国 内外的学者将研究重点转移到对o b s 的研究。o b s 技术有望成为下一代光网络 的核心交换技术。因此对o b s 的研究具有很重要的理论意义和现实意义。 7 北京邮电大学硕士学位论文 光突发交换网络路由协议以及t c po v e l o b s 研究 2 2 光突发交换网络结构分析 本节首先研究现有的光交换技术，并将它们与o b s 技术进行比较。 2 2 1 光交换技术 由于通信技术的飞速发展，特别是光通信中w d m ( 波分复用) 技术的发展 和成熟。w d m 使单根光纤中可容纳多个高速波长信道。因此在中间交换节点通 过光电和电光转换，在电域完成交换的方法已不能满足高速的要求，会导致速 率瓶颈，所以希望数据在光域透明传送，即进行全光交换。 光交换技术也是一种光纤通信技术，它是指不经过任何光电转换，在光域 直接将输入光信号交换到不同的输出端。光交换技术可分成电路光交换技术和分 组光交换两种类型，前者可利用o a d m 、o x c 等设备来实现，而后者对光部件 的性能要求更高，由于目前光逻辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂 的逻辑处理功能，因此国际上现有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所 谓的电控光交换。随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控 光交换。分组交换光系统所涉及的关键技术主要包括：o p s 技术；o b s 技术； 光标记分组交换( o m p l s ，o p t i c a lm u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 技术；光子 时隙路由( p s r ，p h o t o n i cs l o tr o u t i n g ) 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。光交换技术能确保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。 随着通信网络逐渐向全光平台发展，网络的优化、路由、保护和自愈功能在 光通信领域中越来越重要。光交换技术能够保证网络的可靠性和提供灵活的信号 路由平台，尽管现有的通信系统都采用电路交换技术，但发展中的全光网络却需 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透明性。光交 换技术为进入节点的高速信息流提供动态光域处理，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： 可以克服纯电子交换的容量瓶颈问题； 可以大量节省建网和网络升级成本。如果采用全光网技术，将使网络的运行 费用节省7 0 ，设备费用节省9 0 ： 可以大大提高网络的重构灵活性和生存性，以及加快网络恢复的时间。 总之，相对于电交换来说，光交换具有很明显的优势，特别是可以大大的节 省成本，所以，随着业务需求的不断增长，光交换必然替代电子交换，就像光纤 通信代替铜线通信一样。光传输与光交换的结合，将开创光通信的新纪元，真j 下 实现光通信网络。 8 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络路由协议以及t c po v e ro b s 研究 典型的三种基本的光网络交换技术是o c s 、o p s 和o b s 。下面从光层讨论 各自的一些特性。 光电路交换( 如w d m 网络中的波长路由) 面向连接，采用双向预约。先在 源宿之间预留双向固定带宽通道，建立好光路，然后进行数据传输，通信完成后 再用信令拆除光路。其优点是中间交换节点不需对数据进行缓冲和光电( 或电光) 转换，因此网络中无光缓冲器件，实现的复杂度低。缺点是带宽利用率较低，特 别是对突发业务：建立和拆除光路的时间较长。 光分组交换面向非连接，采用存储转发方式。包头和数据同时发送，在光层 中包头一般采用低速的副载波调制。其优点是支持信道统计复用，适合于突发业 务，而且交换颗粒较小，带宽分配灵活而高效。缺点是要求较高的处理速度，中 间节点在处理包头的同时要对每个分组进行缓冲，所以实现的复杂度高，特别是 目前光缓缓存器件还不成熟，这个缺点比较突出。 目前，o c s 研究的比较多，相对比较成熟；o p s 由于缺乏高速光逻辑器件、 光缓存存储器等，因此还处于研究阶段。 鉴于o c s 的不灵活、带宽利用率低和o p s 的技术难度大、难于实现的问题，一 人们提出了o b s ，以满足突发性、多样性的业务日益增长的需求。o b s 与o c s 、 o c s 的比较见表2 1 。 表2 - 1o b s 、o p s 、o c s 的比较 光交换模式带宽利用率接续时延光缓存开销实现难度 适应性 0 c s低 高不需要!低低 弱 o p s高低需要 高 高强 ， 0 b s高低不需要低中强 o b s 是一种折衷的方案，融合了o p s 和o c s 的优点，又克服了缺点，是一 种很有发展潜力的交换模式。其优点是交换粒度适中，带宽分配灵活高效；高速 数据不需光电( 或电光) 转换；对中间交换节点处理能力的要求没有光分组交换 中的严格，实现的复杂度适中；能很好地支持光网络的q o s ，既能依靠上层协议 ( i p m p l s ) 区分不同业务的q o s ，也可直接在光层实现有区分的服务。 2 2 2o b s 的产生 过去对分组交换技术的研究主要集中在定长包的处理上，鉴于目前光信号处 9 北京邮电大学硕士学位论文 光突发交换网络路由协议以及t c po v e ro b s 研究 理技术尚未足够成熟，另外为了克服交换中的电子瓶颈问题以及提高带宽利用 率，c h u n m i n gq i a o 和j s t u r n e r 等提出o b s ，进而引起越来越多的人的注意。 光突发交换的概念最早是在2 0 世纪8 0 年代的语音通信中出现1 1 5 l 。近几年来， o b s 作为o p s 的替代技术，得到了众多学者的关注【1 6 ，1 7 1 。本质上，对于应用来 说，o b s 为光层无缓存的透明传输【1 8 】。然而，到目前为止，没有一个o b s 的通 用定义。d o l z e r 等1 1 9 j 对o b s 广泛接受的特性进行了归纳如下：( 需要注明，不是 所有提出的o b s 机制都具有所有这些特性) 粒度：o b s 传输单元的大小介于光路交换和光分组交换之间。 控制与信道分离：控制信息在分离的波长( 或信道) 上传输。 单向预留：采用单向预留的方式分配资源。也就是说，源节点在开始发送 b d p 之前，不需要等待从目的节点的回应消息。 变长突发：b d p 的长度是可变的。 无光缓存：在光网络中的中间节点不需要光缓存。突发在经过中间节点时没 有任何延迟。 下面对o b s 的原理、网络结构和控制协议进行详细论述。 2 2 3o b s 工作原理 o b s 的基本思想是o c s 与o p s 的结合，可看作兼顾o c s 与o b s 的优点折 衷方案。它的交换粒度介于上述二者之间( 为微秒量级) ，是多个分组的集合， 称为突发( b u r s t ) 。因为o b s 的交换颗粒较粗，因而处理开销大为减少。同时， o b s 克服了这两种交换方式的不足，在较低的光子器件要求下，实现了面向p 的突发业务的快速资源分配和高资源利用率，因此能有效地支持上层协议或高层 用户的突发业务。 在一般的o b s 网络中，每一根光纤各有多个波长用于数据通路，一个波长 则用作控制通路。在o b s 网络中的基本交换单位是突发，其长度可变，它是由 相同的出口边缘路由器地址和相同的服务质量( q o s ：q u a l i t yo f s e r v i c e ) 要求的 i p 分组、a t m 信元、h d t v 帧等组成。在传送突发时，在控制通路传送提前的 b c p ，确定b d p 连向哪一根输出光纤、波长等控制信息。b c p 中的控制信息一 般通过电域处理，而b d p 不需光电电光转换和电路由器的转发，直接在端到端 的透明传输信道中传输。b c p 在w d m 传输链路中的某一特定信道中传送，每 一个突发的b d p 对应于一个b c p ，并且b c p 先于b d p 传送，通过“数据报”或“虚 电路”路由模式指定路由器分配空闲信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。 不像电路交换中源节点需要等待目的节点的确认在这条通路上所有资源都已经 建立。相反，o b s 源节点在发送b c p 后的一段时间后，立即发送b d p 。上述的 1 0 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络路由协议以及t c i o v e ro b s 研究 时间隔就称为偏置时间，它是指b c p 的第1 比特时间与b d p 的第1 比特时间之 差。b c p 中携带了b d p 有关的信息，包括偏置时间的大小、b d p 的长度、优先 级、目的o b s 节点等。b c p 的目的是通知到目的o b s 节点的途经中间节点，在 一定时间( 偏置时间) 后，即将有一个b d p 到达，并请求预留资源，以便这些 中间节点进行路由判决、交换结构配置，并在b d p 持续的周期内，将b d p 传送 到相应的端口。数据信道与控制信道的隔离简化了b d p 交换的处理，且b c p 长 度非常短，因此使高速处理得以实现。同时由于b c p 和b d p 是通过b c p 中含 有的可“重置”的时延信息相联系的，传输过程中可以根据链路的实际状况用电子 处理对控制信元作调整，因此b c p 和信号分组都不需要光同步。可以看出，这 种路由器充分发挥了现有的光子技术和电子技术的特长，实现成本相对较低。 由于在突发流传送前，连接并不建立，在控制信息分组经过的节点中，有可 能无法预留资源，此时b d p 可能被丢弃。为了减少丢包，可利用f d l 、波长变 换、偏射路由等手段来解决丢包的问题，对于时延允许的业务( 如数据业务) ， 可以通过上层重传，只要重传的比例不大，几乎不影响系统的吞吐量等性能。 2 2 4o b s 网络结构 o b s 网络主要由边缘节点( e r ，e d g en o d e ) 、核心节点( c r ，c o r en o d e ) 和d w d m 链路构成，如图2 2 所示。入口边缘节点按照数据包的目地地址和服 务等级( c o s ，c l a s so fs 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b d p ，并产生b c 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 c p 的路由信息，对到达的b d p 进行交换。出口边缘节点将b d p 拆卸，发 送到其他子网或终端用户。 b d p 在o b s 网中的交换传输完全在光域内完成，不需要进行o e 、e o 的 转换；b d p 是由一些i p 分组组成的，这些i p 分组可以是来自传统i p 网中不同 的电i p 路由器。而b c p 在独立于数据通道的光信道中传输( 如图2 3 ) ，每个 b d p 对应于一个b c p ，源节点需要设置b c p 与b d p 的偏置时间t ( 偏置时间) ， 即b c p 与相应的b d p 的出发时间间隔。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执行光同步。b c p 中包含b d p 传输交换所必需的 控制信息，如b d p 的长度、偏置时间等。b c 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b d p 在偏置时间内完全在光域内完成交换传输。 由于b d p 是统计占用带宽资源，从而提高了不同连接之间的传输效率。在w d m 系统中，b c p 占用一个波长或者几个波长，b d p 占用其他波长；对于多光纤系 统也可以是b c p 占用一根光纤或其中的几个波长，而其他光纤用于b d p 的传输。 北京邮电大学硕士学位论文光突发交换网络路由协议以及t c p o v c ：ro b s 研究 图2 - 2 光突发交换网络结构 突发数据1 1 b c p nb c p l 厂 厂 枷置时间叫 一 图2 - 3b d p 与b c p 传输示意图 数据信道n b c p 信道 从节点功能考虑，可以将o b s 节点分为两类：进行e o 转换，业务汇聚的 边缘节点和全光交换的核心节点。图2 4 为o b s 边缘节点的层次结构。 li p 分组l 接入层 突发组装 j 突发包队列 j r 突发调度h 偏置时问设置h 控制信f 生，巩l u l 成帧 n n c i 刍 u d o ，2 ； r 突发发射物理层控锨分组 图2 - 4o b s 边缘节点层次结构 边缘节点的i p 业务汇聚完成后，将突发分组进行排队，调度器按照数据信 道和控制信道的使用情况，采用一定的协议控制算法选择突发包的发送。同时提 取突发包的控制信息，当突发包位于队首时，控制信令设置其偏置时间，并发送 控制分组，它包括了突发包的路由信息、偏置时间、长度、信道编号、q o s 等信 1 2 北京邮电大学硕上学位论文光突发交换陶络路由协议以及t c p o v c o b s 研究 息。偏置时间后，突发包由调度器调度成帧送入w d m 光层。在接收节点处，也 由