（通信與信息系統專業(yè)論文）端口模塊化的obs調度策略與光多播關鍵器件放置問題研究.pdf

摘要 摘要 本文就光網絡設計中兩個不同領域的問題進行了探討 在光突發(fā)領域 本文 提出了 種包含一定的波長調度算法和交換節(jié)點結構的調度策略用于改進現有的 o b s 網絡丟包率 在光網絡多播方面 本文探討了粗粒度的關鍵節(jié)點放置背景下 關鍵節(jié)點數量對動態(tài)多播業(yè)務阻塞率的影響 并給出了一些用于降低動態(tài)多播業(yè) 務阻塞率的關鍵節(jié)點放置策略 本文中在兩個領域中的工作分別源于作者在碩士 研究生期間參與的兩個不同項目 光突發(fā)交換的基本思想是充分利用光纖的巨大帶寬和電控制的靈活性 將控 制信息與數據信息分離 交換節(jié)點根據控制信息動態(tài)地為數據信息建立全光通路 由于光突發(fā)交換以突發(fā)數據作為基本的傳輸單位 突發(fā)數據的丟失率是衡量光突 發(fā)交換網絡性能的重要指標 在光突發(fā)交換網絡中 交換節(jié)點結構和波長調度算 法都會極大地影響突發(fā)數據丟失率 本文提出了一種端口模塊化的調度策略以優(yōu) 化光突發(fā)交換網絡的分組丟失率性能 針對端口模塊化的交換節(jié)點結構 設計了 可預先避免沖突的調度策略 其中嚴格的端口模塊化策略可以避免m p p 交換 結構的內部阻塞 在單核心節(jié)點的網絡上使丟失率降到0 但不適用于多核心節(jié) 點的多跳網絡 修改的端口模塊化算法通過設置合適的參數 平衡各個節(jié)點上調 度資源的使用 在全網達到較低的丟失率 本文對端口模塊化的調度策略進行了 仿真分析 仿真顯示 通過設置合理的參數 端口模塊化的調度可以有效地降低 光突發(fā)交換網絡的分組丟失率 光網絡多播為高效地運行視頻會議和網絡電視等業(yè)務提供了可能性 無論是 動態(tài)多播業(yè)務還是靜態(tài)多播業(yè)務 為了建立優(yōu)化的多播樹 需要分光節(jié)點和波長 變換節(jié)點的支持 由于成本等問題 往往不可能在整個網絡的所有節(jié)點上都配置 分光器件和波長變換器件 那么在哪些節(jié)點提供分光和波長變換功能就是一個重 要問題 這個問題被稱為粗粒度的關鍵節(jié)點放置問題 現在已經有大量文獻提出 靜態(tài)多播業(yè)務下粗粒度放置問題的解決方案 大都以最大化網絡容量為優(yōu)化目標 據我們所知 本文是第一次在動態(tài)多播業(yè)務背景下 評估關鍵節(jié)點數量對于多播 業(yè)務阻塞率的影響 更進一步地 本文還第一次提出了以降低阻塞率為目標的一 組關鍵節(jié)點放置策略 我們的仿真結果表明 1 增加波長變換節(jié)點和分光節(jié)點 的數目都可以從總體上降低多播業(yè)務阻塞率 但是在放置少量分光節(jié)點的情況下 如果分光節(jié)點放置策略選擇不當 如隨機放置的策略 可能會造成比不配置分光 摘要 節(jié)點時更大的阻塞率 2 本文中提出的五種關鍵節(jié)點放置策略在放置分光節(jié)點和 波長變換節(jié)點時相對隨機放置策略都可以有效地降低多播業(yè)務阻塞率 尤其是將 本文中提出的關鍵節(jié)點放置策略用于放置分光節(jié)點時 可以緩解放置少量分光節(jié) 點時阻塞率比沒有分光節(jié)點放置時升高的現象 關鍵詞 光突發(fā)交換 交換節(jié)點結構 調度算法 光網絡多播 分光節(jié)點 波長變換節(jié)點 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 簡略字表 簡略字表 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 波分復用技術 因特網協議 光交叉連接器 路由與波長分配 突發(fā)數據 突發(fā)頭分組 光路交換 光分組交換 光突發(fā)交換 固定分組個數 固定匯聚時間 自適應匯聚時間 最小突發(fā)長度 最小最大突發(fā)長度 b i b 最大突發(fā)匯 聚時間 光交叉連接 光延遲線 波長變換器 路由和波長分配 多播路由和波長分配 有多播能力 的節(jié)點 無多播能力 的節(jié)點 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工 作及取得的研究成果 據我所知 除了文中特別加以標注和致謝的地 方外 論文中不包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含 為獲得電子科技大學或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明 確的說明并表示謝意 簽名 至 縊 日期 妒6 年f 月2 j 日 關于論文使用授權的說明 本學位論文作者完全了解電子科技大學有關保留 使用學位論文 的規(guī)定 有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁 盤 允許論文被查閱和借閱 本人授權電子科技大學可以將學位論文 的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索 可以采用影印 縮印或 掃描等復制手段保存 匯編學位論文 保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定 絲 日期 酬年 月 6 日 第一章引言 第一章引言 全球網絡用戶的大量增長和新型大容量業(yè)務的發(fā)展 對傳統的網絡體系提出 了巨大的挑戰(zhàn) 例如 采用傳統波長路由方式的網絡不能良好地承載日益增長的 突發(fā)性業(yè)務 傳統的點到點傳輸模式不能滿足多種新型業(yè)務要求的點到多點的傳 輸要求 相應地 每一個挑戰(zhàn)也帶來了新的技術 采用光突發(fā)交換技術可以很好 地承載i n t e r n e t 上的突發(fā)數據 采用光樹代替了光路概念的光網絡多播技術可以 為點到多點傳輸的業(yè)務建立全光通路 本文試就以上兩個領域中的某些問題進行探討 在光突發(fā)交換方面 本文提 出了一種綜合考慮了波長調度算法和交換節(jié)點結構的調度策略 用于改進現有的 o b s 網絡丟包率 在光網絡多播方面 本文探討了粗粒度的關鍵節(jié)點放置背景下 關鍵節(jié)點數量對動態(tài)多播業(yè)務阻塞率的影響 并給出了一些以降低動態(tài)多播業(yè)務 阻塞率為目標的關鍵節(jié)點放置策略 本文中在兩個領域中的工作分別源于作者在 碩士研究生期間參與的兩個不同項目 本章的其它部分安排如下 1 1 節(jié)對光突發(fā)交換技術的背景以及本文在此方面 的貢獻進行了簡要的介紹 1 2 節(jié)對光網絡多播技術以及其中的關鍵節(jié)點放置問題 進行了簡要的介紹 1 3 節(jié)介紹了本文其他章節(jié)的安排 1 1 光突發(fā)交換技術背景 突發(fā)交換的概念最初用于在時分復用 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 簡稱 t d m 鏈路上將語音與數據集成在一起進行傳輸 電路交換中 一個呼叫 c a l l 是分配帶寬和配置交換機的基本交換實體 它一般包含多個突發(fā) 分組交換中 分組是基本交換實體 突發(fā)交換則以突發(fā) b u r s t 為基本交換實體 一個突發(fā)一般 由多個i p 分組構成 可認為是超長分組 與呼叫和分組相比 突發(fā)的顆粒度居 中 近年來 電域的 突發(fā)交換 概念被引入到w d m 光網絡中 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 等人在文獻 1 1 1 2 1 中最先提出了光突發(fā)交換 經過短短幾年時間 己引起越來越多研究機構的注意 現在已經把它作為口與波分復用 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 簡稱w d m 高效集成的核心技術之一 光突發(fā)交換與電 域中突發(fā)交換的基本思想非常相似 處理的對象不是單個的分組數據 而是由多 電子科技大學碩士學位論文 個分組構成的 長度可變的突發(fā)數據 d a t ab u r s t 但是 由于光器件的特殊性 光域的突發(fā)交換與電域的突發(fā)交換存在很大的技術上的的區(qū)別 光突發(fā)交換的關鍵思想是充分利用光纖的巨大帶寬和電子控制的靈活性 將 控制與數據分離 數據以突發(fā)數據的形式在光域傳輸和交換 同時每個突發(fā)數據 還有一個對應的突發(fā)報頭分組 b u r s th e a d e rp a c k e t 簡稱b h p b h p 攜帶控制 信息 并在光域中傳輸 但在交換節(jié)點被轉換到電域處理 處理的結果用于控制 交換節(jié)點為突發(fā)數據動態(tài)建立全光通路 b h p 所攜帶的控制信息主要包括偏移時 間 突發(fā)長度等等 另外在光突發(fā)交換中 資源預約是單向的 源端不需要等待 目的端的反饋確認 光突發(fā)交換網絡主要由邊緣節(jié)點 核心節(jié)點和w d m 鏈路構成 其中邊緣節(jié) 點主要負責將來自外部網絡的數據進行緩存和封裝 按一定策略生成突發(fā)數據 然后送入有核心節(jié)點組成的交換網絡 對于從核心節(jié)點來到的突發(fā)數據 邊緣節(jié) 點負責進行解封裝并發(fā)送到相應的目的外部網絡 核心節(jié)點主要完成突發(fā)數據的 調度 資源的預約和釋放 以及沖突的解決 連接各個節(jié)點的w d m 鏈路作為突 發(fā)數據和b h p 分組的傳輸通道 光突發(fā)交換網絡中 突發(fā)數據的丟失率是反映網絡性能的一個重要指標 已 經有很多文獻提出了通過改善核心節(jié)點的交換結構或波長調度算法優(yōu)化光突發(fā)交 換網絡丟失率的方法 本文提出一種包含一定核心節(jié)點交換結構和波長調度算法 的突發(fā)數據調度策略 仿真證明此種調度策略相對原有算法可以有效地降低突發(fā) 數據丟失率 本文中的第二章和第三章著重介紹了這種調度策略 并采用o p n e t 軟件進行了仿真 1 2 光網絡多播技術以及其中的關鍵節(jié)點放置問題 光網絡多播技術的出現來源于新型業(yè)務的需要 視頻會議 網絡電視等業(yè)務 需要網絡支持點到多點的傳輸 傳統的w d m 網絡基于點到點的傳輸方式 因而 只能通過為每個目的節(jié)點建立獨立的光路來實現上述業(yè)務 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 在文獻 3 中提出了建立光樹 1 i g h tt r e e 來代替多個光路 1 i g h t p a t h 完成點到多點的傳輸的想法 相比而言 光樹利用 交換節(jié)點中的分光器件 將同樣的信息同時傳送給位于交換節(jié)點不同出端口的下 游用戶 在其他條件相同的情況下 光樹相對光路的解決方案占用較少波長資源 因而被認為是更好的多播業(yè)務支持方式 2 第一章引言 為了在光域支持多播業(yè)務 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 結構的分光器件和采用t a c 5 t a pa n dc o n t i n u e 結構的分光器件是兩 種不同的解決方案 采用s a d 結構的分光器件可以將光信號功率分割成多份發(fā)送 給不同的下游節(jié)點 從而建立樹狀的多播樹 采用t a c 結構分光器件的節(jié)點具有 在多播的目的節(jié)點提取少量光信號功率進行光電轉換的能力 其余的光信號只能 被交換到單個下一跳節(jié)點 所以利用這種節(jié)點建立的多播樹是一條由源節(jié)點出發(fā) 經過所有目的節(jié)點的路徑 到現在為止 采用s a d 分光器件的交換結構及相關的路由算法得到了更多的 研究 本文中討論的分光節(jié)點專指此類節(jié)點 如果網絡中只允許部分節(jié)點具有分 光能力 那么哪些節(jié)點有分光能力會很大地影響多播樹的建立 對于這個問題 已經有很多文獻進行了研究 現有研究成果主要集中于針對一定拓撲中的靜態(tài)業(yè) 務 如何優(yōu)化分光節(jié)點的放置 以獲得最大網絡容量的問題 相對分光節(jié)點 波長變換節(jié)點對于波長路由網絡的容量 阻塞率有更大的影 響 這是因為在全光網絡中 波長一致性限制對于全光通道的建立始終是重要的 制約因素 而波長變換節(jié)點可以降低這種制約的影響 光路 光樹 被一個或 者多個波長變換節(jié)點分割成多個分段 每個分段之間不受波長一致性約束的限制 對于波長變換節(jié)點的放置問題 尤其是在單播業(yè)務下的放置問題 已經有大量文 獻進行了研究 但是就我們所知 尚沒有文獻討論波長變換節(jié)點對動態(tài)多播業(yè)務 的影響 由于分光器件和波長變換器件對于光網絡多播業(yè)務的重要作用 下文中將這 兩種器件統稱為光網絡多播的 關鍵器件 配制任一種或者兩種器件的節(jié)點稱作 光網絡多播的 關鍵節(jié)點 文獻 6 將多播環(huán)境中關鍵節(jié)點的放置分為兩個層次的問題 粗粒度的放置問 題和細粒度的放置問題 前者關心在哪些節(jié)點配制關鍵器件可以增加網絡容量 降低阻塞率 而后者關心如何在維持一個較低的阻塞率的同時 減少網絡中使用 的關鍵器件的數量 本文中四至六章探討了動態(tài)多播業(yè)務環(huán)境下 粗粒度的關鍵節(jié)點放置問題 其中第四章主要對關鍵節(jié)點放置問題研究現狀進行了綜述 第五章中探討了隨機 放置的關鍵節(jié)點的數量對于動態(tài)多播業(yè)務阻塞率的影響 第六章中提出了一組以 降低動態(tài)多播業(yè)務阻塞率為目標的關鍵節(jié)點放置策略 就我們所知 到現在為止的關鍵節(jié)點放置問題集中于靜態(tài)業(yè)務下以最大化網 絡容量為目標的優(yōu)化 本文是第一次提出針對動態(tài)多播業(yè)務的優(yōu)化策略 電子科技大學碩士學位論文 1 3 本文章節(jié)安排 本文正文部分其余的章節(jié)安排如下 第二章簡述了光突發(fā)交換技術 第三章 中提出了端口模塊化的調度策略 并進行了仿真分析 第四章對于光網絡多播技 術做出綜述 第五章討論隨機放置的關鍵節(jié)點對于動態(tài)多播業(yè)務阻塞率的影響 第六章提出了一組以降低動態(tài)多播業(yè)務阻塞率為目標的關鍵節(jié)點放置策略 4 第二章o b s 技術簡述 2 1 全光交換網絡 第二章o b s 技術簡述 隨著近年來網絡中數據業(yè)務量的爆炸式增長 用戶對于網絡帶寬的需求日益 增大 現有的骨干網盡管以帶寬巨大的光纖作為傳輸介質 但是卻不可避免的存 在電 光 光 電轉換導致的交換瓶頸 以及光 電網絡層次上的重疊和資源的浪費 因此 在網絡層以下實現全光的交換有重大的意義 針對通信網絡中已有的通信模式 人們對w d m 網絡中如何實現全光的交換 提出了三種可行的方案 光路交換 o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o c s 光突發(fā)交換 o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o b s 和光分組交換 o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p s 其中光路交換通常稱為波長路由交換方案 類似于電網絡中的電路交換 這種方 案已經有大量文獻進行研究 是一種比較成熟的技術 光分組交換將電網絡的分 組交換概念移植到光網絡中 但是由于缺乏快速的光邏輯器件和靈活的光緩存 所以此技術離實用尚有較大距離 與以上兩種交換方案相比 光突發(fā)交換技術是一種折中的方案 它以突發(fā)數 據作為基本的交換單位 與光路交換的方案相比有足夠的靈活性 可以適應 i n t e r n e t 上大量的突發(fā)性業(yè)務的需求 與光分組交換相比又避免了使用尚不成熟的 光器件 已經有數個試驗平臺被成功地搭建 因此 光突發(fā)交換被認為是一種有 著巨大應用前景的全光交換技術 三種全光交換技術的對比如表2 1 所示 表2 1 三種全光交換技術比較 波長路由光分組交換光突發(fā)交換 持續(xù)的線路單個分組突發(fā)數據 交換粒度 大粒度 小粒度 中等粒度 持續(xù)時間 長短 中等 帶寬利用率 低高較高 適應分組業(yè)務低局較高 實現復雜度低 尚 較高 電子科技大學碩士學位論文 2 2 光突發(fā)交換關鍵技術 光突發(fā)交換的關鍵思想是充分利用光纖的巨大帶寬和電控制的靈活性 將控 制與數據分離 它主要通過以下兩點關鍵改進 融合了光路交換和光分組交換的 優(yōu)點 同時又避免了他們的缺點 第一 光突發(fā)交換的基本交換單位突發(fā)數據 d a t ab u r s t 在o b s 網絡中以 全光形式傳輸 充分利用了光纖的巨大帶寬 與光分組交換技術相比 突發(fā)數據 的粒度遠大于口分組 降低了對光器件的性能要求 如光開關的動作時間等 使得光突發(fā)交換在工程上更容易實現 與光波長路由技術相比 一個突發(fā)數據的 粒度遠小于波長路由網絡中的連接 因此更加靈活 更能適應網絡中突發(fā)業(yè)務的 需要 第二 光突發(fā)交換網絡中 控制信息和數據信息在不同的信道上傳輸 其中 數據以突發(fā)數據的形式在光域傳輸和交換 同時每個突發(fā)數據還有一個對應的突 發(fā)報頭分組 b h p b h p 攜帶控制信息 并在光域中傳輸 但在交換節(jié)點被轉 換到電域處理 b h p 所攜帶的控制信息主要包括偏移時問 突發(fā)長度等等 交換 節(jié)點根據b h p 攜帶的控制信息為對應的突發(fā)數據動態(tài)建立全光通道 另外在光突 發(fā)交換中 資源預約是單向的 源端不需要等待目的端的反饋確認 控制分組必須先于突發(fā)數據一段時間被傳輸 以保證交換節(jié)點有足夠的時間 對b h p 分組進行處理以及進行光開關的動作 這一段時間差被稱作偏移時間 o f f s e tt i m e 圖2 1 表示了一個典型o b s 網絡中多個控制分組和數據分組在鏈 路的不同通道中傳輸的情況 第二章o b s 技術簡述 i 一偏移時間一 窒苧坌竺匪刪蘭蘭蘭蘭 圖2 1o b s 網絡中 突發(fā)數據和控制分組在不同通道中傳輸 針對不同的突發(fā)數據 偏移時間的大小隨網絡結構和突發(fā)數據的目的節(jié)點不 同而不同 可以想象 如果突發(fā)數據在o b s 網絡中需要經過較多的交換節(jié)點才能 到達目的節(jié)點 就需要預留較多的偏移時間 在預留偏移時間不足的情況下 還 可以利用交換節(jié)點中的光纖延遲線臨時調整偏移時間 圖2 2 顯示了一個控制分 組 數據分組對在o b s 網絡中傳輸的情況 圖2 2 偏移時間在傳輸過程中變化 2 3 光突發(fā)交換網絡結構 光突發(fā)交換網絡中的鏈路一般采用w d m 7 技術 w d m 技術通過將多個波 長通道復用于一根光纖 充分利用了光纖的巨大潛在帶寬 目前的商用化的產品 已經達到每個光纖復用3 2 個波長 在實驗室中已經實現了每個光纖復用1 0 0 0 個 一粉 一 一劉 一 i 委一 一 一 一 一 k 一 1 一 道一覆 一 突一 i耋 毋 一圓 電子科技大學碩士學位論文 波長 所以w d m 技術被認為是下一代骨干網的核心傳輸技術 光突發(fā)交換網絡中的節(jié)點按照其功能以及在網絡中的位置可以分為兩類 位 于o b s 網絡邊緣連接傳統網絡和o b s 網絡的節(jié)點被稱作邊緣節(jié)點 其他的節(jié)點 被稱作核心節(jié)點 一個典型的o b s 網絡如圖2 3 所示 圖2 3 0 b s 網絡示例 本章下面的兩個小節(jié)將分別介紹光突發(fā)交換網絡中的邊緣節(jié)點和核心節(jié)點 2 4 光突發(fā)交換網絡邊緣節(jié)點 光突發(fā)交換網絡中的邊緣節(jié)點是連接o b s 網絡和傳統網絡的接口 邊緣節(jié)點 按照功能可以劃分成發(fā)送和接收兩大部分 邊緣節(jié)點的發(fā)送部分匯聚外部 傳統 網絡中的流量 將外部網絡中的數據封裝成突發(fā)數據 并將突發(fā)數據發(fā)送到o b s 網絡中 邊緣節(jié)點的接收部分將來自o b s 網絡中的突發(fā)數據解包發(fā)送到對應的外 部網絡 邊緣節(jié)點的發(fā)送部分的主要實現以下功能 假設外部網絡是i p 網絡 接收由外部到達光突發(fā)交換網絡的分組并對相應的i p 分組進行解封 裝 主要是第一層和第二層解封裝 和校驗 按照一定的準則 如目的邊緣節(jié)點和服務等級 對i p 分組進行突發(fā)排 隊 將各個隊列中的口分組按照一定的策略 匯聚算法 匯聚成突發(fā)數據 并產生對應的控制分組 第二章o b s 技術簡述 分 組 對突發(fā)包及相應的控制分組進行調度 將突發(fā)包及其控制分組進行電 光轉換后發(fā)送到光突發(fā)交換網絡中去 相應的功能框圖如圖2 4 所示 突 突囊 發(fā) 發(fā) 器 排 包 調 隊 匯 度 模 聚 模 塊 模 塊 塊 圖2 4o b s 邊緣節(jié)點發(fā)送功能 邊緣節(jié)點的接收部分主要完成以下功能 設外部網絡是i p 網絡 接收從光突發(fā)交換網絡到達的控制分組和突發(fā)包 將接收到的突發(fā)包拆成單個的i p 分組 根據i p 分組的目的地址轉發(fā)突發(fā)包 邊緣節(jié)點接收部分的功能框圖如圖2 5 所示 圖2 5o b s 邊緣節(jié)點接收功能 名 分 組 控 制 分 組 突 發(fā) 分 組 從上面描述可以看出 邊緣節(jié)點的主要功能集中在它的發(fā)送部分 其中對于 i p 分組進行排隊的策略 對于隊列中的口分組進行匯聚打包的策略 以及對于 電子科技大學碩士學位論文 突發(fā)數據的調度算法是o b s 邊緣節(jié)點的三個關鍵技術 2 4 1 突發(fā)排隊策略 排隊策略決定了如何對突發(fā)隊列進行有效的管理 迄今為止對于此問題進行 研究的文獻并不多見 文獻 8 中提出了集中排隊 獨立排隊和混合排隊三種解決 策略 并對它們進行了比較 仿真顯示集中排隊策略具有較好的性能 2 4 2 突發(fā)包匯聚算法 突發(fā)匯聚算法決定了依據何種策略將匯聚隊列中的i p 分組打包成為突發(fā)數 據的問題 這個問題已經有較多的文獻 9 1 2 進行研究 比較成熟的算法包括以下 幾種 固定分組個數k f n p f i x e d n u m b e r o f p a c k e t s 的匯聚準則 1 0 1 針對不同優(yōu) 先級的隊列 設置不同的門限k 當該隊列的i p 分組個數達到門限時 就把隊列 中所有的分組打包成一個突發(fā)數據 這一準則的優(yōu)點在于算法簡單 在分組長度 固定的情況下 如a t m 信元或i p 分組的大小固定 可以方便的計算出突發(fā)包 的長度 有利于網絡的性能 缺點在于如果被匯聚的主要是變長的i p 分組 會導 致突發(fā)包的長度不規(guī)則 對網絡的性能不利 固定匯聚時間t f a p f i x e d a s s e m b l yp e r i o d 的匯聚準則 1 0 與固定分組個 數類似 對于不同服務等級的隊列 可以設計不同的匯聚時間丁 當第一個分組 到達時 時鐘開始計時 計時到達r 時 不論已經到達的分組的多少 都形成一 個突發(fā)包并發(fā)送出去 這一準則的優(yōu)點在于突發(fā)匯聚的時間是一個常數 這樣有 利于簡化邊緣節(jié)點的調度算法實現 不利之處在于突發(fā)包的長度會隨外部網絡的 負載情況而變化 自適應匯聚時間t a a p a d a p t i v ea s s e m b l yp 翻o d 的匯聚準則1 1 1 此匯聚算 法與f a p 基本相同 不同之處在于a a p 準則可以根據網絡的負載情況動態(tài)地調 整匯聚的時間 也就可以調整突發(fā)包的長度 使得突發(fā)包的大小不會劇烈地變動 此準則的缺點在于對于匯聚時間的調整需要通過一定的預測機制來實現 因而實 現比較復雜 最小突發(fā)長度風湘最大突發(fā)匯聚時間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 的匯聚準則 1 2 1 在m b m a p 的匯聚準則中 如果突發(fā)包在最大 匯聚時間r 內達到了最小突發(fā)長度b 抽 則形成一個突發(fā)包并發(fā)送出去 如果在 i o 第二章o b s 技術簡述 最大突發(fā)匯聚時間r 結束后突發(fā)包的長度b 小于b m 則將該突發(fā)包填充到b m 后形成一個突發(fā)包發(fā)送出去 最小最大突發(fā)長度b m b 卅 最大突發(fā)匯聚時間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 的匯聚準則 1 如果在最大突發(fā)匯聚時間t 內 突發(fā)包的長度大于最小突發(fā)長度b 訪且小于最大突發(fā)長度風 則形成一 個突發(fā)包 如果在最大匯聚時間丁內 突發(fā)包的長度大于最大突發(fā)長度b k 將 多余的部分截斷后形成一個新的突發(fā)隊列 與此同時 將長度為b 的突發(fā)包發(fā) 送出去 如果在最大突發(fā)匯聚時間 突發(fā)包的長度小于最小突發(fā)長度b 則將 該突發(fā)包填充到最小突發(fā)長度b 后形成一個突發(fā)包發(fā)送出去 上面幾種突發(fā)匯聚算法中 自適應匯聚時間準則與t c p i p 協議相配合可以很 好地提高傳輸的效率 但是要求邊緣節(jié)點掌握網絡負載情況 從而增加了網絡設 計和維護的復雜度 而在m m b m a p 準則以及作為它的簡化的m b m a p 準則中 如果適當地選擇b 和日一 可以使突發(fā)包的大小穩(wěn)定在某個b 值附近 考慮到 當前大多數的網絡業(yè)務都是基于t c p i p 如果有合適的算法可以正確的進行預 測 自適應匯聚時間準則是較好的選擇 2 4 3 調度模塊 調度模塊的主要功能是進行偏移時間的設置以及為突發(fā)包和b h p 選擇合適 的發(fā)送波長 其中偏移時間的設置主要取決于網絡所用的協議 而突發(fā)包和b h p 分組何時以及在哪個波長上被發(fā)送主要取決于邊緣節(jié)點采取的波長調度策略 下面介紹o b s 網絡中常見的幾種協議 t a g t e na n d g o 在t a g 1 3 協議下 源節(jié)點首先從控制信道發(fā)送一個控制分組為相應的數據預 約資源 此后源節(jié)點不需要等待目的節(jié)點發(fā)送回來的確認信息 而是間隔一定的 偏移時間后 將數據由數據通道發(fā)送出去 待數據發(fā)送完畢后 再發(fā)送一個控制 分組去釋放資源 i b t i nb a n dt e r m i n a t o r 在i b t 1 4 協議下 含一個標志突發(fā)數據開始的頭部和一個標志突發(fā)數據結束 的尾部 在頭部和尾部之間是數據 這一點和分組交換的情形是一樣的 然而 在中間節(jié)點處 分組交換是在收到整個分組之后才轉發(fā)該分組 而在i b t 中 中間節(jié)點是在收到突發(fā)數據的頭部之后立即根據頭部信息為突發(fā)數據選擇路由并 1 1 電子科技大學碩士學位論文 開始轉發(fā)該突發(fā)數據而不管整個突發(fā)數據到達與否 這樣就只需要很少的緩存 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 源節(jié)點首先向網絡中發(fā)送一個控制分 組給突發(fā)數據預定資源 與t a g 不同的是 在r f d 中 突發(fā)數據在控制分組 發(fā)送出去之后必須等待一定的偏移時間丁之后才能發(fā)送出去 而且 和t a g 不 一樣 r f d 不需要在數據發(fā)送完畢之后再發(fā)送一個控制分組去釋放資源 而是依 靠最初發(fā)送的控制分組攜帶的一些信息 如突發(fā)包的長度 突發(fā)包的到達時間等 因而 控制分組必須在整個突發(fā)數據完全形成之后才能發(fā)送出去 而t a g 則不 同 它可以在突發(fā)包的第一個分組到達之后立即發(fā)送控制分組 波長調度策略在光突發(fā)交換網絡中占有重要的地位 一個好的波長調度策略 應該能夠充分利用網絡的資源 盡量提高系統的容量并降低系統的丟失率 由于 邊緣節(jié)點的波長調度策略和核心節(jié)點的波長調度策略類似 所以這一部分將在和 2 5 2 節(jié)中介紹 2 5 光突發(fā)交換網絡核心節(jié)點 光突發(fā)交換網絡的核心節(jié)點主要負責處理b h p 分組 并按照波長調度策略的 結果控制光器件的動作 以保證突發(fā)數據在o b s 網絡中被全光地傳輸 現有的核 心節(jié)點實現方案包括四個主要組成部分 光交叉模塊 交換控制模塊 協議處理 模塊以及線路接口模塊 其中交換控制模塊包括對信令的處理 轉發(fā)表的查找 資源的預約和沖突的 判決處理 協議處理模塊主要負責實現高層協議的處理 包括轉發(fā)表的維護和更 新等 光交叉模塊主要由空分交換矩陣 f d l 和t w c 組成 在交換模塊提供的 信息配置下 這些部件協調工作共同為數據提供透明的傳輸通道 線路接口模塊 包括波分復用器 波分解復用器 e d f a 等光傳輸相關的器件 對核心節(jié)點的突發(fā)數據交換功能來說 光交叉模塊和交換控制模塊是至關重 要的兩個模塊 它們可以看成核心節(jié)點的光交換部分和電控制部分 其中光交換 模塊決定了該節(jié)點的交換結構 交換控制模塊決定了核心節(jié)點的調度算法 圖2 6 是o b s 核心節(jié)點功能的框圖 1 2 第二章o b s 技術簡述 圖2 6o b s 核心節(jié)點功能結構 2 5 1 關鍵光器件與常見交換結構 目前o b s 核心節(jié)點光交換結構主要分為三類 1 基于空分交換陣列的輸入緩 存結構 2 基于空分交換陣列的環(huán)回緩存結構 3 基于廣播一選擇的交換結構 其 中第三種交換結構大量采用分光器件 光信號能量損失嚴重 難以滿足需要 而 第二種結構中 空分交換陣必須有冗余的輸入 輸出端口 所以采用第二種交換 結構需要比第一種結構更大的空分交換陣列 因此 目前最受關注的就是第一種 結構 光交叉模塊的基本構成單元包括 光交叉矩陣 光纖延遲線和波長變換器 這些基本單元之間由光纖連接 光交叉矩陣完成實際的交換動作 另外兩種裝置 主要提供解決交換結構中沖突的手段 2 5 1 1 光交叉矩陣 光交叉矩陣是光交叉模塊的關鍵器件 其本身的功能是將自身的任意入端口 與任意出端口相連 配合波長變換器 可以實現將核心節(jié)點任意入端口的任一波 長交換到任意出端口的任一波長 o b s 網絡中 光交叉矩陣的構造完全可以采用 現有的技術 如大量用于波長路由網絡的o x c o p t i c a lc r o s sc o n n e c t 光交叉連 接 矩陣 電子科技大學碩士學位論文 2 5 1 2 光纖延遲線 光纖延遲線 f d l f i b e rd e l a yl i n e 提供延遲光分組的能力 可以將突發(fā)數 據延遲一段時間再發(fā)送 與電緩存不同的是 f d l 只能夠提供幾個固定大小的延 遲時間 基本的f d l 結構如圖2 7 所示 圖2 7 a 為單輸出定長f d l 每 級 都提供相同長度的延遲 它的構成簡單 只需要一組2 x2 的光開關 但是由于后 續(xù)到達的分組必須跟隨前一個 所以存在隊頭阻塞問題 圖2 7 b 為單輸出變 長f d l 每一級提供不同長度的延遲 和單輸出定長f d l 一樣 它也存在隊頭 阻塞問題 其優(yōu)勢在于 在保持延遲粒度不變的情況下 可以使用相對結構 a 較少的級數實現較長的延遲 圖2 7 c 為多輸出變長f d l 由多個1 2 開關 一個合波器 以及延遲光纖組成 這種配置的優(yōu)勢在于 每一級延遲都有一個出 口連接到最后的合波器 不存在隊頭阻塞 a 單輸出定長f d l b 單輸出變長f d l c 多輸出定長f d l 圖2 7 典型光纖延遲線 多個f d l 可以組成f d l 池 池中的f d l 被多個波長所共享 圖2 8 是一個 f d l 池的實例 1 4 第二章o b s 技術簡述 圖2 8 f d l 池不例 2 5 1 3 波長變換器 波長變換器的實現主要有兩種方式 全光方式和光電方式 其中光電方式的 基本思路是將波長先轉換為電信號 然后進行電的再生 最后調制到一個新波長 上去 而全光方式主要受制于s o a 半導體光放大 的技術 目前尚難以實現有 效靈活的控制 2 5 1 4 常見交換結構 本小節(jié)主要討論基于空分交換陣列的輸入緩存結構 此類交換結構是由空分 光交叉矩陣以及多個光纖延遲線 池 和波長變換器以光纖連接組成的 核心節(jié)點的交換結構依據它所使用的交換矩陣的規(guī)模而命名 一個具有工個 波長平面 每個平面有 個輸入端口和1 個輸出端口的空分交叉矩陣 可以記為 l x i x i 的交換矩陣 由此交叉矩陣組成的核心節(jié)點記為l x i i 的核心節(jié)點 現有的o b s 交換結構依照其交換矩陣的規(guī)模 可以分為兩類 設一個核心節(jié) 點有p 個輸入端口和p 個輸出端口 每