（光学工程专业论文）光突发交换（obs）性能研究.pdf

摘要 本课题从降低系统的丢包率，提高核心交换节点的交换性能入手，对o b s 核心交换节点在采用不同的f d l 和t w c 配置情况下的交换性能进行了研究。 研究主要采用的是计算机仿真的方式来进行。仿真工具为o p n e t8 0 。通过 构造一核心交换节点模型，对不同的配置方式进行了仿真分析。通过研究，发现 在配置f d l 的情况下，共享式f d l 和非共享式f d l 对降低系统的丢包率都有一定 的作用，而且采用非共享式f d l 的交换性能要优于采用共享式f d l 的情况。但是， f d l 的作用不是无限的，当f d l 的大小达到一定程度后，系统的丢包率不会随 f d l 的增大而继续降低。对只配置t w c 的情况研究，发现t w c 在网络负载较低 时是可以较好的提高系统的交换性能，但当网络负载增大时，t w c 对降低丢包 率的作用变得很有限。为进一步提高系统交换性能，采用了增加输出波长( 波长 备份) 和t w c 的配置方式，发现这种方式能在定程度上较好的降低系统的丢 包率。但同时发现，丢包率不会随着输出波长数的增加而成比例的降低，增加的 输出波长要在同步增加t w c 的情况下才能发挥出其作用。因此，为了更好地提 高系统的交换性能，对核心交换节点采用了同时使用非共享式可变延时型f d l 和 t w c 的配置方式。仿真结果表明，该配置能较有效地降低系统地丢包率。对4 x 8 的o b s 核心交换节点，在负载为0 9 的情况下，系统丢包率可以达到o 0 0 0 0 0 8 ， 在负载低于0 6 时，系统丢包率可低于l o 一。在课题的最后，还对网络流量的自 相似特性( s e l f - s i m i l a t ) 对o b s 交换性能的影响做了研究，发现在自相似特性的影 响下，系统的交换性能下降，自相似性对o b s 网络性能会产生不利的影响。 【关键词】光突发交换光纤延迟线可调谐波长变换器丢包率自相似 a b s t r a c t a i m i n g t or e d u c es y s t e ml o s sp r o b a b i l i t ya n dt oi n c r e a s et h es w i t c he f f i c i e n c yo f c o r en o d e ，t h i sr e s e a r c hp r o b e si n t od i f f e r e n ts w i t c he f f i c i e n c yo f t h e0 b s c o r en o d e a c h i e v e db vf d la n dt w c r e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o n sa r ec o n d u c t e dt o e v a l u a t et h e p e r f o r m a n c eo fd i 腩r e n t a l l o c a t i o n si n c o n s t r u c t i n g t h ec o r en o d em o d e l t h e s i m u l a t i o ns o f t w a r ei so p n e t8 0v e r s i o n t h es t u d ys h o w st h a tt h es h a r e d f d l a n dt h en o s h a r e d ，f d la r eb o t he f f e c t i v ei n r e d u c i n g l o s s p r o b a b i l i t ya n dt h a t t h e n o s h a r e f d lh a sh i g h e rs w i t c he f f i c i e n c y t h m t h e s h a r e f d l h o w e v e r , t h e f u n c t i o no ff d li sn o ti n f i n i t e w h c nt h es p a c eo ff d lr e a c h e sal i m i t t h es y s t e m 1 0 s sp r o b a b i l i t yw i l ln o tk e e pd e c r e a s i n ga sf d li n c r e a s e s i nt h ec a s eo ft w c t h e s t u d ys h o w st h a tt w c c a ni m p r o v et h es y s t e ms w i t c he f f i c i e n c yw h e nt h en e t w o r k t r a f f i cl o a di sl o w n b v e r t h e l e s s ，a st h en e t w o r kt r a f f i c 】o a di n c r e a s e s 、t h ef u n c t i o no f t w ci nr e d u c i n gl o s sp r o b a b i l i t yb e c o m e sl i m i t e d t of u r t h e ri m p r o v et h es y s t e m s w i t c he f f i c i e n c y , t h em o d e lo f i n c r e a s i n gt h en u m b e ro fw a v e l e n g t hi no u tf i b e ri s a p p l i e d ，w h i c hi sf o u n d t ob ec a p a b l eo f r e d u c i n gt h el o s sp r o b a b i l i t y i nt h e m e a n t i m e ， l o s sp r o b a b i l i t yw i l ln o td e c r e a s ei np r o p o r t i o nt ot h ei n c r e a s eo f w a v e l e n g t h ，w h i c h c a nc o m ei n t o p l a yo n l yw i t ht h es i m u l t a n e o u si n c r e a s eo ft w c t h e r e f o r e ，t h e n o - s h a r e dv a r i a b l e - d e l a yf d l p l u st w c m o d e li s a p p l i e di n c o t cn o d et ob e t t e r i m p r o v et h e s w i t c he 颤c i e n c y t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t t h i sm o d e lc o j l e f f e c t i v e l yi m p r o v e t h es w i t c he f f i c i e n c y w h e nt h e4 8c o r en o d ei su n d e r0 9l o a d ， t h el o s sp r o b a b i l i t yi s0 0 0 0 0 0 8 a n dw h e nt h el o a di st r a d e r0 6 ，t h el o s sp r o b a b i l i t yi s u n d e rl0 一l a s t l y , t h ei m p a c to f s e l f - s i m i l a r i t yo nt h es w i t c hf u n c t i o no fo b sh a s b e e ns t u d i e d t h er e s e a r c hs h o w st h a tu n d e rt h ei m p a c to f s e l f - s i m i l a r i t y , t h es w i t c h f u n c t i o ni sr e d u c e da n dt h a ts e l f - s i m i l a r i t yh a sn e g a t i v ei m p a c to nt h eo b s i n d e xt e r m s o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) f d l ( f i b e rd e l a yl i n e ) t w c ( t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) l o s sp r o b a b i l i t y s e l f - s i m i l a r i t y 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：- 二丑丛日期：矿以年广月刃日 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) 签名：盘! j 丛导师签签名：丝! j 丝导师签 日期： 电子科技大学硕士研究生学位论文 第一章引言 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。i p 业务在全球范围突 飞猛进的发展，在给传统电信业务带来巨大冲击的同时，也为电信网的发展提供 了新的机遇。从当前信息技术发展的潮流来看，建设高速大容量的宽带综合业务 网己成为现代信息技术发展的必然趋势。为了适应这种需求，通信的两大组成部 分一一传输与交换，都在不断地发展和变革。 近几年来，密集波分复用技术的发展提供了利用光纤带宽的有效途径，使点 到点的光纤大容量技术取得了突出进展。波分复用技术的实用化，使光纤的传输 容量极大提高，为高速大容量的宽带综合业务网传输提供了有效途径。而传输容 量的飞速增长带来的是对交换系统发展的压力和动力。基于波长路由概念发展起 来的全光通信网正是适应这种需要而诞生，并被认为是网络升级的优选方案。 由于可重构型的光互联网节点如光交叉连接器( o x c ，o p t i c a l c r o s s c o n n e c t ) 的开发成功，使得由网络提供商动态指配带宽成为现实。另外由于在 i p 路由器，a t m 交换机，光交换机等设备中强化了流量工程( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 和基于约束的路由( c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n g ) 技术，从而容许这些设备动态决 定什么时候和什么位置需要增加或减少多少带宽。这两种技术的使用，为传统的 光网络弓入了智能控制和管理信令，从而使得光网络具有了智能性和自动性，它 为高效传送i p 业务，发展按需分配带宽和买卖带宽得新型商业模式提供了条件。 随着分组业务( 尤其是i p 业务) 的爆炸式增长，d w d m 光传输技术和设备的成 熟和广泛应用，未来的通信网络设计应以优化支持分组业务为主要目标，直接在 光层实现业务交换。在现有的通信信息网络中存在着多种交换方式，其中电路交 换( 波长交换) 和分组交换是电网络的两种主要交换模式。但是基于光的波长交 换和光的分组交换技术直到现在仍然处于研究和发展之中。对于光的波长交换， 其实现的难度较低，但是，其交换的粒度太大，对带宽的利用率较低。而全光的 分组交换在实现上存在若干难点，许多关键技术的突破仍有待于光器件技术的成 熟( 如灵活有效的光逻辑器件、光存储器件，以及光域的同步技术等) 。因此， 近年来提出的光突发交换( o p t i c a ib u r s ts w i t c h i n g ，o b s ) 技术由于在支持分组 业务的性能上高于波长路由方式，而实现难度( 尤其是对光器件技术的要求) 低 于光分组交换而日益受到人们的关注。对于o b s 技术而言，其最大的特点就在于 将控制信息与突发数据在物理上分开，控制信息与突发数据是在不同的波长上传 输的。一个o b s 网络主要由边缘节点、核心节点和d w d m 链路构成。o b s 的 关键思想是，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要根 据控制信息和节点当前的状态信息进行资源的预约仲裁。若预约成功，需完成 电子科技大学硕士研究生学位论文 对交换节点的配置，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，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。因此， 交换控制方案的设计是整个o b s 系统正确运行的关键，也是对o b s 网络性能影 响最大的一个环节。 在现有的方案中，o b s 网络中的核心节点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，线路接i s l 模块。其中光交叉模块主要由空分 交叉矩阵、光纤延迟线( f i b e rd e l a yl i n e ，f d l ) 和可调的波长变换器( t u n a b l e w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ，t w c )组成。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。尽管光交叉矩阵的实现是o b s 核心交换节点实现的关键技术之一，但由于现有的o b s 研究主要集中于电控制 处理部分，对o b s 核心节点的具体实现关注不够，节点的光交叉模块实现的讨 论较少。造成这种现状的本质原因在于，o b s 最关键的思想就是控制与数据交 换的分离，因此数据交换部分完全可以采用已有的技术，如为波长路由网络的 光交叉连接( o x c ) 节点设计的各种交叉矩阵，或者为光分组交换网络设计的 各种交叉矩阵。而最能体现o b s 特点的就是其控制部分，包括其信令方案、节 点调度、资源预约、冲突处理等。对核心节点，其控制方案及算法主要功能是根 据数据突发的控制信息( 包括突发长度、偏移时闯、输入波长等) 和节点的状态 信息( 主要是转发表和各输出端口的资源占用情况等) 进行资源的调度和仲裁， 最终提供对交叉矩阵、f d l 和t w c 的配置信息，为数据突发建立全光的透明 通路。但现有的节点控制方案( 或调度算法) 中普遍存在两个问题。首先是没有 考虑f d l 延迟时间。由于f d l 构成的缓存实际上只能起到延迟的作用，而且延 迟时间的上限往往是固定的( 不同的设计可以取不同的值，但一经确定就是一个 固定值) 。因此，决定采用f d l 缓存输入数据时还需估计f d l 的延迟时间是否 够用。而这一点在现有的节点控制方案中没有得到充分重视。此外，现有方案普 遍忽略了对配置延迟时间的估计。由于交叉矩阵的配置响应时间各不相同，某些 情况下这种延迟可达毫秒级，实际系统中不能忽略。因此调度算法中考虑资源的 占用情况时必须考虑这个因素。 对核心的光交叉模块而言，除了正确的传输数据外，还需提供q o s 优先级服 务，解决资源冲突问题，应具有较低的丢包率和较高的带宽利用率。在现有的情 况下，除了采用相应的控制协议和信令方案外，在硬件上主要采用光纤延迟线光 缓存和可调波长变换器来实现。从系统方案设计的角度来看，实现全光缓存有很 多好处。即使是非常有限的缓存容量对系统性能的改善也是完全无缓存的系统所 难以比拟的“。另外，具有缓存能力也会大大降低系统控制方案的设计和实现复 杂度，例如对控制分组的处理延迟以及偏移时间的精确性要求会降低。理论和实 电子科技大学硕士研究生学位论文 践表明，采用适当的光缓存可以有效的缓解冲突问题，丢包率下降和带宽利用率 提高。但在现有的技术条件下的全光缓存只能刊) 召f d l ，对于f d l 的实现也有较 多的研究“1 ，然而对基于f d l 的光缓存结构的研究仍有很多不足。从目前的国内 外研究情况来看，( 1 ) 从理论方面，对f d l 缓存的研究主要集中于采用马尔可夫 链模型的排队论理论进行分析，用泊松分布描述突发数据流量，排队规则为f i f o ( 先入先出) ，但在实际中，现在的网络数据流量越来越呈现具有长相关性的自 相似分布特点，而传统的能精确描述电话网络的具有短相关性的马尔可夫链模型 不再适用。目前虽有一些引入自相似流量分布对网络排队性能研究工作，但主要 是基于计算机仿真工作，其排队理论尚不完善。( 2 ) 其次，用f d l 构造的光缓 存器自身也有很多需要详细研究的问题，其结构框架，控制机制，存储时间的预 计，基本缓存时间d 的最优值，f d l 与t w c 的配置等等都需详细的考虑。现有的 对f d l 的设计研究，多是在一个简单的排队等待情况中进行分析，没有将f d l 放 在一个o b s 核心节点中来讨论。而且，很多讨论都没有结合t w c 来分析。( 3 ) 另外，现有的研究将光纤视为理想的传输介质，不考虑光信号的传输损耗，偏振 等等因素的影响。而构成f d l 的光纤受外界影响所导致的光信号偏振态变化，光 功率的损耗等实际问题，也将影响构成光交叉矩阵的光开关消光比等技术指标。 该问题对f d l 的设计等有何影响，都需进一步研究。 由于在现有的交换节点中，不可避免的要使用到波长变换器以提高带宽的利 用率，而全光实现的t w c 仍处于发展阶段，技术仍不成熟，而且价格昂贵。因 此如何从在交叉模块的结构设计上配置t w c ，成为一个值得关注的问题。对这 个问题，已有些方案。”“。但从o b s 中的核心节点设计角度，t w c 对系统 交换性能的作用如何，与f d l 的配置方式等等都需要进行仔细的研究。 因此，针对目前对o b s 的核心节点的具体实现方面研究的不足，课题的主要 研究内容集中在o b s 核心节点的拓扑结构，f d l 和t w c 的配置方式对o b s 交换性 能作用和影响的研究上。最后，还将对网络自相似特性对o b s 交换性能的影响做 一初步的研究。 电子科技大学硕士研究生学位论文 第二章光突发交换 2 ，1 光突发交换 随着全球范围内ip 业务的迅猛增长，对传送网带宽和交换系统容量的需 求正以前所未有的速度增加。密集波分复用( d w d m 系统和技术提供了一个 能够开发光纤中巨大带宽资源潜力以满足这种带宽需求的技术平台。目前，在光 层利用d w d m 技术，使一根光纤上可利用的带宽达到】o tb s 左右，这可以满足 较长时期内对传送网带宽的要求。然而，目前w d m 技术在光联网网络中的应用，仍 主要是将w d m 波长作为分立的波长信道来使用，而且仍是一种静态路由技术， 采用的是通常的电路交换技术( 时分、空分及波长交换) ，其交换速率则远低于这 个数值。而且其交换粒度太粗，般为波长级。如果利用它来承载以i p 包为代表 的数据业务，缺乏灵活性，且对光学带宽的利用率极低。这样，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( o p s 一一 o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 是发展方向，但o p s 存在着两个近期内难以克服的障碍： 一是没有合适的光缓存器，目前的实验系统中采用的光纤延迟线( f d l f i b e f d e l a yl i n e s ) 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。针对电路交换和分组交换的缺点，近年来，国外有人提出了新的光交换技 术光突发交换( o b s - - 一o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) 。光突发交换中，使用的带 宽粒度介于电路交换和分组交换之间，比电路交换灵活，带宽利用率高，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，因而逐渐引起了众多学者的重视。 光突发交换分别f h c h u n m i n gq i a o 和j s t u m o r ( 7 ) 等人提出。在光突发交换 中，突发为一些i p 包组成的超长i p 包，这些i p 包可以来自传统i p 网中不同的电i p 路由器。光突发交换中的控制分组b c p ( b u r s t c o n t r o lp a c k e t ) 的作用相当于分组交 换的分组头，但与传统分组交换不同的是，b c p 与突发数据在物理通道上是分 离的。在d w d m 传输系统中，可以采用个( 或多个) 专门的波长作为控制通 道，用于传送b c p ，而把其他的波长作为数据通道。 如图2 1 所示，在光突发交换中，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。控制分 组在w d 传输链路中的某一个特定信道中传送，每一个突发的数据分组对应于一 个控制分组，且控制分组先于数据分组传送。b c p 与突发数据一一对应，在源 端设置b c p 与突发数据之间的偏置时间( o f f s e tt i m e ) ，即源端发送b c p 与发送 相应突发数据之间的间隔时间。b c p 中包含数据突发的有关信息，如偏置时间、 电子科技大学硕士研究生学位论文 图2 1 光突发交换原理j 突发长度、数据通道( 波长) 等。b c p 在中间节点转换为电信号进行处理，包 括路由的确定、资源的预约以及交换矩阵的配置等，保证当数据突发到达时相应 的数据通道已经配置好，从而实现数据在光域的透明传输。中间节点根据控制分 组中携带的信息，通过“数据报”或“虚电路”路由模式来为突发数据流指配空 闲的光信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。由于对b c p 进行电处理必然引 入一定延迟，而突发数据的透明传输没有，因此必需设置足够的偏移时间，以保 证数据到达中间节点时其b c p 已完成对节点的配置。从完成的功能来看，b c p 与传统电路交换网络中的信令非常相似，正是在这个意义上，b c p 也被称为信令 消息。但与传统信令不同的是，o b s 的信令不必等待目的端的反馈确认，换句 话说，o b s 的资源预约是单向的。也正是这种“单向预约”机制减小了连接建 立延迟，提高了信道利用率。 这种将控制分组羹蕾信道与分组的隔离方法简化了突发数据交换的处 理，且控制分组长度非常短，因此使得高速处理得以实现。o b s 技术在只需要较 少的处理和比纯粹分组交换( 由于是逐个分组地进行交换，所以对同步要求非常 严格) 低得多的同步开销处理水平，就可以最充分地利用网络地带宽资源。 另外，o b s 可以通过合理设置突发数据流与控制分组之间的偏置时间来执行 q o s 功能。同时由于控制分组和数据分组是通过控帝4 分组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情况用电子处理方式来对突发数 据流相对于控制分组的时延作出调整，因此理论上控制分组和数据流都不需要执 行光同步和光存储。可以看出，这种突发交换技术充分发挥了现有的电子技术和 光子技术的特长，实现成本相对较低。非常适合于在承载未来的具有高突发性的 数据业务的网络中应用。 现在的通信信息网络中存在着多种交换方式，其中电路交换( 波长路由) 电子科技大学硕士研究生学位论文 和分组交换是电网络的两种主要交换模式。但是基于光的电路交换和光的分组交 换技术直到现在仍然处于研究和发展之中。表2 1 给出了三种光交换方式的简单 比较。从中不难看出，o b s 技术在支持分组业务的性能上高于波长路由方式， 而实现难度( 尤其是对光器件技术的要求) 低于光分组交换。 表2 1三种典型交换方式简单比较 对分组业务 交换方式交换粒度带宽利用率持续时间全光缓存的适应程度实现复杂度 波长路由大粒度低 长 不需要低低 光分组交换小粒度高 短必需高高( 还不成 ( 单个分组)熟) 光突发交换中等粒度( 若较高中等不必要中等j中等 干分组构成) 2 2 光突发交换网络拓扑结构 斟2 2 一】o b s 网络不意 一个o b s 网络主要由边缘节点、核心节点和d w d m 链路构成，如图2 2 一 l 所示。边缘节点负责对传统i p 网中的数据分组进行缓存和封装，以及反向的拆 封工作。封装时边缘节点生成描述突发特性的b c p 分组，先于数据突发在特定 的控制通道上发送。核心节点根据控制通道上收到的b c p 分组，可以得知数据 突发的到达时间、持续时间、目的地址( 和转发标签) 等控制信息，并根据这些 信息完成对光路的配置，保证数据的透明通道。o b s 网络对数据的传送不是按照 传统f l c j i p n 络那样“一跳跳”地转发，而是装配成突发数据流，然后进行分类 6 电子科技大学硕士研究生学位论文 和优先级排队，最后按照相应的交换通道直接通过整个核- t l , 光网络到达目的边缘 出口节点路由器。传统1 p n 来的数据在进入核- 1 1 , 光网络之前，首先在入口边缘节 点按照数据包的目的地址和c o s 类型进行分类，然后分别输入到大型电子缓存器 中。入口边缘节点对突发数据流开始执行转发要么是由于缓存器已满，要么就是 转配突发数据流的持续时间已经超过了为满足端到端时延要求而设定的特定持 续时间。因此可以通过调节边缘节点的处理时间来分别满足不同输入信号对时延 的不同要求。 核一1 1 , 交换节点的功能是对突发数据流进行转发和交换。与光分组交换不同， o b s 核心交换节点只需对传输突发控制分组的波长进行光电光的变换，而对传 输突发数据流的波长不做光电光变换。 2 3 光突发交换协议 光突发交换的技术难题是寻找合适的带宽接入控制协议，即控制分组与突 发数据之间的协调问题，也就是带宽何时释放( 即拆除连接的时机) 问题。 为了使o b s 网络能高效地协调数据分组和控制分组之间的工作，研究人员 开发了大量的带宽接入控制协议。为了避免控制信令的全光提取，在o b s 中采用 带外信令方式。其主要有三种方式：( 1 ) t a g ( t e l l ，a n d g o ) 协议。该协议是先 发送控制分组来预留带宽，当发送完突发数据流后再发送释放连接的分组来拆除 连接；( 2 ) 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。该协议是由控制分组中的偏 置时间来决定带宽预留的时间长短，到时自动立即拆除连接。该协议无信令开销， 易实现带宽资源的动态分配，资源利用率高，基于该方法的一个杰出代表就是“恰 量时间”j e t ( j u s t e n o u g h t i m e ) 协议；( 3 ) i b t ( i n b a n d t e r m i n a t o r ) 协议； 2 3 1 j e t ( j u s t e n o u g h t i m e ) 协议怕j j e t 协议是r f d 技术的种具体实现方式。在执行j e t 时，源端节点在发 送突发数据流之前，先在专门的信令信道上( 即传送控制分组的专用波长) 向宿 端节点发送一个控制分组，该控制分组在中间的每个节点上进行处理，为将要发 送的突发数据流建立一条全光的数据通道。根据控制分组中携带的信息，每个中 间节点按一定的方式为该控制分组所对应的突发数据流分配出口链路上的合适 波长，预留一定的带宽，并在该数据流到达时进行光的交换。同时，源端的突发 数据流在等待了一个偏置时间t 后，在所选定的波长上以全光的方式经中间节 点传送至宿端。如图2 3 1 ( a ) 所示，在j e t 协议中，控制分组中含有突发 长度信息和偏置时间信息。信源在发出控制分组后，等待一个偏置时间t 后再 发送突发数据流。t 的大小刚好足以补偿控制分组在各个中间节点所花费的处理 时间，即t 疗x 6 ，其中1 3 是突发数据流所需经过的中间节点的数目，6 是一 个中间节点的平均处理开销时间。按这种方式，则在理论上可以使所有的中问节 电子科技大学硕士研究生学位论文 点处不再需要入口光缓存结构( f d l ) 。 用于o b s 的j e t 协议有两个特有的特征：( 】) 是一种单向的预约协议，突 发数据流在发送时是不需要来自宿端的确认信息。对于主要传输相对较长距离的 突发业务而言好于双向的预约协议；( 2 ) 是一种使用延时预约的协议，通过使用 偏置时间t 的方法来实现资源的预留。但是为了减少网络端到端的等待时延， 应该设置较小的偏置时间。然而，过小的偏置时间不易解决多点通信中的信道竞 争问题，从而会造成数据的丢失和拥塞。所以，偏置时间的设置是j e t 协议中 的重要技术问题； 2 3 2d e r ( d e l a y r e s e r v a t i o n ) 协议 为了使得网络中的带宽资源得到最有效的利用，并减少竞争机会。在o b s 中是将延时预约和偏置时间一起使用的。延时预约( d e l a y r e s e r v a t i o n ) 就是让突 发控制分组为对应的突发数据预约t 至t 十l 时间段的带宽资源，而不是从t 时刻 开始的一段时间。如图2 3 i ( b ) 所示，设t 是预计的突发数据到达节点的 时间，t 是该节点处理控制分组开销所花费的时间，并将离开节点i 的时刻；1 是突发数据的持续时间。为了提高带宽利用率，节点是从时刻t 开始为突发数据 保持带宽( 而不是从t 时刻) ，并持续到t + l 时刻，如图2 3 1 ( b ) ( a ) 所示。 某节点向下一个节点转发控制分组时，发送的偏置时间实际上是 t = t 一( f 。，一f ，。) ，其中的t 。是控制分组进入本节点的时刻，t 。是控制分组被本 节点处理完的时刻。这样的偏置时间处理方式增加了带宽的利用率，减少了因阻 塞而丢失的数据量。如图2 3 一l ( b ) ( b ) 所示，当有信源1 ，2 向菜同一节点 申请带宽时，只要， ，信源2 的申请就能实现。 s12d ( ) j e t 协议 rrh ( a ) 撼一个控制分组 第一个究笈数据包 第二个控制分组 第二个突发数据包 ( b ) 图2 3 1光突发交换协议 8 ( b ) d e r 协议 电子科技大学硕士研究生学位论文 2 4 解决资源竞争的基本方法 当多个突发数据同时要到同一输出端口的某个特定波长通道上去的时候， 就发生了“冲突”。此时为防止数据丢失，有四种可行的方法：波长变换；波长 备份( w a v e l e n g t h d i m e n s i o n ) ：缓存；偏折路由( d e f l e c t i o nr o u t i n g ) 。下面分 别说明。 波长变换：波长变换可以把输入的任一波长转换到任一其它波长，这种变换 必须在电信号的控制下完成，采用可调的波长变换器( t u n a b l ew a v e l e n g t h c o n v e r t e r ，t w c ) 。当存在多个波长信号要同时交换到同一输出端口的同一波 长时，可以将其中几个波长先变换为输出端口中其它的空闲波长，然后再交换到 同一输出端口中去。显然，这种方法有一定的局限，业务负载较重时难以真正解 决冲突。而且，这种方法的有效性还依赖于这样一个事实：即同一输出端口中的 不同波长通道是等效的。在基于g m p l s 的o b s 网络中，若突发的标签直接与 波长相关联，则中间节点就不能随意改变这种关联。另外，全光的t w c 价格昂 贵，考虑采用部分波长交换( 即不必为每个波长都配置波长变换器) 是种较为 经济的节点实现方式，尤其是单光纤可复用的波长数目较多的情况。因此，只依 赖波长变换不能完全解决冲突问题。 波长备份：这种方法的基本思想是为每条链路预留多个备份波长( 或备份光 纤) ，一旦出现冲突，可以通过将部分冲突突发调整到备份波长进行传输。该方 法通常需要与波长变换同时使用。需要注意的是，若能在同一链路上提供多条光 纤，则可以在一定程度上避免使用( 或减少使用) 波长变换器，例如，两个突发 同时需要交换到某端口的波长l 上，多光纤配置意味着存在另一端口与该端口 “等效”( 连接的是同一个设备) ，此时可将其中个突发交换到等效端口的波 长1 ，即可解决冲突，而且不必使用波长变换。 缓存：由于数据突发完全在光域处理，不进行o e o 转换，所以必须采用 全光的缓存技术。全光的缓存目前只能采用光纤延迟线( f i b e rd e l a yl i n e ，f d l ) 的方式来实现。 偏折路由( d e f t e c t i o nr o u t i n g ) ：基本思想是出现冲突时( 且没有其它解决 冲突的手段可用时) ，将冲突的突发发往另个端口。具体发往哪个端口有两种 不同的策略：一种是任一可用端口；另一种是发往预先确定的某个端口。第一种 方法适用于基于i p 的o b s ，被偏折的突发在后续的每个节点都根据路由衷信息逐 跳转发。需要解决的问题是如何控制突发的转发跳数，在控制分组中增加一个类 似于i p 的盯l 域可以部分地解决这个问题。另一种方法要求预先确定从偏折节 点开始到目的节点终止的替代路由。无论是哪种方法，都存在一个共同的问题， 电子科技大学硕士研究生学位论文 即预先确定的偏移时间可能因偏折路由而不再满足要求，导致数据突发在后续的 节点必须进行缓存，以等待对控制分组的处理。换句话说，通过预先控制偏移时 间可以避免采用输入缓存的思路不再成立。 综上所述，尽管四种方法都不同程度上( 也在不同的应用场合下) 可解决冲 突问题，但都面临各自的困难。在综合考虑实现复杂度和系统性能的基础上，我 们认为： 1 ) 偏折路由方案最大的困难在于偏移时间不可控。若采用文献。那样的方 法进行预先的替代路由计算，势必要求所有中间节点记录它到所有其它节点的替 代路由信息，这样的转发表超出了任何现存的协议框架，而且本身也难以实现。 另一方面，偏折路由方案所带来的性能提高并不明显，使得这个方案更加缺乏吸 引力。 2 ) 波长变换+ 波长备份的解决方案是可行的。一方面，即使没有冲突问题， 波长变换器在o b s 核心节点的实现方案中也难以回避，而且现有的关于o b s 节 点的实现方案中大都采用了t w c 。这个方案中需要解决的问题包括： a 到底需要预留多少备份波长。这是一个网络容量的设计问题。需要根据 突发到达的业务模型( 典型的如自相似模型) 、突发的平均长度( 若要更精确的 话，突发的长度也应是随机的) 、链路的带宽传输速率、链路的波长数目、控 制方案以及控制分组所经历的时延等参数，估算突发出现冲突的概率，并相应确 定定的突发丢弃概率下需要预留多少波长。当然进行系统仿真也可以作为设计 时的辅助手段。 b t w c 的实现可行性。t w c 当然是可行的，但作为实际的系统应用，这 样的器件代价如何，是该方案能否实现的关键之一。 c t w c 的可控性。方案中必须根据实际的波长占用情况，实时地产生电 信号对t w c 进行控制。这一过程引入的各种问题( 包括引入的信号损失、时延 等) 以及相应的信号接口定义，在确定实现方案时需要考虑。 3 ) 在条件允许的条件下，应尽量考虑采用全光缓存。从系统方案设计的角 度来看，实现全光缓存有很多好处。即使是非常有限的缓存容量对系统性能的改 善也是完全无缓存的系统所难以比拟的。另外，具有缓存能力也会大大降低系统 控制方案的设计和实现复杂度，例如对控制分组的处理延迟以及偏移时间的精确 性要求会降低。当然，这个方案也存在一些需要进一步研究的问题： a 用f d l 构造的缓存器如何控制。资源预约时，若发现没有波长可用，必 须先用f d l 缓存，需要预先估计存储时间，以便对延迟线进行控制。问题是这 种估计的精确程度如何，估计时需要考虑的因素都包括哪些，这些都需要研究。 b 缓存后，数据的延迟与b c p 的偏移时间是否需要重置，以及如何重置 电子科技大学硕士研究生学位论文 2 5 光突发交换网络中核心交换节点拓扑结构 核心节点的功能框架如 2 - - 5 - - 1 所示。主要包括四个模块：核心交换模 块、交换控制模块、协议处理模块和线路模块。 图2 5 1o b s 核心交换节点功能框架 其中协议处理模块主要负责对g m p l s 协 议的处理，目的是完成对标签信息表的维护 和更新。线路模块主要完成波长的复用和解 复用、光放大等与光传输有关的功能。交换 控制模块主要负责对核心交换模块的设置。 要求交换控制模块能实时记录核心节点的 状态信息，并根据所接收到的控制分组携带图2 5 2 c r o s s b ”结构 的有关于突发数据流的信息，结合协议处理模块对突发数据流进行路由处理，并 且对核心交换模块进行设置。核心交换模块主要是根据交换控制模块的配置信 息，对核心交换模块中的光交换矩阵进行设置，以完成对突发数据流的全光传输。 在本课题的实现方案设计中，最为关键的是核心交换模块的实旌方案。在 核心交换节点的设计问题中的一个最主要的问题就是如何减少突发分组丢失的 概率，既丢包率问题。尽管交换机从电子机械到电子技术最后到光子技术，在技 术上取得了很大的进步，但交换机构的基本结构在很大程度上没有多大的改变。 在置换交换机和广义交换机中常采用的最简单的一种结构就是c r o s s b a r 结构，也 叫纵横交换结构。如图2 5 2 所示，一个n x n 联j c r o s s b a r 交换结构是由n 条输入线 和n 条输出线和位于交叉处的r 1 2 个交叉点所构成。在光网络节点中，这种交叉点 是通过光开关来实现的。在一个n n 的c r o s s b a r 开关矩阵中，通过只闭合在每一行 电子科技大学硕士研究生学位论文 和每- - y d 交叉点中的一个交叉点就能实现置换交换。但是n n 的c r o s s b a r 用作n n 的置换开关的主要问题是交叉点的数目以n 2 增长。这个数量远远超过了所有可能 的置换连接数目。在光的交换矩阵中，导致其成本昂贵。所以希望用最少数目的 交换装置来实现最大可能的交换连接。因此在实际中常采用多级级联交换结构。 其中比较适用的结构是三级交换结构，使用它可以构成许多不同类型的交换机。 图2 5 3 三级c l o s 交换网络结构图2 5 4b e n e s 交换结构 图2 5 3 给出了一种最常用的n n 的对称型三级c l o s 交换网络结构，它的第级 交换由k 个p m 开关构成，在中间级由m 个k x k 光开关构成，在第三级也由k 个p x m 开关构成。对c l o s 交换网络结构进行递推分解可以可到一种b e n e s 交换结构，从 交叉点的数量上而言，b e n e s 结构是一种最经济的置换交换机结构，它相对于c l o s 网络能够大幅度降低交叉点的数量。图2 5 - - 4 目p 为对n l l 的对称型三级c l o s 交换 网络结构进行扩展得到的b o n e s 交换结构。按照这种递推分解，图2 5 5 所示分 别为8 x 8 的c o s 结构和经上述处理后形成的以2 x 2 开关为基本交换单元的8 x 8 的 b e n e s 结构。 b s 交接罔络 图2 - 5 5 置换交换机可以按照交换网络的阻塞特性进行分类，除了阻塞型以外主要还 有可重构无阻塞型，广义无阻塞型和严格无阻塞三种。实现这三种网络的难易程 度由前向后越来越容易，控制操作越来越简单，但所需要的硬件数量越来越多。 电子科技大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 可重构无阻塞型交换机：这种交换机在按需要建立其所具有的n ! 个连接状 态中的任一条连接时，都能够在交换机构上找到一系列的可用连接，面且还能够 随时随机地建立和终止这些连接。其可重构性就是当交换机接收到要在一对空闲 的输入和输出端口之间建立个新连接的请求时，交换机为了支持该连接的建 立，在有必要重新安排当前的激活态连接时，它完全能够重新配置当前的激活态 连接。总之，可重构性就是当交换机接收到一系列的连接建立请求时，它能够对 所有连接进行重新规划和配置，以保证所有的连接都能够被正确的建立起来。因 此，可重构交换机存在两大问题：对于按需分配的任意一系列连接请求，选路 装置在交换机构之间为建立路由时，其实现的过程是很困难和复杂的；当发生 重选路由而需要重新适配一个新的连接时，正在提供服务的连接和某些使用路由 很可那发生瞬间中断；但是，对可重构交换机而言，它的一个突出优点就是可以 使用最少的硬件来实现所需的任何连接建立功能。但是，简化硬件和降低硬件使 用量的代价是对交换机的控制变得十分复杂。一个置换交换机所需要的最小数量 的二元交换单元的数目，可以通过将连接状态和交叉态数量取等而得到降低。 b e n e s 交换结构作为可重构性交换机的一种，其在使用的硬件数量方面，就非常 接近理论的最优数值。这也是b e n e s 交换结构的一个突出的优点。 ( 2 ) 广义无阻塞网络交换机：这种交换结构在接收到要在交换机构中建立一个 新的连接的请求时，它无需对正处于激活态的连接执行重构操作，只要通过使用 正确的选路规则就可以实现所需的任何一种连接模式。它是非重构性的，在不干 扰当前激活态连接的情况下，网络中还存在许多