（通信与信息系统专业论文）基于波长转换的光分组竞争解决技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 光纤通信中波分复用( w d m ) 和密集波分复用( d w d m ) 传输技术的发展和 应用为通信网络提供了巨大带宽，互联网业务的迅速发展使网络的信息瓶颈从信 息传输环节转移到了交换节点上，光分组交换( o p s ) 具有高速率和宽带宽特性， 被业界认为是最匹配光传输方式和解决网络电子信息瓶颈最有效的方法。但是， 在通信网络的光分组交换节点处，当多个光分组同时去往同一输出波长信道时， 就会发生光分组竞争。而以口业务为主的i n t e m e t 网络中分组突发性很大，则光 分组在光交换核心节点处发生竞争的概率也更大。所以研究o p s 竞争解决技术有 着非常重要的意义。 目前，波长转换竞争解决技术不会产生额外时间抖动、分组顺序改变等问题， 有利于减少光分组在交换节点处的延迟，提高节点吞吐量。因此，随着光波长转 换器成本的下降和技术的发展，在实际的o p s 节点结构设计中，采用波长转换技 术解决光分组竞争必是一种行之有效的方法。另外，由于各种网络应用层出不穷， 不同的业务要求不同的服务质量，需要交换节点更加灵活、有业务区分能力，因 此有必要针对o p s 节点中支持分组优先级的竞争解决技术进行研究。 在第三章，论文研究了两种基于波长转换的o p s 竞争解决方案。第一种是节 点共享( s p n ) 有限波长和参量波长转换器竞争解决方案( s p n l p ) ，该方案将有 限波长转换器( l r w c ) 和参量波长转换器( p w c ) 同时作为节点共享，并采用 p w c 优先使用( p f a ) 算法分配空闲波长信道来解决竞争问题，能明显降低分组 丢包率，减少所需的波长转换器数目；第二种是混合共享波长转换( h s w c ) 竞争 解决方案，将节点共享l r w c 和链路共享p w c 结合，分析对比l r w c 优先选择 ( l p s ) 算法和p w c 优先选择( p p s ) 算法，该方案使用p p s 算法，能够最大限 度提高波长转换器的利用率，进一步降低分组丢包率，提高交换节点性能。 在第四章，主要研究了支持分组优先级的竞争解决技术。先研究了e r a m o 关 于s p n 节点支持分组优先级的方案，并分析其数学模型，对其性能进行仿真重现， 验证了s p n 节点竞争解决方案能够区分分组优先级，处理不同优先级的业务。在 此基础上，论文研究了支持分组优先级的s p n l p 竞争解决方案，并给出了支持分 组优先级的调度算法，研究结果表明，s p n l p 竞争解决方案能够处理不同优先级 的业务，保证高优先级业务具有较低的丢包率性能，提高了交换节点的灵活性。 关键字：光分组交换；竞争解决；有限波长转换器；参量波长转换器；丢包率 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fw 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 ( w d m ) a n dd e n s ew 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 ( d w d m ) i no p t i c a lc o m m u n i c a t i o n p r o v i d eh u g eb a n d w i d t hf o rt e l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k n er a p i dd e v e l o p m e n to f i n t e r n e ts e r v i c ec h a n g e st h eb o t t l e n e c ko fi n f o r m a t i o nn e t w o r k f r o mi n f o r m a t i o n t r a n s f e r r i n gl i n k st os w i t c h i n gn o d e s o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ( o p s ) ，w i t l lm g hs p e e d a n dw i d eb a n d w i d t h , i sk n o w na st h em o s tm a t c h i n gw a yt oo p t i c a lt r a n s f e r r i n ga n dt h e b e s tm e t h o dt or e s o l v et h ei n f o r m a t i o nn e t w o r kb o t t l e n e c k h o w e v e r , i nt h e0 p sn o d e o fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , o p t i c a lp a c k e t sc o n t e n t i o nw o u l do c c u rw h e nm u l t i p l e p a c k e t sa r es i m u l t a n e o u s l yd i r e c tt ot h es a m eo u t p u tw a v e l e n g t hc h a n n e l f o rt h e i n t e r n e tn e t w o r km a i n l yw i t hi ps e r v i c eh a sg r e a tb u r s t ，t h ec o n t e n t i o np o s s i b i l i t yi s m u c hg r e a t e ri nt h eo p t i c a lc o r en o d e s oi ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt h eo p t i c a lp a c k e t c o n t e n d i n gr e s o l u t i o nt e c h n o l o g i e s a tp r e s e n t , w a v e l e n g t hc o n v e r s i o nt or e s o l v eo p t i c a lp a c k e tc o n t e n t i o n , w i t h o u tt h e p r o b l e m so fe x t r at i m ec l o c kj i t t e ra n dp a c k e t sd i s o r d e r i n g ，i sh e l p f u lt or e d u c eo p t i c a l p a c k e t sd e l a yi ns w i t c h i n gn o d e sa n dt oi m p r o v et h et h r o u g h p u to fn o d e t h e r e f o r e ， w i t hc o s tr e d u c t i o no fw a v e l e n g t hc o n v e r t e r sa n dt e c h n o l o g i e sd e v e l o p m e n t , i ti so n eo f t h eb e s te f f e c t i v ew a y st oc h o o s ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o nt e c h n o l o g i e st or e s o l v eo p t i c a l p a c k e tc o n t e n t i o n m o r e o v e r , a st h ev a r i a b l ea p p l i c a t i o no fi n t e m e t , d i f f e r e n ts e r v i c e n e e d sd i f f e r e n ts e r v i c eq u a l i t y t h es w i t c h i n gn o d e sn e e dt ob cm o r ef l e x i b l ea n dh a v e t h ec a p a b i l i t yt od i s t i n g u i s hd i f f e r e n ts e r v i c e ，s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ho nt h eo p s c o n t e n d i n gr e s o l u t i o nt e c h n o l o g i e ss u p p o r t i n gp a c k e t sp r i o r i t i e s i nt h et h i r d c h a p t e r , t w os c h e m e sf o ro p sc o n t e n d i n gr e s o l u t i o n b a s e do n w a v e l e n g t hc o n v e r s i o na r er e s e a r c h e d 1 n b ef i r s ti ss h a r e d - p e r - n o d e ( s p b ow i t hl i m i t e d r a n g ew a v e l e n g t hc o n v e r t e ra n dp a r a m e t r i cw a v e l e n g t hc o n v e r t e r ( s p n l p ) t h i s s c h e m es h a r e st h el i m i t e dr a n g ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r ( l r w c ) a n dp a r a m e t r i c w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ( p w c ) f o rt h es p nn o d ea tt h es a m et i m e ，a n du s e st h ep w c f i r s t a v a i l a b l e ( p f a ) a l g o r i t h mt oa l l o c a t et h ef r e ew a v e l e n g t hc h a n n e lf o rt h ec o n t e n d i n g r e s o l u t i o n i tc a no b v i o u s l yr e d u c ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i t ya n dd e c r e a s et h en e e do f w a v e l e n g t hc o n v e r t e r s t h es e c o n di sh y b r i ds h a r e dw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n ( h s w c ) i t c o m b i n e ss h a r e d - p e r - n o d ew i t hl r w ca n ds h a r e p e r - l i n k 埘t l lp w c w ea n a l y s i sa n d n 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t c o n t r a s tt h ep e r f o r m a n c eo fl r w c p r i o rs e l e c t e d ( l p s ) a n dp w cp r i o rs e l e c t e d ( p p s ) s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s t h i ss c h e m ew i n lp p ss c h e d u l i n ga l g o r i t h mc a nm a x i m i z et h e u t i l i z a t i o no ft h ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r s ，a n df u r t h e rr e d u c ep a c k e tl o s sp r o b a b i l i t ys oa s t oi m p r o v et h es w i t c h i n gn o d ep e r f o r m a n c e i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ep a p e rd i s c u s s e st h et e c h n o l o g yo fc o n t e n d i n gr e s o l u t i o n s u p p o r t i n gp a c k e t sp r i o r i t i e s w ef i r s t l ys t u d ye r a m o ss c h e m ea b o u ts p nn o d e s s u p p o r t i n gp a c k e tp r i o r i t i e s t h e nw ea n a l y s i st h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n dr e p e a tt h e s i m u l a t i o n so fs p nn o d ep e r f o r m a n c e i ti sv e r i f i e dt h a tt h es p nn o d ec a nd i s t i n g u i s h p a c k e t sp r i o r i t i e sa n dd e a l 埘t l ld i f f e r e n tp r i o r i t ys e r v i c e o nt h a tb a s i s ，w es t u d yt h e c o n t e n d i n gr e s o l u t i o nt e c h n o l o g i e sf o rs p n l p t os u p p o r tp a c k e t sp r i o r i t i e s ，a n d p r o p o s eas c h e d u l i n ga l g o r i t h mt oa s s i g nw a v e l e n g t hc h a n n e l s t h er e s u l to fr e s e a r c h s h o w st h a tt h ec o n t e n d i n gr e s o l u t i o ns c h e m e o fs p n - l pc a nd e a lw i 也d i f f e r e n t p r i o r i t i e ss e r v i c e ，c a ng u a r a n t e eh i g hp r i o r i t ys e r v i c e 谢ml o w e rp a c k e tl o s sp r o b a b i l i t y , a n dc a ni m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo fs w i t c h i n gn o d e s k e yw o r d s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ；c o n t e n d i n gr e s o l u t i o n ；l i m i t e dr a n g ew a v e l e n g t h c o n v e r t e r ；p a r a m e t r i cw a v e l e n g t hc o n v e r t e r ；p a c k e tl o s sp r o b a b i l i t y i n 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 二十世纪六十年代，激光器的诞生开创了人类的激光技术时代，进而出现了 许多新兴的研究方向和领域，通信中的光交换技术就是逐渐被提出的新研究课题。 此后，光通信技术得以迅猛发展。随着传输容量和速度的极大提高，光波技术及 光电或光器件的形成机理和实现技术上的每次突破，都推动了光交换技术的进一 步发展，至今已形成了种类繁多的光交换器件、光交换机制、实现方法及系统等【1 1 。 现代通信业务量迅猛增加，从话音、电报到文字、数据、静态或活动的图像、 高清晰度电视等多媒体通信，大量信息的传输与交换是以承担电话交换业务而建 立的公用电话交换网难以胜任的，相应地产生了电路分组交换数据网、广播电视 网等，并以程控交换实现简单的智能业务，以分组作为公共信道信令( c c s c o m m o nc h a n n e ls i g n a l i n g ) 。二十世纪九十年代，以口为基础的数据业务快速发 展1 2 1 ，并导致电信业务中以语音为主的电路交换向以数据为主的分组交换转移。为 了保证各种不同业务高速、可靠的传输，需要按电信网的服务要求和标准从根本 上改造i p 网，实现真正基于i p 分组的通信数字化传输与交换技术。未来的网络必 须能够灵活、透明地支持各种不同业务，并能够提供不同的业务保障以及数据的 高速、可靠传输。 光通信技术在tb i t s 量级的传输、交换和存储上显示出电交换无法比拟的优 势，充分利用光子技术建立全光传输交换网的要求被提出来，国际电联i r u t 特 别规定：在全光网中，增加光层上实现路由交换及其智能化的功能等p j 。于是，光 交换技术在这些需求的驱动下，得以快速发展。在全世界范围内，大量的通信研 究机构和高校致力于高速光交换器件、宽带交换技术、灵活高速的路由控制等技 术的研究：在国际主流的光通信期刊上、每年的国际光通信学术会议及产品交流 会议上，均有大量的光交换技术研究成果和应用产品报道；全光试验网在全球纷 纷建立，光通信技术正在适应新时代的发展需求，而不断地发展成熟并被广泛应 用。但是，由于电子器件及设备存在的速率极限问题，现有电交换节点已基本发 张到了极致，核心交换节点处理能力要求的进一步提高将逐渐成为阻碍通信网进 一步向前发展的系统瓶颈。因此，从交换技术自身进行变革是解决此系统瓶颈的 根本途径，即发展光交换技术势在必行。 本章概述光分组交换技术，从光交换技术的产生背景和光交换方式，来说明 光分组交换技术是信息社会中通信交换技术发展的必然趋势，并简介光分组交换 的关键技术及发展现状等，说明光分组交换技术在通信交换技术及其系统中的重 要作用及发展潜力。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 光交换技术 1 1 1 光交换的产生 利用光波的带宽、高速传播、可并行处理、抗干扰性强等特点，将光波作为 通信信息载体，将光波技术引入到通信交换系统中，对光信号进行交换，实现交 换回路及控制回路的全光化，以提高光交换性能和通信质量等，这就是通信光交 换的概念。但是，通信光交换的提出并不是偶然的，它受到以下几个方面的因素 影响：光纤通信传输技术的成功发展，电信业务市场及电信网络的发展需求和电 信交换面临的问题，先进的光电子器件及技术发展和光计算机技术的发展，以及 因特网的产生和应用市场等引发和推动了光交换的产生和发展。 六十年代末期，半导体材料和器件的研究有了新的突破：以分子束外延技术 制作出异质结半导体材料，并通过人工改性形成量子阱、超晶格微结构材料。这 些材料具有特殊的点学、光学性质，利用它们相继研制出激光机、光双稳开关、 光探测器等。这些新型的光电子、光子器件是光纤通信、光交换中不可缺少的功 能器件，它们带来了光纤通信的更新换代和高速发展，同样也为光交换技术提供 了发展机遇。 自九十年代初以来，随i n t e m e t 业务的广泛应用，带宽需求量迅猛增加。为了 处理此剧增的分组业务，路由器厂商提供的口核心路由器规模越来越大、速度越 来越快，它们都基于光接口和电交换矩阵。可以想象，未来i p 层将主要工作在由 波分复用( w d m ：) 和光交叉连接组成的电路交换光层的上面。现在，电球路由 器的扩展性及其对光层上w d m 传输能力不断提高的适应性越来越引起关注。 综上所述，在这些相关学科、技术及器件等的发展、支持和推动下，通信光 交换得以产生和不断发展。 1 1 2 光交换方式 在电交换技术中，由于通信业务和技术的逐步发展，形成了电路交换和电分 组交换这两种方式。光交换类似于电交换，根据光交换技术发展阶段和交换粒度 的不同，光交换大致分为光路交换( o c s ：o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 、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 ) 和光分组交换( o p s ：o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 光路交换式通过呼叫在光交换网络的主叫终端与被叫终端之间建立了一个光 连接通路，这种通路可以是独占的一条光纤线路，也可以是光复用线上的一个信 道，在一个呼叫的通信期间必须保持这条通道，直到通信结束时才能拆除。该方 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 式需要一个光路的建立和拆除过程，它需要一个大小为往返时间的连接建立延迟， 故增加延迟时间。同时，采用以整条波长信道为最小交换单元的光路交换技术， 不易实施灵活的流量管理和业务接入，而且面向连接的本质决定了通信过程中双 方独占网络资源，与i p 业务流量突发性大、粒度和速率多变的特性格格不入。近 年来，人们进行光交换研究的重点是光突发交换和光分组交换【4 】。 1 9 9 7 年，由c h u n m i n gq i a o 和j st u n n o r 提出的一种新的光交换技术光 突发交换。其思想是在网络中，突发数据与控制信息在传输信道上相分离，控制 信息被提前发送出去，在各个节点采用延迟预约方式预定端口、波长资源，突发 数据无需收到预约请求的确认信息而随后发出，并沿着控制分组预定好的波长和 端口透明地到达目的节点。光突发交换的核心问题是资源预约协议设计，资源预 约协议可以分为双向资源协议和单项资源预约协议，双向资源预约协议的缺点是 带宽利用率低，缺乏网络的灵活性。因此光突发交换资源预约协议大多采用单向 预约方式【5 1 。 光突发交换虽然可以充分利用光传输与电处理的优势，提高网络灵活性和扩 展性，但是其依旧存在不足之处：光突发分组粒度太大，会导致带宽利用率下降； 采用圯t 协议时，偏置时间需要精确考虑实际网络的节点距离和波长信道的时延 特性；控制协议有待进一步创新。 光分组交换是光交换的理想模式，与光突发交换相比，它以更小粒度的光分 组作为交换单位。光分组由分组头( h e a d e r ) 和净荷( p a y l o a d ) 两部分组成。净荷 由电层中若干个具有相同业务特性的数据分组汇聚而成，分组头包含了交换过程 所需的必要路由控制信息。光分组交换可以看作是电分组交换在光域中的实现， 虽然仍旧遵循分组交换的“存储转发 原则，但分组的存储和转发都在光域中进 行【6 1 0 光分组交换具有很多优点，如网络资源调度粒度小、灵活，带宽利用率高； 超高速、大容量、数据速率和格式透明性、可配置性等特点，支持未来不同类型 数据；提供端到端的光通道或者无连接的传输；把大量的交换业务转移到光域， 交换容量与w d m 传输容量匹配，同时光分组交换技术可以与g m p l s 等新技术结 合，实现网络的优化与资源的合理利用；适用于自相似突发性数据和数字视频业 务。光分组交换将成为未来全光网络的有效技术之一，研究光分组交换技术，结 合波长路由和波长交换实现对各种业务透明的传输，并提供不同的业务质量保证， 具有非常重要的意义。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 光分组交换关键技术 光分组交换关键技术包括光分组格式和编码、光分组的产生、光分组同步、 光分组再生、竞争解决等川。 1 2 1 光分组格式和编码 光分组由净荷与分组头两部分组成。净荷包含分组编号、源地址、用户数据 等，它只由源宿节点处理。分组头可能包含信宿地址、优先级、空满标志等信息， 它由所有相关的交换节点来处理。光分组的产生必须具有码速提升的功能，即分 组压缩，才能在连接的用户信息中加入必须的分组头部分和保护时间，这可由光 分组边缘交换机来完成。光分组头中包含路由信息和控制信息，分组中保护时间 越长，则对分组对准要求可降低，分组越长则可在分组中有更多的保护时间而不 牺牲链路的利用率，但分组要考虑与现有的a t m 信源、p 分组等兼容。分组和分 组头的大多需要优化，分组较小时，具有较高的灵活性，但信息传输效率低，影 响网络吞吐量；当分组较大时，信息传输效率高，但需要大的光缓存并且灵活性 变差，一次需要根据分组丢失率在载荷与分组头之间进行折中博j 。 o p s 编码方案主要分为三类：串行编码、带外信令和并行编码。串行编码指 分组头与净荷在同一波长信道上串行传输，光分组之间以及分组头与净荷之间都 要留出保护时间。分组头与净荷的速率可以相同，一遍提取同步用的定位脉冲， 但难度技术大。通常分组头速率小于净荷速率，以便降低分组头处理的难度，但 较低速率的分组头会增加光分组的延时，减小网络吞吐量和带宽利用率。带外信 令编码方案中，控制信道与数据净荷信道是分离的，即分组头与净荷在两个信道 上并行传输。它可以细分为副载波复用( s c m ) 和双波长两种。s c m 编码中，分 组头与净荷占用同一波长。净荷调制在基带上，速率较高；分组头调制在比基带 频率稍高的副载波上，速率较低。可以用窄带滤波器直接提取分组头。并行编码 利用密集波分复用技术，每个时隙比通常的比特持续时间长一些，分组的每个比 特都调制在不同波长上，并行发送和接受数据。这种方案要求心愿、信宿节点必 须配备高速串并转换模块，并且必须考虑色散引起的时延问题。 1 2 2 光分组的产生、提取、擦除和写入 光分组的产生包括光标签产生和光净荷的产生。分组头的形式是区分不同光 分组交换最显著的标志。光标签的产生、提取、擦除和写入是光分组交换网络中 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 核心的部分。由于目前光逻辑器件技术的不成熟，因此对光标签的处理还必须经 过光电转换，在电域内进行。 光标签的形式基本上可以分为带内和带外两种。带内的方式是使标签与净荷 都以基带方式调制，为了便于对标签的处理，标签的调制速率相对较低，位置处 在分组的头部，在时域上与净荷分开。这种方式大大降低了信道的有效速率，并 且需要精确的同步，通过半导体光门来擦除光标签和光耦合器写入新的标签。带 外的方式采用在频域上分离标签和净荷，在时域上则两者同时发送。带外的方式 有副载波形式、双波长形式、附加调幅、频移键控( f s k ) 和差分相移键控( d p s k ) 等形式。副载波形式将标签调制到副载波上，并与净荷合成后共同调制到光波上 去，在频域上标签信号与净荷相分离。双波长形式采用独立的一个波长信道来传 输标签，这造成了波长的浪费，并且由于色散的影响，标签和净荷有时不能同步 到达，给光交换的控制带来困难。f s k 标签对光波频率进行编码，使得标签的传 号和空号分别在不同的光波频率上，在交换节点通过中心频率为传号光频的光滤 波器就能解调出标签信号。目前采用f p l d ( f a b r y p e r o tl a s e rd i o d e ) 的双波长注 入锁定( d w i l ：d o u b l ew a v e l e n g t hi n j e c t i o nl o c k i n g ) 技术实现了2 5 g b sd p s k 标签的调制和擦除，并通过非对称马赫曾德干涉仪( m z i ) 结构实现了对标签信 号的解调【9 】。 当光分组到达交换节点时，为了获得分组的路由信息，必须提取光标签信息 来完成对资源的调度。对带内光标签的处理，需要用1 2 光耦合器，提取出一部 分光分组信号，经过光电转换，提取其光标签部分，作为路由控制信息和对1 日光 标签的擦除控制信息；从光耦合器输出的另一部分光分组信号，输入半导体光门， 在时间上准确地控制半导体光门的注入电流，擦除旧光标签信号；为了写入新的 光标签，需要在输出端，用2 l 光耦合器在旧标签的位置耦合入新的光标签。因 此带内光标签的提取、擦除和写入对电子控制电路和光学器件的响应速率要求较 高。对于带外的光标签的处理，按照光标签的形式不同分为两种情况。对于双波 长或副载波光标签可以采用光学滤波器( 如光纤布拉格光栅f b g ) 在频域上分离 标签和净荷，在完成光标签提取的同时，擦除旧的光标签。对于附加调幅光标签 的提取，采用类似带内信号的处理方式，用光耦合器提取出一部分光分组信号， 经过光电转换和电域滤波提取出标签，将耦合器的另一部分光信号输入半导体光 放大器。半导体光放大器的注入电流为标签信号的反信号，以使得半导体光放大 器的增益变化按输入光标签的反信号变化，实现擦除旧标签的功能。在输出端， 采用直接对擦除了1 日光标签的光净荷进行a s k 光标签调制，即实现了新光标签的 写入。f s k 标签可采用利用半导体光放大器( s o a ：s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) 的交叉相位调制( x p m ：c r o s s - p h a s em o d u l a t i o n ) 的m z i 结构来进行标签的擦除， 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 并使用四波混频( f w m ：f o u rw a v em i x i n g ) 技术实现新标签的写入。d p s k 标签 的擦除可使用f p l d 来实现，写入可用相位调制器实现【1 0 】。 1 2 3 光分组同步 在光分组交换网络中，分组到达同一输入端口的时间不尽相同。因此，根据 分组进入节点交换之前是否需要对准，光分组交换可分为同步光分组交换和异步 光分组交换两类。同步光分组交换网络采用固定时隙来承载光分组，所有的光分 组大小相同，因此，同步光分组交换网络的核心技术之一是光分组的同步。它必 须保证光域内比特率透明交换。按照光分组交换节点的接口模块，分为输入光分 组同步和输出光分组同步。输入光分组同步补偿同一输入端口的光分组抖动及温 度和色散导致不同波长的时延变化。输出光分组同步主要用于补偿交换矩阵内部 的光分组时延变化。在交换节点内，光分组经不同路由到达输出端口时会导致快 速抖动。现有同步操作均是利用光纤延迟线和不同光开关实现的，它增加了交换 硬件的复杂度、额外串扰和衰减，并使信号质量恶化。 相对同步o p s 而言，异步o p s 中光分组具有较灵活的分组长度，分组到达和 进入交换节点时无需对准，即非同步。这种网络中光分组发生冲突的概率较大， 网络吞吐量要小于同步o p s ；但结构简单，不需要同步，分组的分割和重组不需 要在输入输出节点进行，更适合于突发性的原始口业务。 1 2 4 光分组再生 光净荷在交换过程中，分束器和插入损耗会造成光功率的损耗，光开关的串 音和半导体光放大器的自发辐射噪声会引入噪声，光学滤波器使光脉冲信号发生 畸变，因此需要对光分组信号进行再生处理。在光纤通信中，再生的方式有1 r ： 功率放大；2 r ：功率放大和脉冲整形：3 r ：功率放大、脉冲整形和时钟恢复。采 用何种再生方式应根据采用光标签的形式和交换节点的结构而定。由于具有放大 光信号和非线性效应的功能，s o a 成为2 r 和3 r 的主要研究方向。 1 2 5 光分组竞争解决 在光分组交换网络中，分组竞争的概率极大，光分组竞争解决技术是一个重 要的研究方面。当光分组到达核心节点时，如果在同一时刻若干光分组竞争同一 输出端口的同一传输波长，就会产生竞争。因此竞争发生的频率直接与o p s 网络 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 的整体性能细细相关，如何有效解决竞争从而提高o p s 网络的吞吐量成为研究的 重要课题。为了避免分组的丢失，在按照优先级输出一个分组外，其余的分组的 处理有偏射路由，光缓存和波长转换技术。 偏射路由思想是如果两个或者两个以上的分组需要到达同一个输出链路，为 了使路由最短，只有一个会被直接选路到目的链路，其他的分组会再向前传输， 这样就使得后者得到一个比最短路由长得路由长度。因此，在一个源端和目的端 对之间的分组所选择的路由不再是固定的。 光缓存的思想源于传统分组网的存储一转发方案，即暂时缓存因竞争而受阻的 分组，在时间上缓解冲突。目前还没有成功开发光r a m ，缓存工作通过无源的光 纤延迟线( f d l ) 或者是有源光纤环路来完成。其中f d l 应用较为广泛。但f d l 无法实现随机的光信号存储操作，仅能提供离散的缓存时间，因此，f d l 光缓存 的构造、配置及调度需要进行更为细致深入的研究1 1 1 。 波长转换的思想是利用波长转换器将冲突的光分组波长转移换空闲的波长， 从而解决光分组冲突，波长转换的冲突解决方案不会产生额外时间抖动、分组顺 序改变等问题，缩减交换节点的规模和复杂度，控制、管理较为简单，有利于减 小光分组在交换节点处的延迟和提高交换节点吞吐量。波长转换器在交换结构中 的使用方式和波长转换器的数目是系统设计的重要指标。因此，随着光波长转换 器成本的下降和技术的发展，在实际的光分组交换节点结构设计中，采用波长转 换技术解决光分组冲突必是一种行之有效的光分组冲突解决方法【l z j 。 1 3 光分组交换技术的研究现状 到目前为止，世界上已经有许多发达国家进行了光分组交换网的研究并搭建 自的光交换系统，如欧洲r e c e 计划的a t m o s ( a t mo p t i c a ls w i t c h i n g ) 项目a c t s 计划的k e o p s ( k e y st oo p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 项目，美国d a r p a 的p o n d ( p a c k e t - s w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k i n gd e m o n s t r a t i o n ) 项目和c o r d ( c o n t e n t i o n r e s o l u t i o nb y d e l a yl i n e s ) 项目，英国e p s r c 支持的w a s p n e t ( w a v e l e n g t h s w i t c h i n go p t i c a lp a c k e tn e t w o r k ) 项目，日本n t t 光网络实验室目等。在这些项 目中，研究都取得了很大的进展，不仅在器件级别有突破，如提出并验证了多种 交换矩阵、竞争解决方法、光信号处理方法( 器件) ，光交换系统的构建上取得了 一定的成果，都完成了小环境中的光分组交换实为光分组交换网络的实现做出了 很大的贡献【1 3 1 4 】。 目前，由d r e x e l 大学牵头组织了柏伽索斯联合集团( p e g a s u sc o n s o r t i u m ) ，其 7 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 人员分别来自若干所大学，l u c e n t 技术应用科学院及贝尔大西洋公司。该研究集 团的第一项任务就是建立并论证光分组交换协议，其次还将论证几种光中高效运 行的新型光学设备，可见对光分组交换相关技术的研究越来越受到关注。 国内关于光分组交换技术方面的研究还刚刚开始，大多跟踪国外的发展状况， 大多基于单元器件的研究上。北京邮电大学的a t m 光交换实验系统，交换速 2 5 g b i t s ，相对于国外的交换速率来说还很低。所以，在国内积极开展光交换相关 技术的研究是很有意义的。 我国由于条件限制，于2 0 世纪8 0 年代才开展光开关、光调制器等光交换器 件的研究，但国家十分重视，在国家科技攻关计划、国家“8 6 3 计划中，将时分 光交换、a t m 光交换、分组光交换等研究列为高科技项目。清华大学于1 9 9 0 年建 立了我国第一个时分光交换演示系统；北京邮电大学于1 9 9 5 年实现了我国第一个 a t m 光交换系统，上海交通大学和上海大学等相关实验室，对交换机制和结构， 媒质接入控制，光缓存方案仿真等进行了研究；2 0 0 1 年之后，“中国高速洗洗示范 网( c 削【n o n e t ) 、“中国高速互连试验网( n f s c n e t ) 及“高性能宽带信息网 ( 3 t n e t ) 等纷纷被建立或正在建立【1 ”。在这些实验网中，正在实施和验证 o a d m 、o x c 、波长转换、太比特级多粒度交换、可重构智能交换等关键技术， 争取获得具有自主知识产权的研究成果，在光交换技术和应用方面缩小与世界先 进水平的差距。 综上，虽然透明光分组交换是非常有希望和有生命力的技术，但是仍然处于 不成熟阶段，而且成本非常高。光分组交换的引入被看作是与电分组系统的竞争， 对光分组交换的评价，应该考虑到带宽需求增长挑战的背景。光分组网络有能力 在w d m 的基础上提供统一的技术，支持高流量的骨干交换机与路由器以及互联 的链路。光分组交换的实现，必将对未来的通信网产生重要的影响。 1 4 论文的主要研究内容 论文主要研究光分组交换中基于波长转换的竞争解决技术。光分组交换技术 是目前很有研究价值的下一代全光网络技术，传统o p s 核心节点因竞争概率较大 而交换性能不高，所以研究o p s 竞争解决技术有着非常重要的意义。波长转换竞 争解决技术不会产生额外时间抖动、分组顺序改变等问题，缩减交换节点的规模 和复杂度，控制、管理较为简单，有利于减少光分组在交换节点处的延迟，提高 交换节点吞吐量。因此，随着光波长转换器成本的下降和技术的发展，在实际的 o p s 节点结构设计中，采用波长转换技术解决光分组竞争必是一种行之有效的方 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 法。另外，由于各种网络应用层出不穷，不同的业务要求不同的服务质量，需要 交换节点具备灵活、有业务区分能力的保证机制，因此有必要针对支持分组优先 级的o p s 节点进行竞争解决技术的研究。 论文的研究主要包含两个部分：两种新的基于波长转换竞争解决方案；支持 区分分组优先级竞争解决技术的研究。 论文内容安排如下： 第二章对基于波长转换的竞争解决技术基本理论进行阐述，介绍了波长转换 器的实现及分类，分析了当前三种基本波长转换节点结构丢包性能，并对波长转 换调度策略进行了简单概括。 第三章研究了两种基于波长转换的竞争解决方案，即节点共享有限波长和参 量波长转换器竞争解决方案和混合共享波长转换竞争解决方案，分别给出了两种 方案的调度算法，并通过仿真与传统的共享波长转换器方案进行了对比，验证了 这两种方案及调度算法的性能。 第四章研究了支持分组优先级的s p n 节点竞争解决技术。首先介绍了e r a m o 等人关于支持分组优先级的共享波长转换器方案，并分析其数学模型，对其性能 进行仿真重现。其次，研究了支持分组优先级的s p n l p 竞争解决方案，并通过仿 真验证其性能。 第五章为全文总结，并展望下一步的研究方向。 9 重庆邮电大学硕士论文第三宅重王波长整迭鳆堂坌缉囊垒鳖迭堇查 第二章基于波长转换的光分组竞争解决技术 基于光交换的全光网是通信网的发展趋势，光分组交换是全光网的最终选择。 分组交换中分组竞争资源的概率较大，光分组的冲突和竞争解决技术是光分组交 换实现的关键技术之一【m 1 7 1 。由第一章分析可知，光分组交换竞争解决技术有波 长转换，光缓存和偏射路由。其中，偏射路由是让某些分组选择非最短路由来避 开竞争，局限于网状网的竞争解决方法，对于单一交换节点而言通常采用光缓存 和波长转换两种方法。在当前的器件水平条件下，光缓存由光纤延迟线( f d l ) 构 成，光缓存能够有效的解决光分组时域竞争，但为了实现理想的性能，往往需要 配置大量的f d l 和复杂的填空调度算法，同时造成信号的额外损耗，交换节点体 积庞大【1 8 1 。因此，随着光波长转换器成本的下降和技术的发展，在实际的光分组 交换节点结构设计中，采用波长转换技术解决光分组竞争也是一种行之有效的竞 争解决方法。 波长转换器是全光数字分组交换网的关键部件，是全光网调度和控制包转发 的基础。它能够实现用户信息从某一载波波长转换到另一载波波长，在波频分光 交换网中实现波长交换、波长路由等，在w d m 光传输网络中，实现波长转发、 再利用等，在降低网络的堵塞率、提高通信容量和传输速率、降低系统成本以及 网络的灵活性、可靠性等方面发挥了重要作用。它不仅能够有效提高全光分组交 换节点的吞吐量，降低丢包率，而且当不同的用户发生竞争时，波长转换能在不 增加任何时延的情况下有效地解决竞争问题。因此，波长转换技术在光分组交换 节点结构中起着重要作用。但全波长转换器的价格比较昂贵，因此在应用中多采 用有限波长转换器代替全波长转换器，从而在满足一定丢包率的前提下，节约成 本。光分组交换节点中，不同波长转换器配置在不同位置，其性能也有所差距。 文献研究了不同的o p s 节点结构，来降低系统的丢包率，减少所需求波长转换器 的数目。根据不同的需求，可以选择不同的光分组节点结构。同时，波长转换的 调度策略可以分为基于输出波长信道和基于波长转换两种方式，这两种方式都可 以实现波长转换器及输出波长信道的调度分配，选择更合理调度策略才能够保证