（通信与信息系统专业论文）obs网络中的边缘汇聚及整形算法研究.pdf

摘要 摘要 光突发交换被看作是一种很有前途的全光交换技术方案，它结合了光电路交 换和光分组交换的优点，充分利用了光纤的巨大带宽和电控制的灵活性，较好的 克服了现有光交换方式的缺点。虽然目前对它的研究仍以理论研究为主，但是随 着其技术的不断完善，很有希望成为下一代全光交换网络的核心技术。 突发包汇聚作为光突发交换网络的关键技术之一，决定如何将网络数据分组 组装成在光突发交换网络中传输的单元突发包，很大程度上决定了输入核心交换 网络的突发包的特性，会直接影响网络的各方面性能。目前大量研究表明，网络 业务流呈现自相似性( s e l f - s i m i l a r i t y ) ，相比传统的业务模型具有更大的突发特性， 如何使突发包的汇聚能适应网络业务的突发变化以改善网络性能，是一个值得深 入研究的课题。 本文在分析了几种主流汇聚算法的基础上，提出了一种改良的自适应汇聚机 制i a a m - s a d ( i m p r o v e da d a p t i v ea s s e m b l ym e c h a n i s mw i t hs t a b l ea s s e m b l y d e l a y ) ，以更好的适应网络业务的实时变化。i a a m s a d 是一种基于长度门限自 适应变化的汇聚机制，能够对业务负载的实时变化趋势做出判断，并采取有区分 的门限调整策略，令门限的长度适应当前的网络负载。通过在突发性很强的自相 似业务背景下进行仿真，证明i a a m s a d 达到了改善网络性能的目的，能够稳定 突发包的汇聚时延，并且减轻由于负载变化而可能造成的各方面网络性能的恶化， 避免了几种主流汇聚算法各自存在的缺陷。 然而i a a m s a d 并没有对网络丢包率做出明显的改善，对于光突发交换网络 这种分布式网络来说，仅通过汇聚算法的改良很难对丢包率产生直接有效的改善。 网络丢包率较大却恰恰是光突发交换网络面临的主要问题之一。 因此本文进一步提出t p t - s s ( t r a 街cp r e d i c t i o na n dt o k e n b a s e ds h a p i n g s c h e m e ) 机制，一种基于业务量预测和自适应令牌的整形机制，以开环的方式减 轻冲突的发生。t p t - s s 周期性对业务流量进行预测，将预测结果作为突发包汇聚 模块周期性调整参数以及整形模块中改变令牌的产生速率的依据，通过获取令牌 将突发包调度上波长信道。通过仿真，证明t p r - s s 能够使进入核心交换网络的突 发包流得到平滑，减轻自相似业务的突发性，从而有效改善核心网络中的丢包率。 而且在仿真中进一步探讨了t p t - s s 为达到这一目的所付出的代价，并对一些重要 摘要 参数进行了仿真研究，详细说明了它们对网络性能及代价的影响。 最后，将介绍仿真所采用的完整的光突发交换网络仿真平台的设计方法，在 该平台上实现了本文提出的汇聚机制和整形机制，以及一系列用于比较的算法机 制，对i a a m s a d 、t p t - s s 做出仿真实验、结果分析以及性能评估。 关键词：光突发交换，自相似流量，赫斯特参数，突发包汇聚，业务量整形，流 量预测 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 ) i sc o n s i d e r e da sap r o m i s i n gs w i t c h i n gs c h e m ei n o p t i c a ld o m a i n , w h i c hi n h e r i t st h em e r i t so f b o t ho p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n ga n do p t i c a l p a c k e ts w i t c h i n g i tt a k e sa d v a n t a g eo f h u g eb a n d w i d t hw i t h i nt h eo p t i c a lf 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 gs ot h a ti tc a l lo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so f c u r r e n to p t i c a ls w i t c h i n gs c h e m e s a l t h o u g hr e c e n tr e s e a r c h e so no b sa f es t i l li n t h e o r e t i c a ll e v e l ，a st i m eg o e sb yi tw o u l dh o p e f u l l yb e c o m et h ec o r et e c h n o l o g yi n f u t u r eg e n e r a t i o no p t i c a li n t e r n e t a so n eo ft h ek e yi s s u e si no b s ，b u r s ta s s e m b l yd e t e r m i n e sh o w t oa s s e m b l et h e n e t w o r kd a t ap a c k e t si n t ob u r s t sw h i c hw i l lb et r a n s p o r t e di nt h es w i t c h i n gn e t w o r k t h eb u r s ta s s e m b l ys c h e m ed e t e r m i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb u r s t s ，a n dw o u l d a f f e c tt h en e t w o r kp e r f o r m a n c ei nm a n ya s p e c t s r e c e n t l y , l o t so fr e s e a r c h e si n d i c a t e t h er e a ln e t w o r kt r a f f i ch a ss e l f - s i m i l a r i t ya n di sm u c hb u r s t i e rt h a nt r a d i t i o n a lt r a f f i c m o d e l s oh o wt om a k et h eb u r s ta s s e m b l ya d a p tt ot h ef r e q u e n tc h a n g eo ft r a f f i ci n o r d e rt oi m p r o v et h en e t w o r k p e r f o r m a n c ei sw o r t h yt ob es t u d i e d b a s e do l lt h ea n a l y s i so fs e v e r a la s s e m b l ya l g o r i t h m s ，a ni m p r o v e da d a p t i v e a s s e m b l ys c h e m e i sp r o p o s e d , w h i c hi sc a l l e di m p r o v e da d a p t i v ea s s e m b l ym e c h a n i s m w i t hs t a b l ea s s e m b l yd e l a y “a a m - s a d ) i a a m - s a dh a sal e n g t ht h r e s h o l dw h i c h c a nb ea d j u s t e da d a p t i v e l y f i r s ti tc a nt r a c kt h ec h a n g et r e n do f t h er e a lt i m et r a f f i cl o a d ， a n dt h e na d o p t st h ed i f f e r e n t i a la d j u s n n e n ts t r a t e g y , m a k e st h el e n g t ht h r e s h o l da d a p tt o t r a 伍cl o a d t h es i m u l a t i o nu n d e rb u r s t ys e l f - s i m i l a rt r a g i ci sm a d e , w h i c hi n d i c a t e st h e g o a lo fi m p r o v i n gn e t w o r kp e r f o r t n a n c ei sa c h i e v e db yi a a m s a d i ts t a b i l i z e st h e a s s e m b l yd e l a yo fe a c hb u r s t , a l l e v i a t e st h en e t w o r kp e f f o r m a n c ed e t e r i o r a t i o nd u et o t h er a p i dc h a n g eo ft r a f f i cl o a d ，a n da v o i d st h es h o r t c o m i n g so fm e n t i o n e da s s e m b l y s c h e m e s b u ti a a m s a dc a n n o tr e d u c ep a c k e tl o s sr a t ei no b sn e t w o r ke f f e c t i v e l y a s o b si sad i s t r i b u t e dn e t w o r k , t h el a r g ep a c k e tl o s sr a t ei sac r i t i c a li s s u e b u tj u s t i m p r o v i n gt h ea s s e m b l ys c h e m e i sn o ta l le f f e c t i v ew a yt or e d u c et h ep a c k e tl o s sr a t e s ot r a f f i cp r e d i c t i o na n dt o k e n - b a s e ds h a p i n gs c h e m em s s ) i sp r o p o s e d i ti s 1 1 a b s t r a c t a r to p e n - l o o pb u r s tc o n t e n t i o ns o l u t i o n t p t - s sp r e d i c t st h et r a f f i cv o l u m e p e r i o d i c a l l y , a n dt h e na d j u s t st h ea s s e m b l yp a r a m e t e r sa n dt o k e ng e n e r a t i o nr a t ei ns h a p i n gm o d u l e a c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t i o nr e s u l t s t h eb u r s t sa r cs c h e d u l e do n t oc o r r e s p o n d i n g w a v e l e n g t hc h a n n e l sb ya c q u i r i n gt h et o k e n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt p t - s s c a ns m o o t ht h eb u r s t ss e q u e n c ew h i c hw i l lb es e n tt os w i t c h i n gn e t w o r k , s ot h a tt h e p a c k e tl o s sr a t ei sr e d u c e d i nt h es i m u l a t i o n , t h ec o s ta n ds e t t i n go fs e v e r a lk e y p a r a m e t e r si nt p t - s sa r ea l s od i s c u s s e d f i n a l l y , t h eg e n e r a lo b sn e t w o r ks i m u l a t i o nm o d e ii si n t r o d u c e d o nw h i c h i a a m - s a da n dt p t - s sa l er e a l i z e d ，a n ds i m u l a t i o n ，r e s u l t sa n a l y s i sa n d p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o na r em a d e k e yw o r d ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g , s e l f - s i m i l a r i t yt r a f f i c ，h u r s tp a r a m e t e r , b u r s t a s s e m b l y , t r a f f i cs h a p i n g ，t r a f f i cp r e d i c t i o n i v 缩略语表 w d m d w d m o a d m o x c o c s 0 p c o b s r r a i p f d l b h p q o s j e t g 口l s c b r l s p t w c s r d l r d l a n m n u s v b r 缩略语表 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 d 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 o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r s o p t i c a lc r o s sc o n n e c t i o n o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g 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 i n t e r n e tp r o t o c o l f i b e r d e l a yl i n e b u r s th e a d e rp a c k e t q u a l i t yo fs e r v i c e j u s te n o u g ht i m e g e n e r a l i z e dm u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g c o n s t r a i n tb a s e dr o u t i n g l a b e ls w i t c h e dp a t h t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r s h o r tr a n g ed e p e n d e n c e l o n gr a n g ed e p e n d e n c e l o c a la r e an e t w o r k f i l et r a n s f e rp r o t o c o l n o r m a l i z e dl e a s tm e a ns q u a r e v i a b l eb i tr a t e 波分复用 密集波分复用 光分插复用设备 光交叉连接设备 光电路交换 光分组交换 光突发交换 波长路由分配 网际协议 光纤延迟线 突发包控制分组 服务质量 一种资源预约 机制 通用多协议标 签交换 约束路由 标签交换路径 波长变换器 短程相关性 长程相关性 局域网 文件传输协议 归一化最小均 方差 可变比特率 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申作了明 确的说明并表示谢意。 签名：赵缵日期：纠年月窘e t 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：垦涟 第一章绪论 1 1 光网络技术的引入 第一章绪论 随着网络技术的不断深入发展，近年来网络中的业务数据量呈爆炸式增长， 互联网业务迅猛发展，各种新兴业务层出不穷。在这种形式下，传统的核心交换 网络已经难以适应互联网不断发展的需求，难以适应各种业务的多样性，多变性 以及越来越高的带宽需求。因此，传统的电信网络和计算机网络中的传输、交换 等技术面临着新的挑战。如何有效的满足这种日益增长的带宽需求成为网络技术 研究人员、网络运营商以及网络设备提供商关注的主要课题。 在现代通信中，光纤通信有其先天的优势，如传输损耗低、传输容量大、通 信质量好、传输距离长以及抗干扰能力强等。特别是波分复用( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术的出现，使得单光纤中可以同时存在多个波长信道进行 数据的传输，不同的信道占用不同的波长，从而充分的挖掘了光纤的带宽潜力， 扩大了网络中点对点连接的传输容量。 目前点到点的w d m 传送技术已经成熟，已经广泛被应用于长途干线系统和 海底光缆系统，并且逐步向城域网进行渗透。然而w d m 技术虽然能够极大的增 加网络中线路的传输容量，但是同时也对交换系统提出了更高的要求。也就是说， 虽然光纤上复用的波长信道数量急剧增加使得光纤的传输容量以指数形式增长， 而相对的，在光传送网中的网络交换节点中所进行的路由和交换则成为整个网络 系统的瓶颈。在过去的二十多年里，每比特数据的传输成本下降了近一万倍，而 其交换成本却仅仅下降了3 倍左右。网络的传输容量通过波分复用以及密集波分 复用可以相对容易的进行扩展，而网络交换节点则仍多采用对传送的数据进行从 光域到电域( o e ) 的转换，在电域上完成路由交换，再完成电域到光域( e o ) 的转换，进行传输。目前电子交换的发展已逼近电子速率的极限，器件工作上限 只有1 g b p s - 1 0 g b p s ，因而集成电路技术成为了限制光网络中节点处理能力的瓶颈。 这种传送交换机制一方面增加了网络的复杂程度，另一方面也限制了网络传输速 度，现有的交换能力已经与w d m 网络的巨大传输能力极不匹配，降低了w d m 系统带宽的利用率。 下一节中，通过对光网络的发展史进行简单的回顾而引入对“电子瓶颈”的 电子科技大学硕士学位论文 解决方案全光交换网络。 1 2 光网络的发展 文献 u v e 给出了光网络技术的演进趋势，如图1 1 所示。 点对波长静态动态光突光分 点a分插氏波长a波长氏发交 入 组交 w d m 叫 复用 v 路由 审 路由 换网 1 换网 网络网络网络网络络络 图1 - 1 光网络演进趋势 该图常以不同的形式出现在对光网络发展趋势的各类预测及说明当中，虽然 研究者们对各个阶段发展演进的关键时间点的预测往往有所不同，但对图中列出 的光网络发展已经历和即将经历的阶段划分基本持肯定的观点。 所谓的第一代光网络指的就是点对点w d m 网络，主要由节点和节点之间的 点对点w d m 链路构成。所有到达节点的业务量都必须经过光电转换，转化为电 信号进行相关的处理；然后再调制到波长上以光信号形式离开节点。这种网络中， 即使大部分业务是“穿通”业务( 即不以本地节点为目的节点，只是通过本地节 点进行转发的业务) ，本地节点也必须对所有的业务进行上下路处理；并且如果一 个业务流要经过网络中的多跳才能到达目的节点，那么在每一跳节点处，它都会 经过光电光的转换处理，因此全网的交换结构复杂度、电处理开销都很大。在这 种网络体系结构中，显然电子瓶颈会限制网络的传输速率。 针对第一代光网络冗繁的处理交换过程，第二代光网络应运而生，其采用的 基本设备是光分插复用设备( o p t i e a la d d d r o pm u l t i p l e x e r s ，o a d m ) ，有时也称为 波长分插复用设备( w a v e l e n g t ha d d - d r o pm u l t i p l e x e r s ，w a d m ) 。业务的上下路 在o a d m 处进行。o a d m 的作用在于它可以终结指定的波长通道，而让其它的光 波长信号不经处理地穿过本节点，完成透明的传输。一般而言，对于网络中给定 的节点，穿通业务总是远远大于需要在本地上下的业务。因此，只要业务的比例 安排合理，采用o a d m 可以大大降低本地节点的电处理开销，从而节省全网代价。 o a d m 的功能比较简单，因此主要用于构建w d m 光纤环状网络，这种网络主要 针对城域网市场。 2 第一章绪论 网状的拓扑结构由于配置灵活、能够提供更为快速有效的容量配置、带宽利 用率高等优点，现在已经成为长距离骨干网的主要组网方式。为了构建网状光网 络，节点间往往需要连接多条光纤链路，仅有上下路功能的o a d m 设备无法满足 要求，必须采用具有互连交换功能的光节点。光交叉连接设备( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t i o n , o x c ) ，也就是所说的波长路由器，即是一种能够实现在光域上进行交 换的设备。它是以光波信号为操作对象，交换在光域上实现，无需进行光电光转 换和电信号处理。o x c 实际上就是一个具有光接口的波长交叉连接设备，内部集 成了网元管理单元，能够控制波长在光交叉连接矩阵中具体的交换方式，从而能 够完成波长级粒度的交换。根据o x c 内部光路信号的物理连接状态是否固定， o x c 可以分为静态和动态两种。 静态交叉连接设备可以将任意一个输入光纤中的某个特定波长通道连接到任 意一个输出光纤中的相同波长通道上去；但是这种连接配置是静态的，不能根据 网络业务的具体情况动态地调整路由，即构成所谓的静态波长路由网络。 动态交叉连接设备不仅可以提供输输出波长通道之间的互连，而且可以根 据业务需要动态调整连接配置，甚至可以具有波长变换能力，也就是说可以将某 一输入光纤上的某一波长信号连到某一输出光纤的另一波长上，无波长连续性要 求，这无疑可以有效提高光网络中波长信道的利用率。以动态交叉连接设备为基 础构建的动态波长路由网络被称为第三代光网络。第三代光网络中，承载数据的 光信号可以穿过中间节点，不需进行光电转换，从而能够比在每个节点都采用高 容量电交换和路由设备的技术方案节省大量开销。 o x c 的存在使得光网络可以在其边缘路由器之间建立穿过整个全光核心网络 的“电路”连接，一般称之为“光路”( 1 i g h t p a t h ) 。这种传输交换模式被称为光电 路交换( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ，o c s ) 【l 】，它能在光传送网中动态的指配端到 端的波长通路，随着业务流量模式的改变，可以随时拆建连接，优化网络对资源 的利用率，是一种比较成熟的全光交换网络实现方案。 之后，光分组交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ，o p s ) 口】被提出，它将电网络的 分组交换概念移植到光网络中，成为一种最理想的全光交换网络实现方案。但是 o c s 和o p c 都有其自身的不足之处，因此光突发交换( o 晰c a lb u r s ts w i t c h i n g ， o b s ) 作为一种折中的方案被提出【3 1 。至此，一共有三种实现全光交换网络的方案： o c s 、o p s 和o b s 。在下- d , 节中，将简单介绍它们各自的特点，并做一个简单 的技术比较。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 3o c s 、o p s 与o b s 1 3 1o c s 的技术特点 采用o c s 技术的光网络也称作波长路由光网络( w a v e l e n g t h - r o u t e do p t i c a l n e t w o r k ) 。如前所述，它类似于电路交换机制，是面向连接的，其优势在于协议 相对简单，技术成熟，易于实现。网络为每个业务请求建立一条从源端到目的端 的光路，采用双向预约机制，即源节点发出连接建立请求的控制分组，为光路的 建立寻找路由并配置相应的波长( r o u t i n ga n dw a v e l e n g t h a s s i g n m e n t ，r w a ) 。光 路建立成功后，目的端发回确认消息，就可以发送数据。数据在光路中以直通 ( c u t - t h r o u g h ) 的方式透明穿过中间节点到达目的端。每个业务请求在进行传输 前至少要经历一个端到端的往返时间，即光路建立时延。 o c s 的特点使它比较适合于需要高速度、高带宽，并且具有一定持续时间的 业务流。然而目前i n t e m e t 中的业务多是具有较高突发性的业务，业务的变化无常 使得光路的拆建会非常频繁，考虑到建立和维护光路的开销与光路通常较短的连 接持续时间之间的反差，完全根据d 业务动态建立和拆除光路并不是一个高效的 传输模式。o c s 所提供的是以波长为粒度的传输资源，对于突发的业务，一方面 可能导致极低的带宽利用率，另一方面由于链路上波长数目的有限，某一时刻网 内所能建立的光路数量有限，因此某些业务请求还可能无法建立端到端的光路。 必须为光网络找到新的传送交换方式。 1 3 2o p s 的技术特点 针对o c s 的弊端，o p s 作为最理想的交换方式被提出。它类似于通信网中的 分组交换机制，典型特点是“存储一转发”，不需要建立连接，数据分组在穿越整 个核心交换网络的过程中，路由和交换完全在光域进行；而且在中间节点每个光 分组的交换和路由处理都是独立于其他分组的，是一种细粒度的交换机制。类似 于电域路由器，可以实现网络带宽资源的统计复用。因此，对于主要承载分组业 务的光网络来说，o p s 无疑是最佳选择。 在o p s 网络中，为了确定路由，中间节点必须对每个数据分组的头部( h e a d e r ) 进行处理，而由于目前并没有高速的光逻辑器件，分组头仍需要通过o e 、e o 转 换到电域进行处理。由于处理头部和配置交换矩阵都需要一定时间，分组数据在 进入交换矩阵前需要进行延迟，然而真正意义上的光域上的随机缓存机制并不存 4 第一章绪论 在，目前的光域缓存只能依靠光纤延迟线( f i b e rd e l a yl i n e s ，f d l ) 【4 】。f d l 并 不是一种很有效的缓存机制，从延迟的粒度，时间长度，信号质量以及物理空间 的占用等方面来看其劣势明显。光域随机缓存的缺乏还使得中间节点在处理冲突 时能力不足，传统的电交换网络中冲突的解决依赖于缓存，而在光域中光信号则 无法象电信号那样随意迸行存储转发。为了使o p s 达到实用，还要保证光交换矩 阵的交换速度足够快，而构成交换矩阵的关键器件光开关还没有成熟到可以有效 支持o p s 。最后o p s 还面临如何在光域上区分分组头，分组结束标志以及如何实 现o p s 中的同步等问题。可以说在一些关键性器件如高速光开关、光逻辑器件、 光随机缓存器等没有取得重大突破前，在光域实现与电路由器相同的光路由器是 不太可能的，所以目前o p s 仍停留在理论研究阶段，难以实用化。 1 3 3o b s 的技术特点 针对上述两种交换方式所存在的问题，o b s 作为一种折中方案被提出【3 1 ，近 来已引起越来越多的研究机构的注意，被认为是一种非常有前途的光交换技术， 现在已经被作为口与w d m 高效集成的核心技术之一。 o b s 的关键思想是充分利用光纤的巨大带宽和电子控制的灵活性，将控制分 组与数据在时间和空间上分离。o b s 中基本的交换单元是突发包( b u r s t ) ，它是由 一系列p 分组共同构成的，可认为是一种超长的分组，粒度介于o c s 中的整个业 务流与o p s 中单个分组之间，因此相对于o c s 可以更好的复用信道资源，提高带 宽利用率，相对o p s 则易于实现。 o b s 中的每个突发包都对应一个控制分组( b u r s t h e a d e r p a c k e t ，b h p ) ，b h p 提前发送以便中间节点对其进行电信息处理，逐跳为即将到来的突发包预约资源。 只要b h p 与突发包之间的时间间距( 称作偏移时间，o 凰e tt i m e ) 设置恰当，就 可以保证在突发包到达每个中间节点前，b h p 的处理以及相应的交换通道的配置 工作都已完成。因此，o b s 网络中不需要象o p s 网络中那样设置缓存。b l i p 中可 以携带突发包的长度信息以及与b h p 之间的偏移时间，帮助交换节点确定什么时 候可以重新配置交换通道，使得随后到达的突发包可以进行全光交换透明传输。 另外，o b s 采用类似于t e l l - a n d g o 的单向预约机制，突发包并不需要等待确认信 息，只需在b h p 发出并等待偏移时问后即可发送，减小了端到端的时延。 与o c s 网络相比，o b s 的资源分配可以更加灵活高效，具有更高程度的统计 复用增益，因此更适应于突发性强的业务流；与o p s 相比，o b s 对光器件技术的 5 电子科技大学硕士学位论文 要求较低，并没有对光缓存的必要需求，较大的突发包也降低了对交换速度的要 求，所以受到的技术限制较少。下表从几个方面对三种全光交换技术做了个粗 略的比较。 表1 - 1 全光交换技术比较 0 c s0 p so b s 持续的线路需求单个数据分组若干分组构成突发包 交换粒度 ( 波长粒度)( 小粒度)( 中等粒度) 持续时间 长短中等 带宽利用率 低 高较高 全光缓存 不需要必需不必要 对分组业务的适应性 低 高较高 实现复杂度 低极高适中 上表总结了三种全光交换方案的主要差别，可以看出o b s 集合了o c s 和o p s 各自的优点，而且又不同程度的避免了各自的缺陷。 虽然目前o b s 在标准和协议方面尚不成熟，很多关键技术仍在迸一步研究中， 例如，突发包的汇聚与组装、信令与资源预约方案、冲突解决方案、突发包调度 以及q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 支持等，但是随着其技术的不断研究和完善，很有 希望成为下一代光传输和交换网络的核心技术。 1 4 主要研究工作和内容安排 如前所述，o b s 是一种非常被看好的全光交换技术方案，是国内外光交换技 术方面的研究热门，目前仍旧处于理论研究阶段，许多问题仍旧有待解决，其中 突发包的汇聚与组装是o b s 的关键技术之一，汇聚算法的设计很大程度上决定了 输入核心交换网络的突发包的特性，会直接影响o b s 网络的整体性能。本文主要 站在o b s 边缘节点的角度，对突发包汇聚算法展开研究，并结合汇聚算法进一步 引入业务量整形机制，以改善网络性能。正文具体章节安排如下： 第二章，对o b s 网络的基本概念、关键技术点以及网络体系结构进行简要介 绍。 第三章，阐述网络自相似理论，介绍本文仿真中所采用的业务源模型的设计， 引入常用的对自相似业务量预测的方法，做出改进并仿真验证。 6 第一章绪论 第四章，在研究几种主流的汇聚算法后，提出一种改进的稳定汇聚时延的自 适应汇聚机制，并在完整的o b s 仿真网络上作出性能比较。 第五章，在改进汇聚算法的基础上，引入一种基于业务量预测和令牌的整形 机制，进一步对输出业务量进行流量整形，改善o b s 网络中的丢包率。并通过计 算机仿真评估了该机制的性能。 第六章，作者为了考察所提出的o b s 边缘汇聚机制和整形机制的整体性能表 现，搭建了o b s 网络的通用仿真模型，并在此基础上实现了所提出的改进方案以 及一系列用于对比的算法。本章主要介绍了仿真模型的设计思路，并简单说明各 主要模块的设计。 最后，第七章对全文进行总结，得出结论。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章o b s 技术概述 2 1o b s 网络中的基本概念 2 1 1 突发包与b h p 突发包是o b s 网络中的基本交换单元，包含了一系列需要进行传输的i p 数据 分组。m 分组到达边缘节点后按照一定的汇聚算法组装成突发包，然后在动态分 配的波长信道上进行传输，一般将传输突发包的信道称作数据信道。一种可能的 突发包格式如下图所示。 i 保护 同步i 突发包1 分组1 分组li p 分l 分组ii p 分l 数据i 校验l 保护l 字段| 字段 长度 个数 长度 组| 长度 组l 填充i 字段 字段f 图2 - 1 突发包封装后的格式 b h p 是对应于突发包的控制分组，它携带了突发包传输交换所必须的控制信 息，提前在控制信道进行传输，沿途在各个中间节点为突发包预约资源。一种可 能的b h p 格式如下图所示。 盏黜繁萎| 引嚣 臀j q o slt r l 慌列r nl 篓地址f 她址l 组长度i 信息 道信息f 长度j 。； 字段 图2 - 2 控制分组b l i p 的格式 b h p 在专有的控制信道上进行传输，可以占用一个或者多个波长信道。在中 间节点处经过光电转换，在电域进行处理，根据突发包长度、偏移时间等控制信 息以及当前节点的信道资源占用情况，为即将到来的突发包预约资源。 2 1 2j e t ( j u s te n o u g ht i m e ) 资源预约机制 j e t 是文献 3 仲为o b s 网络所提出的一种高效的资源预约机制，它充分利用 了b t t p 和突发包在时间和空间上分离的特点，提高了信道资源的利用率。j e t 的 核心思想在于偏移时间的设置，以及延迟预约( d e l a y e dr e s e r v a t i o n ) 机制。通过 下图对j e t 协议进行简单介绍。 8 第二章o b s 技术概述 信源中间节点i中间节点2信宿 5 图2 - 3j e t 资源预约机制 如图所示，b h p 先于突发包偏移时间进行发送。6 表示中间节点对b h p 的平 均处理时延，将初始的偏移时间设置为6 源宿节点间跳数，b h p 每经过一个节点， 在该节点处为突发包的传输完成资源预约，偏移时间相应减少b h p 在本地所经历 的处理时延，再发送到下一节点，直到到达目的节点。这样就可以保证突发包到 达每个中间节点前，b h p 的处理以及相应的交换通道已配置完成，实现端到端的 全光透明传输。 所谓的延迟预约是指：对交换矩阵的配置以及对输出波长的占用不是从b h p 处理完开始的，而是延迟到突发包到达时刻，并只持续到突发包的离开。由于b h p 里包含了突发包的所有信息，包括到达的信道、抵达时间( 滞后偏移时间) 以及 持续长度，因此延迟预约是完全可行的，这样无疑增加了带宽资源的利用率，有 效降低丢包率。 2 1 3 基于g m p l s 的路由策略 文献 3 】和 5 】中均提出在o b s 网络中使用通用多协议标签交换( g e n e r a l i z e d m u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ，g m p l s ) 技术作为其路由控制协议。g m p l s 使用 标签作为中间节点的转发依据，而不象传统口网络是基于目的地址的逐跳进行路 由。b i - i p 在边缘节点按照其对应突发包的源宿节点以及优先级等信息被打上相应 9 电子科技大学硕士学位论文 的标签，中间节点就可以根据标签信息并查找标签转发表决定突发包的输出端口， 然后根据该输出端口的波长信道占用情况进行资源预约，并产生配置信号在合适 的时刻对光器件进行配置以让突发包通过。最后进行标签交换，也就是用新的输 出标签替换输入标签供下游节点使用，再把b h p 从相应的出端口的控制信道输出。 o b s 中的网络节点需要运行g m p l s 协议族中的信令协议( 如r s v p t e 、 c r - l d p 等) 以及链路状态协议( 如o s p f - t e 等) ，来进行标签转发表的配置。网 络中的路由计算均采用离线的约束路由方式( c o n s t r a i n tb a s e dr o u t i n g ，c b r ) 预 先计算好，并通过信令配置各个节点的标签转发表。这些预先计算好的路径被称 作标签交换路径( l a b e ls w i t c h e dp a t h ，l s p ) ，数据即可通过标签在正确的l s p 上 进行传输。值得一提的是，在基于g m p l s 的o b s 网络中，标签只与端口相关， 并没有确定数据具体占用哪个波长通道，真正的资源预约是b h p 到达后进行的， 也就是说路由与资源预约是相互独立的。 i 。s p 图2 - 4 基于g m p l s 的o b s 网络数据传输模型 上图对数据传输模型进行了简单说明，预先建立端到端的l s p 通道，边缘节 点赋予b h p 相应的标签，核心节点根据标签查表获取输出端口，再进行标签交换， 送往下一节点，重复此过程直到抵达l s p 的终点。 基于g m p l s 的o b s 具有以下优点：离线的路由计算使得所有路径的跳数已 知，便于偏移时间的设置；离线的c b r 方式计算路由，可以方便的实现整个网络 的业务量工程，有效避免拥塞提高网络吞吐率；采用根据标签查表的方式决定出 端口，简化了路由查找，提高了控制处理的速度；采用g m p l s 框架，可以方便扩 展对不同业务流的q o s 支持。 l o 第二章o b s 技术概述 2 2o b s 的网络系统结构 o b s 网络主要由位于核心交换网络边缘与传统网络进行连接的边缘节点，位 于核心交换网络内部的核心节点，以及连接各网络节点的w d m 光纤链路组成。 一个典型的o b s 网络结构如下图所示。 图2 5 0 b s 网络结构模型 边缘节点提供各种网络接口，与其他协议类型的传统网络互联，它做为入端 节点时，实现突发包汇聚组装功能、路由决策、b l i p 控制分组的生成，并在适当 的时刻将突发包调度上波长信道进行传输；做为出端节点时，进行突发包的解汇 聚，拆分出数据分组，并转发到合适的路由器。核心节点则要处理资源预约的信 令协议、进行突发包的交换调度、并通过某些机制进行冲突解决。网络节点之间 的光纤链路则包含控制信道和数据信道，分别传输b h p 和突发包。 下面两个小节将分别简要介绍o b s 中的边缘节点和核心节点。 2 3o b s 网络的边缘节点 o b s 网络的边缘节点从功能上应该具有发送和接收两大部分，按照在传输中 所处的位置分别可以作为入口( i n g r e s s ) 节点和出口( e g r e s s ) 节点，分别对应于 突发包的源节点和目的节点。 电子科技大学硕士学位论文 2 3 1 发送部分功能模块 控 制 信 道 数 据 信 道 图2 - 6o b s 边缘节点发送部分整体功能模块简图 如上图所示，边缘节点的发送功能模块主要实现以下功能： 通过路由信息处理模块分析来自传统网络的数据分组( 这里假设外部网络是口 网络) ，并按照其目的地址和o o s 等信息进行分类，送往特定的汇聚队列排队。 在汇聚控制模块的控制下，按照一定的策略( 汇聚算法) 将汇聚队列中的i p 分组封装成突发包，并产生对应b h p 控制分组，并将突发包送往缓存队列等 待发送。 调度执行模块根据b h p 的信息对相应突发包进行调度，之后由发送模块对b h p 进行光电转换，并经控制信道将其送入核心交换网络为突发包提前预约资源。 在偏移时间后，发送模块对突发包进行光电转换，通过数据信道将它们送入核 心交换网络进行透明传输。 2 3 2 接收部分功能模块 | 1 濮委卜 突 突 发 发 包 包 电 f 、接 解 交 收 汇 换