五 光分组交换网络

第五讲光分组交换网络介绍光分组交换网络结构、性能、关键技术MAC协议规模和业务类型光时分复用(OTDM)分组网1介绍光分组交换网络(photonicpacket-switchingPPS)研究在光层能够提供分组交换业务的光网络。是光交换的理想模式，也是公认的光交换结构的终极发展目标。IP网和以太网是利用电交换方式提供了分组交换业务，目前感兴趣的是分组交换功能在光域实现的网络。主要优点是带宽利用效率高，能提供各种服务，满足客户的需求。目的是把大量的交换业务转移到光域实现，从而

实现交换容量与波分复用系统的传输容量相匹配。2介绍提供电路交换业务的光网络提供了按需建立和拆除的光路。在这些网络中，光节点不在数据包至数据包的基础上交换信号，而只是在建立或拆除电路的时间实行交换。分组交换只是在电域通过其他一些设备实现，如IP路由器或以太网交换机等。这些路由器和交换机利用光层提供的光路在它们之间按需建立链路。为了交换数据包，路由器和交换机使用复杂的软件和硬件来执行分组交换网络所需的控制功能。3光分组交换网络可分为单跳网络和多跳网络。单跳网络指源结点发送的信息不经过中间结点直接到达目的结点，单跳网络是指像广播式网络，如以太网、FDDI等，可以利用无源星型耦合器之类的共享媒质方便地构建，单跳网提供大的吞吐量和小的网络时延。因为分组不经过中间结点直接送到目的结点。多跳网络分组在到达目的结点时需经中间结点，因而有小的吞吐量和大的网络时延。多跳网络利用空分交换可以更有效地使用网络可用带宽资源，也适应分散的机算机资源和一些业务类型(如突发性随机业务)，允许用户随机接入，在LAN和MAN中很有发展前途。介绍4光分组交换网波长路由光网络的限制因素：波长资源有限路径建立时间长可管理的带宽粒度太粗光分组交换网：通过信头路由，充分利用网络资源路径建立时间短可管理的带宽粒度可调整、优化路径保护与恢复灵活传送IP业务效率高5对于专用连接或按需连接完成的共享信道系统中的容量分配问题，集中在面向连接的传输而且在连接建立期间，容量的分配也是固定的。这种类型的服务适用于那些需要带宽保证的业务，它包括所有的同步数字流应用(典型的SDH同步流)和—些异步(如ATM分组)流量的应用，它不适合于那些包含有大量低吞吐量突发业务的用户环境，这些用户通常都需要很强的逻辑连接能力。在这种情况下分组交换就很自然地成了携带流量的首选方案。在光网络中完成分组交换功能的最有效的方式是向下层扩展以延伸到逻辑层和光层。共享信道的广播媒质所具有的特性使它为光层完成分组交换提供了一个很好的支持。光分组交换网6光分组交换网络性能交换效率高支持高速数据流透明度高结构简单7光分组交换网络结构光节点(光路由器/光交换机)、光纤链路、网络管理8光分组交换网络的关键技术1.光分组技术2.光开关和波长变换3.光分组路由4.光存储和光逻辑器件9A到F为交换/路由结点，1到6为分组数据的源节点和接收节点，分组为固定长度，端结点发出经历多个链路和多个选路结点最后到达目的端结点。如结点1发送分组到结点6，有几种可能的路线(由)，每一个路线均包括多个链路和多个结点，如选择1一A—B—D—F一6，则分组经历1一A，A—B，B—D，D—F，F一6链路和A，B，D，F选路结点。一个普通的存储和转发网络光分组交换网络的关键技术10光分组交换网络的关键技术一般情况下，用一条链路将路由节点和终端节点的输入端和输出端相互连接起来。如图，路由节点A有三个输入端口和输出端口与路由节点B、路由节点C和终端节点1相互连接。同样节点C有5个输入端口和输出端口。一个普通的存储和转发网络11光分组交换网络的关键技术网络中的一个节点路由：路由器保持最新的网络拓扑信息。信息以路由表的形式存储在每个节点中。转发：对于每个输入的数据包，路由器处理数据包信头并查找其路由表，以确定该数据包的输出端口。也可能对信头本身做一些改变，再在输出时将改变后的信头重新插入到数据包中。交换：将输入数据包交换至适当的输出端口的实际进程，该输出端口由转发过程确定。12光开关和波长变换光开关是任何光交换网的核心功能器件，完成信号的交换和路由功能。波长变换用于解决网络中的波长冲突，提高网络灵活性。13光存储器件和光逻辑器件

缓存：路由器中需要缓存的原因有很多。如多个数据包同时到达路由器的不同输入端。其中有一些数据包可能是交换到同一个输出端口。在任意时刻，只有一个数据包可以交换到任一给定的输出端口。所以，路由器不得不缓存其他的数据包，直到轮到它们输出。缓存器也可以根据数据包的优先级或业务类型用于这些单独的数据包。14光存储器件和光逻辑器件

光存储器件PPS网络必须的器件，用以实现数据包的存储功能，解决信号时间上的冲突。1.光纤固定延时线缓存器15可调光纤延时线缓存器i.并行结构光存储器件16ii.串行结构iii.多数量级结构光存储器件17光逻辑器件完成信头检测处理重写等功能，用以实现未来的光控光交换。18选路结点选路结点的原理框图如图所示，完成的主要功能有分组同步、分组头识别、分组的缓存。19

缓存的理由：①以便进行头识别决定分组选路：②所有的输入输出端口没有释放，引起分组排队；③当分组切换到所需的输出端口，而输出端口正在发送分组。

OTDM网络需要将光脉冲数据保持并以总线的数据速率保存，因而需要光缓存器，当数据速率达100Gb／s时，电的方法已不能提供解决方案，必须采用光的实现方法，甚至有的用户连总线速率也无法处理，因而还需要速率变换器，分组的缓存除了采用光纤延迟线外还可以来用光脉冲储存环(光缓存器)，这可以通过光缓存和光开关的组合来实现。分组缓存20分组头识别

头的识别，分组的头含有目的地址等信息，因而在结点需处理以决定分组的去向。分组头的识别与分组头采用的传送方式有关，一种传送方式是分组的头与分组一起高速传送(随路)；另一种方法，分组的头以低速独立的方式与分组分开分别传送(共路)，这样分组的头可以在一个与分组不同的波长上传送，或者采用副载波方式以与分组同一波长上传送，因而分组头的识别相对简单，并且成本低。21分组头识别对于定长的分组头，分组的解复用和处理的时间也是固定的。分组可以采用光纤延迟线或光脉冲锁存环来缓存。分组的处理根据所使用的开关是电控还是光控，而相应采用电的或光信号处理方式。22专用或按需连接专门连接和按需连接可选用两种模型：固定业务矩阵统计模型固定业务矩阵该模型反映了网络在初始建设时网络所需建立的光通道，但不能反映网络在运营过程中的光通道建立和拆除，其优化目标是尽量减少网络资源如光波长和调谐发送机以及调谐接收机等，来满足所需业务，这是一个无阻塞的模型。统计模型需要有关光通道的建立和释放需求的统计特性。23与专用或按需连接的容量分配相反，分组的寻址、调度、容量分配都在分组到分组的基础上完成。这样就能够完成广泛的通信、控制和处理能力。这些在专用连接或电路交换的情形中是没有的。不但如此，额外的通信和处理负荷还带来了很多的好处，其中最重要的两个好处是：利用路由表中分组头的信息可以完成强大的连接能力。利用动态的容量分配完成高吞吐量和低延迟。光分组24对于光分组广播选择网，最有优势的是其的广播功能。广播功能：允许在所有的发射站和接收站通信队之间建立完全的光连接（光通道），因为每一个接收机都可以通过星形耦合器“看到”另一端的任一个发射机。不利的一面：当两个发射机同时发送光信号时，这些信号就必须在不同的波长信道上传输，如果他们使用同样的波长，那么在接收端他们将互相干扰，破坏有用的信息流。当多个结点同时向同一个结点发送信息时出现的分组之间的竞争，需要一种协调机制来控制竞争站之间的分组传送，以便系统能正常运行。这种控制多个竞争站之间的分组传输策略就是MAC协议。光分组广播选择网25MAC（MediaAccessControl）媒体访问控制子层协议

该协议位于OSI七层协议中数据链路层的下半部分，主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC层。

26MAC协议一个好的MAC协议要在性能开销硬件成本和处理复杂性方面进行均衡。为了动态地分配分组，实际上M个站点的系统通常需要从任意一处的一个站点到M个站点之间有分立的控制信道。这就表明需要很大一部分的带宽之外的通信开销和收发机硬件。此外分组的安排方案也需要相当的一部分的实时处理。当系统规模增加时，站点数目及其地理位置都在拓展，这时信道冲突、接收机冲突、信令开销、传输延迟以及信号的处理开销都会降低系统运行的效率、增加延迟和丢失的概率并减少吞吐量。寻找一组有代表性的协议，能反映系统在成本性能之间的平衡以及如何随着系统结构的变化而变化。

27MAC协议好的MAC协议要达到两个目的，即强大的逻辑连接能力和可靠的性能。并通过动态的集中分配流量完成信息交换。当对分组流量使用固定容量分配时，从连接建立开始到产生一个具有所需容量的固定帧方案期间，在每个LC上都需要估计平均的流量需求。固定容量系统的性能对于不可预言的流量波动以及当估计需求发生错误这些方面几乎是无能为力。在动态的情况中通过了解信息传输实际的容量，可望能够获得更好的性能和效率。理想情况下，这种“先知”可以用来立刻分配信道时隙，同时与所有站点之间的传输相协作以解决资源的竞争问题。在固定和动态的容量分配情形下，基本的差别就是对于前者来说，在连接建立时该方案就固定了，但对后者只在信息传输期间连接是固定的。很明显，在每一个站点能及时地了解其他站点上的整个流量状态的情况越多，则流量分配的越有效。28MAC协议假设每一个结点(或站)有两根光纤(光纤对)与网络相连，一根用于发送信号，另一根用于从网上接收信号，发送时是向全网的所有结点发送即广播(也包括发送信号的结点)。假设每个信号使用W个波长中的一个，具体的波长值根据ITU-T标椎的规定，由网络所有结点协调决定。如果两个结点同时使用同一个波长向同一个结点发送信号，由于广播的特性，信号会发生碰撞，两个信号均丢失；如果两个结点虽向同一个结点发送信号但使用不同的波长，在这种情况下，接收机是一个单调谐的就会接收其中的一个信号丢失另一个，这就是传输竞争。为了解决竞争和避免或尽量减少碰撞，网络中的所有结点之间需要一种协调机制，能够提供这种协调作用的就是所谓的MAC。

29MAC协议对于共享介质可以做些什么？

(1)信道分割，按时间、频率或编码时分、码分、频分

(2)随机分割（动态）（ALOHACSMACSMA/CD）30MAC协议设计面临的问题空闲监听：因为节点不知道邻居节点的数据何时到来，所以必须始终保持自己的射频部分处于接收模式，形成空闲监听，造成了不必要的能量损耗。冲突（碰撞）：如果两个节点同时发送，并相互产生干扰，则它们的传输都将失败，发送包被丢弃。此时用于发送这些数据包所消耗的能量就浪费掉。31MAC协议设计面临的问题控制开销：为了保证可靠传输，协议将使用一些控制分组，如

RTS/CTS，虽然没有数据在其中，但是我们必须消耗一定的能量来发送它们；串扰（串音）：出于无线信道为共享介质，因此，节点也可以接收到不是到达自己的数据包，然后再将其丢弃，此时，也会造成能量的耗费。32信道接入机制分类可以根据MAC协议使用的信道数目分为基于单信道、基于双信道和基于多信道三类；可以根据MAC协议分配信道方式分为按需分配型、固定分配型以及混合型；可以根据网络类型是同步网络还是异步网络，将MAC协议分为同步、异步两类。33信道接入机制分类34各种MAC协议方案的比较协议方案出现时间类型需要精确同步信道接入机制SMAC2002竞争型否CSMATMAC2003竞争型否CSMAPMAC2005竞争型否CSMAWiseMAC2004竞争型否CSMASift2003竞争型否CSMASMACS2000分配性是TDMA/FDMATRAMA2003分配性是TDMA/CSMADMAC2004分配性是TDMA/SlotedALOHAZMAC2005混合性是TDMA/CSMA35基于竞争的MAC协议有如下优点：①由于基于竞争的MAC协议是根据需要分配信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化；②基于竞争的MAC协议能较好地适应网络拓扑的变化；③基于竞争的MAC协议不需要复杂的时间同步或集中控制调度算法。各种MAC协议方案的比较36单波长通道和多通道网络的MAC协议

当网络中每个结点使用单个固定调谐的发送机和接收机，当它们都调谐到同一波长时就是单波长通道网络，有关单波长通道网络的MAC协议目前最流行的是以太网，如令牌环和FDDI，FDDI是专为光纤设计的。讨论星型网络的多通道MAC协议时，假设所有的结点既是可调谐的发送机又是可调谐的接收机，以便网络中任意结点对之间直接连接。37网络性能衡量标准网络的性能是由分组时延和网络的吞吐量来量度的。在任一广播网中，由于碰撞或竞争，一些发送的分组被丢失，网络的吞吐量小于网络所能传送数据的容量，即有些分组没有被希望的结点(站)收到。通常要在网络的性能和实现的复杂程度，包括结点所需的硬件功能之间折中。本章讨论的MAC协议对硬件的功能适应很广。这些MAC协议采用独立波长(或通道)，称为控制通道来发送有关分组的信息，分组在数据通道发送，最好将控制通道与数据通道分开即单独占据一个波长来理解，尽管许多情况下采用时分复用方式时，控制通道和数据通道共享同一个波长。38基于调度的MAC协议调度协议通常以TDMA协议为主，也可采用FDMA或CDMA的信道访问方式，考虑到硬件成本和计算复杂度，后两种方式MAC协议较少。调度协议基本思想是:采用某种调度算法将时槽/频率/正交码映射为节点，这种映射导致一个调度决定一个节点只能使用其特定的时槽/频率/正交码(1个或多个)无冲突访问信道。因此，调度协议也可称作无冲突MAC协议或无竞争MAC协议。调度可静态分配，也可动态分配。为提高协议可扩展性和信道利用率，往往采用分布式算法实现信道重用。39基于时分复用的MAC协议时分复用是实现信道分配的简单成熟的机制，比如蓝牙网

络。TDMA机制，就是为每个节点分配独立的用于数据发送和

接收的时槽，而节点在其他空闲时槽内转入睡眠状态。TDMA机制的一些特点非常适合无线传感器网络节省能量的需

求：

TDMA机制没有竞争机制的碰撞重传问题；

数据传输时不需要过多的控制信息；

节点在空闲时槽能够及时进入睡眠状态。40基于时分复用的MAC协议TDMA机制需要节点之间比较严格的时间同步。

多数无线传感器网络都使用了侦听/睡眠的能量唤醒

机制，利用时间同步来实现节点状态的自动转化；

节点之间为了完成任务需要协同工作，这同样不可

避免的需要时间的同步。41基于时分复用的MAC协议TDMA机制在网络扩展性方面存在不足：很难调整时间帧的长度和时槽的分配；对于无线传感器网络的节点移动，节点失效等动态拓扑结构适应性较差；对于节点发送数据量的变化也不敏感。42规模和业务类型以上协议有个共同的缺点：控制信息向所有结点广播。由于每个结点要处理所有的控制包，这样将导致不必要的计算负担，在大的网络中，会形成瓶颈，即协议在运用时没有考虑网络的规模。可以设想网络支持三种不同业务类型：一：有带宽保证的连接。一些对时延很敏感而不能忍受重传的应用中的业务属于这一类，如电视会议。二：无带宽保证的连接。一此对时延敏感的有连接的业务属于这一类，如文件传输。三：无连接。对应于如E－mail或控制信息等应用中的业务，常称之为数据报业务。43光时分复用（OTDM）分组网OTDM分组交换网络有两种应用类型，即单跳OTDM和多跳OTDM网络。单跳OTDM网络一般是指广播式网络，可以利用无源星型耦合器之类的共享媒质方便地构建，单跳网提供大的吞叶量和小的网络时延，因为分组不经过中间结点直接送到目的结点。多跳网分组在到达目的结点时需经中间结点。因而有小的吞吐量和大的网络时延。多跳OTDM网利用空分交换可以更有效地使用网络可用带宽资源，也适应分散的计算机资源和一些业务类型(如突发随机性业务)，允许用户随机接入，因而即使在LAN和MAN中也很有发展前途。44光时分复用（OTDM）分组网OTDM:opticaltime-divisionmultiplexing在网络的输入端，较低比特率的数据流在光域被复用到高比特率的数据流，而在网络的输出端，低比特率的数据流必须在光域通过解复用功能从高比特率的数据流中提取出来。就功能而言，光时分复用与电时分复用是一致的，只是复用和解复用在高比特率下完全在光域进行。45光时分复用（OTDM）分组网OTDM系统原理将多个高速调制光信号转换为等速率光信号，然后放在光发射器里利用超窄光脉冲进行时域复用，将其调制为更高速率的光信号然后再放到光纤里进行传输。经此整合，限制传输速率容量的电子瓶颈就得到了有效的解决。

46光时分复用（OTDM）分组网Mod1Mod2…Modn……合路器光分路器T(n－1)T超短脉冲发生器帧同步时钟E/OMUX接收机误码检测光带通滤波器全光开关DEMUX光波时钟产生时钟提取电路EDFA延迟线阵列待传数据输入光时分复用系统框图系统光源是超短光脉冲光源，由光分路器分成N束，各支路电信号分别被调制到各束超短光脉冲上，然后通过光延迟线阵列，使各支路光脉冲精确地按预定要求在时间上错开，再由合路器将这些支路光脉冲复接在一起，于是便完成了在光时域上的间插复用。接收端的光解复用器是一个光控高速开关，在时域上将各支路光信号分开。47光时分复用（OTDM）分组网

如今WDM技术研究非常热，其技术已经成熟并实用化；而OTDM技术还处于实验研究阶段，许多关键技术还有待解决。OTDM是在光域上进行时间分割复用，一般有两种复用方式：

•比特间插(Bitinterleaving)

•包间插(Packetinterleaving)比特间插是目前广泛被使用的方式。48光时分复用（OTDM）分组网来自多个源