黃 勝，孫麗琴，吳艷秋，李玲霞，龐洪豐

(重慶郵電大學(xué)光纖通信技術(shù)重點實驗室，重慶 400065)

0 引言

密集波分復(fù)用技術(shù)(dense wavelength division multiplexing，DWDM)通過在一根光纖能復(fù)用許多個波長來快速提高光纖的傳輸速率，被認(rèn)為是核心網(wǎng)最主要的傳輸技術(shù)［1-2］。光突發(fā)交換(optical burst switching，OBS)技術(shù)結(jié)合了光路交換(optical circuit switching，OCS)和光分組交換(optical packet switching，OPS)的優(yōu)點，是支持快速增長的 IP業(yè)務(wù)在DWDM網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)囊环N高效的光交換技術(shù)［2］。在OBS網(wǎng)絡(luò)中，IP分組在入口邊緣節(jié)點匯聚突發(fā)數(shù)據(jù)包(burst data packet，BDP)，并生成相應(yīng)的突發(fā)控制包(burst control packet，BCP)。BCP領(lǐng)先于BDP一個偏置時間發(fā)送，在核心節(jié)點處為相應(yīng)的BDP預(yù)留信道資源，從而BDP能以全光的方式通過核心節(jié)點。

波帶交換是將多個波長組合在一起作為整體進(jìn)行交換，由于在光交叉連接(optical cross connect，OXC)中只使用一個端口，可減少端口數(shù)，降低成本［5-7］。多粒度光交換的波帶交換是采用光電路交換方式，連接建立延時也較大，不適合傳輸高突發(fā)性的IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在本文提出的光交換網(wǎng)絡(luò)中，一些業(yè)務(wù)的BDP通過一個波長來傳輸，稱之為波長BDP;一些業(yè)務(wù)的BDP通過一個波帶(含多個波長)來傳輸，稱之為波帶BDP。波帶BDP有利于降低OXC的端口數(shù)和降低節(jié)點成本。傳統(tǒng)突發(fā)交換的節(jié)點要為每個經(jīng)過本節(jié)點的突發(fā)配置一次交換矩陣，由于每個節(jié)點都會有大量的突發(fā)經(jīng)過，因此節(jié)點為突發(fā)配置交換矩陣的動作會過于頻繁。將波帶突發(fā)交換引入OBS網(wǎng)絡(luò)，可大量地減少交換矩陣所需的端口數(shù)目，從而降低成本;由于一個控制分組對應(yīng)一個波帶，每個控制分組攜帶相應(yīng)波帶里所有突發(fā)信息，因此，波帶突發(fā)可以有效減少突發(fā)控制包的個數(shù)，降低核心節(jié)點處理控制部分的復(fù)雜度。并且本文提出的OBS網(wǎng)絡(luò)中的波帶突發(fā)交換，與文獻(xiàn)［6］提出的波帶交換思想不同的是，本文將波帶突發(fā)交換的思想引入OBS網(wǎng)絡(luò)，更能充分利用OBS網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計復(fù)用的特性，提高鏈路的利用率。與現(xiàn)有的多粒度光交換［7］采用光電路交換方式和雙向資源預(yù)留機(jī)制不同，波長BDP和波帶BDP采用單向資源預(yù)留方式，其交換粒度也小，故能有效支持突發(fā)性強(qiáng)的IP業(yè)務(wù)。

在普通OBS網(wǎng)絡(luò)中，一個BDP只通過一個波長來傳輸，其節(jié)點結(jié)構(gòu)和一些關(guān)鍵算法需要改進(jìn)以支持波帶突發(fā)。本文在普通OBS的基礎(chǔ)上，提出了能支持波長BDP和波帶BDP的光突發(fā)交換的節(jié)點結(jié)構(gòu)、匯聚算法和調(diào)度算法。

1 支持波帶突發(fā)交換的光突發(fā)交換節(jié)點結(jié)構(gòu)

在OBS網(wǎng)絡(luò)中，BDP傳輸時間除了數(shù)據(jù)傳輸時間外，還包含保護(hù)時間(主要由光交換矩陣的光開關(guān)切換時間確定)，為了保證一定的傳輸效率，BDP的長度要大于某個長度(可稱為最小突發(fā)長度)［8］。當(dāng)某種業(yè)務(wù)到達(dá)速率很低時，邊緣節(jié)點若將該業(yè)務(wù)的IP分組匯聚成波帶BDP，波帶BDP的長度(等于匯聚的IP分組總長度除以波帶所包含的波長數(shù)目)比最小突發(fā)長度要小，導(dǎo)致傳輸效率低，則該業(yè)務(wù)匯聚成波長BDP以滿足最小突發(fā)長度要求。當(dāng)某種業(yè)務(wù)到達(dá)速率高時，匯聚成波帶BDP的長度仍然比最小突發(fā)長度要大，則可以匯聚成波帶BDP，以利用波帶來降低端口數(shù)和節(jié)點成本。與普通OBS的BCP相比，需增加一個用于指示其BDP占用的波長數(shù)目的域，若該域的值是1，則其BDP為波長BDP，若該域的值是波帶的粒度(波帶中所包含的波長數(shù)目)，則其BDP為波帶BDP。

為了讓OBS網(wǎng)絡(luò)既支持波長BDP，又支持波帶BDP，本文在普通OBS網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)和多粒度光交叉連接(multi-granularity OXC，MG-OXC)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了支持波帶突發(fā)的OBS網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點結(jié)構(gòu)和核心節(jié)點結(jié)構(gòu)。

1.1 支持波帶突發(fā)的OBS邊緣節(jié)點結(jié)構(gòu)

OBS網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點主要由入口部分和出口部分組成。支持波帶突發(fā)的OBS網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點的入口部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由IP包隊列緩存器、計時器及判決器(判斷是生成波帶突發(fā)還是波長突發(fā))、控制單元、電交換矩陣、OBS匯聚模塊、波帶突發(fā)及波長突發(fā)控制包產(chǎn)生模塊、波長復(fù)用器等模塊組成。來自傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的IP包，根據(jù)其目的地址及QoS要求，進(jìn)入緩存器相應(yīng)隊列進(jìn)行緩存。當(dāng)隊列的第一個IP包到達(dá)時，計時器及判決器啟動計時器開始計時，并統(tǒng)計相應(yīng)隊列的分組到達(dá)情況，并將根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，判決進(jìn)行波長BDP匯聚還是波帶BDP匯聚。根據(jù)控制單元指示，OBS匯聚模塊把相應(yīng)隊列的IP包匯聚成波長BDP或波帶BDP，波帶突發(fā)及波長突發(fā)控制包產(chǎn)生模塊生成相應(yīng)的BCP。普通BDP匯聚或波帶BDP，經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入波長復(fù)用器復(fù)用到同一根光纖上進(jìn)行傳輸。

圖1 支持波帶突發(fā)的光突發(fā)交換邊緣節(jié)點的入口部分結(jié)構(gòu)Fig.1 Ingress part architecture of edge node with waveband burst switching

支持波帶突發(fā)的OBS的邊緣節(jié)點的出口部分把BDP解匯聚成多個IP包并送往其他IP網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。波帶突發(fā)和波長突發(fā)經(jīng)過波長解復(fù)用器、光/電轉(zhuǎn)換后，恢復(fù)成多個IP包，由傳統(tǒng)路由器發(fā)送到目的節(jié)點。

圖2 支持波帶突發(fā)的光突發(fā)交換邊緣節(jié)點結(jié)構(gòu)的出口部分Fig.2 Egress part architecture of edge node with waveband burst switching

1.2 支持波帶突發(fā)的OBS核心節(jié)點結(jié)構(gòu)

多粒度光交換網(wǎng)絡(luò)可以支持光纖、波帶、波長3級粒度的交換。目前人們提出的MG-OXC主要有單層MG-OXC結(jié)構(gòu)和多層MG-OXC結(jié)構(gòu)。相對于單層MG-OXC結(jié)構(gòu)，多層MG-OXC結(jié)構(gòu)能把任何光纖的信號進(jìn)行波帶、波長信號交換，具有更靈活、更容易適應(yīng)業(yè)務(wù)動態(tài)變化的優(yōu)點［9-10］。

在多層MG-OXC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了支持波帶突發(fā)的OBS核心節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。

部分房地產(chǎn)估價機(jī)構(gòu)在信息化探索之路上已取得一定成果，但從行業(yè)角度來看，因缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有信息系統(tǒng)和平臺的數(shù)據(jù)采集和管理的標(biāo)準(zhǔn)和方式各異，行業(yè)內(nèi)部的系統(tǒng)對接難以實施，與行業(yè)外部的數(shù)據(jù)交換更無從談起。故亟待建立房地產(chǎn)估價行業(yè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)數(shù)據(jù)的內(nèi)外部聯(lián)通，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)的應(yīng)用潛力［3］。

相對多層MG-OXC結(jié)構(gòu)，設(shè)計的節(jié)點結(jié)構(gòu)把WXC(wavelengh cross connect)改為 WBXC(wavelength burst cross connect)，以支持波長 BDP的交換;BXC(band cross connect)改為BBXC(band burst cross connect)，以支持波帶BDP的交換;另外去掉了FXC(fiber cross connect)，其原因是光纖容量的不斷增大，整根光纖不需進(jìn)行解復(fù)用而直接進(jìn)行交換的可能性很小，可以不需要FXC。包含波帶BDP的光纖信號經(jīng)過波帶解復(fù)用器解復(fù)用成波帶BDP后，直接在BBXC中交換，并通過波帶復(fù)用器直接復(fù)用到光纖中。而包含波長BDP的光纖信號首先要經(jīng)過波帶解復(fù)用器解復(fù)用出波長BDP所在的波帶，并通過BBXC交換后，送到波長解復(fù)用器解復(fù)用出波長BDP;波長BDP經(jīng)過WBXC交換后，還需要經(jīng)過波長復(fù)用器復(fù)用和通過BBXC交換，最后通過波帶復(fù)用器復(fù)用到光纖中。

圖3 支持波帶突發(fā)的光突發(fā)交換核心節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig.3 Optical cross-connects architecture of core node with waveband burst switching

與一般OBS網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點結(jié)構(gòu)相比，本文提出的核心節(jié)點結(jié)構(gòu)能有效利用波帶突發(fā)來降低OXC的端口數(shù)和降低成本。與傳統(tǒng)的支持光電路交換的MG-OXC結(jié)構(gòu)相比，本文提出的結(jié)構(gòu)支持的交換粒度(波長突發(fā)和波帶突發(fā))都是突發(fā)，更能有效支持突發(fā)性強(qiáng)的IP業(yè)務(wù)。

1.3 節(jié)點端口分析

下面本文將進(jìn)一步說明如何在OBS網(wǎng)絡(luò)中使用波帶突發(fā)交換來減少端口使用數(shù)目。假設(shè)從邊緣節(jié)點1處有4個時間上相互重疊的突發(fā)(如圖4所示)，分別占用波長 w1，w2，w3，w4，需要經(jīng)過核心節(jié)點2，3到達(dá)目的邊緣節(jié)點4，如果采用普通突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)，BDP經(jīng)過核心節(jié)點進(jìn)入交換矩陣交換時，都需先經(jīng)過波長解復(fù)用到波長BDP，交換后通過波長復(fù)用器再復(fù)用到一根光纖上進(jìn)行傳輸，因此，如果交換矩陣所用的端口按單面來算的話，在每個節(jié)點上需4個交換矩陣端口，共需要4×4=16個。

如果采用波帶BDP來傳輸，使用圖3的核心節(jié)點結(jié)構(gòu)進(jìn)行交換，假如波帶粒度為2，則每2個突發(fā)組成一個波帶，共2個波帶{B1，B2}，如圖5所示，此時，在核心節(jié)點2，3處，波帶BDP直接在BBXC上交換，只占用2個端口，在邊緣節(jié)點1，3處仍然占用4個端口，共需端口數(shù)為4+2×2+4=12個，與普通突發(fā)交換相比節(jié)省了25%的端口。

2 匯聚算法

匯聚算法的主要功能是把許多個IP包匯聚成BDP。在普通OBS網(wǎng)絡(luò)中，目前已有基于時間門限的匯聚算法、基于長度門限的匯聚算法等［11］。在這些匯聚算法的基礎(chǔ)上，本文提出了支持波帶突發(fā)的匯聚算法。其基本思想是:設(shè)置2個中斷門限即匯聚最大時間門限Tmax和最小波帶突發(fā)長度門限Lmin，當(dāng)匯聚隊列達(dá)到Lmin時，則匯聚成波帶突發(fā);否則當(dāng)Tmax門限達(dá)到時，表明匯聚隊列長度小，只能匯聚成波長突發(fā)。具體步驟如下:

1)當(dāng)一個長度為b的分組到達(dá)隊列qi時，如果隊列qi為空，啟動計時器Ti開始計時;將隊列qi的長度做如下更新，Li=Li+b。若Li大于Lmin，則產(chǎn)生長度中斷;

2)若隊列qi產(chǎn)生計時器中斷(Ti=Tmax)，說明此時Li小于Lmin，則把隊列qi中的所有IP包匯聚波長突發(fā)，并將計時器和Li置零;

3)若隊列qi產(chǎn)生長度中斷(Ti＜ Tmax)，此時Li大于Lmin，則把隊列qi中的所有IP包匯聚成波帶突發(fā)，并將計時器和Li置零。

3 波長分組和調(diào)度方法

3.1 波長分組

核心節(jié)點結(jié)構(gòu)我們采用的是如圖3所示改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，假設(shè)一根輸入光纖里有x個波帶，每個波帶有b個波長。從圖3中可以看出，有ax個波帶可以進(jìn)行進(jìn)一步解復(fù)用，其中a(0＜a≤1)是可以解復(fù)用到波長的波帶數(shù)與總波帶數(shù)的比，也即端口比，所以單側(cè)WBXC上所需端口數(shù)目為a×x×b。當(dāng)a=1時，此結(jié)構(gòu)的功能相當(dāng)于普通OXC，所有的波帶都可以解復(fù)用到波長，在這種情況下，網(wǎng)絡(luò)發(fā)生阻塞的主要原因是受限的波長資源引起。當(dāng)a＜1時，節(jié)點上可供使用的端口數(shù)有所減少，節(jié)點端口資源的限制會引起阻塞，即在鏈路資源可用的情況下，也會因為在節(jié)點進(jìn)行交換時找不到所需的端口資源而引起波長BDP丟失。因此可以將光纖里的波長進(jìn)行分組，一組是用于波帶突發(fā)的波長，共有(x－a×x)×b個，其余的分為一組用于波長突發(fā)交換，共a×x×b個。例如:一根光纖中有3個波帶，每個波帶有2個波長，a=1/3，那么用于波帶突發(fā)的波長數(shù)目是:(3－1/3×3)×2=4，用于波長突發(fā)傳輸?shù)牟ㄩL數(shù)目為2(如圖6所示)。

圖6 波長分組示意圖Fig.6 Schematic diagram of wavelength grouping

3.2 調(diào)度方法

當(dāng)波帶BCP到達(dá)時，首先在專屬于波帶的波長范圍進(jìn)行調(diào)度，如果調(diào)度不成功，則在波長突發(fā)專屬波長上解復(fù)用為波長突發(fā)進(jìn)行調(diào)度;當(dāng)波長BCP到達(dá)時，則只在波長突發(fā)專屬波長上調(diào)度。通過波長分組，對波帶BDP和波長BDP在其波長分組上調(diào)度，其方法簡單，也比較容易實現(xiàn)。具體步驟如下:

1)當(dāng)有BCP到達(dá)，判斷是波帶突發(fā)還是波長突發(fā)。

2)如果是波帶突發(fā)，則在專屬于波帶的(xa×x)×b個波長(即(x－a×x)個波帶)上利用LAUC-VF［2］算法進(jìn)行調(diào)度，尋找可用的波帶信道。如找不到，則在屬于波長突發(fā)的a×x×b個波長(即a×x個波帶)范圍內(nèi)用LAUC-VF算法尋找信道。如不能，則將波帶丟棄。

3)如果是波長突發(fā)，則在屬于普通突發(fā)的a×x×b個波長上為其尋找信道并用LAUC-VF算法進(jìn)行調(diào)度。如找不到，則將突發(fā)丟棄。

采用這種調(diào)度方法，將波帶突發(fā)和波長突發(fā)的調(diào)度區(qū)分開來，降低了調(diào)度的復(fù)雜性。同時波帶突發(fā)能在波長突發(fā)組上調(diào)度，提高了波帶突發(fā)的優(yōu)先級，以充分利用波帶突發(fā)來節(jié)省端口數(shù)。

4 仿真分析

本部分使用OPNET仿真工具，對本文提出的支持波帶突發(fā)的OBS網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真。網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)淙鐖D7所示，有6個邊緣節(jié)點，2個核心節(jié)點，采用ON-OFF隨機(jī)業(yè)務(wù)產(chǎn)生方式，其中ON/OFF之比為2∶1。ON期間IP包的產(chǎn)生間隔服從負(fù)指數(shù)分布，一共有30個ON-OFF源，入口邊緣節(jié)點采用前面第2部分提出的匯聚算法。當(dāng)波帶粒度為2的時候，長度門限最小值為200 Kbit，時間門限最大值為5.6 μs，并且根據(jù)波帶粒度地變化，門限值成比例地變化，并對核心節(jié)點0的性能參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計。每條鏈路有64個波長，在波長數(shù)為64時，波長分組情況見表1。

圖7 網(wǎng)絡(luò)仿真拓?fù)鋱DFig.7 Topology of the simulation

表1 不同端口比例下的波長分組情況Tab.1 Wavelength grouping in the different port proportion

圖8為波帶粒度為2，端口比a分別為1∶8，1∶4和1∶2時不同負(fù)載下的丟包情況。由圖8可以看出，當(dāng)端口比例為1∶8時，丟包率最高且較明顯。此時丟失主要由波長突發(fā)引起的，由表1看到，端口比例為1∶8時，為波長突發(fā)提供的波長數(shù)為8，因此波長突發(fā)由于波長資源不足而造成丟失，而為波帶突發(fā)提供的波長為56，因此丟失相對比較小。當(dāng)端口比例為1∶4和1∶2時，丟失率基本相同，其主要原因是波長突發(fā)的端口數(shù)目和波長數(shù)目足夠，影響丟失率的大小主要由信道數(shù)目和業(yè)務(wù)負(fù)載決定。但相對于1∶2端口比，1∶4端口比可以減少14個端口，從而其節(jié)點成本要低。

圖8 波帶粒度為2時不同端口比例下的分組丟失率Fig.8 Burst loss probability for the different port proportions with 2 size of waveband granularity

圖9為端口比例為1∶4時不同波帶粒度下的丟包情況，波帶粒度為2，4，8時，丟包率都會隨著負(fù)載的增加而增大，并且波帶粒度越大，越難成功預(yù)留到信道，由圖9可看出，粒度為8時丟包率最大，粒度為2時丟包率最小。但粒度越大，節(jié)省的端口數(shù)也就越多，其節(jié)點成本也就越低。因此，適當(dāng)?shù)倪x擇波帶交換粒度和端口比例，能夠在滿足業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量要求下，降低節(jié)點成本。

圖9 端口比例為1∶4時不同波帶粒度下的分組丟失率Fig.9 Burst loss probability for the different waveband granularity with 1∶4 port proportions

由圖9可以看到，波帶粒度越大，丟包率越高。但是波帶粒度越大，使用交換端口數(shù)越少，可以降低成本。通過以上的仿真結(jié)果可以得到，在滿足一定丟包率要求時，通過選擇合適的端口比a和波帶粒度b，可以減少交換矩陣端口數(shù)目，降低節(jié)點成本。比如在負(fù)載0.9時，若要求丟失率小于0.1，根據(jù)仿真，可以選擇波帶粒度為4、端口比為1∶4;此時需要的端口數(shù)為36，與普通OBS(端口數(shù)為64)相比，可有效降低端口數(shù)和節(jié)點成本。

5 結(jié)論

為了減少交換端口使用數(shù)目，降低成本，本文將波帶的思想引入光突發(fā)交換，提出OBS網(wǎng)絡(luò)中支持波帶突發(fā)交換的邊緣節(jié)點、核心節(jié)點結(jié)構(gòu)以及邊緣節(jié)點的匯聚算法、核心節(jié)點的調(diào)度算法，并通過仿真分析在該支持波帶突發(fā)交換的OBS網(wǎng)絡(luò)中，端口數(shù)目的比例和波帶突發(fā)粒度對突發(fā)丟包率的影響。在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)時，可根據(jù)一定丟失率來選擇合適的波帶粒度和端口比，以降低光交換矩陣的端口數(shù)和節(jié)點成本。

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