夏漢鑄，袁寶玲（中山火炬職業(yè)技術(shù)學院信息工程系，廣東中山528436）

OBS網(wǎng)絡中的自相似業(yè)務匯聚算法研究

夏漢鑄，袁寶玲
（中山火炬職業(yè)技術(shù)學院信息工程系，廣東中山528436）

摘要：根據(jù)OBS網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)和特點，分析了OBS網(wǎng)絡邊緣節(jié)點業(yè)務的自相似屬性，提出了一種新的邊緣節(jié)點匯聚算法——自相似業(yè)務匯聚算法（SSTAA）。詳細討論了該算法的具體實現(xiàn)過程，并通過仿真驗證了該算法對OBS網(wǎng)絡性能的提高。

關(guān)鍵詞：光突發(fā)交換；邊緣節(jié)點；匯聚算法；突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務量；自相似業(yè)務匯聚算法

0　引言

隨著網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡應用的不斷豐富，人們對網(wǎng)絡的要求越來越高，網(wǎng)絡交換速度[1]成為制約光互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電子瓶頸。為提高網(wǎng)絡交換速度，喬春明博士提出了光突發(fā)交換（Optical Burst Switching，OBS）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)[2～4]。

OBS網(wǎng)絡的基本思想是將控制信息（Burst Head Packet，BHP）與數(shù)據(jù)（Data Burst，DB）從時間和空間上分離開，控制分組（BHP）先發(fā)送出去，為后續(xù)對應的突發(fā)數(shù)據(jù)（DB）預留帶寬和輸出端口。后續(xù)的DB無需收到確認消息，也不用經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，只要在相應時間即可發(fā)出。這種傳輸方式充分地利用了光網(wǎng)絡帶寬資源的同時提高了交換速度。在OBS網(wǎng)絡中，DB在OBS網(wǎng)絡中的邊緣節(jié)點處由多個IP數(shù)據(jù)包按照一定的匯聚算法匯聚[5, 6]而成。匯聚算法主要有基于突發(fā)長度門限匯聚算法、基于匯聚時間的的匯聚算法和混合匯聚算法[8～10]。但是，這些算法都只考慮了OBS網(wǎng)絡某一方面的情況，沒有考慮邊緣節(jié)點業(yè)務流量的自相似特性，無法適應網(wǎng)絡流量的變化，這勢必會影響網(wǎng)絡性能。因此，本文在分析OBS網(wǎng)絡中業(yè)務自相似特性的基礎(chǔ)上，提出一種適應自相似業(yè)務的匯聚算法——自相似業(yè)務匯聚算法（Self-Similarity Traffic Assembly Algorithm，SSTAA）

1　OBS網(wǎng)絡自相似業(yè)務特性

OBS網(wǎng)絡上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)基本上都是基于IP網(wǎng)絡的分組數(shù)據(jù)[11～13]，我們假設(shè)在OBS網(wǎng)絡中接入到邊緣節(jié)點的每一用戶為一獨立的業(yè)務源，該業(yè)務源只處在ON狀態(tài)或OFF狀態(tài)：在ON狀態(tài)時業(yè)務源發(fā)送數(shù)據(jù)；在OFF狀態(tài)時不發(fā)送數(shù)據(jù)。對于該用戶,在時刻t是否發(fā)送數(shù)據(jù)分組可用序列{Wm(t),t≥0}表示：Wm(t)=1，表示該業(yè)務源在時刻t發(fā)送一個數(shù)據(jù)；Wm(t)=0，表示在時刻t不發(fā)送任何數(shù)據(jù)。假設(shè)接入OBS網(wǎng)絡的某一邊緣節(jié)點的用戶數(shù)為M，時間擴展因子為T，則在時間[0, Tt]內(nèi)，所有業(yè)務源在邊緣節(jié)點累積的數(shù)據(jù)分組的數(shù)量為：

對于該邊緣節(jié)點的第m個業(yè)務源而言，如果其在ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)的時間分布滿足Pareto分布，則分布表達式為：

其中，tminm-on和tminm-off分別表示業(yè)務源在ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)下t的最小值，ɑm-on和ɑm-off分別表示在ON 和OFF狀態(tài)分布函數(shù)的重尾程度。對于單一業(yè)務源，在時間T足夠大的情況下,WaMll(Tt)具有以下統(tǒng)計特性：

其中，μon和μoff分別為ON狀態(tài)和OFF狀態(tài)的時間分布期望值,BH(t)為一分形布朗過程,參數(shù)k和α分別為：

其中，Γ是隨機過程中的一個函數(shù)，αmin=min(αm-on, αm-off)，μmax=max(μon,μoff)。進一步化簡式（5）、式（6）可得：

其中，TM（ μonμon+μoff）t體現(xiàn)了用戶數(shù)量和時間累積帶來的業(yè)務量變化，業(yè)務的突發(fā)性變化是由布朗過程kBH(t)引起的。這表明OBS網(wǎng)絡中邊緣節(jié)點的業(yè)務量由2部分構(gòu)成：一部分為該邊緣節(jié)點所連接的用戶數(shù)和時間累積產(chǎn)生的業(yè)務數(shù)據(jù)，稱為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)業(yè)務量（Base Data Traffic，BaDT）；另一部分為業(yè)務的突發(fā)性變化帶來的數(shù)據(jù)量變化,稱為突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務量（Burst Data Traffic，BuDT）。因此，邊緣節(jié)點的匯聚算法在考慮基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量的同時必須考慮突發(fā)數(shù)據(jù)量的變化，以適應邊緣節(jié)點的數(shù)據(jù)變化。

2　自相似業(yè)務匯聚算法

本文提出的SSTAA的基本思想是利用邊緣節(jié)點業(yè)務的自相似特性，在數(shù)據(jù)達到邊緣節(jié)點時，采用分類器將各類不同的業(yè)務分配到不同的子隊列中。在這些分組進入不同子隊列前，通過數(shù)據(jù)監(jiān)測器監(jiān)測實時數(shù)據(jù)的情況，并將監(jiān)測到的信息發(fā)送給匯聚參數(shù)判決器，匯聚參數(shù)判決器通過收到的信息調(diào)整匯聚參數(shù)，從而實現(xiàn)調(diào)整匯聚算法的目的。我們根據(jù)匯聚算法即可實現(xiàn)邊緣節(jié)點的數(shù)據(jù)匯聚。SSTAA算法的實現(xiàn)過程功能框圖如圖1所示，具體實現(xiàn)過程如下：

圖1　SSTAA算法功能框圖

①當數(shù)據(jù)分組到達邊緣節(jié)點時，邊緣節(jié)點的數(shù)據(jù)分類器根據(jù)該分組的QoS要求和目的節(jié)點的地址將該分組插入到對應的子隊列中。

②在該分組被插入到對應的子隊列前，數(shù)據(jù)監(jiān)測器統(tǒng)計在時間段內(nèi)到達的數(shù)據(jù)分組i的長度PLi,到達的分組總數(shù)為n。一旦時間段結(jié)束，數(shù)據(jù)檢測器將根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果計算出BaDT和BuDT的值，并將其發(fā)送給匯聚判決器。具體計算方法如下：

③匯聚判決器根據(jù)收到BaDT和BuDT的值調(diào)整突發(fā)長度門限THmin和THmax，并將計算結(jié)果發(fā)送給匯聚算法功能模塊以改變匯聚算法中對應的匯聚參數(shù)。突發(fā)長度門限值THmin和THmax的計算方法為：

④匯聚算法功能模塊在收到匯聚判決器發(fā)送的參數(shù)后，及時調(diào)整本匯聚算法中對應的參數(shù)。另外，考慮到邊緣節(jié)點連接出口帶寬的區(qū)別，在實際應用中可以引入帶寬因子，對于不同的邊緣節(jié)點在數(shù)據(jù)匯聚中采用不同的帶寬因子，以進一步調(diào)整匯聚算法的參數(shù),實現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)絡的實際情況動態(tài)調(diào)整匯聚算法的目的。

SSTAA算法沒有改變原OBS網(wǎng)絡邊緣節(jié)點的結(jié)構(gòu),在數(shù)據(jù)分類器中可以實現(xiàn)不同業(yè)務間的業(yè)務區(qū)分。

3　仿真分析

本文采用NS-2軟件對SSTAA進行了仿真分析。

3.1仿真拓撲

采用SSTAA的OBS網(wǎng)絡仿真拓撲圖如圖2所示，8個數(shù)據(jù)源采用ON/OFF模型的自相似業(yè)務源，在邊緣節(jié)點分別采用基于突發(fā)長度固定門限值的匯聚算法（最小長度最大周期算法（MBMAP））和SSTAA。核心節(jié)點C采用LAUC-VF調(diào)度算法，核心節(jié)點之間的信道數(shù)為5條，每一條信道的帶寬為2.5G。其中4條為數(shù)據(jù)信道，1條為控制信道。

圖2　OBS網(wǎng)絡仿真拓撲圖

3.2仿真結(jié)果

通過仿真實驗得到DB的延遲和丟棄概率與負載的關(guān)系分別如圖3和圖4所示。從圖3可以看出，SSTAA在不同負載下的端到端時延低于MBMAP算法，負載越高性能改善越明顯，且時延抖動性也比MBMAP算法好。從圖4可以看出，在核心節(jié)點采用相同的數(shù)據(jù)信道調(diào)度算法時，SSTAA算法能明顯降低突發(fā)數(shù)據(jù)包的丟棄概率，網(wǎng)絡負載越高丟包概率越低。

圖3　DB延遲與負載的關(guān)系

圖4　DB丟棄概率與負載的關(guān)系

4　結(jié)束語

本文提出了一種新的自相似業(yè)務匯聚算法——SSTAA，該算法根據(jù)業(yè)務的自相似特性將到達邊緣節(jié)點的數(shù)據(jù)分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量和突發(fā)數(shù)據(jù)量，通過監(jiān)測到達邊緣節(jié)點數(shù)據(jù)量變化，動態(tài)地調(diào)整匯聚算法中的匯聚參數(shù)，實現(xiàn)了根據(jù)網(wǎng)絡實際狀態(tài)調(diào)整匯聚算法的目的，改善了整個OBS網(wǎng)絡的性能。今后的研究可以通過設(shè)置不同業(yè)務類型的匯聚參數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡中不同業(yè)務間的業(yè)務區(qū)分。

參考文獻：

[1] LIN P, TENCH R. The exciting frontier of lightwave technology [J]. IEEE Commun, 1999, 37(3):119-123.

[2] TURNER J. Terabit burst switching [J]. Journal of High Speed Networks, 1999, 8(1): 3-16.

[3] QIAO C, YOO M. Optical burst switching (OBS)-A new paradigm for an optical internet [J]. J.High Speed Networks, 1999, 8(1):69-84.

[4] HUNTER DK, CORNWELL, GIFEDDER T H, et al. SLOB: A Switch with Large Optical Buffers for Packet Switching [J]. IEEE Journal of Lightwave Technology, 1998, 16(10): 1725-1736.

[5] XIONG Yijun, VANDENHOUTE Marc. Control Architecture in Optical Burst-Switched WDM Networks [J]. IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, 2000, 18(10):1838-1851.

[6] ERRAMIAAI A, ROUGHAN M, VEITCH D, et al. Self-similar traffic and network dynamics[C].Taiwan, China: in Proc. IEEE, 2002.

[7] ADDIE RG, NEAME T D, ZUKERMAN M. Performance evaluation of a queue fed by a poisson pareto burst process[J]. Computer Networks, 2002, 40(3):377-397.

[8]吳龜靈，李新碗，陳俊峰,等.光突發(fā)交換邊緣路由器性能分析[J].光子學報, 2005, 34(3):412-415

[9]劉建平，文愛軍，劉增基.一種光突發(fā)交換網(wǎng)絡中降低填充開銷的突發(fā)組裝算法[J].光子學報, 2007, 36(Sup1):1-4.

[10] CHAO K, BALT H, MICHEL S, et al. Information model of an optical burst edge switch [C]. New York:Proceedings of IEEE ICC, 2002.

[11] KANTARCI B, OKTUG S, ATMACA T. Performance of optical burst switching techniques under self-similar and poisson traffic based on various burst assembly technique[J]. Computer Communication, 2006,30(2): 315-325.

[12] ADDIE R G, NEAME T D, ZUKERMAN M. Performance evaluation of a queue fed by apoisson pareto burst process [J].Computer Networks, 2002, 40(3):377-397.

[13] ERRAMILLI A, ROUGHAN M, VEITCH D, et al. Self-similar traffic and network dynamics[C]. Taiwan, China: Proc. IEEE, 2002.

Research on self-similarity traffic assembly algorithm in OBS networks

XIAHan-zhu,YUANBao-ling
(Department of Information Engineering,Zhongshan Torch Polytechnic, Zhongshan Guangdong 528436, China)

Abstract:According to the structure and characteristics of OBS network, the paper analyzes the self similarity property of OBS network edge node, proposes a novel assembly algorithm which call self-similarity traffic assembly algorithm (SSTAA) in OBS networks. Then the paper expounds the realization process of the algorithm in details. It expounds the realization process of the algorithm in details, the simulation results show that the algorithm can improve the performance of the network.

Key words:optical burst switching, edge node, assembly algorithm, burst data traffic, self-similarity traffic assembly algorithm

中圖分類號：TP393.03

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）01-0044-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.014

收稿日期：2015-10-27。

作者簡介：夏漢鑄（1974－），男，碩士，副教授，主要研究方向為光互聯(lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡。