智能光交换（共7篇）
智能光交换 篇1
摘要：本文描述了智能交换光网络技术的现状及其未来的发展趋势, 分别讲述了几大热点技术的发展情况和应用定位, 展示了光传输网络技术和产品的发展给人们带来的机遇与挑战。
关键词：智能光交换,弹性分组环,MPLS over WDM
1 网络技术发展的背景
从光传输技术的发展进程来看，在短短的10年中，光传输技术发展迅速：由早期的SDH→DWDM。近年来，中国IT业也全速追赶世界发展的潮流，大约每2年的时间传输速率提高3倍，光纤总长度已达100万公里，同时IP业务的迅速发展使骨干网的宽带化具有广阔的发展前景，各地的电信与广电运营商也积极推进网络的光纤化进程。
在这些新型可重构的光网络节点设备的控制通路中，使用了现有的数据网络控制协议（如MPLS、OSPF等）来决定路由。另外，由于在IP路由器、ATM交换机等设备中强化了流量工程和基于约束的路由技术，从而允许这些设备动态决定带宽。这两种技术的使用，为传统的光网络引入了智能控制和管理信令，从而使得光网络具备了智能化的特点。并且实时的智能光网络能够有效地连接光网络资源和数据业务，提供高性价比的传送网，而且为发展新型宽带网络业务铺平了道路。
现代社会对网络带宽的巨大增长促使各种组织致力于传统IP网络协议的修改，使之能够支持QoS，特别是语音和实时图像传输对QoS的迫切要求。在提供QoS保证和优化组网模式的可用技术方案方面，MPLS (Multiprotocol label switching）是一种被广泛接纳的技术，它使无连接的IP协议具有了面向连接的特性。高密度波分复用传输设备的波长数飞速增长以及OXC的实用化，使得第三层的交换或MPLS直接运行在波长级别上成为可能，因此，基于MPLS控制平台的IP光网络技术近来发展十分迅速。
对于通信等网络运营商所要建设的光传输网络，首先要考虑建设一个经济高效的网络架构平台，即充分利用光层的技术，提高系统的容量，降低系统的成本；其次提供多业务的广泛的接入平台，扩展用户范围；然后发展智能光传输网络，增强网络的适应能力，提供全新的网络业务，提高市场竞争能力。智能城域光网络随着城域网业务和应用的不断发展，其接口呈多样性，流量具有随机性，这都要求网络具有智能化，能实时分配资源，自动建立连接。自动交换光网络（ASON/ASTN）是智能光网发展的主流方向，目前国际电信联盟等国际性标准化组织都在研究智能光网技术，并提出了一些相关的建议或草案。ASON网络结构最核心的特点就是支持电子交换设备动态向光网络申请带宽资源，可以根据网络中业务特性动态变化的需求，通过信令系统或者管理平面自动建立或者拆除光通道，不需要人工干预。
2 主要实现技术
采用MPLS over WDM技术为光层引入了控制信令，从而形成了智能光网络技术。它利用传统的IP选路协议来发现路由，并对现有的BGP、IGP、OSPF、IS-IS等路由协议进行扩展来传递计算标签交换通道（LSP）时所需要的链路状态拓扑、资源可用信息和策略信息，同时利用LDP、RSVP，为LSP通过网络预留资源或规定相应的显式通道。为了将MPLS选路协议和信令协议与光交换机相适配，构造智能型波长路由器/光交换机，就必须对传统MPLS协议作相应的扩展和修改：建立新的链路管理协议（LMP），以处理光网络的链路管理；扩展适配的OSPF/IS-IS协议，以便公告可用的光网络资源；通过扩展适配的RSVP来提供光网络所必须的流量工程能力，使得LSP可以在整个光核心网络上实现明显标记。
使用MPLS的主要优点就是它可提供可变长度的标签栈功能，从而使得MPLS具有多级LSP体制。向光网络进行扩展的MPLS与传统的MPLS有所不同，它支持多种类型的交换粒度，如时分复用（TDM）、波长和光纤交换等。这种可支持多种类型交换的光网络信令允许大量的LSP在交汇点进行汇集，从而透明地穿过更高一级的LSP隧道，然后再在远端节点进行分离。这种操作模式非常有用，它可以将骨干网络中部分第二层的大型业务隧道加以汇聚，或者将它们归并和疏导到更高一级的LSP中，以更大的粒度穿过骨干光网络。通过MPLS控制平面可以动态地要求传送层提供所需带宽、配置波长等网络资源，并通过保护恢复技术提供更强的网络生存能力，从而使光网络能够像面向连接的电路交换一样实现面向连接的光路交换。
MPLS技术的出现，使得我们能够通过基于分组，信元的网络实现动态互连和流量工程并在光纤层实现动态连接。这些技术的出现为网络向更加简化和更加智能化的方向迈进创造了条件。因此，目前许多国际标准化组织和行业论坛已经开始开展有关智能光网络的相关标准的制定工作，其目标是拿出一个开放式的通用光网络模型和相关标准接口。基于ASON的智能光网络可以实现光通路的永久性连接（PC）、软永久性连接（SPC）和交换型连接（SC），从而实现对光链路的快速、灵活配置，以满足流量工程和服务质量的要求。
3 对不同业务的技术支持
在传输网中采用新一代的传输设备，除了要解决原有的话音业务以外，还需要考虑对数据业务的支持，针对数据业务的特点，发展适应数据业务发展需要的宽带传输技术对于ATM而言，主要是VP-RING技术，即通过在传输网络上逐点汇聚实现带宽的共享，通过相关的协议实现环网的保护。对于IP业务，可以采用内嵌RPR（弹性分组环）技术，该技术通过相关的协议，实现环网的动态共享和保护。
4 下一代的光网络发展策略
下一代光网络将使用交换技术提供动态的端到端连接，创建一种智能光网络（ION）。ION能快速地配置和恢复端到端连接。一个连接所占的带宽可从一个STM-1一直扩大到整个波长的容量。这种能力对于改变通信业务的现状意义深远，它促进了带宽使用的更快增长。
4.1 从电信号到光信号
光联网是实现ION的关键，它能为业务层提供可扩展性、可靠性和最低的成本开销。光层由多个集成的模块构成，这些模块与网络智能相结合，将能支持光层的动态配置。这些模块包括大容量线路系统、光交换平台和可调设备。大容量线路系统能达到每秒太比特级的传输速率，并能支持相距数千公里的两个城市之间的全光连接。这些系统只有极少量的光电转换器，因此，它相对于传统的较短距离的线路系统在运营成本和业务速度等方面都具有很大的优势。光层中的光交换平台将从不透明交换过渡到全光交换，到那时，它不仅能够交换单条光通路、成束的光通路，甚至整个线路系统的光纤，故其扩展能力是空前的。可调光源、过滤器和接收机将能提供灵活的选择性和降低运营成本。这些边缘设备能支持高效的波长分配，降低波长阻塞，并通过固有的再生能力消除了距离上的限制。
4.2 从不透明交换到全光交换
从业务运营商的角度来说，全光交换机（PXC:Photonic switch）的主要优点在于它具有可扩展性，能降低成本，并能提高业务速度。PXC能够在一个端口上透明地交换一个任意速率和协议的波长，或一束波长，甚至是包括所有波长的整根光纤。从技术观点来看，快速的技术进步正在促进光交换和全光网络技术的实现。传输距离可达3000公里以上的长距离光系统即将投入商用。
总之，构建光互联网络所需的基本功能部件已经具备，下一步就是要考虑如何增加智能，以解决所有网元设备之间的互连互通问题。随着科技的进步和人们需求的不断出现，基于光网络的智能化技术也会不断发展，并将引发光网络技术的一次新的革命。
参考文献
[1]张曹卉.智能光网络数据流动态管理及生存性研究.北京邮电大学.[硕士]北京邮电大学, 2008-02-28
光交换和波长选择交换模块 篇2
1、技术领域和应用产业
低成本高速度超密集型光子学器件与模块可应用于:
(1) 可恢复型光网络通信系统;
(2) 下一代计算机的光学数据中心;
(3) 航空、光学仪器测试等领域的光信号控制系统。
2、技术先进性、成熟性
(1) 超高速微型光交换器件, 国际领先, 已有初试样品。
创新点与优势:建立在新的光交换机制与原理上 (SOI-PLC) , 具有高性能与低成本优势。
性能:超快光交换速度 (<5ns) 、低交换操作功耗 (<5m W) 、低 (芯片上) 光损耗 (1×2/2×2结构:<0.5d B)
(2) 光矩阵交换模块 (OMS) , 国际领先, 样品设计中。
创新点与优势:全集成纳米波导结构, 新光交换单元与新网络结构的有效结合, 半导体CMOS加工技术。
性能目标:以128×128为例, 10.0d B芯片上光损耗<5ns;交换速度<-30d B串音;8×8为起点目标, 128×128为最高目标。
(3) 波长选择交换模块 (WSS) , 国际领先, 样品设计中。
创新点与优势:全集成纳米波导结构 (非PLC阵列波导光栅结构、非液晶器件、亦非MEMS技术) , 半导体CMOS加工技术。
性能目标:以1×9为例, 5.0d B芯片上光损耗;<5ns交换速度;<-20d B串音;1×2为起点目标, 1×9为5年内最高目标。
光突发交换中路由技术的研究 篇3
关键词：光突发交换,免疫遗传算法,路由
近年来随着光纤通信技术的迅猛发展和Internet业务的急剧增长,“光因特网[1]”被认为是将来Internet骨干网的解决方案。为了消除目前的电子交换的瓶颈,在IP层和光传输层中使用光交换功能是未来的趋势,但是在缺乏成熟的光缓存设备情况下,光突发交换技术(Optical Burst Switching)[2]应运而生。
OBS网络的原理是在源边缘节点处将上层的IP包组装成较长的突发数据分组DB(Data Burst),并生成相应的较短的控制分组BCP(Burst Control Packet),BCP与DB采用分离的信道传输,控制分组在中间节点处要进行光/电转换,在电域中进行处理,经过很短的延迟,突发数据分组以全光形式通过。在到达边缘目的节点处被拆分为IP包。光突发交换的粒度适中,它的提出降低了对光器件性能和处理时间的要求,同时可以克服目前交换技术中的电子瓶颈,充分发挥了现有的光子技术和电子技术的特长,减小了系统的开销。
目前在OBS网络的路由机制的研究方面国内有以Dijkstra[3]最短路径算法进行路由计算。但最短路径算法容易造成负载的不均衡。国外有提出的基于可用波长概率的P-routing[4],它是根据链路的可用波长率,确定突发数据分组的路径选择。同时,由于单向预留机制,突发数据分组容易产生冲突,需要重新选路。通常采用偏射路由[5],波长变换和光缓存等技术解决冲突。其中偏射路由是最常用的也是最简单的方法,但这种方式同时也增加了选路的复杂程度,在负载较重时其性能反而会恶化。
借鉴生命科学中生物免疫机制与理论提出的免疫遗传算法(Immune Genetic Algorithm)[6]就是将免疫机理引入遗传算法(GA)中[7]。通过设计特定的增强群体多样性的免疫算子对交叉和变异产生的新个体进行优化,防止交叉变异中的个体退化,将随机性与确定性相结合,减小随机因素对遗传算法本身的影响,来改进遗传算法的搜索能力和收敛速度,避免早熟现象的发生,保证遗传算法尽快收敛到全局最优解。
OBS网络中对路由机制的研究以延时、丢失率、信道利用率等参数为优化目标,它属于多目标优化问题。本文将智能算法和光突发交换网络相结合,提出的新的优化算法适合处理多目标优化问题,而且希望通过算法的设计尽量寻找到较好的路径开始传输突发数据分组,以减少业务的丢失率,提高网络的性能、节省网络资源。
1 免疫遗传算法
1.1 免疫遗传算法原理
免疫遗传算法就是利用免疫算法和遗传算法之间既相似又互相促进的特点,将二者有机结合起来的智能优化算法。具体来说,免疫遗传算法是利用生物免疫系统通过细胞的分裂产生大量的抗体抵御抗原,增强了遗传算法的群体多样性,再将其加入了遗传算子,避免了网络中早熟收敛问题和易于陷入局部最优的缺点。并且免疫系统具有学习和记忆功能[8],加快了搜索速度。引入了抗体间亲和度的计算及调节机制很好地提高局部搜索能力,体现了免疫系统的自我调节功能。同时设计了免疫算子来防止交叉变异中的个体退化,并自适应地保持种群的多样性,以此保证遗传算法尽快收敛到全局最优解。
1.2 免疫遗传算法的算法设计
免疫遗传算法将待求的问题看成入侵生命体的抗原,问题的候选解对应于免疫系统产生的抗体。部分抗体作为记忆细胞保存下来,当同类抗原再次入侵时,记忆细胞被激活而产生大量抗体,使免疫功能得以实现,称为记忆细胞演化。同时抗体与抗体之间也相互促进和抑制,然后利用遗传算子对抗体进行选择、交叉和变异,最后使得适应值高且浓度较低的抗体容易遗传到下一代抗体群,直至满足结束条件,算法结束。免疫遗传算法设计流程见图。
2 免疫遗传算法在光突发交换中的应用
2.1 OBS网络路由特点
OBS网络的物理组成是全光的核心节点、WDM链路和电的边缘节点(如图2所示)。整个网络在运行机制上可以看成是由两个耦合的子网构成的[9]:一个是用来传输和交换突发数据分组的全光网络,保证光突发数据分组的高速、透明的传送;另一个是用于传输和交换控制分组的分组交换网络,在电域上对分组控制头进行各种处理,实现对纯光层网络的智能控制,弥补了目前对纯光信号处理的技术上的不足。
路由技术是OBS网络中生存性的重要方面,OBS的路由是由包含在控制分组中的路由信息和核心节点共同实现的,核心节点根据其中的路由信息为每个突发数据分组选路,控制分组控制头包含的信息有突发数据分组的发送端地址、接收端地址、波长链路标识符、长度指示字节、生存时间及校验字节。一般以一个或多个波长上传送控制分组,其余的波长用来传送突发数据分组。控制分组提前突发数据分组Toffset时间发送,在核心节点(存有路由表,包括波长使用等信息)处为相应的突发数据分组预留带宽,即分配可用的端口和波长,两者之间的时序关系由OBS所采用的信令协议确定,因此在建立路由机制时需要对它们进行合理的配置,保证控制分组提前突发数据分组到达每个核心节点并为其预留波长。
OBS网络的路由机制与传统的IP网络相比具有自身的特点:
1)OBS网络中用于传输和交换控制分组的网络可以看成分组交换网络。不同于在电域传输。它采用混合的解决方案――传输与交换在光域中实现,而路由和转发功能则在电域中实现。
2)OBS网络中路由请求总是从边缘节点到边缘节点,核心节点不需要发起路由请求,只是交换和转发的功能,整个网络中的路由记录数小于同等规模的IP网络。
3)OBS网络中采用单路预留机制,即不需要对控制分组的确认信息,就发送突发数据分组。达到了提高效率、减小信令开销的目的。但是它不能确保突发数据分组到达终点而容易引起频繁的突发冲突,从而导致突发包的丢失。
2.2 光突发交换的路由模型
将OBS网络抽象为无向赋权图:G(V,E,A),其中V=(v1,v2,…,vm)为网络中所有交换节点的集合,E=(e1,e2,…,en)为通信链路的集合,∧=(λ1,λ2,…,λw)是波长集合。m=|V|、n=|E|和w=|∧|分别表示网络节点、链路和波长数。
假定相邻两节点间最多仅有一条链路,每一条链路表示相邻两节点间的直接通信路径。而且核心节点没有光纤延迟线,并采用固定的偏置时间。在每个核心节点中计算对控制分组的处理时间τ(vi)。通信链路的处理由两部分组成,一部分是链路的传播时延p(ei),另一部分是链路的可用率φ(ei)。这里引入了链路的可用率的概念,根据文献[3],由统计复用计算得到一定时间内波长没有被占用的概率为ρ(λj,ei)i∈E,j∈∧,则链路的可用波长率。采用链路的可用率可以为控制信息在为数据包预留资源时尽可能选取可用率较高的链路建立路由,力求网络负载均匀化。路由算法的思想就是找到一条从起点S到终点D(其中S,D∈V)的节点处理时间最短,链路传播时延最小而链路可用率最高的路径。即目标函数为
其中,0<α<1,0<β<1,0<γ<1为权重系数。
链路传播时延加上一个单元的核心节点处理时间又可以转化为链路花费,即。所以目标函数又可改写为:
其中,0<α'<1,0<β<1为权重系数。
2.3 具体应用
1)编码
抗原编码:将待求的问题看成抗原,这里就是以控制分组的“信源起点”到“信宿终点”的路由请求作为抗原。
抗体编码:首先将网络中的核心节点进行编号为1,2,3,…,m。i节点到j节点的链路用eij表示,并进行链路编码。给出下面的定义:
因此一条路径可以用二进制进行编码。以图2为例,若信源起点为边缘节点S,信宿终点为边缘节点D,这样一条完整路径的二进制编码如表1所示。
则链路e46、e68被选中。按照免疫算法理论,抗体就对应问题的解,则该路径编码就为一个抗体。
2)初始抗体群产生
按照免疫算法中的免疫应答机理[8],免疫系统具有记忆功能。对于抗原初次入侵机体时,免疫系统中一些被激活的B细胞作为记忆细胞被存于免疫系统中[10]。当相同或相似的抗原入侵机体时,免疫系统的记忆细胞立即对抗原产生应答,加速了抗原被清除的速度。这里设计了记忆库来记忆入侵的抗原及其相应的抗体,当作为输入路由请求的抗原产生,首先在记忆库中查找是否存在该抗原,若抗原在记忆库中有记载,则从其对应的抗体中产生部分初始抗体M1,另外再随机产生M-M2个抗体,组成抗体群。若抗原在记忆库中没有记载,则随机产生M个初始抗体,并把该抗原记录在记忆库中。采用记忆库记忆优良的抗体,可以控制初始群体的产生方向,提高算法寻优的快速性,促进算法的收敛。
3)抗体的自我判断:为防止产生无效路径组合需判断抗体是否由完整链路组成。对于任意的一个核心节点,流入该节点的业务量应该等于流出该节点的业务量,即:
4)适应值函数:根据前面对OBS网络路由思想的描述,适应值函数取为目标函数,即
5)计算亲和性:用于表明两抗体x,y间的相似度,根据信息熵理论,抗体之间的亲和性定义为:
Aff(x,y)的取值范围在[0,1]之间,其值越大表明抗体间相似程度越高。若Aff(x,y)=1则表明两抗体完全匹配。
6)浓度:抗体的浓度指抗体在抗体群中与其相似的抗体所占的比例,定义如下:
其中αCx,y定义为:
其中σ为浓度阈值,0.5≦σ≦1称为浓度抑制半径。由定义知0
7)激励度:设置激励度来表示抗体群中抗体应答抗原和被其他抗体激活的综合能力,定义为:
其中γ为调节因子,且γ≥1。从式中可以看出,激励度与亲和性成正比,与抗体在抗体群中的浓度c(x)成反比,可以有效调节抗体群的多样性。
8)免疫选择:按照免疫机理,免疫选择算子Ts规定为依据抗体的激励度act(x)在抗体群中比例选择抗体。方法如下:
在免疫选择中,不仅亲和性高的抗体可以得到更多的选择机会,而且亲和性及浓度皆低的抗体也有生存机会,因此存活的抗体种群比较多样,促进了寻优全局性。
9)免疫抑制:为增强群体多样性,模拟了免疫系统中抗体群中抗体之间相互抑制机理,设计了抑制算子Tr。依据抗体的浓度c(x)和浓度抑制半径σ(0≤σ≤1)(),对浓度高的抗体进行惩罚。设规模为M的抗体群中未被处罚的抗体组成的集合为Mr,按下列规则抑制M-Mr个抗体:
对集合Mr中的抗体进行惩罚的惩罚函数设置为:
10)交叉和变异:①单点交叉:首先两两配对抗体群中的抗体,以交叉概率Pc交叉互换随机指定某一位后的部分位,产生了两个新的抗体;②位变异:对抗体的每一位,按变异概率Pm指定为变异点,相应地对该位做取反操作,从而产生一个新抗体。
3 仿真
该文采用图2的网络拓扑结构进行仿真。S表示信源起点,D表示信宿终点,每条链路都是一对双向光纤,其权值分别表示链路花费和链路可用率。假设网络业务是对称的,即输入过程具有相同的统计特性,输出突发数据分组到相应的波长通道上的概率也是相同的。
仿真参数设定为:群体规模为50,终止代数为100,交叉概率为0.75,变异概率为0.08,进行500次实验,γ、σ参数的取值参考图3,图4的实验结果分析。
图3所示是在保持σ=0.98且其它参数不变,γ分别取1和20,每次还是运行100次取平均,共运行5次的实验结果。从图中可以看出,当γ=1时,平均在28.8代达到收敛,搜索成功率为91.4%。当γ=20时,平均在29代达到收敛,搜索成功率为91.7%。从公式(8)分析,若γ大,激励度也大,则被选中的几率增大,从而提高了全局收敛性,但因为γ的变化是分母上的指数变化,对激励度的影响有限。因此,综合考虑试验结果和理论分析γ取1。
图4所示是在保持γ=1且其它参数不变,σ分别取0.5和0.98,每次运行100次取平均,共运行5次的实验结果。从图中可以看出,当σ=0.98时,平均在28.8代达到收敛,搜索成功率为91.4%。当σ=0.5时,平均在31.8代达到收敛,搜索成功率为84.4%。按照公式(7),σ是设置浓度的参数,如果σ大,出现浓度高的抗体会少,提高了抗体的多样性,在抗体寻优的过程中不易于陷入局部最优,促进算法的收敛。可见,实验结果与理论分析是一致的。综合考虑σ取为0.95。
根据前面确定的参数值再进行仿真实验,由图5所示,在业务强度较小时,两种算法的性能差别不大。但是在业务强度较大时,两种算法所造成的丢失率差异增大,免疫遗传算法明显比最短路径算法优越。
4 结论
该文介绍的路由算法是将免疫遗传算法应用于OBS网络的路由技术。采用抗原识别和抗体记忆来控制收敛方向,引入免疫选择和免疫抑制增加了对抗体促进和抑制功能,并使存活的抗体群具有多样性,扩大了解的搜索范围,充分体现确定性和随机性地统一。仿真实验表明,采用免疫遗传算法的丢失率要小于采用最短路径算法的丢失率。
参考文献
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智能光交换 篇4
随着Internet业务的迅猛发展, 人们对网络的带宽和信息交换速度有了更高的要求。随着波分复用 (DWM) 、密集波分复用 (DWDM) 技术的应用, 光纤的可利用带宽已达到10Tb/s左右。然而, 要提供对数据业务的高效支持, 充分发挥光纤通信的潜力, 仅有庞大的带宽是不够的, 我们必须找出与之相匹配的交换技术来提高交换速率及带宽利用率。光突发交换 (Optical Burst Switching, OBS) 可以看作光电路交换和光分组交换之间的一个折衷, 它综合考虑了OCS和OPS的优势和劣势, 采用单向资源预留机制, 以突发包作为最小的交换单元[1,2]。在突发包传送之前已经为其预留光信道, 在网络的中间节点处, 突发包可以透明传输, 不用经过O/E/O转换, 使交换方式更加简单、灵活。同时, OBS具有中等交换粒度, 降低了交换节点的复杂度和对光器件的要求, 通过统计复用的方式, 可以有效地利用链路带宽和网络资源。由此, OBS网络被认为是下一代光因特网的典型代表, 成为国内外的研究重点。
2 光突发交换基本原理及竞争的产生
光突发交换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, 将控制与数据分离。OBS网络由边缘节点、核心节点和光波分链路组成。OBS的基本交换单元光突发 (burst) 包括突发数据分组 (BDP) 和突发控制分组 (BCP) 两部分。BDP是由多个传统IP包组成的超长包, BCP包含了BDP的路由信息及其长度、偏置时间、优先级、服务质量等信息, 与对应的BDP在不同的光信道上传输, 且比BDP提前一个偏置时延T, 如图1所示。BCP先到达节点后为相应的BDP预留其所需的资源, 使BDP到达节点之时, 相应的光交换路径已建立, 从而保证BDP的交换和传输。
由于OBS中采用单向的资源预留机制, 即:当OBS源节点发送BCP完毕, 经过一小段时间后发送BDP, 而其源节点不需要等待其目的节点的应答, 所以, 边缘节点在没有得到预留确认的情况下就向核心节点发送了突发包。因此, 在OBS核心节点, 在重叠的时间区间内, 如果两个或多个输入数据突发要求在同一端口、同一数据信道输出, 就会产生所谓的“突发包竞争”问题。突发包竞争会导致竞争的数据包丢失。由于突发包的统计概率很难预测, 因此, 如何降低OBS网络中因突发包竞争所导致的数据丢失率, 就成为OBS网络中需要解决的关健问题之一。
3 竞争解决方案
3.1 几种传统解决方案
由于光逻辑器件的缺乏, 光突发交换中的突发竞争问题一直没有得到理想的解决。因为每个突发包都包含着大量的分组, 一个突发包的丢失将导致大量分组的丢失。从技术实现的角度看, 突发包竞争解决方案主要是从波长、空间、时间等三维方向考虑, 对应的是波长变换、偏射路由、光缓存技术。在实际应用中, 常常是上述三维中的某二维或三维相结合使用, 以提高解决竞争的效率[3]。下面介绍一下这三种技术。
(1) 光缓存
光缓存技术是受到电域中解决数据包冲突的启发所产生的一种解决OBS网络中竞争问题的方法。然而, 类似电域随机存储器RAM的光随机存储器件尚未实用, 光域的缓存很难实现, 目前实用的光缓存器只能采用光纤延迟线 (FDL) 的方式来实现。FDL对光进行缓存的工作原理, 是利用光在光纤中的传播时延, 根据延时的需要, 让光信号在特定长度的FDL中传播, 传播时延即为光存储时间。采用光缓存技术能将部分BDP延迟一段时间, 有助于减少丢包率, 因此减少了由于丢包所引起的重传的概率, 从而提高了带宽利用率, 提高了OBS系统的性能, 对于低负载情况, 性能改善效果明显。但是该技术由于引入了光缓存, 将增加端到端的延迟;采用FDL的光缓存引入的功率损耗可能需要光放大器来补偿, 增加了成本, 且还会引入噪声等负面影响。由于光信号一旦进入FDL后, 必须经过整段光纤, 不可能中途将光信号取出来, 所以FDL有很大的局限性。
(2) 波长变换
在使用波长变换的系统中, 若发生两个或多个光突发竞争, 其中一个突发直通, 另一个或其他几个突发还是交换到同一个输出端口, 但是在不同的波长上。这种解决方案在竞争突发的延迟方面是最佳的, 即不会引入附加延时。如图2所示, 当不同光纤同一个波长λ1上的两个数据同时向同一根输出光纤输出时, 就会产生竞争;但是如果将其中的一根光纤上的数据通过波长转换器转换到λ2, 那么它将占用输出光纤的波长λ2, 这样就可以有效地解决输出端口竞争。这种将冲突的波长变换到另一个可用波长上的方法, 有效地降低了BDP丢包率。该技术对于低负载和高负载情况的改善效果都很明显, 特别是对具有较多波长可用的OBS网络尤其如此。但是, 该技术需要快速可调谐波长变换器, 而快速可调谐波长变换器技术尚不成熟, 目前还处于试验阶段, 在网络中光纤比较富裕的情况下, 可以利用并行光纤的方式作为波长变换的一种替代。波长变换器的不理想, 会引入损耗、串扰等对光信号的损伤。
(3) 偏射路由
偏射路由也称热土豆路由, 是在没有光缓存可用时的另一种解决方案。当竞争发生时, 突发不能交换到正确的输出端口, 将它路由到另一个可选输出端口, 有可能通过另一条路径到达目的节点。如图3所示, 若突发数据包要从A到达B, 在没有冲突发生的情况下, 突发按照路线A—C—B顺利到达目的地;但如果在节点C上发生冲突, 在没有光缓存或其他解决方案的情况下, 可以采用偏射路由的方法, 将C节点被冲突的突发数据包通过节点D发送到目的节点B, 即路径为A—C—D—B。该方法将被冲突的BDP偏射到另一个可用端口, 降低了突发丢失率, 且设计简单, 附加成本低。但是由于可能偏射到另一条较远的路径, 引入了较大的端到端的延迟。该方法只适用于网络负载比较低的场合, 若平均流量负载比较高, 偏射路由的分组将会降低网络的效率。
3.2 分段丢弃技术
以上介绍的三种传统竞争解决方案, 都是以突发包作为最小单位来解决竞争问题的, 偏重于如何减少突发包的损失而不是分组的损失。由于一个突发包是由大量的IP分组组成, 一个突发包的丢失会导致大量分组的丢失。使用分段丢弃技术时, 当两个突发竞争只需丢弃冲突部分的几个分组, 而不需要丢弃整个突发。在突发包分段机制中, 每个突发包由多个突发数据段组成, 而每个数据段由一个或多个IP包组成, 在中间节点突发数据段不被区分, 在目的边缘节点可以独立接收光电转换后的突发数据段[4]。
当两个突发包竞争一个输出端口时, 采用分段丢弃技术有两种丢弃数据段策略:一种是丢弃竞争突发包的头部, 一种是丢弃原始突发包的尾部, 这里我们称为头部分段丢弃 (HS) 机制和尾部分段丢弃 (TS) 机制, 如图4所示。由于突发的头部含有一些突发拆分时需要的控制信息, 采用HS机制将会导致拆分困难, 因此, 一般采用尾部丢弃机制。但有学者指出, 不论采用HS还是TS机制, IP数据包到达目的节点的时候, 目的结点都需要将它们进行重新排序, 恢复在源节点的次序后, 才将它们送交给上层, 因此这两种分割机制其实产生的效果都是一样的。
采用分段丢弃竞争解决机制不需要附加任何的硬件, 设计简单, 成本低。将被冲突的BDP的一部分分段, 并偏射到另一个可用端口, 降低了突发包丢失率。但该方法需要发送一个更新消息, 通知下游节点释放相应的网络资源, 以供其他突发数据包使用。分段的时候可能有一部分数据将受到破坏, 产生小部分丢包, 且被分段的各个部分要求独立, 并能在接收端正确处理。
3.3 联合解决机制
由于各个竞争解决机制都存在自身的缺陷, 而利用多种方案的整合可以发挥各种机制的优势, 克服某些方案的不足, 起到相互补充的作用, 文献[5]中仿真结果表明:采用整合方案解决冲突时, 光突发交换网络的丢包率比单独采用某一种方案都小。因此, 联合解决机制会成为解决未来光突发网络中冲突的最佳方案。一般来说, 比较有效的组合解决方案是使用空间偏转路由、缓存和波长转换的有机结合, 而比较经济的解决方案是最小的光缓存配合部分波长变换, 再引入偏转路由机制。但目前光逻辑处理技术还不成熟, 没有实用的光随机存储器, 而且快速可调谐波长变换技术还需要进一步的研究。
4 结束语
本文对当前几种常见的突发包竞争解决机制进行了深入的研究, 并且总结了各解决机制的优缺点。根据不同的网络环境及不同的需求, 我们可以选择不同的解决方案。单个使用某种机制的效果是很有限的, 所以可以采用联合几种不同的竞争解决机制的方法, 以达到更为理想的效果。
参考文献
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[5]于金辉, 杨毅军, 范戈.OBS网络突发包竞争问题的解决方案.光线与电缆及其应用技术.2003, (5) :22-24
光交换技术在通信传输中的应用 篇5
在全光通信网络当中,光交换技术十分重要,而且,在通信技术发展演变中发挥着不可或缺的地位。为了积极地推动这种技术进一步发展,就应该在建设通信网络中提升质量与水平。
1 光交换概述
光交换所指的是即使无需经过光电转换器的转换,就能够将光信号的输入端直接输送到光输出端,是一种交换的过程。将其按照波长或者是组数为标准进行分类,通常包括光路光交换与分组光交换。
其中,光路光交换就是光电电路的交换途径,主要原因就是光分插复用器OXG与OADM在光电交换的过程中发挥着关键性的作用,而且,波长传播的途径也十分灵活与多变[1]。一般情况下,可以利用控制平面的双向信令来构建出具体的传输连接途径,最终形成路径,并按照不同波长来进行搭配。而在DWDM网络当中,主要通过波长交换来实现。相邻节点的链路处,每个交换光通道都对应相应的波长。这种方式最明显的优点就是速度比较快,而且数据的传输效率也很高,具有一定的透明性,所以,在建立SDH网络的过程中十分适用。而OCS的网络资源处理粒度一般都采用的是波长,并将其当作区分界限。若波长数受到限制的时候,需要对一部分进行光电光的转换,进而有效地防止数据信息拥塞的情况。另外,在普通处理方式中,可以使用动态分配的方式,但是,这种方式的缺点就是响应建立时间过长。多协议标签和OCS的交换结合,产生了多协议波长交换技术,进而确保了智能化动态波长链路路由与保护[2]。但是,这种交换方式也同样存在一定的不足之处,其中,在本质上来讲,属于电路交换。然而,电路交换最大的缺点就是在传输数据链接的时候要保证节点维持信道资源,同时,需要在传输结束以后才可以断开。此时,信道方可以拆除,但是,即便信道资源未被占用,气压的数据信息也很难使用这一信道。这样一来,必然会影响实际的使用效率,间接地影响了对应宽带的使用效率。
而分组光交换技术则是将时分复用技术作为基础,并且通过时隙互换的理论实现交换目的。其中,时分复用指的就是将时间分割成帧,而各个帧还可以分割若干时隙,进而将其分配至不同信号路径当中,最终将信号进行汇集,并传送至同一光纤中,而后在接收的位置,利用分接器来恢复信号[3]。另外,时隙互换就是把时分复用帧当中的各信号方位予以调换。首先,需要利用分接器来处理复用信号,并且向分接器当中的各光线发出时隙信号。其次,使用不同光延迟设备处理信号,进而导致延迟时间存在一定差异。此外,使用复接器重新接收并组合上述信号,最终实现预期效果。
2 光交换技术在通信传输中的具体应用
2.1 空分光交换器
空分光交换器运行的最基本原理就是光学开关元件阵列开关,对阵列开关予以相应的控制,而在本质上来看,这也是完成光信号交换空间域的具体过程,能够通过任何的方式在输入输出光纤间形成相应的通路[4]。这样一来,就能够把空分交换开关调整成为多种形式,进而更好地满足相应的需求。
2.2 时分光交换器
近年来,通信网的建设与发展过程中,最关键也是最重要的就是时分复用技术,而且被广泛应用。因为,光时分复用同电时分复用之间存在一定的相似之处,所以,在实际工作的过程中,可以把复用通道划分成多个时隙,而各基带数据光脉冲流会在具体的分配当中占据时隙,所以,能够更好地控制并处理时间分光交换。当交换工作完成之后,仍然需要一个时隙来完成交换,这样一来,就能够自如地切换输入与输出信号时隙。同时,在全部完成时隙交换后,应该按照不同顺序把信号输入至存储器当中。在完成以上程序之后,系统就会根据已经制定好的顺序来予以解读,最终完成流程[5]。
2.3 波光交换器
通常,波长可以被应用在光波复用系统的中源端与目的端,进而完成信号传递的任务。在多路复用当中,不允许使用同一波长,所以,也必然会使各终端更加复杂。其中,这种交换器所需要的波长交换器,首先需要利用分解复用器,使得光波分信道空间被分割开来,进而实现各波长信道的波长交换,在完成交换以后进行复用,并且经由同一光纤来实现输出。
3 结语
综上所述,在实际应用光交换的过程中,该技术能够充分地发挥其作用,而且,使得数据传输速度得到了明显的提高。也正因如此,需要在通信网络中积极地应用这种技术,确保我国通信行业的进一步发展。本文对光交换技术进行了详细的研究,并阐述了其在通信传输过程中的具体应用,进而更好的推广并提升光交换技术的应用。
摘要：在通信技术与计算机网络技术快速发展的背景下,人们也提高了网络业务的具体要求,而且,网络业务在发展过程中,也提高了电信传输技术要求。因此,若与技术发展要求不吻合,必然就会导致电路技术不能够满足业务的具体需求,进而对通讯技术相关行业的发展产生了严重的制约。为了适应通信技术的发展要求,光交换技术逐渐产生。
关键词：光交换技术,通信传输,应用
参考文献
[1]孙海涛.浅谈通信传输中光交换技术的应用[J]中国新通信,2014,(3):66-66.
[2]刘永宽.浅析光交换技术在通信传输中的应用[J]计算机光盘软件与应用,2013,(15):284-285.
[3]张洋.浅析光交换技术在通信传输中的应用意义[J]电子制作,2015,(2):157-157.
[4]马士学.通信传输中光交换技术的应用探究[J]科技视界,2015,(16):63.
智能光交换 篇6
1 GMPLS-based OBS原理及体系结构
1.1 GMPLS-based OBS原理
基本的GMPLS-based OBS的工作原理如下:可变长度的突发数据包(BDP)和突发控制包(BCP)以分离的波长传送,一个BDP对应一个BCP,BCP先于BDP传送。在核心节点处, BCP被转换为电信号进行处理,而BDP则以光的形式透明传输。采用恰量时间(JET)资源预留协议与优先级机制等为突发数据分组预留资源。同时,在IP层和光层加上能统一管理的标签,使网络结构简化,提高数据包的转发速度。
1.2 GMPLS-based OBS体系结构
如前文所述,将GMPLS引入OBS,并使两者能够高效协调地工作,是GMPLS能在OBS中应用的关键。本文从以下两个方面提出基于GMPLS的OBS的体系结构:
(1) 网络节点架构,包括边缘/核心节点结构,主要涉及GMPLS控制层部分如何与OBS相结合的问题;
(2) 网络体系架构,如采用重叠模型还是对等模型以及具体由哪层来解决流量工程和服务质量(QoS)保证等。
图1所示为GMPLS-based OBS体系结构示意图。
从图1中可以看到,GMPLS-based OBS网络体系主要由3个独立的平面组成:控制平面、传输平面和管理平面。
(1) 控制平面
控制平面可进一步分为拓展的GMPLS控制子层和OBS控制子层。GMPLS控制子层通过路由功能进行选路,通过扩展的标签分配协议(LDP)和资源预留协议(RSVP)建立、维持和拆除标签交换路径(LSP)。OBS控制子层一方面接收GMPLS更新的光标签,另一方面接收IP数据包会聚生成的BDP,并将其送入交换矩阵,同时生成的BCP通过查找转发等价类(FEC)使用光标签,将光标签插入控制分组相应的位置,从而实现用标签替换地址。如果没有光标签,可向GMPLS控制子层申请一个新的标签和路径。
(2) 传输平面
传输平面主要指用来传送的光层部分(如DWDM设备),其主要功能是实现BDP的透明传输。
(3) 管理平面
管理平面的功能主要包括链路资源的管理和各种网络操作的管理。
2 GMPLS-based OBS体系关键技术
2.1 突发会聚机制
突发会聚是将多个IP包聚集和组装成突发包。通用的突发会聚机制是基于定时器的或基于域值的。在基于定时器的突发会聚机制中, 突发包以固定时间间隔产生并周期性地送入网络中。由于各边缘节点IP包流量不同,产生的突发包的长度也是不固定的。基于域值的突发会聚机制所产生的突发包的长度是固定的。
当边缘节点通过突发会聚机制使IP包组装成突发包后,将从突发包中生成BCP,在GMPLS-based OBS网络中控制包的格式与传统OBS网络的控制包格式不同,它要把包含优先级、LSP路径等信息的标签放入BCP中。图2给出了支持GMPLS-based OBS网络的BCP格式。
2.2 冲突解决机制
OBS的本质是BCP在核心节点处为随后发送的BDP预留资源,从而使BDP能够透明地通过各个核心节点。在重叠的时间区间内,如果两个或多个BDP要求在同一条LSP或同一端口输出,就会产生冲突竞争问题。而且, GMPLS-based OBS网络中采取单向预留方式,导致冲突竞争更加激烈。本节将对冲突解决机制做详细地讨论并提出在GMPLS-based OBS网络中特有的冲突解决机制。
2.2.1 低优先级直接丢弃机制
当两个或多个不同优先级的突发数据来到同一条LSP或同一端口时,将会引起冲突。在GMPLS-based OBS网络中,由于使用给定的标签为突发包选路并在特定的LSP上传送,标签中包含优先级、选路等一系列信息,这样可以读取标签中的优先级,让具有较高优先级的突发包占用资源, 丢弃低优先级的突发包。经过一段时间后再由边缘节点对丢弃的突发包重新传送。这种机制能保证高优先级的业务得到及时处理,但是以牺牲低优先级的业务为代价。
2.2.2 突发分片机制[3]
IP包在突发中是各自独立的,会聚仅仅是把IP包组合到一起。因此,如果丢弃一部分IP包并不会对其他包造成影响。突发到达出口的边缘节点后会被还原成原来的独立IP包,接收端只对丢弃的IP包要求重发。利用突发分片机制,可以将突发分成一些更小的传输单元——片(Segment),每片由一个或多个IP包组成。当两个或多个突发包冲突时,仅仅将与另一些突发重叠部分的片丢弃即可。这样由于冲突造成的后果就减轻了。
2.2.3 LSP分流机制
在GMPLS-based OBS网络中,我们初步提出一种新的解决冲突的有效机制。OBS网络中产生冲突的根本原因是多个BDP同时经过控制平面建立的LSP路径上的同一个核心节点的交换矩阵。如果将有可能发生冲突的路径进行LSP分流,那么就能从根本上解决数据包的冲突问题。解决思路为:大量IP包在不同边缘节点进行会聚形成突发包,在突发包中提取出控制包,由GMPLS控制子层根据优先级、目的地址等确定FEC所绑定的标签,标签一旦加上,数据传送路径也就由事先确定好的LSP来确定。也就是说,只要能够在适当的时候通过与GMPLS控制子层的有效交互就能改变原来在控制包中的标签信息,从而改变有可能会与其他数据包发生冲突的LSP,从根本上解决数据包的冲突。但是,LSP分流机制需要比较大的标签空间并且还会增加网络的时延。
2.3 生存性技术和恢复/保护机制
GMPLS-based OBS的生存性机制可分为恢复和保护两种方式。由于GMPLS-based OBS网络中控制包和数据包在不同的波长信道上传送,因此基于GMPLS-based OBS网络的故障可分为控制信道故障、数据信道故障、链路故障和节点故障。
2.3.1 恢复/保护过程
(1) 故障检测
在OBS各个节点间的控制信道和数据信道中每过一定的时间间隔TK就发送KEEP ALIVE消息。如下游节点A在时间间隔TK内没有收到上游节点B控制信道发出的KEEP ALIVE消息,则表明AB之间的控制信道发生了故障;同样,如果A在TK内没有收到上游节点B数据信道发出的KEEP ALIVE消息,则表明AB之间的数据信道发生了故障。如果两个信道都没有收到KEEP ALIVE消息,则表明AB之间的链路发生了故障。下游节点检测到故障后,向其上游节点发送FOM(Failure occur Message)消息,表明故障已经发生。FOM消息包含了故障类型、发送该消息的节点ID、控制包ID、LSP ID等,以便控制平面作保护/恢复时使用。
(2) 启动恢复/保护
上游节点收到下游节点发送来的消息,便知道发生了故障,如果采用1+1保护,则目的节点接收备用路径上传送的BDP;如果采用1∶1或M∶N保护机制,源节点将业务转到保护通道上;如果采用恢复机制,则重新计算路由,将业务转到新的路由上。
2.3.2 资源释放
因为GMPLS-based OBS网络的控制信道和数据信道是分离的,所以其恢复/保护也有特殊性。当控制包通过节点后数据信道发生了链路故障,此时,在控制信道中传输的控制包并不知道数据信道发生了故障,它依然会利用标签信息向目的节点传送,并在通过的每一个核心节点为BDP预留资源,但此时数据链路已经发生故障,必须采取一定的措施释放控制包预留的不必要资源。
可以采用时钟的方法解决上述问题。其过程如下:每个节点加个时钟,当BCP到达节点后,时钟开始计时,时钟的计时时间Tt是偏置时间和一个误差时间的和。如果在Tt内BDP到达节点,则节点将时钟重置。若节点的时钟超时,则链路发生故障,节点释放BCP预留的资源[4]。
3 结束语
本文针对GMPLS与OBS高效融合和协调问题进行了研究,提出了基于GMPLS的OBS网络体系结构,并在此基础上讨论了GMPLS-based OBS网络中的各种关键性技术。针对突发包存在的冲突问题,提出了解决机制尤其是LSP分流机制,该机制在这种体系构架下具有一定的优势。GMPLS-based OBS网络的生存性与传统光网络的生存性存在较大的差异,值得我们进一步深入研究。
参考文献
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智能光交换 篇7
1.1 光突发交换(OBS[1]-Optical Burst Switching)
人们提出光分组交换的初衷是希望能够完全在光域上实现光的分组交换,进而能完成光的比特级交换,使IP/Optical真正的两层结构传送网成为现实然而,由于光逻辑器件尚不成熟,光分组交换的控制部分仍然需要在电域上完成,电子器件的处理速度就成为光路由器中IP分组交换的主要限制。
1997年,由Chunming Qiao和J.S Tunnor分别提出的一种新的光交换技术-光突发交换OBS(OBS-Optical Burst Switching),作为由电路交换到分组交换技术的过渡技术。OBS结合了电路交换和分组交换两者的优点且克服了两者的部分缺点,已引起了越来越多人的注意。
光突发交换中的“突发”可以看成是由一些较小的具有相同出口边缘节点地址和相同QoS要求的数据分组组成的超长数据分组,这些数据分组可以来自于传统IP网中的IP包。突发是光突发交换网中的基本交换单元,它由控制分组(BCP-Burst Control Packet,作用相当于分组交换中的分组头)与突发数据BDP(净载荷)两部分组成。突发数据和控制分组在物理信道上是分离的,每个控制分组对应于一个突发数据,这也是光突发交换的核心设计思想。
光突发交换具有以下几个特点:
(1) 光突发交换机制结合了OCS和OPS的优点,交换粒度介于OCS的波长交换和OPS的分组交换之间,提供可变长度的突发流量。
(2) 使用带外信令控制机制,实行突发数据分组和控制分组(信令,相当于分组交换中的分组头)分离的异步传输交换机制。
(3) 单向预留机制。使用TAG(Tell-And-Go)或者ABT-IT(ATM block Transfer with Immediate Transmission)类似协议,Burst在控制分组发出后不用等待确认消息即可发出,减小端到端时延。
(4) offset-time机制。Burst数据在控制分组发出后一个offset-time后发出。
(5) 控制分组在网络中间节点需要进行光/电(O/E)转换,在电域进行处理,然后再进行电/光(E/O)转换。而数据分组以Cut-Through的方式通过中间节点完成端到端的透明传输。网络中间节点不需要缓存(当然适当FDL可以提高网络性能)。
1.2 OBS与OCS、OPS的比较
表1给出了三种光交换方式的简单比较。从中不难看出,OBS技术在支持分组业务的性能上高于波长路由方式,而实现难度(尤其是对光器件技术的要求)低于光分组交换。
2 OBS网络特点
突发数据就是一串突发性的语音流或数字化的信息。在线路交换中,每次呼叫由多个突发数据串组成;而在分组交换中,一串突发数据要分在几个数据包中来传输。OBS以突发包为交换粒度,与波长粒度的OCS和分组粒度的OPS相比,交换粒度适中。突发包为一些IP包组成的超长IP包,由几十或成百上千个具有相同的出口边缘路由器地址和相同的QoS要求的IP包组成,这些IP包来自传统IP网中不同的电IP路由器。突发包的汇聚工作由OBS入口边缘节点完成。
OBS的突出优点在于:BDP(突发数据包)的路由是由BCP(突发控制包)预先做出资源预留,减少了路由冲突,提高了效率;BDP在中间节点不需要光存储,直接进行转发,降低了对光器件的要求;BDP的交换全部在光域内完成,可以实现高速的光数据的交换;BCP可以利用成熟的电子处理技术在电域处理,避免了光子处理;BCP和BDP有唯一的对应关系,避免了复杂的光分组同步的要求;OBS的交换粒度大小适中,可实现QoS控制。
3 OBS中的竞争解决方法介绍
在无缓存的光网络中,处于竞争状态的突发包之中的一个会被丢弃,因此,在OBS网络中需要有效的竞争解决方法用以减小突发包的丢失率。本节将对各种竞争解决方案(如:波长变换、光延迟、偏射路由、突发包分段)进行分析。
3.1 OBS网络资源竞争的产生
在传统分组交换机中,当多个分组同时要到同一输出端口上去的时候,就发生了“冲突”,被称为“外部阻塞”。解决外部阻塞是通过缓存所有冲突分组,只让其中一个分组顺利通过。
核心节点在突发包到达之前就根据控制分组中的信息预留带宽。对于核心节点来说,对突发包的控制分组进行处理后,就可以获得突发包之间的相关信息。这时,如果两个或多个输入突发包要求在相重叠的时间区间内在同一端口的同一数据信道输出,就会产生所谓的“突发包竞争”问题。突发包之间的竞争会导致发生竞争的突发包数据的丢失,由于突发包到达的统计概率很难预测,因此如何降低OBS网络中因突发包竞争所导致的数据丢失率过高就成为OBS技术能否最终走向实用的关键技术之一。
3.2 光缓存[2,3]
光缓存技术与电缓存技术相似,若两个或多个分组争用同一个信道,就选中其中一个BDP预留其资源,其余BDP延时一定时间后再预留。但与电域交换中不同的是,在光域没有可用的光RAM,现有的光缓存技术只有采用FDL,利用光在光纤中的传播时延来完成光信号的缓存。光缓存对光信号的延时是有限的,与光纤的长度成正比。
由于目前光RAM还没有实现,目前只有用光延迟线(FDL: Fiber Delay Line)提供有限的缓存,其结构一般由一组光延迟线和交换矩阵组成。如图2(a,b,c)所示:
图2(a)中每个FDL存由N个延迟线组成,每个FDL能提供时延不同(从0到B=(N-1)×b,b为延迟单元),但是固定不可调。(b)中每个FDL时延相同,但是可以调节,调节范围可以从0到B=(N-1)×b=(20+21+…+2n) ×b,调节器可以使用多个2:2的交换结构来实现。(c)是(a)和(b)的结合体。所有的FDL缓存在输入端由k个1-N交换结构和N个k:l复用器组成,输出端由N个1:k解复用器和k个N:l的交换结构组成。这种结构运行k个波长信道共享一个FDL缓存。
图2是FDL缓存解决Burst竞争的过程,slot1状态b1和b2同时到达竞争同一输出端口,slot2状态按一定的规则对b1和b2进行处理,决定b1缓存,b2优先使用输出端口,根据规则配置FDL缓存,slot3时b2输出,b1在下一个状态输出。
研究表明,FDL在较低负荷的情况下,性能改善效果明显;将部分BDP延迟一部分时间,将有助于减少突发丢失率,因而对于数据业务减少了由于丢包引起重传的概率,从而提高了带宽利用率,提高了OBS系统的性能。
3.3 波长转换[4]
波长转换是解决突发包竞争问题的主要方法之一。若发生两个或多个光突发竞争,其中一个突发直通,另一个或其它几个突发交换到同一个输出端口,但是不同的波长。这种解决方案在竟争分组的延迟方面是最佳的,因为它不会引入附加延时。这种方法适合于电路交换,同样适合于光分组/突发交换网络,但需要快速可调谐变换器。
波长转换可以把输入的任一波长转换到任一其它波长。由于这种变换必须在电信号的控制下完成,所以必须采用可调的波长转换器(TWC:Tunable Wavelength Converter)。当存在多个波长信号要同时交换到同一输出端口的同一波长时,可以将其中几个波长先变换为输出端口中的其它空闲波长,然后再交换到同一输出端口中去。这种方法的有效性还依赖于这样一个事实:即同一输出端口中的不同波长通道是等效的。另外,全光的TWC价格昂贵,考虑采用部分波长交换(即不必为每个波长都配置波长转换器)是一种较为经济的节点实现方式,尤其是单光纤可复用的波长数目较多的情况。因此,只依赖波长转换并不能完全解决冲突问题。
采用波分复用技术,源端和目的端物理上虽然只有一根光纤相连,但是逻辑上有多个波长相连。如图4所示,当不同光纤同一个波长λ1上的两个数据同时向同一根输出光纤输出时,会产生竞争,但是如果将其中的一根光纤上的数据通过波长转换器转换到λ2,那么它将占用输出光纤的波长λ2,这样就可以有效的解决输出端口竞争。
波长转换将冲突的波长转换到另一个可用波长上,降低BDP丢失率,并且不会引入附加延时,不会引起接收端的顺序紊乱;对于低负载和高负载情况,波长转换的改善效果很明显,特别是对于具有较多波长的OBS网络。
3.4 偏转路由[5]
偏转路由是指当竞争发生时,突发数据不能交换到正确的输出端口,它将被路由到另一个可选输出端口,有可能通过另一条路径到达目的节点。
图5是偏转路由的例子。源A和B同时向目的地端发送Burst前(用b(A, E)和b(B, E)表示),首先在控制信道上发送控制分组(用c(A, E)和c(B, E)表示)。C(B, E)首先到达中间节点C,节点C和E之间的链路被预留给b(B, E)。当c(A, E)到达节点C时,输出链路还在被b(B, E)占用。节点C就检查其它空闲链路,选择节点C和D之间的空闲链路来偏转b(A, E)。节点D根据转发表将b(A, E)转发给E。这样仅仅增加了一些额外的传输时延而避免了输入端重发,从而提高了网络性能。
对于普通的偏转路由,偏转路由是假定缺省输出链路被占用时,其它大多数链路空闲可用作偏转路由。当流量负载比较低的时候,偏转路由能大大地降低数据阻塞概率;但是当流量负载增加,可使用的空闲链路减少,由于偏转流量占用正常流量的带宽而影响正常流量的传输,偏转路由可能比不使用偏转路由数据丢弃率更高。偏转路由应用到OBS节点中,能将被冲突的BDP偏射到另一个可用端口,以降低突发丢失率,一旦Burst进入网络就尽力将它发往目的地,而不是简单的丢弃。
3.5 Burst分片技术
3.5.1 分片的概念
OBS网络中将多个IP分组组装成一个burst,作为一个基本传输单元。但是在Burst发生竞争时,即使两个Burst重叠部分很小,也要将整个Burst丢弃。为了解决OBS这个缺陷,文献[6]提出了分片的概念,将Burst分成一些更小的传输单元叫做片(segment),每片由一个或者多个分组组成,片是burst的基本分离单元。当竞争发生时,仅仅与其他Burst相重叠部分的片才会被丢弃。如果考虑交换时间,当输出端口从一个Burst切换到另外一个Burst时,额外的一部分片也会被丢弃 (如图6) 。
当竞争发生时,有两种Burst丢弃方案。一种是丢弃原Burst的尾部;另一种是丢弃竞争分组的头部。头部丢弃策略中竞争Burst的头部片将会被丢弃。头部丢弃策略的优点在于一旦一个Burst到达节点时没有竞争,那么它将保证能全部通过一个节点而不会被其他Burst覆盖。但是由于Burst头部包含一些Burst拆分时需要的控制信息,如果头部丢弃拆分比较困难,所以,我们一般采用尾部丢弃策略。
尾部丢弃策略存在的问题在于当Burst尾部丢弃时,Burst的头部可能已经在分片前发送,控制信息中的Burst长度域中的内容仍然为Burst的原始尺寸。因此,下游节点收到控制信息时,并不知道这个Burst己经被截短,所以在下游节点处已经被上游节点丢弃的Burst尾部仍然可能与其他Burst发生竞争。这些竞争导致了额外的分组丢弃。一个简单解决方法就是当Burst分片时节点同时生成一个跟踪控制分组(Trailing control packet)来指示截短后Burst的结束。下游节点根据控制分组和跟踪控制分组综合判断Burst的实际长度。
尾部丢弃策略的改进方案:当竞争Burst的整个片的数目小于第一个Burst的尾部时,将丢弃竞争Burst,这样避免了短Burst覆盖长Burst的可能性,减少竞争时丢弃分组的数目。
Burst分片需要解决的问题:
a)交换时间。交换结构配置越慢,导致的分组丢弃率越高。
b)片边界检测。在OBS网络中,Burst片边界对于核心节点是透明的。分片时,考虑剩余Burst长度的在边缘节点处,Burst被接收和电处理,边缘节点必须能根据BCP中携带的控制信息检测片的边界以及判断片是否完整。
c)跟踪控制分组的生成。核心节点对Burst进行分片时,必须立即生成跟踪控制分组,跟踪控制分组在电域生成,在光域传送,跟踪控制分组的生成时间必须考虑。
3.5.2 分片偏转
Burst分片技术可以与偏转路由一起使用来提高降低分组丢弃率,提高整个网络的性能。如图7所示,当Burst头标b首先到达中间节点时,输出信道output 1仍然被Burst a占用,采用尾部丢弃策略,产生Trailer a,用来指示新的Burst a的结束,同时将截取下来的Burst a剩余部分产生一个新的控制头标Header 2和Burst a2偏转到另外一个输出信道output2。
5 结束语
本文基本简述了光突发交换网络中的资源预留协议,详细分析了各协议的工作原理,并对协议的优缺点进行了概括,通过研究OBS网络中的预留协议希望能得出更加科学有效的预留协议。
摘要：本文介绍了光突发交换的网络原理、网络结构和模块功能,结合国内外的研究成果,总结和讨论了光突发交换的资源预约机制,分析了它们的网络性能。
关键词：OBS,QoS,波长转换,调度算法
参考文献
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