CN100525239C - 光突发交换网络中的拥塞控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在光突发交换网络(OBS)中控制通信量拥塞的方法。所述方法包括根据应用于数据突发集的平均延迟来以概率丢弃数据突发。当平均延迟超过预定阈值时就开始防御性地丢弃数据突发。在OBS网络边缘，还可以根据数据分组是否传输拥塞响应通信量而把数据分组拆分成两个完全不同的流，再把每个流集合到不同的数据突发。在突发报头分组某个域内指示出数据突发的内容类型，以允许后面的核心路由器选择性地丢弃数据突发。

Description

光突发交换网络中的拥塞控制
技术领域
本发明涉及光突发交换网络中控制通信量拥塞的方法，以及实现所述方法的光突发交换网络的核心路由器和光突发交换网络的边缘路由器。
背景技术
在2000年10月的IEEE Journal vol.18，NO.10的选择的通信领域发表的题目为“Control Architecture in Optical Burst-Switched WDMNetworks”的文章描述了光突发交换(Optical Burst Switching，OBS)的基本概念，并给出了OBS网络中核心路由器和边缘路由器的总体架构。
互联网的急剧发展迫切需要更高的传输容量和具有史无前例的速率的高速互联网协议(IP)路由器。而且，密集波分多路复用(D-WDM)技术的出现使得光纤的传输容量有了极大提高，在这种技术中用单个光纤同时传输若干通信信道，而每个信道使用不同的光波长。
为了避开这种高速电子处理的潜在瓶颈，把具有相同网络出口地址和一些共同属性，如：服务质量(QoS)要求，的数据分组组合成数据突发，并作为一个整体通过网络转发。
图1显示了OBS网络OBSN的方框图，其中包括通过WDM链接WDML连在一起的光核心路由器CORE1～CORE5以及电子边缘路由器EDGE1～EDGE4。分组在网络入口组合成数据突发，然后经由OBS网络OBSN发送，并在网络出口分解成分组。边缘路由器EDGE1～EDGE4具有突发组合/分解功能，并支持遗留接口LI。
和数据突发一起，在时间上稍微提前一点用一独特的波长或信道传输突发报头分组(Burst Header Packet，BHP)。BHP包含引导数据突发通过OBS网络的必要信息。BHP由电子控制装置来处理，而实际的数据突发在交换时保持原样，即通过网络时不经过光/电转换。这样，OBS网络可以被认为是两个互相耦合的覆盖网，纯光纤网络传输数据突发，而混合控制网络传输BHP。
用光纤延迟线(FDL)来解决出口信道的争用，该延迟线将数据突发延迟固定的时间量直到获取出口信道。当从入口控制信道接收到BHP时，核心路由器首先读取时间标记和数据突发持续时间信息，以确定相应数据突发什么时候进入核心路由器及数据突发持续多长时间。然后，从限制到正确目的地的所有出口数据信道中搜索空闲出口数据信道，必要的话可能使用FDL来解决争用。接着，核心路由器调度出口控制信道上的BHP，及时配置光纤交换矩阵以使数据突发通过。其中配置信息包括输入数据信道标识符、输出数据信道标识符、交换数据突发的时间、数据突发的持续时间和FDL缓冲器标识符。
至于解决拥塞问题，前述文章中只提到，如果要调度的数据突发超过最大可实现延迟，该最大可实现延迟是最长FDL的延迟，那么就丢弃该数据突发。
用这种方式丢弃数据突发有一些严重缺陷，这在1998年4月互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force，IETF)发表的标题为“Recommendation on Queue Management and Congestion Avoidance inthe Internet”的征求意见(Request for Comment，RFC)中重新提到过。值得注意的是，传输控制协议(TCP)流将把拥塞避免机制应用于分组丢失，这导致TCP流在拥塞过程中后退。关于这种控制机制的众所周知的问题是，TCP源趋于同步，这导致围绕平衡有波动行为，且性能恶化(降低的链接使用减小了总吞吐量)。上述RFC描述了一种推荐用于队列管理的机制，称为随机早期检测(Random Early Detection，RED)。与只在缓冲器满时才丢弃分组的传统队列管理算法相比，RED算法是随机丢弃分组。丢弃的概率随着估计的平均队列大小的增大而增加。
然而，光学领域不存在这样的队列，因此，对于本领域的技术人员来说实现基于队列长度的RED算法并不简单。
发明概述
本发明的目的是提供一种控制OBS网络拥塞的方法，以避免前述缺陷。根据本发明，这个目的可以通过本发明的方法以及实施该方法的核心路由器来实现。
根据本发明的方法包括在把数据突发集传输到下一个中继之前，确定应用于所述数据突发集中的每一个的延迟，由此确定延迟集的步骤，其特征在于，所述方法还包括：在所述延迟集上确定平均延迟(D)；如果所述平均延迟大于预定阈值(Dthr)并小于最大可实现延迟(Dmax)，那么就以非零概率丢弃数据突发。
根据本发明的核心路由器包括调度装置(SCH)，所述调度装置用于，在把数据突发集传输到下一个中继之前，确定应用于所述数据突发集中每一个的延迟，由此确定延迟集，其特征在于所述调度装置还用于：在所述延迟集上确定平均延迟(D)；如果所述平均延迟大于预定阈值(Dthr)并小于最大可实现延迟(Dmax)，那么就以非零概率丢弃数据突发。
平均延迟是在延迟集上计算的，所述延迟集已经在数据突发传输到下一个中继之前为所述数据突发而确定。
确定延迟的方法在本发明的范围之外。调度程序可以只是简单查看信道未调度时间或信道的调度范围，该时间是不再调度数据突发的时间，或者尽量填补由FDL的延迟粒度造成的间隙。
对延迟求平均允许核心路由器吸收短突发通信量而不丢弃任何突发。求平均函数的选择是任意的。求平均函数可以是有或没有加权的算术平均，或技术人员已知的任何其它可选方法。所述数据突发集可以减少到一个，这样求平均就没有意义了。
其次，所述平均延迟还可用来决定是否主动丢弃数据突发以防范预期的网络拥塞。把所述平均延迟与相应的预定阈值相比较，如果所述平均延迟比所述预定阈值小，那么就按照通常的传输来调度所述数据突发。如果所述平均延迟比所述预定阈值大，那么就以非零概率丢弃所述数据突发。
“以非零概率丢弃”意味着丢弃决策是随机实验或伪随机实验的实现，其有两种可能的结果：所述数据突发被丢弃或所述数据突发被调度传输。所述数据突发被丢弃的概率是一个非零数p，0<p≤1，因此，所述数据突发被调度传输的概率是1-p。
相应频率分别是p和1-p的双态发生函数的任何一个频率都非常合适。
所述数据突发集和所述数据突发之间的关系没有明确提到，因为它是多方面的。所述数据突发可以是或不是所述数据突发集的一部分。前一种情况下，在作出丢弃所述数据突发的决策之前，必须首先确定应用于所述数据突发的延迟，然后在所述平均延迟内包含这个延迟。
根据本发明另一个实施例的核心路由器包括调度装置(SCH)，所述调度装置适于在把数据突发集传输到下一个中继之前，确定应用于所述数据突发集中每一个的延迟，由此确定延迟集；其特征在于所述调度装置还适于：在所述延迟集上确定平均延迟(D)；如果所述平均延迟大于预定阈值(Dthr)并小于最大可实现延迟(Dmax)，那么就以非零概率丢弃数据突发。
根据本发明的边缘路由器用于把分组交换网络(PSN)耦合于所述光突发交换网络，所述边缘路由器包括：集合装置(AGG1..AGGN”)，用于把数据分组集合成数据突发，传输装置(TX1..TXN”)，用于和数据突发一起发送突发报头分组，其特征在于：所述集合装置还用于，把属于响应拥塞信号的通信量流的数据分组和属于非响应拥塞信号的通信量流的数据分组集合成完全不同的数据突发；所述传输装置还用于，建立突发报头分组的信息域，以指示数据突发是否包含属于响应拥塞信号的通信量流的数据分组。
是否丢弃所述数据突发的决策还依赖于所述数据突发是否包括属于通信流量的数据分组，所述通信流量对拥塞信号作出响应，也就是说，当检测到拥塞时通信流量就应用某种拥塞避免算法。
这种通信流量的一个例子是，如1989年10月的RFC1122所规定的应用拥塞避免算法的TCP流。但是本发明并不局限于此。
拥塞信号是这样一种信号，源通过该信号探测网络中的拥塞，并由此作出相应的反应，比如分组丢失。它也可以是技术人员所知的任何其它种类的信号。可以把它想象成为这样一个例子，当出现预期拥塞时，网络就向源发送拥塞指示。
这种方法与前述方法相比的优点是，避免丢弃不包括拥塞响应通信量的数据突发，这是无用的努力。
根据本发明所述的方法的另一实施例还包括以下步骤：在所述光突发交换网络的边缘把属于响应拥塞信号的通信量流的数据分组和属于非响应拥塞信号的通信量流的数据分组集合成完全不同的数据突发。
在OBS网络的边缘，根据其与响应拥塞信号的通信流量是否相关，而将分组分成两个完全不同的流，然后，每个流集合成完全不同的数据突发。在数据突发报头分组的某个区域指示出数据突发的内容类型，使得后面的核心路由器对其进行区分并采取相应的措施。
这样，主动丢弃决策的效果，如果有的话，就得到了放大，这是由于有更多的源后退，因此，在很大因素上降低了总吞吐量，并使得核心路由器避免了拥塞。
分解分组的方法与适用于分组交换网络的协议套件紧密相关。
根据本发明所述的数据突发集至少包含所述数据突发。
根据本发明所述的方法还包括步骤：如果所述数据突发还包含属于响应拥塞信号的通信量流的数据分组，那么就以所述非零概率丢弃所述数据突发。
根据本发明所述的调度装置还用于，如果所述数据突发还包含属于响应拥塞信号的通信量流的数据分组，那么就以所述非零概率丢弃所述数据突发。
值得注意的是“包括”这个词，在权利要求中也用到，它不应该被解释为只局限于后面所列出的意义。因此，表达式“包含A和B的装置”的范围不应该局限于只有A和B两部分组成的装置。对于本发明来说，其意思是，装置的有关部分是A和B。
同样，要注意的是“耦合”这个词，在权利要求中也用到，其不应被解释为局限于只是直接连接。因此，表达式“装置A耦合于装置B”的范围不应局限于这样的装置或系统：其中装置A的输出直接连接于装置B的输入。这就意味着，在A的输出和B的输入之间还存在一条路经，该路径可能是包括其它装置或方法的路径。
下面结合附图，参见下面本发明实施例的详细描述，本发明的上述及其它目标和特征将更加显然，也有助于更好理解发明本身。
附图说明
图1是OBS网络OBSN的方框图；
图2是核心路由器的方框图；
图3是核心路由器交换控制单元的方框图；
图4是相对于到达时间的数据突发的时序安排；
图5是相对于平均延迟的丢弃概率；
图6是边缘路由器方框图；
图7是边缘路由器的突发汇集线方框图。
具体实施方式
图2描述了核心路由器CORE的方框图。核心路由器CORE包括下述功能块：
-光交换矩阵OSW，其由波长/空间交换结构组成；
-交换控制单元SCU，负责处理BHP以及相应配置光交换矩阵OSW；
-光纤延迟线FDL，每个光纤延迟线是延迟单元DU的倍数；
-输入光纤延迟线IFDL，为交换控制单元SCU中的BHP的处理等待时间提供补偿的时间预算；
-信道适配单元IMAP和OMAP，在交互节点传输域和内部节点信道域之间提供适配函数；
-光/电转换器O/E和电光转换器E/O。
核心路由器CORE可以将来自任一输入光纤IF1～IFN的任一数据信道的任一数据突发交换到任一输出光纤OF1～OFN’的任一数据信道。
图3进一步详细描述了本发明的交换控制单元SCU。交换控制单元SCU包括：BHP接收装置BRX，调度装置SCH，和BHP传输装置BTX。
调度装置SCH进一步包括：决策装置DET，求平均装置AVR，编程装置PRG和双态随机发生器RAND。
如图3所示，BHP接收装置BRX、决策装置DET、求平均装置AVR、编程装置PRG和双态随机发生器RAND按顺序互相耦合。编程装置PRG耦合于随机发生器RAND和光交换矩阵OSW。
BHP接收装置BRX主要进行层1(L1)和层2(L2)拆封。
当接收到来自入口控制信道的BHP时，BHP接收装置BRX从中提取出必要的数据以引导相应的数据突发通过光交换矩阵OSW。这些数据是：
-传输数据突发的入口数据信道λimn(其中m和n是正确范围的索引)的标识符；
-BHP和相应数据突发之间的偏移时间T；
-数据突发的持续时间Δ；
-OBS网络中数据突发的目的地址。
BHP接收装置BRX还从BHP中提取关于相应数据突发是否包含拥塞响应通信量的指示C。
BHP接收装置BRX确定BHP到达时间，由此计算相应数据突发到光交换矩阵OSW的到达时间t，该时间是BHP到达时间、偏移时间τ和输入光纤延迟线IFDL的延迟时间的总和。
BHP接收装置BRX执行转发表查询以确定一组出口数据信道ΓO，以转发数据突发到该组信道。
BHP接收装置BRX将下述信息传送到调度装置SCH：
-入口数据信道λimn标识符；
-数据突发的到达时间t和持续时间Δ；
-转发数据所到的出口数据信道组ΓO
-数据突发是否包含拥塞响应通信量的指示C。
调度装置SCH负责调度出口数据信道的数据突发的交换以及出口控制信道的相应BHP的传输。
决策装置DET从出口数据信道组ΓO中确定出口数据信道λOm′n′以及确定应用于该信道的数据突发的延迟d。延迟d被表示为延迟单元DU的倍数。延迟d可以是零。
优选的调度算法是最近获取的无填充的未使用信道(Latest AvailableUnused Channel With Void Filling，LAUC-VF)算法。关于该算法的详细信息请参阅前述文章。显然，对于本领域的技术人员来说，本发明并不局限于这个算法。
例如，图4示出了4个数据突发DB1～DB4相对于其到达时间的调度时序。数据突发DB1可以在没有任何附加延迟情况下进行调度(d1＝0)。数据突发DB2必须要延迟1个延迟单元(d2＝1×DU)，这是因为在数据突发DB2进入光交换矩阵OSW时，出口数据信道被占用。数据突发DB3没必要延迟，因为它非常短，足以满足数据突发DB1和DB2之间的空隙时间。数据突发DB4要延迟两个延迟单元(d4＝2×DU)。
如果延迟d大于最大可实现延迟Dmax，该最大延迟是光纤延迟线FDL的最长延迟时间，那么就丢弃数据突发，停止调度过程，不再有进一步处理。
求平均装置AVR将由此所确定的延迟d存储到合适的地方以备以后取回。本发明的优选实施例是采用循环缓冲器。读指针和写指针索引每一个循环缓冲器。读指针限定求平均窗口的起始位置，而求平均窗口的长度预先已经知道。写指针指向存储下一个延迟的位置。当到达缓冲器边界而要存储并包围新延迟时，两个指针都递增。显然，对于本领域技术人员来说，还有许多不同的存储延迟的方式，也有许多不同结构和索引的存储区域。
本发明的优选实施例中，对已经在同一数据信道组上调度的若干数据突发求平均，因而，就有与数据信道组同样多的循环缓冲器。
在本实施例中，优选的是无加权的算术平均。
求平均装置AVR为相应于出口数据信道λOm′n′的信道组计算平均延迟D，把由此计算得到的延迟传送到编程装置PRG。
如果C指示出数据突发包含拥塞响应通信量，那么编程装置PRG就调用双态随机发生器RAND，以平均延迟D作为输入。根据概率定律，随机发生器RAND返回是否丢弃数据突发的决策结果，所述概率定律是平均延迟D的函数。
图5给出了这种概率定律的一个实施例。如果平均延迟D小于阈值Dthr，那么随机发生器RAND就总是返回“调度(schedule)”作为决策结果。如果平均延迟D大于阈值Dthr，而小于最大可实现延迟Dmax，那么随机发生器RAND就返回“调度”或“丢弃(drop)”作为决策结果。
如图5所示的概率定律可以用rand()子程序来实现，该子程序返回一个在0和1之间均匀分布的随机数。然后，通过把返回的随机数与阈值进行比较，该阈值等于期望概率，就可以得到丢弃决策结果。双态随机发生器还有其它一些实施例。
如果数据突发允许被调度，则编程装置PRG就把下述信息发送到光交换矩阵OSW：
-入口数据信道λimn标识符和出口数据信道λOm′n′标识符；
-数据突发的到达时间t和持续时间Δ；
-应用于所述数据突发的延迟d。
通过光交换矩阵OSW对带有期望特征的光路经及时编程，以使数据突发由此通过。
数据突发的离开时间是到达时间t和延迟时间d的总和，其与出口数据信道λOm′n′标识符一起被发送到BHP传输装置BTX。
BHP传输装置BTX建立BHP，并在与出口数据信道λOm′n′相关的出口控制信道上传输该BHP。所述BHP和其相应的数据突发之间有一理想偏移τ0，以补偿延迟和处理时延变化。
在本发明的另一实施例中，不求平均，由决策装置DET为数据突发所确定的延迟d同样被编程装置PRG所采用，以调用随机发生器RAND和决定是否丢弃数据突发。
在本发明的另一实施例中，求平均装置预先计算平均延迟D，只要新数据突发进来，就立即求平均延迟，使得编程装置PRG用此作出丢弃决策。只有当为新数据突发确定的延迟d不是平均延迟D的一部分时，上述方法才可实现。这样，就可以避免由于求平均而引入额外的处理时延，而这可能是相当耗费时间的处理过程。
图6显示了边缘路由器EDGE的方框图。边缘路由器EDGE包括下述功能模块：
-线卡LINE1～LINEN”，用于从分组交换网络中止遗留接口LI1～LIN”；
-突发汇集线BAL1～BALN”，每条线汇集一个数据信道组(DCG1～DCGN”)的数据突发；
-电子路由器ESW，用于把数据分组发送到正确的突发汇集线。
这里不涉及分解装置，因为它们不属于本发明的范围。
在本发明的优选实施例中，边缘路由器EDGE适于将基于IP的网络耦合到OBS网络。但是，本发明并不局限于此，只要边缘路由器可以区分传输拥塞响应通信量的分组和不传输拥塞响应通信量的分组，本发明就可以延伸到任何类型的分组交换网络。
图7给出了本发明的突发汇集线BALi的更详细信息，突发汇集线BALi包括：
-集合装置AGGi，用于把数据分组集合成数据突发；
-调度装置SCHi，用于调度数据突发和BHP用于传输；
-传输装置TX厘，用于传输调度装置SCHi指定的BHP和数据突发；
集合装置AGGi、调度装置SCHi、和传输装置TXi按顺序互相耦合。
集合装置AGGi还包括：分类装置SORTi；排队装置QUEUEi，包括多个输入队列；和汇集装置ASSi。
分类装置用于根据下述准则把输入的IP分组分派到正确的队列：
-IP分组要在此分解的出口路由器地址；
-IP分组所属的服务类型；
-IP分组是否传送传输控制协议(TCP)通信量，例如：根据IP报头内的协议域的值来决定。
作为与本发明相一致的结果，传送传输控制协议(TCP)通信量的IP分组和传送不包含TCP通信量的分组进入不同的队列，由此汇集成完全不同的数据突发。
排队装置QUEUEi包括多个先进先出(FIFO)队列，其中IP分组在汇集前被存储。用G表示OBS网络中出口边缘路由器的数目，用S表示QoS类型数目。排队装置QUEUEi包括2×S×G个输入队列Q1～Q2×s×G，其中因子2表示TCP通信量识别力。
汇集装置ASSi以每个输入队列为基础维持一个计时器，当第一个IP分组进入空队列时，计时器开始计时。如果队列中存储的总字节数达到某个预定的阈值，或者如果计时器已满，那么就汇集一个数据突发，并发送到调度装置SCHi。和数据突发一起还有一个关于数据突发是否包含TCP通信量的指示也被发送到调度装置SCHi。
同样也可以使用现有的其它汇集机制。
根据突发类型和QoS要求，调度装置SCHi以一定顺序调度要传输的数据突发。它跟踪每个信道入i1～入iM”i的未调度时间(即未来可用时间)。对于给定的突发，调度装置SCHi试图找到分别在数据信道和控制信道上发送数据突发和BHP的最早时间。在BHP及其数据突发之间保持偏移τ0。
传输装置Txi负责建立BHP，并传输BHP和相应的数据突发。为完成这个任务，调度装置SCHi为传输装置Txi提供所有必要的信息，包含数据突发是否含有TCP通信量的信息。传输装置Txi还用于更新BHP的信息域以指示出相应数据突发的内容类型。信息域的选择是任意的。
最后值得注意的是，上述本发明的实施例是根据功能块来进行描述的。从上述给出这些块的功能描述中，对于设计电子装置领域的技术人员来说，怎样用已知的电子元件来制造这些块的实施例是很显然的。因此，这里没有给出功能块内容的详细架构。
尽管上面已经结合特定的装置详细描述了本发明的原理，需要理解的是这只是通过例子来描述的，并不是为了限定本发明的范围。

Claims (7)

1.一种在光突发交换网络中控制通信量拥塞的方法，所述方法包括：在将数据突发集传输到下一个中继之前，确定应用于所述数据突发集中每一个的延迟，由此确定延迟集，该方法的特征在于还包括以下步骤：
在所述延迟集上确定平均延迟；
如果所述平均延迟大于预定阈值并小于最大可实现延迟，那么就以非零概率丢弃数据突发。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述数据突发集至少包含所述数据突发。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于所述方法还包括以下步骤：如果所述数据突发还包含属于响应拥塞信号的通信量流的数据分组，那么就以所述非零概率丢弃所述数据突发。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于所述方法还包括以下步骤：在所述光突发交换网络的边缘，将属于响应拥塞信号的通信量流的数据分组和属于非响应拥塞信号的通信量流的数据分组集合成完全不同的数据突发。
5.一种光突发交换网络的核心路由器，包括调度装置，所述调度装置包括确定装置，该确定装置用于在把数据突发集传输到下一个中继之前，确定应用于所述数据突发集中每个数据突发的延迟，由此确定延迟集，
其特征在于，所述调度装置还包括：
求平均装置，其耦合到所述确定装置，并且用于在所述延迟集上确定平均延迟，
编程装置，其耦合到所述求平均装置，并且用于如果所述平均延迟大于预定阈值并小于最大可实现延迟，那么就以非零概率丢弃数据突发。
6.根据权利要求5的核心路由器，其特征在于，所述数据突发集至少包含所述数据突发。
7.根据权利要求5的核心路由器，其特征在于，所述编程装置还用于：如果所述数据突发还包含属于响应拥塞信号的通信量流的数据分组，那么就以所述非零概率丢弃所述数据突发。
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