CN101163348A - 光突发交换网络自适应汇聚方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光突发交换网络自适应汇聚方法及其装置，属于全光通信技术领域。来自接入网的数据首先进入OBS节点的业务分类器，分类器将数据按照目的地址和QoS要求进行分类提交给汇聚造配模块，汇聚适配模块负责记录汇聚排队中的数据长度与最先到达排队的数据包的等待时间并计算它们的和或乘积，如果和或乘积值达到预先设定的阈值，则由汇聚适配控制模块指令突发数据包产生器将排队中的数据封装成一个突发数据包由光发送模块发送，经光波分复用器进入链路。本发明对网络负载动态变化的适应能力强，在网络端到端时延性能方面起到均衡作用。
Description
技术领域
本发明涉及全光通信技术领域，特别涉及光突发交换(Optical BurstSwitching)网络的业务自适应汇聚适配方法。
背景技术
波分复用(WDM)技术为光通信提供了海量的传输带宽，一根光纤承载上百个波长信道，传输带宽达到几十至几百太比特每秒，而目前使用的核心路由器接收高速光信号，经过光/电转换后并行处理，再经过电/光转换复接成高速光信号向前传输。为了维持线速包转发，核心路由器不但需要大量的光/电/光转换设备和大量的并行处理，而且需要进行大量的复用、解复用。由于电子的本征特性制约交换模块的处理能力和交换速度。当前电子交换和信息处理网络的发展已经接近电子速率的极限，其固有的RC参数、时间抖动、漂移、串话、响应速度等缺点限制了交换速率的提高，这就是“电子瓶颈”。由于“电子瓶颈”的存在，交换速率受核心路由器背板速率的制约，且结构复杂，成本昂贵。克服“电子瓶颈”的办法是直接进行全光交换。
全光交换技术是指不经过任何光/电和电/光转换，直接将输入光信号数据交换到路由器的不同输出端口。研究中的全光交换技术主要有：光电路交换(Optical Circuit Switching，OCS)、光突发交换(Optical BurstSwitching，OBS)以及光分组交换(Optical Packet Switching，OPS)。已有研究人员比较三种光交换技术，其中光突发交换在光电路交换与光分组交换之间取得了很好的平衡。它结合了光和电的优点，其交换粒度适中、可以不依赖光缓存、实现容易、带宽利用率高等特性能适应网络业务增长及业务多样性的要求，交换时间根据粒度的不同采用纳秒级或微秒级光器件实现，能统计复用光网络带宽资源。
光突发交换是一种亚波长粒度的全光交换，通过将用户数据按照一定的汇聚方法封装成一定长度的突发数据包(例如在10Gbps速率下持续时间从几百微秒至几十毫秒)传输。这对电子器件的处理速度和光开关速度要求大大降低。同时由于光突发交换的突发数据包为超长数据包，突发控制包比光分组交换的分组数目小很多，控制信息在OBS节点需要进行的光/电和电/光转换少得多，数据读写操作少，因而比光分组交换更易于实现。与OPS相比，OBS对光器件的要求较低，受到的限制较少；与OCS相比，OBS具有更高程度的统计复用能力，更适应于突发性强的互联网网络业务。
在OBS网络的边缘，将具有相同的目的地址，相同业务等级(Class ofService，CoS)以及相同的服务质量(Quality of Service，QoS)要求的数据(如IP包、ATM信元等等)按照一定的汇聚方法封装成突发数据包，突发数据包的长度从几兆比特至几十兆比特。突发数据包的封装一般需要考虑两个参数，一个是数据汇聚时间：T，另一个是汇聚数据的长度：L。此外，还需考虑突发数据包长度是固定的还是随机的。目前的研究一般都是基于时间门限或基于长度门限进行封装的。文献中能查到的突发数据包封装方法主要有：1.基于汇聚时间门限方法：当最大汇聚时延达到一定时间阈值时，即当计时器达到一定时间阈值时，封装器封装数据，产生一个突发数据包。当业务突发起伏大时，其突发数据包长度变化较大，影响OBS网络的吞吐率。但当负载较大时，突发数据包可能过长，不利于网络性能的提高。2.基于汇聚长度门限方法：当汇聚数据的长度达到某一个大小阈值时，封装器封装数据，产生一个突发数据包。这种封装方法当负载较小时，数据时延较大，特别是对于实时业务，其端到端时延将有可能大大超过用户可接受的时延值。3.结合考虑汇聚时间和汇聚长度方法：当汇聚时间达到一定时间阈值后或者汇聚数据的长度达到某一个大小阈值时，封装器封装数据，产生一个突发数据包。这种封装方法不能自适应的随负载动态改变而改变。
因此，研究一种更理想的数据汇聚方法，即根据网络负载起伏或业务突发变化情况，动态地改变阈值，而且具有实现简单、配置经济的数据汇聚方法，仍然是一个值得研究的热点问题。
发明内容
针对上述目前突发数据汇聚方法优缺点的分析，本发明的目的是提供一用于全光通信网络的新的数据汇聚方法--一种光突发交换网络的业务自适应汇聚适配方法。
本发明的技术方案如下：
一种自适应汇聚适配产生突发数据包的方法如下：
(1)来自接入网络的数据经业务分类器分类后进入汇聚适配模块中的缓存队列中等候封装；
(2)计算等候封装数据的长度加权值与数据等待最长时间的加权值二者的和或者二者的积，看二者的和或者二者的积是否达到预先设定的阈值Bth，达到则封装，否则不封装等待新的数据到达。
在OBS节点处，将具有相同目的地址、相同QoS要求的数据包存储在节点的电缓存中，同时为这类数据包分配一个逻辑排队；为每个逻辑排队配置一个计时器和一个数据长度记录器用于记录时间和逻辑排队的长度；根据计时器和数据长度记录仪记录的值，按照自适应汇聚适配公式计：B＝α×Tmβ×Ln(其中T为逻辑排队中首先到达的数据包的等待时间；L为逻辑排队的长度；α和β分别为时间T和长度L的几何权重，m和n分别为时间T和长度L的指数权重；符号表示乘法或加法运算)计算逻辑排队的B值，当B大于或等于预先设定的门限阈值Bmin时，封装器将排队中的数据封装成一个突发数据包；当B小于阈值Bmin时，则不进行封装操作。
同时，光突发交换节点根据相关信息生成一个预定格式的控制包。根据路由信息向下一跳发送控制包去预约网络资源，突发数据包则进入输出缓冲区等待一段偏置时间后再发送。
上述自适应汇聚适配方法产生突发数据包的装置包括业务分类器、汇聚适配模块、汇聚适配控制模块、突发数据包和突发控制包产生器，来自接入网的数据首先进入业务分类器，分类器将数据按照目的地址和QoS要求进行分类提交给汇聚适配模块，汇聚适配模块负责记录汇聚排队中的数据长度与最先到达排队的数据包的等待时间和计算它们的和或乘积，如果计算值达到预先设定的阈值，则由汇聚适配控制模块指令突发数据包产生器将排队中的数据封装成一个突发数据包。
其中汇聚适配模块由随机存储器、计时器、数据长度记录器等组成，随机存储器用来缓存数据，数据长度记录器记录汇聚排队中的数据长度，计时器记录最先到达排队的数据包的等待时间，汇聚适配模块计算计时器与数据长度记录仪读数的和或乘积并判断计算值是否达到预设的阈值。
本发明提出的自适应汇聚适配方法与传统的基于时间门限和长度门限方法对比分析，从图3(图中α＝β＝1，m＝n＝1，同时算符取乘法)的分析比较可得：本发明提出的自适应适配方法对网络负载动态变化的适应能力最强，在网络端到端时延性能方面起到均衡作用，即负载较低时，端到端时延不会很大，负载较高时，不会频繁的封装突发数据包。同时产生突发数据包的装置没有额外增加器件，并且实现简单。
附图说明
图1是本发明光突发交换网络自适应汇聚适配方法产生突发数据包的简化结构框图。
图2是本发明光突发交换网络的自适应汇聚适配方法的原理示意图。
图3是本发明提出的自适应汇聚适配方法与传统的基于时间门限和长度门限方法的分析图。
图4是14节点21连接的NSF网络拓扑图。
图5是按照本发明的自适应汇聚适配方法仿真所得到的图4所示NSF网络数据汇聚排队时延曲线。
图6是按照本发明的自适应汇聚适配方法仿真所得到的图4所示NSF网络端到端时延曲线。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。
本发明提出的自适应汇聚适配方法产生突发数据包的简化结构框图如图1所示。图1所示简化结构由业务分类器、汇聚适配模块、汇聚适配控制模块、突发数据包和突发控制包产生器、调度模块、光发送模块、光波分复用器及存储突发控制包和突发数据包的电随机存储器组成。其中汇聚适配模块由存储器、计时器、数据长度记录器等组成。
其中，业务分类器主要用来对来自接入网的数据按照目的地址和QoS要求进行分类后按类提交给汇聚适配模块。汇聚适配模块主要由随机存储器、计时器、数据长度记录器组成。随机存储器用来缓存数据，数据长度记录器记录汇聚排队中的数据长度，计时器记录最先到达排队的数据包的等待时间。业务汇聚适配控制模块计算的计时器与数据长度记录仪读数的乘积并判断乘积值是否达到预设的阈值。突发数据包产生器将缓存中的数据封装成一个突发数据包，同时生成一个突发控制包。调度模块负责调度缓存中的突发控制包和突发数据包进入光发送模块发送。光波分复用器负责将多个波长的光信号复用到光纤链路上传输。
本发明提出的光突发交换网络的自适应汇聚适配方法的原理示意图如图2所示。方法的核心思想是：来自接入网络的数据经业务分类器分类后进入汇聚适配模块中的缓存队列中等候封装，判断封装的方法是结合考虑了存储数据的时间和等待封装的数据长度，即判断是否封装的判据是计算数据长度的加权值与数据等待最长时间的加权值二者的和或者二者的积，看二者的和或者二者的积是否达到预先设定的阈值Bth，达到则封装，否则不封装等待新的数据到达。
在光突发交换网络自适应汇聚方法及其实现装置的结构设计中，汇聚适配模块、汇聚适配控制模块、突发数据包和突发控制包产生器等是构建光突发交换网络自适应汇聚方法实现装置的基本模块，其中存储器、计时器、数据长度记录器等是构成汇聚适配模块的基本器件。作为一个实例，选用本发明中列举的这些基本器件构造模块，可实现如图1所示的自适应汇聚适配结构框图，按照图2所示的自适应汇聚方法可以实现光突发交换网络的节点自适应汇聚。
来自接入网的数据首先进入OBS节点的业务分类器，分类器将数据按照目的地址和QoS要求进行分类提交给汇聚适配模块，汇聚适配模块负责记录汇聚排队中的数据长度与最先到达排队的数据包的等待时间和计算它们的乘积。如果乘积值达到预先设定的阈值，则由汇聚适配控制模块指令突发数据包产生器将排队中的数据封装成一个突发数据包，同时由生成一个突发控制包。突发数据包和突发控制包存储在缓存器中，等候调度模块调度。被调度的突发数据包和突发控制包由光发送模块发送，经光波分复用器进入链路。
借助于仿真软件，按照本发明提出的自适应汇聚方法和自适应汇聚结构模型，建立了如图4所示14节点21连接的NSF光突发交换网络。图5是仿真所得到的NSF网络数据汇聚排队时延，图6是仿真所得到的NSF网络数据从进入OBS网络到离开的端到端时延。图5和图6中的曲线都采用的JET(JustEnough Time)资源预约协议，路由协议采用静态的最短路径优先(OSPF)协议，波长分配算法采用最先适配(first fit)算法，且图中的100Mbms，10Mb，20ms分别表示封装算法分别采用本发明所提出的自适应汇聚算法、固定长度数据汇聚算法、固定汇聚时间汇聚算法所得网络性能曲线。选取这些阈值是综合考虑在负载在0～1之间变化时，不同汇聚算法得到的突发数据包长度在同一负载下尽量接近，改变这些阈值取值时，所得曲线的值会相应发生改变，但曲线的形态不会改变。结合图5和图6可以看出，本发明提出的自适应算法在网络轻载时，数据不会因为汇聚而导致时延太大，在网络高载时，节点不会发出超大的突发数据包，即节点能根据当前业务动态变化自适应的改变数据汇聚排队时间和突发数据包的长度。
以上为本发明的实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见的想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种光突发交换网络自适应汇聚方法，包括：
(1)来自接入网络的数据经业务分类器分类后进入汇聚适配模块中的缓存队列中等候封装；
(2)计算等候封装数据的长度加权值与数据等待最长时间的加权值二者的和或者二者的积，判断计算值是否达到预先设定的阈值，达到则封装，否则不封装等待新的数据到达。
2.如权利要求1所述的光突发交换网络自适应汇聚方法，其特征在于：步骤1中进一步包括：在OBS节点处，将具有相同目的地址、相同QoS要求的数据包存储在节点的电缓存中，同时为这类数据包分配一个逻辑排队；并为每个逻辑排队配置一个计时器和一个数据长度记录器用于记录时间和逻辑排队的长度。
3.如权利要求1或2所述的光突发交换网络自适应汇聚方法，其特征在于：步骤2的计算等候封装数据的长度加权值与数据等待最长时间的加权值二者的和或者二者的积的公式为：B＝α×Tmβ×Ln，其中T为首先到达的数据包的等待时间；L为等候封装数据的长度；α和β分别为时间T和长度L的几何权重，m和n分别为时间T和长度L的指数权重；符号表示乘法或加法运算。
4.如权利要求1所述的光突发交换网络自适应汇聚方法，其特征在于：步骤2之后，包括：根据路由信息向下一跳发送控制包去预约资源，封装好的突发数据包则进入输出缓冲区等待偏置时间后再发送。
5.一种支持光突发交换网络自适应汇聚的节点结构，包括业务分类器、汇聚适配模块、汇聚适配控制模块、突发数据包和突发控制包产生器，其特征在于：来自接入网的数据首先进入业务分类器，分类器将数据按照目的地址和QoS要求进行分类提交给汇聚适配模块，汇聚适配模块负责记录汇聚排队中的数据长度与最先到达排队的数据包的等待时间和计算它们的和或乘积，如果计算值达到预先设定的阈值，则由汇聚适配控制模块指令突发数据包产生器将排队中的数据封装成一个突发数据包。
6.如权利要求5所述的支持光突发交换网络自适应汇聚的节点结构，其特征在于：汇聚适配模块主要由随机存储器、计时器、数据长度记录器组成，随机存储器用来缓存数据，数据长度记录器记录汇聚排队中的数据长度，计时器记录最先到达排队的数据包的等待时间。
7.如权利要求5或6所述的支持光突发交换网络自适应汇聚的节点结构，其特征在于：突发数据包产生器同时还生成一个突发控制包，突发数据包和突发控制包存储在缓存器中，等候调度。
8.如权利要求7所述的支持光突发交换网络自适应汇聚的节点结构，其特征在于：被调度的突发数据包和突发控制包由光发送模块发送，经光波分复用器进入链路。
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