CN101426152B - 基于突发交换的集成型混合光网络的数据传送方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于光网络通信技术中的数据传送方法，该方法在原物理拓扑网络的基础上，将光电路交换(OCS)和光突发交换(OBS)有机结合，并从每条物理链路中预留波长建立溢出传送光路，将原OBS因预约冲突将丢弃的数据包送入该光路继续传送，从而解决了因一次预约冲突便丢包的问题；网络运行中大部分数据包采用OCS方式传送，当数据传送量呈高突发性时，启用OBS方式及溢出传送光路传送到目的节点；而当OCS光路畅通时又可切换回OCS方式传送，从而能够灵活地根据网络当前状况调整传送方式并可大幅度降低丢包率。因而本发明既具有OCS的高效率又具有OBS的灵活性，对突发数据流的传送能力及适应性强，网络传送迅速、可靠性高，且不需额外的光器件等特点。

Description

基于突发交换的集成型混合光网络的数据传送方法

技术领域

本发明属于光网络通信技术领域，特别是一种针对数据传送量呈高突发性的网络环境中，采用集成型光网络进行数据传送的方法。

背景技术

随着网络通信技术的发展，宽带通信网络出现了两个明显的趋势。一方面，以IP为代表的分组业务已经占据主导地位；另一方面，下层的传送网络将主要是基于WDM(波分复用)技术的光网络。因此，如何针对IP业务的特点进行光网络的优化设计成为骨干网络设计中最关键的问题之一。

现有的基本光网络交换技术包括：光电路交换、即OCS(Optical Circuit Switching)，光分组交换、即OPS(Optical Packet Switching)和光突发交换、即OBS(Optical BurstSwitching)，它们虽然均实现了全光交换，且各具有一定特点，亦均存在各自的不足之处，特别是在数据传送量频繁变化或呈高突发性交换的网络环境中进行数据传送时均存在难以克服的障碍。其中：

光电路交换类似于电路交换，具有面向连接的特性，一旦端到端的光路(lightpath)建立成功，就可以实现业务流在光域上端到端的透明传输；然而，IP业务最主要的特点是其突发性，业务量大小的不可预测性以及业务量持续时间的频繁变化特性，再考虑光路建立、维护和拆除等开销，完全根据IP业务请求动态地建立和拆除光路是难以实现的。光分组交换与传统的分组网络(交换)类似，采用存储转发技术，由于它允许统计复用通道的带宽资源，因而比较适合承载突发业务；然而，有效支持OPS的光开关技术尚不成熟及在交换机入口分组的同步性也不能得以保证，因此，对于真正意义上的光域上的存储还不能实现，目前只能依靠光纤延迟线FDL(Fiber Delay Lines)解决燃眉之急；此外，由于FDL的使用也受到信号质量和物理空间的限制，目前尚无法提供具有足够灵活性和足够人缓存手段。而光突发交换的传输粒度介于OCS和OPS之间，其传送的方法是：在数据到达OBS网络边缘节点时的分组按照目的地址和服务质量QoS(Quality of Service)的原则被汇聚成突发包(Burst)再进行传输和交换，同时建立一个突发头分组(包)BHP(Burst Header Packet)，各突发头(BHP)先于突发包(Burst)进入核心交换网络的控制信道，在途径的每一个交换节点处为对应的Burst预约波长资源(传输通道)，使得Burst能够实现全光交换；然而，目前OBS技术存在的关键问题是没能解决好预约冲突的问题，因而在传送过程中导致突发包(Burst)被丢弃(丢包)的现象(事故)则没法避免。

混合交换技术就是同时集合了两种或两种以上的基本交换技术，并将其有机组合而成。其中集成型混合光网络交换技术采用OCS和OPS交换技术进一步集成而成。在集成型混合光网络中OPS和OCS两种交换技术享有相同的带宽资源，每个节点都有OCS和OPS能力，并且每个节点都能决定数据的交换方式。目前的集成型混合光网络交换技术有两种，一种是ORION(Overspill Routing in Optical Network)即“光网络中的溢出路由方法”(见文献：E.Van Breusegem，J.Cheyns，D.De Winter，D.Colle，M.Pickavet，P.Demeester，J.Moreau，A broad view on overspill routing in optical networks：a real synthesis of packet and circuit switching？，Optical Switching andNetworking，1(1)，pp.51-64，2004.)，另一种是支持服务保证及平滑升级的光分组交换方法OpMiGua project、即“Optical packet-switched migration-capable networkswith service Guarantees”，(见文献：S.Bjornstad，M.Nord，D.R.Hjelme，QoSdifferentiation and header/payload separation in optical packet switching usingpolarisation multiplexing，in proceedings of ECOC 2003，Rimini(Italy)，Sept.2003，Mo3.4.6，pp.28，29.)。它们整体方案一致，只是采用不同的调制方式为数据包打上光标签；其共同特征是在传送过程中各个节点都需要探测经过它的每个数据包上的光标签，而且是在光路中间节点进行逐跳探测，此外，还需要将数据插入到光路空隙。此类集成型混合交换技术的主要缺点在于各个节点都需对光标签进行探测，以及对光路的提取和插入操作等，而且实现这些功能对光器件的性能要求极高，既不易实现、而且代价亦过大。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种基于突发交换的集成型混合光网络的数据传送方法，以使网络运行处于数据量呈突发性的环境下能够灵活地根据当前光路状况迅速、及时调整传送方式，从而达到确保网络传送迅速、可靠以及简便高效运行，且不需增设额外的光器件类硬件等目的。

本发明的解决方案是在原物理拓扑网络的基础上，将光电路交换(OCS)和光突发交换(OBS)两种交换技术有机地结合起来，同时从每条物理链路中预留有限数量的波长资源来建立溢出传送光路，以有效降低光突发交换中因预约冲突而造成的丢包问题；在网络运行过程中大部分数据包采用OCS技术传送到目的节点，当数据传送量呈高突发性的时候，采用OBS技术继续传送至目的节点；而当OCS光路畅通时、即经过一跳便可直接到达目的节点时，则又可切换回OCS的交换方式传送到目的节点，从而实现其目的。因此，本发明方法包括：

A.建立溢出传送光路：首先从每条物理链路中预留有限数量的波长资源建立溢出传送光路，作为数据传送量呈高突发时的控制信道及数据信道的备用光路；

B.建立混合光交换网络：剩余的波长资源根据各节点数据传送量的矩阵来构建虚拓扑网络，用于采用光电路交换(OCS)和光突发交换(OBS)技术进行数据传送；

C.数据传送：当数据流进入本网络节点即按以下步骤进行传送：

步骤1.0：选择光电路交换光路：进入网络节点的接入网数据流(数据包即为IP分组形式)，按各数据包的目的地址并依据OCS光路表判断光路是否存在；如果是，则转步骤2.0；否则转步骤3.0，将数据包送入溢出缓存；

步骤2.0判断光路的承载量：判断进入当前光路缓存的数据包总量是否超过其容量的上限或设定的限定值，若是，则转步骤3.0、将该数据包送入溢出缓存；否则，将数据包放入光路缓存2.1，并记录光路缓存占用情况，然后转2.2等待；

步骤3.0组装突发包并建立突发头：将由步骤1.0或/和2.0进入该溢出缓存中的溢出数据包组装成突发包，同时建立对应的突发头，然后转步骤4.0；

步骤4.0确定溢出数据路由：按溢出数据拟到达的目的地址及根据路由表确定需经过的各节点以及在各节点处的转发端口后，转5.0发送；

步骤5.0发送突发头及突发包：将由步骤4.0进入的溢出数据中的突发头首先发送到核心网节点7.0的控制信道，继后将对应的突发包发送到该节点7.0的数据信道；

步骤6.0发送数据包：由步骤2.2进入的数据包根据当前光路状况将其发送至核心网节点7.0；

步骤7.0接收数据包并判断是否到达目的节点：根据突发头(BHP)上记载的目的地址，如果本地地址是目的地址，则转步骤11将突发头送达目的节点，突发包亦随之到达；如果不是目的地址则转步骤8.0；

步骤8.0选择溢出数据传送光路：进入核心网的突发头及突发包按其记载的目的地址并依据OCS光路表判断光路是否存在；如果不是，则转步骤9.0进入光突发交换；如果是，则转步骤8.1；

步骤8.1判断光路的承载量：判断进入当前光路缓存数据包的总量是否超过其容量上限或设定的限定值，若是，则转步骤9.0进入光突发交换(OBS)；否则，返回步骤2.1进入光电路交换(OCS)；

步骤9.0溢出数据以光突发交换(OBS)方式传送：将进入光突发交换的溢出数据按照拟到达的目的地址及根据路由表确定下一跳的转发端口，并从转发端口将数据包送至下一节点9.1转发，转发成功，则转步骤10发送突发头及突发包；否则，则转步骤12；

步骤10发送突发头及突发包：将进入步骤9.1的溢出数据中的突发头首先发送到核心网的下一节点7.0的控制信道，继后再将对应的突发包发送到该节点7.0的数据信道；反复进行步骤8.0至步骤7.0，直至数据包到达目的地址11；

步骤11数据包到达目的地址并按常规方法进行数据处理；

步骤12将步骤9.1没能正确转发的数据包丢弃并记录丢失量。

上述从每条物理链路中预留有限数量的波长资源建立溢出传送光路，作为数据传送量呈高突发时的控制信道及数据信道，其所述有限数量的波长为≥2条波长，而所述预留波长中用作控制信道与数据信道的波长条数之比为1∶1-5。而所述突发头首先发送到核心网节点7.0的控制信道，继后再将对应的突发包发送到该节点7.0的数据信道，其所述继后的偏移时间范围为单位偏移时间与途经的节点数之积。

本发明在原物理拓扑网络的基础上，将光电路交换(OCS)和光突发交换(OBS)两种交换技术有机地结合起来，同时从每条物理链路中预留有限数量的波长资源来建立溢出传送光路，将原光突发交换中的因预约冲突将丢弃的数据包送入溢出传送光路继续传送，从而解决了因一次预约冲突便造成丢包的问题；在网络运行过程中大部分数据包采用OCS方式传送到目的节点，当数据传送量呈高突发性的时候，启用OBS方式及溢出传送光路辅助传送到目的节点；而当OCS光路畅通时又可切换回OCS的交换方式传送，从而使网络传送能够灵活地根据其当前状况调整传送方式并可大幅度降低丢包率。因而本发明数据传送方法既具有OCS的高效率又具有OBS的灵活性，对突发数据流的传送能力及适应性强，网络传送迅速、可靠性高，且不需额外的光器件等特点。

附图说明

图1为本发明光网络的数据传送流程图；

图2为本发明实施例一数据传送原理图；

其中，A、B、C、D、E表示光突发交换(OBS)5个节点，a、b、c、d、e表示光交叉连接设备，m表示正常数据，n表示溢出数据，粗实线表示一条从A到E的OCS光路，虚线表示从A到D的OCS光路，双点画线表示从D到E的OCS光路。

图3为本发明实施例二由14个节点构成的网络(NSFNET-14)拓扑结构示意图；图中0-13分别表示14个节点位置。

具体实施方式

实施例一：本实施例以由五个节点(A、B、C、D和E)组成的物理拓扑网络为例，网络中每根光纤上有四个波长，各链路均为双向链路，附图2为本实施例数据传送原理示意图；本实施例传送方法为：

A.建立溢出传送光路：首先从每条物理链路中预留2个波长并采用经典的最短路算法(Dijkstra算法)建立溢出传送(备用)光路，其中1个波长作为控制信道、另1个波长作为数据信道；

B.建立混合光交换网络：剩余的波长资源根据5个节点的数据传送量矩阵

来构建用于光电路和光突发混合交换的虚拓扑网络；根据启发式逻辑拓扑设计算法(Heuristic Logical topology Design Algorithm)得出光路分别为：a-b-c-d-e，a-b-c-d，d-e，这些光路的平均承载容量即分别为50、20、15，当进入光路缓存的IP分组同时到达的量如果超过对应的平均容量时，即为产生突发性数据量；

C.数据传送：当数据流进入本网络节点后即按下述步骤进行传送：

步骤1.0：首先选择OCS光路，根据各数据包的目的地址并依据OCS光路表判断光路是否存在，若是，则转步骤2.0(当光路a-b-c-d-e、a-b-c-d及d-e负载均处于正常(轻载)状态时，此时传送的数据均为正常数据m，各光路按常规OCS交换方式传送，即依次按1.0-2.0-2.1-2.2-6.0-7.0-11步骤直达目的地址)；当无光路存在时，则将数据包送入溢出缓存3.0(此时进入溢出缓存的数据即为n)；

步骤2.0：判断进入当前光路缓存数据包的总量是否超过其容量上限150个数据包(每个数据包为定长1250Bytes)，若是，则产生溢出数据并将该溢出数据转步骤3.0缓存；否则，按常规OCS交换方式传送至目的节点；

步骤3.0：将由步骤1.0或/和2.0送入溢出缓存的数据包按照最小长度最大汇聚时间方法(Min-Burst-Length Max-Assembly-Period algorithm)组装成突发包并建立对应的突发头：然后转步骤4.0以确定溢出数据路由；

步骤4.0：经步骤3.0进入的突发包及对应的突发头，按其拟到达的目的地址并采用偏折路由确定需经过的各节点及在各节点处的转发端口后，转5.0采用最近有效未使用信道-最小空隙传送方法(Latest Available Unscheduled Channel-Void Filling)发送数据包；

步骤5.0：将由步骤4.0进入的溢出数据中的突发头首先发送到核心网节点7.0的控制信道，在突发头经过各节点所耗时不超过200μS的电域处理时延(单位偏移时间)之和(即单位偏移时间与途经的节点数之积)后将对应的突发包发送到该节点7.0的数据信道；

步骤7.0：根据各突发头(BHP)上记载的目的地址判断，如果当前地址是目的地址，则转步骤11将突发头送达目的节点，突发包随之到达；如果不是目的地址则转步骤8.0；

步骤8.0：由步骤7.0进入的突发头及突发包按其记载的目的地址并依据OCS光路表选择溢出数据传送光路；如果不存在传送光路，则转步骤9.0进入光突发交换；如果存在，则转步骤8.1判断光路的承载量；

步骤8..1：判断进入当前光路缓存数据包的总量是否超过其容量上限或其限定值，若是，则转步骤9.0进入光突发交换(OBS)；否则，返回步骤2.1按常规OCS交换方式传送至目的节点；

步骤9.0：将进入光突发交换的溢出数据按照拟到达的目的地址及根据偏折路由确定下一跳的转发端口，并从转发端口采用最近有效未使用信道-最小空隙传送方法(LatestAvailable Unscheduled Channel-Void Filling)将数据包送至下一节点9.1转发，转发成功，则转步骤10发送突发头及突发包；否则，则转步骤12；

步骤10：将进入步骤9.1的溢出数据中的突发头首先发送到核心网的下一节点7.0的控制信道，在突发头经过剩余各节点所耗时不超过200μS的电域处理时延(单位偏移时间)之和后将对应的突发包发送到该节点7.0的数据信道；反复依次进行步骤8.0-8.1-9.0-9.1-10-7.0，直至数据包到达目的地址11；

步骤11数据包到达目的地址后进行数据量及平均时延数据统计等处理；

步骤12将步骤9.1中因突发头预约时间段发生冲突的数据包丢弃并记录丢失量。

实施例二：本实施例以由14个节点构成的物理拓扑网络数据传送为例，图3为本实施例NSFNET-14物理拓扑结构示意图；网络中每根光纤上有八个波长，各链路均为双向链路，本实施例数据传送方法为：

A.建立溢出传送光路：首先从每条物理链路中预留2个波长并采用经典的最短路算法(Dijkstra算法)建立溢出传送(备用)光路，其中1个波长作为控制信道、另1个波长作为数据信道；

B.建立混合光交换网络：剩余的六个波长资源根据14个节点的数据传送量矩阵

来构建用于光电路和光突发混合交换的虚拓扑网络；根据启发式逻辑拓扑设计算法(Heuristic Logical topology Design Algorithm)得出光路分别为：0-1，1-0，1-2，1-0-4-3，……共119条，这些光路的平均承载容量即分别为581、777、1171、856、……，当进入光路缓存的IP分组同时到达的量如果超过对应的平均容量时，即为产生突发性数据量；

C.数据传送：根据14个节点的数据传送量矩阵计算得到该网络的平均链路负载为0.620623(链路满负载时为1)，当数据流进入本网络节点后其数据传送步骤与实施例一相同；

其中IP包的定长为1250Bytes，波长信道的传输速率为10Gb/s，即一个包的传输时延为1μS；突发包的汇聚采用与实施例一相同的最小长度最大汇聚时间的方法汇聚，汇聚队列为150个，IP包最大汇聚时间为500μS，单位偏移时间为40μS。

本实施例仿真实验：仿真平台的搭建基于OPNET，仿真在网络业务量动态变化下进行，测试指标是相同资源配置情况下传统的OCS网络(即采用传统的OCS技术传送数据的网络)与本发明方法通过仿真实验比较两者的丢包率：当网络平均数据量突发性增大至0.887546时，传统的OCS网络丢包率为13.15％，而本发明的丢包率仅为7.06％，较传统OCS网络丢包率下降46.31％；而当边缘节点处设有的光路缓存大小分别为500M，100M，50M时，本发明方法较传统的OCS网络平均丢包率分别下降了49.26％、33.23％、30.07％。

Claims (3)

1.一种基于突发交换的集成型混合光网络的数据传送方法，其方法包括：

A.建立溢出传送光路：首先从每条物理链路中预留有限数量的波长资源建立溢出传送光路，作为数据传送量呈高突发时的控制信道及数据信道的备用光路；

B.建立混合光交换网络：剩余的波长资源根据各节点数据传送量的矩阵来构建虚拓扑网络，用于采用光电路交换和光突发交换技术进行数据传送；

C.数据传送：当数据流进入本网络节点即按以下步骤进行传送：

步骤1.0：选择光电路交换光路：进入网络节点的接入网数据流，按各数据包的目的地址并依据OCS光路表判断光路是否存在；如果是，则转步骤2.0；否则转步骤3.0，将数据包送入溢出缓存；

步骤2.0判断光路的承载量：判断进入当前光路缓存的数据包总量是否超过其容量的上限或设定的限定值，若是，则转步骤3.0、将该数据包送入溢出缓存；否则，转步骤2.1，并记录光路缓存占用情况，然后转步骤2.2；

步骤2.1将数据包放入光路缓存；

步骤2.2进行等待；

步骤3.0组装突发包并建立突发头：将由步骤1.0或/和2.0进入该溢出缓存中的溢出数据包组装成突发包，同时建立对应的突发头，然后转步骤4.0；

步骤4.0确定溢出数据路由：按溢出数据拟到达的目的地址及根据路由表确定需经过的各节点以及在各节点处的转发端口后，转步骤5.0进行发送；

步骤5.0发送突发头及突发包：将由步骤4.0进入的溢出数据中的突发头首先发送到核心网节点的控制信道，继后将对应的突发包发送到该节点的数据信道；

步骤6.0发送数据包：由步骤2.2进行等待后进入的数据包根据当前光路状况将其发送至核心网节点；

步骤7.0接收数据包并判断是否到达目的节点：根据突发头上记载的目的地址，如果本地地址是目的地址，则转步骤11将突发头送达目的节点，突发包亦随之到达；如果不是目的地址则转步骤8.0；

步骤8.0选择溢出数据传送光路：进入核心网的突发头及突发包按其记载的目的地址并依据OCS光路表判断光路是否存在；如果不是，则转步骤9.0进入光突发交换；如果是，则转步骤8.1；

步骤8.1判断光路的承载量：判断进入当前光路缓存数据包的总量是否超过其容量上限或设定的限定值，若是，则转步骤9.0进入光突发交换；否则，返回步骤2.1进入光电路交换；

步骤9.0溢出数据以光突发交换方式传送：将进入光突发交换的溢出数据按照拟到达的目的地址及根据路由表确定下一跳的转发端口，并从转发端口将数据包送至下一节点转发；经步骤9.1判断是否转发成功；

步骤9.1判断是否转发成功：若转发成功，则转步骤10发送突发头及突发包；否则，转步骤12；

步骤10发送突发头及突发包：将进入步骤9.1的溢出数据中的突发头首先发送到核心网的下一节点的控制信道，继后再将对应的突发包发送到该节点的数据信道；反复进行步骤8.0-8.1-9.0-9.1-10-7.0，直至数据包送达目的地址；

步骤11数据包到达目的地址并按常规方法进行数据处理；

步骤12将经步骤9.1而没能顺利转发的数据包丢弃并记录丢失量。

2.按权利要求1所述基于突发交换的集成型混合光网络的数据传送方法，其特征在于所述从每条物理链路中预留有限数量的波长资源建立溢出传送光路，作为数据传送量呈高突发时的控制信道及数据信道，其所述有限数量的波长为≥2条波长，而所述预留波长中用作控制信道与数据信道的波长条数之比为1∶1-5。

3.按权利要求1所述基于突发交换的集成型混合光网络的数据传送方法，其特征在于所述突发头首先发送到核心网节点的控制信道，继后再将对应的突发包发送到该节点的数据信道，其所述继后的偏移时间范围为单位偏移时间与途经的节点数之积。

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