CN102111692A

CN102111692A - 一种基于慢光缓存的光突发交换信道调度方法

Info

Publication number: CN102111692A
Application number: CN2010105888497A
Authority: CN
Inventors: 喻松; 蒋天炜; 刘桂; 罗斌; 郭弘; 顾畹仪
Original assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Beijing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2011-06-29

Abstract

提出了一种基于慢光缓存(OB)的在光突发交换(OBS)信道调度方法，该方法包括以下步骤：收到BCP后，如果用已有的信道调度算法分配信道失败，则查询是否有可用的OB，如果有则对突发包到达时间增加一个缓存单元，再查找。若依然分配失败则重复上述操作。直到分配成功或者超出缓存能力。若分配成功则需要更新路由表、偏置时间、缓存时间、缓存器使用情况等信息，并转发BCP。若失败则丢弃该BCP。本发明有效的利用了慢光缓存的优势，和传统的FDL方法相比提高了OBS网络的性能。

Description

一种基于慢光缓存的光突发交换信道调度方法

技术领域

本发明涉及一种光突发交换网络的信道调度方法，更具体地说，涉及一种基于慢光缓存的光突发交换网络的信道调度方法。

背景技术

光纤作为一种高带宽低损耗的优良传输介质，在通信网络的物理传输层起着举足轻重的作用。随着DWDM技术的成熟，以及光器件和光信号处理技术的发展，光纤通信逐渐突破了物理层的界线，不但能承担数据传输的功能，还具备了一定的交换和路由能力，光传送网(OTN：Optical Transport Network)应运而生。

然而，由于以IP为主的数据业务的爆炸式增长和新宽带多媒体业务的出现，传统光网络朝适于传输IP业务的下一代光网络演进势在必行。在光网络不断演进的过程中，光交换技术将发挥越来越重要的作用，尤其是在当前电交换技术已接近了电子速率极限的情况下。

光交换技术依据交换粒度的不同也可以分为光路交换(OCS：Optical Circuit Switching)、光分组交换(OPS：Optical Packet Switching)和光突发交换(OBS：Optical Burst Switching)三种。OCS基于OADM和OXC，采用波长路由的方式，通过控制平面的双向信令传输来建立链路和分配波长。OPS可以看作是电分组交换在光域的延伸，它以高速传输的光分组作为网络交换粒度。虽然光分组可长可短，但由于交换设备必须具备处理最小分组的能力，光分组交换节点的处理能力要求非常高。

突发交换的概念最早于八十年代提出，主要用来传递话音业务，它实际上是具有可变长度的快速分组交换。但是，由于电路交换和分组交换的技术在当时都已成熟并广泛应用，没有必要以突发包为单位来处理话音或数据从而改变整个网络，因此突发交换并没有引起重视。近年来，一方面DWDM技术极大地扩充了网络带宽，另一方面上层Internet业务的爆炸式增长对网络的带宽和处理速度都提出了更高的要求。然而，传统的电路交换方式不能有效支持突发业务，而分组交换方式中的结点处理能力又远远达不到当前信息传送速率的要求。于是，九十年代后期，几乎已经被淡忘的突发交换技术被重新提了出来，将具有可变长度的快速分组交换与光技术结合，形成了光突发交换(OBS)。

在OBS中，突发包是由一些IP包组成的超长IP包，这些IP包可以来自传统IP网中不同的电IP路由器。OBS中的控制分组(Burst Control Packet，BCP，作用相当于分组交换的分组头)与突发数据(净载荷)在物理信道上是分离的，每个控制分组对应一个突发数据。例如，在WDM系统中，控制分组占用一个或几个波长，突发数据则占用所有其它波长。在OBS中，突发数据从源节点到目的节点始终在光域内，而控制信息在每个节点都需要O-E-O的变换以及电处理。控制信道与突发数据信道的速率是异步的。

光突发交换网络一般由光核心路由器(CR：Core Router)与电的边缘路由器组成，与多协议标记交换(MPLS)网类似。不同的是，数据信息在OBS网中不需进行O-E，E-O变换。OBS网的边缘路由器负责将传统IP网中的数据封装为光突发数据，以及反向的拆封工作。核心路由器的任务是对光突发数据进行转发与交换。每个突发由具有相同出口边缘路由器地址和相同QoS要求的IP分组组成。突发数据是光突发交换网中的基本交换单位。而在光分组交换中，为了提取光分组头，在每个节点对所有波长都必须提取一部分光信号进行O-E-O变换，因而过于复杂，另外这种光信号提取方式也会严重影响再生距离。

慢光缓存的作用是缓存突发数据，等待控制分组进行O-E变换、转发表查找、建立交换连接等，当多个突发数据包在某一个CR中同时需要从一个波长信道输出时，就会发生冲突。冲突发生后会造成数据丢失，因此如何有效解决冲突，减小数据丢失就成为了OBS网络技术中一个关键的研究课题。在CR中配置光缓存是一种效果良好的冲突解决方法：利用慢光缓存来对发生竞争的突发包进行暂时的存储，以减小冲突而导致的丢包。

这里需要指出的是，我们提到的慢光缓存与传统的光延迟线(fiber delay line，FDL)虽然使用目的有相似的地方，但是无论是物理上还是逻辑上都有着本质的区别。慢光缓存是通过动态的改变传输介质的折射率变化速度，来实现减慢光的传播速度的原理进而实现对光数据包的缓存。这就意味着慢光缓存可以对突发包进行连续时间的缓存，即一个物理上的缓存片可以存储最大缓存时间以内的任何时间。而与慢光缓存不同的是FDL是通过光延迟线，即通过增加传输路程来增加传输时间的；那么在CR中FDL对于突发包只能进行离散缓存，即一个物理上的延迟线只能延迟某一特定的时间，而且由于FDL是使用具体的光纤实现，物理上的限制使得它一般在较小的缓存单位和较大的缓存时间中只能选择一个。而如果使用FDL多次缓存那么又会增加系统的复杂度降低系统的可靠性。说以使用慢光缓存才是未来趋势。为了充分利用慢光缓存的这种物理特性上的优势我们就必须采用一种新的核心节点信道调度方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以在基于慢光缓存(OB：Optical Buffer)的基础上，使用LAUC_VF等信道调度策略的方法。该方法可用于光突发交换(OBS)网络中。

根据本发明，提供一种基于慢光缓存基础上信道调度的方法。慢光缓存是指通过在原有网络拓扑上，对核心路由器上发生冲突的数据包进行暂时存储。等待信道空闲时再发送的技术。

根据本发明，当新业务到达以后，根据FFUC，LAUC_VF等各种不同信道调度算法，查找信道。确定是否进入CR中的光缓存器。并根据当前信道是使用情况和光缓存器的缓存能力，通过将突发包的到达时间增加一个连续的缓存单位得到新的到达时间，并再次使用信道调度算法查找，直到找到合适波长和时隙。然后分配给该突发包。得到突发包可用的波长和时隙。

附图说明

通过下面结合附图进行的对实施例的描述，本发明的上述和/或其他目的和优点将会变得更加清楚，其中：

图1示出核心路由器功能结构

图2示出核心节点BCP处理总体流程图

图3示出单个BCP基于光缓存的信道调度方法

图4示出FFUC算法原理图

图5示出基于慢光缓存的FFUC算法流程图

图6示出在LAUC_VF原理图

图7示出基于慢光缓存的LAUC_VF算法流程图

图8示出仿真环境的网络拓扑图

图9示出基于慢光缓存的FFUC算法的核心节点丢包率

图10示出基于慢光缓存的FFUC算法的端到端时延

图11示出基于慢光缓存的LAUC_VF算法的核心节点丢包率

图12示出基于慢光缓存的LAUC_VF算法的端到端时延

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

图1中描述了OBS网络的基本结构。OBS网络包括核心路由器和边缘路由器，二者通过WDM光纤链路互连。边缘路由器负责突发数据包的分类组装和反向拆卸，可以提供各类标准业务接口(如千兆以太网、IP over SDH和ATM)，而核心路由器的任务则是根据控制分组中的信息进行资源调度，完成对突发数据包的交换。

边缘路由器和核心路由器的基本功能结构。如图2示，边缘路由器首先依据业务数据的目的地址和QoS特性对其进行分类，突发组装器则依据一定的组装算法将业务数据汇聚成突发数据包，然后，资源调度器为突发数据包分配合适的波长信道，并且通知控制单元发送相应的控制分组以提前预约网络资源，突发数据包经过一个偏置时间的缓存后进入OBS网络内部。在出口边缘路由器，突发分解器根据突发数据包包头中的信息对其进行拆卸处理，分解成业务数据包。

如图1所示，核心路由器首先解复用出控制信道，并在对接收的控制分组进行光电变换之后，提取其中的资源预约信息，由交换控制单元(SCU：Switching Control Unit)根据一定的资源调度算法为随后到达的突发数据包分配一条合适的出口波长信道，并在指定的时间配置好光矩阵完成交换。对于预约成功的控制分组(包括使用慢光缓存模块)，SCU还要改写其中的相关信息字段(如偏置时间)，并将其经过电光变换后继续转发往下一跳路由器；否则直接丢弃，或根据相应的冲突竞争解决策略作相应处理。

在SUC进行信道调度时，总体流程图如图2所示，先要对到达的BCP进行一个批处理，然后对这些BCP按照其内带的对应的数据包的到达时间进行从小到大的排序。再按照新序列的顺序对BCP进行逐个的操作。

图3显示了对于每一个BCP的调度流程。在步骤S301：突发控制包(BCP)到达之后，进入步骤S302，通过BCP携带的目的地址和路由函数获取下一条的节点编号，进而获得对应的端口号。然后进入步骤S303采用波长调度算法在不进入光缓存的情况下分配信道看看分配是否成功，如果成功则进入步骤S304预留资源，修改调度表，更新字段信息(如偏置时间等)。

如果不成功则进入光缓存调度模块，先进入步骤S305查找光缓存(OB)是否空闲，若无空闲的OB则直接进入步骤S312丢弃该BCP。如果有空闲的OB则进入信道空闲时隙查找的阶段。以此来确定具体的缓存时间。

进入步骤S306初始化查找次数i＝1，步骤S307将突发包的开始时间加上查找次数乘以缓存单位的时间得到新的时间，并利用前面的调度算法查找信道是否空闲。如果空闲则说明在缓存能力范围内有空闲的信道时隙，那么进入步骤S311给对应的数据包分配OB，这被占用的OB数加1，存储缓存时间并设置在在突发包离开时间将被占用OB数减1。需要注意的是这里采用的缓存单位要尽量的小，这样才能更加近似于连续的时间.然后和前面一样进入分配成功后的S304步骤。如果无空闲在、信道则查找次数加一，再查找信道资源的占用情况。以此类推，如果即使提供最大容量也没有合适的信道，则接入S312丢弃该包。

下面我们通过举例说明此种算法与传统的信道调度算法的结合。

如图4所示，FFUC按顺序查找信道，先查找channel 1，发现突发包到达时间比最近使用时间要大，则满足条件并返回，不再向下查找。若时刻t无空闲信道，则需要对数据突发包进行光缓存，于是查找t+d/2d/.../nd(其中d为缓存单元，n为缓存器级数，下同)时刻是否有空闲信道，若均无则丢弃该控制包。图5为在FFUC算法下的信道调度流程图。在对所有波长信道的查找后如果还没有找到空闲的信道，那么将开始进入光缓存流程。以光缓存单位为缓存时间片进行查找每次查找将回到波长信道编号初始化的进程重新进行一次算法调度，直到超出缓存器的容量。在循环过程中，只要出现空闲的信道将在对于波长上分配时隙。然后返回如下表所示的参数。用于在突发包到达时提供转发的参数。

名称	类型	作用
			burst_index_num	int	突发包索引号
burst_channel_num	int	分配的信道号
			burst_port_num	int	输出端口号
burst_time_delay	double	光缓存时间

如果采用的是LAUC_VF算法进行下道调度，情况会复杂一些。最近可用时隙填充LAUC-VF属于可插空的调度算法，对BCP的批量排序要求不高，它考虑突发包之间的空白信道。原理如图6所示，查找时刻t是否有空闲信道并有足够时隙容下这个突发包，如果存在，则选择最近使用时间最大的数据信道。如果无空闲信道，则查找t+d/2d/.../nd时刻是否有空闲信道，并选择最近使用时间最大的数据信道，LAUC-VF按顺序查找信道，在突发包到达时刻，channel 4已经被预留，channel 1和channel 3的间隔太小，就只剩下channel 2和channel 5.比较两个信道的最近使用时间和突发包开始时间的间隔的大小，发现channel 2的间隔要比channel 5的小，于是选择channel 2.

在加入慢光的LAUC_VF调度算法实现时，与前面的FFUC有所不同。由于LAUC_VF算法采用的是插空查找的轮询机制所以在对信道查找时我们不仅要考虑突发包到达的时间还有考虑突发包结束的时间，这样才能确保数据包的发送。同时因为LAUC_VF算法需要对所有信道的时隙占用情况进行查找所以不能像FFUC一样在在找到可用信道有立刻分配时隙，终止查找。LAUC_VF需要在找到波长资源后继续对其他的波长信道进行查找并且记录下每一个可用波长信道的最近的使用时间，即同一波长信道中上一个突发包的结束时间与新到突发包的开始时间的差值，然后将这些值存入一个结构体interval。在查找完所有的波长信道之后，判断是否有可用信道。如果有则对所有的波长信道对应的interval值进行排序，选出最小值并返回对应的波长信道编号，预留时隙。若无可用信道则进入光缓存的查找流程。算法流程图如图7所示。

对基于光缓存信道调度方法仿真结果的分析：

光突发交换网拓扑如图8所示并，参数设置如下：最大突发包长度B_max＝500KB、最小突发包长度B_min＝15KB；组装时间门限t＝4ms的常规组装算法；流量为高自相似性突发型。绝对优先级偏置时间设置方式，在不同核心节点处理速率的情况下的仿真结果，仿真总时长5s。链路速率为1Gbps，节点间波长信道数为4.在核心节点处设置了光缓存器最大缓存时长为0.005秒，缓存单位为1/50最大时长。图9和图10示分别显示了在FFUC算法下全网核心节点丢包和端到端时延的情况(图中“新算法”表示加入了慢光缓存的情况，“传统算法”表示在采用FDL的时，只能采1/10的最大时长的情况，下同)。当我们使用FFUC算法的情况下，在节点处加入慢光缓存方法可以将全网的丢包率显著的下降(从略大于0.1降低到0.05)。在端到端时延方面，虽然对突发包的缓存增加了其到达的时间但是这比起丢包重传所产生的时延还是相对小一些，所以全网的总时延还是降低了。

对于LAUC_VF算法，我们做了类似仿真，仿真出的全网丢包率和全网时延如图11、12所示。从图中我们发现在传统算法的情况下，使用LAUC_VF算法产生的丢包率略小于0.09同图9比较性能好于FFUC算法。但使用慢光缓存器对于网络性能的改善程度比这种改进要大很多。由此可见，新算法对于OBS的重大意义。在全网端到端时延方面，我们可以得出类似的结论。

通过参照上面对示例性的非限定性的实施例和附图的详细描述，本发明的优点和特征以及实现本发明的方法可更易于理解。然而，本发明可以适用于多种不同OBS信道调度算法来实施，而不应被解释为受限于在此阐释的实施例。

Claims

1.一种基于慢光缓存(Optical Buffer，OB)的光突发交换信道调用方法，该方法包括以下步骤：

在核心路由器中对一段时间到达的突发控制包BCP进行批处理；

对突发包排序；排序方法是升序排列；

对每一个BCP调用信道调度算法分配波长信道；

2.如权利要求1所述的方法，其中，对每一个BCP调用信道调度算法分配波长信道的步骤包括以下步骤：

根据BCP中的目的地址，根据路由协议，确定输出端口号；

用调度算法(包括已有的各种OBS信道调度算法)对波长信道进行查找和分配；

成功则分配信道资源，若不成功则调用光缓存调度；

若在慢光缓存中分配成功则需要分配信道资源同时，还要对缓存器的参数进行修改。

3.如权利要求2所述的方法，其中，慢光缓存调度的步骤包括以下步骤：

查找是否有OB空闲；

通过将突发包的到达时间增加一个连续的缓存单位得到新的到达时间，并再次使用信道调度算法查找，直到找到合适波长和时隙。然后分配给该突发包。或超过缓存最大时间，则丢弃该BCP。

4.如权利要求3所述的方法，其中，参数修改执行如下步骤：

对已使用的OB数加一；

返回缓存时间；形成新的突发包开始和结束时间；

在新突发包结束时间将已使用的OB数减一。