CN102710369B - 混合光网络中一种提高信道资源利用率的数据传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开混合光网络中一种提高信道资源利用率的数据传输方法，对于平行型OBS与OCS混合光网络，在边缘节点处将业务流根据持续时间的特征划分成OBS业务和OCS业务。在OCS业务流到达速率小于光路传输速率时，边缘节点根据业务到达速率对OCS业务进行缓存产生大小为突发包平均长度的信道空隙，OBS控制包在核心节点处优先将数据包调度到可用的信道空隙上。OBS突发包通过在核心节点处优先预留OCS信道空隙，弥补了平行型混合光网络的不足，使得两种交换技术进一步融合，大幅提高信道资源利用率，在保证OCS业务高QoS保障的前提下，降低OBS突发丢失率，提高了混合光网络的性能。

Description

混合光网络中一种提高信道资源利用率的数据传输方法

技术领域

本发明涉及光网络通信技术，尤其涉及一种提高信道资源利用率的混合光网络的数据传输方法。

技术背景

随着Internet业务的飞速增长，未来光网络需要能够容纳大量的业务。同时，各种例如视频会议和高清电影等不同业务的产生，光网络在保证高的资源利用率的情况下，同样也要能够提供很好的QoS（Quality of Service）保障。有着高的资源利用率的光突发交换OBS（Optical Burst Switching）和光分组交换OPS（Optical Packet Switching）虽然统计复用能力高，但是丢包率较高，而光线路交换OCS（Optical Circuit Switching）资源利用率不高，但能提供很好的QoS保障。于是产生了混合光交换网络，在OBS与OCS的混合光交换网络中，OBS交换技术能够承载突发性的数据业务提高网络利用率，OCS则能够对需要QoS保障的长时业务提供服务。已经有很多学者提出了混合光网络的组网模式，例如主从型、平行型和集成型（Christoph M. Gauger等, Hybrid Optical Network Architectures: Bringing Packets and Circuits Together, IEEE Communications Magazine, vol. 44, pp. 36-42, August 2006）。

传统的平行型混合光网络结合两种或者多种光层网络，提供不同的传输服务，它们之间是平行的。边缘节点智能地为用户单独或组合地提供服务，并且在两种网络中进行选择。IP业务既可以在光突发交换网络中传输也可以以连续的比特流的方式在光路上传输。当IP业务流入网络时，边缘节点首先对业务流进行分类。根据业务流的带宽需求、持续时间和QoS等特点，将业务流分为OBS传输模式和OCS传输模式两种业务。对于持续时间长、占用带宽较大，QoS等级较高的业务适合用OCS模式传输，而相反持续时间短、占用带宽小、QoS等级低且突发性强的业务适合于OBS模式进行传输。当边缘节点为业务流选定了一种传输模式并将业务发送到网络中去之后，传输模式就不会发生改变了。这样就存在传输模式决策过死的问题，缺乏灵活性。

平行型混合光网络的资源分配方式也有很多解决方案，有静态分配模式也有动态分配模式，也就是可用波长资源分组为静态或者动态。还有基于虚拟拓扑的资源分配方式，在物理拓扑的基础上为OCS网络专门设计一个虚拟拓扑用于建立光路传输，而剩下的波长资源用于OBS突发业务的传输。

在平行型混合OCS/OBS光网络中，业务的传输模式一旦确定就不再改变的特点使得OCS业务独占整条波长。如果OCS业务到达速率小于建立的光路的传输速率，这样就没有充分利用光路的传输容量，产生带宽资源的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对上述平行型OBS与OCS混合光网络体系，由于OCS业务长时间独占波长，如果业务到达速率小于光路传输速率所产生的信道资源的浪费这一缺陷，提出一种新的数据传输方法，突发包能充分利用OCS业务流速率不足光路传输速率时所产生的剩余带宽资源，进一步提高资源利用率，且降低OBS突发包的丢包率。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：OBS与OCS混合光网络中一种提高信道资源利用率的数据传输方法。在平行型的OBS与OCS混合光网络中，对于到达边缘节点的业务，根据业务持续时间将业务分为短时流和长时流。对于短时流采用OBS汇聚方法进行汇聚，然后在OBS信道上传输，为OBS业务，而针对长时流采用OCS方式建立光路，在单独的波长上传输，为OCS业务。OCS与OBS信道可采用相同性能的光开关以减少交换配置时间。如果某一对源、目的节点之间有OCS业务的光路请求，则采用双向信令方式为它在可用波长上建立一条光路。然后根据业务到达速率和光路传输速率判断OCS光路上是否有可利用的剩余带宽资源，如果有则统计和收集剩余的可用带宽，通过信息包沿着光路的路径通知核心节点光路没有利用的剩余带宽（空隙），在核心节点优先将突发数据包放在这些空隙中进行传输，以提高带宽利用率、降低丢包率。

为了达到上述突发数据包对OCS光路可用资源利用的目的，本发明具体包括以下两个方面：

A. 统计和收集OCS光路的可用剩余带宽资源。

在边缘节点处，当OCS业务到达速率小于光路传输速率时，根据业务流的平均到达速率                                                以及光路传输速率，计算空闲的OCS光路带宽为。为了使得突发包能够尽可能多地利用OCS光路上的空闲带宽，边缘节点对OCS业务流进行缓存以产生大小等于平均突发包长度的空隙。可根据公式(1) 得到单位时间内空闲带宽能够容纳的突发数据包的个数，其中a表示突发包的平均长度。

                        

根据公式(2)计算每产生一个空隙所需要的时间t_delay。

                                                                                                    为了产生适合突发包插空的空隙，由于在OCS信道处于空隙时不能传输业务，到达边缘的数据流需要在边缘节点缓存，t_delay也就是需要对OCS业务流进行缓存额外增加的最大缓存时间。最大缓存时间需要小于OCS可以容忍的时延上限t_max，满足公式(3)。      

                                    (3)

在实际应用中，该最大附加缓存时间是很小的。例如，当平均突发包长度为500Kbit，若光纤信道传输速率为10Gbit/s，业务到达速率为9Gbit/s，那么此时额外增加的最大缓存时间为，对于OCS业务来说这个缓存时间是非常小的。由于到达速率没有充分利用光路传输速率，所以经过适当缓存后的OCS业务流将IP包集中在一起并产生大小为突发包平均长度的空隙。然后定义和发送OCS信道空隙的信息包，经过缓存措施产生了OCS信道空隙之后，为了在核心节点处能够使得OBS突发包可以利用这些空隙，对每一个OCS信道空隙产生一个信息包VMP（Void Massage Packet）并发送，信息包VMP用来记录OCS信道上每一个空隙的开始时间、空隙的持续时间、以及这条OCS光路的源路由。针对OBS网络基于偏置时间的资源预留方式的特点，信息包与空隙的对应关系类似于BCP与BDP的对应关系，于是信道空隙的信息包发送时间设置需要满足以下条件：

a)       信息包的发送时间要提前于空隙的开始时间。 

b)      提前发送的时间中包含所有核心节点对信息包的处理时间以及OCS光路配置时间。

获取核心节点对信息包的处理时间、该OCS业务流经过的总跳数、OCS光路的配置时间，调用公式（4）计算信道空隙的信息包VMP的发送偏置时间设为，

其中，表示核心节点对信息包的处理时间，表示该OCS业务流经过的总跳数，表示OCS光路的配置时间。

根据上述为每一个空隙产生相应的信息包，并先于空一个偏置时间在控制信道上将信息包逐跳发送到网络中去，节点则根据信息包更新信道信息。信息包可以和BCP共用控制信道以避免额外占用的信道资源。

B.  突发包利用OCS业务流的信道空隙提高信道利用率。

边缘节点处的突发包BDP根据控制包BCP预留的资源在对应波长上传输。当BCP到达核心节点后，首先根据信息包VMP更新的信道信息检查OCS光路上是否有可用的信道空隙，如果找到恰好可以使用的信道空隙，那么调度器采用可插空的最迟可用未占用信道调度算法（LAUC-VF：Lastest Available Unused Channel with Void Filling）为相应的BDP预留该信道空隙的信道资源，将BDP调度到OCS业务流的可用信道空隙中去。如果在OCS信道上没有找到可用的信道空隙，那么再按照传统的OBS调度算法在OBS专用信道上进行调度。突发包以这种优先利用OCS信道空隙的模式在网络中传输，最大限度地利用OCS业务流的信道资源，提高资源利用率。

本发明通过信息包沿着光路的路径通知核心节点光路没有利用的带宽（空隙），充分利用光路的传输容量，降低带宽资源的浪费。数据突发能够利用光路中的剩余带宽，充分提高了信道利用率。

附图说明

图1  哑铃型网络拓扑图；

图2  传统方法和新型方法的信道调度示意图；

图3  OCS光路传输流程图；

图4  OBS数据传输流程图 。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本实施例的OBS与OCS混合光网络提高信道利用率传输方法的拓扑图，这是一个OBS与OCS平行型混合光网络。图中由1-8个节点组成的哑铃型拓扑结构，其中1-3和6-8为边缘节点，4和5为核心节点。每对节点之间有9条波长信道，其中一条为突发控制包BCP和OCS信道空隙的信息包VMP专用信道，另外8条为OCS与OBS业务的共享波长信道。图示虚线表示OBS信道，实线表示某条OCS光路。图中分别画出了节点1、7之间的OBS业务经过的路由路径，以及节点3、8之间的OBS业务和一条OCS光路经过的路由路径。从图中可以看到，这两对节点间的业务有着一条公共路径4-5。 

图2为本实施例的OBS与OCS混合光网络提高信道利用率传输方法与传统平行型混合光网络数据传输方法的信道调度对比图。图中标示的D1表示图1中节点1、7之间OBS业务经过路径1-4时占用的信道，相应的D2表示节点3、8之间的OBS业务经过路径3-4时占用的信道。D表示公共链路4-5上的某条OBS信道。信道D1上有b、d、e三个突发包，信道D2上有a、c两个突发包。他们分别沿着各自的路由到达节点4。同时有一条OCS业务流从节点2到节点8在上传输，源路由为3-4-5-8。

结合图1和图2，当信道D1和信道D2上的突发包到达4节点时，如果都要预留公共路径4-5上的信道D时，由于到达时间的冲突，突发包b、d将分别与a、c产生冲突。按照传统的方法，如果找不到其他合适的波长，突发包b、d将被丢弃。如果采用本发明数据传输方法，将同样经过路径4-5上的OCS业务在边缘节点进行缓存，产生图2所示的大小为突发包平均长度的空隙，那么在4节点处就可以将先到达的突发包a、c分别调度到OCS光路的空隙上去。这样，就可以保证突发包b、d成功预留波长信道D在公共路径4-5上传输，既提高了资源利用率，也降低了突发丢失率。

若这条OCS光路请求的业务到达速率为，光路传输速率为，而经过汇聚得到的突发包的平均长度为，根据公式(1)计算出单位时间内空闲带宽能够容纳的突发数据包的个数为：，根据公式(2)计算每产生一个空隙的额外缓存时间：。

对于缓存后的OCS业务流所在信道上会产生大小为平均突发包长度的空隙，为了使得核心节点及时更新信道信息便于突发包进行插空，要对每个信道空隙生成一个信息包VMP，包的格式中记录了该OCS光路的源路由、空隙的开始时间、结束时间，提前于对应的信道空一个偏置时间发送。根据图1中的拓扑知道光路经过的跳数为3，设交换配置时间为，信息包的处理时间为，由(4)式得到信息包发送偏置时间。下面结合图3所示的OCS光路传输流程图和图4所示的OBS数据传输流程图说明具体的传输方法实施过程：

A.       当一条从节点3到节点8的OCS光路请求到来时，根据路由信息为它选择一条可用波长，如图1所示为 ₁。比较得到业务流的到达速率小于光路传输速率。根据计算出的额外缓存时间，将该OCS业务流在边缘节点2处每缓存额外缓存时间后发送一次，产生图2中的长度为平均突发包长度500KB的OCS信道空隙，同时为每个信道空隙生成一个包含了路由信息、空的开始时间和空的持续时间的信息包VMP，并且提前于空隙一个偏置时间逐跳在源路由上发送，通知路由上每一个节点该空隙的起始时间和结束时间。然后将缓存后的业务流按照源路由3-4-5-8依次发送到网络中。

节点1和节点3处到来的短时业务根据最大时间最小长度汇聚算法汇聚成突发包，并产生相应的控制包提前于突发包在控制信道上传输。图2中的三个突发包b、d、e依次在路由1-4-5-7的波长信道上传输，突发包a、c依次在路由3-4-5-8的波长信道上传输。当突发包a、b、c、d、e的BCP传输到4节点为数据包预留波长信道时，首先看OCS信道上有没有可用信道空。发现突发包a、c在持续时间内有信道空隙可以用，于是优先在该信道上预留资源，而其他三个突发包b、d、e由于没有找到合适的OCS信道空隙，则按照传统方法在OBS信道D上传输。路由上的每一个节点都按照此方法预留资源，直到BCP到达目的节点，突发包就在预留好的波长信道上传输。根据图3所示的OBS数据传输流程图可以看到，到达核心节点处的突发包优先在OCS光路上的空隙中传输，如果没有合适的空隙再按照传统方法进行调度。

Claims (5)

1.一种平行型光突发交换OBS与光线路交换OCS混合光网络中提高信道资源利用率的数据传输方法，其特征在于：对于到达边缘节点的业务，短时流采用OBS汇聚方法进行汇聚，在OBS信道上传输为OBS业务，长时流采用OCS方式建立光路，在单独的波长上传输为OCS业务；如果源、目的节点之间有OCS业务的光路请求，根据业务到达速率和光路传输速率以及突发包平均长度，对OCS业务流进行缓存产生信道空隙，并为每个信道空隙产生一个信息包，提前于信道空隙的开始时间沿OCS光路将OCS业务流发送到达目的节点；OBS控制包在核心节点处优先将突发包调度到OCS光路的可用信道空隙中进行传输，如果没有可用的信道空隙，则采用传统OBS调度方法在OBS信道可用波长上传输。

2.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，OCS与OBS信道采用相同性能的光开关以减少交换配置时间。

3.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，进行缓存时单位时间内空闲带宽能够容纳的突发数据包个数为：x＝(β-λ)/a，根据公式：t_delay＝a/β计算每产生一个空隙所需要的时间t_delay，其中a表示突发包的平均长度，λ为业务到达速率，β为光路传输速率。

4.根据权利要求1所述的数据传输方法，其特征在于，对于缓存后的OCS业务流所在信道上产生的每个信道空隙生成一个信息包，提前于对应的信道空隙一个偏置时间T_VMP发送该信息包。

5.根据权利要求4所述的数据传输方法，其特征在于，所述偏置时间T_VMP的确定具体为：获取核心节点对信息包的处理时间δ、该OCS业务流经过的总跳数h、OCS光路的配置时间t₁，调用公式：T_VMP＝δ×h+t₁计算信道空隙的信息包的发送偏置时间T_VMP。