CN109168094B - 一种光流交换网络调度方法及光流交换系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光流交换网络调度方法及光流交换系统，系统中的每个节点主要由一个IP交换机和一个光交叉连接模块组成，每个IP交换机设置一个光流交换模块，光流交换模块中包含虚拟输出队列、链路‑波长‑时间资源表、源路由表、调度模块、控制包收发模块、电/光转换模块、交换控制模块以及时钟模块。源节点在发送光数据流的同时，为虚拟输出队列中的光数据流请求提前启动光路预约，检测多个目的节点对应光路的可用情况，并结合队头请求优先级和光数据流传输时长，找出最早的可用光路并为光路预约一个时间段。本发明的有益效果为：1、网络中不需要集中调度节点，各节点执行分布式调度，计算复杂度低；2、光路调度计算和数据传输同时进行，缩短了数据传输的头部时间，能够提高网络吞吐量和降低平均排队等待时间，优化带宽利用率；3、在链路波长资源的调度分配中加入时间维度，能够提高算法的性能；4、可以基于现有网络设备进行部署，应用条件成熟。
Description
技术领域
本发明涉及光通信网络，尤其涉及一种光流交换网络调度方法及光流交换系统。
背景技术
光流交换是一种面向下一代全光交换网络的技术，适用于政府部门、金融机构、数据中心和电信运营商对于端到端的海量数据高速传输、数据迁移、数据灾备等的需求。光流交换的基本思想是为每一个端到端的数据传输(称为光数据流)请求动态地建立一条专用的全光域连接。光流交换网络的技术框架基于现有的网络架构，每个网络节点由一个IP交换机和一个全光交换节点组成。网络控制功能和数据转发功能在逻辑上被解耦合为控制平面和数据平面：控制平面包括IP交换机和连接它们的控制信道(控制信道可以是光纤信道，在逻辑上独立于数据信道)，负责光数据流请求的处理和数据传输通路的建立/释放；数据平面由全光交换节点和光纤信道连接组成，负责光数据流的交换和传输。
控制平面为每个光数据流请求建立一条粒度为单个波长的光路(指端到端的路径上一条波长连续的信道)，并在传输结束后立即释放光路。以当前商用单波长信道的最高速率100Gbps为例，传送一张蓝光光碟的数据(约50GB)所用时长为秒级，传送1TB数据的时长为分钟级。这样高度动态的应用场景要求波长信道的调度分配必须快速高效，因为光路的建立和拆除需要一定的时间(秒级)。另一方面，由于一般的网络拓扑结构具有内部阻塞特性，导致预约可用光路所耗费的时间相比于光数据流传输时长(即光路保持时长)不可忽略。在传统的光流交换调度方法中，源节点输入队列中的光数据流请求是在当前的数据流传输完成并释放发送端口之后才开始新的光路预约，因此相应的波长信道在预约过程中处于闲置状态，降低了网络的信道利用率和吞吐量，增加了平均排队等待时延。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足而提供一种光流交换网络调度方法及光流交换系统，该调度方法针对网络的链路波长分配问题，在传统的路由波长分配(RWA)基础上扩展了时间维度上的分配，在源节点发送光数据流的同时为输入缓存中的光数据流请求提前开展光路预约，以增加信道利用率。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种光流交换网络调度方法，每个源节点独立建立和释放光路，源节点在发送光数据流的同时，为虚拟输出队列中的光数据流请求提前启动光路预约，检测多个目的节点对应光路的可用情况，并结合队头请求优先级和光数据流传输时长，找出最早的可用光路并为光路预约一个时间段；具体包括如下步骤：
(1)、源节点收到用户的光数据流请求时，根据请求的目的节点，将它保存到虚拟输出队列中对应的子队列队尾；
(2)、源节点的调度模块启动光路预约：调度模块从虚拟输出队列的非空子队列中，按照队头的光数据流请求的优先级，从高到低选取N＝min{M,K}个队头请求，其中M表示当前非空子队列的总数，K是多目的地址检测参数；源节点为这些光数据流请求生成N个探测控制包，分别发往所选的N个不同的目的节点，再由目的节点发回源节点；探测控制包根据路径上各节点的链路-波长-时间资源表，采集所经链路上全部波长的可用时间信息；
(3)、源节点收回一个探测控制包后，调度模块读取其中采集的链路-波长-时间信息；对于同一波长，计算不同链路与发送端口以及接收端口的可用时间信息的并集，并与队头请求的光数据流传输时长比较，得出该波长上的光路最早可用时间；再比较不同波长光路，得出适用于该光数据流的最早可用光路；若存在多个波长光路的最早可用时间相同，则随机选取一个波长光路，或者取编号最小的波长光路；
(4)、当源节点收回全部N个探测控制包后，调度模块比较N个不同目的节点的光路最早可用时间，取光路最早可用的目的节点；若存在多个目的节点的光路最早可用时间相同，则取队头请求优先级最高的目的节点；记该目的节点为dL，对应的光数据流传输时长TL,对应光路最早可用时间tL，该光路所选波长为λ；调度模块生成并发送一个预约控制包给节点dL，用来修改各个节点的链路-波长-时间资源表中关于波长λ的可用时间信息，以及源/目的节点的链路-波长-时间资源表的发送/接收端口的可用时间信息，预留各链路上波长λ以及源/目的节点的发送/接收端口的[tL,tL+TL]时间段；相关节点的调度模块会在tL和tL+TL时刻，分别设置当前节点的光交叉连接以连通或切断对应的光路；
(5)、源节点收回预约控制包，若预约成功，则在tL时刻开始发送光数据流，否则跳转到步骤(2)；光数据流在tL+TL时刻传输结束时，所预留的波长链路和发送/接收端口由各个节点自动释放。
本发明还可通过以下技术方案进一步限定和完善。
作为上述方法的优选，在步骤(2)中，队头优先级依据请求内容的优先级或者请求到达时间而定，在优先级相同的情况下，采用轮询方法选取队头请求。
作为上述方法的优选，在步骤(2)中，所述多目的地址检测参数K为5。
作为上述方法的优选，源节点的调度模块在以下情况启动光路预约：(1)当源节点上有新的光数据流传输请求生成，且虚拟输出队列为空；或者(2)距离当前光数据流传输完成尚余2倍的往返时延或者当前光数据流传输时长，取两者的较小值，且虚拟输出队列不为空。
本发明同时提供了一种光流交换系统，系统中的每个节点主要由一个IP交换机和一个光交叉连接模块组成，每个IP交换机设置一个光流交换模块，光流交换模块中包含虚拟输出队列、链路-波长-时间资源表、源路由表、调度模块、控制包收发模块、电/光转换模块、交换控制模块以及时钟模块；其中，
所述的虚拟输出队列用于存放本地用户待发送数据；
所述的链路-波长-时间资源表用来保存当前节点起始的相邻链路的波长和时间预留状态，也包括当前节点的发送/接收端口的时间预留状态；
所述的源路由表保存从当前节点到其他节点的路由信息；
所述的调度模块用于为光数据流预约光路，包括虚拟输出队列的操作、控制包的生成和处理、链路-波长-时间资源表的操作以及对交换控制模块的操作；
所述的控制包收发模块负责发送和接收控制包，包括本地调度调度模块生成的控制包，以及相邻节点转发来的控制包；
所述的电/光转换模块将虚拟输出队列中的数字电信号转换为光信号，光信号的波长由调度模块决定；
所述的交换控制模块根据调度模块的控制信号来设置光交叉连接模块，实现光交叉连接的I/O映射；
所述的时钟模块用来提供系统时钟。
更进一步的，所述的光交叉连接模块的不同端口连接不同的光纤，从每根光纤上输入的波长信道被解复用，来自不同光纤相同波长的数据进行波长交换，对本地节点发送/接收数据进行上下链路，最后再次复用到不同的光纤上输出。
本发明的有益效果为：
1、网络中不需要集中调度节点，各个源节点执行分布式调度，调度模块的计算复杂度低；
2、光路调度计算和数据传输同时进行，缩短了光数据流传输的头部时间，能够提高网络吞吐量和降低光流传输请求平均排队等待时间，优化带宽资源利用率；
3、在链路波长资源的调度分配中加入时间维度，能够提高算法的性能；
4、可以基于现有网络设备进行部署，应用条件成熟。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是超前预约方法的流程图；
图3是链路-波长-时间资源表的一种实现格式示意图。
具体实施方式
本发明的要点是在分布式调度方式(即每个源节点独立建立和释放光路，不存在集中调度节点)和多目的地址检测技术(即每次建立信道前同时检测多个可能使用的目的地址)的基础上，利用控制平面与数据平面流水线作业的思想，为队列前端的光数据流请求超前预约光路，缩短光数据流传输的头部时间,优化带宽利用率。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的实施例作详细描述。本发明所依据的系统框图如图1，每个节点主要由一个IP交换机和一个光交叉连接模块(OXC)组成。每个IP交换机设置一个专门的光流交换模块，光流交换模块中包含虚拟输出队列、链路-波长-时间资源表(简称LWT表)、源路由表、调度模块、控制包收发模块、电/光转换模块、交换控制模块以及时钟模块。光交叉连接的不同端口连接不同的光纤，从每根光纤上输入的波长信道被解复用，来自不同光纤相同波长的数据进行波长交换，对本地节点发送/接收数据进行上下路，最后再次复用到不同的光纤上输出。
所述的虚拟输出队列是一个存放本地用户待发送数据的存储器，采用虚拟输出队列方式是为了防止队头阻塞。
所述的LWT表用来保存当前节点起始的相邻链路的波长和时间预留状态，也包括当前节点的发送/接收端口的时间预留状态。LWT表采用链表数据结构，便于检索和插入/删除操作，而且能灵活使用存储空间。图3是LWT表的一种实现格式，其中(a)多个可用时间信息链表构成的数组；(b)每个可用时间信息链表的结构。
所述的源路由表保存从当前节点到其他节点的路由信息，可以是最短路由或者是某种经过优化的路由。
所述的调度模块是光流交换模块的核心部分，负责为光数据流预约光路。调度模块的功能包括虚拟输出队列的操作、控制包的生成和处理、LWT表的操作以及对交换控制模块的操作。
所述的控制包收发模块负责发送和接收控制包，包括本地调度调度模块生成的控制包，以及相邻节点转发来的控制包。
所述的电/光转换模块将虚拟输出队列中的数字电信号转换为光信号，光信号的波长由调度模块决定。
所述的交换控制模块根据调度模块的控制信号来设置光交叉连接模块，实现光交叉连接的I/O映射。
所述的时钟模块用来提供系统时钟。
下面按照图2的流程，描述一个完整的光数据流传输过程。
1.源节点的调度模块在以下情况启动光路预约：(1)当源节点上有新的光数据流传输请求生成，且虚拟输出队列为空；或者(2)距离当前光数据流传输完成尚余2倍的往返时延(或者当前光数据流传输时长，取两者的较小值)，且虚拟输出队列不为空；
2.调度模块从虚拟输出队列的非空子队列中，按照队头的光数据流请求的优先级，从高到低选取N＝min{M,K}个队头请求(M表示当前非空子队列的总数，K一般取5)，分别对应目的节点d1，d2，...，dN。调度模块为这些请求生成N个前向探测控制包(传送方向为从源节点到目的节点)P1，P2，...，PN，初始化回传标志位ACK＝0，分别发往目的节点d1，d2，...，dN；
3.接收到探测控制包的节点，由调度模块提取目的地址和回传标志位，对比本地地址和探测控制包的路由列表，判断当前节点在控制包所请求的路径中属于中间节点、目的节点还是源节点，以及探测控制包的传输方向。前向探测控制包在中间节点不做任何修改而直接转发，后向探测控制包负责采集所经链路上全部波长的可用时间信息。具体的采集过程如下：
3.1)当目的节点在收到前向探测控制包时，读取本地LWT表，将接收端口的可用时间信息写入包中，并设置回传标志位ACK＝1，并发送探测控制包到路由列表中的上一跳节点(从源节点到目的节点方向的上一跳)；
3.2)中间节点在收到后向探测控制包时，读取本地LWT表，将下一跳链路(从源节点到目的节点方向的下一跳)上全部波长的可用时间信息写入包中，并发送探测控制包到路由列表中的上一跳节点；
4.当源节点收到后向探测控制包时，调度模块从中提取所经过各个链路的全部波长的可用时间信息，并从本地LWT表中提取始发链路的全部波长的可用时间信息，以及发送端口的可用时间信息，进行如下计算：
4.1)对于同一波长，计算不同链路、发送端口以及接收端口的可用时间信息的并集，并与队头请求的光数据流传输时长比较，得出该波长上的光路最早可用时间；再比较不同波长光路，得出适用于该光数据流的最早可用光路。若存在多个波长光路的最早可用时间相同，可随机选取一个波长光路，或者取编号最小的波长光路；
4.2)当源节点收回全部N个探测控制包后，比较N个不同目的节点的光路最早可用时间，取光路最早可用的目的节点。若存在多个目的节点的光路最早可用时间相同，则取队头请求优先级最高的目的节点。记所选目的节点为dL，对应的光数据流传输时长TL,对应光路最早可用时间tL，该光路所选波长为λ；
5.源节点的调度模块生成一个预约控制包(简称预约包)，初始化回传标志位为0，发送此前向预约包到节点dL；
6.中间节点收到前向预约包，调度模块提取波长和时间预留信息，修改本地的LWT表，预留波长λ的时间段[tL,tL+TL]，并转发预约包到下一跳节点。若LWT表已发生改变使得波长λ在[tL,tL+TL]不可用，则预约不成功，设置预约包的回传标志位ACK＝1，并发回给源节点；
7.目的节点收到前向预约包，由调度模块提取时间预留信息，修改本地LWT表，预留接收端口的时间段[tL,tL+TL]；若LWT表已发生改变使得接收端口在[tL,tL+TL]不可用，则预约不成功，设置预约包的回传标志位ACK＝1，发回给源节点；
8.源节点收到后向预约包，若预约成功，则在tL时刻开始发送光数据流，否则跳转到步骤2；光数据流在tL+TL时刻传输结束时，所预留的波长和发送/接收端口由本地节点自动释放，毋需源节点发送专门的控制包来释放光路。
表1探测控制包的一种实现格式
type:类型标志位，0表示探测控制包；
ack:回传标志位，0表示前向传送，1表示后向传送；
src_addr:源节点地址；
mid_addr_i:中间路由节点i的地址；
dst_addr:目的节点地址；
dest_port_TS_i_ini：目的节点接收端口的可用时间段i的起始时间；
dest_port_TS_i_end：目的节点接收端口的可用时间段i的终止时间；
mid_addr_i_lamda_j_TS_k_ini：中间节点i的相邻链路上波长j的可用时间段k的起始时间；
mid_addr_i_lamda_j_TS_k_end：中间节点i的相邻链路上波长j的可用时间段k的终止时间。
表2预约控制包的一种实现格式
type:类型标志位，1表示探测控制包；
ack:回传标志位，0表示前向传送，1表示后向传送；
rsv：预约成功标志位，初始值为1，在预约过程中若某节点处的请求波长时间段不可用，则设为0；
src_addr:源节点地址；
mid_addr_i:中间路由节点i的地址；
dst_addr:目的节点地址；
rsv_time_ini：预约起始时间；
rsv_time_end：预约终止时间。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种光流交换网络调度方法，其特征在于：每个源节点独立建立和释放光路，源节点在发送光数据流的同时，为虚拟输出队列中的光数据流请求提前启动光路预约，检测多个目的节点对应光路的可用情况，并结合队头请求优先级和光数据流传输时长，找出最早的可用光路并为光路预约一个时间段；具体包括如下步骤：
(1)、源节点收到用户的光数据流请求时，根据请求的目的节点，将它保存到虚拟输出队列中对应的子队列队尾；
(2)、源节点的调度模块启动光路预约：调度模块从虚拟输出队列的非空子队列中，按照队头的光数据流请求的优先级，从高到低选取N＝min{M,K}个队头请求，其中M表示当前非空子队列的总数，K是多目的地址检测参数；源节点为这些光数据流请求生成N个探测控制包，分别发往所选的N个不同的目的节点，再由目的节点发回源节点；探测控制包根据路径上各节点的链路-波长-时间资源表，采集所经链路上全部波长的可用时间信息；
(3)、源节点收回一个探测控制包后，调度模块读取其中采集的链路-波长-时间信息；对于同一波长，计算不同链路与发送端口以及接收端口的可用时间信息的并集，并与队头请求的光数据流传输时长比较，得出该波长上的光路最早可用时间；再比较不同波长光路，得出适用于该光数据流的最早可用光路；若存在多个波长光路的最早可用时间相同，则随机选取一个波长光路，或者取编号最小的波长光路；
(4)、当源节点收回全部N个探测控制包后，调度模块比较N个不同目的节点的光路最早可用时间，取光路最早可用的目的节点；若存在多个目的节点的光路最早可用时间相同，则取队头请求优先级最高的目的节点；记该目的节点为dL，对应的光数据流传输时长TL,对应光路最早可用时间tL，该光路所选波长为λ；调度模块生成并发送一个预约控制包给节点dL，用来修改各个节点的链路-波长-时间资源表中关于波长λ的可用时间信息，以及源/目的节点的链路-波长-时间资源表的发送/接收端口的可用时间信息，预留各链路上波长λ以及源/目的节点的发送/接收端口的[tL,tL+TL]时间段；相关节点的调度模块会在tL和tL+TL时刻，分别设置当前节点的光交叉连接以连通或切断对应的光路；
(5)、源节点收回预约控制包，若预约成功，则在tL时刻开始发送光数据流，否则跳转到步骤(2)；光数据流在tL+TL时刻传输结束时，所预留的波长链路和发送/接收端口由各个节点自动释放。
2.根据权利要求1所述的光流交换网络调度方法，其特征在于：在步骤(2)中，队头优先级依据请求内容的优先级或者请求到达时间而定，在优先级相同的情况下，采用轮询方法选取队头请求。
3.根据权利要求1所述的光流交换网络调度方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述多目的地址检测参数K为5。
4.根据权利要求1所述的光流交换网络调度方法，其特征在于：源节点的调度模块在以下情况启动光路预约：(1)当源节点上有新的光数据流传输请求生成，且虚拟输出队列为空；或者(2)距离当前光数据流传输完成尚余2倍的往返时延，且虚拟输出队列不为空。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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