CN1316798C - 一种多控制分组汇聚交换调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多控制分组汇聚定换调度方法，它是利用对突发报头分组BHP的周期性处理这一创新来打破传统的对BHP的顺序处理，为BHP排队和高优先级突发数据抢占低优先级突发数据提供条件；并利用灵活的排队策略为不同类的突发数据提供不同的QoS；同时利用多约束多目标优化调度算法在一个调度周期内同时处理多个BHP，以更优化的方式对BHP进行调度。从而提高了交换资源的利用效率，达到了提高交换性能的目的。

Description

一种多控制分组汇聚交换调度方法

技术领域

本发明属于通信系统中的交换控制技术领域，它特别涉及光突发交换系统的交换控制技术。

背景技术

通信系统一般由接入、传输和交换等部分构成，其中交换主要实现通信网络中不同用户间的连接，如电路交换系统中连接的建立、分组交换系统中业务的转发等。随着网络用户的增加、信息量的增多、网络规模的加大等，传统的基于电交换的技术要达到很高的交换性能，如高交换容量、高端口速率、低交换时延等，所面临的压力越来越大。

克服电交换瓶颈的最根本方法在于采用全光的分组交换技术，但目前该技术还存在若干难点，如全光存储、光定时/同步等。为此，充分结合并发挥现有光、电技术的优势，构建光电混合的交换系统，是实现大容量交换系统的有效方法，如光突发交换技术，即Optical Burst Switching，简称OBS。

在OBS网络中，承载用户业务突发数据，即Burst，可以看作是由大量数据分组构成的超长分组，而这个超长分组的分组头就是突发数据的控制分组，称为突发报头分组Burst Header Packet，即BHP。与传统分组交换不同的是，BHP与Burst在物理通道上是分离的：在DWDM传输系统中，可以采用一个或多个专门的波长作为控制通道，用于传送BHP，而把其他的波长作为数据通道。BHP与Burst间一一对应，BHP中包含突发数据的有关信息，这些信息包括偏移时间、突发长度、数据通道或波长等。在源端真正发送用户数据前，设置BHP与突发数据之间的偏移时间offset time，即源端发送BHP与发送相应突发数据之间的间隔时间，使BHP先于Burst到达OBS的中间节点。BHP在中间节点转换为电信号进行处理，包括路由的确定、资源的预约以及交换矩阵的配置等，保证当突发数据到达时相应的数据通道已经配置好，从而实现数据在光域的透明传输。

从完成的功能来看，BHP与传统电路交换网络中的信令非常相似，正是在这个意义上，BHP也被称为信令消息。但与传统信令不同的是，OBS的信令不必等待目的端的反馈确认，即OBS的资源预约是单向的。也正是这种“单向预约”机制减小了连接建立延迟，提高了信道利用率。

一个OBS网络主要由边缘节点、核心节点和DWDM链路构成(见附图1)，其中边缘节点负责对数据分组进行缓存和封装，组合成突发数据，然后发送给与之最邻近的OBS核心节点。封装时边缘节点生成描述突发数据特性的BHP分组，先于突发数据在特定的控制通道上发送。核心节点根据控制通道上收到的BHP，可以得知突发数据的到达时间、持续时间、目的地址(和转发标签)等控制信息，并根据这些信息完成对光路的配置，保证数据的透明通道(见文献Y.Xiong，M.Vandenhoute，and H.Cankaya.Control architecture in optical burst-switched WDM networks.IEEE Journal on Selected Areas in Communications，18：1838-1851，October2000)。

虽然OBS系统在理论上可以达到很高的性能，如大的交换容量、低的交换时延、高的资源利用率等，但在目前的光技术水平下，需要解决的技术问题还很多，如本发明所针对的交换调度问题。

交换调度所要解决的问题可简单描述为：在有限的交换资源下，提供尽可能高的交换性能。在此，可用的交换资源有：光交叉连接矩阵、光延时线、波长变换器、单端口，即光纤的多个工作波长等；需满足的交换性能有：交换时延、交换容量、交换丢失率等。

在现有的关于OBS核心节点的调度算法及相关的性能分析中，均采用了“先来先服务”First Come First Service，即FCFS的机制，我们称之为顺序到达调度的方法：核心节点每收到一个来自于上游节点的BHP，马上启动调度算法，为该BHP对应的Burst分配可用的交换资源，并将该BHP转发到下游节点。

但这类交换控制或调度方案存在的主要问题是，OBS中的任意一个核心节点在处理完一个BHP后，若该BHP预约的资源可用，则该BHP马上转发到下一个节点，使得它所预约的交换资源不可更改；而对于当前节点交换资源无法满足BHP预约要求的，该BHP被丢弃。这样导致的问题有：

1、突发数据的交换优先级无法充分、灵活保证(见文献M.Yoo and C.Qiao.Supporting multiple classes of services in IP over WDM networks.In proceeding ofGLOBECOM，volume 1b，pages 1023-1027，1999.和文献Mei Yang，S.Q.Zheng，and D.Verchere，“A QoS supporting scheduling algorithm for Optical Burst Switching DWDMNetworks，”Proc.of IEEE GLOBECOM 2001，Vol.1，pp.86-91，11/01.)；

2、从时间角度看，交换资源的使用效率低，存在大量的“碎片”，即在某个时间段内虽然部分交换资源是空闲的，但这些资源却无法为后续到达的突发数据所利用(见文献M.Iizuka，M.Sakuta，Yoshiyuki，“A SchedulingAlgorithm Minimizing Voids Generated by Arriving Bursts in Optical Burst Switched WDMNetwork，”Proceedings，IEEE Globecom 2002，November 2002.)；

3、在一次调度过程中无法处理的BHP被丢弃，使得系统的交换丢失率高(见文献Jinhui Xu，C.Qiao，J.Li，and G.Xu.″Efficient Channel Scheduling Algorithmsin Optical Burst Switched Networks″，IEEE INFOCOM 2003，22nd Annual JointConference of the IEEE Computer and Communications Societies，San Francisco，March2003)。

发明内容

针对现有OBS系统中核心交换调度方法的缺陷，本发明的目的是提供一种多控制分组汇聚交换调度方法，该方法在相同的交换资源下，即在相同的光交叉连接矩阵、光延时线、波长变换器、及这些光路相关器件的连接关系下，可提高OBS系统的交换性能，达到降低交换丢失率，提高对多优先级业务的支持等的目的。

本发明的一种多控制分组汇聚交换调度方法是设业务量强度为ρ，BHP的到达频度为λ，且初始时核心节点没有未处理的BHP，其特征是采用下面步骤：

步骤1确定突发报头分组BHP汇聚时间的长度步骤：根据BHP的到达频度、突发数据丢失率和交换时延的要求，确定一个BHP汇聚时间的长度，该时间长度同时也是一个交换调度周期；

步骤2启动窗口超时计数器步骤：当来自边缘节点、核心节点或前一个调度周期无法处理的第一个BHP到达当前核心节点时，启动窗口超时计数器，并记录后续到达的每个BHP的到达时间；

步骤3排队步骤：依据BHP中携带的信息，所述信息包括服务质量、突发数据长度和偏移时间，将汇聚时间内到达的所有BHP排队；所述排队的方法可按照突发数据到达时间进行排队，或者按照优先级高低进行排队，或者按照突发数据长度进行排队，或者是将以上多种方法综合起来；

步骤4出队列步骤：当窗口超时计数器值超过所设定的汇聚时间，从多个等待队列中按照公平服务算法取出若干个BHP，送入交换调度器进行调度处理；所述的公平服务算法可采用DRR，即Dual Round-Robin，或者WFQ，即Weighted Fair Queue，或者ERR，即Elastic Round-Robin；每次取出BHP的个数，由调度算法实现的复杂度、性能提高程度的要求和处理器的处理能力决定；

步骤5调度步骤：交换调度器提取步骤4中出队列的BHP所携带的与交换资源占用相关的信息，所述信息包括突发数据到达时间、突发数据长度、出端口和波长，搜索当前交换节点可用资源表，所述资源表包括各出端口波长的空闲信息、波长变换器的可用信息、光交叉连接矩阵及光纤延时线配置状态，采用多约束多目标优化算法，使尽可能多的BHP能够在这个调度周期内成功预约资源，即使得尽可能多的Burst的光通道得到预约配置；

步骤6更新可用资源表步骤：用步骤5已预约的资源更新当前节点的可用资源表；

步骤7转发BHP步骤：将已经成功预约资源的BHP转发到下游节点，并返回步骤2等待新的BHP到达；

步骤8返回步骤：将未能成功预约资源、且总等待时间还未超过偏移时间的BHP返回服务等待队列，返回步骤2，否则丢弃。

本发明方法的流程图如图2所示。实现功能框图见附图3。

对比传统的方案，可见本文所阐述方案的创新性在于：设置BHP汇聚时间进行周期性处理；可以利用灵活的排队和出队列策略为高优先级的突发数据提供服务质量，即QoS保证，并可降低总的突发数据丢失率；采用多约束多目标优化调度算法进一步优化调度，提高系统性能。特别地，步骤3和4用于实现系统对多QoS突发数据的支持，与现有的OBS系统中的QoS机制相比，该方法在公平性、灵活性等方面有很大提高。传统的调度方案是基于BHP顺序到达的，调度器每次处理一个BHP，由BHP信息确定它所要求的交换资源是否可用：能够预约配置光路，则占用交换资源，转发BHP，并当它对应的Burst到达核心交换节点时让该Burst通过；否则丢弃该BHP，丢弃它对应的Burst分组。

本发明的多控制分组汇聚交换调度方法的实质是：利用对BHP的周期性处理这一创新来打破传统的对BHP的顺序处理，为BHP排队和高优先级突发数据抢占低优先级突发数据提供条件；并利用灵活的排队和出队列策略为不同类的突发数据提供不同的QoS；同时利用多约束多目标优化调度算法在一个调度周期内同时处理多个BHP，以更优化的方式对BHP进行调度。从而提高了交换资源的利用效率，达到了提高交换性能的目的。

本发明的多控制分组汇聚交换调度方法的特点在于利用OBS系统中BHP先于突发数据到达核心交换节点的特点，执行每次调度时不是依据一个BHP所携带的信息，而是利用某个时间段内所到达的多个BHP，基于交换资源优化利用的原则，同时完成多个BHP的处理，进而达到在相同的交换结构、相同的交换资源下，提高交换性能的目的。

光突发交换系统中涉及大量的光、电技术，目前虽然电处理的技术手段较成熟、实现成本也较低，但光器件的性能仍然不很理想，成本还很高，如高速半导体光开关、可调协激光器等。因此在OBS系统中，若采用较为复杂的电处理技术，能够在一定的光交换结构下带来更高的交换性能，具有明确的工程应用价值。

本发明提出了一种多控制分组汇聚交换调度方法，就是以有限程度的电处理复杂度的提高，换取光交换系统整体性能的提高。比较OBS核心交换系统与传统电交换系统，可发现OBS系统在很多方面受限于光器件的性能，如无法时隙化操作，采用内部交换加速的代价过高，只能使用光延时而不是真正意义上的光缓存等；但OBS也有其固有的优势，如端到端业务的全光传输/交换，每个端口或每根光纤有多个可用波长，控制分组先于数据分组到达而完成对交换资源的预约等。本发明所提出的调度方案就充分利用了OBS的这些优势，在我们已进行了的计算机仿真中，采用多控制分组汇聚交换调度方案的OBS系统，在相同的光交换网络配置、相同的交换负载率下，系统交换丢失率比采用顺序调度方案的系统可下降一个数量级，极大的提高了OBS系统的交换性能。

附图及附图说明

图1是OBS网络的构成示意图

图2是本发明方法的流程图

图3多控制分组汇聚交换调度功能框图

图4一种基本的核心节点OBS光交换结构

图5采用顺序交换调度方案的示意图

图6采用多控制分组汇聚交换调度方案的示意图

图7高优先级交换丢失率的仿真对比

具体实施方式

本发明所提出的交换调度方案可用于不同的光交换结构。以下以图4所示的光交换结构给出本发明的一个实施例。

由图4可知，OBS核心节点的结构主要包括光交叉连接矩阵、波长变换器和光延迟线。这种系统结构中，有4根输入光纤，每根输入光纤有9个波长，用于承载8路业务的突发数据和一个BHP信道。同样的有4根输出光纤，因此系统支持4组共32路突发数据的交换。图中每路仅给出了8个数据波长，它们在到达光交换结构时通过分波器连接到8个波长变换器；波长变化器的输出通过8个独立的可控光延迟线连接到公共的32×32无阻塞光交叉连接矩阵；光交叉连接矩阵分为4组，每组有8个输出，要求组内输出波长不重叠，通过合波器连接到一根输出光纤。

在这种光交换结构下，假设当前输出端口，即光纤只有一个波长可用，因此所有发往该光纤的突发数据都必须由32×32光交叉连接矩阵的一个端口输出。此时采用现有的顺序交换调度方案时，由于发生冲突而导致部分突发分组无法转发的情况示于图5，其中假设Burst1(该Burst1对应于BHP1)的优先级低于Burst2(该Burst2对应于BHP2)。由图5可见，来自输入光纤1的BHP1先到达，因此预约了交换资源，即交换矩阵的输出端口；来自输入光纤2的BHP2到达时，查找资源表，交换矩阵的输出端口被Burst1占用、输入端口光延迟线达最大值，表明无空闲交换资源可用，因此Burst2将被丢弃。此时不仅高优先级的分组Burst2没有得到交换，而且被丢弃了。

采用本发明的多控制分组汇聚交换调度方法时，先将BHP按其Burst到达的时间排队，如果Burst有重叠，则再按优先级排队，当优先级相同时再按突发数据的长度排队。从图6中可以发现，由于BHP1、BHP2....BHPn处在在同一个调度窗口内，可以同时处理，此时先到的BHP1并没有马上预约交换矩阵出端口，而是BHP2预约到了该端口，使得Burst2首先得到交换；BHP1对应的突发数据分组预约到的是其入端口的光延迟线，而经延迟的Burst1与Burst2在交换矩阵出端口的竞争得到消除，两个Burst都得到顺利交换，提高了交换性能。

基于图4所示的光交换结构，在采用现有的顺序交换调度方案和本发明的多控制分组汇聚交换调度方案时，高优先级业务的交换丢失率仿真结果见图7(仿真工具为Visual C/C++开发平台)。在采用现有的顺序调度时，如果没有采用其他QoS机制，则所有业务其实都是平等地处理；采用本发明方法后，高优先级业务的丢失率大大下降，特别是在业务量较大时。另外，从图7中还可看出，随着汇聚时间的增加，丢失率也随之下降。

明显的，本发明提出的调度方案在系统负载率较大的情况下，交换丢失率可比现有的顺序交换调度方案下降近10倍。这充分表明了本发明的良好效果。

Claims (1)

1、一种多控制分组汇聚交换调度方法，其特征是采用下面步骤：

步骤1确定突发报头分组BHP汇聚时间的长度步骤：根据BHP的到达频度、突发数据丢失率和交换时延的要求，确定一个BHP汇聚时间的长度，该时间长度同时也是一个交换调度周期；

步骤2启动窗口超时计数器步骤：当来自边缘节点、核心节点或前一个调度周期无法处理的第一个BHP到达当前核心节点时，启动窗口超时计数器，并记录后续到达的每个BHP的到达时间；

步骤3排队步骤：依据BHP中携带的信息，所述信息包括服务质量、突发数据长度和偏移时间，将汇聚时间内到达的所有BHP排队；所述排队的方法可按照突发数据到达时间进行排队，或者按照优先级高低进行排队，或者按照突发数据长度进行排队，或者是将以上多种方法综合起来；

步骤4出队列步骤：当窗口超时计数器值超过所设定的汇聚时间，从多个等待队列中按照公平服务算法取出若干个BHP，送入交换调度器进行调度处理；所述的公平服务算法可采用DRR，即Dual Round-Robin，或者WFQ，即WeightedFair Queue，或者ERR，即Elastic Round-Robin；每次取出BHP的个数，由调度算法实现的复杂度、性能提高程度的要求和处理器的处理能力决定；

步骤5调度步骤：交换调度器提取步骤4中出队列的BHP所携带的与交换资源占用相关的信息，所述信息包括突发数据到达时间、突发数据长度、出端口和波长，搜索当前交换节点可用资源表，所述资源表包括各出端口波长的空闲信息、波长变换器的可用信息、光交叉连接矩阵及光纤延时线配置状态，采用多约束多目标优化算法，使尽可能多的BHP能够在这个调度周期内成功预约资源，即使得尽可能多的Burst的光通道得到预约配置；

步骤6更新可用资源表步骤：用步骤5已预约的资源更新当前节点的可用资源表；

步骤7转发BHP步骤：将已经成功预约资源的BHP转发到下游节点，并返回步骤2等待新的BHP到达；

步骤8返回步骤：将未能成功预约资源、且总等待时间还未超过偏移时间的BHP返回服务等待队列，返回步骤2，否则丢弃。