CN1561021A

CN1561021A - 具有端到端可靠传输功能的光突发交换网络节点结构

Info

Publication number: CN1561021A
Application number: CNA2004100166978A
Authority: CN
Inventors: 雒江涛; 曾庆济; 张治中
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-03-04
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2024-03-04
Also published as: CN1266867C

Abstract

一种具有端到端可靠传输功能的光突发交换网络节点结构，在边缘节点增加了备份单元及消息生成单元，在入口边缘节点处为每个突发分组分配一个序列号，并对每个突发分组进行备份，直到确认它已被成功送达；在中间节点增加了丢弃消息生成单元，当有数据突发分组被丢弃时通知源节点进行重传；在控制信令中引入丢弃消息和确认消息，在突发分组被丢弃或顺利送达时通知源节点进行重传或清除备份，这些消息与控制分组一起在控制信道中传输。本发明可以构建一个自适应、灵活的核心传送网，从而从根源上降低冲突发生的几率，并保证光突发分组在域内的可靠传输，同时减轻上层的压力，提升整个网络的性能。

Description

具有端到端可靠传输功能的光突发交换网络节点结构

技术领域

本发明涉及一种具有端到端可靠传输功能的光突发交换网络节点结构，实现光突发分组在交换网络内的可靠传输，提升整个网络的性能，属于光通信技术领域，特别是全光通信网领域。

背景技术

光突发交换网络(OBS：Optical Burst-Switched Network)首先由纽约州立大学的C.Qiao于1999年提出并系统阐述(Chunming Qiao，Myungsik Yoo.Optical burst switching(OBS)-a new paradigm for an optical internet.J.High Speed Network，8：69-84，1999)，这种“经典光突发模型”的概念一经提出，便很快成为光通信领域研究的热点之一，因为它使得在当前光技术条件下，实现大分组(Super Packet)的交换和透明传输成为可能。一个OBS网络(域)由若干边缘路由器和核心路由器构成，边缘路由器(节点)负责完成与传统网络的接口。在入口边缘节点，按照目的节点以及服务质量的要求，IP分组被组装成突发分组(Burst)，它是OBS域内的基本传输和交换单元。同时，边缘节点为每一个突发分组创建一个突发控制分组，并先于突发分组一段时间发送出去，这段时间又称为偏移时间(Offset Time)，偏移时间的大小在OBS不同的信令协议中有不同的规定。控制分组和突发分组分别在不同的波长信道中传输，分别称为控制信道和数据信道。控制分组携带路由等控制信息，在中间节点经过光-电-光(O-E-O)转换和处理，负责为突发分组提前预约交换端口。此外，中间节点还负责重建控制分组、为突发分组设定交换路径和执行转发等。在OBS域出口边缘节点上，根据控制分组包含的信息，突发分组被还原为正常分组，继续在传统IP网中传输。

光突发交换可以实现数据载荷可以透明传输，充分享受密集波分复用(DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing)技术带来的丰富带宽资源，同时，与光分组交换相比，交换粒度的增加降低了对核心交换节点开关速率的要求。与光路交换或波长路由相比，单向资源预约与统计复用又大大提高了带宽利用率。但是，由于目前缺乏光随机存贮器和实用的完全可调波长转换器，竞争冲突解决(contention resolution)是光突发交换中最突出的问题。而且从本质上讲，经典的光突发交换网络提供的无确认的无连接的服务，和IP一样，是基于“尽力而为”(best-effort)的转发机制，在OBS域内不能提供端到端可靠的传输。目前，端到端可靠的传输是依靠传输控制协议(TCP：TransmissionControl Protocol)来保证的，但由于突发分组包含多个IP分组，一旦由于冲突造成突发分组丢失，多个IP分组的丢失会引起多个源客户节点的上层协议，即TCP，进行分组重传、OBS边缘节点的重新组装等一系列重复操作。这样带来的开销很大，影响整个网络的效率。

发明内容

本发明的目的是在经典光突发交换网络OBS模型的基础上，提出一种具有端到端可靠传输功能的光突发交换网络节点结构，它将TCP的流控(flowcontrol)和重传(retransmission)机制引入OBS中，从而从根源上降低冲突发生的几率，并保证光突发分组在OBS域内的可靠传输，同时减轻上层的压力，提升整个网络的性能。

为实现这样的目的，本发明对经典的光突发交换模型进行了改造，在边缘节点增加了备份单元及消息生成单元，在入口边缘节点处为每个突发分组分配一个序列号，并由备份单元对每个突发分组进行备份，直到确认它已被成功送达。在中间节点增加了丢弃消息生成单元，当有数据突发分组被丢弃时通知源节点进行重传。在控制信令中增加了反馈的控制消息，包括丢弃消息和确认消息，在突发分组被丢弃或顺利送达时通知源节点进行重传或清除备份，这些消息与控制分组一起在控制信道中传输。

本发明的主要内容包括：

(一)在控制信令中创建“确认消息”.

确认消息由边缘节点负责生成，其帧格式包含“消息类型”，“目的地址”，“出口地址”和“序列号”四个域(field)，其消息类型为“ack”，它的编码方式与丢弃消息、突发控制分组(BCP：Burst Control Packet)以及其它路由、控制信息区分。确认消息与送达的突发分组一一对应，序列号是此确认消息对应的突发分组的序列号；目的地址给出确认消息发往的目的节点地址，也就是对应突发分组的入口边缘节点地址；出口地址代表对应突发分组的出口边缘节点地址，亦即此消息发出的节点地址。

(二)在控制信令中创建“丢弃消息”.

丢弃消息由中间节点产生，它的帧格式包含“消息类型”、“目的地址”、“源地址”、“出口地址”和“序列号”五个域。其中，消息类型为“drp”，它的编码方式与“确认消息”、突发控制分组以及其它路由、控制信息区分。目的地址是丢弃消息要发往的目的边缘节点地址，亦即被丢弃的突发分组的入口节点地址；源地址是发出丢弃消息的节点地址，即本中间节点地址，边缘节点可据此了解整个网络的阻塞状况；出口地址是被丢弃突发分组的出口边缘节点地址，用来区分从同一源节点发出前往不同边缘节点的突发分组。序列号是被丢弃突发分组的序列号。

(三)新的边缘节点功能结构

本发明的边缘节点的功能结构可分为接收和发送两个部分(这里所谓接收和发送都是相对于突发分组来讲的)。

接收部分负责从核心网接收信息，处理后转发至传统客户网。它包括突发接收机模块、拆封(分解)模块、分类器、接收调度器和电交叉矩阵等几个单元。光突发接收机对接收到的光突发分组进行光-电转换，然后送到拆封单元；拆封单元负责将突发分组分解还原成普通分组流，然后送到电交叉连接矩阵；电交叉连接矩阵将普通分组交换至相应端口，进入传统客户网；分类器负责将控制信道的信息进行光-电转换，并将控制分组流与消息流分离开来，送入接收调度器内不同的处理单元。接收调度器是接收部分的核心，除了负责协调控制接收部分各模块的工作外，同时还负责将收到的消息转发给发送部分的发送调度器。

发送部分负责从传统客户网接收分组，汇聚成突发分组发往光突发交换核心网，同时负责发送确认消息和完成重传功能。它包含两个电交叉连接矩阵、一个光交叉连接矩阵、突发组装单元、突发发射单元、控制分组(BCP)生成单元、备份单元、消息生成单元、光发射单元以及发送调度器等，其中备份和消息生成是新增单元。第一个电交叉连接矩阵负责将到达的分组按照目的节点的不同交换至相应的突发组装单元去；突发组装单元按照一定的组装机制将若干普通分组组装为一个大的数据单元-突发分组；突发发射单元包含一个突发分组发送队列，突发分组在此完成波长指派、电-光转换，成为光突发分组，然后经光交叉连接矩阵交换至相应光输出链路，进入光突发交换核心网。备份单元负责对每个组装好的突发分组和必要的信息进行备份；BCP生成单元负责为每个突发分组创建相应的控制分组；消息生成单元负责创建有关消息，在边缘节点主要是确认消息。消息流与控制分组流经第二个电交叉连接矩阵交换至相应的光发射单元，进行电-光转换，并汇入相应光纤链路的控制信道中与相应的数据信道一并进入光突发交换核心网。发送部分最核心的单元是发送调度器，它的功能包括以下内容：

指挥突发组装单元按照一定的组装机制进行突发分组组装；

对每个组装好的突发分组在备份单元进行备份；

指挥创建控制分组，并按照控制协议的要求设定偏移时间，控制控制分组与突发分组的发射；

控制所有的交换矩阵；

消息处理功能；

指挥生成“确认消息”等。

(四)新的中间节点功能结构

中间节点的功能结构主要包括了以下功能模块：一个光交叉连接矩阵和一个电交叉矩阵，分别负责数据流和控制消息流的交叉连接；调度器单元，负责协调、控制各单元协同工作；控制分组再生单元，负责修改控制分组的有关域，比如生存时间域TTL，并生成新的控制分组；光反射单元负责完成控制流的光电转换；分类器负责将控制分组流与消息流分隔开来，进行不同的后续处理。因为消息流不在中间节点处理，因此直接被送往电交叉连接单元，交换至相应端口，继续传送；而控制分组流被送往调度器，进行处理和再生。丢弃消息生成单元是本发明特有的单元，丢弃消息生成单元在有突发分组被丢弃时发挥作用，它在调度器的控制下，生成一个丢弃消息，汇入消息流中发往下一跳。

本发明的有益效果：

(1)采用本发明的光突发交换网络，可以从根源上降低冲突发生的几率。经典的光突发模型是基于单向的传送机制，边缘节点依据一定的组装策略将到达的IP分组组装成更大突发分组并发送出去，根本不顾此时的网络状况。这样，当网络阻塞严重时，会造成大量的突发分组被丢弃。而本发明的光突发模型是基于双向带反馈的传送机制，当网络有阻塞发生时，边缘节点会依据收到的丢弃消息暂停相应端口的突发分组发送，从而降低网络总的负载率，减少冲突的发生。等网络重新畅通时，边缘节点会在收到确认消息或经过一段随机时间后重新启动相应的端口，继续发送突发。

(2)采用本发明的光突发交换网络，能显著降低TCP层的重传压力。在目前和未来网络中，TCP/IP体系都占据绝对主导地位。在经典光突发交换模型中，丢弃重传的任务完全是由TCP层负责。由于突发分组粒度较大，往往由十几到几十个可能来自不同主机的IP分组构成，一旦发生丢弃，往往需要多个主机重传。而采用本发明的光突发交换模型，则可以保证光突发分组在OBS域内端到端可靠的传输，从而可以大大降低TCP层重传的压力，提高整个网络的性能。

(3)采用本发明的光突发交换模型，可以构建一个自适应、灵活的核心传送网。可靠的光突发交换网络具有一定的自适应能力，对任意业务模型和负载都能自动调节，控制突发分组的发送时机，降低冲突的发生。现在已公认分组业务具有自相似或称为长程相关特性，对于这种业务简单地增加交换节点的缓存容量对阻塞性能的改善作用非常有限，只有提高网络的自适应能力，才能从根本上提高网络性能，增强网络自身的健壮性。

附图说明

图1本发明的具有端到端可靠传输功能的光突发交换网络示意图。

图2本发明的光突发交换网络边缘节点功能模块图。

图3边缘节点丢弃消息处理流程。

图4边缘节点确认消息处理流程。

图5本发明的光突发交换网络中间节点功能模块图。

具体实施方式

本发明的具有端到端可靠传输功能的光突发交换节点结构设计包含了两类节点：边缘节点和中间节点，下面结合附图对本发明技术方案的具体实施方式作详细描述：

一、构建边缘节点

本发明的边缘节点的功能结构如附图2所示，它包括接收和发送两个部分。

接收部分负责从核心网接收信息，处理后转发至传统客户网。它包括突发接收机模块、拆封(分解)模块、分类器、接收调度器和电交叉矩阵等几个单元。光突发接收机对接收到的光突发分组进行光-电转换，然后送到拆封单元；拆封单元负责将突发分组分解还原成普通分组流，然后送到电交叉连接矩阵；电交叉连接矩阵将普通分组交换至相应端口，进入传统客户网；分类器负责将控制信道的信息进行光-电转换，并将控制分组流与消息流分离开来，送入接收调度器内不同的处理单元。接收调度器是接收部分的核心，负责协调控制接收部分各模块的工作，同时负责将收到的消息转发给发送部分的发送调度器。

发送部分负责从传统客户网接收分组，汇聚成突发分组发往光突发交换核心网，同时负责发送确认消息和完成重传功能。它包含两个电交叉连接矩阵、一个光交叉连接矩阵、突发组装单元、突发发射单元、控制分组(BCP)生成单元、备份单元、消息生成单元、光发射单元以及发送调度器等，其中备份和消息生成是新增单元。第一个电交叉连接矩阵负责将到达的分组按照目的节点的不同交换至相应的突发组装单元去；突发组装单元按照一定的组装机制将若干普通分组组装为一个大的数据单元-突发分组；突发发射单元包含一个突发分组发送队列，突发分组在此完成波长指派、电-光转换，成为光突发分组，然后经光交叉连接矩阵交换至相应光输出链路，进入光突发交换核心网。备份单元负责对每个组装好的突发分组和必要的信息进行备份；BCP生成单元负责为每个突发分组创建相应的控制分组；消息生成单元负责创建有关消息，在边缘节点主要是确认消息。消息流与控制分组流经第二个电交叉连接矩阵交换至相应的光发射单元，进行电-光转换，并汇入相应光纤链路的控制信道中与相应的数据信道一并进入光突发交换核心网。发送部分最核心的单元是发送调度器，它的功能包括以下内容：指挥突发组装单元按照一定的组装机制进行突发分组组装；对每个组装好的突发分组在备份单元进行备份；指挥创建控制分组，并按照控制协议的要求设定偏移时间，控制控制分组与突发分组的发射；控制所有的交换矩阵；消息处理功能；指挥生成“确认消息”等。

边缘节点的工作流程是这样的：

接收部分负责将收到的突发分组分解还原为普通分组，送往传统客户网继续转发；同时通知发送部分已成功收到一个突发分组。此外，将收到的其它消息(确认和丢弃消息)转告给发送部分，以进行重传和清除备份。在数据通道上，光突发接收机将收到的突发分组流进行光-电转换，然后送到拆封单元在调度器的控制下进行分解还原，成为普通分组；分组流经由电交叉连接矩阵交换至相应端口进入传统客户网继续转发；在控制通道上，分类器将消息流与控制分组流分离开，送往调度器的不同处理单元；接收调度器根据控制分组处理的结果来指挥突发分组的分解以及电交叉连接矩阵的配置。同时，接收调度器将收到的消息转发给发送调度器，以进行重传或清除备份的工作。

发送部分负责将传统客户网送来的普通分组组装成突发分组，然后送往光突发交换核心网；同时，生成相应的控制分组和有关的消息沿控制信道进入光突发交换核心网。在数据通道上，第一个电交叉连接矩阵将收到的普通分组交换至相应的突发组装单元的组装队列中，在那儿按照一定的组装机制组装成突发分组，并送往突发反射单元的发送队列中等待发射；同时，每个组装好的突发分组在备份单元进行备份，以备重传；当发送调度器指示某个突发分组需要重传时，备份单元则从备份内存中取出该突发分组的一个副本，加入到发送队列中去，同时将有关的控制信息送往BCP生成单元，为重传突发分组创建新的控制分组。发送队列的状态由调度器按照有关控制协议或反馈消息进行控制，发出的突发分组经由光交叉连接矩阵交换至相应端口进入光突发交换核心网。在控制通道上，BCP生成单元和消息生成单元是控制信息流的源头，控制信息流经电交叉连接矩阵和光发射单元进入控制信道，与相应的数据信道一起进入光突发交换核心网。所有这一切都在发送调度器的控制之下有条不紊地进行。

当调度器收到一个丢弃消息时，首先暂停相应端口突发发送单元的突发发送，即设定突发发送状态为“禁止发送”(Send＝0)；接着指示备份单元将被丢弃突发分组的一个副本送往突发发送单元，加入到发送队列当中；同时，查看被丢弃的突发分组是否是刚发走的最后一个，如果是则等待一段随机时间后，将发送单元的状态恢复为“允许发送(Send＝＝1)”。如果不是，表明在被丢弃的突发分组后面有后续的从此端口发出的突发分组，则保持发送队列的禁止发送状态，直到收到此端口的确认消息，来恢复队列的突发发送；或者刚发走的最后一个突发分组也被宣布丢弃，则同样经过一段随机时间后继续发送(参见附图3)。当发送调度器收到一个确认消息时，首先检查队列的发送状态，如果是“允许发送”，则保持；如果是“禁止发送”，则恢复为“允许发送”，同时指示备份单元清除相应突发分组的备份(参见附图4)。当发送调度器被接收调度器告知有个突发分组已被成功接收，它将指挥消息生成单元创建一个确认消息，与控制分组复合后沿控制信道发往该突发分组的入口边缘节点。

二、构建中间节点

中间节点的功能结构如附图5所示，主要包括了以下功能模块：一个光交叉连接矩阵和一个电交叉矩阵，分别负责数据流和控制消息流的交叉连接；调度器单元，负责协调、控制各单元协同工作；控制分组再生单元，负责修改控制负责有关域，比如生存时间域TTL，并生成新的控制分组；光反射单元负责完成控制流的光电转换；分类器负责将控制分组流与消息流分隔开来，进行不同的后续处理。因为消息流不在中间节点处理，因此直接被送往电交叉连接单元，交换至相应端口，继续传送；而控制分组流被送往调度器，进行处理和再生。丢弃消息生成单元是本发明特有的单元，丢弃消息生成单元在有突发分组被丢弃时发挥作用，它在调度器的控制下，生成一个丢弃消息，汇入消息流中发往下一跳。

中间节点的工作流程相对于边缘节点要简单得多，这也符合把复杂性推向网络边缘的趋势。首先在数据通道上，从数据信道来的突发分组流直接经光交叉连接矩阵，通过预设好的交换路径转发至相应输出端口。而从控制信道来的控制消息流首先经分类器加以区分，如果是消息流，则直接送往电交叉连接矩阵进行转发；如果是控制分组，则送往调度器进行处理和再生；调度器收到控制分组处理后后，为即将到达的突发分组进行交换路径的设定和输出端口的指派，如果有可用资源(输出波长信道、光纤延迟线等)，则设定光交叉连接矩阵在突发分组到达时刻的相应动作，然后修改控制分组与跳数相关的域，由控制分组再生模块生成新的控制分组，经电交叉连接矩阵至相应输出端口继续传送；如果没有可用资源，则宣布丢弃该突发分组和控制分组，并通知丢弃消息生成单元生成一个丢弃消息，然后汇入消息流中一同发送。

三、构建具有端到端可靠传输功能的光突发交换网络

若干边缘节点和中间节点通过波分复用WDM链路连接起来便可以构成一个光突发交换网络，如附图1所示。边缘路由器(节点)放置在光突发交换网络的边缘，负责与传统网络的接口；核心路由器(中间节点)放置在网络中间，它们之间通过WDM光纤链路连接起来。边缘节点负责将传统网络的普通分组流组装成粒度更大的突发流，同时负责相反的过程，即将光突发交换核心网传来的光突发分组流分解还原为普通分组，交给传统网络继续转发。突发分组流沿光纤链路的数据信道传送，而控制分组流及反馈消息流沿控制信道传送，它们的载波波长不同。以图1中所示两个IP路由器S和D之间的数据收发为例进行说明。由路由器S发出的分组流首先在边缘路由器E1处被组装成突发分组；在突发分组被发出之前，首先生成一个控制分组，它携带此突发分组的路由信息并先于突发分组一段偏移时间沿控制信道发出，突发分组随后沿数据信道发出。控制分组在以后各节点处经过光电转换后被处理，为随后到达的突发分组预约输出端口，然后在某些域做了必要的修改后，经电-光转换后沿控制信道继续传往下一跳节点，直到出口边缘路由器E2。E2负责将数据突发分组分解还原为普通分组，转发至与之相连的目的IP路由器D。当有突发分组在中间节点被丢弃时(丢弃的原因可能是由于可用资源不足，或者是由于控制分组与突发分组的对应关系出现差错)，中间节点负责产生一个丢弃消息(分组)，并发往相应的入口边缘节点。比如图1中，当中间节点C2丢弃一个突发分组时，它会产生一个丢弃消息发往相应的入口边缘节点E1，报告被丢弃的突发分组的序列号；边缘节点E1收到通知后，会从备份单元中取出此突发的一个副本加入到发送队列中，进行重传。当出口边缘节点准确无误地收到一个突发分组后，除了将其分解为普通分组继续转发外，同时，它将产生一个“确认消息”(分组)发往入口边缘节点，通知它某个突发分组已成功收到；入口边缘节点收到此消息后，则在备份空间中将该突发分组清除。据此，本发明的光突发交换网络可以保证突发分组在OBS域内端到端可靠的传送。

Claims

1、一种具有端到端可靠传输功能的光突发交换网络节点结构，包括边缘节点和中间节点，其特征在于在控制信令中增加了确认消息和丢弃消息，边缘节点中增加了备份单元及消息生成单元，中间节点中增加了丢弃消息生成单元，在入口边缘节点处为每个突发分组分配一个序列号，并由备份单元进行备份，当出口边缘节点准确无误地收到一个突发分组后，由消息生成单元产生一个确认消息发往入口边缘节点，入口边缘节点则在备份单元中将该突发分组清除；当有突发分组在中间节点被丢弃时，中间节点的丢弃消息生成单元产生一个丢弃消息发往相应的入口边缘节点，从备份单元取出相应的突发分组进行重传，边缘节点的接收调度器与发送调度器相连，接收调度器除了负责协调控制接收部分各模块的工作外，还负责将收到突发分组的消息转发给发送调度器。