CN1735076A - 用于在通信网络的节点之间传送数据包的方法 - Google Patents

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Abstract

所述包在入节点的聚集缓冲器中被聚集以形成突发。包含有关突发长度的信息的突发的包头被发送到目的地节点，并且在偏移时间之后，发送该突发到该目的地节点。在突发的聚集完成之前，计算该突发长度并发送该包头到该目的地节点。

Description

用于在通信网络的节点之间传送数据包的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的方法和网络节点。
背景技术
在象光突发交换(OBS)网络或光网络那样的网络中，例如网际协议(IP)包的包、异步传输模式(ATM)信元或协议数据单元(PDU)被聚集成如电或光突发的突发，以便通过网络进行传输。根据某一聚集策略，在网络的象入节点或边界节点那样的节点中发生包转换为突发。
在象OBS网络那样的网络中发送象光突发那样的突发的过程描述如下：首先：在节点的聚集缓冲器中聚集象IP包那样的输入包，直到形成突发。第二：通过网络发送包含关于突发长度的信息的突发的包头(header)。第三：等待偏移时间并发送突发。为了将突发从入节点传送到出节点，偏移时间是准备节点中的切换路径所必需的。该偏移时间取决于网络和节点。借助于图1左侧，将结合实施例详细描述该过程。
根据这个过程，尽管网络可以Gbps的速度运行，但通过网络发送的包所经历的延迟可以因此为微秒或甚至毫秒的数量级。因而，来源于使用突发交换网络的延迟对于许多延迟灵敏的应用可能是不可接受的。
发明内容
因此，本发明的目标是减少经由突发交换网络传送的包的延迟。
该目标通过具有权利要求1的特征的方法或具有权利要求12的特征的节点来实现。
基本思想是：在完成突发的聚集之前，发送该突发的包头到网络。这具有这种优点：经由突发和突发交换网络分别传送的包的延迟小于经由传统方法传送的包的延迟。
本发明的进一步发展在从属权利要求中确定。
在本发明的实施例中，当接收到一定数量的突发的包时，该突发的包头被立即发送到网络，而不是根据传统方法一直等待直到突发完成。根据本发明，这具有这种优势：根据一定数量的包的输入平均包率，可以计算突发长度以及减少包的延迟。
在本发明的实施例中，当接收到突发的第一个包时，该突发的包头被立即发送到网络。这具有这种优势：实现包的最低可能延迟。(通过发送包头，偏移时间开始。在偏移时间结束后，发送该突发)。
在本发明的另一个实施例中，当突发长度超过先前计算的长度时，立即发送新的包头。这具有这种优势：对于随后的包，实现最低可能延迟。
附图说明
参照附图，在下面详细描述本发明的示例性实施例。
在附图中：
图1示出传统的和预先包头发送机制的示意图。
图2示出使用本发明方法的节点的流程图。
图3示出结合双向预留概念的传统的和预先包头发送机制的示意图。
图4示出使用结合双向预留概念的本发明方法的节点的流程图。
具体实施方式
在图1的左侧，传统的包头发送机制方法的示意图利用三条时间线T1、T2、T3来示出。时间线T1与因特网域ID相关。时间线T2与没有示出的光突发交换网络的入节点IN相关。时间线T3与所述光突发交换网络的出节点EN相关。
来自因特网域ID的大量象IP包那样的包到达入节点IN。在那，所述包将被聚集成突发。聚集时间也被称为突发形成时间tbf。在聚集突发之后，确定突发长度b1或突发持续时间，并且发送包含所确定的突发长度b1或突发持续时间的包头(如光包头)到出节点EN。在发送包头后或发送包头时，在入节点IN中偏移时间toff开始，并在偏移时间结束后，发送(光)突发到出节点EN。
根据所描述的传统方法的包所经历的平均延迟是：
延迟传统＝突发形成时间/2+偏移时间
在图1的右侧，本发明的预先包头发送机制方法的示意图利用三条时间线T1′、T2′、T3′示出。时间线TI′与因特网域ID′相关。时间线T2′与没有示出的光突发交换网络的入节点IN′相关。时间线T3′与所述光突发交换网络的出节点EN′相关。
来自因特网域ID′的大量象IP包那样的包到达入节点IN′。在那，所述包将被聚集成突发。在接收到一定数量的包(例如第一个包、第三个包和第十个包，…)之后，对突发长度或突发持续时间的估计被计算，并且发送包含所计算(所估计)的突发长度b1或突发持续时间的(光)包头到出节点EN′。当发送包头时或发送包头之后，偏移时间toff开始，并在现在定义为突发形成时间的结束的所述偏移时间结束后，停止聚集，并且(光)突发从入节点IN′被发送到出节点EN′。突发形成时间至少部分与偏移时间重叠。突发形成时间tbf和偏移时间toff之间的差值由第一个包到达和偏移时间的开始点的时间差值给定。如果偏移时间在第一个包到达时开始，则突发形成时间tbf等于偏移时间toff。
根据新发明的预先包头发送方法的包所经历的平均延迟是：
延迟新＝突发形成时间/2＝tbf/2
如果偏移时间随着第一个包的到达而开始，则平均延迟是：
延迟新＝偏移时间/2＝toff/2
利用本发明方法，延迟大约少于传统突发交换网络的延迟的一半。
在图1的实例中，由于以下事实，即在每一个例如交换的(光)节点中，(光)包头必须(在电气域中)被处理，以便准备用于突发的互连，所以(光)包头移动慢于(光)突发。
在图2中利用管理入节点或边界节点的运行的有限状态自动机的流程图来提供详细的机制说明。
自动机的初始状态是空闲状态1，其中没有动作被执行。一定数量的(IP)包一到达，自动机就移动到状态2，其中聚集包，估计/计算突发长度b1或突发持续时间，通过(OBS)网络发送具有突发长度或持续时间的估计结果的(光)包头，并且当发送包头时或发送包头之后，偏移时间开始。包将被聚集在入节点(根据状态3)，直到偏移时间结束并且将随后发送突发(状态4)。突发长度或者持续时间被计算为期望在此期间到达的包或者比特的数量。突发不总是具有与在包头中声明的相同的大小，有时该突发更大而有时更小。如果在偏移时间期间突发已经聚集了比预期更多的包或者比特，则将传输仅在包头B声明中声明的突发长度/包或比特数量，而其它的保留在聚集缓冲器中，并且将立即发送新的包头，这示为从状态4变化到状态2。如果在发送突发后聚集缓冲器为空，那么从状态4变化到状态1。在状态4，完成平均包率apr或平均包大小aps的计量、计算或估计。因此，突发长度或持续时间的计算所使用的平均包率apr和平均包大小aps的所存储的值可以根据最后输入的包流的特性/属性来更新。
为了估计在偏移时间期间到达入节点或边界节点的包或比特的数量，必须识别两种情况。
情况1：在发送最后的突发之后，聚集缓冲器为空或者已经为空。这意味着(参见图2)，一定数量n的(IP)包一到达就发送包头，并仅在这个时刻之后，在发送突发前，边界节点将等待偏移时间。这意味着，当定时器开始计数时，在缓冲器中已经有一定数量n的包。因此，所估计的突发长度是：
bl＝[n+apr·toff]·aps    等式1
其中：
bl   突发长度
n    所到达的包的数量
apr  平均包到达率
toff 偏移时间
aps  平均包大小，即三态分布
在该包头在第一个包到达时才发送的情况下，当第一个包在缓冲器中时定时器才开始计数。所估计的突发长度是：
bl＝[1+apr·toff]·aps    等式1a
情况2：在发送最后一个突发后，聚集缓冲器还不为空，并具有剩余数量的比特B剩余。根据图2(从状态4变化到状态2)这意味着，不用等待下一个包到达，立即发送包头并且偏移时间再次开始。所估计的突发长度是：
bl＝apr·toff·aps+B剩余   等式2
依据边界节点在情况1还是在情况2，等式1或等式2分别给定的突发长度将在包头中声明。
换言之，发送包头之后，边界节点增加输入/下一个包到在聚集缓冲器中产生的突发中，直至偏移时间toff结束。然后，发送突发并且更新包到达率apr和平均包大小aps(状态4)。突发的最大大小等于光包头中声明的突发长度b1。如果这个缓冲器包含少于这个数量的突发，则将清空缓冲器。否则，剩余的比特将保持在缓冲器中，突发中最后一个包的分割可能发生，并且新的光包头将被立即产生和发送。
如果突发的最后一个包被分割，则接收器端的边界节点或出节点将通过在从相同边界节点到达的下一个突发的开始处简单恢复该包的第二半来再聚集。
本发明方法可被用于双向预留网络、如双向预留光突发交换网络。在这些网络中，突发在入节点中等待直到包头移动到目的地边界节点或出节点并返回通知入节点该突发是否将被阻塞或不在网络中。由于该包头已经通过网络沿着该路径在交换中预留相应的交换次数，所以如果没有发生阻塞，则发送该突发。否则，不发送突发，而是发送另一个光包头到目的地并且重复该过程。
这个体系结构的主要优点是它导致无阻塞网络。然而，这有设计困境。使得突发小(并假定恒定的包到达率)，增加网络中的突发数量。由于对于每一个突发，包头必须被发送到目的地/出节点并返回到源/入节点，所以额外增加信令开销。由于它导致更高的复用增益，所以使得突发大在原则上是正确决定，但它也增加突发形成时间以及因此增加包延迟，这对于很多应用来说是完全不可接受的。额外延迟使得很难找到双向预留网络的实际使用。
一种解决方法是使用具有预先包头发送机制的本发明方法。当包头通过OBS网络往返移动时形成突发。因为交换中花费一些处理时间，所以将考虑包头往返传输时间RTT。因此，当包头从途中返回时，突发将有足够的时间在边界节点中变大。因而，该解决方法提供这种优势：允许发送大的突发(增加的复用增益)，而彻底地减少包延迟。
图3直观解释在双向预留(OBS)网络中的预先包头发送机制的优势。在图3的左侧，利用三条时间线T1R、T2R、T3R示出双向预留网络中的传统包头发送机制方法的示意图。时间线T1R与因特网域IDR相关。时间线T2R与没有示出的光突发交换网络的入节点INR相关。时间线T3R与所述光突发交换网络的出节点ENR相关。
来自因特网域IDR的大量象TP包那样的包到达入节点INR。在那，所述包将被聚集成突发。聚集时间也称为突发形成时间tbf。在聚集突发以后，确定突发长度b1或者突发持续时间，并发送包含所确定的突发长度b1或突发持续时间的象光包头那样的包头到出节点ENR。当移动到出节点ENR时，该包头预留网络中的路径。在到达出节点ENR和成功预留路径之后，该包头从出节点ENR被发回到入节点INR，以便将成功预留路径通知给入节点INR。在包头到达入节点INR之后，该突发被发送到出节点ENR。包头从入节点INR到出节点ENR的移动时间被称为往返传输时间RTT。
根据所描述的双向预留概念的传统方法的包所经历的平均延迟是：
延迟R传统＝突发形成时间/2+往返传输时间＝tbf/2+RTT
在突发形成时间大约等于往返传输时间的情况下，则平均延迟是：
延迟R传统＝RTT/2+RTT＝1.5*RTT
在图3的右侧利用三条时间线T1R′、T2R′、T3R′示出与双向预留概念结合使用的本发明的预先包头发送方法的示意图。时间线T1R′与因特网域IDR′相关。时间线T2R′与没有示出的(光)突发交换网络的入节点INR′相关。时间线T3R′与所述突发交换网络的出节点ENR′相关。
来自因特网域IDR′的大量包到达入节点INR′。在那，所述包将被聚集成突发。在接收到一定数量n的包(例如第一个包、第三个包、第十个包、…)之后，计算突发长度或持续时间的估计，并且随后发送包含所计算(所估计)的突发长度bl或突发持续时间的包头到出节点ENR′。当发送包头时或发送包头之后，计数器或定时器开始，该计数器或定时器使用类似于如图1的实例中的偏移时间toff的预期的往返传输时间RTT。当移动到出节点ENR′时，包头预留网络中的路径。在到达出节点ENR′和成功预留路径之后，该包头从出节点ENR′被发回到入节点INR′，以便通知入节点INR′成功预留路径。在定时器中的预期的往返传输时间RTT结束后，停止聚集。在包头到达入节点INR′之后，该突发被发送到出节点ENR′。连续测量包头的往返传输时间的值，并且更新和存储预期的往返传输时间的平均值。
为了计算或估计突发长度/突发中的包或比特的数量，将使用如针对图1所述的类似公式。在这种情况下，偏移时间用往返传输时间代替。
bl＝[n+apr·RTT]·aps  等式3
其中：
bl   突发长度
n    所到达的包的数量
apr  平均包到达率
RTT  往返传输时间
aps  平均包大小，即三态分布
在第一个包一到达就发送包头的情况下，当第一个包在缓冲器中时，定时器可以开始计数。所估计的突发长度是：
bl＝[1+apr·RTT]·aps    等式3a
类似于图1和图2的描述，如果在发送最后的突发之后聚集缓冲器不为空并具有剩余数量的B剩余比特，则突发长度计算如下：
bl＝apr·RTT·aps+B剩余  等式4
根据应用于双向预留网络中的本发明方法的包所经历的平均延迟是：
延迟R新机制＝突发形成时间/2
如果在第一个包到达之后发送包头，则该突发形成时间等于往返传输时间。延迟将是：
延迟R新机制＝RTT/2＝0.5*RTT
如所看到的那样，在双向预留网络中，如果使用本发明的预先包头发送机制，则包可以经历小三倍的延迟。
图4示出结合双向预留概念使用本发明方法的节点的流程图。在图4中，示出类似于图2的流程图。差别是：如果包头到达(状态4)，则在往返传输时间结束之后，停止聚集，并且执行检测。如果包头到达，则路径空闲并且将发送突发，如从状态4到状态5的变化所示。在状态5中，发送突发，并且更新平均包率apr、平均包大小aps和往返传输时间RTT的值。如果包头还没到达，则路径被阻塞并且发送新的包头，如从状态4到状态2的变化所示。因而在状态2发送新的包头。
如果发送突发之后聚集缓冲器为空，则从状态5变为状态1。如果聚集缓冲器不为空，则从状态5变为状态2，其中将发送新的包头(类似图2的说明)。
在下面，将计算一个实例。假定有使用具有预先包头发送机制的双向预留的OBS网络。该系统必须传输IP包。每个边界节点(入节点或出节点)在光学侧被连接到16*10Gbps光纤(16个波长)。假定在每个光节点或交换中的包头处理时间是t处理＝10μs(光/电/光变换+交换时间)，并且在两个给定边界节点间存在10个光节点/交换。因此，光包头从一个边界节点往返移动到另一个边界节点所需的时间(往返传输时间RTT)由下面近似给定：
RTT＝10*10μs(把10个节点移动到目的地)+10*10μs(把10个节点移动到源)＝200μs。
计算在这些200μs期间对于给定的边界节点目的地，聚集多少包或比特。假定包大小的实际分布，根据三态分布，平均IP包大小是aps＝3735比特。平均包率apr与链路的速度(160Gbps)成比例。假定有16个可能的目的地(边界节点)并且流量在它们之间均衡分布。对于给定的目的地，有apr＝10[Gbps]/3735[比特/包]＝2677.4*103包/s。因此，在200μs中，许多2677.4*103*200/106＝535.48个IP包在突发中发送，由于确保高的复用增益，这是可取的数量。平均地，如果第一个包到达时发送包头，则'包必须等待200μs/2＝100μs，以便在突发中传输。没有预先包头发送机制，如果想平均发送具有535个IP包的突发，则IP包必须等待200μs/2(直到突发产生)+TRTT(为200μs)＝300μs，这比所讨论的情况大三倍。
简要的，包经历的延迟比正常突发交换网络中的延迟小一半，并且比双向预留突发交换网络中的延迟小三倍。突发交换网络上的TCP连接的性能将被提高。该方法不需要太多处理时间并且可以软件实施。使用具有超时的突发聚集策略，偏移时间将被设定与定时器的值相等。

Claims (12)

1、一种用于在通信网络的节点之间传送数据包的方法，其中，所述包在入节点的聚集缓冲器中被聚集以形成突发，所述包含有关突发长度(b1)的信息的突发的包头被发送到目的地节点，并且在偏移时间(toff)之后，所述突发被发送到目的地节点，
其特征在于，
在突发的聚集完成之前计算所述突发长度(b1)并发送所述包头到所述目的地节点。
2、如权利要求1所述的方法，
其特征在于，
在接收到一定数量(n)的包之后计算所述突发长度(b1)并随后传送所述包头。
3、如权利要求2所述的方法，
其特征在于，
在接收到第一个包之后，计算所述突发长度(b1)。
4、如权利要求1所述的方法，
其特征在于：
在聚集一定数量(n)的包之后：
-计算所述突发长度(b1)，
-偏移时间(toff)开始，
-发送所述包头到所述目的地节点，并且
-在该偏移时间(toff)结束之后，发送所述突发到所述目的地节点。
5、如权利要求1到4中任何一项权利要求所述的方法，
其特征在于：
从平均包大小(aps)、平均包率(apr)和偏移时间(toff)中计算所述突发长度(b1)。
6、如权利要求1到4中的任何一项权利要求所述的方法，
其特征在于：
所述突发长度(b1)通过平均包大小(aps)与总和的乘积来计算，其中该总和通过当前聚集的包的数量(n)加上平均包率(apr)和偏移时间(toff)的乘积来计算。
7、如权利要求1到6中的任何一项权利要求所述的方法，
其特征在于，
如果聚集所述包以形成突发时实际的突发长度超过所计算的突发长度，则停止当前突发的聚集，奇数包和到达的包将被聚集成新的突发并且发送该新的突发的包头。
8、如权利要求7所述的方法，
其特征在于，
所述新突发的长度(b1)通过将奇数包的数量加上所计算的突发长度来计算。
9、如权利要求1到8中的任何一项权利要求所述的方法，
其特征在于，
连续计算用于计算所述突发长度(b1)的平均包率(apr)。
10、如权利要求1到9中的任何一项权利要求所述的方法，
其特征在于，
传送作为数据包的IP包。
11、如权利要求1到10中的任何一项权利要求所述的方法，
其特征在于，
所述方法被用于光突发交换网络中。
12、包含用于执行前述任何一项权利要求的步骤的装置的网络的节点。
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