CN1794880A - 一种光突发交换网中的并行调度处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光突发交换网络技术领域，特别是一种光突发交换网中的并行调度处理方法。在每个核心节点接收到包含资源预约信息的控制帧时，通过复制方式，将该控制帧以自路由方式即时转发至下一个节点，同时将另一份拷贝下路到本地进行资源预约处理，该方法还包括以下步骤：对每个待发送的突发数据，边缘节点生成一个网络中具有唯一标识的突发帧序号，以关联方法中涉及到的属于同一数据帧的各类相应信令帧。使得在网络规模扩展，数据传输节点增加的情况下，系统时延均可保持不变，从而大幅改善了OBS网络的时延性能，增强了它对实时业务的承载能力。
Description
技术领域
本发明涉及光突发交换网络技术领域，特别是一种光突发交换网中的并行调度处理方法。
背景技术
近年来，IP业务一直保持爆炸式增长的趋势，由此而引发了对高速传输和交换技术的大量研究。作为下一代IP核心骨干网络的传输技术—密集波分复用(DWDM)技术，在单根光纤上提供了大量高速信道的支持，这意味着为物理底层传输提供了巨大的带宽，但另一方面，电处理速率的增长速度远低于传输速率的增长，如果节点的数据传输要变换回电域进行交换，网络传输速度将会遭遇到电处理速率的瓶颈。因而，人们不断探索，寄希望于在下一代光网络中能实现直接在光域内完成数据传输，而不需要在中间经过任何的O/E/O变换。作为一种具有很好前景的交换方案，光突发交换(OBS)结合了光的电路交换和光分组交换两者的优势，而避开了两者的缺点，因而极有可能成为下一代光网络的标准。
OBS的主要思想是将控制信道和数据信道物理分离，每一类业务(如IP包)经过汇聚组装成较大的突发数据，并生成一个相应的控制分组，控制分组先于数据分组传送，在电域进行处理，沿路指定交换机分配空闲信道和开关倒换，以实现数据在光域的透明高速传送。其基本架构如图1所示。
OBS网络的一个最核心的问题就是资源预留协议。Chunming Qiao于1997年首先提出了一种应用于OBS网络且具有QoS保证机制的资源预留协议，称之为JET(Just Enough Time：恰量时间预约)协议。它按服务进行分类采用不同的额外偏置时间，服务优先级别越高，偏置时间设置越长，通过这种方式，可以严格实现网络中QoS的保证，同时，JET又具有很高的带宽资源利用效率，因而，自提出以来，便受到OBS研究领域的广泛关注。
但当JET协议应用于实际的多跳数、多业务网络时，其严格QoS保证算法会产生很大的业务时延，且这种时延将随网络规模的扩展而迅速增长，严重妨碍JET协议对各类高优先级的实时业务的传输承载。
发明内容
本发明的目的在于针对现有JET协议的不足之处，利用OBS网络的源路由特点，提供一种新型的基于并行调度处理思想的资源预留协议，来改善JET协议随跳数增加，时延性能恶化的缺陷，以提高OBS网络的整体性能。
为了实现这个目的，本发明在现有JET协议的基础上，采用预约信息分离的方式，将OBS网络边缘节点发出的JET协议控制帧分为预约控制帧和端口确认帧两个部分，并引入并行处理的思想，在各个中间节点透明转发预约控制帧，来实现各个节点的同步资源预约处理，随后，通过处理生成的端口确认帧来唯一确定数据帧的接收端口和转发端口，完成资源预约动作。
为了方便对发明方法的步骤描述，首先对术语进行定义和解释：
自路由：节点在收到控制包时，不经过资源预约处理，而直接根据其携带的目的地址，进行路由处理，从相应端口转发的过程，称之为自路由。特别地，如果这个过程如果是在全光域内进行，我们称之为全光自路由。
预约控制帧：包括偏置时间、突发数据长度、QoS信息、突发帧序号、源和目的地址等字段信息的信令帧，它使得核心节点可以依据这些信息进行资源调度处理，确定偏置时间后到达的突发数据相应的转发端口与转发信道。
端口确认帧：包括突发帧序号、发送端口标识、发送信道标识等字段信息的信令帧，它使得核心节点可以依据这些信息确定某个即将到达的突发数据相应的输入端口与输入信道。
阻塞通告帧：包括突发帧序号等字段信息的信令帧，它使得核心节点可以依据这些信息释放预约失败的突发数据占用的信道时间段。
一种光突发交换网络中对突发数据的优化调度方法，所述方法包括：在每个核心节点接收到包含资源预约信息的控制帧时，通过复制方式，将该控制帧以自路由方式即时转发至下一个节点，同时将另一份拷贝下路到本地进行资源预约处理，该方法还包括以下步骤：
对每个待发送的突发数据，边缘节点生成一个网络中具有唯一标识的突发帧序号，以关联方法中涉及到的属于同一数据帧的各类相应信令帧。
所述的方法，边缘生成控制预约帧时，依据现有的JET协议，计算可在单个节点实现严格QoS保证的偏置时间。
所述的方法，将光突发交换中的控制帧分拆为多个部分如预约控制帧和端口确认帧来完成一个完整的资源预留处理与交换过程。
所述的方法，在光突发交换中增加负责通告资源预约失败信息的信令帧如阻塞通告帧，并将其与相应的突发序号相关联，每个收到阻塞通告帧的节点，根据其携带的突发序号查询关联的输出信道与输出时隙，并将这个预约时隙取消，回收资源，同时按3中所述方式进行转发。
本发明方法的具体步骤如下所述：
步骤1在边缘节点处对待发送的突发数据，根据本节点ID号，生成一个网络中具有唯一标识的突发帧序号，以关联预约控制帧、端口确认帧和阻塞通告帧；
步骤2依据现有的JET协议，计算可在单个节点实现严格QoS保证的偏置时间，同时在边缘节点处进行信道资源预约处理，生成预约控制帧，并提前一个偏置时间发出；
步骤3核心节点对接收到的控制信道分组进行全光透明转发，同时复制一份，下路到本地进行分组类型识别(图5所示S1)；
步骤4如果接收到边缘节点发出的控制帧，按S3所示步骤，根据控制帧携带的偏置时间和突发长度及QoS信息进行信道调度后，如在相应的转发出口中，可以找到空闲波长资源时隙转发突发数据，则将这个预约时隙写入资源表(图5所示S5)，同时将发送时隙和相应的信道号与突发分组序号进行关联存储，并生成同样序号的端口确认帧；
步骤5如果步骤4预约失败，则该核心节点生成阻塞通告帧，并沿当前节点至源节点与目的节点两个方向发出(图5所示S6)；
步骤6如果接收到上个节点发送的端口确认帧，则根据其关联的突发分组序号查询相关的输出信道和输出时隙，并将其与相应的入口信息合并，完成一个完整的交换时隙预设，当突发分组通过节点后，便销毁存储的分组序号、输出时隙等信息，更新预约表(图5所示S4)；
步骤7如果分组为阻塞通告帧，同样，由其携带的突发分组序号查询关联的输出信道和输出时隙，并将这个预约时隙取消，同时销毁相应的各类存储信息，回收资源，更新表项(图5所示S2)。
注意，对于某个核心节点来说，步骤3、4、5、6、7其实是一个没有严格时序的过程，核心节点将根据接收到的信令帧格式来进行相应的处理，如端口确认帧将不被转发，而预约控制帧只转发至下一个节点，阻塞通告帧却是双向转发。
同时，要特别注意方法中以下和一般的基于JET协议的OBS网络处理不同之处：
(1)边缘节点在发出某个突发数据的预约控制帧后，需要提前一个端口确认帧处理时间ΔT，向相应的下一个核心节点发送端口确认帧，以告知突发数据到达的端口及信道；
(2)每个核心节点在接收到预约控制帧后，完成对突发数据的信道调度分配预处理，如果调度预处理成功，则记录相应的发送端口和发送信道，生成端口确认帧，并提前一个端口确认帧处理时间ΔT，向相应的下一个核心节点发送该信令帧；
(3)如果在相应预约时间段找不到空闲信道时隙转发数据，则该核心节点生成相应突发序号的阻塞通告帧，并沿当前节点至源节点与目的节点两个方向发出。
我们所述的方法，其实是将光突发交换中的控制帧分拆为多个部分如预约控制帧和端口确认帧来完成一个完整的资源预留处理与交换过程。通过增加负责通告资源预约失败信息的信令帧如阻塞通告帧，并将其与相应的突发序号相关联，这样每个收到阻塞通告帧的节点，根据其携带的突发序号查询关联的输出信道与输出时隙，并将这个预约时隙取消，可回收预约失败所产生的资源浪费。
本发明的实质是：在现有OBS网络JET协议实现架构的基础上，在控制信令通道添加自路由功能模块(如图2所示)，自路由功能模块可以全光实现也可以通过光—电—光转换实现，它的主要功能是完成对控制信令信息的透明转发。在自路由模块是全光实现的情况下(现有的光器件技术已经完全能够实现全光单比特地址自路由处理)，如果忽略信号光的传播时延和全光处理时延，那么，每个突发数据的资源预约动作都将在同一时刻在各个中间节点发生，通过这种并发进行的资源预约处理，就可避免使用“串行”逐跳处理的传统JET协议，在网络规模扩展时，所产生的时延性能恶化现象(如图3所示)。
采用本发明提供的并行处理方法，在网络规模扩展，数据传输的节点增加的情况下，系统时延均可保持不变，从而大幅改善OBS网络的时延性能，虽然系统架构需要增加额外的自路由模块和信令处理控制，但在全光自路由技术已经取得突破性进展的情况下，这种基于全光自路由的并行调度处理机制能提供可观的时延优化量，同时引入阻塞通告帧后，比原有的JET协议具有更高效的带宽利用能力，这对于OBS网络承载语音、视频等实时性业务，以及广域网络的TCP/IP协议传输，具有极具前景的应用价值。
表1、表2、表3分别是本方法的一种具体实现方式下，对三类帧格式的定义。
| 自路由地址段(变长字节) | ||
| 帧开始(1字节) | ||
| 协议类型(1字节) | 协议版本(1字节) | 数据类型(1字节) |
| 帧长度(1字节) | ||
| 目的地址(2字节) | ||
| 源地址(2字节) | ||
| 突发帧长度(3字节) | ||
| 突发帧序号(4字节) | ||
| 标签信息(1字节)(可选) | ||
| 最大跳数限制(1字节)(可选) |
| 业务类型(3bit) |
| 偏置时间(4字节) |
| 其余信息(保留) |
| 校验和(3字节) |
表1预约控制帧
| 自路由地址段(全零设置变长字节) | ||
| 帧开始(1字节) | ||
| 协议类型(1字节) | 协议版本(1字节) | 数据类型(1字节) |
| 帧长度(1字节) | ||
| 突发帧序号(4字节) | ||
| 发送端口标识(1字节) | ||
| 发送信道标识(1字节) | ||
| 校验和(2字节) | ||
表2端口确认帧
| 自路由地址段(变长字节) | ||
| 帧开始(1字节) | ||
| 协议类型(1字节) | 协议版本(1字节) | 数据类型(1字节) |
| 帧长度(1字节) | ||
| 突发帧序号(4字节) | ||
| 校验和(2字节) | ||
表3阻塞通告帧
附图说明
图1是光突发交换网络的基本架构和组成网元以及所涉及到的关键技术示意图。
图2是与现有OBS架构相比较示意图。
图3是与OBS中的JET协议相比较示意图。
图4是阻塞通告帧的发送与处理方式示意图。
图5是本方法的运行和处理流程图。
具体实施方式
图1中方框处表明了本发明的主要创新点领域是信令处理。
采用了并行调度处理方法的OBS系统中的一种核心节点架构与工作流程：
如图2所示，本方法需要增加的自路由功能模块。
虚线框表示本方法在基本的OBS核心节点架构上需要增加的模块单元。图中DCG(Data Channel Group)表示数据信道组，CCG(Control ChannelGroup)表示控制信道组，自路由单元设置在控制信道接收端，采用全光单比特地址识别的路由方式，能够对控制信道信令分组进行复制、转发和下路到本地控制处理单元。
系统的工作流程如下：
边缘节点为待调度的突发数据分配一个突发序列标识，以关联相应的预约控制帧和端口确认帧，并在发出预约控制帧后提前一个确认帧处理时间发出相应的端口确认帧。
核心节点全光自路由模块采用信令帧前端附加的地址比特对接收到信令帧进行转发或下路处理：
如果接收到的信令帧是预约控制帧，具有复制能力的自路由模块将其中一份转发至相应端口送出，同时将另一份下路到本地处理。
对预约控制帧的处理包括：根据控制帧携带的偏置时间和突发长度及QoS信息进行信道调度后，如在相应的转发出口中，可以找到空闲波长资源时隙转发突发数据，则将这个预约时隙写入资源表。同时将发送时隙和相应的信道号与突发分组序号进行关联存储，并生成同样序号的端口确认帧，并将端口确认帧的地址设置为下一跳节点。
图3是与OBS中的JET协议相比较示意图。本方法在全光自路由处理下相应的处理时序图，可以看出，在忽略信号传播时延和全光自路由处理时延的基础上，本方法的偏置时间设置与网络跳数无关。
如资源预约失败，则本节点生成阻塞通告帧，即如图4所示，当C节点调度失败后，那么，节点C便即时生成一个与控制帧对应的阻塞通告帧，并分别填入A、E两个不同的目的地址，向节点A、E两个方向同时传送。
如果接收到的信令帧是阻塞通告帧，则根据其包含的突发帧序号，查找相应的预约时间段，并释放这个时间段的带宽预约占用，分配给其余突发传输使用。同时按预约控制帧的转发处理方式进行全光转发。
如果接收到的信令帧是端口确认帧，由于端口确认帧的目的比特地址是该核心节点，因此它不再向其他节点进行转发，而是只下路到本地进行处理。
其处理包括：根据其携带的突发分组序号查询关联的输出信道和输出时隙，并将其与相应的入口预约信息合并，完成一个完整的交换时隙预设。当突发分组通过节点后，便销毁存储的分组序号、输出时隙等信息，更新资源预约表。
这个突发分组在核心节点的处理过程可以进一步概括为图5所示流程。其步骤如下：
步骤S1，核心节点对接收到的控制信道分组按步骤S7进行全光透明转发，同时复制一份，下路到本地进行分组类型识别；
步骤S2，如果分组为阻塞通告帧，由其携带的突发分组序号查询关联的输出信道和输出时隙，并将这个预约时隙取消，同时销毁相应的各类存储信息，回收资源，更新表项；
步骤S3如果接收到边缘节点发出的控制帧，则根据控制帧携带的偏置时间和突发长度及QoS信息进行信道调度后，如在相应的转发出口中，可以找到空闲波长资源时隙转发突发数据，则按步骤S5执行，否则转到步骤S6；
步骤S4如果接收到上个节点发送的端口确认帧，则根据其关联的突发分组序号查询相关的输出信道和输出时隙，并将其与相应的入口信息合并，完成一个完整的交换时隙预设。当突发分组通过节点后，便销毁存储的分组序号、输出时隙等信息，更新预约表；
步骤S5将这个预约时隙写入资源表。同时将发送时隙和相应的信道号与突发分组序号进行关联存储，并生成同样序号的端口确认帧；
步骤S6如果步骤S3预约失败，则该核心节点生成阻塞通告帧，并沿当前节点至源节点与目的节点两个方向发出；
步骤S7对接收到的控制信道分组进行全光透明转发。
Claims (6)
1、一种光突发交换网络中对突发数据的优化调度方法，所述方法包括：在每个核心节点接收到包含资源预约信息的控制帧时，通过复制方式，将该控制帧以自路由方式即时转发至下一个节点，同时将另一份拷贝下路到本地进行资源预约处理，该方法还包括以下步骤：
对每个待发送的突发数据，边缘节点生成一个网络中具有唯一标识的突发帧序号，以关联方法中涉及到的属于同一数据帧的各类相应信令帧。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，边缘生成控制预约帧时，依据现有的JET协议，计算可在单个节点实现严格QoS保证的偏置时间。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
(1)边缘节点在发出某个突发数据的预约控制帧后，提前一个端口确认帧处理时间ΔT，向相应的下一个核心节点发送端口确认帧，以告知突发数据到达的端口及信道；
(2)每个核心节点在接收到预约控制帧后，完成对突发数据的信道调度分配预处理，如果调度预处理成功，则记录相应的发送端口和发送信道，生成端口确认帧，并提前一个端口确认帧处理时间ΔT，向相应的下一个核心节点发送该信令帧；
(3)如果在相应预约时间段找不到空闲信道时隙转发数据，则该核心节点生成相应突发序号的阻塞通告帧，并沿当前节点至源节点与目的节点两个方向发出。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征是，将光突发交换中的控制帧分拆为多个部分如预约控制帧和端口确认帧来完成一个完整的资源预留处理与交换过程。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征是，在光突发交换中增加负责通告资源预约失败信息的信令帧如阻塞通告帧，并将其与相应的突发序号相关联，每个收到阻塞通告帧的节点，根据其携带的突发序号查询关联的输出信道与输出时隙，并将这个预约时隙取消，回收资源，同时按3中所述方式进行转发。
6、根据权利要求1所述的方法，其具体步骤如下：
步骤1在边缘节点处对待发送的突发数据，根据本节点ID号，生成一个网络中具有唯一标识的突发帧序号，以关联预约控制帧、端口确认帧和阻塞通告帧；
步骤2依据现有的JET协议，计算可在单个节点实现严格QoS保证的偏置时间，同时在边缘节点处进行信道资源预约处理，生成预约控制帧，并提前一个偏置时间发出；
步骤3核心节点对接收到的控制信道分组进行全光透明转发，同时复制一份，下路到本地进行分组类型识别；
步骤4如果接收到边缘节点发出的控制帧，则根据控制帧携带的偏置时间和突发长度及QoS信息进行信道调度后，如在相应的转发出口中，可以找到空闲波长资源时隙转发突发数据，则将这个预约时隙写入资源表，同时将发送时隙和相应的信道号与突发分组序号进行关联存储，并生成同样序号的端口确认帧；
步骤5如果步骤4预约失败，则该核心节点生成阻塞通告帧，并沿当前节点至源节点与目的节点两个方向发出；
步骤6如果接收到上个节点发送的端口确认帧，则根据其关联的突发分组序号查询相关的输出信道和输出时隙，并将其与相应的入口信息合并，完成一个完整的交换时隙预设，当突发分组通过节点后，便销毁存储的分组序号、输出时隙等信息，更新预约表；
步骤7如果分组为阻塞通告帧，同样，由其携带的突发分组序号查询关联的输出信道和输出时隙，并将这个预约时隙取消，同时销毁相应的各类存储信息，回收资源，更新表项。
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