OBS网络中基于优先级与突发包分割的光缓存方法研究

侯 睿，余俊乐

(中南民族大学 计算机科学学院，武汉 430074)

在OBS(Optical Burst Switching)网络中，边缘结点将IP分组封装成为突发数据分组，并且为每一个突发数据分组生成一个突发控制分组BCP(Burst Control Packet)[1,2]，BCP首先进入OBS核心交换网络，在其所经历的每个核心结点为其对应的突发数据分组BDP(Burst Date Packet)预留带宽资源[3]，突发数据分组利用单向资源预留机制在OBS网络中进行传输.若在同一时间两个或多个BDP在同一波长信道进行传输，则有可能发生数据包冲突，一旦发生冲突就有可能导致数据包的丢失[4]，因此如何有效地解决冲突，降低数据包的丢失率成为OBS的一个重要研究课题.传统的偏射路由[5]和光缓存[6]是很好的解决冲突的办法，但是它们都没有考虑到数据包的优先级[7]问题，因此不能很好的保证OBS的QoS(Quality of Service).在此基础上研究人员提出各种改进方法，例如基于优先级的突发包分割方法PBS(Priority based Burst Segmentation)[8,9]，基于优先级的光缓存方法POB(Priority based Optical Buffering)，以及基于优先级与突发包分割的光缓存方法PBSOB(Priority and Burst Segmentation based Optical Buffering)[10]等，他们都充分考虑到优先级因素和分割方法，但没有综合考虑光纤延迟线FDL(Fiber Delay Line)，故不能更好地利用光缓存，导致一定的网络资源浪费，增加了数据包的丢失率.

为了充分地利用网络资源，确保数据包的低丢失率，本文提出了一种改进的基于优先级与突发包分割的光缓存方法，当结点发生数据包冲突时，先按照优先级对数据包进行分割处理，分割后无冲突部分直接在原有预留信道上进行传输，冲突部分进行下一步处理；若网络中存在另外的空闲信道，则将冲突部分传入该空闲信道进行传输，若没有空闲信道则查看网络中是否有空余FDL，若有则传入FDL中进行相应处理，若没有则丢弃该数据包并返回相应信息.同时该方法引入了空闲信道剩余时间对FDL延迟时间的判断，能够更加有效地判断数据包的丢失与否，从而确保数据包的低丢失率，保证OBS的QoS，提高整个网络的性能.

1 模型的建立

在OBS网络中，当多个不同优先级数据包在同一时间同一波长信道进行传输，并发生冲突时，应该确保高优先级数据包的低丢失率，从而保证整个网络的质量，为了研究方便，在单波长信道中，只选取一个竞争突发数据包CBDP和一个原突发数据包OBDP.CBDP在输入数据信道IDC中进行传输，OBDP在输出数据信道ODC中传输，在网络的核心结点中有多条输出信道和FDL.

PO和PC分别代表原突发包和竞争突发包的优先级，O代表原突发包，C代表竞争突发包，阴影部分代表冲突后被分割的数据包.

如果PO>PC,即原突发包的优先级比竞争突发包优先级高，那么就将CBDP进行头分割处理，分割成CBDP′和CBDP″，未受影响的CBDP′部分和OBDP在原输出信道中进行输出处理，冲突部分CBDP″等待处理，见图1.如果PO

图1 PO>PC对竞争突发包进行头分割

图2 PO

下面主要针对分割后冲突部分进行处理，由于分割后的冲突部分不涉及到与原突发包和竞争突发包的竞争，因此将CBDP″和OBDP″看做一种数据包进行处理，取名为NBDP.处理方法具体步骤如下.

(1)当冲突分割产生NBDP后，判断是否有除了原输出信道外的其他波长空闲信道.若有，则为NBDP预留资源，并传输到该空闲信道进行处理；若没有，则转到第(2)步；

(2)如果核心结点已经没有其他波长空闲信道，判断是否有空闲的FDL.若没有，则直接丢弃该数据包；若有，则转到第(3)步；

(3)如果有空闲的FDL，比较该核心结点所有输出信道的剩余时间最小值To与FDL最大延迟时间Tf，若To>Tf，说明即使将NBDP传入FDL中，经过Tf时间后，还是没有空闲信道，因此不应将NBDP传入FDL中，应直接丢弃；若To

图3给出了冲突后分割部分处理流程图.

图3 冲突后分割部分处理流程图

2 理论分析

假设现有OBS网络中存在4种优先级突发数据包分别为：Class1、Class2、Class3和Class4，优先级逐渐降低，设定OBS网络核心结点具备K个波长的单链路，并且核心结点配置有完全波长转换器，同时配备一个光缓存，该光缓存具备N条FDL.另外设定OBS网络采用JET资源预留协议，所有优先级突发数据包的到达皆服从Poisson过程，Classi优先级业务的到达率为λi，突发数据包的长度服从负指数分布，均值为1/μi，ρi为Classi优先级突发包的网络负荷，根据Erlang-B公式，可得突发包分割后Class1业务的丢失率P1为：

(1)

其中ρ1=λ1/μ1是Class1业务的负荷.

根据排队论和守恒原则，可以得出其余优先级业务的丢失率Pi如下所示：

P1,2,…，i-1),i=2,3,4,5.

(2)

其中：

(3)

(4)

当冲突的突发包被分割后，首先判断是否有其他空闲的波长信道，再判断是否有空闲的FDL，以及比较该核心结点所有输出信道的剩余时间最小值To与FDL最大延迟时间Tf.

配备光缓存的网络可以看做是M/M/K/D排队模型，其中D表示空闲波长信道和光缓存所能处理突发包的最大容量，比较该核心结点所有输出信道的剩余时间最小值To与FDL最大延迟时间Tf时，若To>Tf，说明即使将NBDP传入FDL中，经过Tf时间后，还是没有空闲信道，因此不应将NBDP传入FDL中，应直接丢弃；若To

(λi-1/λi)·Pi-1,i=2,3,…,n.

(5)

其中：

(6)

(7)

3 结果与讨论

本文模拟了具有4个优先级的OBS网络，模拟了在单波长信道下，不同优先级突发包在核心结点由于冲突而导致的丢失率情况，以及同等级业务在不同方法下核心结点发生冲突后的丢失率情况，3种方法分别为无光缓存的方法、基于优先级与突发包分割的光缓存方法PBSOB，以及本文所提出的方法.

这里设定K=2,n=2，Class1到Class4业务占总业务都为25%.图4为Classi优先级业务的丢失率.可以看到通过设定业务保护策略，高优先级业务得到了比低优先级业务低的丢失率，这样OBS网络的QoS就得到了保证.

图4 不同优先级业务在核心结点发生的丢失率情况

图5为Class1业务在K=2,n=2,α=0.6配置不同方法下核心结点突发包丢失率情况，从图5中可以看出，在相同的网络负荷采用本文方法突发包丢失率明显低于其他2种方法；同时随着网络负荷的增加，3种方法的核心结点丢失率在不断地上升，说明负荷的增大增加了冲突的概率，最后网络负荷逐渐接近1时，导致PBSOB和本文的D值对丢失率的影响逐渐降低并接近，于是导致PBSOB和本文方法的丢失率逐渐接近.

图6为Class1业务在K=2,n=2的配置下，当其他空闲波长信道的空闲率α不同时核心结点丢失率情况，从图6中可以看出，在相同的网络负荷空闲波长信道的空闲率高的突发包的丢失率低于空闲波长信道的空闲率低的突发包的丢失率；同时随着网络负荷的增加核心结点丢失率在不断地上升，说明负荷的增大增加了冲突的概率.

图6 同等级业务在α不同时核心结点丢失率情况

4 结语

本文具体地介绍了基于优先级与突发包分割的OBS光缓存方法，提出了一种改进的基于优先级与突发包分割的光缓存方法.该方法综合考虑了其他空闲信道和FDL，并引入了空闲信道剩余时间对FDL延迟时间的判断，能够更加有效的判断数据包的丢失与否，从而确保数据包的低丢失率，保证OBS的QoS，提高整个网络的性能，此结果对OBS网络优化具有一定的理论意义.

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