支持波长突发和波带突发的光交换研究

黄 胜，孙丽琴，吴艳秋，李玲霞，庞洪丰

(重庆邮电大学光纤通信技术重点实验室，重庆 400065)

0 引言

密集波分复用技术(dense wavelength division multiplexing，DWDM)通过在一根光纤能复用许多个波长来快速提高光纤的传输速率，被认为是核心网最主要的传输技术［1-2］。光突发交换(optical burst switching，OBS)技术结合了光路交换(optical circuit switching，OCS)和光分组交换(optical packet switching，OPS)的优点，是支持快速增长的 IP业务在DWDM网络中传输的一种高效的光交换技术［2］。在OBS网络中，IP分组在入口边缘节点汇聚突发数据包(burst data packet，BDP)，并生成相应的突发控制包(burst control packet，BCP)。BCP领先于BDP一个偏置时间发送，在核心节点处为相应的BDP预留信道资源，从而BDP能以全光的方式通过核心节点。

波带交换是将多个波长组合在一起作为整体进行交换，由于在光交叉连接(optical cross connect，OXC)中只使用一个端口，可减少端口数，降低成本［5-7］。多粒度光交换的波带交换是采用光电路交换方式，连接建立延时也较大，不适合传输高突发性的IP数据业务。在本文提出的光交换网络中，一些业务的BDP通过一个波长来传输，称之为波长BDP;一些业务的BDP通过一个波带(含多个波长)来传输，称之为波带BDP。波带BDP有利于降低OXC的端口数和降低节点成本。传统突发交换的节点要为每个经过本节点的突发配置一次交换矩阵，由于每个节点都会有大量的突发经过，因此节点为突发配置交换矩阵的动作会过于频繁。将波带突发交换引入OBS网络，可大量地减少交换矩阵所需的端口数目，从而降低成本;由于一个控制分组对应一个波带，每个控制分组携带相应波带里所有突发信息，因此，波带突发可以有效减少突发控制包的个数，降低核心节点处理控制部分的复杂度。并且本文提出的OBS网络中的波带突发交换，与文献［6］提出的波带交换思想不同的是，本文将波带突发交换的思想引入OBS网络，更能充分利用OBS网络的统计复用的特性，提高链路的利用率。与现有的多粒度光交换［7］采用光电路交换方式和双向资源预留机制不同，波长BDP和波带BDP采用单向资源预留方式，其交换粒度也小，故能有效支持突发性强的IP业务。

在普通OBS网络中，一个BDP只通过一个波长来传输，其节点结构和一些关键算法需要改进以支持波带突发。本文在普通OBS的基础上，提出了能支持波长BDP和波带BDP的光突发交换的节点结构、汇聚算法和调度算法。

1 支持波带突发交换的光突发交换节点结构

在OBS网络中，BDP传输时间除了数据传输时间外，还包含保护时间(主要由光交换矩阵的光开关切换时间确定)，为了保证一定的传输效率，BDP的长度要大于某个长度(可称为最小突发长度)［8］。当某种业务到达速率很低时，边缘节点若将该业务的IP分组汇聚成波带BDP，波带BDP的长度(等于汇聚的IP分组总长度除以波带所包含的波长数目)比最小突发长度要小，导致传输效率低，则该业务汇聚成波长BDP以满足最小突发长度要求。当某种业务到达速率高时，汇聚成波带BDP的长度仍然比最小突发长度要大，则可以汇聚成波带BDP，以利用波带来降低端口数和节点成本。与普通OBS的BCP相比，需增加一个用于指示其BDP占用的波长数目的域，若该域的值是1，则其BDP为波长BDP，若该域的值是波带的粒度(波带中所包含的波长数目)，则其BDP为波带BDP。

为了让OBS网络既支持波长BDP，又支持波带BDP，本文在普通OBS网络节点结构和多粒度光交叉连接(multi-granularity OXC，MG-OXC)结构的基础上，设计了支持波带突发的OBS网络边缘节点结构和核心节点结构。

1.1 支持波带突发的OBS边缘节点结构

OBS网络的边缘节点主要由入口部分和出口部分组成。支持波带突发的OBS网络的边缘节点的入口部分结构如图1所示，主要由IP包队列缓存器、计时器及判决器(判断是生成波带突发还是波长突发)、控制单元、电交换矩阵、OBS汇聚模块、波带突发及波长突发控制包产生模块、波长复用器等模块组成。来自传统网络的IP包，根据其目的地址及QoS要求，进入缓存器相应队列进行缓存。当队列的第一个IP包到达时，计时器及判决器启动计时器开始计时，并统计相应队列的分组到达情况，并将根据统计结果，判决进行波长BDP汇聚还是波带BDP汇聚。根据控制单元指示，OBS汇聚模块把相应队列的IP包汇聚成波长BDP或波带BDP，波带突发及波长突发控制包产生模块生成相应的BCP。普通BDP汇聚或波带BDP，经过电/光转换后，进入波长复用器复用到同一根光纤上进行传输。

图1 支持波带突发的光突发交换边缘节点的入口部分结构Fig.1 Ingress part architecture of edge node with waveband burst switching

支持波带突发的OBS的边缘节点的出口部分把BDP解汇聚成多个IP包并送往其他IP网络，其结构如图2所示。波带突发和波长突发经过波长解复用器、光/电转换后，恢复成多个IP包，由传统路由器发送到目的节点。

图2 支持波带突发的光突发交换边缘节点结构的出口部分Fig.2 Egress part architecture of edge node with waveband burst switching

1.2 支持波带突发的OBS核心节点结构

多粒度光交换网络可以支持光纤、波带、波长3级粒度的交换。目前人们提出的MG-OXC主要有单层MG-OXC结构和多层MG-OXC结构。相对于单层MG-OXC结构，多层MG-OXC结构能把任何光纤的信号进行波带、波长信号交换，具有更灵活、更容易适应业务动态变化的优点［9-10］。

在多层MG-OXC结构的基础上，本文设计了支持波带突发的OBS核心节点结构如图3所示。

部分房地产估价机构在信息化探索之路上已取得一定成果，但从行业角度来看，因缺少统一的数据标准，现有信息系统和平台的数据采集和管理的标准和方式各异，行业内部的系统对接难以实施，与行业外部的数据交换更无从谈起。故亟待建立房地产估价行业统一的数据标准，推进数据的内外部联通，进一步挖掘数据的应用潜力［3］。

相对多层MG-OXC结构，设计的节点结构把WXC(wavelengh cross connect)改为 WBXC(wavelength burst cross connect)，以支持波长 BDP的交换;BXC(band cross connect)改为BBXC(band burst cross connect)，以支持波带BDP的交换;另外去掉了FXC(fiber cross connect)，其原因是光纤容量的不断增大，整根光纤不需进行解复用而直接进行交换的可能性很小，可以不需要FXC。包含波带BDP的光纤信号经过波带解复用器解复用成波带BDP后，直接在BBXC中交换，并通过波带复用器直接复用到光纤中。而包含波长BDP的光纤信号首先要经过波带解复用器解复用出波长BDP所在的波带，并通过BBXC交换后，送到波长解复用器解复用出波长BDP;波长BDP经过WBXC交换后，还需要经过波长复用器复用和通过BBXC交换，最后通过波带复用器复用到光纤中。

图3 支持波带突发的光突发交换核心节点结构Fig.3 Optical cross-connects architecture of core node with waveband burst switching

与一般OBS网络的核心节点结构相比，本文提出的核心节点结构能有效利用波带突发来降低OXC的端口数和降低成本。与传统的支持光电路交换的MG-OXC结构相比，本文提出的结构支持的交换粒度(波长突发和波带突发)都是突发，更能有效支持突发性强的IP业务。

1.3 节点端口分析

下面本文将进一步说明如何在OBS网络中使用波带突发交换来减少端口使用数目。假设从边缘节点1处有4个时间上相互重叠的突发(如图4所示)，分别占用波长 w1，w2，w3，w4，需要经过核心节点2，3到达目的边缘节点4，如果采用普通突发交换网络，BDP经过核心节点进入交换矩阵交换时，都需先经过波长解复用到波长BDP，交换后通过波长复用器再复用到一根光纤上进行传输，因此，如果交换矩阵所用的端口按单面来算的话，在每个节点上需4个交换矩阵端口，共需要4×4=16个。

如果采用波带BDP来传输，使用图3的核心节点结构进行交换，假如波带粒度为2，则每2个突发组成一个波带，共2个波带{B1，B2}，如图5所示，此时，在核心节点2，3处，波带BDP直接在BBXC上交换，只占用2个端口，在边缘节点1，3处仍然占用4个端口，共需端口数为4+2×2+4=12个，与普通突发交换相比节省了25%的端口。

2 汇聚算法

汇聚算法的主要功能是把许多个IP包汇聚成BDP。在普通OBS网络中，目前已有基于时间门限的汇聚算法、基于长度门限的汇聚算法等［11］。在这些汇聚算法的基础上，本文提出了支持波带突发的汇聚算法。其基本思想是:设置2个中断门限即汇聚最大时间门限Tmax和最小波带突发长度门限Lmin，当汇聚队列达到Lmin时，则汇聚成波带突发;否则当Tmax门限达到时，表明汇聚队列长度小，只能汇聚成波长突发。具体步骤如下:

1)当一个长度为b的分组到达队列qi时，如果队列qi为空，启动计时器Ti开始计时;将队列qi的长度做如下更新，Li=Li+b。若Li大于Lmin，则产生长度中断;

2)若队列qi产生计时器中断(Ti=Tmax)，说明此时Li小于Lmin，则把队列qi中的所有IP包汇聚波长突发，并将计时器和Li置零;

3)若队列qi产生长度中断(Ti＜ Tmax)，此时Li大于Lmin，则把队列qi中的所有IP包汇聚成波带突发，并将计时器和Li置零。

3 波长分组和调度方法

3.1 波长分组

核心节点结构我们采用的是如图3所示改进的结构，假设一根输入光纤里有x个波带，每个波带有b个波长。从图3中可以看出，有ax个波带可以进行进一步解复用，其中a(0＜a≤1)是可以解复用到波长的波带数与总波带数的比，也即端口比，所以单侧WBXC上所需端口数目为a×x×b。当a=1时，此结构的功能相当于普通OXC，所有的波带都可以解复用到波长，在这种情况下，网络发生阻塞的主要原因是受限的波长资源引起。当a＜1时，节点上可供使用的端口数有所减少，节点端口资源的限制会引起阻塞，即在链路资源可用的情况下，也会因为在节点进行交换时找不到所需的端口资源而引起波长BDP丢失。因此可以将光纤里的波长进行分组，一组是用于波带突发的波长，共有(x－a×x)×b个，其余的分为一组用于波长突发交换，共a×x×b个。例如:一根光纤中有3个波带，每个波带有2个波长，a=1/3，那么用于波带突发的波长数目是:(3－1/3×3)×2=4，用于波长突发传输的波长数目为2(如图6所示)。

图6 波长分组示意图Fig.6 Schematic diagram of wavelength grouping

3.2 调度方法

当波带BCP到达时，首先在专属于波带的波长范围进行调度，如果调度不成功，则在波长突发专属波长上解复用为波长突发进行调度;当波长BCP到达时，则只在波长突发专属波长上调度。通过波长分组，对波带BDP和波长BDP在其波长分组上调度，其方法简单，也比较容易实现。具体步骤如下:

1)当有BCP到达，判断是波带突发还是波长突发。

2)如果是波带突发，则在专属于波带的(xa×x)×b个波长(即(x－a×x)个波带)上利用LAUC-VF［2］算法进行调度，寻找可用的波带信道。如找不到，则在属于波长突发的a×x×b个波长(即a×x个波带)范围内用LAUC-VF算法寻找信道。如不能，则将波带丢弃。

3)如果是波长突发，则在属于普通突发的a×x×b个波长上为其寻找信道并用LAUC-VF算法进行调度。如找不到，则将突发丢弃。

采用这种调度方法，将波带突发和波长突发的调度区分开来，降低了调度的复杂性。同时波带突发能在波长突发组上调度，提高了波带突发的优先级，以充分利用波带突发来节省端口数。

4 仿真分析

本部分使用OPNET仿真工具，对本文提出的支持波带突发的OBS网络性能进行仿真。网络仿真拓扑如图7所示，有6个边缘节点，2个核心节点，采用ON-OFF随机业务产生方式，其中ON/OFF之比为2∶1。ON期间IP包的产生间隔服从负指数分布，一共有30个ON-OFF源，入口边缘节点采用前面第2部分提出的汇聚算法。当波带粒度为2的时候，长度门限最小值为200 Kbit，时间门限最大值为5.6 μs，并且根据波带粒度地变化，门限值成比例地变化，并对核心节点0的性能参数进行统计。每条链路有64个波长，在波长数为64时，波长分组情况见表1。

图7 网络仿真拓扑图Fig.7 Topology of the simulation

表1 不同端口比例下的波长分组情况Tab.1 Wavelength grouping in the different port proportion

图8为波带粒度为2，端口比a分别为1∶8，1∶4和1∶2时不同负载下的丢包情况。由图8可以看出，当端口比例为1∶8时，丢包率最高且较明显。此时丢失主要由波长突发引起的，由表1看到，端口比例为1∶8时，为波长突发提供的波长数为8，因此波长突发由于波长资源不足而造成丢失，而为波带突发提供的波长为56，因此丢失相对比较小。当端口比例为1∶4和1∶2时，丢失率基本相同，其主要原因是波长突发的端口数目和波长数目足够，影响丢失率的大小主要由信道数目和业务负载决定。但相对于1∶2端口比，1∶4端口比可以减少14个端口，从而其节点成本要低。

图8 波带粒度为2时不同端口比例下的分组丢失率Fig.8 Burst loss probability for the different port proportions with 2 size of waveband granularity

图9为端口比例为1∶4时不同波带粒度下的丢包情况，波带粒度为2，4，8时，丢包率都会随着负载的增加而增大，并且波带粒度越大，越难成功预留到信道，由图9可看出，粒度为8时丢包率最大，粒度为2时丢包率最小。但粒度越大，节省的端口数也就越多，其节点成本也就越低。因此，适当的选择波带交换粒度和端口比例，能够在满足业务服务质量要求下，降低节点成本。

图9 端口比例为1∶4时不同波带粒度下的分组丢失率Fig.9 Burst loss probability for the different waveband granularity with 1∶4 port proportions

由图9可以看到，波带粒度越大，丢包率越高。但是波带粒度越大，使用交换端口数越少，可以降低成本。通过以上的仿真结果可以得到，在满足一定丢包率要求时，通过选择合适的端口比a和波带粒度b，可以减少交换矩阵端口数目，降低节点成本。比如在负载0.9时，若要求丢失率小于0.1，根据仿真，可以选择波带粒度为4、端口比为1∶4;此时需要的端口数为36，与普通OBS(端口数为64)相比，可有效降低端口数和节点成本。

5 结论

为了减少交换端口使用数目，降低成本，本文将波带的思想引入光突发交换，提出OBS网络中支持波带突发交换的边缘节点、核心节点结构以及边缘节点的汇聚算法、核心节点的调度算法，并通过仿真分析在该支持波带突发交换的OBS网络中，端口数目的比例和波带突发粒度对突发丢包率的影响。在设计网络时，可根据一定丢失率来选择合适的波带粒度和端口比，以降低光交换矩阵的端口数和节点成本。

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