电路与分组混合光交换中的准静态时隙分配方案

廖闻骄，肖石林，孙卫强（上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室）

电路与分组混合光交换中的准静态时隙分配方案

廖闻骄，肖石林，孙卫强
（上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室）

摘要：针对混合光交换设备利用率较低的问题，提出了一种应用于电路与分组混合光交换中的准静态时隙分配方案，分析了采用该方案的交换机性能，并利用Mat l ab软件对该方案的时隙利用率和时延性能进行了仿真。

关键词：混合光交换；时隙分配；准静态

0　引言

近年来，随着云计算、大数据这一类在线服务的快速发展，海量数据的同步与备份消耗了大量的带宽资源，这些服务不仅需要较低的网络时延，而且增加了网络的建设成本。因此，网络设备的利用效率成为影响网络建设的重要因素之一。对于现存的网络设备，尤其是传统的分组交换设备，其带宽、时延和设备利用率均不能很好地满足目前的要求。于是，电路与分组混合光交换作为一个很好的解决方案被引入到光交换网络中。在混合交换中，交换资源的分配方案是提高交换机性能的关键。文献［1～4］中提出了几种基于流量的资源分配方案，但这些方案对于流量的估计和调度都需要在OSI七层模型中的网络层或运输层实现。而网络层或运输层对流量调度的感知可能会改变网络层协议（如IP协议）或运输层协议（TCP协议），使网络层和运输层的协议变得更复杂且难以标准化，不能与其它网络设备通用，缺乏向上层提供灵活服务的能力，增加了网络建设成本。文献［1～3］提到的方案需要对每一个汇聚流进行轮询，频繁地进行交换矩阵重构，显著增加了时间方面的开销，降低了交换设备的利用率。尤其是在高速的光交换网络中，交换矩阵的重构时间与分组传输时间处于同一个数量级上，此时这种开销就变得不可接受。为了降低交换机矩阵重构次数，提高交换设备利用率，本文提出一种准静态时隙资源分配方案。

1　基于分组交换的准静态时隙分配方案

通常混合光交换结构可以分为3类：基于电路交换的混合交换；基于分组交换的混合交换；电路分组并存的混合交换。本文提出的准静态时隙分配方案在基于分组交换的混合光交换结构上实现，具体结构框架如图1所示。该结构以取样光栅分布布喇格反射(SG-DBR)激光器作为光源，N×N阵列波导光栅(AWG)作为交换元件。

基于光分组交换的混合交换结构采用的SG-DBR激光器是一种快速可调谐激光器，可以在数十纳秒内从一个波长切换到另一个波长。同时利用AWG的特性，通过选择不同的波长输入，控制光信号从不同的端口输出，以实现交换功能。激光器根据每一个数据包的目的出口不同，不断地变换输出波长，实现了分组交换。在此结构基础上，我们引入了准静态时隙分配方案。

在虚拟输出队列（VOQ）模型中，每一个输出端口维护一个队列，队列中存储所有需要从该出口转发的分组。根据单位时间内到达某一个输出端口的平均分组数量，本方案会为每一个VOQ预留相应数量的时隙资源。完成VOQ的资源分配后，将剩下的时隙资源分配给分组交换，用来发送每一个VOQ中超过平均到达分组数量的分组。这些超过均值的分组均存储在同一个队列中，我们将其命名为动态输出队列(DOQ)。为完成流量统计，系统设定了一个固定长度的时间，称为一个统计周期。在一个统计周期内，系统统计到达每个输出端口的分组数量，求出平均值。由于时隙资源分配的比例在一个周期内是静态的，它只随每个统计周期变化，故称作准静态时隙分配方案。系统时域帧结构如图2所示。

图1　基于光分组交换的混合交换结构

图2　系统时域结构

在相应的VOQ装满前，所有具有同一目的出口的分组都汇聚在VOQ内。当该VOQ装满后，本应存储在VOQ的分组就被存入DOQ中，通过传统的分组交换方式进行转发。若所有队列全满（包括DOQ），则丢弃之后到达的分组不做任何处理。在一个完整的统计周期中，交换机会依次服务每一个VOQ，即发送完某一个VOQ中所有的分组后才会转向下一个VOQ为其提供服务，以达到减少交换矩阵重构次数的目的。在整个系统中，与分组交换部分相比较，为每一个VOQ预留的时隙资源可以看作是一种虚电路交换资源，为流量中大量且稳定的网络流提供服务。从以上实现过程可以看出，采用本方案的系统并不感知网络上层的信息，只为上层提供简单灵活的服务，降低了上层调用服务时的复杂度和成本。

2　系统性能分析

我们设计这套方案的初衷在于提升设备利用率，优化系统在重负载下的时延性能。因此，我们仿真了采用本方案的交换机的时隙利用率和时延性能。假设分组是以泊松随机过程到达交换机的，即任意两个分组到达交换机的时间间隔这一随机变量服从泊松分布。令该泊松过程的到达率为λ′，λi表示在一个统计周期中到达的分组个数的均值，则λi是泊松过程在一段时间内的积分。假设在这段时间内有n个分组到达，得到λi=λ′·n。令一个随机变量Xi来表示在每个统计周期中到达交换机的分组个数，假设在一个统计周期内，分组到达的泊松过程是一个广义平稳随机过程，则Xi的均值λi在一个统计周期中是一个常数。根据随机过程的知识，可以得到Xi的概率密度函数为：

不失一般性，令所有λi相等，λ1=λ2=……=λi=λ，根据泊松分布性质，Xi的均值等于λ。设交换矩阵重构所需的时间为trc（以Tdata进行归一化，Tdata表示一个分组所需的传输时间），则利用率η的表达式为：

从式（1）和式（2）可以看出，η也是一个随机变量，其期望可以根据式（1）和式（2）推出。由于所有的Xi都服从均值为λ的泊松分布，为方便计算，本文用X代替Xi，得到η的均值表达式为：

由于本方案是采用缓存分组进而集中转发的方式进行交换的，分组缓存可能会带来时延，因此，我们引入一种称作预留模型的数学模型进一步分析了采用本方案的交换机时延性能，预留模型示意图如图3所示。

当一个属于某VOQ的分组按泊松过程随机到达交换机时，可以看出系统的延迟源于两部分：该VOQ等待下一次服务所需的时间T1；在该队列接受服务时某个分组等待排在其前面的分组发送完所需的时间T2。假设总共有k个VOQ，利用排队论的结论，在这样的M/G/1排队系统中，T1的均值表示为：T1=λ×(k-1)2k（以Tdata进行归一化）。T2的平均值可以表示为T2=λ2k-1。则总等待时间Twait为：

图3　预留模型示意图

3　仿真结果与分析

我们利用科学软件Matlab对采用本方案的交换机进行了关于时隙资源利用率和时延特征的仿真，并与常规分组交换机进行对照。系统仿真中，设交换机的端口数为10,一个统计周期内的最大时隙数为400。

当λ（0～400）不同时，在不同的单次矩阵重构时间trc下，采用本方案的交换机与常规分组交换机的时延特征如图4所示。在负载较低的情况下，采用本方案的交换机时延大于常规分组交换机的时延。但是，随着负载增大，常规分组交换机的时延均在负载达到某一个值后急剧增大。根据排队论相关知识分析，当到达率与服务率的比例接近1时，常规分组交换机的时延会急剧增大，缓存队列很快被填满，导致丢包。本方案的时延特征曲线跟随负载线性增大，在某个trc时常规分组交换机已经发生大量丢包，但采用本方案的交换机仍然能以一个可以接受的时延进行工作，且不发生丢包。因此，相较于常规分组交换方案，本方案更能适应用于重负载下的网络环境。

采用本方案的交换机时隙利用率与负载的关系如图5所示。采用本方案的交换机与常规分组交换机的利用率对比情况如图6所示。时隙利用率随负载的增大而提升，随trc的增大而下降。采用本方案的交换机在时隙时间利用率上比常规分组交换机更有优势。随着trc的增大，常规分组交换机的时隙利用率下降得很快，与之相比，采用本方案的交换机利用率下降得慢，在trc的大部分区间上具有较大优势。

图4　系统时延特征

图5　采用本方案的交换机利用率随负载变化曲线

图6　本方案与常规分组交换的利用率对比情况

4　结束语

本文提出了一种应用于电路与分组混合光交换中的准静态的时隙资源分配方案。相比基于流量的资源分配算法，本方案不需要感知网络上层的信息，能达到较高的时隙利用率。通过软件仿真和结果分析，我们可以得到采用本方案的交换机在设备利用率和重负载下的时延性能方面都比常规分组交换机好，并且在常规分组交换方案已经出现大量丢包的情况下，采用本方案的交换机仍能正常工作。本研究的不足之处在于，采用本方案的交换机处于较轻的网络负载时会有比常规分组交换高的时延。因此，在今后的研究中，需解决本方案在轻负载下的时延性能优化问题。

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Quasi-static time slot allocation scheme in circuit and packet hybrid optical switching

LIAOWen-jiao,XIAOShi-lin,SUNWei-qiang
(State Key Laboratory of Advanced Optical Communication System and Networks, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:According to the low utilization rate of hybrid optical switching devices, the paper proposes a quasi-static time-slot allocation scheme in circuit and packet hybrid optical switching, studies the performance of the switch which adopts the scheme, and simulates the time-slot utilization and latency performance by using Matlab.

Key words:hybrid optical switching, time-slot allocation, quasi-static

中图分类号：TN914.34

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）01-0034-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.011

收稿日期：2015-11-21。

基金项目：国家自然科学基金项目（61433009，61271217，61271216，61221001）资助；国家863计划项目（2013AA013602,2012AA011301）资助；教育部基金（20110073130006）资助。

作者简介：廖闻骄（1989-），男，硕士研究生，主要从事光通信与光网络的研究。