構建網絡的新方法：基于環路的混合交換光網絡
2008-12-31 00:00:00薛媛王晟徐世中
計算機應用研究 2008年12期
(電子科技大學寬帶光纖傳輸與通信網技術教育部重點試驗室，成都 610054)
摘 要：
為了能夠更好地支持突發性數據業務，提出了一種新型網絡交換結構——基于環路的混合交換光網絡（cyclebased hybrid switching optical networks，CHSON）。該網絡結合了光電路交換（OCS）和光突發交換（OBS）兩種交換技術，不僅可以有效地降低網絡節點的分組轉發壓力，而且能夠較好地承載突發性數據業務。首先介紹了CHSON的網絡結構和虛拓撲設計，然后闡述了節點設計及其執行流程。仿真表明，CHSON具有比OCS網絡更低的丟包率，而且在丟包率和平均分組延時方面，CHSON較OBS網絡有明顯改善。
關鍵詞：波分復用； 光突發交換； 光電路交換； 混合交換光網絡； 哈密爾頓環
中圖分類號：TP393.02 文獻標志碼：A
文章編號：10013695(2008)12376104
Novel method for constructing network: cyclebased hybrid switching optical networks
XUE Yuan，WANG Sheng， XU Shizhong
(Key Laboratory of Broadband Optical Fiber Transmission Communication Networks for Ministry of Education，University of Electronic Science Technology of China， Chengdu 610054， China)
Abstract:To efficiently support the bursty traffic patterns of the current networks， this paper proposed a novel optical network design method， CHSON.CHSON integrated optical circuit switchingand optical burst switching technologies， which could not only reduce the strain on packet forwarding of traditional point to point WDM solutions torelieve electronic bottleneck， but also accommodate bursty traffic.Firsty introduced the overall architecture of CHSON and virtual topology design involved. Then illustrated node design and implementation. The simulation results show that the packet loss ratio of CHSON is much lower than that of traditional OCS networks， and CHSON outperformed OBS networks dramatically in both packet loss ratio and average delay.
Key words：wavelength division multiplexing(WDM); optical burst switching(OBS); optical circuit switching(OCS);hybrid switching optical network; Hamiltoncycle
0 引言
波分復用技術的出現開創了太比特傳輸帶寬的先河[1]。至此，所需帶寬已不再成為決定網絡花費的首要因素[2]。最初的光網絡是點與點之間光纖鏈路的互連，光信號在網絡中的每一個節點都要轉換為電信號進行電處理，因此具有較高的帶寬資源共享率[3]。然而由于骨干網絡的物理拓撲連通度很低，網絡路由器處理的大部分業務是轉發業務，這給網絡帶來了很大的電域處理壓力[4]。當前的發展趨勢是光網絡的傳輸速度遠遠高于電域的處理速度，以至于電域成為了光網絡的主要瓶頸[5]。因此，如何降低電域的處理壓力以及如何提高交換效率成為了光網絡亟待解決的問題。由此，WDM光網絡的三種基本交換技術產生了[6]，即光電路交換（OCS）、光分組交換（optical packet switching， OPS）、光突發交換（OBS）。
OCS網絡的基本通信機制是在兩點之間建立一條通過多條鏈路的光路（lightpath），以提供一個電路交換的通路[7]。業務不需要光—電—光的轉換而直接通過光路到達目的節點，實現端到端的透明傳輸。這種方式的缺點是它不能實現光路的統計復用，帶寬利用率不高。此外，光路的建立和拆除需要一定的時間，尤其對于突發性強、變化頻繁的IP業務來說，OCS并不適用。
OPS與傳統的電分組交換網絡類似，采用存儲轉發技術，能夠實現真正的光域交換[8]，并且具有較高的統計復用率和帶寬利用率，適合用于傳輸IP那種突發性強的業務。但是，OPS在實現上存在若干難點，許多關鍵技術的突破有待于光器件技術的成熟，如靈活有效的光邏輯器件、光存儲器件，以及光域的同步技術等[9]。
OBS作為一種居中方案被提了出來，它融合了OBS和OCS的優點，被認為是下一代光網絡的核心交換技術之一[10]。在OBS中，由多個IP包組成的突發包burst全光的交換。突發頭分組（burst head packet， BHP）先于突發包burst發送到獨立的控制信道，在途經的每一個交換節點處為突發包burst預約波長資源。網絡中的節點一旦收到BHP，就會在burst到達的時刻配置好交換矩陣，引導burst到正確的出端口以到達其目的節點。由此，Burst實現了全光交換。相比波長路由光網絡而言，OBS網絡可以提供更好的帶寬利用率；相比OPS網絡而言，OBS網絡不需要光緩存或分組的分離，通過在網絡的邊緣節點匯聚合適的突發包，它能夠有效地應對網絡中動態變化的業務。
目前，研究者們開始轉向研究如何結合上述基本交換方式的優點，盡量避免或減少其缺點，協調好光域和電域的匹配，實現更好的網絡表現。文獻[11]給出了混合交換的概念：
“如果一個光網絡同時結合了兩種或兩種以上的基本網絡技術，這個光網絡就被稱為混合交換光網絡。”
本文提出了一種新型的網絡結構——基于環路的混合交換光網絡（CHSON)。它是OBS和OCS兩種交換技術的結合，既利用了OCS的高傳送效率，又在應對突發性業務方面有良好的表現。CHSON相應的業務處理策略有效地提高了網絡的穩定性和健壯性。
1 網絡模型
1. 1 網絡體系結構
CHSON擁有兩個網絡層——OCS層和OBS層，分別提供不同的傳輸服務，如圖1所示。在OCS層，數據分組僅在光路的始節點和終節點進行電處理，中間節點全光地通過。OCS部分的一系列光路保證了大部分網絡業務的高效傳送。在OBS層，剩余的網絡業務組裝成突發包，以OBS的交換方式進行傳送。在圖1所示的由四個節點組成的網絡中，假設有六條光路，分別是ab、 bc、 cd、 da、 ac和bd。如果光路ab已滿載，同時節點A處仍然存在以節點B為目的節點的需要傳送的業務，這些不能被光路ab傳送的臨時過載業務被稱之為溢出業務。傳統的OCS網絡會把溢出業務丟棄，但是CHSON網絡可以切換到其所謂的溢出模式，利用OBS層的容量，以OBS的交換方式傳送。由此，網絡的丟包率和穩定性可以得到有效的改善和加強。
CHSON的一個突出特點就是其獨特的虛拓撲設計方法。正如圖1所示，將OBS層的虛拓撲設計為環型，即ABCDA。環型拓撲的特點是它既可以維持網絡的連通性，占用較少的網絡資源，同時又天然地具有保護性。在本方案中，大部分的網絡業務需求由OCS層完成，而對于相對較少的溢出業務，環型拓撲是OBS層較好的選擇。
需要注意的是，CHSON的溢出機制只是針對網絡的臨時過載業務需求而提出的解決方案。如果網絡的某些過載業務需求持續時間較長，那么就要考慮OCS層的光路是否需要進行重新配置。
1. 2 虛拓撲的設計
1. 2. 1 OCS部分的虛拓撲設計
對于一個給定物理拓撲和業務量矩陣的網絡，由于受波長數量及節點配置的限制，建立全連通的虛拓撲是很困難的。設計WDM光網絡的虛拓撲，使得其某個指標最優（如網絡的阻塞率、分組的平均延遲等）的問題已經被證明為NP完全問題[12]。現有的WDM網絡虛拓撲的設計方法有很多，參見文獻[13，14]。本文的目標是追求最小的丟包率（packet loss ratio， PLR)，因此本文采用HLDA算法[15]。
1. 2. 2 OBS部分的虛拓撲設計
CHSON的OBS部分的虛拓撲是環形，因此，該部分虛拓撲的設計問題轉換為在一個拓撲圖中尋找并確定其Hamilton回路的問題。現有的尋找圖的Hamilton回路的算法大致分為兩種，一種是多項式時間啟發式算法;另一種是回跡算法（back track algorithms）[16]。啟發式算法可以在線性或低階多項式時間之內完成，但是這種算法不能保證一定能夠找到圖的Hamilton回路，或準確判斷圖是否存在Hamilton回路。回跡算法尋找圖的所有回路，以確保找到一個可行解，但是回跡算法具有很高的時間代價。為了確保OBS部分的虛拓撲建立成功，本文使用回跡算法。需要注意的是，僅使用存在Hamilton回路的物理拓撲，不存在Hamilton回路的物理拓撲將會作為以后的研究內容，如建立多個環路來覆蓋網絡的物理拓撲[17]。
如果按上述算法找到的網絡拓撲圖的Hamilton回路不止一個，則需要根據一定的標準作出取舍。根據OBS的工作原理以及最小化丟包率的優化目標，參考文獻[18]，本文給出選擇標準。在式(1)(2)中，M 代表網絡圖的Hamilton環路的總數量，N代表網絡的節點數量。業務負載被分配到環路i(i≤M)的每一條鏈路上，分別用Li1， Li2，…，LiN 表示。其中：Lij (j C=min[Ci]； i=1，…，M (1) Ci=max[Li1，Li2，…，LiN]+（∑Nj=1Lij）/（N max[Li1，Li2，…，LiN]） (2) 每一條環路可以按照式（2）計算出一個Ci值。式（2）說明環路i的最大鏈路負載越小，Ci值就越小。如果兩個環路有相同的最大鏈路負載值，環路所承載的總業務負載值越小，則Ci值越小。 根據所有環路的計算結果，利用式（1）選出的環路，將會被用做CHSON網絡的OBS部分的虛拓撲。 Lij=∑(s，d)(1-xsd)Tsd+∑(s，d)xsdTsd (3) xsd=1 transmission in clockwise direction0 transmission in counterclockwise direction (4) 式(3)(4)用于計算鏈路負載Lij， Tsd代表節點s和節點d之間需要傳送的業務量。注意，進入網絡的業務會按照路由算法進行路由。本方案采用最短路由算法。 2 節點結構和執行 2. 1 節點結構 CHSON的節點結構如圖2所示。進入CHSON節點的業務流分為兩大類：a)核心網絡業務流，它指從其他節點發送到達本交換節點的業務流，由突發頭分組BHP、突發包burst和IP分組構成；b)本地接入網業務流，它由本地IP數據流組成。 CHSON節點主要由光路緩存、溢出緩存、光交叉連接、調度控制和開關控制五大模塊構成。另外，CHSON節點還包括波復用/解復用器、光/電轉換器、電/光轉換器和波長轉換器等光器件。 光路緩存模塊主要負責為存在對應光路的接入網數據包提供緩存，并記錄光路緩存占用信息。進入節點的數據包通過查看其對應光路的緩存信息，決定對數據包的不同處理：將數據包送入光路緩存等待或者將數據包送至溢出緩存進行匯聚。 溢出緩存模塊負責突發包匯聚。該模塊將溢出數據包匯聚成突發數據包burst，并生成突發頭分組BHP；然后，將突發頭分組BHP經電/光轉換后送往調度控制模塊進行資源預約，之后經電/光轉換送入核心網絡。與之對應的突發數據包burst在偏移時間（offset time）后，經電/光轉換后送至開關控制模塊然后到達光交叉連接器。 光交叉連接模塊通過對指定波長進行交叉互連，實現光路配置。本方案使用OBS、OCS兩種交換方式。OCS采用靜態配置光路的方法，通過開關控制模塊控制光開關來達到配置光路的目的。 調度控制模塊負責將接收到的數據包按照不同的交換方式進行交換。對本地業務來說，就是將來自光路緩存模塊的IP分組包調度到其對應的光路上；處理來自溢出緩存的BHP，為其相應的burst預約資源。對于核心網絡業務而言，調度模塊的作用就是收集并銷毀BHP和burst，統計丟包率和延遲等所需信息。 接入本節點的信道經過波分解復用器后，其中的數據信道將數據包（包括突發數據包burst和IP數據包）送到光交叉連接模塊；而控制信道把突發頭分組（BHP）經光/電轉換后送至調度控制模塊進行處理。調度控制模塊完成如下功能：a)根據BHP信息查表確定輸出端口；b）檢查資源狀況，確定預約資源；c）收集光交叉連接器狀態信息，發送控制信息給開關控制模塊，由開關控制模塊對交叉連接器進行配置；d）將BHP交換到相應輸出端口或銷毀；e）統計所需信息。 2. 2 執行流程圖 為了清楚地說明這種新型混合網絡的交換過程，特給出網絡節點的執行流程圖，如圖 3所示。流程圖從業務流到達開始，以數據包的發送或銷毀為結束。 當一個來自接入網的IP分組到達CHSON網絡節點時，首先查看光路表，判斷該分組是否存在與其對應的光路及光路的占用情況；如果有可用光路，則將IP分組送入光路緩存以待進一步的處理；否則，將IP分組送入溢出緩存的匯聚隊列，匯聚成突發包。突發包匯聚采用混合時間和長度門限算法[19]。突發包組裝完成后，按照LAUCVF調度算法[20]進行調度。如果LAUCVF不能為一個突發包找到數據信道上合適的時隙，則該突發包和其相應的突發頭分組一起被丟棄；如果LAUCVF能夠成功調度突發包，計算突發包下一跳的到達時間，修改其相應的BHP信息。 核心網絡業務流包含三種業務類型——突發頭分組BHP、突發包burst和IP分組。突發包和IP分組全光地傳送，只有BHP需要進行光/電轉換。BHP將按照標準的OBS方案進行電處理，如圖3所示。如果BHP到達目的節點或調度burst失敗時，BHP會被銷毀。 3 性能評估 3. 1 仿真場景 本方案采用美國骨干網NSFNET拓撲作為CHSON網絡的物理拓撲，如圖4所示。使用仿真工具OPNET 10.0，將CHSON的網絡性能與傳統的OBS和OCS的網絡性能作了比較。 圖4中的標號為節點編號，鏈路為雙向鏈路，鏈路的波長復用數目為8，信道傳送速率為10 Gbps。本仿真采用常用的泊松源為業務源模型，業務負載從1均勻變化到10，業務量矩陣參見文獻[15]。每一個IP包的長度為1 250 Byte，每一個突發包burst最多有1 000個IP包。通過調整IP包的到達間隔來實現業務負載的變化。 根據業務量矩陣和虛拓撲的設計方法（1.2節所述），得到了環路107643101213118952和一系列的光路。 3. 2 丟包率 筆者將CHSON的PLR與OBS和OCS的PLR作了比較。正如筆者預料的，隨著網絡業務負載的增加，PLR逐漸增大。對OBS網絡而言，當業務量負載非常小(<1)時，其PLR為0。這說明OBS網絡可以非常好地承載輕負載業務。而當業務負載增加時，OBS網絡的性能隨著突發包沖突的增加而惡化。對OCS和CHSON網絡而言，由于建立了一系列高容量的光路，當網絡業務負載增加時，其PLR比OBS網絡的PLR低很多，性能惡化程度小，如圖5所示(注：為了更好地體現三種交換方式的性能差別，圖5的縱坐標為指數坐標，并將丟包率放大了100倍)。 OCS和CHSON網絡的PLR之比如圖6所示。當網絡某節點處的光路緩存溢出時，新到達的業務分組就會被OCS網絡丟棄。而CHSON可以利用其OBS部分傳送這些溢出業務，因此其PLR性能比OCS網絡有所改善。 3. 3 平均延遲 由于OBS網絡引入了匯聚延時和偏移時間， OBS網絡的平均分組延時比OCS和CHSON的平均分組延時高。仿真結果如圖7所示。 CHSON網絡的溢出業務可以通過其OBS部分傳送，因此CHSON的平均分組延時比OCS網絡的平均分組延時略高。然而，這部分性能的犧牲可以通過區分業務的方法消除其影響。對于具有嚴格延時約束的實時業務，CHSON使用其OCS部分傳送；而對延時變化不太敏感的業務，如FTP、email等（在缺乏足夠光路緩存的情況下），CHSON會利用其OBS部分傳送。因此，CHSON網絡的服務性能不會因平均分組延時的略微提高而得不到保證。 值得注意的是，CHSON和OBS網絡的平均分組延時同樣會隨著業務負載的增加而略微減少，如圖7和8所示。這是因為，隨著網絡業務負載的增加，突發包burst的沖突會變得越來越頻繁，使得那些擁有較短傳輸路徑的數據分組擁有較大的成功傳送概率。所以，分組的平均延時會隨著業務負載的增加而減少。 4 結束語 本文提出了一種新型混合交換光網絡CHSON。該網絡結合了光電路交換和光突發交換兩種技術的優點，其獨特的虛拓撲設計和執行算法使得網絡能夠較好地承載突發業務。本文對CHSON的網絡模型、節點結構和執行流程都進行了詳細介紹。仿真表明，CHSON有效地降低了丟包率，使網絡性能得到了提升。在以后的工作中，筆者將深入研究構建OBS部分虛拓撲的問題，得出更加一般的方法，并且相信仿真將會幫助人們得到更多有價值的信息。 參考文獻： ［1］CHEN Biao， WANG Janping. 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