OBS網(wǎng)絡(luò)中多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)沖突解決模型研究

摘 要:為了充分認(rèn)識(shí)光突發(fā)交換(OBS)網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)中的多業(yè)務(wù)沖突性能，以O(shè)BS網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，采用基于優(yōu)先級(jí)的信道搶占原則，給出了在配置光緩存情況下，多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的沖突解決模型。結(jié)果表明，所提出的模型保證了OBS網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，有效解決了以往研究中出現(xiàn)的兩個(gè)局限性問題，所得參數(shù)對(duì)OBS網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)化建設(shè)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:光突發(fā)交換; 光緩存; 阻塞率; 服務(wù)質(zhì)量

中圖分類號(hào):TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-3695(2010)02-0636-02

doi:10.3969/j.issn.1001-3695.2010.02.064

Performance modeling of Multi-traffic contention resolution in OBS network

ZENG Guang-ping， WANG Jiang-qing

(College of Computer Science， South-Central University for Nationalities， Wuhan 430074， China)

Abstract:In order to full realize the performance of multi-traffic contention in OBS network core node， this paper studied the multi-priority traffic contention resolution model in optical buffer equipped OBS core node， which based on the preemptive channel occupied scheme. Several results indicate that， the proposed model not only can support the quality of service of OBS network， but also can resolve two limitations in the previous works effectively. Parameters derived from the model can provide theoretical references to the testing construction of OBS network.

Key words:optical burst switching(OBS); optical buffer; blocking probability; quality of service(QoS)

0 引言

光突發(fā)交換(OBS)技術(shù)具有交換粒度適中、波長資源預(yù)留協(xié)議高效、可以有效發(fā)掘波分復(fù)用WDM(wavelength division multiplexing)技術(shù)的帶寬資源等特點(diǎn)被認(rèn)為是從光路波長路由交換技術(shù)邁向全光分組交換技術(shù)的橋梁[1]。典型的OBS網(wǎng)絡(luò)主要由邊緣節(jié)點(diǎn)、核心節(jié)點(diǎn)以及光纖鏈路構(gòu)成。入口邊緣節(jié)點(diǎn)根據(jù)目的地、優(yōu)先級(jí)等屬性將若干IP數(shù)據(jù)包封裝成為突發(fā)數(shù)據(jù)包，并為每個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)包生成一個(gè)控制分組BCP(burst control packet)，BCP中存放有其所控制的突發(fā)數(shù)據(jù)包的源/目的地址、突發(fā)數(shù)據(jù)包長度、優(yōu)先級(jí)等屬性，并采用JET(just enough time)或JIT(just in time)等波長預(yù)留協(xié)議，先于其所控制的突發(fā)數(shù)據(jù)包進(jìn)入OBS核心交換網(wǎng)絡(luò)[1，2]。在每個(gè)核心節(jié)點(diǎn)中，BCP進(jìn)行光/電/光轉(zhuǎn)換處理后，完成波長資源預(yù)留任務(wù)，突發(fā)數(shù)據(jù)包就則以全光方式通過OBS核心交換網(wǎng)絡(luò)，這種單向資源預(yù)約協(xié)議在很大程度上提高了WDM的波長利用率。

OBS采用單向資源預(yù)留機(jī)制，意味著突發(fā)數(shù)據(jù)包在沒有得到確認(rèn)的情況下便被發(fā)送到了OBS核心交換網(wǎng)絡(luò)，因此，在核心節(jié)點(diǎn)的輸出數(shù)據(jù)信道ODC(output data channel)上，很可能出現(xiàn)多個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)包競爭一個(gè)ODC的情況。沖突發(fā)生后，會(huì)造成數(shù)據(jù)損失，因此如何有效地解決沖突，減小數(shù)據(jù)損失就成為OBS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵的研究課題。在核心節(jié)點(diǎn)中配置光緩存是一種效果良好的沖突解決方法[3，4]，利用光纖延遲線FDL(fiber delay line)構(gòu)成的各種結(jié)構(gòu)的光緩存可以對(duì)沖突突發(fā)數(shù)據(jù)包進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，以緩解沖突導(dǎo)致的損失。配置了光緩存的核心節(jié)點(diǎn)可以較大程度地降低突發(fā)數(shù)據(jù)包的阻塞率。

1 多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)沖突問題

在OBS網(wǎng)絡(luò)中，存在有視頻、音頻等實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)質(zhì)量要求較高的業(yè)務(wù)，如HDTV、視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播、IP電話等;同時(shí)也存在文本數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)性和質(zhì)量要求較不嚴(yán)格的業(yè)務(wù)，如電子郵件、Web瀏覽等[5，6]。這樣，網(wǎng)絡(luò)就可以根據(jù)實(shí)時(shí)性和質(zhì)量要求等指標(biāo)將不同種類業(yè)務(wù)設(shè)定為不同優(yōu)先級(jí)別。在OBS核心節(jié)點(diǎn)中，當(dāng)不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)生沖突時(shí)，遵循對(duì)各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的保護(hù)力度從高優(yōu)先級(jí)到低優(yōu)先級(jí)逐級(jí)降低的原則。需要采取以下方案:設(shè)定最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)具有絕對(duì)優(yōu)先權(quán)，在與其他業(yè)務(wù)發(fā)生沖突時(shí)，不受其他業(yè)務(wù)影響。低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)與高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)發(fā)生沖突時(shí)，可將低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)送入光緩存進(jìn)行延時(shí)，當(dāng)光緩存容量飽和，則將此業(yè)務(wù)丟棄。這樣，就可以較好地實(shí)現(xiàn)區(qū)分服務(wù)，有效保證了OBS網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(quality of service， QoS)。

以往多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的沖突理論研究成果存在兩個(gè)局限性:

a)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)別數(shù)量設(shè)定較少(一般為兩個(gè)優(yōu)先級(jí))[6]。這樣既不能體現(xiàn)OBS網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的多樣性，也不能體現(xiàn)出相鄰優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)之間數(shù)據(jù)包阻塞率的差異。

b)基本參照數(shù)據(jù)包阻塞率來保證OBS網(wǎng)絡(luò)的QoS。但QoS的保證不僅體現(xiàn)在保證不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)具有不同的阻塞率，也體現(xiàn)在不同優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的時(shí)延差異上[7]。

本文針對(duì)目前存在的這兩個(gè)局限性，設(shè)定了OBS網(wǎng)絡(luò)中所能存在的基本業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)數(shù)量，并在分析中給出了體現(xiàn)QoS的時(shí)延差異情況。

2 混合型光緩存

圖1所示光緩存結(jié)構(gòu)，稱之為混合型緩存(hybrid buffer， HB)[8]，這種光緩存結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)簡單，可以提供可變時(shí)延等特點(diǎn)而被重點(diǎn)研究。

如圖1所示，HB主要由k條輸入光纖、k條輸出光纖以及N根FDL組成。每一根FDL都配備有一個(gè)子延遲線集，每個(gè)子延遲線集都可以提供一個(gè)0-ib(i=1，2，…，N)的可變延時(shí)。其中，b是每個(gè)FDL單元所能延遲的時(shí)間，同時(shí)HB可以提供的最大時(shí)延為b~Nb不等，這樣的結(jié)構(gòu)就具備了很強(qiáng)的靈活性。

3 沖突模型建立

下面就對(duì)基于光緩存的多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)沖突問題進(jìn)行理論分析和模型建立。這里，根據(jù)目前網(wǎng)絡(luò)所存在業(yè)務(wù)的基本種類[5]，設(shè)定OBS網(wǎng)絡(luò)中存在有五個(gè)優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù):HDTV設(shè)定為class1，是最高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù);視頻會(huì)議、IP電話、Web瀏覽以及e-mail分別設(shè)定為class2、class3、class4和class5。其優(yōu)先級(jí)逐漸降低，另外設(shè)定OBS網(wǎng)絡(luò)采用JET資源預(yù)留協(xié)議，所有優(yōu)先級(jí)突發(fā)數(shù)據(jù)包的到達(dá)過程皆服從Poisson分布，classi優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的到達(dá)率為λi，突發(fā)數(shù)據(jù)包的長度服從負(fù)指數(shù)分布，均值為1/μi。這里，只考慮到具備k個(gè)波長的單鏈路狀態(tài)，在這條單鏈路中，配備有一個(gè)HB光緩存，這個(gè)光緩存又具備N條FDL延遲線。當(dāng)不同優(yōu)先級(jí)突發(fā)數(shù)據(jù)包發(fā)生沖突時(shí)，核心節(jié)點(diǎn)根據(jù)其優(yōu)先級(jí)高低對(duì)突發(fā)數(shù)據(jù)包進(jìn)行輸出或是調(diào)度進(jìn)入光緩存進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，當(dāng)緩存容量達(dá)到極限則將此突發(fā)數(shù)據(jù)包丟棄。

核心節(jié)點(diǎn)的調(diào)度器將突發(fā)數(shù)據(jù)包調(diào)度到合適的光緩存中需要參照確定的預(yù)存時(shí)間，調(diào)度的原則是:計(jì)算出突發(fā)數(shù)據(jù)包的輸出時(shí)間T，然后選取所需要的FDL延遲線單元個(gè)數(shù)Nb，使得緩存可以為突發(fā)數(shù)據(jù)包提供一個(gè)與T最接近的延遲時(shí)間T′=bNb，如果T′>>T，那么就將增大這個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)包的整體延遲時(shí)間，選取Nb的原則為

Nb=T/b

b mod T=0

T/b」+1 b mod T≠0(1)

如果光緩存可以提供的最大時(shí)延Dmax小于T，那么該突發(fā)數(shù)據(jù)包就將被丟棄。根據(jù)排隊(duì)理論[6，9]，可以給出classi(i=1，2，3，4，5)業(yè)務(wù)的突發(fā)數(shù)據(jù)包阻塞率為

P_class1=ρD1#8226;P1/(kD-k#8226;k!)(2)

P_classi=∑ij=1λj/λi #8226;∑ij=1ρjD#8226;Pi/kD-k#8226;k!-

λi-1/λi #8226;P_class(i-1)(i=2，3，4，5)(3)

其中:

D=k+kN(4)

Pi=∑k-1j=0∑im=1ρmj/j!+∑Dj=k∑im=1ρmj/kj-k#8226;k!-1

i=1，2，3，4，5(5)

其中:ρi為classi業(yè)務(wù)的負(fù)荷。

4 結(jié)果與討論

本文給出了在具有五個(gè)優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的OBS網(wǎng)絡(luò)中，各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)在核心節(jié)點(diǎn)由于沖突而導(dǎo)致的阻塞率情況以及在光緩存中的平均延時(shí)情況。在仿真中，設(shè)定class1~5業(yè)務(wù)分別占總業(yè)務(wù)量的百分比為10%、15%、20%、25%和30%，到達(dá)率分別為各業(yè)務(wù)量的2.5、10、15、25以及30倍。

圖2表示單波長信道承載不同負(fù)荷情況時(shí)，5個(gè)優(yōu)先級(jí)突發(fā)數(shù)據(jù)包在核心節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的阻塞率情況。這里，設(shè)定波長信道數(shù)目為4，光緩存具有2根FDL。可以看到，通過本文采取的優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)保護(hù)方案，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)獲得了比低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)低的阻塞率，這樣，OBS網(wǎng)絡(luò)的QoS就得到了保證。

圖3表示在單波長信道負(fù)荷變化情況下，不同優(yōu)先級(jí)突發(fā)數(shù)據(jù)包在核心節(jié)點(diǎn)光緩存中產(chǎn)生平均延時(shí)的情況。圖3中T_classi表示classi業(yè)務(wù)的延時(shí)情況。從圖3中可以看到，隨著OBS網(wǎng)絡(luò)中負(fù)荷量的增加，各業(yè)務(wù)在光緩存中所延遲的時(shí)間也逐漸變大，這主要?dú)w因于負(fù)荷的增加必然增大沖突的概率，因此沖突業(yè)務(wù)進(jìn)入光緩存的幾率也會(huì)變大。但是可以看到，各優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的平均延時(shí)幅度隨著優(yōu)先級(jí)的降低而變化很大，這樣就保證了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的優(yōu)先輸出權(quán)，同時(shí)也保證了OBS網(wǎng)絡(luò)的QoS。

5 結(jié)束語

本文對(duì)配置有光緩存的OBS網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)中發(fā)生的多優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)沖突問題進(jìn)行了性能分析。從各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包丟失率情況可看到，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)在設(shè)定的保護(hù)機(jī)制下，獲得了比低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)較低的包丟失率。從各業(yè)務(wù)在FDL中的延時(shí)特性來看，高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)所產(chǎn)生的延時(shí)幅度明顯要小于低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)所產(chǎn)生的延時(shí)。這樣就很好地保證了實(shí)時(shí)性的要求，從而實(shí)現(xiàn)OBS網(wǎng)絡(luò)的QoS機(jī)制。理論分析結(jié)果對(duì)于配置網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷以及光緩存容量等起到了一定的理論指導(dǎo)意義。

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