光分组交换网中的缓存与转发技术研究

论文摘要

光纤通信已逐渐成为现代通信传输特别是干线传输的主要方式,并正在向全光网络的方向发展。全光网的核心技术主要包括两部分,一个是光的传输,另外一个是光的交换。超高速传输和超大容量密集波分复用技术极大地提高了光链路的传输容量,光交换技术则亟需进一步突破。在已开展研究的几种光交换模式中,光分组交换(OPS: Optical PacketSwitching)因其交换粒度小、调度灵活等优点被普遍认为是光交换技术的发展方向。在OPS网络中,当同一波长信道上的多个光分组同时到达相同的输出端口时就会产生竞争,因此如何解决光分组的竞争冲突问题成为实现OPS的关键之一。采用合适的光分组缓存和转发技术是解决或降低光分组竞争的有效途径,本文对OPS网络中节点的缓存结构、缓存调度算法、缓存的服务性能分析以及光分组转发的负载均衡技术展开系列研究,包括:第二章研究了光缓存技术,提出了一种基于循环队列的光电混合缓存方案。为了克服目前光分组交换节点中光纤延迟线利用效率低下的问题,采用由环状的光纤延迟线缓存结构和电缓存结构两部分组成的光电混合缓存结构。其中环状的光纤延迟线缓存结构由若干条固定长度的光纤延迟线缓存单元串联连接组成,用于循环光分组队列存取。该结构不仅能够显著减少节点中光纤延迟线的总长度、提高光纤延迟线的利用效率,而且能够改善节点解决竞争冲突的能力、降低丢包率。第三章提出和研究了离散延时缓存模型(QDB model: Quantized DelayBuffer model)。考虑到FDL的离散延时缓存特性,定义了延迟时间(DelayTime)和等待时间(Waiting Time)两个重要概念并仔细讨论了两者之间的差异和联系。QDB model未对光分组的到达过程与光分组长度分布作任何限制,给出了一种研究延迟时间和等待时间分布函数的理论方法并且能获得解析结果,其正确性经由计算机仿真得到了验证。第四章研究了等待位置数有限的OPS节点缓存性能。从已得到的QDB model出发可以获得延迟时间的概率分布生成函数。结合嵌入马尔科夫链(Embedded Markov Chain)方法能够求得节点的队长统计分布和丢包率;讨论了极限最大修正平均到达率、极限最大服务强度等服务饱和状态参数;获得了延迟时间、等待时间和预约时间等各项重要性能参数的均值。第五章研究了最大缓存时延有限的OPS节点性能。利用虚等待时间(VWT: Virtual Waiting Time)方法,将虚等待时间分布函数与QDBmodel中的等待时间分布函数联系起来,得到了光分组丢包率的解析表达式,再结合极值理论便可以讨论节点缓存性能的优化问题。对于可变分组长度和固定分组长度的光分组业务得到了节点的最优缓存粒度。这些研究为节点缓存结构的设计提供了理论支持。第六章研究了OPS网络中光分组转发的负载均衡方案。首先讨论了节点与节点之间的统计转发理论模型,当前节点依据相邻下行节点的统计性能参数得到向其转发的概率,然后在此基础上提出了负载均衡的统计策略。这种方法有效地降低了OPS网络中光分组竞争冲突发生的概率,并能够在减小网络状态的更新开销和充分利用网络资源之间获得良好的平衡,是一种合理可行的方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT（英文摘要）
• 主要英文缩写词对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 光交换技术的发展
• 1.1.1 光线路交换（OCS）
• 1.1.2 光突发交换（OBS）
• 1.1.3 光分组交换（OPS）
• 1.2 光分组交换关键技术
• 1.2.1 光信头标记技术
• 1.2.2 光分组封装技术
• 1.2.3 光分组竞争解决方案
• 1.2.4 交换节点结构
• 1.3 本论文主要研究内容和创新点
• 参考文献
• 第二章 基于循环队列的光电混合缓存技术
• 2.1 引言
• 2.2 原理简述
• 2.3 器件结构
• 2.4 存取算法
• 2.4.1 光分组的缓存
• 2.4.2 光分组的输出
• 2.4.3 缓存调度
• 2.5 仿真比较分析
• 2.6 小结
• 附录I 本章常用函数
• 参考文献
• 第三章 离散延时缓存模型
• 3.1 引言
• 3.2 理论模型
• 3.3 模型应用
• 3.3.1 M/M/1系统
• 3.3.2 M/D/1系统
• 2/M/1系统'>3.3.3 E₂/M/1系统
• 3.4 仿真比较分析和讨论
• 3.5 小结
• 附录II 几种重要的统计分布
• 附录III Poisson过程
• 附录IV 随机服务系统的符号表示
• 参考文献
• 第四章 等待位置数有限的FDL缓存系统
• 4.1 理论模型
• 4.1.1 Delay Time离散分布的生成函数
• 4.1.2 系统队长与丢包率
• 4.1.3 系统极限处理能力指标
• 4.1.4 系统平均性能参数
• 4.2 模型应用
• 4.2.1 M/M/1/1+r系统
• 4.2.2 M/D/1/1+r系统
• 4.3 仿真比较分析和讨论
• 4.4 小结
• 附录V 队长分布qi? ,qi,qi+
• 附录VI Little公式
• 参考文献
• 第五章 最大缓存时延有限的FDL缓存系统
• 5.1 理论模型
• 5.2 模型应用
• 5.3 仿真比较分析和讨论
• 5.4 小结
• 附录VII 公式（5.45）的证明
• 附录VIII Erlangian到达过程的分析
• 附录IX 有限M/D/1系统缓存粒度的极小值分析
• 参考文献
• 第六章 OPS网络的负载均衡方案
• 6.1 引言
• 6.2 统计转发模型
• 6.3 模型讨论与分析
• 6.4 负载均衡方案
• 6.5 小结
• 参考文献
• 结束语
• 致谢
• 博士期间其他科研工作多波长光标记交换试验系统
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 攻读博士学位期间发表的学术论文与申请的专利