支持突发粒度的新型光交换技术研究

论文摘要

随着网络业务的爆炸式增长和密集波分复用（DWDM）技术的广泛使用,光网络及光交换成为了人们研究的热点。光交换可以消除电交换中的光/电/光环节,提高交换能力,突破当前传输网络的交换瓶颈。光突发交换（OBS）结合了光电路交换和光分组交换的优点,同时避免了它们的不足,是下一代光网络中一种非常有前景的光交换方案。本文探讨了OBS网络的基本原理,分析了OBS网络的数据信道调度算法、汇聚算法和服务质量（QoS）机制。并提出了OBS网络的一种基于最近可用未调度信道（LAUC）的批调度算法、一种基于批调度的成比例区分QoS机制和可降低OBS网络实时业务时延的管道机制。在此基础上,研究支持突发粒度的新型光交换技术,包括支持突发粒度和波长粒度的混合光交换技术和支持突发粒度的多粒度光交换技术。为了充分发挥光突发交换和光电路交换的优点,及更好地满足业务的服务质量,提出了自适应混合光交换。为了有效降低光交换的节点成本,本文设计了一种包含光分插复用器（OADM）的多粒度光交叉连接结构,并提出了支持突发粒度的多粒度光交换方案,包括节点结构、路由策略、波带分配方案。具体而言,本文创新性的研究工作如下:（1）提出了一种基于LAUC的批调度算法（BS-LAUC）。数据信道调度算法是OBS网络的关键算法。目前提出的LAUC算法复杂度低但突发丢失率高,而最近未使用信道带空填充（LAUC-VF）算法突发丢失率低但复杂度高。缺乏一种突发丢失率和算法复杂度都比较低的调度算法。针对这种情况,论文在LAUC算法的基础上,提出了一种采用突发到达调度顺序的批调度算法。BS-LAUC算法首先缓存多个突发控制包,当最大缓存时间到达时,根据突发到达顺序对缓存中的突发控制包进行批调度处理,并采用LAUC算法来为突发预留信道资源。在LAUC算法的基础上,BS-LAUC算法只增加了突发控制包缓存和改变了LAUC算法的调度顺序,其计算复杂度与LAUC一样低。仿真结果表明BS-LAUC算法的突发丢失率比LAUC算法要低,当最大缓存时间为推导出的最优值时（即为偏置时间的最大差值）,它的突发丢失率比LAUC-VF算法还要低。（2）提出了一种基于批调度的成比例区分机制（PDS-BS）。OBS如何为多种优先级的网络业务提供不同的服务质量要求,是OBS网络的一个研究热点。成比例区分QoS机制能方便网络运营商通过调节成比例区分因子来控制不同优先级的相对服务质量。PDS-BS采用了批调度的思想来降低突发丢失率。并根据从成比例区分模型推导出的各业务类期望突发丢失率,采用了抢占方法来保证不同优先级业务之间的突发丢失率成比例。与OBS网络其它的成比例区分机制相比,PDS-BS具有以下优点:在LAUC算法的基础上只增加了批调度处理和抢占,且抢占只限定在数据信道的最后一个数据突发（DB）上,故其计算复杂度低;仿真结果表明PDS-BS能有效支持成比例区分服务及其包丢失率低。（3）在充分分析OBS网络时延的基础上,本文提出了一种有效降低实时业务时延的管道机制。当实时业务的DB通过建立好的管道时,因其数据信道已预留好,其突发控制包不需要被处理。故管道机制可以通过减少突发控制包的处理次数,从而降低了实时业务的偏置时间及网络传输时延。为了提高管道的利用率,管道在空闲时候可以传输非实时业务的DB。仿真结果表明管道机制降低了OBS网络实时业务的端对端时延。（4）提出了一种自适应混合光交换方案。混合光交换结合了光电路交换和光突发交换的优点,可以支持突发粒度和波长粒度的光交换。然而当前的混合光交换只是简单地把光电路交换和光突发交换叠加在一起,其复杂度高,利用率低。针对这种情况,论文提出了一种自适应混合光交换方案。这种自适应方案可以根据网络业务流量的动态变化,自适应调整光交换方式。在最小突发长度最大汇聚时间算法的基础上,提出了自适应混合光交换的汇聚算法,以提高光路的利用率和有效支持突发性强的业务。而且采用了把光路看成光虚拟突发的思想,利用数据信道调度算法统一为光路和DB预留信道资源,降低了自适应混合光交换的复杂度。仿真结果表明,自适应混合光交换可以降低包丢失率和端对端网络时延。（5）设计了一种包含光分插复用器OADM的多粒度光交叉连接结构。光交叉连接结构是光网络节点的关键结构。现有的多粒度光交换连接把不需要交换的波带/波长连接到光交叉连接中,造成了光交叉连接的端口的浪费。为此,本文设计了一种包含OADM的多粒度光交叉连接结构,利用OADM只把需要交换的波带/波长才连接光交叉连接中,降低了光交叉连接的端口数和节点成本。（6）提出了一种支持突发粒度的多粒度光交换方案。现有的多粒度光交换一般只支持光纤、波带和波长这三种粒度的光交换,其最小粒度通常为波长粒度。相对于许多突发性强的网络业务来说,其粒度太大,会造成链路利用率比较低。本文把OBS引入到多粒度光交换中,以利用OBS的统计复用特性来提高链路利用率,同时利用多粒度光交换减少OXC的端口数和降低OXC的成本。本文提出了支持突发粒度的多粒度光交换的节点结构、路由策略、波带分配算法。仿真结果表明,本文提出的支持突发粒度的多粒度光交换能有效降低包丢失率和端对端时延。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 光网络概述
• 1.1.1 光网络的发展
• 1.1.2 光网络的控制面技术
• 1.1.3 IP over WDM 网络互联模型
• 1.2 光交换技术
• 1.2.1 光电路交换
• 1.2.2 光分组交换
• 1.2.3 光突发交换
• 1.2.4 三种光交换方式的比较
• 1.3 混合光交换和多粒度光交换
• 1.3.1 混合光交换
• 1.3.2 多粒度光交换
• 1.4 光网络的主要研究状况
• 1.5 论文结构及主要研究内容
• 2 光突发交换网络的数据信道调度算法
• 2.1 光突发交换网络
• 2.1.1 光突发交换网络的基本原理
• 2.1.2 光突发交换网络的资源预留协议
• 2.1.3 突发控制包和数据突发的格式
• 2.2 汇聚算法和数据信道调度算法
• 2.2.1 汇聚算法
• 2.2.2 数据信道调度算法
• 2.3 光突发交换网络中一种基于LAUC 的批调度算法
• 2.3.1 多个BCP 的批调度方法
• 2.3.2 BS-LAUC 算法流程
• 2.3.3 最大缓存时间的优化设置
• 2.3.4 仿真结果与分析
• 2.4 本章小结
• 3 光突发交换网络的QoS 机制
• 3.1 光突发交换网络的竞争解决机制和QoS 机制
• 3.1.1 光突发交换网络的竞争解决机制
• 3.1.2 光突发交换网络的QoS 机制
• 3.2 基于批调度的成比例区分机制
• 3.2.1 成比例区分模型
• 3.2.2 一种基于批调度的成比例区分机制
• 3.2.3 算法复杂度
• 3.2.4 仿真结果
• 3.3 一种有效降低实时业务时延的管道机制
• 3.3.1 光突发交换网络的时延分析
• 3.3.2 一种有效支持实时业务的管道机制
• 3.3.3 管道建立机制
• 3.3.4 在管道的入口处数据突发的调度机制
• 3.3.5 仿真结果
• 3.4 本章小结
• 4 自适应混合光交换
• 4.1 混合光交换
• 4.2 自适应光交换
• 4.2.1 自适应混合光交换的边缘节点
• 4.2.2 自适应混合光交换的核心节点
• 4.2.3 仿真结果与分析
• 4.3 本章小结
• 5 支持突发粒度的多粒度光交换
• 5.1 多粒度光交换
• 5.1.1 多粒度光交叉连接结构
• 5.1.2 多粒度光交换的路由和波带/波长分配算法
• 5.2 一种包含光分插复用器OADM 的多粒度光交换结构
• 5.3 支持突发粒度的多粒度光交换
• 5.3.1 支持突发粒度的MG-OXC 结构
• 5.3.2 网络业务分类
• 5.3.3 波带分层图
• 5.3.4 路由策略
• 5.3.5 波带分配及突发调度算法
• 5.3.6 网络仿真
• 5.4 本章小结
• 6 论文总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间以第一作者身份发表的论文
• B. 作者在攻读学位期间以非第一作者身份发表的论文
• C. 作者在攻读学位期间申请的专利
• D. 作者在攻读学位期间参加的科研项目