光突发交换网络架构及业务量梳理技术

论文摘要

光突发交换(OBS)是近年来新出现的一种光交换技术。因为光路交换(OCS)不能适应目前高速增长且具有突发特征的IP业务,光分组交换(OPS)又因对光器件要求过高,在相当长的一段时间内难以实现商用,所以结合了光路交换和光分组交换的优点并克服了它们的部分缺点的OBS被认为是满足当前互联网核心层带宽需求的最佳选择。但OBS技术在实用化道路上也遇到了光器件能力不足,网络丢包率过高等问题。本文在现有研究成果的基础上对OBS网络的架构和路由技术进行了较深入的研究,希望借助构建更合理的网络架构和借助更有效的路由技术来降低OBS网络在解决突发包冲突时对光器件的依赖性及网络丢包率过高等问题,加速OBS技术的实用化进程。归纳起来,全文的主要研究工作如下:1.解决环形OBS网络中的丢包问题造成OBS网络丢包率居高不下的原因,除了当前光器件能力与需求存在的巨大落差外,在一开始就将OBS网络的应用环境设置的太复杂也是一个很重要的原因。环形是通信网络最常采用的拓扑结构之一。相对于网状网络,环形网络中突发包对网络资源的竞争强度要明显小得多,而且利用多个相切或相交的环也能满足复杂网络的建网需求。同时,环形网络还具有普通网状网络所不具备的某些优势,比如快速保护能力等。因此在当前的技术条件下,首先考虑解决环形网络中的突发包丢包问题,然后再考虑如何实现网状组网将更具有可操作性。根据环形OBS网络的特点,本文提出了一种突发包调度策略,只需使用一个深度与突发包尺寸相当的光缓存就能够解决环形OBS网络中的丢包问题,这几乎达到了在异步网络中利用缓存插入法解决突发包冲突问题所需光缓存的底线。我们通过理论分析和数学推导,建立了相应的突发包丢失概率的精确数学模型。数学模型和仿真实验结果都证明了使用我们的调度策略完全可以以很低的代价将OBS环网的突发包丢包率降低到可以忽略的程度。2.环形OBS网络架构设计由于以前一直不能较好地解决OBS网络丢包问题,因而更进一步对OBS网络架构问题的讨论就更加不足。现在既然我们可以在环形OBS网络中依赖少量光缓存就解决突发包丢包问题,那么参考现有分组交换环网的架构设计一个合适的OBS环网就成为可能。本文参考IEEE802.17弹性分组环(RPR)设计了弹性光突发环(ROBR)。ROBR继承了RPR高带宽利用率、公平性、健壮性等特点。通过理论分析和数学推导,我们给出了在ROBR中端到端时延的数学模型,并通过仿真实验测试了ROBR的带宽利用率、丢包率、端到端时延、时延波动性等多项性能指标。实验结果表明,ROBR各性能指标都比较令人满意。3.网状OBS网络的实现考虑现实中光纤资源、管理维护、网络运营商之间的互联互通等诸多因素,单纯的环形网络往往难以适应现实的网络环境,RPR本身在这方面也存在较大缺陷。能否按复杂的网络拓扑进行组网是决定一个网络架构是否可以成为理想核心网解决方案的一个重要因素。为此,我们设计了ROBR的桥接节点。利用ROBR的桥接节点,可以将多个ROBR相交或相切组成复杂的网状网络,并保持高带宽利用率、低时延、快速的业务保护能力等优点。复杂组网能力使ROBR可以成为一个跨城域网和核心网的完整光突发交换解决方案,实现业务端到端的全透明传输。4. OBS/OPS网络中的业务梳理及路由技术研究在WDM网络中进行业务梳理是近来讨论十分热烈的一个课题,通过将次波长业务合理地汇聚成为波长再进行传送可以降低网络成本和提高网络性能。OBS/OPS网络的基础也是WDM网络,合理地将突发包/光分组进行汇聚,再以波长为单位进行交换能够降低OBS/OPS网络中节点的处理负载,并能够通过减少冲突发生的次数,降低丢包率和端到端时延。本文提出一种基于虚节点的OBS/OPS网络业务梳理方法,通过改进OSPF路由协议,使OBS/OPS网络中的业务源节点在为光突发包/光分组选择路由的同时也选择出合适的发送波长,从而使离散的光突发包/光分组在某个中间节点处汇聚成为波长,降低光突发包/光分组在其后路由上被处理次数和发生冲突的次数,以获得更低的丢包率和时延,并降低对光缓存、波长转换器等高价值光器件的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 光交换概述
• 1.2 光路交换
• 1.2.1 时分交换
• 1.2.2 空分交换
• 1.2.3 波分交换
• 1.3 光分组交换
• 1.3.1 同步光分组交换网
• 1.3.2 异步光分组交换网
• 1.4 光突发交换
• 1.4.1 光突发交换起源
• 1.4.2 光突发交换原理
• 1.4.3 光突发交换网络
• 1.4.4 三种光交换技术的比较
• 1.4.5 OBS 的研究现状
• 1.5 本文的主要研究内容和创新点
• 第二章 OBS 环形网络中突发包冲突解决方案
• 2.1 引言
• 2.2 现有OBS 网络突发包冲突解决方案
• 2.2.1 光缓存
• 2.2.2 波长转换
• 2.2.3 偏置路由
• 2.3 环形OBS 网络中突发包冲突问题的解决
• 2.3.1 环形OBS 网络中突发包冲突分析
• 2.3.2 OBS 环网中的光缓存
• 2.3.3 突发包和对应控制分组的调度
• 2.3.4 光缓存控制
• 2.4 OBS 环网的丢包率分析
• 2.4.1 理论分析
• 2.4.2 仿真试验及结果分析
• 2.5 小结
• 第三章 OBS 网络架构设计
• 3.1 引言
• 3.2 弹性分组环
• 3.2.1 弹性分组环的拓扑结构
• 3.2.2 弹性分组环中的业务分类
• 3.2.3 弹性分组环节点结构
• 3.2.4 弹性分组环中的带宽管理技术
• 3.2.5 弹性分组环中的拓扑自动发现
• 3.2.6 弹性分组环的业务保护
• 3.3 弹性光突发环
• 3.3.1 弹性光突发环的网络拓扑
• 3.3.2 弹性光突发环分插复用节点的结构
• 3.4 弹性光突发环的端到端时延性能研究
• 3.4.1 缓存时延的理论分析
• 3.4.2 仿真结果与理论结果对比
• 3.5 弹性光突发环性能的仿真研究
• 3.6 复杂OBS 网络的实现
• 3.6.1 弹性光突发环桥接节点
• 3.6.2 利用桥接节点实现多环桥接和跨环交换
• 3.6.3 弹性光突发网的应用
• 3.7 小结
• 第四章 光突发（分组）交换网络中的业务梳理
• 4.1 引言
• 4.2 OCS 网络中的业务梳理
• 4.2.1 业务梳理问题的分类
• 4.2.2 业务梳理问题的求解
• 4.3 OBS（OPS）网络中的业务梳理问题
• 4.3.1 OBS（OPS）网络与OCS 网络中流量梳理的差异
• 4.3.2 基于虚节点的OBS（OPS）网络中的业务梳理
• 4.4 基于虚节点的OBS（OPS）网络最短路由协议
• 4.4.1 分组网络中的路由协议简介
• 4.4.2 基于虚节点的最短路由协议
• 4.4.3 网络虚拓扑建立的一个示例
• 4.5 无波长转换器时的性能分析
• 4.5.1 丢包率分析
• 4.5.2 时延分析
• 4.6 使用全波长转换器时的网络丢包率分析
• 4.7 在NSFnet 模型上的仿真实验
• 4.8 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录一 缩略语
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和专利申请等