光突发交换网络核心结点关键技术研究

论文摘要

随着业务需求的爆炸性增长和传输技术的高速发展,光网络将逐渐由目前的光传输、电交换系统演变成为光传输、光交换的全光传送系统。在目前提出的几种光交换技术中,光突发交换（OBS）以其良好的分组型业务支持能力和可实现性受到人们的关注。OBS的核心思想是将电域的控制面和光域的传送面在使用波长上分离,通过业务汇聚、突发组装、单向资源预留等技术在光域上实现端到端数据传送。OBS的研究中最为关切的问题包括如何进一步降低数据突发随机冲突产生的数据损失,以及如何将OBS的研究与整个光网络的发展演化紧密联系,使其能够尽快付诸应用。在这两个方面,本文的主要工作和贡献如下：提出波长转换器可共享的OBS交换结构的精确和近似分析方法,并比较研究了不同结构的性能。解决OBS中突发冲突的有效方法是在结点中进行波长转换。由于波长转换器（WC）的价格昂贵,因此人们提出了波长转换器共享交换结构来降低交换结点的造价。通过分析异步交换模式下共享波长转换器交换结构的特征和工作过程,本文提出了异步交换模式下每链路共享（SPL）结构的精确分析方法,并在该分析方法的基础之上,建立了每链路共享结构和每结点共享（SPN）结构的近似分析模型,利用两种结构的共同特征,从SPL的精确分析中获得了近似模型中的反馈参数,从而可求解出SPN的近似丢失率。该模型可用于分析交换结点的性能以及研究波长转换器的不同配置对交换性能的影响。提出了采用有限范围波长转换器的交换结点在异步交换模式下的新分析方法。在结点上采用有限范围而不是全范围的波长转换器也是一条降低结点造价的有效途径,但也使得异步交换模式下的性能分析过于复杂以至于无法求解。已有的工作针对单个波长转换集建模,降低了问题的维度,但是同时也引入了过多的误差。本文提出利用端口已占用波长总数来建立到达受阻的随机排队模型的分析方法,并通过引入关于环形小球放置中定长游程平均出现次数的定理来求解每个状态下系统的平均有效到达率,使获得的排队系统稳态方程,以及系统丢失率可以利用已有结论求解。仿真和分析表明这种方法比先前的方法要优越。提出并比较研究了四种更适合在波长转换器共享的交换结点上应用的突发分段丢弃调度方法。利用OBS中数据突发由大量上层业务分组所构成这一特点,在交换结点发生突发冲突时可以采用部分丢弃的策略来减少数据丢失,例如采用光可分突发交换（OCBS）或者突发分段（BS）技术。分析表明这种技术可以在不改动结点硬件结构的情况下显著降低数据丢失概率。大量关于OCBS/BS技术的研究都假设网络中的交换结点具有完全波长转换能力,这在应用中是不切实际的。为此,我们根据突发分段的灵活性、波长转换与部分丢弃操作的先后次序等分别提出了四种适合于具有波长转换器共享能力的结点应用的突发部分丢弃调度方法。通过仿真研究比较了这些调度方法和基于突发完整丢弃的调度方法的丢失率性能,并指出了其中综合性能最好的方法。提出了一种新型OBS环网的设计方案。该方案采用一种行之有效的弹性偏移时间控制机制（ROTC）,实现了控制信道中突发控制标签（BCL）与数据信道中的数据突发时隙（DBS）之间的持续映射和有效控制,并因此称之为虚拟同步光突发交换环（VS-OBR）。VS-OBR环网方案的主要优点是支持光纤链路空间重用、信道接入快速灵活、支持可抢占的优先级,并且既不需要在结点配置光纤延迟线也不要求全网结点严格同步。我们详细叙述了VS-OBR的结点结构、BCL和数据突发的格式以及环网接入控制机制的工作原理,并针对其中一些关键技术问题和饱和吞吐量进行了理论分析,最后采用仿真的方法研究了该环网的有效吞吐率和端到端时延等性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 英文缩写词表
• 第一章 绪论
• 1.1 光网络的发展现状和演进趋势
• 1.1.1 光通信简介
• 1.1.2 光网络的演进
• 1.1.2.1 基于SDH/SONET的传统光网络
• 1.1.2.2 光传送网（OTN）、通用多协议标记交换（GMPLS）和自动交换光网络（ASON）
• 1.1.2.3 全光网和光因特网
• 1.1.3 基于WDM的新型光交换技术
• 1.2 波长转换器
• 1.2.1 波长转换技术概述
• 1.2.2 波长转换器在光网络中的应用
• 1.3 光突发交换的研究概况
• 1.3.1 OBS网络结构和信令协议
• 1.3.2 路由选择和波长调度
• 1.3.3 核心结点冲突解决方案及性能分析
• 1.3.3 边缘结点组装算法及OBS对上层业务的影响
• 1.3.4 QoS技术
• 1.3.5 OBS环网技术
• 1.4 本文的研究内容和主要创新成果
• 第二章 采用全范围波长转换器的光突发交换
• 2.1 光突发交换机的结构
• 2.2 异步每链路共享结构的性能分析
• 2.2.1 异步无缓存SPL交换结构工作过程
• 2.2.2 假设、建模和分析
• 2.3 异步每结点共享结构性能分析
• 2.3.1 精确分析及其复杂度
• 2.3.2 近似分析
• 2.3.2.1 AEM SPL和AEM SPN
• 2.3.2.2 根据SPL的分析值求解SPN
• 2.3.2.3 经验方法求解SPL和SPN
• 2.4 非均衡业务负载下的共享波长转换器交换结构性能
• 2.5 数值结果及分析
• 2.5.1 相关数值结果
• 2.5.1.1 泊松业务模型与On-Off业务模型比较
• 2.5.1.2 关于SPL的分析、估计与仿真结果
• 2.5.1.3 关于SPN的估计和仿真结果
• 2.5.1.4 SPIL与SPL、SPN的性能比较
• 2.5.1.5 非均衡业务下的性能比较
• 2.5.2 深入讨论
• 2.5.2.1 SPL分析中稳态方程和丢失率的求解方法
• 2.5.2.2 SPN的复用增益上限
• 2.6 本章小结
• 第三章 采用有限范围波长转换器的光突发交换结点
• 3.1 采用有限范围波长转换器的光突发交换结点结构
• 3.2 异步交换模式下的有限范围转换结点性能分析
• 3.2.1 分析模型和假设条件
• 3.2.2 到达受阻的生灭过程分析模型及求解
• 3.2.2.1 模型的建立和求解
• 3.2.2.2 环放置中的游程和定长游程计数定理
• 3.3 数值结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 使用共享波长转换器的光可分突发交换
• 4.1 光可分突发交换技术
• 4.1.1 工作原理
• 4.1.2 虚拟服务员排队分析模型中的完整突发丢失率
• 4.2 光可分突发交换技术与波长转换器共享技术的结合方案
• 4.2.1 在波长转换器共享结点上进行突发分段的调度算法
• 4.2.1.1 仅转换冲突部分（COCP）
• 4.2.1.2 仅转换冲突部分但允许部分丢弃（COCP+PDP）
• 4.2.1.3 仅转换冲突部分但允许突发再分（COCP+BS）
• 4.2.1.4 波长转换优先并允许突发分段（FirstWC+BS）
• 4.2.2 仿真分析和性能比较
• 4.3 本章小结
• 第五章 新型虚同步光突发交换环网
• 5.1 WDM环形光网络的特点和媒质接入控制问题
• 5.2 几种现有城域环形光网络的解决方案
• 5.2.1 采用TTFR的OBS环网
• 5.2.2 基于ODD协议的OBS环网
• 5.2.3 LightRing协议和Drop and Continue突发传送
• 5.2.4 光突发传送OBT
• 5.3 一种新的光突发交换环形网方案及其性能分析
• 5.3.1 虚同步光突发环网VS-OBR的方案
• 5.3.1.1 虚同步光突发环网结点的结构
• 5.3.1.2 突发控制标签（BCL）和数据突发时隙（DBS）的结构
• 5.3.1.3 弹性偏置时间控制（ROTC）
• 5.3.1.4 结点工作过程
• 5.3.1.5 优先级区分与多播实现
• 5.3.2 性能分析
• 5.3.2.1 ROTC偏置时间调整引入的容量损失估计
• 5.3.2.2 时钟偏差对DBS定位精度的影响
• 5.3.2.3 最大吞吐量
• 5.3.3 仿真结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间的研究成果