原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú) 立進(jìn)行研究所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不 包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的科研成果。對(duì)本文的研 究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明 的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名：j 監(jiān)日 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 本人完全了解山東大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué) 校保留或向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論 文被查閱和借閱；本人授權(quán)山東大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分 內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段 保存論文和匯編本學(xué)位論文。 ( 保密論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名：多。蔓垂l 導(dǎo)師簽名：避日 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 中文摘要 互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展壯大和各種新興業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，如各種多媒體網(wǎng)頁(yè)、多 媒體游戲、多媒體會(huì)議、電子商務(wù)等，使互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。由于業(yè) 務(wù)的多樣性和多變性，傳統(tǒng)的核心交換網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不適于互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的需 要。這種形勢(shì)促使研究者們加快對(duì)波分復(fù)用o n d m ) 傳輸和全光交換技術(shù)深入 研究，以便適應(yīng)因特網(wǎng)流量的爆炸式增長(zhǎng)、業(yè)務(wù)的多樣性和業(yè)務(wù)突發(fā)性。光 突發(fā)交換( 0 b s ) 因其兼有i po v e rw d m 電路交換和光分組交換的優(yōu)點(diǎn)而 引人注目。在o b s 技術(shù)中，突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸是通過(guò)它相應(yīng)的控制分組預(yù)留 的資源完成的，突發(fā)數(shù)據(jù)分組在中間節(jié)點(diǎn)直通，無(wú)需存儲(chǔ)相對(duì)于光電路交換， o b s 可獲得更好的帶寬利用率，因?yàn)樗试S每一個(gè)波長(zhǎng)的突發(fā)數(shù)據(jù)流之間統(tǒng) 計(jì)復(fù)用，不需占用幾個(gè)波長(zhǎng)另外，由于偏置時(shí)間遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)路由中的波長(zhǎng)通 道建立時(shí)間，所以突發(fā)分組的端口到端口( e t e ) 延時(shí)相對(duì)較小。因此o b s 為全光通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提供了一種可行和有效的方式。 光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由光的核心路由器和電的邊緣路由器組成。突發(fā) 數(shù)據(jù)是由一些i p 分組組成的，這些i p 分組可以是來(lái)自傳統(tǒng)l p 網(wǎng)中不同的電 l p 路由器。而控制分組在獨(dú)立于數(shù)據(jù)通道的光信道中傳輸，每個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)分 組對(duì)應(yīng)于一個(gè)控制分組?？刂品纸M中包含數(shù)據(jù)分組傳輸交換所必需的控制信 息，如突發(fā)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、偏離時(shí)間等?？刂品纸M在中間節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn) 換，在電域內(nèi)進(jìn)行路由判斷，保證突發(fā)數(shù)據(jù)分組在偏離時(shí)間內(nèi)完全在光域內(nèi) 完成交換傳輸。而形成數(shù)據(jù)突發(fā)的最終目的是為了增大交換的顆粒。o b s 網(wǎng) 絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括突發(fā)組裝、突發(fā)路由、資源預(yù)留算法、競(jìng)爭(zhēng)解決機(jī) 制、q o s 支持等幾個(gè)方面。 面對(duì)數(shù)據(jù)量越來(lái)越大的實(shí)時(shí)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，降低突發(fā)延遲、提高傳輸 帶寬的利用率成為o b s 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中要重要問題。前向資源預(yù)留( f o r w a r d r e s o u r c er e s e r v a t i o n ，f r r ) 算法和精確組裝f r r 算法( p r e c i s i o n a s s e m b l yw i t hf o r w a r dr e s o u r c er e s e r v a t i o n ，p a f r r ) 雖然有效地減小 了o b s 網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)組裝延遲和提高了帶寬利用率。但是，由于固定的組裝 周期所造成的較大的端口到端口的時(shí)間延遲卻無(wú)法得到改善。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 本文針對(duì)f r r 算法與p a - f r r 算法中存在的問題，在以下幾方面進(jìn)行 了改進(jìn)和創(chuàng)新： ( 1 ) 提出周期預(yù)測(cè)組裝算法( a s s e m b l yd u r a t i o nf o r e c a s t i n g ， a d c ) 。通過(guò)采用雙緩沖器和提前周期預(yù)測(cè)、精確組裝的方法，在保持 較高的帶寬利用率的前提下，有效的降低了端到端傳輸?shù)臅r(shí)間延遲； ( 2 ) 對(duì)當(dāng)前廣泛使用的分組交換網(wǎng)絡(luò)仿真工具包n s 一2 2 6 進(jìn)行 0 b s 擴(kuò)展，糾正了馬里蘭大學(xué)發(fā)布的o b s 一0 9 a 程序包中存在的錯(cuò)誤， 修改和添加了新的仿真類和對(duì)象，修改了o b s - 0 9 a 中采用的突發(fā)組裝算 法和調(diào)度機(jī)制，生成了新的基于n s - 2 2 6 的o b s 仿真程序包o b s 一0 9 b ， 從而為驗(yàn)證a d c 算法的有效性提供了一個(gè)良好的仿真環(huán)境； ( 3 ) 利用n s - 2 2 6 仿真平臺(tái)和o b s - 0 9 b 建立的仿真模型，對(duì)0 b s 網(wǎng)絡(luò)中的a d c 算法、f r r 和p a - f r r 算法進(jìn)行仿真，研究了a d c 算 法在o b s 網(wǎng)絡(luò)中的性能及其相對(duì)于f r r 算法和p a - f r r 算法的延遲降 低程度和帶寬利用率改善情況。仿真結(jié)果驗(yàn)證了a d c 算法在降低時(shí)間 延遲方面的有效性。 2 關(guān)鍵詞：光突發(fā)交換；延遲縮短；帶寬利用率；a d c 算法；o b s - 0 9 b 。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r a c ta n dt h ea p p e a r a n c eo fm a n yn e wb u s i n e s s e s s u c ha sm u l t i m e d i an e t p a g e ，m u l t i m e d i a g a m e s ，m u l t i m e d i am e e t i n g a n d e l e c t r o n c o m m e r c e e t c ，t h er i s i n gi n t e r n e ts e r v i c e sh a v ei n c r e a s i n gr a p i d l y a s t h em u l t i f o r m i t ya n dt h em u l t i c h a n g eo ft h ei n t e r a c ts e r v i c e s ，t h et r a d i t i o n a l c o r e - e x c h a n g e n e t w o r kh a sa l r e a d yn o tb e e ns u i t a b l ef o rt h ed e v e l o p m e n to f i n t e r a c t b yt h i sp o s i t i o n , t h ei n v e s t i g a t o r sa r ew o r k i n gh a r di nt h e f i e l do f w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) n e t w o r ka n dt h eo p t i o n a ls w i t c h i n g t e c h n o l o g i e so fa l l o p t i c a ln e t w o r kt of i tt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ee x p l o s i n g i n c r e a s eo fi n t e m e tr u n o f f , t h em u l t i f o r t u i t ya n dt h em u l t i c h a n g eo ft h ei n t e r a c t s e r v i c e s t h eo b si sc a t c h i n go u re y e sb e c a u s ei tt a k e sa d v a n t a g eo fo c s ( o p t i c a l c i r c u i ts w i t c h i n g ) a n do p s ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) w h i l ea v o i d i n gt h e d e f e c t so ft h e m i no b s ，t h eb u r s td a t at r a n s m i tt h r o u g h tt h eo b l i g a t e db a n d w i t h r e s o u r s eb yt h eb h p ( b u r s th e a dp a c k e t ，w h i c hi ss i m i l a rt ot h ep a c k e th e a di n p a c k e ts w i t c h i n g ) ，t h eb u r s td a t ap a s sc u t t h r o u g h tt h eo s n ( o p t i c a ls w i t c h i n g n o d e ) w i t h o u ta n ym e m o r y c o m p a r et oo c s ，t h eo b si sh i 曲盯i nt h ef i e l do f b a n d w i d t hu s a g ee f f i c i e n c yb e c a u s ei nt h eo b s ，e v e r yw a v e l e n g t hm a yb e m u l t i p l e x e db yb u r s td a t a o nt h eo t h e rs i d e ，b e c a u s et h eo f f s e t t i m ei sf a rs h o r t e r t h a nt h et i m et h a tt h ew a v e l e n g t hc h a n n e l sw i l lb ef o u n d e d ，t h ee t ed e l a yi s r e l a t i v i t y s h o r t s oo b so f f e r saf e a s i b l ea n de f f e c t i v ew a yf o rr e a l i z i n g a l l o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa tp r e s e n t c o n n e c t e db ym u l t i c h a n n e lo p t i c a ll i n k s ，t h ee d g er o u t e r st h a tw o r ki n e l e c t r i c i t yf i e l da n dt h ec o r eo s n t h a tw o r ki no p t i c a lf i e l dc a nc o m p o s et h eo b s n e t w o r k t h eb u r s td a t ai sc o m p o d e do fi pp a c k e tw h i c hm a yc o m ef r o m d i f f e r e n ti pr o u t e r si nt r a d i t i o ni pi n t e m e t t h eb h pi sp a s s e dt h r o u g h tt h e i n d i v i d u a lc h a n n e l st h a ti si n d e p e n d e n to ft h ed a t ac h a n n e l s 。a n de v e r yb u r s td a t a c o n t a i n so n eb h p t h eb h pc o n t a i na l ln e c e s s a r yc o n t r o ni n f o r m a t i o n ，s u c ha s b u r s t l e n g t h 、 o f f s e t t i m ee t c t h eb h pn e e d so ee x c h a n g ei nt h eo s na n d e s t i m a t et h er o u t e si nt h ef i e l do fe l e c t r i c i t yt oa s s u r et oa l lt h ed a t ab u r s tm u s tb e p a s s e dt h r o u g ht h eo s n i nt h eo p t i c a lf i e l d t h eo b j e c t i v et of o r mt h ed a t ab u r s t i st oa u g m e n tt h eg r a i no fe x c h a n g e c o n s e q u e n t l yt h ek e yd e s i g ni s s u e sr e l a t e d 3 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 t oo b si n c l u d eb u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h m ，c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n s ，r e s o u r c e r e s e r v a t i o ns c h e m e s ，q o ss u p p o r te t c i no r d e rt om e e tt h ef u t u r en e e do f r e a l t i m ea n dq u a s i r e a l t i m ea p p l i c a t i o n s ， t h eo b sn e t w o r kd e s i g nr e q u i r e st h es h o r t t e rl a t e n c yt i m ea n dt h eh i g h e r e f f e c t i v ei nb a n d w i d t hu s a g e f r r ( f o r w a r dr e s o u r c er e s e r v a t i o n ) a l g o r i t h m a n dp a - f r r ( p r e e i s i o na s s e m b l yw i t l lf o r w a r dr e s o u r c er e s e r v a t i o n ) i sa l l e f f i c i e n tm e t h o dt or e d u c et h ee n d - t o - e n dd a t ab u r s td e l a ya n di m p r o v et h e e f f e c t i v ei nb a n d w i d t ha v a i l a b i l i t y , b u tt h e ys t i l lh a v es o m ed e f e c t i o n si nf i x e d b u r s ta s s e m b l yp e r i o d s a i m i n ga tt h ep o t e n t i a lp r o b l e m si nt h ef r r 、p a f r ra l g o r i t h m ，t h i st h e s i s i st r y i n gt om a k es o m ei m p r o v e m e n t sa n di n n o v a t i o n si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) an e wb u r s ta s s e m b l ya l g o r i t h mn a m e da d c ( a s s e m b l yd u r a t i o n f o r e c a s t i n g ) i sp r o p o s e d t h r o u 曲u s i n gt h ed u a l b u f f e rs t r u c t u r e ， t h ef o r w o r dp e r i o df o r e c a s t i n ga n dp r e c i s i o na s s e m b l ys c h e m e ，a d c c a nn o to n l yk e e pt h eh i g h e re f f e c t i v ei nb a n d w i d t ha v a i l a b i l i t y b u t a l s or e d u c et h ee n d - t o - e n dd e l a ye f f e c t i v e l y ( 2 ) a ne x t e n s i o nt on s 一2 2 6i sg i v e n ，w h i c hc a l lc o r r e c tt h em i s t a k e so f o b s 一0 9 ar e l e a s e db ym a r y l a n du n i v e r s i t y i na d d i t i o n ，s o m en e w s i m u l a t i o nm o d u l e sa n do b j e c t sa r ea d d e d ，a n dt h ea s s e m b l y a l g o r i t h m sa n ds c h e d u l i n gs c h e m eu s e di no b s 一0 9 aa r er e v i s e d ，s oa n e ws i m u l a t i o np a c k a g e - - o b s - 0 9 bi s p r o p o s e d ，w h i c ho f f e r sa p e r f e c ts i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tt op r o v et h ev a l i d i t yo fp a f r r a l g o r i t h m ( 3 ) b yu t i l i z i n g n s - 2 2 6a n do b s 0 9 b ，t h e a d c ，f r ra n dp a f r r a l g o r i t h ma r es i m u l a t e di no b sn e t w o r k a n ds o m er e s e a r c h e so nt h e p e r f o r m a n c ea n dr e d u c e m e n to fe n d - t o - e n dd e l a ya n di m p r o v e m e n to f b a n d w i d t hu s a g ee f f i c i e n c yo fa d cr e l a t i v et of r ra n dp a f r r a l g o r i t h m w e r ed o n e t h er e s u l t s c o m i n g f r o mt h es i m u l a t i o n d e m o n s t r a t et h ea d v a n t a g e so ft h ea d ca sc o m p a r e dt ot h ef r ra n d p a f r rs c h e m e k e yw o r d s ：o b s ；d e l a yr e d u c t i o n ；b a n d w i d t hu s a g ee f f i c i e n c y ；a d c 4 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b t - d t a d c a t m b c u b h p d r d w d m e o f a p f d l f i f 0 f r r h d t v i b t i p i s p i t u t j e t j i t l a u c l a u c v f 符號(hào)說(shuō)明 = r mb l o c kt r a n s f e rw i t h d e l a yt r a n s m i s s i o n a s s e m b l yd u r a t i o nf o r e c a s t i n g a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b u r s tc o n t r o lu n i t b u r s th e a d e rp a c k e t d e l a yr e s e r v a t i o n d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g e l e c t r o n i c - o p t i c a l f i x e d a s s e m b l y - p e r i o d f i b e rd e l a yl i n e s f i r s ti nf i r s to u t f o r w a r dr e s o u r c er e s e r v a t i o n h i g l l - d e f i n i t i o nt e l e v i s i o n i n b a n d 一1 e r m i n a t o r i n t e m e tp r o t o c o l i n t e r n e ts e r v i c ep r o v i d e r i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i e a t i o n s u n i o n j u s t - e n o u g h t i m e j u s t i n t i m e l a t e s ta v a i l a b l eu n s c h e d u l e d c h a n n e l l a t e s ta v a i l a b l eu n u s e d a t m 網(wǎng)絡(luò)中的具有延 遲傳輸特性的塊傳輸 周期預(yù)測(cè)組裝算法 異步傳輸模式 突發(fā)控制單元 突發(fā)控制分組 延遲預(yù)留 密集波分復(fù)用 電光轉(zhuǎn)換 固定組裝周期 光纖延時(shí)線 先入先出 前向資源預(yù)留 高清晰度電視 i n b a n d t e r m i n a t o r 協(xié)議 互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商 國(guó)際電信同盟 j u s t - e n o u g h t i m e 協(xié)議 1 u s t i n t i m e 協(xié)議 最新得到的未被使用 的信道算法 具有空閑填充功能的 5 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 c h a n n e lw i t hv b i df i l l i n g 最新得到的未被使用 的信道算法 l m s l n b l l p f m b m a p n f r r o b s o b s p l r 0 c s 0 e o e o 0 0 0 o p s o r a m o s n p a f r r p p b p q o s r f d t a g t 0 n t c l t c p t t l u d p v o d 6 l e a s tm e a ns q u a r e l a w r e n c eb e r k e l e yn a t i o n a l l a b o r a t o r y l i n e a rp r e d i c t i v ef i l t e r m i n b u r s t l e n g t h m a x a s s e m b l y - p e r i o d n o n - f r r o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g o b sw i t hp r o p o r t i o n a ll o s sr a t e o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a l e l e c t r o n i c o p t i c a l - e l e c t r o n i c o p t i c a l o p t i c a l - o p t i c a l o p t i c a l o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a lr a n d o ma c c e s sm e m o r y o p t i c a ls w i t c h i n gn o d e p r e c i s i o na s s e m b l yw i t hf r r p o i s s o np a r e t ob u r s tp r o c e s s i o n q u a l i t yo fs e r v i c e r e s e r v e - a - f i x e d d u r a t i o n t e l l a n d g o t e l l a n d w i i t t o o lc o m m a n dl a n g u a g e t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l t i m e t o l i v e u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l v i d e oo nd e m a n d 最小均方差 l a w r e n c eb e r k e l e y 國(guó) 家實(shí)驗(yàn)室 線性預(yù)測(cè)濾波器 最小突發(fā)長(zhǎng)度最大組 裝周期 非前向資源預(yù)留 光突發(fā)交換 成比例丟失的o b s 光路交換 光電轉(zhuǎn)換 光電光轉(zhuǎn)換 全光信道 光分組交換 光隨機(jī)存儲(chǔ)器 光交換節(jié)點(diǎn) 精確組裝f r r 算法 泊松p a r c t o 突發(fā)過(guò)程 服務(wù)質(zhì)量 r e s e r v e a f i x e d d u r a t i o n 協(xié)議 t e l l - a n d g o 協(xié)議 t e l l a n d w a i t 協(xié)議 t e l 語(yǔ)言 傳輸控制協(xié)議 生存時(shí)間 用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 視頻點(diǎn)播 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 w d m w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 波分復(fù)用 w r w a v e l e n g t hr o u t i n g 波長(zhǎng)路由 d e f l e c t i o nr o u t i n g 反射式路由 h e a v yt a i l e do n 0 f rs o u r c e s 重尾開關(guān)數(shù)據(jù)源 o f f s e t t i m e b a s e dq o s 基于偏置時(shí)間的q o s p r o p o r t i o n a lq o s成比例q o s r o u n d t r i pt i m e端到端的往返時(shí)間 7 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 全光網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和必然趨勢(shì) 當(dāng)前，通信網(wǎng)傳輸容量的增加，促進(jìn)了光纖通信技術(shù)的發(fā)展，光纖近 3 0 t h z 的巨大潛在帶寬容量，使光纖通信成為支撐通信業(yè)務(wù)量增長(zhǎng)最重要的 技術(shù)。 事實(shí)上，在過(guò)去幾年，通信設(shè)備的容量和接口速度都出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。其 中單纖容量保持了每年翻番的高速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，目前已經(jīng)達(dá)到了每秒幾太比特 路由器，a t m 交換機(jī)的輸入輸出速率在2 0 0 0 年就已經(jīng)超過(guò)每秒1 0 g 。支持這 一增長(zhǎng)的關(guān)鍵就是光通信技術(shù)的飛速發(fā)展，其中包括更高的時(shí)分復(fù)用速率 ( 4 0 g ) 、更寬的放大器波段等。光技術(shù)的演進(jìn)不斷使網(wǎng)絡(luò)單位比特傳輸成本 下降。 光的復(fù)用技術(shù)一波分復(fù)用( w d m ) 、時(shí)分復(fù)用( t d m ) 以及空分復(fù)用( s d m ) 越來(lái)越受到人們的重視。但在以這些技術(shù)為基礎(chǔ)的現(xiàn)有通信網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)的各 個(gè)節(jié)點(diǎn)要完成光，電，光的轉(zhuǎn)換，其中的電子器件在適應(yīng)高速、大容量的需求 上，存在著諸如帶寬限制、時(shí)鐘偏移、嚴(yán)重串話、高功耗等缺點(diǎn)，由此產(chǎn)生 了通信網(wǎng)中的“電子瓶頸4 現(xiàn)象。 有鑒于此，人們提出了全光通信網(wǎng)( a o n ) 的概念。所謂全光通信網(wǎng)， 就是網(wǎng)中直到端用戶節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)通道全部保持著光的形式，即端口到端 口為完全的光路，中間沒有電轉(zhuǎn)換的介入。數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸 過(guò)程都在光域內(nèi)進(jìn)行，而其在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的交換則使用高可靠、大容量和高 度靈活的光交叉連接設(shè)備( o x c ) 。在全光通信網(wǎng)中，由于沒有光電轉(zhuǎn)換的障 礙，所以允許存在各種不同的協(xié)議和編碼形式，信息傳輸具有透明性，且無(wú) 需面對(duì)電子器件處理信息速率難以提高的困難。 在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方面，近幾年波分復(fù)用傳輸技術(shù)己經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化和商用階 段，世界許多國(guó)家已經(jīng)開始利用波分復(fù)用技術(shù)和現(xiàn)有的、以及即將鋪設(shè)的光 纖聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行全光通信網(wǎng)試驗(yàn)，以尋求一個(gè)具有透明的、可擴(kuò)性的和可重構(gòu)性 的全光通信網(wǎng)的全面解決方案，為實(shí)現(xiàn)未來(lái)的寬帶通信網(wǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 8 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2o b s 提出的背景 爆炸式增長(zhǎng)的全球i n t e r n e t 業(yè)務(wù)成為網(wǎng)絡(luò)帶寬提升和高速i p 路由處理技 術(shù)的最強(qiáng)勢(shì)的核心推動(dòng)力，如何提高網(wǎng)絡(luò)速度以及進(jìn)一步擴(kuò)展網(wǎng)上運(yùn)行的業(yè) 務(wù)種類和網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量是日前人們迫切關(guān)注的問題。9 0 年代出現(xiàn)的密集波 分復(fù)用( d w d m ) 技術(shù)標(biāo)志著帶寬技術(shù)的一次重大的革命，它具備的巨大傳輸 能力成為解決i p 業(yè)務(wù)日益增長(zhǎng)的帶寬需求最成熟的手段。為此，人們提出了 i po v e rw d m ，即i p 路由器與w d m 設(shè)備直接通過(guò)光纖相連接，去掉a t m 、 s d h 等中間設(shè)備的繁雜操作。這種方式受到路由器電子瓶頸的限制，基于光 分組交換的光l p 路由器可望解決電子瓶頸問題，但由于目前光器件技術(shù)的局 限，分組交換的控制頭部分邏輯處理和數(shù)據(jù)緩存無(wú)法在光域內(nèi)完成，仍需進(jìn) 行o e 轉(zhuǎn)換，在電域進(jìn)行處理，而由于分組交換的粒度過(guò)小，光分組交換仍 然受到電子器件處理速度的限制。一種大粒度的、性能優(yōu)于光分組交換、實(shí) 現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單的新交換方式o b s ( 光突發(fā)交換) ，就成為更為理想的選擇。 0 b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h ) 作為一種交換方式，早在8 0 年代就已經(jīng)被提出， 但直到9 0 年代由于w d m 技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬得到大幅度提升， 網(wǎng)絡(luò)的瓶頸落在了交換節(jié)點(diǎn)上。這種交換技術(shù)才真正引起人們的關(guān)注，o b s 作為一種介于光、電交換之間的過(guò)渡交換技術(shù)，對(duì)于解決目前節(jié)點(diǎn)速率瓶頸 問題不失為一種非常理想的方案。 1 2 1o c s 的局限性 光路交換( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ，o c s ，又稱波長(zhǎng)路由w r ) 中， 是以波長(zhǎng)路由的方式出現(xiàn)，w d m 網(wǎng)絡(luò)需要為每一個(gè)連接請(qǐng)求建立從源到宿 的光路( 每一個(gè)鏈路上均需要分配一個(gè)專用波長(zhǎng)) 。o c s 采用了基于類似 t e l i a n d - w a i t 或者a t m 網(wǎng)絡(luò)中的具有延遲傳輸特性的塊傳輸a b t - d t ( a t m b l o c kt r a n s f e rw i t hd e l a yt r a n s m i s s i o n ) 的雙向預(yù)留機(jī)制，即源節(jié)點(diǎn)發(fā)出 連接建立請(qǐng)求的控制分組，當(dāng)有確認(rèn)消息后再發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以以直通 ( c u t - t h r o u g h ) 的方式通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)。也就是說(shuō)數(shù)據(jù)的傳輸至少要等待 一個(gè)端口到端e l 的往返時(shí)間( r o u n d - t r i pt i m e ) ，這種交換機(jī)制特別適合需 要高速度、高帶寬的業(yè)務(wù)，同時(shí)該業(yè)務(wù)生存時(shí)間相對(duì)于連接建立時(shí)間足夠長(zhǎng)。 此外從連接建立到連接拆除，該端口到端口的波長(zhǎng)通路被此次連接業(yè)務(wù)所獨(dú) 9 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 占，不能被其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)所共享。然而對(duì)于突發(fā)業(yè)務(wù)，這種交換機(jī)制將導(dǎo)致 極低的帶寬利用率。i n t e r n e t 網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)大多是突發(fā)性的自相似業(yè)務(wù)，因此 在業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)之間提供以波長(zhǎng)為粒度的光路，效率不高。此外由于每個(gè)鏈路的 波長(zhǎng)數(shù)目有限，因此某一時(shí)刻只能存在有限個(gè)光路，對(duì)于某些節(jié)點(diǎn)間的業(yè)務(wù) 來(lái)說(shuō)可能建立不起來(lái)端口到端口的光通路。 1 2 2o p s 的發(fā)展障礙 光分組交換的概念，可以看作是電的分組交換概念在光域的延伸。交換 粒度以高速傳輸?shù)墓夥纸M為單位【3 4 j 。 雖然光分組可長(zhǎng)可短，在光域中進(jìn)行分組交換能很好的適用i p 數(shù)據(jù)業(yè) 務(wù)，但要在全光域中實(shí)現(xiàn)卻是不容易做到的。這是因?yàn)椋?首先，由于交換設(shè)備必須具備處理最小分組的能力，光分組交換要求節(jié) 點(diǎn)的處理能力非常高，而目前光邏輯器件還很不成熟，且沒有性能較好的光 存儲(chǔ)器。 其次，光信號(hào)處理技術(shù)不成熟。 這樣，只有在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行o ，e 、e ，o 的轉(zhuǎn)換。因此目前國(guó)際上通行的 做法實(shí)際上已經(jīng)脫離了早期所謂實(shí)現(xiàn)分組透明交換的初衷，采用的是光電混 合的辦法實(shí)現(xiàn)光分組交換，即數(shù)據(jù)在光域進(jìn)行交換而控制信號(hào)在交換節(jié)點(diǎn)被 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后再進(jìn)行處理。 1 2 3o b s 的發(fā)展優(yōu)勢(shì) 針對(duì)目前o c s 和o p s 存在的一些問題，近年來(lái)，人們提出了一種新的 光交換技術(shù)一光突發(fā)交換( o b s ) 技術(shù)【7 l ，并迅速得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān) 注。o b s 得以引人注目，是因?yàn)樗嬗衞 c s 和0 p s 的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又避免 了它們的不足。 在o b s 網(wǎng)絡(luò)中，中間節(jié)點(diǎn)無(wú)需任何光r a m ，突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸是通過(guò)它 相應(yīng)的控制分組( b c p ) 預(yù)留資源來(lái)完成的，突發(fā)數(shù)據(jù)分組在中間節(jié)點(diǎn)直通， 無(wú)需存儲(chǔ)。而在光分組交換中，突發(fā)數(shù)據(jù)在中間節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。相對(duì)于光電 路交換，o b s 可獲得更好的帶寬利用率，因?yàn)樗试S每一個(gè)波長(zhǎng)的突發(fā)數(shù)據(jù) 流之間統(tǒng)計(jì)復(fù)用，否則需占用幾個(gè)波長(zhǎng)。另外，突發(fā)分組的端口到端1 3 ( e t e ) 的時(shí)間延遲相對(duì)較少，因?yàn)槠脮r(shí)間遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)路由中建立波長(zhǎng)通道的時(shí)間。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 0 b s 設(shè)計(jì)的核心思想是實(shí)行b h p ( b u r s th e a d e rp a c k e ；信令，相當(dāng)于分組 交換中的分組頭) 和數(shù)據(jù)突發(fā)分離的異步傳輸交換機(jī)制，每個(gè)b h p 對(duì)應(yīng)于 一個(gè)數(shù)據(jù)突發(fā)，從而降低控制與數(shù)據(jù)間的耦合，使得節(jié)點(diǎn)在凈負(fù)荷被完全存 儲(chǔ)之前處理包頭成為可能。b h p 可以先于數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸，以彌補(bǔ)b h p 在交 換節(jié)點(diǎn)的處理過(guò)程中o e o 變換及電處理造成的延遲；隨后發(fā)出的數(shù)據(jù)突發(fā) 在交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全光交換透明傳輸，降低對(duì)光緩存器的需求，避開了目前光 緩存器技術(shù)不成熟的缺點(diǎn)。另外，使用與t a g ( t e l l - a n d - g o ) 或者i b t ( i n b a n d t e r m i n a t o r ) 協(xié)議類似的單向預(yù)留機(jī)制，數(shù)據(jù)突發(fā)在b h p 發(fā)出后 不用等待確認(rèn)消息，即可發(fā)出，從而減小了端口到端口的傳輸延遲。 表1 1 是對(duì)以上三種光交換技術(shù)的比較。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，o b s 集中 了較粗粒度的o c s 和較細(xì)粒度的o p s 的優(yōu)點(diǎn)，并避免了兩者的不足【3 】f 4 】。 與o c s 相比，o b s 帶寬利用率高、網(wǎng)絡(luò)靈活性與適應(yīng)性強(qiáng)、連續(xù)時(shí)延低。 與0 p s 相比，o b s 開銷少、中間節(jié)點(diǎn)o e 0 ( o p t i c a l - e l e c t r o n i c - o p t i c a l ) 變換少、b h p 擦，寫簡(jiǎn)單、同步簡(jiǎn)單( 由于b h p 與數(shù)據(jù)突發(fā)之間的關(guān)系相對(duì) 松散) ，從而易于實(shí)現(xiàn)。 表1 1 三種光交換技術(shù)對(duì)比 光電路交換光分組交換光突發(fā)交換 交換粒度 粗細(xì)中等 帶寬利用率 低高高 接續(xù)時(shí)延高低低 光緩存不需要需要 不需要 同步開銷低高低 適應(yīng)性低高高 q o s 支持支持不支持支持 實(shí)現(xiàn)難度低高中等 1 3 課題研究的意義和使用價(jià)值 光突發(fā)交換技術(shù)的出現(xiàn)跨越了光分組交換技術(shù)上的缺陷，是下一代光因 特網(wǎng)的一種有效的光交換方案，它結(jié)合了光電路交換和光分組交換的優(yōu)點(diǎn)， 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用的波長(zhǎng)路由方案，可提供高的帶寬效率。該技術(shù)將控制信道和 數(shù)據(jù)信道分離，每一個(gè)突發(fā)的數(shù)據(jù)分組對(duì)應(yīng)于一個(gè)控制分組，并且控制分組 先于數(shù)據(jù)分組傳送，通過(guò)“數(shù)據(jù)報(bào)”或“虛電路”路由模式指定交換機(jī)分配 空閑信道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信道的帶寬資源動(dòng)態(tài)分配。數(shù)據(jù)信道與控制信道的隔離 簡(jiǎn)化了突發(fā)數(shù)據(jù)交換的處理，且控制分組長(zhǎng)度非常短，因此使高速處理得以 實(shí)現(xiàn)。這種交換機(jī)制充分發(fā)揮了現(xiàn)有的光電子技術(shù)的特長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較 低、非常適合于在承載未來(lái)高突發(fā)業(yè)務(wù)的因特網(wǎng)中應(yīng)用，超大容量的光突發(fā) 交換機(jī)制同樣可用于構(gòu)建骨干網(wǎng)。光突發(fā)交換是近年出現(xiàn)的一種新的光交換 技術(shù)，一些關(guān)鍵問題還有待研究和解決，關(guān)系著光突發(fā)交換技術(shù)能否最終走 向?qū)嶋H應(yīng)用。 1 4 論文主要的工作 ，本論文的主要內(nèi)容是在精確前向資源預(yù)留( p r e c i s i o na s s e m b l yw i t h f r r ，p a f r r ) 算法的帶寬利用率提高機(jī)制和前向資源預(yù)留( f r r ) 的延 遲降低增強(qiáng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，形成了一種新的突發(fā)組裝算法周期預(yù)測(cè)精確 組裝算法( a d c ，a s s e m b l yd u r a t i o nf o r e c a s t i n gw i t hp a - f r r ) ，并在對(duì) n s 2 仿真器作了o b s 擴(kuò)展后進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了我們提出的 新算法的性能。 第二章：介紹了關(guān)于o b s 的基本內(nèi)容以及幾種關(guān)鍵技術(shù)，包括o b s 的 基本概念、沖突解決機(jī)制、q o s 支持等內(nèi)容。 第三章：主要是關(guān)于開放性的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)在o b s 網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)展與設(shè) 計(jì)。首先對(duì)當(dāng)前廣泛使用的分組網(wǎng)絡(luò)仿真工具n s 2 作了介紹，涵蓋了n s 2 仿真器的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、組成部分和工作機(jī)制等。然后是對(duì)n s 2 的o b s 擴(kuò) 展設(shè)計(jì)，在確定好設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)考慮因素后，從整體上討論了整個(gè)工作過(guò) 程，從細(xì)節(jié)上闡明了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 第四章：基于前向資源預(yù)測(cè)方案的突發(fā)組裝算法以及創(chuàng)新：在詳細(xì)研究 了降低突發(fā)延遲的f r r 、p a f r r 方案及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程后，提出一種新的基于 p a - f r r 的突發(fā)包組裝算法一a d c 算法。本章主要內(nèi)容包括f r r 、p a - f r r 和a d c 算法的描述及性能仿真等內(nèi)容。 第五章：算法f r r 、算法p a - f r r 以及算法a d c 基于o b s 0 9 b 的仿 1 2 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 真實(shí)現(xiàn)：通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)f r r 、p a - f r r 和a d c 算法在時(shí)間延遲降低、帶 寬利用率提高方面進(jìn)行了分析。 第六章：對(duì)本論文的內(nèi)容作了總結(jié)并對(duì)將來(lái)的工作進(jìn)行展望。 1 3 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章o b s 網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介 2 1o b s 中的基本概念 2 1 1 交換粒度( 基本交換單位) 光突發(fā)交換中的。突發(fā)”可以看成是由一些較小的具有相同出口邊緣節(jié)點(diǎn) 地址和相同q o s 要求的數(shù)據(jù)分組組成的超長(zhǎng)數(shù)據(jù)分組，這些數(shù)據(jù)分組可以來(lái) 自于傳統(tǒng)i p 網(wǎng)中的l p 包。突發(fā)是光突發(fā)交換網(wǎng)中的基本交換單元，它由控 制分組( b c p ，b u r s tc o n t r o lp a c k e t 。作用相當(dāng)于分組交換中的分組頭) 與突 發(fā)數(shù)據(jù)b p ( 凈載荷) 兩部分組成。突發(fā)數(shù)據(jù)和控制分組在物理信道上是分離 的，每個(gè)控制分組對(duì)應(yīng)于一個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)，這也是光突發(fā)交換的核心設(shè)計(jì)思想。 將控制分組和突發(fā)數(shù)據(jù)分離的意義在于控制分組可以先于突發(fā)數(shù)據(jù)傳 輸，以彌補(bǔ)控制分組在交換節(jié)點(diǎn)的處理過(guò)程中o e o 變換及電處理造成的時(shí) 延。隨后發(fā)出的突發(fā)數(shù)據(jù)在交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全光交換透明傳輸，從而降低對(duì)光 緩存器的需求，甚至降為零，避開了目前光緩存器技術(shù)不成熟的缺點(diǎn)。并且， 由于控制分組大小遠(yuǎn)小于突發(fā)包大小，需要o e o 變換和電處理的數(shù)據(jù)大為 減小，縮短了處理時(shí)延，大大提高了交換速度。b h p 包含數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸交換 所必須的控制信息，如：目的地址、源地址、時(shí)間信息、路由信息、幀校驗(yàn) 等，同時(shí)還應(yīng)該有突發(fā)長(zhǎng)度、突發(fā)標(biāo)識(shí)、信道標(biāo)識(shí)等信息。設(shè)想的基本結(jié)構(gòu) 如圖2 1 所示。b h p 在核心節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行o ，e 轉(zhuǎn)換，在電域內(nèi)進(jìn)行路由判斷。 由于數(shù)據(jù)突發(fā)是統(tǒng)計(jì)占用帶寬資源，從而提高了不同連接間的傳輸效率。例 如：在w d m 系統(tǒng)中b h p 占用一個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)，數(shù)據(jù)突發(fā)占用其它波長(zhǎng)；對(duì) 于多光纖鏈路也可以是b h p 占用一根光纖，而數(shù)據(jù)突發(fā)占用其它光纖。 圖2 1b h p 的幀格式 數(shù)據(jù)突發(fā)中存放著需要進(jìn)行傳輸?shù)膌 p 分組，其幀格式可以設(shè)想為如圖 2 2 所示。 山東大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 2 數(shù)據(jù)突發(fā)幀格式 其中源地址為源節(jié)點(diǎn)的地址，目的地址為目的節(jié)點(diǎn)的地址，突發(fā)標(biāo)識(shí)包 括協(xié)議類型、協(xié)議版本、數(shù)據(jù)類型( 定長(zhǎng)和不定長(zhǎng)) 等。對(duì)于定長(zhǎng)數(shù)據(jù)分組， 如a t m ，數(shù)據(jù)突發(fā)中的長(zhǎng)度域可以省去，以提高線路利用率。為了避免長(zhǎng)連 0 和長(zhǎng)連l ，可以引入自同步擾碼技術(shù)。 2 1 2 偏置時(shí)間 光突發(fā)交換思想是充分利用光纖的巨大帶寬和電子控制的靈活性，將控 制與數(shù)據(jù)分離。數(shù)據(jù)以突發(fā)( b u r s t )