第五講光分組交換網絡介紹光分組交換網絡結構、性能、關鍵技術MAC協議規(guī)模和業(yè)務類型光時分復用(OTDM)分組網1介紹光分組交換網絡(photonicpacket-switchingPPS)研究在光層能夠提供分組交換業(yè)務的光網絡。是光交換的理想模式，也是公認的光交換結構的終極發(fā)展目標。IP網和以太網是利用電交換方式提供了分組交換業(yè)務，目前感興趣的是分組交換功能在光域實現的網絡。主要優(yōu)點是帶寬利用效率高，能提供各種服務，滿足客戶的需求。目的是把大量的交換業(yè)務轉移到光域實現，從而

實現交換容量與波分復用系統的傳輸容量相匹配。2介紹提供電路交換業(yè)務的光網絡提供了按需建立和拆除的光路。在這些網絡中，光節(jié)點不在數據包至數據包的基礎上交換信號，而只是在建立或拆除電路的時間實行交換。分組交換只是在電域通過其他一些設備實現，如IP路由器或以太網交換機等。這些路由器和交換機利用光層提供的光路在它們之間按需建立鏈路。為了交換數據包，路由器和交換機使用復雜的軟件和硬件來執(zhí)行分組交換網絡所需的控制功能。3光分組交換網絡可分為單跳網絡和多跳網絡。單跳網絡指源結點發(fā)送的信息不經過中間結點直接到達目的結點，單跳網絡是指像廣播式網絡，如以太網、FDDI等，可以利用無源星型耦合器之類的共享媒質方便地構建，單跳網提供大的吞吐量和小的網絡時延。因為分組不經過中間結點直接送到目的結點。多跳網絡分組在到達目的結點時需經中間結點，因而有小的吞吐量和大的網絡時延。多跳網絡利用空分交換可以更有效地使用網絡可用帶寬資源，也適應分散的機算機資源和一些業(yè)務類型(如突發(fā)性隨機業(yè)務)，允許用戶隨機接入，在LAN和MAN中很有發(fā)展前途。介紹4光分組交換網波長路由光網絡的限制因素：波長資源有限路徑建立時間長可管理的帶寬粒度太粗光分組交換網：通過信頭路由，充分利用網絡資源路徑建立時間短可管理的帶寬粒度可調整、優(yōu)化路徑保護與恢復靈活傳送IP業(yè)務效率高5對于專用連接或按需連接完成的共享信道系統中的容量分配問題，集中在面向連接的傳輸而且在連接建立期間，容量的分配也是固定的。這種類型的服務適用于那些需要帶寬保證的業(yè)務，它包括所有的同步數字流應用(典型的SDH同步流)和—些異步(如ATM分組)流量的應用，它不適合于那些包含有大量低吞吐量突發(fā)業(yè)務的用戶環(huán)境，這些用戶通常都需要很強的邏輯連接能力。在這種情況下分組交換就很自然地成了攜帶流量的首選方案。在光網絡中完成分組交換功能的最有效的方式是向下層擴展以延伸到邏輯層和光層。共享信道的廣播媒質所具有的特性使它為光層完成分組交換提供了一個很好的支持。光分組交換網6光分組交換網絡性能交換效率高支持高速數據流透明度高結構簡單7光分組交換網絡結構光節(jié)點(光路由器/光交換機)、光纖鏈路、網絡管理8光分組交換網絡的關鍵技術1.光分組技術2.光開關和波長變換3.光分組路由4.光存儲和光邏輯器件9A到F為交換/路由結點，1到6為分組數據的源節(jié)點和接收節(jié)點，分組為固定長度，端結點發(fā)出經歷多個鏈路和多個選路結點最后到達目的端結點。如結點1發(fā)送分組到結點6，有幾種可能的路線(由)，每一個路線均包括多個鏈路和多個結點，如選擇1一A—B—D—F一6，則分組經歷1一A，A—B，B—D，D—F，F一6鏈路和A，B，D，F選路結點。一個普通的存儲和轉發(fā)網絡光分組交換網絡的關鍵技術10光分組交換網絡的關鍵技術一般情況下，用一條鏈路將路由節(jié)點和終端節(jié)點的輸入端和輸出端相互連接起來。如圖，路由節(jié)點A有三個輸入端口和輸出端口與路由節(jié)點B、路由節(jié)點C和終端節(jié)點1相互連接。同樣節(jié)點C有5個輸入端口和輸出端口。一個普通的存儲和轉發(fā)網絡11光分組交換網絡的關鍵技術網絡中的一個節(jié)點路由：路由器保持最新的網絡拓撲信息。信息以路由表的形式存儲在每個節(jié)點中。轉發(fā)：對于每個輸入的數據包，路由器處理數據包信頭并查找其路由表，以確定該數據包的輸出端口。也可能對信頭本身做一些改變，再在輸出時將改變后的信頭重新插入到數據包中。交換：將輸入數據包交換至適當的輸出端口的實際進程，該輸出端口由轉發(fā)過程確定。12光開關和波長變換光開關是任何光交換網的核心功能器件，完成信號的交換和路由功能。波長變換用于解決網絡中的波長沖突，提高網絡靈活性。13光存儲器件和光邏輯器件

緩存：路由器中需要緩存的原因有很多。如多個數據包同時到達路由器的不同輸入端。其中有一些數據包可能是交換到同一個輸出端口。在任意時刻，只有一個數據包可以交換到任一給定的輸出端口。所以，路由器不得不緩存其他的數據包，直到輪到它們輸出。緩存器也可以根據數據包的優(yōu)先級或業(yè)務類型用于這些單獨的數據包。14光存儲器件和光邏輯器件

光存儲器件PPS網絡必須的器件，用以實現數據包的存儲功能，解決信號時間上的沖突。1.光纖固定延時線緩存器15可調光纖延時線緩存器i.并行結構光存儲器件16ii.串行結構iii.多數量級結構光存儲器件17光邏輯器件完成信頭檢測處理重寫等功能，用以實現未來的光控光交換。18選路結點選路結點的原理框圖如圖所示，完成的主要功能有分組同步、分組頭識別、分組的緩存。19

緩存的理由：①以便進行頭識別決定分組選路：②所有的輸入輸出端口沒有釋放，引起分組排隊；③當分組切換到所需的輸出端口，而輸出端口正在發(fā)送分組。

OTDM網絡需要將光脈沖數據保持并以總線的數據速率保存，因而需要光緩存器，當數據速率達100Gb／s時，電的方法已不能提供解決方案，必須采用光的實現方法，甚至有的用戶連總線速率也無法處理，因而還需要速率變換器，分組的緩存除了采用光纖延遲線外還可以來用光脈沖儲存環(huán)(光緩存器)，這可以通過光緩存和光開關的組合來實現。分組緩存20分組頭識別

頭的識別，分組的頭含有目的地址等信息，因而在結點需處理以決定分組的去向。分組頭的識別與分組頭采用的傳送方式有關，一種傳送方式是分組的頭與分組一起高速傳送(隨路)；另一種方法，分組的頭以低速獨立的方式與分組分開分別傳送(共路)，這樣分組的頭可以在一個與分組不同的波長上傳送，或者采用副載波方式以與分組同一波長上傳送，因而分組頭的識別相對簡單，并且成本低。21分組頭識別對于定長的分組頭，分組的解復用和處理的時間也是固定的。分組可以采用光纖延遲線或光脈沖鎖存環(huán)來緩存。分組的處理根據所使用的開關是電控還是光控，而相應采用電的或光信號處理方式。22專用或按需連接專門連接和按需連接可選用兩種模型：固定業(yè)務矩陣統計模型固定業(yè)務矩陣該模型反映了網絡在初始建設時網絡所需建立的光通道，但不能反映網絡在運營過程中的光通道建立和拆除，其優(yōu)化目標是盡量減少網絡資源如光波長和調諧發(fā)送機以及調諧接收機等，來滿足所需業(yè)務，這是一個無阻塞的模型。統計模型需要有關光通道的建立和釋放需求的統計特性。23與專用或按需連接的容量分配相反，分組的尋址、調度、容量分配都在分組到分組的基礎上完成。這樣就能夠完成廣泛的通信、控制和處理能力。這些在專用連接或電路交換的情形中是沒有的。不但如此，額外的通信和處理負荷還帶來了很多的好處，其中最重要的兩個好處是：利用路由表中分組頭的信息可以完成強大的連接能力。利用動態(tài)的容量分配完成高吞吐量和低延遲。光分組24對于光分組廣播選擇網，最有優(yōu)勢的是其的廣播功能。廣播功能：允許在所有的發(fā)射站和接收站通信隊之間建立完全的光連接（光通道），因為每一個接收機都可以通過星形耦合器“看到”另一端的任一個發(fā)射機。不利的一面：當兩個發(fā)射機同時發(fā)送光信號時，這些信號就必須在不同的波長信道上傳輸，如果他們使用同樣的波長，那么在接收端他們將互相干擾，破壞有用的信息流。當多個結點同時向同一個結點發(fā)送信息時出現的分組之間的競爭，需要一種協調機制來控制競爭站之間的分組傳送，以便系統能正常運行。這種控制多個競爭站之間的分組傳輸策略就是MAC協議。光分組廣播選擇網25MAC（MediaAccessControl）媒體訪問控制子層協議

該協議位于OSI七層協議中數據鏈路層的下半部分，主要負責控制與連接物理層的物理介質。在發(fā)送數據的時候，MAC協議可以事先判斷是否可以發(fā)送數據，如果可以發(fā)送將給數據加上一些控制信息，最終將數據以及控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層；在接收數據的時候，MAC協議首先判斷輸入的信息是否發(fā)生傳輸錯誤，如果沒有錯誤，則去掉控制信息發(fā)送至LLC層。

26MAC協議一個好的MAC協議要在性能開銷硬件成本和處理復雜性方面進行均衡。為了動態(tài)地分配分組，實際上M個站點的系統通常需要從任意一處的一個站點到M個站點之間有分立的控制信道。這就表明需要很大一部分的帶寬之外的通信開銷和收發(fā)機硬件。此外分組的安排方案也需要相當的一部分的實時處理。當系統規(guī)模增加時，站點數目及其地理位置都在拓展，這時信道沖突、接收機沖突、信令開銷、傳輸延遲以及信號的處理開銷都會降低系統運行的效率、增加延遲和丟失的概率并減少吞吐量。尋找一組有代表性的協議，能反映系統在成本性能之間的平衡以及如何隨著系統結構的變化而變化。

27MAC協議好的MAC協議要達到兩個目的，即強大的邏輯連接能力和可靠的性能。并通過動態(tài)的集中分配流量完成信息交換。當對分組流量使用固定容量分配時，從連接建立開始到產生一個具有所需容量的固定幀方案期間，在每個LC上都需要估計平均的流量需求。固定容量系統的性能對于不可預言的流量波動以及當估計需求發(fā)生錯誤這些方面幾乎是無能為力。在動態(tài)的情況中通過了解信息傳輸實際的容量，可望能夠獲得更好的性能和效率。理想情況下，這種“先知”可以用來立刻分配信道時隙，同時與所有站點之間的傳輸相協作以解決資源的競爭問題。在固定和動態(tài)的容量分配情形下，基本的差別就是對于前者來說，在連接建立時該方案就固定了，但對后者只在信息傳輸期間連接是固定的。很明顯，在每一個站點能及時地了解其他站點上的整個流量狀態(tài)的情況越多，則流量分配的越有效。28MAC協議假設每一個結點(或站)有兩根光纖(光纖對)與網絡相連，一根用于發(fā)送信號，另一根用于從網上接收信號，發(fā)送時是向全網的所有結點發(fā)送即廣播(也包括發(fā)送信號的結點)。假設每個信號使用W個波長中的一個，具體的波長值根據ITU-T標椎的規(guī)定，由網絡所有結點協調決定。如果兩個結點同時使用同一個波長向同一個結點發(fā)送信號，由于廣播的特性，信號會發(fā)生碰撞，兩個信號均丟失；如果兩個結點雖向同一個結點發(fā)送信號但使用不同的波長，在這種情況下，接收機是一個單調諧的就會接收其中的一個信號丟失另一個，這就是傳輸競爭。為了解決競爭和避免或盡量減少碰撞，網絡中的所有結點之間需要一種協調機制，能夠提供這種協調作用的就是所謂的MAC。

29MAC協議對于共享介質可以做些什么？

(1)信道分割，按時間、頻率或編碼時分、碼分、頻分

(2)隨機分割（動態(tài)）（ALOHACSMACSMA/CD）30MAC協議設計面臨的問題空閑監(jiān)聽：因為節(jié)點不知道鄰居節(jié)點的數據何時到來，所以必須始終保持自己的射頻部分處于接收模式，形成空閑監(jiān)聽，造成了不必要的能量損耗。沖突（碰撞）：如果兩個節(jié)點同時發(fā)送，并相互產生干擾，則它們的傳輸都將失敗，發(fā)送包被丟棄。此時用于發(fā)送這些數據包所消耗的能量就浪費掉。31MAC協議設計面臨的問題控制開銷：為了保證可靠傳輸，協議將使用一些控制分組，如

RTS/CTS，雖然沒有數據在其中，但是我們必須消耗一定的能量來發(fā)送它們；串擾（串音）：出于無線信道為共享介質，因此，節(jié)點也可以接收到不是到達自己的數據包，然后再將其丟棄，此時，也會造成能量的耗費。32信道接入機制分類可以根據MAC協議使用的信道數目分為基于單信道、基于雙信道和基于多信道三類；可以根據MAC協議分配信道方式分為按需分配型、固定分配型以及混合型；可以根據網絡類型是同步網絡還是異步網絡，將MAC協議分為同步、異步兩類。33信道接入機制分類34各種MAC協議方案的比較協議方案出現時間類型需要精確同步信道接入機制SMAC2002競爭型否CSMATMAC2003競爭型否CSMAPMAC2005競爭型否CSMAWiseMAC2004競爭型否CSMASift2003競爭型否CSMASMACS2000分配性是TDMA/FDMATRAMA2003分配性是TDMA/CSMADMAC2004分配性是TDMA/SlotedALOHAZMAC2005混合性是TDMA/CSMA35基于競爭的MAC協議有如下優(yōu)點：①由于基于競爭的MAC協議是根據需要分配信道，所以這種協議能較好地滿足節(jié)點數量和網絡負載的變化；②基于競爭的MAC協議能較好地適應網絡拓撲的變化；③基于競爭的MAC協議不需要復雜的時間同步或集中控制調度算法。各種MAC協議方案的比較36單波長通道和多通道網絡的MAC協議

當網絡中每個結點使用單個固定調諧的發(fā)送機和接收機，當它們都調諧到同一波長時就是單波長通道網絡，有關單波長通道網絡的MAC協議目前最流行的是以太網，如令牌環(huán)和FDDI，FDDI是專為光纖設計的。討論星型網絡的多通道MAC協議時，假設所有的結點既是可調諧的發(fā)送機又是可調諧的接收機，以便網絡中任意結點對之間直接連接。37網絡性能衡量標準網絡的性能是由分組時延和網絡的吞吐量來量度的。在任一廣播網中，由于碰撞或競爭，一些發(fā)送的分組被丟失，網絡的吞吐量小于網絡所能傳送數據的容量，即有些分組沒有被希望的結點(站)收到。通常要在網絡的性能和實現的復雜程度，包括結點所需的硬件功能之間折中。本章討論的MAC協議對硬件的功能適應很廣。這些MAC協議采用獨立波長(或通道)，稱為控制通道來發(fā)送有關分組的信息，分組在數據通道發(fā)送，最好將控制通道與數據通道分開即單獨占據一個波長來理解，盡管許多情況下采用時分復用方式時，控制通道和數據通道共享同一個波長。38基于調度的MAC協議調度協議通常以TDMA協議為主，也可采用FDMA或CDMA的信道訪問方式，考慮到硬件成本和計算復雜度，后兩種方式MAC協議較少。調度協議基本思想是:采用某種調度算法將時槽/頻率/正交碼映射為節(jié)點，這種映射導致一個調度決定一個節(jié)點只能使用其特定的時槽/頻率/正交碼(1個或多個)無沖突訪問信道。因此，調度協議也可稱作無沖突MAC協議或無競爭MAC協議。調度可靜態(tài)分配，也可動態(tài)分配。為提高協議可擴展性和信道利用率，往往采用分布式算法實現信道重用。39基于時分復用的MAC協議時分復用是實現信道分配的簡單成熟的機制，比如藍牙網

絡。TDMA機制，就是為每個節(jié)點分配獨立的用于數據發(fā)送和

接收的時槽，而節(jié)點在其他空閑時槽內轉入睡眠狀態(tài)。TDMA機制的一些特點非常適合無線傳感器網絡節(jié)省能量的需

求：

TDMA機制沒有競爭機制的碰撞重傳問題；

數據傳輸時不需要過多的控制信息；

節(jié)點在空閑時槽能夠及時進入睡眠狀態(tài)。40基于時分復用的MAC協議TDMA機制需要節(jié)點之間比較嚴格的時間同步。

多數無線傳感器網絡都使用了偵聽/睡眠的能量喚醒

機制，利用時間同步來實現節(jié)點狀態(tài)的自動轉化；

節(jié)點之間為了完成任務需要協同工作，這同樣不可

避免的需要時間的同步。41基于時分復用的MAC協議TDMA機制在網絡擴展性方面存在不足：很難調整時間幀的長度和時槽的分配；對于無線傳感器網絡的節(jié)點移動，節(jié)點失效等動態(tài)拓撲結構適應性較差；對于節(jié)點發(fā)送數據量的變化也不敏感。42規(guī)模和業(yè)務類型以上協議有個共同的缺點：控制信息向所有結點廣播。由于每個結點要處理所有的控制包，這樣將導致不必要的計算負擔，在大的網絡中，會形成瓶頸，即協議在運用時沒有考慮網絡的規(guī)模?？梢栽O想網絡支持三種不同業(yè)務類型：一：有帶寬保證的連接。一些對時延很敏感而不能忍受重傳的應用中的業(yè)務屬于這一類，如電視會議。二：無帶寬保證的連接。一此對時延敏感的有連接的業(yè)務屬于這一類，如文件傳輸。三：無連接。對應于如E－mail或控制信息等應用中的業(yè)務，常稱之為數據報業(yè)務。43光時分復用（OTDM）分組網OTDM分組交換網絡有兩種應用類型，即單跳OTDM和多跳OTDM網絡。單跳OTDM網絡一般是指廣播式網絡，可以利用無源星型耦合器之類的共享媒質方便地構建，單跳網提供大的吞葉量和小的網絡時延，因為分組不經過中間結點直接送到目的結點。多跳網分組在到達目的結點時需經中間結點。因而有小的吞吐量和大的網絡時延。多跳OTDM網利用空分交換可以更有效地使用網絡可用帶寬資源，也適應分散的計算機資源和一些業(yè)務類型(如突發(fā)隨機性業(yè)務)，允許用戶隨機接入，因而即使在LAN和MAN中也很有發(fā)展前途。44光時分復用（OTDM）分組網OTDM:opticaltime-divisionmultiplexing在網絡的輸入端，較低比特率的數據流在光域被復用到高比特率的數據流，而在網絡的輸出端，低比特率的數據流必須在光域通過解復用功能從高比特率的數據流中提取出來。就功能而言，光時分復用與電時分復用是一致的，只是復用和解復用在高比特率下完全在光域進行。45光時分復用（OTDM）分組網OTDM系統原理將多個高速調制光信號轉換為等速率光信號，然后放在光發(fā)射器里利用超窄光脈沖進行時域復用，將其調制為更高速率的光信號然后再放到光纖里進行傳輸。經此整合，限制傳輸速率容量的電子瓶頸就得到了有效的解決。

46光時分復用（OTDM）分組網Mod1Mod2…Modn……合路器光分路器T(n－1)T超短脈沖發(fā)生器幀同步時鐘E/OMUX接收機誤碼檢測光帶通濾波器全光開關DEMUX光波時鐘產生時鐘提取電路EDFA延遲線陣列待傳數據輸入光時分復用系統框圖系統光源是超短光脈沖光源，由光分路器分成N束，各支路電信號分別被調制到各束超短光脈沖上，然后通過光延遲線陣列，使各支路光脈沖精確地按預定要求在時間上錯開，再由合路器將這些支路光脈沖復接在一起，于是便完成了在光時域上的間插復用。接收端的光解復用器是一個光控高速開關，在時域上將各支路光信號分開。47光時分復用（OTDM）分組網

如今WDM技術研究非常熱，其技術已經成熟并實用化；而OTDM技術還處于實驗研究階段，許多關鍵技術還有待解決。OTDM是在光域上進行時間分割復用，一般有兩種復用方式：

?比特間插(Bitinterleaving)

?包間插(Packetinterleaving)比特間插是目前廣泛被使用的方式。48光時分復用（OTDM）分組網來自多個源