網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)與新型光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)解決方案

    隨著通信技術(shù)的發(fā)展，新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，如IPTV、Web2.0、Youtube、Grid應(yīng)用、P2P等等，導(dǎo)致全球信息量呈級數(shù)增長，通信業(yè)務(wù)由傳統(tǒng)單一的電話業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向高速IP數(shù)據(jù)和多媒體為代表的寬帶業(yè)務(wù)，對通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量提出了越來越高的要求。光纖的巨大潛在帶寬和波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的成熟應(yīng)用[1-2]，使光纖通信成為支撐通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。雖然現(xiàn)在的WDM技術(shù)已經(jīng)可以很有效的利用光纖25 000 GHz的巨大帶寬資源，但網(wǎng)絡(luò)中的電子處理設(shè)備卻限制了網(wǎng)絡(luò)帶寬進一步提高。伴隨著密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的成熟和傳輸容量的快速增長，傳統(tǒng)的電子交換系統(tǒng)承受的壓力日趨增大，光交換技術(shù)的引入日顯迫切。

    光交換技術(shù)(O-O-O)是指不經(jīng)過光／電轉(zhuǎn)換，在光域直接將輸入光信號交換到不同的輸出端。針對通信網(wǎng)絡(luò)中已有的通信模式，人們對光交換提出了3種方案：光路交換[3]、光分組交換[4]、光突發(fā)交換。光路交換雖然相對簡單、易于實現(xiàn)，但建立和拆除一條通道需要一定的時間，且該時間與其連接的保持時間無關(guān)。因此在不斷增長且變化無常的網(wǎng)絡(luò)流量中，光路交換自然難以滿足需求；光分組交換由于缺乏高速光邏輯器件、光緩沖存儲器等，因此還處于研究階段。針對光路交換和光分組交換的缺點，Chunming Qiao[5]和J. S. Turner[6]等人提出光突發(fā)交換，引起越來越多的人的注意。作為一種新的光交換技術(shù)，光突發(fā)交換設(shè)法綜合較大粒度的波長(電路)交換和較細粒度的光分組交換兩者的優(yōu)點，并克服了這兩種交換方式的不足，在較低的光子器件要求下，實現(xiàn)了面向IP的突發(fā)業(yè)務(wù)的快速資源分配和高資源利用率，因此能有效地支持上層協(xié)議或高層用戶的突發(fā)業(yè)務(wù)。

    與光分組交換相比，光突發(fā)交換最顯著的特點就是將控制信息與數(shù)據(jù)凈荷相互分離，分別生成控制分組與數(shù)據(jù)突發(fā)包，對應(yīng)光分組交換中的頭與凈荷。在光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中，每個控制分組對應(yīng)一個突發(fā)包，控制分組與對應(yīng)的突發(fā)包之間存在偏置時間間隔，也就是控制分組先于突發(fā)包到達路由通道上的每個節(jié)點，控制分組在該節(jié)點獲得預(yù)先處理，為對應(yīng)的突發(fā)包到達完成路由與信令功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，為對應(yīng)突發(fā)包在該節(jié)點成功交換做好一切準備。突發(fā)包沿著其控制分組為其分配好的路由傳送，不需要任何連接確認信息，當兩個或多個突發(fā)包預(yù)約占用同一資源時，將產(chǎn)生突發(fā)包的競爭而導(dǎo)致突發(fā)包傳送失敗。在光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中，每個突發(fā)包都是由大量的分組組成，因此一個突發(fā)包的丟失，將導(dǎo)致大量的分組丟失。如何解決光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)包的競爭問題尤為重要。當前主要的解決方案包括采用波長變換解決波長資源的競爭，采用光纖延遲線解決時域上的競爭以及采用偏射路由來解決空間上的競爭。

    由于波長變換器目前無法商用，而光纖延遲線將使節(jié)點控制復(fù)雜和電源消耗大大增加，偏射路由導(dǎo)致數(shù)據(jù)時間延遲并增加網(wǎng)絡(luò)處理的復(fù)雜度，等等。這些因素導(dǎo)致了光突發(fā)交換至今無法商用。這些因素可以稱之為光突發(fā)交換的光子器件瓶頸。這些光子器件目前還在研究之中，據(jù)估計，其成熟尚需要10～20年的時間。而用戶帶寬需求呈超摩爾定律發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)日新月異，而網(wǎng)絡(luò)中傳輸帶寬、容量越來越大，成本越來越大，且他們并不坐等光子器件瓶頸的克服在向前發(fā)展。光網(wǎng)絡(luò)迫切需要新的方式或模式滿足網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展、充分利用帶寬資源。本文提出一種全新的光網(wǎng)絡(luò)理論模型——基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)模型，并在此模型下提出了雙光纖鏈路模型、IP插空機制、雙光纖鏈路與IP插空聯(lián)合的光突發(fā)交換解決方案，降低光子器件瓶頸對光突發(fā)交換的限制。

    1  基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)模型

    傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，一般包括用戶、服務(wù)供應(yīng)商及網(wǎng)絡(luò)3個部分。網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點和鏈路組成，服務(wù)供應(yīng)商通過網(wǎng)絡(luò)對用戶提供其所需的服務(wù)。

    基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)模型從服務(wù)系統(tǒng)的角度來看待網(wǎng)絡(luò)，將光網(wǎng)絡(luò)抽象為一個整體的服務(wù)系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖2所示。整個服務(wù)系統(tǒng)是各種服務(wù)器系統(tǒng)的復(fù)雜組合，服務(wù)供應(yīng)商通過服務(wù)器系統(tǒng)對用戶提供其所需的服務(wù)。

    服務(wù)器系統(tǒng)按照功能可分為以下兩大類：

    (1)交換及路由服務(wù)器系統(tǒng)

    IP路由器提供IP包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，ATM服務(wù)器提供信元的交換和路由服務(wù)，光交叉連接服務(wù)器提供光路交換和波長路由服務(wù)，波長轉(zhuǎn)換服務(wù)器提供波長轉(zhuǎn)換服務(wù)以避免波長競爭，光纖延遲線服務(wù)器提供信號的全光域延遲，另外還有MPLS服務(wù)器、信令服務(wù)器等等。

    (2)鏈路及連接服務(wù)器

    從服務(wù)的角度看，鏈路也看成服務(wù)器系統(tǒng)，如傳送服務(wù)器提供信號接收及轉(zhuǎn)發(fā)的收發(fā)服務(wù)器和提供信號放大的放大服務(wù)器、波長通道服務(wù)器為信號提供波長通道的服務(wù)等等。

    按照在服務(wù)系統(tǒng)中的位置，服務(wù)器系統(tǒng)可分為接入服務(wù)器系統(tǒng)、節(jié)點服務(wù)器系統(tǒng)、鏈路服務(wù)器系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。每一個用戶請求的服務(wù)或業(yè)務(wù)提供商提供的服務(wù)，都可以看成是傳送服務(wù)，該傳送服務(wù)被邊緣、節(jié)點、傳輸鏈路等，分解為接入服務(wù)、節(jié)點服務(wù)和鏈路服務(wù)等。

    針對IP/WDM光網(wǎng)絡(luò)如圖4，其節(jié)點由路由器和光交叉連接(OXC)組成(圖中虛線框)，我們將該節(jié)點看成一個節(jié)點服務(wù)器系統(tǒng)(NS)，該服務(wù)器系統(tǒng)還可以轉(zhuǎn)換為電域服務(wù)器(ES)和光域服務(wù)器(OS)的組合。IP / WDM網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)系統(tǒng)是由節(jié)點服務(wù)器系統(tǒng)和鏈路服務(wù)器系統(tǒng)組成的復(fù)雜組合。

    2  基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)的性能分析

    基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)將光網(wǎng)絡(luò)抽象為由接入服務(wù)器系統(tǒng)、節(jié)點服務(wù)器系統(tǒng)、鏈路服務(wù)器系統(tǒng)的復(fù)雜組合，因此光網(wǎng)絡(luò)的性能與服務(wù)系統(tǒng)的性能是等效的。對服務(wù)系統(tǒng)進行分析，在已有條件下尋求提高服務(wù)系統(tǒng)性能的適合策略也就是提高了光網(wǎng)絡(luò)的性能。在服務(wù)系統(tǒng)中，如公式(1)所示，光網(wǎng)絡(luò)性能可表示為接入服務(wù)器系統(tǒng)性能、節(jié)點服務(wù)器系統(tǒng)性能、鏈路服務(wù)器系統(tǒng)性能有關(guān)的復(fù)雜的隱函數(shù)：

    Nc=F(ASc,NSc ,LSc ) (1)

    其中Nc為與網(wǎng)絡(luò)性能有關(guān)的指標，可以是容量、阻塞、吞吐量、性價比、能耗等；ASc，NSc，LSc分別為接入服務(wù)器系統(tǒng)性能、節(jié)點服務(wù)器系統(tǒng)性能和鏈路服務(wù)器系統(tǒng)性能，可以是容量、帶寬、存儲、能耗、成本。

    (1)接入服務(wù)器系統(tǒng)的特性

    用戶對帶寬的需求不斷增加導(dǎo)致接入服務(wù)器的帶寬迅猛增長，呈超摩爾定律發(fā)展，其成本及能耗在不斷下降。

    (2)鏈路服務(wù)器系統(tǒng)的特性

    隨著DWDM和10 Gb/s、40 Gb/s的采用，光纖鏈路的巨大容量使得光網(wǎng)絡(luò)中鏈路服務(wù)器容量很大，同時具有大量的波長通道。鏈路服務(wù)器的容量增長迅速，其成本及能耗相應(yīng)地也隨之下降。

    (3)節(jié)點服務(wù)器系統(tǒng)的特性

    光交換的方式?jīng)Q定了節(jié)點服務(wù)器的結(jié)構(gòu)特性，波長變換服務(wù)器、光纖延遲線服務(wù)器及光邏輯器件的發(fā)展緩慢導(dǎo)致節(jié)點服務(wù)器容量增長緩慢，當前采用的技術(shù)的成本及能耗隨著節(jié)點規(guī)模的增大快速上升。而光纖到戶(FTTH)的廣泛采用，新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)如視頻流成為網(wǎng)絡(luò)的主流業(yè)務(wù)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量暴漲，對節(jié)點服務(wù)器系統(tǒng)產(chǎn)生巨大壓力。

    根據(jù)以上分析，當前網(wǎng)絡(luò)用戶帶寬需求增長、傳輸鏈路容量增加不會坐等影響節(jié)點性能關(guān)鍵的全光緩存等光子器件的成熟，節(jié)點的能力就成為光網(wǎng)絡(luò)最大的問題。針對接入服務(wù)器、節(jié)點服務(wù)器和鏈路服務(wù)器的特性，光網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)系統(tǒng)的性能提高可采用以下策略：

    充分利用大容量鏈路服務(wù)器，以鏈路服務(wù)器容量換取節(jié)點服務(wù)器容量以提高系統(tǒng)性能；

    利用接入服務(wù)器的數(shù)據(jù)單跳特性，降低對節(jié)點服務(wù)器容量的要求以提高系統(tǒng)性能。

    3  基于服務(wù)系統(tǒng)的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)方案

    依據(jù)基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)的性能分析，本文提出了雙光纖鏈路服務(wù)器系統(tǒng)及接入服務(wù)器IP插空的光突發(fā)交換解決方案以提高光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)的性能，同時對兩種方案的融合方案進行了仿真實驗，下面對此兩種方案及其融合仿真分別進行分析與說明。

    3.1雙光纖鏈路服務(wù)器系統(tǒng)光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)

    WDM技術(shù)使得光纖鏈路的容量不斷提高，當前的光網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不能充分及靈活地利用光纖鏈路的帶寬資源，同時在已鋪設(shè)的光纜中存在一些冗余的光纖?；谝陨鲜聦崳覀兲岢隽艘环N全新的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)雙光纖鏈路結(jié)構(gòu)[7-9]，即在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型的鏈路服務(wù)器系統(tǒng)中，采用兩個服務(wù)器模型代替現(xiàn)在的單服務(wù)器模型。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可抽象為雙鏈路服務(wù)器系統(tǒng)的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)，從性能分析來看，是采用了以大容量鏈路服務(wù)器來換取節(jié)點服務(wù)器容量以降低節(jié)點交換服務(wù)器的復(fù)雜度提高系統(tǒng)性能。此雙鏈路服務(wù)器系統(tǒng)光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    圖5中所示的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中總共有m +1波長通道，其中λ0為控制通道，λ1，λ2……λm為數(shù)據(jù)通道。每根光纖提供雙向的突發(fā)包的傳輸，定義一個方向的傳輸為主傳輸，則另外一個方向為從傳輸。在圖5中，光纖0的從左至右的傳輸為主傳輸，從右至左為從傳輸。對于突發(fā)包數(shù)據(jù)的傳輸優(yōu)先選擇主傳輸方向的波長通道。在雙光纖鏈路服務(wù)器系統(tǒng)的OBS網(wǎng)絡(luò)中，由控制信道傳送過來的BCP先被轉(zhuǎn)換為電信號進行處理，有核心節(jié)點的處理對其進行調(diào)度。處理器將根據(jù)控制包的分析結(jié)果進行交換開關(guān)的配置，如果相應(yīng)資源空閑則預(yù)約成功。當相應(yīng)的突發(fā)數(shù)據(jù)包到達和離開核心節(jié)點時，需更新交換開關(guān)的配置信息。
根據(jù)式(1)，在服務(wù)系統(tǒng)中，光網(wǎng)絡(luò)容量則為整個系統(tǒng)的容量，它是接入服務(wù)器容量、節(jié)點服務(wù)器容量、鏈路服務(wù)器容量的綜合反映。雙鏈路服務(wù)器系統(tǒng)則可通過增加鏈路服務(wù)器容量來降低對節(jié)點服務(wù)器的要求，與單鏈路相比有以下優(yōu)勢：

    兩個鏈路的波長通道是一致的，因此可提供部分波長轉(zhuǎn)換的功能，相當于提供了波長轉(zhuǎn)換服務(wù)器；

    網(wǎng)絡(luò)中每一跳都具備雙鏈路，則可由同節(jié)點的輸入鏈路和輸出鏈路通過交換開關(guān)構(gòu)成回路，提供光纖延遲線的功能，可看作是光纖延遲服務(wù)器；

    雙光纖鏈路可對同一波長通道提供偏射路由，相當于提供偏射路由服務(wù)器功能；

    相當于提供了網(wǎng)絡(luò)存儲功能；

    相當于提供了Cisco公司的彈性分組環(huán)(RPR)功能，但在任何網(wǎng)絡(luò)拓撲中均適用。

    因此，可以預(yù)見與單鏈路服務(wù)器的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)相比，雙光纖鏈路服務(wù)器的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)將獲得更好的性能。

    基于14節(jié)點的美國自然基金會網(wǎng)絡(luò)NSFnet在自相似數(shù)據(jù)流的仿真結(jié)果如圖6所示，其中假設(shè)每個波長傳輸?shù)谋忍芈蕿?0 Gb/s，平均的IP包的長度為1 500 Bytes，各節(jié)點對之間的數(shù)據(jù)流量為均勻分布，節(jié)點沒有存儲及不具備波長轉(zhuǎn)換功能。從圖6中可以得到，雙鏈路服務(wù)器系統(tǒng)于單鏈路系統(tǒng)相比，在阻塞率上低了好幾個數(shù)量級，網(wǎng)絡(luò)性能大大提高。

    3.2IP插空的接入服務(wù)器規(guī)則的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)

    在光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中，有些突發(fā)數(shù)據(jù)包是在相鄰節(jié)點對之間傳輸?shù)模承╂溌返膯翁鴤鬏攲Y源的占用將影響其他多跳數(shù)據(jù)的傳送而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。針對這種情況，我們提出了在服務(wù)系統(tǒng)光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)模型下的接入服務(wù)器的新服務(wù)規(guī)則——IP插空[10]，使得部分單跳數(shù)據(jù)直通，從而減輕節(jié)點服務(wù)器的壓力提高服務(wù)系統(tǒng)的性能。其實質(zhì)是在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)模型中，通過聯(lián)合節(jié)點服務(wù)器系統(tǒng)與接入服務(wù)器系統(tǒng)，改善網(wǎng)絡(luò)總體性能。

    其基本原理如圖7所示。在鏈路數(shù)據(jù)通道上傳輸?shù)耐话l(fā)包之間除去保護間隔之外還存在空隙，IP插空的原理就是利用空隙來傳輸相鄰節(jié)點間的IP包。對于節(jié)點服務(wù)器來說不需要對這種相鄰節(jié)點間的IP包進行分析處理，采用這種全新的服務(wù)規(guī)則以增加接入服務(wù)器的功能來換取節(jié)點服務(wù)器的容量從而提高整個系統(tǒng)的性能。

    基于14節(jié)點的NSFnet網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果如圖8所示。圖8(a)中清晰的表明采用IP插空服務(wù)規(guī)則后，突發(fā)數(shù)據(jù)包的丟包率明顯下降；而圖8(b)則說明采用IP插空服務(wù)規(guī)則后IP包的延時并沒有明顯增加，隨著網(wǎng)絡(luò)負載地增大，突發(fā)包的延時有所下降。

    3.3雙光纖鏈路模型與IP插空聯(lián)合的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)

    光突發(fā)交換最大的問題是阻塞概率大。以上分析表明，采用雙光纖鏈路服務(wù)器系統(tǒng)及IP插空接入服務(wù)器規(guī)則能較大地提高光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)的阻塞性能，我們將雙光纖鏈路服務(wù)器系統(tǒng)與IP插空接入服務(wù)器規(guī)則相結(jié)合以進一步提高光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)的性能。即提出一種結(jié)合接入服務(wù)器系統(tǒng)、節(jié)點服務(wù)器系統(tǒng)和鏈路服務(wù)器系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)解決方案?；?節(jié)點環(huán)網(wǎng)的仿真結(jié)果如圖9所示，可看到雙纖對丟包率的顯著改善。6節(jié)點環(huán)網(wǎng)中，雙纖機制低載時能帶來2~4個數(shù)量級的改善，高載時能帶來60%的改善，IP填空機制在單纖時能使丟包率降低30%，將兩種機制結(jié)合起來改善最大。

    4  結(jié)束語

    光突發(fā)交換作為一種適中的光交換方式得到了廣泛的研究。如何在沒有波長轉(zhuǎn)換器等關(guān)鍵光子器件的前提下，提高突發(fā)交換的阻塞性能，是使這種交換技術(shù)走向商用的關(guān)鍵。本文提出了一種全新的光網(wǎng)絡(luò)理論體系架構(gòu)——基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，并在此理論體系架構(gòu)下的光網(wǎng)絡(luò)性能進行了分析。提出了整體系統(tǒng)性能是接入服務(wù)器、節(jié)點服務(wù)器和鏈路服務(wù)器的綜合體現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上提出了光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)的雙光纖鏈路服務(wù)器系統(tǒng)及IP插空接入服務(wù)器規(guī)則的解決方案，并對此兩種方案及其融合進行了仿真分析。研究結(jié)果表明，采用雙光纖鏈路服務(wù)器系統(tǒng)及IP插空接入服務(wù)器規(guī)則能較大地提高光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)的性能，將此兩種策略融合可進一步提高網(wǎng)絡(luò)的性能。在以后的工作中，我們將進一步完善基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)模型，探索接入服務(wù)器、節(jié)點服務(wù)器和鏈路服務(wù)器之間的融合策略，進一步提高網(wǎng)絡(luò)性能。

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