一种增加光突发交换网络链路有效利用率的方法
【专利摘要】本发明涉及一种增加光突发交换网络链路有效利用率的方法，该方法当突发包在核心网络传输时，根据其剩余路径中链路的个数确定其优先度；在到达一个新的核心节点时，如果输出链路的可用信道全部被占用，优先度高的突发包占据优先度最低的突发包所使用的可用信道，而被占用信道的突发包中还未被传输的剩余片段将被丢弃，其已经传输向下一核心节点的片段将继续向下游节点传输，而如果链路中正在传输的突发包中的最低优先度仍大于或等于新到达的突发包的优先度，则新到达的突发包的头部片段将被丢弃，直到新的空闲信道出现，剩余的片段将被传输。本发明能够提高链路的有效利用率，增加网络整体的吞吐量。
【专利说明】一种増加光突发交换网络链路有效利用率的方法
所属【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高网络链路有效利用率、解决核心节点竞争问题的方法，尤其涉及一种提高光突发交换网络(Optical Burst Switch, OBS)中链路有效利用率的方法，属于光通信【技术领域】。
【背景技术】
[0002]光突发交换(OBS)是一种适用于全光网络，以突发包作为最小交换单元的快速交换方式。在OBS网络中，突发包及其控制包延不同波长信道独立传送，并采用了单向资源预留机制来确保突发包的全光透明传输。
[0003]在图1所示的OBS核心网络中，核心节点A-F的结构如图2所示。拥有相同目的节点的IP数据包在源节点封装形成突发包，源节点生成突发包的控制包，控制包携带突发包的编号、目的节点、突发包的长度、和突发包传输所用信道等基本信息。控制包将延控制信道先于突发包传输，突发包紧随控制包延数据信道传输。当突发包及其控制包进入核心节点时，首先使用附加的光学解复用器(opticaldrop multiplexer, 0DM)将突发包及其控制包的信道分离出来，然后进行单独处理。控制包进行光/电信号转换之后进入控制单元，控制单元读取控制包中的信息并在下行链路中为突发包预留信道。而突发包将先进入延迟线单元，其目的是使节点的控制单元有足够的时间处理控制包和调度信道。如果信道预留成功，则控制单元改写控制包中突发包传输所用信道等信息，然后控制包经电/光信号转换后继续向下行节点经控制信道传输，而突发包在通过延迟线单元之后直接透明的通过光开关矩阵交换到下行的输出光纤中。控制单元调节控制包传输向下行节点的时间以保证突发包总是紧随控制包传输。如果信道预留不成功，则控制包和突发包将被同时从网络中丢弃。
[0004]由于光突发交换网络中采用单向资源预留机制，因此一旦有两个或多个突发包同时到达某节点并要求在同一个输出光纤的同一信道上传输，就会发生突发包的竞争，导致突发包的丢失。如何解决突发包的竞争问题是OBS网络的研宄重点之一。
[0005]传输中途丢弃的突发包占用了部分网络资源并在经过的链路中产生了利用率，但这部分利用率无法贡献于网络的吞吐量，因此网络存在链路利用率高但网络吞吐量低的情况。定义链路有效利用率和无效利用率:有效利用率为到达目的节点的突发包在链路中产生的利用率；无效利用率为传输中途丢弃的突发包在链路中产生的利用率。当网络负载量很大时，网络中链路利用率很高但有效利用率很低，此时链路利用率主要是无效利用率，大量的网络资源被中途丢弃的突发包占据，从而引起网络吞吐量的崩溃。吞吐量为单位时间内网络中成功传输到目的节点的数据量。
[0006]目前，OBS网络中传统的解决突发包竞争的方案主要有偏射路由，波长交换，数据分段丢弃和光缓存等。下面对这些方法进行逐一分析:
[0007](I)在偏射路由的方法中，当突发包到达新的核心节点时，如果下行链路中的可用信道全部被占用，则突发包被偏转到节点所连的其他链路并通过另一条较长的路径传输向目的节点。如果这条链路上的可用信道也被全部占用，那么突发包将会被继续偏转到新的链路直到找到空闲的可用信道。如果节点所连所有链路上的所有可用信道都被占用或者达到网络中允许的最大偏射次数，那么突发包将被丢弃。偏转路由方法在网络负载量偏低和中等的时候表现较好，在网络负载量较大时，竞争发生概率较高，使得网络中存在大量的偏射突发包。由于偏射突发包通常将延更长的路径传输，因此这些偏射突发包将使用更多地网络资源并进一步加剧网络中的竞争，从而使得网络中的丢包概率急剧增加，反而会加剧此时网络吞吐量的崩溃。
[0008](2)使用波长交换器是另一种解决突发包竞争的方法。波长转换器是把光信号从一个波长转换为另一个波长的器件。如果下行链路中的可用信道全部被专用，则突发包经过波长转换器后可使用其他波长的空闲信道。当链路中不同波长的信道利用率有高有低时，使用波长交换器可以有效地解决突发包的竞争问题。然而，当链路中不同波长的信道利用率均很高时，即其他波长的信道也被全部占用时，使用波长交换器也无法解决突发包的竞争冋题。
[0009](3)数据分段丢弃的方法是把突发包分段，当竞争发生时，仅丢弃其中一个突发包的发生竞争的片段，一旦争用的输出信道空闲，突发包剩余的片段被继续传输。使用数据分段丢弃的方法可以尽可能的利用信道中的空闲部分，增加链路利用率，然而这种方法并不能减少链路的无效利用率，因此无法解决网络吞吐量崩溃的问题。
[0010](4)光缓存的方法为在网络节点中添加光纤延迟线，这种方法虽然在短期内可以解决问题，但如果网络中的总负载量长时间大于网络的总信道数，延迟线被全部占用后网络中的竞争问题依然无法解决。而当网络负载量较大，延迟线被全部占用后，网络吞吐量崩溃的情况依然会发生。
【发明内容】
[0011]本发明旨在解决光突发交换网络中核心节点的突发包竞争问题，减少因竞争而产生的丢包概率，从而提高链路的有效利用率，增加网络整体的吞吐量，以避免在网络负载量大时网络吞吐量崩溃问题。本发明的技术方案如下:
[0012]一种增加光突发交换网络链路有效利用率的方法，该方法采用最少剩余链路优先和分段丢弃相结合的方法。当突发包在核心网络传输时，根据其剩余路径中链路的个数确定其优先度-η，η为路径中剩余链路个数，当η值越小时，优先度越高。在到达一个新的核心节点时，如果输出链路的可用信道全部被占用，优先度高的突发包占据优先度最低的突发包所使用的可用信道，而被占用信道的突发包中还未被传输的剩余片段将被丢弃，其已经传输向下一核心节点的片段将继续向下游节点传输，而如果链路中正在传输的突发包中的最低优先度仍大于或等于新到达的突发包的优先度，则新到达的突发包的头部片段将被丢弃，直到新的空闲信道出现，剩余的片段将被传输；在突发包剩余片段被丢弃后，突发包的控制包在下行节点将继续按突发包剩余片段未被丢弃的时候的长度为突发包预留信道；为了取消控制包为已经丢弃的尾部片段的信道预留，当突发包尾部片段被丢弃的同时产生一个追踪控制包延控制信道向此突发包的下行链路传输，追踪控制包中包含突发包的编号和目的节点信息，当下行节点的控制单元收到追踪控制包后，读取突发包编号，立即取消为此突发包预留的输出信道，之后调节追踪控制包传输出控制单元的时间，使得追踪控制包紧随突发包之后传输向下行节点，以确保被丢弃的片段在下行链路中不会占用任何资源。
[0013]本发明使得离终点更近的突发包有更大的概率传输到终点。由于突发包离终点更近时占用过的网络资源更大，最少剩余链路优先和分段丢弃相结合的方法使得网络中更多的资源被有效占用，从而提高了网络中的有效利用率。当网络的负载量很大时，本协议可以有效地解决网络资源利用率高但有效利用率很低的问题，从而提高网络的吞吐量，解决在网络负载量大时吞吐量崩溃的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1OBS核心网络示意图
[0015]图2E-0BS网络中核心节点结构示意图
[0016]图36节点环型网络示意图
[0017]图4本发明的流程示意图
[0018]图5每一 SD负载量和链路利用率的关系
[0019]图6每一 SD负载量和链路平均有效利用率的关系
[0020]图7每一 SD负载量和网络中总的吞吐量的关系
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明:
[0022]本发明的基本思想是:距离目标节点越近的突发包优先度越高，到达目标节点的概率越大。
[0023]OBS网络通常包括一个核心网络和多个接入网络。核心网络中的节点均具有入口节点、目的节点和中间结点的功能。节点之间链路中包含I条或多条光缆，每条光缆中通常包含多条光纤，每条光纤包含多个不同波长的信道。每条光纤中特定波长的信道为控制信道，用来传输控制包，其他信道为数据信道，用来传输突发包。
[0024]在OBS核心网络的入口节点(源节点)，接入的数据业务来自各种接入网络(包括局域网、广域网、ATM网等)不同IP数据包到达源节点时，相同出口节点的数据包被发送到相同的突发组装单元内。突发包组装成功后，源节点负责为其建立相对应的控制包。控制包包含突发包的源地址、目的地址、突发包长度控制包和突发包间隔时间等信息。
[0025]如图3所示的核心网络中，点A、B、C、D、E、F为6个不同的核心节点，这些节点具有源节点和目的节点的功能，其结构如图2所示。单向链路001连接核心节点A和B，箭头表示其中数据流方向为从A到B。链路002-006均为单向链路，其中数据流方向如箭头所示。此网络中共有010-0156个不同的源-目的节点对(SD)。每一 SD经过3条链路，例如SD 010将经过001、002和003三条链路。突发包020为节点F中一个新组装的突发包，节点F生成突发包020的控制包。突发包020的源节点为F，目的节点为C，中间经过节点A和B。突发包020在传输过程中经过的节点将按照图4所示的流程为突发包020分配下行输出信道。
[0026]突发包020在F节点组装成功后，F节点为突发包生成的控制包进行光/电信号转换之后进入控制单元，控制单元读取控制包中的目的地址，通过查表(预先保存在控制单元中)确定下行链路为链路006，查询下行链路中突发包传输所使用的波长的信道的情况，并为突发包预留信道资源。突发包020在节点F时其优先度为_3。控制单元读取突发包传输所使用的波长Ai，计算突发包第一个比特到达F节点光交换矩阵的时间tl和最后一个比特离开F节点光交换矩阵时间t2，并查询输出链路006中波长为Ai的信道中是否有在tl至t2时间内空闲的。如果能找到这样的信道，随机选取其中的一条，控制单元将为突发包020在此信道中预留tl?t2时间段内的位置。突发包020离开汇编器后经过延迟线单元所用时间为控制单元处理控制包的时间(读取信息、查表、改写控制包中信息的时间)，之后突发包020中的第一个比特在tl到达光交换矩阵。在tl时刻，控制单元发送控制包到输出光纤中的控制信道，而突发包020的第一个比特到达光交换矩阵后通过光交换矩阵进入链路006中的预留信道。如果链路006中波长为λ ^勺信道在tl?t2时刻均被占用(占用了 tl?t2时间段的一部分或者全部)，由于-3为网络中存在的最低优先度，突发包020不能抢占006链路中任何信道，因此突发包020的控制包将在F节点的控制单元中等待。在tl时刻之后，链路006中波长为信道在t3时刻出现空闲信道。如果t3彡t2，则丢弃突发包020的控制包，突发包020在到达光交换矩阵的时候被丢弃。如果t3〈t2，则控制单元将在t3时刻开始空闲的信道上为突发包020预留t3?t2时间段的位置。在tl?t3时间段，突发包020到达光交换矩阵的比特由于无法连接到输出信道而被丢弃。t3时刻，控制单元发送突发包020的控制包(控制包中突发包长度等信息已经修改)到输出光纤的控制信道，下行链路输出光纤中预留的信道开始空闲，这样t3?t2时刻突发包020到达光交换矩阵的片段可以正常传输到输出光纤的预留信道中。
[0027]如果突发包020未在节点F被全部丢弃，当其控制包到达节点A时，使用附加的光学解复用器(optical drop multiplexer, ODM)将数据信道与控制信道分离出来，然后对不同信道进行单独处理。控制信道中的控制包进行光/电信号转换之后进入控制单元，控制单元读取控制包中的目的地址，通过查表(预先保存在控制单元中)确定下行链路为链路001，查询下行链路中突发包传输所使用的波长的信道的情况，并为突发包预留信道资源。突发包020在节点A时其优先度为-2。控制单元读取突发包传输所使用的波长Ai，计算突发包第一个比特到达A节点光交换矩阵的时间t4和最后一个比特离开A节点光交换矩阵时间t5，并查询输出光纤中波长为Ai的信道中是否有在t4至t5时间内空闲的。如果能找到这样的信道，随机选取其中的一条，控制单元将为突发包020在此信道中预留t4?t5时间段内的位置。数据信道中的突发包经过ODM后进入延迟线单元，突发包经过延迟线单元所用时间为控制单元处理控制包的时间(读取信息、查表、改写控制包中信息的时间)。之后DE-MUX(解复用器)将光纤中不同波长的信道分离，突发包020中的第一个比特在t4到达光交换矩阵。在t4时刻，控制单元发送控制包到输出光纤中的控制信道，而突发包020的第一个比特在到达光交换矩阵后通过光交换矩阵进入输出光纤中的预留信道。如果输出光纤中波长为人4勺信道在t4?t5时刻均被占用(占用了 t4?t5时间段的一部分或者全部)，则查询占用信道的突发包的优先度，如果其中存在优先度为-3的突发包，则控制单元将选取其中剩余长度最短的突发包Pl所占用的信道，此信道在t4?t5时间段将被突发包020占据，而被占用信道的突发包pi在t4时刻前的片段被正常传输，在t4时刻之后的片段将被丢弃。在t4时刻，控制单元发送突发包020的控制包到输出光纤中的控制信道，而突发包020的第一个比特通过光交换矩阵进入输出光纤中的预留信道。在t4时刻，控制单元同时发送突发包pi的追踪控制包到pi的下行链路以保证在下行链路中突发包pi被丢弃的片段不会占用资源。如果输出光纤中波长为入^勺信道在t4?t5时刻均被占用，而且占用信道的突发包的优先度都大于或等于-2。在t4时刻之后，链路002中波长为Ai的信道在t6时刻出现空闲信道。如果t6彡t5，则丢弃突发包020的控制包，突发包020在到达光交换矩阵的时候被丢弃。如果t6〈t5，则控制单元将在t6时刻开始空闲的信道上为突发包预留t6?t5时间段的位置。在t4?t6时间段，突发包020到达光交换矩阵的比特由于无法连接到输出信道而被丢弃。t6时刻，控制单元发送突发包020的控制包(控制包中突发包长度等信息已经修改)到输出光纤的控制信道，并连接突发包020的上行链路输入信道和下行链路输出光纤中预留的信道，这样t6?t5时刻突发包020到达光交换矩阵的片段可以正常传输到输出光纤的预留信道中。
[0028]如果突发包020未在节点A被全部丢弃，当其控制包到达节点B时，使用附加的光学解复用器(optical drop multiplexer, ODM)将数据信道与控制信道分离出来，然后对不同信道进行单独处理。控制信道中的控制包进行光/电信号转换之后进入控制单元，控制单元读取控制包中的目的地址，通过查表(预先保存在控制单元中)确定下行链路为链路002，查询下行链路中突发包传输所使用的波长的信道的情况，并为突发包预留信道资源。突发包020在节点B时其优先度为-1。控制单元读取突发包传输所使用的波长Ai，计算突发包第一个比特到达B节点光交换矩阵的时间t7和最后一个比特离开B节点光交换矩阵时间t8，并查询输出光纤中波长为Ai的信道中是否有在t7至t8时间内空闲的。如果能找到这样的信道，随机选取其中的一条，控制单元将为突发包020在此信道中预留t7?t8时间段内的位置。数据信道中的突发包经过ODM后进入延迟线单元，突发包经过延迟线单元所用时间为控制单元处理控制包的时间(读取信息、查表、改写控制包中信息的时间)。之后DE-MUX(解复用器)将光纤中不同波长的信道分离，突发包020中的第一个比特在t7到达光交换矩阵。在t7时刻，控制单元发送控制包到输出光纤中的控制信道，而突发包020的第一个比特在到达光交换矩阵后通过光交换矩阵进入输出光纤中的预留信道。如果输出光纤中波长为入^勺信道在t7?t8时刻均被占用，则查询占用信道的突发包的优先度，如果其中存在优先度为-3的突发包，则控制单元将选取其中剩余长度最短的突发包所占用的信道，如果可用信道中不存在优先度为-3的正在传输的突发包，则查询可用信道中是否存在优先度为-2的正在传输的突发包，如果存在，则控制单元将选取其中剩余长度最短的突发包所占用的信道。设被占用信道的突发包为突发包P2。被选取的信道在t7?t8时间段将被突发包020占据，而被占用信道的突发包p2在t7时刻前的片段被正常传输，在t7时刻之后的片段将被丢弃。在t7时刻，控制单元发送突发包020的控制包到输出光纤中的控制信道，而突发包020中的第一个比特通过光交换矩阵进入输出光纤中的预留信道。在t7时刻，控制单元同时发送突发包p2的追踪控制包到p2的下行链路以保证在下行链路中突发包P2被丢弃的片段不会占用资源。如果输出光纤中波长为信道在t7?t8时刻均被占用，而且占用信道的突发包的优先度都大于或等于-1。在t7时刻之后，链路002中输出光纤中波长为入^勺信道在t9时刻出现空闲信道。如果t9 ^ t8，则丢弃突发包020的控制包，突发包020在到达光交换矩阵的时候被丢弃。如果t9〈t8，则控制单元将在t9时刻开始空闲的信道上为突发包预留t9?t8时间段的位置。在t7?t9时间段，突发包020到达光交换矩阵的比特由于无法连接到输出信道而被丢弃。t9时刻，控制单元发送突发包020的控制包(控制包中突发包长度等信息已经修改)到输出光纤的控制信道，并连接突发包020的上行链路输入信道和下行链路输出光纤中预留的信道，这样t9?t8时刻突发包020到达光交换矩阵的片段可以正常传输到输出光纤的预留信道中。
[0029]如果突发包020到达目的节点C，其中完整的IP包将被拆分。这些IP包所占用的链路资源将被标记为有效利用。而不完整的IP包将被丢弃。而中途丢弃的IP包所占用的链路资源将被标记为无效利用。
[0030]为了验证本发明的有益效果，对本发明的方法和传统光突发交换在图3所示的网络中进行了比较。假设每条链路中有50条同一波长的信道，每条信道的传输速度为1Gb/
S。如图3所示，共考虑010-015六对SD，每一 SD中的突发包的生成服从独立的、平均值相同的泊松过程。突发包中IP包的个数为负指数分布，平均每个突发包中有250个IP包。每个IP包的长度为1250kB。节点处理控制包和追踪控制包的时间为10us。每条链路长度为106m，光传播速度为3*108m/s。传统光突发交换的信令采用充分时间协议(JET)。实验结果基于Matlab 2012b平台仿真。
[0031]比较结果如图4至图6所示。如图4和图5所示，当网络负载量较大时，OBS网络中的链路利用率很高，但是链路的有效利用率降低。此时网络中充斥着大量在到达目的节点前就会被丢弃的突发包，网络中的大部分资源都被浪费，因此如图6所示，网络中的吞吐量产生了崩溃。当使用了本发明提出的新方法，如图5所示，在网络负载量较大时，链路中的有效利用率不再随着负载量的增大而减小，反而保持在一个较高的水平，从而保证了网络资源的有效利用，解决了网络中的吞吐量崩溃问题。由于网络中每条链路有50条信道，6条链路共有50*6 = 300条信道，而每一个突发包要经过3条链路，则网络中的最大吞吐量为300/3 = lOO(erlang)。如图6所示，使用本发明方法，在网络负载量较大时，网络中的吞吐量逐渐逼近网络中的最大吞吐量，说明网络中几乎所有资源都被有效利用。
【权利要求】
1.一种增加光突发交换网络链路有效利用率的方法，该方法如下:当突发包在核心网络传输时，根据其剩余路径中链路的个数确定其优先度1，II为路径中剩余链路个数，当II值越小时，优先度越高。在到达一个新的核心节点时，如果输出链路的可用信道全部被占用，优先度高的突发包占据优先度最低的突发包所使用的可用信道，而被占用信道的突发包中还未被传输的剩余片段将被丢弃，其已经传输向下一核心节点的片段将继续向下游节点传输，而如果链路中正在传输的突发包中的最低优先度仍大于或等于新到达的突发包的优先度，则新到达的突发包的头部片段将被丢弃，直到新的空闲信道出现，剩余的片段将被传输；在突发包剩余片段被丢弃后，突发包的控制包在下行节点将继续按突发包剩余片段未被丢弃的时候的长度为突发包预留信道；为了取消控制包为已经丢弃的尾部片段的信道预留，当突发包尾部片段被丢弃的同时产生一个追踪控制包延控制信道向此突发包的下行链路传输，追踪控制包中包含突发包的编号和目的节点信息，当下行节点的控制单元收到追踪控制包后，读取突发包编号，立即取消为此突发包预留的输出信道，之后调节追踪控制包传输出控制单元的时间，使得追踪控制包紧随突发包之后传输向下行节点，以确保被丢弃的片段在下行链路中不会占用任何资源。
【文档编号】H04L12/927GK104468414SQ201410766813
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月11日 优先权日:2014年12月11日
【发明者】李硕, 金志刚 申请人:天津大学