光突发交换网络的控制协议研究毕业设计论文Word格式文档下载.docx

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LAUCalgorithmandLAUC-VFalgorithm,andgivestheflowchartanddescriptionofalgorithmsbyClanguage,whilecomparingtheperformanceofthetwoalgorithmsbysimulatingtoolMATLAB.ThethesispointsoutthebugofLAUCalgorithm,andproposesthenewchannelalgorithm:

LAUC-αSV（LatestAvailableUnscheduledChannelwithSmallestVoidbasedoncoefficient-α）.ThealgorithmofLAUConlyconsiderstheleastwasteofchannel,butdoesn’tconsiderthereasonableusingofFDL.TheLAUC-αSValgorithminthispaperconsiderbothusingofchannelandFDLastheindexofOBSnetwork,becausetheimportanceofthemaredifferent,thecoefficient-αispresenttobalance,thethesisgivestheflowchartanddescriptionofalgorithmbyClanguage,thesimulationsoftwoalgorithmsarecarriedoutbysimulationtoolMATLAB.TheresultofsimulationshowthattheburstlossrateofLAUC-αSValgorithmislowerthanLAUCalgorithm,theperformanceofitismoreexcellentthanLAUCalgorithm.

第一章绪论

光网络的发展

当今时代，信息技术的迅猛发展，尤其是IP技术的爆炸式发展改变了人们的生活，浏览网页、电子商务、网上教育、网络游戏等成为人们生活的一部分，信息沟通的渠道多种多样，各种新业务尤其是数据业务的出现，使带宽的需求呈快速增长趋势，这就对传统的骨干网络提出了巨大的挑战[1]。

传统的骨干网络使用的是SDH（SynchronousDigitalHierarchy）技术。

传统的SDH技术以特定的传输速率（155Mb/s、622Mb/s、2.5Gb/s、10Gb/s，将来渴望提高到40Gb/s）在光纤中1310或1550nm附近的单个波长信道上传输数据，传输带宽的增加只能单纯依靠提高单个波长的传输速率来实现。

SDH技术需要电的时分复用（TDM:

TimeDivisionMultiplexing），而电领域的处理速度由于受量子理论的限制，提高的速度有限，目前认为40Gb/s是单个波长最高实用化的速率，同时SDH技术主要支持语音业务，而支持IP等数据业务时因不能灵活的分配带宽造成带宽浪费严重，网络带宽紧张，这些都使传统的SDH技术越来越不能适应数据网络发展的要求。

在这一背景下，光波分复用（WDM:

WavelengthDivisionMultiplexing）技术应运而生，尤其是密集波分复用技术[2]（DWDM）在各大运营商的长途骨干网中得到大量商用。

光波分复用的实质是在光纤上进行光频分复用，只是因为光波通常采用波长而不用频率来描述、监测与控制，在波分复用技术高度发展，以及每个光载波占用的频度极窄、光源发光频率极其精确的前提下，或许使用光频分复用来描述更恰当些。

波分复用技术的基本原理是在传输系统的发送端采用复用器将不同波长的光信号组合起来进行复用，并把信号耦合到光缆线路的一根光纤中进行传输，在接收端采用解复用器分离出不同波长的光信号，并把恢复出的信号送入不同的终端。

WDM技术由于能充分利用光纤的巨大带宽，正在成为骨干长途网中最具吸引力的技术。

光纤的带宽可以达到几十Tb/s，WDM技术可以把光纤巨大的带宽划分成许多不相重叠的波长信道，每个波长信道占用一个波长，波长信道的速率在目前电信号处理的速率极限内，在光纤中可以同时传送多个波长信道的数据。

目前国内商用化的为每光纤32或40个波长,，主要集中应用于1550nm波长附近，最高达到160个波长，实验室已达到1000个波长[3]。

目前对IP数据的支持主要以IPoverSDHoverWDM[4]形式，结构如图所示，网络结构层数较多,为简化网络结构，提高网络效率，提出了IPoverWDM[5]技术，取消了中间的SDH层，WDM层由光交换机或者光路由器如OXC以及连接这些设备的光纤互联而成，同时，每一个光交换机与一个IP层的路由器相连。

因此，直接在WDM上运行IP不但能够很好的利用WDM巨大的传输带宽，而且具有对数据及编码格式透明等优点。

从长远来看，WDM光网络在向适于传输IP等数据业务的方向演进的过程中，光交换技术将占据举足轻重的地位。

由于目前电域处理的技术突破远远跟不上光域技术上的成就，致使网络节点（包括交换机和路由器）的处理能力的提高远慢于光传输能力的提高，它们已成为影响网络带宽和充分利用光纤带宽最大的瓶颈。

如何突破目前网络节点处理速率瓶颈、实现高效传送和交换IP等数据业务？

这成了当前光网络技术中急需解决的核心问题。

目前许多研究机构致力于研究和开发光交换网络技术，试图将节点的数据交换工作在光域完成，不受电域处理的瓶颈效应的限制。

图1.1-1IPoverSDHoverWDM结构示意图

根据国内外WDM光网络研究的现状和发展趋势，可以得知：

WDM光网络将从目前的点到点传输链路应用逐步演进到未来以光交换为核心的高速可重构网络[6-9]。

从总体上看：

在复用方式上：

WDM光网络将按“电路复用→统计复用（光分组或光突发方式）”的方向发展；

而在光交换技术上，则它将按照目前的光技术水平及器件限制，从“光波长路由交换→光突发交换技术→光分组交换”方向递进[10]；

而在网络资源的配置上，则它将按“静态→半动态→动态”的方向发展；

而在组网方式上，则它将沿着“点到点→链→环→多环→网状网”的方向不断演进；

而在应用领域上，则它将沿着“干线网→本地网→城域网→接入网→用户驻地网”的次序逐步渗透。

图1.1-2光网络演进示意图

光交换技术

光交换技术在全光通信网中占有非常重要的地位。

具有传输透明性（包括业务类型、传输速率以及传输格式等）和高度生存性的全光网络，是当前WDM光网络所追求的重要目标。

从系统角度来看，光交换技术与光监控技术、光放大技术和光处理技术等其它光网络技术一样，都是WDM光网络的关键支撑技术。

但是在这几种关键支撑技术当中，光交换技术是其核心技术，因为在WDM光网络向全光网络的演进过程中，需要由光交换技术在光域完成网络的优化、路由、保护和自愈功能，以实现网络的高速率和协议透明性，提高网络的重构灵活性和生存性。

因此在某种程度上，光交换技术决定了全光通信的发展。

提出的光交换技术主要有三种：

光波长路由交换或光路交换OCS（OpticalCircuitSwitching）、光分组交换OPS（OpticalPacketSwitching）和光突发交换OBS（OpticalBurstSwitching）。

光波长路由交换

光波长路由交换[11]或光路交换OCS（OpticalCircuitSwitching）是一种以波长为单位的电路交换方式。

在波长路由网络[12]中，源宿之间要进行数据传输时首先要建立一条光路。

这样，在数据的传输过程中，就不需要进行光/电/光的转换。

一条光路源宿之间的所有链路上都必须使用一条专用波长信道，因此，当数据从源端发送出来之后，它如何到达目的节点就仅仅取决于它使用那个波长，而这也正是波长路由的由来。

波长路由主要基于以下两个假设。

第一，波分网络主要是在任意两个源宿节点之间提供一条合理的路由光路。

该光路不仅能够提供高速率、高带宽的对数据比特率和编码方式透明的传输通道，而且，通过业务量疏导以及合适的波长分配算法，能够减少昂贵的电子设备如SDH设备，将原SDH处理的业务全部移到光层来处理。

第二，波长路由的一个非常重要的特征是：

一条光路在源宿之间的多条链路上可能只能使用同一条波长，这主要是由于当前的全光的波长转换技术还不成熟。

通常将一条光路只能使用同一条波长的情形称为链路复用，而将一条光路在源宿之间的各条链路上可以使用不同波长的情形称为通道复用。

这一特征引发了多个方面的研究，比如虚拓扑设计、波长转换的增益以及稀疏波长变换器的配置等。

OCS只是以波长光路（WavelengthPath）为单位的粗粒度光交换。

然而由于波长连续性限制（Wavelength-continuityConstraint），所能建立的波长光路有限；

而且即使在网络中配置有波长变换器（WavelengthConverter）时，所能建立的虚光路也会受到波长数目的限制。

这种粗粒度的光交换网络不十分适合诸如IP那样的突发数据的传输。

因为IP业务是突发的[13]，即使大量IP业务的累积也很难平滑业务量在时间上的剧烈变化；

同时它也是不平衡的，即流入与流出某一端口的业务量相差悬殊。

光分组交换OPS（OpticalPacketSwitching）

光分组交换方式是一种不面向连接的交换方式，在进行流通前不需要建立路由、分配资源。

它的基本原理同电分组交换相同，只是把它引入光域来处理。

在每个交换分组中都含有一个报头，这其中包括该分组的目的地址。

在分组交换网中每个交换节点对报头进行处理，从而确定该分组下一跳路由。

当然在每个节点确定下一跳的位置的时候会根据不同的实际的情况而有不同的路由算法，当然最终确定的路由也会有所不同。

与OCS正好相反，光分组交换技术试图直接在光层上实现细小粒度的分组交换，能实现统计复用，带宽利用率较高，适于传输IP那样的突发数据[14]。

因此，OPS是一种前途非常看好的技术。

OPS的发展有十几年的历史，世界上很多国家已作了这方面的研究：

如欧洲的ATMOS（ATMOpticalSwitching）www.biyezuopin.cc项目和KEOPS（KeystoOpticalPacketSwitching）项目[15]、美国的POND（Packet-switchedOpticalNetworkingDemonstration）项目和CORD项目、英国WASPNET（WavelengthSwitchOpticalPacketNetwork）项目[16]等，它们都已取得了一定的成果。

在这些实验光网络中，具有光分组交换功能的核心路由器可以同时实现空分、时分和波分交换，并且仅对带有路由信息的光分组头进行高速处理，而为光分组的有效负载提供透明路径。

与传统光网络相比，这些实验网络具有高速、大吞吐量、低延时、业务和比特率透明等突出优点，能高效地承载IP业务。

OPS是以分组包为交换粒度的网络，可以看作是电分组交换在光域的延伸，交换单位是高速传输的光分组，由光分组头、净荷和保护时间三部分组成。

其中光分组头在交换节点进行电子处理，光包净荷占有固定持续时间但速率可变，保护时间主要根据具体器件的交换时间、节点内的净荷抖动等情况来定义。

光分组交换网络由核心路由器和边缘路由器组成，它们之间通过波分复用（WDM,WaveDivisionMultiplexing）链路相连接。

边缘路由器完成光分组的生成以及将光分组拆分成普通分组的功能。

核心路由器则完成光分组的转发寻路功能。

交换网络中的光数据分组主要分成两部分处理，其中有效载荷部分采用不需要经过光/电、电/光处理的路由与转发，因此极大地提高了数据分组的转发速度和节点的吞吐量。

不过载有地址和管理信息的分组信头需要进行同步、帧识别和地址识别处理，这些在实现上较为复杂和困难。

光分组交换的优势：

和光路交换方式相比，光分组交换方式有很高的资源利用率，有很高的转换效率，有很强的适应突发通讯的能力

同电分组技术相比，光分组交换技术虽经过近十几年的研究，却还没有达到实用化，主要原因是由于受到目前的光存储和光信息处理技术的限制。

光分组的同步和缓存只能采用光纤延迟线技术，而小型光纤延迟线难以实现大的延时，而且时延分辨率较低，不适合作为灵活的光存储器，同样也无法实现分组之间足够精确的同步。

因此，在今后相当长的一段时间内，OPS的应用前景并不被看好。

光突发交换OBS（OpticalBurstSwitching）

人们提出光分组交换、以及后来的光分组流交换，其初衷是希望能完全在光域上实现光的分组交换，进而能完成光的比特级交换。

但是目前其相关的器件尚不成熟，控制部分仍然需要在电域上完成，仍然存在电子器件处理速度的限制。

针对它们目前的发展现状和存在的问题，近来提出了交换颗粒度介于光路与分组之间的一种折衷光交换技术——光突发交换[17-18]OBS（OpticalBurstSwitching），它处理的对象不再是单个的分组数据，而是由多个分组构成的、任意可变长度的数据块。

因此它的交换颗粒由OPS的分组变为数据块，即称为“光突发（OpticalBurst）”。

OBS技术吸取了OCS和OPS技术的优势，同时又摒弃了它们的缺点，相较OCS信道利用率更高，相较OPS可实现性更强，因此自1998年由ChunmingQiao和J.S.Turner等人提出以后发展迅速，得到各大研究组织的关注。

最早提出的突发交换是在电交换领域[19-20]，但是在电交换领域，技术相对成熟，没有必要以突发为单位来处理语音或数据业务；

在光交换领域，OBS同OPS一样，能够很好的支持突发性的分组业务，同时具备自身的优势，因此，OBS被认为很有可能在未来互联网中扮演关键角色，可作为光网络演进过程中最具有可实现性的一种交换技术。

关于光突发交换技术将在下一章具体详细介绍。

本文的研究内容及主要贡献

1.3.1论文的主要工作

（1）对光突发交换网络做了总体的介绍，同时介绍了OBS技术的资源预约方案、协议、冲突处理机制、QoS机制、信道调度算法等，同时介绍了光纤延时线的结构和性能。

（2）通过MATLAB仿真验证了光纤延时线对系统性能的改善。

（3）根据两种常用的LAUC和LAUC-VF算法思想，画出算法流程图，并给出C程序描述，通过MATLAB仿真比较了两种算法在性能方面的优略。

（4）提出了一种新的信道调度算法LAUC-αSV算法，指出LAUC算法的缺陷，画出了LAUC-αSV算法的流程图，并给出C程序描述，通过MATLAB仿真比较了两种算法的优略,仿真显示LAUC-αSV算法相较LAUC算法系统丢包率更低，性能更优。

1.3.2论文的内容和安排

文章分五部分，第一章讨论了光网络的发展以及国际国内的技术发展现状，接着介绍了常见的全光交换方式，包括光路交换方式、光分组交换方式和光突发交换方式，分析了它们各自实现方法和优缺点。

第二章讨论了OBS网络的技术特点。

首先介绍OBS网络的结构，网络中边缘节点和核心节点完成的主要功能、主要组成模块以及一些关键的技术。

接下来介绍了光纤延时线的结构、功能，并用MATLAB仿真验证了光纤延时线对信道丢包率的优化。

最后介绍了OBS网络的关键技术，包括了资源预约方案、资源预约协议、冲突处理、QoS机制以及简要介绍了信道调度算法。

第三章详细的阐述了OBS网络中的两种常用的信道调度算法：

LAUC算法和LAUC-VF算法。

LAUC算法简单，仅考虑为到达的数据突发选择最近可用未调度数据信道，不考虑在信道空隙VIOD中插入数据，而LAUC-VF算法则考虑到填充信道可用的空隙（VoidFilling）,因此LAUC-VF算法相对LAUC算法信道利用率更高，根据两种算法思想，画出各自算法的流程图，并给出C程序描述，最后通过MATLAB仿真比较了两种算法的优略。

第四章指出了LAUC算法的缺陷，提出了一种新的信道调度算法：

基于权值的最小时隙（LAUC-αsv）算法,LAUC算法仅仅考虑了对信道的浪费最小，没有考虑对光纤延时线FDL资源的合理利用，LAUC-αSV算法同时将信道利用率和光纤延时线利用率两点做为OBS网络性能的指标，因为两者的资源重要性不同，引入权值α进行衡量，提出算法思想的同时，画出了算法的流程图，给出了算法主体C程序描述，最后通过MATLAB仿真对两种算法进行了仿真，仿真显示LAUC-αSV算法相较LAUC算法系统丢包率更低，性能更优。

最后对全文进行总结，并提出一些研究上的不足之处和今后研究的方向。

第二章OBS技术特点

§

2.1.OBS网络结构

OBS网络的基本结构如图2.1-1所示，OBS网络由处于网络边缘的边缘节点（EN,EdgeNode）、位于网络中心的核心节点（CN,CoreNode）以及WDM链路组成。

边缘节点提供突发包（Burst）的组装和拆分功能，并且提供了各种网络接口（如:

Gigabit-Ethernet,PacketoverSONET（PoS）,IP/ATM等），使之可以和其它协议类型的网络互联，实现在输入端将各种祯结构能够通过组装算法组装为突发数据包，并且在输出端将突发数据包解封装为各种数据信号。

核心节点主要由光交换矩阵（OpticalSwitchingMatrix）和交换控制单元（SwitchControlUnit）组成,核心节点主要完成突发控制分组的处理以及根据控制分组的到的信息为数据预留相应的信道资源。

图2.1-1OBS网络基本结构图

OBS网络采用分离的波长来传输数据和它们的控制信息。

网络中传输的基本数据块是将一些具有相同目的地址和特性（如QoS要求）的分组经边缘节点聚合组装后形成的突发包。

突发包长度可以是固定的，也可以是变化的。

每个突发包配有一个控制头，控制头中含有该突发包的相关信息，用于在其所经过的网络节点预留带宽。

控制头以分组的形式发送，称为突发控制分组（BCPBurstControlPacket），将传送BCP的信道成为控制信道。

控制分组先于突发包发送，两者之间的时序关系由OBS采用的信令协议确定（偏置时间offset-time）。

在BCP分组发出后间隔偏置时间offset-time开始发送突发数据分组（BDPBurstDataPacket）,同样将传输BDP的信道成为数据信道，一般情况下，控制信道和数据信道分离，使用不同的信道传输各自的数据。

核心节点

核心节点[21]的主要功能是主要完成突发控制分组BCP的处理，以及根据控制分组的信息根据信道调度算法为数据BDP预留相应的信道资源，还包括了协议的处理等功能。

一个N×

M光核心路由器的通用结构如图2.1.1-1所示，它由输入FDL、光交换矩阵、交换控制单元（SCU），路由信号处理器组成。

数据信道连接至光交换矩阵，控制信道接至交换控制单元（SCU）。

如果核心路由器中使用了光纤延迟线来延迟数据突发的到达，这就使SCU有充分的时间处理BCP。

数据突发在光核心路由器中仍为光信号。

FDL缓存（FDLBuffer）用来解决输出DCG上的数据突发竞争冲突。

图2.1.1-1核心节点通用结构图

概括来讲，OBS网络核心路由器大致包括四个主要组成部分：

光交叉模块，交换控制模块，以及协议处理模块，线路接口模块。

其中交换控制模块功能包括对信令处理、转发表的查找、资源的预约及冲突判决和处理等。

（实现上的option：

集中与分布）协议处理模块主要实现高层协议的处理，包括转发表的维护与更新等。

光交叉模块主要由空分交叉矩阵、FDL和TWC组成，在交换