專利名稱：支持突發(fā)數(shù)據(jù)包和ip分組的交換方法及節(jié)點結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全光通信技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及支持多種粒度的全光交換方法 及節(jié)點結(jié)構(gòu)。
技術(shù)背景近年來，隨著Internet的迅速發(fā)展，以及人們對多媒體信息的需求，使 得網(wǎng)絡(luò)傳輸、交換等技術(shù)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。如何有效地滿足這種日益增長的 帶寬需求成為網(wǎng)絡(luò)研究的主要課題之一。波分復(fù)用(WDM)技術(shù)為光纖通信提供 了海量的傳輸帶寬， 一根光纖承載上百個波長信道，傳輸帶寬達到幾十至幾 百太比特每秒。而目前使用的核心路由器接收高速光信號，經(jīng)過光/電轉(zhuǎn)換后 并行處理，再經(jīng)過電/光轉(zhuǎn)換復(fù)接成高速光信號向前傳輸。為了維持線速包轉(zhuǎn) 發(fā)，核心路由器不但需要大量的光/電/光轉(zhuǎn)換設(shè)備和大量的并行處理，而且 需要進行大量的復(fù)用、解復(fù)用。由于電子的本征特性制約交換模塊的處理能 力和交換速度。當前電子交換和信息處理網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展已經(jīng)接近電子速率的極 限，其固有的RC參數(shù)、時間抖動、漂移、串話、響應(yīng)速度等缺點限制了交 換速率的提高，這就是"電子瓶頸"。由于"電子瓶頸"的存在，交換速率受 核心路由器背板速率的制約，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴?？朔?電子瓶頸"的 方法是直接進行全光交換。全光交換技術(shù)是指不經(jīng)過任何光/電和電/光轉(zhuǎn)換，直接將輸入光信號數(shù) 據(jù)交換到路由器的不同輸出端口。研究中的全光交換技術(shù)主要有光電路交 換(Optical Circuit Switching, OCS)、光突發(fā)交換(Optical Burst Switching, OBS )以及光分組交換(Optical Packet Switching, OPS)。已有 研究人員比較三種光交換技術(shù)，其中光突發(fā)交換在光電路交換與光分組交換 之間取得了很好的平衡。它結(jié)合了光和電的優(yōu)點，其交換粒度適中、可以不 依賴光緩存、實現(xiàn)容易、帶寬利用率高等特性能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)增長及業(yè)務(wù)多統(tǒng)計復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。光突發(fā)交換是一種亞波長粒度的全光交換，通過將用戶數(shù)據(jù)按照 一 定的匯聚方法封裝成一定長度的突發(fā)數(shù)據(jù)包(在10Gbps速率下持續(xù)時間從幾百微秒至幾十毫秒)傳輸。這對電子器件的處理速度和光開關(guān)速度要求大大降低。 同時由于光突發(fā)交換的突發(fā)數(shù)據(jù)包為超長數(shù)據(jù)包，突發(fā)控制包比光分組交換的分組數(shù)目小很多，控制信息在0BS節(jié)點需要進行的光/電和電/光轉(zhuǎn)換少得 多，數(shù)據(jù)讀寫操作少，因而比光分組交換更易于實現(xiàn)。與0PS相比，0BS對光 器件的要求較低，受到的限制較少；與0CS相比，OBS具有更高程度的統(tǒng)計復(fù) 用能力，更適應(yīng)于突發(fā)性強的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。OBS技術(shù)的核心思想是盡力大幅度降低光網(wǎng)絡(luò)的交換粒度、提供高效的 統(tǒng)計復(fù)用能力，同時充分考慮光器件的限制，降低對光器件的要求。在OBS網(wǎng) 絡(luò)中，資源的分配以突發(fā)lt據(jù)包的持續(xù)時間為基本粒度，這〗吏得OBS節(jié)點的光 開關(guān)速率可以大大降低。但當兩個或多個突發(fā)數(shù)據(jù)包要求從某個OBS節(jié)點的同 一端口、同一波長、同時發(fā)送時出現(xiàn)了竟爭。由于當前還沒有類似于電隨機 存儲器(RAM)的光隨機存儲器(ORAM)，這使得OBS節(jié)點處理突發(fā)數(shù)據(jù)包沖突的 能力受到極大的制約。目前所研究的解決竟爭的技術(shù)有在輸入突發(fā)數(shù)據(jù)包 處使用光纖延遲線(FDLs)實現(xiàn)少量光緩存、對突發(fā)數(shù)據(jù)包偏射路由、波長 轉(zhuǎn)換和突發(fā)數(shù)據(jù)分割等。這些技術(shù)都是在突發(fā)數(shù)據(jù)包竟爭時，將其中的某個 或某些突發(fā)數(shù)據(jù)包在OBS節(jié)點內(nèi)轉(zhuǎn)向另一個波長、端口或光纖。它們可以避免 當前時刻OBS節(jié)點處的沖突，但將會以較大的概率引起新的竟爭。同時，采用 光纖延遲線實現(xiàn)少量光緩存不能有效解決高負栽情況下的竟爭問題。偏射路 由容易實現(xiàn)，但受網(wǎng)絡(luò)規(guī)模及其連通性限制，不利提供理想的網(wǎng)絡(luò)性能。波 長轉(zhuǎn)換能降低平均時延和減少數(shù)據(jù)丟失率，但全波長變換技術(shù)還不成熟，部 分波長變換價格比較昂貴，當網(wǎng)絡(luò)負載較高時，使用部分波長變換對網(wǎng)絡(luò)性 能改善有限。突發(fā)數(shù)據(jù)分割可以減少數(shù)據(jù)丟失率，但增加了光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò) 的實現(xiàn)難度。為了解決沖突，同時還需要在OBS節(jié)點的控制模塊中采用復(fù)雜的 交換調(diào)度算法和沖突解決策略，同時還必須精心設(shè)計匯聚模塊的緩存容量和 匯聚算法。這將會增加節(jié)點的實現(xiàn)復(fù)雜程度。全光網(wǎng)絡(luò)如何針對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的需要對其節(jié)點內(nèi)部的交換方式和資源分配 方式進行優(yōu)化是一個重要的研究課題。即研究一種支持多種粒度的全光交換 方法及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)，且具有實現(xiàn)簡單、經(jīng)濟的節(jié)點結(jié)構(gòu)，仍然是一個值得 研究的熱點問題。發(fā)明內(nèi)容針對上述對當前全光交換及解決數(shù)據(jù)之間竟爭的方法的分析，本發(fā)明的 目的是提供一種用于全光通信網(wǎng)絡(luò)的新的交換方法，盡力提供高效的統(tǒng)計復(fù) 用能力，同時充分考慮光器件的限制，降低對光器件的要求。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種支持突發(fā)數(shù)據(jù)包和IP分組的全光通信交換方法，包括 來自傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)到達0BS節(jié)點后，對于鄰接節(jié)點(如果源、宿 節(jié)點對為通過0BS鏈路連接的節(jié)點，這樣的節(jié)點互稱為鄰接節(jié)點)之間傳輸 的數(shù)據(jù)采用IP分組在OBS鏈路上傳輸，遠端節(jié)點(如果源、宿節(jié)點對不是通 過0BS鏈路直接相連這樣的節(jié)點互稱為遠端節(jié)點)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行匯聚 成突發(fā)數(shù)據(jù)包在0BS鏈路上傳輸。
上述IP分組lt據(jù)和突發(fā)數(shù)據(jù)包進入0BS節(jié)點的發(fā)送緩存后，0BS節(jié)點首 先預(yù)留資源給過路的突發(fā)數(shù)據(jù)包，根據(jù)本地資源的預(yù)約情況，再安排發(fā)送節(jié) 點上路到遠端節(jié)點的突發(fā)數(shù)據(jù)包，同時利用本節(jié)點上路波長信道的空閑時間 間隙發(fā)送IP分組數(shù)據(jù)。對于QoS要求低的數(shù)據(jù)，盡管這些數(shù)據(jù)是在遠端節(jié)點之間傳輸，也可以 不進行匯聚，采用IP分組在OBS鏈路上傳輸。一種支持突發(fā)數(shù)據(jù)包和IP分組交換的節(jié)點結(jié)構(gòu)，主要由本地上/下路模 塊和全光交換模塊構(gòu)成，本地上/下路模塊包括匯聚/解匯聚模塊和IP分組發(fā) 送/接收模塊。其中，匯聚/解匯聚模塊用于發(fā)送數(shù)據(jù)時將數(shù)據(jù)匯聚成突發(fā)數(shù) 據(jù)包，接收數(shù)據(jù)時執(zhí)行解匯聚功能；IP分組發(fā)送/接收模塊用于IP分組數(shù)據(jù) 的傳輸與接收?；陔娍刂频娜饨粨Q模塊用于將本地上路的突發(fā)數(shù)據(jù)包、 IP分組以及過路的突發(fā)數(shù)據(jù)包按照波長資源預(yù)約情況交換到相應(yīng)的輸出波長 上。0BS節(jié)點將上路的IP分組和突發(fā)數(shù)據(jù)包存儲在本地的電隨機存儲器中， 通過一個TS (Traffic Spacing)調(diào)度器對這些上路數(shù)據(jù)進行調(diào)度。進一步還包括業(yè)務(wù)分類器，用于將到達節(jié)點的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按照目的地址或 QoS要求進行分類，即將目的地址為遠端節(jié)點的QoS要求高的數(shù)據(jù)進入到匯聚 /解匯聚模塊；目的地址為鄰接節(jié)點或QoS要求低的數(shù)據(jù)進入到IP分組發(fā)送/ 接收模塊。所述支持突發(fā)數(shù)據(jù)包和IP分組的交換方法包含兩層內(nèi)容首先是數(shù)據(jù)組 包方面，鄰接節(jié)點之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不進行匯聚組成突發(fā)數(shù)據(jù)包，直接用IP分 組在OBS鏈路上傳輸；遠端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸按照QoS要求可分別對待， 對QoS要求高的數(shù)據(jù)需要進行匯聚成突發(fā)數(shù)據(jù)包在OBS鏈路上傳輸，而對QoS
要求低的數(shù)據(jù)可以不進行匯聚組成突發(fā)數(shù)據(jù)包，直接用IP分組在0BS鏈路上傳輸。其次是發(fā)送數(shù)據(jù)方面，OBS節(jié)點將過路的IP分組和本地上路的數(shù)據(jù)(包 括突發(fā)數(shù)據(jù)包和IP分組)存儲在節(jié)點的電隨機存儲器中，通過TS調(diào)度器對 存儲在本地電隨機存儲器中的數(shù)據(jù)進行調(diào)度；OBS節(jié)點處理控制信息包預(yù)留波 長資源給過路的突發(fā)數(shù)據(jù)包，根據(jù)本地資源的預(yù)約情況，再安排發(fā)送節(jié)點上 路到遠端節(jié)點的突發(fā)數(shù)據(jù)包，同時利用本節(jié)點上路波長信道的空閑時間間隙 發(fā)送IP分組數(shù)據(jù)。本發(fā)明提出的支持突發(fā)數(shù)據(jù)包/IP分組的交換方法利用IP分組填充突發(fā) 數(shù)據(jù)包間的空隙，不僅減少了網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量，而且能利用電隨 機存儲器使數(shù)據(jù)在波長信道上均勻分布，不僅能提供高效的統(tǒng)計復(fù)用能力， 而且能大大降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率和數(shù)據(jù)丟失率。此時，OBS節(jié)點需多配置一些電 隨機存儲器外，不需要額外增加器件，并且實現(xiàn)簡單。


圖1是本發(fā)明的支持突發(fā)數(shù)據(jù)包和IP分組的交換節(jié)點結(jié)構(gòu)簡要示意圖。圖2是本發(fā)明的支持突發(fā)包/IP分組的全光交換方法的示意圖。圖3是本發(fā)明交換節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)示意圖。圖4是利用突發(fā)凄t據(jù)包之間的間隙發(fā)送IP分組的示意圖。圖5是是四個節(jié)點組成的線狀網(wǎng)絡(luò)拓樸圖。圖6是按照本發(fā)明的支持突發(fā)數(shù)據(jù)包和IP分組的兩種粒度的交換方法及 交換節(jié)點結(jié)構(gòu)仿真所得到的圖5所示網(wǎng)絡(luò)拓樸丟包率性能。 其中1一一光波分復(fù)用器 2—一光波分解復(fù)用器具體實施方式
下面結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明的范圍。 本發(fā)明提出的支持突發(fā)數(shù)據(jù)包/1P分組的交換方法的節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖示0BS節(jié)點不分邊緣和核心兩部分，它由業(yè)務(wù)分類器、控制模 塊、匯聚/解匯聚模塊、IP分組發(fā)送/接收模塊、數(shù)據(jù)存儲器、TS調(diào)度器、光 發(fā)送/接收模塊、全光交換模塊、光波分復(fù)用器/解復(fù)用器等組成。當不考慮QoS要求低的數(shù)據(jù)用IP分組傳輸時，來自傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù) 到達0BS節(jié)點后，首先經(jīng)過業(yè)務(wù)分類器，業(yè)務(wù)分類器將目的地址為鄰接節(jié)點 的數(shù)據(jù)和目的地址為遠端節(jié)點的數(shù)據(jù)進行分類，其中目的地址為遠端節(jié)點的 數(shù)據(jù)進入到匯聚/解匯聚模塊，然后按照一定的封裝算法封裝突發(fā)數(shù)據(jù)包；目 的地址為鄰接節(jié)點的數(shù)據(jù)進入到IP分組發(fā)送/接收模塊。本地上路的突發(fā)數(shù) 據(jù)包和IP分組存儲在節(jié)點的電隨機存儲器中，通過TS調(diào)度器對上路數(shù)據(jù)進 行調(diào)度，按照圖4所示節(jié)點優(yōu)先預(yù)留資源給過路的突發(fā)數(shù)據(jù)包，在盡量滿足 過路突發(fā)數(shù)據(jù)包預(yù)約資源請求后，根據(jù)本地資源情況，再安排發(fā)送節(jié)點上路 到遠端節(jié)點的突發(fā)數(shù)據(jù)包，同時利用本節(jié)點上路波長信道的空閑時間間隙發(fā) 送IP分組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)過光發(fā)送模塊發(fā)送后進入全光交換模塊經(jīng)波分復(fù)用器 進入鏈路。接收數(shù)據(jù)時，來自鏈路的數(shù)據(jù)首先經(jīng)過光波分解復(fù)用器后由全光 交換模塊按照目的地址將數(shù)據(jù)交換到相應(yīng)的輸出端口 。其中目的地址為本節(jié) 點的數(shù)據(jù)由光接收模塊接收后被緩存在電存儲器中，再經(jīng)控制模塊調(diào)度分別 送入?yún)R聚/解匯聚模塊和IP分組發(fā)送/接收模塊，最后由業(yè)務(wù)分類器分類經(jīng)傳 統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口到達目的地；目的地址為其他節(jié)點的數(shù)據(jù)則經(jīng)全光交換模塊交換 到輸出端口后，經(jīng)光波分復(fù)用器進入下一跳鏈路向目的地透明傳輸。本發(fā)明提出的一種支持突發(fā)數(shù)據(jù)包/1P分組的兩種粒度的交換節(jié)點發(fā)送
數(shù)據(jù)示意圖如圖3所示。來自傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng)、IP、 ATM、 SDH網(wǎng)絡(luò))的 數(shù)據(jù)到達節(jié)點后，需要經(jīng)過業(yè)務(wù)分類器按照目的地址將數(shù)據(jù)分開處理，其中 目的地址為遠端節(jié)點的數(shù)據(jù)經(jīng)匯聚適配模塊封裝后進入發(fā)送緩存器，而目的 地址為鄰接節(jié)點的數(shù)據(jù)直接進入發(fā)送緩存器。由TS調(diào)度器根據(jù)本地資源預(yù)約 情況對發(fā)送緩存器中的數(shù)據(jù)進行發(fā)送調(diào)度，被調(diào)度的突發(fā)數(shù)據(jù)包或IP分組經(jīng) 電光轉(zhuǎn)換后進入全光交換模塊，按照路由信息被交換到輸出端口后經(jīng)波分復(fù) 用器進入鏈路向下一跳傳輸。而過路的突發(fā)數(shù)據(jù)包則透明的在光域傳輸。在支持突發(fā)數(shù)據(jù)包/1P分組的兩種粒度的交換節(jié)點結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，業(yè)務(wù)分 類器，匯聚/解匯聚模塊，控制模塊，上路下路數(shù)據(jù)用存儲器，TS調(diào)度器，光 發(fā)送/接收模塊，高速光開光構(gòu)成的全光交換模塊，光波分復(fù)用器/光波分解 復(fù)用器等是構(gòu)建節(jié)點的基本器件和模塊。作為一個實例，選用本發(fā)明中列舉 的這些基本器件和模塊，按照圖2所示支持突發(fā)包/IP分組的交換方法，可構(gòu) 成如圖l所示交換節(jié)點。借助于0PNETTM仿真軟件，按照本發(fā)明提出的節(jié)點結(jié) 構(gòu)和交換方法，建立了如圖5所示4節(jié)點光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)。圖6是仿真所得 到的該網(wǎng)絡(luò)丟包率性能。網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點有四個傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口向網(wǎng)絡(luò)注入 數(shù)據(jù)，同時假定這些接口與大量的獨立的泊松業(yè)務(wù)源連接。節(jié)點處的組包算 法為時間長度乘積門限算法，且閾值為9兆比特.毫秒(Mbms)。路由協(xié)議采 用靜態(tài)的圖5所示路徑選擇方法，波長分配算法采用最先適配(first fit)算法。圖6中的曲線都是采用的JET (Just Enough Time)資源預(yù)約協(xié)議，圖中 標有"無IP包插空"的曲線表示節(jié)點處對所有數(shù)據(jù)都匯聚組裝成突發(fā)數(shù)包發(fā) 送，沒有采用IP分組填充突發(fā)數(shù)據(jù)包間的空隙；圖中標有"有IP包插空" 的曲線表示節(jié)點處對鄰接節(jié)點間的數(shù)據(jù)進行IP分組填充突發(fā)數(shù)據(jù)包間的空隙 發(fā)送。從圖6可以看出，"有IP包插空"曲線比"無IP包插空，，曲線表示的平均數(shù)據(jù)丟失率要^f氐約50%。以上為本發(fā)明的實施方式，依據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員能夠顯而易見的想到的一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1、一種支持突發(fā)數(shù)據(jù)包和IP分組的全光通信交換方法，包括來自傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)到達OBS節(jié)點后，相鄰節(jié)點之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用IP分組在OBS鏈路上傳輸，其他數(shù)據(jù)匯聚成突發(fā)數(shù)據(jù)包在OBS鏈路上傳輸。
2、 如權(quán)利要求1所述的支持突發(fā)數(shù)據(jù)包和IP分組的全光通信交換方法，其 特征在于OBS節(jié)點首先預(yù)留資源給過路的突發(fā)數(shù)據(jù)包，根據(jù)本地資源的 預(yù)約情況，再安排發(fā)送節(jié)點上路到遠端節(jié)點的突發(fā)數(shù)據(jù)包，同時利用本節(jié) 點上路波長信道的空閑時間間隙發(fā)送上述IP分組數(shù)據(jù)。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的支持突發(fā)數(shù)據(jù)包和IP分組的全光通信交換方法， 其特征在于對QoS要求低的數(shù)據(jù)也不進行匯聚，采用IP分組在OBS鏈路 上傳輸。
4、 一種支持突發(fā)數(shù)據(jù)包/IP分組的兩種粒度的交換節(jié)點結(jié)構(gòu)，由本地上/下路 模塊和全光交換模塊構(gòu)成，其特征在于本地上/下路模塊包括匯聚/解匯 聚模塊和IP分組發(fā)送/接收模塊，其中匯聚/解匯聚;^莫塊，用于發(fā)送數(shù)據(jù)時 將數(shù)據(jù)匯聚成突發(fā)數(shù)據(jù)包，接收數(shù)據(jù)時執(zhí)行解匯聚功能；IP分組發(fā)送/接 收模塊，用于IP分組數(shù)據(jù)的傳輸與接收；全光交換模塊，用于將本地上路 的突發(fā)數(shù)據(jù)包、IP分組以及過路的突發(fā)數(shù)據(jù)包按照資源預(yù)約情況交換到相 應(yīng)的輸出波長上。
5、 如權(quán)利要求4所述的支持突發(fā)數(shù)據(jù)包/IP分組的兩種粒度的交換節(jié)點結(jié)構(gòu)， 其特征在于節(jié)點將IP分組和本地上路的數(shù)據(jù)存儲在節(jié)點的電隨機存儲器 中，通過一個TS調(diào)度器對電隨機存儲器中存儲的數(shù)據(jù)進行調(diào)度。
6、 如權(quán)利要求4或5所述的支持突發(fā)數(shù)據(jù)包/IP分組的兩種粒度的交換節(jié)點結(jié)構(gòu)，其特征在于進一步還包括業(yè)務(wù)分類器，用于將到達節(jié)點的業(yè)務(wù) 數(shù)據(jù)按照目的地址或QoS要求進行分類，即將目的地址為遠端節(jié)點的QoS要求高的數(shù)據(jù)進入到匯聚/解匯聚模塊；目的地址為鄰接節(jié)點或QoS要求 低的數(shù)據(jù)進入到IP分組發(fā)送/接收模塊。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種支持突發(fā)數(shù)據(jù)包/IP分組兩種粒度的全光交換方法及節(jié)點結(jié)構(gòu)。它采用以電緩存代替目前難以實現(xiàn)的光緩存，利用IP的“盡力而為”傳輸?shù)奶匦?，用電緩存器存儲相鄰?jié)點之間傳輸?shù)腎P分組和/或一些QoS要求低的IP分組，根據(jù)突發(fā)控制包預(yù)約網(wǎng)絡(luò)資源的信息將這些IP分組盡可能的間插到突發(fā)數(shù)據(jù)包之間的空隙中傳輸。即IP分組象沙漏一樣經(jīng)過OBS節(jié)點，而突發(fā)數(shù)據(jù)包則透明的在光域傳輸。該方法能有效減少網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)數(shù)據(jù)包的數(shù)量，利用電隨機存儲器使數(shù)據(jù)在波長信道上均勻分布。它不僅能提供高效的統(tǒng)計復(fù)用能力，而且能大大降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率和數(shù)據(jù)丟失率，并且實現(xiàn)簡單。
文檔編號H04L12/56GK101155121SQ20061011338
公開日2008年4月2日 申請日期2006年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月26日
發(fā)明者徐安士, 李正斌, 馳 袁 申請人:北京大學(xué)