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(jìn)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(shí)現(xiàn)，但建立和拆除一條通道需要一定的時(shí)間，且該時(shí)間與其連接的保持時(shí)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(diǎn)，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(xì)粒度的光分組交換兩者的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(diǎn)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(shí)間間隔，也就是控制分組先于突發(fā)包到達(dá)路由通道上的每個節(jié)點(diǎn)，控制分組在該節(jié)點(diǎn)獲得預(yù)先處理，為對應(yīng)的突發(fā)包到達(dá)完成路由與信令功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，為對應(yīng)突發(fā)包在該節(jié)點(diǎn)成功交換做好一切準(zhǔn)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(rèn)信息，當(dāng)兩個或多個突發(fā)包預(yù)約占用同一資源時(shí)，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(dāng)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(jì)，其成熟尚需要10～20年的時(shí)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)、傳輸鏈路等，分解為接入服務(wù)、節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)看成一個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(biāo)，可以是容量、阻塞、吞吐量、性價(jià)比、能耗等；ASc，NSc，LSc分別為接入服務(wù)器系統(tǒng)性能、節(jié)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)的特性

    光交換的方式?jīng)Q定了節(jié)點(diǎn)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(diǎn)服務(wù)器容量增長緩慢，當(dāng)前采用的技術(shù)的成本及能耗隨著節(jié)點(diǎn)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(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)產(chǎn)生巨大壓力。

    根據(jù)以上分析，當(dāng)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(diǎn)性能關(guān)鍵的全光緩存等光子器件的成熟，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)對兩種方案的融合方案進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，下面對此兩種方案及其融合仿真分別進(jìn)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(dāng)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(shí)在已鋪設(shè)的光纜中存在一些冗余的光纖?；谝陨鲜聦?shí)，我們提出了一種全新的光突發(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(diǎn)服務(wù)器容量以降低節(jié)點(diǎn)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?yàn)閺膫鬏敗Ｔ趫D5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(jìn)行處理，有核心節(jié)點(diǎn)的處理對其進(jìn)行調(diào)度。處理器將根據(jù)控制包的分析結(jié)果進(jìn)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(dāng)相應(yīng)的突發(fā)數(shù)據(jù)包到達(dá)和離開核心節(jié)點(diǎn)時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)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(dāng)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(diǎn)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(dāng)于提供偏射路由服務(wù)器功能；

    相當(dāng)于提供了網(wǎng)絡(luò)存儲功能；

    相當(dāng)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?fù)渲芯m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(diǎn)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(diǎn)對之間的數(shù)據(jù)流量為均勻分布，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)服務(wù)器的壓力提高服務(wù)系統(tǒng)的性能。其實(shí)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(diǎn)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(hù)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(diǎn)間的IP包。對于節(jié)點(diǎn)服務(wù)器來說不需要對這種相鄰節(jié)點(diǎn)間的IP包進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)并沒有明顯增加，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載地增大，突發(fā)包的延時(shí)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)環(huán)網(wǎng)中，雙纖機(jī)制低載時(shí)能帶來2~4個數(shù)量級的改善，高載時(shí)能帶來60%的改善，IP填空機(jī)制在單纖時(shí)能使丟包率降低30%，將兩種機(jī)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(jìn)行了分析。提出了整體系統(tǒng)性能是接入服務(wù)器、節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的性能。在以后的工作中，我們將進(jìn)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(diǎn)服務(wù)器和鏈路服務(wù)器之間的融合策略，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)性能。

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