OBS网络突发包丢失控制的若干关键技术研究

摘要

光线路交换（Optical Circuit Switching，OCS）、光分组交换（Optical Packet Switching，OPS）和光突发交换（Optical Burst Switching，OBS）是三种典型的光交换方案。与OCS和OPS相比，OBS具有两大主要特征。首先，由于OBS采用了单向预留机制和使用了更细的交换粒度，因此其网络传输延迟和带宽利用率都优于OCS。其次，OBS的突发控制包和突发数据包彼此时空分离（时间上相隔一段偏移时间，空间上分别通过不同的波长信道进行传输），并且每个转发节点可对经过光电转换后的突发控制包运用成熟的电域技术进行逻辑处理。因而OBS可在没有光存储和全光逻辑处理器件的情况下，对网络突发数据实现端到端的全光透明传输，这一点优于OPS。基于以上两点，OBS有望成为未来光网络中一种非常重要的光交换技术，华为等大公司也持续投入人力与物力推进相关关键技术的应用研究。
　　然而，也正因为缺少光存储器件以及突发控制包和突发数据包时空分离等原因，造成OBS网络的丢包性能不太理想。为了将OBS网络的突发包丢包率降到可实用水平，许多学者都积极投入到OBS网络的丢包控制研究中。本文围绕OBS网络突发包丢失控制的若干关键技术开展研究，主要包括以下三个方面：
　　1、设计了一种基于最大信道利用率插空调度算法的OBS网络高速信道调度器
　　信道调度是指转发节点根据突发控制包所携带的相关信息，提前为其对应的突发数据包安排信道资源。但是作为一个理想的信道调度器，仅仅做到为突发数据包合理地安排信道资源是不够的，还需要有足够快的执行速度。否则会导致偏移时间不足（突发数据包追上其突发控制包）或等待队长超过物理存储容量，引起突发数据包的丢失。近些年随着云计算、海量音视频或在线游戏数据等的爆发式增长，单位时间内产生的突发数据也急剧增长。因此，由于信道调度器的速度不足而导致的突发包丢失问题也越来越成为制约OBS网络发展的一个瓶颈。本文提出了一种基于最大信道利用率插空（Maximum Channel Utilization with Void Filling,Max-CU-VF）调度算法的OBS网络高速信道调度器。相比于传统的LAUC-VF等调度算法，Max-CU-VF将挑选最优信道的评判标准从突发包间的信道空隙（Void）（细粒度）转换到了信道的整体利用率（粗粒度），不再关注一些突发包间的细节信息（比如void的首尾时间等），从而提升了信道调度器的处理速度。因此，在保障信道利用率的同时，Max-CU-VF还获得了良好的速度性能，改善了OBS网络的丢包率。
　　2、提出了基于流线效应的OBS网络多数据流路由策略
　　良好的路由策略有助于实现网络的负载均衡和避免链路拥塞，从而达到降低网络丢包率的目的。然而，已有的一些OBS网络路由策略，如偏射路由（Deflection Routing，DR）、最短路径优先（Shortest Path First，SPF）等，往往存在灵活性不足或没有考虑OBS网络中特有的流线效应（Streamline Effect）的缺点。流线效应是指在缺乏存储设备的情况下，多条数据流在同一输出端口汇聚成一条数据流时产生的竞争效应。它最明显的特点是较大的数据流反而拥有更小的丢包率。因此，一条数据流在选择路径时不应只是考虑哪条路径对自己的端到端丢包率最有利，而应该考虑其做出的路径选择会给其它的数据流带来什么样的影响。这样才能让全网的数据流在路由时做到互为彼此考虑，从而为改善OBS网络的整体丢包率做出尽可能合理的路由规划。基于上述考虑，本文设计了执行速度和丢包率都比较理想的基于流线效应的OBS网络多数据流路由策略。当OBS网络中有多个数据流需要路由时，可以在源端节点根据流线效应，以前后两次并行的方式为以上数据流快速地从若干备选路径中选择出最优路径，从而避免DR和SPF中存在的流量扎堆和负载失衡，有效降低OBS网络的总体丢包率。
　　3、构建了基于双价格的OBS网络拥塞控制机制
　　网络拥塞必然会导致网络产生严重的丢包。目前很多 OBS网络拥塞控制机制，如基于突发包发送速率动态调整的拥塞控制机制、基于网络流量反馈信息的拥塞控制机制等，要么只是提供一些针对当前节点的本地化服务，缺乏全局观念；要么仅当拥塞冲突发生时才会被动地采取一些临时应对措施。因此，从全局网络的视角以主动积极的态度去面对网络的动态变化才是解决OBS网络冲突拥塞问题的有效手段。网络效用最大化（Network Utility Maximization，NUM）已在Internet拥塞控制协议、网络效率公平以及无线网络速率分配等研究领域中有着广泛应用。受上述研究的启发，本文从网络效用最大化的角度出发，设计了一套基于双价格的拥塞控制机制（Dual Price-Based Congestion Control，DPCC）。由于OBS网络数据的传输质量（端到端的可靠性、数据发送速率、网络延迟等）往往影响着用户对网络的满意度（即网络效用），因此可以通过最大化网络效用来提升网络数据的传输质量，从而对网络中的冲突拥塞实现有效控制。DPCC可根据网络中的若干反馈信息（比如拥塞度价格和可靠度价格）实时获悉OBS网络的拥塞和丢包状况，对网络中各个用户的数据发送速率和端到端可靠度（突发包成功到达目的节点的概率）进行相应调节，使网络效用达到最大化，实现对OBS网络整体丢包性能的有效控制。

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第一章 绪论

1.1 光网络交换技术的现状与分析

1.2 OBS网络中的突发包丢失控制研究

1.3 本文的主要内容和结构安排

参考文献

第二章 基于最大信道利用率插空调度算法的OBS网络高速信道调度器

2.1 OBS网络信道调度研究的现状与分析

2.2 Index-based信道调度器的基本原理及其硬件实现

2.3 Max-CU-VF信道调度器的基本原理及其硬件实现

2.4 本章小结

参考文献

第三章 基于流线效应的多数据流路由策略

3.1 OBS网络中的路由问题

3.2 基于流线效应的多数据流路由策略的基本工作原理

3.3 基于流线效应的多数据流路由策略的丢包性能仿真与分析

3.4 本章小结

参考文献

第四章 基于双价格的OBS网络拥塞控制机制

4.1 OBS网络中的拥塞控制问题

4.2 基于双价格的OBS网络拥塞控制方案

4.3 基于双价格的OBS网络拥塞控制的性能仿真与分析

4.4 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 主要创新点

5.3 研究展望

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢

答辩决议书