光突发交换网络的多机仿真平台搭建及其公平性研究

摘要

目前已经提出了三种光交换技术：光线路交换(OCS)、光分组交换(OPS)和光突发交换(OBS,Optical Burst Switching)。光突发交换结合了光线路交换和光分组交换的优点,又克服了两者的不足,很有希望成为IP over WDM的解决方案。本文对TCP流量和UDP流量接入OBS网络进行分析,发现OBS网络在接入这两种流量时会产生严重的公平性问题。TCP的拥塞控制机制不完全适应OBS网络的资源调度和丢包策略,因此当OBS网络中出现丢包时,TCP会自发地降低发送速率,从而导致TCP吞吐量被抑制在较低的水平。为了改进OBS网络的公平性,本文对OBS网络的信道调度机制作了一定改进：在边缘节点处,将TCP分组和UDP分组分开组包,在核心节点处,采用保护TCP流量的丢包策略,从而有效地提高了网络的公平性。为了验证引入公平性机制的OBS网络的网络性能,并得到更加贴近真实网络情况的实验结果。本文分析了网络仿真软件NS的仿真(Emulation)功能,并进行了进一步的扩展和完善。在此基础上搭建了OBS-NSE多机联合仿真(Emulation)平台。该平台上的OBS网络由一个核心节点、三个边缘节点构成,负载业务采用TCP协议和UDP协议。OBS-NSE平台将真实网络负载接入仿真环境中的OBS网络,得到了更加接近真实的仿真实验数据。本文对多机仿真和单机模拟的实验进行对比,当接入负载较小时,两者的结果比较相近,而接入的网络负载比较大时,受实际网络设备性能的影响,多机仿真平台下的吞吐量要小于单机模拟平台下的吞吐量。仿真实验结果显示,OBS-NSE平台的Emulation功能会受到真实网络设备性能的影响,因此能够更好地反映真实网络的状况。我们在OBS-NSE仿真平台上进行公平性机制的验证实验。相等速率的TCP流量和UDP流量同时接入OBS网络,两者的速率同步提高时,接入传统OBS网络的UDP流量的吞吐量随着自身速率的提高线性增长,而TCP吞吐量在网络负载达到0.2以后即被抑制在恒定的值附近,进入饱和状态。将公平性机制引入OBS网络后,UDP的吞吐量依旧保持着近似线性的增长,公平性机制对UDP流量的影响不大,而它对TCP的影响非常显著,TCP吞吐量进入饱和状态时的值提高到原先的3.8倍左右,约5.8dB。实验结果有力地佐证了公平性机制在改进网络性能、提高网络公平性方面的作用。要更加严格地检验公平性机制的有效性,我们应该搭建实际的网络进行研究。然而搭建实际的网络需要更多的设备投入。同时,OBS-NSE多机仿真平台本身的性能存在着可以提升的空间,OBS网络的公平性也还需要更多的探讨,都值得我们进行进一步的研究。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 光突发交换的产生及其现状

1.1.1 各类光交换机制及其比较

1.1.2 OBS 网络的发展现状

1.2 基于网络仿真的OBS 研究

1.2.1 网络仿真的意义

1.2.2 主流网络仿真软件：NS 和OPNET 及其比较

1.2.3 基于NS 的OBS 研究现状和问题

1.3 本文的主要研究内容

第二章 OBS-NSE 实验平台搭建

2.1 单机OBS-NS 模拟平台

2.1.1 单机OBS-NS 边缘节点结构与功能

2.1.2 单机OBS-NS 核心节点结构及功能

2.1.3 单机OBS-NS 平台的其他模块及功能

2.2 基于NS 的Emulation 功能实现原理

2.2.1 模拟（simulation）和仿真（Emulation）的异同

2.2.2 NS 仿真软件Emulation 功能实现需要解决的关键问题

2.2.3 NSE 的实时调度器设计

2.2.4 NSE 和真实网络的接口设计

2.3 OBS-NSE 平台的设计与实现

2.3.1 OBS-NSE 平台的研究目标与总体设计

2.3.2 OBS-NSE 平台为OBS 网络构造的接口模块

2.3.3 OBS-NSE 平台对TCP 支持的模块实现

2.3.4 OBS NSE 平台对UDP 支持的模块实现

2.4 多机OBS-NSE 联合仿真平台的搭建

2.4.1 四台计算机构造的仿真网络

2.4.2 网络环境的配置

2.4.3 TCL 脚本的编写

2.5 本章小结

第三章 OBS 网络公平性性能分析

3.1 TCP 和UDP 业务接入OBS 网络的公平性问题

3.1.1 UDP 业务接入特性分析

3.1.2 TCP 业务接入特性分析

3.1.3 TCP 流量接入OBS 网络的性能

3.1.4 TCP /UDP over OBS 带来的公平性问题

3.2 面向公平性的信道调度机制

3.2.1 公平性问题的深层原因分析

3.2.2 面向公平性的OBS 信道调度机制

3.3 多机与单机环境下的仿真结果与性能分析

3.3.1 多机仿真(Emulation)和单机模拟(Simulation)的性能对比

3.3.2 面向公平性的OBS 信道调度机制有效性的讨论

3.4 多机实验平台存在的问题及其改进建议

3.5 本章小结

第四章 总结和展望

参考文献

致谢

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