确定自适应路径光网络中的延迟的方法

摘要

一种确定自适应路径光网络的端到端路径中的延迟的方法，该方法包括由正以突发发送的该网络中的IP分组的平均链路利用率与双向预留光突发交换网络中的延迟的乘积导出平均IP分组延迟，其中正以突发发送的该网络中的平均链路利用率是以比特/秒为单位的以突发发送的平均吞吐量与该网络中端到端路径中的瓶颈链路的容量的比率。

说明书

本发明涉及确定自适应路径光网络(APON)的端到端路径中的延迟的方法。

APON网络能够在连续的突发之间即时地发送互联网协议(IP)分组。这允许边缘节点通过在突发之间发送IP分组来清空它们的聚合缓冲器(aggregation buffers)。因此，突发的形成花费较长时间，即突发以较低频率发送。这意味着较低的平均链路利用率(utilisation)，这是与光突发交换(OBS)或λ交换网络相比APON网络表现出更好的性能的原因。理想的是可以获得一种针对所需性能级别来优化网络的设计。

根据本发明，一种确定自适应路径光网络的端到端路径中的延迟的方法包括：由正以突发发送的该网络中的IP分组的平均链路利用率与双向预留光突发交换网络中的延迟的乘积导出平均IP分组延迟，其中正以突发发送的该网络中的平均链路利用率是以比特/秒为单位的以突发发送的平均吞吐量与该网络中端到端路径中的瓶颈链路的容量的比率。

本发明为每个端到端路径确定APON网络中的延迟，以便可以优化网络设计以满足所希望的最小延迟要求。APON的端到端路径中的平均延迟只取决于以突发发送的IP分组的平均链路利用率，而不取决于在λ交换状态下发送的IP分组的平均链路利用率。

优选地，以突发发送的平均吞吐量包括瓶颈链路中的突发到达率与平均突发大小的乘积。

优选地，正以突发发送的该网络中端到端路径的瓶颈链路中的平均链路利用率是：到边缘节点i的平均吞吐量与突发通过网络在不被阻塞的情况下发送的概率的乘积在i从1到N时的和减去到边缘节点i的平均吞吐量与正通过瓶颈链路发送的IP分组或突发来自边缘节点i的概率的乘积在i从1到N时的和、与所述容量减去到边缘节点i的平均吞吐量与正通过瓶颈链路发送的IP分组或突发来自边缘节点i的概率的乘积在i从1到N时的和的比率。

端到端路径中的平均吞吐量和平均IP分组延迟只取决于端到端路径的瓶颈链路的平均链路负荷。该路径中的其余的链路不影响APON的性能。

现在将参照附图来描述根据本发明的、确定自适应路径光网络的端到端路径中的延迟的方法的实例，其中：

图1是可以应用本发明方法的自适应路径光网络中的端到端路径的分析模型；

图2示出图1的端到端路径的瓶颈链路的带宽利用；

图3比较与OBS网络相比自适应路径光网络中端到端路径的瓶颈链路中的利用率因子；以及

图4针对OBS网络、双向预留(2WR)OBS网络和APON网络示出作为端到端路径的瓶颈链路中链路负荷的函数的、端到端路径中的平均IP分组延迟。

图1是APON网络中的端到端路径的分析模型，其中源边缘节点1、2(可以是从1到N)通过网络5、6经由核心节点7、8和具有容量C的瓶颈链路9连接到相应的目的地节点3、4上。端到端路径的瓶颈链路被定义为该路径中的具有最高平均链路利用率的链路。该链路对网络性能产生巨大影响，因为它将导致路径中的最高阻塞概率并且它将为通过该路径所发送的IP分组(或突发)所经受的延迟的大部分负责。为此，该链路已被选作相应端到端路径中性能比较的基准，并且计算瓶颈链路9中的平均链路利用率。每当源边缘节点1、2从目的地边缘节点3、4接收到作为对它们的路径建立请求的应答的否定确认(NACK)信号时，在源边缘节点1、2处发生诸如APON之类的双向预留网络的端到端路径的阻塞。

该阻塞可以简单地以源边缘节点1、2的确定的阻塞概率Pb_i来建模。为了简化表示法，突发通过路径在不被阻塞的情况下被发送的概率Pp_i被给定为Pp_i＝1-Pb_i。b_i是以比特/秒为单位的进入边缘节点i的平均IP分组吞吐量。如果λ_IPi是平均IP分组到达率并且μ是平均IP分组大小(对于所有连接是相同的)，则边缘节点i的公式如下：

b_i＝λ_IPi*μ＝λ_i*B_i+λ_ioffered*(1-Pp_i)*B_i              公式1

其中λ_i是光链路中的平均突发到达率，B_i是该信源的平均突发大小，λ_ioffered是提供给光链路的平均突发到达率，并且(1-Pp_i)是被阻塞在边缘节点中的突发的比例。该公式的解释是进入边缘节点的必须出去，因为在节点内不产生或破坏信息。公式1的左手侧描述到达边缘节点的平均IP分组吞吐量。该吞吐量必须等于通过该公式的右手侧来描述的在另一侧离开该节点的吞吐量。右手侧是两项之和，这两项中的第一项表示已被变换成突发且提供给光网络的IP分组的平均吞吐量，第二项表示已被阻塞并被丢弃的IP分组的平均吞吐量。

只有未被阻塞的突发可以到达光链路，因此λ_i＝λ_ioffered·Pp_i。

在APON网络中，使用端到端路径中的瓶颈链路的整个带宽，因为在连续的突发之间即时地发送IP分组。图2示出这一情况。表达式1/λ表示平均突发到达之间的时间，即在两个连续的突发的到达之间所经过的时间。该时间以突发B的在具有容量C的链路中持续B/C秒的传输时间和在即时发送IP分组的λ交换状态时IP分组的传输时间t来填充。

时间t可以被分解为t_i(i∈(1，...，N))，t_i表示在λ交换状态下时间的比例，在该λ交换状态下来自源i的IP分组即时地被发送。为了实现这一点，有必要引入p_i(i∈(1，...，N))，p_i表示正通过瓶颈链路发送的IP分组或突发来自信源i的概率。这可以基于来自每个信源的突发的平均到达率λ_i被计算为p_i＝λ_i/λ，其中λ是链路上的平均突发到达率。

信源发送的IP分组越多，在瓶颈链路中在λ交换状态下所发送的某个IP分组就越有可能属于该源。因此，瓶颈链路中的IP分组由边缘节点i发送的概率p_i将决定该源的λ交换状态的平均长度t_i。具体而言，t_i＝p_i*t，其中t是λ交换状态的总平均长度，如图2中所示。

在λ交换状态下，边缘节点将进入的平均IP分组吞吐量b_i转发给网络。因此，由每个信源i在其长度为t_i秒的λ交换状态下所传输的比特的数量为t_i*b_i＝p_i*t*b_i，其中b_i是到达信源i的平均IP分组吞吐量。

类似于对t所作的处理，B也可以借助于概率p_i被如下分解为B_i：

$>>B>=>>\Sigma >>i>=>1>>N>>>p>i>>·>>B>i>>>s>公式2$

即，平均突发大小是具有概率p₁的第一源边缘节点、具有概率p₂的第二源边缘节点等等的平均突发大小。

据此以及根据图2，瓶颈的平均吞吐量b可以用公式表示为：

$>>b>=>\lambda >·>[>B>+>t>·>>\Sigma >>i>=>1>>N>>>p>i>>·>>b>i>>]>>s>公式3$

其中加法的第一项表示所有信源的以突发发送的比特的数量，并且第二项表示N个信源中的每一个信源在λ交换状态下发送的比特的数量之和。

根据图2，λ交换状态的长度t可以被表示为

$>>t>=>>1>\lambda >>->>B>C>>=>>>C>->B>·>\lambda >>>\lambda >·>C>>>>s>公式4$

因此平均吞吐量b可以再用公式表示为：

$>>b>=>\lambda >·>[>B>+>>>C>->B>·>\lambda >>>C>·>\lambda >>>·>>\Sigma >>i>=>1>>N>>>p>i>>·>>b>i>>]>>s>公式5$

求出瓶颈链路中的平均突发到达率λ_i：

$>>\lambda >>>>\Sigma >>i>=>1>>N>>>b>i>>·>>Pp>i>>->>\Sigma >>i>=>1>>N>>>b>i>>·>>p>i>>>>B>[>1>->>>>\Sigma >>i>=>1>>N>>>b>i>>·>>p>i>>>C>>]>>>>s>公式6$

除了瓶颈中的平均突发大小B之外，该表达式取决于在IP分组级上的输入参数。然而，该大小与在OBS情况下完全相同，因为接通或切断OBS网络中的APON功能不改变由IP分组的聚合制成突发的方式。即，突发聚合策略保持相同，因此突发大小也保持相同。所以，根据公式2，平均突发大小B可以作为每个信源B_i所产生的平均突发大小的函数来计算。由每个信源所产生的平均突发大小B_i可以按照每个边缘节点中所使用的相应聚合策略根据IP通信量参数来计算。

为了获得APON网络的延迟表达式，有必要将平均链路利用率ρ_APON分成两项。这两项中的第一项是在λ交换状态下正被发送的IP分组的平均链路利用率，而第二项是正以突发发送的IP分组的平均链路利用率。第一项被称为ρ_{APON_λ交换}，而第二项被称为ρ_{APON_OBS}。每个链路利用率因子的定义如下：

公式7

该表达式来自公式3的右手侧。

公式8

该表达式来自公式3的左手侧。

公式8是计算APON网络中的平均IP分组延迟所需的，所以它将被表示为输入IP通信量参数的函数：

$>>>\rho >>APON>\_>OBS>>>=>>>>\Sigma >>i>=>1>>N>>>b>i>>·>>Pp>i>>->>\Sigma >>i>=>1>>N>>>b>i>>·>>p>i>>>>[>C>->>\Sigma >>i>=>1>>N>>>b>i>>·>>p>i>>]>>>>s>公式9$

为了计算APON网络中的平均IP分组延迟，IP分组在OBS网络中所经受的延迟可以被表示为两项的加法。这两项是当形成突发时分组在边缘节点中花费的时间(t_边缘)和在配置沿该路径的交换时所经受的延迟(t_设置)。

据此，2WR-OBS网络中的平均IP分组延迟是：

公式10

其中t_RTT是由于双向预留所引起的报头分组的平均往返时间。

一旦在静态λ交换网络中已经建立了电路，则分组在通过网络传输时不经受延迟和延迟抖动，只经受普通的传播延迟。因此，在λ交换网络运行期间的分组延迟(和延迟抖动)是零。

公式11

由于在λ交换状态下所传输的分组不经受延迟(并且不经受延迟抖动)的事实，APON网络具有比2WR-OBS网络更低的延迟。网络负荷决定在λ交换状态下正被传输的IP分组的比例，该比例决定总平均延迟是将趋向于λ交换网络中的延迟(零延迟)还是将趋向于2WR-OBS网络中的延迟。如果ρ_{APON_λ交换}是在λ交换状态下所发送的IP分组的平均链路负荷并且ρ_{APON_OBS}是在给定端到端路径的瓶颈链路中以突发发送的IP分组的平均链路负荷，则APON网络的该路径中的平均延迟可以如下被计算：

E[延迟_AOPN]＝ρ_{AOPN-λ交换}·E[延迟_λ交换]+ρ_APON-OBS·E[延迟_2WR-OBS]     公式12

因为λ交换网络中的延迟是零，所以该公式可以如下被简化：

E[延迟_AOPN]＝ρ_APON-OBS·E[延迟_2WR-OBS]              公式13

由于链路利用率ρ始终低于1，所以上面的公式证明APON网络中的延迟低于2WR-OBS网络中的延迟。对于接近零的链路利用率负荷来说，延迟趋向于零，这表示以下事实，即在该情况下大部分IP分组通过λ交换状态下的路径发送，而不是以突发发送。对于高利用率负荷(接近1)来说，延迟趋向于2WR-OBS网络中的延迟，从而表示以下事实，即在该情况下大部分IP分组以突发发送。公式9的所导出的数学公式使得能够计算APON网络中的链路利用率因子，以及使用该公式作为公式13的APON延迟公式的基础。

本发明方法的优点包括以下事实：它是精确的方法，因为不进行任何类型的近似；它对于任何类型的通信量统计、例如泊松通信量或自相似通信量来说都是有效的，这允许该模型被用于接入网以及核心网中；并且它对于任何的APON网络拓扑来说都是有效的。所述方法易于实现和计算，这使它适于在APON边缘节点、APON核心节点或规划工具中实现；并且它允许在延迟方面比较APON网络、OBS网络和λ交换网络的性能。

图3和4的曲线图示出可以利用本发明方法得到的作为网络负荷的函数的、链路利用率和延迟的实例。可以从图3中看出，APON网络中的平均链路利用率20除了不切实际的0和1的链路利用率值之外始终低于OBS网络中的平均链路利用率21。这就是APON网络在阻塞概率和延迟方面的性能始终更高的原因。对于中等至高负荷的网络来说、即对于在0.4和0.8之间的链路利用率来说，与OBS网络相比APON网络中的链路利用率的降低处于其最大值。这使它对于任何光网络来说都是极具吸引力的工作区。

在图4中，APON网络中的延迟22被显示为远远低于在1×10^-3处的OBS网络中的延迟23和在1.5×10^-3处的2WR-OBS网络中的延迟。这适用于低于0.9的链路利用率。这又是任何光网络的理想工作区。APON网络在延迟方面的性能提高随着较低的链路利用率而更高。

本发明提供确定自适应路径光网络中的平均延迟的方法。该方法包括以精确的并且对任何突发大小分布、和任何突发之间的到达间的时间分布、即不仅仅对泊松通信量有效的方式来计算APON网络中的链路利用率。所导出的APON网络延迟公式基于新的链路利用率计算。该延迟公式可被用于计算任何APON网络中的平均IP分组延迟。该公式具有多种应用，包括用作用于设计实现某个最大允许延迟的APON网络的规划工具；在APON边缘节点中用作根据附加负荷是否使平均网络延迟超过某个极限来接受或拒绝突发的许可控制机制的核心；用于帮助路由算法使负荷平衡，以便所有的端到端路径具有近似相同的平均延迟；以及用于帮助业务质量(QoS)路由算法通过较低延迟路径来路由高优先级突发。