用平行光纤解决OBS中竞争的链路结构及波长分配方法

摘要

本发明提供了一种利用平行光纤解决光突发交换中数据包竞争的链路结构及相应波长分配方法。由两根或多根相同属性的平行光纤加两端与节点连接的接头构成平行光纤链路，同时对该平行光纤链路的设计相应的波长分配方法，每根光纤都传输相同的波长λ0，λ1，λ2，…，λw，其中λ0用来传输控制信息，将余下的用来传输数据的W个波长进行波长分组，在每组波长中再按照传统的方法分配波长。本发明的突发数据包竞争解决机制是利用增加链路容量来实现的，它可以解决两个或两个以上突发数据包竞争，且具有易于实现、成本较低的特点，能够呈指数级的降低光突发交换网络的阻塞率和丢包率。

说明书

技术领域

本发明涉及全光通信技术领域，特别涉及没有光缓存或仅有少量光缓存的光突发交换(OBS)网络中利用平行光纤解决光突发交换网络中突发数据包竞争的链路结构及波长分配方法。

背景技术

波分复用(WDM)技术为光通信提供了海量的传输带宽，一根光纤承载上百个波长信道，传输带宽达到几十至几百太比特每秒，而目前使用的核心路由器接收高速光信号，经过光/电转换后并行处理，再经过电/光转换复接成高速光信号向前传输。为了维持线速包转发，核心路由器不但需要大量的光/电/光转换设备和大量的并行处理，而且需要进行大量的复用、解复用。由于电子的本征特性制约交换模块的处理能力和交换速度。当前电子交换和信息处理网络的发展已经接近电子速率的极限，其固有的RC参数、时间抖动、漂移、串话、响应速度等缺点限制了交换速率的提高，这就是“电子瓶颈”。由于“电子瓶颈”的存在，交换速率受核心路由器背板速率的制约，且结构复杂，成本昂贵。克服“电子瓶颈”的办法是直接进行全光交换。

全光交换技术是指不经过任何光/电和电/光转换，直接将输入光信号交换到路由器的不同输出端。研究中的全光交换技术主要有：光电路交换(OCS)、光突发交换(OBS)以及光分组交换(OPS)。已有研究人员比较三种光交换技术，其中光突发交换在光电路交换与光分组交换之间取得了很好的平衡。它结合了光和电的优点，其交换粒度适中、可以不依赖光缓存、实现容易、带宽利用率高等特性能适应网络业务增长及业务多样性的要求，交换时间根据粒度的不同采用纳秒和微秒光器件实现，能统计复用光网络带宽资源。

由于光突发交换是缺乏光缓存的统计复用，当两个或多个突发数据包要求从节点同一端口、同一波长、同时发送时出现了竞争。目前所研究的解决竞争的技术有：在输入突发数据包处使用光纤延迟线(FDLs)实现少量光缓存、对突发数据包偏射路由、波长转换和突发数据分割等。这些技术都是在突发数据包竞争时，将其中的某个或某些突发数据包在OBS节点内转向另一个波长、端口或光纤。它们可以避免当前时刻OBS节点处的冲突，但将会以较大的概率引起一段时间后新的竞争在本节点发生。同时，采用光纤延迟线实现少量光缓存，能提供高吞吐量，不能有效解决高负载情况下的竞争问题。偏射路由容易实现，但受网络规模及其连通性限制，不利提供理想的网络性能。波长转换能降低平均时延和减少数据丢失率，但全波长变换技术还不成熟，部分波长变换价格比较昂贵，当网络负载较高时，使用部分波长变换对网络性能改善有限。突发数据分割减少数据丢失率，但增加了光突发交换网络的实现难度。

因此，研究一种更理想的突发数据包竞争解决机制，以避免光纤延迟线、偏射路由、突发数据包分割等对网络高负载时失效，避免使用波长变换高成本，即根据现有商用的光电器件，设计一种简单、经济的竞争解决方案，仍然是一个值得研究的热点问题。

发明内容

针对上述对目前突发数据包竞争解决机制优缺点的分析，本发明的目的是提供一种用于全光通信系统的新的突发数据包竞争解决机制——一种利用平行光纤解决光突发交换中突发数据包竞争的链路结构及相应波长分配方法。

本发明的技术方案如下：

一种光突发交换网络的链路结构，由两根或多根相同传输特性的平行通信光纤及光纤两端与节点连接的接头构成。该平行光纤结构中的多根同属性的通信光纤共同完成节点间的数据传输。

所述相同传输特性指该平行光纤链路中的所有通信光纤具有相同的传输特性，同时每一根通信光纤都传输相同波长数的相同的波长，例如每根光纤都传输W+1个波长，其中λ0用来传输控制信息，余下W个波长用来传输数据信息，分别为λ₁，λ₂，…，λ_w。

光纤两端与节点连接的接头的作用主要是将通信光纤与OBS节点连接，同时可以实现选择性的与其他竞争解决方案同时运用以解决突发数据包的竞争。这样的接头可以由光波分复用器/解复用器、高速光开光及一般的突发数据包竞争解决器件(如光纤延迟线、波长变换器等)构成。其中，将数据输出光纤、进入节点的接头结构为：通信光纤连接接头中的光波分解复用器，光波分解复用器解出的每个波长信道连接一个高速光开关，高速光开关再通过数据包竞争解决器件和/或直接与OBS节点相连；将数据从节点输入通信光纤的接头结构为：从节点出来的每一个光波长信号通过数据包竞争解决器件和/或直接与高速光开关相连，光开关再与光波分复用器相连，通过光波分复用器将所有波长复用到通信光纤中。

在具体运用本发明时，通信光纤双向、单向传输时接头结构不同。单向传输时，通信光纤输出接头结构具体可为：通信光纤连接接头中的光波分解复用器，光波分解复用器将通信光纤中的波长一一解出，每个波长信道连接一个高速光开关，通过高速光开关选择通过传统突发数据包竞争解决器件(如光纤延迟线、波长变换器等)与OBS节点相连或直接与OBS节点相连。通信光纤输入的接头与输出接头结构近似反对称，每一个光波长信号通过节点交换结构后选择通过传统突发数据包竞争解决器件(如光纤延迟线、波长变换器等)与高速光开关相连或直接与高速光开关相连，高速光开关再与光波分复用器相连，通过光波分复用器将所有波长复用到通信光纤中。当通信光纤双向传输时，出、入通信光纤的接头结构完全对称，它由单向传输时通信光纤输入、输出接头结构两部份叠加。

上述的链路结构利用平行光纤解决光突发交换中突发数据包的竞争，其相应的波长分配方法为：平行光纤链路结构中每根光纤都传输相同的波长λ₀，λ₁，λ₂，…，λ_w，共W+1个波长，其中λ₀用来传输控制信息，将余下的W个波长每N个波长分成一组(设W能被N整除，W和N为大于等于1的整数)用来传输数据，在每组波长中按照传统的方法(例如First-Fit(最先适配)、Random(随机)或优先级分配等方法)分配波长。例如当W＝16，N＝4时，每组波长中有四个波长，其中第一组波长为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，在光突发交换网络的边缘，将汇聚后的突发数据包按照目的节点对及相应路由信息选取某一组波长，然后在该选定的波长组中按照传统的方法分配波长；同时，指定其中某一根光纤中的波长为主用波长，其他光纤中波长为从用波长，从用波长只有在突发数据包发生竞争时启用。

光突发交换网络中的突发数据包竞争解决机制是在竞争发生时，将其中的一个或多个突发数据包从原来预定的波长、端口或光纤改用另外的波长、端口或光纤传输，如前所述光缓存、偏射路由、波长变换，而突发数据分割是采取尽量重新传输少量数据解决突发数据包竞争的。

本发明的链路结构所适用的光突发交换网络的简要示意图如图1所示，包括接入网、业务自适应汇聚适配模块以及全光传输模块以及连接OBS节点的平行光纤链路。与已有的突发数据包竞争解决机制相比，这种平行光纤解决光突发交换中突发数据包竞争的平行光纤链路结构直接将竞争的一个或多个突发数据包利用另外的波长、端口或光纤传输到下一节点。该结构是利用增加链路容量来实现的，它可以解决两个或两个以上突发数据包竞争。本发明的平行光纤链路及波长分配方法具有易于实现、成本较低的特点，能够呈指数级的降低光突发交换网络的阻塞率和丢包率。

附图说明

图1是本发明的平行光纤链路结构所适用的光突发交换网络的简要示意图。

图2是本发明的解决光突发数据包竞争的平行光纤链路简化结构图。

图3是本发明的平行光纤链路结构的波长分配方法简要示意图。

图4是14节点21连接的NSF网络拓扑图。

图5是按照本发明设计的平行光纤链路模型及波长分配方法仿真所得到的图4所示NSF网络丢包率性能图。

其中：

1-光纤延迟线    2-高速光开关    3-光波分复用器

4-光波分解复用器

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

1.简化的结构框图

本发明提出的一种利用平行通信光纤解决光突发交换突发数据包竞争的简化结构框图。如图2所示，图中平行光纤链路由两根同属性的通信光纤加上光纤两端与节点连接的接头构成，其中接头由光波分复用器/解复用器、高速光开光、光纤延迟线(FDLs)等构成。连接OBS节点i和节点i+1的波分复用(WDM)链路由两根同属性的平行光纤组成，即图2中的平行光纤0和平行光纤1。平行光纤中的光信号经过连接接头与OBS节点连接，即进入交换矩阵模块被交换到相应的输出端口，实现光信号透明传输，即全光交换。

本实例中仅考虑从左至右的传输方向，即光信号从OBS节点i向OBS节点i+1传输信号，光信号可以直接与高速光开光S相连，也可以与光纤延迟线F相连后再与高速光开光S连接后经过光波分复用器进入平行光纤0或者平行光纤1传输。光信号在到达节点i+1处经光波分解复用器后，再经过高速光开关与光纤延迟线或直接与节点i+1相连，进入OBS节点i+1的全光交换模块被交换到相应的输出端口。

本发明提出的基于平行光纤链路的波长分配方法如图3所示，平行光纤由两根同属性的光纤构成，每根光纤传输λ₀，λ₁，…，λ_w共W+1个波长，其中每根光纤中的波长λ₀专用于传输控制信息，余下的λ₁，λ₂，…，λ_w共W个波长每N个波长分成一组，这W个波长用于传输用户数据。

本发明提出的OBS节点采用一般的OBS节点即可，对OBS节点的交换矩阵要求绝对无阻塞或可重构无阻塞，同时要求该交换矩阵可以动态的、灵活的、支持多种颗粒度的全光交换。

2.具体的结构方案实例

在利用平行光纤解决光突发交换中突发数据包竞争的结构设计中，同属性光纤，光波分复用器/解复用器、高速光开光及一般的突发数据包竞争解决器件(如光纤延迟线、波长变换器等)等是构建平行光纤链路解决突发数据包竞争的基本器件。作为一个实例，选用本发明中列举的这些基本器件，可构成如图2所示OBS平行光纤链路，按照图3所示波长分配方法可以构成阻塞率和丢包率大大降低的OBS网络。

借助于仿真软件，按照本发明提出的平行光纤链路模型的实例及图3所示波长分配方法，建立了如图4所示14节点21连接的NSF光突发交换网络，图中圆圈表示美国自然科学基金网络的节点，圆圈中的数字表示节点序号，连接圆圈的线段表示平行光纤链路，线段上的数字表示节点之间的距离，单位为公里。图5显示了仿真所得到的NSF网络丢包率性能。图5的图标中的SS(Self-similar Source)表示自相似业务源，PS(Poisson Source)表示泊松业务源；SF(single fiber)表示链路模型中只有一根光纤，DF(dual fiber)表示链路模型中有两根平行光纤；DW(dual wavelengths)表示每根光纤中有2W个波长用于传输用户数据。具体说，标有“DF_SS”的曲线表示链路模型中有两根光纤，业务源采用自相似源时所得网络性能曲线；“SF_SS”的曲线表示链路模型中只有一根光纤，业务源采用自相似源时所得网络性能曲线；“DF_PS”的曲线表示链路模型中有两根光纤，业务源采用泊松源时所得网络性能曲线；“SF_PS”的曲线表示链路模型中只有一根光纤，业务源采用泊松源时所得网络性能曲线；“SF_DW_SS”的曲线表示链路模型中只有一根光纤，每根光纤中有2W个波长用于传输用户数据，业务源采用自相似源时所得网络性能曲线；“SF_DW_PS”的曲线表示链路模型中只有一根光纤，每根光纤中有2W个波长用于传输用户数据，业务源采用泊松源时所得网络性能曲线。图5所示结果中波长数目参数W＝4。

图5中的曲线都采用的JET(Just Enough Time)资源预约协议，OBS边缘节点处的组包方法为时间长度乘积门限方法。路由协议采用静态的OSPF协议，波长分配方法采用本发明所述方法，每组波长内则采用first-fit方法。从图5可以看出，在网络归一化负载低于0.1时，采用两根平行光纤(DF)链路的网络丢包率比采用单根光纤(SF)链路网络丢包率低3个数量级；在网络归一化负载高于0.1且低于0.45时，采用两根平行光纤(DF)链路的网络丢包率比采用单根光纤(SF)链路网络丢包率低2个数量级。当采用单根光纤(SF)链路但分别采取W个波长(即图中SF)和2W个波长(即图中SF_DW)传输数据时，SF_DW网络丢包率仅比SF网络丢包率在对数坐标系中看不到差别，实际SF_DW网络丢包率仅比SF网络丢包率低5～7％。

以上为本发明的实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见的想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。