基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统

摘要

一种基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统，所述单向光总线包括一个召集节点、M-2个中间节点和一个终止节点，M≥3，且M为自然数，所述单向光总线上每个节点的数据流都是单一服务类型，所述基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统包括：节点紧迫度参数计算模块，活动节点占空比计算模块，标签值计算模块和优先级判定模块；根据所述优先级判定模块，有请求到达光总线上的一个节点时，依照优先级高低依次传输数据。本发明提高光总线的活跃度和满足实时性要求，达到让位于一条光总线上的所有节点(用户)满足各自的信息传输时延要求，并同时达到提高光总线利用率的目的。

说明书

技术领域

本发明属于光纤通信网络领域中的访问控制系统，适用于对光总线网络中的节点动态设定优先级，满足信息具有不同时延要求的场合。

背景技术

近年来，随着数据类通信业务量的爆炸式增长，底层光通信网络支持的业务类型也发生了很大变化，从原来主要支持面向连接的声音信息、到目前以支持数据信息和突发类数据信息为主。而近年来光纤传输技术、交换技术以及光电子器件技术的长足进展，使得单个光纤通信信道传输的容量越来越大、速率越来越高，由原来的单信道2.5Gb/s、到目前的单信道20Gb/s，预计单信道40Gb/s亦可在不久的将来获得商用。在这样的情况下，如果再延用波长路由光通信网络中光路(lightpath)建立和释放方式(即根据用户的请求，为该用户建立一条专有光路，当该用户信息传输完毕后，即刻释放该光路)，可能会浪费大量的容量资源，因为在大部分情况下传输一个用户信息所需要的容量要比一条光路的容量小得多。鉴于此，2003年提出了可由多个用户共享一条光路容量的单向光总线网络。

一条单向传输的光总线，由于损耗的限制一般只能支持有限数目的节点。光总线的第一个节点称为召集节点，最后一个节点称为终止节点。其结构特点是上游节点的优先级高于下游节点，即上游节点具有使用该光总线容量的优先权。其优点是一旦一条光总线建立，该光总线上的所有节点都可以接入它并传送信息，接入方式不同于光路(Lightpath)的建立和释放，光总线上的各个节点以时分复用方式接入，一个时隙(slot)只能有一个节点传输信息。因此当光总线上的一个节点向另一个节点传送信息时，节点硬件(比如光开关)无需重置。其缺点是一旦上游节点有大量信息(特别是突发类信息)需要传输，会出现下游节点无机会使用该光总线的情况(称“下游饿死”)。因此在光总线网中动态调整节点的优先级是非常重要的，与此相关地，满足光总线网中各节点的最大等待时延要求也非常重要。

由于单向光总线网是近年来提出的新型光通信网络结构，目前该领域研究主要集中在其网络结构，光总线的建立、取消、扩展、压缩，控制协议等方面，涉及光总线上访问控制的优先级设定和调整方面的研究非常少。与本发明最接近的现有技术是一种单向光总线网的技术方案(Ashwin Gumaste and Imrich Chlamtac，Light-trails：an opticalsolution for IP transport，vol.3，No.5，pp261-281，2004)。主要涉及一种单向光总线网的结构、控制协议、光学特性、网络性能分析和评估，其中提到光总线中数据传输的优先级是按照召集节点到终止节点的顺序，依次降低。因此并不能很好地解决各节点信息传输的时延问题，即不能满足位于光总线上的节点(用户)各自的等待时延要求，导致大量的包丢失，光总线利用率也不高。

发明内容

为了解决现有技术的单向光总线访问控制策略不能很好的利用光总线资源，不能满足数据传输的实时性要求的问题，本发明提出一种综合考虑活动节点率和时延要求的访问控制系统，以提高光总线的活跃度和满足实时性要求，达到让位于一条光总线上的所有节点(用户)满足各自的信息传输时延要求，并同时达到提高光总线利用率的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统，所述单向光总线包括一个召集节点、M-2个中间节点和一个终止节点，M≥3，且M为自然数，所述单向光总线上每个节点的数据流都是单一服务类型，所述基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统包括：

节点紧迫度参数计算模块，用于计算节点处数据是否急于发送，设定到达每个节点的数据流都有一个服务的最大等待时延为T_i，其中，i代表单向光总线上的不同节点，t_i表示从服务的第一个包到达的时刻开始已经等待的时间；节点紧迫性参数$J=\frac{t_i}{T_i}$表示已经等待的时间占总时延的比例；

活动节点占空比计算模块，用于计算一次光连接中活动节点占总节点数的比例，所述活动节点是指参与传输和接收数据的节点，l_sd表示一次数据传输请求成功时，源节点与目的节点之间活动节点的数目，M表示该条光总线的总节点数，占空比$S=\frac{l_{\mathrm{sd}}}{M}$表明一次成功请求的连接中，光总线中的活动节点占总节点数的比例；

标签值计算模块，用于计算数据请求节点的标签值来判断该节点的优先级；标签值计算采用设定不同的权值的方式，标签值计算公式如下：

bid＝a*J+b*S，0＜a＜1，0＜b＜1，a+b＝1

其中，a和b为设定权值；

优先级判定模块，用于初步确定各个节点的优先级，计算得到光总线上某一节点的标签值bid_i，其中i代表光总线上的不同节点，并与其他节点的标签值比较大小，按降序排列bid_i值，标签值bid_i越大，对应节点的优先级就越高；

根据所述优先级判定模块，有请求到达光总线上的一个节点时，依照优先级高低依次传输数据。

进一步，所述基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统还包括：

大丢包率节点处理模块，用于为丢包率大的节点新建光总线，所述大丢包率节点是指节点的丢包率大于总丢包率的一半，判断条件如下：

$d_i^{\prime \prime }/\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_i>0.5(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_i^{\prime \prime }/\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_i)$

其中d″_i表示节点i丢失的数据量，如果所述判断条件成立，则该节点为大丢包率节点，为该节点重新建立一条光总线。

再进一步，在一个服务周期内，信息传输的执行过程为：

步骤1：有请求到达光总线上的一个节点时，该节点马上发送一个信息给终止节点；

步骤2：终止节点收到信息后将其存入数据库中，计算标签值bid_i，并与其他节点的标签值进行比较，得到该节点的优先级，数据已发送或丢弃后，清空数据库；

步骤3：终止节点向所有节点广播优先级信息；

步骤4：优先级最高的节点开始传输数据，在传输数据的过程中，如果有更高优先级的信息到来，则该节点停止发送信息，让优先级更高的节点传输数据，否则，直到其请求的数据全部发送完毕；

步骤5：请求的数据全部发送完毕后，该节点发送一个信息给次优先级节点，

步骤6：次优先级节点执行过程与前一节点相同，直至优先级最低节点，完成一个服务周期，然后开始新一轮的需求申请。

更进一步，所述基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统还包括：

光总线活跃度评价模块，用以评价单条光总线上活动节点率，活动节点率户的计算公式如下：

P＝∑l_s，d/(Times×M)

其中∑l_s，d表示成功传输的请求中活动节点总数目，M表示光总线的总节点数目，Times表示请求的总次数。

所述基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统还包括：

丢包率评价模块，用以评价单条光总线的丢包率。丢包率D的计算公式如下：

D＝∑d″/∑d_i

其中∑d″表示丢失的数据总容量，∑d_i表示各个节点的数据容量总和。

所述光总线活跃度评价模块和丢包率评价模块，主要完成对本发明基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统的一种反馈控制过程。首先根据光总线上的各个节点的信息传输时延要求，初步确定标签值计算公式中的权值a和b，并得到各节点的标签值以及优先级；其次对所述丢包率和活动节点率进行模拟计算，若丢包率性能差，则增大a值、减小b值，直至丢包率满足要求，若丢包率性能好而活动节点率性能很差，则减小a值、增大b值，直至在满足丢包率要求条件下同时具有较好的活动节点率性能，完成反馈控制过程。

本发明的技术构思为：提出了一种基于优先级动态调整的单向光总线网络的访问控制策略，所述访问控制策略包括由一个召集节点，(M-2)个中间节点，一个终止节点构成的一条包含M个节点的单向光总线；光总线上节点紧迫度参数计算方案；光总线上活动节点占空比计算方案，光总线上标签值计算方案，光总线上优先级判定方案，光总线上大丢包率节点处理方案，优先级判定后信息传送的执行过程；光总线丢包率和活跃度的评价方案共同组成。

本发明的有益效果主要表现在：1、能改善光总线网络中数据传输的实时性要求；2、能同时满足光总线上活动节点比例较大，提高光总线利用率的要求；以达到让位于一条光总线上的所有节点(用户)满足各自的信息传输时延要求，并同时达到提高光总线利用率的目的，推进光总线网络的实际应用。

附图说明

图1是本发明4个节点单向光总线，在不同优先级设定方法下光总线上的丢包率模拟计算结果示意图，图中Node表示节点，Node＝4。

图2是本发明4个节点单向光总线，在不同优先级设定方法下光总线上的活动节点率模拟计算结果示意图，图中Node表示节点，Node＝4。

图3是本发明6个节点单向光总线，在不同优先级设定方法下光总线上的丢包率模拟计算结果示意图，图中Node表示节点，Node＝6。

图4是本发明6个节点单向光总线，在不同优先级设定方法下光总线上的活动节点率模拟计算结果示意图，图中Node表示节点，Node＝6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1：

参照图1和图2，一种基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统，包括一条包含M个节点的单向光总线，M≥3，且M为自然数，所述单向光总线包括一个召集节点，M-2个中间节点和一个终止节点；光总线上每个节点的数据流都是单一服务类型。基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统还包括：

节点紧迫度参数(J)计算模块，用来计算节点处数据是否急于发送。到达每个节点的数据流都有一个服务的最大等待时延T_i，其中i代表光总线上的不同节点，t_i表示从服务的第一个包到达的时刻开始已经等待的时延；节点紧迫性参数$J=\frac{t_i}{T_i}$表示已经等待的时间占总时延的比例，J值越大，表明等待的时间越长、紧迫度越高，越需要尽快发送。

活动节点占空比(S)计算模块，用来计算一次光连接中，活动节点占总节点数的比例，所述活动节点是指参与传输和接收数据的节点。l_sd表示一次数据传输请求成功时，源节点与目的节点之间活动节点的数目(包括源节点与目的节点在内)，M表示该条光总线的总节点数，占空比$S=\frac{l_{\mathrm{sd}}}{M}$越大，表明一次成功请求的连接中，光总线中的活动节点数目越多，空闲节点数目越少，光总线活跃度就越高，即光总线的利用价值越高，被缩短或者拆除的概率越小。

标签值(bid)计算模块，计算数据请求节点的标签值，来判断该节点的优先级。标签值计算采用设定不同的权值的方式，标签值计算公式如下：

bid＝a*J+b*S，0＜a＜1，0＜b＜1，a+b＝1

根据需要来调整a和b的取值，得出不同需要时的标签值，如果建立一条光总线，主要希望一次光连接过程中活动节点的数目尽量多，提高光总线的利用率，则优先级设定时a取值尽量小、b取值尽量大，比如取a＝0.05，b＝0.95；如果建立一条光总线，主要希望满足数据的实时性要求，减少因时延而导致的包丢失，则优先级设定时a取值尽量大、b取值尽量小，比如取a＝0.95，b＝0.05；如果建立一条光总线，希望在满足数据的实时性传输要求的同时也使光总线的利用率最大化，则需均衡a和b的取值，比如取a＝0.65，b＝0.35。

优先级(H)判定模块，用来初步确定各个节点的优先级。计算得到光总线上某一节点的标签值bid_i，其中i代表光总线上的不同节点，并与其他节点的标签值比较大小，按降序排列bid_i值，标签值bid_i越大，对应节点的优先级就越高，优先级由高到底依次为H＝1，2，…m…M；所述优先级排序并不固定，根据新的节点请求到达进行动态调整。

大丢包率节点处理模块，用来为丢包率大的节点新建光总线。所述大丢包率节点是指节点的丢包率大于总丢包率的一半，判断条件如下：

$d_i^{\prime \prime }/\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_i>0.5(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_i^{\prime \prime }/\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_i)$

其中d″_i表示节点i丢失的数据量，如果所述判断条件成立，则该节点为大丢包率节点，需要为该节点重新建立一条光总线。

本实施例的一种基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统，包括由一个召集节点，(M-2)个中间节点，一个终止节点构成的一条包含M个节点的单向光总线；光总线上节点紧迫度参数计算方案；光总线上活动节点占空比计算方案，光总线上标签值计算方案，光总线上优先级判定方案，光总线上丢包率大的节点处理方案，优先级判定后信息传送的执行过程；光总线丢包率和活跃度的评价方案共同组成。

所述一条单向光总线上的终止节点是该光总线上的最后一个节点，终止节点并无用户信息需要发送，因此设定其为该光总线的控制节点，负责收集前(M-1)个节点发来的需求信息，并执行标签值的计算和判定，得出优先级顺序，以及对前(M-1)个节点行为的监控。通过单独的控制信道向各节点发送控制信息。

所述有请求到达的节点，先确定本节点服务要占用的活动节点比例和所需求的最大等待时延，以及已经等待的时间，并将其发送给终止节点，获得优先级值；通过单独的控制信道接收终止节点发来的控制信息，并通过广播的方式向其下游节点发送。

所述最大等待时延是指该节点的请求能够等待的最长时间，如果在这一时间内没有发送成功，则请求失败。

所述节点紧迫度参数(J)根据节点请求的最大等待时延T_i，其中i代表光总线上的不同节点，以及请求已经等待的时间t_i来计算，所述节点紧迫度计算公式如下：

$J=\frac{t_i}{T_i}$

节点紧迫度J表示已经等待的时间占总时延的比例，该值越大，表明等待的时间越长、紧迫度越高，越需要尽快发送。

所述活动节点占空比(S)根据一次请求中活动节点数目和光总线总节点数目来计算，计算公式如下：

$S=\frac{l_{\mathrm{sd}}}{M}$

其中l_sd表示一次数据传输请求成功时，源节点与目的节点之间活动节点的数目(包括源节点与目的节点在内)，M表示该条光总线的总节点数，占空比S越大，表明一次成功请求的连接中，光总线中的活动节点数目越多，空闲节点数目越少，光总线的利用价值越高，被缩短或者拆除的概率就越小。

所述标签值(bid)根据节点请求的紧迫度J和活动节点占空比S来确定。标签值计算公式如下：

bid＝a*J+b*S，0＜a＜1，0＜b＜1，a+b＝1

根据需要来调整a和b的取值，得出不同需要时的标签值，如果建立一条光总线，主要希望一次光连接过程中活动节点的数目尽量多，提高光总线的利用率，则优先级设定时a取值尽量小、b取值尽量大，比如取a＝0.05，b＝0.95；如果建立一条光总线，主要希望满足数据的实时性要求，减少因时延而导致的包丢失，则优先级设定时a取值尽量大、b取值尽量小，比如取a＝0.95，b＝0.05；如果建立一条光总线，希望在满足数据的实时性传输要求的同时也使光总线的利用率最大化，则需均衡a和b的取值，比如取a＝0.65，b＝0.35。

所述节点优先级H是根据每个节点的标签值参数来得到各个节点的优先级。计算得到光总线上某一节点的标签值bid_i，其中i代表光总线上的不同节点，并与其他节点的标签值比较大小，按降序排列bid_i值，标签值bid_i越大，对应节点的优先级就越高，优先级由高到底依次为H＝1，2，…m…M；所述优先级排序并不固定，根据新的节点请求到达进行动态调整。

所述大丢包率节点的处理是根据节点的丢包概率来判断是否为其新建光总线，判断各个节点的丢包率是否大于总丢包率的一半，即判断$d_i^{\prime \prime }/\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_i>0.5(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_i^{\prime \prime }/\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_i)$是否成立，如果成立，则为该节点重新建立一条单向光总线。

所述一个服务周期内信息传输的执行过程步骤如下：

步骤1：有请求到达光总线上的一个节点时，该节点马上发送一个信息给终止节点，信息格式如下：

  需求容量(d_i)最大等待时延(T_i)  已等待时间(t_i)

步骤2：终止节点收到信息后将其存入数据库中，计算标签值bid_i，并与其他节点的标签值进行比较，得到该节点的优先级。

数据已发送或丢弃后，清空数据库。

步骤3：终止节点向所有节点广播优先级信息。

步骤4：优先级最高的节点开始传输数据，在传输数据的过程中，如果有更高优先级的信息到来，则该节点停止发送信息，让优先级更高的节点传输数据，否则，直到其请求的数据全部发送完毕。

步骤5：请求的数据全部发送完毕后，该节点发送一个信息给次优先级节点，信息格式如下：

节点号(i)0(表示数据传输完毕)H＝M+1(表示优先级调整为最低)

步骤6：次优先级节点执行过程与前一节点相同，直至优先级最低节点，完成一个服务周期，然后开始新一轮的需求申请。

所述基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统评价方案包括：丢包率评价和光总线活动节点率评价。

所述丢包率评价准则具体定义为光总线上采用优先级动态调整方案，传输数据产生的包丢失率D＝∑d″/∑d_i，其中∑d″表示丢失的数据总容量，∑d_i表示各个节点的数据容量总和，与优先级固定不变的方式传输数据产生的包丢失率的比较，丢包率越小越好。

所述活跃度评价准则具体定义为一次请求中活动节点的数目越多越好，活动节点越多表示光总线活跃度越高。所述光总线活跃度评价准则表述为户＝∑l_s，d/(Times×M)，其中∑l_s，d表示成功传输的请求中活动节点总数目，M表示光总线的总节点数目，Times表示请求的总次数。

所述光总线活跃度评价模块和丢包率评价模块，主要完成对本发明基于优先级动态调整的单向光总线网络访问控制系统的一种反馈控制过程。首先根据光总线上的各个节点的信息传输时延要求，初步确定标签值计算公式中的权值a和b，并得到各节点的标签值以及优先级；其次对所述丢包率和活动节点率进行模拟计算，若丢包率性能差，则增大a值、减小b值，直至丢包率满足要求，若丢包率性能好而活动节点率性能很差，则减小a值、增大b值，直至在满足丢包率要求条件下同时具有较好的活动节点率性能，完成反馈控制过程。

本实施例中单向光总线节点数目M＝4，光总线总容量C＝1，d_i在[0，0.5]之间取随机值，评价不同优先级设定方法下光总线的丢包率，得到附图1所示的结果，评价不同优先级设定方法下光总线活跃度，得到附图2所示的结果，可见优先级固定不变的情况丢包率最大，且活动节点率最小。当优先级设定偏重时延要求(即a＝0.95，b＝0.05)，丢包率最小，但是活动节点率较小。当优先级设定偏重活动节点率(即a＝0.05，b＝0.95)，丢包率较大，由于时延而丢失的请求较多。而当优先级设定同时考虑时延和活动节点率(即a＝0.65，b＝0.35)，则丢包率小，几乎与优先级偏重时延的方法丢包率持平，同时活动节点率最大。为保证光总线的整体性能，优先级应该将时延和活动节点率两个因素综合考虑。

实施例2：

本实施例中光总线节点数目M＝6，其他参数与实施例1相同，评价不同优先级设定方法下光总线的丢包率，得到附图3所示的结果，评价不同优先级设定方法下光总线活跃度，得到附图4所示的结果，可见优先级固定不变的情况丢包率最大，且活动节点率最小。当优先级设定偏重时延要求(即a＝0.95，b＝0.05)，丢包率最小，但是活动节点率较小。当优先级设定偏重活动节点率(即a＝0.05，b＝0.95)，丢包率较大，由于时延而丢失的请求较多。而当优先级设定同时考虑时延和活动节点率(即a＝0.65，b＝0.35)，则丢包率小，几乎与优先级偏重时延的方法丢包率持平，同时活动节点率最大。当将时延和活动节点比例两个因素按13∶7综合考虑时，光总线的整体性能最好。

从本实施例(参见附图3-4)还可以看出，随着光总线节点数目的增加，光总线上的丢包率增大，活跃度下降。因此光总线的总长度是有限制的，不能无限增长。

本实施例的其他结构和工作过程均与实施例1相同。