一種混合光交換網絡的傳輸方法
2023-07-09 15:21:06 5
專利名稱：一種混合光交換網絡的傳輸方法
技術領域：
本發明屬於光網絡通信技術領域，特別是一種涉及光電路交換(ocs)和光突發交換
(OBS)的混合光交換網絡的傳輸方法。
背景技術：
最初的光網絡通過點與點之間光纖鏈路的互聯組成，通常用於構建骨幹傳送網。光信 號在光纖的一個波長信道上傳送，每個網絡節點都要將光信號轉換為電信號進行處理，然 後再次轉換為光信號以便繼續傳送。由於骨幹網絡拓撲結構的連通度很低，待傳送的數據 中大約70%是轉發數據，即數據需要經過多個網絡節點才能到達目的節點。由於電域的處 理速度遠遠低於光域的傳輸速度，因此，電域處理能力是光網絡的瓶頸。針對這個問題， 研究者們提出了一些解決方案，產生了WDM (Wavelength Division Multiplex波分復用) 光網絡及相應的交換技術一光電路交換(Optical Circuit Switching, OCS)、光分組交換
(Optical Packet Switching, OPS)和光突發交換(Optical Burst Switching, OBS)。
光電路交換(ocs)和傳統的電路交換類似，數據傳送前需要建立從源到宿的光路
(lightpath，由所經多個物理光纖鏈路上同一波長的波長信道組成)；光路建立後可以實現 業務流在光域的端到端透明傳輸；然而當業務流呈現高突發性時，考慮光路建立、維護和 拆除等開銷，完全根據業務請求動態地建立和拆除光路就難以實現。光分組交換(OPS) 與傳統的分組網絡(交換)類似，採用存儲轉發技術，由於它可以統計復用波長資源，因 而適合承載突發業務；然而OPS對光器件要求很高，其實用化前景受制於光器件技術， 短期內還無法大面積商用。光突發交換(OBS)是OCS、 OPS兩種交換方式的折中；其傳 送的方法是:數據到達OBS網絡節點時按照目的地址和其他屬性(如服務質量QoS， Quality of Service)被分類，同類的多個數據分組被匯聚成突發包(Burst)，同時生成一個獨立的 控制分組，即突發頭(Burst Head Packet, BHP)，突發頭(BHP)先於突發包(Burst)進 入控制信道，在途徑的每一個OBS網絡節點處為對應的Burst預約波長資源(傳輸信道)， 使得Burst能夠實現全光路交換;然而OBS存在的關鍵問題是沒有解決好預約衝突的問題， 因而傳送過程中突發包(Burst)被丟棄的現象(事故)無法避免和有效降低。
針對上述單一的光交換方式存在的缺陷及IP業務的高突發性、業務量大小不可預測， 業務量持續時間頻繁變化等特點，人們將不同的光交換技術進行綜合利用。由於光分組交 換技術在現有的技術條件下難以實現，因此， 一般是把光電路交換和光突發交換技術結合 起來、組成混合光交換技術；該混合光網絡交換技術主要包括主從型和平行型。主從型網 絡由客戶層(Client)和服務層(Server)構成，；其中，Client層採用OBS/OPS交換，Server 層採用OCS交換，突發包/分組在Client層交換，通過Server層的光路到達目的節點；本質上主從型網絡仍屬於OBS交換。平行型網絡由並行存在的OBS和OCS兩層組成，網 絡中各節點均由OBS模塊和OCS模塊構成，兩種交換模式相對獨立，共享網絡資源；網 絡邊緣節點將IP分組根據其持續時間,服務質量要求等分為短業務流(突發業務流)和長 業務流(正常業務流)，使用OBS傳送短業務流，OCS傳送長業務流，且業務傳送方式不 再改變。該平行型網絡僅將OCS、 OBS簡單疊加，沒能將其有機結合在一起、協同傳輸， 加之IP分組的難度較大，因此該混合光網絡交換方式亦難以有效降低丟包率。
此外，業務傳送的安全性，是光網絡傳輸應解決的另一重要方面。美國FCC的統計 數據顯示，若一傳輸容量為Tb/s的光纖發生故障，將至少影響1200萬對電話業務。因此， 在網絡出現故障時，如何保證使受影響的業務得以繼續順利傳送亦是光網絡傳輸中的重要 任務。現有用於應對網絡故障的保護性措施是增設專用的備用光路，即針對每個可能發生 故障的區間預設保護性的備用光路，用以分流受阻的業務；即針對每個可能發生故障的區 間預設備用光路，用以傳輸受阻(亦稱"失效")的業務；根據備用資源可否共享，備用 光路又分為專用的備用光路和共享的備用光路兩大類；根據實施保護的方式，保護又分為 鏈路保護、分段保護和通路保護。
基於鏈路的保護是指在建立每一條工作光路時，針對該光路經過的每條鏈路預設一條 備用光路，當網絡發生鏈路故障時，原擬經過該鏈路工作光路上的數據流改由該備用光路 傳輸，從而繞過故障點繼續進行；
分段保護是指將工作光路分成若干段，然後對每個段分別建立備用光路，當某段工作 光路發生故障時，發生故障的工作光路段上承載的數據會被切換到相應的備用光路上傳 輸。
基於通路的保護是指在建立工作光路的同時，在同一源目節點對間建立一條備用光路。
因而，上述混合光交換網絡存在只能按預先設定的傳送方式進行，傳輸的靈活性差； 在業務傳送的安全性方面，針對每個可能發生故障的區間(段)預設保護性的備用光路， 這些備用光路在網絡無故障發生時均處於閒置狀態，因而存在網絡的傳輸效率較低、應對 網絡故障的處理方法落後，網絡資源的閒置率高、浪費大，丟包率及網絡的運行成本較高 等缺陷。
發明內容
本發明的目的是在背景技術基礎上，改進設計一種混合光交換網絡的傳輸方法，以 有效提高網絡資源的利用率和混合光交換網絡的傳輸效率，確保業務傳送的安全性，有效 降低丟包率及網絡的運行成本等目的。
本發明的解決方案是針對背景技術存在的缺陷，將原固定採用OBS傳送短業務流(突發 業務流)，OCS傳送長業務流(正常業務流)的傳輸方式，改為當網絡正常工作時，全 部數據(業務)流均由OCS光路(層)傳送；當數據(業務)量突發性增長造成光路過載時，再通過OBS發送其超過OGS光路承載能力的溢出數據(業務)流；而在網絡發生
故障時、即出現一條或多條OCS光路故障時，亦通過該OBS光路(層)，將受阻的數據 (業務)繼續傳送到目的節點；本解決方案中網絡各節點內的OBS和OCS模塊均具有 OBS和OCS的交換能力；本發明即以此實現其目的。因而本發明方法包括
A. 建立混合光交換網絡
首先根據數據(業務)量、鏈路可用波長信息，建立光路，組成ocs傳輸層，同時
為不同源目節點對確定OCS路由並建立相應的路由表(OCS路由表)；然後再設置OBS 傳輸層，配置OBS層每條鏈路的可用波長、為不同源目節點對確定OBS路由，並建立相 應的路由表(OBS路由表)；在配置OBS層各鏈路可用波長時，每條鏈路均用一個波長信 道作為控制信道，用於傳送突發頭，其餘波長信道用於傳送突發包；網絡中各節點仍由 OBS模塊和OCS模塊組成；
B. 數據(業務)傳送流程，包括
步驟l.O.選擇OCS光路根據進入網絡數據包(數據包為IP分組形式)的源目地址
禾口ocs路由表，確定ocs傳輸光路；
步驟l丄判斷光路是否暢通針對由步驟1.0.選定的光路，根據網絡節點中光路檢 測模塊的實時信息及光路緩存佔用情況判斷光路是否暢通，若不暢通，則經1丄1或1丄2 轉步驟2.0處理；否則轉步驟1.2;
步驟1.2 .數據包發送將由步驟1.1進入的數據放入光路緩存，並記錄光路緩存佔用 情況，然後將緩存中的隊頭數據包經OCS光路發送至步驟3.0;
步驟2.0.突發包/突發頭生成當由步驟U經U.l或U.2進入溢出緩存的數據達 到匯聚門限值後、將其匯聚為突發包，同時生成對應的突發頭，然後轉步驟2.1;
步驟2.1 .確定OBS傳送光路根據突發頭記錄的目的節點信息及OBS路由表確定 OBS傳送光路後，轉步驟2.2發送；
步驟2.2.發送突發頭及突發包首先將由步驟2.1或/和步驟4.1進入的突發頭經選定
的光路控制信道發送到步驟4.0;隨後再將對應的突發包經該光路的數據信道亦發送到步 驟4.0;
步驟3.0.數據包是否到達本地節點根據步驟1.2經OCS光路進入的數據包頭記錄 的目的地址判斷該數據包是否到達本地節點；若是則轉步驟5.0;否則返回步驟1.0;
步驟4.0.突發頭/突發包是否到達本地節點由步驟2.2經OBS光路進入的數據包， 根據突發頭記錄的目的地址判斷該數據包是否到達本地節點；若是則轉步驟5.0;否則轉
步驟4.1;
步驟4丄轉發處理由步驟4.0進入的數據包，根據其突發頭記錄的目的地址及OBS 路由表確定轉發光路，並為對應突發包預約數據信道，若預約成功則返回步驟2.2發送； 反覆進行步驟2.2、 4.0、 4.1，直至數據包到達本地節點5.0;否則轉步驟6.0;步驟5.0.接收數據包由步驟3.0或/和步驟4.0到達本地節點的數據包，按常規方法 處理後轉發給目的地址；
步驟6.0.丟棄處理:將由步驟4.1轉入的預約數據信道未成功的突發頭及突發包丟棄， 並記錄丟棄量。
上述網絡中OCS光路所佔波長資源與OBS光路所佔波長資源之比》1。 本發明將通常採用的OCS、 OBS兩種交換方式有機地結合起來組成混合光交換網絡， 且由OBS模塊和OCS模塊組成的網絡節點同時具有OBS和OCS的交換能力；當網絡正 常運行時，全部數據流均通過OCS光路層傳送；當數據量突發性增長造成OCS光路過載 時，再通過OBS光路發送其超過OCS光路承載的溢出數據流；而在網絡發生故障時、即 出現一條或多條OCS光路故障時，亦通過該OBS光路(層)，將受阻的數據流繼續傳送； 即在不設置任何備用光路的條件下、便可將因數椐量突發增長產生的溢出數據流及因光路 故障而受阻的數據流及時、安全地傳送到目的節點。從而具有網絡資源的利用率及傳輸效 率高，有效地提高了數據(業務)傳送的安全性和可靠性，丟包率大幅度下降，網絡的運 行成本低等特點。
圖1為本發明混合光交換網絡數據傳送流程示意圖； 圖2為本發明混合光網絡整體架構示意圖中A、 B、 C、 D均為OBS交換模塊，a、 b、 c、 d為OCS交換模塊，A-a、 B-b、 C- c及D-d分別為網絡的4個節點；虛線框表示沿OBS光路傳送的突發頭和突發包，實 線框表示沿OCS光路傳送的數據包；
圖3為實施例1的數據傳送原理其中，A、 B、 C、 D、 E表示網絡節點中的光突發交換模塊，a、 b、 c、 d、 e為OCS 交換模塊，m、 n均表示OCS光路暢通時由光路承載的數據，h、 b分別表示在OBS層傳送 的突發頭和突發包，粗實線表示一條從A到C的OCS光路，虛線表示從A到D的OCS光路， 雙點畫線表示A到C的0BS層通路。
圖4為實施例2 NSFNET-14網絡的拓撲結構示意圖；圖中0-13分別表示網絡的14個 節點位置。
具體實施例方式
實施例h本實施例以由五個節點組成的網絡為例，網絡中每根光纖上有5個波長， 各鏈路均為雙向鏈路，附圖3為本實例數據傳送原理示意圖
a.建立混合光交換網絡根據業務量矩陣r二
formula see original document page 6
建立ocs光路:a-b-c-d-e， a-b-c-d, d-e， b-d-c, e-c-a-b,共計佔用12個波長；各光路平均承載量(107比特/ 秒)分別為50、 20、 15， 10， 7; OBS層與物理拓撲網絡同構，OBS層可用波長為其 餘8個波長資源，其中每條鏈路上用一個波長信道作為傳送突發頭的控制信道，其他波長 信道作為傳送突發包的數據信道；
B.數據傳送當數據流進入網絡點後即按以下步驟進行傳送
步驟1.0. OCS光路選擇根據各數據包的源目地址和OCS光路由表確定光路及對應的 出埠；
步驟l丄判斷光路是否暢通根據網絡節點中的光路檢測模塊的實時信息及光路緩存 佔用情況(本實施例緩存上限值為100個IP分組長度)判斷出埠對應的光路是否暢通， 若光路暢通則轉步驟1,2(即當光路處於正常負荷狀態時，數據包由對應光路傳送，本實施 例依次按照1.0-1.1-1.2-3.0-5.0步驟到達目的節點)，否則(即當光路過載或光路中斷時則) 轉步驟2.0;
歩驟L2.數據發送將由步驟l.l進入的數據放入光路緩存，並記錄光路緩存佔用情 況，然後將緩存中的隊頭數據包經OCS光路發送至步驟3.0;
步驟2.0突發包/突發頭生成將由1.1經步驟1丄1或1丄2進入的數據包按照最小長 度-最大匯聚時間方法(Min-Burst-Length Max-Assembly-Period algorithm)匯聚為突發包， 同時生成對應的突發頭，(匯聚處理中長度門限為100個IP分組長，時間門限為0.02秒) 然後轉步驟2.1確定OBS層路由；
步驟2.1確定OBS路由(傳送光路)按突發包擬到達的本地節點及OBS路由表確定 下一跳及本節點處的轉發埠 (當光路a-b-c-d-e過載時，其過載數據作為溢出數據經過突 發包組裝和生成突發頭後，確定的OBS路由為a-b，b-c,c-d,d-e)，然後轉步驟2.2發送；
步驟2.2發送突發頭及突發包將由步驟2.1或/和步驟4.1進入的突發頭首先經過通 往下一跳節點的控制信道發送到步驟4.0，繼後再將對應的突發包經過通往相同節點的數 據信道發送到步驟4.0 (即光路a-b-c-d-e過載時，突發頭和突發包即按a-b-c-d-e的順序轉 發、直到e止)；
步驟3.0由OCS光路傳送的數據包是否到達本地節點由步驟1.2送入的數據包，根 據數據包中紀錄的目的地址判斷該數據包是否到達本地節點；若是則直接轉步驟5.0;否 則返回步驟1.0;
步驟4.0判斷突發頭/突發包是否到達本地節點由步驟2.2進入的數據包，根據其突 發頭上的目的地址(例如為e)判斷是否到達本地節點；若是則轉步驟5.0;否則轉步驟 4.1;(光路a-b-c-d-e過載時，其中溢出數據包的路由為a-b, b-c， c-d， d-e;此時到達網絡 節點b,c,d的數據包都需經本步驟判斷後轉發處理，才能到達目的地址e);
步驟4.1 OBS轉發處理由步驟4.0進入的數據包，根據突發頭記錄的擬到達的本地 節點(例如e)和OBS路由表確定下一跳及本節點處的轉發埠，並根據突發頭中信息為 對應突發包預約波長資源，若通往下一跳節點的波長資源預約成功則返回步驟2.2;(光路a-b-c-d-e過載時，突發頭需要在b,c，d處預約波長資源，預約成功才能將突發頭和突發包 繼續向前傳送)否則轉步驟6.0;
步驟5.0到達本地節點後的數據處理將由步驟3.0或/和步驟4.0進入的數據包進行 處理並轉發至目的地址並進行數據量及平均時延數據統計等處理；
步驟6.0丟棄突發頭/突發包，記錄丟失量將由步驟4.1進入的預約失敗的數據包作
丟棄處理並同時記錄其丟失量。
實施例2:本實施例採用NSFNET-14網絡，物理拓撲網絡結構如附圖4所示。網絡中
鏈路為雙向鏈路，波長復用數為16，業務量矩陣為
.05810 342 77701171 856 T= 41090 206 0 0 0 0
A.建立混合光交換網絡根據業務量矩陣T建立的OCS光路分別為0-1， 1-0, 1-2， 1-0-4-3，……共119條，各光路的平均承載量則分別為581、 777、 1171、 856、……；OBS
網絡結構與物理拓撲網絡結構同構，OCS光路建立後剩餘的波長資源均配給OBS;在確 定OBS層路由時，本實施例先計算出節點對間的前K條最短路(K取4)，然後進行路由 負載優化，得到OBS路由表； B.數據包的傳送步驟
本實施例進入網絡的數椐流為定長1250BytesIP包，波長信道傳輸速率為10Gb/s，突 發包匯聚採用與實施例1相同的最小長度-最大匯聚時間方法(長度門限為IOO個IP包長 度，時間門限為200nS)，單位偏移時間為20nS。數據包的傳送步驟與實施例l相同。
本實施例經仿真運行實驗對比仿真平臺基於OPNET，測試是在相同的資源配置及網 絡業務量動態變化的條件下進行，實驗的內容是將單一的光電路交換(OCS)網絡(即基 於保護的OCS網絡)及傳統的平行型混合光交換網絡與本發明混合光交換網絡在丟包率 上的對比l.網絡輕負載時，且當失效鏈路數分別為l， 2, 3時，基於保護的OCS網絡 的丟包率分別為1.82%、 5.89%、 10.98%，平行型混合光交換網絡的丟包率分別為2.95%、 7.55%、 10.42%，而本發明網絡的丟包率僅為0%， 0°/。， 0.8%; 2.網絡中度負載時，失效 的鏈路數亦分別為l， 2， 3時其丟包率OCS網絡依次為1.61%、 6.28%、 15.1%，平行型 混合光交換網絡依次為4.65%、 8.73%、 12.74%，而本發明依次為0、 1.27%、 3.28%; 3.網 絡重負載時，失效的鏈路數分別為1， 2， 3時的丟包率OCS網絡依次為1.14%、 10.61%、 15.5%，平行型混合光交換網絡依次為5.69%、 9.84%、 14.69,而本發明側依次為0、 2.48% 及4.21%。本發明的丟包率均遠遠低於基於保護的光電路交換(OCS)網絡及傳統的平行 型混合光交換網絡。
權利要求
1.一種混合光交換網絡的傳輸方法，包括A.建立混合光交換網絡首先根據數據量、鏈路可用波長信息，建立光路，組成OCS傳輸層，同時為不同源目節點對確定OCS路由並建立相應的路由表；然後再設置OBS傳輸層，配置OBS層每條鏈路的可用波長、為不同源目節點對確定OBS路由，並建立相應的路由表；在配置OBS層各鏈路可用波長時，每條鏈路均用一個波長信道作為控制信道，用於傳送突發頭，其餘波長信道用於傳送突發包；網絡中各節點仍由OBS模塊和OCS模塊組成；B.數據傳送流程，包括步驟1.0.選擇OCS光路根據進入網絡數據包的源目地址和OCS路由表，確定OCS傳輸光路；步驟1.1.判斷光路是否暢通針對由步驟1.0.選定的光路，根據網絡節點中光路檢測模塊的實時信息及光路緩存佔用情況判斷光路是否暢通，若不暢通，則經1.1.1或1.1.2轉步驟2.0處理；否則轉步驟1.2；步驟1.2.數據包發送將由步驟1.1進入的數據放入光路緩存，並記錄光路緩存佔用情況，然後將緩存中的隊頭數據包經OCS光路發送至步驟3.0；步驟2.0.突發包/突發頭生成當由步驟1.1經1.1.1或1.1.2進入溢出緩存的數據達到匯聚門限值後、將其匯聚為突發包，同時生成對應的突發頭，然後轉步驟2.1；步驟2.1.確定OBS傳送光路根據突發頭記錄的目的節點信息及OBS路由表確定OBS傳送光路後，轉步驟2.2發送；步驟2.2.發送突發頭及突發包首先將由步驟2.1或/和步驟4.1進入的突發頭經選定的光路控制信道發送到步驟4.0；隨後再將對應的突發包經該光路的數據信道亦發送到步驟4.0；步驟3.0.數據包是否到達本地節點根據步驟1.2經OCS光路進入的數據包頭記錄的目的地址判斷該數據包是否到達本地節點；若是則轉步驟5.0；否則返回步驟1.0；步驟4.0.突發頭/突發包是否到達本地節點由步驟2.2經OBS光路進入的數據包，根據突發頭記錄的目的地址判斷該數據包是否到達本地節點；若是則轉步驟5.0；否則轉步驟4.1；步驟4.1.轉發處理由步驟4.0進入的數據包，根據其突發頭記錄的目的地址及OBS路由表確定轉發光路，並為對應突發包預約數據信道，若預約成功則返回步驟2.2發送；反覆進行步驟2.2、4.0、4.1，直至數據包到達本地節點5.0；否則轉步驟6.0；步驟5.0.接收數據包由步驟3.0或/和步驟4.0到達本地節點的數據包，按常規方法處理後轉發給目的地址；步驟6.0.丟棄處理將由步驟4.1轉入的預約數據信道未成功的突發頭及突發包丟棄，並記錄丟棄量。
2. 按權利要求1所述一種混合光交換網絡的傳輸方法，其特徵在於網絡中OCS光路 所佔波長資源與OBS光路所佔波長資源之比》1。
全文摘要
該發明屬於光網絡通信技術中的數據傳送方法，該方法首先設置OCS和OBS混合交換網絡，網絡各節點內的OBS和OCS模塊均具有OBS和OCS的交換能力；其傳送方法為當網絡正常工作時，全部數據流均由OCS光路傳送；當數據量突發性增長造成光路過載時，再通過OBS發送其溢出的數據流；而在網絡發生OCS光路失效時亦通過OBS光路傳送受阻的數據至目的節點；因而具有網絡資源利用率及傳輸效率高，可有效提高了數據傳送的安全性和可靠性，丟包率大幅度下降，網絡運行成本低等特點。克服了背景技術只能按設定方式傳送、對可能發生故障的區間均需設備用光路所存在的傳輸效率低，丟包率及資源的閒置率高、浪費大，運行成本較高等缺陷。
文檔編號H04L12/56GK101674500SQ20091006006
公開日2010年3月17日 申請日期2009年7月22日 優先權日2009年7月22日
發明者瑾 張, 徐世中, 晟 王, 雄 王 申請人:電子科技大學