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1、OBS网络中多优先级业务冲突解决模型研究resolution in OBS networkZENG Guang-ping, WANG Jiang-qing (College of Computer Science, South-CentralUniversity for Nationalities, Wuhan 430074, China) Abstract:In order to full realize the performanceof multi-traffic contention in OBS network core node, this paper studied the mu
2、lti-priority trafficcontention resolution model in optical buffer equipped OBS core node, which based on the preemptive channel occupied scheme. Several results indicate that, theproposed model not only can support the quality of service of OBS network, but also can resolve two limitations in the pr
3、evious works effectively. Parameters derived from the model can provide theoretical references to the testing construction of OBS network.Key words:optical burst switching(OBS); optical buffer; blocking probability; quality of service(QoS)0 引言光突发交换 (OBS)技术具有交换粒度适中、波长资源预留协议高效、可以有效发掘波分复用WDM(wavelength
4、division multiplexing)技术的带宽资源等特点被认为是从光路波长路由交换技术迈向全光分组交换技术的桥梁1 。典型的 OBS网络主要由边缘节点、核心节点以及光纤链路构成。入口边缘节点根据目的地、优先级等属性将若干IP 数据包封装成为突发数据包, 并为每个突发数据包生成一个控制分组 BCP(burst control packet),BCP中存放有其所控制的突发数据包的源 / 目的地址、突发数据包长度、优先级等属性 , 并采用 JET(just enough time)或 JIT(just in time)等波长预留协议 , 先于其所控制的突发数据包进入OBS核心交换网络 1,2
5、 。在每个核心节点中,BCP 进行光 / 电 / 光转换处理后 , 完成波长资源预留任务, 突发数据包就则以全光方式通过 OBS核心交换网络 , 这种单向资源预约协议在很大程度上提高了 WDM的波长利用率。OBS采用单向资源预留机制, 意味着突发数据包在没有得到确认的情况下便被发送到了OBS核心交换网络 , 因此 , 在核心节点的输出数据信道ODC(output data channel)上 , 很可能出现多个突发数据包竞争一个ODC的情况。冲突发生后 ,会造成数据损失 , 因此如何有效地解决冲突, 减小数据损失就成为 OBS网络技术中一个关键的研究课题。在核心节点中配置光缓存是一种效果良好的
6、冲突解决方法3,4,利用光纤延迟线FDL(fiber delay line)构成的各种结构的光缓存可以对冲突突发数据包进行暂时存储, 以缓解冲突导致的损失。配置了光缓存的核心节点可以较大程度地降低突发数据包的阻塞率。1 多优先级业务冲突问题在 OBS网络中 , 存在有视频、音频等实时性较强 , 数据质量要求较高的业务 , 如 HDTV、视频会议、视频点播、 IP 电话等 ; 同时也存在文本数据等实时性和质量要求较不严格的业务 , 如电子邮件、 Web浏览等 5,6 。这样 , 网络就可以根据实时性和质量要求等指标将不同种类业务设定为不同优先级别。在 OBS核心节点中 , 当不同优先级业务发生冲
7、突时 , 遵循对各优先级业务的保护力度从高优先级到低优先级逐级降低的原则。需要采取以下方案 : 设定最高优先级业务具有绝对优先权 , 在与其他业务发生冲突时 , 不受其他业务影响。低优先级业务与高优先级业务发生冲突时 , 可将低优先级业务送入光缓存进行延时 , 当光缓存容量饱和 , 则将此业务丢弃。这样 , 就可以较好地实现区分服务 , 有效保证了 OBS网络的服务质量 (quality of service, QoS)。以往多优先级业务的冲突理论研究成果存在两个局限性 :a) 业务优先级别数量设定较少( 一般为两个优先级)6。这样既不能体现OBS网络业务的多样性, 也不能体现出相邻优先级业务
8、之间数据包阻塞率的差异。b) 基本参照数据包阻塞率来保证OBS网络的 QoS。但 QoS的保证不仅体现在保证不同优先级业务具有不同的阻塞率,也体现在不同优先级业务的时延差异上7 。本文针对目前存在的这两个局限性, 设定了 OBS网络中所能存在的基本业务优先级数量, 并在分析中给出了体现QoS的时延差异情况。2 混合型光缓存图 1 所示光缓存结构, 称之为混合型缓存(hybridbuffer, HB)8,这种光缓存结构由于其结构简单, 可以提供可变时延等特点而被重点研究。如图 1 所示 ,HB 主要由 k 条输入光纤、 k 条输出光纤以及 N 根 FDL组成。每一根FDL都配备有一个子延迟线集,
9、 每个子延迟线集都可以提供一个0- ib(i=1,2,N)的可变延时。其中,b是每个FDL单元所能延迟的时间, 同时HB可以提供的最大时延为bNb 不等 , 这样的结构就具备了很强的灵活性。3 冲突模型建立下面就对基于光缓存的多优先级业务冲突问题进行理论分析和模型建立。这里, 根据目前网络所存在业务的基本种类 5,设定 OBS网络中存在有五个优先级业务:HDTV设定为 class1, 是最高优先级业务 ; 视频会议、 IP 电话、 Web浏览以及 e-mail 分别设定为 class2 、class3 、class4 和 class5 。其优先级逐渐降低 , 另外设定 OBS网络采用 JET
10、资源预留协议 , 所有优先级突发数据包的到达过程皆服从 Poisson 分布 ,classi 优先级业务的到达率为 i, 突发数据包的长度服从负指数分布 , 均值为 1/ i 。这里 , 只考虑到具备 k 个波长的单链路状态 , 在这条单链路中 , 配备有一个 HB光缓存 , 这个光缓存又具备 N 条 FDL延迟线。当不同优先级突发数据包发生冲突时 , 核心节点根据其优先级高低对突发数据包进行输出或是调度进入光缓存进行暂时存储 , 当缓存容量达到极限则将此突发数据包丢弃。核心节点的调度器将突发数据包调度到合适的光缓存中需要参照确定的预存时间 , 调度的原则是 : 计算出突发数据包的输出时间 T
11、, 然后选取所需要的 FDL延迟线单元个数Nb, 使得缓存可以为突发数据包提供一个与 T 最接近的延迟时间 T=bNb,如果 T>>T,那么就将增大这个突发数据包的整体延迟时间 , 选取 Nb 的原则为Nb=T/bb mod T=0?TT/b +1 b mod T 0(1)如果光缓存可以提供的最大时延Dmax小于 T, 那么该突发数据包就将被丢弃。根据排队理论6,9,可以给出classi(i=1,2,3,4,5)业务的突发数据包阻塞率为P_class1= D1•P1/(kD -k•k!)(2)P_classi= ij=1 j/ i&#
12、8226;ij=1 jD•Pi/kDi- 1/ i •P_class(i-k•k!-1)(i=2,3,4,5)(3)其中 :D=k+kN(4)Pi= k- 1j=0 im=1mj/j!+Dj=k im=1mj/kj-k•k!-1i=1,2,3,4,5(5)其中 : i为 classi业务的负荷。4 结果与讨论本文给出了在具有五个优先级业务的OBS网络中 , 各优先级业务在核心节点由于冲突而导致的阻塞率情况以及在光缓存中的平均延时情况。在仿真中, 设定 class15业务分别占总业务量的百分比为10%、15%、 20
13、%、 25%和 30%,到达率分别为各业务量的2.5 、 10、15、 25 以及 30 倍。图 2 表示单波长信道承载不同负荷情况时,5 个优先级突发数据包在核心节点产生的阻塞率情况。这里 , 设定波长信道数目为 4, 光缓存具有 2 根 FDL。可以看到 , 通过本文采取的优先级业务保护方案 , 高优先级业务获得了比低优先级业务低的阻塞率 , 这样 ,OBS 网络的 QoS就得到了保证。图 3 表示在单波长信道负荷变化情况下, 不同优先级突发数据包在核心节点光缓存中产生平均延时的情况。图3 中T_classi表示classi业务的延时情况。 从图3 中可以看到,随着 OBS网络中负荷量的增
14、加, 各业务在光缓存中所延迟的时间也逐渐变大, 这主要归因于负荷的增加必然增大冲突的概率 , 因此冲突业务进入光缓存的几率也会变大。但是可以看到 , 各优先级业务的平均延时幅度随着优先级的降低而变化很大 , 这样就保证了高优先级业务的优先输出权, 同时也保证了 OBS网络的 QoS。5 结束语本文对配置有光缓存的OBS网络核心节点中发生的多优先级业务冲突问题进行了性能分析。从各业务数据包丢失率情况可看到 , 高优先级业务在设定的保护机制下, 获得了比低优先级业务较低的包丢失率。从各业务在FDL中的延时特性来看 , 高优先级业务所产生的延时幅度明显要小于低优先级业务所产生的延时。这样就很好地保证了实时性的要求,从而实现OBS网络的 QoS机制。理论分析结果对于配置网络负荷以及光缓存容量等起到了一定的理论指导意义。