專題豸焦中文核心期刊空分交換型OPs節(jié)點(diǎn)技術(shù)楊俊杰',肖石林2,張浩(1.上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院上海200002.上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海20030)摘要:光分組交換(OPS:0 ptical Packet Switching)如果同一時(shí)刻,有兩個(gè)或兩個(gè)以上的光分組要以同一核心交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響著光分組交換網(wǎng)波長從同一輸出端口離開光交換節(jié)點(diǎn),就會(huì)產(chǎn)生競(jìng)絡(luò)的性能。文章以空分交換型0PS核心交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)爭(zhēng)。如何解決分組競(jìng)爭(zhēng)是光分組交換技術(shù)一個(gè)至關(guān)重為研究對(duì)象,對(duì)光分組交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的競(jìng)爭(zhēng)解決技要的問題。解決競(jìng)爭(zhēng)的方法通常有3種:光緩存、波長術(shù)進(jìn)行深入探討。此外,還總結(jié)歸納了5種空分交換變換和偏射路由。其中,偏射路由是讓某些分組選擇型0PS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),即輸出緩存型、反饋緩存型、共享緩非最短路由來避開競(jìng)爭(zhēng),它是一種網(wǎng)絡(luò)級(jí)的竟?fàn)幗鉀Q存型、混合緩存型和無緩存型方法,對(duì)于單一的交換節(jié)點(diǎn)而言通常使用光緩存和波關(guān)鍵詞:光分組交換;光緩存;波長變換器;空分交換長變換兩種方法。中圖分類號(hào):TN92911文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A2.1光緩存在電的路由器中,數(shù)據(jù)分組之間的競(jìng)爭(zhēng)通常用存1引言儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)的技術(shù)來解決,也就是說,路由器先把競(jìng)爭(zhēng)分近些年來,光分組交換(OPS: Optical Packet Swit-組存儲(chǔ)在一個(gè)緩存隊(duì)列中,并在輸出端口可用時(shí)再將ching)"技術(shù)以其高速、透明和交換粒度適中等特點(diǎn)分組送出。由于電的RAM技術(shù)非常成熟,所以這種方被普遍認(rèn)為是一種能實(shí)現(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)與光傳送網(wǎng)絡(luò)無縫法是可以實(shí)現(xiàn)的。在光交換中,由于沒有可用的光連接的理想解決方案光分組交換以微秒量級(jí)的光RAM,光緩存目前一般由光纖延遲線FD構(gòu)成。FDL分組為交換單元。光分組由數(shù)據(jù)載荷( payload)和攜帶對(duì)光分組進(jìn)行緩存的工作原理是利用光在光纖中的路由控制信息的分組頭( header兩部分組成。在光分傳播時(shí)延,根據(jù)延時(shí)的需要,讓光信號(hào)在特定長度的組交換網(wǎng)絡(luò)的核心交換節(jié)點(diǎn),根據(jù)光分組頭部所攜帶FDL中傳播,傳播時(shí)延即為光緩存時(shí)間。電RAM和的路由控制信息,光分組被交換到合適的下一個(gè)交換FDL的主要區(qū)別是電RAM可以隨機(jī)接入存儲(chǔ),而節(jié)點(diǎn)。光分組交換核心節(jié)點(diǎn)的性能將對(duì)整個(gè)交換網(wǎng)絡(luò)FDL只能提供順序接入存儲(chǔ),一旦一個(gè)光分組進(jìn)入光的性能起著決定性的影響。纖,它必須在固定的時(shí)間后才能從另一端出來?？辗纸粨Q型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)是一種最常見的光分根據(jù)光緩存所處位置的不同,可以把光緩存分為組交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),它的核心交換單元是由高速光開輸入式、輸出式、反饋式和共享式4種基本類型。輸入關(guān)(光開關(guān)的切換速度通常為數(shù)納秒到數(shù)十納秒)所式光緩存位于交換節(jié)點(diǎn)的輸入端口,每個(gè)輸入端口都構(gòu)成的光交換矩陣。此外,為了解決交換過程中光分配置有一組由FDL組成的光緩存。輸入式光緩存由于組的競(jìng)爭(zhēng)問題,通常需要使用到波長變換或和光緩存線頭阻塞head-of- line blocking)導(dǎo)致性能較差,在純粹等方法。本文將討論光分組的競(jìng)爭(zhēng)解決方法,同時(shí)對(duì)的光領(lǐng)域中很少被使用。輸出式光緩存位于交換節(jié)空分交換型核心OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類研究。點(diǎn)的輸出端口,每個(gè)輸出端口同樣配置一組FDL光緩存。反饋式光緩存則是所有的輸出端口共享一組從輸2競(jìng)爭(zhēng)解決方法出端口反饋回輸人端口的光緩存。在共享式光緩存在光分組交換網(wǎng)絡(luò)中,每個(gè)光分組通常要穿過許中,所有的輸出端口共享一組位于輸出端的光緩存。多交換節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)目的地。當(dāng)數(shù)據(jù)分組在交換時(shí),2.2波長變換波長變換時(shí)方法是利用波長變換器把發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)光收稿日期:2006-02-08?；痦?xiàng)目:上海市教委一般科研項(xiàng)目(編號(hào):05LZ09)資助;上海市重點(diǎn)學(xué)分組的承載波長變換到某個(gè)空閑波長以解決光分組科建設(shè)項(xiàng)目(編號(hào):P1303)資助竟?fàn)?。在某一時(shí)刻,當(dāng)輸出端口某波長發(fā)生競(jìng)爭(zhēng),如果作者簡介:楊俊杰(1971),男,福建漳州人博士,講師,主要從事光分組該端口仍存在著空閑波長,則可以把發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)交換、光標(biāo)記交換、 P over WDm等方向的研究。分組以原來波長輸出,其余的某些分組通過波長變換專題焦楊俊杰,等:空分交換型OPS節(jié)點(diǎn)技術(shù)CI: Al-無渡長C2:A1變換晷空分交換圈,6器一可調(diào)長可調(diào)波長變換器rw圖1波長變換器對(duì)光緩存的影響圖2輸出緩存型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖3改進(jìn)后的輸出縵存型oPs節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)以空閑波長進(jìn)行輸出,從而減少了丟包率。波長變換數(shù)目為T的反饋式TWC組成TWC共享池被所有的輸出端口所共享還可以提高FDL的緩存能力。如圖1所示,某一時(shí)刻有兩個(gè)輸入分組同時(shí)以波長A1輸出到同一輸出端32反饋緩存型口,如果沒有波長變換器,在輸出端口將需要兩根最早的反饋緩存型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)是 Karol等人在FDL進(jìn)行緩存;如果有波長變換器,可以把其中一個(gè)文獻(xiàn)6中提出的SMOP交換結(jié)構(gòu)。SMOP交換結(jié)構(gòu)使分組以波長A1進(jìn)行緩存,而把另一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)分組變換用一組反饋式的FDL來緩存發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)的光分組。與輸?shù)讲ㄩLA2,這樣只需一根FDL就可以同時(shí)緩存這兩出緩存型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)相比,該交換結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)個(gè)分組。在交換節(jié)點(diǎn)中,波長變換器有兩種常用的配是能充分利用所配置的FDL。然而,該結(jié)構(gòu)只使用置方法:配置于各個(gè)輸入波長信道或配置成一個(gè)共享FDL來解決光分組競(jìng)爭(zhēng),并沒有充分利用波長域的競(jìng)池被所有的輸入波長信道所共享。爭(zhēng)解決方法。為了進(jìn)一步提高SMOP交換結(jié)構(gòu)的性能,Zhizhong Zhang等人對(duì)SMOP交換做了一些改進(jìn)m,如3空分交換型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖4所示。改進(jìn)后的交換結(jié)構(gòu)同樣使用反饋式的FDL來解決光分組競(jìng)爭(zhēng),同時(shí)還引人了反饋式的可調(diào)波長根據(jù)光緩存的不同配置,空分交換型OP節(jié)點(diǎn)結(jié)變換器TWC作為競(jìng)爭(zhēng)解決辦法。當(dāng)光分組競(jìng)爭(zhēng)出現(xiàn)構(gòu)大致可以分為輸出緩存型、反饋緩存型、共享緩存時(shí),可以先使用TWC來解決競(jìng)爭(zhēng),如果TWC不可行,型、混和緩存型和無緩存型5種?？梢栽偈褂肍DL來解決競(jìng)爭(zhēng)。這就使得光分組被丟棄31輸出緩存型的概率大大減小,因而大大提高了交換結(jié)構(gòu)的性能。圖2和3所示為兩種典型的輸出緩存型OPS節(jié)33共享緩存型點(diǎn)結(jié)構(gòu)S。在圖2中,每個(gè)輸出端口都配置有一組由圖5所示為一種通用的共享緩存型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)B+1根FDL所構(gòu)成的光緩存,這B+1根FDL的長度構(gòu),它有N個(gè)輸入輸出端口。在交換節(jié)點(diǎn)的輸出端配分別為0,D,2D,…,BDD為FDL的粒度)。當(dāng)光分組發(fā)置有一組由B根FDL組成的光緩存,這組光緩存被N生競(jìng)爭(zhēng)時(shí),一部分光分組可以緩存于光緩存中,從而個(gè)輸出端口所共享。在交換節(jié)點(diǎn)的各個(gè)輸人端口,每避免被丟棄。同時(shí)為了使用波長域的競(jìng)爭(zhēng)解決方法,個(gè)波長信道都配有一個(gè)可調(diào)波長變換器TWO,它們交換節(jié)點(diǎn)的每個(gè)輸入波長信道上都配置有一個(gè)可調(diào)用于把發(fā)生沖突的光分組變換到輸出端口或光緩存內(nèi)的空閑波長上。當(dāng)出現(xiàn)光分組競(jìng)爭(zhēng)時(shí),交換節(jié)點(diǎn)首載光分組的波長可以變換為輸出端口中的某些空閑先嘗試使用TwC來解決競(jìng)爭(zhēng),如果不行則嘗試使用波長,這也可以解決分組競(jìng)爭(zhēng)。這種OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)具光緩存。由于所有的輸出端口共享著一個(gè)光緩存,因有較低的丟包率,然而其所配置的TWC并不能被充此各個(gè)輸出端口之間可能會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)緩存資源。此分利用。例如,對(duì)于同步交換方式而言,在每個(gè)交換時(shí)隙,并不是所有的輸入波長信道都有光分組到達(dá)即使都有光分組到達(dá),也并不是所有的光分組都需要波長變換。因此,TWC的利用率很低。針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn),在文獻(xiàn)[5]中, Eramo等人對(duì)該交換結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),使之能充分利用TWC資源。如圖3所示,改進(jìn)后的交換結(jié)構(gòu)所配置的光緩存與圖2相同,不同之處在于TwC的配置變?yōu)榉答伿?一組圖4反饋緩存型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖5共享緩存型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)專題8焦楊俊杰,等:空分交換型OPS節(jié)點(diǎn)技術(shù)1Tusche wavelength圖6一種混合緩存型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖7無緩存型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖8無緩存型OPs節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)時(shí),當(dāng)前到達(dá)的光分組所需要的FDL可能被原先到達(dá)長配置一個(gè)TWC,所以存在著不能充分利用這些且通往其它輸出端口的光分組所占用,在文獻(xiàn)8]中,TwC的問題。為此,在文獻(xiàn)1, Eramo針對(duì)這個(gè)問這種現(xiàn)象被稱為FDL競(jìng)爭(zhēng)。FDL競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)性能題提出了一種具有反饋式TWC共享池的無緩存型的惡化,但是可以通過選擇合適的緩存控制策略或增oS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。如圖8所示,由于所配置的TwC被所大光緩存的容量來減輕它的影響剛。有的輸入端口所共享,所以TWC能被充分利用。然34混合緩存型而,圖7、圖8的交換結(jié)構(gòu)也存在著一定的局限性。當(dāng)在空分交換型oPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)中,除了可以配置上每波長信道上業(yè)務(wù)負(fù)載很大時(shí),輸出端口有空閑波長述典型的光緩存外,還可以同時(shí)配置多種典型的光緩的概率很低此時(shí)單靠TWC并不能很好地解決競(jìng)爭(zhēng)。存,本文把這種類型的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)稱為混合緩存型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。在文獻(xiàn)p中, Juan diao等人提出了一種稱4結(jié)論為PSB的混合緩存型0PS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。PSB交換結(jié)構(gòu)如本文對(duì)空分交換型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的兩種競(jìng)爭(zhēng)解圖6所示,為了解決光分組沖突,在PSB每個(gè)輸出端決方法,即光緩存和波長變換方法展開深入的探討口都配置有一組輸出式FDL光緩存。另外,該結(jié)構(gòu)還根據(jù)光緩存和波長變換器的不同配置方法,對(duì)空分交使用了一組反饋式FDL光緩存。研究發(fā)現(xiàn),通過使用換型OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類研究,總結(jié)歸納出輸出緩這兩種FDL光緩存的結(jié)合,該交換結(jié)構(gòu)的性能與圖2存型、反饋緩存型、共享緩存型、混合緩存型和無緩存中的輸出緩存型OPS結(jié)構(gòu)的性能幾乎沒有什么差異,型等5類不同的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這5類OPS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)各有從而可以省去許多昂貴的TwC。研究還發(fā)現(xiàn)如果在優(yōu)缺點(diǎn)在實(shí)際的應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。反饋式FDL光緩存上使用少量幾個(gè)TwC,PSB的性能還會(huì)比輸出緩存型OPS結(jié)構(gòu)的性能好許多。參考文獻(xiàn)3.5無緩存型[1] SHUN YAO. Advances in Photonic Packet Switching: An Overview [] IEEECommunications Magazine, 2000, 38(2): 84-94在迄今為止所提出的空分交換型OS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)(2 HUNTER D K. Buffering in optical packet switches [J]. IEEE /SOA Journal of中,并非所有的結(jié)構(gòu)中都使用到了光緩存。在文獻(xiàn)10 Lightwave Techno9.16201204中, Danielsen等人還研究了不使用FDL光緩存,而只 EEE/OSA Joumal of Lightwave Technolo.96020a%[3] DANIELSEN S L Wavelength conversion in optical packet在每個(gè)輸入波長信道上配置一個(gè)可調(diào)波長變換器4 DANIELSEN S L WDM Packet Switch Architectures and Analysis of the Inclu-ence of Tunable Wavelength Converters on the Performance [J]. IEEE/OSA Journal ofTwO)的空分交換型OS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),如圖7所示。 Lightwave Technol902122Danielsen等人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),通過增加輸入輸出波長(5] VINCENZO ERAMO. Wavelength converter sharing in a WDM optical packet信道的數(shù)目可以提高交換節(jié)點(diǎn)的丟包性能。例如,當(dāng)Nswitchdimensioningandperformanceissue01.comPuterNetwor:06為16,每光纖負(fù)載為0.8時(shí),如果使用11個(gè)波長信61 KAROL M. Proceedings of sPiE on Multigigabit Fibre Commun. Systems [C.San道,節(jié)點(diǎn)的丟包率會(huì)小于10。然而,這種使用增加波Dcg. CA USA,1992長信道數(shù)目來降低每波長業(yè)務(wù)負(fù)載的方法(每波長負(fù)ZHANG Zhi-zhong. Proceedings of SPIE on Opticomm ICITX USA, 2003267-277載=每光纖負(fù)載/波長信道數(shù)),所帶來的是TwC數(shù)目8 YANG Jur- jie. Performance Improvement for Optical Packet Switch with Shared的增加。例如,對(duì)于前面所舉的例子,如果使用11個(gè) Buffers []. Chinese Optics Letter20.30)波長信道,那么就需要276個(gè)TwC[9 DIAO Juan. Analysis of Partially Shared Buffering for WDM Optical PacketSwithcing [J]. IEEE/OSA Joumal of Lightwave Technology, 1999, 17(12): 2461-2469,上述這種無緩存型OrS節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)為每個(gè)輸入波(版面原因,文獻(xiàn)1011從略)