专利名称：支持突发数据包和ip分组的交换方法及节点结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及全光通信技术领域，特别涉及支持多种粒度的全光交换方法 及节点结构。
技术背景近年来，随着Internet的迅速发展，以及人们对多媒体信息的需求，使 得网络传输、交换等技术面临严峻的挑战。如何有效地满足这种日益增长的 带宽需求成为网络研究的主要课题之一。波分复用(WDM)技术为光纤通信提供 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 方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，直接将输入光信号数 据交换到路由器的不同输出端口。研究中的全光交换技术主要有光电路交 换(Optical Circuit Switching, OCS)、光突发交换(Optical Burst Switching, OBS )以及光分组交换(Optical Packet Switching, 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 依赖光緩存、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统计复用光网络带宽资源。光突发交换是一种亚波长粒度的全光交换，通过将用户数据按照 一 定的汇聚方法封装成一定长度的突发数据包(在10Gbps速率下持续时间从几百微秒至几十毫秒)传输。这对电子器件的处理速度和光开关速度要求大大降低。 同时由于光突发交换的突发数据包为超长数据包，突发控制包比光分组交换的分组数目小很多，控制信息在0BS节点需要进行的光/电和电/光转换少得 多，数据读写操作少，因而比光分组交换更易于实现。与0PS相比，0BS对光 器件的要求较低，受到的限制较少；与0CS相比，OBS具有更高程度的统计复 用能力，更适应于突发性强的互联网网络业务。OBS技术的核心思想是尽力大幅度降低光网络的交换粒度、提供高效的 统计复用能力，同时充分考虑光器件的限制，降低对光器件的要求。在OBS网 络中，资源的分配以突发lt据包的持续时间为基本粒度，这〗吏得OBS节点的光 开关速率可以大大降低。但当两个或多个突发数据包要求从某个OBS节点的同 一端口、同一波长、同时发送时出现了竟争。由于当前还没有类似于电随机 存储器(RAM)的光随机存储器(ORAM)，这使得OBS节点处理突发数据包冲突的 能力受到极大的制约。目前所研究的解决竟争的技术有在输入突发数据包 处使用光纤延迟线(FDLs)实现少量光緩存、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竟争时，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节点处的沖突，但将会以较大的概率引起新的竟争。同时，采用 光纤延迟线实现少量光緩存不能有效解决高负栽情况下的竟争问题。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。突发数据分割可以减少数据丟失率，但增加了光突发交换网络 的实现难度。为了解决冲突，同时还需要在OBS节点的控制模块中采用复杂的 交换调度算法和沖突解决策略，同时还必须精心设计汇聚模块的緩存容量和 汇聚算法。这将会增加节点的实现复杂程度。全光网络如何针对网络业务的需要对其节点内部的交换方式和资源分配 方式进行优化是一个重要的研究课题。即研究一种支持多种粒度的全光交换 方法及网络节点结构，且具有实现简单、经济的节点结构，仍然是一个值得 研究的热点问题。发明内容针对上述对当前全光交换及解决数据之间竟争的方法的分析，本发明的 目的是提供一种用于全光通信网络的新的交换方法，尽力提供高效的统计复 用能力，同时充分考虑光器件的限制，降低对光器件的要求。本发明的技术方案如下一种支持突发数据包和IP分组的全光通信交换方法，包括 来自传统网络接口的数据到达0BS节点后，对于邻接节点(如果源、宿 节点对为通过0BS链路连接的节点，这样的节点互称为邻接节点)之间传输 的数据采用IP分组在OBS链路上传输，远端节点(如果源、宿节点对不是通 过0BS链路直接相连这样的节点互称为远端节点)之间传输的数据进行汇聚 成突发数据包在0BS链路上传输。
上述IP分组lt据和突发数据包进入0BS节点的发送緩存后，0BS节点首 先预留资源给过路的突发数据包，根据本地资源的预约情况，再安排发送节 点上路到远端节点的突发数据包，同时利用本节点上路波长信道的空闲时间 间隙发送IP分组数据。对于QoS要求低的数据，尽管这些数据是在远端节点之间传输，也可以 不进行汇聚，采用IP分组在OBS链路上传输。一种支持突发数据包和IP分组交换的节点结构，主要由本地上/下路模 块和全光交换模块构成，本地上/下路模块包括汇聚/解汇聚模块和IP分组发 送/接收模块。其中，汇聚/解汇聚模块用于发送数据时将数据汇聚成突发数 据包，接收数据时执行解汇聚功能；IP分组发送/接收模块用于IP分组数据 的传输与接收。基于电控制的全光交换模块用于将本地上路的突发数据包、 IP分组以及过路的突发数据包按照波长资源预约情况交换到相应的输出波长 上。0BS节点将上路的IP分组和突发数据包存储在本地的电随机存储器中， 通过一个TS (Traffic Spacing)调度器对这些上路数据进行调度。进一步还包括业务分类器，用于将到达节点的业务数据按照目的地址或 QoS要求进行分类，即将目的地址为远端节点的QoS要求高的数据进入到汇聚 /解汇聚模块；目的地址为邻接节点或QoS要求低的数据进入到IP分组发送/ 接收模块。所述支持突发数据包和IP分组的交换方法包含两层内容首先是数据组 包方面，邻接节点之间传输的数据不进行汇聚组成突发数据包，直接用IP分 组在OBS链路上传输；远端节点之间的数据传输按照QoS要求可分别对待， 对QoS要求高的数据需要进行汇聚成突发数据包在OBS链路上传输，而对QoS
要求低的数据可以不进行汇聚組成突发数据包，直接用IP分组在0BS链路上传输。其次是发送数据方面，OBS节点将过路的IP分组和本地上路的数据(包 括突发数据包和IP分组)存储在节点的电随机存储器中，通过TS调度器对 存储在本地电随机存储器中的数据进行调度；OBS节点处理控制信息包预留波 长资源给过路的突发数据包，根据本地资源的预约情况，再安排发送节点上 路到远端节点的突发数据包，同时利用本节点上路波长信道的空闲时间间隙 发送IP分组数据。本发明提出的支持突发数据包/IP分组的交换方法利用IP分组填充突发 数据包间的空隙，不仅减少了网络中的突发数据包的数量，而且能利用电随 机存储器使数据在波长信道上均匀分布，不仅能提供高效的统计复用能力， 而且能大大降低网络的阻塞率和数据丢失率。此时，OBS节点需多配置一些电 随机存储器外，不需要额外增加器件，并且实现简单。
图1是本发明的支持突发数据包和IP分组的交换节点结构简要示意图。图2是本发明的支持突发包/IP分组的全光交换方法的示意图。图3是本发明交换节点发送数据示意图。图4是利用突发凄t据包之间的间隙发送IP分组的示意图。图5是是四个节点组成的线状网络拓朴图。图6是按照本发明的支持突发数据包和IP分组的两种粒度的交换方法及 交换节点结构仿真所得到的图5所示网络拓朴丟包率性能。 其中1一一光波分复用器 2—一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。 本发明提出的支持突发数据包/1P分组的交换方法的节点结构示意图如图1所示。图示0BS节点不分边缘和核心两部分，它由业务分类器、控制模 块、汇聚/解汇聚模块、IP分组发送/接收模块、数据存储器、TS调度器、光 发送/接收模块、全光交换模块、光波分复用器/解复用器等组成。当不考虑QoS要求低的数据用IP分组传输时，来自传统网络接口的数据 到达0BS节点后，首先经过业务分类器，业务分类器将目的地址为邻接节点 的数据和目的地址为远端节点的数据进行分类，其中目的地址为远端节点的 数据进入到汇聚/解汇聚模块，然后按照一定的封装算法封装突发数据包；目 的地址为邻接节点的数据进入到IP分组发送/接收模块。本地上路的突发数 据包和IP分组存储在节点的电随机存储器中，通过TS调度器对上路数据进 行调度，按照图4所示节点优先预留资源给过路的突发数据包，在尽量满足 过路突发数据包预约资源请求后，根据本地资源情况，再安排发送节点上路 到远端节点的突发数据包，同时利用本节点上路波长信道的空闲时间间隙发 送IP分组数据。数据经过光发送模块发送后进入全光交换模块经波分复用器 进入链路。接收数据时，来自链路的数据首先经过光波分解复用器后由全光 交换模块按照目的地址将数据交换到相应的输出端口 。其中目的地址为本节 点的数据由光接收模块接收后被緩存在电存储器中，再经控制模块调度分别 送入汇聚/解汇聚模块和IP分组发送/接收模块，最后由业务分类器分类经传 统网络接口到达目的地；目的地址为其他节点的数据则经全光交换模块交换 到输出端口后，经光波分复用器进入下一跳链路向目的地透明传输。本发明提出的一种支持突发数据包/1P分组的两种粒度的交换节点发送
数据示意图如图3所示。来自传统网络(如以太网、IP、 ATM、 SDH网络)的 数据到达节点后，需要经过业务分类器按照目的地址将数据分开处理，其中 目的地址为远端节点的数据经汇聚适配模块封装后进入发送緩存器，而目的 地址为邻接节点的数据直接进入发送緩存器。由TS调度器根据本地资源预约 情况对发送緩存器中的数据进行发送调度，被调度的突发数据包或IP分组经 电光转换后进入全光交换模块，按照路由信息被交换到输出端口后经波分复 用器进入链路向下一跳传输。而过路的突发数据包则透明的在光域传输。在支持突发数据包/1P分组的两种粒度的交换节点结构的设计中，业务分 类器，汇聚/解汇聚模块，控制模块，上路下路数据用存储器，TS调度器，光 发送/接收模块，高速光开光构成的全光交换模块，光波分复用器/光波分解 复用器等是构建节点的基本器件和模块。作为一个实例，选用本发明中列举 的这些基本器件和模块，按照图2所示支持突发包/IP分组的交换方法，可构 成如图l所示交换节点。借助于0PNETTM仿真软件，按照本发明提出的节点结 构和交换方法，建立了如图5所示4节点光突发交换网络。图6是仿真所得 到的该网络丟包率性能。网络中的每个节点有四个传统网络接口向网络注入 数据，同时假定这些接口与大量的独立的泊松业务源连接。节点处的组包算 法为时间长度乘积门限算法，且阈值为9兆比特.毫秒(Mbms)。路由协议采 用静态的图5所示路径选择方法，波长分配算法采用最先适配(first fit)算法。图6中的曲线都是采用的JET (Just Enough Time)资源预约协议，图中 标有"无IP包插空"的曲线表示节点处对所有数据都汇聚组装成突发数包发 送，没有采用IP分组填充突发数据包间的空隙；图中标有"有IP包插空" 的曲线表示节点处对邻接节点间的数据进行IP分组填充突发数据包间的空隙 发送。从图6可以看出，"有IP包插空"曲线比"无IP包插空，，曲线表示的平均数据丢失率要^f氐约50%。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。
权利要求
1、一种支持突发数据包和IP分组的全光通信交换方法，包括来自传统网络接口的数据到达OBS节点后，相邻节点之间传输的数据采用IP分组在OBS链路上传输，其他数据汇聚成突发数据包在OBS链路上传输。
2、 如权利要求1所述的支持突发数据包和IP分组的全光通信交换方法，其 特征在于OBS节点首先预留资源给过路的突发数据包，根据本地资源的 预约情况，再安排发送节点上路到远端节点的突发数据包，同时利用本节 点上路波长信道的空闲时间间隙发送上述IP分组数据。
3、 如权利要求1或2所述的支持突发数据包和IP分组的全光通信交换方法， 其特征在于对QoS要求低的数据也不进行汇聚，采用IP分组在OBS链路 上传输。
4、 一种支持突发数据包/IP分组的两种粒度的交换节点结构，由本地上/下路 模块和全光交换模块构成，其特征在于本地上/下路模块包括汇聚/解汇 聚模块和IP分组发送/接收模块，其中汇聚/解汇聚;^莫块，用于发送数据时 将数据汇聚成突发数据包，接收数据时执行解汇聚功能；IP分组发送/接 收模块，用于IP分组数据的传输与接收；全光交换模块，用于将本地上路 的突发数据包、IP分组以及过路的突发数据包按照资源预约情况交换到相 应的输出波长上。
5、 如权利要求4所述的支持突发数据包/IP分组的两种粒度的交换节点结构， 其特征在于节点将IP分组和本地上路的数据存储在节点的电随机存储器 中，通过一个TS调度器对电随机存储器中存储的数据进行调度。
6、 如权利要求4或5所述的支持突发数据包/IP分组的两种粒度的交换节点结构，其特征在于进一步还包括业务分类器，用于将到达节点的业务 数据按照目的地址或QoS要求进行分类，即将目的地址为远端节点的QoS要求高的数据进入到汇聚/解汇聚模块；目的地址为邻接节点或QoS要求 低的数据进入到IP分组发送/接收模块。
全文摘要
本发明提供了一种支持突发数据包/IP分组两种粒度的全光交换方法及节点结构。它采用以电缓存代替目前难以实现的光缓存，利用IP的“尽力而为”传输的特性，用电缓存器存储相邻节点之间传输的IP分组和/或一些QoS要求低的IP分组，根据突发控制包预约网络资源的信息将这些IP分组尽可能的间插到突发数据包之间的空隙中传输。即IP分组象沙漏一样经过OBS节点，而突发数据包则透明的在光域传输。该方法能有效减少网络中的突发数据包的数量，利用电随机存储器使数据在波长信道上均匀分布。它不仅能提供高效的统计复用能力，而且能大大降低网络的阻塞率和数据丢失率，并且实现简单。
文档编号H04L12/56GK101155121SQ20061011338
公开日2008年4月2日 申请日期2006年9月26日 优先权日2006年9月26日
发明者徐安士, 李正斌, 驰 袁 申请人:北京大学