基于DWR-OBS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的研究

摘    要    本文討論了基于動態(tài)波長路由技術(shù)的光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)（DWR-OBS）中業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，從傳輸時延和數(shù)據(jù)包的丟失率兩個方面對DWR-OBS網(wǎng)的QoS進(jìn)行分析，給出了數(shù)據(jù)傳輸時延和邊緣節(jié)點的緩存容量之間定量的數(shù)學(xué)關(guān)系，詳細(xì)分析了一種新的動態(tài)首選波長集（D-PWS）資源預(yù)留算法，給出了基于D-PWS預(yù)留算法的完全候選路徑集（E-CPS）業(yè)務(wù)信道分配方案，用以控制DWR-OBS網(wǎng)絡(luò)中各優(yōu)先級業(yè)務(wù)的丟失率。使用OPNET Modeler對DWR-OBS 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，并且討論仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞    動態(tài)波長路由　光突發(fā)交換　服務(wù)質(zhì)量　時延　丟失率

1　引言

光突發(fā)交換（OBS）技術(shù)作為下一代全光網(wǎng)絡(luò)的主要的候選解決方案，在最近幾年得到了越來越多的關(guān)注，OBS技術(shù)在資源預(yù)留策略、突發(fā)數(shù)據(jù)包的匯聚、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和阻塞處理策略等方面都有了很大的發(fā)展。OBS技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和業(yè)務(wù)阻塞處理是現(xiàn)階段的研究重點和難點，已有的解決方法是基于額外偏移時間業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量支持策略，該策略對高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的阻塞率有很好的保證，但對于業(yè)務(wù)時延以及網(wǎng)絡(luò)資源的利用率相對較差。本文將重點討論一種雙向的資源預(yù)留方式，即基于動態(tài)波長路由的光突發(fā)交換技術(shù)（DWR-OBS）。

2　服務(wù)質(zhì)量（QoS）的關(guān)鍵指標(biāo)

QoS的關(guān)鍵指標(biāo)主要包括：可用性、吞吐量、時延、時延變化（包括抖動和漂移）和丟失。

可用性是當(dāng)用戶需要時網(wǎng)絡(luò)即能工作的時間百分比�？捎眯灾饕�是設(shè)備可靠性和網(wǎng)絡(luò)存活性相結(jié)合的結(jié)果。對它起作用的還有一些其他因素，包括軟件穩(wěn)定性以及網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)或升級時不中斷服務(wù)的能力。

吞吐量是在一定時間段內(nèi)對網(wǎng)上流量（或帶寬）的度量。對IP網(wǎng)而言可以從幀中繼網(wǎng)借用一些概念。根據(jù)應(yīng)用和服務(wù)類型，服務(wù)水平協(xié)議（SLA）可以規(guī)定承諾信息速率（CIR）、突發(fā)信息速率（BIR）和最大突發(fā)信號長度。承諾信息速率是應(yīng)該予以嚴(yán)格保證的，對突發(fā)信息速率可以有所限定，以在容納預(yù)定長度突發(fā)信號的同時容納從話音到視像以及一般數(shù)據(jù)的各種服務(wù)。一般講，吞吐量越大越好。

時延是指一項服務(wù)從網(wǎng)絡(luò)入口到出口的平均經(jīng)過時間。許多服務(wù)，特別是話音和視像等實時服務(wù)都是高度不能容忍時延的。當(dāng)時延超過200~250ms時，交互式會話是非常麻煩的。為了提供高質(zhì)量話音和會議電視，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須能保證低的時延。產(chǎn)生時延的因素很多，包括分組時延、排隊時延、交換時延和傳播時延。傳播時延是信息通過銅線、光纖或無線鏈路所需的時間，它是光速的函數(shù)。在任何系統(tǒng)中，包括同步數(shù)字系列（SDH）、異步傳輸模式（ATM）和彈性分組環(huán)路（RPR），傳播時延總是存在的。

時延變化是指同一業(yè)務(wù)流中不同分組所呈現(xiàn)的時延不同。高頻率的時延變化稱作抖動，而低頻率的時延變化稱作漂移。抖動主要是由于業(yè)務(wù)流中相繼分組的排隊等候時間不同引起的，是對服務(wù)質(zhì)量影響最大的一個問題。某些業(yè)務(wù)類型，特別是話音和視像等實時業(yè)務(wù)是極不容忍抖動的。分組到達(dá)時間的差異將在話音或視像中造成斷續(xù)。所有傳輸系統(tǒng)都有抖動，只要抖動落在規(guī)定容差之內(nèi)就不會影響服務(wù)質(zhì)量。利用緩存可以克服過量的抖動，但這將增加時延，造成其他問題。漂移是任何同步傳輸系統(tǒng)都有的一個問題。在SDH系統(tǒng)中是通過嚴(yán)格的全網(wǎng)分級定時來克服漂移的。在異步系統(tǒng)中，漂移一般不是問題。漂移會造成基群失幀，使服務(wù)質(zhì)量的要求不能滿足。

丟包，不管是比特丟失還是分組丟失，對分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的影響比對實時業(yè)務(wù)的影響都大。在通話期間，丟失一個比特或一個分組的信息往往用戶注意不到。在視像廣播期間，這在屏幕上可能造成瞬間的波形干擾，然后視像很快恢復(fù)如初。即便是用傳輸控制協(xié)議（TCP）傳送數(shù)據(jù)也能處理丟失，因為傳輸控制協(xié)議允許丟失的信息重發(fā)。事實上，一種叫做隨機(jī)早丟（RED）的擁塞控制機(jī)制在故意丟失分組，其目的是在流量達(dá)到設(shè)定門限時抑制TCP傳輸速率，減少擁塞，同時還使TCP流失去同步，以防止因速率窗口的閉合引起吞吐量擺動。但分組丟失多了，會影響傳輸質(zhì)量。所以，要保持統(tǒng)計數(shù)字，當(dāng)超過預(yù)定門限時就向網(wǎng)絡(luò)管理人員告警。

本文考慮兩方面QoS的要求：數(shù)據(jù)包傳輸時延和丟失率。定義m為業(yè)務(wù)優(yōu)先級數(shù)，對應(yīng)于不同的 QoS 級別；用下標(biāo)i來區(qū)分不同的優(yōu)先級，且i越大，相應(yīng)的優(yōu)先級就越高。

3　仿真及結(jié)果分析

1. D-PWS 算法波長配置

網(wǎng)絡(luò)中有3個優(yōu)先級，波長總數(shù)為16即（W=16），同時設(shè)定待定常數(shù)a∶b=1∶1，波長資源固定預(yù)留占有率ψ=0.5，不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)流量之比為ρ■∶ρ■∶ρ■=3∶3∶2。最終得到各種優(yōu)先級的業(yè)務(wù)的波長分配策略為：

2≤W■≤4，3≤W■≤7，4≤W■≤11

2. 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失率的分析

為了分析D-PWS算法在對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失率方面的特點，對類CERNET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別使用D-PWS算法進(jìn)行仿真計算。圖1給出仿真結(jié)果。由圖1（a）可知，在相同業(yè)務(wù)流量的情況下，優(yōu)先級越高，數(shù)據(jù)包丟失率就越低，優(yōu)先級越低，數(shù)據(jù)包的丟失率就越高。在相同的優(yōu)先級的情況下，業(yè)務(wù)流量的值越高，數(shù)據(jù)包丟失率就越高。由圖1（b）、（c）也可以得出：在相同業(yè)務(wù)流量的情況下，優(yōu)先級越高，數(shù)據(jù)包丟失率就越低；在相同的優(yōu)先級的情況下，業(yè)務(wù)流量的值越高，數(shù)據(jù)包丟失率就越高。D-PWS 算法為低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)設(shè)定了波長預(yù)留下限，這樣就使得低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)丟失率不至于過大。把不同流量下的平均丟失率再作平均，使用D-PWS算法的數(shù)據(jù)包平均丟失率降低。

3. 網(wǎng)絡(luò)波長信道利用率的分析

圖2給出了網(wǎng)絡(luò)以D-PWS算法作為波長資源預(yù)留算法的時候網(wǎng)絡(luò)波長信道資源利用率的情況。在網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量很小的時候，業(yè)務(wù)本身需要的網(wǎng)絡(luò)資源很少，此時D-PWS 算法的資源利用率很低；隨著業(yè)務(wù)流量的增加，D-PWS 算法的資源整體預(yù)留的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來，D-PWS 算法有很高的資源利用率。把不同流量下網(wǎng)絡(luò)資源利用率作平均，D-PWS 算法的網(wǎng)絡(luò)資源利用率比以前的有所提高。

4. 波長變換范圍對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

研究表明，在光交叉連接節(jié)點，只要具有有限范圍波長變換能力就可以達(dá)到全波長變換時的網(wǎng)絡(luò)堵塞率水平。

對不同的波長變換范圍進(jìn)行的仿真結(jié)果如圖3所示，可見：（1）當(dāng)波長變換范圍由0變化到1的時候，優(yōu)先級比較高的（pri=3，pri=2）業(yè)務(wù)的丟失率都是下降，而低優(yōu)先級（pri=1）的業(yè)務(wù)的丟失率反而是稍有上升的，這可以理解為在網(wǎng)絡(luò)由無波長變換能力到有波長變換能力的轉(zhuǎn)變的過程中，由于低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)本身由D-PWS算法預(yù)留的波長資源比較少，因此波長轉(zhuǎn)換對它的影響相對較少，而其他兩個高優(yōu)先級的業(yè)務(wù)為此丟失率大幅下降，網(wǎng)絡(luò)資源的占用率也大幅提高，因而低優(yōu)先級的業(yè)務(wù)的丟失率在這種情況下丟失率會上升。（2）隨著信道波長變換范圍的增加，它對丟失率的影響相應(yīng)減小，波長變換范圍由0增加到1的時候?qū)�丟失率影響最大，而Crange=2和Crange=3時丟失率大致相同，這說明此時波長變換范圍已經(jīng)不再是是業(yè)務(wù)產(chǎn)生丟失的主要原因了。

5. 邊緣節(jié)點緩存的大小對業(yè)務(wù)時延影響

圖4給出邊緣節(jié)點緩存的大小對業(yè)務(wù)時延的影響。在討論時延的時候，只考慮那些能夠成功到達(dá)目的邊緣節(jié)點的數(shù)據(jù)包，而各個優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包一旦能進(jìn)入OBS網(wǎng)絡(luò)由核心節(jié)點進(jìn)行交換，它們的行為都是一樣的，所以在作圖4的時候，沒有對不同的優(yōu)先級進(jìn)行討論。從圖4中看到在業(yè)務(wù)為Possion流的情況下，數(shù)據(jù)包的傳送時延隨著邊緣節(jié)點的緩存容量近似的線性增加，這正和上文得到的結(jié)論相符。

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