同步光分組交換網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)中混合組裝機(jī)制性能研究

張帝1，呂曉麗2
（1. 北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院，北京，100876
2.長(zhǎng)春工程學(xué)院信息工程系，長(zhǎng)春，130021）

摘要：本文研究了同步光分組交換網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)中兩個(gè)組裝參數(shù)（歸一化時(shí)間門限與歸一化長(zhǎng)度門限）及輸入業(yè)務(wù)自相似性對(duì)混合組裝機(jī)制性能的影響，仿真結(jié)果表明：在不同負(fù)載情況下，兩個(gè)組裝參數(shù)對(duì)光包利用率及兩種平均時(shí)延（平均調(diào)度時(shí)延和平均組裝時(shí)延）有不同的影響；盡管Hurst值對(duì)光包利用率有微乎其微的影響，但在重載情況下，它對(duì)兩種平均時(shí)延的影響是截然不同的。通過綜合考慮組裝參數(shù)、負(fù)載及Hurst值的影響，可獲得最優(yōu)負(fù)載值及最大光包利用率。

關(guān)鍵字：混合組裝機(jī)制，同步光分組交換網(wǎng)，歸一化長(zhǎng)度門限，歸一化時(shí)間門限，Hurst參數(shù)

0 引言
    近年來，互聯(lián)網(wǎng)用戶的迅猛增長(zhǎng)及各種多媒體業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳送帶寬的需求持續(xù)增加，光分組交換網(wǎng)因其極大的靈活性及高的帶寬利用率被視為滿足這種需求的較好方案而得以深入研究[1, 2]。通常，光分組交換網(wǎng)分為同步光分組交換網(wǎng)與異步光分組交換網(wǎng)兩類，其中，在同步光分組交換網(wǎng)中，光包大小一致且節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行同步操作；而異步光分組交換網(wǎng)則對(duì)到達(dá)交換機(jī)或路由器的光包進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。

至今，對(duì)于同步光分組交換網(wǎng)的研究主要集中于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與節(jié)點(diǎn)性能上，如沖突解決、同步方案、快速光包信頭處理、業(yè)務(wù)整形、QoS等方面[3-7]。同時(shí)，由于運(yùn)行于邊緣節(jié)點(diǎn)中的組裝算法不僅能實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)匯聚及業(yè)務(wù)整形功能，而且能為互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供靈活的QoS方案，因此，它也成為同步光分組交換網(wǎng)中的另一個(gè)研究熱點(diǎn)[7, 8]。現(xiàn)有資料已經(jīng)證明，就是通過將多個(gè)IP包依據(jù)某一算法匯聚成一個(gè)大尺寸光包的組裝過程，減小了核心節(jié)點(diǎn)信頭處理負(fù)擔(dān)，降低了輸入業(yè)務(wù)的自相似性，從而降低網(wǎng)絡(luò)中的丟包率，提高了網(wǎng)絡(luò)性能[9, 10]�？墒牵�組裝過程總會(huì)引入額外的時(shí)延，盡管很多工作已經(jīng)對(duì)光突發(fā)交換情況進(jìn)行研究，但對(duì)于同步光分組交換中此類情況的研究尚未發(fā)現(xiàn)[7-11]，這是本文的一個(gè)研究目標(biāo)。在同步光分組交換網(wǎng)中，組裝過程所引入的額外總時(shí)延由兩部分構(gòu)成，即組裝隊(duì)列中的匯聚時(shí)延及FIFO調(diào)度隊(duì)列中的調(diào)度時(shí)延。本文通過仿真深入研究了混合組裝參數(shù)（歸一化長(zhǎng)度門限和歸一化時(shí)間門限）、負(fù)載及Hurst值對(duì)平均組裝時(shí)延、平均調(diào)度時(shí)延及總平均時(shí)延的影響。另外，本文還對(duì)上述各參數(shù)變化情況下的光包利用率進(jìn)行了評(píng)估。

本文結(jié)構(gòu)安排如下：第二節(jié)列出了仿真前的準(zhǔn)備事宜，包括邊緣節(jié)點(diǎn)模型、混合組裝算法、業(yè)務(wù)模型及環(huán)境參數(shù)設(shè)置；第三節(jié)描述了仿真結(jié)果并詳細(xì)進(jìn)行了混合組裝過程性能分析；最后總結(jié)全文。

1 仿真前的準(zhǔn)備事宜
同步光分組交換網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)作為電域網(wǎng)絡(luò)與光核心網(wǎng)絡(luò)的接口，可實(shí)現(xiàn)基本的業(yè)務(wù)匯聚功能，而業(yè)務(wù)整形及QoS等其它功能的實(shí)現(xiàn)則與邊緣節(jié)點(diǎn)所采用的相應(yīng)組裝算法有關(guān)，其仿真模型如圖1所示。

圖1. 同步光分組交換網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)仿真模型

作為同步光分組交換網(wǎng)的輸入端口，邊緣節(jié)點(diǎn)將來自于用戶網(wǎng)中的IP包匯聚在一起，并根據(jù)其包頭中存儲(chǔ)的輸出端口、優(yōu)先級(jí)等信息，將其轉(zhuǎn)發(fā)至相應(yīng)的組裝隊(duì)列中。光包將依據(jù)如下條件來產(chǎn)生。1）當(dāng)?shù)谝粋�(gè)IP包到達(dá)其組裝隊(duì)列時(shí)，內(nèi)嵌的計(jì)時(shí)器激活。如果計(jì)時(shí)器由于超時(shí)而觸發(fā)，則一個(gè)光包產(chǎn)生，其中未填滿的部分將在調(diào)度隊(duì)列中填充，以實(shí)現(xiàn)信道中光功率平衡。這種情況出現(xiàn)于低負(fù)載情況下。2）當(dāng)一個(gè)IP包到達(dá)一個(gè)已經(jīng)被部分填充的組裝隊(duì)列中時(shí)，如果此IP包尺寸與被填充的組裝隊(duì)列長(zhǎng)度之和超過最大光包尺寸（MOPS）限制，則由組裝隊(duì)列中被填充的部分產(chǎn)生一個(gè)光包，而這個(gè)IP包將成為該組裝隊(duì)列構(gòu)建下一個(gè)光包的第一個(gè)IP包，也就是說，在組裝光包的過程中，僅有小的IP包的聚合而不存在大的IP包分割操作。3）如果最大光包尺寸與已填充組裝隊(duì)列長(zhǎng)度之差小于最小IP包尺寸，則由此組裝隊(duì)列中的IP包構(gòu)成的光包也被轉(zhuǎn)移到調(diào)度隊(duì)列中，同時(shí)此組裝隊(duì)列與其計(jì)時(shí)器清0。包級(jí)同步及光包頭的插入由調(diào)度隊(duì)列來完成。這就是所說的混合組裝算法，它是基于時(shí)間門限算法與基于長(zhǎng)度門限算法的折衷。反之，當(dāng)邊緣節(jié)點(diǎn)工作于輸出端口狀態(tài)時(shí)，則進(jìn)行相反的操作，即對(duì)光包進(jìn)行解封裝，解出的各個(gè)IP包再轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的電域用戶網(wǎng)絡(luò)中。在我們的仿真中，光分組交換網(wǎng)有N+1（N=5）個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)且來自于用戶網(wǎng)絡(luò)中的IP包根據(jù)其優(yōu)先級(jí)分為M（M=3）類，所以一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)包含N＊M個(gè)組裝隊(duì)列。

在以前分析節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能時(shí)，IP包到達(dá)是Poisson過程、長(zhǎng)度是指數(shù)分布的業(yè)務(wù)模型常常被使用，而其明顯有別于網(wǎng)絡(luò)中的真實(shí)業(yè)務(wù)流。為了與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得的業(yè)務(wù)特性一致，我們采用到達(dá)間隔是平滑的Pareto分布，其概率密度函數(shù)在文獻(xiàn)[14]中給出，如式1。式中1< γ < 2。

              (1)

文獻(xiàn)[12][13]中所采用的修正包長(zhǎng)分布反映了實(shí)際業(yè)務(wù)中小包占優(yōu)的事實(shí)。長(zhǎng)度為40、44、576及1500字節(jié)的IP包分別占10％、50％、25％和 15％。

在我們的仿真中，調(diào)度隊(duì)列采用FIFO原則，以固定的間隔時(shí)間Tpacket將光包發(fā)射至同步光分組交換核心網(wǎng) 。其中Tpacket如式2 所示。
Tpacket = Topticalpacket + Toverhead
=Topticalpacket + Tlabel + Tguardtime + Tsynchronous                                  (2)
式中Topticalpacket，Tlabel，Tguardtime和Tsynchronous分別是以時(shí)間為單位標(biāo)定的光包、標(biāo)簽、保護(hù)帶及同步階段長(zhǎng)度。

設(shè)，發(fā)射速率為2..5G，每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)通過622Mbps的線路與5個(gè)電域用戶網(wǎng)絡(luò)相連接。對(duì)于組裝參數(shù)，L(MOPS/Lmax)表示用最大IP包尺寸對(duì)組裝門限MOPS（最大光包長(zhǎng)度）進(jìn)行歸一化，T (Ttimeout/d)表示用平均組裝時(shí)間對(duì)時(shí)間門限進(jìn)行歸一化。在本文中，L分別設(shè)置為2，3與4；而T設(shè)定為1，2，3和4。

2  仿真結(jié)果分析
在這一節(jié)，我們描述了仿真結(jié)果，詳細(xì)分析了歸一化時(shí)間門限T，歸一化長(zhǎng)度門限L及Hurst參數(shù)H對(duì)混合組裝算法性能的影響，即平均組裝時(shí)延、平均調(diào)度時(shí)延，總平均時(shí)延和光包利用率。

2.1 平均組裝時(shí)延
組裝時(shí)延產(chǎn)生于組裝隊(duì)列中，其大小等于光包產(chǎn)生時(shí)刻與第一個(gè)IP包到達(dá)時(shí)刻的時(shí)間差。圖2顯示了當(dāng)歸一化時(shí)間門限T改變時(shí)平均組裝時(shí)延與負(fù)載ρ的關(guān)系。很明顯，平均組裝時(shí)延近似反比于負(fù)載大小，另外，圖2 也表明：當(dāng)歸一化時(shí)間門限T大于 2之后，其對(duì)平均組裝時(shí)延的影響很小，也就是說，此情況下，大多數(shù)光包是因其長(zhǎng)度滿足條件產(chǎn)生的。但在輕載荷條件下，時(shí)間門限對(duì)平均組裝時(shí)延的影響增加了很多。故在下面的仿真中，我們?cè)O(shè)定T為2。

圖2. 不同T時(shí)平均組裝時(shí)延與負(fù)載的關(guān)系曲線     圖3. 不同L時(shí)平均組裝時(shí)延與負(fù)載的關(guān)系曲線

圖3描述了在歸一化時(shí)間門限T值不變而歸一化長(zhǎng)度門限L取不同值時(shí)，平均組裝時(shí)延對(duì)負(fù)載的依賴性。在輕載荷情況下的平均組裝時(shí)延改變大于重載荷時(shí)的這一事實(shí)是因同一條件下歸一化時(shí)間門限影響更強(qiáng)。尤其是在重載荷情況，平均時(shí)延的變化主要是由L增加引起的。正如圖3所表明的，平均組裝近似正比于歸一化長(zhǎng)度門限L。將圖3與圖2進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，歸一化長(zhǎng)度門限L的影響力強(qiáng)于歸一化時(shí)間門限T。

 
圖4. 平均組裝時(shí)延與H的關(guān)系曲線

圖4顯示了不同歸一化時(shí)間門限與不同長(zhǎng)度門限情況下，平均組裝時(shí)延對(duì)H的變化情況。表明：在中負(fù)載強(qiáng)度下，H，也有T（T ≥ 2），幾乎不影響平均組裝時(shí)延，平均組裝時(shí)延的變化主要是由L引起的。

2.2 平均調(diào)度時(shí)延
    調(diào)度時(shí)延產(chǎn)生于調(diào)度FIFO隊(duì)列中，定義為光包離去與光包到達(dá)FIFO隊(duì)列的時(shí)間差。

圖5表明了當(dāng)L為常數(shù)時(shí)T對(duì)平均調(diào)度時(shí)延的影響，顯而易見，重的負(fù)載使得FIFO隊(duì)列很忙，故平均調(diào)度時(shí)延隨負(fù)載由0.1增長(zhǎng)至0.6而逐漸增加，如圖5（a）所示�？墒�，當(dāng)負(fù)載大于0.6后，從0.7到0.9過程中，平均調(diào)度時(shí)延急劇增加，從幾十微秒到上千微秒，如圖5（b）所示。顯而易見，在這種情況下，調(diào)度時(shí)延必須要給予考慮，而以前的工作通常忽略其不計(jì)。同時(shí)，這種特殊現(xiàn)象指出對(duì)于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載而言存在一個(gè)最優(yōu)值。另外，當(dāng)T >2時(shí)，歸一化時(shí)間長(zhǎng)度T對(duì)平均調(diào)度時(shí)延有很弱的影響。

 
   圖5. 不同T時(shí)平均調(diào)度時(shí)延與負(fù)載的關(guān)系曲線

圖6描述了不同L情況下平均調(diào)度時(shí)延對(duì)負(fù)載的函數(shù)關(guān)系。注意到曲線的形狀與趨勢(shì)與圖5的結(jié)果一致，顯然，平均調(diào)度時(shí)延隨L增加而增加，并在中等強(qiáng)度載荷情況下，隨L進(jìn)一步增加，具有較小L值的曲線先于具有較大L值的曲線急劇增加，而在某一載荷時(shí)，二者交叉于一處，如圖6（a）所示。當(dāng)載荷大于0.8時(shí)，具有較小L值的平均調(diào)度時(shí)延較早的表現(xiàn)出較大的時(shí)延值，如圖6（b）所示。反之亦然。這些表明在同步光分組交換網(wǎng)中，調(diào)度機(jī)制對(duì)時(shí)延有明顯影響；平均調(diào)度時(shí)延與平均組裝時(shí)延有相同的量級(jí)；平均調(diào)度時(shí)延在額外總時(shí)延中有不可忽略的作用。

 
 圖6. 不同L時(shí)平均調(diào)度時(shí)延與負(fù)載的關(guān)系曲線

圖7反映了在負(fù)載強(qiáng)度為0.6的情況下，平均調(diào)度時(shí)延與H、L和T的關(guān)系，平均調(diào)度時(shí)延的變化主要是起源于L的改變，而T（T ≥2）的增加對(duì)其幾乎沒影響，H的影響使平均調(diào)度時(shí)延在1微秒范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)負(fù)載強(qiáng)度為0.8時(shí)，不僅體現(xiàn)在同一H不同負(fù)載情況下，而且在同一負(fù)載不同H情況下，H都對(duì)平均調(diào)度時(shí)延有強(qiáng)的影響。盡管圖8與圖4有顯著的區(qū)別，但當(dāng)負(fù)載從0.6到0.8變化時(shí)，二者都表明平均組裝時(shí)延遵從相同的規(guī)則。

 
   圖7. 不現(xiàn)L和T時(shí)平均調(diào)度時(shí)延與H的關(guān)系     圖8. 不同負(fù)載情況下平均調(diào)度時(shí)延對(duì)H的關(guān)系

2.3 總平均時(shí)延
通過分別分析平均組裝時(shí)延及平均調(diào)度時(shí)延對(duì)負(fù)載關(guān)系，總平均時(shí)延，即平均組裝時(shí)延與平均調(diào)度時(shí)延之和，呈現(xiàn)出近似的拋物線形狀，如圖9所示。在最小負(fù)載值即最優(yōu)值出現(xiàn)前，平均時(shí)延主要取決于平均組裝時(shí)延，而最優(yōu)值之后，則是平均調(diào)度時(shí)延起主要作用。另外，最優(yōu)負(fù)載值隨L增加比隨T增加更明顯，同時(shí)，圖9清晰地反映了L與T如何作用于平均組裝時(shí)延與平均調(diào)度時(shí)延的，它們分別在組裝時(shí)延與調(diào)度時(shí)延中得以描述。

 圖9. 不同L與T情況下總平均時(shí)延對(duì)負(fù)載的關(guān)系曲線

2.4 光包利用率
光包利用率定義為光包中多個(gè)IP包的實(shí)際長(zhǎng)度除以最大光分組長(zhǎng)度，是分析混合組裝算法性能的另一個(gè)重要指標(biāo)。圖10和圖11分別給出了T、L及負(fù)載變化時(shí)光包利用率曲線，表明：如果僅其中一個(gè)參數(shù)改變而其它保持不變，則光包利用率幾乎保持為常數(shù)；當(dāng)T >2后，它對(duì)光包利用率幾乎沒有影響，相對(duì)于T而言，L是一個(gè)重要參數(shù)，光包利用率明顯隨L增加而增大；當(dāng)T與L保持不變的情況下，H幾乎不影響光包利用率。

 
 圖10. 不同T時(shí)光包利用率變化曲線            圖11. 不同L時(shí)光包利用率變化曲線

3 結(jié)論
本文研究了運(yùn)行于同步光分組交換網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)中的混合組裝算法性能，包括平均組裝時(shí)延、平均調(diào)度時(shí)延和光包利用率。仿真結(jié)果表明：歸一化時(shí)間門限大于2之后，其對(duì)平均時(shí)延和利用率有相對(duì)小的影響。而歸一化長(zhǎng)度門限對(duì)兩種時(shí)延有不可忽略的影響，尤其是在重載荷情況下；同時(shí)，歸一化長(zhǎng)度門限也是確定光包利用率的一個(gè)重要因素；在輕、中負(fù)載情況，Hurst值對(duì)兩部分平均時(shí)延及光包利用率都有較小的影響，在重載荷情況下，Hurst值對(duì)平均調(diào)度時(shí)延有很強(qiáng)的影響。此外，通過分析總平均時(shí)延變化規(guī)律，可得到最優(yōu)負(fù)載值；經(jīng)綜合考慮歸一化時(shí)間門限、歸一化長(zhǎng)度門限與負(fù)載值共同影響，可確定最大光包利用率。

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