同步光分組交換網(wǎng)邊緣節(jié)點中混合組裝機制性能研究

張帝1，呂曉麗2
（1. 北京郵電大學電信工程學院，北京，100876
2.長春工程學院信息工程系，長春，130021）

摘要：本文研究了同步光分組交換網(wǎng)邊緣節(jié)點中兩個組裝參數(shù)（歸一化時間門限與歸一化長度門限）及輸入業(yè)務自相似性對混合組裝機制性能的影響，仿真結果表明：在不同負載情況下，兩個組裝參數(shù)對光包利用率及兩種平均時延（平均調(diào)度時延和平均組裝時延）有不同的影響；盡管Hurst值對光包利用率有微乎其微的影響，但在重載情況下，它對兩種平均時延的影響是截然不同的。通過綜合考慮組裝參數(shù)、負載及Hurst值的影響，可獲得最優(yōu)負載值及最大光包利用率。

關鍵字：混合組裝機制，同步光分組交換網(wǎng)，歸一化長度門限，歸一化時間門限，Hurst參數(shù)

0 引言
    近年來，互聯(lián)網(wǎng)用戶的迅猛增長及各種多媒體業(yè)務的不斷涌現(xiàn)，對網(wǎng)絡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)點對其進行同步操作；而異步光分組交換網(wǎng)則對到達交換機或路由器的光包進行實時操作。

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

本文結構安排如下：第二節(jié)列出了仿真前的準備事宜，包括邊緣節(jié)點模型、混合組裝算法、業(yè)務模型及環(huán)境參數(shù)設置；第三節(jié)描述了仿真結果并詳細進行了混合組裝過程性能分析；最后總結全文。

1 仿真前的準備事宜
同步光分組交換網(wǎng)邊緣節(jié)點作為電域網(wǎng)絡與光核心網(wǎng)絡的接口，可實現(xiàn)基本的業(yè)務匯聚功能，而業(yè)務整形及QoS等其它功能的實現(xiàn)則與邊緣節(jié)點所采用的相應組裝算法有關，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)其包頭中存儲的輸出端口、優(yōu)先級等信息，將其轉(zhuǎn)發(fā)至相應的組裝隊列中。光包將依據(jù)如下條件來產(chǎn)生。1）當?shù)谝粋�IP包到達其組裝隊列時，內(nèi)嵌的計時器激活。如果計時器由于超時而觸發(fā)，則一個光包產(chǎn)生，其中未填滿的部分將在調(diào)度隊列中填充，以實現(xiàn)信道中光功率平衡。這種情況出現(xiàn)于低負載情況下。2）當一個IP包到達一個已經(jīng)被部分填充的組裝隊列中時，如果此IP包尺寸與被填充的組裝隊列長度之和超過最大光包尺寸（MOPS）限制，則由組裝隊列中被填充的部分產(chǎn)生一個光包，而這個IP包將成為該組裝隊列構建下一個光包的第一個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列長度之差小于最小IP包尺寸，則由此組裝隊列中的IP包構成的光包也被轉(zhuǎn)移到調(diào)度隊列中，同時此組裝隊列與其計時器清0。包級同步及光包頭的插入由調(diào)度隊列來完成。這就是所說的混合組裝算法，它是基于時間門限算法與基于長度門限算法的折衷。反之，當邊緣節(jié)點工作于輸出端口狀態(tài)時，則進行相反的操作，即對光包進行解封裝，解出的各個IP包再轉(zhuǎn)發(fā)到相應的電域用戶網(wǎng)絡中。在我們的仿真中，光分組交換網(wǎng)有N+1（N=5）個邊緣節(jié)點且來自于用戶網(wǎng)絡中的IP包根據(jù)其優(yōu)先級分為M（M=3）類，所以一個邊緣節(jié)點包含N＊M個組裝隊列。

在以前分析節(jié)點或網(wǎng)絡結構性能時，IP包到達是Poisson過程、長度是指數(shù)分布的業(yè)務模型常常被使用，而其明顯有別于網(wǎng)絡中的真實業(yè)務流。為了與現(xiàn)場實驗測量所得的業(yè)務特性一致，我們采用到達間隔是平滑的Pareto分布，其概率密度函數(shù)在文獻[14]中給出，如式1。式中1< γ < 2。

              (1)

文獻[12][13]中所采用的修正包長分布反映了實際業(yè)務中小包占優(yōu)的事實。長度為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)度隊列采用FIFO原則，以固定的間隔時間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分別是以時間為單位標定的光包、標簽、保護帶及同步階段長度。

設，發(fā)射速率為2..5G，每個邊緣節(jié)點通過622Mbps的線路與5個電域用戶網(wǎng)絡相連接。對于組裝參數(shù)，L(MOPS/Lmax)表示用最大IP包尺寸對組裝門限MOPS（最大光包長度）進行歸一化，T (Ttimeout/d)表示用平均組裝時間對時間門限進行歸一化。在本文中，L分別設置為2，3與4；而T設定為1，2，3和4。

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

2.1 平均組裝時延
組裝時延產(chǎn)生于組裝隊列中，其大小等于光包產(chǎn)生時刻與第一個IP包到達時刻的時間差。圖2顯示了當歸一化時間門限T改變時平均組裝時延與負載ρ的關系。很明顯，平均組裝時延近似反比于負載大小，另外，圖2 也表明：當歸一化時間門限T大于 2之后，其對平均組裝時延的影響很小，也就是說，此情況下，大多數(shù)光包是因其長度滿足條件產(chǎn)生的。但在輕載荷條件下，時間門限對平均組裝時延的影響增加了很多。故在下面的仿真中，我們設定T為2。

圖2. 不同T時平均組裝時延與負載的關系曲線     圖3. 不同L時平均組裝時延與負載的關系曲線

圖3描述了在歸一化時間門限T值不變而歸一化長度門限L取不同值時，平均組裝時延對負載的依賴性。在輕載荷情況下的平均組裝時延改變大于重載荷時的這一事實是因同一條件下歸一化時間門限影響更強。尤其是在重載荷情況，平均時延的變化主要是由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度門限L。將圖3與圖2進行比較發(fā)現(xiàn)，歸一化長度門限L的影響力強于歸一化時間門限T。

 
圖4. 平均組裝時延與H的關系曲線

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

2.2 平均調(diào)度時延
    調(diào)度時延產(chǎn)生于調(diào)度FIFO隊列中，定義為光包離去與光包到達FIFO隊列的時間差。

圖5表明了當L為常數(shù)時T對平均調(diào)度時延的影響，顯而易見，重的負載使得FIFO隊列很忙，故平均調(diào)度時延隨負載由0.1增長至0.6而逐漸增加，如圖5（a）所示�？墒�，當負載大于0.6后，從0.7到0.9過程中，平均調(diào)度時延急劇增加，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)度時延必須要給予考慮，而以前的工作通常忽略其不計。同時，這種特殊現(xiàn)象指出對于網(wǎng)絡負載而言存在一個最優(yōu)值。另外，當T >2時，歸一化時間長度T對平均調(diào)度時延有很弱的影響。

 
   圖5. 不同T時平均調(diào)度時延與負載的關系曲線

圖6描述了不同L情況下平均調(diào)度時延對負載的函數(shù)關系。注意到曲線的形狀與趨勢與圖5的結果一致，顯然，平均調(diào)度時延隨L增加而增加，并在中等強度載荷情況下，隨L進一步增加，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，二者交叉于一處，如圖6（a）所示。當載荷大于0.8時，具有較小L值的平均調(diào)度時延較早的表現(xiàn)出較大的時延值，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)度機制對時延有明顯影響；平均調(diào)度時延與平均組裝時延有相同的量級；平均調(diào)度時延在額外總時延中有不可忽略的作用。

 
 圖6. 不同L時平均調(diào)度時延與負載的關系曲線

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

 
   圖7. 不現(xiàn)L和T時平均調(diào)度時延與H的關系     圖8. 不同負載情況下平均調(diào)度時延對H的關系

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

 圖9. 不同L與T情況下總平均時延對負載的關系曲線

2.4 光包利用率
光包利用率定義為光包中多個IP包的實際長度除以最大光分組長度，是分析混合組裝算法性能的另一個重要指標。圖10和圖11分別給出了T、L及負載變化時光包利用率曲線，表明：如果僅其中一個參數(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T >2后，它對光包利用率幾乎沒有影響，相對于T而言，L是一個重要參數(shù)，光包利用率明顯隨L增加而增大；當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時光包利用率變化曲線            圖11. 不同L時光包利用率變化曲線

3 結論
本文研究了運行于同步光分組交換網(wǎng)邊緣節(jié)點中的混合組裝算法性能，包括平均組裝時延、平均調(diào)度時延和光包利用率。仿真結果表明：歸一化時間門限大于2之后，其對平均時延和利用率有相對小的影響。而歸一化長度門限對兩種時延有不可忽略的影響，尤其是在重載荷情況下；同時，歸一化長度門限也是確定光包利用率的一個重要因素；在輕、中負載情況，Hurst值對兩部分平均時延及光包利用率都有較小的影響，在重載荷情況下，Hurst值對平均調(diào)度時延有很強的影響。此外，通過分析總平均時延變化規(guī)律，可得到最優(yōu)負載值；經(jīng)綜合考慮歸一化時間門限、歸一化長度門限與負載值共同影響，可確定最大光包利用率。

參考文獻：
[1] M. J. O’Mahony, D. Simeonidou, D. K. Hunter and A. Tzanakaki, “The Application of Optical Packet Switching in Future Communication Networks, ” IEEE Communications Magazine, Vol.39, pp: 128-135, 2001
[2] J. He and S. H. Gay Chan, “TCP and UDP Performance for Internet over Optical Packet-Switched Networks,” ICC’03, pp: 1350-1354
[3] S. Yao and B. Mukherjee, “Advances in Photonic Packet Switching: An Overview,” IEEE Communications Magazine, Vol. 38, pp: 84-94, 2000
[4] F. Xue and S. J. Ben Yoo, “Self-similar Traffic Shaping at the Endge Router in Optical-switched Networks,” IEEE ICC’02, pp: 2449-2453
[5] J. J. He and D. Simeonidou, “Contention resolution in optical packet-switching networks: under long-range dependent traffic,” OFC’00, pp: 295-297
[6] M. Nord, “Optical Switching Technologies for Fast Optical Packet Switching,” ICTON’02, pp: 241-244
[7] C. Raffaelli and P. Zaffoni, “Packet Assembly at Optical Packet Network Access and its Effects on TCP Performance,” IEEE HPSR’03, pp: 141-146
[8] Y. Pan and P. Ye, “Traffic Modeling for Asynchronous Optical Packet Switching Networks,” Proc. SPIE APOC’04
[9] A. Ge, F. Callegati and L. S. Tamil, “On Optical Burst Switching and Self-Similar Traffic,” IEEE Communications Letters, Vol. 4, pp::98-100, 2000
[10] X. Cao, J. Li, “Assembling TCP/IP Packets in Optical Burst Switched Networks,” IEEE GLOBECOM’02, pp: 2808-2812
[11] R. Rajaduray, D. J. Blumenthal and Ovadia, “Impact of Burst Assembly Parameters on Edge Router Latency in an Optical Burst Switching Network,” LEOS’03, pp: 55-56
[12] S. Bregni, A. Pattavian and G. Vegetti, “Traffic Performance of Buffering Strategies in All-Optical Nodes for IP Networks,” HPSR’03, pp: 159-164
[13] Y. Xiong, “Control Architecture in Optical Burst-switched WDM Networks,” IEEE JSAC, Vol. 18, pp: 1838-1851, 2002
[14] Ryu and S.Lowen, “Point Process Approaches to the Modeling and Analysis of Self-Similar Traffic – Part I: Model Construction”, Proc. IEEE INFOCOM’96, pp: 1468-1475