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季偉
北京郵電大學電信工程學院
摘要:波長變換和光緩存是OPS網(wǎng)絡中常用的技術。本文研究了輸入信道共享波長變換和部分共享光緩存結構在單播和多播流量條件下，OPS網(wǎng)絡的性能。通過建立分析模型，具體討論了不同流量特性下，網(wǎng)絡丟包率與緩存長度的關系，同時還分析了增加信道中波長數(shù)目對網(wǎng)絡性能的改善。
關鍵詞：光分組交換；共享輸入信道；波長變換器；光緩存；流量分析。
1、序言
近幾年來，IP業(yè)務的飛速的發(fā)展，大大帶動了對各種高速傳輸和交換技術的研究工作[1]–[3]。波分復用（WDM）技術的出現(xiàn)，使得在一根光纖中可同時傳送多個高速信道，大大拓寬了物理層的帶寬，被公認為是下一代IP骨干網(wǎng)的核心傳送技術。同時需要相應的高層構架和協(xié)議以充分利用豐富的光層帶寬。特別的，要對現(xiàn)有的面相連接的線路交換加以發(fā)展，以便能夠支持分組交換的數(shù)據(jù)流。在各種交換技術中，光分組交換（OPS）以其高速和數(shù)據(jù)格式透明等特點，成為極具吸引力的方案[4]–[6]。
在本論文中，我們研究的OPS節(jié)點結構為：在每個輸入信道中放置一個波長變換器，此結構成為SPIC（Shared-Per-Input-Channel）。在輸出端，采用共享緩存結構對輸出包進行一定周期的存儲。光緩存器由光纖延時線組成。我們建立了此種網(wǎng)絡節(jié)點結構的流量分析模型，進而對網(wǎng)絡性能進行討論。另外我們還分析了流量的單播和多播特性對節(jié)點的影響。
2、節(jié)點分析模型的建立
基于波分復用(WDM: wavelength division multiplexing)的光分組交換節(jié)點結構如圖1所示。該結構采用了波長變換和光緩存技術來解決交換過程中發(fā)生的分組包沖突問題。
2.1 輸入端：假定N和M分別表示交換節(jié)點輸入/輸出端鏈路數(shù)和每個鏈路中的波長信道數(shù)。a 代表某一固定時隙里，分組包到達交換節(jié)點N×M個波長通道其中之一的概率。定義qi (i=1,2,…N)為分組包去往第i個輸出鏈路端口的概率，流量非均衡因子f=qk/qk-1 (k=2..N)，且假定其為一定值。我們可以得到：
（1）單播流量：
A：f＝0，此時T 1=1，T k =0 (k=2,3…. N)，所有分組均從1端口輸出，所以此時節(jié)點為單播流量特性；
B：f= ，此時T k=0 (k=1,2…. N-1)，TN =1，節(jié)點所有分組流量均由N端口輸出。
（2）多播流量：
A：f=1，此時所有到達節(jié)點的分組以相同的概率1/N，去往k (k=1,2….N)輸出端口，節(jié)點流量為均衡的多播流量；
B：f>1，隨著f的增大，分組去往大端口號輸出端的概率增大，節(jié)點中多播流量的不均衡性提高，其特性也隨之向單播流量特性接近；
C：f<1，隨著f的減小，分組從小端口號輸出端輸出的概率增大，流量的不均衡性也隨之提高。
2.2輸出端：
如圖2所示，B為緩存中用來存放分組包的位置數(shù)，B/M用來表征緩存同時存儲M個分組包的能力。所以總的連接鏈路數(shù)為B/M+1，其中包括對分組包不進行任何延時的一條鏈路。
2.3流量分析
當不放置輸出緩存時，丟包率的產(chǎn)生來源于沒有空閑波長用來建立通往分組包目的信道的光鏈路。E[Nwl]表示由波長資源擁塞造成的平均丟包率。我們可以得到下面的表達式：
當在輸出端放置光緩存后，每個通路最多可存儲B個分組包，并且在每個時隙最多有M個分組包離開輸出隊列。所以，在一個給定的m時隙后，給定通道的輸出隊列長度為Qm，在m＋1時隙后，其長度為Qm+1。其表達式為：Qm+1=max {min [(Qm+Am+1-M), B], 0}。其中Am+1為m＋1個時隙，到達給定輸出通道的分組包數(shù)量。假定分組包到達輸出隊列的概率分布為二項分布，我們可以得到輸出隊列中有j個分組包，在新的時隙到達的分組包在共享輸出緩存中延時的概率aj。每個輸出緩存位置可被認為是超過節(jié)點中波長資源服務能力的額外服務。假定其服務，也就是延時線的占用狀態(tài)為馬爾可夫（Markov）過程。在輸出端，分組包被緩存的概率E[NB]，其表達式為：
3.數(shù)值結果與討論
圖3中給出了在以上描述的節(jié)點結構中，分組丟包率Ploss在交換節(jié)點通道數(shù)N=16，波長數(shù)M=5，通道負載p=a×M=0.8，和流量不平衡因子f={0.8, 0.9, 1, 1.1, 1.2, 1.5}條件下，與不同的輸出端共享光纖延時線長度間的關系曲線。
由圖3中我們可以得到：節(jié)點的分組丟失率隨著輸出端共享光纖延時線的長度增加而下降，并且在流量不平衡因子f=1，即均衡的多播流量特性條件下，對應的分組丟失率最低。隨著f值的增大和減小，在相同的光緩存長度條件下，節(jié)點的分組丟失率會增大。例如我們固定節(jié)點的分組丟失率為10-4，在均衡的多播流量條件下，只需8個單位長度的共享光緩存。而對于f值為1.1或0.9的非均衡多播流量，需要大約20個單位的緩存長度。
圖4給出了在不同節(jié)點通道負載p的條件下，分組丟包率與共享緩存長度間的關系曲線。由圖中我們可以得到：大的節(jié)點通道負載對應高的分組丟包率，并且在輸出共享緩存的長度較小時，不同的通道負載對應顯著不同的分組丟包率，而隨著緩存長度的增加，其差值變得越來越小。
在不同的波長數(shù)M=5,8,10條件下，節(jié)點分組丟包率與共享緩存長度間的關系曲線如圖5所示。由圖中我們可以得到：在相同的共享緩存長度下，當通道中波長數(shù)增加時，節(jié)點的分組丟包率會顯著下降。但波長數(shù)的增加需要更多的波長變換器，并且增加了網(wǎng)絡的復雜度和造價。
4.結論
在本文中我們討論了一種基于WDM的光分組交換結構，在其每個輸入波長通道中裝備有波長變換器，輸出端放置共享緩存結構。我們采用了一種流量模型用來描述光分組交換節(jié)點中的流量特性。利用該模型我們研究了在給定節(jié)點結構和流量特性條件下，光線延時線的長度對節(jié)點性能的影響。分析表明波長變換器和光緩存的配置對網(wǎng)絡性能的提高起到了極大的作用。同時，采用一些簡單的控制邏輯，可以大大減少需要的光纖延時線長度，例如在均衡的交換流量情況下，大約可以節(jié)約50%的緩存長度。
REFERENCES
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