專題豸焦中文核心期刊空分交換型OPs節(jié)點技術(shù)楊俊杰',肖石林2,張浩(1.上海電力學(xué)院計算機與信息工程學(xué)院上海200002.上海交通大學(xué)區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室,上海20030)摘要:光分組交換(OPS:0 ptical Packet Switching)如果同一時刻,有兩個或兩個以上的光分組要以同一核心交換節(jié)點結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接影響著光分組交換網(wǎng)波長從同一輸出端口離開光交換節(jié)點,就會產(chǎn)生競絡(luò)的性能。文章以空分交換型0PS核心交換節(jié)點結(jié)構(gòu)爭。如何解決分組競爭是光分組交換技術(shù)一個至關(guān)重為研究對象,對光分組交換節(jié)點結(jié)構(gòu)中的競爭解決技要的問題。解決競爭的方法通常有3種:光緩存、波長術(shù)進行深入探討。此外,還總結(jié)歸納了5種空分交換變換和偏射路由。其中,偏射路由是讓某些分組選擇型0PS節(jié)點結(jié)構(gòu),即輸出緩存型、反饋緩存型、共享緩非最短路由來避開競爭,它是一種網(wǎng)絡(luò)級的竟?fàn)幗鉀Q存型、混合緩存型和無緩存型方法,對于單一的交換節(jié)點而言通常使用光緩存和波關(guān)鍵詞:光分組交換;光緩存;波長變換器;空分交換長變換兩種方法。中圖分類號:TN92911文獻標(biāo)志碼:A2.1光緩存在電的路由器中,數(shù)據(jù)分組之間的競爭通常用存1引言儲-轉(zhuǎn)發(fā)的技術(shù)來解決,也就是說,路由器先把競爭分近些年來,光分組交換(OPS: Optical Packet Swit-組存儲在一個緩存隊列中,并在輸出端口可用時再將ching)"技術(shù)以其高速、透明和交換粒度適中等特點分組送出。由于電的RAM技術(shù)非常成熟,所以這種方被普遍認(rèn)為是一種能實現(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)與光傳送網(wǎng)絡(luò)無縫法是可以實現(xiàn)的。在光交換中,由于沒有可用的光連接的理想解決方案光分組交換以微秒量級的光RAM,光緩存目前一般由光纖延遲線FD構(gòu)成。FDL分組為交換單元。光分組由數(shù)據(jù)載荷( payload)和攜帶對光分組進行緩存的工作原理是利用光在光纖中的路由控制信息的分組頭( header兩部分組成。在光分傳播時延,根據(jù)延時的需要,讓光信號在特定長度的組交換網(wǎng)絡(luò)的核心交換節(jié)點,根據(jù)光分組頭部所攜帶FDL中傳播,傳播時延即為光緩存時間。電RAM和的路由控制信息,光分組被交換到合適的下一個交換FDL的主要區(qū)別是電RAM可以隨機接入存儲,而節(jié)點。光分組交換核心節(jié)點的性能將對整個交換網(wǎng)絡(luò)FDL只能提供順序接入存儲,一旦一個光分組進入光的性能起著決定性的影響。纖,它必須在固定的時間后才能從另一端出來。空分交換型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)是一種最常見的光分根據(jù)光緩存所處位置的不同,可以把光緩存分為組交換節(jié)點結(jié)構(gòu),它的核心交換單元是由高速光開輸入式、輸出式、反饋式和共享式4種基本類型。輸入關(guān)(光開關(guān)的切換速度通常為數(shù)納秒到數(shù)十納秒)所式光緩存位于交換節(jié)點的輸入端口,每個輸入端口都構(gòu)成的光交換矩陣。此外,為了解決交換過程中光分配置有一組由FDL組成的光緩存。輸入式光緩存由于組的競爭問題,通常需要使用到波長變換或和光緩存線頭阻塞head-of- line blocking)導(dǎo)致性能較差,在純粹等方法。本文將討論光分組的競爭解決方法,同時對的光領(lǐng)域中很少被使用。輸出式光緩存位于交換節(jié)空分交換型核心OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)進行分類研究。點的輸出端口,每個輸出端口同樣配置一組FDL光緩存。反饋式光緩存則是所有的輸出端口共享一組從輸2競爭解決方法出端口反饋回輸人端口的光緩存。在共享式光緩存在光分組交換網(wǎng)絡(luò)中,每個光分組通常要穿過許中,所有的輸出端口共享一組位于輸出端的光緩存。多交換節(jié)點才能到達目的地。當(dāng)數(shù)據(jù)分組在交換時,2.2波長變換波長變換時方法是利用波長變換器把發(fā)生競爭光收稿日期:2006-02-08?；痦椖?上海市教委一般科研項目(編號:05LZ09)資助;上海市重點學(xué)分組的承載波長變換到某個空閑波長以解決光分組科建設(shè)項目(編號:P1303)資助竟?fàn)?。在某一時刻,當(dāng)輸出端口某波長發(fā)生競爭,如果作者簡介:楊俊杰(1971),男,福建漳州人博士,講師,主要從事光分組該端口仍存在著空閑波長,則可以把發(fā)生競爭的一個交換、光標(biāo)記交換、 P over WDm等方向的研究。分組以原來波長輸出,其余的某些分組通過波長變換專題焦楊俊杰,等:空分交換型OPS節(jié)點技術(shù)CI: Al-無渡長C2:A1變換晷空分交換圈,6器一可調(diào)長可調(diào)波長變換器rw圖1波長變換器對光緩存的影響圖2輸出緩存型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)圖3改進后的輸出縵存型oPs節(jié)點結(jié)構(gòu)以空閑波長進行輸出,從而減少了丟包率。波長變換數(shù)目為T的反饋式TWC組成TWC共享池被所有的輸出端口所共享還可以提高FDL的緩存能力。如圖1所示,某一時刻有兩個輸入分組同時以波長A1輸出到同一輸出端32反饋緩存型口,如果沒有波長變換器,在輸出端口將需要兩根最早的反饋緩存型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)是 Karol等人在FDL進行緩存;如果有波長變換器,可以把其中一個文獻6中提出的SMOP交換結(jié)構(gòu)。SMOP交換結(jié)構(gòu)使分組以波長A1進行緩存,而把另一個競爭分組變換用一組反饋式的FDL來緩存發(fā)生競爭的光分組。與輸?shù)讲ㄩLA2,這樣只需一根FDL就可以同時緩存這兩出緩存型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)相比,該交換結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點個分組。在交換節(jié)點中,波長變換器有兩種常用的配是能充分利用所配置的FDL。然而,該結(jié)構(gòu)只使用置方法:配置于各個輸入波長信道或配置成一個共享FDL來解決光分組競爭,并沒有充分利用波長域的競池被所有的輸入波長信道所共享。爭解決方法。為了進一步提高SMOP交換結(jié)構(gòu)的性能,Zhizhong Zhang等人對SMOP交換做了一些改進m,如3空分交換型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)圖4所示。改進后的交換結(jié)構(gòu)同樣使用反饋式的FDL來解決光分組競爭,同時還引人了反饋式的可調(diào)波長根據(jù)光緩存的不同配置,空分交換型OP節(jié)點結(jié)變換器TWC作為競爭解決辦法。當(dāng)光分組競爭出現(xiàn)構(gòu)大致可以分為輸出緩存型、反饋緩存型、共享緩存時,可以先使用TWC來解決競爭,如果TWC不可行,型、混和緩存型和無緩存型5種。可以再使用FDL來解決競爭。這就使得光分組被丟棄31輸出緩存型的概率大大減小,因而大大提高了交換結(jié)構(gòu)的性能。圖2和3所示為兩種典型的輸出緩存型OPS節(jié)33共享緩存型點結(jié)構(gòu)S。在圖2中,每個輸出端口都配置有一組由圖5所示為一種通用的共享緩存型OPS節(jié)點結(jié)B+1根FDL所構(gòu)成的光緩存,這B+1根FDL的長度構(gòu),它有N個輸入輸出端口。在交換節(jié)點的輸出端配分別為0,D,2D,…,BDD為FDL的粒度)。當(dāng)光分組發(fā)置有一組由B根FDL組成的光緩存,這組光緩存被N生競爭時,一部分光分組可以緩存于光緩存中,從而個輸出端口所共享。在交換節(jié)點的各個輸人端口,每避免被丟棄。同時為了使用波長域的競爭解決方法,個波長信道都配有一個可調(diào)波長變換器TWO,它們交換節(jié)點的每個輸入波長信道上都配置有一個可調(diào)用于把發(fā)生沖突的光分組變換到輸出端口或光緩存內(nèi)的空閑波長上。當(dāng)出現(xiàn)光分組競爭時,交換節(jié)點首載光分組的波長可以變換為輸出端口中的某些空閑先嘗試使用TwC來解決競爭,如果不行則嘗試使用波長,這也可以解決分組競爭。這種OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)具光緩存。由于所有的輸出端口共享著一個光緩存,因有較低的丟包率,然而其所配置的TWC并不能被充此各個輸出端口之間可能會相互競爭緩存資源。此分利用。例如,對于同步交換方式而言,在每個交換時隙,并不是所有的輸入波長信道都有光分組到達即使都有光分組到達,也并不是所有的光分組都需要波長變換。因此,TWC的利用率很低。針對這個缺點,在文獻[5]中, Eramo等人對該交換結(jié)構(gòu)進行了改進,使之能充分利用TWC資源。如圖3所示,改進后的交換結(jié)構(gòu)所配置的光緩存與圖2相同,不同之處在于TwC的配置變?yōu)榉答伿?一組圖4反饋緩存型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)圖5共享緩存型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)專題8焦楊俊杰,等:空分交換型OPS節(jié)點技術(shù)1Tusche wavelength圖6一種混合緩存型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)圖7無緩存型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)圖8無緩存型OPs節(jié)點結(jié)構(gòu)時,當(dāng)前到達的光分組所需要的FDL可能被原先到達長配置一個TWC,所以存在著不能充分利用這些且通往其它輸出端口的光分組所占用,在文獻8]中,TwC的問題。為此,在文獻1, Eramo針對這個問這種現(xiàn)象被稱為FDL競爭。FDL競爭會導(dǎo)致節(jié)點性能題提出了一種具有反饋式TWC共享池的無緩存型的惡化,但是可以通過選擇合適的緩存控制策略或增oS節(jié)點結(jié)構(gòu)。如圖8所示,由于所配置的TwC被所大光緩存的容量來減輕它的影響剛。有的輸入端口所共享,所以TWC能被充分利用。然34混合緩存型而,圖7、圖8的交換結(jié)構(gòu)也存在著一定的局限性。當(dāng)在空分交換型oPS節(jié)點結(jié)構(gòu)中,除了可以配置上每波長信道上業(yè)務(wù)負(fù)載很大時,輸出端口有空閑波長述典型的光緩存外,還可以同時配置多種典型的光緩的概率很低此時單靠TWC并不能很好地解決競爭。存,本文把這種類型的節(jié)點結(jié)構(gòu)稱為混合緩存型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)。在文獻p中, Juan diao等人提出了一種稱4結(jié)論為PSB的混合緩存型0PS節(jié)點結(jié)構(gòu)。PSB交換結(jié)構(gòu)如本文對空分交換型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)的兩種競爭解圖6所示,為了解決光分組沖突,在PSB每個輸出端決方法,即光緩存和波長變換方法展開深入的探討口都配置有一組輸出式FDL光緩存。另外,該結(jié)構(gòu)還根據(jù)光緩存和波長變換器的不同配置方法,對空分交使用了一組反饋式FDL光緩存。研究發(fā)現(xiàn),通過使用換型OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)進行分類研究,總結(jié)歸納出輸出緩這兩種FDL光緩存的結(jié)合,該交換結(jié)構(gòu)的性能與圖2存型、反饋緩存型、共享緩存型、混合緩存型和無緩存中的輸出緩存型OPS結(jié)構(gòu)的性能幾乎沒有什么差異,型等5類不同的節(jié)點結(jié)構(gòu)。這5類OPS節(jié)點結(jié)構(gòu)各有從而可以省去許多昂貴的TwC。研究還發(fā)現(xiàn)如果在優(yōu)缺點在實際的應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實際情況進行選取。反饋式FDL光緩存上使用少量幾個TwC,PSB的性能還會比輸出緩存型OPS結(jié)構(gòu)的性能好許多。參考文獻3.5無緩存型[1] SHUN YAO. Advances in Photonic Packet Switching: An Overview [] IEEECommunications Magazine, 2000, 38(2): 84-94在迄今為止所提出的空分交換型OS節(jié)點結(jié)構(gòu)(2 HUNTER D K. Buffering in optical packet switches [J]. IEEE /SOA Journal of中,并非所有的結(jié)構(gòu)中都使用到了光緩存。在文獻10 Lightwave Techno9.16201204中, Danielsen等人還研究了不使用FDL光緩存,而只 EEE/OSA Joumal of Lightwave Technolo.96020a%[3] DANIELSEN S L Wavelength conversion in optical packet在每個輸入波長信道上配置一個可調(diào)波長變換器4 DANIELSEN S L WDM Packet Switch Architectures and Analysis of the Inclu-ence of Tunable Wavelength Converters on the Performance [J]. IEEE/OSA Journal ofTwO)的空分交換型OS節(jié)點結(jié)構(gòu),如圖7所示。 Lightwave Technol902122Danielsen等人經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn),通過增加輸入輸出波長(5] VINCENZO ERAMO. Wavelength converter sharing in a WDM optical packet信道的數(shù)目可以提高交換節(jié)點的丟包性能。例如,當(dāng)Nswitchdimensioningandperformanceissue01.comPuterNetwor:06為16,每光纖負(fù)載為0.8時,如果使用11個波長信61 KAROL M. Proceedings of sPiE on Multigigabit Fibre Commun. Systems [C.San道,節(jié)點的丟包率會小于10。然而,這種使用增加波Dcg. CA USA,1992長信道數(shù)目來降低每波長業(yè)務(wù)負(fù)載的方法(每波長負(fù)ZHANG Zhi-zhong. Proceedings of SPIE on Opticomm ICITX USA, 2003267-277載=每光纖負(fù)載/波長信道數(shù)),所帶來的是TwC數(shù)目8 YANG Jur- jie. Performance Improvement for Optical Packet Switch with Shared的增加。例如,對于前面所舉的例子,如果使用11個 Buffers []. Chinese Optics Letter20.30)波長信道,那么就需要276個TwC[9 DIAO Juan. Analysis of Partially Shared Buffering for WDM Optical PacketSwithcing [J]. IEEE/OSA Joumal of Lightwave Technology, 1999, 17(12): 2461-2469,上述這種無緩存型OrS節(jié)點結(jié)構(gòu)為每個輸入波(版面原因,文獻1011從略)