廖聞驕，肖石林，孫衛(wèi)強(qiáng)（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

電路與分組混合光交換中的準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)隙分配方案

廖聞驕，肖石林，孫衛(wèi)強(qiáng)
（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘要：針對混合光交換設(shè)備利用率較低的問題，提出了一種應(yīng)用于電路與分組混合光交換中的準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)隙分配方案，分析了采用該方案的交換機(jī)性能，并利用Mat l ab軟件對該方案的時(shí)隙利用率和時(shí)延性能進(jìn)行了仿真。

關(guān)鍵詞：混合光交換；時(shí)隙分配；準(zhǔn)靜態(tài)

0　引言

近年來，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)這一類在線服務(wù)的快速發(fā)展，海量數(shù)據(jù)的同步與備份消耗了大量的帶寬資源，這些服務(wù)不僅需要較低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，而且增加了網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本。因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用效率成為影響網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要因素之一。對于現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，尤其是傳統(tǒng)的分組交換設(shè)備，其帶寬、時(shí)延和設(shè)備利用率均不能很好地滿足目前的要求。于是，電路與分組混合光交換作為一個(gè)很好的解決方案被引入到光交換網(wǎng)絡(luò)中。在混合交換中，交換資源的分配方案是提高交換機(jī)性能的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［1～4］中提出了幾種基于流量的資源分配方案，但這些方案對于流量的估計(jì)和調(diào)度都需要在OSI七層模型中的網(wǎng)絡(luò)層或運(yùn)輸層實(shí)現(xiàn)。而網(wǎng)絡(luò)層或運(yùn)輸層對流量調(diào)度的感知可能會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（如IP協(xié)議）或運(yùn)輸層協(xié)議（TCP協(xié)議），使網(wǎng)絡(luò)層和運(yùn)輸層的協(xié)議變得更復(fù)雜且難以標(biāo)準(zhǔn)化，不能與其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通用，缺乏向上層提供靈活服務(wù)的能力，增加了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。文獻(xiàn)［1～3］提到的方案需要對每一個(gè)匯聚流進(jìn)行輪詢，頻繁地進(jìn)行交換矩陣重構(gòu)，顯著增加了時(shí)間方面的開銷，降低了交換設(shè)備的利用率。尤其是在高速的光交換網(wǎng)絡(luò)中，交換矩陣的重構(gòu)時(shí)間與分組傳輸時(shí)間處于同一個(gè)數(shù)量級上，此時(shí)這種開銷就變得不可接受。為了降低交換機(jī)矩陣重構(gòu)次數(shù)，提高交換設(shè)備利用率，本文提出一種準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)隙資源分配方案。

1　基于分組交換的準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)隙分配方案

通常混合光交換結(jié)構(gòu)可以分為3類：基于電路交換的混合交換；基于分組交換的混合交換；電路分組并存的混合交換。本文提出的準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)隙分配方案在基于分組交換的混合光交換結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)，具體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。該結(jié)構(gòu)以取樣光柵分布布喇格反射(SG-DBR)激光器作為光源，N×N陣列波導(dǎo)光柵(AWG)作為交換元件。

基于光分組交換的混合交換結(jié)構(gòu)采用的SG-DBR激光器是一種快速可調(diào)諧激光器，可以在數(shù)十納秒內(nèi)從一個(gè)波長切換到另一個(gè)波長。同時(shí)利用AWG的特性，通過選擇不同的波長輸入，控制光信號從不同的端口輸出，以實(shí)現(xiàn)交換功能。激光器根據(jù)每一個(gè)數(shù)據(jù)包的目的出口不同，不斷地變換輸出波長，實(shí)現(xiàn)了分組交換。在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們引入了準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)隙分配方案。

在虛擬輸出隊(duì)列（VOQ）模型中，每一個(gè)輸出端口維護(hù)一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列中存儲(chǔ)所有需要從該出口轉(zhuǎn)發(fā)的分組。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)某一個(gè)輸出端口的平均分組數(shù)量，本方案會(huì)為每一個(gè)VOQ預(yù)留相應(yīng)數(shù)量的時(shí)隙資源。完成VOQ的資源分配后，將剩下的時(shí)隙資源分配給分組交換，用來發(fā)送每一個(gè)VOQ中超過平均到達(dá)分組數(shù)量的分組。這些超過均值的分組均存儲(chǔ)在同一個(gè)隊(duì)列中，我們將其命名為動(dòng)態(tài)輸出隊(duì)列(DOQ)。為完成流量統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)定了一個(gè)固定長度的時(shí)間，稱為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期。在一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)到達(dá)每個(gè)輸出端口的分組數(shù)量，求出平均值。由于時(shí)隙資源分配的比例在一個(gè)周期內(nèi)是靜態(tài)的，它只隨每個(gè)統(tǒng)計(jì)周期變化，故稱作準(zhǔn)靜態(tài)時(shí)隙分配方案。系統(tǒng)時(shí)域幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　基于光分組交換的混合交換結(jié)構(gòu)

圖2　系統(tǒng)時(shí)域結(jié)構(gòu)

在相應(yīng)的VOQ裝滿前，所有具有同一目的出口的分組都匯聚在VOQ內(nèi)。當(dāng)該VOQ裝滿后，本應(yīng)存儲(chǔ)在VOQ的分組就被存入DOQ中，通過傳統(tǒng)的分組交換方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。若所有隊(duì)列全滿（包括DOQ），則丟棄之后到達(dá)的分組不做任何處理。在一個(gè)完整的統(tǒng)計(jì)周期中，交換機(jī)會(huì)依次服務(wù)每一個(gè)VOQ，即發(fā)送完某一個(gè)VOQ中所有的分組后才會(huì)轉(zhuǎn)向下一個(gè)VOQ為其提供服務(wù)，以達(dá)到減少交換矩陣重構(gòu)次數(shù)的目的。在整個(gè)系統(tǒng)中，與分組交換部分相比較，為每一個(gè)VOQ預(yù)留的時(shí)隙資源可以看作是一種虛電路交換資源，為流量中大量且穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)流提供服務(wù)。從以上實(shí)現(xiàn)過程可以看出，采用本方案的系統(tǒng)并不感知網(wǎng)絡(luò)上層的信息，只為上層提供簡單靈活的服務(wù)，降低了上層調(diào)用服務(wù)時(shí)的復(fù)雜度和成本。

2　系統(tǒng)性能分析

我們設(shè)計(jì)這套方案的初衷在于提升設(shè)備利用率，優(yōu)化系統(tǒng)在重負(fù)載下的時(shí)延性能。因此，我們仿真了采用本方案的交換機(jī)的時(shí)隙利用率和時(shí)延性能。假設(shè)分組是以泊松隨機(jī)過程到達(dá)交換機(jī)的，即任意兩個(gè)分組到達(dá)交換機(jī)的時(shí)間間隔這一隨機(jī)變量服從泊松分布。令該泊松過程的到達(dá)率為λ′，λi表示在一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期中到達(dá)的分組個(gè)數(shù)的均值，則λi是泊松過程在一段時(shí)間內(nèi)的積分。假設(shè)在這段時(shí)間內(nèi)有n個(gè)分組到達(dá)，得到λi=λ′·n。令一個(gè)隨機(jī)變量Xi來表示在每個(gè)統(tǒng)計(jì)周期中到達(dá)交換機(jī)的分組個(gè)數(shù)，假設(shè)在一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，分組到達(dá)的泊松過程是一個(gè)廣義平穩(wěn)隨機(jī)過程，則Xi的均值λi在一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期中是一個(gè)常數(shù)。根據(jù)隨機(jī)過程的知識，可以得到Xi的概率密度函數(shù)為：

不失一般性，令所有λi相等，λ1=λ2=……=λi=λ，根據(jù)泊松分布性質(zhì)，Xi的均值等于λ。設(shè)交換矩陣重構(gòu)所需的時(shí)間為trc（以Tdata進(jìn)行歸一化，Tdata表示一個(gè)分組所需的傳輸時(shí)間），則利用率η的表達(dá)式為：

從式（1）和式（2）可以看出，η也是一個(gè)隨機(jī)變量，其期望可以根據(jù)式（1）和式（2）推出。由于所有的Xi都服從均值為λ的泊松分布，為方便計(jì)算，本文用X代替Xi，得到η的均值表達(dá)式為：

由于本方案是采用緩存分組進(jìn)而集中轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行交換的，分組緩存可能會(huì)帶來時(shí)延，因此，我們引入一種稱作預(yù)留模型的數(shù)學(xué)模型進(jìn)一步分析了采用本方案的交換機(jī)時(shí)延性能，預(yù)留模型示意圖如圖3所示。

當(dāng)一個(gè)屬于某VOQ的分組按泊松過程隨機(jī)到達(dá)交換機(jī)時(shí)，可以看出系統(tǒng)的延遲源于兩部分：該VOQ等待下一次服務(wù)所需的時(shí)間T1；在該隊(duì)列接受服務(wù)時(shí)某個(gè)分組等待排在其前面的分組發(fā)送完所需的時(shí)間T2。假設(shè)總共有k個(gè)VOQ，利用排隊(duì)論的結(jié)論，在這樣的M/G/1排隊(duì)系統(tǒng)中，T1的均值表示為：T1=λ×(k-1)2k（以Tdata進(jìn)行歸一化）。T2的平均值可以表示為T2=λ2k-1。則總等待時(shí)間Twait為：

圖3　預(yù)留模型示意圖

3　仿真結(jié)果與分析

我們利用科學(xué)軟件Matlab對采用本方案的交換機(jī)進(jìn)行了關(guān)于時(shí)隙資源利用率和時(shí)延特征的仿真，并與常規(guī)分組交換機(jī)進(jìn)行對照。系統(tǒng)仿真中，設(shè)交換機(jī)的端口數(shù)為10,一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的最大時(shí)隙數(shù)為400。

當(dāng)λ（0～400）不同時(shí)，在不同的單次矩陣重構(gòu)時(shí)間trc下，采用本方案的交換機(jī)與常規(guī)分組交換機(jī)的時(shí)延特征如圖4所示。在負(fù)載較低的情況下，采用本方案的交換機(jī)時(shí)延大于常規(guī)分組交換機(jī)的時(shí)延。但是，隨著負(fù)載增大，常規(guī)分組交換機(jī)的時(shí)延均在負(fù)載達(dá)到某一個(gè)值后急劇增大。根據(jù)排隊(duì)論相關(guān)知識分析，當(dāng)?shù)竭_(dá)率與服務(wù)率的比例接近1時(shí)，常規(guī)分組交換機(jī)的時(shí)延會(huì)急劇增大，緩存隊(duì)列很快被填滿，導(dǎo)致丟包。本方案的時(shí)延特征曲線跟隨負(fù)載線性增大，在某個(gè)trc時(shí)常規(guī)分組交換機(jī)已經(jīng)發(fā)生大量丟包，但采用本方案的交換機(jī)仍然能以一個(gè)可以接受的時(shí)延進(jìn)行工作，且不發(fā)生丟包。因此，相較于常規(guī)分組交換方案，本方案更能適應(yīng)用于重負(fù)載下的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

采用本方案的交換機(jī)時(shí)隙利用率與負(fù)載的關(guān)系如圖5所示。采用本方案的交換機(jī)與常規(guī)分組交換機(jī)的利用率對比情況如圖6所示。時(shí)隙利用率隨負(fù)載的增大而提升，隨trc的增大而下降。采用本方案的交換機(jī)在時(shí)隙時(shí)間利用率上比常規(guī)分組交換機(jī)更有優(yōu)勢。隨著trc的增大，常規(guī)分組交換機(jī)的時(shí)隙利用率下降得很快，與之相比，采用本方案的交換機(jī)利用率下降得慢，在trc的大部分區(qū)間上具有較大優(yōu)勢。

圖4　系統(tǒng)時(shí)延特征

圖5　采用本方案的交換機(jī)利用率隨負(fù)載變化曲線

圖6　本方案與常規(guī)分組交換的利用率對比情況

4　結(jié)束語

本文提出了一種應(yīng)用于電路與分組混合光交換中的準(zhǔn)靜態(tài)的時(shí)隙資源分配方案。相比基于流量的資源分配算法，本方案不需要感知網(wǎng)絡(luò)上層的信息，能達(dá)到較高的時(shí)隙利用率。通過軟件仿真和結(jié)果分析，我們可以得到采用本方案的交換機(jī)在設(shè)備利用率和重負(fù)載下的時(shí)延性能方面都比常規(guī)分組交換機(jī)好，并且在常規(guī)分組交換方案已經(jīng)出現(xiàn)大量丟包的情況下，采用本方案的交換機(jī)仍能正常工作。本研究的不足之處在于，采用本方案的交換機(jī)處于較輕的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載時(shí)會(huì)有比常規(guī)分組交換高的時(shí)延。因此，在今后的研究中，需解決本方案在輕負(fù)載下的時(shí)延性能優(yōu)化問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] CHE H, LI S Q, and LIN A, Adaptive resource management for flow-based IP/ATM hybrid switching systems[J]. IEEE/ACM Trans. Netw., 1998,6(5):544-557.

[2] ABRAMOV V, ADDIE R G, LI F, PENG Y, et al. A New Teletraffic Approach for Network Planning and Evolution Prediction-OSA Technical Digest[C].L.A. USA:Opt. Fiber Commun., 2012.

[3] ZUKERMAN M, Bandwidth allocation for bursty isochronous trafficin a hybrid switching system [J].IEEE Trans. Commun., 1989, 37 (12):1367-1371.

[4] DE LEENHEER M, DEVELDER C, VERMEIR J, et al. Performance analysis of a hybrid optical switch [C]. Barcelona, Spain: 2008 Int. Conf. Opt. Netw. Des. Model, 2008.

Quasi-static time slot allocation scheme in circuit and packet hybrid optical switching

LIAOWen-jiao,XIAOShi-lin,SUNWei-qiang
(State Key Laboratory of Advanced Optical Communication System and Networks, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

Abstract:According to the low utilization rate of hybrid optical switching devices, the paper proposes a quasi-static time-slot allocation scheme in circuit and packet hybrid optical switching, studies the performance of the switch which adopts the scheme, and simulates the time-slot utilization and latency performance by using Matlab.

Key words:hybrid optical switching, time-slot allocation, quasi-static

中圖分類號：TN914.34

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）01-0034-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.011

收稿日期：2015-11-21。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61433009，61271217，61271216，61221001）資助；國家863計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA013602,2012AA011301）資助；教育部基金（20110073130006）資助。

作者簡介：廖聞驕（1989-），男，碩士研究生，主要從事光通信與光網(wǎng)絡(luò)的研究。