李杰（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 200437）

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有限波長變換器對光分組交換節(jié)點性能影響分析

李杰
（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 200437）

摘要：針對一種配置了有限波長變換器和反饋式光纖延時線的光分組交換節(jié)點，分析了有限波長變換器對光分組交換節(jié)點性能的影響，為提高有限波長變換器的利用率，論文提出一種有效的光分組調(diào)度算法。通過仿真實驗，詳細評價并分析了交換節(jié)點的丟包率與平均緩存時延等性能。

關(guān)鍵詞：有限波長變換器；光分組交換節(jié)點；光緩存；光纖延時線

0　引言

光分組交換 （OPS）［1-6］是一種能夠無縫連接IP網(wǎng)絡(luò)與光傳送網(wǎng)的理想技術(shù)。在光分組交換技術(shù)中，光分組競爭的解決是核心技術(shù)之一。通常有三種競爭解決方法：光緩存、波長變換和偏射路由［2］。在這三種方法中，光緩存和波長變換是節(jié)點級的競爭解決方法。由于技術(shù)條件的限制，目前光緩存通常由光纖延時線（FDL）構(gòu)成。為了提高光分組交換節(jié)點的性能，通常采用的方法是使用光纖延時線和波長變換器相結(jié)合的方法來解決節(jié)點中光分組的競爭。在文獻 ［4］中，Karol提出一種共享存貯光分組交換節(jié)點 （SMOP）結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)僅使用反饋式光纖延時線（FDL）來解決光分組競爭。該結(jié)構(gòu)能夠使得FDL的資源得到充分的利用，并且可以獲得較好的性能，然而，帶來的不足是引入了較大的緩存時延。為了減小緩存時延，文獻［5］提出了一種使用反饋式光緩存和可調(diào)波長變換器來解決分組競爭的交換結(jié)構(gòu)。與SMOP結(jié)構(gòu)相比，該交換結(jié)構(gòu)能夠大大降低節(jié)點的丟包率和緩存時延。然而，基于當(dāng)前的技術(shù)，可調(diào)波長變換器（TWC）仍然是一種昂貴的器件，因此在節(jié)點性能與節(jié)點成本之間要有所取舍。為了在性能與成本之間取得平衡，本文研究有限波長變換器 （Limited Range Wavelength Converter，LRWC）用于解決光分組競爭的性能，提出了一種使用反饋式光纖延時線和有限波長變換器作為競爭解決方法的光分組交換節(jié)點結(jié)構(gòu)SLRWC（SMOP based on Limited Range Wavelength Converters）。

1　問題分析

在光分組交換節(jié)點中，當(dāng)多個光分組同時要從同一輸出端口以相同的光波長進行輸出時。有限波長變換器可將發(fā)生沖突的光分組的承載波長變換成其它光波長進行輸出，從而有效解決光分組競爭。由于波長變換范圍的限制，有限波長變換器解決光分組沖突的能力將不如全波長可調(diào)波長變換器。

有限波長變換器的波長變換范圍受限會影響到其解決光分組競爭的性能。如圖1所示，當(dāng)輸入端口1和輸入端口2分別有承載于波長λ1的光分組P1和P2要交換到輸出端口1，此時假設(shè)P1交換成功，則P2只能通過波長變換器來解決競爭。若所配置的波長變換器為全波長可調(diào)波長變換器，則P2可以變換成波長λ2交換到輸出端口1。然而，若所配置的波長變換器為有限波長變換器，且只能由λ1變換成λ3、λ4，此時由于波長λ3和λ4被占用，而輸出端口1上的λ2盡管空閑，也無法用于解決競爭，因此P2只能被丟棄。

圖1　有限波長變換器競爭解決受限分析

2　交換結(jié)構(gòu)與調(diào)度算法

2.1交換結(jié)構(gòu)描述

為分析有限波長變換器解決光分組沖突的性能，本文在SMOP交換結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種使用反饋式光纖延時線和有限波長變換器的光分組交換節(jié)點結(jié)構(gòu)，即SLRWC結(jié)構(gòu)。如圖2所示，該節(jié)點有N根輸入/輸出光纖，每根輸入/輸出光纖包含M個不同的光波長，每個光波長為一個信道。在每根輸入光纖中，到達光分組通過圖2所示的波分解復(fù)用器（DMUX）進行解復(fù)用。本文假定光分組具有固定的長度，并且在同一時隙同步到達輸入端口，每一時隙為傳輸一個光分組所需的時間。本文后續(xù)章節(jié)假定一個時隙長度均為T。

為了解決光分組競爭，在每個輸入波長信道上配置了1個有限波長變換器（LRWC）。此外，該節(jié)點結(jié)構(gòu)配置了B根反饋式的FDL。每根FDL通過波分復(fù)用器/波分解復(fù)用器配置成一個WDM光緩存。在一個時隙內(nèi)，M個不同的光波長上可緩存M個光分組。FDL光緩存以簡并方式排列［6］，即從第一根FDL到第B根FDL，緩存長度分別從T到BT。

2.2調(diào)度算法描述

為了有效利用所配置的有限波長變換器和FDL，需要設(shè)計合適的光分組調(diào)度算法。對SLRWC結(jié)構(gòu)來說，存在著兩種需要調(diào)度的光分組，即從輸入端口進來的新到達光分組N（i，k，λj），和從光緩存出口循環(huán)回來的光分組R（m，k，λj），其中，i（i∈｛1，…，N｝）表示輸入光纖，m（m∈｛1，…，B｝）表示FDL，k（k∈｛1，…，N｝）表示輸出光纖，λj（j∈｛1，…，M｝）表示承擔(dān)分組的光波長。具體算法如下：

圖2　SLRWC節(jié)點結(jié)構(gòu)

當(dāng)一個新分組N（i，k，λj）從輸入光纖i到達時，如果輸出光纖k中的波長λj空閑，該分組將被直接傳送到目的輸出光纖 k。然而，如果輸出光纖k中的波長λj被占用，光分組將被阻塞。此時，如果在輸出光纖k中有可用波長 λc（λc∈Sj（Wc）），通過波長變換，光分組 N（i，k，λj）將在輸出光纖k中以波長λc傳輸。否則，光分組N （i，k，λj）將嘗試緩存于FDL緩存中，此時如果FDL中有可用波長 λc（λc∈Sj（Wc）），光分組N（i，k，λj）將緩存于反饋式的FDL緩存池中。在FDL緩存池中，調(diào)度器將先搜索 FDL 1，如果FDL 1有可用波長λc，N（i，k，λj）將緩存于FDL 1上的第1個匹配的波長λc。如果FDL 1沒有可用的波長，將會搜索下一根FDL，即FDL 2，直到最后一根FDL（即，F(xiàn)DL B）。如果FDL緩存池中沒有可用的波長λc（λc∈Sj（Wc）），光分組N（i，k，λj）將被丟棄。在接下來的時隙，緩存于FDL內(nèi)的光分組N（i，k，λj）將循環(huán)回FDL輸出端口做再一次的嘗試。

對于再循環(huán)光分組R（m，k，λj），如果輸出光纖k中的波長λj空閑，則該光分組將被傳送到目的輸出光纖k。否則，光分組R（m，k，λj）將會緩存于同一FDL中的同一波長（即λj）上。

3　實驗分析

針對所提出SLRWC交換節(jié)點和分組調(diào)度算法，本文使用仿真實驗對有限波長變換器解決光分組競爭的性能進行評估。在仿真實驗中，所評估的性能是有限波長變換器的波長變換寬度Wc、每波長業(yè)務(wù)負載ρM對SLRWC交換節(jié)點的丟包率和平均緩存時延的影響。本文中，平均緩存時延是指一個成功傳送分組所需要緩存的平均時隙數(shù)。

為簡化實驗，假設(shè)各個波長信道上光分組的到達為獨立同分布的貝努利（Bernoulli）過程。也就是說，在任意給定時隙，光分組以ρM的概率從某個特定的波長信道到達，到達的分組交換到各輸出端口的概率均為1/N?；谶@種貝努利模型，在每個時隙，某一給定輸出端口上有R個光分組同時到達的概率可以表示為：

其中：N為交換節(jié)點輸入/輸出端口的數(shù)目；M為每個輸入/輸出端口波長信道的數(shù)目；ρM為給定輸入端口的每個波長信道上的業(yè)務(wù)負載。

圖3所示為SLRWC結(jié)構(gòu)的丟包率與波長變換寬度Wc的對應(yīng)關(guān)系。在這組仿真實驗中，輸入/輸出端口數(shù)N、波長信道數(shù)M的值分別選為16、8。此外，每波長上的業(yè)務(wù)負載ρM取值為0.8。為了便于比較，F(xiàn)DL數(shù)目B分別選為2、4和6。

圖3　SLRWC丟包率與Wc的關(guān)系

從圖3可知，對于圖中所示的3種情況，隨著有限波長變換器波長變換寬度Wc的增大，SLRWC結(jié)構(gòu)的丟包率都呈下降的趨勢。這是由于隨著Wc的增大，波長變換器解決光分組競爭的能力越強，越多的阻塞光分組可以使用目的輸出端口的波長進行輸出。因此，丟包率隨著Wc的增大而降低。

從圖3中還可以看出，當(dāng)FDL的數(shù)目較小（B=2）時，SLRWC結(jié)構(gòu)的丟包率下降不明顯；而當(dāng)FDL的數(shù)目逐漸變大（B=4，6）時，丟包率的下降趨勢較明顯。例如，對于配置了6根FDL的SLRWC結(jié)構(gòu)，當(dāng)波長變換寬度Wc=2時，SLRWC結(jié)構(gòu)的丟包率為1.058×10-4；當(dāng)Wc=3時，SLRWC的丟包率下降為2.9×10-6；當(dāng)Wc=4時，丟包率已下降為0。也就是說，當(dāng)FDL數(shù)目較大時，有限波長變換器已可以達到較小的丟包率，而不必使用可調(diào)波長變換器。這種現(xiàn)象可以解釋如下：當(dāng)FDL的數(shù)目較小時，SLRWC結(jié)構(gòu)總體的競爭解決能力仍較小，導(dǎo)致丟包率較大，此時增大波長變換寬度Wc，盡管丟包率會有所下降，但總體仍不理想。當(dāng)FDL的數(shù)目增大時，增大波長變換寬度Wc一方面可使得更多的光分組承載于輸出端口空閑的波長上，另一方面使得FDL光緩存的容量得到較大的提高，從而導(dǎo)致SLRWC結(jié)構(gòu)的丟包率快速下降。

圖4所示為SLRWC結(jié)構(gòu)的平均緩存時延（MBD）與波長變換寬度Wc的對應(yīng)關(guān)系。在這組仿真實驗中，仿真條件與圖3實驗的仿真條件相同。

圖4　SLRWC平均緩存時延與變換寬度Wc的關(guān)系

從圖4可以看出，對于圖中的3種情況（B=2、4、6），隨著有限波長變換器波長變換寬度Wc的增大，SLRWC結(jié)構(gòu)的平均緩存時延都呈下降的趨勢。這是由于在本文所提出的調(diào)度算法中，光分組首先是通過波長變換器來解決光分組競爭的，而通過這種方式成功交換的光分組的緩存時延為0。隨著Wc的增大，在成功傳送的光分組中，使用波長變換器來解決競爭的分組比例也增大，從而使得平均緩存時延不斷變小。

從圖4中還可以看出，在這3組仿真實驗中，當(dāng)波長變換寬度Wc相同時，所配置的FDL越多，緩存時延也越大。對于具有相同波長變換能力的交換結(jié)構(gòu)，當(dāng)配置的FDL越多，有越多的光分組可以被緩存在更長的FDL中，此時盡管丟包率會下降，然而這也引入了額外的緩存時延，從而導(dǎo)致平均緩存時延增大。

此外，圖4中還有一個很有趣的現(xiàn)象，當(dāng)波長變換寬度Wc的值較小時，各曲線之間的平均緩存時延差異較大，而當(dāng)Wc的值變大，各曲線之間的平均緩存時延差異逐漸變小，圖4中的曲線（B=4）與曲線（B=6）基本重合。這個現(xiàn)象可以解釋為：當(dāng)波長變換寬度Wc的值較小時，F(xiàn)DL在光分組競爭解決中占的比重較大，F(xiàn)DL不同必然引起不同的平均緩存時延差異。當(dāng)Wc的值變大，有更多的光分組將使用波長變換器來解決競爭，此時FDL在光分組競爭解決中占的比重逐漸下降，F(xiàn)DL不同所帶來的平均緩存時延差異也會逐漸變小。

圖5所示為SLRWC結(jié)構(gòu)的丟包率與業(yè)務(wù)負載ρM的對應(yīng)關(guān)系圖。在這組仿真實驗中，輸入輸出端口數(shù)N、波長信道數(shù)M的值分別取值為16、8。FDL數(shù)目B= 2。波長變換寬度Wc分別取值為1、4和7。從圖5可知，隨著業(yè)務(wù)負載ρM的增加，SLRWC結(jié)構(gòu)的丟包率不斷上升。此外，在相同的業(yè)務(wù)負載下，波長變換寬度Wc越大，SLRWC結(jié)構(gòu)的丟包率也越小。這種變化趨勢與圖3所示的變化趨勢是一致的。

圖5　SLRWC丟包率與業(yè)務(wù)負載ρM的關(guān)系

從圖5中還可以看出，在業(yè)務(wù)負載比較大時（如ρM＞0.7），如果配置的FDL光緩存不足，此時為了得到較低的丟包率，節(jié)點需要使用波長變換能力較強的波長變換器。在業(yè)務(wù)負載比較小時（如ρM＜0.3），節(jié)點在具有較小波長變換能力的情況下就可以獲得較理想的丟包性能。如：對于Wc=1的曲線，當(dāng)業(yè)務(wù)負載為0.2時，使用2根FDL和波長變換能力為1（即僅可以變換成其它另一波長）的波長變換器就可以取得1.2× 10-6的丟包率。由此可見，在低業(yè)務(wù)負載下，有限波長變換器和FDL配合使用，可獲得很好的丟包性能。

4　結(jié)束語

本文研究有限波長變換器解決光分組競爭的性能，提出了一種使用有限波長變換器和反饋式光纖延時線來解決光分組競爭的SLRWC交換節(jié)點結(jié)構(gòu)。為了充分利用FDL和LRWC的資源，本文還提出一種有效的光分組調(diào)度算法。我們使用仿真實驗評估了有限波長變換器的波長變換寬度和每波長業(yè)務(wù)負載對SLRWC交換節(jié)點的丟包率和平均緩存時延的影響。研究結(jié)果表明：隨著波長變換能力的提高，SLRWC交換節(jié)點結(jié)構(gòu)的丟包率會隨著下降。在較輕的業(yè)務(wù)負載下，僅使用Wc=1的波長變換器就可以取得1.2×10-6的丟包率。在較高業(yè)務(wù)負載時，通過適當(dāng)增加FDL，SLRWC交換結(jié)構(gòu)也可以得到很理想的丟包率。因此，在考慮節(jié)點成本的應(yīng)用中，可使用有限波長變換器來解決光分組交換節(jié)點中的分組競爭。

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中圖分類號：TN929.11

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0059-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.018

收稿日期：2016-01-22。

作者簡介：李杰（1975-），女，碩士，高級工程師，主要從事光通信網(wǎng)絡(luò)、無線通信網(wǎng)絡(luò)等方向的研究。

Performance analysis of limited range wavelength converters on optical packet switch node

LI Jie
（Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 200437，China）

Abstract：For the limited wavelength converter and a feedback type optical fiber delay line of optical packet switching nodes，the paper analyzed the limited wavelength converter performance impact of optical packet switching nodes.In order to improve the utilization of limited wavelength converter，the paper put forward a kind of effective optical packet scheduling algorithm.Through simulation experiments，this article detailed evaluation and analysis of the switching node properties，such as packet loss rate and average cache time delay.

Key words：limited range wavelength converter，optical packet switch node，optical buffer，fiber delay line