空分交换型OPS节点技术

专题豸焦中文核心期刊空分交换型OPs节点技术杨俊杰',肖石林2,张浩(1.上海电力学院计算机与信息工程学院上海200002.上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室,上海20030)摘要:光分组交换(OPS:0 ptical Packet Switching)如果同一时刻,有两个或两个以上的光分组要以同一核心交换节点结构的设计直接影响着光分组交换网波长从同一输出端口离开光交换节点,就会产生竞络的性能。文章以空分交换型0PS核心交换节点结构争。如何解决分组竞争是光分组交换技术一个至关重为研究对象,对光分组交换节点结构中的竞争解决技要的问题。解决竞争的方法通常有3种:光缓存、波长术进行深入探讨。此外,还总结归纳了5种空分交换变换和偏射路由。其中,偏射路由是让某些分组选择型0PS节点结构,即输出缓存型、反馈缓存型、共享缓非最短路由来避开竞争,它是一种网络级的竟争解决存型、混合缓存型和无缓存型方法,对于单一的交换节点而言通常使用光缓存和波关键词:光分组交换;光缓存;波长变换器;空分交换长变换两种方法。中图分类号:TN92911文献标志码:A2.1光缓存在电的路由器中,数据分组之间的竞争通常用存1引言储-转发的技术来解决,也就是说,路由器先把竞争分近些年来,光分组交换(OPS: Optical Packet Swit-组存储在一个缓存队列中,并在输出端口可用时再将ching)"技术以其高速、透明和交换粒度适中等特点分组送出。由于电的RAM技术非常成熟,所以这种方被普遍认为是一种能实现P网络与光传送网络无缝法是可以实现的。在光交换中,由于没有可用的光连接的理想解决方案光分组交换以微秒量级的光RAM,光缓存目前一般由光纤延迟线FD构成。FDL分组为交换单元。光分组由数据载荷( payload)和携带对光分组进行缓存的工作原理是利用光在光纤中的路由控制信息的分组头( header两部分组成。在光分传播时延,根据延时的需要,让光信号在特定长度的组交换网络的核心交换节点,根据光分组头部所携带FDL中传播,传播时延即为光缓存时间。电RAM和的路由控制信息,光分组被交换到合适的下一个交换FDL的主要区别是电RAM可以随机接入存储,而节点。光分组交换核心节点的性能将对整个交换网络FDL只能提供顺序接入存储,一旦一个光分组进入光的性能起着决定性的影响。纤,它必须在固定的时间后才能从另一端出来。空分交换型OPS节点结构是一种最常见的光分根据光缓存所处位置的不同,可以把光缓存分为组交换节点结构,它的核心交换单元是由高速光开输入式、输出式、反馈式和共享式4种基本类型。输入关(光开关的切换速度通常为数纳秒到数十纳秒)所式光缓存位于交换节点的输入端口,每个输入端口都构成的光交换矩阵。此外,为了解决交换过程中光分配置有一组由FDL组成的光缓存。输入式光缓存由于组的竞争问题,通常需要使用到波长变换或和光缓存线头阻塞head-of- line blocking)导致性能较差,在纯粹等方法。本文将讨论光分组的竞争解决方法,同时对的光领域中很少被使用。输出式光缓存位于交换节空分交换型核心OPS节点结构进行分类研究。点的输出端口,每个输出端口同样配置一组FDL光缓存。反馈式光缓存则是所有的输出端口共享一组从输2竞争解决方法出端口反馈回输人端口的光缓存。在共享式光缓存在光分组交换网络中,每个光分组通常要穿过许中,所有的输出端口共享一组位于输出端的光缓存。多交换节点才能到达目的地。当数据分组在交换时,2.2波长变换波长变换时方法是利用波长变换器把发生竞争光收稿日期:2006-02-08。基金项目:上海市教委一般科研项目(编号:05LZ09)资助;上海市重点学分组的承载波长变换到某个空闲波长以解决光分组科建设项目(编号:P1303)资助竟争。在某一时刻,当输出端口某波长发生竞争,如果作者简介:杨俊杰(1971),男,福建漳州人博士,讲师,主要从事光分组该端口仍存在着空闲波长,则可以把发生竞争的一个交换、光标记交换、 P over WDm等方向的研究。分组以原来波长输出,其余的某些分组通过波长变换专题焦杨俊杰,等:空分交换型OPS节点技术CI: Al-无渡长C2:A1变换晷空分交换圈,6器一可调长可调波长变换器rw图1波长变换器对光缓存的影响图2输出缓存型OPS节点结构图3改进后的输出縵存型oPs节点结构以空闲波长进行输出,从而减少了丢包率。波长变换数目为T的反馈式TWC组成TWC共享池被所有的输出端口所共享还可以提高FDL的缓存能力。如图1所示,某一时刻有两个输入分组同时以波长A1输出到同一输出端32反馈缓存型口,如果没有波长变换器,在输出端口将需要两根最早的反馈缓存型OPS节点结构是 Karol等人在FDL进行缓存;如果有波长变换器,可以把其中一个文献6中提出的SMOP交换结构。SMOP交换结构使分组以波长A1进行缓存,而把另一个竞争分组变换用一组反馈式的FDL来缓存发生竞争的光分组。与输到波长A2,这样只需一根FDL就可以同时缓存这两出缓存型OPS节点结构相比,该交换结构的主要优点个分组。在交换节点中,波长变换器有两种常用的配是能充分利用所配置的FDL。然而,该结构只使用置方法:配置于各个输入波长信道或配置成一个共享FDL来解决光分组竞争,并没有充分利用波长域的竞池被所有的输入波长信道所共享。争解决方法。为了进一步提高SMOP交换结构的性能,Zhizhong Zhang等人对SMOP交换做了一些改进m,如3空分交换型OPS节点结构图4所示。改进后的交换结构同样使用反馈式的FDL来解决光分组竞争,同时还引人了反馈式的可调波长根据光缓存的不同配置,空分交换型OP节点结变换器TWC作为竞争解决办法。当光分组竞争出现构大致可以分为输出缓存型、反馈缓存型、共享缓存时,可以先使用TWC来解决竞争,如果TWC不可行,型、混和缓存型和无缓存型5种。可以再使用FDL来解决竞争。这就使得光分组被丢弃31输出缓存型的概率大大减小,因而大大提高了交换结构的性能。图2和3所示为两种典型的输出缓存型OPS节33共享缓存型点结构S。在图2中,每个输出端口都配置有一组由图5所示为一种通用的共享缓存型OPS节点结B+1根FDL所构成的光缓存,这B+1根FDL的长度构,它有N个输入输出端口。在交换节点的输出端配分别为0,D,2D,…,BDD为FDL的粒度)。当光分组发置有一组由B根FDL组成的光缓存,这组光缓存被N生竞争时,一部分光分组可以缓存于光缓存中,从而个输出端口所共享。在交换节点的各个输人端口,每避免被丢弃。同时为了使用波长域的竞争解决方法,个波长信道都配有一个可调波长变换器TWO,它们交换节点的每个输入波长信道上都配置有一个可调用于把发生冲突的光分组变换到输出端口或光缓存内的空闲波长上。当出现光分组竞争时,交换节点首载光分组的波长可以变换为输出端口中的某些空闲先尝试使用TwC来解决竞争,如果不行则尝试使用波长,这也可以解决分组竞争。这种OPS节点结构具光缓存。由于所有的输出端口共享着一个光缓存,因有较低的丢包率,然而其所配置的TWC并不能被充此各个输出端口之间可能会相互竞争缓存资源。此分利用。例如,对于同步交换方式而言,在每个交换时隙,并不是所有的输入波长信道都有光分组到达即使都有光分组到达,也并不是所有的光分组都需要波长变换。因此,TWC的利用率很低。针对这个缺点,在文献[5]中, Eramo等人对该交换结构进行了改进,使之能充分利用TWC资源。如图3所示,改进后的交换结构所配置的光缓存与图2相同,不同之处在于TwC的配置变为反馈式,一组图4反馈缓存型OPS节点结构图5共享缓存型OPS节点结构专题8焦杨俊杰,等:空分交换型OPS节点技术1Tusche wavelength图6一种混合缓存型OPS节点结构图7无缓存型OPS节点结构图8无缓存型OPs节点结构时,当前到达的光分组所需要的FDL可能被原先到达长配置一个TWC,所以存在着不能充分利用这些且通往其它输出端口的光分组所占用,在文献8]中,TwC的问题。为此,在文献1, Eramo针对这个问这种现象被称为FDL竞争。FDL竞争会导致节点性能题提出了一种具有反馈式TWC共享池的无缓存型的恶化,但是可以通过选择合适的缓存控制策略或增oS节点结构。如图8所示,由于所配置的TwC被所大光缓存的容量来减轻它的影响刚。有的输入端口所共享,所以TWC能被充分利用。然34混合缓存型而,图7、图8的交换结构也存在着一定的局限性。当在空分交换型oPS节点结构中,除了可以配置上每波长信道上业务负载很大时,输出端口有空闲波长述典型的光缓存外,还可以同时配置多种典型的光缓的概率很低此时单靠TWC并不能很好地解决竞争。存,本文把这种类型的节点结构称为混合缓存型OPS节点结构。在文献p中, Juan diao等人提出了一种称4结论为PSB的混合缓存型0PS节点结构。PSB交换结构如本文对空分交换型OPS节点结构的两种竞争解图6所示,为了解决光分组冲突,在PSB每个输出端决方法,即光缓存和波长变换方法展开深入的探讨口都配置有一组输出式FDL光缓存。另外,该结构还根据光缓存和波长变换器的不同配置方法,对空分交使用了一组反馈式FDL光缓存。研究发现,通过使用换型OPS节点结构进行分类研究,总结归纳出输出缓这两种FDL光缓存的结合,该交换结构的性能与图2存型、反馈缓存型、共享缓存型、混合缓存型和无缓存中的输出缓存型OPS结构的性能几乎没有什么差异,型等5类不同的节点结构。这5类OPS节点结构各有从而可以省去许多昂贵的TwC。研究还发现如果在优缺点在实际的应用中应根据实际情况进行选取。反馈式FDL光缓存上使用少量几个TwC,PSB的性能还会比输出缓存型OPS结构的性能好许多。参考文献3.5无缓存型[1] SHUN YAO. Advances in Photonic Packet Switching: An Overview [] IEEECommunications Magazine, 2000, 38(2): 84-94在迄今为止所提出的空分交换型OS节点结构(2 HUNTER D K. Buffering in optical packet switches [J]. IEEE /SOA Journal of中,并非所有的结构中都使用到了光缓存。在文献10 Lightwave Techno9.16201204中, Danielsen等人还研究了不使用FDL光缓存,而只 EEE/OSA Joumal of Lightwave Technolo.96020a%[3] DANIELSEN S L Wavelength conversion in optical packet在每个输入波长信道上配置一个可调波长变换器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)的空分交换型OS节点结构,如图7所示。 Lightwave Technol902122Danielsen等人经过研究发现,通过增加输入输出波长(5] VINCENZO ERAMO. Wavelength converter sharing in a WDM optical packet信道的数目可以提高交换节点的丢包性能。例如,当Nswitchdimensioningandperformanceissue01.comPuterNetwor:06为16,每光纤负载为0.8时,如果使用11个波长信61 KAROL M. Proceedings of sPiE on Multigigabit Fibre Commun. Systems [C.San道,节点的丢包率会小于10。然而,这种使用增加波Dcg. CA USA,1992长信道数目来降低每波长业务负载的方法(每波长负ZHANG Zhi-zhong. Proceedings of SPIE on Opticomm ICITX USA, 2003267-277载=每光纤负载/波长信道数),所带来的是TwC数目8 YANG Jur- jie. Performance Improvement for Optical Packet Switch with Shared的增加。例如,对于前面所举的例子,如果使用11个 Buffers []. Chinese Optics Letter20.30)波长信道,那么就需要276个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,上述这种无缓存型OrS节点结构为每个输入波(版面原因,文献1011从略)