通信學(xué)論文-光突發(fā)交換中的突發(fā)業(yè)務(wù)流模型及其應(yīng)用.doc

通信學(xué)論文-光突發(fā)交換中的突發(fā)業(yè)務(wù)流模型及其應(yīng)用作者：陳春漢曹明翠羅志祥論文關(guān)鍵詞:光突發(fā)交換LAUC-SV算法突發(fā)業(yè)務(wù)自相似業(yè)務(wù)論文摘要:提出了一種光突發(fā)交換中的突發(fā)業(yè)務(wù)流模型,采用該模型對(duì)光突發(fā)交換中的LAUC-VF輸出調(diào)度算法在不同的突發(fā)業(yè)務(wù)強(qiáng)度和突發(fā)長(zhǎng)度下的性能進(jìn)行了模擬仿真,分析比較了該算法在此突發(fā)業(yè)務(wù)流和普通業(yè)務(wù)流模型下的性能,仿真結(jié)果表明,該突發(fā)業(yè)務(wù)流模型具有一定的合理性。Keywords:opticalburstswitch(OBS)；LAUC-SValgorithm；bursttraffic；self-similartrafficAbstract:Abursttrafficmodelinopticalburstswitch(OBS)isintruducedforthefirsttime.WiththismodeltheperformanceofLAUC-VFoutputschedulealgorithminOBSisgiven.Theperformancesofthealgorithmunderthisbursttrafficmodelandnonbursttrafficarecompared.Thesimulationresultsshowthatthebursttrafficmodelismorereasonabletosomeextent.引言隨著信息時(shí)代的來(lái)臨,人們對(duì)通信需求迅速增長(zhǎng)。發(fā)展迅速的各種新業(yè)務(wù)對(duì)通信網(wǎng)的帶寬和容量提出了更高的要求。通信網(wǎng)的兩大主要組成部分傳輸和交換正在不斷地發(fā)展和革新,向著寬帶、高速、Tbit/s大容量的方向發(fā)展。隨著光纖密集波分復(fù)用DWDM技術(shù)的日漸成熟,已成功完成Tbit/s量級(jí)的傳輸,目前大容量通信網(wǎng)的瓶頸在于大容量的交換技術(shù)。為了提高網(wǎng)絡(luò)交換能力,人們提出了各種IPOVERATM,IPOVERSDH,IPOVERWDM,光包裹交換(opticalpacketswitch,OPS)等技術(shù),但這些技術(shù)或者交換顆粒過(guò)小(以信元或單個(gè)IP包為單位),受到電子處理速度瓶頸的限制；或者交換顆粒過(guò)大(以波長(zhǎng)為單位)失去了IP交換的靈活性。因此,一種中等粒度的,更適合于目前以及在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)技術(shù)條件的新交換方式光突發(fā)交換(opticalburstswitch,OBS),成為人們更理想的選擇1,2。光突發(fā)交換域由邊緣路由器和核心路由器組成,路由器之間由WDM光纖連接。在光突發(fā)交換中,OBS邊緣路由器根據(jù)IP包的目的地址、QOS等級(jí)等把來(lái)自傳統(tǒng)路由器的IP包組裝成被稱(chēng)為突發(fā)(burst)的超長(zhǎng)IP包,對(duì)應(yīng)于每一個(gè)突發(fā),形成一個(gè)突發(fā)控制分組BCP,以攜帶該突發(fā)的交換控制信息,如目的地址、QOS等。數(shù)據(jù)突發(fā)與控制分組在不同的物理信道上傳輸,數(shù)據(jù)突發(fā)以直通的方式通過(guò)OBS交換網(wǎng)絡(luò),控制分組在每個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)光/電、處理、電/光轉(zhuǎn)換,完成對(duì)數(shù)據(jù)突發(fā)的控制處理。形成數(shù)據(jù)突發(fā)的目的是為了增大交換的顆粒。OBS路由器的交換核心結(jié)構(gòu)由交換矩陣、光纖延時(shí)線(xiàn)和輸出調(diào)度模塊組成。突發(fā)分組首先進(jìn)入一個(gè)(NK)(NK)交叉連接矩陣,其中N為通道數(shù),K為每通道的數(shù)據(jù)信道數(shù),然后經(jīng)過(guò)光纖延時(shí)線(xiàn)組(FDLs)進(jìn)入輸出調(diào)度模塊。FDLs組中共有B個(gè)光纖延時(shí)線(xiàn),FDLs的單元延時(shí)時(shí)間為D,第i個(gè)FDL的延時(shí)時(shí)間為iD。輸出調(diào)度模塊負(fù)責(zé)采用一定的輸出調(diào)度算法合理的控制使用FDLs和輸出數(shù)據(jù)信道,以盡可能低的丟包率把來(lái)自交叉連接矩陣的突發(fā)分組調(diào)度輸出到輸出信道上。所以,突發(fā)分組的輸出調(diào)度算法是光突發(fā)交換中的一項(xiàng)重要技術(shù),目前主要的調(diào)度算法有LAUC(latestavailableunscheduledchannel)和LAUC-VF(lat-estavailableunscheduledchannelwithvoidfilling)算法及其這兩種算法的一些變種3,4,其中,LAUC算法以其算法的簡(jiǎn)單特別適用于高速信道場(chǎng)合,而LAUC-VF算法較為復(fù)雜,但其性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于前者。1光突發(fā)交換中突發(fā)業(yè)務(wù)流模型的定義光突發(fā)交換中的仿真模型如圖1所示,自相似業(yè)務(wù)流5產(chǎn)生模塊產(chǎn)生IP,ATM等自相似業(yè)務(wù)流；然后進(jìn)入組裝模塊,根據(jù)各分組的目的地址和QOS級(jí)別等組裝成突發(fā)包,組裝時(shí)間為T(mén)a；突發(fā)分組進(jìn)入分配模塊后,分配到各輸出模塊；輸出模塊采用LAUC或LAUC-VF等算法將突發(fā)包調(diào)度輸出。在傳統(tǒng)的非突發(fā)業(yè)務(wù)模式下,對(duì)進(jìn)入分配模塊地每個(gè)突發(fā)包相互獨(dú)立地以1/N的概率進(jìn)入各個(gè)調(diào)度輸出模塊,從而完成分配模塊的功能。該非突發(fā)業(yè)務(wù)模型為典型的均勻業(yè)務(wù)模型,不能較好地反映真實(shí)的業(yè)務(wù)流。傳統(tǒng)的突發(fā)業(yè)務(wù)定義如下:設(shè)突發(fā)業(yè)務(wù)的輸入強(qiáng)度為,突發(fā)業(yè)務(wù)流分為突發(fā)周期T1和非突發(fā)周期T2；在突發(fā)周期T1內(nèi),分組連續(xù)到達(dá),或者說(shuō)分組與分組之間的間隔為0；在非突發(fā)周期T2內(nèi),無(wú)分組到達(dá)；突發(fā)與非突發(fā)周期交替產(chǎn)生。突發(fā)周期T1與非突發(fā)周期T2的長(zhǎng)度是隨機(jī)變量,它們服從指數(shù)或平均或其它分布且相互獨(dú)立,其平均長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L2。該突發(fā)業(yè)務(wù)的突發(fā)強(qiáng)度取決于平均突發(fā)周期的長(zhǎng)度L1,L1越長(zhǎng),業(yè)務(wù)的突發(fā)性越強(qiáng),L1,L2和的關(guān)系為:=L1/(L1+L2)。傳統(tǒng)的突發(fā)業(yè)務(wù)的定義對(duì)光突發(fā)交換性能的分析不太實(shí)用。首先它是針對(duì)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)而言的,它能較好地反映傳統(tǒng)業(yè)務(wù)如IP包、ATM信元等的突發(fā)特性,當(dāng)對(duì)這些傳統(tǒng)業(yè)務(wù)包進(jìn)行組裝成突發(fā)包后,還能否用這種方式來(lái)描述其突發(fā)特性,目前沒(méi)有定論；其次,光突發(fā)交換仿真模型的調(diào)度算法考慮的是N個(gè)輸入端口輸入的突發(fā)數(shù)據(jù)包競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)輸出端口時(shí)的包丟失率,如何描述這種N個(gè)輸入競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)輸出情況下的突發(fā)特性,目前還沒(méi)有較好的方法。如果采用傳統(tǒng)的突發(fā)業(yè)務(wù)的定義來(lái)描述這種突發(fā)性,即在突發(fā)周期內(nèi),所有N個(gè)輸入的突發(fā)包均向某指定端口輸出,在非突發(fā)周期內(nèi),所有N個(gè)輸入的突發(fā)包均不向該端口輸出,當(dāng)各輸入端口的業(yè)務(wù)相互獨(dú)立,且N較大時(shí),這種定義顯然不合情理。因此,本文中定義N個(gè)輸入競(jìng)爭(zhēng)一個(gè)輸出情況下的突發(fā)業(yè)務(wù)的突發(fā)業(yè)務(wù)模型如下:(1)設(shè)系統(tǒng)的端口數(shù)為N,單端口的突發(fā)業(yè)務(wù)的輸入強(qiáng)度為,突發(fā)業(yè)務(wù)的突發(fā)強(qiáng)度為Bi(1BiN),突發(fā)業(yè)務(wù)流分為突發(fā)周期T1和非突發(fā)周期T2,其平均長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1和L2；(2)在突發(fā)周期,突發(fā)包以Bi/N概率向某指定端口輸出；(3)在非突發(fā)周期,若Bi2,突發(fā)包以(2-Bi)/N概率向指定端口輸出,且L2=L1；若Bi2,突發(fā)包以零概率向指定端口輸出,且L2=(Bi-1)L1；(4)突發(fā)與非突發(fā)周期交替產(chǎn)生,突發(fā)周期T1與非突發(fā)周期T2的長(zhǎng)度是隨機(jī)變量,它們服從指數(shù)或平均或其它分布且相互獨(dú)立；(5)突發(fā)強(qiáng)度Bi與突發(fā)周期T1相互獨(dú)立。以上的假定是為了保證輸出端口的平均業(yè)務(wù)強(qiáng)度保持與輸入的業(yè)務(wù)強(qiáng)度不變。若Bi2,在突發(fā)周期內(nèi),平均輸出強(qiáng)度為在非突發(fā)周期內(nèi),平均輸出強(qiáng)度總平均強(qiáng)度為(因?yàn)長(zhǎng)1=L2)；若Bi2,在突發(fā)周期內(nèi),平均輸出強(qiáng)度為1=NBiN,在非突發(fā)周期內(nèi),平均輸出強(qiáng)度2=0,總平均強(qiáng)度為(因?yàn)長(zhǎng)2=(Bi-1)L1)。根據(jù)以上定義的突發(fā)業(yè)務(wù)的特性取決于兩個(gè)獨(dú)立的參數(shù):突發(fā)強(qiáng)度Bi和平均突發(fā)周期L1,而L2依賴(lài)于L1。Bi越大,表示業(yè)務(wù)的突發(fā)性越強(qiáng)；L1越大,表示突發(fā)的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。顯然當(dāng)Bi=1時(shí),該定義等同于非突發(fā)業(yè)務(wù)；當(dāng)Bi=N時(shí),該定義等同于傳統(tǒng)的突發(fā)業(yè)務(wù)的定義。所以說(shuō),非突發(fā)業(yè)務(wù)和傳統(tǒng)的突發(fā)業(yè)務(wù)只是本定義的兩個(gè)特例。2LAUC-VF算法在突發(fā)和非突發(fā)業(yè)務(wù)流下的性能分析和比較本文中采用突發(fā)業(yè)務(wù)流和非突發(fā)業(yè)務(wù)流對(duì)LAUC-VF算法下的丟包率進(jìn)行了模擬仿真,仿真中采用Fourier變換法5產(chǎn)生自相似業(yè)務(wù)流,突發(fā)和非突發(fā)業(yè)務(wù)流如前述,LAUC-VF算法按文獻(xiàn)3中所描述,具體采用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn),仿真中采用如下參數(shù):交換矩陣端口數(shù)N=8,數(shù)據(jù)信道的個(gè)數(shù)為K=8,信道速率R=10Gbit/s,光纖延時(shí)線(xiàn)FDLs的單元延時(shí)時(shí)間為D(s),光纖延時(shí)線(xiàn)FDLs的個(gè)數(shù)為B=8,輸入的業(yè)務(wù)強(qiáng)度為=0.86,組裝時(shí)間間隔為T(mén)a=2s,輸入業(yè)務(wù)強(qiáng)度,自相似業(yè)務(wù)的Hurst參數(shù)為H=0.8,突發(fā)周期T1和非突發(fā)周期T2服從均勻分布。LAUC-VF在突發(fā)和非突發(fā)業(yè)務(wù)下的丟包率與輸入業(yè)務(wù)強(qiáng)度的關(guān)系見(jiàn)圖2。圖中取光纖延時(shí)線(xiàn)FDLs的單元延時(shí)時(shí)間D=6s,對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)輸入,假定輸入的突發(fā)業(yè)務(wù)的平均突發(fā)長(zhǎng)度L1=10Ta,突發(fā)強(qiáng)度Bi=2,從圖中可以看出,輸入業(yè)務(wù)強(qiáng)度=70%時(shí),系統(tǒng)在非突發(fā)和突發(fā)業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)條件下的丟包率分別為10-3和10-1.3；輸入業(yè)務(wù)強(qiáng)度=80%時(shí),系統(tǒng)在非突發(fā)和突發(fā)業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)條件下的丟包率分別為10-2和10-1；兩者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。LAUC-VF在突發(fā)業(yè)務(wù)下的丟包率與輸入突發(fā)業(yè)務(wù)的突發(fā)強(qiáng)度Bi的關(guān)系見(jiàn)圖3。圖中取光纖延時(shí)線(xiàn)FDLs的單元延時(shí)時(shí)間D=6s,對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)輸入假定輸入的突發(fā)業(yè)務(wù)的平均突發(fā)長(zhǎng)度T1=10Ta,輸入業(yè)務(wù)強(qiáng)度=0.86,從圖中可以看出,隨著輸入突發(fā)業(yè)務(wù)的突發(fā)強(qiáng)度Bi的增加系統(tǒng)丟包率快速增加。LAUC-VF在突發(fā)業(yè)務(wù)下的丟包率與輸入突發(fā)業(yè)務(wù)的平均突發(fā)長(zhǎng)度L1的關(guān)系見(jiàn)圖4。圖中取光纖延時(shí)線(xiàn)FDLs的單元延時(shí)時(shí)間D=6s,對(duì)突發(fā)業(yè)務(wù)輸入假定輸入的突發(fā)業(yè)務(wù)的突發(fā)強(qiáng)度Bi=2,輸入業(yè)務(wù)強(qiáng)度=0.86,從圖中可以看出,當(dāng)輸入突發(fā)業(yè)務(wù)的平均突發(fā)長(zhǎng)度T14Ta時(shí),隨著T1的增加系統(tǒng)丟包率的增加趨于平緩。3結(jié)論對(duì)光突發(fā)交換中的突發(fā)業(yè)務(wù)模型做了初步探討,提出了一個(gè)光突發(fā)交換中的突發(fā)業(yè)務(wù)模型,也許該模型并不能真實(shí)地反映現(xiàn)實(shí)世界的業(yè)務(wù)流,只是希望提供逼進(jìn)現(xiàn)實(shí)世界業(yè)務(wù)流的一種分析方法。參考文獻(xiàn)1TURNERJ.TerabitburstswitchingJ.JournalofHighSpeedNetworks,1999,8:316.2QIAOC,YOOM.Opticalburstswitching(OBS)-AnewparadigmforanopticalinternetJ.JournalofHighSpeedNetworks,1999,8:6984.3XIONGY.Controlarchitectureinopticalburst-switchedWDWnetworksJ.IEEEJournalonSelectedAreasinCommunicaions,2000,18(10):18381851.4YOOM,QIAOChM.QoSperformanceofopticalburstswitchingin