1 引 言
光交换是未来网络发展的方向，目前已提出了3种光交换技术，即光电路交换、光分组交换和光突发交换(OBS)[1-2]。在 OBS网络中，突发控制包（BCP）在每一个突发数据包（BDP）发送之前进入网络，并在该BDP将要通过的核心节点为其预留带宽资源，BDP在边缘节点等待一个偏置时间后进入OBS网络，对于某一个核心节点来说，如果两个或多个即将到达的BDP要求在相重叠的时间区间内在同一端口的同一数据信道输出，那么就会产生冲突，突发包之间的冲突会导致冲突数据的丢失。如何解决突发包冲突问题是OBS技术最终走向实际应用的关键技术之一，在很大程度上决定了OBS网络资源的利用率、突发包的丢失率、网络的吞吐量、网络的服务质量等性能指标。
对OBS网络中的突发包冲突问题的研究一直都在进行[3-4]，目前已经提出的比较典型的冲突解决方法有光缓存[5]、波长变换[6]、突发包分割[7]和偏射路由[8]。但是单个竞争解决机制在处理突发包冲突问题时都表现出一定的局限性，目前研究人员开始考虑将几种冲突解决方法结合起来，以便更好地解决OBS网络中突发包之间的冲突问题。文献[9]提出了一种基于门限的偏射路由算法，文献[10-11]提出了一种基于突发包分段的光缓存冲突解决方法（PBSOB）；文献[12]提出了一种基于分段的波长转换冲突解决方法（BSWC）；文献[13]提出了一种基于优先级的先分段后偏射路由冲突解决方法。这几种冲突解决方法都是将已有的几种单一竞争解决机制结合起来，但是都没有涉及到联合竞争解决机制综合性能的比较。本文对基于分段的光缓存冲突解决方法和基于分段的波长转换冲突解决方法的性能进行了对比分析，得出了在具体网络负荷条件下采样这两种方法的优缺点。
2 基于突发包分段的光缓存冲突解决方法
考虑两个突发包竞争的情况，先到的突发数据包称为原突发数据包（BDP1），在输出波长信道(ODC) λi上传输处理，后到的突发数据包称为竞争突发数据包（BDP2），在输入波长信道(IDC) λi 上传输处理。
1）如果BDP1的优先级高于BDP2，将BDP2进行头部分段处理，分成突发包 BDP′2 和突发包 BDP″2 。不冲突的部分 BDP′2 直接交换到输出波长信道 λi 上与原突发数据包BDP1一起传输。图1为基于竞争突发包头部分段的光缓存方法示意图，黑色表示冲突部分，白色表示无冲突部分。冲突部分的突发数据包 BDP″2 进入光缓存器（FDL），缓存适当时间后交换到预留的信道 λj 输出。如果没有可用的光缓存，这部分突发数据包被丢弃。与此同时，控制单元为冲突部分 BDP″2 生成相应的突发控制包，分段后突发数据包的偏置时间和包长度等信息被修改并写回相应的控制包。
2) 如果 BDP2的优先级高于 BDP1，将 BDP1进行尾部分段处理，分成突发数据包 BDP′1 和突发数据包BDP″1 。不冲突的部分 BDP′1 交换到输出波长信道 λi 上与竞争突发数据包BDP2一起传输，如图2所示。冲突部分的突发包 BDP″1 进入光缓存器，光缓存的解决方式以及相应控制包的处理方式与 BDP″2 相同。
假设OBS网络中有n种优先级的突发数据包，Class 1到Class n优先级逐渐降低，考虑单根光纤复用w个波长的单链路状态，OBS节点采用端口共享光纤延迟线结构。第i优先级突发数据包的到达率为 λi,突发数据包的长度服从均值为1/ λi 的负指数分布，ρi 为第i优先级突发数据包的网络负荷。根据Erlang-B公式，得到采用突发数据包分段竞争解决机制后，各优先级突发数据包的丢失率为
i表示突发数据包的优先级，其中
假设核心节点所需要的FDL单元个数为N，选取N的基本原则为
由于分段后冲突部分的突发数据包都进入光缓存，所以分段机制的数据丢包率乘以突发数据包总的网络负荷就是光缓存的网络负荷，即
根据M/M/k/D (D>k)排队模型[14]，可以推导出分段突发数据包被缓存后，各优先级分段突发数据包的丢失率P(i)如下
3 基于突发包分段的波长转换冲突解决方法
1）如果BDP1的优先级高于BDP2，那么就将BDP2进行头部分段处理，分成突发数据包 BDP′2 和突发数据包 BDP″2 。不冲突的部分 BDP′2 交换到预定的输出信道 λi 上与BDP1一起传输，如图3所示。冲突部分的突发数据包 BDP″2 进入波长转换器，转换到空闲的波长 λj 上输出，若波长转换器没有空闲的波长，则突发包被丢弃。与此同时，控制单元为冲突部分 BDP″2 成相应的突发控制包，分段后突发数据包的偏置时间和包长
度等信息被修改并写回相应的突发控制包。
2) 如果BDP2的优先级高于BDP1，那么就将BDP1进行尾部分段处理，分段成突发数据包 BDP′1 和突发数据包 BDP″1 ，不冲突的部分 BDP′1 交换到预定的输出信道 λi 上与BDP2一起进行传输，如图4所示。冲突部分 BDP″1 进入波长转换器，转换到空闲的波长 λj 上输出，若波长转换器没有空闲的波长，则突发包被丢弃。
与此同时，控制单元为冲突部分BDP″生成相应的突发控制包，分段后突发数据包的偏置时间和包长度等信息被修改并写回相应的突发控制包。采用突发包分段竞争解决机制后，各优先级突发包的丢失率仍然是（1）式。
低优先级突发数据包被分段后，冲突部分突发数据包经过波长转换器转换的空闲波长输出，所以分段机制的数据丢包率乘以突发数据包总的网络负荷就是波长转换的网络负荷，即
由此求得采用BSWC机制时，各优先级突发数据包总的丢包率P(i)为
4 算法的处理过程
两种冲突解决机制的处理过程分为以下两个步骤：
1) 冲突发生时，根据两个突发数据包的优先级对低优先级突发数据包进分段处理，无冲突部分直接在事先预留的输出数据信道上处理；冲突部分突发数据包进入下一步。
2) 节点接收到冲突部分的BDP，判断经过FDL延迟恰量时间后该输出数据信道是否空闲（或者判断波长转换器转换范围内是否有空闲的输出波长信道），如果是（或者有），将冲突部分突发数据包经过FDL延迟恰量时间后经预留信道输出（将冲突部分的突发包转换到该空闲的数据信道上进行输出）；如果不是（或者没有），则丢弃该突发数据包。图5为采用突发包分段的光缓存机制(PBSOB)算法和突发包分段的波长转换机制(BSWC)算法处理突发数据包冲突问题流程图。
5 仿真分析
为了对基于PBSOB和基于BSWC两种算法的综合性能进行比较，在4×4的mesh结构利用MATLAB软件对 PBSOB方法和BSWC算法分别进行了仿真分析。设定OBS网络中存在有5种优先级突发包，即Class 5、Class 4、Class 3、Class 2和Class 1，其优先级逐渐升高，其进入OBS网路系统的到达率分别为：30、25、15、10和2.5。其占突发包的比例分别为30%、25%、20%、15%和10%。假设网络中有14个核心节点和21条链路，网络IP包的平均长度为1250字节，传输速率为10 Gb/s。突发数据包有整数个IP包经边缘节点汇聚而成，突发数据包以参数为a的泊松过程到达，其长度L服从均值为1 Mb的指数分度，其传输速率为10 Gb/s。
图6 模拟了PBSOB、BSWC两种机制下，在不同的光纤延迟线数目和不同波长转换度情况下，网络总的丢包率与网络负荷的关系，其中w是每根光纤复用波长数，r是波长转换度，N是光纤延迟线的个数。由图6可知，对于PBSOB机制，设每根光纤复用4个波长信道，当网络负荷一定、光纤延迟线数目由1增加到2时，突发数据包的丢失概率急剧下降。即使当网络负荷比较大时，其改善效果也是非常明显。对于 BSWC机制，当核心节点波长转换器的转换度由3增加到5，网络负荷为0.5时，突发数据包的丢失概率降低了近5个数量级。这是因为随着波长转换器转换范围的变大，分段的突发包可以在更广泛的波长范围内进行波长转换，被成功预留的概率随之增加，从而导致突发数据包丢失率降低。当网络负荷小于0.6时，随着转换度的增加，突发数据包的丢失概率改善效果比较明显；当网络负荷大于0.6时，随着转换度的增加，突发数据包的丢失概率降低了1~2个数量级。这是因为，当网络负荷较高时，同一时刻空闲的波长信道数极少，波长转换器调度成功的概率降低。比较PBSOB和BSWC算法的仿真曲线可知，当同一根光纤复用的波长信道数较少，并且网络负荷较高时，采用PBSOB冲突解决方法可以更加有效地降低网络总的丢包率；当同一根光纤复用的波长信道数较多，并且网络负荷较低（小于0.6）时，采用BSWC冲突解决方法可以更加有效地降低网路总的突发数据包丢失概率。
图7模拟了采用PBSOB和BSWC两种冲突解决方法，不同优先级突发包由于承载不同的网络负荷而产生的丢包率情况。由Matlab仿真结果可知，同一网络负荷下，考察优先级为Class 5突发包的丢失率。当网络负荷小于 0.75时，采用 PBSOB方法(w=4，N=2)丢包率高于 BSWC方法(w=8,r=5)；当网络负荷大于 0.75时，采用PBSOB方法(w=4，N=2)丢包率低于BSWC方法(w=8,r=5)；各优先级突发数据包的丢失率随着网络负载的不断增大而提升，并且得到了高优先级突发数据包的丢失率低于低优先级突发数据包的丢失概率，较好地支持了OBS网络的区分服务。
图8模拟了PBSOB机制下，突发数据包的丢失概率与光纤延迟线数目之间的变化关系。图中r0为网络负荷由图可知，当网络负载一定时，FDL数目每增加1，突发数据包的丢失概率下降近3个数量级。当FDL数目不变时，随着网络负载的增大突发数据包的丢失概率随之提高。
6 结 论
本文对基于突发包分段的联合解决方法进行了研究，对比分析了基于突发包分段的光缓存冲突解决方法和基于突发包分段的波长转换冲突解决方法的性能，仿真结果显示，两种方法都能够有效地降低整个网络的丢包率。当网络负荷较高时，采用基于突发包分段的光缓存冲突解决方法对降低突发数据包的丢失率效果比较明显；当网络负荷较低时，采用基于分段的波长转换冲突解决方法能够更加有效地降低突发包的丢失率。
参 考 文 献
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