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1、上海交通大学硕士学位论文光突发交换调度机制的研究与实现姓名：朱黎明申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：吴龟灵20090101光突发交换调度机制的研究与实现 光突发交换调度机制的研究与实现 摘摘 要要 光突发交换（OBS: Optical Burst Switching）网络是基于现有的技术条件， 结合光线路交换和光分组交换的优点， 有效实现 IP over WDM的解决方案。OBS 网络中的信道调度机制作为减少突发包冲突、降低丢包率的关键技术，是决定 OBS 网络性能的核心因素。 本文分别研究了采用 JIT(Just In Time) 信令协议和 JET(Just Enough
2、Time) 信令协议的光突发交换网络中的信道调度问题。 针对不同信令协议的特点和需求，设计并实现了相应的信道调度解决方案。 JIT 协议采用资源立即预留的方式，调度机制较为简单，本文从简化结构提高处理速度入手，提出了一种改进的核心控制器结构，其主要特点是将网络路由功能和信道调度功能整合到同一个模块中处理，采用信道资源信息共享与先调度再转发的处理机制，简化了控制器的结构，有效提高了 OBS 核心节点的处理速度，同时也避免了路由选择的盲目性， 减少丢包。 在 FPGA(Field Programmable Gates Array)平台上实现了提出的 OBS 核心控制器结构，并在现有的 OBS 试验
3、平台上进行了实际测试，结果表明：接收完突发控制包到发出光开关控制信号的最短时间为 100ns，相比于现有的实现方案，本文提出的改进型的核心控制器在处理速度方面有了较大的提高。 JET 协议的资源利用率高，是当前研究的热点，针对目前最为高效的 LAUC-VF(Last Available Unused Channel-Void Filling)算法，本文I提出了一种全新的基于索引的高速调度机制。该调度机制利用索引表实现对可用空闲时隙的查找，在达到最优的信道利用率的同时只需要很少的调度时间。根据该机制设计并实现了一个四信道的硬件调度器，该调度器由控制单元、信道查找引擎及信道选择单元组成，经过优化的
4、硬件设计，该调度器可以实现时间复杂度为 O(1)的信道调度。对该硬件调度器的仿真测试说明该调度器可以完整实现 LAUC-VF 策略，且调度时间仅为 60ns。 关键词：关键词：光突发交换，信道调度，核心控制器，LAUC-VF策略，索引调度机制，JIT协议，JET协议IIThe Research and Implementation of Scheduling Scheme in OBS Network ABSTRACT Optical burst switching (OBS) has been proposed as a promising solution to support IP ov
5、er DWDM. It combines the advantages of optical circuit switching (OCS) and optical packet switching (OPS). Scheduling scheme is a key technology in the OBS network, which plays an important role to solve resource contention. Just-In-Time (JIT) and Just-Enough-Time (JET) protocol are two common signa
6、ling protocols in OBS network; this thesis proposes different solution for the two protocols, respectively. Since the scheduling scheme of JIT protocol is simple, a simplified architecture of core controller for JIT protocol is designed in this thesis to increase the processing speed. In this archit
7、ecture, router and scheduler are integrated into the same module; the information of all output channels is shared by both router and scheduler; a method which firstly schedules then forwards the control packets is adopted. In this case, the processing speed of OBS core node is improved by the simpl
8、ified design. We implemented and tested the proposed core controller in Field Programmable Gates Array (FPGA). The test result shows that the minimum sojourn time from the receiving of control packet to setting up the switching matrix is 100ns. IIIFor JET protocol, in order to achieve low blocking p
9、robability and high processing speed at the same time, an index-based parallel scheduling scheme is proposed. The scheme can achieve the same optimal scheduling results as Last Available Unused Channel-Void Filling (LAUC-VF) algorithm. An index vector of all void gaps is maintained for each channel,
10、 where the scheme can schedule void gaps for data bursts according to the index vector. Since there is no need to read memory and compare void in the searching procedure, the scheduling speed can be enhanced. The design has been implemented using Verilog HDL. The timing simulation result confirms th
11、e correctness of the design and shows that a schedule request can be processed in 60ns by the scheduler. KEY WORDS: OBS, channel scheduling, core controller, LAUC-VF, index-based scheduling scheme, JIT protocol, JET protocol IV上海交通大学硕士学位论文 1 绪论绪论 1.1 光交换技术概述光交换技术概述 Internet和数据业务的急剧增长对网络带宽提出越来越高的要求。密
12、集波分复用(DWDM)技术1的应用使得一根光纤上能够承载上百个波长信道，最大的单纤传输容量记录已经达到了 10T比特级以上。为了适应光纤传输方面取得的技术进步，对网络节点处理能力提出了新的要求。目前，网络节点仍然采用光-电-光(O-E-O)的交换机和路由器。 由于微电子技术的发展速度跟不上光传输技术的发展步伐，这种O-E-O交换和路由方式成为制约网络容量和带宽资源利用率的最大瓶颈。 许多研究机构致力于研究和开发光交换技术，试图将网络交换工作在光子层面上完成，消除电子瓶颈的影响。总的来说，光交换可分为波长路由的电路交换(OCS ： Optical Circuit Switching)23和 光
13、分 组 交 换 (OPS ： Optical Packet Switching)45两种方式。前者在研究层面上已经成熟，并正在走向应用。但是这种交换模式是粗粒度的光交换，不适合于IP层分组交换。在基于波长路由6的光路交换技术中，需要在每条链路中使用专用的波长在源端和宿端之间建立一条光通道。 如果通道建立以后的数据传输时间相对于光通道的建立时间不是很长的话，则带宽的使用效率是很低的。另外，由于全光信息处理还不成熟，光通道的高度透明性反而限制了网络的管理性能，比如故障监视和快速发现。光分组交换技术试图直接在光层上实现小粒度的分组交换，在近年来取得了一些进展，光标记交换和多波长标记交换是实现光分组交
14、换的技术之一。但是，在一些关键件的光器件(如高速光开关、光缓存器、光逻辑器件等)取得重大突破之前，光分组交换技术尚难以从实验室走向实用7。 1上海交通大学硕士学位论文 为了结合这两种交换的优点，同时又克服二者的不足，即在较低的光子器件要求下，实现面向IP的快速资源分配和高资源利用率，出现了光突发交换(OBS：Optical Burst Switching)。光突发交换概念由Chunming Qiao8和J.S.Turner9提出，短短几年，已引起越来越多研究机构的注意，因为它克服了光分组交换的缺点，对光开关和光缓存的要求降低，并能够很好地支持突发性的分组业务，被认为很有可能在未来光互联网中扮演
15、关键角色。OBS具有以下几个特点： ? OBS 结合了 OCS 和 OPS 的优点，交换粒度介于两者之间，提供可变长度的突发流量； ? 单向资源预留机制缩短了等待时延，提高了带宽利用率； ? BCP 和 BDP 分开传输，两者一一对应，并相差一定时间，即偏置时间； ? BCP 在中间节点需要进行光/电转换，在电域中进行处理，然后再进行电/光转换；BDP 透明的通过中间节点，实现全光传输和交换，降低了对光子器件的要求和中间交换节点的复杂度。 1.2 光突发交换原理光突发交换原理 OBS网络由边缘节点、核心节点以及WDM 链路等组成，图 1-110为OBS网络的基本结构。边缘节点负责将来自接入网的
16、数据包进行缓存和封装，以及反向的拆封工作，封装时边缘节点按照数据包的目的地址和服务等级（CoS：Class of Service） 等信息， 将数据包进行分类， 组合成突发数据包 （BDP： Burst Data Packet） ，并产生相应的突发控制包（BCP：Burst Control Packet） ，然后发送给与之最近的OBS核心节点。核心节点根据收到的突发控制包，得到突发数据包的到达时间、持续时间、目的地址等信息，并根据这些控制信息预先配置数据通道，使突发数据包在中间节点可以实现透明交换。边缘节点对收到的突发数据包需要进行拆封工作，将其重新分解，并发送到其他子网或终端用户。 2上海交通大学硕士学位论文 控制控制图 11 OBS网络结构图10Fig 1-1 The Structure of OBS Network10 BCP 与 BDP 在 OBS 网络中的传输示意图如图 1-2 所示。 一个 BCP 对应一个BDP，BCP 中包含 BDP 传输交换所必需的控制信息，如 BDP 的持续时间、偏置时间等，源节点需要设置 B
