OBS網(wǎng)絡突發(fā)包丟失控制的若干關鍵技術研究.pdf

1、光線路交換（Optical Circuit Switching，OCS）、光分組交換（Optical Packet Switching，OPS）和光突發(fā)交換（Optical Burst Switching，OBS）是三種典型的光交換方案。與OCS和OPS相比，OBS具有兩大主要特征。首先，由于OBS采用了單向預留機制和使用了更細的交換粒度，因此其網(wǎng)絡傳輸延遲和帶寬利用率都優(yōu)于OCS。其次，OBS的突發(fā)控制包和突發(fā)數(shù)據(jù)包彼此時空分離（時間

2、上相隔一段偏移時間，空間上分別通過不同的波長信道進行傳輸），并且每個轉發(fā)節(jié)點可對經(jīng)過光電轉換后的突發(fā)控制包運用成熟的電域技術進行邏輯處理。因而OBS可在沒有光存儲和全光邏輯處理器件的情況下，對網(wǎng)絡突發(fā)數(shù)據(jù)實現(xiàn)端到端的全光透明傳輸，這一點優(yōu)于OPS?；谝陨蟽牲c，OBS有望成為未來光網(wǎng)絡中一種非常重要的光交換技術，華為等大公司也持續(xù)投入人力與物力推進相關關鍵技術的應用研究。
　　然而，也正因為缺少光存儲器件以及突發(fā)控制包和突發(fā)數(shù)據(jù)包

3、時空分離等原因，造成OBS網(wǎng)絡的丟包性能不太理想。為了將OBS網(wǎng)絡的突發(fā)包丟包率降到可實用水平，許多學者都積極投入到OBS網(wǎng)絡的丟包控制研究中。本文圍繞OBS網(wǎng)絡突發(fā)包丟失控制的若干關鍵技術開展研究，主要包括以下三個方面：
　　1、設計了一種基于最大信道利用率插空調度算法的OBS網(wǎng)絡高速信道調度器
　　信道調度是指轉發(fā)節(jié)點根據(jù)突發(fā)控制包所攜帶的相關信息，提前為其對應的突發(fā)數(shù)據(jù)包安排信道資源。但是作為一個理想的信道調度器，僅僅

4、做到為突發(fā)數(shù)據(jù)包合理地安排信道資源是不夠的，還需要有足夠快的執(zhí)行速度。否則會導致偏移時間不足（突發(fā)數(shù)據(jù)包追上其突發(fā)控制包）或等待隊長超過物理存儲容量，引起突發(fā)數(shù)據(jù)包的丟失。近些年隨著云計算、海量音視頻或在線游戲數(shù)據(jù)等的爆發(fā)式增長，單位時間內產(chǎn)生的突發(fā)數(shù)據(jù)也急劇增長。因此，由于信道調度器的速度不足而導致的突發(fā)包丟失問題也越來越成為制約OBS網(wǎng)絡發(fā)展的一個瓶頸。本文提出了一種基于最大信道利用率插空（Maximum Channel Utili

5、zation with Void Filling,Max-CU-VF）調度算法的OBS網(wǎng)絡高速信道調度器。相比于傳統(tǒng)的LAUC-VF等調度算法，Max-CU-VF將挑選最優(yōu)信道的評判標準從突發(fā)包間的信道空隙（Void）（細粒度）轉換到了信道的整體利用率（粗粒度），不再關注一些突發(fā)包間的細節(jié)信息（比如void的首尾時間等），從而提升了信道調度器的處理速度。因此，在保障信道利用率的同時，Max-CU-VF還獲得了良好的速度性能，改善了OBS

6、網(wǎng)絡的丟包率。
　　2、提出了基于流線效應的OBS網(wǎng)絡多數(shù)據(jù)流路由策略
　　良好的路由策略有助于實現(xiàn)網(wǎng)絡的負載均衡和避免鏈路擁塞，從而達到降低網(wǎng)絡丟包率的目的。然而，已有的一些OBS網(wǎng)絡路由策略，如偏射路由（Deflection Routing，DR）、最短路徑優(yōu)先（Shortest Path First，SPF）等，往往存在靈活性不足或沒有考慮OBS網(wǎng)絡中特有的流線效應（Streamline Effect）的缺點。流線效應

7、是指在缺乏存儲設備的情況下，多條數(shù)據(jù)流在同一輸出端口匯聚成一條數(shù)據(jù)流時產(chǎn)生的競爭效應。它最明顯的特點是較大的數(shù)據(jù)流反而擁有更小的丟包率。因此，一條數(shù)據(jù)流在選擇路徑時不應只是考慮哪條路徑對自己的端到端丟包率最有利，而應該考慮其做出的路徑選擇會給其它的數(shù)據(jù)流帶來什么樣的影響。這樣才能讓全網(wǎng)的數(shù)據(jù)流在路由時做到互為彼此考慮，從而為改善OBS網(wǎng)絡的整體丟包率做出盡可能合理的路由規(guī)劃?；谏鲜隹紤]，本文設計了執(zhí)行速度和丟包率都比較理想的基于流線效

8、應的OBS網(wǎng)絡多數(shù)據(jù)流路由策略。當OBS網(wǎng)絡中有多個數(shù)據(jù)流需要路由時，可以在源端節(jié)點根據(jù)流線效應，以前后兩次并行的方式為以上數(shù)據(jù)流快速地從若干備選路徑中選擇出最優(yōu)路徑，從而避免DR和SPF中存在的流量扎堆和負載失衡，有效降低OBS網(wǎng)絡的總體丟包率。
　　3、構建了基于雙價格的OBS網(wǎng)絡擁塞控制機制
　　網(wǎng)絡擁塞必然會導致網(wǎng)絡產(chǎn)生嚴重的丟包。目前很多 OBS網(wǎng)絡擁塞控制機制，如基于突發(fā)包發(fā)送速率動態(tài)調整的擁塞控制機制、基于網(wǎng)絡

9、流量反饋信息的擁塞控制機制等，要么只是提供一些針對當前節(jié)點的本地化服務，缺乏全局觀念；要么僅當擁塞沖突發(fā)生時才會被動地采取一些臨時應對措施。因此，從全局網(wǎng)絡的視角以主動積極的態(tài)度去面對網(wǎng)絡的動態(tài)變化才是解決OBS網(wǎng)絡沖突擁塞問題的有效手段。網(wǎng)絡效用最大化（Network Utility Maximization，NUM）已在Internet擁塞控制協(xié)議、網(wǎng)絡效率公平以及無線網(wǎng)絡速率分配等研究領域中有著廣泛應用。受上述研究的啟發(fā)，本文從網(wǎng)

10、絡效用最大化的角度出發(fā)，設計了一套基于雙價格的擁塞控制機制（Dual Price-Based Congestion Control，DPCC）。由于OBS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸質量（端到端的可靠性、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、網(wǎng)絡延遲等）往往影響著用戶對網(wǎng)絡的滿意度（即網(wǎng)絡效用），因此可以通過最大化網(wǎng)絡效用來提升網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸質量，從而對網(wǎng)絡中的沖突擁塞實現(xiàn)有效控制。DPCC可根據(jù)網(wǎng)絡中的若干反饋信息（比如擁塞度價格和可靠度價格）實時獲悉OBS網(wǎng)絡的擁塞和丟