OBS網(wǎng)絡(luò)突發(fā)包丟失控制的若干關(guān)鍵技術(shù)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(yù)留機制和使用了更細的交換粒度，因此其網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)發(fā)節(jié)點可對經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的突發(fā)控制包運用成熟的電域技術(shù)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(luò)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(luò)中一種非常重要的光交換技術(shù)，華為等大公司也持續(xù)投入人力與物力推進相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)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(luò)的丟包性能不太理想。為了將OBS網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)包丟包率降到可實用水平，許多學(xué)者都積極投入到OBS網(wǎng)絡(luò)的丟包控制研究中。本文圍繞OBS網(wǎng)絡(luò)突發(fā)包丟失控制的若干關(guān)鍵技術(shù)開展研究，主要包括以下三個方面：
　　1、設(shè)計了一種基于最大信道利用率插空調(diào)度算法的OBS網(wǎng)絡(luò)高速信道調(diào)度器
　　信道調(diào)度是指轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點根據(jù)突發(fā)控制包所攜帶的相關(guān)信息，提前為其對應(yīng)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(diào)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(dǎo)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(nèi)產(chǎn)生的突發(fā)數(shù)據(jù)也急劇增長。因此，由于信道調(diào)度器的速度不足而導(dǎo)致的突發(fā)包丟失問題也越來越成為制約OBS網(wǎng)絡(luò)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(diào)度算法的OBS網(wǎng)絡(luò)高速信道調(diào)度器。相比于傳統(tǒng)的LAUC-VF等調(diào)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(zhuǎn)換到了信道的整體利用率（粗粒度），不再關(guān)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(diào)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(luò)的丟包率。
　　2、提出了基于流線效應(yīng)的OBS網(wǎng)絡(luò)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(luò)的負載均衡和避免鏈路擁塞，從而達到降低網(wǎng)絡(luò)丟包率的目的。然而，已有的一些OBS網(wǎng)絡(luò)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(luò)中特有的流線效應(yīng)（Streamline Effect）的缺點。流線效應(yīng)

7、是指在缺乏存儲設(shè)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(yīng)。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(yīng)只是考慮哪條路徑對自己的端到端丟包率最有利，而應(yīng)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(luò)的整體丟包率做出盡可能合理的路由規(guī)劃。基于上述考慮，本文設(shè)計了執(zhí)行速度和丟包率都比較理想的基于流線效

8、應(yīng)的OBS網(wǎng)絡(luò)多數(shù)據(jù)流路由策略。當OBS網(wǎng)絡(luò)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(yīng)，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(luò)的總體丟包率。
　　3、構(gòu)建了基于雙價格的OBS網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機制
　　網(wǎng)絡(luò)擁塞必然會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生嚴重的丟包。目前很多 OBS網(wǎng)絡(luò)擁塞控制機制，如基于突發(fā)包發(fā)送速率動態(tài)調(diào)整的擁塞控制機制、基于網(wǎng)絡(luò)

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(wù)，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(yīng)對措施。因此，從全局網(wǎng)絡(luò)的視角以主動積極的態(tài)度去面對網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化才是解決OBS網(wǎng)絡(luò)沖突擁塞問題的有效手段。網(wǎng)絡(luò)效用最大化（Network Utility Maximization，NUM）已在Internet擁塞控制協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)效率公平以及無線網(wǎng)絡(luò)速率分配等研究領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用。受上述研究的啟發(fā)，本文從網(wǎng)

10、絡(luò)效用最大化的角度出發(fā)，設(shè)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(luò)數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量（端到端的可靠性、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、網(wǎng)絡(luò)延遲等）往往影響著用戶對網(wǎng)絡(luò)的滿意度（即網(wǎng)絡(luò)效用），因此可以通過最大化網(wǎng)絡(luò)效用來提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，從而對網(wǎng)絡(luò)中的沖突擁塞實現(xiàn)有效控制。DPCC可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)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(luò)的擁塞和丟