OBS網(wǎng)絡(luò)中基于優(yōu)先級與突發(fā)包分割的光緩存方法研究

侯 睿，余俊樂

(中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢 430074)

在OBS(Optical Burst Switching)網(wǎng)絡(luò)中，邊緣結(jié)點(diǎn)將IP分組封裝成為突發(fā)數(shù)據(jù)分組，并且為每一個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)分組生成一個(gè)突發(fā)控制分組BCP(Burst Control Packet)[1,2]，BCP首先進(jìn)入OBS核心交換網(wǎng)絡(luò)，在其所經(jīng)歷的每個(gè)核心結(jié)點(diǎn)為其對應(yīng)的突發(fā)數(shù)據(jù)分組BDP(Burst Date Packet)預(yù)留帶寬資源[3]，突發(fā)數(shù)據(jù)分組利用單向資源預(yù)留機(jī)制在OBS網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸.若在同一時(shí)間兩個(gè)或多個(gè)BDP在同一波長信道進(jìn)行傳輸，則有可能發(fā)生數(shù)據(jù)包沖突，一旦發(fā)生沖突就有可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的丟失[4]，因此如何有效地解決沖突，降低數(shù)據(jù)包的丟失率成為OBS的一個(gè)重要研究課題.傳統(tǒng)的偏射路由[5]和光緩存[6]是很好的解決沖突的辦法，但是它們都沒有考慮到數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級[7]問題，因此不能很好的保證OBS的QoS(Quality of Service).在此基礎(chǔ)上研究人員提出各種改進(jìn)方法，例如基于優(yōu)先級的突發(fā)包分割方法PBS(Priority based Burst Segmentation)[8,9]，基于優(yōu)先級的光緩存方法POB(Priority based Optical Buffering)，以及基于優(yōu)先級與突發(fā)包分割的光緩存方法PBSOB(Priority and Burst Segmentation based Optical Buffering)[10]等，他們都充分考慮到優(yōu)先級因素和分割方法，但沒有綜合考慮光纖延遲線FDL(Fiber Delay Line)，故不能更好地利用光緩存，導(dǎo)致一定的網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)，增加了數(shù)據(jù)包的丟失率.

為了充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源，確保數(shù)據(jù)包的低丟失率，本文提出了一種改進(jìn)的基于優(yōu)先級與突發(fā)包分割的光緩存方法，當(dāng)結(jié)點(diǎn)發(fā)生數(shù)據(jù)包沖突時(shí)，先按照優(yōu)先級對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分割處理，分割后無沖突部分直接在原有預(yù)留信道上進(jìn)行傳輸，沖突部分進(jìn)行下一步處理；若網(wǎng)絡(luò)中存在另外的空閑信道，則將沖突部分傳入該空閑信道進(jìn)行傳輸，若沒有空閑信道則查看網(wǎng)絡(luò)中是否有空余FDL，若有則傳入FDL中進(jìn)行相應(yīng)處理，若沒有則丟棄該數(shù)據(jù)包并返回相應(yīng)信息.同時(shí)該方法引入了空閑信道剩余時(shí)間對FDL延遲時(shí)間的判斷，能夠更加有效地判斷數(shù)據(jù)包的丟失與否，從而確保數(shù)據(jù)包的低丟失率，保證OBS的QoS，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能.

1 模型的建立

在OBS網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)多個(gè)不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)包在同一時(shí)間同一波長信道進(jìn)行傳輸，并發(fā)生沖突時(shí)，應(yīng)該確保高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的低丟失率，從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，為了研究方便，在單波長信道中，只選取一個(gè)競爭突發(fā)數(shù)據(jù)包CBDP和一個(gè)原突發(fā)數(shù)據(jù)包OBDP.CBDP在輸入數(shù)據(jù)信道IDC中進(jìn)行傳輸，OBDP在輸出數(shù)據(jù)信道ODC中傳輸，在網(wǎng)絡(luò)的核心結(jié)點(diǎn)中有多條輸出信道和FDL.

PO和PC分別代表原突發(fā)包和競爭突發(fā)包的優(yōu)先級，O代表原突發(fā)包，C代表競爭突發(fā)包，陰影部分代表沖突后被分割的數(shù)據(jù)包.

如果PO>PC,即原突發(fā)包的優(yōu)先級比競爭突發(fā)包優(yōu)先級高，那么就將CBDP進(jìn)行頭分割處理，分割成CBDP′和CBDP″，未受影響的CBDP′部分和OBDP在原輸出信道中進(jìn)行輸出處理，沖突部分CBDP″等待處理，見圖1.如果PO

圖1 PO>PC對競爭突發(fā)包進(jìn)行頭分割

圖2 PO

下面主要針對分割后沖突部分進(jìn)行處理，由于分割后的沖突部分不涉及到與原突發(fā)包和競爭突發(fā)包的競爭，因此將CBDP″和OBDP″看做一種數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，取名為NBDP.處理方法具體步驟如下.

(1)當(dāng)沖突分割產(chǎn)生NBDP后，判斷是否有除了原輸出信道外的其他波長空閑信道.若有，則為NBDP預(yù)留資源，并傳輸?shù)皆摽臻e信道進(jìn)行處理；若沒有，則轉(zhuǎn)到第(2)步；

(2)如果核心結(jié)點(diǎn)已經(jīng)沒有其他波長空閑信道，判斷是否有空閑的FDL.若沒有，則直接丟棄該數(shù)據(jù)包；若有，則轉(zhuǎn)到第(3)步；

(3)如果有空閑的FDL，比較該核心結(jié)點(diǎn)所有輸出信道的剩余時(shí)間最小值To與FDL最大延遲時(shí)間Tf，若To>Tf，說明即使將NBDP傳入FDL中，經(jīng)過Tf時(shí)間后，還是沒有空閑信道，因此不應(yīng)將NBDP傳入FDL中，應(yīng)直接丟棄；若To

圖3給出了沖突后分割部分處理流程圖.

圖3 沖突后分割部分處理流程圖

2 理論分析

假設(shè)現(xiàn)有OBS網(wǎng)絡(luò)中存在4種優(yōu)先級突發(fā)數(shù)據(jù)包分別為：Class1、Class2、Class3和Class4，優(yōu)先級逐漸降低，設(shè)定OBS網(wǎng)絡(luò)核心結(jié)點(diǎn)具備K個(gè)波長的單鏈路，并且核心結(jié)點(diǎn)配置有完全波長轉(zhuǎn)換器，同時(shí)配備一個(gè)光緩存，該光緩存具備N條FDL.另外設(shè)定OBS網(wǎng)絡(luò)采用JET資源預(yù)留協(xié)議，所有優(yōu)先級突發(fā)數(shù)據(jù)包的到達(dá)皆服從Poisson過程，Classi優(yōu)先級業(yè)務(wù)的到達(dá)率為λi，突發(fā)數(shù)據(jù)包的長度服從負(fù)指數(shù)分布，均值為1/μi，ρi為Classi優(yōu)先級突發(fā)包的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，根據(jù)Erlang-B公式，可得突發(fā)包分割后Class1業(yè)務(wù)的丟失率P1為：

(1)

其中ρ1=λ1/μ1是Class1業(yè)務(wù)的負(fù)荷.

根據(jù)排隊(duì)論和守恒原則，可以得出其余優(yōu)先級業(yè)務(wù)的丟失率Pi如下所示：

P1,2,…，i-1),i=2,3,4,5.

(2)

其中：

(3)

(4)

當(dāng)沖突的突發(fā)包被分割后，首先判斷是否有其他空閑的波長信道，再判斷是否有空閑的FDL，以及比較該核心結(jié)點(diǎn)所有輸出信道的剩余時(shí)間最小值To與FDL最大延遲時(shí)間Tf.

配備光緩存的網(wǎng)絡(luò)可以看做是M/M/K/D排隊(duì)模型，其中D表示空閑波長信道和光緩存所能處理突發(fā)包的最大容量，比較該核心結(jié)點(diǎn)所有輸出信道的剩余時(shí)間最小值To與FDL最大延遲時(shí)間Tf時(shí)，若To>Tf，說明即使將NBDP傳入FDL中，經(jīng)過Tf時(shí)間后，還是沒有空閑信道，因此不應(yīng)將NBDP傳入FDL中，應(yīng)直接丟棄；若To

(λi-1/λi)·Pi-1,i=2,3,…,n.

(5)

其中：

(6)

(7)

3 結(jié)果與討論

本文模擬了具有4個(gè)優(yōu)先級的OBS網(wǎng)絡(luò)，模擬了在單波長信道下，不同優(yōu)先級突發(fā)包在核心結(jié)點(diǎn)由于沖突而導(dǎo)致的丟失率情況，以及同等級業(yè)務(wù)在不同方法下核心結(jié)點(diǎn)發(fā)生沖突后的丟失率情況，3種方法分別為無光緩存的方法、基于優(yōu)先級與突發(fā)包分割的光緩存方法PBSOB，以及本文所提出的方法.

這里設(shè)定K=2,n=2，Class1到Class4業(yè)務(wù)占總業(yè)務(wù)都為25%.圖4為Classi優(yōu)先級業(yè)務(wù)的丟失率.可以看到通過設(shè)定業(yè)務(wù)保護(hù)策略，高優(yōu)先級業(yè)務(wù)得到了比低優(yōu)先級業(yè)務(wù)低的丟失率，這樣OBS網(wǎng)絡(luò)的QoS就得到了保證.

圖4 不同優(yōu)先級業(yè)務(wù)在核心結(jié)點(diǎn)發(fā)生的丟失率情況

圖5為Class1業(yè)務(wù)在K=2,n=2,α=0.6配置不同方法下核心結(jié)點(diǎn)突發(fā)包丟失率情況，從圖5中可以看出，在相同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷采用本文方法突發(fā)包丟失率明顯低于其他2種方法；同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增加，3種方法的核心結(jié)點(diǎn)丟失率在不斷地上升，說明負(fù)荷的增大增加了沖突的概率，最后網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷逐漸接近1時(shí)，導(dǎo)致PBSOB和本文的D值對丟失率的影響逐漸降低并接近，于是導(dǎo)致PBSOB和本文方法的丟失率逐漸接近.

圖6為Class1業(yè)務(wù)在K=2,n=2的配置下，當(dāng)其他空閑波長信道的空閑率α不同時(shí)核心結(jié)點(diǎn)丟失率情況，從圖6中可以看出，在相同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷空閑波長信道的空閑率高的突發(fā)包的丟失率低于空閑波長信道的空閑率低的突發(fā)包的丟失率；同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增加核心結(jié)點(diǎn)丟失率在不斷地上升，說明負(fù)荷的增大增加了沖突的概率.

圖6 同等級業(yè)務(wù)在α不同時(shí)核心結(jié)點(diǎn)丟失率情況

4 結(jié)語

本文具體地介紹了基于優(yōu)先級與突發(fā)包分割的OBS光緩存方法，提出了一種改進(jìn)的基于優(yōu)先級與突發(fā)包分割的光緩存方法.該方法綜合考慮了其他空閑信道和FDL，并引入了空閑信道剩余時(shí)間對FDL延遲時(shí)間的判斷，能夠更加有效的判斷數(shù)據(jù)包的丟失與否，從而確保數(shù)據(jù)包的低丟失率，保證OBS的QoS，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，此結(jié)果對OBS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化具有一定的理論意義.

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