光碼標(biāo)簽交換網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)FEC的研究

王玉寶，紙少瑜

（燕山大學(xué) 信息科學(xué)工程學(xué)院，河北 秦皇島066004）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)交換在網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的電交換網(wǎng)絡(luò)已不能滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求[1]。光標(biāo)簽交換技術(shù)成為這種“帶寬危機(jī)”的有效解決途徑[2]。光分組交換（OPS）網(wǎng)具有光網(wǎng)絡(luò)特有的高速率特性，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)格式和速率透明，能夠承載多種數(shù)據(jù)格式，成為未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。兩者結(jié)合將極大提升光分組交換網(wǎng)的性能。但OPS也有它的不足：數(shù)據(jù)在核心節(jié)點(diǎn)不能進(jìn)行并行處理，影響了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量[4]。OCDM技術(shù)在分組標(biāo)簽交換中的引入，充分利用了波長(zhǎng)的帶寬資源，避免了網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)簽不足的問(wèn)題，簡(jiǎn)化了核心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)[5,6]。引入光碼標(biāo)簽后，標(biāo)簽在核心節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行并行處理，凈荷透明地通過(guò)，實(shí)現(xiàn)了快速光交換[3,7]。對(duì)于分組結(jié)構(gòu)的凈荷部分，當(dāng)多個(gè)凈荷在同一波長(zhǎng)上傳輸時(shí)，在核心節(jié)點(diǎn)只能進(jìn)行串行處理，這樣處理效率較低，采用OCDM 編碼后，凈荷在核心節(jié)點(diǎn)就能夠進(jìn)行并行處理，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。實(shí)踐證明，載荷的長(zhǎng)度對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能有重要的影響。載荷較長(zhǎng)，開銷較小時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸效率高，但不夠靈活；反之，當(dāng)載荷較短時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬利用率較低，但靈活性較大。

邊緣節(jié)點(diǎn)基于分組組裝的算法主要有2種：固定時(shí)隙算法和固定長(zhǎng)度算法。前者是在特定的時(shí)隙內(nèi)對(duì)到來(lái)的數(shù)據(jù)分組進(jìn)行組裝[8]。后者為隊(duì)列設(shè)定固定的分組長(zhǎng)度，對(duì)到來(lái)的數(shù)據(jù)分組總長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定限度就形成分組。較于后者，前者到達(dá)的數(shù)據(jù)在時(shí)間上都是隨機(jī)的，所以在封裝時(shí)隙內(nèi)的數(shù)據(jù)量是變化的，形成的凈荷長(zhǎng)度是可變的，而且能夠在有效限制分組組裝延時(shí)的情況下提供較高的傳輸效率，所以應(yīng)用更為廣泛。分組長(zhǎng)度是影響分組丟失率的關(guān)鍵因素。在組裝隊(duì)列中，封裝時(shí)隙和到達(dá)率小，則到來(lái)的數(shù)據(jù)分組數(shù)量就可能少，生成的短分組的可能性就大。反之，封裝時(shí)隙和到達(dá)率較大，生成長(zhǎng)分組的可能性就大。所以，組裝時(shí)隙和到達(dá)率是影響分組丟失率的關(guān)鍵因素。

本文基于光碼標(biāo)簽分組交換網(wǎng)絡(luò)，提出了轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類的設(shè)計(jì)方案，采用固定時(shí)隙算法進(jìn)行分組組裝。標(biāo)簽長(zhǎng)度、保護(hù)間隔、同步時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有直接的影響。對(duì)這些參數(shù)取不同值時(shí)開銷率的變化情況進(jìn)行了仿真；針對(duì)不同封裝時(shí)延和到達(dá)率情況下，對(duì)分組丟失率的變化進(jìn)行了仿真分析。

2 標(biāo)簽交換邊緣節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類的設(shè)計(jì)

標(biāo)簽分組交換網(wǎng)絡(luò)中的邊緣節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)來(lái)自接入網(wǎng)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和業(yè)務(wù)匯聚[9]，數(shù)據(jù)分組根據(jù)目的地址和業(yè)務(wù)類型映射為不同的轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類（FEC），再為這些 FEC加上具有本地意義的標(biāo)簽后發(fā)送出去。

2.1 標(biāo)簽邊緣節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)及功能

標(biāo)簽邊緣節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示，虛線表示控制信號(hào)，實(shí)線代表數(shù)據(jù)流向。它由輸入接口、匯聚模塊、匯聚控制單元、組裝模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送單元、調(diào)度中心、標(biāo)簽產(chǎn)生器以及 OCDM 編碼器構(gòu)成。其中，匯聚模塊、組裝模塊和標(biāo)簽產(chǎn)生模塊、調(diào)度模塊是核心。

在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有很大的自相似性，所以當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)輸入接口時(shí)，需要對(duì)到來(lái)的各種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，解決接口兩邊可能存在的業(yè)務(wù)速率不匹配問(wèn)題。同時(shí)還要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解復(fù)用。處理后的數(shù)據(jù)，采用輪詢的方式被讀出發(fā)往匯聚模塊，對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行下一步的分類操作。其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：數(shù)據(jù)分組到達(dá)分組識(shí)別器后，經(jīng)過(guò)提取信頭中的源、目的地址、業(yè)務(wù)類型等相關(guān)信息，產(chǎn)生一個(gè)識(shí)別使能信號(hào)recog_en發(fā)送給匯聚控制單元，匯聚控制單元據(jù)此產(chǎn)生一個(gè)分類使能信號(hào) class_en對(duì)分類器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)數(shù)據(jù)分組到達(dá)時(shí)，根據(jù)該信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行歸類。交換器接受來(lái)自分類器的數(shù)據(jù)分組，調(diào)度中心事先根據(jù)數(shù)據(jù)分組頭的控制信息，生成交換使能信號(hào)sw1_en對(duì)交換器進(jìn)行配置，當(dāng)數(shù)據(jù)分組到來(lái)時(shí)，每種類型的數(shù)據(jù)（FEC）經(jīng)過(guò)配置好的通道，送到組裝模塊中相應(yīng)的緩存隊(duì)列進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝。組裝完成的分組經(jīng)過(guò)E/O轉(zhuǎn)換后進(jìn)行OCDM編碼，調(diào)度中心根據(jù)FEC 的業(yè)務(wù)類型和目的地址為其分配相應(yīng)的碼字，編碼后的載荷被送到數(shù)據(jù)發(fā)送單元。調(diào)度中心事先已經(jīng)根據(jù)該FEC的路由信息為其配置好交換矩陣，并預(yù)留相應(yīng)的波長(zhǎng)信道和傳輸時(shí)隙。所以載荷可以透明地通過(guò)交換中心進(jìn)入輸出緩存，與標(biāo)簽結(jié)合發(fā)往核心節(jié)點(diǎn)。

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類的設(shè)計(jì)

組裝模塊主要完成對(duì)進(jìn)入組裝隊(duì)列數(shù)據(jù)分組的封裝。經(jīng)過(guò)分類后的數(shù)據(jù)分組到達(dá)后，根據(jù)分類信息被送往相應(yīng)的子隊(duì)列，形成分組的凈荷部分。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)有K+1個(gè)，則FEC的數(shù)目有K個(gè)，對(duì)應(yīng)的緩存隊(duì)列也為K。設(shè)每種類型的數(shù)據(jù)分組可能有M種業(yè)務(wù)等級(jí)，則對(duì)應(yīng)的每個(gè)隊(duì)列中子緩存數(shù)也為M，整個(gè)組裝隊(duì)列共有KM個(gè)子緩存隊(duì)列。數(shù)據(jù)分組進(jìn)出子緩存隊(duì)列遵從FIFO原則。同種FEC數(shù)據(jù)分組中優(yōu)先級(jí)高的被送往不同的緩存子隊(duì)列進(jìn)行組裝，每個(gè)子隊(duì)列按照QoS業(yè)務(wù)等級(jí)被指配不同的優(yōu)先級(jí)，在隊(duì)列中按照從高到低的順序進(jìn)行排列，調(diào)度中心通過(guò)為每個(gè)子隊(duì)列分配不同的指針進(jìn)行QoS區(qū)別，優(yōu)先級(jí)高的指針數(shù)值小，反之則大。當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)隊(duì)列，調(diào)度中心根據(jù)數(shù)據(jù)分組頭的QoS分析結(jié)果產(chǎn)生排隊(duì)使能信號(hào)，將數(shù)據(jù)分組發(fā)送到相應(yīng)等級(jí)的緩存子隊(duì)列。為了適合變長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸，這里采用時(shí)隙固定組裝算法對(duì)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行封裝，能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量自動(dòng)調(diào)節(jié)分組大小。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)分組進(jìn)入隊(duì)列時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，直到最后一個(gè)數(shù)據(jù)到達(dá)計(jì)時(shí)結(jié)束，完成一個(gè)分組凈荷的組裝。再加上控制信息發(fā)送到輸出隊(duì)列等待與標(biāo)簽結(jié)合發(fā)往下一節(jié)點(diǎn)。在同一組裝隊(duì)列中，當(dāng)有多個(gè)分組同時(shí)生成時(shí)，調(diào)度中心根據(jù)每個(gè)子緩存隊(duì)列的指針值從小到大依次輸出，這樣就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的QoS要求。

圖1 標(biāo)簽交換邊緣節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

在分組標(biāo)簽交換網(wǎng)引入 OCDM 技術(shù)，可以解決邊緣節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽不足引起的阻塞問(wèn)題[10]，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)在核心節(jié)點(diǎn)的處理復(fù)雜度。在邊緣節(jié)點(diǎn)，根據(jù)分組的路由信息和控制信息生成標(biāo)簽信息，其中，包含該凈荷的源、目的地址、服務(wù)等級(jí)以及凈荷的生存時(shí)間等信息。邊緣節(jié)點(diǎn)為每條輸出鏈路分配一個(gè)碼字，當(dāng)載荷到達(dá)某條鏈路時(shí)，調(diào)度中心用該鏈路對(duì)應(yīng)的碼字對(duì)標(biāo)簽信息進(jìn)行編碼，標(biāo)簽編碼后與在此等待的凈荷耦合從該鏈路輸出。核心節(jié)點(diǎn)設(shè)有一組并行的光無(wú)源相關(guān)器（數(shù)量與單個(gè)波長(zhǎng)中復(fù)用的碼字?jǐn)?shù)相等），對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別。光分路器將標(biāo)簽信號(hào)分為幾路相同的光信號(hào)送入各個(gè)相關(guān)器進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，結(jié)果將作為控制中心的決策信號(hào)。碼字匹配時(shí)，輸出幅值較大的自相關(guān)值，該信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)光開關(guān)的On/Off進(jìn)入控制中心；相關(guān)器輸出不匹配的互相關(guān)值，由于能量較小，無(wú)法驅(qū)動(dòng)光門，因而被限制。提取的自相關(guān)脈沖經(jīng)過(guò)O/E轉(zhuǎn)化后，送入電路處理單元進(jìn)行展寬和放大后，再進(jìn)行整形和時(shí)鐘恢復(fù)，最后轉(zhuǎn)化為TTL電平輸入到控制中心，控制中心據(jù)此對(duì)交換矩陣進(jìn)行設(shè)置，將載荷交換到相應(yīng)的鏈路，同時(shí)用該信號(hào)與轉(zhuǎn)發(fā)信息表（FIB）中的信息進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，生成新的光碼標(biāo)簽[10,11]。凈荷與新標(biāo)簽結(jié)合成新的分組，發(fā)向下一節(jié)點(diǎn)。

在標(biāo)簽識(shí)別（即解碼）過(guò)程中，光碼標(biāo)簽在進(jìn)入解碼器前先要經(jīng)過(guò)光分路器進(jìn)行分路，這樣會(huì)產(chǎn)生較大的功率損耗。以碼長(zhǎng)為 9，碼重為 3，自相關(guān)和互相關(guān)為 1 的光正交碼作為標(biāo)簽的地址碼為例，當(dāng)核心節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽庫(kù)有C個(gè)標(biāo)簽時(shí)，則對(duì)應(yīng)的相關(guān)器（解碼器）也有C個(gè)，標(biāo)簽從分組分離后經(jīng)光分路器被分為C份，送入相關(guān)器進(jìn)行標(biāo)簽識(shí)別。當(dāng)C取值區(qū)間為（2，16）時(shí)，分光損耗從 6dBW遞增到 15.01dBW[12]，而且隨著輸入標(biāo)簽數(shù)（光分路器數(shù)）的增加，分光損耗將隨之繼續(xù)增大。由此可知，當(dāng)為了增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量而增加標(biāo)簽數(shù)量時(shí)，光分路器的性能也是個(gè)重要考慮因素，當(dāng)標(biāo)簽數(shù)量過(guò)多，分光損耗增大會(huì)造成誤碼率的增加。

在節(jié)點(diǎn)交換的輸出端口，當(dāng)多個(gè)相同波長(zhǎng)上的分組同時(shí)需要從同一端口輸出時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)。目前解決競(jìng)爭(zhēng)2個(gè)主要方法是光緩存和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器（TWC）。使用 TWC時(shí)，分組丟失率不會(huì)隨著使用數(shù)量的增加而繼續(xù)減小，當(dāng)TWC增加到一定數(shù)量時(shí)，分組丟失率趨于某個(gè)定值。所以單純使用TWC并不能完全起到對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能改善的作用。目前光域緩存采用光線延遲線（FDL）來(lái)實(shí)現(xiàn)，但FDL有很大的硬件開銷，比如延遲0.5μs就需要1km的FDL，而且會(huì)使節(jié)點(diǎn)變得復(fù)雜龐大。所以，這里采用TWC和FDL結(jié)合的方式來(lái)解決節(jié)點(diǎn)輸出端口的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。為了能夠節(jié)省TWC使用數(shù)量又能減小分組丟失率，TWC的配置采用節(jié)點(diǎn)共享（SPN）的結(jié)構(gòu)。對(duì)于FDL的配置，采用可以節(jié)約FDL長(zhǎng)度和減小系統(tǒng)體積的反饋共享非簡(jiǎn)并延遲線（NDF）結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸出端口發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，處理過(guò)程如下。首先，控制中心從競(jìng)爭(zhēng)的分組中找出優(yōu)先級(jí)高的分組，直接從該波長(zhǎng)信道輸出，保持原有波長(zhǎng)的一致性。對(duì)于剩下的競(jìng)爭(zhēng)分組，這里使用 TWC，通過(guò)調(diào)用最小度優(yōu)先調(diào)度（MDF）算法[13]對(duì)競(jìng)爭(zhēng)的分組進(jìn)行波長(zhǎng)分配。MDF算法通過(guò)對(duì)輸入分組和輸出波長(zhǎng)信道建立交換偶圖，從轉(zhuǎn)換度最小的波長(zhǎng)信道開始分配，盡量選擇原波長(zhǎng)的分組進(jìn)行輸出，保持原波長(zhǎng)的一致性，減小TWC的使用數(shù)量，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換偶圖的最大匹配。隨后，控制中心根據(jù)匹配的結(jié)果將需要進(jìn)行波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的分組送入共享波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化后輸出。對(duì)于匹配過(guò)程中沒(méi)有分到輸出波長(zhǎng)的分組，調(diào)度中心根據(jù)這些分組的優(yōu)先級(jí)，將其送入不同長(zhǎng)度的FDL進(jìn)行延時(shí)，這些分組將被送往輸入端和新到達(dá)的分組一起進(jìn)入交換矩陣。這種循環(huán)結(jié)構(gòu)雖然會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)產(chǎn)生一定影響，但通過(guò)將競(jìng)爭(zhēng)的分組重新送到輸入端進(jìn)行交換，提高了這些分組保持原有波長(zhǎng)一致性輸出的幾率，即減少了TWC使用的概率。當(dāng)經(jīng)過(guò)TWC轉(zhuǎn)換后的分組數(shù)量大于FDL的深度時(shí)，這些分組將被丟棄，產(chǎn)生分組丟失。

本文根據(jù)以上分析提出 FEC分組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖2所示，幀頭和幀尾作為邊界標(biāo)識(shí)信息，是為了便于在出口節(jié)點(diǎn)解幀時(shí)對(duì)凈荷進(jìn)行檢測(cè)。在邊緣出口節(jié)點(diǎn)，當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到幀頭時(shí)，便開始對(duì)分組中的數(shù)據(jù)分組解封裝，當(dāng)檢測(cè)到幀尾信息時(shí)便認(rèn)為拆封過(guò)程結(jié)束，通知系統(tǒng)重新進(jìn)入幀頭的檢測(cè)狀態(tài)。保護(hù)間隔作為預(yù)留偏置時(shí)間，用于系統(tǒng)對(duì)幀頭信息進(jìn)行處理。分隔符用于幀的解封裝，對(duì)數(shù)據(jù)分組的開始和結(jié)束進(jìn)行識(shí)別。為了能夠保證分隔符不會(huì)與分組凈荷重疊，這里采用將 10111111經(jīng)過(guò)8byte/10byte進(jìn)行冗余編碼后的10bit字符作為數(shù)據(jù)分組之間的分隔符。時(shí)間同步信號(hào)用于在信號(hào)傳輸惡化時(shí)，核心節(jié)點(diǎn)再生器對(duì)分組進(jìn)行時(shí)鐘提取，實(shí)現(xiàn)比特的再同步，消除時(shí)鐘漂移。標(biāo)簽和數(shù)據(jù)幀之間的保護(hù)時(shí)間根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的資源和路徑信息確定，合適的保護(hù)時(shí)間間隔對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能有著非常重要的影響。這里假設(shè)核心節(jié)點(diǎn)對(duì)標(biāo)簽的處理時(shí)間為Tb，每個(gè)交換矩陣的配置時(shí)間為Tp，則保護(hù)時(shí)間間隔可設(shè)置為Ts=Tb+Tp。偏置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)造成載荷在光緩存中等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，引起分組丟失的情況，網(wǎng)絡(luò)的利用率會(huì)下降；偏置時(shí)間過(guò)短，不利于載荷與標(biāo)簽分離，這樣對(duì)光緩存的設(shè)計(jì)精度要求也會(huì)增加。

3 性能分析

3.1 開銷比率

考慮到現(xiàn)有光器件處理的限制，目前采用光電混合的方式對(duì)光碼標(biāo)簽進(jìn)行處理，即對(duì)光碼標(biāo)簽進(jìn)行光解碼后，經(jīng)O/E轉(zhuǎn)換后在控制中心再進(jìn)行下一步的電處理。所以，這里標(biāo)簽和載荷分別采用不同的傳輸速率。光碼標(biāo)簽由于信息量較小，因此可以用較小的速率傳輸；而載荷在核心節(jié)點(diǎn)無(wú)需做任何處理，全光透明地通過(guò)，用較大的速率傳輸，可以實(shí)現(xiàn)載荷部分的信息量的動(dòng)態(tài)變化。本文仿真使用的標(biāo)簽速率和載荷速率分別為2.5Gbit/s、10Gbit/s。分組的大小取最大長(zhǎng)度為 5 000byte，最小長(zhǎng)度為200byte，標(biāo)簽的長(zhǎng)度固定。這里采用時(shí)間單位來(lái)計(jì)算開銷比率。

其中，tassemb表示數(shù)據(jù)在邊緣節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)組裝，交換和發(fā)送的時(shí)延，tpacket代表光分組的時(shí)延，由載荷時(shí)延、標(biāo)簽時(shí)延、保護(hù)間隔和同步時(shí)間組成。在這里，tpayload包括幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)間隔和凈荷部分總的時(shí)延。

其中，Lpayload，Llabel分別代表分組的長(zhǎng)度和標(biāo)簽長(zhǎng)度，vlabel，vpayload分別代表分組和標(biāo)簽的傳輸速率。tguardtime，tsyn分別表示保護(hù)時(shí)間和同步時(shí)間。將式(2)和式(3)代入式(1)得：

由式（4）可以看到，分母的tpayload值與到達(dá)邊緣節(jié)點(diǎn)的突發(fā)性有關(guān)，當(dāng)tpayload在某一很小的觀察時(shí)間內(nèi)看為定值時(shí)，開銷比率取決于分子上的數(shù)值大小。tqueue+tswith+tsend主要由節(jié)點(diǎn)的物理結(jié)構(gòu)和相關(guān)算法（組裝及調(diào)度算法）決定，當(dāng)節(jié)點(diǎn)性能優(yōu)良以及算法合適時(shí)，這幾項(xiàng)的值可以取得最小。tlabel+tguardtime+tsyn則取決于在FEC數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的人為設(shè)定，所以FEC設(shè)計(jì)時(shí)后3項(xiàng)的取值對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能有直接的影響。本文將根據(jù)tlabel，tguardtime+tsyn在取不同值的情況下對(duì)開銷比進(jìn)行討論。仿真時(shí)，取tassemb/tpacket為3%。tguardtime+tsyn在FEC結(jié)構(gòu)確定后，一般是定值，這里取0ns，6ns，20ns 3種情況，標(biāo)簽長(zhǎng)度分別為 2byte和 10byte進(jìn)行 MATLAB仿真。

圖2 FEC分組結(jié)構(gòu)

由圖3可以看出，隨著凈荷值在FEC結(jié)構(gòu)中比例的增大，開銷比率也隨之減小。在凈荷一定的情況下，開銷比隨著tguardtime+tsyn的減小而減小。通過(guò)圖3的對(duì)比可知，在標(biāo)簽取不同值的情況下，隨著凈荷的增加，開銷率都趨近定值tassemb/tpacket，根據(jù)式(1)可知，隨著Lpayload的增大，tpayload也隨之增大，在開銷小的可以忽略的情況下，開銷比ηoverhead最終趨近于tassemb與tpacket的比值。所以仿真圖與理論分析一致。tassemb與邊緣路由器物理性能和相關(guān)算法有關(guān)，由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸效率的提高，邊緣節(jié)點(diǎn)的硬件物理結(jié)構(gòu)和相關(guān)算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能起著根本的限制作用。

圖3 開銷比在不同標(biāo)簽長(zhǎng)度下的變化規(guī)律

從圖3還可以看出，如果以開銷比10%為標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)簽長(zhǎng)度為2byte的情況下，當(dāng)凈荷長(zhǎng)度1 200byte左右時(shí)，進(jìn)入10%的區(qū)間內(nèi)；標(biāo)簽為10byte的情況下，凈荷達(dá)到2×103byte時(shí)才進(jìn)入10%的區(qū)間，說(shuō)明在標(biāo)簽比較小的情況下，網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率的收斂速度越快。可見(jiàn)對(duì)于光碼標(biāo)簽網(wǎng)絡(luò)，為了滿足更多的用戶傳輸要求而增加碼字長(zhǎng)度時(shí)，標(biāo)簽所占比例增加的情況下，網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能也會(huì)隨之受到影響。

3.2 排隊(duì)性能分析

進(jìn)行隊(duì)列組裝的算法主要有固定時(shí)隙算法（FTA, fixed time arithmetic）和固定門限算法（FSA,fixed size arithmetic）。與后者相比，F(xiàn)TA能夠有效地限制分組組裝時(shí)延，滿足高速率交換要求。在對(duì)分組進(jìn)行組裝時(shí)，到達(dá)率和組裝時(shí)延是影響算法性能的重要參數(shù)，也是引起網(wǎng)絡(luò)分組丟失率的重要因素。

本文為方便討論，設(shè)每個(gè)隊(duì)列中的QoS優(yōu)先級(jí)只有1個(gè)，即緩存子隊(duì)列為1個(gè)。

由于負(fù)指數(shù)分布具有無(wú)記憶性，而進(jìn)入組裝隊(duì)列的各個(gè)數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度不受其進(jìn)入隊(duì)列的先后順序影響，即進(jìn)入組裝隊(duì)列的數(shù)據(jù)分組都相互獨(dú)立，故在這里假設(shè)數(shù)據(jù)分組的長(zhǎng)度l服從負(fù)指數(shù)分布，則其概率密度為，根據(jù)NLANR的數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度為40byte的數(shù)據(jù)分組占59.21%，576byte的占20.63%，1 500byte的占20.16%，由此可計(jì)算得平均分組長(zhǎng)為：E(l)=40×59.21%+576×20.63%+1500×20.16%=445byte。

進(jìn)入邊緣節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組流具有長(zhǎng)程相似性和短程相似性，兩者都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的排隊(duì)性能造成影響。文中對(duì)數(shù)據(jù)流具有短程相似屬性的情況進(jìn)行排隊(duì)性能分析。在組裝時(shí)隙tout內(nèi)，進(jìn)入組裝隊(duì)列的數(shù)據(jù)分組數(shù)量服從到達(dá)率為λ的泊松分布，則組裝隊(duì)列i在組裝時(shí)延tout內(nèi)的到達(dá)數(shù)據(jù)分組數(shù)量為n的概率為：由于文中已經(jīng)假設(shè)進(jìn)入組裝隊(duì)列的各個(gè)數(shù)據(jù)分組都相互獨(dú)立，且都服從具有無(wú)記憶性的負(fù)指數(shù)分布，根據(jù)概率論可知，當(dāng)n（n≥0）服從強(qiáng)度為λ的泊松分布時(shí)，n個(gè)獨(dú)立同分的隨機(jī)變量之和服從復(fù)合泊松分布[14]，即組裝生成的分組長(zhǎng)度L服從復(fù)合泊松分布。根據(jù)復(fù)合泊松過(guò)程的性質(zhì)可知，生成的分組平均長(zhǎng)度由此可以看出，當(dāng)E(l)一定時(shí)，邊緣節(jié)點(diǎn)組裝生成分組的平均長(zhǎng)度受到達(dá)率和組裝時(shí)延影響。當(dāng)組裝時(shí)延和到達(dá)率較大時(shí)，生成長(zhǎng)分組的概率增大，但分組大小分布的波動(dòng)范圍（方差）也較大。當(dāng)來(lái)自接入網(wǎng)的流量特性發(fā)生變化時(shí)，E(l)隨之變化，這也會(huì)對(duì)生成的分組大小產(chǎn)生影響。

由于各個(gè)隊(duì)列獨(dú)立同分布，則各個(gè)隊(duì)列組裝生成的分組長(zhǎng)度L的分布函數(shù)可統(tǒng)一表示為

由全概率公式得：

根據(jù)概率論知，k個(gè)獨(dú)立同分布的負(fù)指數(shù)隨機(jī)變量的和服從厄蘭分布[14]，則的概率密度可表示為

其中，γ(kγ)為伽瑪函數(shù)。將式(7)代入式(6)得：

則分組丟失率為其中，W為單根光纖中的波長(zhǎng)數(shù)，N為輸出端口數(shù)，這里分別取W=50，N=10。到達(dá)率取1 000packet/s。在組裝時(shí)延outt分別取 1μs、5μs、10μs 3種情況進(jìn)行MATLAB仿真。

從圖4可以看出，在邊緣節(jié)點(diǎn)輸出端口一定的情況下，隨著分組長(zhǎng)度的增加，邊緣節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)延增大的可能性也隨之增加，這樣就會(huì)引起分組丟失率的增大。

圖4 不同情況下的分組丟失率

由圖4(a)可以看到，在同一封裝時(shí)延內(nèi)，由于數(shù)據(jù)分組到來(lái)的隨機(jī)性，組裝的分組長(zhǎng)度越大，分組丟失率也越大?？v坐標(biāo)方向上，在分組長(zhǎng)度和到達(dá)率一定的情況下，組裝時(shí)延越大，生成長(zhǎng)分組的概率增加，分組丟失率也越大，這可以等效成在固定組裝長(zhǎng)度變長(zhǎng)組裝時(shí)延（FSVS, fixed-size&variable-slot）組裝機(jī)制的情況，生成同樣大小的分組，需要的組裝時(shí)延越大，引起網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延也越大，分組丟失率也會(huì)隨之增加。

圖4(b)中，在封裝時(shí)延一定的情況下，到達(dá)率越大，在組裝時(shí)延內(nèi)到來(lái)的數(shù)據(jù)分組越多，生成的長(zhǎng)分組的可能性隨之也增大，分組丟失率會(huì)增加。在縱坐標(biāo)方向上，當(dāng)分組長(zhǎng)度一定時(shí)，達(dá)到率大的分組丟失率也大。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)槭苓吘壒?jié)點(diǎn)組裝隊(duì)列的物理緩存大小的限制，組裝隊(duì)列只能容納特定長(zhǎng)度的分組長(zhǎng)度，當(dāng)?shù)絹?lái)的數(shù)據(jù)量增大，生成長(zhǎng)分組的概率跟著增大，當(dāng)該長(zhǎng)度在封裝時(shí)延內(nèi)超過(guò)緩存大小時(shí)，多余的數(shù)據(jù)分組就會(huì)被丟棄，從而造成分組丟失率的增大。由此可知，在考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量變化的情況下，組裝隊(duì)列的緩存大小對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能也有至關(guān)重要的影響。

從圖4中還可以看到，當(dāng)分組長(zhǎng)度增到一定程度時(shí)，分組丟失率趨于某個(gè)特定的值。這是基于這樣的事實(shí)：在組裝隊(duì)列的緩存大小、封裝時(shí)延以及到達(dá)率等參量一定的情況下，生成的分組長(zhǎng)度不可能無(wú)限制的增加或減小，即分組長(zhǎng)度是在一定的范圍內(nèi)變化的，這樣會(huì)引起邊緣節(jié)點(diǎn)分組丟失率在一定范圍內(nèi)變化，最終會(huì)趨向某個(gè)特定數(shù)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類的設(shè)計(jì)方案，分組結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)變長(zhǎng)數(shù)據(jù)分組的傳輸，在核心節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?biāo)簽進(jìn)行并行處理。通過(guò)仿真分析了標(biāo)簽、保護(hù)間隔以及同步時(shí)間與開銷比的關(guān)系。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)EC分組結(jié)構(gòu)的控制部分所占比例是影響開銷比的直接因素，其根本因素取決于邊緣路由器的物理性能和相關(guān)算法。接著對(duì)在不同封裝時(shí)延和到達(dá)率情況下，分組丟失率的變化規(guī)律進(jìn)行仿真，結(jié)果表明在采用定長(zhǎng)時(shí)隙算法時(shí)，在固定組裝延時(shí)內(nèi)，隨著組裝分組長(zhǎng)度的增加，分組丟失率隨之增大。同時(shí)可推知，組裝的分組長(zhǎng)度是在一定范圍內(nèi)變化的，分組丟失率會(huì)趨向于某個(gè)定值，所以封裝隊(duì)列緩存大小的設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有影響。

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