基于SDN 的四層多粒度光交叉連接體系研究①

王玉寶 蘇 明 王琪龍 李龍飛

(燕山大學信息科學與工程學院 河北省信息傳輸與信號處理重點實驗室 秦皇島066004)

0 引言

通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展,多協(xié)議標簽交換(multiprotocol label switching,MPLS)技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界成熟并廣泛使用的通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。MPLS 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能從數(shù)據(jù)層面分離出來,用一定長度的標簽來表示IP 地址。但是隨著光交換技術(shù)的發(fā)展,波分復用技術(shù)日益成熟,光纖骨干網(wǎng)絡(luò)上帶寬逐步提高,網(wǎng)絡(luò)的效率得以提升,MPLS 的結(jié)構(gòu)卻無法滿足擴大帶寬容量的要求。為了解決這一矛盾,國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(Internet Engineering Task Force,IETF)在MPLS 基礎(chǔ)上提出了通用多協(xié)議標簽交換技術(shù)(generalized multiprotocol label switching,GMPLS)[2],對MPLS 協(xié)議進行了擴展。GMPLS 可以支持光纖、波長等多個粒度,使資源利用率大大提高。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined networking,SDN)是一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[3],相對于傳統(tǒng)分布式網(wǎng)絡(luò),SDN 具有數(shù)據(jù)與控制平面分離、軟件可編程的特點。SDN 由于其自身數(shù)控分離的特點,可使通信網(wǎng)絡(luò)更加靈活、智能、開放,還可以簡化網(wǎng)絡(luò)配置[4]、節(jié)省運維成本,對GMPLS 技術(shù)在控制平面提供了良好的支持。

隨著業(yè)務(wù)量的飛速增長,單一的波長交換使網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)目與日俱增,網(wǎng)絡(luò)復雜度越來越高。為降低端口數(shù),文獻[5]提出了波帶交換(waveband switching,WBS)技術(shù),即業(yè)務(wù)在波長粒度傳輸有公共路徑時將其進行捆綁,但波帶交換面臨諸多因素限制,比如帶寬的限制、波長利用率有待提高、捆綁波長必須為連續(xù)波長、靈活度較低。為緩解這一系列問題,可應(yīng)用光碼分復用技術(shù)(optical code division multiplex,OCDM),其優(yōu)點在于不受帶寬和波長連續(xù)性限制、靈活度高,缺點是消耗端口數(shù)過多和結(jié)構(gòu)復雜度提升[6-7]?；诖?文獻[8]提出了面向OCDM 的三層多粒度光交叉連接(multi-granularity optical cross-connect,MG-OXC)結(jié)構(gòu),并且應(yīng)用碼群路由(code group routing entity,CGRE)技術(shù)來優(yōu)化光交叉連接(optical cross-connect,OXC)結(jié)構(gòu),仿真結(jié)果表明CGRE 的端口數(shù)、丟包率優(yōu)于WBS。

本文為進一步優(yōu)化端口數(shù)目,在文獻[8]的基礎(chǔ)上增加波帶交換模塊,對業(yè)務(wù)進行混合捆綁,構(gòu)成包含光纖、波帶、波長、光碼的四層多粒度光交叉連接結(jié)構(gòu)體系,達到增加網(wǎng)絡(luò)靈活度、降低端口數(shù)以及提高波長資源利用率的目的。由于結(jié)構(gòu)復雜度無法避免的提升,四層MG-OXC 對控制系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn),為了更好地應(yīng)對未來網(wǎng)絡(luò)需求,本文將四層多粒度結(jié)構(gòu)與SDN 相結(jié)合,便于網(wǎng)絡(luò)的靈活控制。

本文結(jié)構(gòu)如下。第1 節(jié)介紹了包含波帶交換、碼群路由體的四層多粒度光交叉連接結(jié)構(gòu),提出混合捆綁算法并進行舉例說明,第2 節(jié)介紹了基于SDN 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),第3 節(jié)在波長利用率、端口數(shù)、丟包率3 方面對結(jié)構(gòu)性能進行仿真分析,第4 節(jié)總結(jié)全文。

1 四層多粒度光交換體系

1.1 四層多粒度光交叉連接結(jié)構(gòu)

業(yè)務(wù)流量傳輸?shù)焦饩W(wǎng)絡(luò)的標簽邊緣路由器(label edge router,LER),LER 給業(yè)務(wù)流量附加標簽,由標簽交換路由器(label-switched router,LSR)根據(jù)標簽傳輸業(yè)務(wù)包。將光網(wǎng)絡(luò)中的標簽路由器應(yīng)用至四層MG-OXC,使其具有四種粒度的交換和上下路能力,具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)包括光纖交換模塊、波帶交換模塊、波長交換模塊、光碼分復用交換模塊及控制模塊在內(nèi)的5 個模塊,對應(yīng)了光纖、波帶、波長和光碼4 個粒度層級;應(yīng)用了空分復用技術(shù)、波分復用技術(shù)和碼分復用技術(shù)。

圖1 四層多粒度光交叉連接結(jié)構(gòu)

1.2 波帶交換

波帶交換根據(jù)源節(jié)點和目的節(jié)點的不同,可以按相同的源和目的地組合、同源或同目的地組合、公共路徑組合。

如圖2 的光網(wǎng)絡(luò)示例,LSR1 收到目的地為LSR5 的兩個請求,控制模塊為其分配的路徑公共部分為LSR1→LSR2→LSR6→LSR5,按照波帶捆綁策略可將3 條波長捆綁成一條波帶,于是一個波帶端口就可以完成數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 波帶交換示例

1.3 碼群路由體

雖然波帶交換技術(shù)在一定程度上提升了波長路由網(wǎng)絡(luò)的性能,但該技術(shù)仍有不足:其一是波帶交換技術(shù)只是降低了端口數(shù),卻沒有提升波長資源的利用率;其二,受波長連續(xù)性限制,只有連續(xù)波長才能進行捆綁;其三,波帶交換技術(shù)一般都會采用固定粗細的波帶,例如每條波帶可以捆綁3 條波長。故引入光碼分復用交換模塊和CGRE 結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)上將多個波長管道級聯(lián),功能上將多個路徑的光碼捆綁為虛擬光碼管道,其中虛擬光碼管道依附于波長存在。相對于波帶交換技術(shù),CGRE 虛擬管道的大小可以隨著捆綁光碼數(shù)的多少靈活變化,即光碼的捆綁數(shù)量沒有固定數(shù)額限制。由于波長管道的級聯(lián),光碼可以被自由捆綁至任一有空閑資源的波長,波長資源利用率得到最大化,同時光碼可在節(jié)點上進行自由地上下路。CGRE 結(jié)構(gòu)如圖3 所示,已經(jīng)捆綁的光碼1 和2 可以在級聯(lián)通道中解綁后按不同波長路徑傳輸,解綁后的光碼2 可以和光碼3 在級聯(lián)通道中再次進行捆綁傳輸。

圖3 CGRE 結(jié)構(gòu)

光碼的捆綁策略與波帶的捆綁策略類似,具有公共路徑的光碼即可捆綁成CGRE 虛擬管道。在光碼捆綁過程中,多個具有公共路徑的業(yè)務(wù)每一跳只需要捆綁一次,則可完成光網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸任務(wù),無需對每個數(shù)據(jù)包都進行光碼捆綁,簡化操作。

如圖4 所示,假設(shè)LSR1 收到目的節(jié)點分別為LSR6、LSR5 的請求,OC1 的最短路徑為LSR1 →LSR2→LSR6,OC2 的路徑為LSR1→LSR2→LSR6→LSR5?？刂颇K讀取兩個數(shù)據(jù)包基礎(chǔ)信息確認資源大小后,由于OC1 和OC2 有公共路徑LSR1 →LSR2→LSR6,所以它們在LSR1 經(jīng)過圖3 的結(jié)構(gòu)后捆綁為CGRE 虛擬管道。光碼虛擬管道依附于波長存在,OC1 到達LSR6 后解綁下路,OC2 則繼續(xù)按既定路線到達LSR5。

圖4 CGRE 光碼捆綁示例

1.4 混合捆綁算法研究及實例演示

1.4.1 混合捆綁算法

混合捆綁算法包括波帶交換和碼群路由兩部分,波帶交換技術(shù)可以有效降低光網(wǎng)絡(luò)的端口數(shù),碼群路由體技術(shù)致力于提升波長利用率?，F(xiàn)將兩種技術(shù)集合應(yīng)用至四層多粒度光交換結(jié)構(gòu)中,以提升網(wǎng)絡(luò)的工作效率,算法過程如圖5 所示。主要包括4個方面。

圖5 混合算法流程

(1) 分配路徑。當LSR 收到請求后,路徑計算單元(path computation element,PCE)根據(jù)Dijkstra算法為請求包分配最短路徑。

(2) 捆綁光碼?？刂颇K根據(jù)已分配好的路徑,判斷至下一跳的路徑是否與其他請求存在公共路徑。若有公共路徑,多個業(yè)務(wù)的光碼通過CGRE結(jié)構(gòu)捆綁為光碼虛擬管道。

(3) 選擇波長?？刂颇K在選定路徑中篩選有空閑資源的波長,優(yōu)先選擇連續(xù)的波長進行光碼負載,直到業(yè)務(wù)負載完畢。

(4) 組成波帶。將固定數(shù)目的連續(xù)波長捆綁成波帶,降低端口數(shù)。

1.4.2 實例研究

下面用一個實例來描述算法流程,實例的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。LSR1～LSR7 為標簽交換路由器,路徑上的數(shù)字代表兩節(jié)點之間的距離,假設(shè)整個網(wǎng)絡(luò)中有3 個請求,請求1 源為LSR1 終點為LSR7,請求2 源為LSR2 終點為LSR6,請求3 源為LSR5 終點為LSR7。

圖6 實例結(jié)構(gòu)示意

PCE 根據(jù)Dijkstra 算法為3 個請求分配最短路徑,結(jié)果如圖7 所示,即3 個請求的最短路徑有公共路徑為LSR5→LSR6,請求1 和請求3 有公共路徑LSR6→LSR7。所以在LSR5 對3 組請求的光碼進行捆綁,組成一個CGRE 虛擬管道,當3 個請求的光碼到達LSR6 時,請求2 已經(jīng)到達目的節(jié)點,故請求2的光碼下路,請求1 和請求3 的光碼則在LSR6 繼續(xù)捆綁為CGRE 虛擬管道,直至到達目的節(jié)點。捆綁的過程如圖8 所示。

圖7 Dijkstra 算法分配路徑結(jié)果

圖8 CGRE 光碼捆綁過程

捆綁的CGRE 虛擬管道根據(jù)控制模塊分配的路徑,篩選有空閑資源的波長進行承載,并且優(yōu)先選擇連續(xù)的波長,最后將固定數(shù)目的波長捆綁為波帶,圖9為分配過程。其中圖9(a)為所分配路徑的某一條光纖通道,假設(shè)光纖通道上波長總數(shù)為6,波長1、2、3、4、6 有空閑資源,但是只有波長1～3、5 和6連續(xù),優(yōu)先選擇空閑資源足夠多的連續(xù)波長進行CGRE 虛擬管道負載,所以選擇波長1～3 依次對光碼進行負載,占滿一條波長之后再占用相鄰的波長,光碼在波長上負載完成后如圖9(b)所示。根據(jù)已經(jīng)設(shè)定的固定捆綁波長數(shù),若此時設(shè)定為3,則可將波長1～3、4～6 分別捆綁為波帶進行傳輸。

圖9 光碼通過碼群路由后的波長選擇及波帶捆綁

在節(jié)點LSR5 的操作完成后傳輸至LSR6,請求1 到達目的節(jié)點,請求1 下路,此時請求2 和請求3仍有公共路徑LSR6→LSR7,重復以上步驟,直至到達目的節(jié)點。

2 基于SDN 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的數(shù)據(jù)層面和控制層面在物理層面緊密耦合,在同一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,控制協(xié)議生成轉(zhuǎn)發(fā)表指導設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)行為。隨著數(shù)據(jù)流量的急速增長,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不堪重負。將數(shù)據(jù)層面和控制層面分離,把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制功能集中到SDN 控制層中,從而使網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備可以專注于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。比如為了緩解節(jié)點計算壓力,IETF 建立了路徑計算單元(PCE)網(wǎng)絡(luò)實體[9],將網(wǎng)絡(luò)中的路徑計算任務(wù)全部交由PCE 集中處理,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)控分離。

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比,SDN 具有3 個特性,即轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離、設(shè)備和資源的虛擬化、硬件和軟件的可編程。這使得SDN 具有以下優(yōu)點:第一,硬件設(shè)備只關(guān)注轉(zhuǎn)發(fā)和存儲能力,可以使用成本較低的商用架構(gòu)實現(xiàn);第二,用軟件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的智能性,由軟件配置完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的種類及功能,網(wǎng)絡(luò)靈活度大幅提升;第三,業(yè)務(wù)響應(yīng)速度提升,相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以更加靈活地設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)并進行實時配置,同時SDN 應(yīng)用層可使用戶業(yè)務(wù)的開展更加靈活,大大縮短業(yè)務(wù)開通的時間[10]。

SDN 的典型架構(gòu)共分3 層,如圖10 所示。上層為應(yīng)用層,含有多種不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用,用戶可根據(jù)需求靈活定制。中間為控制層,通過北向接口(north-bound interface,NBI)與應(yīng)用層相連,NBI 擁有可靈活編程的應(yīng)用程序接口(application programming interface,API)向應(yīng)用層提供對網(wǎng)絡(luò)資源的控制,NBI 協(xié)議通常包括RESTful、Netconf、CLI 等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理接口協(xié)議,通過南向接口(south-bound interface,SBI)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層相連。SBI 控制協(xié)議包括OpenFlow、Netconf、PCEP、邊 界 網(wǎng) 關(guān) 協(xié) 議(border gateway protocol,BGP)等,控制器將這些接口協(xié)議作為轉(zhuǎn)控分離協(xié)議。控制層的東西向接口用于SDN和其他網(wǎng)絡(luò)的互通,尤其是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行互通。同時,控制層負責處理數(shù)據(jù)平面資源的編排,維護網(wǎng)絡(luò)拓撲、狀態(tài)信息等,具有彈性部署、安全可靠、動態(tài)可配置以及虛擬化的特點[11]。底層為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層,負責基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。

圖10 SDN 三層結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的倍增使網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？焖僭黾?對PCE服務(wù)器的要求也與日俱增?；诖a群路由結(jié)構(gòu)的四層多粒度光交換連接體系在資源路徑分配方面需要強大的計算支持,隨著現(xiàn)代云計算能力的增加和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization,NFV)技術(shù)逐步成熟[12],將負責路徑計算的PCE服務(wù)器功能虛擬化為SDN 控制器的一個軟件模塊,取消備用PCE 結(jié)構(gòu)以降低冗余項,提升網(wǎng)絡(luò)控制的靈活度、減少維護成本、降低硬件規(guī)模。

如圖11 的光網(wǎng)絡(luò)所示,基于GMPLS 的四層多粒度光交叉連接結(jié)構(gòu)體系作為SDN 體系中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層的一部分,SDN 控制平面提供系統(tǒng)的集中管理。其中SDN 控制平面由OpenDayLight 提供,狀態(tài)PCE 為控制平面的一個軟件模塊,并且通過PCEP協(xié)議與光交換網(wǎng)絡(luò)的GMPLS 進行通信,為光網(wǎng)絡(luò)中的請求分配最短路徑。GMPLS 控制業(yè)務(wù)在光網(wǎng)絡(luò)中各個粒度的轉(zhuǎn)發(fā),直至請求完成。

圖11 光網(wǎng)絡(luò)示意圖

3 系統(tǒng)性能分析

本節(jié)基于Python3.8 環(huán)境,對波長利用率、端口數(shù)、丟包率進行了數(shù)學建模仿真,仿真過程及結(jié)果見下文。

3.1 波長利用率

基于波分復用的波帶交換技術(shù)在波長端口數(shù)量方面有效改善了OXC 的性能,但其在波長利用率方面卻有待提升。為了進一步提升OXC 的性能,應(yīng)用碼分復用技術(shù),增加光碼粒度層級,提升波長利用率。

在WBS 和OCDM 兩種條件下,假設(shè)每條波長可承載15 個單位的數(shù)據(jù)量,每條波長可以解復用為5 個光碼,每個光碼可承載3 個單位的數(shù)據(jù)量,令數(shù)據(jù)量為15、25、35、45、55 的業(yè)務(wù)分別持續(xù)請求100次,兩種條件下的波長利用率如圖12 所示,OCDM的波長利用率明顯優(yōu)于WBS,所以引入基于OCDM的光碼粒度對光交換網(wǎng)絡(luò)是有利的。

圖12 波長利用率

3.2 端口數(shù)分析

3.2.1 四層和三層MG-OXC 端口數(shù)比較

現(xiàn)將基于OCDM 的三層MG-OXC(光纖粒度、波長粒度、光碼粒度)提升至四層,增加了波帶粒度,在結(jié)構(gòu)上必然會比三層復雜。但面對日益加劇的業(yè)務(wù)流量,增加波帶粒度可以在一定程度上緩解端口數(shù)增加的壓力。以下將四層和三層MG-OXC進行對比分析。

假設(shè)輸入有x條光纖,每條光纖含有的波帶數(shù)為B,每條波帶含有的波長數(shù)為W,每條波長含有的光碼數(shù)為C。

光纖交換模塊:輸入x條光纖,假設(shè)其中有αx(α∈[0,1]) 條光纖信號被解復用為波帶信號,即需要αx個端口處理這些信號,剩余x′條光纖信號直接進行上下路操作,所以需要2(x +αx +x′) 個端口。

波帶交換模塊:信號通過光纖交換模塊后,傳輸?shù)讲◣Ы粨Q模塊的波帶信號有y=αx·B條,假設(shè)其中有βy(β∈[0,1]) 條波帶信號需要進行解復用操作,則需要βy個端口將這些信號處理為波長,剩余y′條波帶信號直接進行上下路操作,所以需要2(y+βy+y′) 個端口。

波長交換模塊:信號通過波帶交換模塊后,傳輸?shù)讲ㄩL交換模塊的波帶信號有z=βy·W條,假設(shè)其中有γz(γ∈[0,1]) 條波長信號需要進行解復用操作,則需要γz個端口將這些信號處理為光碼,剩余z′條波長信號直接進行上下路操作,所以需要2(z+γz+z′) 個端口。

光碼分復用模塊:信號通過波長交換模塊后,傳輸?shù)焦獯a分復用模塊的光碼信號有o=γz·C個,則需要o個端口處理信號,假設(shè)o′個光碼信號要進行上下路操作,所以需要2(o+o′) 個端口。

經(jīng)以上分析,含有光纖粒度、波帶粒度、波長粒度、光碼粒度的四層MG-OXC 的端口數(shù)為N1=2(x+αx+x′)+2(y+βy+y′)+2(z+γz+z′)+2(o+o′)。由于三層MG-OXC 不含波帶粒度,光纖粒度信號直接解復用為波長信號,令z=BW·αx,則其端口數(shù)為N2=2(x +αx +x′)+2(z +γz +z′)+2(o+o′)。

假設(shè)x=1,B=20,W=5,C=10 沒有任何信號進行上下路,α=β=γ=φ=1,x′=y′=z′=o′=0。則四層MG-OXC 結(jié)構(gòu)端口數(shù)為2484,三層MG-OXC 結(jié)構(gòu)端口數(shù)為2404。由于四層MG-OXC結(jié)構(gòu)多一層粒度,所以在完全沒有信號上下路的情況下端口數(shù)必然大于三層MG-OXC 結(jié)構(gòu)。

但是在實際情況當中,數(shù)據(jù)信息是龐大且復雜的,大量的數(shù)據(jù)信號需要在節(jié)點上進行多個粒度的靈活上下路,上一粒度層級信號的上下路會對下一粒度層級的端口需求數(shù)產(chǎn)生影響。在本節(jié)中兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于波帶交換模塊,四層MG-OXC 結(jié)構(gòu)中波帶會影響后面的波長、光碼粒度,所以不能認為兩種結(jié)構(gòu)的上層級粒度信號上下路對下層級粒度影響相同,即不能用兩種OXC 結(jié)構(gòu)完全沒有信號上下路的情況下判斷端口優(yōu)劣。

所以本文分析了輸入光纖數(shù)在10、15、20、25、30 情況下,B=20,W=5,C=10,α、β、γ、φ為0～1間隨機浮點值,然后分別計算20 萬次和40 萬次,令Q為N1＜N2的次數(shù)與計算總數(shù)的百分比,觀察Q的值,結(jié)果如圖13 所示。Q的值在68%～69%之間,即N1＜N2的次數(shù)在概率上高于N1＞N2的次數(shù),也就是四層MG-OXC 結(jié)構(gòu)在一些動態(tài)使用情況下需要的端口數(shù)要比三層MG-OXC 結(jié)構(gòu)更少,這說明增加波帶粒度可以在一定程度上優(yōu)化三層MGOXC 結(jié)構(gòu)。

圖13 端口數(shù)比值

3.2.2 基于CGRE 的四層MG-OXC 端口數(shù)分析

僅應(yīng)用OCDM 所需光碼的端口數(shù)是非常多的,在上一節(jié)的假設(shè)中,一條光纖將有1000 個光碼需要處理。應(yīng)用CGRE 后,多個任務(wù)的光碼可以進行捆綁處理,從而降低端口數(shù),接下來對此結(jié)論進行分析驗證。

沿用上一節(jié)中每條光纖中波帶、波長和光碼的假設(shè)。由于CGRE 的虛擬管道大小可以靈活變動,即在一條CGRE 虛擬管道中捆綁的光碼數(shù)量是不固定的,所以假設(shè)每次捆綁的光碼數(shù)為n,輸入光纖數(shù)為x。由于OCDM 和CGRE 僅在光碼交換模塊具有區(qū)別,可以假設(shè)兩種結(jié)構(gòu)中上層級粒度信號的上下路對下層級粒度影響相同。為計算方便,假設(shè)節(jié)點的各個粒度層面沒有信號上下路。

在此設(shè)定下,基于OCDM 的四層MG-OXC 結(jié)構(gòu)將需要2(2x +2y +2z +o) 個端口;而基于CGRE 的四層OXC 結(jié)構(gòu)的端口數(shù)由于光碼的捆綁,端口數(shù)為2(2x+wy +2z +)。n ＞1 時,經(jīng)過CGRE 光碼捆綁后需要的端口數(shù)必然小于未捆綁的,即小于OCDM 的端口數(shù)。令x為10,n為0、2、4、6、8、10,端口數(shù)需求結(jié)果如圖14 所示。CGRE 的端口數(shù)比OCDM 的端口數(shù)少,并且隨著CGRE 捆綁光碼數(shù)的增加,網(wǎng)絡(luò)消耗端口數(shù)目會大幅下降,表明相對于基于OCDM 的四層MG-OXC 結(jié)構(gòu),CGRE 結(jié)構(gòu)性能有明顯的優(yōu)化。但基于CGRE 的OXC 結(jié)構(gòu)具體捆綁的光碼數(shù)量需根據(jù)實際情況而確定。在某一條波長中捆綁的光碼數(shù)過多時,多址干擾也會增大,多址干擾的增加會影響網(wǎng)絡(luò)丟包率的上升,不能為了端口數(shù)的降低而舍棄對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求,要合理規(guī)劃光碼捆綁數(shù)量。

圖14 基于CGRE 的端口數(shù)分析

3.3 丟包率分析

在基于WBS 和OCDM 的四層MG-OXC 的體系中,光碼誤碼對整個體系業(yè)務(wù)傳輸?shù)挠绊懯鞘志薮蟮?。傳輸過程中單重合碼錯誤會導致整個碼序列出錯,從而發(fā)生丟包。但是將光碼進行合理捆綁可以緩解這種情況,接下來將OCDM 和CGRE 的丟包率進行對比分析。

光碼捆綁的數(shù)目越多,多址干擾也隨之增加[13]。假設(shè)標簽中單重合碼錯誤會致使整個碼序列出錯,在光碼捆綁數(shù)達到最大值時,分析光碼捆綁條件下對丟包率的影響。

假設(shè)在一個波長上光碼路徑數(shù)(可進行光碼捆綁)為k,資源利用率為ρ,則n條路徑可以捆綁的概率為B,B服從二項分布:

假設(shè)現(xiàn)有N個請求的下一跳路徑相同,在光碼捆綁數(shù)最大化的條件下基于CGRE 的四層MG-OXC結(jié)構(gòu)的丟包率PLP為

其中BER為單重合碼的誤碼率,標簽長度用L表示。

假設(shè)N個請求在基于OCDM 的四層MG-OXC結(jié)構(gòu)中得到了均衡分配,則丟包率PLP為

下面分析光碼捆綁數(shù)極大時的丟包率情況,現(xiàn)假設(shè)參數(shù)為ρ=0.7,k=10,BER=0.15,標簽長度L=8。當光碼捆綁數(shù)n為3、4、5、6 時,丟包率與同時發(fā)送的請求數(shù)N的關(guān)系如圖15 所示。

圖15 丟包率

捆綁的數(shù)目n=5 時丟包率接近OCDM,n ＞5時丟包率會超過OCDM,n ＜5 時丟包率比OCDM要小,由此發(fā)現(xiàn)光碼捆綁數(shù)目越多丟包率越高。雖然OCDM 和CGRE 的丟包率都隨著發(fā)送請求的用戶請求數(shù)N的增加而增加,但將光碼進行合理的捆綁,CGRE 的丟包率會小于OCDM 的丟包率,并且由上一節(jié)可知基于CGRE 的端口數(shù)目也會顯著下降,表明CGRE 可以很好地提升網(wǎng)絡(luò)性能。

4 結(jié)論

本文在基于波帶交換的基礎(chǔ)上增加光碼粒度,構(gòu)成包含光纖、波帶、波長、光碼的四粒度光交叉連接結(jié)構(gòu)。介紹了波帶交換技術(shù)的原理及策略,發(fā)現(xiàn)使用波帶交換對于網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)的降低具有顯著效果。為進一步提升四層MG-OXC 結(jié)構(gòu)性能,引入CGRE 結(jié)構(gòu)體,應(yīng)用SDN 在控制平面對系統(tǒng)集中管理,構(gòu)成基于CGRE 的四層MG-OXC 混合捆綁體系,在此基礎(chǔ)上提出了混合捆綁算法。

為確定系統(tǒng)性能,本文在波長利用率、端口需求數(shù)、丟包率3 方面進行仿真模擬。在基于WBS 和OCDM 的波長利用率對比中可以看出OCDM 具有更高的波長利用率。在基于OCDM 的三層MGOXC 基礎(chǔ)上增加WBS 構(gòu)建四層MG-OXC 結(jié)構(gòu),通過對比端口數(shù)目消耗,發(fā)現(xiàn)增加WBS 可以在一定程度上緩解OCDM 端口數(shù)消耗過多的不足;而在均含有WBS 的四層MG-OXC 的端口數(shù)對比中,CGRE 明顯比OCDM 所需要的端口數(shù)少,說明CGRE 可以進一步優(yōu)化四層MG-OXC 的結(jié)構(gòu)性能。但通過CGRE和OCDM 的丟包率對比,發(fā)現(xiàn)合理的光碼捆綁可以降低丟包率,而過多的光碼捆綁數(shù)卻導致丟包率上升。由此可知,基于WBS 和CGRE 的混合捆綁可以提高波長利用率、平衡端口數(shù)壓力,并且合理的光碼捆綁可以降低網(wǎng)絡(luò)丟包率,證實混合捆綁算法對網(wǎng)絡(luò)性能的提升有促進作用。

但是在實際操作中光碼捆綁數(shù)目的合理閾值還無法確定,有待后續(xù)研究。