高速光交换机竞争解决机制研究

0 引言

因特网以及相关业务的迅速增长对通信网的传输带宽和交换容量提出了越来越高的要求，然而，通信网络交换节点由于光-电-光变换所带来的“电子瓶颈”以及电子器件无法克服的电磁干扰（EMI）等问题严重制约着通信网络性能的提高。随着数据业务的爆炸性增长，基于电路交换的电信网必然要升级到以数据为重心、以分组为基础的新型通信网。光分组交换技术是一种将数据和光网络融合的新兴技术，光分组交换以其高速、透明和更细的交换粒度快速分配光信道等特点，被普遍认为是一种能解决电子瓶颈问题、实现IP网络与光传送网络无缝连接的理想解决方案[1]。由于现代网络中数据传输的随机性和突发性，所以光分组交换网络中必然存在竞争。这种竞争会造成网络的丢包率升高或吞吐量的下降，采用何种竞争解决机制成为光分组交换研究的重点[2]。通常，解决竞争的方法有三种：光缓存[3,4]、波长变换和偏射路由。在总结国内外最新研究成果的基础上，将对这三种竞争解决方法进行详细的阐述。

1 光缓存

全光缓存器的发展还不够成熟，目前还无法完全实现和电域缓存器一样的功能，按照缓存原理主要有两种实现方式：利用慢光效应实现光缓存和利用光纤延迟线（FDL）来实现光缓存器。慢光效应的实现方案成本昂贵，工艺复杂，实现真正意义上的数据缓存还需要经过很长一段时间的研究。在光分组交换中，由于没有可用的光随机存储器（RAM），光缓存一般由FDL构成。它易于实现，适用于数据延迟，电功耗小，特别是在波分复用（WDM）系统中，当色散可以忽略时，不同波长的许多分组可以用相同的光硬件同时缓存，从而使缓存器容量成倍增长。光纤延迟线的延时长度等于光分组时隙的整数倍。电RAM和FDL的主要区别是电RAM可以随机接入存储，而FDL只能提供顺序接入存储。和电的RAM相比，FDL的优点是操作简单，根据延时的需要，让光信号在特定长度的FDL中传播，缺点是不便于集成，特别是在大量的数据需要缓存时，大量使用FDL使交换结构变得巨大，增加了系统硬件的复杂性，降低了系统可靠性和集成度；光信号必须在其传输完才能输出，而且输出信号存在衰减和失真。

在光分组交换网络中，根据FDL所处位置的不同，通常可分为以下三种结构：输出缓存、循环共享缓存和输入缓存。

①输出缓存。输出缓存是在实际中得到广泛应用的缓存技术，它有效地提高了光分组的吞吐量，其结构如图1所示[2]，光缓存配置于输出端口。这种结构能很好地解决光分组的冲突，但不同端口上的光分组不能共享FDL，导致光纤数目巨大，增加了核心节点造价。一旦光分组进入一个FDL后，在光分组到达目的端口之前，光分组不可能改变它的延迟时间。因此，输出缓存在控制光分组缓存时间方面灵活性较差。

图1 输出缓存结构

图2 循环共享缓存结构

②循环共享缓存。循环共享缓存结构如图2所示，循环共享缓存与输入/输出缓存不同，循环资源配置于公共区域，交换机的多个输入/输出端口可通过交换模块接入到该区域缓存冲突的数据，网络容量不决定于单个缓存器中的分组数目，而是取决于进入所有缓存器的分组总数，有利于减小FDL的体积和提高FDL利用率。这种结构可以让优先级高的光分组先从输出端口输出，而让优先级较低的光分组继续在光缓存中循环，因此，循环共享缓存能够较容易地实现优先级交换。由于有的分组需经过FDL多次，这些分组比其他的分组遭受更多的能量损失，必要时需要使用光放大器，增加了系统的成本，而且多次经过FDL的分组不可避免地会引入额外的信噪比性能的恶化。

③输入缓存。如图3所示，这一结构最大的缺点是存在包头阻塞问题，第二队列中的第1分组与端口1已建立好连接，与第三队列中的第1分组发生冲突，以致第三队列第2分组无法正常到达第三输出端口，尽管第三端口处于空闲状态，但因输入缓存性能较低，所以分组吞吐量不高。在输入缓存中，如果对于不同输入端口的负载是不均衡的，那么由于高负载输入端口的缘故，低负载的输入端口经常遭受高时延和低吞吐量，当网络的负载量很低时（约50%）[5]，输入缓存在光路由器中是可配置的。在实际中光输入缓存的应用并不多见。

图3 输入缓存结构

FDL在一定程度上虽然能够减少丢包率，提高网络系统性能，但是采用这种方法增加了大量的硬件和复杂的电子控制，每延时1μs时间，就需要约200m的光纤，而且输出信号还容易产生衰减和失真，增加冲突分组的额外端到端时延；同时还存在功率损耗，需要另外使用光放大器，会引入噪声等负面影响，并且目前所能提供的缓存容量有限。

2 波长变换

波长变换在波长域里解决竞争，基本原理是：在某一时刻，当输出端口某波长发生竞争时，如果该端口存在空闲波长，则可以把发生竞争的一个分组以原来波长输出，其余的某些分组通过波长变换以空闲波长进行输出，从而减少分组丢失率，提高节点吞吐量。全光的波长变换可以使用交叉增益调制（XGM）、交叉相位调制（XPM）、四波混频（FWM）、不同频率再生（DFG）等方法实现。研究表明：波长变换可减少光缓存的数量或减少分组丢失率，抑制噪声和对信号再整形。如图4所示，根据波长变换器的变换能力，可以把波长变换器分为三类[6]：固定波长变换器、有限范围可调波长变换器（LRWC）和全范围可调波长变换器（FRWC）。固定波长变换器只能把每个波长信道的波长变换成与其相邻的下一个波长信道，如果输入波长为波长集的最后一个波长，则其对应的变换波长为波长集的第一个波长；LRWC的功能是把某输入波长变换为波长集中的部分波长，虽然在核心节点中使用LRWC比使用FRWC成本低，但在输出端口需要一个复杂的调度算法寻找输入波长和波长变换器之间的最佳匹配；FRWC功能是可以把输入波长变换为波长集中的任意一个波长，但由于技术条件的限制，理想的FRWC是由一系列LRWC级联而成的，所以成本太高并且难于实现。

图4 波长变换器分类

波长变换还可以提高FDL的缓存能力，无波长变换器和有波长变换器时的缓存填充过程如图5所示，TOWC为可调谐波长变换器。两个分组P1和P2，具有相同的波长λ1，同时去往同一输出端口，没有波长变换器时，需要使用两个FDL存储分组；有波长变换器时，因为一个分组可以转换到另一波长λ2上，所以只需要一个FDL存储分组[7]。通过使用TOWC，将负载量分配到波长通道上，可以减少使用甚至不使用光缓存。在文献[6]中，考虑在同步光分组交换中在仅使用TOWC的情况下，假定业务量负载为0.8，当多于11个 WDM通道使用时，即使不使用光缓存，系统丢包率（PLP）也小于10-10，但这需要增加TOWC来实现。如果TOWC和FDL结合使用，则需要的TOWC数量大大减少。通过使用两个FDL，WDM通道的数量从11降到4，这会使TOWC的使用数量降低64%左右。

图5 无波长变换器和有波长变换器时的缓存填充过程

使用波长变换解决竞争问题,能减少受阻分组在网络中的延时并且不会使到达分组存在重新排序的问题，提高了网络吞吐量，但是这种方法会大大增加系统的成本，因为全光波长变换技术还不成熟，在一段时间里波长变换器的成本仍然较高，所以波长转换器在交换结构中的使用方式和波长转换器的数目是系统设计时需要考虑的重要指标。

3 偏射路由

偏射路由就是在竞争发生时，如果有两个或两个以上的分组为了实现最短路由，需要使用同一输出链路，这时仅有一个分组会被传送到指定的链路上，其余的分组将被送到非最短路由的通路上。

偏射路由方案解决竞争的过程如图6所示，A、B两点在同一时刻有两个分组1、2同时去往目的地D，其最短路由分别为ACD、BCD，两分组在C点会发生冲突，为了解决冲突，采取偏射路由方案，使分组1先经过节点E再到达D，从而避免与分组2在C处冲突，因此，偏射路由是从空间域上解决冲突。

在偏射路由方案中，一旦分组进入网络就尽力将它发往目的节点，出现竞争时不是简单的丢弃，在大多数情况下偏射路由比重发代价小。利用偏射路由解决冲突时，由于路由的平均跳数通常高于基于存储转发（Store-and-Forward）的最短路由方式，网络的平均流量必将受到影响。偏射路由方案的优点是充分利用网络拓扑和软件功能来改变光分组的路由，而不会引入其它硬件开销，节约了成本。在链路资源比较充足的情况下，偏射路由具有较好的性能，但它的缺点是降低了网络的利用率，增大了分组的平均时延，数据包的各个分组所经历的跳数不同，分组在出口节点的重新排序以及公平性方面都存在一些潜在的问题。特别是在网络负载比较重或连接度较低的情况下，可使用的空闲链路减少，偏射流量可能占用正常流量的带宽而影响正常流量的传输，其性能可能恶化，此时使用偏射路由时的丢包率可能高于不使用偏射路由时的丢包率，当网络负荷量超过一定的阈值后，吞吐量将完全崩溃。

图6 偏射路由方案示意图

偏射路由以牺牲部分网络时延为代价来改善丢包率，这种方案不应用于对时延敏感的业务中，如实时业务和交互式业务[6]。偏射路由方案在网络拓扑连接度高的情况下效果较好，如洗牌网（Shuffle Net）和曼哈顿街道网（MSN）。如图7所示，在这两种网络拓扑结构中，每一个结点都有两个输入端口和两个输出端口，每一个结点都有能力处理过路光分组和本地的生成或终结光分组。在实际应用中为了避免将某一范围的流量扩大到整个网络，通常设定一个最大跳数值M，如果冲突分组通过的跳数大于M，立即将该冲突分组丢弃，这种方法与IP分组的time-to-live（TTL）路由机制相似。偏射路由方案的有效性很大程度上取决于网络拓扑结构和所提供的业务形式，在实际应用中，需要综合考虑网络拓扑结构以及网络负载流量。

图7 洗牌网和曼哈顿街道网示意图

4 方案整合解决竞争

当上述三者结合使用时，它们各自的缺点可以被最小化。因此，在全光分组交换网中，实际上常常是以上三种方法中的某两种结合使用[9]，以提高冲突解决效率。在文献[10]中，提出了利用光缓存、波长变换和偏射路由三种方法相结合的方案解决竞争问题，其解决顺序如下：当产生竞争时，冲突分组首先在相应的输出端口寻找空闲波长，如果存在空闲波长，利用波长变换器将冲突分组波长转换到该波长；如果不存在空闲波长，则寻找空闲的FDL，通过将分组发送到FDL来解决冲突；如果空闲的FDL也不存在，则利用偏射路由解决冲突；如果三种方法都不能解决竞争，则将该分组丢弃。通过对所有的应用于对节点结构和拓扑研究的方案分析，波长变换与光缓存结合，再加上有选择性的偏射路由，成为最有效的解决方案。

5 结束语

以上是三种基本的用于解决光分组交换中竞争的机制。通过分析可以看出：采用光缓存方法比较简单，但需要大量的硬件和复杂的电子控制，并且大量使用FDL将使光信号遭受到额外的功率损耗；采用波长变换可以减少受阻分组的时延、抖动及损耗，波长变换在光分组交换网络中是一种最有潜力的可选方案之一，但波长转换器的成本太高，随着技术的发展，成本将会有所下降；采用偏射路由不需要引入额外的硬件，但会给网络带来一定的负担。在实际应用中，人们往往将其中两种甚至三种方式结合起来使用，从而提供更好的网络服务。例如，光缓存可以与波长变换同时存在于交换节点中，偏射路由也可以配合调整网络的负载，这些方法都可以更加有效地提升网络的性能，当然也会引入更加复杂的资源调度机制。采用三种方式结合的方案解决冲突时网络的丢包率比单独或两者结合采用的方法要小。