光碼標簽交換網絡邊緣節點FEC的研究

王玉寶，紙少瑜

（燕山大學 信息科學工程學院，河北 秦皇島066004）

1 引言

隨著互聯網時代的到來，數據交換在網絡中呈現爆炸式增長。傳統的電交換網絡已不能滿足日益增長的數據傳輸需求[1]。光標簽交換技術成為這種“帶寬危機”的有效解決途徑[2]。光分組交換（OPS）網具有光網絡特有的高速率特性，同時對數據格式和速率透明，能夠承載多種數據格式，成為未來光網絡的發展趨勢[3]。兩者結合將極大提升光分組交換網的性能。但OPS也有它的不足：數據在核心節點不能進行并行處理，影響了網絡的吞吐量[4]。OCDM技術在分組標簽交換中的引入，充分利用了波長的帶寬資源，避免了網絡中標簽不足的問題，簡化了核心節點結構[5,6]。引入光碼標簽后，標簽在核心節點可以進行并行處理，凈荷透明地通過，實現了快速光交換[3,7]。對于分組結構的凈荷部分，當多個凈荷在同一波長上傳輸時，在核心節點只能進行串行處理，這樣處理效率較低，采用OCDM 編碼后，凈荷在核心節點就能夠進行并行處理，提高了網絡吞吐量。實踐證明，載荷的長度對網絡的性能有重要的影響。載荷較長，開銷較小時，網絡傳輸效率高，但不夠靈活；反之，當載荷較短時，網絡的傳輸帶寬利用率較低，但靈活性較大。

邊緣節點基于分組組裝的算法主要有2種：固定時隙算法和固定長度算法。前者是在特定的時隙內對到來的數據分組進行組裝[8]。后者為隊列設定固定的分組長度，對到來的數據分組總長度達到設定限度就形成分組。較于后者，前者到達的數據在時間上都是隨機的，所以在封裝時隙內的數據量是變化的，形成的凈荷長度是可變的，而且能夠在有效限制分組組裝延時的情況下提供較高的傳輸效率，所以應用更為廣泛。分組長度是影響分組丟失率的關鍵因素。在組裝隊列中，封裝時隙和到達率小，則到來的數據分組數量就可能少，生成的短分組的可能性就大。反之，封裝時隙和到達率較大，生成長分組的可能性就大。所以，組裝時隙和到達率是影響分組丟失率的關鍵因素。

本文基于光碼標簽分組交換網絡，提出了轉發等價類的設計方案，采用固定時隙算法進行分組組裝。標簽長度、保護間隔、同步時間對網絡性能有直接的影響。對這些參數取不同值時開銷率的變化情況進行了仿真；針對不同封裝時延和到達率情況下，對分組丟失率的變化進行了仿真分析。

2 標簽交換邊緣節點結構與轉發等價類的設計

標簽分組交換網絡中的邊緣節點主要完成對來自接入網的各種數據進行分類和業務匯聚[9]，數據分組根據目的地址和業務類型映射為不同的轉發等價類（FEC），再為這些 FEC加上具有本地意義的標簽后發送出去。

2.1 標簽邊緣節點的基本結構及功能

標簽邊緣節點結構如圖1所示，虛線表示控制信號，實線代表數據流向。它由輸入接口、匯聚模塊、匯聚控制單元、組裝模塊、數據發送單元、調度中心、標簽產生器以及 OCDM 編碼器構成。其中，匯聚模塊、組裝模塊和標簽產生模塊、調度模塊是核心。

在網絡中傳輸的數據有很大的自相似性，所以當數據到達輸入接口時，需要對到來的各種類型的數據進行緩存，解決接口兩邊可能存在的業務速率不匹配問題。同時還要對這些數據進行解復用。處理后的數據，采用輪詢的方式被讀出發往匯聚模塊，對數據分組進行下一步的分類操作。其實現過程如下：數據分組到達分組識別器后，經過提取信頭中的源、目的地址、業務類型等相關信息，產生一個識別使能信號recog_en發送給匯聚控制單元，匯聚控制單元據此產生一個分類使能信號 class_en對分類器進行驅動，當數據分組到達時，根據該信號對數據分組進行歸類。交換器接受來自分類器的數據分組，調度中心事先根據數據分組頭的控制信息，生成交換使能信號sw1_en對交換器進行配置，當數據分組到來時，每種類型的數據（FEC）經過配置好的通道，送到組裝模塊中相應的緩存隊列進行數據封裝。組裝完成的分組經過E/O轉換后進行OCDM編碼，調度中心根據FEC 的業務類型和目的地址為其分配相應的碼字，編碼后的載荷被送到數據發送單元。調度中心事先已經根據該FEC的路由信息為其配置好交換矩陣，并預留相應的波長信道和傳輸時隙。所以載荷可以透明地通過交換中心進入輸出緩存，與標簽結合發往核心節點。

2.2 轉發等價類的設計

組裝模塊主要完成對進入組裝隊列數據分組的封裝。經過分類后的數據分組到達后，根據分類信息被送往相應的子隊列，形成分組的凈荷部分。假設網絡邊緣節點有K+1個，則FEC的數目有K個，對應的緩存隊列也為K。設每種類型的數據分組可能有M種業務等級，則對應的每個隊列中子緩存數也為M，整個組裝隊列共有KM個子緩存隊列。數據分組進出子緩存隊列遵從FIFO原則。同種FEC數據分組中優先級高的被送往不同的緩存子隊列進行組裝，每個子隊列按照QoS業務等級被指配不同的優先級，在隊列中按照從高到低的順序進行排列，調度中心通過為每個子隊列分配不同的指針進行QoS區別，優先級高的指針數值小，反之則大。當數據到達隊列，調度中心根據數據分組頭的QoS分析結果產生排隊使能信號，將數據分組發送到相應等級的緩存子隊列。為了適合變長數據傳輸，這里采用時隙固定組裝算法對數據分組進行封裝，能夠根據網絡流量自動調節分組大小。當第一個數據分組進入隊列時，計時器開始計時，直到最后一個數據到達計時結束，完成一個分組凈荷的組裝。再加上控制信息發送到輸出隊列等待與標簽結合發往下一節點。在同一組裝隊列中，當有多個分組同時生成時，調度中心根據每個子緩存隊列的指針值從小到大依次輸出，這樣就能實現網絡的QoS要求。

圖1 標簽交換邊緣節點結構

在分組標簽交換網引入 OCDM 技術，可以解決邊緣節點標簽不足引起的阻塞問題[10]，簡化了數據在核心節點的處理復雜度。在邊緣節點，根據分組的路由信息和控制信息生成標簽信息，其中，包含該凈荷的源、目的地址、服務等級以及凈荷的生存時間等信息。邊緣節點為每條輸出鏈路分配一個碼字，當載荷到達某條鏈路時，調度中心用該鏈路對應的碼字對標簽信息進行編碼，標簽編碼后與在此等待的凈荷耦合從該鏈路輸出。核心節點設有一組并行的光無源相關器（數量與單個波長中復用的碼字數相等），對標簽進行識別。光分路器將標簽信號分為幾路相同的光信號送入各個相關器進行相關運算，結果將作為控制中心的決策信號。碼字匹配時，輸出幅值較大的自相關值，該信號通過驅動光開關的On/Off進入控制中心；相關器輸出不匹配的互相關值，由于能量較小，無法驅動光門，因而被限制。提取的自相關脈沖經過O/E轉化后，送入電路處理單元進行展寬和放大后，再進行整形和時鐘恢復，最后轉化為TTL電平輸入到控制中心，控制中心據此對交換矩陣進行設置，將載荷交換到相應的鏈路，同時用該信號與轉發信息表（FIB）中的信息進行相關運算，生成新的光碼標簽[10,11]。凈荷與新標簽結合成新的分組，發向下一節點。

在標簽識別（即解碼）過程中，光碼標簽在進入解碼器前先要經過光分路器進行分路，這樣會產生較大的功率損耗。以碼長為 9，碼重為 3，自相關和互相關為 1 的光正交碼作為標簽的地址碼為例，當核心節點標簽庫有C個標簽時，則對應的相關器（解碼器）也有C個，標簽從分組分離后經光分路器被分為C份，送入相關器進行標簽識別。當C取值區間為（2，16）時，分光損耗從 6dBW遞增到 15.01dBW[12]，而且隨著輸入標簽數（光分路器數）的增加，分光損耗將隨之繼續增大。由此可知，當為了增加網絡吞吐量而增加標簽數量時，光分路器的性能也是個重要考慮因素，當標簽數量過多，分光損耗增大會造成誤碼率的增加。

在節點交換的輸出端口，當多個相同波長上的分組同時需要從同一端口輸出時，就會出現競爭。目前解決競爭2個主要方法是光緩存和波長轉換器（TWC）。使用 TWC時，分組丟失率不會隨著使用數量的增加而繼續減小，當TWC增加到一定數量時，分組丟失率趨于某個定值。所以單純使用TWC并不能完全起到對網絡性能改善的作用。目前光域緩存采用光線延遲線（FDL）來實現，但FDL有很大的硬件開銷，比如延遲0.5μs就需要1km的FDL，而且會使節點變得復雜龐大。所以，這里采用TWC和FDL結合的方式來解決節點輸出端口的競爭問題。為了能夠節省TWC使用數量又能減小分組丟失率，TWC的配置采用節點共享（SPN）的結構。對于FDL的配置，采用可以節約FDL長度和減小系統體積的反饋共享非簡并延遲線（NDF）結構。當輸出端口發生競爭時，處理過程如下。首先，控制中心從競爭的分組中找出優先級高的分組，直接從該波長信道輸出，保持原有波長的一致性。對于剩下的競爭分組，這里使用 TWC，通過調用最小度優先調度（MDF）算法[13]對競爭的分組進行波長分配。MDF算法通過對輸入分組和輸出波長信道建立交換偶圖，從轉換度最小的波長信道開始分配，盡量選擇原波長的分組進行輸出，保持原波長的一致性，減小TWC的使用數量，實現了轉換偶圖的最大匹配。隨后，控制中心根據匹配的結果將需要進行波長轉換的分組送入共享波長轉換器轉化后輸出。對于匹配過程中沒有分到輸出波長的分組，調度中心根據這些分組的優先級，將其送入不同長度的FDL進行延時，這些分組將被送往輸入端和新到達的分組一起進入交換矩陣。這種循環結構雖然會對網絡的延時產生一定影響，但通過將競爭的分組重新送到輸入端進行交換，提高了這些分組保持原有波長一致性輸出的幾率，即減少了TWC使用的概率。當經過TWC轉換后的分組數量大于FDL的深度時，這些分組將被丟棄，產生分組丟失。

本文根據以上分析提出 FEC分組結構設計方案，如圖2所示，幀頭和幀尾作為邊界標識信息，是為了便于在出口節點解幀時對凈荷進行檢測。在邊緣出口節點，當探測器檢測到幀頭時，便開始對分組中的數據分組解封裝，當檢測到幀尾信息時便認為拆封過程結束，通知系統重新進入幀頭的檢測狀態。保護間隔作為預留偏置時間，用于系統對幀頭信息進行處理。分隔符用于幀的解封裝，對數據分組的開始和結束進行識別。為了能夠保證分隔符不會與分組凈荷重疊，這里采用將 10111111經過8byte/10byte進行冗余編碼后的10bit字符作為數據分組之間的分隔符。時間同步信號用于在信號傳輸惡化時，核心節點再生器對分組進行時鐘提取，實現比特的再同步，消除時鐘漂移。標簽和數據幀之間的保護時間根據網絡的資源和路徑信息確定，合適的保護時間間隔對網絡的傳輸性能有著非常重要的影響。這里假設核心節點對標簽的處理時間為Tb，每個交換矩陣的配置時間為Tp，則保護時間間隔可設置為Ts=Tb+Tp。偏置時間過長，可能會造成載荷在光緩存中等待時間過長，引起分組丟失的情況，網絡的利用率會下降；偏置時間過短，不利于載荷與標簽分離，這樣對光緩存的設計精度要求也會增加。

3 性能分析

3.1 開銷比率

考慮到現有光器件處理的限制，目前采用光電混合的方式對光碼標簽進行處理，即對光碼標簽進行光解碼后，經O/E轉換后在控制中心再進行下一步的電處理。所以，這里標簽和載荷分別采用不同的傳輸速率。光碼標簽由于信息量較小，因此可以用較小的速率傳輸；而載荷在核心節點無需做任何處理，全光透明地通過，用較大的速率傳輸，可以實現載荷部分的信息量的動態變化。本文仿真使用的標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度為 5 000byte，最小長度為200byte，標簽的長度固定。這里采用時間單位來計算開銷比率。

其中，tassemb表示數據在邊緣節點的排隊組裝，交換和發送的時延，tpacket代表光分組的時延，由載荷時延、標簽時延、保護間隔和同步時間組成。在這里，tpayload包括幀頭、幀尾、數據間隔和凈荷部分總的時延。

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

由式（4）可以看到，分母的tpayload值與到達邊緣節點的突發性有關，當tpayload在某一很小的觀察時間內看為定值時，開銷比率取決于分子上的數值大小。tqueue+tswith+tsend主要由節點的物理結構和相關算法（組裝及調度算法）決定，當節點性能優良以及算法合適時，這幾項的值可以取得最小。tlabel+tguardtime+tsyn則取決于在FEC數據結構設計時的人為設定，所以FEC設計時后3項的取值對網絡的性能有直接的影響。本文將根據tlabel，tguardtime+tsyn在取不同值的情況下對開銷比進行討論。仿真時，取tassemb/tpacket為3%。tguardtime+tsyn在FEC結構確定后，一般是定值，這里取0ns，6ns，20ns 3種情況，標簽長度分別為 2byte和 10byte進行 MATLAB仿真。

圖2 FEC分組結構

由圖3可以看出，隨著凈荷值在FEC結構中比例的增大，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。通過圖3的對比可知，在標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算法有關，由此可見，要實現數據傳輸效率的提高，邊緣節點的硬件物理結構和相關算法對網絡性能起著根本的限制作用。

圖3 開銷比在不同標簽長度下的變化規律

從圖3還可以看出，如果以開銷比10%為標準，在標簽長度為2byte的情況下，當凈荷長度1 200byte左右時，進入10%的區間內；標簽為10byte的情況下，凈荷達到2×103byte時才進入10%的區間，說明在標簽比較小的情況下，網絡的傳輸效率的收斂速度越快。可見對于光碼標簽網絡，為了滿足更多的用戶傳輸要求而增加碼字長度時，標簽所占比例增加的情況下，網絡的傳輸性能也會隨之受到影響。

3.2 排隊性能分析

進行隊列組裝的算法主要有固定時隙算法（FTA, fixed time arithmetic）和固定門限算法（FSA,fixed size arithmetic）。與后者相比，FTA能夠有效地限制分組組裝時延，滿足高速率交換要求。在對分組進行組裝時，到達率和組裝時延是影響算法性能的重要參數，也是引起網絡分組丟失率的重要因素。

本文為方便討論，設每個隊列中的QoS優先級只有1個，即緩存子隊列為1個。

由于負指數分布具有無記憶性，而進入組裝隊列的各個數據分組長度不受其進入隊列的先后順序影響，即進入組裝隊列的數據分組都相互獨立，故在這里假設數據分組的長度l服從負指數分布，則其概率密度為，根據NLANR的數據，長度為40byte的數據分組占59.21%，576byte的占20.63%，1 500byte的占20.16%，由此可計算得平均分組長為：E(l)=40×59.21%+576×20.63%+1500×20.16%=445byte。

進入邊緣節點的數據分組流具有長程相似性和短程相似性，兩者都會對系統的排隊性能造成影響。文中對數據流具有短程相似屬性的情況進行排隊性能分析。在組裝時隙tout內，進入組裝隊列的數據分組數量服從到達率為λ的泊松分布，則組裝隊列i在組裝時延tout內的到達數據分組數量為n的概率為：由于文中已經假設進入組裝隊列的各個數據分組都相互獨立，且都服從具有無記憶性的負指數分布，根據概率論可知，當n（n≥0）服從強度為λ的泊松分布時，n個獨立同分的隨機變量之和服從復合泊松分布[14]，即組裝生成的分組長度L服從復合泊松分布。根據復合泊松過程的性質可知，生成的分組平均長度由此可以看出，當E(l)一定時，邊緣節點組裝生成分組的平均長度受到達率和組裝時延影響。當組裝時延和到達率較大時，生成長分組的概率增大，但分組大小分布的波動范圍（方差）也較大。當來自接入網的流量特性發生變化時，E(l)隨之變化，這也會對生成的分組大小產生影響。

由于各個隊列獨立同分布，則各個隊列組裝生成的分組長度L的分布函數可統一表示為

由全概率公式得：

根據概率論知，k個獨立同分布的負指數隨機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。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數，N為輸出端口數，這里分別取W=50，N=10。到達率取1 000packet/s。在組裝時延outt分別取 1μs、5μs、10μs 3種情況進行MATLAB仿真。

從圖4可以看出，在邊緣節點輸出端口一定的情況下，隨著分組長度的增加，邊緣節點發送時延增大的可能性也隨之增加，這樣就會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，在同一封裝時延內，由于數據分組到來的隨機性，組裝的分組長度越大，分組丟失率也越大。縱坐標方向上，在分組長度和到達率一定的情況下，組裝時延越大，生成長分組的概率增加，分組丟失率也越大，這可以等效成在固定組裝長度變長組裝時延（FSVS, fixed-size&variable-slot）組裝機制的情況，生成同樣大小的分組，需要的組裝時延越大，引起網絡的時延也越大，分組丟失率也會隨之增加。

圖4(b)中，在封裝時延一定的情況下，到達率越大，在組裝時延內到來的數據分組越多，生成的長分組的可能性隨之也增大，分組丟失率會增加。在縱坐標方向上，當分組長度一定時，達到率大的分組丟失率也大。出現這種情況是因為受邊緣節點組裝隊列的物理緩存大小的限制，組裝隊列只能容納特定長度的分組長度，當到來的數據量增大，生成長分組的概率跟著增大，當該長度在封裝時延內超過緩存大小時，多余的數據分組就會被丟棄，從而造成分組丟失率的增大。由此可知，在考慮網絡數據流量變化的情況下，組裝隊列的緩存大小對網絡的性能也有至關重要的影響。

從圖4中還可以看到，當分組長度增到一定程度時，分組丟失率趨于某個特定的值。這是基于這樣的事實：在組裝隊列的緩存大小、封裝時延以及到達率等參量一定的情況下，生成的分組長度不可能無限制的增加或減小，即分組長度是在一定的范圍內變化的，這樣會引起邊緣節點分組丟失率在一定范圍內變化，最終會趨向某個特定數值。

4 結束語

本文給出了轉發等價類的設計方案，分組結構能夠適應變長數據分組的傳輸，在核心節點能夠對標簽進行并行處理。通過仿真分析了標簽、保護間隔以及同步時間與開銷比的關系。仿真結果表明，FEC分組結構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算法。接著對在不同封裝時延和到達率情況下，分組丟失率的變化規律進行仿真，結果表明在采用定長時隙算法時，在固定組裝延時內，隨著組裝分組長度的增加，分組丟失率隨之增大。同時可推知，組裝的分組長度是在一定范圍內變化的，分組丟失率會趨向于某個定值，所以封裝隊列緩存大小的設計對網絡性能有影響。

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