有限波长变换器对光分组交换节点性能影响分析

李杰（上海工程技术大学，上海 200437）



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有限波长变换器对光分组交换节点性能影响分析

李杰
（上海工程技术大学，上海 200437）

摘要：针对一种配置了有限波长变换器和反馈式光纤延时线的光分组交换节点，分析了有限波长变换器对光分组交换节点性能的影响，为提高有限波长变换器的利用率，论文提出一种有效的光分组调度算法。通过仿真实验，详细评价并分析了交换节点的丢包率与平均缓存时延等性能。

关键词：有限波长变换器；光分组交换节点；光缓存；光纤延时线

0　引言

光分组交换 （OPS）［1-6］是一种能够无缝连接IP网络与光传送网的理想技术。在光分组交换技术中，光分组竞争的解决是核心技术之一。通常有三种竞争解决方法：光缓存、波长变换和偏射路由［2］。在这三种方法中，光缓存和波长变换是节点级的竞争解决方法。由于技术条件的限制，目前光缓存通常由光纤延时线（FDL）构成。为了提高光分组交换节点的性能，通常采用的方法是使用光纤延时线和波长变换器相结合的方法来解决节点中光分组的竞争。在文献 ［4］中，Karol提出一种共享存贮光分组交换节点 （SMOP）结构，该结构仅使用反馈式光纤延时线（FDL）来解决光分组竞争。该结构能够使得FDL的资源得到充分的利用，并且可以获得较好的性能，然而，带来的不足是引入了较大的缓存时延。为了减小缓存时延，文献［5］提出了一种使用反馈式光缓存和可调波长变换器来解决分组竞争的交换结构。与SMOP结构相比，该交换结构能够大大降低节点的丢包率和缓存时延。然而，基于当前的技术，可调波长变换器（TWC）仍然是一种昂贵的器件，因此在节点性能与节点成本之间要有所取舍。为了在性能与成本之间取得平衡，本文研究有限波长变换器 （Limited Range Wavelength Converter，LRWC）用于解决光分组竞争的性能，提出了一种使用反馈式光纤延时线和有限波长变换器作为竞争解决方法的光分组交换节点结构SLRWC（SMOP based on Limited Range Wavelength Converters）。

1　问题分析

在光分组交换节点中，当多个光分组同时要从同一输出端口以相同的光波长进行输出时。有限波长变换器可将发生冲突的光分组的承载波长变换成其它光波长进行输出，从而有效解决光分组竞争。由于波长变换范围的限制，有限波长变换器解决光分组冲突的能力将不如全波长可调波长变换器。

有限波长变换器的波长变换范围受限会影响到其解决光分组竞争的性能。如图1所示，当输入端口1和输入端口2分别有承载于波长λ1的光分组P1和P2要交换到输出端口1，此时假设P1交换成功，则P2只能通过波长变换器来解决竞争。若所配置的波长变换器为全波长可调波长变换器，则P2可以变换成波长λ2交换到输出端口1。然而，若所配置的波长变换器为有限波长变换器，且只能由λ1变换成λ3、λ4，此时由于波长λ3和λ4被占用，而输出端口1上的λ2尽管空闲，也无法用于解决竞争，因此P2只能被丢弃。

图1　有限波长变换器竞争解决受限分析

2　交换结构与调度算法

2.1交换结构描述

为分析有限波长变换器解决光分组冲突的性能，本文在SMOP交换结构的基础上，提出一种使用反馈式光纤延时线和有限波长变换器的光分组交换节点结构，即SLRWC结构。如图2所示，该节点有N根输入/输出光纤，每根输入/输出光纤包含M个不同的光波长，每个光波长为一个信道。在每根输入光纤中，到达光分组通过图2所示的波分解复用器（DMUX）进行解复用。本文假定光分组具有固定的长度，并且在同一时隙同步到达输入端口，每一时隙为传输一个光分组所需的时间。本文后续章节假定一个时隙长度均为T。

为了解决光分组竞争，在每个输入波长信道上配置了1个有限波长变换器（LRWC）。此外，该节点结构配置了B根反馈式的FDL。每根FDL通过波分复用器/波分解复用器配置成一个WDM光缓存。在一个时隙内，M个不同的光波长上可缓存M个光分组。FDL光缓存以简并方式排列［6］，即从第一根FDL到第B根FDL，缓存长度分别从T到BT。

2.2调度算法描述

为了有效利用所配置的有限波长变换器和FDL，需要设计合适的光分组调度算法。对SLRWC结构来说，存在着两种需要调度的光分组，即从输入端口进来的新到达光分组N（i，k，λj），和从光缓存出口循环回来的光分组R（m，k，λj），其中，i（i∈｛1，…，N｝）表示输入光纤，m（m∈｛1，…，B｝）表示FDL，k（k∈｛1，…，N｝）表示输出光纤，λj（j∈｛1，…，M｝）表示承担分组的光波长。具体算法如下：

图2　SLRWC节点结构

当一个新分组N（i，k，λj）从输入光纤i到达时，如果输出光纤k中的波长λj空闲，该分组将被直接传送到目的输出光纤 k。然而，如果输出光纤k中的波长λj被占用，光分组将被阻塞。此时，如果在输出光纤k中有可用波长 λc（λc∈Sj（Wc）），通过波长变换，光分组 N（i，k，λj）将在输出光纤k中以波长λc传输。否则，光分组N （i，k，λj）将尝试缓存于FDL缓存中，此时如果FDL中有可用波长 λc（λc∈Sj（Wc）），光分组N（i，k，λj）将缓存于反馈式的FDL缓存池中。在FDL缓存池中，调度器将先搜索 FDL 1，如果FDL 1有可用波长λc，N（i，k，λj）将缓存于FDL 1上的第1个匹配的波长λc。如果FDL 1没有可用的波长，将会搜索下一根FDL，即FDL 2，直到最后一根FDL（即，FDL B）。如果FDL缓存池中没有可用的波长λc（λc∈Sj（Wc）），光分组N（i，k，λj）将被丢弃。在接下来的时隙，缓存于FDL内的光分组N（i，k，λj）将循环回FDL输出端口做再一次的尝试。

对于再循环光分组R（m，k，λj），如果输出光纤k中的波长λj空闲，则该光分组将被传送到目的输出光纤k。否则，光分组R（m，k，λj）将会缓存于同一FDL中的同一波长（即λj）上。

3　实验分析

针对所提出SLRWC交换节点和分组调度算法，本文使用仿真实验对有限波长变换器解决光分组竞争的性能进行评估。在仿真实验中，所评估的性能是有限波长变换器的波长变换宽度Wc、每波长业务负载ρM对SLRWC交换节点的丢包率和平均缓存时延的影响。本文中，平均缓存时延是指一个成功传送分组所需要缓存的平均时隙数。

为简化实验，假设各个波长信道上光分组的到达为独立同分布的贝努利（Bernoulli）过程。也就是说，在任意给定时隙，光分组以ρM的概率从某个特定的波长信道到达，到达的分组交换到各输出端口的概率均为1/N。基于这种贝努利模型，在每个时隙，某一给定输出端口上有R个光分组同时到达的概率可以表示为：

其中：N为交换节点输入/输出端口的数目；M为每个输入/输出端口波长信道的数目；ρM为给定输入端口的每个波长信道上的业务负载。

图3所示为SLRWC结构的丢包率与波长变换宽度Wc的对应关系。在这组仿真实验中，输入/输出端口数N、波长信道数M的值分别选为16、8。此外，每波长上的业务负载ρM取值为0.8。为了便于比较，FDL数目B分别选为2、4和6。

图3　SLRWC丢包率与Wc的关系

从图3可知，对于图中所示的3种情况，随着有限波长变换器波长变换宽度Wc的增大，SLRWC结构的丢包率都呈下降的趋势。这是由于随着Wc的增大，波长变换器解决光分组竞争的能力越强，越多的阻塞光分组可以使用目的输出端口的波长进行输出。因此，丢包率随着Wc的增大而降低。

从图3中还可以看出，当FDL的数目较小（B=2）时，SLRWC结构的丢包率下降不明显；而当FDL的数目逐渐变大（B=4，6）时，丢包率的下降趋势较明显。例如，对于配置了6根FDL的SLRWC结构，当波长变换宽度Wc=2时，SLRWC结构的丢包率为1.058×10-4；当Wc=3时，SLRWC的丢包率下降为2.9×10-6；当Wc=4时，丢包率已下降为0。也就是说，当FDL数目较大时，有限波长变换器已可以达到较小的丢包率，而不必使用可调波长变换器。这种现象可以解释如下：当FDL的数目较小时，SLRWC结构总体的竞争解决能力仍较小，导致丢包率较大，此时增大波长变换宽度Wc，尽管丢包率会有所下降，但总体仍不理想。当FDL的数目增大时，增大波长变换宽度Wc一方面可使得更多的光分组承载于输出端口空闲的波长上，另一方面使得FDL光缓存的容量得到较大的提高，从而导致SLRWC结构的丢包率快速下降。

图4所示为SLRWC结构的平均缓存时延（MBD）与波长变换宽度Wc的对应关系。在这组仿真实验中，仿真条件与图3实验的仿真条件相同。

图4　SLRWC平均缓存时延与变换宽度Wc的关系

从图4可以看出，对于图中的3种情况（B=2、4、6），随着有限波长变换器波长变换宽度Wc的增大，SLRWC结构的平均缓存时延都呈下降的趋势。这是由于在本文所提出的调度算法中，光分组首先是通过波长变换器来解决光分组竞争的，而通过这种方式成功交换的光分组的缓存时延为0。随着Wc的增大，在成功传送的光分组中，使用波长变换器来解决竞争的分组比例也增大，从而使得平均缓存时延不断变小。

从图4中还可以看出，在这3组仿真实验中，当波长变换宽度Wc相同时，所配置的FDL越多，缓存时延也越大。对于具有相同波长变换能力的交换结构，当配置的FDL越多，有越多的光分组可以被缓存在更长的FDL中，此时尽管丢包率会下降，然而这也引入了额外的缓存时延，从而导致平均缓存时延增大。

此外，图4中还有一个很有趣的现象，当波长变换宽度Wc的值较小时，各曲线之间的平均缓存时延差异较大，而当Wc的值变大，各曲线之间的平均缓存时延差异逐渐变小，图4中的曲线（B=4）与曲线（B=6）基本重合。这个现象可以解释为：当波长变换宽度Wc的值较小时，FDL在光分组竞争解决中占的比重较大，FDL不同必然引起不同的平均缓存时延差异。当Wc的值变大，有更多的光分组将使用波长变换器来解决竞争，此时FDL在光分组竞争解决中占的比重逐渐下降，FDL不同所带来的平均缓存时延差异也会逐渐变小。

图5所示为SLRWC结构的丢包率与业务负载ρM的对应关系图。在这组仿真实验中，输入输出端口数N、波长信道数M的值分别取值为16、8。FDL数目B= 2。波长变换宽度Wc分别取值为1、4和7。从图5可知，随着业务负载ρM的增加，SLRWC结构的丢包率不断上升。此外，在相同的业务负载下，波长变换宽度Wc越大，SLRWC结构的丢包率也越小。这种变化趋势与图3所示的变化趋势是一致的。

图5　SLRWC丢包率与业务负载ρM的关系

从图5中还可以看出，在业务负载比较大时（如ρM＞0.7），如果配置的FDL光缓存不足，此时为了得到较低的丢包率，节点需要使用波长变换能力较强的波长变换器。在业务负载比较小时（如ρM＜0.3），节点在具有较小波长变换能力的情况下就可以获得较理想的丢包性能。如：对于Wc=1的曲线，当业务负载为0.2时，使用2根FDL和波长变换能力为1（即仅可以变换成其它另一波长）的波长变换器就可以取得1.2× 10-6的丢包率。由此可见，在低业务负载下，有限波长变换器和FDL配合使用，可获得很好的丢包性能。

4　结束语

本文研究有限波长变换器解决光分组竞争的性能，提出了一种使用有限波长变换器和反馈式光纤延时线来解决光分组竞争的SLRWC交换节点结构。为了充分利用FDL和LRWC的资源，本文还提出一种有效的光分组调度算法。我们使用仿真实验评估了有限波长变换器的波长变换宽度和每波长业务负载对SLRWC交换节点的丢包率和平均缓存时延的影响。研究结果表明：随着波长变换能力的提高，SLRWC交换节点结构的丢包率会随着下降。在较轻的业务负载下，仅使用Wc=1的波长变换器就可以取得1.2×10-6的丢包率。在较高业务负载时，通过适当增加FDL，SLRWC交换结构也可以得到很理想的丢包率。因此，在考虑节点成本的应用中，可使用有限波长变换器来解决光分组交换节点中的分组竞争。

参考文献：

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［6］TANCEVSKI L，TAMIL L，CALLEGATI F.Nondegenerate buffers：an approach for building large optical memories［J］.IEEE Photonics Technology Letters，1999，11（8）：1072-1074.

中图分类号：TN929.11

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0059-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.018

收稿日期：2016-01-22。

作者简介：李杰（1975-），女，硕士，高级工程师，主要从事光通信网络、无线通信网络等方向的研究。

Performance analysis of limited range wavelength converters on optical packet switch node

LI Jie
（Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 200437，China）

Abstract：For the limited wavelength converter and a feedback type optical fiber delay line of optical packet switching nodes，the paper analyzed the limited wavelength converter performance impact of optical packet switching nodes.In order to improve the utilization of limited wavelength converter，the paper put forward a kind of effective optical packet scheduling algorithm.Through simulation experiments，this article detailed evaluation and analysis of the switching node properties，such as packet loss rate and average cache time delay.

Key words：limited range wavelength converter，optical packet switch node，optical buffer，fiber delay line