同步光分组交换网边缘节点中混合组装机制性能研究

张帝1，吕晓丽2
（1. 北京邮电大学电信工程学院，北京，100876
2.长春工程学院信息工程系，长春，130021）

摘要：本文研究了同步光分组交换网边缘节点中两个组装参数（归一化时间门限与归一化长度门限）及输入业务自相似性对混合组装机制性能的影响，仿真结果表明：在不同负载情况下，两个组装参数对光包利用率及两种平均时延（平均调度时延和平均组装时延）有不同的影响；尽管Hurst值对光包利用率有微乎其微的影响，但在重载情况下，它对两种平均时延的影响是截然不同的。通过综合考虑组装参数、负载及Hurst值的影响，可获得最优负载值及最大光包利用率。

关键字：混合组装机制，同步光分组交换网，归一化长度门限，归一化时间门限，Hurst参数

0 引言
    近年来，互联网用户的迅猛增长及各种多媒体业务的不断涌现，对网络传送带宽的需求持续增加，光分组交换网因其极大的灵活性及高的带宽利用率被视为满足这种需求的较好方案而得以深入研究[1, 2]。通常，光分组交换网分为同步光分组交换网与异步光分组交换网两类，其中，在同步光分组交换网中，光包大小一致且节点对其进行同步操作；而异步光分组交换网则对到达交换机或路由器的光包进行实时操作。

至今，对于同步光分组交换网的研究主要集中于网络结构与节点性能上，如冲突解决、同步方案、快速光包信头处理、业务整形、QoS等方面[3-7]。同时，由于运行于边缘节点中的组装算法不仅能实现业务汇聚及业务整形功能，而且能为互联网业务提供灵活的QoS方案，因此，它也成为同步光分组交换网中的另一个研究热点[7, 8]。现有资料已经证明，就是通过将多个IP包依据某一算法汇聚成一个大尺寸光包的组装过程，减小了核心节点信头处理负担，降低了输入业务的自相似性，从而降低网络中的丢包率，提高了网络性能[9, 10]。可是，组装过程总会引入额外的时延，尽管很多工作已经对光突发交换情况进行研究，但对于同步光分组交换中此类情况的研究尚未发现[7-11]，这是本文的一个研究目标。在同步光分组交换网中，组装过程所引入的额外总时延由两部分构成，即组装队列中的汇聚时延及FIFO调度队列中的调度时延。本文通过仿真深入研究了混合组装参数（归一化长度门限和归一化时间门限）、负载及Hurst值对平均组装时延、平均调度时延及总平均时延的影响。另外，本文还对上述各参数变化情况下的光包利用率进行了评估。

本文结构安排如下：第二节列出了仿真前的准备事宜，包括边缘节点模型、混合组装算法、业务模型及环境参数设置；第三节描述了仿真结果并详细进行了混合组装过程性能分析；最后总结全文。

1 仿真前的准备事宜
同步光分组交换网边缘节点作为电域网络与光核心网络的接口，可实现基本的业务汇聚功能，而业务整形及QoS等其它功能的实现则与边缘节点所采用的相应组装算法有关，其仿真模型如图1所示。

图1. 同步光分组交换网边缘节点仿真模型

作为同步光分组交换网的输入端口，边缘节点将来自于用户网中的IP包汇聚在一起，并根据其包头中存储的输出端口、优先级等信息，将其转发至相应的组装队列中。光包将依据如下条件来产生。1）当第一个IP包到达其组装队列时，内嵌的计时器激活。如果计时器由于超时而触发，则一个光包产生，其中未填满的部分将在调度队列中填充，以实现信道中光功率平衡。这种情况出现于低负载情况下。2）当一个IP包到达一个已经被部分填充的组装队列中时，如果此IP包尺寸与被填充的组装队列长度之和超过最大光包尺寸（MOPS）限制，则由组装队列中被填充的部分产生一个光包，而这个IP包将成为该组装队列构建下一个光包的第一个IP包，也就是说，在组装光包的过程中，仅有小的IP包的聚合而不存在大的IP包分割操作。3）如果最大光包尺寸与已填充组装队列长度之差小于最小IP包尺寸，则由此组装队列中的IP包构成的光包也被转移到调度队列中，同时此组装队列与其计时器清0。包级同步及光包头的插入由调度队列来完成。这就是所说的混合组装算法，它是基于时间门限算法与基于长度门限算法的折衷。反之，当边缘节点工作于输出端口状态时，则进行相反的操作，即对光包进行解封装，解出的各个IP包再转发到相应的电域用户网络中。在我们的仿真中，光分组交换网有N+1（N=5）个边缘节点且来自于用户网络中的IP包根据其优先级分为M（M=3）类，所以一个边缘节点包含N＊M个组装队列。

在以前分析节点或网络结构性能时，IP包到达是Poisson过程、长度是指数分布的业务模型常常被使用，而其明显有别于网络中的真实业务流。为了与现场实验测量所得的业务特性一致，我们采用到达间隔是平滑的Pareto分布，其概率密度函数在文献[14]中给出，如式1。式中1< γ < 2。

              (1)

文献[12][13]中所采用的修正包长分布反映了实际业务中小包占优的事实。长度为40、44、576及1500字节的IP包分别占10％、50％、25％和 15％。

在我们的仿真中，调度队列采用FIFO原则，以固定的间隔时间Tpacket将光包发射至同步光分组交换核心网 。其中Tpacket如式2 所示。
Tpacket = Topticalpacket + Toverhead
=Topticalpacket + Tlabel + Tguardtime + Tsynchronous                                  (2)
式中Topticalpacket，Tlabel，Tguardtime和Tsynchronous分别是以时间为单位标定的光包、标签、保护带及同步阶段长度。

设，发射速率为2..5G，每个边缘节点通过622Mbps的线路与5个电域用户网络相连接。对于组装参数，L(MOPS/Lmax)表示用最大IP包尺寸对组装门限MOPS（最大光包长度）进行归一化，T (Ttimeout/d)表示用平均组装时间对时间门限进行归一化。在本文中，L分别设置为2，3与4；而T设定为1，2，3和4。

2  仿真结果分析
在这一节，我们描述了仿真结果，详细分析了归一化时间门限T，归一化长度门限L及Hurst参数H对混合组装算法性能的影响，即平均组装时延、平均调度时延，总平均时延和光包利用率。

2.1 平均组装时延
组装时延产生于组装队列中，其大小等于光包产生时刻与第一个IP包到达时刻的时间差。图2显示了当归一化时间门限T改变时平均组装时延与负载ρ的关系。很明显，平均组装时延近似反比于负载大小，另外，图2 也表明：当归一化时间门限T大于 2之后，其对平均组装时延的影响很小，也就是说，此情况下，大多数光包是因其长度满足条件产生的。但在轻载荷条件下，时间门限对平均组装时延的影响增加了很多。故在下面的仿真中，我们设定T为2。

图2. 不同T时平均组装时延与负载的关系曲线     图3. 不同L时平均组装时延与负载的关系曲线

图3描述了在归一化时间门限T值不变而归一化长度门限L取不同值时，平均组装时延对负载的依赖性。在轻载荷情况下的平均组装时延改变大于重载荷时的这一事实是因同一条件下归一化时间门限影响更强。尤其是在重载荷情况，平均时延的变化主要是由L增加引起的。正如图3所表明的，平均组装近似正比于归一化长度门限L。将图3与图2进行比较发现，归一化长度门限L的影响力强于归一化时间门限T。

 
图4. 平均组装时延与H的关系曲线

图4显示了不同归一化时间门限与不同长度门限情况下，平均组装时延对H的变化情况。表明：在中负载强度下，H，也有T（T ≥ 2），几乎不影响平均组装时延，平均组装时延的变化主要是由L引起的。

2.2 平均调度时延
    调度时延产生于调度FIFO队列中，定义为光包离去与光包到达FIFO队列的时间差。

图5表明了当L为常数时T对平均调度时延的影响，显而易见，重的负载使得FIFO队列很忙，故平均调度时延随负载由0.1增长至0.6而逐渐增加，如图5（a）所示。可是，当负载大于0.6后，从0.7到0.9过程中，平均调度时延急剧增加，从几十微秒到上千微秒，如图5（b）所示。显而易见，在这种情况下，调度时延必须要给予考虑，而以前的工作通常忽略其不计。同时，这种特殊现象指出对于网络负载而言存在一个最优值。另外，当T >2时，归一化时间长度T对平均调度时延有很弱的影响。

 
   图5. 不同T时平均调度时延与负载的关系曲线

图6描述了不同L情况下平均调度时延对负载的函数关系。注意到曲线的形状与趋势与图5的结果一致，显然，平均调度时延随L增加而增加，并在中等强度载荷情况下，随L进一步增加，具有较小L值的曲线先于具有较大L值的曲线急剧增加，而在某一载荷时，二者交叉于一处，如图6（a）所示。当载荷大于0.8时，具有较小L值的平均调度时延较早的表现出较大的时延值，如图6（b）所示。反之亦然。这些表明在同步光分组交换网中，调度机制对时延有明显影响；平均调度时延与平均组装时延有相同的量级；平均调度时延在额外总时延中有不可忽略的作用。

 
 图6. 不同L时平均调度时延与负载的关系曲线

图7反映了在负载强度为0.6的情况下，平均调度时延与H、L和T的关系，平均调度时延的变化主要是起源于L的改变，而T（T ≥2）的增加对其几乎没影响，H的影响使平均调度时延在1微秒范围内波动。当负载强度为0.8时，不仅体现在同一H不同负载情况下，而且在同一负载不同H情况下，H都对平均调度时延有强的影响。尽管图8与图4有显著的区别，但当负载从0.6到0.8变化时，二者都表明平均组装时延遵从相同的规则。

 
   图7. 不现L和T时平均调度时延与H的关系     图8. 不同负载情况下平均调度时延对H的关系

2.3 总平均时延
通过分别分析平均组装时延及平均调度时延对负载关系，总平均时延，即平均组装时延与平均调度时延之和，呈现出近似的抛物线形状，如图9所示。在最小负载值即最优值出现前，平均时延主要取决于平均组装时延，而最优值之后，则是平均调度时延起主要作用。另外，最优负载值随L增加比随T增加更明显，同时，图9清晰地反映了L与T如何作用于平均组装时延与平均调度时延的，它们分别在组装时延与调度时延中得以描述。

 图9. 不同L与T情况下总平均时延对负载的关系曲线

2.4 光包利用率
光包利用率定义为光包中多个IP包的实际长度除以最大光分组长度，是分析混合组装算法性能的另一个重要指标。图10和图11分别给出了T、L及负载变化时光包利用率曲线，表明：如果仅其中一个参数改变而其它保持不变，则光包利用率几乎保持为常数；当T >2后，它对光包利用率几乎没有影响，相对于T而言，L是一个重要参数，光包利用率明显随L增加而增大；当T与L保持不变的情况下，H几乎不影响光包利用率。

 
 图10. 不同T时光包利用率变化曲线            图11. 不同L时光包利用率变化曲线

3 结论
本文研究了运行于同步光分组交换网边缘节点中的混合组装算法性能，包括平均组装时延、平均调度时延和光包利用率。仿真结果表明：归一化时间门限大于2之后，其对平均时延和利用率有相对小的影响。而归一化长度门限对两种时延有不可忽略的影响，尤其是在重载荷情况下；同时，归一化长度门限也是确定光包利用率的一个重要因素；在轻、中负载情况，Hurst值对两部分平均时延及光包利用率都有较小的影响，在重载荷情况下，Hurst值对平均调度时延有很强的影响。此外，通过分析总平均时延变化规律，可得到最优负载值；经综合考虑归一化时间门限、归一化长度门限与负载值共同影响，可确定最大光包利用率。

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