基于NS的光突发交换仿真平台设计
（西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室，西安710071）
摘要：光突发交换可以在现有的技术基础上较好的支持网络中的突发性业务，路由和波长分配是设计OBS网络需要解决的关键问题。仿真是设计网络协议和验证算法的重要手段之一，本文在NS-2的基础上，实现了一个光突发交换的仿真平台OBSns。仿真数据表明，OBSns得到的仿真结果和理论分析结果相符，可以用来设计并验证光突发交换网络中的波长和路由分配算法。
关键词：光突发交换，波长和路由分配，仿真
Design of the Optical Burst Switching Network Simulator Base On NS
Yu Ting Jin，Zhang Shi，Zhang Bing
(National Key Lab. On Integrate Services Network, Xidian University, Xi’an 710071, China)
Abstract: OBS (Optical Burst Switching) is a viable choice for building the next generation Optical Internet. RWA (Routing and Wavelength Assignment) is a key problem that should be paid attention. Simulation is used in the study and evaluation of the new protocols, and is considered a critical component of protocol design. In this paper, we propose a simulation tool for OBS called OBSns (OBS network simulator) as an extension to the network simulator NS-2, a multi-protocol network simulator that has been
widely-used for networking research and available in the public domain. Comparison between the simulation results and the conclusions that have been made show that the OBSns can simulate the behavior of the OBS network and different RWA algorithms properly.
Keywords: OBS, RWA, Simulation
1.引言：
WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）技术是构建未来全光网络的主要技术之一。WR （Wavelength Routing，波长路由）是现有较为成熟的WDM网络交换技术，但是它不能有效的支持突发性强、持续时间短的突发性业务；OPS（Optical Packet Switching，光分组交换）受限于没有可以实用的光存储器件，在短期内无法得以实用；OBS（Optical Burst Switching，光突发交换）[1]则可以在现有的技术基础上，很好的支持突发性的业务。
RWA（Routing and Wavelength Assignment，路由和波长分配）是设计全光网络需要解决的关键问题之一，OBS中的RW A属于DRW A（Dynamic RWA，动态RWA），可以描述如下：连接请求随机的到达或离开，如何为这些连接寻找路由和分配波长，从而使得全光网络运行的某些参数或性能指标最优或者相对较优。OBS中需要优化的性能指标是阻塞概率。[2]中指出：求OBS网络阻塞精确解属于NP-Complete问题，因此仿真在OBS 协议的设计过程中起着非常重要的作用。现有成熟的网络仿真软件，如NS-2[3]、OPNET[4]等都是基于网络层的仿真，无法对链路层进行控制，适用于分组交换网络。[5]在NS-2的基础上进行了扩展，设计并实现了基于波长路由的光网络仿真平台OWns（Optical WDM network simulator），可以实现WR光网络中RW A算法仿真，但OWns仍然是基于分组交换模式，需要对每一个数据包进行解析处理，无法仿真数据在交换结点上无缓存的全光交换，因此不适用于光突发交换网络的仿真，并且OWns采用集中式的波长分配方式，和OBS网络的分布式特点不符。本文在OWns的基础上进行了扩展，根据OBS的特点，实现了OBS仿真平台OBSns（OBS network
simulator ），用来设计和验证OBS 网络中的RW A 算法。本文在第二节给出了OBS 的工作原理，第三节给出了OBSns 的设计实现，第四节给出了仿真数据和理论结果的比较，最后给出结论。
2.OBS 的工作原理
OBS 可以有效的消除WDM 光网络中由于光电转换而产生的“电子瓶颈”，图1中给出了OBS 的边缘结点结构和OBS 的交换原理，中间结点和边缘结点类似，只是电信号处理模块只有波长分配控制部分。具有相同特性的分组（相同的源、宿地址、相同的QoS 等）在接入网中汇聚成DB （Data Burst ，突发数据）进入OBS 网络，在边缘结点上以电信号的形式缓存，边缘结点生成对应的BHP （Burst Header Packet ，突发头分组）作为DB 的前导，为其分配波长，如图1(a)所示1。BHP 和DB 在网络中分别利用控制波长和数据波长传输，因此OBS 网络可以被分成拓扑结构完全相同的两层：处理BHP 的光电混和网络和传输突发数据的全光网络。BHP 在结点上进行光-电转换后处理，波长分配控制模块利用BHP 中携带的信息（路由、QoS 、突发长度等）为相应的突发分配波长，配置OXC （Optical Cross-Connect ，光交叉连接设备）。当结点无法及时处理BHP 时，BHP 在结点上排队。OBS 采用一步占用（one way reservation ）[1]的方式分配波长，边缘结点不必等待波长分配成功确认就可以发送突发数据，因此必须保证突发数据和对应的BHP 之间存在一定的时间偏移，以便交换结点有足够的时间处理BHP 和配置OXC 。当突发数据到达中间结点时，OXC 已经配置成功，突发数据直接进行全光交换，无需任何形式的缓存。本文假设在结点上没有光存储器件，当无法在指定端口为突发分配波长时，突发被丢弃或者偏射（DR ，Deflection Routing ）。
3. 仿真平台的设计
3.1 NS-2
NS-2(Network Simulator Version2)是基于离散事件驱动的网络仿真工具，主要用于分组交换网络的仿真。NS-2支持多种网络协议，如TCP 和UDP 。能够仿真如FTP ，WWW ，Telnet ，CBR 和VBR 等数据源。NS-2支持多种路由队列的管理机制，如Drop Tail ，RED ，实现了Dijkstra 和其他的路由算法。NS-2提供两种编程接口：C++和OTcl （面向对象的Tcl 脚本描述语言），分别用于支持网络仿真中快速、高效的协议处理需求和便利的网络仿真环境设置。
NS-2没有提供对WDM 全光网络的仿真支持，如WDM 交换结点、WDM 链路、路由和波长分配等，并且NS-2对数据包的处理是基于网络层的存储转发，无法仿真网络结点上的全光交换和链路上的波长占用情况，因
1 在一些文章中[2]，分组数据直接进入OBS 边缘结点，由边缘结点完成突发的装配工作。
(b) OBS 交换原理
4B HP B urst T 图1 OBS 工作原理 (a) OBS 边缘结点结构
此不能直接应用于OBS 网络的仿真。我们对NS-2进行扩展，实现OBS 网络的仿真平台OBSns ，可以用来设计并验证OBS 网络的RW A 算法。
3.2 OBSns 的设计实现
图2给出了OBSns 的分层结构模型，和OBS 的分层结构相符，OBSns 可以被分为电域和光域两层，分别对应处理BHP 的光电混和网络和传输突发数据的全光网络。电域由BHP 控制结点和控制波长组成，负责处理BHP 并根据BHP 中的内容控制光域中的全光交换和传输。光域由OXC 和数据波长组成，在电域的控制下，完成突发数据端到端的全光传输。电域和光域的网络拓扑结构完全相同，BHP 和对应DB 分别在电域和光域中经过相同的路由。OBSns 主要实现电域的功能模块，光域的主要特性，如多波长通路，可以通过电域中的逻辑控制实现，因此OBSns 中没有光域中功能模块实例。OBSns 需要实现的主要功能模块包括：业务源，BHP 控制结点，WDM 链路。
业务源：由于OBSns 的主要目的是研究和验证OBS 网络中的RW A 算法，因此并不关心上层具体应用的业务特性，只需要满足一定统计特性的数据流作为系统的输入。我们利用NS-2提供的随机数产生器生成仿真需要的数据。通过随机数控制突发的到达间隔和长度，产生不同特性的数据源，如恒定比特率流、泊松流、具有自相似特性的数据流等。
BHP 控制结点：图4(a)给出了BHP 控制结点的框图。BHP 控制结点可以分为两部分：BHPC （BHP Control ，BHP 控制器）和W AC （Wavelength Assignment Control ，波长分配控制）。
BHPC 完成图2中电域的主要功能，包括BHP 的生成、解析和处理，配置OXC 等。BHPC 由三部分组成：BHP 代理（BHP Agent ），端口分类器（Port Classifier ）和光路分类器（LightPath Classifier ）。
BHP 代理负责为进入边缘结点突发数据生成对应的BHP ，OBSns 在NS-2数据包格式加入OBS 的相应控制
作为BHP ，如图3所示，内容包括：突发长度，BHP 和DB 间的时偏，路由指示，以及和路由对应的波长分配等。OBS 采用源路由方式，生成BHP 时，源结点计算源-宿结点间的最短跳路由写入BHP 的路由表中，中间结点根据BHP 中的路由表依次转发BHP ，当结点采用偏射路由解决突发冲突时，发生偏射的结点更新BHP 中的路由。BHP 和对应DB 的路由相同。
端口分类器将到达目的结点的BHP 传送给相应的接收端口。
光路分类器是BHPC 的核心，负责解析和处理BHP ，并和WAC 一起为突发数据在指定端口上分配波长。
在源结点处，光路分类器按照一定的波长分配策略（首次命中或随机分配）为突发分配波长，设分配的波
图2 OBSns 的分层模型 图3 BHP 的格式定义
长为w ，如果结点不具备波长转换能力，则w 即为该突发的传输波长，在BHP 经过的中间结点上，光路分类器在BHP 路由表指定的输出链路上为突发分配w ，当w 已经被其他突发占用时，丢弃该BHP ，或者将BHP 偏射到其它输出端口[6]，尝试为突发分配w 。当达到偏射次数限制或者BHP 和DB 间时偏的下限时仍然无法为该突发分配波长，则BHP 被丢弃。当结点具备一定的波长转换能力时，中间结点可用根据上游链路分配的波长，在波长转换范围内为突发分配波长。如果波长分配成功，光路分类器更新BHP 的相关内容（偏移时间、波长分配等）[1]，并按照BHP 中的路由将BHP 转发到下一个结点。
WAC 利用有序链表仿真输出链路上的多波长通路。如图4(a)所示，结点的每一个输出链路都对应一个由若干个有序链表组成的波长分配表，其中每一个链表对应一个波长，记录该波长的占用情况（时隙），称为时隙链表。用l j w 表示链路j 上波长w 对应的时隙链表，新的突发b 需要在j 上分配波长w 时，需要顺次检查l j w ，以保证b 占用w 的时间不和l j w 中的任何一个时隙重叠，否则波长分配失败。如果波长分配成功，需要在l j w 中加入相应的时隙。同一突发在各跳链路上占用波长的时间如图1(b)所示，由于突发数据在网络中全光传输，设p b i 为突发b 的第i 跳链路的传输时延，t b i 为突发b 到达其第i 跳链路起始结点的时间，则有t b i =t b i -1+p b i 。
WDM 链路：WDM 链路模型继承自NS-2的单链路模型，增加了波长数、波长带宽等属性。如图4(b)所示，由于突发数据在网络中全光传输，不经过任何形式的存储，因此WDM 链路中用简单的连接器（Connector ）取代队列（Queue ），图中的FiberDelayLink 用于仿真突发数据在链路上经历的传输时延。在OBSns 中，WDM 链路模型仅仅用于连接OBS 结点。
3.3 OBSns 网络参数设置：
OBSns 利用Tcl 脚本描述语言设置网络的仿真参数，具体包括：
网络拓扑：利用3.2节中的BHP 控制结点和WDM 链路生成OBS 仿真网络，可以设置WDM 链路带宽、波长数、链路传输迟延等，结点上允许配置波长转换器，可以设定波长转换器的转换时延、转换范围等。
业务源：支持恒定比特率的流，泊松流。可以设置突发的平均到达率、平均长度等。
波长分配算法：支持首次命中、随机波长分配。
冲突解决策略：支持偏射路由。
(a) OBSns 交换结点模型
(b) WDM 链路模型 图4 OBS 交换结点和WDM 链路模型
4. 仿真结果分析
为了验证OBSns 仿真的有效性，本节对比仿真结果和现有的理论分析。仿真参数如下：每条链路上可用波长数W=5，其中一个波长为控制波长，四个波长为数据波长，单波长带宽B 为10G ；数据源的统计特性相同，每一个数据源f 的突发都是泊松流，到达率为λ(f )，所有突发占用波长的持续时间均服从参数为μ(f )的负指数分布，本文假设λ(f )= λ，μ(f )= μ=80微秒，即平均突发长度为100K 字节；结点处理BHP 的时间δ(v i )=δ=10微秒，链路传输时延为3毫秒。用t f l 表示流f 的突发在链路l 上滞后于BHP 的时间。图中的业务量强度都是单流的业务量强度。当发生冲突时，突发被直接丢弃。
当多个突发在同一个链路上竞争波长时，如果BHP 和DB 间的偏移时间相同，则可以利用爱尔兰公式计算突发在该链路上的阻塞概率[1][2]：
0/!
(,)/!n n
i i A n B A n A i ==∑
图5给出了在链路l 上的两个流f 1和f 2，当t f 1l =t f2l 时，利用仿真得到的阻塞概率和利用爱尔兰公式计算的理论值的比较，可以看出，利用OBSns 得到的仿真数据和理论数据基本上基本完全重合。
[7][8]中指出，由于JET 的DR （Delay Reservation ）特性，使得流f 的突发在链路l 上获得波长分配的概率和t f l 成正比，因此可以通过控制突发在链路上的偏移时间实现不同优先级业务的分离。图6给出了两个不同优先级的突发在竞争同一条链路上的波长时的阻塞概率，其中f 0为高优先级的突发，f 1为低优先级的突发。从图中可以看出偏移时间越长，获得波长分配的概率越大。[7]中指出，当突发长度服从负指数分布时，两类突发在链路上偏移时间的差值大于等于三倍的低优先级突发平均长度，就可以达到95%以上的分离度，即低优先级的突发基本上不对高优先级突发的阻塞产生影响。设l 1为f 1突发的平均长度，Δ=(t f 0l -t f 1l )/l 1，图7给出了单流业务量强度为0.5爱尔兰时不同Δ对分离度的影响，用A 0和A 1代表f 0和f 1的业务量强度，从图中可以看出，Δ=0时，f 0和f 1的阻塞概率相同，均为B(A 0+A 1,4)，Δ>3后f 0的阻塞概率达到下限B(A 0,4)，Δ的变化不再影响网络性能。从图6和图7可以看出，f 0阻塞概率变小是以f 1阻塞概率变大为代价，随着Δ的增加，系统的总体阻塞概率也有所增加。利用OBSns 得到的仿真数据和[7][8]中的结论相符。
P b 图5 单链路上的阻塞概率
图6 不同优先级业务的分离
P b Load(Erlang)
P b P b f 1f 2123l 1l
2
我们利用OBSns仿真OBS网络中的RW A算法。网络拓扑和流的分布如图8所示。我们重点研究不同的波长分配策略对长跳流阻塞的影响。常用的波长分配策略包括首次命中（First Fit）和随机分配（Random）[9]。在CDRW A（Centralized DRW A，集中式DRW A）问题中，波长和路由控制中心掌握全网的资源分布，使用首次命中利于将业务量聚集在编号较小的波长上，而将编号较大的波长留给新到达的业务，首次命中的性能优于随机分配[9]。但OBS属于DDRWA（Distributed DRW A，分布式DRW A），每个结点只了解自己输出链路上的波长占用情况，上述结论不再适用。图8给出了f3的突发阻塞概率曲线，从图中可以看出，当结点不具备波长转换能力时，突发使用的波长完全由第一跳上分配的波长决定，由于结点1无法实时掌握链路l2上的波长占用情况，因此只能根据链路l1的情况分配波长，首次命中策略使得f2和f3的突发都优先使用编号较小的波长，造成f3的突发因为波长一致性限制而被阻塞的概率加大，而采用随机波长分配策略则可以获得较好的性能。波长转换器能够明显的改善网络性能，消除波长分配策略对网络性能的影响，从图中可以看到，当结点配置全范围波长转换器时，首次命中和随机波长分配得到相同的阻塞性能。
结论
本文以NS-2为基础，实现了一个光突发仿真试验平台OBSns，可以用来设计和验证光突发交换网络中的RWA算法。仿真数据表明，OBSns得到的仿真结果和理论分析结果相符。目前OBSns仅适用于OBS网络的RW A 算法的设计，通过记录突发在波长上的占用“时隙”，研究突发在链路上的冲突概率。后续工作包括：加入对自相似流的支持；增加新的波长分配方案如LAUC（Latest Available Unscheduled Channel）、VF（Void Filling）[10]；仿真不同的突发装配策略对上层协议，如TCP的性能影响；在OBSns中加入对多播的支持等。
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