CN101702674B - 一种基于混合光交换网络的多播数据传输方法 - Google Patents

Abstract

该发明属于网络通信技术中的混合光交换网络进行多播数据的传输方法，包括设置各分光节点的位置并按分光节点划分网络区域、分配波长资源、建立多播路由、多播数据传送。建网时首先将其分成若干个小区域，在每个区域内仅设一个分光节点，其余节点均设为普通节点，以降低多播网络中分光节点的设置量及代价和波长资源的占用量；在网络运行方面，将OCS和OBS全光网络多播技术有机结合，在区域内用OBS技术、增大了带宽利用率；而区域之间采用主从型混合光交换技术，以减少丢包率。因而本发明具有可有效降低多播网络分光节点的设置量及代价和波长资源的占用量，提高了带宽的利用率及网络运行的可靠性，降低了丢包率及网络运行的成本等特点。

Description

一种基于混合光交换网络的多播数据传输方法

技术领域

本发明属于光网络通信技术领域，特别是一种采用混合光交换网络进行多播数据的传输方法。

背景技术

目前，基本光网络交换技术包括：光电路交换、即OCS(Optical CircuitSwitching，)，光分组交换、即OPS(Optical Packet Switching，)和光突发交换、即OBS(Optical Burst Switching，OBS)，它们虽然均实现了全光交换，各具有一定特点；但亦均存在各自的不足之处，特别是在数据传送量频繁变化或呈高突发***换的网络环境中进行数据传送时、均存在难以克服的障碍。其中：

OCS交换技术通过在边缘路由器之间建立穿过整个全光核心网络的“电路”连接——光路对数据进行端到端透明传输。然而，这种面向连接的交换方式，对于具有高突发特性的IP业务的支持效率不高和在业务量较小的情况下光路的利用率低的缺点。为了最大化光核心网络的资源利用率，最理想的方式是在光层提供分组交换功能，即OPS交换技术。但是由于光分组交换在实现上存在若干难以克服的障碍，短期内难以实用化。OBS是OCS和OPS之间的一种折中方案，它采用比OPS颗粒度更大的传送数据单元——由多个光分组汇聚而成的突发包进行传输。每个突发包对应产生一个控制分组——突发头(BHP，Bust Header Packet)，BHP先于突发包进入核心交换网络的控制信道，在途径的每一个交换节点处为对应的突发包预约交换通道，使得突发包能以全光方式交换和传输。由于采用资源预约机制，因此OBS交换不存在OPS交换所存在的难以克服的技术障碍；同时，OBS可以对网络中波长资源进行统计复用，有效提高带宽利用率。但是目前的OBS技术没有解决好预约冲突问题，因而存在数据包丢失率较高的缺陷。

为了结合OCS和OBS的优点并尽量避免或减少其缺陷，研究者们提出将OCS和OBS交换技术结合起来、组成混合光交换技术。目前，OCS/OBS混合交换光网络(以下简称混合光网络)可分为三种类型：主从型混合光网络、平行型混合光网络和集成型混合光网络。主从型混合光网络由客户层和服务层上、下两层构成，服务层采用OCS交换技术，并使用部分波长静态或动态地建立光路，所有的光路构成一个虚拓扑网络用于客户层交换；客户层采用OBS交换技术，在服务层构成的虚拓扑网络上为业务进行OBS交换；这种方式从本质上来说还是OBS交换，但实现简单，并易于与OBS网络进行全光网络互联。在平行型混合光网络中，OCS光交换技术和OBS交换技术平行存在并各自形成一个基本光网络，为业务提供两种交换方式；当有业务到达时，边缘节点根据业务需求的不同，提供不同的交换技术，将业务送入不同的基本光网络进行交换，在业务传送过程中，中间节点不能改变业务的交换方式。平行型混合光网络的缺点是不能根据网络状况调整其原设定的交换方式，交换决策不灵活，同时由于IP业务的突发性，如何对网络资源进行合理规划是一个难以解决的问题。在集成型混合光网络中，每个节点都有OCS和OBS能力，都能根据网络当前状况决定业务的交换方式，这种方式虽然对突发业务支持比较灵活，但实现复杂；另外，业务在改变交换方式时需要进行电域处理。此外，上述混合光交换技术都是针对网络如何有效地承载单播业务，而不能将其用于进行多播业务。

特别是随着网络技术的不断发展和用户需求的不断变化，大量多播业务不断涌现。目前全光网络多播方法主要有两种：OCS网络中的全光网络多播和OBS网络中的全光网络多播。这两种全光网络多播都是通过建立源节点到所有目的节点的树状拓扑路由(称为多播树)来实现的。其中在OCS网络中构建多播树网络时，通过在多播树网络的分支节点处复制光信号(分光)，使源节点与任意目的节点之间的通信均通过光路进行连接。但是一条光路可以承载的业务总量通常可以高达数十Gbps，而现有的多播业务的带宽需求通常只有几十到几百Mbps，所以OCS网络中的全光多播带宽利用率较低，虽然可以利用业务疏导来提高带宽利用率，但是多播业务的疏导处理方法复杂度较高，实现困难。而在OBS网络中，虽然可以通过波长统计复用特性提高带宽利用率，但是如前所述，OBS网络中存在数据包丢失率较高的缺陷是不容忽视(致命)的。

无论是在OCS网络中还是OBS网络中实现全光网络多播都需要节点具有分光能力、用于在多播树的分支节点处复制光信号，但分光会对光信号造成成倍地衰减，为了保持信号的功率，网络节点必须配置一定增益的光放大器，然而设置光放大器的成本较高，所以网络中分光节点设置的代价相对较高。为了减小网络的搭建成本，可以采用稀疏配置分光节点的方法，即在网络中只配置一定数量的分光节点，而其它节点都配置成不具有分光能力的节点。但是，在一多播业务的多播树网络中，若分光节点的某一分支上存在多个目的节点，且该分支上没有其它分光节点，则将使用更多的波长资源才能进行多播传输，否则将出现相互竞争导致OCS网络中该分支上只能进行单播业务、而对于OBS网络则将导致该分支上的目的节点不能完成业务的接收。因此，如果分光节点配置不合理(如：网络中存在大量节点不是分光节点的邻接节点)则会消耗更多的波长资源才能覆盖所有的目的节点，使多播路由的代价增加。因而，上述全光网络多播方法中：采用单一的OCS全光网络多播、其带宽利用率低、而采用单一的OBS全光网络多播又存在包丢失率较高的缺陷；即使在稀疏设置分光节点的情况下，若分光节点分布(设置)不合理，则无论是采用OCS网络、还是OBS网络全光多播也都需占用较多的波长资源。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究设计一种基于混合光交换网络的多播数据传输方法，将OCS全光网络多播和OBS全光网络多播有机结合起来、采用混合光交换网络的多播数据传输，并根据多播树网络中节点分布情况、在确保覆盖所有的目的节点的前提下，采用科学的优选方法尽可能少地设置分光节点；以达到有效降低多播网络节点设置的代价及波长资源的占用量，提高带宽的利用率及网络运行的可靠性，降低丢包率及网络运行的成本等目的。

本发明的解决方案是在网络构建时，将一个大网络分成若干个大小相近的小区域，并根据分光节点的低量优选设置原则、在每个区域内仅设一个分光节点，其余节点均设为普通节点；网络运行方面，则将OCS和OBS全光网络多播技术有机地结合起来，在区域内部采用OBS交换技术、通过域内OBS多播路由进行全光网络多播，而在区域之间则在全光互联的基础上、采用主从型混合光交换技术，通过OCS光路完成全光网络多播；本发明即以此实现其发明目的。因此，本发明方法包括：

A.设置各分光节点及划分网络区域：确定各分光节点在网络中的位置，并按每个区域内仅设一个分光节点的原则划分小区域，其步骤如下：

步骤1.0.确定各分光节点的位置：首先将所有网络节点视为普通节点、并依次将各节点的邻接节点数与其余节点不经过分光节点到该节点的最小跳数总和的比值、作为该节点的距离权重值，再根据各节点权重值的大小、将其中最大权重值所对应的节点设为分光节点，然后再将除该分光节点外的其余各普通节点按相同的方法依次得出各节点相应的距离权重值、仍将其中最大值所对应的节点设为分光节点；依照该方式在余下的普通节点中继续筛选、设置分光节点，直至所设各分光节点与其邻接的普通节点覆盖完网络中全部节点或余下的节点数(同时)少于分光节点数及最小区域中普通节点数时止；

各节点距离权重值的数学表达式为： $w_n=\frac{d_n}{\underset{\underset{i\≠n}{i\∈V}}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{ni}}}$

其中，w_n为节点n的距离权重，d_n为节点n的邻接节点中普通节点个数，h_ni为各普通节点i不经过分光节点到节点n的最小跳数；

步骤2.0.划分小区域：按每个区域内仅设一个分光节点的原则、将该分光节点连同与其邻接的普通节点划为一个区域，区域划定后若有不与任何分光节点邻接的普通节点、则划入与其距离最近的分光节点所属区域或相对较小(节点数较少)的区域；

B.分配波长资源：区域分定后，首先从全网络的每条物理链路中分配不少于2条的有限数量的波长资源作为OBS控制信道传输BHP(突发头)和OBS数据信道传输突发包；然后根据各区域节点的多播业务量，利用网络中所有链路的未被占用的波长资源为每两个分光节点之间建立区域间的光路；最后将剩余的波长资源作为传输OBS突发包的数据通道；

C.建立多播路由：

步骤1.0.构建源区域域内路由：根据多播业务的源和目的节点构建源所在区域的域内多播路由，使其覆盖当前区域所有目的节点以及分光节点，然后转步骤2.0；

步骤2.0.判断是否需要进行域间多播：若多播业务目的节点包含其它区域节点，需要进行域间多播，则转步骤2.1；

步骤2.1.构建域间多播路由：域间多播路由以源区域的分光节点为源，所有目的区域的分光节点为目的节点，且当域间多播路径中任一光路发生溢出时，采用其与光路在物理上同路径的溢出路由取代该光路传输溢出的突发包，转步骤3.0；

步骤3.0.构建目的区域域内路由：以域内分光节点为源，使其覆盖当前区域内所有目的节点；

D.多播数据传送：当本地多播数据流进入网络节点，其处理过程采用以下步骤：

步骤1.0.将多播业务组装成突发包，转步骤2.0；

步骤2.0.根据突发包建立BHP(突发头)，转步骤3.0；

步骤3.0.发送BHP预约路由资源：按BHP记载的信息预约波长或光路资源，预约后转步骤4.0发送突发包；预约路由资源包括：

步骤3.1.预约源区域的域内OBS数据通道：BHP从源点出发沿所在区域内的OBS数据通道预约多播路由；若还需进行域间多播或仅需域间多播时，转步骤3.2；

步骤3.2.预约域间数据通道：首先根据BHP记载的信息预约域间光路，如果预约光路资源成功，则将BHP直接转发至目的区域的分光节点；否则预约溢出路由并传送BHP至目的区域的分光节点，然后转步骤3.3；

步骤3.3.预约目的区域内的OBS数据通道：当BHP到达目的区域的分光节点时，预约BHP的多播路由；

步骤4.0.发送突发包：当偏移时间到时，源节点发送OBS突发包，突发包经预约的数据通道进行传送。

本发明由于在网络构建时，将一个大网络分成若干个大小相近的小区域，并根据分光节点的低量优选设置原则、在每个区域内仅设一个分光节点，其余节点均设为普通节点，以降低多播网络分光节点的设置量及设置代价和波长资源的占用量；网络运行方面，则将OCS和OBS全光网络多播技术有机地结合起来，在区域内部采用OBS交换技术、通过域内OBS多播路由资源进行全光网络多播，增大了带宽利用率；而区域之间在全光互联的基础上、采用主从型混合光交换技术，通过OCS光路完成全光网络多播、减少数据包的丢失。因而，本发明具有可有效降低多播网络分光节点的设置量及设置代价和波长资源的占用量，提高了带宽的利用率及网络运行的可靠性，降低了传输过程中的丢包率及网络运行的成本等特点。

附图说明

图1为本发明具体实施例中由14个节点构成的网络(NSFNET-14)物理拓扑网络示意图；

图2为本发明具体实施中网络的节点区域划分以及分光节点的配置。

图3为本发明具体实施例中多播数据传输示意图

具体实施方式

附图1是由14个节点构成的网络(NSFNET-14)物理拓扑网络示意图，网络中的链路均为双向链路，本实施方式的网络上每根光纤上有四个波长(λ₀～λ₃)。

A.设置各分光节点及划分网络区域：

步骤1.0.确定各分光节点的位置：以每个节点的距离权重为依据设置分光节点，设w_n为节点n的距离权重，d_n为节点n的邻接节点中普通节点数，h_ni是普通节点i不经过分光节点到节点n的最小跳数，各节点n的距离权重w_n则由下式得：

$w_n=\frac{d_n}{\underset{\underset{i\≠n}{i\∈V}}{\mathrm{\Σ}}{h}_{\mathrm{ni}}}$

对于节点0而言：节点0的邻接普通节点有3个、则d₀为3；同时节点1至节点13中各节点到节点0的最小跳数各依次为：1、1、1、2、2、3、2、3、3、3、3、3、2；

则： $\underset{\underset{i\≠0}{i\∈V}}{\mathrm{\Σ}}{h}_{0i}=1+1+1+2+2+3+2+3+3+3+3+3+2=29;$

节点0的的距离权重为： $w_0=\frac{d_0}{\underset{\underset{i\≠0}{i\∈V}}{\mathrm{\Σ}}{h}_{0i}}=\frac{3}{29}=0.103$

同样，依次得到其余节点的距离权重值并将所有节点的距离权重按从大到小排序为：0.167，0.16，0.111，0.111，0.107，0.107，0.107，0.107，0.103，0.103，0.103，0.103，0.069，0.067，分别对应于节点5，7，3，4，1，2，9，10，0，11，12，13，8，6；其中节点5的距离权重最大，设置为第一个分光节点；同理，计算除去分光节点5后剩余的13个普通节点的距离权重，其中节点7的距离权重最大，则将节点7设置为第二个分光节点；然后，再次从除去分光节点5和7剩余的12个节点中筛选出节点13并将其设置为第三个分光节点；由于分光节点5，7，13及其邻接节点覆盖了网络中除去节点0的所有节点，分光节点的设置完毕；

步骤2.0.划分小区域：按每个区域内仅设一个分光节点的原则，首先将与分光节点5，7，13分别邻接的节点划入相应分光节点代表的I、II、III三个区域；由于节点0与分光节点5，7，13的距离相同，在本实施例中则将其划入当前节点最少的分光节点7所属的第II区域；则三个区域分别为：区域I包含：1，4，5，8，9五个节点；区域II包含：0，2，6，7，10五个节点；区域III包含：3，11，12，13四个节点；

B.分配波长资源：首先从全网每条物理链路中预留两个波长资源，其中一个波长(λ₀)作为控制信道传输BHP，另一个波长波长(λ₁)作为OBS数据信道传输突发包；然后根据各区域节点的多播业务量，利用网络中所有链路的未占用波长资源为每两个分光节点之间建立域间光路。在本实施列中，构建的域间光路分别是：5-8-7(λ₃)，7-8-5(λ₃)，7-10-11-13(λ₃)，13-11-10-7(λ₃)，5-9-12-13(λ₃)，13-12-9-5(λ₃)，最后将网络中剩余的波长资源均作为传输OBS突发包的数据通道。

C.建立多播路由：本实施例以网络中有一个源节点是2，目的节点是0、1、4、10、12的多播业务为例，其多播路由是：

步骤1.0.构建源区域域内路由：根据多播业务的源和目的节点构建源所在区域域内多播路由，该域内多播路由则是由以源节点2为源，覆盖当前区域所有目的节点0、10及分光节点7、以及链路(2，0)、(2，7)、(7，10)上的OBS数据信道组成，转步骤2.0；

步骤2.0.判断是否需要进行域间多播：由于该多播业务目的节点包含其他区域节点(区域I的节点1、4以及区域III的节点12)，转步骤2.1；

步骤2.1.构建域间多播路由：域间多播路由则是由以源区域II的分光节点7为源，目的区域I、III的分光节点5和13为目的节点、以及域间光路7-13和7-5组成；同时域间光路7-13与7-5的溢出路由分别是链路(7，10)、(10，11)、(11，13)上的OBS数据信道和链路(7，8)、(8，5)上的OBS数据信道；转步骤3.0；

步骤3.0.构建目的区域域内路由：在区域I中、域内多播路由是由以分光节点5为源，覆盖当前区域所有目的节点1和4，以及链路(5，1)、(5，4)上的OBS数据信道组成；在区域III中、该域内多播路由则只由分光节点13、目的节点12、以及链路(13，12)上的OBS数据信道组成；

D.多播数据传送：当该多播数据流进入网络节点，其传送过程如下：

步骤1.0.将多播业务送入汇聚缓存组装成突发包，转步骤2.0；

步骤2.0.根据突发包建立BHP；转步骤3.0；

步骤3.0.发送BHP预约路由资源：按BHP记载的信息预约波长或光路资源，预约路由资源的步骤包括步骤3.1～3.3，预约后转步骤4.0发送突发包；

步骤3.1.预约源区域内的OBS数据通道：BHP从源点2出发预约链路(2，0)、(2，7)、(7，10)上的OBS数据信道。由于该多播业务需要进行域间多播，转步骤3.2；

步骤3.2.预约域间数据通道：当分光节点7收到BHP，复制两个BHP分别用于预约光路7-13与光路7-5；如果光路预约成功，则将BHP直接转发至目的区域的分光节点；否则预约溢出路由并传送BHP至目的区域的分光节点；然后转步骤3.3；

步骤3.3.预约目的区域内的OBS数据通道：当BHP到达目的节点分光节点5时，复制并发送BHP预约链路(5，1)、(5，4)上的OBS数据信道。当BHP到达目的节点分光节点13时，发送BHP预约链路(13，12)上的OBS数据信道。

步骤4.0.发送突发包：当偏移时间到时，源节点发送由步骤3.0送入的突发包，突发包经预约的数据通道(包括区域II中链路(2，0)、(2，7)、(7，10)上的OBS数据信道，域间光路7-13、7-5及其相应溢出路由，区域I中链路(5，1)、(5，4)上的OBS数据信道以及区域III中链路(13，12)上的OBS数据信道)进行传送。附图3即为该项多播数据传输示意图。

本实施方式附图中：

表示分光节点，表示普通节点；

表示没有预约该链路上的OBS数据通道，

表示预约该链路上的OBS数据通道作为域内多播路由，

表示预约该链路上的OBS数据通道作为溢出路由，

表示已预约的域间光路，

表示未预约的域间光路；

表示通过域内多播路由传输的突发包，表示通过域间光路传输的突发包，

表示通过溢出路由传输的突发包。

Claims (1)

1.一种基于混合光交换网络的多播数据传输方法，包括：

A.设置各分光节点及划分网络区域：确定各分光节点在网络中的位置，并按每个区域内仅设一个分光节点的原则划分小区域，其步骤如下：

步骤1.0.确定各分光节点的位置：首先将所有网络节点视为普通节点、并依次将各节点的邻接节点数与其余节点不经过分光节点到该节点的最小跳数总和的比值、作为该节点的距离权重值，再根据各节点权重值的大小、将其中最大权重值所对应的节点设为分光节点，然后再将除该分光节点外的其余各普通节点按相同的方法依次得出各节点相应的距离权重值、仍将其中最大值所对应的节点设为分光节点；依照该方式在余下的普通节点中继续筛选、设置分光节点，直至所设各分光节点与其邻接的普通节点覆盖完网络中全部节点或余下的节点数少于分光节点数及最小区域中普通节点数时止；

各节点距离权重值的数学表达式为： 

其中，w_n为节点n的距离权重，d_n为节点n的邻接节点中普通节点个数，h_ni为各普通节点i不经过分光节点到节点n的最小跳数，V为各普通节点i的集合；

步骤2.0.划分小区域：按每个区域内仅设一个分光节点的原则、将该分光节点连同与其邻接的普通节点划为一个区域，区域划定后若有不与任何分光节点邻接的普通节点、则划入与其距离最近的分光节点所属区域或相对最少的区域；

B.分配波长资源：区域分定后，首先从全网络的每条物理链路中分配不少于2条的有限数量的波长资源作为OBS控制信道传输BHP和OBS数据信道传输突发包；然后根据各区域节点的多播业务量，利用网络中所有链路的未被占用的波长资源为每两个分光节点之间建立区域间的光路；最后将剩余的波长资源作为传输OBS突发包的数据通道；

C.建立多播路由：

步骤1.0.构建源区域域内路由：根据多播业务的源和目的节点构建源所在区域的域内多播路由，使其覆盖当前区域所有目的节点以及分光节点，然后转步骤2.0；

步骤2.0.判断是否需要进行域间多播：若多播业务目的节点包含其它区域节点，需要进行域间多播，则转步骤2.1；

步骤2.1.构建域间多播路由：域间多播路由以源区域的分光节点为源，所有目的区域的分光节点为目的节点，且当域间多播路径中任一光路发生溢出时，采用其与光路在物理 上同路径的溢出路由取代该光路传输溢出的突发包，转步骤3.0；

步骤3.0.构建目的区域域内路由：以域内分光节点为源，使其覆盖当前区域内所有目的节点；

D.多播数据传送：当本地多播数据流进入网络节点，其处理过程采用以下步骤：

步骤1.0.将多播业务组装成突发包，转步骤2.0；

步骤2.0.根据突发包建立BHP，转步骤3.0；

步骤3.0.发送BHP预约路由资源：按BHP记载的信息预约波长或光路资源，预约后转步骤4.0发送突发包；预约路由资源包括：

步骤3.1预约源区域的域内OBS数据通道：BHP从源点出发沿所在区域内的OBS数据通道预约多播路由；若还需进行域间多播或仅需域间多播时，转步骤3.2；

步骤3.2预约域间数据通道：首先根据BHP记载的信息预约域间光路，如果预约光路资源成功，则将BHP直接转发至目的区域的分光节点；否则预约溢出路由并传送BHP至目的区域的分光节点，然后转步骤3.3；

步骤3.3预约目的区域内的OBS数据通道：当BHP到达目的区域的分光节点时，预约BHP的多播路由；

步骤4.0.发送突发包：当偏移时间到时，源节点发送OBS突发包，突发包经预约的数据通道进行传送。 

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