光数据包交换节点性能分析范文

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《电子器件杂志》2014年第三期

1光交换节点内竞争解决机制

1．1采用波长转换竞争解决机制如图1所示，交换节点所在光网络采用m波波分复用，输入端口光信号经过解复用器后进入空分交换矩阵，经交换后输出至目标端口，每个输出端口有m个波长转换器，将经过交换矩阵输出的信号波长转换到λ1至λm，最后波分复用器将m波复用至一根光纤输出。该节点结构数据间不发生竞争的条件是，在同一时刻请求交换至同一个输出端口的数据包个数不超过m个，若同时有超过m个数据包请求同一输出端口，则必然会有数据包被丢弃。

1．2时频二维竞争解决机制为了进一步降低丢包率，在图1所示节点结构的基础上加入FDL光缓存单元，即时频二维竞争解决机制，如图2所示。数据间不发生竞争的条件是，在同一时刻请求交换至同一个输出端口的数据包个数不超过m×w个，若同时有超过m×w个数据包请求同一输出端口，将会有数据包被丢弃。一般地，一个光缓存单元中可以有w根长度不等的光纤延迟线，且每根光纤延迟线间长度之差相同，如图3所示。

2输出端口排队分析模型

本节中将利用排队论［10］，假设数据包以泊松流到达输出端口，应明确分析对象是节点的输出端口而不是整个节点。在有波长转换能力的输出端口内，可将每个波长信道作为一个服务窗，只要有波长信道空闲，数据包即可得到输出。

2．1单波长、无FDL光缓存输出端口分析模型为了说明波长转换和FDL光缓存能够降低输出端口丢包率，先建立单波长，无FDL光缓存输出端口分析模型。该情况可用单服务窗损失制排队模型分析(M/M/1/1模型)。设数据包以泊松流到达该输出端口，到达率为λ，数据包长度服从负指数分布，均值1/μ，则输出端口的数据服务率为μ，当输出端口被占用时到达的数据包被丢弃。定义ρ=λ/μ为端口的负荷水平或强度。

2．2多波长、无FDL缓存输出端口分析模型该情况可用多服务窗损失制排队模型分析(M/M/n/n模型)。设数据包以泊松流到达该输出端口，到达率为λ，数据包长度服从负指数分布，均值1/μ，则某波长信道的数据服务率为μ，该端口有n个波长信道，当全部波长信道均被占用时到达的数据包被丢弃。定义ρ=λ/μ。端口内数据包个数的所有状态可能及相互转移情况可用马尔可夫链描述，如图4所示。可以得到，输出端口丢包率2．3多波长，有FDL缓存输出端口分析模型该情况可用多服务窗混合制排队模型分析(M/M/n/m模型)。设数据包以泊松流到达该输出端口，到达率为λ，数据包长度服从负指数分布，均值1/μ，则某波长信道的数据服务率为μ，该端口有n个波长信道，m－n条独立的FDL供缓存数据包，则该端口最多可同时容纳m(m＞n＞1)个数据包。定义ρ1=λ/μ，ρ=ρ1/n=λ/(nμ)。端口内数据包个数的所有状态可能及相互转移情况可用马尔可夫链描述，如图5所示。

3丢包率数值分析及讨论

3．1单波长，无FDL光缓存输出端口丢包率分析图6给出了单波长无FDL缓存结构在不同端口负载ρ下丢包率P_loss的变化情况。从图中可以看出，随端口负载ρ的增大，丢包率P_loss增加，且增加速率不断趋缓。端口负载ρ趋近于1时(到达率等于服务率)，端口丢包率P_loss趋近于50%，即有一半的数据包丢失，要使丢包率P_loss小于10%，则端口负载ρ必须小于0．11。可见，在单波长无FDL光缓存结构下，较低的端口负载就会造成较高的丢包率。

3．2多波长，无FDL缓存输出端口丢包率分析图7给出了无FDL光缓存，在不同复用波长数k下，端口丢包率P_loss随端口负载ρ变化的一族曲线。从图7可以看出，在相同复用波长个数k下，丢包率P_loss随端口负载ρ不断增加，并且随端口负载ρ增大，丢包率P_loss的增加趋势减缓，在高负载(ρ＞0．5)情况下，丢包率P_loss增量很小;随着复用波长数k的增加，丢包率P_loss曲线整体下移，各条曲线近似平行。图8中可以看到，端口负载ρ=0．8时，3波复用(k=3)丢包率P_loss小于10%，而8波复用(k=8)丢包率已经小于0．001%(十万分之一)。所以，增加系统的复用波长数时，端口丢包率下降很快。

3．3多波长，有FDL缓存输出端口丢包率分析图9给出了在不同FDL延迟线数量下端口丢包率P_loss随端口负载ρ变化曲线，其中固定了复用波长数k等于8。FDL延迟线数量指的是一个光缓存单元中除直通外的FDL的根数，即图3中的w。需要注意的是因M/M/n/n模型和M/M/n/m模型的归一化端口负载ρ定义不同，图9中与图7中端口负载ρ的强度不同，并不能相互比较。从图9可以看出，在相同FDL延迟线数量下，丢包率P_loss随端口负载ρ不断增加，并且随端口负载ρ增大，丢包率P_loss的增加趋势减缓;随光缓存单元中FDL延迟线数量的增加，丢包率P_loss相应减少，但各条曲线并不平行，当端口负载ρ较低(ρ＜0．5)时，丢包率P_loss急剧减少，而当端口负载ρ较高(ρ＞0．5)时，丢包率P_loss仅略微降低。为了更清楚地看到数值变化情况，将不同负载下的丢包率变化情况用图10表示。由图10可得，在低负载情况下，增加光缓存单元中FDL延迟线数量可以使丢包率P_loss以指数规律急剧降低。负载ρ=0．2时，无FDL延迟线丢包率约10－4，而FDL延迟线数量w=4时丢包率降低到将近10－50，几乎不存在丢包。在高负载情况下，增加光缓存单元中FDL延迟线数量，丢包率P_loss有所降低，但没有低负载情况时降低明显。负载ρ=0．8时，无FDL延迟线丢包率约0．1，而FDL延迟线数量w=8时丢包率P_loss仅降低到约10－7。可以推断，当负载ρ趋近于1时，增加FDL延迟线数量将对丢包率P_loss影响甚微。从3．1节到3．3节的分析可以看出，在具有波长转换能力的节点中，增加复用波长个数和加入FDL光缓存单元均可以减小端口丢包率。在端口负载不同的情况下增加复用波长个数和加入FDL延迟线数量对减小端口丢包率的效果不同。在高端口负载下增加复用波长个数对减小端口丢包率比较有效，在低端口负载下增加FDL延迟线数量对减小端口丢包率比较有效。因实际工作系统中在理想情况下端口负载一般维持在较高水平，所以应优先考虑增加复用波长个数以降低端口丢包率。

4结论

本文主要研究基于时频二维竞争解决机制的光数据交换节点中采用波长转换和FDL光缓存单元对端口丢包率的影响。探究了光数据交换节点中丢包率产生原因，给出了低丢包率光数据交换节点结构。建立了单波长无FDL、多波长无FDL和多波长有FDL三种情况下端口丢包率排队论模型。对复用波长个数和光缓存单元中FDL延迟线数量对端口丢包率的影响进行了数值分析，得出了在不同端口负载情况下应采用不同的方式降低端口丢包率的结论，为光数据包交换节点的设计提供了一些有益的参考。

作者：郑宇周谞孙小菡单位：东南大学光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心