光數(shù)據(jù)包交換節(jié)點(diǎn)性能分析范文

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《電子器件雜志》2014年第三期

1光交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)競爭解決機(jī)制

1．1采用波長轉(zhuǎn)換競爭解決機(jī)制如圖1所示，交換節(jié)點(diǎn)所在光網(wǎng)絡(luò)采用m波波分復(fù)用，輸入端口光信號經(jīng)過解復(fù)用器后進(jìn)入空分交換矩陣，經(jīng)交換后輸出至目標(biāo)端口，每個輸出端口有m個波長轉(zhuǎn)換器，將經(jīng)過交換矩陣輸出的信號波長轉(zhuǎn)換到λ1至λm，最后波分復(fù)用器將m波復(fù)用至一根光纖輸出。該節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)間不發(fā)生競爭的條件是，在同一時刻請求交換至同一個輸出端口的數(shù)據(jù)包個數(shù)不超過m個，若同時有超過m個數(shù)據(jù)包請求同一輸出端口，則必然會有數(shù)據(jù)包被丟棄。

1．2時頻二維競爭解決機(jī)制為了進(jìn)一步降低丟包率，在圖1所示節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入FDL光緩存單元，即時頻二維競爭解決機(jī)制，如圖2所示。數(shù)據(jù)間不發(fā)生競爭的條件是，在同一時刻請求交換至同一個輸出端口的數(shù)據(jù)包個數(shù)不超過m×w個，若同時有超過m×w個數(shù)據(jù)包請求同一輸出端口，將會有數(shù)據(jù)包被丟棄。一般地，一個光緩存單元中可以有w根長度不等的光纖延遲線，且每根光纖延遲線間長度之差相同，如圖3所示。

2輸出端口排隊分析模型

本節(jié)中將利用排隊論［10］，假設(shè)數(shù)據(jù)包以泊松流到達(dá)輸出端口，應(yīng)明確分析對象是節(jié)點(diǎn)的輸出端口而不是整個節(jié)點(diǎn)。在有波長轉(zhuǎn)換能力的輸出端口內(nèi)，可將每個波長信道作為一個服務(wù)窗，只要有波長信道空閑，數(shù)據(jù)包即可得到輸出。

2．1單波長、無FDL光緩存輸出端口分析模型為了說明波長轉(zhuǎn)換和FDL光緩存能夠降低輸出端口丟包率，先建立單波長，無FDL光緩存輸出端口分析模型。該情況可用單服務(wù)窗損失制排隊模型分析(M/M/1/1模型)。設(shè)數(shù)據(jù)包以泊松流到達(dá)該輸出端口，到達(dá)率為λ，數(shù)據(jù)包長度服從負(fù)指數(shù)分布，均值1/μ，則輸出端口的數(shù)據(jù)服務(wù)率為μ，當(dāng)輸出端口被占用時到達(dá)的數(shù)據(jù)包被丟棄。定義ρ=λ/μ為端口的負(fù)荷水平或強(qiáng)度。

2．2多波長、無FDL緩存輸出端口分析模型該情況可用多服務(wù)窗損失制排隊模型分析(M/M/n/n模型)。設(shè)數(shù)據(jù)包以泊松流到達(dá)該輸出端口，到達(dá)率為λ，數(shù)據(jù)包長度服從負(fù)指數(shù)分布，均值1/μ，則某波長信道的數(shù)據(jù)服務(wù)率為μ，該端口有n個波長信道，當(dāng)全部波長信道均被占用時到達(dá)的數(shù)據(jù)包被丟棄。定義ρ=λ/μ。端口內(nèi)數(shù)據(jù)包個數(shù)的所有狀態(tài)可能及相互轉(zhuǎn)移情況可用馬爾可夫鏈描述，如圖4所示。可以得到，輸出端口丟包率2．3多波長，有FDL緩存輸出端口分析模型該情況可用多服務(wù)窗混合制排隊模型分析(M/M/n/m模型)。設(shè)數(shù)據(jù)包以泊松流到達(dá)該輸出端口，到達(dá)率為λ，數(shù)據(jù)包長度服從負(fù)指數(shù)分布，均值1/μ，則某波長信道的數(shù)據(jù)服務(wù)率為μ，該端口有n個波長信道，m－n條獨(dú)立的FDL供緩存數(shù)據(jù)包，則該端口最多可同時容納m(m＞n＞1)個數(shù)據(jù)包。定義ρ1=λ/μ，ρ=ρ1/n=λ/(nμ)。端口內(nèi)數(shù)據(jù)包個數(shù)的所有狀態(tài)可能及相互轉(zhuǎn)移情況可用馬爾可夫鏈描述，如圖5所示。

3丟包率數(shù)值分析及討論

3．1單波長，無FDL光緩存輸出端口丟包率分析圖6給出了單波長無FDL緩存結(jié)構(gòu)在不同端口負(fù)載ρ下丟包率P_loss的變化情況。從圖中可以看出，隨端口負(fù)載ρ的增大，丟包率P_loss增加，且增加速率不斷趨緩。端口負(fù)載ρ趨近于1時(到達(dá)率等于服務(wù)率)，端口丟包率P_loss趨近于50%，即有一半的數(shù)據(jù)包丟失，要使丟包率P_loss小于10%，則端口負(fù)載ρ必須小于0．11?？梢?，在單波長無FDL光緩存結(jié)構(gòu)下，較低的端口負(fù)載就會造成較高的丟包率。

3．2多波長，無FDL緩存輸出端口丟包率分析圖7給出了無FDL光緩存，在不同復(fù)用波長數(shù)k下，端口丟包率P_loss隨端口負(fù)載ρ變化的一族曲線。從圖7可以看出，在相同復(fù)用波長個數(shù)k下，丟包率P_loss隨端口負(fù)載ρ不斷增加，并且隨端口負(fù)載ρ增大，丟包率P_loss的增加趨勢減緩，在高負(fù)載(ρ＞0．5)情況下，丟包率P_loss增量很小;隨著復(fù)用波長數(shù)k的增加，丟包率P_loss曲線整體下移，各條曲線近似平行。圖8中可以看到，端口負(fù)載ρ=0．8時，3波復(fù)用(k=3)丟包率P_loss小于10%，而8波復(fù)用(k=8)丟包率已經(jīng)小于0．001%(十萬分之一)。所以，增加系統(tǒng)的復(fù)用波長數(shù)時，端口丟包率下降很快。

3．3多波長，有FDL緩存輸出端口丟包率分析圖9給出了在不同F(xiàn)DL延遲線數(shù)量下端口丟包率P_loss隨端口負(fù)載ρ變化曲線，其中固定了復(fù)用波長數(shù)k等于8。FDL延遲線數(shù)量指的是一個光緩存單元中除直通外的FDL的根數(shù)，即圖3中的w。需要注意的是因M/M/n/n模型和M/M/n/m模型的歸一化端口負(fù)載ρ定義不同，圖9中與圖7中端口負(fù)載ρ的強(qiáng)度不同，并不能相互比較。從圖9可以看出，在相同F(xiàn)DL延遲線數(shù)量下，丟包率P_loss隨端口負(fù)載ρ不斷增加，并且隨端口負(fù)載ρ增大，丟包率P_loss的增加趨勢減緩;隨光緩存單元中FDL延遲線數(shù)量的增加，丟包率P_loss相應(yīng)減少，但各條曲線并不平行，當(dāng)端口負(fù)載ρ較低(ρ＜0．5)時，丟包率P_loss急劇減少，而當(dāng)端口負(fù)載ρ較高(ρ＞0．5)時，丟包率P_loss僅略微降低。為了更清楚地看到數(shù)值變化情況，將不同負(fù)載下的丟包率變化情況用圖10表示。由圖10可得，在低負(fù)載情況下，增加光緩存單元中FDL延遲線數(shù)量可以使丟包率P_loss以指數(shù)規(guī)律急劇降低。負(fù)載ρ=0．2時，無FDL延遲線丟包率約10－4，而FDL延遲線數(shù)量w=4時丟包率降低到將近10－50，幾乎不存在丟包。在高負(fù)載情況下，增加光緩存單元中FDL延遲線數(shù)量，丟包率P_loss有所降低，但沒有低負(fù)載情況時降低明顯。負(fù)載ρ=0．8時，無FDL延遲線丟包率約0．1，而FDL延遲線數(shù)量w=8時丟包率P_loss僅降低到約10－7。可以推斷，當(dāng)負(fù)載ρ趨近于1時，增加FDL延遲線數(shù)量將對丟包率P_loss影響甚微。從3．1節(jié)到3．3節(jié)的分析可以看出，在具有波長轉(zhuǎn)換能力的節(jié)點(diǎn)中，增加復(fù)用波長個數(shù)和加入FDL光緩存單元均可以減小端口丟包率。在端口負(fù)載不同的情況下增加復(fù)用波長個數(shù)和加入FDL延遲線數(shù)量對減小端口丟包率的效果不同。在高端口負(fù)載下增加復(fù)用波長個數(shù)對減小端口丟包率比較有效，在低端口負(fù)載下增加FDL延遲線數(shù)量對減小端口丟包率比較有效。因?qū)嶋H工作系統(tǒng)中在理想情況下端口負(fù)載一般維持在較高水平，所以應(yīng)優(yōu)先考慮增加復(fù)用波長個數(shù)以降低端口丟包率。

4結(jié)論

本文主要研究基于時頻二維競爭解決機(jī)制的光數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)中采用波長轉(zhuǎn)換和FDL光緩存單元對端口丟包率的影響。探究了光數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)中丟包率產(chǎn)生原因，給出了低丟包率光數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。建立了單波長無FDL、多波長無FDL和多波長有FDL三種情況下端口丟包率排隊論模型。對復(fù)用波長個數(shù)和光緩存單元中FDL延遲線數(shù)量對端口丟包率的影響進(jìn)行了數(shù)值分析，得出了在不同端口負(fù)載情況下應(yīng)采用不同的方式降低端口丟包率的結(jié)論，為光數(shù)據(jù)包交換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計提供了一些有益的參考。

作者：鄭宇周谞孫小菡單位：東南大學(xué)光傳感/通信綜合網(wǎng)絡(luò)國家地方聯(lián)合工程研究中心