【WDM网络中拥塞控制方法的研究】计算机网络拥塞控制

　　摘要:随着网络信息容量需求的快速增长,网络拥塞现象越来越严重。拥塞控制是实现网络QoS的重要途径,本文提出了在采用光信号交换的全光网络中如何实现拥塞控制的方法。 　　关键词:WDM;拥塞控制
　　中图分类号:TP316.8 文献标识码:A
　　
　　1 引言
　　
　　随着数据通信的迅速发展,特别是Internet业务量呈爆炸性增长,人们对通信系统在传输距离、交换容量等方面的要求不断提高。这种传输网信息容量需求的快速增长,带来的直接后果是现有的光纤通信系统出现了负载能力饱和的情况,迫切需要解决的是网络扩容问题。网络扩容的复用技术包括波分复用(WDM,Wavelength Division Multiplexing)、时分复用(TDM,Time Division Multiplexing)和码分复用(CDM,Code Division Multiplexing)。其中,TDM和CDM对电子器件的要求很高,目前还没有成熟的实用化产品,而WDM在20世纪90年代中期以后迅速走向成熟并进入商业化应用。WDM传送网和高速交换路由器技术的发展对建设宽带通信骨干网提供了有力的支持。波分复用技术对网络的升级扩容、发展宽带新业务、充分挖掘和利用光纤带宽能力,具有十分重要的意义。因此,WDM技术是光纤传输网络增容的主要技术手段,目前的技术水平已达到40Gbit/s。
　　
　　2 WDM网络及其伴随的相关技术问题
　　
　　波分复用(WDM)将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器(亦称合波器,Multiplexer)汇合在一起,并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输;在接收端,经分用器将各种波长的光载波分离,然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。波分复用技术就是将多个波长复用在一根光纤上进行传输的技术。WDM将光纤的可用波段分成若干个小信道,每个信道对应一个波长,不同的波长信道可以同时在同一根光纤中传输,使通信容量成倍或数十倍、数百倍增长,以满足日益增长的信息传输需求。
　　目前大多数宽带网的底层是点到点光纤链路,尽管WDM技术大大增加传输链路的带宽,但是光纤传输系统速率的提高也带来了一个新的问题。在这种高速传输的网络中,如果网络节点处仍以电信号处理信息的速度进行交换,就会受到所谓“电子瓶颈”的限制,节点将变得庞大而复杂,超高速传输所带来的经济效益将被昂贵的光/电和电/光转换费用所抵消。因此,可以在网络内部以光纤为传输介质、使用WDM方式传输信号、并以全光(all-optical)方式进行交换。
　　全光网络有两种基本形式:广播-选择网络和波长路由网络。下面图1和图2分别说明了这两种网络方式。
　　
　　全光网络从原理上讲就是网中直到端用户节点之间的信号通道仍然保持着光的形式,即端到端的全光路,中间没有光电转换器。这样,网内光信号的流动就没有光电转换的障碍,信息传递过程无需面对电子器件处理信息速率难以提高的困难。可以想象,在这种全光网络中,因为没有电信号的参与,光信号如何路由选径?这种条件下传统的路由理论等整套思想面临巨大的挑战。具体表现在:因为在全光条件下路由是以波长而非链路为基础的,因此路由从网络层变到了物理层,不再只是确定目标地址,而是要根据节点当时的具体条件,为信息流选择一种合适的波长(频率)。
　　3 拥塞的产生
　　
　　全光网络在一定程度解决了传送带宽的瓶颈问题,但仍然还是传统的路由器加专线的组网方式,存在逐跳寻址与转发等问题,不能保证服务质量(QoS)和信息安全。拥塞是影响网络性能和效率的重要因素,因此如何在全光网络中进行拥塞控制,以确保互联网鲁棒性是网络研究的关键。
　　因为在全光网络WDM条件下,一股信息流从源传送到目的地,不只是要面临源、目的节点位置的选择,即传统意义上的路由,而且从一个节点路过时,入和出可能使用到不同的波长或频率。而在一个固定的频带范围内,可选的频率种数是有限的,当很多的信息流要同时从某节点通过时,有限的可供选择的频率种数就成了紧张资源。包括入和出都存在这个问题。
　　比如图3,众多的节点同时向F传送信息,他们都需要与F预约频率,而且各个源节点可能同时与F之间有多个连接需要建立。这就更要占用频率数。从F节点离开的信息流又要与E之间建立连接、预约频率,那时因为入和出不在同一接口,所以入和出之间不存在竞争。
　　
　　假设向F点入的可选择频率种数已用完,则后面需要与F建立连接、预约频率的信息流就不得不进入等待,一直等到有别的信息流传输完毕、释放频率后才能进入和F预约频率建立连接阶段,这就产生了拥塞。
　　因为到目前为止,光信息还没有解决存储问题,而WDM网络中不存在电信号,则要求预约频率的信息流如何等待?遇到这种情况,则只有要求源节点先收回请求,因为在F的各入口没有地方保存等待队列。等到F有空余的可选频率供其他节点预约时,原来就要求跃跃欲试的节点可能不知道,就有可能错过机会。因此,研究在WDM网络下拥塞控制机制很有必要。
　　
　　4 可供参考的拥塞控制设计
　　
　　4.1 随机发出
　　因为在F节点没有办法有效地保存等待队列,所以源节点必须先收回自己的请求,等待一个随即时间再次发出预约请求。这个等待时间间隔不能太大也不能太小,可以参考以太网中停止等待协议的思想,让等待预约的节点等待一个规定的随机时间再向F发出预约要求。这里又有与以太网中争用信道不同的地方,首先F节点本身已拥有相当数量的可选频率,出现拥塞导致争用的机会不是很多,不像以太网中争用信道那样只要传送就有争用。因此等待时间间隔要做必要的修改。
　　这种办法的好处是简单,缺点是可能会出现某节点C先要求预约,但是由于F频率已用完而必须等待,即预约不成,在它等待的时候,刚好F释放了某一频率,结果另一节点来的恰是时候,与F约定成功,而C又必须苦苦地继续等待。这样一来导致对节点的不公平待遇。
　　4.2 循环查询
　　这种办法的特点是,入节点虽然收回了自己的请求,但始终在与F的连接口上保持着要求预约的标志,F只要有空余的频率可供其它节点预约,就循环查询与之连接的所有节点,看是否有递交的预约请求,一旦查到,就同意与之协商选取一种频率进行通信。
　　这种办法的好处是要求预约的节点不会错过机会,但缺点是源节点必须时刻保持这一标志,而F必须增加查询能力,显然增加了技术的复杂度。
　　WDM网络相对于OTN网络来说,技术上还相对简单一些。因为WDM主要是解决点对点之间的问题,只要源和目的两节点之间预约好频率就能通信。因此上述办法就解决了相邻两物理节点之间的频率约定。如果某信息流穿过节点F后还要继续向前流动,那么通过F后与下一节点之间再通过预约光波频率以建立连接,但是从某一节点出去是不存在竞争的。
　　
　　5 结束语
　　
　　拥塞是一种复杂现象,拥塞控制也是一个复杂的课题,它涉及到用户要求、网络端系统、网络组成、网络运作模式,需要各部分协同工作。拥塞控制设计方法通常是许多因素综合考虑的折中,公平性和整体效率的折中,复杂性和性能之间的折中。现有的拥塞控制思路和方法在不同环境中不一定是最好的控制策略,在IP over WDM中,如何使用拥塞控制方法确保网络的健壮性,在未来WDM光网的发展中仍将是值得研究的课题。
　　
　　参考文献
　　[1]吴玉娥,吴产乐.WDM光网的拥塞控制[J].计算机与数学工程,2006(8).
　　[2]王玉宝,樊晓宇.IP over WDM光网络技术及其实现方案[J].光通信技术,2008(3).

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