专利名称：都会型光分组交换网络的介质访问控制装置及方法
技术领域：
本发明是有关一种提供即时讯务(Isochronous Traffic)的服务品质保证(Quality of Service)的都会型光分组交换网络的介质访问控制(MediumAccess Control)装置及其方法。
背景技术：
都会网络(Metro Network)主要以同步光纤网络(Synchronous OpticalNetwork, SONET)或同步数字体系(Synchronous Digital Hierarchy, SDH)的环状网络为主。环 状网络具备网络架构简单、塞取多工器(Add-DropMultiplexer，ADM)易于实现、以及高 速错误保护(High-Speed ProtectionSwitching)的能力可以满足高存活性需求等，所以 向来是都会网络的主要网络架构。S0NET/SDH网络本质上是以线路交换为基础(Circuit SwitchedBased)的网络，对于固定比特率(Constant Bit Rate, CBR)的应用，例如语音服 务(Voice Service)，会有相当的优势。然而对于以动态比特率(VariableBit Rate, VBR) 的应用，例如数据服务(Data Service)，可能会浪费网络资源。近年来，数据服务的讯务量(Flow Size)已超过语音服务且差异持续增大中。因 此有必要设计出一种适用于如暴增拥塞(Burst Traffic)的分组交换都会网络的介质访问 控制技术，以满足公平分配频宽，并达到即时讯务(Isochronous Traffic)的服务品质保证 (Quality of Service)。在 Μ· Marsan,A. Bianco, Ε. Leonardi，A. Morabito, and F. Neri 等人于 1999 年发表 的文献"All-Optical WDM Multi-Rings with DifferentiatedQoS, "IEEE Communications Magazine, vol.37, no.2, Feb.1999, pp. 58-66,公开了 一 禾中 SR3(Synchronous Round Robin with Reservation)的机制，用以在保留频宽中建立连线，其中的允入控制(Call Admission Control)机制使用一种通过广播(Borardcast)方式的类权杖(token-like)信 号进行连线的权限管理，这种方法通常要花费2至3圈的环状网络时间(ring time)的时 间才能建立连线，并且限制了环型网络中的节点数N需和数据通道的频道(channel)数目 W相等，系统较无弹性。另外在K. Bengi，and H. Van As 等人于 2002 年发表的文献"Eff icientQoS Support in a Slotted Multihop WDM Metro Ring, "IEEE Journal onSelected Areas in Communications, vol. 20，no. 1，Jan. 2002，pp. 216-227.，则提出 了另一种类似的技术，然而 其系统允许环型网络中的节点数N可以大于数据通道的频道(channel)数目W，相较之下较 系统架构较具弹性，但是仍然需要较多的时间才能建立连线。以上的两种已知技术中，前者是对某个成对的来源-目的节点 (source-destination)，后者则是针对某一个目的节点提供保留频宽，而保留频宽的地址 则是固定在某个特定的时隙(slot)的某个波长(wavelength)，并不是根据需求弹性分配。在 H. Leligou, J. Angelopoulos, C. Linardakis, and A. Stavdas 等人于 2004 年发表的文献"A MAC protocol for efficient multiplexingQoS-sensitive andbest-effort traffic in dynamically configurable WDM rings,"Journal Of Computer Networks, vol. 44，no. 3，Feb. 2004，pp. 305-317.提出了一种中央管理式的允入控制(Call Admission Control)机制用以在保留频宽中建立连线。这种已知技术只要在高优先等级的 数据(high priority data)无法送出 时，就会进行频宽的标示(mark bandwidth)，这种方 式会压缩到了其他低优先等级数据(low priority data)的频宽。
发明内容
依据本发明所公开的实施范例，提出了一种都会型光分组交换网络的介质访问控 制装置及其方法，应用于都会型光分组交换网络的节点，提供数据的传送服务。依据本发明所公开的实施范例之一，介质访问控制装置可包含一允入控制模块，采分散式配置于该都会型光分组交换网络的该节点，该允入控 制模块利用平均连线速率频宽保留的方法弹性地分配保留频宽给该即时讯务使用，并将该 即时讯务的传输量控制在一该保留频宽之下，并决定是否接受该即时讯务提出的建立连线 的请求；以及一介质访问控制处理器，依据一控制通道中的控制时隙所记录的控制讯息，为该 允入控制模块所接受的该即时讯务在该保留频宽中建立连线，控制多个数据通道的数据的 上传、卸载、除讯，并且更新控制讯息中相对应的内容。依据本发明所公开的实施范例之一，介质访问控制装置还具有一剩余频宽分配模 块，其中的剩余频宽分配模块利用机率式传输额度与信用余额的方式来分配剩余频宽，可 配合前述的允入控制模块和介质访问控制处理器提供数据的传送服务。依据本发明所公开的实施范例，介质访问控制方法包括在前述的迷你时隙中建 立和数据分组对应的控制讯息；依据节点在单一循环(cycle)的最大传输量Q (quota)及传 输量比例rH(Quota Ratio)决定保留频宽和剩余频宽依据平均连线速率(Mean Rate of Connection)频宽保留的方法弹性地将保留频宽分配给请求建立连线的即时讯务；以及在 保留频宽中建立即时讯务的连线。依据本发明所公开的介质访问控制方法的实施范例之一，其中还包括有利用机率 式传输额度与信用余额的方式来分配剩余频宽的步骤，以机率式传输额度与信用余额的方 式来分配剩余频宽，可配合前述的允入控制模块和介质访问控制处理器提供数据的传送服务。有关本发明的特征与实作，兹配合图示及实施例说明如下。
图1，公开本发明的环型光分组交换网络的拓朴架构的范例。图2，公开本发明的一般节点和服务节点的架构范例。图3，公开本发明的数据分组、时隙(Slot)、循环(Cycle)、和视窗(Window)的数据 结构范围。图4，公开本发明的服务节点的架构范例。图5，公开本发明的环型光分组交换网络的拓朴架构的另一范例。图6，公开本发明的介质访问控制装置架构的一个范例。
图7-1，公开本发明的环 型光分组交换网络传送数据的范例。图7-2，公开本发明的图7-1的数据流示意图。图8-1，公开本发明的环型光分组交换网络传送数据的另一范例。图8-2，公开本发明的图8-1的数据流示意图。图9，公开本发明的环型光分组交换网络中建立即时讯务的连线请求的数据流示 意图。图10，公开本发明的介质访问控制装置架构的另一范例。图11，公开本发明的输出量的模拟结果。图12，公开本发明的在不同的传输量比例rH的条件下的即时讯务的输出量 (Throughput)模拟结果。图13-1，公开本发明的在VBR即时讯务的时间延迟的模拟结果。图13-2，公开本发明的在VBR即时讯务的时间延迟/变化(Jitter)的模拟结果。主要元件符号说明10. ··环型光分组交换网络11... 一般节点(Ordinary Node)12···服务节点(Server Node)111，121...可调式传送器(Tunable Transmitter)112，122. · ·可调式接收器(Tunable Receiver)113，123...固定式传送器(Fixed Transmitter)114，124...固定式接收器(Fixed Receiver)125...时隙除讯器(Slot Eraser)126，128...全光卸载滤波器127，129. · ·分光器(Splitter)20...光纤30...数据分组(Packet)31. · ·控制时隙(Control Slot)40···介质访问控制处理器50...允入控制模块60...剩余频宽分配模块λ 1, λ2，···，λ w···数据通道λ 0. · ·控制通道Slot···时隙Cycle...循环ml, m2, ... , mw-1, mw. · ·迷你时隙
具体实施例方式本发明以都会型光分组交换网络(Optical Packet-Switched Metro WDMSlotted-Ring)为例，设计本发明装置及方法所试用的网络拓朴及节点的系统架构。「图 1」的范例公开了其中一种环型光分组交换网络实施例的拓朴架构，这个环型光分组交换网络10包含多个一般节点(Ordinary Node) 11以及至少一服务节点(Server Node) 12，甚至 全部皆为服务节点12也可以，只是建置的硬件成本较为昂贵。为便于区别，在「图1」以及 下文中所公开的类似图式中皆以立方体形状表示一般节点11，以圆柱体形状表示服务节点 12。这些节点(包含一般节点11和服务节点12)彼此之间以光纤20连接构成一种环状网 络，依据使用的光纤20数量可以是采用单一条光纤20的单环网络，也可以是使用两条光纤 20的双环网络，双环网络的优点在于可以防止因为任一节点故障、光纤受损或是其他原因 造成的传输中断。 环型光分组交换网络利用光纤波分多工(Wavelength DivisionMultiplexing, WDM)的技术，在光纤20内使用不同波长(Wavelength)的光信号来传送数据和控制信号，单 一光纤20内具有W个数据通道(DataChannel)和一个控制通道(Control Channel)，W个数 据通道λ 1，λ 2，...，λ w分别利用不同波长的光信号传送数据(其中W为大于1的整数)， 控制通道λ 0的控制信号则以另一波长的光信号传送。这些数据通道λ 1，λ 2，. . .，λ w和 控制通道λ0在同步的位置(指「图1」中在同一个垂直方向的位置)分别被一固定时间 长度的时隙(Time Slot)分割成多个数据分组30 (Packet)和对应的控制时隙31 (Control Slot)，数据分组30用以载送要传送的数据，时隙(Slot)的时间长度决定了每一个数据分 组30的数据载送量，更重要的是每一个控制时隙31中还记录了在同步位置上每一个相对 应的数据通道λ ，λ2，...，Aw中的多个数据分组30的控制讯息(详见下文)。如「图2」所示的范例，一般节点11在单一光纤20上装设有一个可调式传送器 IlKTunable Transmitter)和一个可调式接收器 112 (TunableReceiver)，用以在数据通 道λ ，λ2，...，λ w中进行数据的传送和接收，另外还有一固定式传送器113和一固定式 接收器114用以在控制通道λ 0中进行控制信号的传送和接收，具体而言就是传送和接收 控制通道中的控制时隙31。服务节点12具有一个或多个可调式传送器121和可调式接收 器122，用以在数据通道λ 1，λ 2，...，Xw中进行数据的接收和传送，一个固定式传送器 (Fixed Transmitter) 123和一个固定式接收器(Fixed Receiver) 124用以在控制通道入0 中进行控制信号的传送和接收，以及一个时隙除讯器125 (SlotEraser)用以清除数据通道 入1，λ2，...，λ w中已经被读取的数据分组30，使得频宽能被释放出来再度使用，提高频 宽的利用率。相较于传统的来源端移除(Source Stripping)和目的端移除(Destination Stripping)这两种网络架构，本发明采用服务节点12移除的方式，在硬件成本上要优于前 述两者，而整体效能则是介于前述两者之间。此外、上述的这些传送器和接收器可使用光塞 取多工器(Add-Drop Multiplexer, ADM)获得实现。「图3」的范例说明多个数据通道λ 1，λ2，...，λ w中的数据分组30，时隙(Slot)、 循环(Cycle)、和视窗(Window)的关系。其中每一个循环皆具有固定数量的时隙，而一个视 窗也具有固定数量的循环。在一个环型光分组交换网络中，任两个节点(包含一般节点11 和服务节点12)之间的每一次数据传送，都需要先在起始节点(Source Node)和目的节点 (Destination Node)之间建立连线(Connection)，建立连线的时间至少需要一圈环状网 络时间(ring time)，建立完成连线之后就会利用保留频宽(reserved)来传送数据。循环 中的时隙数目与视窗的循环数目皆为系统参数，系统运行中此两项参数为固定数量的常数 值。此固定数量可以是系统事先决定好的。控制通道λ 0中的每一个控制时隙31中包含有 W个迷你时隙ml，m2，· · .，mw-l,mw和一个标头(Header)，W个迷你时隙ml，m2，· ·.，丽-1，mw分别记录了同步位置上对应的W个数据通道λ 1，λ 2，...，λ w中的数据分组30的控制 讯息。控制通道λ 0的控制时隙31中的每一个迷你时隙ml，m2，. . .，mw-l,mw的控制讯息 结构如「图3」所示，包括「频宽保留讯息」(Reservation)、「目的地讯息」(Destination Address)禾口「状态讯息」(Status)。其中「状态讯息」是用以记载同步位置上每一个和迷你时隙ml，m2，. . . ,mw-l,mw0 分别对应的W个数据通道λ 1，λ2，...，Aw中的数据分组30的使用状态，共有四种不同 的使用状态表示值，分别为承载数据中(BUSY)、数据分组已被读取(BUSY/READ，BREAD)、 闲置中(IDLE)、以及未用完额度(Idle Marked, IMRKD)。「目的地信息」则是记录着对应 的数据分组30所传送的目的地位置。「频宽保留讯息」则是用以决定是否可以利用对应 的数据分组30的频宽来建立即时讯务的连线的重要指标，「频宽保留讯息」中包含了 「即 时讯务的优先级别」(H/L)，以”H”表示高优先级别的即时讯务，以” L”表示低优先级的即 时讯务，其中又以”L”为初始值；「起始节点的位置」(R-Source)，以及「终点节点的位置」 (R-Destination)，通过R-Source和R-Destination标示在保留频宽中建立即时讯务连线 的起始节点和终点节点。「图4」是一个服务节点12的架构范例，以使用单一个光纤20的单环光分组交换 网络为例，可利用一个固定式的全光卸载滤波器126滤出控制通道λ O中的控制时隙31的 信号，经由固定式接收器124将光信号转成电信号，并通过一介质访问控制处理器40来解 读迷你时隙ml，m2，...，mw-l，mW中所记录的控制讯息。当控制讯息被解析与处理时，数据 分组30仍然在光纤网络中传输。在获得这些控制讯息后，就能获得W个数据通道λ 1，...， λ w中每个数据分组30的使用状态，以及数据分组30所传送的目的地位置，再由介质访 问控制处理器40决定是否进行数据分组30的上传、卸载、除讯等操作，例如 通过一分光器 (Splitter) 127将某一数据通道λ 1，...，λ w中的数据分组30分离至一可调式接收器122 进行数据的卸载、或是利用一可调式传送器121将上传的数据经由一分光器129塞入光纤 20中的某一数据通道λ 1，...，λ w的数据分组30之中，当某一个数据分组30被某一个接 收端节点下载之后，还可利用一时隙除讯器125清除已经被读取的数据分组30。必要时介 质访问控制处理器40还会将更新后的控制讯息的内容记载于控制通道λ 0中对应的迷你 时隙ml，m2，. . .，mw-1，mw之中，并通过一固定式传送器123经由固定式的全光卸载滤波器 128塞入光纤20的控制通道λ 0，以便向下游的其他节点继续传送。「图5」以一种包括5个一般节点依序标示为node 1-node 5和一个服务节点si 的环型光分组交换网络为范例，说明「状态讯息」的四种使用状态表示值的设定方式。假设 系统参数给予node 1的传输量配额(Quota，Q)为4个数据分组30，但是当前node 1只有 一个数据分组30要送至node 4，首先node 1必需找到一个空的控制时隙31，换句话说就 是指「状态讯息」标示为IDLE的迷你时隙(假设为m6)，把要传送的数据塞入这个迷你时 隙m6所对应的某一数据通道的数据分组λ 6，接着把这个迷你时隙m6的「状态讯息」更新 为BUSY，由于node 1还有3个未使用完的传输量配额，nodel会再任意地寻找三个「状态讯 息」标示为IDLE的迷你时隙，将其「状态讯息」更新为IMRKD，以供下游的节点node 2-node 5利用，以提高频宽的使用率。已负载有数据的数据分组λ 6依据「图5」中箭头所示数据 流的传送方向送达node 4, node 4在收到数据分组λ 6之后，会将迷你时隙m6的「状态讯 息」更新为BREAD，此时数据分组λ6中的数据仍然存在，而已更新「状态讯息」之后的迷你时隙m6和其对应的数据分组λ 6继续被送到服务节点sl，服务节点si会将迷你时隙m6的 「状态讯息」更新为IDLE，同时利用前述的时隙除讯器125将数据分组λ 6中的数据清除， 以便其他的节点能够再次利用频宽。 以前述环型光分组交换网络的架构为基础，结合下文所提出的分散式允入控制 (Distributed Call Admission Control，分散式CAC)机制，本发明所提出的介质访问控制 装置及方法，可以弹性地建立即时讯务连线，公平分配频宽，并提供即时讯务(Isochronous Traffic)的服务品质保证(Quality ofService，QoS)，达到高数据输出，低时间延迟 (Delay)，时间延迟/变化(Jitter)的限制保证。「图6」公开了本发明所提出的介质访问控制装置40的一个范例，这种介质访问控 制装置40被配置在环型光分组交换网络的每个节点(包括一般节点11和服务节点12)之 中，介质访问控制装置40可包含一介质访问控制处理器40和一允入控制模块50。环型光 分组交换网络的每个节点中的允入控制模块50采分散式设计，利用平均连线速率频宽保 留(Mean-rate-reservation)的方法弹性地分配保留频宽(Reserved B andwidth)给即时 讯务使用，并将即时讯务的传输量控制在一边界值(Bounded Value)VB之下，通过记录连线 的节点位置处理输出冲突，并决定是否接受即时讯务提出的建立连线的请求。介质访问控 制处理器40依据控制通道λ 0中的控制时隙31所记录的控制讯息，为允入控制模块50接 受的即时讯务在保留频宽中建立连线(Connection)，控制多个数据通道λ 1，λ 2，. . .，Xw 的数据的上传、卸载、除讯(服务节点12的功能)，并且更新控制讯息中相对应的内容。本发明所提出的介质访问控制方法的范例，可利用任一个节点的介质访问控制装 置通过下列的步骤建立即时讯务的连线，包括1.在前述的迷你时隙中建立和数据分组对应的控制讯息；2.依据节点在单一循环(Cycle)的最大传输量Q (Quota)及传输量比例rH (Quota Ratio)决定保留频宽和剩余频宽3.依据平均连线速率(Mean Rate of Connection)频宽保留的方法弹性地将保留 频宽分配给请求建立连线的即时讯务；以及4.在保留频宽中建立即时讯务的连线。以据本发明上述的介质访问控制装置40及其用以建立即时讯务连线的方法，在 下文中将配合范例及图式作一说明。前述采分散式设计的允入控制模块50是指环型光分组交换网络的每一个节点中 的允入控制模块50彼此之间系独立运作，任一个节点中的有关建立即时讯务连线的请求 皆是由该节点的允入控制模块50独立决定，完全不需要和其他节点的允入控制模块50进 行协调。允入控制模块50依据节点在单一循环(cycle)的最大传输量Q(quota)及传输量 比例rH(Quota Ratio)将即时讯务的最大传输量控制在一边界值(Bounded Value) VB之 下，换句话说，这个边界值VB就是提供给即时讯务使用的保留频宽。边界值VB可由下列公 式⑴计算。VB = rHxQ.......公式(1)本发明的允入控制模块50依据节点在单一循环(cycle)的最大传输量Q(quota) 及传输量比例rH(Quota Ratio)决定了保留频宽之后，还会有剩余频宽(Remaining Quota)，而剩余频宽的最大功能在于应付即时讯务爆量(Burstness)的突发状况，以及作为供给其他非保留讯务(Unreserved Traffic)使用的频宽，例如可用比特率(Available Bit Rate，ABR)讯务或是其他的讯务就可利用剩余频宽来进行传送。在包含固定比特率 (CBR)、动态比特率(VBR)和可用比特率(Available Bit Rate, ABR)这三种讯务的即时讯 务之中，环型光分组交换网络中的保留频宽最好优先给CBR和VBR的即时讯务使用，其中 CBR与VBR同属于高优先等级(H)，而ABR属于低优先等级(L)，而CBR和VBR这两种即时讯 务在保留频宽中建立的连线的优先等级则可以利用前述「频宽保留讯息」中的「即时讯务 的优先级别(H/L)」来表示。至于剩余频宽则供给ABR以及VBR之中比保留频宽多出来的 讯务使用。其中VBR未保留频宽的讯务优先于ABR。
传输量比例rH为系统参数可介于0 1. 0，rH的作用在于视环型光分组交换网络 的讯务的实际流量，决定要提供多少的保留频宽给包含固定比特率(Constant Bit Rate, CBR)和动态比特率(Variable Bit Rate, VBR)的即时讯务使用，因此rH可依据环型光分 组交换网络的讯务的实际流量弹性调整，讯务爆量(Burstness)较高者可以设定较小的rH 以获得较多剩余频宽，反的讯务爆量较低者可以设定较大的rH以获得较大的保留频宽，换 句话说rH可介于0. 1 0. 9之间，一般而言rH可设定在0. 5 0. 9之间较佳。最大传输 量Q可由下列公式(2)计算获得。Q = ((Cxff) /N) xf (η) · · ·公式(2)其中C为单一循环中的总时隙数，W为数据通道的频道数，N为节点总数(包含一 般节点11和服务节点12)，f (n) = (2xS)/(S+2)S为服务节点总数，f(n)为一个与服务器节点总数相关的函数，因为不同数量的 服务节点造成不同数量的频宽重复使用量，导致可使用的Q值会有所不同。由于两节点间的连线之后，会一直传送数据直到数据结束为止，所以需要用到多 次循环进行数据的传送，允入控制模块50在弹性分配保留频宽时，依据环型光分组交换网 络的架构以及节点间的数据传递方向，还包括了单倍保留频宽和双倍保留频宽的两种分配 情形，下文中配合「图7-1」的范例作一说明。假设一环型光分组交换网络包括9个一般节点node 1 node 9，和一个服务节 点sl，服务节点si具有一时隙除讯器用以清除已经被读取的数据分组，数据的传送方向为 node 1向node 9的方向进行。第一种情形假设nodel将数据传送给node 7，为上游节点将 数据传送给下游节点，数据流(DataFlow)的情形如「图7_2」所示，node 1利用「状态讯息」 标示为IDLE或是IMRKD的迷你时隙将数据送到node 7之后，node 7会把「状态讯息」更新 为BREAD，然后在服务节点sl会利用时隙除讯器清除已经被读取的数据分组，并将「状态讯 息」更新为IDLE，所以在下一次的环状网络时间(ringtime)node 1又可以利用这IDLE的迷 你时隙进行数据的传送，在这种情形下只需要使用单倍的保留频宽(Single Reservation) 即可。第二种情形假设是由node 7将数据传送给node 1，为下游节点将数据传送给上 游节点，数据流(Data Flow)的情形如「图8_1」所示，node 7利用「状态讯息」标示为IDLE 或是IMRKD的迷你时隙将数据送到node 1之后，node 7会把「状态讯息」更新为BREAD， 数据分组中的数据虽然已经被node 1下载，但因为已经通过了服务节点sl，所以数据分组 中的数据仍未被时隙除讯器清除，再次经过node 7时，node 7就无法用来传送下一个数据 分组，这种情形将会造成传送迟延，因此本发明的允入控制模块50将会为这种由下游节点将数据传送给上游节点的情形建立双倍保留频宽(Double Reservation)的连线，就可以令 node 7在数次的环状网络时间交替地利用双倍保留频宽向node 1发送数据，其数据流及 各个时隙的使用状态如「图8-2」所示。 本发明的允入控制模块50采用平均连线速率频宽保留的方法，依据平均连线速 率(Mean Rate of Connection)弹性地将保留频宽分配给请求建立连线的即时讯务。配合 「图9」的一个范例，说明如下假设环型光分组交换网络的系统参数及架构数据为Q = 4 (表示每个循环有4个分组的传输量)；rH = 0. 5 ；R = 4(表示一个视窗具有4个循环)；N = 6 (表示节点总数为6，包括1个服务节点和5个一般节点)；Node 5(节点5)有三个即时讯务的连线请求cl，c2，c3在队列(Queue)中等待建 立连线；每一个连线请求的平均连线速率(Mean Rate)为lslot/cycle。以前述的公式(1)可以计算出保留频宽为QxrH = 4x0. 5 = 2 (slot/cycle)，依据 平均连线速率频宽保留的方法，允入控制模块50允许建立的连线总数必需满足下列公式 (3)的条件nh+c. r <= QxrH......公式(3)；nh 为允入控制模块已接受，且已建立的连线所占用的频宽(slot/cycle)；c. r 为请求建立连线的平均连线速率；剩余频宽则为Q-nh。前述连线请求cl，c2的平均连线速率皆为1 (slot/cycle)，而且在现有的保留频 宽中尚未有任何连线已建立的情形下，依据公式(3)的条件，允入控制模块50仅接受连线 请求cl，c2，并在保留频宽中为这两个连线请求cl，c2建立连线，而尚未被允建立连线的连 线请求c3，仍然在队列中等待其他连线终止后被释放出的保留频宽，其中连线cl由node 5 向node 2传送数据(在「图9」中以”5/2”注明其占用的数据分组)，连线c2由node 5向 node 6传送数据(在「图9」中以” 5/6”注明其占用的数据分组)。其中连线cl为下游节 点将数据传送给上游节点的情形，因此允入控制模50弹性地分配给连线cl双倍的保留频 宽(即为每一个循环中可以使用两个slot)。连线c2为上游节点将数据传送给下游节点的 情形，因此允入控制模块50弹性地分配给连线c2单倍的保留频宽。允入控制模块50依据平均连线速率频宽保留的方法接受某一个连线请求之后， 就会开始寻找「状态讯息」为IDLE、IMRKD和BREAD这三种之中任一种的迷你时隙，并且在 不会发生接收冲突(Receiver Contention)和传送冲突(Transmit Contention)的条件下 开始建立连线，建立连线的方式主要系更新每个迷你时隙中的控制讯息，包括「频宽保留 讯息」中的「即时讯务的优先级别」(将初始值” L”更新为” H”)、「起始节点的位置」，以及 「终点节点的位置」。而前述判断是否会发生上述冲突的方法，可以通过遍历同一个控制时隙31中每 一个迷你时隙的「频宽保留讯息」中的R-Source和R-Destination内容即可得知，由于本 发明的环状光分组交换网络的架构中，每一个节点都只有一个可调式传送器111和可调式接收器112，所以在同一时间不能将两个以上的数据分组发给同一个一般节点11，也不能 在同一个时间由同一个一般节点11上传两个以上的数据分组。依据「图9」的范例，一个成功建立的连线必需在连续的4个循环中都成功的找到 所需的迷你时隙并且完成上述的更新。在「图9」的范例中可以了解，连线cl在第一个循 环(cycle 1)成功地找到了双倍保留频宽所需的两个迷你时隙，并且在以后三个连续的循 环(cycle 2 cycle 4)都成功地找到了所需的迷你时隙，所以成功地完成了连线cl的建 立。连线c2在第一个循环(cycle 1)保留频宽失败，但在第二至第四个循环(cycle 2 cycle 4)成功地完成了保留频宽，所以要在下一个环状网络时间(ring time)第一个循环 (cycle 1)再次尝试保留频宽。换句话说，在某一个环状网络时间中若是有某一个循环的保 留频宽失败，就必须要在下一个环状网络时间再次尝试保留频宽，例如连线c2在第一个 环状网络时间的第一、三、四个循环成功地保留频宽，则在下一个环状网络时间的第二个循 环就必须再次尝试保留频宽，直到每一个循环都成功地保留频宽才算成功地建立连线在成 功建立连线之后，连线的起始节点会开始检查迷你时隙，寻找其中属于自己的保留频宽然 后利用这个保留频宽开始数据的传送，由起始节点将「状态信息」更新为BUSY，然后依据前 述的原则在成功地将数据传送至连线的终点节点(即数据的接收点)之后，再由终点节点 将「状态信息」更新为BREAD，直至服务节点清除之后将「状态信息」更新为IDLE，连线可以 继续使用该保留频宽。当讯务连线结束时，起始节点必须负责解除连线。起始节点将该连线的「频宽保留 讯息」中的「即时讯务的优先级别」更新为” L”，并且清空「起始节点的位置」(R-Source)， 以及「终点节点的位置」(R-Destination)的内容。
在包含固定比特率(CBR)、动态比特率(VBR)和可用比特率(AvailableBit Rate, ABR)这三种讯务的即时讯务之中，环型光分组交换网络中的保留频宽最好优先给CBR和 VBR的即时讯务使用。至于剩余频宽则供给ABR以及VBR比保留频宽多出来的讯务。其中 VBR未保留频宽的讯务优先于ABR。理论上，如果将所有的可用时隙均勻且公平的分给每一节点，会使整个网络达成 最大的输出。然而，如果传送的节点依序攫取空的时隙进行载送其分组，还是会有不公平的 输出发生，尤其是当网络的负载很高时。主要的原因是在每一循环中，网络上游的节点若 循序的攫取时隙进行传送数据，会把该循环前面的空时隙先行用掉，使得剩下的未用空时 隙出现于循环尾端且垂直地分布于不同波长，这样容易造成所谓接收冲突和传送冲突的问 题，使得网络下游的节点虽然有其可传送额度却无法送出其最大的数据数量，导致下游节 点发生不公平输出的情形。为了避免发生不公平输出的情形，依据本发明方法的另一实施范例，还包括利用 机率式传输额度与信用余额的方式来分配剩余频宽。「图10」则公开了利用这种机率式传 输额度与信用余额的方式来分配剩余频宽的介质访问控制装置的架构范例，基本上是以前 述「图6」的介质访问控制装置40的架构为基础，可包含一介质访问控制处理器40、一允 入控制模块50和一剩余频宽分配模块60。剩余频宽分配模块60的功能就是采用机率式传 输额度与信用余额的方式来分配剩余频宽。以信用余额分配剩余频宽的分配方式，简言的 就是当一个节点准备传送的数据量少于其最大的传输量配额时，这个节点就可以把其剩余 未用完的传输额度让给其下游的节点使用，实现方式就是依据未用完的传输额度，任意地寻找和未用完的传输额度的数量相等的「状态讯息」标示为IDLE的迷你时隙，再将其「状态 讯息」更新为IMRKD。这个让出剩余传输额度的节点就会得到所谓的信用余额(Credit)。 所以，信用余额的使用可以让一个节点于一循环中送出超出其传输额度的数据。信用余额 的实质用意是让所有没有被用到的频宽能够不被浪费地被下游节点使用。在设定一循环的 长度与信用余额的视窗大小(RingTime)时，循环的长度越小，频宽的分享就越好，而视窗 大小的数量越大，越适合不同群聚的运送。对于要利用剩余频宽传送数据的节点，不仅要看是否有剩余的传输额度可以使 用，并以机率来决定是否允许传送数据于可用的时隙上，换句话说，剩余频宽分配模块60 以机率决定是否允许该节点在该剩余频宽中利用该信用余额传送数据。机率的设定方式例 如可以是最大传输量除以一循环的长度。这样的方式使得传送的时间可以在整个循环内随 机传送，不会再次循序传送，如此，可以免除网络下游节点不公平的输出问题，也可以让空 的频宽任意分布在整个循环内，免发生接收冲突和传送冲突的问题。所以，如果一个具有信用余额的节点被允许于一时隙传送数据时，此节点必须发 现有闲置中的时隙(IDLE Slot)或者未用完的时隙(IMRKD)可以使用。如果没有发现闲置 中的时隙(IDLE Slot)或者未用完的时隙(IMRKD)可以使用，此节点会在下一个时隙无条 件被允许传送数据，也就是说，不需要再一次以机率来决定是否被允许传送数据。「图11」为依据本发明内容所进行的模拟结果，其中模拟了保留频宽所需的建立时 间，由图中的结果可以发现，当高优先等级的即时讯务的负载量LH在0. 7 0. 8的条件下， 都能在l.ORing Time的时间内建立保留频宽；当高优先等级的即时讯务的负载量在0. 9的 条件下，最坏的情况下也能1. IRing Time的时间内建立保留频宽。「图12」，为在不同的传输量比例rH的条件下的即时讯务的输出量(Throughput) 模拟结果，由图中的结果可以发现即使在高优先等级的即时讯务的负载量达到1.5倍 (1. 5Lh)过载(Over Load)的条件下，仍能将输出量控制在系统设定的传输量比例rH以下。有关VBR即时讯务的时间延迟(Delay) (「图13-1」)，以及时间延迟/变化 (Jitter)(「图13-2」)的模拟结果可以发现，在较高的即时讯务爆量(B = 50)以及高优先 等级的即时讯务的负载量Lh在0. 6 0. 7的条件下，延迟时间仍维持在ICycle以下，在高 优先等级的即时讯务的负载量Lh达到0. 9的条件下，延迟时间仍可维持在2Cycle以下。综上所述，本发明所提出的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置及方法， 可以弹性地建立即时讯务连线，公平分配频宽，并提供即时讯务(isochronous traffic)的 服务品质保证(quality of service, QoS)，达到高数据输出，低时间延迟(Delay)，时间延 迟/变化(Jitter)的限制保证。
权利要求
1.一种都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，应用于都会型光分组交换网络的 节点，提供数据的传送服务，该装置包含一允入控制模块，采分散式配置于该都会型光分组交换网络的该节点，该允入控制模 块利用一平均连线速率频宽保留的方法弹性地分配一保留频宽给一即时讯务使用，并将该 即时讯务的传输量控制在一该保留频宽之下，并决定是否接受该即时讯务提出的建立连线 的请求；以及一介质访问控制处理器，依据一控制通道中的控制时隙所记录的控制讯息，为该允入 控制模块所接受的该即时讯务在该保留频宽中建立连线，控制多个数据通道的数据的上 传、卸载、除讯，并且更新该控制讯息中相对应的内容。
2.如权利要求1所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中该都会型 光分组交换网络包括两种节点，一种为一般节点，另一种为服务节点，这些节点彼此之间是 由至少一条光纤连接形成一种环型网络，每一条该光纤内载有该控制通道与该多个数据通 道。
3.如权利要求2所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中设于该一般 节点的该介质访问控制处理器通过一可调式传送器进行数据的上传、一可调式接收器进行 数据的卸载；以及通过一固定式传送器和一固定式接收器用以在该控制通道中进行该控制 信号的传送和接收。
4.如权利要求2所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中设于该服务 节点的该介质访问控制处理器通过一可调式传送器进行数据的上传、一可调式接收器进行 数据的卸载、一光时隙除讯器进行除讯；以及通过一固定式传送器和一固定式接收器用以 在该控制通道中进行该控制信号的传送和接收。
5.如权利要求1所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中这些数据 通道和该控制通道在一同步位置分别被一固定时间长度的时隙分割成多个数据分组和对 应的该控制时隙，该控制时隙中包含有多个迷你时隙和一标头，这些迷你时隙分别记录了 该同步位置上对应的这些数据通道中的该数据分组的该控制讯息，该控制讯息结构包括 「频宽保留讯息」、「目的地讯息」和「状态讯息」。
6.如权利要求5所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中该状态讯息 包括承载数据中(BUSY)、数据分组已被读取(BUSY/READ，BREAD)、闲置中(IDLE)、以及未 用完额度(Idle Marked, IMRKD)。
7.如权利要求5所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中该频宽保留 讯息包括「即时讯务的优先级别」(H/L)，以” H”表示高优先级别的即时讯务，以” L”表示 低优先级的即时讯务，其中又以”L”为初始值；「起始节点的位置」(R-Source)，以及「终点 节点的位置」(R-Destination)。
8.如权利要求5所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中该介质访问 控制处理器通过遍历该控制讯息的内容，在不会发生接收冲突和传送冲突的条件下开始建 立连线。
9.如权利要求1所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中该允入控制 模块依据下列公式(1)决定该保留频宽，其中Q为该节点在单一循环的最大传输量，该rH 为一传输量比例，且该rH值介于O至1之间；rH χ Q.......公式(1)。
10.如权利要求1所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中该平均连 线速率频宽保留的方法，系在满足下列公式的条件下接受该即时讯务提出的建立连线请 求nh+c.r<=保留频宽......公式(3)；其中该nh为该允入控制模块已接受，且已建立的连线所占用的频宽(slot/cycle)；该 c. r为请求建立连线的即时讯务的一平均连线速率。
11.如权利要求1所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中还包括一 剩余频宽分配模块，利用一机率式传输额度与一信用余额的方式来分配一剩余频宽。
12.如权利要求10所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制装置，其中该信用余 额为该节点让出的一剩余传输额度，该剩余频宽分配模块以机率决定是否允许该节点在该 剩余频宽中利用该信用余额传送数据。
13.一种都会型光分组交换网络的介质访问控制方法，应用于都会型光分组交换网络 的节点，提供数据的传送服务，该方法包含A.建立和网络中的数据分组对应的一控制讯息，该控制讯息包括「频宽保留讯息」、 「目的地讯息」和「状态讯息」；B.依据该节点在单一循环的最大传输量Q及传输量比例rH决定一保留频宽和一剩余 频宽C.依据平均连线速率频宽保留的方法弹性地将该保留频宽分配给请求建立连线的一 即时讯务；以及D.在该保留频宽中建立该即时讯务的连线。
14.如权利要求13所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制方法，其中该频宽保 留讯息包括「即时讯务的优先级别」(H/L)，以” H”表示高优先级别的该即时讯务，以” L” 表示低优先级的该即时讯务，其中又以”L”为初始值；「起始节点的位置」(R-Source)，以及 「终点节点的位置」(R-Destination)。
15.如权利要求13所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制方法，其中该状态讯 息包括承载数据中(BUSY)、数据分组已被读取(BUSY/READ，BREAD)、闲置中(IDLE)、以及 未用完额度(Idle Marked, IMRKD)。
16.如权利要求13所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制方法，其中依据下列 公式(1)决定该保留频宽，其中该Q为该节点的最大传输量，该rH为一传输量比例，且该rH 值介于0至1之间rH χ Q.......公式(1)。
17.如权利要求13所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制方法，其中该平均 连线速率频宽保留的方法，系在满足下列公式的条件下接受该即时讯务提出的建立连线请 求nh+c. r <=保留频宽......公式(3)；其中该nh为一允入控制模块已接受，且已建立的连线所占用的频宽(slot/cycle)；该 c. r为请求建立连线的该即时讯务的一平均连线速率。
18.如权利要求13所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制方法，其中该步骤C.通过遍历该控制讯息并且在不会发生接收冲突和传送冲突的条件下建立连线。
19.如权利要求13所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制方法，其中还包括一 利用机率式传输额度与一信用余额的方式来分配该剩余频宽的步骤。
20.如权利要求19所述的都会型光分组交换网络的介质访问控制方法，其中该信用余 额为该节点让出的一剩余传输额度，以机率决定是否允许该节点在该剩余频宽中利用该信 用余额传送数据。
全文摘要
一种都会型光分组交换网络的介质访问控制装置及方法，用以提供即时讯务的服务品质保证。本发明装置包含一介质访问控制处理器和一分散式允入控制模块。在光分组交换网络的每个节点中的允入控制模块为分散式设计，采用平均连线速率频宽保留的方法弹性地分配保留频宽给即时讯务使用，并将即时讯务的传输量控制在一传输量比例rH(quota ratio)之下，通过记录连线的节点位置处理输出冲突，并为每一个即时讯务建立连线。介质访问控制处理器依据控制通道上所载送的控制讯息，在保留频宽中为各个节点间的即时讯务建立连线，控制多个数据通道的上传、卸载、除讯，并且更新此控制讯息中相对应的内容。
文档编号H04L12/56GK102130816SQ20101000399
公开日2011年7月20日 申请日期2010年1月15日 优先权日2010年1月15日
发明者杨启瑞, 赵一芬 申请人:财团法人工业技术研究院