光突发交换关键技术

北京邮电大学电信工程学院 唐建军 纪越峰

　　因特网流量呈指数增长，到2005年时，有望达到话音流量的10倍。这种形势，促使研究者们加快对波分复用（WDM）传输和光交换技术深入研究，以便适应因特网流量的爆炸式增长、业务的多样性和业务突发性。考虑到IP网络的发展趋势和光技术的先进性，下一代因特网必然是以WDM网络为基础、以因特网业务流量为主的优化IP光网络（即IP over DWDM）。

　　目前光网络采用的电路交换OCS（即波长路由）机制，相对简单、易于实现，但建立和拆除一条通道需要一定的时间，且该时间与其连接的保持时间无关。这种开销，主要决定于端到端的信令时间，当连接保持时间比较短的情况下，它将导致信道的利用率太差，因此，它不适合于不断增长且变化无常的因特网流量。在光域交换中，光分组交换（OPS）在带宽利用率、延时和适应性等方面比较好。从长远的角度来考虑，OPS似乎是一种有前途的技术，但因其实现较复杂，目前光逻辑处理技术不成熟，没有可用的光随机存储器（ORAM），还需经过多年的研究，才能得以应用。

　　针对目前OCS和OPS存在的一些问题，近年来，人们提出了一种新的光交换技术——光突发交换（OBS）技术，并迅速得到国内外学者们的广泛研究。OBS得以引人注目是因为它兼有OCS和OPS的优点，同时又避免了它们的不足。在OBS网络中，在中间节点无需任何光RAM，突发数据的传输是通过它相应的控制分组（BCP）预留资源来完成的，突发数据分组在中间节点直通，无需存储，然而在光分组交换中，在中间节点存储转发。相对于光电路交换，OBS可获得更好的带宽利用率，因为它允许每一个波长的突发数据流之间统计复用，否则需占用几个波长。另外，突发分组的端到端（ETE）延时相对较少，因为偏置时间远小于波长路由中的波长通道建立时间。

一、 OBS及其控制协议

　　1. OBS概念

　　在OBS中，突发（burst）是由相同的出口边缘路由器地址和相同的服务质量（QoS）要求的IP分组组成，它是OBS网络中的基本交换单位。突发数据分组和控制分组的传输在物理信道上是分离的（一般为同一光纤中不同波长），每个控制分组对应于一个突发数据分组，它包含其对应突发数据分组的一些基本信息，如突发长度、偏置时间、波长ID和路由信息等，比突发数据短得多。在中间节点，控制分组经过光/电/光变换和电信息处理，而突发数据分组不需光/电/光处理，从源节点，通过控制分组事先配置好的链路，直接透明（全光）的传送到目的节点。

　　2．控制协议

　　从1980年以来，各种电突发交换技术都已经提出：Tell-and-Go（TAG），带内终结器（IBT）和预留固定周期（RFD）等等协议。TAG技术类似于快速电路交换，它无需确认所有带宽已经预留而直接发送突发数据，其带宽利用率不高。IBT方案预留带宽是从控制分组处理完成时开始，到IBT检测到为止，但IBT的全光检测比较困难。在基于RFD的突发交换中，只是由其突发控制分组指定的带宽被预留，这样排除了信令开销的影响，从而提供了高效的带宽预留机制。

　　恰量时间（JET）协议基于RFD，是在光域中的突发交换控制协议。它采用了两种独特的特性，即偏置时间和延迟预留。这些特性使JET相对于TAG或其它没有采用这两种特性的OBS协议更加适合于OBS。JET允许数据信道的交换完全在光域中进行，其控制是由在电域处理的突发控制分组信息决定。控制分组要先于突发数据分组发送，即控制分组与其相应的突发数据分组在源端发送时有一个偏置时间的间隔。突发数据与其头部分离发送与交换，有助于实现，并降低对核心节点在头部处理和光电处理能力的需求，而且通过分配额外偏置时间，JET可以在光域扩展支持优先级业务。

　　控制分组包含必需的突发数据的光信道路由信息和突发长度、偏置时间信息。JET的另一个重要特性是延迟预留。它仅仅预留突发数据所经历的链路带宽资源。如图1 所示， 为第一个控制分组到达的时刻，当控制分组处理完成后，从 (突发数据到达该节点的时刻)到 （L为数据突发持续时间段）这段时间带宽将被预留。这样，增加了带宽的利用率，减少了突发丢包的可能性。例如，在图1的两种情况，即 （第一种情形）和 （第二种情形），假定其突发长度小于（ ），第二个突发分组将不会被丢弃；然而，若采用TAG方式， 时刻到达的第二个突发分组将由于无缓存而被丢弃。

3．OBS网络结构

　　边缘路由器一边与业务网，如IP网相连，另一边与一个核心路由器相连，而核心路由器，可以与一个或多个边缘路由器，同时与其它核心路由器构成网状网。在入口节点，边缘路由器根据输入的IP流的特性来决定数据突发大小、偏置时间。控制分组，包含出口地址、偏置时间、数据突发大小和QoS等信息，提前于其相应的突发数据分组在分离的控制波长上发送，其对应的突发数据分组经过一个给定偏置时间 后跟随控制分组传送。这些控制分组在中间节点转换成电信号进行处理。

　　在核心节点，带宽预留时间为突发数据的传输持续时间。核心单元需监视流量的基本要素包括阻塞概率、延迟和处理时间，这些信息决定在入口节点的光路径。在出口节点，数据突发将被拆帧，并拆分成多个IP包。若需要，在出口节点要进行重排序和出错重发处理。如偏置时间、突发大小和QoS值等参数，是OBS网络要处理的本质要素，这些需在OBS网络的入口节点进行赋值。

4．OBS控制分组基本结构

　　突发分组包括突发控制头部和突发数据两部分。在OBS中，突发数据及其头部在不同的波长上发送，且突发头提前发送。每一个控制分组包含交换路由、突发分组大小、偏置时间、波长ID等信息。目前，OBS控制分组结构没有标准。

　　其中，标签类似于MPLS中的标签，控制分组与突发数据的标签一致；波长ID是指示其突发数据所在的波长；CoS为服务类别；偏置时间是指控制分组与突发数据的时间偏差，包含基本偏置时间和额外偏置时间两部分；突发大小是指突发分组持续时间的大小；CRC是控制分组的校检和，尽量减小由于控制分组的比特误码引起更大的差错。

二、 关键技术

　　在OBS技术中，目前有很多的关键技术，有待解决，下面讨论几个主要的关键技术：

　　1． 高速光交叉模块技术

　　光交叉模块，是OBS核心节点的关键部分，对OBS网络的性能影响很大。OBS要求其中的光开关速度达到微秒级甚至纳秒级。铌酸锂开关的速度比较快，但工作电压高，体积大。半导体放大器SOA构成的门阵列插入损耗小，但隔离度较差，且偏振相关性不容易克服。由声光技术实现的光交换机可以实现微秒级的倒换速度，可方便构成端口较少的交换机，限制了它的应用范围，不适合于大容量矩阵交换开关。光调制光开关和波导开关的开关速度非常快，体积非常小，而且易于集成为大规模的矩阵开关阵列，但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差，且成本高。全息光开关，开关速度非常快，只需几个纳秒，可靠性比较好，插入损耗小于4dB，但是它的功耗比较大，并且需要高电压供电。因此高速光交叉矩阵技术有待进一步研究。

　　2． 竞争解决方案

　　为了处理当多个分组同时到达同一个输出端口时，竞争解决方案是必需的，这是所有分组交换方式所必然会遇到的问题，即所谓的外部阻塞。比较典型的解决方式是通过缓存其它冲突的分组，只允许一个输出。在OBS与OPS中，竞争解决方案有光缓存、波长变换和偏射路由，或者其中多种技术融合，下面将详细介绍。

　　(1) FDL

　　在光域中，没有可用的光RAM，因此，光交换中不可能完全采用电域中的交换机制。光缓存的一种可选方案是用光纤延迟线（FDL），在一定程度上，能减少光分组/突发的丢包率。但光缓存的一个主要问题就是其功率损耗，为了补偿功率损耗，不得不引入光信号放大或光信号再生，前者会引入噪声，后者成本太高。总的来说，引入FDL，将大大增加光交换的成本。

　　（2）波长变换

　　 光网络还有另外一个域，即波长域。在使用波长变换的系统中，若发生两个（或多个）光分组/突发竞争，其中一个分组/突发直通，另一个（或其它几个）分组/突发还是交换到同一个输出端口，但它们是不同的波长。这种解决方案在竞争分组的延迟方面是最佳的，即不会引入附加延时。这种方法适合于电路交换，同样适合于光分组/突发交换网络，但需要快速可调谐变换器。最近研究结果表明，它在分组交换光网络中是一种最有潜力的可选方案之一，它能最有效的降低光分组/突发的丢包率，特别是应用于多波长DWDM系统，因此快速可调波长变换器是目前研究的热点。

　　（3）偏射路由

　　因为光缓存还有几个问题难以解决，所以尽量少用，或不用。偏射路由，即热土豆路由，这是当没有缓存可用时的另一种解决方案。当竞争发生时，分组/突发不能交换到正确的输出端口，将它路由到另一个可选输出端口，有可能通过另一条路径到达目的节点。当网络规模比较小，且其连通性比较好（即这些节点都有很多相邻节点）时，这种方式效果还不错。但若网络的连通性不好，很可能这些被偏射的分组/突发将无法到达目的节点。因为这些分组/突发在网络中游弋消耗了大量资源，却无法到达目的节点，很显然，在这种情况下，其它解决方案会起到更好的效果。此外，偏射路由方案只能适用于网络负载比较轻的场合，若平均流量负载比较高，偏射路由的分组只能降低网络的效率。偏射路由方案可以改进，只允许路由某些端口，即若分组不能找到一条合理的路由到达目的节点，它将被阻塞，即使有空闲的端口。

　　（4）多种技术融合

　　最有效的组合解决方案是使用空间偏射路由、缓存和波长变换的有机结合。最经济的解决方案是最小的光缓存，配合部分波长变换，再引入偏射路由机制。

　　3． QoS解决方案

　　目前，因特网的“尽力而为”的业务模型不能针对不同IP应用业务，提供不同级别的服务。且在光域中，因为没有光RAM，光缓存仍然是一种难以解决的问题。因此那些基于缓存的QoS方案，在全光交换的网络中无法应用，因而需要一种无缓存的QoS解决方案。

　　解决冲突的最原始思想就是当冲突发生时，较高优先级分组/突发抢占较低优先级的资源，或将较低优先业务分段，被冲突的部分，要么直接丢弃，要么通过偏射路由等机制迂回。但这种方式也存在一些问题，如后续节点很难知道较低优先级的分组/突发是否被冲突、丢弃，且被丢弃的分组，仍有可能与其它分组发生冲突，降低网络的利用率，且当负载较重时，低优先级业务很难有机会得到服务，丢包率太大，需改进，同时兼顾各优先级业务。到目前为止，人们提出可用在OBS网络中的QoS解决方案主要有两种，一种是基于额外偏置时间的方案，另一种是比例QoS方案。

　　基于额外偏置时间的QoS解决方案是通过在控制分组与数据分组/突发之间设置额外偏置时间，不同的额外偏置时间，表示不同的优先级，其丢包率将不同，因为额外偏置时间越大，它预留成功的机会越大。其特点是区分服务性能良好，总的平均丢包率与常规JET相差不大，但会给高优先的业务带来较大的端到端延时，即最高优先级业务的额外延迟为 （最大），其中，n为优先级别数， 为相邻优先级间的额外偏置时间差。例如，假定有8类优先级，平均突发长度为L=25μs， ＝3L＝75μs（在泊松分布情况下，其突发隔离度可达95%），这样最高优先级业务的额外延迟为（8－1）×75＝525μs，但这个延迟对业务一般也没有太大影响。另外，对于较低优先的业务具有突发长度选择性，因为较小长度的数据分组预约资源成功的概率要大一些，这个可以通过一些方法来平衡。

　　比例QoS的基本原理为，根据各优先级的比例因子，当较高优先的分组发生丢包时，故意丢弃一些较低优先的分组使他们的丢包率始终保持一定的比例（在一段时间内），这样给较高优先业务多一些预约成功机会。其特点是使各优先级丢包率之间保持一定的比例关系（线性或非线性），同时高优先级的延迟也不增加。但缺点是牺牲了总的丢包率，让本来可能没有冲突的时候，也有可能丢包。这种方法实现比较简单，使各优先级业务之间的性能保持一定的比例。

　　为了降低IP分组的丢包率，在应用上述方法的同时，可以采用分段丢弃，尽可能降低业务分组的丢包率，这样需在突发数据分组中，为每个IP分组加一些开销，用于IP分组定位与识别。

　　4． 突发会聚机制

　　在OBS网络的边缘节点，边缘路由器将多个IP分组合并成突发分组。突发数据大小的变化尽可能小，因为突发分组大小较大的变化将要求QoS的额外偏置时间更大，即导致延时更大。因而需寻求一种突发分组会聚机制，使突发数据利用率高，而突发分组大小变化范围小。

　　将多个IP分组会聚成一个光突发分组，有两种方式，一种是允许分段，即将一个IP分组拆成两个部分，分别放到不同的突发分组中；另一种则相反，不允许分段。前一种方式在负载较重时，各突发分组大小完全一样，相当于一个时隙，有助于降低丢包率（不明显），但使已经很复杂的边缘设备更加复杂。后一种方式，使各突发分组的大小即使在负载较重时也略有波动，对于丢包率有一点影响，但影响不大，但在入口节点和出口节点控制简单。还有一种方式，是用空闲数据将突发数据分组填充成固定长度，但这样降低利用率，对于相同负载，反而会增加丢包率，得不偿失。所以一般趋向于采用不分段，也不填充的方式。

　　目前已提出的会聚算法主要有：第一种，基于固定会聚时间（CAT、FAP）的机制，当最大会聚时延达到一定时间后，就产生一个数据突发。这种方式很简单，但当负载较大时，突发数据可能过长，影响系统的性能。第二种，基于固定突发长度（FAS）机制，当突发数据包长度达到某一个大小时，就产生一个数据突发。这种方式也很简单，但当负载过小时，其会聚时延又不可接受，特别是对于实时业务。第三种方式同时考虑到会聚时间和会聚大小（MSMAP）的机制，当会聚时间达到允许的最大时间或者会聚的长度达到会聚门限时，该突发数据会聚完成，产生数据突发。该算法是比较常用的方式，特点是也比较简单，但在当负载较轻时，利用率较低，并很可能在核心节点发生连续冲突；第四种是利用滞后特性、m类FIFO队列模型和回形计数器，根据负载的情况，动态的改变会聚的门限值，即自适应会聚机制（AAS），部分解决连续竞争问题，同时最小化定时周期，且突发数据分组大小变化比较缓慢，这种机制，控制略为复杂。最后一种就是我们提出的一种基于波动会聚时间（FAT）的机制，结合MSMAP或AAS算法，可以有效的解决连续竞争问题，降低了分组丢包率。由于篇幅所限，不再详细阐述。

　　5． 保护恢复机制

　　随着DWDM技术的发展，单根光纤中所承载的业务容量已经达到Tbit/s量级。若光纤链路发生故障，将导致大量的数据分组丢失，因此当链路发生故障时，我们需要一种适当的保护恢复方案，使数据丢失尽量最少，即光网络维护与管理的一个重要任务就是光网络的生存性，高效灵活的保护与恢复手段是新一代光网络必须具备的重要特征。

　　OBS光网络的生存性包括控制信道和数据信道的故障保护与恢复，它与传统的光网络有很多相似的地方，传统光网络的保护恢复机制，有很多可以借鉴。不过，也存在很多不同，它的控制通道要经过光/电/光处理，而数据通道在中间节点透明传输，无需光/电/光处理，这样，有许多新的问题需要解决，值得进一步研究。

三、 OBS应用及发展

　　OBS技术是为了满足业务爆炸式增长的需要，不断成长起来的，具有延时小（单向预留），带宽利用率（统计复用），效率高，交换灵活、数据透明、交换容量大（电控光交换）等特点，可以达到Tbit/s级的交换容量。因此，OBS网络主要应用于不断发展的大型城域网和广域网，它可以支持传统业务，如电话、SDH、IP、FDDI和ATM等，也可以支持未来具有较高突发性和多样性的业务，如数据文件传输、网页浏览、视频点播、视频会议等业务。

　　尽管OBS在标准和协议方面还不成熟，还有很多技术在进一步研究之中，但它仍是一种非常有前途的光交换技术，它结合了光电路交换和光分组交换的优势，同时避免了它们的缺点。它的特点是控制与数据在时间和空间上分离，控制分组提前发送，且在中间节点经过电信息处理，为数据分组预留资源，而数据分组随控制分组之后传送，在中间节点通过预留好的资源直通，无需光/电/光处理；采用单向预留机制，带宽利用率高，灵活，且无需光缓存，实现相对容易。在未来几年中，OBS必将得到很大的发展，成为下一代光传输与交换网络的核心技术。

----《通信世界》