网络服务器系统与新型光突发交换网络解决方案

摘要：随着用户带宽超摩尔定律增长、传输链路容量的迅猛增加，节点服务器系统能力成为制约网络容量增长的主要瓶颈。网络业务的发展趋势不会坐等高性能光子器件的成熟和实用化，可以预见未来10～20年内光子器件瓶颈将制约着新型光网络节点能力提高。文章将网络分成接入、节点和链路3个网络服务器系统，提出一种全新的光网络体系架构——基于服务的光网络体系架构，通过一个隐函数从网络代价、能耗和容量等角度定性考察各服务器系统对网络性能的影响。由此提出了双光纤链路与IP插空联合的光突发交换解决方案，以缓解光子器件瓶颈的限制。

关键词：光突发交换；双光纤链路模型；IP插空；网络服务器系统

Abstract:Withthedevelopmentof users’ broadband, transmission capacities grow rapidly. The capability of node server has been the bottleneck of network capacity. The node performance is restricted for the absence of optical buffer and optical logic devices. In this paper, a new architecture of optical networks—the server-based optical networks—is proposed. From the point of this new architecture, the network can be modeled as a network server system with three type servers—the access server, the node server, and the link server. The network performances such as cost, energy consume and network capacity can be affected by the capability of these three types of servers. Based on the server-based optical network architecture, the dual fiber link and IP calking for Optical Burst Switching (OBS) are proposed to abate the restriction of optical devices.

Keywords:OBS;dualfiber link model; IP calking; network server system

随着通信技术的发展，新业务不断涌现，如IPTV、Web2.0、Youtube、Grid应用、P2P等等，导致全球信息量呈级数增长，通信业务由传统单一的电话业务转向高速IP数据和多媒体为代表的宽带业务，对通信网络的带宽和容量提出了越来越高的要求。光纤的巨大潜在带宽和波分复用(WDM)技术的成熟应用[1-2]，使光纤通信成为支撑通信传输网络的主流技术。虽然现在的WDM技术已经可以很有效的利用光纤25 000 GHz的巨大带宽资源，但网络中的电子处理设备却限制了网络带宽进一步提高。伴随着密集波分复用(DWDM)技术的成熟和传输容量的快速增长，传统的电子交换系统承受的压力日趋增大，光交换技术的引入日显迫切。

光交换技术(O-O-O)是指不经过光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。针对通信网络中已有的通信模式，人们对光交换提出了3种方案：光路交换[3]、光分组交换[4]、光突发交换。光路交换虽然相对简单、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。因此在不断增长且变化无常的网络流量中，光路交换自然难以满足需求；光分组交换由于缺乏高速光逻辑器件、光缓冲存储器等，因此还处于研究阶段。针对光路交换和光分组交换的缺点，Chunming Qiao[5]和J. S. Turner[6]等人提出光突发交换，引起越来越多的人的注意。作为一种新的光交换技术，光突发交换设法综合较大粒度的波长(电路)交换和较细粒度的光分组交换两者的优点，并克服了这两种交换方式的不足，在较低的光子器件要求下，实现了面向IP的突发业务的快速资源分配和高资源利用率，因此能有效地支持上层协议或高层用户的突发业务。

与光分组交换相比，光突发交换最显著的特点就是将控制信息与数据净荷相互分离，分别生成控制分组与数据突发包，对应光分组交换中的头与净荷。在光突发交换网络中，每个控制分组对应一个突发包，控制分组与对应的突发包之间存在偏置时间间隔，也就是控制分组先于突发包到达路由通道上的每个节点，控制分组在该节点获得预先处理，为对应的突发包到达完成路由与信令功能，实现网络资源预留，为对应突发包在该节点成功交换做好一切准备。突发包沿着其控制分组为其分配好的路由传送，不需要任何连接确认信息，当两个或多个突发包预约占用同一资源时，将产生突发包的竞争而导致突发包传送失败。在光突发交换网络中，每个突发包都是由大量的分组组成，因此一个突发包的丢失，将导致大量的分组丢失。如何解决光突发交换网络中突发包的竞争问题尤为重要。当前主要的解决方案包括采用波长变换解决波长资源的竞争，采用光纤延迟线解决时域上的竞争以及采用偏射路由来解决空间上的竞争。

由于波长变换器目前无法商用，而光纤延迟线将使节点控制复杂和电源消耗大大增加，偏射路由导致数据时间延迟并增加网络处理的复杂度，等等。这些因素导致了光突发交换至今无法商用。这些因素可以称之为光突发交换的光子器件瓶颈。这些光子器件目前还在研究之中，据估计，其成熟尚需要10～20年的时间。而用户带宽需求呈超摩尔定律发展，网络业务日新月异，而网络中传输带宽、容量越来越大，成本越来越大，且他们并不坐等光子器件瓶颈的克服在向前发展。光网络迫切需要新的方式或模式满足网络业务的发展、充分利用带宽资源。本文提出一种全新的光网络理论模型——基于服务系统的光网络模型，并在此模型下提出了双光纤链路模型、IP插空机制、双光纤链路与IP插空联合的光突发交换解决方案，降低光子器件瓶颈对光突发交换的限制。

1  基于服务系统的光网络模型

传统的网络架构如图1所示，一般包括用户、服务供应商及网络3个部分。网络由节点和链路组成，服务供应商通过网络对用户提供其所需的服务。

基于服务系统的光网络模型从服务系统的角度来看待网络，将光网络抽象为一个整体的服务系统，其架构如图2所示。整个服务系统是各种服务器系统的复杂组合，服务供应商通过服务器系统对用户提供其所需的服务。

服务器系统按照功能可分为以下两大类：

(1)交换及路由服务器系统

IP路由器提供IP包的路由和转发服务，ATM服务器提供信元的交换和路由服务，光交叉连接服务器提供光路交换和波长路由服务，波长转换服务器提供波长转换服务以避免波长竞争，光纤延迟线服务器提供信号的全光域延迟，另外还有MPLS服务器、信令服务器等等。

(2)链路及连接服务器

从服务的角度看，链路也看成服务器系统，如传送服务器提供信号接收及转发的收发服务器和提供信号放大的放大服务器、波长通道服务器为信号提供波长通道的服务等等。

按照在服务系统中的位置，服务器系统可分为接入服务器系统、节点服务器系统、链路服务器系统，其结构如图3所示。每一个用户请求的服务或业务提供商提供的服务，都可以看成是传送服务，该传送服务被边缘、节点、传输链路等，分解为接入服务、节点服务和链路服务等。

针对IP/WDM光网络如图4，其节点由路由器和光交叉连接(OXC)组成(图中虚线框)，我们将该节点看成一个节点服务器系统(NS)，该服务器系统还可以转换为电域服务器(ES)和光域服务器(OS)的组合。IP / WDM网络的服务系统是由节点服务器系统和链路服务器系统组成的复杂组合。

2  基于服务系统的光网络的性能分析

基于服务系统的光网络将光网络抽象为由接入服务器系统、节点服务器系统、链路服务器系统的复杂组合，因此光网络的性能与服务系统的性能是等效的。对服务系统进行分析，在已有条件下寻求提高服务系统性能的适合策略也就是提高了光网络的性能。在服务系统中，如公式(1)所示，光网络性能可表示为接入服务器系统性能、节点服务器系统性能、链路服务器系统性能有关的复杂的隐函数：

Nc=F(ASc,NSc ,LSc ) (1)

其中Nc为与网络性能有关的指标，可以是容量、阻塞、吞吐量、性价比、能耗等；ASc，NSc，LSc分别为接入服务器系统性能、节点服务器系统性能和链路服务器系统性能，可以是容量、带宽、存储、能耗、成本。

(1)接入服务器系统的特性

用户对带宽的需求不断增加导致接入服务器的带宽迅猛增长，呈超摩尔定律发展，其成本及能耗在不断下降。

(2)链路服务器系统的特性

随着DWDM和10 Gb/s、40 Gb/s的采用，光纤链路的巨大容量使得光网络中链路服务器容量很大，同时具有大量的波长通道。链路服务器的容量增长迅速，其成本及能耗相应地也随之下降。

(3)节点服务器系统的特性

光交换的方式决定了节点服务器的结构特性，波长变换服务器、光纤延迟线服务器及光逻辑器件的发展缓慢导致节点服务器容量增长缓慢，当前采用的技术的成本及能耗随着节点规模的增大快速上升。而光纤到户(FTTH)的广泛采用，新型网络业务如视频流成为网络的主流业务导致网络流量暴涨，对节点服务器系统产生巨大压力。

根据以上分析，当前网络用户带宽需求增长、传输链路容量增加不会坐等影响节点性能关键的全光缓存等光子器件的成熟，节点的能力就成为光网络最大的问题。针对接入服务器、节点服务器和链路服务器的特性，光网络的服务系统的性能提高可采用以下策略：

充分利用大容量链路服务器，以链路服务器容量换取节点服务器容量以提高系统性能；

利用接入服务器的数据单跳特性，降低对节点服务器容量的要求以提高系统性能。

作者：张振荣 袁驰 李正斌   来源：通信世界网