光突发交换技术的发展与应用

来源：北京邮电大学光通信中心      作者：唐建军

   互联网的不断发展壮大和各种新兴业务的出现，如各种多媒体网页、多媒体游 戏、多媒体会议、电子商务等，使互联网络业务呈指数增长。由于业务的多样性和多变性，传统的核心交换网络已经不适于互联网不断发展的需要。这种形势促使研 究者们加快对波分复用(WDM)传输和全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。 

   目前光网络采用的 静态或动态波长路由(或者说光电路交换，OCS)机制，协议机制相对简单，技术成熟，易于实现。但它类似于电路交换机制，建立和拆除一条通道需要一定的时 间，并且该时间与它连接的保持时间无关，而主要决定于端到端的信令时间。当连接保持时间比较短时，它将导致信道的利用率变差。因此，它不适合于持续增长且 变化无常的因特网流量，如网页浏览、FTP文件传输、电子邮件等。 

   在光交换中，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似乎是一种很有前途的技术，但因为它的实现比较复杂，目前光逻辑处理技术不成熟，没有可用的光随机存储器(ORAM)，所以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关注。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，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。而在光分 组交换中，突发数据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建立波长通道的时间。 

   什么是“光突发交换” 

   突发交换的概念其实在20世纪80年代初就已提出，并且陆续有一些论文发表。突发交换概念当时并没有像电路交换与分组交换那样得到普及，原因是提出突发交换的时候，无论电话网还是数据网，技术已经成熟，没有必要以突发为单位来处理话音或数据，以改变整个网络。 

   但是，随着通信技术的不断发展，一个深刻的变化是，传输速率的增长大大超过了处理速率的增长，如果依旧按照老式的分组方法来处理，网络处理设备将长期处于过 载状态。因此，简化网络节点的处理是非常必要的。光突发交换提高处理粒度就是一种较好的解决方法，通过预先发送控制信息，在每个节点处预约资源后，节点再 传送突发数据，数据可以始终保持在光域内，同时免去分组交换中逐一处理分组头的麻烦。 

   在OBS网络中，基本交换单位是突发(burst)。突 发是由相同的出口边缘路由器地址，以及相同的服务质量(QoS)要求的IP分组组成。光突发交换节点包括核心节点与边缘节点。边缘节点负责突发数据包的重 组和分类，可以提供各类业务接口，而核心节点的任务是完成突发数据的转发与交换。光突发交换的核心节点结构与光分组交换不同，它只需在电域处理控制信令。
边缘节点将具有相同的出口边缘路由器地址和相同的QoS要求的IP分组，会聚成突发包，生成突发数据分组和相应的控制分组。突发数据分组和控制分组的传输，在物理信道上(一般为同一光纤中不同波长)和时间上(控制分组提前于突发数据分组一段时间，即偏置时间)是分离的。 

   在OBS 系统中，一般采用单向预留的方式，即控制分组提前于数据突发分组发送，而数据突发分组在等待一定的时间后，不需要等待回复确认消息，直接在预先确定的信道 (波长)上发送。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。
在中间核心节点，控制分组经过光/电/光变换和电信息处理，为相应的光突发分组预留资源。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)地传送到目的节点。这种情况就好比一个旅行团(相当于一个突发)出去旅行，事先派一个人(相当于控制 分组)去预订车票和饭店等，而后面的旅行团就不必考虑这类问题，按预定的信息旅行即可，最终完成旅行。当然，如果前面所述的控制分组预订不成功(即资源竞 争，或者称为冲突)，相应的光突发分组可能会丢失，其解决方案将在后面介绍。 

   控制协议 

   自20 世纪80年代以来，研究领域提出过多种电突发交换技术，如Tell-and-Go(TAG)、带内终结器(IBT)和预留固定周期(RFD)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，只是由它的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。
JET协议 

   恰量时间(JET)协议是基于RFD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，它的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和交换容易实现，并降低了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。

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图1 OBS JET协议

   控制分组包含必需的突发数据的光信道路由信息，及突发长度和偏置时间信息。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。例 如，假设t1''为第一个控制分组到达的时刻，t1为突发数据到达该节点的时刻，L为数据突发持续时间段。当控制分组处理完成后，从t1到t1+L这段时间 带宽将被预留，这样就增加了带宽的利用率，减少了突发丢包的可能性。在图1的两种情况，即第一种情况t2>t1+L和第二种情况t2 

   基于优先级的JET协议 

   基于优先级的OBS预留机制有多种，其中最常见的一种是基于额外偏置时间的JET协议，即pJET。在这个协议中，优先级高的光突发分组分配一个更长的额外 偏置时间，只要它的额外偏置时间大于低优先级业务最大分组的持续时间，就可以保证高优先级业务不会受到低优先级业务的影响。当然，低优先级的光突发分组的 可用资源减少了，它的丢包率必然受到一定的影响，但总的平均丢包率包括高优先级和低优先级的光突发分组的丢包率基本不受影响。这就好比普通人员只能购买当 天的火车票，而优先级高的人员可以提前几天购票，当然他成功买到车票的几率要大得多，这样就实现了优先级。 

   上述协议存在一个问题，就是高优先级的业务虽然丢包率性能改善了很多，但它的代价是增加了高优先级的延迟。只要将延迟控制在业务允许的范围内，这种技术还是可行的。 

   还有一种称为比例优先级，它是按一定的原则故意丢弃一些低优先级的光突发分组，给高优先级更多的预留资源的机会。这样虽然能完成一定的优先级，并且高优先级的延迟也不受影响，但它牺牲了总的性能(总的平均丢包率将增加很多)，如果要求这个比例增加，总体的性能将会更差。 

   竟争解决方案 
   
   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，下面将分别详细介绍。 

   光缓存 

   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。但是，光缓存的一个主要问题就是它的功率损耗。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。 

   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， 如果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，但是用不同的波长。这种解决方案在 竞争分组的延迟方面是最佳的，它不会引入附加延时。这种方法适合于电路交换，也适合于光分组/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。它能最有效地降低光分组/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。 
   
   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。偏射路由是在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， 且它的连通性比较好，即这些节点都有很多相邻节点时，这种方式的效果还不错的。但是，如果网络的连通性不好，这些被偏射的分组/突发将很可能无法到达目的 节点。因为这些分组/突发在网络中游弋消耗了大量资源，但无法到达目的节点。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重，偏射路由的分组只能降低网络的效率。偏射路由方案可以进行改进，只允许使用某些端口，如果分组不能找到一条合理的路由到达目的节点，即使有空闲的端口它也将被阻塞。 

   多种技术融合 

   由于单个冲突解决机制对性能的改善有限，而且上述三种技术互不影响或冲突，因此可以采用上述二种或三种技术有机结合的方式。其中，最有效的组合解决方案是， 使用缓存和全波长变换的有机结合，配合适当的空间偏射路由。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，这样可以大大降低成 本，但性能略有损伤。 

   OBS网络结构 

   利用OBS实现 IP over WDM网络拓扑结构如图2所示。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。

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图2 OBS网络拓扑结构图
   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，提前于它相应的突发数据分组在分离的控制波长上发送，它对应的突发数据分组经过一个给定的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、延迟和处理时间等，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。如果需要，在出口节点要进行重排序和出错重发处理。而偏置时间、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。 

   OBS的应用 

   OBS 技术是为了满足业务增长的需要成长起来的，它具有延时小(单向预留)、带宽利用率高、交换灵活、数据透明、交换容量大(电控光交换)等优点，可以达到 Tb/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。 

   对于大型的城域网，一个或多个大学、大型写字 楼、小区、企事业单位，各个郊县或卫星城，以及人口密集的公共场所等，放置一个OBS边缘路由器，完成本地多种业务的会聚，生成突发。它的接入业务可以是 多种多样的，如以太网(10M、100M、1G或10G)、ATM、xDSL等。再在各主要地方放置一些OBS核心路由器，完成光突分组的预留和交换。这 样，就构建出了一个都市OBS网。 

   尽管OBS在标准和协议方面还不成熟，有很多技术还在进一步研究之中，OBS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。OBS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，并且在中间节点经过 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，并且无需光缓存，实现相对容易。随着快速波长变换技术的成熟，光突发交换技术将得到飞速发展，成为下一代光传输与交换网络的核心技术。

   (编辑:xiaoyao)