光突发交换技术及其研究进展

1、引言

随着全球范围内IP业务的迅猛增长，对传送网带宽和交换系统容量的需求正以前所未有的速度增加。目前，在光层利用DWDM技术。可以使一根光纤的可利用带宽达到10Tbit/s左右，可以满足较长时期内对传送网带宽的要求。然而，采用通常的电路交换技术(时分、空分及波长交换)的交换速率远低于这个数值。这样，两者的失配对交换技术的发展提出了新的要求。

从长远来看，OPS(Optical Packet Switching，光分组交换)是光交换的发展方向，但OPS存在着两个近期内难以克服的障碍：一是光缓存器技术还不成熟，目前实验系统中采用的光纤延迟线(FDL，Fiber Delay Line)往往比较笨重、不灵活，存储深度有限；二是在OPS的节点处，多个输入分组的精确同步难以实现。因此，在短时期内光分组交换的商业应用前景还不被看好。

在这种情况下，Chunming Qiao和J s Turnor等人提出了新的光交换技术----OBS(Optical Burst Switching，光突发交换)，作为电路交换向分组交换的过渡技术。0BS使用的带宽粒度介于电路交换和分组交换之间，比电路交换灵活、带宽利用率高，比光分组交换更贴近实用。可以说，它结合了两者的优点且克服了两者的部分缺点，是两者之间的平衡选择，因而逐渐引起了众多专家、学者的重视。

2、OBS技术的原理

OBS中的"突发"是由具有相同出口边缘路由器地址和相同QoS要求的IP包组成的超长IP包，这些IP包可以来自传统IP网中不同的电IP路由器。突发数据是光突发交换网中的基本交换单位。OBS中BCP(Burst Control Packet，控制分组，相当于分组交换的分组头)与突发数据(净载荷)在物理信道上是分离的，每个控制分组对应一个突发数据。例如，在WDM系统中，控制分组占用一个或几个波长，突发数据则占用所有其他波长。

在OBS中，突发数据从源节点到目的节点始终在光域内，而控制信息在每个节点都需要O/E/O的变换以及电处理。控制信道(波长)与突发数据信道(波长)的速率可以相同，也可以不同。OBS网由光核心路由器和电边缘路由器组成，边缘路由器负责将传统IP网中的数据封装为光突发数据以及反向拆封，核心路由器的任务是对光突发数据进行转发与交换。数据信息在0BS网中不进行O/E、E/O变换。

3、OBS的关键技术

3.1　组装算法

边缘路由器的组装部分(Assembler)根据从端口通道输入的数据包目的地址和服务等级(QoS)，把这些数据包整理到相应的突发(Burst)缓冲堆中。突发包的组装一般需要考虑两个参数，一个是组装时间，另一个是突发包的最大长度。此外，还要考虑突发包的长度是固定的还是变化的。目前有下列几种组装算法。

(1)固定组装时间(FAT)

在该算法中，突发包按照固定的组装时间进行组装。当网络流量比较大时，采用这种算法的突发包会很大。

(2)固定组装长度(FAZ)

按照固定的突发包长度进行组装，对未达到长度的突发包需要填充一些字节，以达到固定的组装长度。当网络流量比较小时，采用这种算法的组装时间会很长，会增加网络的时延，降低网络的性能。

(3)自适应组装长度(AAZ)

上述以时间和最大包长控制的突发组装算法简单、易于实现，但它们没有针对IP业务的突发流量特性进行相应的优化设置。当网络负荷低时，组装算法的包长大小与高负荷网络相比有很大的变化，这会带来额外的网络时延，同时造成突发数据包的传输效率较低。此外，多个边缘节点路由器在基于时间计数的组装算法机制下极易形成突发发射同步，引发持续的资源竞争问题。

针对这些问题，出现了一种可以根据业务流量状况进行自适应调整并且利于破坏各边缘节点突发发射同步性的智能组装算法。这种智能组装算法是在前面算法的基础上再引入一个突发包长门限和流量计数，根据流量的统计结果动态调节分组的组装。这种智能组装算法有利于抑制在定时组装机制下包长变化过大的不利因素，同时扰乱了不同流量特征的各节点产生突发时间的同步性，有助于解决OBS网络中的资源竞争问题。

3.2　信令协议

OBS信令协议的本质是根据控制分组的消息为突发包经过的中间节点预留带宽资源。根据连接的建立和释放是否为显式，可将OBS的信令协议分为4类：显式建立、释放；估计建立、释放；显式建立、估计释放；估计建立、显式释放。

(1)显式建立、释放

即连接的建立和释放都是显式的。信源节点在发送突发包数据之前发送建立消息，请求建立连接；中间节点在收到建立消息后就建立连接，以接收即将到达的突发包；信源节点在突发包传送完后发送释放消息，要求释放连接。

这类协议实现容易，但效率比较低，典型代表是JIT(Just In Time)协议。

(2)估计建立、释放

即连接的建立和释放都是估计的。信源节点在发送突发包数据之前发送建立消息；中间节点根据建立消息中所包含的信息来估计建立和释放的时间。

这类协议比较复杂，实现有一定的困难，但效率非常高，典型代表是JET(Just Enouth Time)协议。

(3)显式建立、估计释放

即连接的建立是显式的，释放是估计的。信源节点在发送突发包数据之前先发送建立消息，请求建立连接；中间节点在收到建立消息后就建立连接，以接收即将到达的突发包数据；中间节点根据建立消息中所包含的突发包数据长度决定连接的释放时间。

(4)估计建立、显式释放

即连接的建立是估计的，释放是显式的。信源节点在发送突发包数据之前先发送建立消息；中间节点根据建立消息中包含的信息来决定连接建立的时间；突发包数据发送完毕后，信源节点发送释放消息，请求释放连接。

3.3　冲突处理

在OBS网络中，当多个分组同时到达同一个输出端口时就会产生竞争。目前解决竞争的方法主要有光缓存、波长变换、偏射路由、组合式突发包(OCBS)/突发包分段(BS)以及其中多种技术的组合。

(1)FDL配置

应用FDL缓存器，可以使突发包延迟到竞争结束后。与电域中的缓存器相比，FDL缓存器只能提供固定的延迟，而且数据离开FDL缓存器的顺序是按照它们进入延迟线的顺序，这样就限制了竞争解决的灵活性。另外，光缓存还有一个主要问题就是功率损耗，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

采用波长变换器，在发生竞争时可以将突发包在与指定输出线不同的波长上发送出去。这种解决方案在竞争分组的延迟方面是最佳的，适合电路交换，也适合光分组/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，在分组交换光网络中波长交换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。

(3)偏射路由

偏射路由是一种利用空闲链路解决冲突的方法，即当竞争发生时分组/突发不能交换到正确的输出端口，便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。在链路资源比较充足的情况下，偏射路由有较好的性能，但这种方法在出口节点的重新排序以及公平性方面都存在一些潜在的问题。而且，在负荷较重的情况下其性能可能恶化，因此只适合网络负载轻的网络。

(4)OCBS(组合式突发包)/BS(突发包分段)

OCBS与BS的思想是一致的，在竞争发生时，都是将突发包分为几部分，在转发时将突发包尽可能多的部分转发出去，从而尽量减少数据的丢弃。

(5)多种技术的组合

由于单个冲突解决机制对性能的改善有限，而且上述几种技术互不影响或冲突，因此可将上述技术有机地结合。最有效的组合方案是将缓存与全波长变换有机地结合，再配合空间偏射路由。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，但性能略有减损。

3.4　生存性

目前，单根光纤的业务容量已经达到Tbit/s的量级，当链路发生故障时，势必会造成数据的大量丢失，因此应采取适当的保护措施来尽量减少故障发生时的数据丢失。

OBS网络的生存性包括控制信道和数据信道的保护与恢复，它与传统的光网络有许多相似的地方，可以借鉴传统光网络的保护和恢复机制。但OBS网络有自身的特性，如控制信道要经过O/E/O处理，数据信息在光域中透明传输，所以OBS网络的生存性在许多方面有待进一步研究。

4、研究进展状况

随着对OBS技术研究的不断深入，现在一些研究人员又提出了LOBS(Labeled Optical Burst Switching，标签光突发交换)和WROBS(Wavelength Route Optical Burst Switching，波长路由光突发交换技术)。

4.1　LOBS技术

光突发交换网是面向无连接的，所以它也存在面向无连接网络固有的一些问题，如很难实现流量工程。MPLS技术能够很好地解决流量工程、QoS路由以及信令与路由机制的扩展等方面的问题，而且技术越来越成熟，于是有人提出在OBS网中引入MPLS，即LOBS。

LOBS利用MPLS的标签技术简化了突发光交换的一些操作，同时改进其不足。携带标签的控制分组在预先建立的LOBS通路上传送。突发数据分组在控制分组确定的路径上传输和交换，扩展的显式路由和受限路由均可用于LOBS资源的分配和管理，扩展的内部网关协议(IGP)传送网络资源和拓扑信息，以减少不同核心节点波长资源的竞争。由于每个突发数据对应的标签信息(波长号、偏置时间等)是在控制分组上承载的，因此LOBS可以不经过O/E/O转换直接将多个业务分组整合为一个突发分组，这样不经过全光交换也可以实现标签交换。

4.2　WROBS技术

光突发交换采用单向资源预留，会造成突发包在核心节点的竞争。在诸多竞争解决方案中，波长变换技术最有潜力，但波长变换技术还不成熟，它的一些性能还不够理想，要在光突发交换网中应用目前还不现实。于是，Michael Duser等提出采用双向预留机制的光突发交换----WROBS。

在WROBS中，边缘路由器将到达的数据按一定的算法进行组装，到某一特定时刻，通过专用信道(或波长)向与其相连的核心路由器发送请求，请求资源来发送突发数据，其中请求信息主要包括突发包的长度、源地址和目的地址等，然后核心路由器将请求转发到中心控制节点，进行处理，并向相应的链路分配资源。若分配成功，则回复一个"成功"确认消息，并同时向该突发分组途经的路径发送配置消息，保证在光突发分组到来之前配置好；若分配不成功，则回复一个"失败"确认消息，边缘路由器过一段时间再申请。若业务排队时延超过业务所能承受的最大时延或队列已满，则丢弃部分分组。

5、结束语

WROBS是在快速波长变换技术不成熟的情况下涌现出来的，是目前一种很好的过渡解决方案，适用于大型城域网和小型广域网，如省网或国家网。

LOBS具备最先进的MPLS技术的强大控制能力，而且结合了光路交换和光分组交换的优势，是下一代光因特网的理想光交换方案，并为光分组交换的实现铺平了道路。

OBS既综合了光电路交换和和光分组交换的优点，同时又避免了它们的缺点，是一种很有前途的光交换技术。OBS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、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，甚至Pbit/s量级。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，也可以支持未来具有较高突发性和多样性的业务。OBS的成熟还需要大家不断努力。