光突發交換技術的發展與應用

2019-11-05 02:10:15

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供稿：網友

互聯網的不斷發展壯大和各種新興業務的出現，如各種多媒體網頁、多媒體游戲、多媒體會議、電子商務等，使互聯網絡業務呈指數增長。由于業務的多樣性和多變性，傳統的核心交換網絡已經不適于互聯網不斷發展的需要。

這種形勢促使研究者們加快對波分復用(WDM)傳輸和全光交換技術深入研究，以便適應因特網流量的爆炸式增長、業務的多樣性和業務突發性。

目前光網絡采用的靜態或動態波長路由(或者說光電路交換，OCS)機制，協議機制相對簡單，技術成熟，易于實現。但它類似于電路交換機制，建立和拆除一條通道需要一定的時間，并且該時間與它連接的保持時間無關，而主要決定于端到端的信令時間。當連接保持時間比較短時，它將導致信道的利用率變差。因此，它不適合于持續增長且變化無常的因特網流量，如網頁瀏覽、FTP文件傳輸、電子郵件等。

在光交換中，光分組交換(OPS)在帶寬利用率、延時和適應性等方面比較好。從長遠的角度來考慮，OPS似乎是一種很有前途的技術，但因為它的實現比較復雜，目前光邏輯處理技術不成熟，沒有可用的光隨機存儲器(ORAM)，所以還需經過多年的研究才能得以應用。

針對目前OCS和OPS存在的一些問題，近年來，人們提出了一種新的光交換技術—光突發交換(OBS)技術，并迅速得到國內外學者們的廣泛關注。OBS得以引人注目，是因為它兼有OCS和OPS的優點，同時又避免了它們的不足。

在OBS網絡中，中間節點無需任何光RAM，突發數據的傳輸是通過它相應的控制分組(BCP)預留資源來完成的，突發數據分組在中間節點直通，無需存儲。而在光分組交換中，突發數據在中間節點存儲轉發。相對于光電路交換，OBS可獲得更好的帶寬利用率，因為它答應每一個波長的突發數據流之間統計復用，否則需占用幾個波長。另外，突發分組的端到端(ETE)延時相對較少，因為偏置時間遠小于波長路由中建立波長通道的時間。

什么是“光突發交換”

突發交換的概念其實在20世紀80年代初就已提出，并且陸續有一些論文發表。突發交換概念當時并沒有像電路交換與分組交換那樣得到普及，原因是提出突發交換的時候，無論電話網還是數據網，技術已經成熟，沒有必要以突發為單位來處理話音或數據，以改變整個網絡。

但是，隨著通信技術的不斷發展，一個深刻的變化是，傳輸速率的增長大大超過了處理速率的增長，假如依舊按照老式的分組方法來處理，網絡處理設備將長期處于過載狀態。因此，簡化網絡節點的處理是非常必要的。光突發交換提高處理粒度就是一種較好的解決方法，通過預先發送控制信息，在每個節點處預約資源后，節點再傳送突發數據，數據可以始終保持在光域內，同時免去分組交換中逐一處理分組頭的麻煩。

在OBS網絡中，基本交換單位是突發(burst)。突發是由相同的出口邊緣路由器地址，以及相同的服務質量(QoS)要求的ip分組組成。光突發交換節點包括核心節點與邊緣節點。邊緣節點負責突發數據包的重組和分類，可以提供各類業務接口，而核心節點的任務是完成突發數據的轉發與交換。光突發交換的核心節點結構與光分組交換不同，它只需在電域處理控制信令。

邊緣節點將具有相同的出口邊緣路由器地址和相同的QoS要求的IP分組，會聚成突發包，生成突發數據分組和相應的控制分組。突發數據分組和控制分組的傳輸，在物理信道上(一般為同一光纖中不同波長)和時間上(控制分組提前于突發數據分組一段時間，即偏置時間)是分離的。

在OBS系統中，一般采用單向預留的方式，即控制分組提前于數據突發分組發送，而數據突發分組在等待一定的時間后，不需要等待回復確認消息，直接在預先確定的信道(波長)上發送。每個控制分組對應于一個突發數據分組，它包含其對應突發數據分組的一些基本信息，如突發長度、偏置時間、波長ID和路由信息等，比突發數據短得多。

在中間核心節點，控制分組經過光/電/光變換和電信息處理，為相應的光突發分組預留資源。而突發數據分組不需光/電/光處理，從源節點通過控制分組事先配置好的鏈路，直接透明(全光)地傳送到目的節點。這種情況就好比一個旅行團(相當于一個突發)出去旅行，事先派一個人(相當于控制分組)去預訂車票和飯店等，而后面的旅行團就不必考慮這類問題，按預定的信息旅行即可，最終完成旅行。當然，假如前面所述的控制分組預訂不成功(即資源競爭，或者稱為沖突)，相應的光突發分組可能會丟失，其解決方案將在后面介紹。

控制協議

自20世紀80年代以來，研究領域提出過多種電突發交換技術，如Tell-and-Go(TAG)、帶內終結器(IBT)和預留固定周期(RFD)等協議。
TAG技術類似于快速電路交換，它無需確認所有帶寬已經預留，而直接發送突發數據，其帶寬利用率不高。IBT方案預留帶寬是從控制分組處理完成時開始，到IBT檢測到為止，但IBT的全光檢測比較困難。在基于RFD的突發交換中，只是由它的突發控制分組指定的帶寬被預留，這樣排除了信令開銷的影響，從而提供了高效的帶寬預留機制。

JET協議

恰量時間(JET)協議是基于RFD在光域中的突發交換控制協議。它采用了兩種獨特的特性，即偏置時間和延遲預留。這些特性使JET相對于TAG或其它沒有采用這兩種特性的OBS協議更加適合于OBS。JET答應數據信道的交換完全在光域中進行，它的控制是由在電域處理的突發控制分組信息決定。控制分組要先于突發數據分組發送，即控制分組與其相應的突發數據分組在源端發送時，有一個偏置時間的間隔。突發數據與其頭部分離發送和交換輕易實現，并降低了對核心節點在頭部處理和光電處理能力的需求。而且，通過分配額外偏置時間，JET可以在光域擴展支持優先級業務。

光突發交換技術的發展與應用

圖1 OBS JET協議

控制分組包含必需的突發數據的光信道路由信息，及突發長度和偏置時間信息。JET的另一個重要特性是延遲預留，它僅僅預留突發數據所經歷的鏈路帶寬資源。例如，假設t1'為第一個控制分組到達的時刻，t1為突發數據到達該節點的時刻，L為數據突發持續時間段。當控制分組處理完成后，從t1到t1+L這段時間帶寬將被預留，這樣就增加了帶寬的利用率，減少了突發丟包的可能性。在圖1的兩種情況，即第一種情況t2>t1+L和第二種情況t2

基于優先級的JET協議

基于優先級的OBS預留機制有多種，其中最常見的一種是基于額外偏置時間的JET協議，即pJET。在這個協議中，優先級高的光突發分組分配一個更長的額外偏置時間，只要它的額外偏置時間大于低優先級業務最大分組的持續時間，就可以保證高優先級業務不會受到低優先級業務的影響。當然，低優先級的光突發分組的可用資源減少了，它的丟包率必然受到一定的影響，但總的平均丟包率包括高優先級和低優先級的光突發分組的丟包率基本不受影響。這就好比普通人員只能購買當天的火車票，而優先級高的人員可以提前幾天購票，當然他成功買到車票的幾率要大得多，這樣就實現了優先級。

上述協議存在一個問題，就是高優先級的業務雖然丟包率性能改善了很多，但它的代價是增加了高優先級的延遲。只要將延遲控制在業務答應的范圍內，這種技術還是可行的。

還有一種稱為比例優先級，它是按一定的原則故意丟棄一些低優先級的光突發分組，給高優先級更多的預留資源的機會。這樣雖然能完成一定的優先級，并且高優先級的延遲也不受影響，但它犧牲了總的性能(總的平均丟包率將增加很多)，假如要求這個比例增加，總體的性能將會更差。

竟爭解決方案

為了處理當多個分組同時到達同一個輸出端口時，競爭解決方案是必需的，這是所有分組交換方式必然會碰到的問題，即所謂的外部阻塞。比較典型的解決方式是通過緩存其它沖突的分組，只答應一個輸出。在OBS與OPS中，競爭解決方案有光緩存、波長變換和偏射路由，或者其中多種技術融合，下面將分別具體介紹。

光緩存

在光域中，沒有可用的光RAM，因此，光交換中不可能完全采用電域中的交換機制。光緩存的一種可選方案是用光纖延遲線(FDL)，在一定程度上能減少光分組/突發的丟包率。但是，光緩存的一個主要問題就是它的功率損耗。為了補償功率損耗，不得不引入光信號放大或光信號再生，前者會引入噪聲，后者成本太高?？偟膩碚f，引入FDL，將大大增加光交換的成本。

波長變換

光網絡還有另外一個域，即波長域。在使用波長變換的系統中，假如發生兩個或多個光分組/突發競爭，其中一個分組/突發直通，另一個或其它幾個分組/突發還是交換到同一個輸出端口，但是用不同的波長。這種解決方案在競爭分組的延遲方面是最佳的，它不會引入附加延時。這種方法適合于電路交換，也適合于光分組/突發交換網絡，但需要快速可調諧變換器。最近研究結果表明，它在分組交換光網絡中是一種最有潛力的可選方案之一。它能最有效地降低光分組/突發的丟包率，非凡是應用于多波長DWDM系統，因此快速可調波長變換器是目前研究的熱點。

偏射路由

因為光緩存還有幾個問題難以解決，所以盡量少用或不用。偏射路由是在沒有緩存可用時的另一種解決方案。當競爭發生時，分組/突發不能交換到正確的輸出端口，將它路由到另一個可選輸出端口，有可能通過另一條路徑到達目的節點。當網絡規模比較小，且它的連通性比較好，即這些節點都有很多相鄰節點時，這種方式的效果還不錯的。但是，假如網絡的連通性不好，這些被偏射的分組/突發將很可能無法到達目的節點。因為這些分組/突發在網絡中游弋消耗了大量資源，但無法到達目的節點。很顯然，在這種情況下，其它解決方案會起到更好的效果。

此外，偏射路由方案只能適用于網絡負載比較輕的場合，若平均流量負載比較重，偏射路由的分組只能降低網絡的效率。偏射路由方案可以進行改進，只答應使用某些端口，假如分組不能找到一條合理的路由到達目的節點，即使有空閑的端口它也將被阻塞。

多種技術融合

由于單個沖突解決機制對性能的改善有限，而且上述三種技術互不影響或沖突，因此可以采用上述二種或三種技術有機結合的方式。其中，最有效的組合解決方案是，使用緩存和全波長變換的有機結合，配合適當的空間偏射路由。最經濟的解決方案是，最小的光緩存配合部分波長變換，再引入偏射路由機制，這樣可以大大降低成本，但性能略有損傷。

OBS網絡結構

利用OBS實現IP over WDM網絡拓撲結構如圖2所示。邊緣路由器一邊與業務網，如IP網相連，另一邊與一個核心路由器相連。而核心路由器，可以與一個或多個邊緣路由器，同時與其它核心路由器構成網狀網。在入口節點，邊緣路由器根據輸入的IP流的特性來決定數據突發大小、偏置時間。

光突發交換技術的發展與應用

圖2 OBS網絡拓撲結構圖

控制分組包含出口地址、偏置時間、數據突發大小和QoS等信息，提前于它相應的突發數據分組在分離的控制波長上發送，它對應的突發數據分組經過一個給定的偏置時間后跟隨控制分組傳送。
這些控制分組在中間節點轉換成電信號進行處理。

在核心節點，帶寬預留時間為突發數據的傳輸持續時間。核心單元需監視流量的基本要素，包括阻塞概率、延遲和處理時間等，這些信息決定在入口節點的光路徑。在出口節點，數據突發將被拆幀，并拆分成多個IP包。假如需要，在出口節點要進行重排序和出錯重發處理。而偏置時間、突發大小和QoS值等參數，是OBS網絡要處理的本質要素，這些需在OBS網絡的入口節點進行賦值。

OBS的應用

OBS技術是為了滿足業務增長的需要成長起來的，它具有延時小(單向預留)、帶寬利用率高、交換靈活、數據透明、交換容量大(電控光交換)等優點，可以達到Tb/s級的交換容量。因此，OBS網絡主要應用于不斷發展的大型城域網和廣域網。它可以支持傳統業務，如電話、SDH、IP、FDDI和ATM等，也可以支持未來具有較高突發性和多樣性的業務，如數據文件傳輸、網頁瀏覽、視頻點播、視頻會議等。

對于大型的城域網，一個或多個大學、大型寫字樓、小區、企事業單位，各個郊縣或衛星城，以及人口密集的公共場所等，放置一個OBS邊緣路由器，完成本地多種業務的會聚，生成突發。它的接入業務可以是多種多樣的，如以太網(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，完成光突分組的預留和交換。這樣，就構建出了一個都市OBS網。

盡管OBS在標準和協議方面還不成熟，有很多技術還在進一步研究之中，OBS仍是一種非常有前途的光交換技術，它結合了光電路交換和光分組交換的優勢，同時避免了它們的缺點。OBS的特點是控制與數據在時間和空間上分離，控制分組提前發送，并且在中間節點經過電信息處理，為數據分組預留資源；而數據分組隨控制分組之后傳送，在中間節點通過預留好的資源直通，無需光/電/光處理；采用單向預留機制，帶寬利用率高，并且無需光緩存，實現相對輕易。隨著快速波長變換技術的成熟，光突發交換技術將得到飛速發展，成為下一代光傳輸與交換網絡的核心技術。

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