光突發(fā)交換技術(shù)及其研究進(jìn)展

1、引言

隨著全球范圍內(nèi)IP業(yè)務(wù)的迅猛增長(zhǎng)，對(duì)傳送網(wǎng)帶寬和交換系統(tǒng)容量的需求正以前所未有的速度增加。目前，在光層利用DWDM技術(shù)�？梢允挂桓�光纖的可利用帶寬達(dá)到10Tbit/s左右，可以滿足較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)對(duì)傳送網(wǎng)帶寬的要求。然而，采用通常的電路交換技術(shù)(時(shí)分、空分及波長(zhǎng)交換)的交換速率遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)值。這樣，兩者的失配對(duì)交換技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，OPS(Optical Packet Switching，光分組交換)是光交換的發(fā)展方向，但OPS存在著兩個(gè)近期內(nèi)難以克服的障礙：一是光緩存器技術(shù)還不成熟，目前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用的光纖延遲線(FDL，F(xiàn)iber Delay Line)往往比較笨重、不靈活，存儲(chǔ)深度有限；二是在OPS的節(jié)點(diǎn)處，多個(gè)輸入分組的精確同步難以實(shí)現(xiàn)。因此，在短時(shí)期內(nèi)光分組交換的商業(yè)應(yīng)用前景還不被看好。

在這種情況下，Chunming Qiao和J s Turnor等人提出了新的光交換技術(shù)----OBS(Optical Burst Switching，光突發(fā)交換)，作為電路交換向分組交換的過渡技術(shù)。0BS使用的帶寬粒度介于電路交換和分組交換之間，比電路交換靈活、帶寬利用率高，比光分組交換更貼近實(shí)用�？梢哉f，它結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)且克服了兩者的部分缺點(diǎn)，是兩者之間的平衡選擇，因而逐漸引起了眾多專家、學(xué)者的重視。

2、OBS技術(shù)的原理

OBS中的“突發(fā)”是由具有相同出口邊緣路由器地址和相同QoS要求的IP包組成的超長(zhǎng)IP包，這些IP包可以來自傳統(tǒng)IP網(wǎng)中不同的電IP路由器。突發(fā)數(shù)據(jù)是光突發(fā)交換網(wǎng)中的基本交換單位。OBS中BCP(Burst Control Packet，控制分組，相當(dāng)于分組交換的分組頭)與突發(fā)數(shù)據(jù)(凈載荷)在物理信道上是分離的，每個(gè)控制分組對(duì)應(yīng)一個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)。例如，在WDM系統(tǒng)中，控制分組占用一個(gè)或幾個(gè)波長(zhǎng)，突發(fā)數(shù)據(jù)則占用所有其他波長(zhǎng)。

在OBS中，突發(fā)數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)始終在光域內(nèi)，而控制信息在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要O/E/O的變換以及電處理�？刂菩诺�(波長(zhǎng))與突發(fā)數(shù)據(jù)信道(波長(zhǎng))的速率可以相同，也可以不同。OBS網(wǎng)由光核心路由器和電邊緣路由器組成，邊緣路由器負(fù)責(zé)將傳統(tǒng)IP網(wǎng)中的數(shù)據(jù)封裝為光突發(fā)數(shù)據(jù)以及反向拆封，核心路由器的任務(wù)是對(duì)光突發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)與交換。數(shù)據(jù)信息在0BS網(wǎng)中不進(jìn)行O/E、E/O變換。

3、OBS的關(guān)鍵技術(shù)

3.1　組裝算法

邊緣路由器的組裝部分(Assembler)根據(jù)從端口通道輸入的數(shù)據(jù)包目的地址和服務(wù)等級(jí)(QoS)，把這些數(shù)據(jù)包整理到相應(yīng)的突發(fā)(Burst)緩沖堆中。突發(fā)包的組裝一般需要考慮兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是組裝時(shí)間，另一個(gè)是突發(fā)包的最大長(zhǎng)度。此外，還要考慮突發(fā)包的長(zhǎng)度是固定的還是變化的。目前有下列幾種組裝算法。

(1)固定組裝時(shí)間(FAT)

在該算法中，突發(fā)包按照固定的組裝時(shí)間進(jìn)行組裝。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量比較大時(shí)，采用這種算法的突發(fā)包會(huì)很大。

(2)固定組裝長(zhǎng)度(FAZ)

按照固定的突發(fā)包長(zhǎng)度進(jìn)行組裝，對(duì)未達(dá)到長(zhǎng)度的突發(fā)包需要填充一些字節(jié)，以達(dá)到固定的組裝長(zhǎng)度。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量比較小時(shí)，采用這種算法的組裝時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，降低網(wǎng)絡(luò)的性能。

(3)自適應(yīng)組裝長(zhǎng)度(AAZ)

上述以時(shí)間和最大包長(zhǎng)控制的突發(fā)組裝算法簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但它們沒有針對(duì)IP業(yè)務(wù)的突發(fā)流量特性進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)置。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷低時(shí)，組裝算法的包長(zhǎng)大小與高負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)相比有很大的變化，這會(huì)帶來額外的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，同時(shí)造成突發(fā)數(shù)據(jù)包的傳輸效率較低。此外，多個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)路由器在基于時(shí)間計(jì)數(shù)的組裝算法機(jī)制下極易形成突發(fā)發(fā)射同步，引發(fā)持續(xù)的資源競(jìng)爭(zhēng)問題。

針對(duì)這些問題，出現(xiàn)了一種可以根據(jù)業(yè)務(wù)流量狀況進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整并且利于破壞各邊緣節(jié)點(diǎn)突發(fā)發(fā)射同步性的智能組裝算法。這種智能組裝算法是在前面算法的基礎(chǔ)上再引入一個(gè)突發(fā)包長(zhǎng)門限和流量計(jì)數(shù)，根據(jù)流量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)分組的組裝。這種智能組裝算法有利于抑制在定時(shí)組裝機(jī)制下包長(zhǎng)變化過大的不利因素，同時(shí)擾亂了不同流量特征的各節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生突發(fā)時(shí)間的同步性，有助于解決OBS網(wǎng)絡(luò)中的資源競(jìng)爭(zhēng)問題。

3.2　信令協(xié)議

OBS信令協(xié)議的本質(zhì)是根據(jù)控制分組的消息為突發(fā)包經(jīng)過的中間節(jié)點(diǎn)預(yù)留帶寬資源。根據(jù)連接的建立和釋放是否為顯式，可將OBS的信令協(xié)議分為4類：顯式建立、釋放；估計(jì)建立、釋放；顯式建立、估計(jì)釋放；估計(jì)建立、顯式釋放。

(1)顯式建立、釋放

即連接的建立和釋放都是顯式的。信源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送突發(fā)包數(shù)據(jù)之前發(fā)送建立消息，請(qǐng)求建立連接；中間節(jié)點(diǎn)在收到建立消息后就建立連接，以接收即將到達(dá)的突發(fā)包；信源節(jié)點(diǎn)在突發(fā)包傳送完后發(fā)送釋放消息，要求釋放連接。

這類協(xié)議實(shí)現(xiàn)容易，但效率比較低，典型代表是JIT(Just In Time)協(xié)議。

(2)估計(jì)建立、釋放

即連接的建立和釋放都是估計(jì)的。信源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送突發(fā)包數(shù)據(jù)之前發(fā)送建立消息；中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)建立消息中所包含的信息來估計(jì)建立和釋放的時(shí)間。

這類協(xié)議比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)有一定的困難，但效率非常高，典型代表是JET(Just Enouth Time)協(xié)議。

(3)顯式建立、估計(jì)釋放

即連接的建立是顯式的，釋放是估計(jì)的。信源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送突發(fā)包數(shù)據(jù)之前先發(fā)送建立消息，請(qǐng)求建立連接；中間節(jié)點(diǎn)在收到建立消息后就建立連接，以接收即將到達(dá)的突發(fā)包數(shù)據(jù)；中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)建立消息中所包含的突發(fā)包數(shù)據(jù)長(zhǎng)度決定連接的釋放時(shí)間。

(4)估計(jì)建立、顯式釋放

即連接的建立是估計(jì)的，釋放是顯式的。信源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送突發(fā)包數(shù)據(jù)之前先發(fā)送建立消息；中間節(jié)點(diǎn)根據(jù)建立消息中包含的信息來決定連接建立的時(shí)間；突發(fā)包數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，信源節(jié)點(diǎn)發(fā)送釋放消息，請(qǐng)求釋放連接。

3.3　沖突處理

在OBS網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)多個(gè)分組同時(shí)到達(dá)同一個(gè)輸出端口時(shí)就會(huì)產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。目前解決競(jìng)爭(zhēng)的方法主要有光緩存、波長(zhǎng)變換、偏射路由、組合式突發(fā)包(OCBS)/突發(fā)包分段(BS)以及其中多種技術(shù)的組合。

(1)FDL配置

應(yīng)用FDL緩存器，可以使突發(fā)包延遲到競(jìng)爭(zhēng)結(jié)束后。與電域中的緩存器相比，F(xiàn)DL緩存器只能提供固定的延遲，而且數(shù)據(jù)離開FDL緩存器的順序是按照它們進(jìn)入延遲線的順序，這樣就限制了競(jìng)爭(zhēng)解決的靈活性。另外，光緩存還有一個(gè)主要問題就是功率損耗，為了補(bǔ)償功率損耗，不得不引入光信號(hào)放大或光信號(hào)再生，前者會(huì)引入噪聲，后者成本太高。總的來說，引入FDL將大大增加光交換的成本。

(2)波長(zhǎng)變換

采用波長(zhǎng)變換器，在發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)時(shí)可以將突發(fā)包在與指定輸出線不同的波長(zhǎng)上發(fā)送出去。這種解決方案在競(jìng)爭(zhēng)分組的延遲方面是最佳的，適合電路交換，也適合光分組/突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)，但需要快速可調(diào)諧變換器。最近研究結(jié)果表明，在分組交換光網(wǎng)絡(luò)中波長(zhǎng)交換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(fā)的丟包率，特別是應(yīng)用于多波長(zhǎng)DWDM系統(tǒng)，因此快速可調(diào)波長(zhǎng)變換器是目前研究的熱點(diǎn)。

(3)偏射路由

偏射路由是一種利用空閑鏈路解決沖突的方法，即當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生時(shí)分組/突發(fā)不能交換到正確的輸出端口，便將它路由到另一個(gè)可選輸出端口，有可能通過另一條路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。在鏈路資源比較充足的情況下，偏射路由有較好的性能，但這種方法在出口節(jié)點(diǎn)的重新排序以及公平性方面都存在一些潛在的問題。而且，在負(fù)荷較重的情況下其性能可能惡化，因此只適合網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕的網(wǎng)絡(luò)。

(4)OCBS(組合式突發(fā)包)/BS(突發(fā)包分段)

OCBS與BS的思想是一致的，在競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生時(shí)，都是將突發(fā)包分為幾部分，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)將突發(fā)包盡可能多的部分轉(zhuǎn)發(fā)出去，從而盡量減少數(shù)據(jù)的丟棄。

(5)多種技術(shù)的組合

由于單個(gè)沖突解決機(jī)制對(duì)性能的改善有限，而且上述幾種技術(shù)互不影響或沖突，因此可將上述技術(shù)有機(jī)地結(jié)合。最有效的組合方案是將緩存與全波長(zhǎng)變換有機(jī)地結(jié)合，再配合空間偏射路由。最經(jīng)濟(jì)的解決方案是最小的光緩存，配合部分波長(zhǎng)變換，再引入偏射路由機(jī)制，這樣可以大大降低成本，但性能略有減損。

3.4　生存性

目前，單根光纖的業(yè)務(wù)容量已經(jīng)達(dá)到Tbit/s的量級(jí)，當(dāng)鏈路發(fā)生故障時(shí)，勢(shì)必會(huì)造成數(shù)據(jù)的大量丟失，因此應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施來盡量減少故障發(fā)生時(shí)的數(shù)據(jù)丟失。

OBS網(wǎng)絡(luò)的生存性包括控制信道和數(shù)據(jù)信道的保護(hù)與恢復(fù)，它與傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)有許多相似的地方，可以借鑒傳統(tǒng)光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制。但OBS網(wǎng)絡(luò)有自身的特性，如控制信道要經(jīng)過O/E/O處理，數(shù)據(jù)信息在光域中透明傳輸，所以O(shè)BS網(wǎng)絡(luò)的生存性在許多方面有待進(jìn)一步研究。

4、研究進(jìn)展?fàn)顩r

隨著對(duì)OBS技術(shù)研究的不斷深入，現(xiàn)在一些研究人員又提出了LOBS(Labeled Optical Burst Switching，標(biāo)簽光突發(fā)交換)和WROBS(Wavelength Route Optical Burst Switching，波長(zhǎng)路由光突發(fā)交換技術(shù))。

4.1　LOBS技術(shù)

光突發(fā)交換網(wǎng)是面向無連接的，所以它也存在面向無連接網(wǎng)絡(luò)固有的一些問題，如很難實(shí)現(xiàn)流量工程。MPLS技術(shù)能夠很好地解決流量工程、QoS路由以及信令與路由機(jī)制的擴(kuò)展等方面的問題，而且技術(shù)越來越成熟，于是有人提出在OBS網(wǎng)中引入MPLS，即LOBS。

LOBS利用MPLS的標(biāo)簽技術(shù)簡(jiǎn)化了突發(fā)光交換的一些操作，同時(shí)改進(jìn)其不足。攜帶標(biāo)簽的控制分組在預(yù)先建立的LOBS通路上傳送。突發(fā)數(shù)據(jù)分組在控制分組確定的路徑上傳輸和交換，擴(kuò)展的顯式路由和受限路由均可用于LOBS資源的分配和管理，擴(kuò)展的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(IGP)傳送網(wǎng)絡(luò)資源和拓?fù)湫畔�，以減少不同核心節(jié)點(diǎn)波長(zhǎng)資源的競(jìng)爭(zhēng)。由于每個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽信息(波長(zhǎng)號(hào)、偏置時(shí)間等)是在控制分組上承載的，因此LOBS可以不經(jīng)過O/E/O轉(zhuǎn)換直接將多個(gè)業(yè)務(wù)分組整合為一個(gè)突發(fā)分組，這樣不經(jīng)過全光交換也可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽交換。

4.2　WROBS技術(shù)

光突發(fā)交換采用單向資源預(yù)留，會(huì)造成突發(fā)包在核心節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)。在諸多競(jìng)爭(zhēng)解決方案中，波長(zhǎng)變換技術(shù)最有潛力，但波長(zhǎng)變換技術(shù)還不成熟，它的一些性能還不夠理想，要在光突發(fā)交換網(wǎng)中應(yīng)用目前還不現(xiàn)實(shí)。于是，Michael Duser等提出采用雙向預(yù)留機(jī)制的光突發(fā)交換----WROBS。

在WROBS中，邊緣路由器將到達(dá)的數(shù)據(jù)按一定的算法進(jìn)行組裝，到某一特定時(shí)刻，通過專用信道(或波長(zhǎng))向與其相連的核心路由器發(fā)送請(qǐng)求，請(qǐng)求資源來發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)，其中請(qǐng)求信息主要包括突發(fā)包的長(zhǎng)度、源地址和目的地址等，然后核心路由器將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到中心控制節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行處理，并向相應(yīng)的鏈路分配資源。若分配成功，則回復(fù)一個(gè)“成功”確認(rèn)消息，并同時(shí)向該突發(fā)分組途經(jīng)的路徑發(fā)送配置消息，保證在光突發(fā)分組到來之前配置好；若分配不成功，則回復(fù)一個(gè)“失敗”確認(rèn)消息，邊緣路由器過一段時(shí)間再申請(qǐng)。若業(yè)務(wù)排隊(duì)時(shí)延超過業(yè)務(wù)所能承受的最大時(shí)延或隊(duì)列已滿，則丟棄部分分組。

5、結(jié)束語(yǔ)

WROBS是在快速波長(zhǎng)變換技術(shù)不成熟的情況下涌現(xiàn)出來的，是目前一種很好的過渡解決方案，適用于大型城域網(wǎng)和小型廣域網(wǎng)，如省網(wǎng)或國(guó)家網(wǎng)。

LOBS具備最先進(jìn)的MPLS技術(shù)的強(qiáng)大控制能力，而且結(jié)合了光路交換和光分組交換的優(yōu)勢(shì)，是下一代光因特網(wǎng)的理想光交換方案，并為光分組交換的實(shí)現(xiàn)鋪平了道路。

OBS既綜合了光電路交換和和光分組交換的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又避免了它們的缺點(diǎn)，是一種很有前途的光交換技術(shù)。OBS具有延時(shí)小(單向預(yù)留)、帶寬利用率(統(tǒng)計(jì)復(fù)用)、效率高、交換靈活、交換容量大(電控光交換)等特點(diǎn)，可以達(dá)到Tbit/s級(jí)的交換容量，甚至Pbit/s量級(jí)。因此，OBS網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于不斷發(fā)展的大型城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，它可以支持傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，也可以支持未來具有較高突發(fā)性和多樣性的業(yè)務(wù)。OBS的成熟還需要大家不斷努力。