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摘要：隨著用戶帶寬超摩爾定律增長、傳輸鏈路容量的迅猛增加，節(jié)點(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)能力成為制約網(wǎng)絡(luò)容量增長的主要瓶頸。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)不會(huì)坐等高性能光子器件的成熟和實(shí)用化，可以預(yù)見未來10～20年內(nèi)光子器件瓶頸將制約著新型光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能力提高。文章將網(wǎng)絡(luò)分成接入、節(jié)點(diǎn)和鏈路3個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)，提出一種全新的光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)——基于服務(wù)的光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，通過一個(gè)隱函數(shù)從網(wǎng)絡(luò)代價(jià)、能耗和容量等角度定性考察各服務(wù)器系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。由此提出了雙光纖鏈路與IP插空聯(lián)合的光突發(fā)交換解決方案，以緩解光子器件瓶頸的限制。
關(guān)鍵詞：光突發(fā)交換；雙光纖鏈路模型；IP插空；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)
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
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，如IPTV、Web2.0、Youtube、Grid應(yīng)用、P2P等等，導(dǎo)致全球信息量呈級(jí)數(shù)增長，通信業(yè)務(wù)由傳統(tǒng)單一的電話業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向高速IP數(shù)據(jù)和多媒體為代表的寬帶業(yè)務(wù)，對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬和容量提出了越來越高的要求。光纖的巨大潛在帶寬和波分復(fù)用(WDM)技術(shù)的成熟應(yīng)用[1-2]，使光纖通信成為支撐通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。雖然現(xiàn)在的WDM技術(shù)已經(jīng)可以很有效的利用光纖25 000 GHz的巨大帶寬資源，但網(wǎng)絡(luò)中的電子處理設(shè)備卻限制了網(wǎng)絡(luò)帶寬進(jìn)一步提高。伴隨著密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的成熟和傳輸容量的快速增長，傳統(tǒng)的電子交換系統(tǒng)承受的壓力日趨增大，光交換技術(shù)的引入日顯迫切。
光交換技術(shù)(O-O-O)是指不經(jīng)過光／電轉(zhuǎn)換，在光域直接將輸入光信號(hào)交換到不同的輸出端。針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)中已有的通信模式，人們對(duì)光交換提出了3種方案：光路交換[3]、光分組交換[4]、光突發(fā)交換。光路交換雖然相對(duì)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，但建立和拆除一條通道需要一定的時(shí)間，且該時(shí)間與其連接的保持時(shí)間無關(guān)。因此在不斷增長且變化無常的網(wǎng)絡(luò)流量中，光路交換自然難以滿足需求；光分組交換由于缺乏高速光邏輯器件、光緩沖存儲(chǔ)器等，因此還處于研究階段。針對(duì)光路交換和光分組交換的缺點(diǎn)，Chunming Qiao[5]和J. S. Turner[6]等人提出光突發(fā)交換，引起越來越多的人的注意。作為一種新的光交換技術(shù)，光突發(fā)交換設(shè)法綜合較大粒度的波長(電路)交換和較細(xì)粒度的光分組交換兩者的優(yōu)點(diǎn)，并克服了這兩種交換方式的不足，在較低的光子器件要求下，實(shí)現(xiàn)了面向IP的突發(fā)業(yè)務(wù)的快速資源分配和高資源利用率，因此能有效地支持上層協(xié)議或高層用戶的突發(fā)業(yè)務(wù)。
與光分組交換相比，光突發(fā)交換最顯著的特點(diǎn)就是將控制信息與數(shù)據(jù)凈荷相互分離，分別生成控制分組與數(shù)據(jù)突發(fā)包，對(duì)應(yīng)光分組交換中的頭與凈荷。在光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)控制分組對(duì)應(yīng)一個(gè)突發(fā)包，控制分組與對(duì)應(yīng)的突發(fā)包之間存在偏置時(shí)間間隔，也就是控制分組先于突發(fā)包到達(dá)路由通道上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，控制分組在該節(jié)點(diǎn)獲得預(yù)先處理，為對(duì)應(yīng)的突發(fā)包到達(dá)完成路由與信令功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源預(yù)留，為對(duì)應(yīng)突發(fā)包在該節(jié)點(diǎn)成功交換做好一切準(zhǔn)備。突發(fā)包沿著其控制分組為其分配好的路由傳送，不需要任何連接確認(rèn)信息，當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)突發(fā)包預(yù)約占用同一資源時(shí)，將產(chǎn)生突發(fā)包的競爭而導(dǎo)致突發(fā)包傳送失敗。在光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)突發(fā)包都是由大量的分組組成，因此一個(gè)突發(fā)包的丟失，將導(dǎo)致大量的分組丟失。如何解決光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中突發(fā)包的競爭問題尤為重要。當(dāng)前主要的解決方案包括采用波長變換解決波長資源的競爭，采用光纖延遲線解決時(shí)域上的競爭以及采用偏射路由來解決空間上的競爭。
由于波長變換器目前無法商用，而光纖延遲線將使節(jié)點(diǎn)控制復(fù)雜和電源消耗大大增加，偏射路由導(dǎo)致數(shù)據(jù)時(shí)間延遲并增加網(wǎng)絡(luò)處理的復(fù)雜度，等等。這些因素導(dǎo)致了光突發(fā)交換至今無法商用。這些因素可以稱之為光突發(fā)交換的光子器件瓶頸。這些光子器件目前還在研究之中，據(jù)估計(jì)，其成熟尚需要10～20年的時(shí)間。而用戶帶寬需求呈超摩爾定律發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)日新月異，而網(wǎng)絡(luò)中傳輸帶寬、容量越來越大，成本越來越大，且他們并不坐等光子器件瓶頸的克服在向前發(fā)展。光網(wǎng)絡(luò)迫切需要新的方式或模式滿足網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展、充分利用帶寬資源。本文提出一種全新的光網(wǎng)絡(luò)理論模型——基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)模型，并在此模型下提出了雙光纖鏈路模型、IP插空機(jī)制、雙光纖鏈路與IP插空聯(lián)合的光突發(fā)交換解決方案，降低光子器件瓶頸對(duì)光突發(fā)交換的限制。
1 基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)模型
傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，一般包括用戶、服務(wù)供應(yīng)商及網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分。網(wǎng)絡(luò)由節(jié)點(diǎn)和鏈路組成，服務(wù)供應(yīng)商通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶提供其所需的服務(wù)。
基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)模型從服務(wù)系統(tǒng)的角度來看待網(wǎng)絡(luò)，將光網(wǎng)絡(luò)抽象為一個(gè)整體的服務(wù)系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖2所示。整個(gè)服務(wù)系統(tǒng)是各種服務(wù)器系統(tǒng)的復(fù)雜組合，服務(wù)供應(yīng)商通過服務(wù)器系統(tǒng)對(duì)用戶提供其所需的服務(wù)。
服務(wù)器系統(tǒng)按照功能可分為以下兩大類：
(1)交換及路由服務(wù)器系統(tǒng)
IP路由器提供IP包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，ATM服務(wù)器提供信元的交換和路由服務(wù)，光交叉連接服務(wù)器提供光路交換和波長路由服務(wù)，波長轉(zhuǎn)換服務(wù)器提供波長轉(zhuǎn)換服務(wù)以避免波長競爭，光纖延遲線服務(wù)器提供信號(hào)的全光域延遲，另外還有MPLS服務(wù)器、信令服務(wù)器等等。
(2)鏈路及連接服務(wù)器
從服務(wù)的角度看，鏈路也看成服務(wù)器系統(tǒng)，如傳送服務(wù)器提供信號(hào)接收及轉(zhuǎn)發(fā)的收發(fā)服務(wù)器和提供信號(hào)放大的放大服務(wù)器、波長通道服務(wù)器為信號(hào)提供波長通道的服務(wù)等等。
按照在服務(wù)系統(tǒng)中的位置，服務(wù)器系統(tǒng)可分為接入服務(wù)器系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)、鏈路服務(wù)器系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。每一個(gè)用戶請(qǐng)求的服務(wù)或業(yè)務(wù)提供商提供的服務(wù)，都可以看成是傳送服務(wù)，該傳送服務(wù)被邊緣、節(jié)點(diǎn)、傳輸鏈路等，分解為接入服務(wù)、節(jié)點(diǎn)服務(wù)和鏈路服務(wù)等。
針對(duì)IP/WDM光網(wǎng)絡(luò)如圖4，其節(jié)點(diǎn)由路由器和光交叉連接(OXC)組成(圖中虛線框)，我們將該節(jié)點(diǎn)看成一個(gè)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)(NS)，該服務(wù)器系統(tǒng)還可以轉(zhuǎn)換為電域服務(wù)器(ES)和光域服務(wù)器(OS)的組合。IP / WDM網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)系統(tǒng)是由節(jié)點(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)和鏈路服務(wù)器系統(tǒng)組成的復(fù)雜組合。
2 基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)的性能分析
基于服務(wù)系統(tǒng)的光網(wǎng)絡(luò)將光網(wǎng)絡(luò)抽象為由接入服務(wù)器系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)、鏈路服務(wù)器系統(tǒng)的復(fù)雜組合，因此光網(wǎng)絡(luò)的性能與服務(wù)系統(tǒng)的性能是等效的。對(duì)服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行分析，在已有條件下尋求提高服務(wù)系統(tǒng)性能的適合策略也就是提高了光網(wǎng)絡(luò)的性能。在服務(wù)系統(tǒng)中，如公式(1)所示，光網(wǎng)絡(luò)性能可表示為接入服務(wù)器系統(tǒng)性能、節(jié)點(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)性能、鏈路服務(wù)器系統(tǒng)性能有關(guān)的復(fù)雜的隱函數(shù)：
Nc=F(ASc,NSc ,LSc ) (1)
其中Nc為與網(wǎng)絡(luò)性能有關(guān)的指標(biāo)，可以是容量、阻塞、吞吐量、性價(jià)比、能耗等；ASc，NSc，LSc分別為接入服務(wù)器系統(tǒng)性能、節(jié)點(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)性能和鏈路服務(wù)器系統(tǒng)性能，可以是容量、帶寬、存儲(chǔ)、能耗、成本。
(1)接入服務(wù)器系統(tǒng)的特性
用戶對(duì)帶寬的需求不斷增加導(dǎo)致接入服務(wù)器的帶寬迅猛增長，呈超摩爾定律發(fā)展，其成本及能耗在不斷下降。
(2)鏈路服務(wù)器系統(tǒng)的特性
隨著DWDM和10 Gb/s、40 Gb/s的采用，光纖鏈路的巨大容量使得光網(wǎng)絡(luò)中鏈路服務(wù)器容量很大，同時(shí)具有大量的波長通道。鏈路服務(wù)器的容量增長迅速，其成本及能耗相應(yīng)地也隨之下降。
(3)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)的特性
光交換的方式?jīng)Q定了節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的結(jié)構(gòu)特性，波長變換服務(wù)器、光纖延遲線服務(wù)器及光邏輯器件的發(fā)展緩慢導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)服務(wù)器容量增長緩慢，當(dāng)前采用的技術(shù)的成本及能耗隨著節(jié)點(diǎn)規(guī)模的增大快速上升。而光纖到戶(FTTH)的廣泛采用，新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)如視頻流成為網(wǎng)絡(luò)的主流業(yè)務(wù)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量暴漲，對(duì)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器系統(tǒng)產(chǎn)生巨大壓力。
根據(jù)以上分析，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)用戶帶寬需求增長、傳輸鏈路容量增加不會(huì)坐等影響節(jié)點(diǎn)性能關(guān)鍵的全光緩存等光子器件的成熟，節(jié)點(diǎn)的能力就成為光網(wǎng)絡(luò)最大的問題。針對(duì)接入服務(wù)器、節(jié)點(diǎn)服務(wù)器和鏈路服務(wù)器的特性，光網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)系統(tǒng)的性能提高可采用以下策略：
充分利用大容量鏈路服務(wù)器，以鏈路服務(wù)器容量換取節(jié)點(diǎn)服務(wù)器容量以提高系統(tǒng)性能；
利用接入服務(wù)器的數(shù)據(jù)單跳特性，降低對(duì)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器容量的要求以提高系統(tǒng)性能。
