光突發(fā)交換技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

來源：北京郵電大學(xué)光通信中心      作者：唐建軍

   互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展壯大和各種新興業(yè)務(wù)的出現(xiàn)，如各種多媒體網(wǎng)頁(yè)、多媒體游 戲、多媒體會(huì)議、電子商務(wù)等，使互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)呈指數(shù)增長(zhǎng)。由于業(yè)務(wù)的多樣性和多變性，傳統(tǒng)的核心交換網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不適于互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的需要。這種形勢(shì)促使研 究者們加快對(duì)波分復(fù)用(WDM)傳輸和全光交換技術(shù)深入研究，以便適應(yīng)因特網(wǎng)流量的爆炸式增長(zhǎng)、業(yè)務(wù)的多樣性和業(yè)務(wù)突發(fā)性。 

   目前光網(wǎng)絡(luò)采用的 靜態(tài)或動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)路由(或者說光電路交換，OCS)機(jī)制，協(xié)議機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，易于實(shí)現(xiàn)。但它類似于電路交換機(jī)制，建立和拆除一條通道需要一定的時(shí) 間，并且該時(shí)間與它連接的保持時(shí)間無關(guān)，而主要決定于端到端的信令時(shí)間。當(dāng)連接保持時(shí)間比較短時(shí)，它將導(dǎo)致信道的利用率變差。因此，它不適合于持續(xù)增長(zhǎng)且 變化無常的因特網(wǎng)流量，如網(wǎng)頁(yè)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(shí)和適應(yīng)性等方面比較好。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來考慮，OPS似乎是一種很有前途的技術(shù)，但因?yàn)樗�的�?shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，目前光邏輯處理技術(shù)不成熟，沒有可用的光隨機(jī)存儲(chǔ)器(ORAM)，所以還需經(jīng)過多年的研究才能得以應(yīng)用。 

   針對(duì)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(shù)—光突發(fā)交換(OBS)技術(shù)，并迅速得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。OBS得以引人注目，是因?yàn)樗�兼有OCS和OPS的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又避免了它們的不足。 

   在OBS 網(wǎng)絡(luò)中，中間節(jié)點(diǎn)無需任何光RAM，突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸是通過它相應(yīng)的控制分組(BCP)預(yù)留資源來完成的，突發(fā)數(shù)據(jù)分組在中間節(jié)點(diǎn)直通，無需存儲(chǔ)。而在光分 組交換中，突發(fā)數(shù)據(jù)在中間節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)。相對(duì)于光電路交換，OBS可獲得更好的帶寬利用率，因?yàn)樗�允許每一個(gè)波長(zhǎng)的突發(fā)數(shù)據(jù)流之間統(tǒng)計(jì)復(fù)用，否則需占用幾 個(gè)波長(zhǎng)。另外，突發(fā)分組的端到端(ETE)延時(shí)相對(duì)較少，因?yàn)槠�置時(shí)間遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)路由中建立波長(zhǎng)通道的時(shí)間。 

   什么是“光突發(fā)交換” 

   突發(fā)交換的概念其實(shí)在20世紀(jì)80年代初就已提出，并且陸續(xù)有一些論文發(fā)表。突發(fā)交換概念當(dāng)時(shí)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(fā)交換的時(shí)候，無論電話網(wǎng)還是數(shù)據(jù)網(wǎng)，技術(shù)已經(jīng)成熟，沒有必要以突發(fā)為單位來處理話音或數(shù)據(jù)，以改變整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 

   但是，隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，一個(gè)深刻的變化是，傳輸速率的增長(zhǎng)大大超過了處理速率的增長(zhǎng)，如果依舊按照老式的分組方法來處理，網(wǎng)絡(luò)處理設(shè)備將長(zhǎng)期處于過 載狀態(tài)。因此，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理是非常必要的。光突發(fā)交換提高處理粒度就是一種較好的解決方法，通過預(yù)先發(fā)送控制信息，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處預(yù)約資源后，節(jié)點(diǎn)再 傳送突發(fā)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以始終保持在光域內(nèi)，同時(shí)免去分組交換中逐一處理分組頭的麻煩。 

   在OBS網(wǎng)絡(luò)中，基本交換單位是突發(fā)(burst)。突 發(fā)是由相同的出口邊緣路由器地址，以及相同的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求的IP分組組成。光突發(fā)交換節(jié)點(diǎn)包括核心節(jié)點(diǎn)與邊緣節(jié)點(diǎn)。邊緣節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)突發(fā)數(shù)據(jù)包的重 組和分類，可以提供各類業(yè)務(wù)接口，而核心節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是完成突發(fā)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與交換。光突發(fā)交換的核心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與光分組交換不同，它只需在電域處理控制信令。
邊緣節(jié)點(diǎn)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(huì)聚成突發(fā)包，生成突發(fā)數(shù)據(jù)分組和相應(yīng)的控制分組。突發(fā)數(shù)據(jù)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(zhǎng))和時(shí)間上(控制分組提前于突發(fā)數(shù)據(jù)分組一段時(shí)間，即偏置時(shí)間)是分離的。 

   在OBS 系統(tǒng)中，一般采用單向預(yù)留的方式，即控制分組提前于數(shù)據(jù)突發(fā)分組發(fā)送，而數(shù)據(jù)突發(fā)分組在等待一定的時(shí)間后，不需要等待回復(fù)確認(rèn)消息，直接在預(yù)先確定的信道 (波長(zhǎng))上發(fā)送。每個(gè)控制分組對(duì)應(yīng)于一個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)分組，它包含其對(duì)應(yīng)突發(fā)數(shù)據(jù)分組的一些基本信息，如突發(fā)長(zhǎng)度、偏置時(shí)間、波長(zhǎng)ID和路由信息等，比突發(fā)數(shù) 據(jù)短得多。
在中間核心節(jié)點(diǎn)，控制分組經(jīng)過光/電/光變換和電信息處理，為相應(yīng)的光突發(fā)分組預(yù)留資源。而突發(fā)數(shù)據(jù)分組不需光/電/光處理，從源 節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)。這種情況就好比一個(gè)旅行團(tuán)(相當(dāng)于一個(gè)突發(fā))出去旅行，事先派一個(gè)人(相當(dāng)于控制 分組)去預(yù)訂車票和飯店等，而后面的旅行團(tuán)就不必考慮這類問題，按預(yù)定的信息旅行即可，最終完成旅行。當(dāng)然，如果前面所述的控制分組預(yù)訂不成功(即資源競(jìng) 爭(zhēng)，或者稱為沖突)，相應(yīng)的光突發(fā)分組可能會(huì)丟失，其解決方案將在后面介紹。 

   控制協(xié)議 

   自20 世紀(jì)80年代以來，研究領(lǐng)域提出過多種電突發(fā)交換技術(shù)，如Tell-and-Go(TAG)、帶內(nèi)終結(jié)器(IBT)和預(yù)留固定周期(RFD)等協(xié)議。 TAG技術(shù)類似于快速電路交換，它無需確認(rèn)所有帶寬已經(jīng)預(yù)留，而直接發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)，其帶寬利用率不高。IBT方案預(yù)留帶寬是從控制分組處理完成時(shí)開始，到 IBT檢測(cè)到為止，但I(xiàn)BT的全光檢測(cè)比較困難。在基于RFD的突發(fā)交換中，只是由它的突發(fā)控制分組指定的帶寬被預(yù)留，這樣排除了信令開銷的影響，從而提 供了高效的帶寬預(yù)留機(jī)制。
JET協(xié)議 

   恰量時(shí)間(JET)協(xié)議是基于RFD在光域中的突發(fā)交換控制協(xié)議。它采用了兩種 獨(dú)特的特性，即偏置時(shí)間和延遲預(yù)留。這些特性使JET相對(duì)于TAG或其它沒有采用這兩種特性的OBS協(xié)議更加適合于OBS。JET允許數(shù)據(jù)信道的交換完全 在光域中進(jìn)行，它的控制是由在電域處理的突發(fā)控制分組信息決定�？刂品纸M要先于突發(fā)數(shù)據(jù)分組發(fā)送，即控制分組與其相應(yīng)的突發(fā)數(shù)據(jù)分組在源端發(fā)送時(shí)，有一個(gè) 偏置時(shí)間的間隔。突發(fā)數(shù)據(jù)與其頭部分離發(fā)送和交換容易實(shí)現(xiàn)，并降低了對(duì)核心節(jié)點(diǎn)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(shí)間，JET可以 在光域擴(kuò)展支持優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)。

圖1 OBS JET協(xié)議

   控制分組包含必需的突發(fā)數(shù)據(jù)的光信道路由信息，及突發(fā)長(zhǎng)度和偏置時(shí)間信息。JET的另一個(gè)重要特性是延遲預(yù)留，它僅僅預(yù)留突發(fā)數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的鏈路帶寬資源。例 如，假設(shè)t1''為第一個(gè)控制分組到達(dá)的時(shí)刻，t1為突發(fā)數(shù)據(jù)到達(dá)該節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻，L為數(shù)據(jù)突發(fā)持續(xù)時(shí)間段。當(dāng)控制分組處理完成后，從t1到t1+L這段時(shí)間 帶寬將被預(yù)留，這樣就增加了帶寬的利用率，減少了突發(fā)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(yōu)先級(jí)的JET協(xié)議 

   基于優(yōu)先級(jí)的OBS預(yù)留機(jī)制有多種，其中最常見的一種是基于額外偏置時(shí)間的JET協(xié)議，即pJET。在這個(gè)協(xié)議中，優(yōu)先級(jí)高的光突發(fā)分組分配一個(gè)更長(zhǎng)的額外 偏置時(shí)間，只要它的額外偏置時(shí)間大于低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)最大分組的持續(xù)時(shí)間，就可以保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)不會(huì)受到低優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的影響。當(dāng)然，低優(yōu)先級(jí)的光突發(fā)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(yōu)先級(jí)和低優(yōu)先級(jí)的光突發(fā)分組的丟包率基本不受影響。這就好比普通人員只能購(gòu)買當(dāng) 天的火車票，而優(yōu)先級(jí)高的人員可以提前幾天購(gòu)票，當(dāng)然他成功買到車票的幾率要大得多，這樣就實(shí)現(xiàn)了優(yōu)先級(jí)。 

   上述協(xié)議存在一個(gè)問題，就是高優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)雖然丟包率性能改善了很多，但它的代價(jià)是增加了高優(yōu)先級(jí)的延遲。只要將延遲控制在業(yè)務(wù)允許的范圍內(nèi)，這種技術(shù)還是可行的。 

   還有一種稱為比例優(yōu)先級(jí)，它是按一定的原則故意丟棄一些低優(yōu)先級(jí)的光突發(fā)分組，給高優(yōu)先級(jí)更多的預(yù)留資源的機(jī)會(huì)。這樣雖然能完成一定的優(yōu)先級(jí)，并且高優(yōu)先級(jí)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)，如果要求這個(gè)比例增加，總體的性能將會(huì)更差。 

   竟?fàn)幗鉀Q方案 
   
   為了處理當(dāng)多個(gè)分組同時(shí)到達(dá)同一個(gè)輸出端口時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)解決方案是必需的，這是所有分組交換方式必然會(huì)遇到的問題，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，只允許一個(gè)輸出。在OBS與OPS中，競(jìng)爭(zhēng)解決方案有光緩存、波長(zhǎng)變換和偏射路由，或者其中多種技術(shù)融合，下面將分別詳細(xì)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(jī)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(fā)的丟包率。但是，光緩存的一個(gè)主要問題就是它的功率損耗。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。 

   波長(zhǎng)變換 

   光網(wǎng)絡(luò)還有另外一個(gè)域，即波長(zhǎng)域。在使用波長(zhǎng)變換的系統(tǒng)中， 如果發(fā)生兩個(gè)或多個(gè)光分組/突發(fā)競(jìng)爭(zhēng)，其中一個(gè)分組/突發(fā)直通，另一個(gè)或其它幾個(gè)分組/突發(fā)還是交換到同一個(gè)輸出端口，但是用不同的波長(zhǎng)。這種解決方案在 競(jìng)爭(zhēng)分組的延遲方面是最佳的，它不會(huì)引入附加延時(shí)。這種方法適合于電路交換，也適合于光分組/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， 它在分組交換光網(wǎng)絡(luò)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(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)。 
   
   偏射路由 

   因?yàn)楣饩彺孢�有幾個(gè)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(shí)的另一 種解決方案。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，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)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較小， 且它的連通性比較好，即這些節(jié)點(diǎn)都有很多相鄰節(jié)點(diǎn)時(shí)，這種方式的效果還不錯(cuò)的。但是，如果網(wǎng)絡(luò)的連通性不好，這些被偏射的分組/突發(fā)將很可能無法到達(dá)目的 節(jié)點(diǎn)。因?yàn)檫@些分組/突發(fā)在網(wǎng)絡(luò)中游弋消耗了大量資源，但無法到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。很顯然，在這種情況下，其它解決方案會(huì)起到更好的效果。 

   此外，偏射路由方案只能適用于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載比較輕的場(chǎng)合，若平均流量負(fù)載比較重，偏射路由的分組只能降低網(wǎng)絡(luò)的效率。偏射路由方案可以進(jìn)行改進(jìn)，只允許使用某些端口，如果分組不能找到一條合理的路由到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，即使有空閑的端口它也將被阻塞。 

   多種技術(shù)融合 

   由于單個(gè)沖突解決機(jī)制對(duì)性能的改善有限，而且上述三種技術(shù)互不影響或沖突，因此可以采用上述二種或三種技術(shù)有機(jī)結(jié)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(zhǎng)變換的有機(jī)結(jié)合，配合適當(dāng)?shù)目臻g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，但性能略有損傷。 

   OBS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 

   利用OBS實(shí)現(xiàn) IP over WDM網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。邊緣路由器一邊與業(yè)務(wù)網(wǎng)，如IP網(wǎng)相連，另一邊與一個(gè)核心路由器相連。而核心路由器，可以與一個(gè)或多個(gè)邊緣路由器，同時(shí)與 其它核心路由器構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)。在入口節(jié)點(diǎn)，邊緣路由器根據(jù)輸入的IP流的特性來決定數(shù)據(jù)突發(fā)大小、偏置時(shí)間。

圖2 OBS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
   控制分組包含出口地址、偏置時(shí)間、數(shù)據(jù)突發(fā)大小和QoS等信息，提前于它相應(yīng)的突發(fā)數(shù)據(jù)分組在分離的控制波長(zhǎng)上發(fā)送，它對(duì)應(yīng)的突發(fā)數(shù)據(jù)分組經(jīng)過一個(gè)給定的偏置時(shí)間后跟隨控制分組傳送。這些控制分組在中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行處理。 

   在核心節(jié)點(diǎn)，帶寬預(yù)留時(shí)間為突發(fā)數(shù)據(jù)的傳輸持續(xù)時(shí)間。核心單元需監(jiān)視流量的基本要素，包括阻塞概率、延遲和處理時(shí)間等，這些信息決定在入口節(jié)點(diǎn)的光路徑。在 出口節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)突發(fā)將被拆幀，并拆分成多個(gè)IP包。如果需要，在出口節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行重排序和出錯(cuò)重發(fā)處理。而偏置時(shí)間、突發(fā)大小和QoS值等參數(shù)，是OBS網(wǎng) 絡(luò)要處理的本質(zhì)要素，這些需在OBS網(wǎng)絡(luò)的入口節(jié)點(diǎn)進(jìn)行賦值。 

   OBS的應(yīng)用 

   OBS 技術(shù)是為了滿足業(yè)務(wù)增長(zhǎng)的需要成長(zhǎng)起來的，它具有延時(shí)小(單向預(yù)留)、帶寬利用率高、交換靈活、數(shù)據(jù)透明、交換容量大(電控光交換)等優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到 Tb/s級(jí)的交換容量。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)，如電話、SDH、IP、FDDI和ATM等，也可 以支持未來具有較高突發(fā)性和多樣性的業(yè)務(wù)，如數(shù)據(jù)文件傳輸、網(wǎng)頁(yè)瀏覽、視頻點(diǎn)播、視頻會(huì)議等。 

   對(duì)于大型的城域網(wǎng)，一個(gè)或多個(gè)大學(xué)、大型寫字 樓、小區(qū)、企事業(yè)單位，各個(gè)郊縣或衛(wèi)星城，以及人口密集的公共場(chǎng)所等，放置一個(gè)OBS邊緣路由器，完成本地多種業(yè)務(wù)的會(huì)聚，生成突發(fā)。它的接入業(yè)務(wù)可以是 多種多樣的，如以太網(wǎng)(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(yù)留和交換。這 樣，就構(gòu)建出了一個(gè)都市OBS網(wǎng)。 

   盡管OBS在標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議方面還不成熟，有很多技術(shù)還在進(jìn)一步研究之中，OBS仍是一種非常有前途的光交換技 術(shù)，它結(jié)合了光電路交換和光分組交換的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)避免了它們的缺點(diǎn)。OBS的特點(diǎn)是控制與數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上分離，控制分組提前發(fā)送，并且在中間節(jié)點(diǎn)經(jīng)過 電信息處理，為數(shù)據(jù)分組預(yù)留資源；而數(shù)據(jù)分組隨控制分組之后傳送，在中間節(jié)點(diǎn)通過預(yù)留好的資源直通，無需光/電/光處理；采用單向預(yù)留機(jī)制，帶寬利用率 高，并且無需光緩存，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易。隨著快速波長(zhǎng)變換技術(shù)的成熟，光突發(fā)交換技術(shù)將得到飛速發(fā)展，成為下一代光傳輸與交換網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。

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