光突发交换在下一代互联网中的应用

2019-11-03 10:18:36

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供稿：网友

池灏曾庆济赵焕东
上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室 1.概述

　　Internet和数据业务的急剧增长对网络带宽的要求越来越高。密集波分复用（DWDM）技术的进步使得一根光纤上能够承载上百个波长信道,最高的传输带宽记录已经达到了T比特级。在光纤传输上取得的技术成就对网络节点处理能力提出了新的要求。由于集成电路领域的技术突破远远跟不上光子技术上的成就,目前网络节点（包括交换机和路由器）成为影响网络带宽和充分利用光纤带宽最大的瓶颈。

　　许多研究机构致力于研究和开发光交换技术,试图将网络交换工作在光子层面上完成,消除电子瓶颈的影响。总的来说,光交换可分为波长路由的电路交换(Optical Circuit Switching, OCS)和光分组交换(Optical Packet Switching, OPS)两种方式。前者已经研究成熟,并逐步大规模应用,完成这交换功能的主要是光交叉连接器(OXC)和光分插复用器(OADM)。但是这种交换模式只是粗粒度的光交换,不能取代ip层的分组交换。光分组交换技术试图直接在光层上实现小粒度的分组交换,在近年来取得了一些进展,光标记交换和多波长标记交换是实现光分组交换的一种技术之一。但是由于在一些关键性的光器件如高速光开关、光缓存器、光逻辑器件等取得重大突破之前,光分组交换技术尚难以从实验室走向实用。光突发交换(Optical Burst Switching,OBS)概念由Chunming Qiao和J. S. Turner提出,短短几年,已引起越来越多研究机构的注意。因为它克服了光分组交换的缺点,对光开关和光缓存的要求降低,并能够很好的支持突发性的分组业务,被认为很有可能在未来互联网中扮演关键角色。

2.光突发交换基本原理和概念

　　OBS可以看作光电路交换和光分组交换之间的一个折中,因为它的交换粒度（即突发长度,通常为微秒量级）介于这二者之间。然而,OBS与光电路交换和光分组交换之间除了在交换粒度上的差别外,还有很多区别,表现在交换结构上,信令方式上,网络架构上等等。

　　OBS的概念起源于以前的电子突发交换网,在当时突发交换基本上是一种快速分组交换技术的推广,在这种网络中包长可变且可以为任意长度,并采用分散式共享缓存交换结构。OBS的主要特点包括采用带外信令方式,即数据信道与控制信道在物理上分离；数据在OBS网中保持为光信号而控制信号必须采用电子方式处理,即经过每个节点控制信号都必须经历光电光的转换；通常采用单向无应答的预约方式；突发长度可变；在交换节点上并非一定要使用光缓存等。

　　OBS网络结构包括核心光突发交换层、光突发聚集层和接入层。典型OBS网的工作原理可以简单地描述如下：在OBS网络的边缘处将抵达的IP包封装成突发（光突发封装技术将在后面详细讨论）。光突发的传输和交换资源通常是通过单向预约的方式预约,即数据比预约请求稍后发出,而无需等待资源成功预约的应答。在一方面,在这种预约方式下,即便是网络没有足够的资源突发也会接入,从而引起突发的丢弃；在另一方面,由于无需等待应答信号,这种信令方式能使网络时延大大降低。预约请求（即控制包）是在一独立的信道传送,且比相应的突发提前一个偏置时延。这个偏置时延必须足够大,以使得中间节点能够及时的进行电子处理和为即将抵达的突发配置光开关矩阵。当一个突发抵达交换节点,相应的交换矩阵已经建立,所以光突发可以一直保持在光域内。

3.OBS的资源预约协议

　　从理论上讲,在OBS网络中,资源预约可以是单向也可以是双向的。双向预约协议可以称为Tell-and-Wait (TAW),在此协议下,当一个源节点想发送一个突发,它首先发送一个请求,途径所需经过的各个节点,只有当所有的节点能满足这个请求时,源节点才能得到成功的应答信号,否则,该突发被拒绝接入,源节点只有在以后再发送请求。最简单的单向协议时Tell-and-Go(TAG)方案,这时,突发紧跟在请求包后面送出,而不等待应答信号,如果在途径的节点遭遇竞争,该突发将被丢弃。介于这二者之间的是 Chunming Qiao 提出的Just-Enough-Time（JET）协议,即在控制包和突发之间保留足够的时间,使得中间节点能够在突发抵达该节点前及时处理。对JET协议稍加改进,使不同业务的优先级与控制包与突发之间的偏置时延量(offset time)联系起来,对于高优先级业务,设置的偏置时延量较大,因为时延量越大,该突发就越有可能成功的预约所需的资源,从而丢包率也较低。此外,还有一些上述几种协议的变种,如Just-in-Time (JIT) 协议。

4.突发封装技术和QoS支持

　　突发封装(burst assembling)是OBS网络中一个重要课题,突发封装是指将IP包聚集和组装成突发的过程。常见的突发封装技术一是基于定时器的,二是基于阈值的。在基于定时器的突发封装法中,突发是以固定间隔产生和周期性送入光网络中,这样突发的长度应该是可变的。基于阈值的突发封装法中,突发的长度通常是固定的,因而一个突发中包的数目也是限定的。

　　QoS (Quality of Service)支持也是OBS网络的一个重要课题,也是下一代Internet的重要特征,多种QoS需求的应用,如Voice over IP, VOD, 视频会议等,都促使着互联网支持QoS。为了在IP网中支持QoS,IETF提出了两种框架,即IntServ和DiffServ。IntServ结构是基于每个流的预约,缺点是不可升级的。为了取得可升级能力,DiffServ根据IP包头的码点将数据包分级。为了在OBS网络中支持QoS,已经提出了几种方案。其中一种就是前面所述的JET协议中通过调节偏置时延来确定优先级。有两种方案是与突发封装联系在一起的。第一种方法是将OBS突发的优先级与IP包的优先级对应封装,并在OBS交换节点中当有竞争发生时对高优先级的突发予以优先通过。第二种方案是所谓的混合封装方法（composite assembling）,在一个突发中可以封装多个不同优先级的IP包,但是次序是高优先级的包在前,低优先级的包在后,当有竞争发生时,突发的尾部可以被丢弃,而高优先级的突发头部则被保留。

5.OBS在下一代Internet中的应用

　　OBS为IP骨干网的光子化提供了一个非常有竞争力的方案。一方面,通过OBS可以使现有的IP骨干网的协议层次扁平化,更加充分的利用DWDM技术的带宽潜力；另外一方面,由于OBS网对突发包的数据是完全透明的,不经过任何的光电转化,从而使OBS交换机能够真正的实现所谓的T比特级光路由器,彻底消除由于现在的电子瓶颈而导致的带宽扩展困难。此外OBS的QoS支持特征也符合下一代Internet的要求。因此,OBS网络很有希望取代当前的基于ATM/SDH架构和电子路由器的IP骨干网,成为下一代光子化的Internet骨干网。

6.问题探讨与展望

　　从应用的角度,OBS还有一些重要的课题需要研究。突发封装,突发偏置时延的管理,数据和控制信道的分配,QoS的支持,交换节点光缓存的配置（如果需要的话）等问题还需要进一步作深入研究。对于OBS网来说,在边缘路由器光接收机上的突发快速同步也是对系统效率有重要影响的问题。上述问题是紧密关联的,比如说光缓存中光纤延迟线的配置与突发长度的统计分布相关,而突发长度又取决于突发封装过程；突发封装、光路由器的规模、数据和控制信道组的大小又会影响突发偏置时延的管理；交换节点的分配器和控制器运行快慢以及网络规模又会反过来影响突发封装。在网络设计当中,所有的这些问题都必须仔细考虑和规划。由于光纤延迟线的限制,为了降低丢包率,OBS网络必须通过波分复用网络信道成组来实现统计复用。如何在OBS网络中实现组播功能也是一项非常重要的课题,为了实现组播,光开关矩阵和交换控制单元都必须具备组播能力,且二者之间必须能有效地协调。此外,将OBS与现有的动态波长路由技术有机的结合,可以使网络具有更有效的调配能力,但也需要进一步的细致研究。

　　作为一项具有广泛前景和技术优势的交换方式,OBS技术已引起了国内外众多研究机构的关注。我国的863计划已将OBS列为重点资助项目,我们期待OBS试验网在我国的出现,为这项技术快速走向成熟继而商用化奠定坚实的基础。

摘自《网络通信世界》

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