光突发交换技术及其进展

2019-11-03 10:21:54

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供稿：网友

唐建军北京邮电大学电信工程学院

　　摘要：光突发交换是光路交换和光分组交换的一个有效折衷方案，同时避免了其缺点，能很好的适应于目前和未来业务量爆炸式增长及业务的多样性和多变性的要求，是目前最好发展潜力的光交换技术之一。本文首先介绍了光突发交换的概念，并讨论了光突发交换最为关键技术——竞争问题。然后分析了光突发交换的优势和存在的问题及其可用的解决方案，最后，介绍了光突发交换技术的最新研究进展和发展趋势。

　　关键词：光突发交换，密集波分复用，全光交换，光分组交换，波长路由光网络，光因特网

1 引言

　　因特网流量呈指数增长，并到2005年时，有望达到话音流量的10倍。这种形势，促使研究者们加快对波分复用（WDM）传输和光交换技术进行深入研究，以满足因特网流量的爆炸式增长、业务的多样性和业务突发性的要求。考虑到ip网络的发展趋势和光技术的先进性，下一代因特网必然是以WDM网络为基础，以因特网业务流量为主的优化IP光网络（即IP over DWDM），光交换网络就成为下一代光因特网的核心技术之一。

　　目前比较成熟的光交换网络是光路交换（OCS），即波长路由（WRON），它采用多协议波长交换（MPλS）和通用多协议标签交换（GMPLS）协议机制，利用波长进行选路，即使在一个无波长变换的网络，也可以得到很好的应用。相对简单、易于实现，但建立和拆除一条通道需要一定的时间，且该时间与其连接的保持时间无关。这种开销，主要决定于端到端的信令时间，当连接保持时间比较短的情况下，它将导致信道的利用率太差，因此，它不适合于不断增长且变化无常的因特网流量。同时，它的交换粒度最小是一个波长，且波长分配不灵活，对于一个大的网络，波长资源是很有限的，可能造成波长资源匮乏的情况。

　　在光域交换中，光分组交换（OPS）在交换粒度、带宽利用率、延时和适应性等方面性能都比较好。从长远的角度来考虑，OPS似乎是一种非常有前途的技术，但因其实现较复杂，目前光逻辑处理技术不成熟，没有可用的光随机存储器（ORAM），还需经过多年的研究，才能得以应用。

　　针对目前OCS和OPS存在的一些问题，近年来，人们提出了一种新的光交换技术——光突发交换（OBS）技术[1-3]，并迅速得到国内外学者们的广泛研究。OBS得以引人注目是因为它兼有OCS和OPS的优点，同时又避免了它们的不足。在OBS网络中，原则上在中间节点无需任何光RAM（当然，若有光缓存，可以更好的解决光突发交换中的竞争问题），突发数据的传输是通过它相应的控制分组（BCP）提前预留（也就是事先配置好）的资源来完成的，突发数据分组在中间节点直通，无需存储，然而在光分组交换中，在中间节点存储转发。相对于光电路交换，OBS可获得更好的带宽利用率，因为它允许每一个波长的突发数据流之间统计复用，即时分复用，否则（如OCS系统中）需占用几个波长，这样节约了有限的波长资源。另外，突发分组的端到端（ETE）延时相对较少，因为一般情况下，偏置时间远小于波长路由中的波长通道建立时间。

2 光突发交换及其控制协议

2.1 OBS概念

　　在OBS中，突发（burst）是由相同的出口边缘路由器地址和相同的服务质量（QoS）要求的分组（包括IP分组、以太网帧、帧中继（FR）帧等）会聚而成，它是OBS网络中的基本交换单位。突发数据分组和控制分组的传输在物理信道上是分离的（一般为同一光纤中不同波长），每个控制分组对应于一个突发数据分组，它包含其对应突发数据分组的一些基本信息，如突发长度、偏置时间、波长ID和路由信息等，比突发数据短得多。在中间节点，控制分组经过光/电/光变换和电信息处理，而突发数据分组不需光/电/光处理，从源节点，通过控制分组事先配置好的链路，直接透明（全光）的传送到目的节点。

2.2 控制协议

　　从1980年以来，各种电突发交换技术都已经提出：Tell-and-Go（TAG），带内终结器（IBT）和预留固定周期（RFD）等等协议。TAG技术类似于快速电路交换，它无需确认所有带宽已经预留而直接发送突发数据，其带宽利用率不高。IBT方案预留带宽是从控制分组处理完成时开始，到IBT检测到为止，但IBT的全光检测比较困难。在基于RFD的突发交换中，只是由其突发控制分组指定的带宽被预留，这样排除了信令开销的影响，从而提供了高效的带宽预留机制。

　　恰量时间（JET）[3]协议基于RFD，是在光域中的突发交换控制协议。它采用了两种独特的特性，即偏置时间和延迟预留。这些特性使JET相对于TAG或其它没有采用这两种特性的OBS协议更加适合于OBS。JET允许数据信道的交换完全在光域中进行，其控制是由在电域处理的突发控制分组信息决定。控制分组要先于突发数据分组发送，即控制分组与其相应的突发数据分组在源端发送时有一个偏置时间的间隔。突发数据与其头部分离发送与交换，有助于实现，并降低对核心节点在头部处理和光电处理能力的需求，而且通过分配额外偏置时间，JET可以在光域扩展支持优先级业务。

　　控制分组包含必需的突发数据的光信道路由信息和突发长度、偏置时间信息。JET的另一个重要特性是延迟预留。它仅仅预留突发数据所经历的链路带宽资源。例如，为第一个控制分组到达的时刻，当控制分组处理完成后，从 (突发数据到达该节点的时刻)到（L为数据突发持续时间段）这段时间带宽将被预留。这样，增加了带宽的利用率，减少了突发丢包的可能性。例如，在图1的两种情况，即（第一种情形）和（第二种情形），假定其突发长度小于（），第二个突发分组将不会被丢弃；然而，若采用TAG方式，时刻到达的第二个突发分组将由于无缓存而被丢弃。

2.3 OBS网络结构

　　利用OBS实现IP over WDM网络拓扑结构图如图2所示。边缘路由器一边与业务网，如IP网相连，另一边与一个核心路由器相连，而核心路由器，可以与一个或多个边缘路由器，同时与其它核心路由器构成网状网。OBS网络节点功能模块图如图3所示。在入口节点，边缘路由器根据输入的IP流的特性来决定数据突发大小、偏置时间。控制分组，包含出口地址、偏置时间、数据突发大小和QoS等信息，提前于其相应的突发数据分组在分离的控制波长上发送，其对应的突发数据分组经过一个给定偏置时间后跟随控制分组传送。这些控制分组在中间节点转换成电信号进行处理。

　　在核心节点，带宽预留时间为突发数据的传输持续时间。核心单元需监视流量的基本要素包括阻塞概率、延迟和处理时间，这些信息决定在入口节点的光路径。在出口节点，数据突发将被拆帧，并拆分成多个IP包。若需要，在出口节点要进行重排序和出错重发处理。如偏置时间、突发大小和QoS值等参数，是OBS网络要处理的本质要素，这些需在OBS网络的入口节点进行赋值。

3 竞争解决方案

　　为了处理当多个分组同时到达同一个输出端口时，竞争解决方案是必需的，这是所有分组交换方式所必然会遇到的问题，即所谓的外部阻塞。比较典型的解决方式是通过缓存其它冲突的分组，只允许一个输出。在OBS与OPS中，竞争解决方案有光缓存、波长变换和偏射路由，或者其中多种技术融合，下面将详细介绍。

3.1 FDL

　　在光域中，没有可用的光RAM，因此，光交换中不可能完全采用电域中的交换机制。光缓存的一种可选方案是用光纤延迟线（FDL），在一定程度上，能减少光分组/突发的丢包率。但光缓存的一个主要问题就是其功率损耗，为了补偿功率损耗，不得不引入光信号放大或光信号再生，前者会引入噪声，后者成本太高。总的来说，引入FDL，将大大增加光交换的成本。

3.2 波长变换

　　光网络还有另外一个域，即波长域。在使用波长变换的系统中，若发生两个（或多个）光分组/突发竞争，其中一个分组/突发直通，另一个（或其它几个）分组/突发还是交换到同一个输出端口，但是不同的波长。这种解决方案在竞争分组的延迟方面是最佳的，即不会引入附加延时。这种方法适合于电路交换，同样适合于光分组/突发交换网络，但需要快速可调谐变换器。最近研究结果表明，它在分组交换光网络中是一种最有潜力的可选方案之一，它能最有效的降低光分组/突发的丢包率，特别是应用于多波长DWDM系统，因此快速可调波长变换器是目前研究的热点。

3.3 偏射路由

　　因为光缓存还有几个问题难以解决，所以尽量少用，或不用。偏射路由，即热土豆路由，当没有缓存可用时的另一种解决方案。当竞争发生时，分组/突发不能交换到正确的输出端口，将它路由到另一个可选输出端口，有可能通过另一条路径到达目的节点。当网络规模比较小，且其连通性比较好（即这些节点都有很多相邻节点）时，这种方式效果还不错。但若网络的连通性不好，很可能这些被偏射的分组/突发将无法到达目的节点。因为这些分组/突发在网络中游弋消耗了大量资源，却无法到达目的节点，很显然，在这种情况下，其它解决方案会起到更好的效果。此外，偏射路由方案只能适用于网络负载比较轻的场合，若平均流量负载比较高，偏射路由的分组只能降低网络的效率。偏射路由方案可以改进，只允许某些端口，即若分组不能找到一条合理的路由到达目的节点，它将被阻塞，即使有空闲的端口。

3.4 多种技术融合

　　最有效的组合解决方案是使用空间偏射路由、缓存和波长变换的有机结合。最经济的解决方案是最小的光缓存，配合部分波长变换，再引入偏射路由机制。为了尽可能的减少分组的丢包率和提供QoS服务，人们提出了分段丢弃（SD）[5]和复用OBS（OCBS）[6]，它们对光突发交换的丢包率性能没有根本性改善，本文就不详细讨论。

4 波长路由光突发交换

　　光突发交换中，最为关键的问题就是由于单向预留造成的光突发在核心节点竞争问题。在上节讨论的竞争解决方案中，最有潜力是快速可调波长变换技术，要是核心节点没有快速可调波长变换，这样的光突发交换系统由于丢包率太大，几乎不可用，要是有全波长变换（即可以在调谐范围内，从任意输入波长变换到任意输出波长），且有十多个及以上的波长资源可用，这样光突发交换的丢包率可以达到10-6量级，几乎可以忽略[4]。到时光突发交换就可以得到应用。但目前技术条件下，快速可调波长变换技术还处于实验阶段，且其它性能如串扰、噪声、插入损耗等方面还很不理想，要在商用光网络中应用，目前还不现实。于是Michael Duser等研究人员提出采用双向预留的机制的光突发交换，即波长路由光突发交换（WROBS）[7-8]，结合波长路由技术与光突发交换的技术优势，以牺牲时延和时延抖动为代价，即使在无波长变换的光网络中，其丢包率也可以大大提高，达到实用化水平。

4.1 WROBS网络结构

　　目前，一般的WROBS采用集中式资源预留的机制，其WROBS网络结构如图5所示，它包括3个部分边缘节点（边缘路由器）、核心节点（核心路由器）和控制节点。每个边缘路由器一端与一个或多个子网相连，另一端与一个核心路由器相连；每个核心路由器与一个或多个边缘路由器相连，同时与多个核心路由器相连，构成网状网；控制节点与核心路由器构成以控制节点为中心的星型网络，该网络主要用于资源请求与分配。

　　WROBS工作流程如下：边缘路由器将来自一个或多接入子网的数据按一定的规则和算法进行会聚，到一定的时候，通过专用信道（或波长）向与其相连核心路由器发送请求，请求资源发送突发数据，其中请求信息主要包括突发包的长度，源地址、目的地址等，然后核心路由器将请求转发到中心控制节点，进行处理，并试图其相应的链路分配资源。若分配成功，则回复一个成功的确认消息，并同时向该突发分组所途经的路径发送配置消息，保证光突发分组到来之前配置好，若分配不成功，则回复一个失败的确认消息，边缘路由器过一段时间再申请。若业务排队时延超过了业务所能承受的最大时延，或队列已满，则将丢弃一部分分组，这与普通的电路由器一样。

4.2 WROBS优缺点

　　WROBS结合了OBS技术与光路交换技术的一些特点，采用OBS的传输形式，通过快速的光路交换机制进行双向预留资源，提高了网络的性能，其优缺点描述如下：

4.2.1 WROBS优点

WROBS主要优点体现如下：

　　与OBS一样，方便实现波长统计复用，带宽利用率高，特别是对于未来突发性业务。

　　无需快速可调波长变换（当然有波长变换会更好），降低了实现的难度和成本。

　　充分利用了光子技术（快速、大容量）和电子技术（成熟、灵活）的优势。

　　避免了突发分组在核心网络由于竞争而丢弃，通过双向预留机制，通过中心控制调度节点分配一个波长的一个时间片，有效的利用了带宽资源，同时避免了突发分组的竞争。

　　避免了拆链路浪费的带宽资源。通过边缘节点或控制节点根据当前网络流量，估计突发包的大小（即突发分组的持续时间），从而完成自动的拆链过程，减少了信令时间开销。

4.2.2 WROBS缺点

WROBS的主要缺点如下：

　　边缘节点需要大量的电缓存，由于接入业务需要在边缘进行会聚，且为了采用双向预留，会聚的时间比传统的OBS要大得多，等待建链的确认，因此边缘节点需要更多的电缓存。

　　边缘会聚时延偏大，因此时延和时延抖动比较大，一般为几十毫秒，甚至上百个毫秒。

　　控制节点需要与所有核心控制节点相连，与数据传输网络分离，需要单独的网络。

　　网络健壮性不好，一旦核心控制节点出现故障，整个WROBS网络将瘫痪。

　　网络规模受限，由于采用双向预留，资源的请求与分配的传播时间将成为影响网络规模的主要因素，由于光传播速率为200km/ms，这限制网络的直径不大于2000km（往返时延为20ms）。

　　综上所述，WROBS是针对目前快速可调波长变换技术不成熟的情况提出来的。最近几年，快速可调波长变换器不可能大规模商用，经典的OBS就很难商用，WROBS就是一种很好的过渡方案。

5 总结

　　OBS是一种非常有前途的光交换技术，它结合的光电路交换和光分组交换的优势，同时避免了它们的缺点。其特点是控制与数据在时间和空间上分离，控制分组提前发送，且在中间节点经过电信息处理，为数据分组预留相应的资源，而数据分组随控制分组之后传送，在中间节点通过预留好的资源直通，无需光/电/光处理；采用单向预留机制，带宽利用率高，灵活，且无需光缓存，实现相对容易。具有延时小（单向预留），带宽利用率（统计复用），效率高，交换灵活、数据透明、交换容量大（电控光交换）等特点，可以达到Tb/s级的交换容量，甚至Pb/s量级。因此，OBS网络主要应用于不断发展的大型城域网和广域网，它可以支持传统业务，如电话、SDH、IP、FDDI和ATM等，也可以支持未来具有较高突发性和多样性的业务，如数据文件传输、网页浏览、视频点播、视频会议等业务。

　　WROBS针对快速波长变换技术不成熟的情况涌现出来的，是目前一种很好的过渡解决方案，适用于大型城域网和小型广域网，如省网或国家网。当快速波长变换技术成熟以后，光突发交换就会如日中天，成为下一代全光交换网络的核心。

〖参考文献〗

[1]. C. Qiao and M. Yoo, “Optical burst switching (OBS)–A new paradigm for an optical internet,” Journal of High Speed Networks, vol.8, 1999, pp. 69-84.

[2]. M. Yoo and C. Qiao, “Just-Enough-Time: A High-Speed PRotocol for Bursty Traffic in Optical Networks,” Proc. of IEEE Summer Topic Meeting, Aug. 1997, pp. 26-27.

[3]. Y. Xiong, M. Vanderhoute, and H.C. Cankaya, “Control architecture in optical burst-switched WDM networks”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 18, No. 10, October 2000, pp. 1838-185.

[4]. M. Yoo, C. Qiao and S. Dixit, “QoS Performance of Optical Burst Switching in IP-Over- WDM Networks,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Oct. 2000, pp. 2062-2071.

[5]. V.M. Vokkarane, J.P. Jue and S. Sitaraman, “Burst Segmentation: An Approach For Reducing Packet Loss In Optical Burst Switched Networks”, in Proc. of ICC’02, Apr. 2002.

[6]. Andrea Detti, V. Eramo, and M. Listanti,Performance Evaluation of a New Technique for IP Support in a WDM Optical Network: Optical Composite Burst Switching (OCBS) JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 20, NO. 2, FEBRUARY 2002, pp154-165

[7]. M. Düser, P. Bayvel, “Analysis of a Dynamically Wavelength-Routed Optical Burst Switched Network Architecture,” Journal of Lightwave Technology, vol. 20, No. 4, Arp. 2002, pp574-585.

[8]. M. Düser, E. Kozlovski, R. I. Killey, and P. Bayvel, “Design trade-offs in optical burst switched networks with dynamic wavelength allocation,” in Proc. Eur. Conf. Optical Communication, vol. 2, Munich, Germany, Sept. 2000, pp. 23–24.

摘自　光纤新闻网

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