光突发交换及其关键技术研究

2019-11-03 10:23:37

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供稿：网友

唐建军　纪越峰　北京邮电大学电信工程学院

　　摘要：文章介绍了光突发交换网络的恰量时间协议、网络结构和突发控制分组结构，重点研究了光突发交换网络的竞争解决方案、QoS解决方案和突发会聚机制等关键技术.

　　关键词：光突发交换；恰量时间协议；QoS；竞争解决

　　光突发交换（OBS）[1]因其兼有ip over WDM电路交换和光分组交换的优点而引人注目.在OBS技术中，突发数据的传输是通过它相应的控制分组预留的资源完成的，突发数据分组在中间节点直通，无需存储.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，不需占用几个波长.另外，由于偏置时间远小于波长路由中的波长通道建立时间，所以突发分组的端到端（ETE）延时相对较小.

1恰量时间（JET）协议

　　自1980年以来，各种电突发交换技术陆续被提出，如TAG、IBT和RFD技术等.TAG技术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.

　　JET基于RFD，是光域中的突发交换控制协议.它的特性(偏置时间和延迟预留)使它相对于TAG或其它没有采用这两种特性的OBS协议更加适合于OBS[1].JET允许数据信道的交换完全在光域中进行，其控制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，即它们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，易于实现，并可降低对核心节点在头部处理和光电处理能力方面的需求，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、突发长度和偏置时间信息.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1个控制分组到达的时刻，当控制分组处理完成后，从t1(突发数据到达该节点的时刻)到t1+L（L为数据突发持续时间段）这段时间带宽将被预留，这样就提高了带宽的利用率，减少了突发丢包的可能性.例如，在图1的两种情况，即t2＞t1+L（第1种情形）和t2＜t1（第2种情形）中，假定其突发长度小于（t1-t2），第2个突发分组将不会被丢弃；然而，若采用TAG方式，时

2OBS网络结构

　　图2为OBS网络节点功能模块示意图.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和偏置时间.包含出口地址、偏置时间、数据突发大小和QoS等信息的控制分组，先于其相应的突发数据分组在分离的控制波长上发送，其主体即突发数据分组经过一个给定的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[2].

　　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(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，数据突发将被拆分成多个IP包.必要时在出口节点要进行重排序和出错重发处理.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，需在入口节点进行赋值.

3OBS控制分组结构

　　突发分组包括突发控制头和突发数据两部分.在OBS中，突发数据及其头部在不同的波长上发送，且突发头提前发送.每一个控制分组包含交换路由、突发分组大小和偏置时间等信息.一般地，突发控制包的格式如图3所示.

　　其中，标签类似于多协议标签交换(MPLS)中的标签，控制分组与突发数据的标签一致；波长ID指示其突发数据所在的波长；CoS为服务类别；偏置时间是指控制分组与突发数据的时间偏差；突发大小是指突发分组持续时间的长度；CRC是控制分组的校检和，尽量减小由于控制分组的比特差错引起更大的差错.

4关键技术

4.1竞争解决方案

　　为了处理多个分组同时到达同一个输出端口的情况(即外部阻塞)，竞争解决方案是必需的.比较典型的解决方法是缓存其它冲突分组，只允许一个输出.下面将详细介绍光分组交换中的竞争解决方案.

4.1.1光纤延迟线（FDL）

　　由于没有可用的光随机存储器（ORAM），因此，在光域中光缓存的一种可选方案是用FDL，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，而前者会引入噪声，后者成本太高.总的来说，引入FDL，将大大增加光交换的成本.

4.1.2波长变换

　　在使用波长变换的系统中，若发生两个（或多个）数据分组竞争，其中一个分组直通，另一个（或其它几个）分组还是交换到同一个输出端口，但是交换到不同的波长上.这种解决方案在竞争分组的延迟方面是最佳的，不会引入附加延时.这种方法适合于电路交换，也适合于光分组交换网络，但需要快速可调谐变换器.最近的研究结果表明，它在分组交换光网络中是最有潜力的可选方案之一，因此快速可调波长变换器是目前研究的热点.

4.1.3偏射路由

　　偏射路由是当没有缓存可用时的另一种解决方案.当竞争发生时，分组不能交换到正确的输出端口，如将它路由到另一个可选输出端口，则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在网络中游弋消耗大量资源，却无法到达目的节点.因此，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，偏射路由的分组只会降低网络的效率.偏射路由方案可以改进，只允许偏射到某些端口，也就是说若分组找不到一条合理的路由到达目的节点，即使有空闲的端口它也将被阻塞.

4.1.4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.

4.2QoS解决方案

　　到目前为止，人们提出可用在OBS网络中的QoS解决方案主要有两种，一种是基于额外偏置时间的方案，另一种是比例QoS方案.

　　基于额外偏置时间的QoS解决方案是通过在控制分组与数据分组之间设置额外偏置时间，不同的额外偏置时间，表示不同的优先级，其丢包率将不同，因为额外偏置时间越大，它预留成功的机会越大.其特点是区分服务性能良好，总的平均丢包率与常规JET相差不大，但会给高优先级的业务带来较大的端到端延时，即最高优先级业务的额外延迟为(n-1)×tdiff（最大），其中，n为优先级别数，tdiff为相邻优先级间的额外偏置时间差.例如，假定有8类优先级，平均突发长度为L=25 μs（1 Mbit/40 Gbit/s），tdiff＝3L＝75 μs（在泊松分布情况即最坏情况下，其突发隔离度可达95%)[3]，这样最高优先级业务的额外延迟为（8-1）×75＝525 μs，但这个延迟对业务一般没有太大影响.另外，对于较低优先级的业务具有突发长度选择性，因为较小长度的数据分组预约资源成功的概率要大一些.

　　比例QoS[4]的基本原理是：根据各优先级的比例因子，当较高优先级的分组发生丢包时，故意丢弃一些较低优先级的分组，使他们的丢包率始终保持一定的比例（在一段时间内），这样给较高优先级业务多一些预约成功的机会.其特点是使各优先级丢包率之间保持一定的比例关系，同时高优先级的延迟也不增加.但其缺点是牺牲了总的丢包率，在本来可能没有冲突的时候，也有可能丢包.

　　为降低IP分组的丢包率，在应用上述方法的同时，可采用分段丢弃，这样需在突发数据分组中，为每个IP分组加一些开销，用于IP分组定位与识别.

4.3突发会聚机制

　　在OBS网络的边缘节点，边缘路由器将多个IP分组合并成突发分组.突发数据大小的变化应尽可能小，因为变化较大时将要求QoS的额外偏置时间更大，导致延时更大.因而需寻求一种突发分组会聚机制，使突发数据利用率高，而突发分组大小的变化范围小.将多个IP分组会聚成一个光突发分组有两种方式：(1) 允许分段，即将一个IP分组拆成两个部分，分别放到不同的突发分组中；(2) 不允许分段.方式(1)在负载较重时，各突发分组大小完全一样，相当于一个时隙，有助于降低丢包率（不明显），但它使已经很复杂的边缘设备更加复杂.方式(2)使各突发分组的大小在即使负载较重时也略有波动，对于丢包率有一点影响，但在入口和出口节点控制简单.还有一种方式，是用空闲数据将突发数据分组填充成固定长度，但会降低利用率，对于相同负载，反而会增加丢包率，得不偿失.所以一般趋向于采用不分段，也不填充的方式.

　　目前已提出的会聚算法有：基于定时计数算法[5].当突发数据分组大小达到某一最大值或定时器时间到时，该突发数据会聚完成，该算法的特点是简单，但当负载较轻时，利用率较低，并且很可能在核心节点发生连续冲突；另一种是利用滞后特性、m类FIFO队列模型和回形计数器，根据负载的情况，动态地改变会聚的门限值，解决连续竞争问题，同时使定时周期最小化，且突发数据分组大小变化比较缓慢[6]，这种机制，控制略复杂.

4.4保护恢复机制

　　随着DWDM技术的发展，单根光纤中所承载的业务容量已经达到Tbit/s量级.若光纤链路发生故障，将导致大量的数据分组丢失，因此需要一种适当的保护恢复方案，使数据丢失尽量少.光网络维护与管理的一个重要任务就是光网络的生存性，高效灵活的保护与恢复手段是新一代光网络必须具备的重要特征.

　　OBS光网络的生存性包括控制信道和数据信道的故障保护与恢复，它与传统的光网络有很多相似的地方，传统光网络的保护恢复机制，有很多可以借鉴.不过，也存在很多不同，它的控制通道要经过光/电/光处理，而数据通道在中间节点透明传输，无需光/电/光处理，这样，有许多新的问题需要解决，值得进一步研究[7～8].

　　由于篇幅限制，本文仅简单描述了几种关键技术，另外还有快速可配置光交叉矩阵、快速可调谐激光器和突发偏置时间管理等等，也是OBS网络中具有挑战性的问题.

5结束语

　　尽管OBS在标准和协议方面还不成熟，还有很多关键技术在进一步研究之中，OBS仍是一种非常有前途的光交换技术，它结合了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，而数据分组随控制分组之后，在中间节点直通，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.在未来几年中，OBS必将得到很大的发展，成为光网络传输与交换的核心技术.

参考文献

［1］Qiao C，Yoo M.Optical burst switching (OBS)A new paradigm foran optical internet [J]. Journal of High Speed Networks，1999(8)：69-84.

［2］Yoo M，Qiao C.Justenoughtime: A highspeed PRotocol for bursty traffic in optical networks [J].Proc. of IEEE Summer Topic Meeting，1997（8）：26-27.

［3］Yoo M, Qiao C, Dixit S.QoS performance of optical burst switching in IPover WDM netwoks [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000（10）：20622071.

［4］Chen Y, Hamdi M, Tsang D H K.Proportional QoS over OBS networks [J].IEEE GLOBECOM，2001（3）：1510 -1514.

［5］Ge A, Callegati F, Tamil L S.On optical burst switching and selfsimilar traffic [J].IEEE Communications Letters, 2000,4（3）：98-100.

［6］Oh S，Hong H，Kang M.A data burst assembly algorithm in optical burst switching networks [J].ETRI Journal, 2002，24（4）：311-322.

［7］Lim H S，Park H S.Considerations for burstbased recovery in optical burst switching networks [J]. Proceedings of International Conference on Telecommunications (ICT 2002)， 2002，1（6）：1403-1406.

［8］ Oh S, Kim Y，Yoo M, et al.Survivability in the optical Internet using the optical burst switch [J].ETRI Journal, 2002, 24（2）：117-130.

摘自　光通信研究

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