光突發交換在下一代互聯網中的應用

2019-11-03 10:18:36

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供稿：網友

池灝曾慶濟趙煥東
上海交通大學區域光纖通信網與新型光通信系統國家重點實驗室 1.概述

　　Internet和數據業務的急劇增長對網絡帶寬的要求越來越高。密集波分復用（DWDM）技術的進步使得一根光纖上能夠承載上百個波長信道,最高的傳輸帶寬記錄已經達到了T比特級。在光纖傳輸上取得的技術成就對網絡節點處理能力提出了新的要求。由于集成電路領域的技術突破遠遠跟不上光子技術上的成就,目前網絡節點（包括交換機和路由器）成為影響網絡帶寬和充分利用光纖帶寬最大的瓶頸。

　　許多研究機構致力于研究和開發光交換技術,試圖將網絡交換工作在光子層面上完成,消除電子瓶頸的影響。總的來說,光交換可分為波長路由的電路交換(Optical Circuit Switching, OCS)和光分組交換(Optical Packet Switching, OPS)兩種方式。前者已經研究成熟,并逐步大規模應用,完成這交換功能的主要是光交叉連接器(OXC)和光分插復用器(OADM)。但是這種交換模式只是粗粒度的光交換,不能取代ip層的分組交換。光分組交換技術試圖直接在光層上實現小粒度的分組交換,在近年來取得了一些進展,光標記交換和多波長標記交換是實現光分組交換的一種技術之一。但是由于在一些關鍵性的光器件如高速光開關、光緩存器、光邏輯器件等取得重大突破之前,光分組交換技術尚難以從實驗室走向實用。光突發交換(Optical Burst Switching,OBS)概念由Chunming Qiao和J. S. Turner提出,短短幾年,已引起越來越多研究機構的注意。因為它克服了光分組交換的缺點,對光開關和光緩存的要求降低,并能夠很好的支持突發性的分組業務,被認為很有可能在未來互聯網中扮演關鍵角色。

2.光突發交換基本原理和概念

　　OBS可以看作光電路交換和光分組交換之間的一個折中,因為它的交換粒度（即突發長度,通常為微秒量級）介于這二者之間。然而,OBS與光電路交換和光分組交換之間除了在交換粒度上的差別外,還有很多區別,表現在交換結構上,信令方式上,網絡架構上等等。

　　OBS的概念起源于以前的電子突發交換網,在當時突發交換基本上是一種快速分組交換技術的推廣,在這種網絡中包長可變且可以為任意長度,并采用分散式共享緩存交換結構。OBS的主要特點包括采用帶外信令方式,即數據信道與控制信道在物理上分離；數據在OBS網中保持為光信號而控制信號必須采用電子方式處理,即經過每個節點控制信號都必須經歷光電光的轉換；通常采用單向無應答的預約方式；突發長度可變；在交換節點上并非一定要使用光緩存等。

　　OBS網絡結構包括核心光突發交換層、光突發聚集層和接入層。典型OBS網的工作原理可以簡單地描述如下：在OBS網絡的邊緣處將抵達的IP包封裝成突發（光突發封裝技術將在后面詳細討論）。光突發的傳輸和交換資源通常是通過單向預約的方式預約,即數據比預約請求稍后發出,而無需等待資源成功預約的應答。在一方面,在這種預約方式下,即便是網絡沒有足夠的資源突發也會接入,從而引起突發的丟棄；在另一方面,由于無需等待應答信號,這種信令方式能使網絡時延大大降低。預約請求（即控制包）是在一獨立的信道傳送,且比相應的突發提前一個偏置時延。這個偏置時延必須足夠大,以使得中間節點能夠及時的進行電子處理和為即將抵達的突發配置光開關矩陣。當一個突發抵達交換節點,相應的交換矩陣已經建立,所以光突發可以一直保持在光域內。

3.OBS的資源預約協議

　　從理論上講,在OBS網絡中,資源預約可以是單向也可以是雙向的。雙向預約協議可以稱為Tell-and-Wait (TAW),在此協議下,當一個源節點想發送一個突發,它首先發送一個請求,途徑所需經過的各個節點,只有當所有的節點能滿足這個請求時,源節點才能得到成功的應答信號,否則,該突發被拒絕接入,源節點只有在以后再發送請求。最簡單的單向協議時Tell-and-Go(TAG)方案,這時,突發緊跟在請求包后面送出,而不等待應答信號,如果在途徑的節點遭遇競爭,該突發將被丟棄。介于這二者之間的是 Chunming Qiao 提出的Just-Enough-Time（JET）協議,即在控制包和突發之間保留足夠的時間,使得中間節點能夠在突發抵達該節點前及時處理。對JET協議稍加改進,使不同業務的優先級與控制包與突發之間的偏置時延量(offset time)聯系起來,對于高優先級業務,設置的偏置時延量較大,因為時延量越大,該突發就越有可能成功的預約所需的資源,從而丟包率也較低。此外,還有一些上述幾種協議的變種,如Just-in-Time (JIT) 協議。

4.突發封裝技術和QoS支持

　　突發封裝(burst assembling)是OBS網絡中一個重要課題,突發封裝是指將IP包聚集和組裝成突發的過程。常見的突發封裝技術一是基于定時器的,二是基于閾值的。在基于定時器的突發封裝法中,突發是以固定間隔產生和周期性送入光網絡中,這樣突發的長度應該是可變的?；陂撝档耐话l封裝法中,突發的長度通常是固定的,因而一個突發中包的數目也是限定的。

　　QoS (Quality of Service)支持也是OBS網絡的一個重要課題,也是下一代Internet的重要特征,多種QoS需求的應用,如Voice over IP, VOD, 視頻會議等,都促使著互聯網支持QoS。為了在IP網中支持QoS,IETF提出了兩種框架,即IntServ和DiffServ。IntServ結構是基于每個流的預約,缺點是不可升級的。為了取得可升級能力,DiffServ根據IP包頭的碼點將數據包分級。為了在OBS網絡中支持QoS,已經提出了幾種方案。其中一種就是前面所述的JET協議中通過調節偏置時延來確定優先級。有兩種方案是與突發封裝聯系在一起的。第一種方法是將OBS突發的優先級與IP包的優先級對應封裝,并在OBS交換節點中當有競爭發生時對高優先級的突發予以優先通過。第二種方案是所謂的混合封裝方法（composite assembling）,在一個突發中可以封裝多個不同優先級的IP包,但是次序是高優先級的包在前,低優先級的包在后,當有競爭發生時,突發的尾部可以被丟棄,而高優先級的突發頭部則被保留。

5.OBS在下一代Internet中的應用

　　OBS為IP骨干網的光子化提供了一個非常有競爭力的方案。一方面,通過OBS可以使現有的IP骨干網的協議層次扁平化,更加充分的利用DWDM技術的帶寬潛力；另外一方面,由于OBS網對突發包的數據是完全透明的,不經過任何的光電轉化,從而使OBS交換機能夠真正的實現所謂的T比特級光路由器,徹底消除由于現在的電子瓶頸而導致的帶寬擴展困難。此外OBS的QoS支持特征也符合下一代Internet的要求。因此,OBS網絡很有希望取代當前的基于ATM/SDH架構和電子路由器的IP骨干網,成為下一代光子化的Internet骨干網。

6.問題探討與展望

　　從應用的角度,OBS還有一些重要的課題需要研究。突發封裝,突發偏置時延的管理,數據和控制信道的分配,QoS的支持,交換節點光緩存的配置（如果需要的話）等問題還需要進一步作深入研究。對于OBS網來說,在邊緣路由器光接收機上的突發快速同步也是對系統效率有重要影響的問題。上述問題是緊密關聯的,比如說光緩存中光纖延遲線的配置與突發長度的統計分布相關,而突發長度又取決于突發封裝過程；突發封裝、光路由器的規模、數據和控制信道組的大小又會影響突發偏置時延的管理；交換節點的分配器和控制器運行快慢以及網絡規模又會反過來影響突發封裝。在網絡設計當中,所有的這些問題都必須仔細考慮和規劃。由于光纖延遲線的限制,為了降低丟包率,OBS網絡必須通過波分復用網絡信道成組來實現統計復用。如何在OBS網絡中實現組播功能也是一項非常重要的課題,為了實現組播,光開關矩陣和交換控制單元都必須具備組播能力,且二者之間必須能有效地協調。此外,將OBS與現有的動態波長路由技術有機的結合,可以使網絡具有更有效的調配能力,但也需要進一步的細致研究。

　　作為一項具有廣泛前景和技術優勢的交換方式,OBS技術已引起了國內外眾多研究機構的關注。我國的863計劃已將OBS列為重點資助項目,我們期待OBS試驗網在我國的出現,為這項技術快速走向成熟繼而商用化奠定堅實的基礎。

摘自《網絡通信世界》

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