光突發交換技術及其進展

2019-11-03 10:21:54

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唐建軍北京郵電大學電信工程學院

　　摘要：光突發交換是光路交換和光分組交換的一個有效折衷方案，同時避免了其缺點，能很好的適應于目前和未來業務量爆炸式增長及業務的多樣性和多變性的要求，是目前最好發展潛力的光交換技術之一。本文首先介紹了光突發交換的概念，并討論了光突發交換最為關鍵技術——競爭問題。然后分析了光突發交換的優勢和存在的問題及其可用的解決方案，最后，介紹了光突發交換技術的最新研究進展和發展趨勢。

　　關鍵詞：光突發交換，密集波分復用，全光交換，光分組交換，波長路由光網絡，光因特網

1 引言

　　因特網流量呈指數增長，并到2005年時，有望達到話音流量的10倍。這種形勢，促使研究者們加快對波分復用（WDM）傳輸和光交換技術進行深入研究，以滿足因特網流量的爆炸式增長、業務的多樣性和業務突發性的要求。考慮到ip網絡的發展趨勢和光技術的先進性，下一代因特網必然是以WDM網絡為基礎，以因特網業務流量為主的優化IP光網絡（即IP over DWDM），光交換網絡就成為下一代光因特網的核心技術之一。

　　目前比較成熟的光交換網絡是光路交換（OCS），即波長路由（WRON），它采用多協議波長交換（MPλS）和通用多協議標簽交換（GMPLS）協議機制，利用波長進行選路，即使在一個無波長變換的網絡，也可以得到很好的應用。相對簡單、易于實現，但建立和拆除一條通道需要一定的時間，且該時間與其連接的保持時間無關。這種開銷，主要決定于端到端的信令時間，當連接保持時間比較短的情況下，它將導致信道的利用率太差，因此，它不適合于不斷增長且變化無常的因特網流量。同時，它的交換粒度最小是一個波長，且波長分配不靈活，對于一個大的網絡，波長資源是很有限的，可能造成波長資源匱乏的情況。

　　在光域交換中，光分組交換（OPS）在交換粒度、帶寬利用率、延時和適應性等方面性能都比較好。從長遠的角度來考慮，OPS似乎是一種非常有前途的技術，但因其實現較復雜，目前光邏輯處理技術不成熟，沒有可用的光隨機存儲器（ORAM），還需經過多年的研究，才能得以應用。

　　針對目前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——光突發交換（OBS）技術[1-3]，并迅速得到國內外學者們的廣泛研究。OBS得以引人注目是因為它兼有OCS和OPS的優點，同時又避免了它們的不足。在OBS網絡中，原則上在中間節點無需任何光RAM（當然，若有光緩存，可以更好的解決光突發交換中的競爭問題），突發數據的傳輸是通過它相應的控制分組（BCP）提前預留（也就是事先配置好）的資源來完成的，突發數據分組在中間節點直通，無需存儲，然而在光分組交換中，在中間節點存儲轉發。相對于光電路交換，OBS可獲得更好的帶寬利用率，因為它允許每一個波長的突發數據流之間統計復用，即時分復用，否則（如OCS系統中）需占用幾個波長，這樣節約了有限的波長資源。另外，突發分組的端到端（ETE）延時相對較少，因為一般情況下，偏置時間遠小于波長路由中的波長通道建立時間。

2 光突發交換及其控制協議

2.1 OBS概念

　　在OBS中，突發（burst）是由相同的出口邊緣路由器地址和相同的服務質量（QoS）要求的分組（包括IP分組、以太網幀、幀中繼（FR）幀等）會聚而成，它是OBS網絡中的基本交換單位。突發數據分組和控制分組的傳輸在物理信道上是分離的（一般為同一光纖中不同波長），每個控制分組對應于一個突發數據分組，它包含其對應突發數據分組的一些基本信息，如突發長度、偏置時間、波長ID和路由信息等，比突發數據短得多。在中間節點，控制分組經過光/電/光變換和電信息處理，而突發數據分組不需光/電/光處理，從源節點，通過控制分組事先配置好的鏈路，直接透明（全光）的傳送到目的節點。

2.2 控制協議

　　從1980年以來，各種電突發交換技術都已經提出：Tell-and-Go（TAG），帶內終結器（IBT）和預留固定周期（RFD）等等協議。TAG技術類似于快速電路交換，它無需確認所有帶寬已經預留而直接發送突發數據，其帶寬利用率不高。IBT方案預留帶寬是從控制分組處理完成時開始，到IBT檢測到為止，但IBT的全光檢測比較困難。在基于RFD的突發交換中，只是由其突發控制分組指定的帶寬被預留，這樣排除了信令開銷的影響，從而提供了高效的帶寬預留機制。

　　恰量時間（JET）[3]協議基于RFD，是在光域中的突發交換控制協議。它采用了兩種獨特的特性，即偏置時間和延遲預留。這些特性使JET相對于TAG或其它沒有采用這兩種特性的OBS協議更加適合于OBS。JET允許數據信道的交換完全在光域中進行，其控制是由在電域處理的突發控制分組信息決定。控制分組要先于突發數據分組發送，即控制分組與其相應的突發數據分組在源端發送時有一個偏置時間的間隔。突發數據與其頭部分離發送與交換，有助于實現，并降低對核心節點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間，JET可以在光域擴展支持優先級業務。

　　控制分組包含必需的突發數據的光信道路由信息和突發長度、偏置時間信息。JET的另一個重要特性是延遲預留。它僅僅預留突發數據所經歷的鏈路帶寬資源。例如，為第一個控制分組到達的時刻，當控制分組處理完成后，從 (突發數據到達該節點的時刻)到（L為數據突發持續時間段）這段時間帶寬將被預留。這樣，增加了帶寬的利用率，減少了突發丟包的可能性。例如，在圖1的兩種情況，即（第一種情形）和（第二種情形），假定其突發長度小于（），第二個突發分組將不會被丟棄；然而，若采用TAG方式，時刻到達的第二個突發分組將由于無緩存而被丟棄。

2.3 OBS網絡結構

　　利用OBS實現IP over WDM網絡拓撲結構圖如圖2所示。邊緣路由器一邊與業務網，如IP網相連，另一邊與一個核心路由器相連，而核心路由器，可以與一個或多個邊緣路由器，同時與其它核心路由器構成網狀網。OBS網絡節點功能模塊圖如圖3所示。在入口節點，邊緣路由器根據輸入的IP流的特性來決定數據突發大小、偏置時間。控制分組，包含出口地址、偏置時間、數據突發大小和QoS等信息，提前于其相應的突發數據分組在分離的控制波長上發送，其對應的突發數據分組經過一個給定偏置時間后跟隨控制分組傳送。這些控制分組在中間節點轉換成電信號進行處理。

　　在核心節點，帶寬預留時間為突發數據的傳輸持續時間。核心單元需監視流量的基本要素包括阻塞概率、延遲和處理時間，這些信息決定在入口節點的光路徑。在出口節點，數據突發將被拆幀，并拆分成多個IP包。若需要，在出口節點要進行重排序和出錯重發處理。如偏置時間、突發大小和QoS值等參數，是OBS網絡要處理的本質要素，這些需在OBS網絡的入口節點進行賦值。

3 競爭解決方案

　　為了處理當多個分組同時到達同一個輸出端口時，競爭解決方案是必需的，這是所有分組交換方式所必然會遇到的問題，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，只允許一個輸出。在OBS與OPS中，競爭解決方案有光緩存、波長變換和偏射路由，或者其中多種技術融合，下面將詳細介紹。

3.1 FDL

　　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/突發的丟包率。但光緩存的一個主要問題就是其功率損耗，為了補償功率損耗，不得不引入光信號放大或光信號再生，前者會引入噪聲，后者成本太高。總的來說，引入FDL，將大大增加光交換的成本。

3.2 波長變換

　　光網絡還有另外一個域，即波長域。在使用波長變換的系統中，若發生兩個（或多個）光分組/突發競爭，其中一個分組/突發直通，另一個（或其它幾個）分組/突發還是交換到同一個輸出端口，但是不同的波長。這種解決方案在競爭分組的延遲方面是最佳的，即不會引入附加延時。這種方法適合于電路交換，同樣適合于光分組/突發交換網絡，但需要快速可調諧變換器。最近研究結果表明，它在分組交換光網絡中是一種最有潛力的可選方案之一，它能最有效的降低光分組/突發的丟包率，特別是應用于多波長DWDM系統，因此快速可調波長變換器是目前研究的熱點。

3.3 偏射路由

　　因為光緩存還有幾個問題難以解決，所以盡量少用，或不用。偏射路由，即熱土豆路由，當沒有緩存可用時的另一種解決方案。當競爭發生時，分組/突發不能交換到正確的輸出端口，將它路由到另一個可選輸出端口，有可能通過另一條路徑到達目的節點。當網絡規模比較小，且其連通性比較好（即這些節點都有很多相鄰節點）時，這種方式效果還不錯。但若網絡的連通性不好，很可能這些被偏射的分組/突發將無法到達目的節點。因為這些分組/突發在網絡中游弋消耗了大量資源，卻無法到達目的節點，很顯然，在這種情況下，其它解決方案會起到更好的效果。此外，偏射路由方案只能適用于網絡負載比較輕的場合，若平均流量負載比較高，偏射路由的分組只能降低網絡的效率。偏射路由方案可以改進，只允許某些端口，即若分組不能找到一條合理的路由到達目的節點，它將被阻塞，即使有空閑的端口。

3.4 多種技術融合

　　最有效的組合解決方案是使用空間偏射路由、緩存和波長變換的有機結合。最經濟的解決方案是最小的光緩存，配合部分波長變換，再引入偏射路由機制。為了盡可能的減少分組的丟包率和提供QoS服務，人們提出了分段丟棄（SD）[5]和復用OBS（OCBS）[6]，它們對光突發交換的丟包率性能沒有根本性改善，本文就不詳細討論。

4 波長路由光突發交換

　　光突發交換中，最為關鍵的問題就是由于單向預留造成的光突發在核心節點競爭問題。在上節討論的競爭解決方案中，最有潛力是快速可調波長變換技術，要是核心節點沒有快速可調波長變換，這樣的光突發交換系統由于丟包率太大，幾乎不可用，要是有全波長變換（即可以在調諧范圍內，從任意輸入波長變換到任意輸出波長），且有十多個及以上的波長資源可用，這樣光突發交換的丟包率可以達到10-6量級，幾乎可以忽略[4]。到時光突發交換就可以得到應用。但目前技術條件下，快速可調波長變換技術還處于實驗階段，且其它性能如串擾、噪聲、插入損耗等方面還很不理想，要在商用光網絡中應用，目前還不現實。于是Michael Duser等研究人員提出采用雙向預留的機制的光突發交換，即波長路由光突發交換（WROBS）[7-8]，結合波長路由技術與光突發交換的技術優勢，以犧牲時延和時延抖動為代價，即使在無波長變換的光網絡中，其丟包率也可以大大提高，達到實用化水平。

4.1 WROBS網絡結構

　　目前，一般的WROBS采用集中式資源預留的機制，其WROBS網絡結構如圖5所示，它包括3個部分邊緣節點（邊緣路由器）、核心節點（核心路由器）和控制節點。每個邊緣路由器一端與一個或多個子網相連，另一端與一個核心路由器相連；每個核心路由器與一個或多個邊緣路由器相連，同時與多個核心路由器相連，構成網狀網；控制節點與核心路由器構成以控制節點為中心的星型網絡，該網絡主要用于資源請求與分配。

　　WROBS工作流程如下：邊緣路由器將來自一個或多接入子網的數據按一定的規則和算法進行會聚，到一定的時候，通過專用信道（或波長）向與其相連核心路由器發送請求，請求資源發送突發數據，其中請求信息主要包括突發包的長度，源地址、目的地址等，然后核心路由器將請求轉發到中心控制節點，進行處理，并試圖其相應的鏈路分配資源。若分配成功，則回復一個成功的確認消息，并同時向該突發分組所途經的路徑發送配置消息，保證光突發分組到來之前配置好，若分配不成功，則回復一個失敗的確認消息，邊緣路由器過一段時間再申請。若業務排隊時延超過了業務所能承受的最大時延，或隊列已滿，則將丟棄一部分分組，這與普通的電路由器一樣。

4.2 WROBS優缺點

　　WROBS結合了OBS技術與光路交換技術的一些特點，采用OBS的傳輸形式，通過快速的光路交換機制進行雙向預留資源，提高了網絡的性能，其優缺點描述如下：

4.2.1 WROBS優點

WROBS主要優點體現如下：

　　與OBS一樣，方便實現波長統計復用，帶寬利用率高，特別是對于未來突發性業務。

　　無需快速可調波長變換（當然有波長變換會更好），降低了實現的難度和成本。

　　充分利用了光子技術（快速、大容量）和電子技術（成熟、靈活）的優勢。

　　避免了突發分組在核心網絡由于競爭而丟棄，通過雙向預留機制，通過中心控制調度節點分配一個波長的一個時間片，有效的利用了帶寬資源，同時避免了突發分組的競爭。

　　避免了拆鏈路浪費的帶寬資源。通過邊緣節點或控制節點根據當前網絡流量，估計突發包的大小（即突發分組的持續時間），從而完成自動的拆鏈過程，減少了信令時間開銷。

4.2.2 WROBS缺點

WROBS的主要缺點如下：

　　邊緣節點需要大量的電緩存，由于接入業務需要在邊緣進行會聚，且為了采用雙向預留，會聚的時間比傳統的OBS要大得多，等待建鏈的確認，因此邊緣節點需要更多的電緩存。

　　邊緣會聚時延偏大，因此時延和時延抖動比較大，一般為幾十毫秒，甚至上百個毫秒。

　　控制節點需要與所有核心控制節點相連，與數據傳輸網絡分離，需要單獨的網絡。

　　網絡健壯性不好，一旦核心控制節點出現故障，整個WROBS網絡將癱瘓。

　　網絡規模受限，由于采用雙向預留，資源的請求與分配的傳播時間將成為影響網絡規模的主要因素，由于光傳播速率為200km/ms，這限制網絡的直徑不大于2000km（往返時延為20ms）。

　　綜上所述，WROBS是針對目前快速可調波長變換技術不成熟的情況提出來的。最近幾年，快速可調波長變換器不可能大規模商用，經典的OBS就很難商用，WROBS就是一種很好的過渡方案。

5 總結

　　OBS是一種非常有前途的光交換技術，它結合的光電路交換和光分組交換的優勢，同時避免了它們的缺點。其特點是控制與數據在時間和空間上分離，控制分組提前發送，且在中間節點經過電信息處理，為數據分組預留相應的資源，而數據分組隨控制分組之后傳送，在中間節點通過預留好的資源直通，無需光/電/光處理；采用單向預留機制，帶寬利用率高，靈活，且無需光緩存，實現相對容易。具有延時小（單向預留），帶寬利用率（統計復用），效率高，交換靈活、數據透明、交換容量大（電控光交換）等特點，可以達到Tb/s級的交換容量，甚至Pb/s量級。因此，OBS網絡主要應用于不斷發展的大型城域網和廣域網，它可以支持傳統業務，如電話、SDH、IP、FDDI和ATM等，也可以支持未來具有較高突發性和多樣性的業務，如數據文件傳輸、網頁瀏覽、視頻點播、視頻會議等業務。

　　WROBS針對快速波長變換技術不成熟的情況涌現出來的，是目前一種很好的過渡解決方案，適用于大型城域網和小型廣域網，如省網或國家網。當快速波長變換技術成熟以后，光突發交換就會如日中天，成為下一代全光交換網絡的核心。

〖參考文獻〗

[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.

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[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　光纖新聞網

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