WDM全光IP路由器的結構設計與分析

2019-11-03 10:23:15

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供稿：網友

李化圖，周屬衡，陽小龍

　　摘要：為突破“電子瓶頸”的限制，Internet向波分復用（WDM）全光網絡演進已是必然的趨勢.在光Internet中，光路由器是最為關鍵的設備之一.文章提出了一種光路由器實現(xiàn)的結構，該結構是以光突發(fā)標記交換為核心，不需經過多次的O/E/O轉換，即可實現(xiàn)邊緣到邊緣的全光域數(shù)據傳輸和處理.文章還對該結構具體實現(xiàn)中的關鍵問題：光突發(fā)數(shù)據的格式和裝配、報頭的提取和識別、路由及光標記交換和擁塞等進行了詳細的分析研究，提出了可行的解決辦法.最后設計了一個實驗系統(tǒng)，并給出了相應的實驗結果.

　　關鍵詞：ip路由器；光標記；光突發(fā)交換；波分復用

1概述

　　當前Internet的業(yè)務量一直爆炸性地持續(xù)增長，對網絡帶寬的需求越來越大，尤其是骨干網絡.現(xiàn)在電域路由器已遠不能適應骨干網絡高吞吐量的需要.Internet中的分組處理由電域向光域的轉變勢在必行，因此光路由器將是全光IP網中最為關鍵的設備之一.

　　目前，光路由器的基礎技術已實用化：一是IP與WDM集成技術，即以多協(xié)議標記交換(MPLS)和以光波長路由為基礎的光標記交換(OLS)[1]，不但可以實現(xiàn)路由與交換一體化，而且還能夠保證應用的QoS.與以前集成方式相比，它具有明顯的優(yōu)勢：協(xié)議簡化、數(shù)據速率/格式透明、網絡可配置性強；二是在數(shù)據處理效率、光緩存和數(shù)據同步等方面，目前光域數(shù)據交換與傳輸技術之一的光突發(fā)交換技術(OBS)的優(yōu)勢較突出，而且兼有分組交換和波長路由的優(yōu)點[3].更重要的是它能與OLS無縫結合，即標簽光突發(fā)交換(LOBS)是IP光網絡實現(xiàn)路由與交換一體化的主要技術手段.

　　根據Internet的層結構，IP光網絡也應采用一定的層結構，即用戶層、接入層和核心層.其中邊緣路由器應用于接入層，將用戶層的數(shù)據匯聚到光層.主要功能應包括：IP分組到光分組的裝配、緩存、調度、波長分配和光標記、路由.核心路由器則應用于核心層，主要完成光分組的波長路由或虛波長路徑建立.這樣，可以實現(xiàn)IP全光域路由.根據以上功能要求可知：兩者實現(xiàn)結構相似，主要功能模塊有兩個，控制模塊和光轉發(fā)模塊.另外加上一些輔助模塊，如：復用/解復用、可調諧波長變換器(TWC)和光纖延遲線（FDL）等.邊緣路由器則除具有上述3類模塊外，還應有光數(shù)據裝配模塊.本文將主要討論一種新的基于LOBS的光路由器的實現(xiàn)方法，分析其關鍵技術，并介紹一個實驗系統(tǒng)方案及其實驗結果.2實現(xiàn)中的關鍵技術

　　在將LOBS具體應用于全光IP路由器的設計中，我們認為IP分組到光突發(fā)數(shù)據的裝配及提取、控制分組的格式、路由及標記交換方案和擁塞解決辦法等將是其實現(xiàn)的關鍵.

2.1光傳輸數(shù)據格式與處理方式

　　在IP光網絡中，光分組的格式與光交換技術、光信號處理密切相關，并在很大程度上決定了光分組的傳輸效率.然而目前還沒有統(tǒng)一的定義.在我們的實驗系統(tǒng)中，突發(fā)數(shù)據由兩個部分組成：凈荷（BP，Burst Payload）和報頭（BH，Burst Header），數(shù)據格式如圖1所示.在一個光突發(fā)數(shù)據中，BP由多個長度不定的IP分組組成；BH包含BP的描述信息域：源和目的地址域、控制分組對應的波長標號域、數(shù)據的突發(fā)長度和持續(xù)時間域、一些可選的QoS信息域、存活時間TTL域和差錯控制域等，一般較短.

　　在這里，一般BH先于BP一定時間（即：偏移時間）傳輸，以滿足中間節(jié)點為突發(fā)數(shù)據選路由、建立光路所需的時間，而且偏移時間應隨數(shù)據傳輸速率和報頭處理速率而變化.在實驗系統(tǒng)中，我們采用副載波復用(SCM，Subcarrier Multiplexing）方式[4]，即先將BH進行射頻調制后，再同基帶BP一起進行光調制.

2.2光突發(fā)數(shù)據的裝配

　　根據前面光突發(fā)數(shù)據的格式，光邊緣路由器必須完成光突發(fā)數(shù)據的裝配和標記操作，如圖2所示.在光標記控制器控制下，從用戶層來的IP分組按目的/源地址、端口號、應用類型、服務屬性（如QoS參數(shù)）等被分為不同的轉發(fā)等效類(FEC，F(xiàn)orward Equivalence Classes），屬于同一FEC的IP分組經匯聚，裝配成不同的突發(fā)凈荷.這里，匯聚由隊列實現(xiàn)，并根據各自隊列的使用情況估計突發(fā)大小及持續(xù)時間，由此估計BP與BH的偏移時間.FEC類別和突發(fā)大小等信息由光標記控制器組成BH.最后，經調度，BH和BP在組幀器的光域編碼調制作用下生成光突發(fā)數(shù)據.這樣在光域中可將多個用戶IP分組作為一個整體進行轉發(fā)或路由.

2.3光突發(fā)數(shù)據BH信息的提取與識別

　　在OBS光路由器中，BH信息的提取與識別相當重要，同時也比較困難.光突發(fā)數(shù)據能否成功傳輸幾乎全依賴于能否準確地提取并識別BH信息.根據圖1所示的光突發(fā)數(shù)據格式，在我們的實驗系統(tǒng)中，BH與BP采用不同編碼格式、比特率、功率，并保持每比特能量恒定.其中BP采用RZ編碼，速率為2.5 Gbit/s，BH則采用NRZ編碼，速率為155 Mbit/s，將BH進行SCM調制后，再與BP一起進行光調制.這樣BH與BP信息具有不同的光功率譜分布，因此利用布拉格光柵(FBG)的選頻特性，可以將基帶信號中的BH與BP分離開來.若FBG的全反射波長是可調諧的，則還可以從不同波長已調信號中提取數(shù)據.將提取的BH標記信息與標記轉發(fā)表中的相關項作光域相關處理，根據其結果就可以識別出BH信息.

2.4路由及OLS

　　在LOBS光路由器中，OLS的引入使數(shù)據轉發(fā)功能實現(xiàn)較為高效、簡潔.利用BH中的標記建立邊緣到邊緣的標記交換路徑LSP，具有相同標記的所有突發(fā)就能在這虛路徑上傳輸，從而減少傳統(tǒng)路由和地址最大前綴匹配帶來的巨大開銷.而且與MPLS在許多機理上都相似，因此MPLS在電域的方法和機制，如路由、流量工程等，都能擴展到光域中.

　　路由及OLS交換功能由兩個部分構成：一是標記查詢、更新，這利用2.3節(jié)中的提取與識別模塊和2.1節(jié)中的SCM調制即可實現(xiàn)；二是交換單元（由AWG實現(xiàn)），即根據標記查詢結果，將Burst信號波分復用到相應端口.在控制器控制下，AWG就可生成相應的光路由/交換表，從而進行LSP的建立和Burst轉發(fā).

2.5擁塞解決辦法

　　在OBS光路由器中，當負載超過承受能力時，就會發(fā)生擁塞，這將影響路由器的吞吐能力.在本文的實驗系統(tǒng)中采用了排隊和波長復用來解決擁塞問題.

　　排隊是通過FDL來實現(xiàn)的，它將數(shù)據滯留一段時間后再傳送.雖然FDL與普通緩存功能較相似，但它們的最大區(qū)別在于： FDL不具有隨機訪問存儲器的特性.為增強擁塞解決能力，通常FDL和其他器件（如1×2交換器件）一道構成多級結構.但是這類結構存在兩方面缺點：一是級數(shù)越多，光信號損耗就越大，而且實現(xiàn)復雜度和成本也越大；二是隨著數(shù)據速率的提高，對FDL的時延要求更高.然而在目前，由于技術所限，生產出這樣的FDL尚有困難.

　　所以在實驗系統(tǒng)中，我們采用一種FDL和波長復用相結合的方式.如圖3所示的4×4交換單元，其中每根FDL進行4波長復用，整個系統(tǒng)僅用1根FDL,就可使數(shù)據丟失概率低至10-4.當有多個波長信號競爭同一個波長輸出端口而出現(xiàn)擁塞時，系統(tǒng)將其送至反饋環(huán)路，經TWC變換為不同波長信號，同時緩存在一根FDL上.當再次到達交換單元時，由于波長不同，因而就不再爭搶同一輸出端口，從而可有效解決出現(xiàn)的擁塞.

3實驗系統(tǒng)設計與結果

　　根據上述研究，本文設計了一個光路由器系統(tǒng)（如圖4所示）.該系統(tǒng)由2個發(fā)送節(jié)點、2個接收節(jié)點、2個路由節(jié)點和3個數(shù)據流組成.該系統(tǒng)能完成ER功能，由交換模塊（即可控光交叉連接(OXC))、路由/標記交換控制器以及輔助模塊組成，其中輔助模塊包括WDM復用/解復用、Burst裝配器、BH提取模塊、TWC和FDL等.這里有兩類FDL：FDL1的延遲時間應滿足Burst偏移要求；FDL2應能緩存絕大多數(shù)BP，以使Burst丟失率在容許范圍，并進行了功能試驗和數(shù)據測試，能完成數(shù)據傳輸.

　　系統(tǒng)處理對象有兩類：一是來自光網絡的數(shù)據；二是直接來自用戶層的數(shù)據.前者經WDM解復用后，可直接交由分離模塊處理，而后者還須先經突發(fā)數(shù)據裝配模塊處理，以生成合適的光突發(fā)數(shù)據.試驗系統(tǒng)中所用的主要器件及性能如下：

　　　　(1) MZI調制器

　　閾值電流為40 mA；消光比為13 dB；上升及下降時間為50 ps；主邊模抑制比＞40 dB.

　　　　(2) FBG光柵

　　鄰近信道間隔離度為25 dB(min)；非鄰近信道間隔離度為35 dB(min)；帶寬＞20 GHz.

　　　　(3) 連續(xù)波長激光器

　　輸出功率＞14 dBm；波長為1 549.32、1 552.52、1 555.75和1 558.98 nm；信道間隔為100 GHz；波長精度為±500 MHz.

　　　　(4) AWG

　　信道間隔為100 GHz；3 dB帶寬＞0.38 nm；鄰近信道間隔離度＞24 dB.

　　　　(5) 波分復用器

　　　　3 dB帶寬＞0.48 nm；頻譜特性為Gaussian；波長為1 549.32、1 552.52、1 555.75和1 558.98 nm；鄰近信道間隔離度＞25 dB.

　　　　(6) 光環(huán)行器

　　回波損耗＞50 dB；插入損耗＜1.25 dB.

　　圖4(b)中，發(fā)送器為字長32 bit的偽隨機信號發(fā)生器，生成具有突發(fā)特性的RZ比特流，數(shù)據速率為2.5 Gbit/s，以作為光突發(fā)數(shù)據的凈荷；接收器為多通道的光譜分析儀和誤碼分析儀.為了能模擬實際網絡，在試驗床中，我們采用如下尋址方案：對這4個收/發(fā)節(jié)點用2 bit進行標識，“00”為發(fā)送器1、“01”為接收器1、“10”為接收器2、“11”為發(fā)送器2.該標識和偏移時間、優(yōu)先級別、數(shù)據存活時間一起作為突發(fā)BH，加上用于突發(fā)起始位標識的填充比特，生成NRZ比特流，速率為155 Mbit/s.

　　使用Tektronix公司的TDS8000數(shù)字取樣示波器，我們在測試點1觀察到基帶光突發(fā)數(shù)據頻譜；在測試點2觀察到突發(fā)凈荷數(shù)據頻譜，分別如圖5(a)、(b)所示，頻譜圖非常相似，這表明用戶數(shù)據轉化為光突發(fā)數(shù)據后，經標記交換和路由處理，能直接傳輸至接收端.

　　但是在經路由器多次光信號處理后，收端對發(fā)端數(shù)據具有一定的損耗.如圖6(a)、(b)所示，雖然Flow1和Flow2的數(shù)據都是源于Transmitter1的，但Flow1在Receiver1上觀察到的眼圖與Flow2在Receiver2上觀察到的眼圖，在張開度上的差異非常明顯.這主要是由系統(tǒng)中各器件的非理想性、差異性，如色散、四波混頻（FWM）等非線性帶來的串擾以及激光器波長和輸出功率的穩(wěn)定性等問題造成的.

4結束語

　　實驗表明：只要滿足元器件性能參數(shù)的要求，接收端誤碼率可控制在10-8以內，采用基于光突發(fā)標記交換的結構，是完全能應用于光路由器和全光域透明數(shù)據傳輸?shù)?

參考文獻：

［1］Li L. MPLS and the evolving internet architecture [J]. IEEE Comm. Mag., 1999(12):38-41.

［2］Qiao C, Yoo M. Optical burst switching (OBS): A new paradigm for and optical internet [J]. J. High Speed Networks, 1999(1):69-84.

［3］Qiao C. Labeled optical burst switching for IP-over-WDM integration [J]. IEEE Communication Magazine, 2000(9):104-114.

摘自　北極星電技術網

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