光交換技術：光標簽突發包交換技術

2019-11-05 01:33:05

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　　0　前　言
　　隨著未來通信網采用ip over DWDM (基于密集波分復用的網間協議) 技術的趨勢越來越明顯, 對相應的交換技術的需求也越來越迫切。從長期來看,全光的分組交換(Optical Packet Switching, O PS)是發展方向, 但沒有合適的光緩存器且存在多個分組精確同步困難, 因而在短時期內的商用前景并不樂觀。
　　
　　為了解決這個問題, 必須考慮新的光交換技術。
　　
　　光突發包交換(Optical Burst Switching,OBS) 就是這樣一種新技術[ 1, 2 ]。在OBS 中, 交換的帶寬粒度介于一個波長帶寬和一個分組所需的帶寬之間, 比光線路交換帶寬利用率高, 又比光分組交換更貼近實用。可以說, 它結合了兩者的優點且克服了兩者的部分缺點, 是兩者之間的平衡選擇, 因而逐漸引起了眾多學者的重視。
　　
　　另外, 目前交換領域中一個很熱的研究重點是把M PL S (多協議標簽交換) 的概念擴展到光傳送網, 形成光標簽交換(Optical Label Switching,OL S) [ 3 ]。它的核心思想是使用光標簽來建立數據在光網絡中的傳送路徑, 免除沿路徑復雜的路由處理,從而提高數據交換速率。OL S 網絡可以采用各種光標簽技術, 比較典型的是采用波長作標簽的OL S,也稱為M PKS (多協議波長交換) [ 4 ]。M PKS 具有與M PL S 相似的優勢, 如支持流量工程、支持QoS (服務質量) 及轉發速度快等。
　　
　　鑒于OBS 與OL S 各自的特點, 兩者可以很自然地結合起來形成光標簽突發包交換技術。由于LOBS 結合了OL S (實質上是M PL S) 與OBS 各自的優點, 因此具有更加良好的應用前景。
　　
　　1　OBS 與OL S 技術
　　1. 1　OBS 技術
　　
　　OBS 網絡中傳送的基本數據塊叫突發包, 是一些具有相同目的地址和業務特性(如QoS 要求) 的分組的集合。每個突發包擁有一個控制分組, 包含有必要的路由和控制信息, 用來在網絡節點處路由突發包及預留帶寬。控制分組使用與突發包不同的波長并且先于突發包發送, 兩者之間的時序關系由OBS 協議確定。在一根光纖中, 傳送控制分組的這個波長叫控制信道, 傳送數據突發包的波長則稱為數據信道。上述特征易于網絡節點對先行到達的控制分組進行電處理, 并且為隨后到達的突發包提供從輸入端口到輸出端口的透明光路徑。
　　
　　OBS 和光線路交換、O PS 相比, 主要的特點有:突發包與電路交換和O PS 中的交換單元(它們分別是呼叫和分組) 相比具有中等的粒度; OBS 中, 對一個突發包, 以單向處理的方式預留帶寬, 也就是可以在不知道是否成功獲得帶寬的情況下發送突發包;OBS 中, 突發包可以直接通過中間節點而無需緩存。可見,OBS 比光線路交換靈活, 帶寬利用率高,又不需要O PS 那樣在分組級別上進行信息處理;OBS 與O PS 相比, 減少了對光存貯器和精確同步的需求, 降低了實現的復雜程度和成本; OBS 的突發組裝機制還能減小In ternet 業務的自相似性[ 6 ];最后,OBS 可以為各種不同的業務進一步提供QoS保證[ 7 ]。
　　
　　OBS 盡管是一種比較出色的光交換技術, 但也存在著不足之處, 如OBS 是基于逐跳的路由轉發,因此計算比較復雜, 而且在此情況下,OBS 協議中的偏置時間難以得到高效的合理設置。另外,OBS難以支持流量工程且網絡的保護與恢復也存在著很多問題。
　　
　　1. 2　OLS 技術
　　
　　OL S 是一種面向連接的光交換技術。在OL S網絡的入口邊緣節點處, 去往每個出口邊緣節點并具有相同業務特性的數據分組被劃分為轉發等價類(FEC) , 每個FEC 被綁定一個標簽來映射IP 地址到一個標簽交換路徑(L SP) (通過最長前綴IP 地址匹配)。這些L SP 的路由可以通過顯示路由或者逐跳分配路由的方式獲得。在OL S 網絡核心節點處,數據分組的轉發是基于位于分組前部的光分組頭實現的。這個光分組頭中攜帶光標簽, 用來建立標
　　
　　簽交換路徑, 實現類似于M PL S 的分組轉發。當光分組頭的網絡節點中被處理時, 分組的數據部分以光信號的形式被緩存, 保證了數據在傳送過程中始終保持在光域中。這樣免除了沿路徑復雜的路由處理, 實現了路由與數據分組轉發的分離, 從而提高了數據交換速率。OL S 具有與M PL S 相似的優勢, 這主要體現在基于標簽轉發的速度優勢、支持QoS 保證及支持流量工程等。
　　
　　由上述可知,OL S 在網絡控制方面具有很大的優勢, 但是在分組轉發上, 則存在著不足之處, 例如:OL S 網絡的核心節點中, 仍然需要光緩存器緩存數據分組以等待對分組頭的處理。此外, 采用波長標簽的M PKS 不能在光域實現多個L SP 的聚合。
　　
　　2　LOBS 的網絡結構
　　LOBS 是采用M PL S 機制的OBS 技術或者是
　　
　　采用OBS 控制機制的OL S 技術。由于基于OBS 技術, LOBS 同樣使用分離的波長來傳送數據突發包和它們的控制分組。但是控制分組所攜帶的信息與通常的OBS 不同,LOBS 的控制分組不再攜帶突發包的地址信息, 而是加入了標簽信息, 其他的信息如承載突發包的波長信道、偏置時間、QoS 要求等則仍然需要攜帶。一旦L SP 建立起來,LOBS 網絡中對控制分組的處理不必再進行路由計算, 只要根據其所攜帶的標簽進行基于標簽交換的轉發操作即可。在這個過程中, 輸出數據信道的調度和根據QoS 的處理與OBS 一樣。LOBS 網絡是由多個邊緣節點和核心節點構成的, 邊緣節點與核心節點之間由WDM (波分復用)鏈路連接。
　　
　　LOBS 網絡的邊緣節點提供與其他網絡的接口、控制分組生成、突發包組裝ö分解以及FEC 封裝和標簽操作等功能。核心節負責對到達的突發包進行基于標簽的交換。數據分組在L SP 入口邊緣節點處組裝成突發包, 配備帶有標簽的控制分組, 然后在LOBS 網絡中傳送, 再由出口邊緣節點拆分回數據分組。可見,邊緣節點和核心節點除了應具有OBS 節點的功能外, 還應具有M PL S 的標簽交換路由器(L SR ) 的功能。
　　
　　2. 1　邊緣節點結構
　　
　　在LOBS 網絡中, 突發包和控制分組的生成是在入口邊緣節點完成的。而突發包的分解和控制分組的終結則是在出口邊緣節點進行的。一個實際的物理邊緣節點應該具有入口邊緣節點和出口邊緣節點兩種功能結構。在入口邊緣節點處, 來自于其他網絡的數據分組按照目的地址和QoS要求分別組裝成一個個的突發包。從標簽交換的觀點來看, 這個過程實際上也是數據分組被劃分到每個FEC 的過程。組裝后的突發包長度是可變的。節點為每個突發包配備了一個控制分組。該控制分組攜帶標簽和其他OBS 和M PL S 控制信息, 如突發包長度、承載突發包的波長、控制分組與突發包之間的偏置時間、突發包生存時間以及QoS 要求等。為了完成上述的邊緣節點功能, 在邊緣節點的層次結構中需要加入一LOBS 層。對于采用IP over DWDM 傳送技術的網絡,LOBS 層位于IP 層和WDM 層之間。
　　
　　2. 2　核心節點結構
　　
　　LOBS 網絡的核心節點由輸入接口、控制單元、交換矩陣和輸出接口四部分組成。其中輸入接口對輸入光信號進行適當的處理(比如色散補償和將控制波長分離出來) , 以便讀取控制分組信息, 還可以配有少量的光緩存器。控制模塊根據控制分組所攜帶的標簽進行操作, 并利用控制分組的其他控制信息預留核心節點的帶寬資源, 據此發出控制指令, 控制交換矩陣做出相應的調整, 然后再生控制分組。交換矩陣負責接受來自控制模塊的控制指令, 建立交叉連接路徑以將隨后到達的突發包交換到相應的輸出端口。輸出接口的作用是減小或消除信號的相位抖動和功率波動, 并將再生的控制分組發送到相應的控制信道上。
　　
　　在核心節點中, 控制單元是一個要害部件。它負責控制標簽交換和資源預留。為了執行標簽交換, 控制單元中應該維護一個標簽信息基(L IB 或NHL FET )。這樣, 當一個突發包的控制分組到達核心節點時, 首先被轉化為電信號, 從標簽棧中彈出標簽, 并送入到負責標簽交換的模塊中查找標簽轉發表, 執行標簽交換操作。然后, 壓入新的標簽, 并把控制分組經交換模塊交換到對應輸出端口的輸出隊列中。當控制分組位于隊首時, 被讀取并送入到調度器。調度器執行資源預留控制, 每個調度器治理一個對應輸出端口的所有輸出波長信道, 包括控制信道和數據信道。它建立并維護各個信道的使用狀態表, 根據控制分組的信息來選擇輸出波長信道分配給突發包和控制分組, 并向交換矩陣發出交換所需信息(如輸入輸出端口信道及突發包的到達時間與長度等)。經調(如偏置時間等)。最后, 控制分組被發送到調度器分配的控制信道。
　　
　　3　LOBS 的要害技術
　　LOBS 所涉及的要害技術除了OBS 控制技術外, 還有因與M PL S 機制相結合而出現的以下幾項要害技術[ 8 ]。
　　
　　首先是標簽交換路徑的建立。在LOBS 網絡中, FEC 與標簽的綁定是通過M PL S 架構的標簽分發協議(LDP ) 實現的。L SP 的建立過程也采納M PL S 中的類似過程。在LOBS 網絡的入口邊緣節點處, 當構造一個控制分組時, 一個對應的標簽鏈接相關性也被確定, 并且得到一個LOBS 路徑。在核心節點中, 輸入輸出標簽相關性可以通過使用L IB 描述。同時,OBS 控制分組通過擴展M PL S 的keep aliveh ello 消息發送。
　　
　　其次是流量工程。眾所周知,M PL S 的一個最重要的優點是支持流量工程。由于引入了M PL S 機制, LOBS 網絡也同樣可以實現流量工程。一般來說, LOBS 網絡的路由可以使用波長路由網絡中的相應技術。但在實施流量工程時, 還必須考慮由于不使用或使用有限的光緩存器而導致的高數據丟失率。另外,M PL S“松散”(指定路徑上的幾個特定節點) 的顯示路由(ER ) 和“嚴格”(指定路徑上的所有節點) 的ER 是實現流量工程的有力工具。它們都可用于LOBS 的路由機制。
　　
　　最后是網絡的生存性問題。網絡的生存性始終是傳送網中所要考慮的一個重要問題。過去幾年,SDH (同步數字體系) 保護機制得到了廣泛的采用,可以提供幾十毫秒的網絡恢復時間。與之相反, 迄今為止,OBS 網絡的生存性還沒有研究報道。不過, I2ETF (因特網工程任務組) 為M PKS 網絡提出的路由和備份機制都可被擴展到LOBS 網絡。既然LOBS考慮發包之間的統計復用, 則使用相同的方法時,LOBS 網絡應能得到比波長路由網絡更好的效率。需要注重的是, 上述保護ö恢復機制的前提是故障的檢測和定位。而對于LOBS 網絡來說, 由于其業務量的發性本質和數據負載的全光透明性, 不可能在數據信道直接使用監控技術, 只能在控制信道使用。這對每波長的監控是不夠的。幸運的是用于光發送功率、接收功率、信噪比等的每信道光監控機制已經被提出。一旦技術成熟,LOBS 就可以用它們來檢測和定位故障。
　　
　　4　結束語
　　LOBS 技術作為一項新出現的光交換技術, 將M PL S 與OBS 有機地結合起來, 充分利用了兩者的優點, 因而具有廣闊的應用前景。目前,LOBS 的研究尚處初始階段, 除了OBS 所固有的技術問題外,在諸如如何繼續擴展M PL S 體系結構以容納更多的LOBS 特性; 如何改變現有網絡中的業務量聚合方式以適合LOBS 網絡的邊緣節點; 如何在M PL S信令架構下實現靈活的LOBS 路由機制; 以及如何為LOBS 網絡設計更高效、更靈活的保護與恢復機等問題上還需要進一步的研究。

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