光突发交换的原理和网络节点的结构

    与光信号的3种分割复用方式相对应，光交换也分为空分、时分和波分3种，分别完成空分信道、时分信道和波分信道的交换。

    从支持的业务类型来看，光交换又可分为电路交换(波长路由)和分组交换两种方式。早在20世纪90年代初中期，人们就开始研究光子交换技术，ATM光交换、分组光交换成为热门研究课题。人们期望通过光交换突破电子速率的限制，提高交换单元的吞吐量。但这些光交换需要高速光开关来实现，加上光逻辑器件还很不成熟，不能完成复杂的逻辑处理功能，所以只能实施电控光交换，即在电域上识别信头，由电信号来控制光开关的动作。由于电控光交换没有摆脱电子“瓶颈”的限制，从而限制了它的发展和应用。至今，高速光开关和光逻辑器件在技术上依然没有重大的突破。

    基于波分交换或波长路由的全光网在过去的数年中有了长足的发展，正在逐步得到规模应用。全光网是指为客户层信号提供光域处理的传送网络，包括光域的传送、复用、选路、监视和生存功能等。完成交换功能的主要是光交叉连接器(OXC)和光分插复用器(OADM)。在经过数年的研究、实验后，全光网络现正向智能化的方向发展，自动交换光网络(ASON)就是其向智能化发展的主流方向。

    严格地讲，波分光交换与波长路由不同。波分交换网络必须具备波长变换器，而波长路由网络是利用波长的不同来实现选路。波长路由网络属于电路交换方式，采用双向资源预留方式设置光通路，中间节点不需要光缓存，可提供有保证的服务。但电路交换是粗粒度的，以波长或波长组为交换的粒度，带宽利用率较低，不能实现统计复用，不适于像IP这样的突发业务。

    光突发交换(OBS)由QiaoChunming等人提出[1]。其设法综合较大粒度的波长(电路)交换和较细粒度的光分组交换两者的优点，并克服了这两种交换方式的不足，在较低的光子器件要求下，实现了面向IP的突发业务的快速资源分配和高资源利用率，因此能有效地支持上层协议或高层用户的突发业务。

    1  OBS的网络结构和节点结构

    在OBS网络中，有两种光分组数据流：包含路由信息的突发控制分组(BCP)和承载业务的突发数据分组(BDP)。控制分组在波分复用(WDM)传输链路上的某一特定信道中传送，在OBS网络中要经过网络节点的电子处理；而数据分组在另一个不同的波长信道上传送，在OBS网络中不需经过光电/电光转换和中间节点的电子转发，保持端到端的透明传输和交换。控制分组先于数据分组在特定DWDM(密集波分复用)信道中传送，预约网络资源。核心交换节点根据控制分组中的信息和网络当前的状况为相应的数据分组预留资源，建立全光通路。数据分组经过一段延迟后，在不需要确认的情况下直接在预先设置的全光通道中透明传输。这种单向预留方案减小了建立通道的延迟等待时间，提高了带宽利用率。

    这种将数据信道与控制信道分离的方法简化了突发数据交换的处理，且控制分组长度非常短，因此使高速处理得以实现。数据分组和控制分组的隔离、适合的交换颗粒度、较低的控制开销及非时隙交换方式降低了对光子器件的要求和中间交换节点的复杂度。在OBS网络中，中间节点可以不使用缓存，也不存在网络内的时隙同步问题等。

    给出一种OBS网络结构和节点结构示例。OBS网络可以基于WDM光网络，实现不同链路、不同波长信道间突发数据分组的交换。在OBS网络中数据分组和控制分组在不同的波长信道上、相差一个偏置时间传输。考虑交换节点光开关的动作时间，数据分组前后必须留有保护时间。

    OBS网络主要由边缘节点、核心节点和DWDM链路构成。入口边缘节点按照数据包的目地地址和服务等级(CoS)等信息，对数据包进行分类、缓存和封装，组合成突发数据分组，并产生控制分组，然后发送给与之最邻近的OBS核心节点。核心节点根据控制分组的路由信息，对到达的突发数据包进行交换。出口边缘节点将BDP拆卸，发送到其他子网或终端用户

    OBS的主要优点为：具有中等交换粒度。突发分组的长度可以从几个分组到一个短的会话，只使用一个控制分组，从而使每个数据单元具有较低的控制开销。从不同源端到不同宿端的突发分组可以利用统计复用的方式，有效地利用链路上相同波长的带宽，带宽使用效率较高。BHP和BDP的分离，有效降低了中间交换节点的复杂度和对光器件的要求。中间节点可以不需要光缓存，同步要求低。带宽单向预留，等待时延短。

    2  OBS的MAC层和封装技术

    为了完成突发数据分组的生成，边缘节点的层次结构中需要有媒体接入控制(MAC)层。图3给出基于WDM的MAC功能及突发数据分组的形成过程。从图3可以看出，在输入边缘节点处的MAC层需要完成以下功能：把输入的分组封装成突发分组，突发分组的长度可以相等，也可以不等。将突发分组送入排队队列，当突发包位于队首时，设置一个合适的偏置时间，并且发送一个包含有路由信息、突发包长度和偏置时间等信息的控制分组。将数据包成帧，经过一个合适的偏置时间后，发送入光层。

    在出口边缘节点，OBSMAC层的功能只是简单地将突发数据拆装，抽取出IP数据包。OBSMAC层所产生的时延包括突发数据包封装时延、排队时延以及突发数据包与控制包之间的偏置时间。

    突发封装是OBS网络中一个重要课题，常见的突发封装技术一种基于定时器，另一种基于阈值。在基于定时器的突发封装法中，突发数据以固定间隔产生，被周期性送入光网络中，突发的长度是可变的；在基于阈值的突发封装法中，突发的长度通常是固定的。

    给出一种突发数据的成帧格式示例。其中PT为载荷类型，PL为载荷长度，NOP为IP数据包数目，偏移指示数据填充首字节的位址和收端同步信息。

    3  OBS的协议

    为了使OBS网络能高效地协调数据分组和控制分组之间的工作，研究人员开发了大量的带宽接入控制协议。为了避免控制信令的全光提取，OBS采用带外信令方式，主要代表是通知－发送(TAG)协议和预留固定时段(RFD)协议。

    TAG协议在源端先发送控制分组来预留带宽，当传送完突发数据流后再发送用于释放连接的分组来拆除连接。RFD协议与TAG类似，但源端发出的控制信号中含有突发长度信息，用于向中间节点预定链路保持时间，数据分组要等待一个偏置时间后才可发送，从而使资源利用率提高，基于该方法的一个杰出代表是恰好足够时间(JET)协议。

    执行JET协议时，源端节点在发送突发数据分组前，首先在控制通道上向宿端节点发送一个控制分组，该控制分组在中间节点上进行处理，为将要发送的数据分组建立一条全光的通道。JET使用延时预留(DR)方式预约带宽，它的控制开销信号中含有突发数据的长度信息和偏置时间信息，信源发出控制开销信号后，等待一个偏置时间T后再发送突发数据，T的大小足以补偿控制开销在各个中间节点所经历的处理时间，即T≥n×δ，其中n是中间节点数目，δ是一个节点处平均的开销处理时间，从而可以使所有中间节点不再需要光纤延迟线(FDL)。为了减少网络端到端的等待时延，应该尽量设置较小的偏置时间，但是过小的偏置时间不易解决多点通信中的信道竟争问题，会造成数据丢失或拥塞。若控制分组不能在某一中间节点预留带宽，将不得不丢弃突发数据分组。拒绝的确认信息发送回源端，稍后源端将再次发送控制分组和突发分组。丢弃突发分组将浪费部分通道带宽，增加数据分组的传输时延。因此，OBS网络中一个重要的设计问题是如何解决资源竞争和提供区分服务。

    在使用JET协议的OBS网络中，通过调节偏置时间T可以确定服务的优先级。因为增加偏置时间不仅有利于迂回路由，而且使对应的控制分组可以更成功地预留带宽。有两种优先级方案是与突发封装联系在一起的，第1种方案是将OBS的优先级与IP包的优先级对应封装，对高优先级的突发数据分组设置较长的偏置时间；第2种方案是所谓的混合封装方法，即在一个突发数据分组中可以封装多个不同优先级的IP包，但是次序是高优先级的包在前，低优先级的包在后。当有竞争发生时，突发包低优先级的尾部可以被丢弃，而高优先级的突发包部分则被通过。

    4  OBS和自动交换光网络

    综观国内外光网络研究和发展动向可以看出，基于波分复用技术的ASON成为下一代光网络的主流方向。ASON采用扩展的通用多协议标签交换(GMPLS)协议实现多粒度的交换和多层次的路由，实现网络资源的动态调配和连接的自动建立，将成为传送网发展演变的主要方向。

    下一代光网络是一个融合的网络，OBS能否融入ASON，OBS协议能否与GMPLS[2]结合，使OBS成为ASON中支持光域分组交换的技术，已成为人们关注的问题，也关系到OBS的应用前景。通过上面的分析，不难看出OBS和基于GMPLS的网络有很多相似的地方：

    (1)两者都是由边缘节点、核心节点和WDM链路组成，OBS网络在边缘节点将输入分组封装成突发数据分组，并产生控制分组；GMPLS网络在边缘节点将输入分组划分成等同转发类(FEC)，并分配标记。

    (2)两者都采用带外信令传输方式，载荷数据流在网络中都可实现透明传送和交换。

    (3)GMPLS网络可以用标签交换技术在入口-出口路由器之间建立半永久的数据通道；OBS网络可以通过控制分组在入口-出口边缘节点间为载荷建立透明的数据通道。

    (4)GMPLS采用嵌套标记交换路径(LSP)概念，支持波长信道级、波长组级和光纤级、SDH级等多粒度交换。有理由考虑通过协议扩展和节点结构的改善，也支持光突发分组的交换。

    由于光突发交换与GMPLS技术对未来网络组网技术的深远影响，可以将MPLS的标签交换思想引入到光突发交换中，从而产生标签光突发交换(LOBS)，如图6所示。LOBS将控制信道和数据交换信道进行分离，标签信息在控制包中，控制包应与GMPLS的控制平面成为一体。尽管这一解决方案尚有很多关键技术需要深入研究，但方案的解决将会对光网络的未来发展产生深远的影响。

    5  参考文献

    [1]QiaoChunming,MyungsikYoo.OpticalBurst Switching (OBS) ？ A New Paradigm for an Optical Internet [J]. High Speed Networks, 1999,8(1): 69-84.

    [2]IETFInternetDrafts.GeneralizedMulti-ProtocolLabel Switching (GMPLS) Architecture [EB/OL]. http://www.globecom.net/ietf/draft/draft-ietf-ccamp-gmpls-architecture-02.html.