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光突發(fā)交換的原理和網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的結構

日期:2023/03/29 10:37:21

    密集波分復用(DWDM)技術(shù)為通信網(wǎng)絡(luò )提供了巨大的傳輸容量,逐步成為主流傳輸技術(shù)。伴隨著(zhù)DWDM技術(shù)的成熟和傳輸容量的快速增長(cháng),傳統的電子交換系統承受的壓力日趨增大,光交換技術(shù)的引入日顯迫切。

  與光信號的3種分割復用方式相對應,光交換也分為空分、時(shí)分和波分3種,分別完成空分信道、時(shí)分信道和波分信道的交換。

  從支持的業(yè)務(wù)類(lèi)型來(lái)看,光交換又可分為電路交換(波長(cháng)路由)和分組交換兩種方式。早在20世紀90年代初中期,人們就開(kāi)始研究光子交換技術(shù),ATM光交換、分組光交換成為熱門(mén)研究課題。人們期望通過(guò)光交換突破電子速率的限制,提高交換單元的吞吐量。但這些光交換需要高速光開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現,加上光邏輯器件還很不成熟,不能完成復雜的邏輯處理功能,所以只能實(shí)施電控光交換,即在電域上識別信頭,由電信號來(lái)控制光開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。由于電控光交換沒(méi)有擺脫電子“瓶頸”的限制,從而限制了它的發(fā)展和應用。至今,高速光開(kāi)關(guān)和光邏輯器件在技術(shù)上依然沒(méi)有重大的突破。

  基于波分交換或波長(cháng)路由的全光網(wǎng)在過(guò)去的數年中有了長(cháng)足的發(fā)展,正在逐步得到規模應用。全光網(wǎng)是指為客戶(hù)層信號提供光域處理的傳送網(wǎng)絡(luò ),包括光域的傳送、復用、選路、監視和生存功能等。完成交換功能的主要是光交叉連接器(OXC)和光分插復用器(OADM)。在經(jīng)過(guò)數年的研究、實(shí)驗后,全光網(wǎng)絡(luò )現正向智能化的方向發(fā)展,自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò )(ASON)就是其向智能化發(fā)展的主流方向。

  嚴格地講,波分光交換與波長(cháng)路由不同。波分交換網(wǎng)絡(luò )必須具備波長(cháng)變換器,而波長(cháng)路由網(wǎng)絡(luò )是利用波長(cháng)的不同來(lái)實(shí)現選路。波長(cháng)路由網(wǎng)絡(luò )屬于電路交換方式,采用雙向資源預留方式設置光通路,中間節點(diǎn)不需要光緩存,可提供有保證的服務(wù)。但電路交換是粗粒度的,以波長(cháng)或波長(cháng)組為交換的粒度,帶寬利用率較低,不能實(shí)現統計復用,不適于像IP這樣的突發(fā)業(yè)務(wù)。

  光突發(fā)交換(OBS)由QiaoChunming等人提出[1]。其設法綜合較大粒度的波長(cháng)(電路)交換和較細粒度的光分組交換兩者的優(yōu)點(diǎn),并克服了這兩種交換方式的不足,在較低的光子器件要求下,實(shí)現了面向IP的突發(fā)業(yè)務(wù)的快速資源分配和高資源利用率,因此能有效地支持上層協(xié)議或高層用戶(hù)的突發(fā)業(yè)務(wù)。

  1 OBS的網(wǎng)絡(luò )結構和節點(diǎn)結構

  在OBS網(wǎng)絡(luò )中,有兩種光分組數據流:包含路由信息的突發(fā)控制分組(BCP)和承載業(yè)務(wù)的突發(fā)數據分組(BDP)??刂品纸M在波分復用(WDM)傳輸鏈路上的某一特定信道中傳送,在OBS網(wǎng)絡(luò )中要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的電子處理;而數據分組在另一個(gè)不同的波長(cháng)信道上傳送,在OBS網(wǎng)絡(luò )中不需經(jīng)過(guò)光電/電光轉換和中間節點(diǎn)的電子轉發(fā),保持端到端的透明傳輸和交換??刂品纸M先于數據分組在特定DWDM(密集波分復用)信道中傳送,預約網(wǎng)絡(luò )資源。核心交換節點(diǎn)根據控制分組中的信息和網(wǎng)絡(luò )當前的狀況為相應的數據分組預留資源,建立全光通路。數據分組經(jīng)過(guò)一段延遲后,在不需要確認的情況下直接在預先設置的全光通道中透明傳輸。這種單向預留方案減小了建立通道的延遲等待時(shí)間,提高了帶寬利用率。

  這種將數據信道與控制信道分離的方法簡(jiǎn)化了突發(fā)數據交換的處理,且控制分組長(cháng)度非常短,因此使高速處理得以實(shí)現。數據分組和控制分組的隔離、適合的交換顆粒度、較低的控制開(kāi)銷(xiāo)及非時(shí)隙交換方式降低了對光子器件的要求和中間交換節點(diǎn)的復雜度。在OBS網(wǎng)絡(luò )中,中間節點(diǎn)可以不使用緩存,也不存在網(wǎng)絡(luò )內的時(shí)隙同步問(wèn)題等。

  給出一種OBS網(wǎng)絡(luò )結構和節點(diǎn)結構示例。OBS網(wǎng)絡(luò )可以基于WDM光網(wǎng)絡(luò ),實(shí)現不同鏈路、不同波長(cháng)信道間突發(fā)數據分組的交換。在OBS網(wǎng)絡(luò )中數據分組和控制分組在不同的波長(cháng)信道上、相差一個(gè)偏置時(shí)間傳輸??紤]交換節點(diǎn)光開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間,數據分組前后必須留有保護時(shí)間。

  OBS網(wǎng)絡(luò )主要由邊緣節點(diǎn)、核心節點(diǎn)和DWDM鏈路構成。入口邊緣節點(diǎn)按照數據包的目地地址和服務(wù)等級(CoS)等信息,對數據包進(jìn)行分類(lèi)、緩存和封裝,組合成突發(fā)數據分組,并產(chǎn)生控制分組,然后發(fā)送給與之最鄰近的OBS核心節點(diǎn)。核心節點(diǎn)根據控制分組的路由信息,對到達的突發(fā)數據包進(jìn)行交換。出口邊緣節點(diǎn)將BDP拆卸,發(fā)送到其他子網(wǎng)或終端用戶(hù)

  OBS的主要優(yōu)點(diǎn)為:具有中等交換粒度。突發(fā)分組的長(cháng)度可以從幾個(gè)分組到一個(gè)短的會(huì )話(huà),只使用一個(gè)控制分組,從而使每個(gè)數據單元具有較低的控制開(kāi)銷(xiāo)。從不同源端到不同宿端的突發(fā)分組可以利用統計復用的方式,有效地利用鏈路上相同波長(cháng)的帶寬,帶寬使用效率較高。BHP和BDP的分離,有效降低了中間交換節點(diǎn)的復雜度和對光器件的要求。中間節點(diǎn)可以不需要光緩存,同步要求低。帶寬單向預留,等待時(shí)延短。

  2 OBS的MAC層和封裝技術(shù)

  為了完成突發(fā)數據分組的生成,邊緣節點(diǎn)的層次結構中需要有媒體接入控制(MAC)層。圖3給出基于WDM的MAC功能及突發(fā)數據分組的形成過(guò)程。從圖3可以看出,在輸入邊緣節點(diǎn)處的MAC層需要完成以下功能:把輸入的分組封裝成突發(fā)分組,突發(fā)分組的長(cháng)度可以相等,也可以不等。將突發(fā)分組送入排隊隊列,當突發(fā)包位于隊首時(shí),設置一個(gè)合適的偏置時(shí)間,并且發(fā)送一個(gè)包含有路由信息、突發(fā)包長(cháng)度和偏置時(shí)間等信息的控制分組。將數據包成幀,經(jīng)過(guò)一個(gè)合適的偏置時(shí)間后,發(fā)送入光層。

  在出口邊緣節點(diǎn),OBSMAC層的功能只是簡(jiǎn)單地將突發(fā)數據拆裝,抽取出IP數據包。OBSMAC層所產(chǎn)生的時(shí)延包括突發(fā)數據包封裝時(shí)延、排隊時(shí)延以及突發(fā)數據包與控制包之間的偏置時(shí)間。

  突發(fā)封裝是OBS網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)重要課題,常見(jiàn)的突發(fā)封裝技術(shù)一種基于定時(shí)器,另一種基于閾值。在基于定時(shí)器的突發(fā)封裝法中,突發(fā)數據以固定間隔產(chǎn)生,被周期性送入光網(wǎng)絡(luò )中,突發(fā)的長(cháng)度是可變的;在基于閾值的突發(fā)封裝法中,突發(fā)的長(cháng)度通常是固定的。

  給出一種突發(fā)數據的成幀格式示例。其中PT為載荷類(lèi)型,PL為載荷長(cháng)度,NOP為IP數據包數目,偏移指示數據填充首字節的位址和收端同步信息。

  3 OBS的協(xié)議

  為了使OBS網(wǎng)絡(luò )能高效地協(xié)調數據分組和控制分組之間的工作,研究人員開(kāi)發(fā)了大量的帶寬接入控制協(xié)議。為了避免控制信令的全光提取,OBS采用帶外信令方式,主要代表是通知-發(fā)送(TAG)協(xié)議和預留固定時(shí)段(RFD)協(xié)議。

  TAG協(xié)議在源端先發(fā)送控制分組來(lái)預留帶寬,當傳送完突發(fā)數據流后再發(fā)送用于釋放連接的分組來(lái)拆除連接。RFD協(xié)議與TAG類(lèi)似,但源端發(fā)出的控制信號中含有突發(fā)長(cháng)度信息,用于向中間節點(diǎn)預定鏈路保持時(shí)間,數據分組要等待一個(gè)偏置時(shí)間后才可發(fā)送,從而使資源利用率提高,基于該方法的一個(gè)杰出代表是恰好足夠時(shí)間(JET)協(xié)議。

  執行JET協(xié)議時(shí),源端節點(diǎn)在發(fā)送突發(fā)數據分組前,首先在控制通道上向宿端節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)控制分組,該控制分組在中間節點(diǎn)上進(jìn)行處理,為將要發(fā)送的數據分組建立一條全光的通道。JET使用延時(shí)預留(DR)方式預約帶寬,它的控制開(kāi)銷(xiāo)信號中含有突發(fā)數據的長(cháng)度信息和偏置時(shí)間信息,信源發(fā)出控制開(kāi)銷(xiāo)信號后,等待一個(gè)偏置時(shí)間T后再發(fā)送突發(fā)數據,T的大小足以補償控制開(kāi)銷(xiāo)在各個(gè)中間節點(diǎn)所經(jīng)歷的處理時(shí)間,即T≥n×δ,其中n是中間節點(diǎn)數目,δ是一個(gè)節點(diǎn)處平均的開(kāi)銷(xiāo)處理時(shí)間,從而可以使所有中間節點(diǎn)不再需要光纖延遲線(xiàn)(FDL)。為了減少網(wǎng)絡(luò )端到端的等待時(shí)延,應該盡量設置較小的偏置時(shí)間,但是過(guò)小的偏置時(shí)間不易解決多點(diǎn)通信中的信道竟爭問(wèn)題,會(huì )造成數據丟失或擁塞。若控制分組不能在某一中間節點(diǎn)預留帶寬,將不得不丟棄突發(fā)數據分組。拒絕的確認信息發(fā)送回源端,稍后源端將再次發(fā)送控制分組和突發(fā)分組。丟棄突發(fā)分組將浪費部分通道帶寬,增加數據分組的傳輸時(shí)延。因此,OBS網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)重要的設計問(wèn)題是如何解決資源競爭和提供區分服務(wù)。

  在使用JET協(xié)議的OBS網(wǎng)絡(luò )中,通過(guò)調節偏置時(shí)間T可以確定服務(wù)的優(yōu)先級。因為增加偏置時(shí)間不僅有利于迂回路由,而且使對應的控制分組可以更成功地預留帶寬。有兩種優(yōu)先級方案是與突發(fā)封裝聯(lián)系在一起的,第1種方案是將OBS的優(yōu)先級與IP包的優(yōu)先級對應封裝,對高優(yōu)先級的突發(fā)數據分組設置較長(cháng)的偏置時(shí)間;第2種方案是所謂的混合封裝方法,即在一個(gè)突發(fā)數據分組中可以封裝多個(gè)不同優(yōu)先級的IP包,但是次序是高優(yōu)先級的包在前,低優(yōu)先級的包在后。當有競爭發(fā)生時(shí),突發(fā)包低優(yōu)先級的尾部可以被丟棄,而高優(yōu)先級的突發(fā)包部分則被通過(guò)。

  4 OBS和自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò )

  綜觀(guān)國內外光網(wǎng)絡(luò )研究和發(fā)展動(dòng)向可以看出,基于波分復用技術(shù)的ASON成為下一代光網(wǎng)絡(luò )的主流方向。ASON采用擴展的通用多協(xié)議標簽交換(GMPLS)協(xié)議實(shí)現多粒度的交換和多層次的路由,實(shí)現網(wǎng)絡(luò )資源的動(dòng)態(tài)調配和連接的自動(dòng)建立,將成為傳送網(wǎng)發(fā)展演變的主要方向。

  下一代光網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)融合的網(wǎng)絡(luò ),OBS能否融入ASON,OBS協(xié)議能否與GMPLS[2]結合,使OBS成為ASON中支持光域分組交換的技術(shù),已成為人們關(guān)注的問(wèn)題,也關(guān)系到OBS的應用前景。通過(guò)上面的分析,不難看出OBS和基于GMPLS的網(wǎng)絡(luò )有很多相似的地方:

  (1)兩者都是由邊緣節點(diǎn)、核心節點(diǎn)和WDM鏈路組成,OBS網(wǎng)絡(luò )在邊緣節點(diǎn)將輸入分組封裝成突發(fā)數據分組,并產(chǎn)生控制分組;GMPLS網(wǎng)絡(luò )在邊緣節點(diǎn)將輸入分組劃分成等同轉發(fā)類(lèi)(FEC),并分配標記。

  (2)兩者都采用帶外信令傳輸方式,載荷數據流在網(wǎng)絡(luò )中都可實(shí)現透明傳送和交換。

  (3)GMPLS網(wǎng)絡(luò )可以用標簽交換技術(shù)在入口-出口路由器之間建立半永久的數據通道;OBS網(wǎng)絡(luò )可以通過(guò)控制分組在入口-出口邊緣節點(diǎn)間為載荷建立透明的數據通道。

  (4)GMPLS采用嵌套標記交換路徑(LSP)概念,支持波長(cháng)信道級、波長(cháng)組級和光纖級、SDH級等多粒度交換。有理由考慮通過(guò)協(xié)議擴展和節點(diǎn)結構的改善,也支持光突發(fā)分組的交換。

  由于光突發(fā)交換與GMPLS技術(shù)對未來(lái)網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)技術(shù)的深遠影響,可以將MPLS的標簽交換思想引入到光突發(fā)交換中,從而產(chǎn)生標簽光突發(fā)交換(LOBS),如圖6所示。LOBS將控制信道和數據交換信道進(jìn)行分離,標簽信息在控制包中,控制包應與GMPLS的控制平面成為一體。盡管這一解決方案尚有很多關(guān)鍵技術(shù)需要深入研究,但方案的解決將會(huì )對光網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。