光突发交换技术关键问题研究

摘要:光突发交换(OBS)网络被认为是下一代光纤通信网络的典型代表。本文阐述了光突发交换网络体系结构和基本原理,重点研究了光突发交换网络的恰量时间(JET)协议和竞争解决方案,最后对光突发交换技术的发展做出了探讨。

关键词:光突发交换 竞争

随着互联网业务的快速发展和各种新型业务的出现,以IP为主的数据业务呈现爆炸式的增长,这样不仅对网络提出了更高的要求,也促进了它的飞速发展,同时以波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)为核心、以智能光网络为目标的光传送网进一步将控制平面引入光层,满足了未来网络对多粒度信息交换的需求,提高了资源利用率和组网应用的灵活性,因此,随着不断增长的业务需求的刺激和技术的提高光交换技术得到了显著的发展。目前光交换网络研究的热点技术主要有光电路交换OCS(Optical Circuit Switching)、光分组交换OPS(Optical Packet Switching)、光突发交换OBS(Optical Burst Switching)。OBS网络结合了OCS和OPS彼此的技术优势,具有交换力度适中,带宽利用率高等优势,因而为有效支持IP业务的新一代光网络提供有力的解决方案[1]。

1 OBS的体系结构和基本原理 OBS的网络结构如图1所示。

OBS网络由处于网络边缘的边缘路由器、位于网络中心的核心路由器以及WDM链路等组成[2,3]。入口边缘路由器按照数据包的目的地址和服务等级CoS(Class of Service)等信息对数据包进行分类,缓

存和封装,组合成突发数据包BDP(Burst Data Packet),并产生突发控制包BCP(Burst Control Packet),然后发送给与之最邻近的核心路由器。核心路由器根据BCP的路由信息,对到达的BDP进行交换。同时边缘路由器提供各种网络接口,使之可以完成各种协议类型的网络互联,在网络的出口处,边缘路由器将突发数据包拆卸,发送到其他子网或终端用户。光突发交换技术的原理如图2所示。

如图所示,一根光纤上的WDM信道被分成两组,其中一组用于传输突发控制包,称为控制信道;另一组则用于传输突发数据包,称为数据信道。这种突发数据包和突发控制包分离传输的特点有利于核心路由器在突发数据包到达之前就根据突发控制包中的信息预留好宽带。

2 关键技术

OBS的关键技术主要的方面有:恰量时间协议、竞争解决方案,QoS解决方案,数据封装等,这里只介绍前两种。

2.1 恰量时间协议

基于OBS网络的传输控制协议有以下三类:带外信令控制方式即TAG(Tell-And-Go)协议,带内标识控制方式即IBT(In-Band-Terminator)协议、通过预留固定时间实现节点的自动控制即RFD(Rerserver-a-Fixed-Duration)协议。TAG协议实现简单,但吞吐量较低。IBT协议是在TAG协议的基础上,在BCP的尾部放置一个结束标识位,提高了信道利用率,但加大了难度。在RFD协议中,资源预留

是利用BCP中的偏置时间和BDP的长度实现的。BCP比BDP提前一个偏置时间出发,当中间路由器收到该BCP后,读取其中的信息,将其转发到下游路由器,下游路由器根据偏置时间和BCP的长度计算交叉连接的建立时间和拆除时间,并写入时间表以便在对应的时间到达时进行相应的操作,因此RFD协议信令开销小,信道利用率较高。

JET(Just-Enough-Time)协议是RFD的典型代表,它的两个特性是偏置时间和延迟预约[4,5]。偏置时间是BCP与BDP的发送时间间隔,这只是一个估计值,当网络出现拥塞时,数据包就会竞争资源,这时可以通过分配额外偏置时间,来大大降低优先级业务的丢包率。延迟预留机制的原理如图[4,5,6]3所示。

如图所示,在节点i的输出链路上,如果采用JIT(Just-In-Time)协议,则资源的预留是从Ta时刻开始的,资源释放是在收到RELEASE消息或者超时命令才完成,即图中Tr时刻,对于JET协议,资源的预留完全可以在BDP到来之前完成,即图中的Ts时刻,而且根据BDP的长度进行资源自动释放,即图中的Ts+L时刻,如果有一个BDP在T(i)时间段或者Ts+L时刻后到达,并且它的发送时间与Ts至Ts+L时间段无冲突,那它就能顺利的完成数据包传送。所以,延迟预约机制减少了资源占用时间,提高了信道利用率,进而降低了网络的丢包率。

2.2 竞争解决方案

如果两个或多个输入BDP要求在同一端口、同一数据信道输出,

就会产生竞争。BDP竞争会导致数据丢失,因此如何降低竞争导致的数据丢失率就成为OBS网络中需要解决的关键问题之一。目前竞争解决方案主要有以下五种:

第一,光缓存,由于在光域内没有可用的光处理器,因此不能完全采用电域内的交换机制。光缓存的一种可行的方法是采用光纤延迟线FDLs(Fiber-Delay Lines)和其它光器件将BDP延迟一段时间,虽然光缓存引起了功率损耗,但我们引入了光信号放大和再生,因而能在一定程度上减少突发数据包的丢失率,尤其是在低负债情况下,性能改善效果明显;第二,波长变换,这是从波长域考虑的。当两个或多个BDP出现竞争时,其中一个BDP直通,另外的BDP则用不同的波长交换到同一输出端口。它能最有效地降低光分组/突发的丢包率,延时性能很好,但需要快速可调谐变换器,不仅增加了成本,而且技术尚不成熟;第三,偏射路由,偏射路由是当没有缓存可用时的一种解决方案。当竞争发生时,其中一个BDP利用所预留的资源发送,其他的则路由到另外的可选输出端口。这种方法适用于网络负载比较轻的场合;第四,突发分割,当多个BDP发生竞争时,不是丢弃整个的BDP,而是分段丢弃,只丢弃冲突的数据段,分段丢弃的方案设计简单,成本低。但被分段的部分采用不同的路径,到达的顺序可能不一致,所以控制复杂;第五,多种技术融合,不同的竞争解决方案都有各自的优缺点,所以单独利用上述几种解决机制的效果总是有限的。实际应用中可以综合考虑各种性能指标,使用多种技术结合,实现优势互补,以更好的解决OBS网络中突发数据包的竞争问题[1,6]。

3 结语

OBS技术是为了满足业务增长的需求发展起来的,它具有时延小,带宽利用率高,数据透明,交换灵活,智能化等优点,近年来已引起国内外学术界和科研院所的高度重视。虽然OBS在标准和协议方面还不成熟,有很多技术还在研究当中,但随着高速光器件,快速信令同步技术,波长变换技术等方面的成熟,光突发交换技术将得到飞速发展,有望成为下一代IP骨干网的核心技术[7,8]。

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