光突发交换试验网的可行性分析

1 引言

　　宽带通信的发展刺激了大容量业务与需求的发展。吉比特(Gigabit)以太网与太比特(Terabit)级交换机的出现越来越要求建立高效、高容量、高带宽的光纤网络。从1998年秋季开始，面向互联网业务的下一代光网络，开始由IP over Sonet/SDH向IP over WDM网络发展。IP over WDM又被称为光因特网，指IP直接接入到WDM网络上或直接接入到光纤上。目前提出的实现IP over WDM的技术方案有3种：线路交换/波长路由、光分组/信元交换和光突发交换(OBS)。线路交换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。但线路交换是粗粒度的，不能实现统计复用，带宽利用率低，不适于传输突发速率的数据；对长距离网络来说，其回环时间与延迟长；由于波长数目有限，还不能建立全连接的网络，导致网络中负载的不均衡。光分组/信元交换能对DWDM的巨大带宽进行更灵活、更有效地分配和利用。然而光分组交换对光子器件提出了很高的要求，有很多关键技术(如快速严格同步、光缓存等)还有待突破。

　　为了结合这两种交换的优点，同时又克服二者的不足，即在较低的光子器件要求下，实现面向IP的快速资源分配和高资源利用率，光突发交换便被提出。它是一种单向资源预留方案。其控制分组和数据分组在时间上是分离的。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。核心交换节点/路由器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。不需要确认的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；而数据分组和控制分组的隔离、适合的颗粒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，如中间节点可以不使用缓存，不存在网络内的时隙同步问题等。

　　光突发交换是近几年来比较热门的研究方向［１］。光突发交换被认为是下一代光因特网的交换模式，是IP over WDM的一种探索。突发交换的概念是J. Kulzer于1984年提出的，但是直到近年来才应用到WDM光网络中。美国纽约州立大学Buffalo分校和诺基亚研究中心的M. Yoo、Chunming Qiao等对OBS经过比较深入的研究，提出了一种JET(Just Enough Time)信令协议，并研究了基于该协议的核心节点的结构和性能[1，2]。该协议能在WDM层实现基本的区分服务，支持服务质量(QoS)，并能提高资源利用率。该小组还开展了OBS交换中的组播和MPLS(多协议标签交换)在OBS交换中的运用研究，提出了MPLS与OBS相结合的方案——标签光突发交换(LOBS)。为了降低复杂性，Y. Wei等一些研究人员建议采用JIT(Just In Time)信令协议，JIT协议提供尽力而为的服务，不支持WDM层的QoS。英国伦敦大学学院(UCL)的P. Bayvel等人提出了一种波长路由光突发交换(WROBS)方案，并对其性能进行了研究。该方案以波长路由为基础，更接近线路交换，可以提供有保证的服务，并支持QoS，但网络的灵活性和带宽利用率低，而且虽然原理上可以以波长为标签实现MPLS，但由于涉及到对波长的操作，一些MPLS操作(如标签栈、标记交换路径——LSP融合等)难以实现。阿尔卡特研究中心的Yijun Xiong等人研究了OBS网络的控制结构和通道调度算法。从事这方面的研究还有美国德克萨斯大学、伊利诺斯州技术学院、北卡罗来纳州立大学、意大利的罗马大学等。国内一些大学和研究机构，近年来也开展了相关预研工作。国家“863”计划在“十五”期间，在2001年的第1批预研中选择了上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信国家重点实验室，进行光突发交换网络的探索研究，目前已发布了光突发交换试验网的重点项目研究指南。

　　2 光突发交换系统结构及网络模型

　　传统的光纤网络交换方式是在交换节点将光分组或者帧转变为电信号，在电交换层实现电路或分组交换，然后再转换为光信号。这样，由于电域的“瓶颈”效应，光网络的交换容量降低。通过全光交换的方式虽可以使光网络的容量大量增长，但光的电路交换颗粒度比较粗，带宽的利用率比较低。光分组交换的颗粒度比较细，但现在由于光的交换器件的影响，实现起来还比较困难。光的突发交换方式结合光的电路交换与光分组交换的优点，颗粒度适中，对器件的要求降低。表1是光突发交换与其他光交换方式的比较。

表1 光突发交换与其他交换方式的比较

　　2.1 光突发交换系统结构

　　图1给出光突发交换系统中的节点和网络结构，OBS体系结构包含3层：核心光层、边缘分配光层、接入层。核心光层由全光核心路由器构成，完成光分组数据的传送、路由和OBS网络管理，核心网络的核心OBS节点无需任何处理，进行突发数据的透明交换。边缘分配光层由光/电的边缘路由器构成，负责来自或发送接入层业务数据的分发服务，它们之间由WDM链路相连；在边缘节点收集来自接入网的流量，并会聚成较大的数据单元(即突发包)，为实现此目的，需事先通过控制信令预留资源，并配置交换矩阵。控制包与数据包(突发包)完全分离，通过不同波长传输。控制波长需经过光/电/光(O/E/O)处理，而数据在光域进行交换，透明传输。接入层是OBS层的用户层，可以为目前存在的各种网络如IP、ATM、SDH等，也可以是终端用户。图1中，左边边缘路由器将来自接入层的业务数据分别打成两个突发包，并沿着两条可能的路径通过OBS的核心层，最后到达右边边缘路由器，解包后发送业务数据到接入层。

图1 光突发交换系统中的节点和网络结构

　　2.2 光突发交换网络分层参考模型

　　与上述光突发交换系统中的节点和网络结构相对应，光突发交换网络分层参考模型分为接入层、OBS层和物理层。接入层是OBS层的用户层，OBS层向上层提供各种OBS服务，如IP、ATM、SDH等；也可以是终端用户，如VOD等；它又可分为适配子层、网络子层、链路子层。适配子层的功能是接入层和光层间比特率的适配，上层数据的会聚、分类和整形，及突发数据分组的组装和拆卸；网络子层的功能是读取控制分组中的信息，并根据网络的状况(资源、拓扑等)进行路由和通道调度，在源边界路由处还要完成分组头的产生和偏置时间的设置；链路子层通过波长和资源分配实现业务到物理媒质的控制，并对数据流进行比特控制以满足在物理媒质上传输的要求。物理层提供各个路由器件的物理全光连接，实现光比特的透明传输、放大功能。

　　3 核心技术及其可行性分析

　　3.1 高速光突发交换模块技术

　　光交换矩阵是光突发交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素，目前提出的光突发交换矩阵的典型结构有：基于空间光开关矩阵和基于阵列波导光栅(AWG)的光突发交换结构。所涉及的半导体光逻辑门(SOA)、波导开关、微电子机械光开关(MEMS)、液晶光开关等光开关技术和集成化都取得了很大的突破。

　　机械开关在插损、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。但它的开关尺寸比较大，开关动作时间比较长，一般为几十毫秒到毫秒量级，而且机械开关不易集成为大规模的矩阵阵列。随着液晶技术的成熟，液晶光交换机将成为光网络系统中的一个重要设备。该交换设备主要由液晶片、极化光束分离器、成光束调相器组成，而液晶在交换机中的主要作用是旋转入射光的极化角。由声光技术实现的光交换机可以实现微秒级的交换速度，可方便地构成端口较少的交换机，但它不适用于矩阵交换机。波导开关的开关速度在毫秒到亚毫秒量级，体积非常小，而且易于集成为大规模的矩阵开关阵列，但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差。光突发交换要求光开关速度达到微秒级，目前商用化的开关中只有铌酸锂开关、SOA开关满足要求，但使用这两种开关构成交换矩阵，造价相当昂贵。欧洲先进通信技术系统计划(ACTS)中的光分组交换关键技术(KEOPS)项目中采用的是SOA构成的16×16广播－选择型交换矩阵，这种结构需要N×(N+K)个SOA，N是输入端口数，K是光延迟线的数目。

　　能满足光突发交换速率的大型光开关矩阵还不成熟，光交换矩阵是光突发交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素，积极寻求适合于光突发交换的快速光交换矩阵显得极为重要，这也是今后光突发交换和光分组交换网络研究的主要内容之一。鉴于目前的光网络以全光作为信息的通道，路由控制则完全依赖于电子技术，因而光电混合将成为主流技术，全光处理还有待时日，故电光开关被普遍看好。其技术实现还将以有源薄膜(ATF)技术与平面波导继承(PIC)为突破口。

　　3.2 突发交换信令控制方法与同步技术

　　OBS网络控制的一个核心问题就是控制信令的设计。用于光突发交换的控制信令可以归纳为三大类：第1种方式为RFD(Reserve-a-Fixed-Duration)，该方式由控制分组中的偏置时间来决定带宽预留时间的长短，到时立即拆除连接，优点是无信令开销、易实现带宽资源的动态分配，资源利用率高。其改进的变形协议有：TAW(Tell-And-Wait)、JET、JIT、SCDT、LAUC和LAUC-VF等等［２］。第2种协议是TAG(Tell-And-Go)，该协议是先发送控制分组来预留带宽，紧接着发送突发数据，在中间节点需光纤延迟线(FDL)缓存突发数据，当发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。第3种协议是IBT(In-Band-Terminator)，该方式在突发数据流之后紧跟着IBT标识，整个过程由控制分组来预留带宽，由IBT标识拆除连接，因此最大的技术挑战是IBT标识的全光再生技术。

　　信令控制可以比作光突发包的大脑，由于目前光突发交换以控制与数据独立传输为特征，因而如何保证控制分组的丢失率最低(理想为零丢失率)极为关键。同时，控制分组与数据分组的非同步问题将在网络规模和负载增大时变得更为严重。因此，提高控制分组的QoS同样被提到重要层面来研究。

　　我们知道，千兆以太网中为了解决载波侦听多路接入/碰撞检测(CSMA/CD)引起的短帧传输效率过低的问题，也引入了突发帧的概念，但与光突发交换中的突发帧有所不同。在千兆网中，把在一个突发周期内一个源节点传送的所有以太网帧定义为一个突发帧，因为一个突发帧中每个以太网帧的目的节点可能不同，它们的帧间隔必须大于96 bit，以使目的节点能正确恢复时钟和判决阈值。而在光突发交换中，突发帧定义为在一个突发周期内传输的、目的节点相同的帧的集合，一个突发帧是作为一个整体进行光交换的。由于一个突发帧中的所有帧都传向同一目的节点，到达目的节点时各帧的时钟相位和振幅都相同，因此没必要保持96 bit的帧间隔，从而可以明显提高网络效率，但突发帧之间的间隔还是必须遵循一定的原则。在设计时，突发帧的长度也是一个需要仔细考虑的问题，特别是在需要考虑对实时业务的支持时，突发帧过长，引入的时延也长，会影响业务的实时性。同样，突发帧的长短对核心节点的阻塞率也是有影响的。

　　光突发交换的突发特性不可避免地引入突发接收和突发同步问题。边缘节点接收到的各突发帧可能来自不同的其他节点，它们的时钟相位和振幅都不相同，因此每一帧都要进行时钟同步和判决阈值提取。考虑到突发帧的长度，一般OBS中需要纳秒量级的时钟同步。传统的接收机采用锁相环技术来恢复时钟，恢复速度约为毫秒级，无法实现每秒吉比特速率的突发接收技术。因此在突发分组中设定一定长度的同步字节，通过详细的研究确定合适的同步字节的长度及码型。这样虽对网络效率有所影响，但有可能使用成熟的商用器件，大大降低了研究的复杂性和成本。其次，还可以研究采用快速锁相环(Fast PLL)技术实现纳秒级的突发接收。

　　3.3 边缘路由处的突发数据整合

　　IP数据包接入边缘节点后必须适配成突发分组才能接入光突发交换网，这涉及突发数据会聚、调度和突发分组帧格式的设计等问题。边缘节点包括边缘入口路由器和边缘出口路由器。边缘入口路由器完成数据分组的整合、适配，出口路由器完成相应的拆分、提取。突发数据虽然是可变长的，但考虑到各种因素，变化频率和幅度应该降低到最小，使得数据业务越平稳越好。在边缘入口节点，由于数据业务多来自分组交换网络(包括局域网、广域网、ATM网)，信息流具有长相关性(LRD)/自相似性，也就是说当对此业务流进行多时间尺度(毫秒～小时)的测量时，业务流会产生相似的特性，与传统的业务流模型(MMPP——调制马可夫泊松、MMBP——调制马可夫贝努利过程等)的短时相关性具有明显的不同。在设计边缘业务模型的时候，就是基于自相似模型，数据分组的到达间隔分布满足Pareto分布，而不是传统的泊松分布，通过一种有效的算法，利用时间器和队列长度特性来共同决定队列长度，使得会聚以后的数据突发尽可能减小长相关性。

　　3.4 波长／带宽分配算法与冲突解决方案

　　在波长路由网络，波长分配问题是网络设计中的一个关键问题，在光突发交换中，控制分组在每一个突发数据分组发送之前发送，虽然克服了波长一致性原则，波长资源是统计复用的，利用率也远远高于波长路由网络，但是在没有全光波长变换的情况下，波长分配问题仍是制约网络性能的一个重要问题，它通知该数据分组要通过的中间节点在预定的时段内为该分组预留资源(分配带宽)。如果预留失败，该数据分组被丢弃或使用反射路由送到其他节点。带宽的动态分配技术是OBS的一项关键技术，带宽分配技术的好坏直接影响网络的效率和性能。
由于数据分组在没有等到连接建立的确认信息之前就发送到线路上，很有可能在中间节点由于没有预约到资源而出现阻塞，此时只能丢弃。因为每一个数据突发都是被安排在一定路径的一定波长上的，所以只有在同一条链路、同一波长、同一时间有两个以上数据突发要使用资源的时候才会出现冲突。因此根据这3类属性：链路、波长和时间，我们可以考虑解决冲突的3类基本方法：偏射路由、波长变换和光缓存。

　　偏射路由是利用空闲链路解决冲突的方法［３］。在链路资源比较充足的情况下，这种方法有很好的性能，但其边缘入口节点偏置时间的确定、出口节点的重新排序以及公平性都是一些潜在的问题，而且在负荷较重的情况下，它的性能反而恶化。光波长变换是较理想的解决方案，但现在全光的波长变换器还没有商用，仍处在研究阶段。光纤延迟线可以用作光缓存器件，但由于各种限制，延迟时间最大可能是几十微秒，对于长的数据突发不能适用。

　　根据光突发交换的特点以及目前几个解决冲突的方法的可靠性与可行性，人们还是大多倾向于偏射路由。该方法等于将整个光网络作为一个光缓存器(OB)，所以可以认为光突发交换网就是一个光缓存网。其带来的弊病是占用了光网络的带宽资源，无形中等于增加了网络的负载，所幸现在的光纤通信技术已能提供对于目前需求来说几乎是无限的带宽。

　　3.5　网元与网络的生存性管理

　　作为一个网络设备，OBS的核心节点必须实现网管功能，以便实现和其他设备的互连互通以及相关的设备管理监测。根据现有的路由管理协议和光网管理协议，结合OBS技术、OBS核心节点设备的MIB(管理信息库)，中心SNMP(简单网管协议)管理站可以根据这个MIB结构对设备进行远程管理。具体网管功能包括：性能管理，如管理站可以通过SNMP代理实时获得设备的运行情况(端口的忙闲时间比、端口的数据流量等)；故障管理，如设备一旦出现故障，SNMP代理器将主动向管理站发送告警信息，报告故障的时间、位置等信息，以便网络管理员及时处理，当故障解除时，代理站也将发送故障解除的信息给管理站；配置管理，如SNMP管理站可以远程对设备进行配置(路由表的配置等)；安全管理，由于SNMP协议支持分布式的远程管理，必须对管理者的权限进行控制，以便保护设备不被恶意攻击。网管技术难点包括：网管数据的高速采集和处理，网管数据库的动态更新，对网络设备的实时监控，中心管理站和各代理器的标准SNMP通信。

　　根据现有成果［４，５］，例如多协议波长交换(MPλS)机制中可以实现故障定位、保护恢复等功能，在OBS网络中因为可以引入MPLS的概念，自然也可以进行网络生存性的研究。

　　另外，和一般的分组交换一样，光突发交换是无连接的，如果要引入一些面向连接的优势特征的话(比如引入GMPLS的机制)，就需要其他信令协议(CR-LDP或RSVP-TE)来完成。引入面向连接机制的一个好处是可以通过它来优化网络。突发交换在现行状况下实现依然是很困难的，主要是因为光存储、波长转换技术都还有待进一步成熟，而且成本很高，在存在持续时间较长的数据流的情况下，标签交换能够很好地提升网络的性能。基于标签的光突发交换(LOBS)结合了广泛讨论的标签技术，利用广义的标签(包括波长标签和通常的标签)来简化光突发交换的一些操作，同时改进其不足。携带标签的控制分组在预先建立的LOBS通路上传送。突发数据分组在控制分组确定的路径上传输和交换，扩展的显式路由和受限路由均可用于LOBS资源的分配和管理，扩展的内部网关协议(IGP)传送网络资源和拓扑信息，以减少不同核心节点波长资源的竞争。由于每个突发数据对应的标签信息(波长号、偏置时间等)是在控制分组上承载的，因此LOBS可不经过光/电/光转换，直接将多个业务分组整合为一个突发分组，不经过全光交换实现标签交换。

　　4 建议与思考

　　光突发交换网络目前还处于探索研究阶段，中国在“十五”“863”计划中的第1期与第2期项目中均将此项技术列入，相信可以在一个或几个方面有所突破。笔者认为，下一步应该考虑在国际范围内进行一些实质性的现场试验，利用现有国内／国际电信系统的备份光纤线路(或光波长备份通道)进行试验。国家科技部应该一方面通过申请国家有限的财政拨款，另一方面可积极与有经济条件的地方科委和国内外有优势的电信公司联手筹集研究经费，同时调动国内研究人员在国际上良好的合作关系，共同制定项目研究计划，建设下一代高速光因特网。

　　本文研究项目得到北京邮电大学纪越峰教授、伍剑副教授、高泽华讲师以及武汉邮电设计院洪小斌经理等有关专家的帮助，在此表示衷心感谢。

　　参考文献

1 Qiao C, Yoo M. Optical Burst Switching (OBS): A New Paradigm for an Optical Internet. J High Speed Networks, 1999, (8): 69—84
2 John Y Wei, McFarland R I. Just-In-Time Signaling for WDM Optical Burst Switching Networks. Journal of Lightwave Technology, 2000, 18(12)：2019—2037
3 Yoo Myungsik, Qiao Chunming. A Novel Switching Paradigm for Buffer-less WDM Networks. OFC/IOOC '99 Technical Digest , 1999, (3): 177—179
4 Yoo Myungsik, Qiao Chunming. Just-Enough-Time (JET): A High Speed Protocol for Bursty Traffic in optical networks. Digest of the IEEE/LEOS Summer Topical Meeting, 1997 :26 —27
5 Yoo Myungsik, Qiao Chunming, Dixit Sudhir. QoS Performance of Optical Burst Switching in IP-Over WDM Networks. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000, 18(10): 2062 —2071

　　作者简介

　　李新碗，上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信国家重点实验室副教授，IEEE LEOS会员。1990年学士毕业于苏州大学物理系，1993年硕士毕业于上海科技大学电子工程系，毕业后一直工作于上海交通大学。1997—1998年赴英国ESSEX大学作访问学者，2001年赴美国加州圣荷西OPCOM公司进行合作研究。作为课题负责人，承担国家“863”项目和部委及上海市科委发展基金项目4项，申请发明专利3项，获教育部和上海市科技进步奖两项。已发表研究论文20多篇，被EI收录9篇，参与出版国家“九五”重点图书一本。一直从事光交换器件、光分组与突发交换技术研究。

　　叶爱伦，上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信国家重点实验室教授。持有发明专利2项，申请发明专利3项，获国家和教育部及上海市科技进步奖5项。一直从事光器件技术研究。

　　陈建平，上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信国家重点实验室副主任，博士，教授，博士生导师，IEEE LEOS会员。承担国家“863”项目和部委及上海市科委发展基金项目5项，获教育部和上海市科技进步奖多项。

[摘要] 文章对光突发交换网络的产生背景、光突发交换网络模型及技术实现的可行性，以及进一步发展光突发交换网络需要关注的核心技术予以分析，最后对建设中国下一代高速光因特网提出一些建议与思考。

[关键词] 光突发交换；光分组交换；光因特网

[Abstract] The background of the emerging of OBS networks, the model of OBS networks and the feasibility to implement the OBS technology are reviewed at first. Then the key attention-drawing technologies to further develop the OBS networks are analyzed. At last, some suggestions and considerations on constructing the next generation high-speed optical Internet are presented.

[Keywords] Optical burst switching; Optical packet switching; Optical Internet